DE3203788C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vor­ richtung nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.

In der US-PS 41 85 191 ist ein System zur Bestimmung der Entfernung zu einem Objekt dargestellt und be­ schrieben, das mehrere strahlungsempfindliche Detek­ toren, wie beispielsweise ladungsgekoppelte Ein­ richtungen (CCD) verwendet. Diese Detektoren sind paarweise hinter Elementarlinsen angeordnet, denen Strahlung von einem entfernten Objekt über die Pri­ märlinse des Systems, wie beispielsweise die Objektiv­ linse 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 zufrieden­ stellend solange das aufzunehmende Objekt vorwiegend Komponenten mit niedriger Ortsfrequenz aufweist. Bei einem Objekt, das 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.

Im Stand der Technik (siehe z. B. CH-PS 5 95 616) ist es bereits bekannt, ein bewegliches oder ortsfestes Ortsfrequenzfilter in Form einer Gitterstruktur als Abtastvorrichtung zu verwenden, um eine Bildaufspaltung zu bewirken. Im Falle der ortsfesten Gitterstruktur muß zusätzlich eine Modulationseinrichtung, beispielsweise in Form einer rotierenden Chopperblende, vorgesehen werden.

Schließlich ist aus der DE-OS 30 04 147 eine Fokussiervorrichtung für eine Kamera bekannt, die ein selbstabtastendes fotoelektrisches Element mit einer Anzahl fotoelektrischer Mikroelemente benutzt, um ein Kontrastsignal von einem zu fotographierenden Objekt zu erzeugen und daraus den Punkt der Fokussierung zu bestimmen. Ein weiteres fotoelektrisches Element dient der Ermittlung der Durchschnittsbeleuchtung des zu fotographierenden Objektes, wobei das Ausgangssignal dieses Elementes benutzt wird, um die Abtastzeit der fotoelektrischen Mikroelemente zu steuern. Vor dem die Durchschnittsbeleuchtung bestimmenden fotoelektrischen Element ist ein Tiefpaßfilter in Form einer Diffusorplatte angeordnet, um die hohen Raumfrequenz­ komponenten des Bildes des Objektes zu unterdrücken, die z. B. durch eine Bewegung der Kamera entstehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, bei der die Fokussierung nicht über einen Kontrast, sondern über die Gleichheit zweier auf einer Fotodetektoranordnung abgebildeter Bilder ermittelt wird, bezüglich ihrer Fokussiergenauigkeit zu verbessern. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Durch die vorliegende Erfindung wird das Problem der hochfrequenten Ortskomponenten in einem Objekt durch die Anordnung eines optischen Tiefpaßfilters zwischen der Hauptlinse des Systems und den Elementarlinsen und Sensoren der Entfernungsmeßeinrichtung gelöst. Insbe­ sondere wird ein optisches Filter benutzt, das das von der Hauptlinse kommende Licht um einen bestimmten Win­ kel 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 ab­ gelenkt werden und von den Detektoren erfaßt werden, um ein Signal für den die Entfernung bestimmenden elek­ tronischen Schaltkreis zu liefern.

Anhand von in den Figuren der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispielen sei im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Ansprechempfindlichkeit eines Entfernungsmeßsystems in Abhängigkeit von der Ortsfrequenz in dem betrachteten Objekt;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Kamera mit einer Kameralinse, einem Strahlteiler, dem erfindungsgemäßen Filter und der für die Entfernungs­ messung verwendeten Sensoranordnung; und

Fig. 3A bis 3D Querschnitte durch verschiedene vorgeschlagene Ortsfrequenz-Tief­ paßfilter gemäß der vorliegenden Er­ findung.

Fig. 1 zeigt in einem Diagramm die relative Ansprech­ empfindlichkeit der Elemente des Autofokussystems in Abhängigkeit von den Ortsfrequenzen, die in dem Licht vorliegen können, welches von dem betrachteten Objekt 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 Ansprech­ empfindlichkeit des Autofokussystems dar, dessen Detek­ toren Licht von dem entfernten Gegenstand empfangen und dessen Elektronik die Entfernung zu dem entfernten Gegenstand bestimmt. Es ist erkennbar, daß die Ansprech­ empfindlichkeit des Systems am größten zwischen unge­ fähr einem Zyklus und ungefähr 2,5 Zyklen pro Milli­ meter ist und bei ungefähr 5,0 Zyklen pro Millimeter im wesentlichen auf Null abfällt, um sodann er­ neut zwischen 5,0 Zyklen pro Millimeter und ungefähr 10 Zyklen pro Millimeter und soweiter anzusteigen und abzufallen, wobei die Amplituden fortlaufend bis unge­ fähr 100 Zyklen pro Millimeter abnehmen. Es ist er­ wünscht, die Ortsfrequenz der die Detektoren erreichen­ den Strahlung unterhalb von 5,0 Zyklen pro Millimeter zu halten, so daß das System die größte Ansprechempfind­ lichkeit aufweist. Während ein Filter, das alle Orts­ frequenzen oberhalb von 5,0 Zyklen pro Millimeter eli­ miniert, am besten wäre, können einfache Filter nicht hergestellt werden, die eine solch hohe Trenn­ schärfe aufweisen.

