DE3203788A1

DE3203788A1 - Vorrichtung in einem entfernungsmesssystem

Info

Publication number: DE3203788A1
Application number: DE19823203788
Authority: DE
Inventors: Norman L. 80110 Englewood Col. Stauffer
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1981-02-06
Filing date: 1982-02-04
Publication date: 1982-12-16
Also published as: US4384210A; JPS57148711A; GB2092855B; GB2092855A; DE3203788C2

Description

HONEYWELL INC. 2.Februar 1982

Honeywell Plaza M6008864 DE

Minneapolis, Minn., USA Hz/umw

Vorrichtung in einem Entfernungsmeßsystem

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung in einem Entfernungsmeßsystem nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.

In der US-PS 4 185 191 ist ein System zur Bestimmung der Entfernung zu einem Objekt dargestellt und beschrieben, das mehrere strahlungsempfindliche Detektoren, wie beispielsweise ladungsgekoppelte Einrichtungen (CCD) verwendet. Diese Detektoren sind paarweise hinter Elementarlinsen angeordnet, denen Strahlung von einem entfernten Objekt über die Primärlinse des Systems, wie beispielsweise die Objektivlinse einer Kamera zugeführt wird. Durch Auswertung der Signale der Detektorpaare kann die Entfernung zu dem aufzunehmenden Objekt bestimmt werden und es kann die Objektivlinse in die erforderliche Scharfeinstellung gebracht werden. Ein solches Entfernungsmeßsystem bzw. automatisch fokussierendes System arbeitet zufriedenstellend solange die aufzunehmende Szene vorwiegend Komponenten mit niedriger Ortsfrequenz aufweist. Bei einer Szene, die vorwiegend Komponenten mit hohen Ortsfrequenzen aufweist, ist jedoch das bekannte System nicht in der Lage die Entfernung eindeutig festzustellen und eine Scharfeinstellung der Linse vorzunehmen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art in der Weise zu verbessern, daß auch beim Vorliegen von Komponenten mit hohen Ortsfrequenzen in der betrachteten Szene eine zuverlässige Entfernungsmessung bzw. Scharfeinstellung ermöglicht wird. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Unteransprüchen entnehmbar.

Durch die vorliegende Erfindung wird das Problem der hochfrequenten Ortskomponenten in einer Szene durch die Anordnung eines optischen Tiefpassfilters zwischen der Hauptlinse des Systems und den Elementarlinsen und Sensoren der Entfernungsmeßeinrichtung gelöst. Insbesondere wird ein optisches Filter benutzt, dae das von der Häuptlinse kommende Licht um einen bestimmten Winkel ablenkt., wodurch das Licht, das normalerweise nur auf eine Elementarlinse fällt, nunmehr auf zwei oder möglicherweise drei Elementarlinsen fällt. Hierdurch werden die hochfrequenten Komponenten in dem von der Hauptlinse kommenden Signal verwischt bzw. unterdrückt, während die niedrigfrequenten Komponenten weniger abgelenkt werden und von den Detektoren erfaßt werden, um ein Signal für den die Entfernung bestimmenden elektronischenSchaltkreis zu liefern.

Anhand von in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen sei im folgenden die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig.1 ein Diagramm zur Veranschaulichung " der Ansprechempfindlichkeit eines

Entfernungsmeßsystems in Abhängigkeit von der Ortsfrequenz in der betrachteten Szene;

Fig.2 eine schematische Darstellung einer

Kamera mit einer Kameralinse, einem Strahlteiler, dem erfindungsgemäßen Filter und der für die Entfernungsmessung verwendeten Sensoranordnung;

und

Fig.3A bis 3D Querschnitte durch verschiedene

vorgeschlagene Ortsfrequenz-Tief-

__n passfilter gemäß der vorliegenden Er

findung. . .

