DE2836428A1

DE2836428A1 - Verfahren und vorrichtung zur automatischen scharfeinstellung von objektiven

Info

Publication number: DE2836428A1
Application number: DE19782836428
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl Phys Dr Fischer
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1978-08-19
Filing date: 1978-08-19
Publication date: 1980-03-06

Description

Verfahren und Vorrichtung
zur automatischen Scharfeinstellung von Objektiven Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Scharfeinstellung von Objektiven unter Verwendung von lichtempfindlichen, ladungsgekoppelten Elementen (ccD).
Es sind mehrere Verfahren zur automatischen Scharfeinstellung bekannt. Diese erfordern jedoch teilweise eine mechanische Bewegung in der Bildebene. Ein rein elektronisches Verfahren wird in der DT-OS 2 364 603 beschrieben, das unter Verwendung von CCD's nach dem Prinzip des Mischbildentfernungsmessers arbeitet.
Iiier geschieht die Messung nicht durch das abbildende Objektiv hindurch sondern durch eine separate Anordnung, die mechanisch mit dem Abbildungsobjektiv gekoppelt ist. Diese Kopplung muß bei Änderung der Objektivbrennweite ebenfalls verändert werden. Zudem kann bei der Messung eine Parallaxe auftreten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu überwinden und ein Verfahren zu entwickeln, bei dem das Ergebnis einer elektrischen Kontrastmessung in der Bildebene eines von einem Objektiv erzeugten Bildes zur automatischen Scharfeinstellung in optischen Geräten, wie Kameras, Mikroskopen und dergleichen verwendet werden kann.
Es hat sich nun gezeigt, daß sich diese Aufgabe in technisch fortschrittlicher Weise lösen läßt, wenn gemäß vorliegender Erfindung zwei der Bildebene konjugierte Bildebenen erzeugt werden und jeweils ein CCD zu der ihm zugeordneten konjugierten Bildebene so angeordnet wird, daß im fokussierten Zustand die beiden CCD's gleiche Signale abgeben und daß im nichtfokussierten Zustand das eine CCD ein höheres Signal abgibt als das zweite CCD, wenn die Bildebene von der Schärfenebene liegt, und das andere CCD ein höheres Signal abgibt als das erste, wenn die Bildebene hinter der Schärfenebene liegt, und die Summe der Ifelligkeitsdifferenzen zwischen den Nachbarelementen des einen CCD's verglichen wird mit der Summe der Helligkeitsdifferenzen des zweiten CCD und nach Differenzbildung die Signale zur Steuerung eines Motors zum Zwecke der Auszugsveränderung bis zur Scharfstellung verwendet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann anstelle von zwei CCD's ein CCD verwendet werden, das mittels eines Strahlenteilers optisch in zwei Hälften geteilt wird, so daß beide Hälften die gleichen.Bildinformationen empfangen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird längs einer Linie unter Verwendung eines CCD's der Bildkontrast gemessen. Das hier verwendete CCD ist eine lineare, integrierte Anordnung von vielen photoelektrischen Wandlerelementen, wobei das Einzelelement nur ca. 10 /u breit ist. In diesen Einzelelementen wird eine dem Lichteinfall proportionale Ladung erzeugt und durch ein Ubergangstor auf ein Schieberegister übertragen. Hierdurch wird es möglich, die Helligkeitsverteilung des Bildausschnitts, der auf die Kette der Wandlerelemente abgebildet wird, als zeitlich aufeinanderfolgende Signale über einen gemeinsamen Ausgang herauszuführen. Das Bild ist dann scharf, wenn der Kontrast, d.h.
die Helligkeitsdifferenz zwischen den benachbarten Wandlerelementen, maximal ist. Ausgehend von einer zunächst unscharfen Einstellung ist jedoch aus der vom CCD gemessenen Helligkeitsverteilung nicht zu entnehmen, ob der Kontrast bereits maximal ist. Erst durch Veränderung der Bildweite kann festgestellt werden, ob eine Zunahme oder Abnahme des Kontrastes erfolgt.
Ferner ist zunächst unbekannt, in welcher Richtung die Bildweite verändert werden müßte, um eine Zunahme des Kontrasts zu erzielen. Diese Unzulänglichkeiten werden erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß zunächst zwei CCD's eingesetzt werden, deren aktive Oberflächen nicht mehr exakt in der vorgegebenen Schärfenebene, z.B. Filmebene, liegen. Ein CCD befindet sich vor, das andere hinter der Schärfenebene. Die Abstände zu dieser Ebene sind aber gleichgroß.
Wenn auf die Oberfläche eines CCD's scharfgestellt ist, so ist der Kontrast maximal. Je mehr sich die Bildebene von dieser Oberfläche entfernt, um so kleiner wird der gemessene Kontrast.
Die Abhängigkeit des Kontrastes von Abstand Bildebene/CCD-Oberfläche ergibt eine Glockenkurve (A. Erteza, "Sharpness Index and its application to focus control", Appl. Optics 15, 4, s, 877 (1976)).
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann anstelle von zwei CCD's auch nur ein CCD verwendet werden. Die entsprechenden Anordnungen sind in den Patentansprüchen 3 und 4 erläutert.
