DE2637284C3

DE2637284C3 - Verfahren und Anordnungen zur automatischen Parallaxebestimmung

Info

Publication number: DE2637284C3
Application number: DE2637284A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl.-Phys. 6331 Nauborn Probst
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Leica Microsystems Holdings GmbH
Priority date: 1976-08-19
Filing date: 1976-08-19
Publication date: 1980-02-14
Also published as: CH618262A5; GB1528306A; JPS6214761B2; US4158131A; JPS5324859A; DE2637284A1; DE2637284B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automati-

JO sehen Parallaxebestimmung bei stereoskopischen, vorzugsweise zweiäugigen optischen Systemen mit mindestens einer sich bewegenden Rasterstruktur im Abbildungsstrahlengang, beispielsweise bei einem Basisentfernungsmesser, mit in einem solchen System aus unterscheidbaren Lichtflüssen gewonnenen elektrischen Signalen. Die Erfindung betrifft ferner Anordnungen zur Durchführung dieser Verfahren.

Bei sicreoskopischen optischen Systemen ist es erwünscht, daß die Parallaxe zwischen zwei Teilbildern automatisch bestimmt wird. Dies gilt beispielsweise für Basiscnlfcrnungsmesser oder für die Auswertung von Stereol'jftbildern. Hierfür wurden bereits unterschiedliche Systeme zur optisch-elektrischen Abtastung sowie zur Weiterverarbeitung der dabei anfallenden elektri-

■15 sehen Signale vorgeschlagen.

Eine solche Anordnung ist in F i g. 1 gezeigt, bei welcher die Grundwclle der anfallenden Signale genutzt wird. Zwei Objektive 10 und 11. welcne die Lichtkanäle bestimmen, bilden über Umlenkspiegel 12, 13, 14, 15 ein nicht mit dargestelltes Objekt auf eine Rasterstruktur 16 ab, welche durch einen von einem Generator 17 gespeisten Antrieb 17' senkrecht /u den optischen Achsen 18, 19 bewegt wird. Jeder optischen Achse ist ein fotoelcktrischer Empfänger 20, 21 zugeordnet.

welche die Rasterstruktur passiert habende Lichtanteile in elektrische Signale umwandeln. Jedem Empfänger 20, 21 ist ein mit einem vom Generator 17 abgeleiteten Referenzsignal gesteuerter Phasendiskriminator 22, 23 nachgeschaltet, und der dem ersten Kanal zugeordnete Diskriminator 22 ist mit seinem Ausgang über einen Regler 24 mit dem Antrieb 17' der Rasterstruktur 16 verbunden, während das Ausgangssignal des Diskriminator 23 über einen Regler 26 auf einen Verstellmechanismus 25 einwirkt, welcher den Spiegel 15 schwenken

<i5 kann.

Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist so, daß der erste Kanal die Ortsphasendifferenz bestimmt und über den Regler 24 die mittlere Lage der Rasterstruktur so

lange verschiebt, bis sein Ausgangssignal zu Null geworden ist. Der Phasendiskriminator 23 zeigt in diesem Fail die Parallaxe an. Ober den Regler 26 und den Antrieb 25 des Spiegels 15 wird die resultierende Parallaxe auf Null abgeglichen.

Nachteilig ist hier, daß zwei Regelkreise benötigt werden, die über die Rasterstruktur miteinander verkoppelt sind.

In der US-PS 37 10 124 ist ein Verfahren beschrieben, das von der Grundwelle und der 2.0beiwelle ausgeht. Der Nachteil des dort Beschriebenen liegt darin, daß, wie sich zeigen läßt, die Genauigkeit des Meßergebnisses von der Genauigkeit abhängt, mit welcher die Verstärkung eingestellt wird, die wiederum von den Amplituden der Grundwelle und der 2. Oberwelle abhängt