Figur 1 zeigt in einem Diagramm die relative Ansprechempfindlichkeit der Elemente des Autofokussystems in Abhängigkeit von den Ortsfrequenzen, die in dem Licht vorliegen können, welches von der betrachteten Szene kommt. Die strichpunktierte Linie 10 stellt die Übertragungsfunktion der Hauptlinse des Systems dar, die normalerweise durch die Objektivlinse einer Kamera vorgegeben ist,und es ist erkennbar, daß die Objektivlinse Frequenzen bis nahezu 1000 Zyklen pro Millimeter übertragen kann, obgleich die Ansprech" empfindlichkeit in dem Bereich zwischen einem Zyklus

und ungefähr 50 Zyklen pro Millimeter liegt.

Die festausgezogene Kurve 12 stellt die Ansprechempfindlichkeit des Autofokussystems dar, dessen Detektoren Licht von dem entfernten Gegenstand empfangen und dessen Elektronik die Entfernung zu dem entfernten Gegenstand bestimmt. Es ist erkennbar, daß die Ansprechempfindlichkeit des Systems am größten zwischen ungefähr einem Zyklus und ungefähr 2,5 Zyklen pro Millimeter ist und bei ungefähr 5,0 Zyklen pro Millimeter im wesentlichen auf Null herunterfällt, um sodann erneut zwischen 5,0 Zyklen pro Millimeter und ungefähr 10 Zyklen pro Millimeter und soweiter anzusteigen und abzufallen, wobei die Amplituden fortlaufend bis ungefähr 100 Zyklen pro Millimeter abnehmen. Es ist erwünscht, die Ortsfrequenz der die Detektoren erreichenden Strahlung unterhalb von 5,0 Zyklen pro Millimeter zu halten, so daß das System die größte Ansprechempfindlichkeit aufweist. Während ein Filter,das alle Ortsfrequenzen oberhalb von 5,0 Zyklen pro Millimeter eliminiert am besten sein würde, können einfache Filter nicht hergestellt werden, die eine solch hohe Trennschärfe aufweisen.

Die gestrichelte Kurve 14 zeigt eine ungefähre erwünschte übertragungsfunktion für ein Filter, das mit der heute vorliegenden Technologie erhältlich ist,und es ist erkennbar, daß ein solches Filter sich der Form der Kurve 12 bis herunter zu ungefähr 5,0 Zyklen pro Millimeter annähert und danach abweichend auf Null bei ungefähr 10 Zyklen pro Millimeter herunterfällt. Mit einem solchen Filter wird die Ortsfrequenz in der betrachteten Szene auf einen Bereich begrenzt, der der größten An-

Sprechempfindlichkeit des Entfernungsmeßsystems entspricht. Wie erwähnt sollte die Kurve 14 bei einer Ortsf-requenz vonungefähr 5,0 Zyklen pro Millimeter in erwünschter Weise auf Null herunterfallen; derartige Filter mit einer solchen Charakteristik sind jedoch zur gegenwärtigen Zeit nicht herstellbar. Die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Filter liefern nichtsdesdoweniger eine beträchtlich bessere Leistung als bekannte Systeme , die überhaupt keine Filter verwenden.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Kamerasystems ,bei dem ein erfindungsgemäßer Filter verwendet wird. Gemäß Figur 2 empfängt die Objektivlinse 20 einer Kamera Strahlung von einer entfernten Szene entlang eines Strahlenweges 22 und sie überträgt dieses Licht zu einem Strahlteiler 24, durch welchen es in zwei Strahlenwege aufgespaltet wird. Der erste Strahlenweg 26 erstreckt sich nach oben durch eine Linse 28 in ein Prisma 30,an dessen Innenseiten das Licht reflektiert wird und entlang des Pfeiles 32 in den Sucher der Kamera fällt. Der zweite Strahlenweg durchsetzt den Strahlteiler 24 und durchläuft ein Tiefpassfilter 36 gemäß der vorliegenden Erfindung,um anschließend auf einen Spiegel 38 aufzutreffen und nach unten entlang des Pfeiles 40 zu den EIementarlinsen 41 der Detektoranordnung 42 des Autofokussystems zu verlaufen. Wie noch zu erläutern sein wird» lenkt der Filter 36 das durch ihn hindurchtretende Licht um einen bestimmten Winkel aus, so daß ein Lichtstrahl/ statt lediglich auf eine Elementarlinse aufzutreffen,gestreut wird und auf zwei oder möglicherweise drei Elementarlinsen auftrifft. Der Filter sollte hinter dem Strahlteiler angeordnet werden,wie dies in Figur 2 der Fall ist, so daß er den Weg des Lichtes zu dem Sucher nicht beeinflusst und er sollte aus dem Strahlenweg herausgenommen