In den beiliegenden Abbildungen zeigen Figur 1 die schematische Darstellung der Anordnung von zwei CCD's zu der Schärfenebene (a) und die Darstellung der Abhängigkeit des Kontrastes von dem Abstand zur Schärfenebene (b) im fokussierten Zustand; Figur 2 die schematische Darstellung des Falles, wenn die Bildebene vor der Schärfenebene liegt (a) und die dazugehörige Glockenkurve (b); Figur 3 die schematische Darstellung des Falles, wenn die Bildebene hinter der Schärfenebene liegt (a) und die dazugehörige Glockenkurve (b); Figur 4 die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung bei Verwendung von zwei CCD's; Figur 5 die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung bei Verwendung von einem CCD; Figur 6 das Blockschaltbild der Steuer- und Meßelektronik für die Anordnung gemäß Figur 5.
In Figur 1 soll die Bildebene genau in der Schärfenebene liegen.
Dann ist der mit beiden CCD's gemessene Kontrast gleichgroß. Die Höhe des Kontrastes ergibt sich aus dem Schnittpunkt der Glokkenkurve mit der Lage der Bildebene.
In Figur 2 soll die Bildebene vor der Schärfenebene liegen.
Dann ist der vom CCD 1 gemessene Kontrast höher als der vom CCD 2 gemessene.
In Figur 3 soll die Bildebene hinter der Schärfenebene liegen.
Dann ist der vom CCD 2 gemessene Kontrast größer als der vom CCD 1 gemessene.
Damit ist eine eindeutige Angabe der relativen Lage von Bildebene und Schärfenebene möglich. Beide liegen nur dann am gleichen Ort, wenn an beiden CCD's der gleiche Kontrast gemessen wird. Im anderen Fall ist sofort feststellbar, ob die Bildebene vor oder hinter der Schärfenebene liegt, je nach dem, an welchem der beiden CCD's der höhere Kontrast gemessen wird.
Diese Information kann dann zur Auszugsveränderung mit Hilfe eines Motors verwendet werden. Der Motor läuft so lange, bis an beiden CCD's der gleiche Kontrast gemessen wird. Da die zur Auszugsveränderung benötigte Zeit sehr groß ist gegenüber der zur Kontrastmessung benötigten Zeit (ca. 50 /us) kann die Einstellung auf Gleichheit des Kontrastes sehr leicht verfolgt werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 4 dargestellt. Das abbildende System 1 entwirft von dem Punkt 2 im Gegenstandsraum ein scharfes Bild 3 auf der Ebene 4. Ein Teil des Licht stromes gelangt mit IIilfe des teildurchlässigen Spiegels 5 und des halbdurchlässigen Spiegels 6 auf die beiden CCD's 7 und 8. Es entstehen zwei zur Schärfenebene 4 konjugierte Ebenen 9 und 10. Die beiden CCD's sind so angebracht, daß die aktive Oberfläche des einen CCD 7 genausoweit vor der Schärfenebene 9 liegt wie die aktive Oberfläche des zweiten CCD's 8 hinter der Schärfenebene 10 liegt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 5 dargestellt. Diese unterscheidet sich von der ersten Anordnung dadurch, daß die Funktionen der beiden CCD's von einem einzigen CCD 11 übernommen werden. Lineare CCD's sind als Bildsensoren zur Zeit mit 256, 512 und 1728 Einzelelementen erhältlich. Ein CCD mit 256 Einzelelementen ist hierzu völlig ausreichend, da über die Einzelkontraste eine Mittelung erfolgt.
In figur 5 wird die Kette von 256 Einzelelementen des CCD's 11 optisch mit llilfe eines halbdurchlässigen Spiegels 12 und eines Vollspiegels 13 in zwei Hälften von je 128 Elementen aufgeteilt.
Beide Spiegel sind um 450 gegen die Oberfläche des CCD's 11 geneigt und so angeordnet, daß ein Strahl in Richtung der Hauptachse 14 des abbildenden Systems 1 nach Reflektion an den Spiegeln die Elemente Nr. 64 bzw. Nr. 192 des CCD's 11 trifft. Es entstehen-wieder zwei zur Schärfenebene 4 konjugierte Ebenen 9 und 10. Die Ebene 9 liegt dabei um die gleiche optische Weglänge hinter der Oberfläche der ersten Hälfte des CCDis, wie die Ebene 10 vor der Oberfläche der zweiten Hälfte des CCD's liegt. Damit wird leicht erreicht, daß die erste Hälfte des CCD's (Element 1 bis 128) genausoweit vor der Schärfenebene liegt, wie die zweite Hälfte (Element 129 bis 256) dahinter liegt. Der wesentliche Unterschied zu der Anordnung mit zwei CCD's besteht darin, daß die Einzelinformationen der entsprechenden Bildpunkte nicht gleichzeitig, sondern zeitlich verschoben ausgelesen werden. Wegen der hohen Geschwindigkeit des Lesevorgangs (Schiebefrequenz ca 4 MHz) ist dies für die hier beschriebene Anwendung aber unerheblich.
Figur 6 zeit das Blockschaltbild der Steuer- und Meßelektronik für die Anordnung der Figur 5. Die Steuerelektronik 1 erzeugt das zum Betrieb-des CCD's 2 notwendige Impulsprogramm. Die Zuordnung der am Ausgang von CCD 2 erscheinenden Signale zu einem bestimmten Element des CCD's geschieht durch einen Taktzähler in 1. Über den Umschalter 3 werden die beiden gleichartig aufgebauten Schaltungen 4 und 5 angesteuert, in denen die Summe gebildet wird und zwar für n = 1 bis 128 in Schaltung 4 und nach Umstellung des Schalters 3 für n = 129 bis 256 in Schaltung 5. 1n ist dabei ein Maß für die am Element n während der Meßzeit vorhandenen Beleuchtungsstärke und N ist die Gesamtzahl der Elemente des CCD's. Die so gebildeten Summenwerte werden in den Speichern 6 und 7, entweder in analoger oder digitaler Form gespeichert. Nach Beendigung eines Durchgangs ist der Mittelwert des Beleuchtungskontrastes der Elemente 1 bis 128 in Speicher 6 und derjenige der Elemente 129 bis 256 in Speicher 7 enthalten.
Diese Werte werden nun in der Schaltung 8 miteinander verglichen und bewirken dort ein Ausgangssignal, mit dem über einen Verstärker ein Servomotor zur Auszugsveränderung bis zu Scharfstellung betrieben wird.
Leerseite