Die gestrichelte Kurve 14 zeigt eine ungefähre erwünsch­ te 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 Milli­ meter annähert und danach abweichend auf Null bei unge­ fähr 10 Zyklen pro Millimeter abfällt. Mit einem solchen Filter wird die Ortsfrequenz in dem betrachteten Objekt auf einen Bereich begrenzt, der der größten An­ sprechempfindlichkeit des Entfernungsmeßsystems ent­ spricht. Wie erwähnt, sollte die Kurve 14 bei einer Ortsfre­ quenz von ungefähr 5,0 Zyklen pro Millimeter in erwünsch­ ter Weise auf Null abfallen; derartige Filter mit einer solchen Charakteristik sind jedoch zur gegen­ wärtigen Zeit nicht herstellbar. Die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Filter liefern nichtsdestoweniger eine beträchtlich bessere Leistung als bekannte Systeme, die überhaupt keine Filter verwenden.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Kamera­ systems, bei dem ein erfindungsgemäßer Filter verwendet wird. Gemäß Fig. 2 empfängt die Objektivlinse 20 einer Kamera Strahlung von einem entfernten Objekt 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 ent­ lang 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 aufzu­ treffen und nach unten entlang des Pfeiles 40 zu den Ele­ mentarlinsen 41 der Detektoranordnung 42 des Autofokus­ systems zu verlaufen. Wie noch zu erläutern sein wird, lenkt der Filter 36 das durch ihn hindurchtretende Licht um einen bestimmten Winkel ab, so daß ein Lichtstrahl, statt lediglich auf eine Elementarlinse aufzutreffen, ge­ streut wird und auf zwei oder möglicherweise drei Elemen­ tarlinsen auftrifft. Der Filter sollte hinter dem Strahl­ teiler angeordnet werden, wie dies in Fig. 2 der Fall ist, so daß er den Weg des Lichtes zu dem Sucher nicht be­ einflußt, 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 ver­ laufende Licht beeinflußt, wenn die Entfernungsmessung durchgeführt wird. Ferner sollte der Filter nicht zu nahe an dem Sensormodul angeordnet sein, da er sonst eine verringerte Filterwirkung besitzt und eine zu große Störung der Austrittspupille der Objektivlinse, die durch die Elementarlinsen abgebildet werden muß, her­ vorruft. Die Anordnung des Filters auf dem Strahlteiler, der während der Bildaufnahme aus dem Strahlenweg heraus­ schwingt, ist daher als vorteilhaft anzusehen. Der Strahl­ teiler 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 Fig. 3A, 3B, 3C und 3D zeigen Querschnittsan­ sichten von möglichen Filtern, welche die hochfrequenten Komponenten der Ortsfrequenzen in dem betrachteten Objekt unterdrücken. Gemäß Fig. 3A ist ein Filter 50 darge­ stellt, der eine ebene untere Oberfläche und eine ge­ wellte obere Oberfläche mit Erhebungen 52 und Ver­ tiefungen 53 aufweist. Der Abstand zwischen zwei aufein­ anderfolgenden Erhebungen ist mit λ bezeichnet, wobei λ einer Wellenlänge entspricht und so groß sein sollte, daß das Licht bezüglich aller Ortsfrequenzen gleichbe­ handelt wird (d. h. nicht oberhalb von ungefähr 1 mm). Drei Lichtstrahlen 55, 56 und 57 sind in Fig. 3A darge­ stellt, und ihr sich durch den Filter erstreckender Ver­ lauf 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 auftreffen würde, wenn der Filter nicht vorhanden wäre. Wenn der Abstand zwischen dem Filter und dem Sensormodul un­ gefähr 20 mm beträgt, so werden bei einem Winkel von 20 mrad drei Elementarlinsen beleuchtet, d. h. die Ele­ mentarlinse in der Mitte und zwei Elementarlinsen seit­ lich davon, die einen Abstand von 200 µ von der zentralen Elementarlinse aufweisen. Die Wellenform auf der Ober­ seite des Filters 50 könnte sich ebenfalls auf der Unter­ seite des Filters oder auf beiden Seiten des Filters be­ finden.