werden, wenn das Bild aufgenommen wird, so daß er die Belichtung des Filmes nicht beeinflußt. Er muß jedoch so angeordnet werden, daß er das zu dem Sensormodul verlaufende Licht beeinflußt, wenn die Entfernungsmessung durchgeführt wird. Ferner sollte der Filter nicht zu nahe an dem Sensormodul angeordnet sein, da er sonst eine verrringerte Filterwirkung besitzt und eine zu größe Störung der Austrittspupille der Objektivlinse, die durch die Elementarlinsen abgebildet werden müß,hervorruft. Die Anordnung des Filters auf dem Strahlteiler, der während der Bildaufnahme aus dem Strahlenweg herausschwingt, ist daher als vorteilhaft anzusehen. Der Strahlteiler 24 kann selbst so ausgebildet sein, daß er als Filter arbeitet und es sind ebenfalls andere Orte der Positionierung,wie beispielsweise auf dem Spiegel 38 möglich.

Die Figuren 3A, 3B, 3C und 3D zeigen Querschnittansichten von möglichen Filtern, welche die hochfrequenten Komponenten der·Ortsfrequenzen in der betrachteten Szene unterdrücken. Gemäß Figur 3A ist ein Filter 50 dargestellt, der eine ebene untere Oberfläche und eine gewellte obere Oberfläche mit Erhebungen 52 und Vertiefungen 53 aufweist. Der Abstand zwischen zwei aufein-

anderfolgenden Erhebungen ist mit \ bezeichnet, wobei

X einer Wellenlänge entspricht und so groß sein sollte, daß das Licht bezüglich aller Ortsfrequenzen gleich behandelt wird (d.h., nicht oberhalb von ungefähr 1mm). Drei Lichtstrecken 55,56 und 57 sind in Figur 3A dargestellt und ihr sich durch den Filter erstreckender Verlauf ist durch Pfeile 60, 61 und 62

entsprechend veranschaulicht, die die flache untere Oberfläche unter einem Winkel verlassen. Dieser Winkel ist größer dargestellt, als dies normalerweise der Fall ist, um die Wirkung deutlich hervorzuheben,und dieser Winkel wird in der Praxis so gewählt, daß die Lichtstrahlen auf eine Elementarlinse zu jeder Seite der Elementarlinse auftreffen, auf die der Lichtstrahl auftrifft, wenn der Filter nicht vorhanden ist. Wenn der Abstand zwischen dem Filter und dem Sensormodul ungefahr 20mm beträgt, so werden bei einem Winkel von 20mrad drei Elementarlinsen beleuchtet, d.h. die Elementarlinse in der Mitte und zwei Elementarlinsen seitlich davon, die einen Abstand von 200μ von der zentralen Elementarlinse aufweisen. Die Wellenform auf der Oberseite des Filters 50 könnte sich ebenfalls auf der Unterseite des Filters oder auf beiden Seiten des Filteis befinden.