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde. Verfahren sowie Anordnungen zu ihrer Durchführung zu schaffen, welche die aufgezeigten i '.achteile nicht aufweisen. Die zur Durchführung geeigneten Anordnungen sollen insbesondere einfacher im Aufbau und damit weniger störanfällig sein, sie sollen aber nach Möglichkeit noch bessere und/oder einfacher auswertbare Signale liefern.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei Verfahren der eingangs genannten Art dadurch, daß zwei der gewonnenen elektrischen Eingangssignale differenziert werden, daß jedes der bei der Differentiation entstandenen Signale mit dem anderen gewonnenen elektrischen Eingangssignal multipliziert wird, daß dann die aus diesen Multiplikationen entstehenden Signale voneinander subtrahiert werden, und daß das aus der Subtraktion resultierende Signal mit einem auf die Relativbewegung der Rasterstruktur bezogenen Referenzsignal multipliziert wird und das bei dieser Multiplikation entstehende Signal eine Anzeige- und/oder Servoeinrichtung steuert. Das aus der letztgenannten Multiplikation entstandene Signal kann noch geglättet werden. Mit Vorteil können noch die gewonnenen elektrischen Eingangssignale gesiebt werden. Auch können aus den zu subtrahierenden Signalen oder aus dem durch Subtraktion gewonnenen Signal Gleichsignalanteile eliminiert werden.

Eine Anordnung zur Durchfuhrung des Verfahrens, zeichnet sich dadurch aus, daß beide mittels fotoelektri· scher Empfänger gewonnenen elektrischen Eingangssignale je einer Differenzierstufe zugeführt werden, denen 'e eine Multiplikationsstufe nachgeschaltet ist, welchen jeweils das andere Eingangssignal mit zugeführt wird, daß die Ausgangssignale dieser Multiplikationsstufen einer Subtrahierstufe zugeführt werden, deren Ausgangssignal in einer nachgeschalteten Multipiikalionsstufe auf einem auf die Relativbewegung der Rasterstruktur bezogenen Referenzsignal multipliziert wird, und daß deren Ausgangssignal einer nachgcschaltetcn Anzeigeeinrichtung und/oder einer Servoeinrichtung zugeführt wird. Dabei kann der letzten Multiplikalionsslufe eine Integrationsstufe nachgeschaltet sein. Den fotoeleklrischen Empfängern könm.-n Tiefpaßfilter nachgeschaltet sein. Der Subtrahierstufe können Hochpaßfilte· vorgeschaltet, es kann ihr aber auch ein Hochpaßfilter nachgeschaltet sein. Zur Erzeugung des Referenzsignals können eine Differenzierstufe oder ein zusätzlicher Abtaster vorhanden sein. Es kann dazu aber auch ein mit entsprechenden Ausgängen versehener Generator vorhanden sein. Die letztgenannte Multiplizierstufe läßt sich als phasenempfindlichtr Gleichrichter, als elektronischer Schalter oder als Ringmodulalor darstellen.

Wie sich gezeigt hat, läßt sich nach dem neuen Verfahren die aus der Parallaxe resultierende Phasendifferenz, welche in einem geschlossenen Regelkreis beispielsweise durch ein optisches Stellglied zu Null gemacht werden soll, unabhängig von den Amplituden der Eingangssignale bzw. deren Relativphasenlage regeln.

Als Beispiel zur Erläuterung sei angenommen, daß das neue Verfahren im Zusammenhang mit einem Basis-Entfernungsmesser angewendet werden soll, in dessen beiden Kanälen in Bildebenen Raster montiert sind, welche mit einer Amplitude von ¹A Rasterperiode schwingen. An den Gittern nachgeordneten fotoeleklrisehen Empfängern treten dann elektrische Signale St Uiid S> auf, die sich aus einem Grundwellenanteil sin ω; und einem Oberwellenanteil cos 2 ωί zusammensetzen.

Sie haben im Idealfall die Form

S, [1) = C₁ (cos Φ sin >»t + K sin Φ cos 2 ₍..t)

S₂ (t) = C₂ (cos [0+ V] sin <·<ι + X sin [Φ+ V] cos 2 «1 J);

dabei sind Ci und C2 Amplitudenfaktoren, die durch Regelung möglichst konstant und gleich groß gehalten werden sollen. Der Faktor K entspricht dem Verhältnis von Oberwellen- zur Grundwellenamplitude, er hat bei einer Schwingungsamplitude des Rasters von etwa ¹A Teilungsperiode angenähert den Wert 0,5. Φ ist eine beliebige \nfangsphase, die sich aus der zufälligen Phasenlage zwischen dem Bild des angemessenen Objektes und dem Raster ergibt. (P ist die aus der Parallaxe zwischen den beiden Kanälen resultierende Phasendifferenz.