Gemäß Fig. 3B ist ein Filter 70 dargestellt, der eine ebene Unterseite und eine durch eine dreieckförmige Wellenform mit Erhebungen 63 und Vertiefungen 64 ge­ kennzeichnete Oberfläche aufweist. Erneut sind drei Licht­ strahlen 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 veranschau­ licht sind. Erneut wurde der Winkel der Über­ sichtlichkeit wegen übertrieben dargestellt und sollte wie in Fig. 3A so gewählt werden, daß ungefähr drei Elementarlinsen be­ leuchtet werden. In gleicher Weise könnte wie in Fig. 3A die sägezahnförmige Oberfläche sich auf der Unterseite oder auf beiden Seiten des Filters befinden.

Fig. 3C zeigt ein Filter 80 mit mehreren Bereichen 82, die das Licht gänzlich blockieren. Ein solcher Filter arbeitet wie ein Beugungsgitter und lenkt die Licht­ strahlen 85, 86 und 87 in Richtung der Pfeile 90, 92, 94, 96 und 98 um. Ein Nachteil des Filters gemäß Fig. 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 Fig. 3A und 3B vorzuziehen.

Gemäß Fig. 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 Fig. 3A und 3B beeinflußt werden, so daß das Licht entlang der Pfeile 110, 111 und 112 unter verhältnismäßig kleinen Winkeln (20 mrad oder weniger) zu der Senkrechten aus­ tritt. 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 ein­ wirkt, und in einer Steuerung der Ätzzeit, bis die ge­ wünschte Oberfläche erzielt ist. Während in Fig. 3D das austretende Licht in seiner Winkelablenkung nicht so genau wie in den Fig. 3A und 3B vorgegeben ist, ergibt sich der Vorteil, daß unerwünschte Einflüsse aus­ geschaltet werden, wie sie sonst durch die regelmäßige periodische Wiederkehr des Oberflächenmusters in den Filtern gemäß den Fig. 3A und 3B verursacht werden können. Auch hier kann wieder ebenso wie bei den Fig. 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 erzielt wird.

Eine weitere nicht dargestellte Modifikation der Filter gemäß den Fig. 3A und 3B besteht darin, ein Filter aus schmalen Segmenten herzustellen, deren Querschnitte den in den Fig. 3A und 3B gezeigten Querschnitten ent­ sprechen und die aber in Bezug aufeinander versetzt sind, so daß periodische Effekte kompensiert werden. Ebenso können Segmente mit gänzlich unterschiedlichen Wellen­ längen 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 ¹/₂ d, wobei d dem Abstand der Photodetektoren entspricht. Bei einem Abstand von d = 0,2 mm ergibt sich somit eine Grenzfrequenz von 2,5 Zyklen pro mm.

Claims (9)

1. Vorrichtung für ein automatisch fokussierendes System einer Kamera mit einer Objektivlinse, die Strahlung von einem entfernten Objekt auf mehrere Elementarlinsen wirft, so daß ein Bild der Austrittspupille der Objektivlinse 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 ortsfesten Strahlenfilter (36, 50, 70, 80, 100) im Strahlengang vor den Elementarlinsen (41) zur Unterdrückung von Ortsfrequenzen der Strahlung oberhalb eines Wertes, der durch den Abstand der Strahlungs­ detektoren (42) vorgegeben ist, wobei 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.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Grenzfrequenz des Strahlenfilters (36) dem Wert eins dividiert durch den doppelten Abstand der Detektoren (42) entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Strahlteiler und einem Spiegel hinter dem Strahlteiler, der die von der Objektivlinse kommende Strahlung auf die Elementarlinsen wirft, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strahlenfilter (36) zwischen dem Strahlteiler (24) und dem Spiegel (38) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Strahlenfilter (36) einen Teil des Strahlteilers (24) bildet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, 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.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abstand zwischen benachbarten Erhebungen unterhalb von 1,0 mm liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Strahlenfilter durch ein Beugungsgitter (82) gebildet wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Strahlenfilter eine unregelmäßig gestaltete Oberfläche (102) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Strahlenfilter aus schmalen Segmenten mit unterschiedlicher Durchlässigkeit für unterschiedliche Wellenlängen besteht.