Gemäß Figur 3B ist ein Filter 70 dargestellt, der eine ebene Unterseite und eine durch eine dreieckförmige Wellenform mit Erhebungen 63 und Vertiefungen 64 gekennzeichnete Oberfläche aufweist. Erneut s-nd drei Lichtstrahlen 65, 66 und 67 dargestellt, die durch den Filter 70 abgelenkt werden, so daß sie in Bahnen übergehen, die durch die Pfeile 73, 71 und 72 entsprechend veranschaulicht sind. Erneut wurde der Winkel übertrieben der Übersichtlichkeit wegen dargestellt und sollte wie in Figur3A so gewählt werden, daß ungefähr drei Elementarlinsen beleuchtet werden. In gleicher Weise könnte wie in Figur 3A die sägezahnförmige Oberfläche sich auf der Unterseite oder auf beiden Seiten des Filters befinden.

Figur 3C zeigt ein Filter 80 mit mehreren Bereichen 82, die das Licht gänzlich blockieren. Ein solcher Filter

arbeitet wie ein Beugungsgitter und lenkt die Lichtstrahlen 85,85 und 87 in Richtung der Pfeile 90, 92, 94, 96 und 98 um. Ein Nachteil des Filters gemäß Figur 3C liegt darin, daß einiges Licht verloren geht, wodurch das für den Sensor verfügbare Licht vermindert wird.

Bei geringer Belichtung sind daher die Filter gemäß den Figuren 3A und 3B vorzuziehen.

Gemäß Figur 3D ist ein Filter 100 dargestellt mit einer flachen unteren Oberfläche und einer mehr oder weniger wahllos unregelmäßig geformten oberen Oberfläche 102. Die wahllose Unregelmäßigkeit der Oberfläche 102 sollte nicht so groß sein, daß sie eine vollständige Streuung des hindurchgehenden Lichtes hervorruft, sondern sie sollte dergestalt sein, daß die Lichtstrahlen 105, 106 und 107 in einer Weise ähnlich wie in den Figuren 3A und 3B beeinflußt werden, so daß das Licht entlang der Pfeile 110, 111 und 112 unter verhältnismäßig kleinen Winkeln (20mrad oder weniger) zu der Senkrechten austritt. Ein möglicher Weg zur Schaffung einer gezielten statistisch verformten Oberfläche besteht in der Ätzung der Oberfläche mit einer Säure, die auf die Oberfläche in verschiedener Weise an verschiedenen Punkten einwirkt und in einer Steuerung der fitzzeit bis die gewünschte Oberfläche erzielt ist. Während in Figur 3D das austretende Licht in seiner Winkelablenkung nicht so genau wie in den Figuren 3A und 3B vorgegeben ist, ergibt sich der Vorteil,daß unerwünschte Einflüsse ausgeschaltet werden, wie sie sonst durch die regelmäßige periodische Wiedeikehr des Oberflächenmusters in den Filtern gemäß den Figuren 3A und 3B verursacht werden können. Auch hier kann wieder ebenso wie bei den Figuren 3A und 3B die Unterseite unregelmäßig ausgestaltet

werden , oder es können beide Oberflächen unregelmäßig ausgestaltet werden, wobei in jedem Fall die gewünschte Filterung der hochfrequenten Ortskomponenten in dem hindurchtretenden Licht erzieltwird.

Eine weitere nicht dargestellte Modifikation der Filter gemäß den Figuren 3A und 3B besteht darin, ein Filter aus schmalen Segmenten herzustellen, deren Querschnitte den in den Figuren 3A und3B gezeigten Querschnitten entsprechen und die aber in Bezug aufeinander versetzt sind, so daß periodische Effekte kompensiert werden. Ebenso können Segmente mit gänzlich unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden, so daß jegliches gleichförmiges Beugungsmuster verhindert wird.

Es versteht sich, daß ein Zusammenhang zwischen den zu unterdrückenden Ortsfrequenzen und dem Abstand zwischen den Photodetektoren der strahlungsempfindlichen Anordnung besteht. Die Grenzfrequenz des optischen Tiefpassfilters wird durch das Nyquist-Kriterium vorgegeben und errechnet sich zu 1/2d, wobei d dem.Abstand der Photodetektoren entspricht. Bei einem Abstand von d = o,2mm ergibt sich somit eine Grenzfrequenz vom 2,5 Zyklen pro mm.