J5 Es gilt nun, diejenige Kombination der beiden genannten Signale zu finden, die im Abgleichfall unabhängig von den Amplituden der beiden Signale und ihrer Phasenlage Φ ist. Außerdem soll diese Kombination unter Einsatz möglichst wenig aufwendiger Mittel realisierbar sein.

Erfindungsgemäß wird die Kombination

S_r = (S, S₂-S₁- S₁) cos et

verwendet, wobei die über den Buchstaben angebrachten Punkte angeben, daß es sich um zeitlich differenzierte Signale handelt. Durch Einsetzen der entsprechenden Größe ergibt sich

S₁.= -74 ω KG G sin (P.

Für (P = 0 ist also — wie gewünscht — S₁- = 0, und zwar unabhängig von den Grüßen Φ, Ci und G-

Für (P φ 0 dagegen wirken die Amplitudengrößen mit. Und da S_c proportional zu sin (P ist, ist ein vorzeichenrichtiger und symmetrischer Abgleich im Bereich (P = ±180° möglich.

Als Prinzipschaltbild stellt sich die gefundene Lösung wie in der Zeichnung in Fig. 2 beispielsweise gezeigt dar:

Die beiden mittels der beiden Objektive 10, 11 und der Umlenkspiegel 12 bis 15 eines Basisentfernungsmessers sowie eines bewegbar gelagerten, von einem Antrieb 31 in Schwingbewegungen versetzten Rasters 16 als Rasterstruktur und zweier fotoelektrischer Empfänger 20, 21 aus den Strahlengängen in Abhängigkeit vom Objekt gewonnenen Eingangssignale Si (t)und S2 (t) werden je einer Differenzierslufe 32,33 zugeführt,

deren Ausgangssignale jeweils zusammen mit dem anderen Eingangssignal in eine Multiplikationsstufe 34 bzw. 35 eingespeist werden. Deren Ausgangssignale werden in einer nachgeschalteten Stufe 36 voneinander subtrahiert und dann das sich darauf ergebende Signal in einer weiteren Multiplikationsstufe 37 mit einem auf die Relativbewegung der Rasterstruktur 16 bezogenen Referenzsignal multipliziert. Das somit erhaltene Signal Sc ist das gewünschte Stellsignal, welches noch — falls erforderlich oder erwünscht — mittels einer nachgeschalteten, beispielsweise als Integrationsstufe ausgebildeten Glättungsstufe 38 (gestrichelt angedeutet) geglättet werden kann, bevor es den im Regelkreis befindlichen Antrieb 25, welcher den drehbar befestigten Umlenkspiegel 15 schwenkt, und/oder eine Anzeigevorrichtung 39 speist.

Die Ableitung des Referenzsignals läßt sich auf unterschiedliche Weise erreichen. Einmal kann man zur Speisung des Rasterantriebs 31 einen Generator 42 verwenden, der zusätzlich einen weiteren Ausgang aufweist, welcher das gewünschte Referenzsignal liefert. Eine andere Möglichkeit ist die Ableitung direkt aus dem Speisesignal für den Antrieb 31, beispielsweise durch Differentiation mittels einer Stufe 43, wie dies gestrichelt angedeutet ist. Auch ist es möglich, das Referenzsignal unter Verwendung eines zusätzlichen fotoelektrischen Empfängers 44 zu gewinnen, der die Raslerstruktur 16 direkt abtastet. Dieser Empfänger 44 ist ebenfalls gestrichelt angedeutet.

Die Multiplikationsstufe 37 läßt sich auf unterschiedliche Weise realisieren. Sie kann als analoger Multiplizierer durch einen phasenempfindlichen Gleichrichter oder durch einen elektronischen Schalter oder durch einen Ringmodulator dargestellt werden.