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur automatischen Scharfeinstellung von Objektiven unter Verwendung von lichtempfindlichen, ladungsgekoppelten Elementen (CCD), dadurch gekennzeichnet, daß zwei der Bildebene-konjugierte Bildebenen erzeugt werden und daß jeweils ein CCD zu der ihm zugeordneten konjugierten-Bildebene so angeordnet wird, daß im fokussierten Zustand die beiden CCD's gleiche Signale abgeben und daß im nichtfokussierten Zustand das eine CCD ein höheres Signal abgibt als das zweite CCD, wenn die Bildebene vor der Schärfenebene liegt, und das andere CCD ein höheres Signal abgibt als das erste, wenn die Bildebene hinter der Schärfenebene liegt, und daß die Summe der fielligkeitsdifferenzen zwischen den Nachbarelementen des einen CCD's verglichen wird mit der Summe.der Helligkeitsdifferenzen des zweiten CCD's und daß nach Differenzbildung die Signale zur Steuerung eines Motors zum Zwecke der Auszugsveränderung bis zur Scharfstellung verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle von zwei CCD's ein CCD verwendet wird, das mittels eines Strahlenteilers optisch in zwei Hälften geteilt wird, so daß beide Hälften die gleichen Bildinformationen empfangen.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung von zur Bildebene konjugiertenBildebenen (9,10) einen teildurchlässigen Spiegel (6) aufweist und zwei CCD's (7,8) relativ zu den konjugierten Bildebenen (9,10) so angeordnet sind, daß die aktive Oberfläche des einen CCD's (7) vor der Schärfenebene (9) und die aktive Oberfläche des zweiten CCD's (8) um die gleiche optische Weglänge hinter der Schärfenebene (10) liegen.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von zwei zur Bildebene konjugierten Bildebenen (9,10) ein halbdurchlässiger Spiegel (12) und ein dazu paralleler Vollspiegel (13) unter 450 zur Oberfläche eines CCD's (11) und 450 zum Haupt strahl des optischen Systems angeordnet sind, so daß durch den halbdurchlässigen Spiegel die erste Hälfte des CCD's und durch den Vollspiegel die zweite Hälfte des CCD's beleuchtet wird und einander entsprechende Elemente der beiden hälften Licht desselben Gegenstandspunktes empfangen.