Leerseite

Claims

Patentansprüche:

1.jVorrichtung in einem Entfernungsmeßsystem mit einer — Primärlinse, die Strahlung von einem entfernten Objekt auf eine strahlungsempfindliche Anordnung wirft, welche aufgrund der Strahlungsverteilung die Entfernung zu dem Objekt bestimmt, wobei die Strahlungsverteilung hohe, sich auf den Betrieb des Systems nachteilig auswirkende Ortsfrequenzen aufweist, g e k e η η zeichnet durch ein Strahlenfilter (36) im Strahlenweg zur Unterdrückung der hohen Ortsfrequenzen .

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e Ί5 kennzeic h η e t, daß das Filter (50; 70;80;

100) eine unebene Oberfläche (52 ,53;63 ,64 ; 82 ; 102) aufweist, -durch die die Strahlung unter einem vorbestimmten Winkel zur einfallenden Strahlung abgelenkt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge-*·

kennzeichnet, daß die unebene Oberfläche eine Anzahl von in gleichem Abstand angeordneten Erhebungen (52;63) und Vertiefungen (53;64) aufweist und daß der Abstand zwischen benachbarten Erhebungen unterhalb von 1.0mm liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß die unebene Oberfläche ein Beugungsgitter (82) bildet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die unebene Oberfläche durch eine bewußt unregelmäßig gestaltete Ober-

flache (102) gebildet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen und Vertiefungen in Segmente mit unterschiedlicher Wellenlänge unterteilt sind.

7. Vorrichtung für ein automatisch fokussierendes System einer Kamera mit einer Objektivlinse, die Strahlung von einem entfernten Objekt über einen Strahlteiler zu einem Spiegel wirft, welcher die Strahlung auf mehrere Elementarlinsen reflektiert, so daß ein Bild der Austrittspupille der Primärlinse auf einem hinter jeder Elementarlinse angeordneten Detektorpaar erzeugt wird, wobei die Strahlung hohe sich auf den Betrieb des automatisch fokussierenden Systems nachteilig auswirkende Ortsfrequenzen aufweist, gekennzeichnet durch ein Strahlenfilter (36) im Strahlenweg zur ünterdrückung der hohen Ortsfrequenz.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenfilter(36) zwischen dem Strahlteiler (24) und dem Spiegel (38) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenfilter (36)

einen Teil des Strahlteilers (24) bildet. 30

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e daß der Strahlenfilter (36) so ausgebildet ist, daß er die normalerweise nur auf eine Elementarlinse (41) fallende Strahlung so ablenkt, daß diese zusätzlich

auf die beiden benachbarten Elementarlinsen (41) fällt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch

gekennzeichn et, daß der Strahlenfilter (50,-70;80; 100) eine Oberfläche aufweist, die aus in gleichem Abstand angeordneten sich abwechselnden Erhebungen (52;63) und Vertiefungen (53;64) besteht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichn e.t, daß der Abstand zwischen benachbarten Erhebungen unterhalb von 1,0mm liegt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch

g e k e n-n ζ e i c h η e t, daß der Strahlenfilter durch ein Beugungsgitter (82) gebildet wird.
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14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenfilter eine bewußt unregelmäßig gestaltet Oberfläche (102) aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenfilter aus schmalen Segmenten mit unterschiedlichen Wellenlängen besteht.

16. Vorrichtung nach Anspruch T- oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch eine Anpassung der Grenzfrequenz des Strahlenfilters (36) an den Abstand der Detektoren innerhalb der strahlungsempfindlichen Anordnung.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz dem Wert 1 dividiert durch den doppelten Abstand der Detektoren entspricht.