Es kann von Vorteil sein, zur Signalverbesserung aus dem Ausgangssignal der Sublrahierstufe Gleichsignalanteile zu eliminieren. Dies kann beispielsweise mittels eines (in der Zeichnung gestrichelt angedeuteten) der Subtrahierstufe 36 nachgeschalteten Hochpasses 36' oder zweier entsprechenden, vorgeschalteten Hochpässen 36" erfolgen.

Auch die Eingangssignale lassen sich durch Filtermittel verbessern. Dazu kann man den foloelektrischen Empfängern 20, 21 je einen Tiefpaß nachschalten, um die Rausch-Signalanteile dieser Empfänger zu vermindern.

Die Rasterstruktur kann einerseits körperlich als Gitter oder Raster, andererseits funktionell aber auch beispielsweise mittels Ultraschall- oder elektrischer Ablenkfelder dargestellt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Potentansprüche:

1. Verfahren zur automatischen Parallaxebestimmung bei stereoskopischen, vorzugsweise zweiäugigen optischen Systemen mit mindestens einer sich bewegenden Rasterstruktur im Abbildungsstrahlengang, beispielsweise bei einem Basisentfernungsmesser mit in einem solchen System aus unterscheidbaren Lichtflüssen gewonnenen elektrischen Signalen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der gewonnenen elektrischen Eingangssignale differenziert werden, daß jedes der bei der Differentialion entstandenen Signale mit dem anderen gewonnenen elektrischen Eingangssignal multipliziert wird, daß dann die aus diesen Multiplikationen entstehenden Signale voneinander subtrahiert werden, und daß das aus der SuDtraktion resultierende Signal mit einem auf die Relativbewegung der Rasterstruktur bezogenen Referenzsignal multipliziert wird und das bei dieser Multiplikation entstehende Signal eine Anzeige- und/oder eine Servoeinrichtung steuert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die gewonnenen elektrischen Eingangssignalc gesiebt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der letztgenannten Multiplikation entstandene Signal geglättet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich aus den zu subtrahierenden Signalen Gleichsignalanteile eliminiert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich aus dem durch die Subtraktion gewonnenen Signal Glcichsignalanteile eliminiert werden.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der mittels fotoelektri^cher Empfänger (20, 21) gewonnenen elektrischen Eingangssignale je einer Differenzierstufe (32,33) zugeführt werden, denen je eine Mulliplikationsstufe (34, 35) nachgcschaltet sind, welchen jeweils das andere elektrische Eingangssignal mit zugeführt wird, daß die Ausgangssignale dieser Multiplikationsstufen (34, 35) einer Subtrahierstufe (36) zugeführt werden, deren Ausgangssignal in einer nachgcschaltelen Multiplikationsstufe (37) mit einem auf die Relativbewegung der Rasterstruktur (16) bezogenen Referenzsignal multipliziert wird, und daß deren Ausgangssignal einer nachgeschalteten Anzeigeeinrichtung (39) und/oder einer Servoeinrichtung (25) zugeführt wird.

7. Anordnung nach Anspruch b, dadurch gekennzeichnet, daß den fotoelektrischen Empfängern (20, 21) Tiefpaßfilter (20', 21') nachgeschaltet sind.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der letztgenannten Multiplikationsstule (37) eine Glättungsslufe (38) nachgeschaltet ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der Subtrahierstufe (36) Hochpaßfilter (36") vorgeschaltet sind.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der Sublrahierstufe (36) ein Hochpaßfilter (36') nachgeschaltet ist.

11. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Referenzsignals aus dem Antriebssignai für die Rasterstruktur (16) eine Differenzierstufe (43) vorgesehen ist.

12. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Referenzsignals aus der Strukturbewegung diiekt ein zusätzlicher, der Rasterstruktur (16) zugeordneter Abtaster (44) vorgesehen ist.

13. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Referenzsignals für den Antrieb (31) der Rasterstruktur (16) ein mit entsprechenden Ausgänger· versehener Generator (42) vorhanden ist.

14. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die letztgenannte Multiplikationsstufe (37) ein phasenempfindlicher Gleichrichter ist.

15. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die letztgenannte Multiplikationsstufe (37) ein elektronischer Schalter ist.

16. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die letztgenannte Multiplikationsstufe (37) ein Ringmodulator ist.