DE3230575A1 - Verfahren und vorrichtung zur fokussierung optischer systeme - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Fokussierung optischer Systeme

Die Erfindung betrifft eine automatische Fokussiervorrichtung, in welcher die Schärfe eines Bildes abgetastet wird und die abgetastete Information dazu verwendet wird, eine Fokussiereinrichtung 2U korrigieren.

Automatische Fokussiereinrichtungen, die auf Entfernungsmessung oder auf Zweikanal-Kantenabtastvorrichtungen beruhen, welche die Korrelationstechnik verwenden, sind bekannt, aber nicht immer zweckmäßig, zum Beispiel bei medizinischen Anwendungen. Eine Einkanalvorrichtung, welche die Bildschärfe abtastet, ist in der Beschreibung der GB-PS 1 239 126 beschrieben, aber es muß eine Niederfrequenzabschneidung vorhanden sein; da der Frequenzinhalt eines Bildes oft unbekannt ist, besonders bei medizinischen Anwendungen, kann es praktisch unmöglich sein, einen geeigneten Abschneidungswert zu wählen.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Fokussierung optischer Systeme, bei welchem von einer Fokussiereinrichtung ein Bild empfangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Signal geschaffen wird mit einer Frequenzverteilung, die der räumlichen Frequenzverteilung des Bildes entspricht, daß

30d_em elektrischen Signal eine Verstärkung erteilt wird, die bei hohen Frequenzen größer ist als bei niedrigen Frequenzen, und daß das optische System in Übereinstimmung mit dem verstärkten Signal eingestellt wird. Ferner ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Fokussierung eines optischen Systems,

35welche eine Empfangseinrichtung zum Empfangen eines Bildes von einer Fokussiereinrichtung umfaßt, gekennzeichnet durch eine Schaltungseinrichtung, die dazu dient, von der

Empfangseinrichtung ein elektrisches Signal mit einer Frequenzverteilung abzuleiten, die cer räumlichen Frequenzverteilung des Bildes entspricht, ferner eine Verstärkungseinrichtung, die dazu dient, dem elektrischen Signal eine Ver-Stärkung zu erteilen, die bei hohen Frequenzen größer ist als bei niedrigen Frequenzen, sowie eine Einstelleinrichtung zum Einstellen des optischen Systems in Übereinstimmung mit dem verstärkten Signal. Vorzugsweise erteilt die Verstärkungseinrichtung eine Verstärkung, welche der Frequenz proportional ist.

Die Empfangseinrichtung kann eine Anordnung lichtempfindlicher Detektoren sein, welche abgetastet wird, um ein Signal entsprechend der Intensität von auf die Anordnung einfallendem Licht zu erzeugen. Es können acht Detektoren sein, aber vorzugsweise enthält die Anordnung viele Detektoren, beispielsweise 256.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Figur 1 ideale Defokussier-Transferfunktionen bei vier

verschiedenen räumlichen Frequenzen;

Figur 2 die optischen und elektronischen Teile eines automatischen Fokussiersystems; Figur 3 die idealisierte Frequenzkurve des Filters in

Figur 2; und
Figur i eine Abwandlung des Systems von Figur 2.

Jedes optische System mit einem automatischen Fokussiersystem kann durch seine optische Transferfunktion charakterisiert werden, welche folgendermaßen definiert wird. Wenn ein Versuchsobjekt aus einem Gitter mit sinusförmiger Verteilung der Intensität um einen Mittelwert besteht, ist das Bild des Objekts ebenfalls eine sinusförmige Variation der Intensität um einen Mittelwert. Das Sinuswellengitter kann durch seine räumliche Frequenz (spatial frequency)

spezifiziert werden, entweder in Strichen je ram oder in "reduzierter Form" durch eine variable S, wobei S = 2 die Grenze der Auflösung ist. Der Kontrast C des Gitters ist durch C= b/a gegeben, wobei a die mittlere Intensität und b die Amplitude der sinusförmigen Modulation der Intensität bedeutet. Ähnlich ist der Bildkontrast durch C = b'/a¹ definiert, und die Kontrasttransferfunktion ist durch D = C'/G definiert, welche immer kleiner als 1 ist. Die Variation der Kontrasttransferfunktion mit der räumlichen Frequenz charakterisiert das Betriebsverhalten eines Linsensystems.

Beider Erfindung ist das Verhalten der Kontrasttransferfunktion in defokussierten Systemen untersucht worden, und das automatische Fokussiersystem ist dementsprechend konstruiert worden. Es ist festgestellt worden, daß bei beliebiger räumlicher Frequenz S der Wert D durch einen Fokusfehler vermindert wird. In Figur 1 ist die Kontrasttransferfunktion über dem Fokusfehler in Wellenlängen W 20 (X) für vier verschiedene Werte von S aufgetragen. Wie ersichtlich, hat die Transferfunktion, wenn S niedrig ist, beispielsweise 0,25, einen hohen Wert und eine weite Ausbreitung ., wogegen, wenn S hoch ist, beispielsweise 1,0, der Wert der Transferfunktion niedriger ist und die Kurve schmaler ist. Daraus ergibt sich, daß für hohe räumliche Frequenzen der Bereich der tolerierbaren Defokussierung viel enger ist als für niedrige räumliche Frequenzen.

In einem natürlichen Objekt kann die höchste räumliche Frequenz nicht leicht vorhergesagt werden, und da höhere räumliehe Frequenzen häufig durch scharfe Kanten erzeugt werden, wird ihre Amplitude klein sein. In dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung liegt die Kennlinie der Verstärkungseinrichtung, der sämtliche räumliche Frequenzen zugeführt werden, derart , daß die höchste vorhandene

35Frequenz um den größten Betrag verstärkt wird, so daß eine genaue Fokussierung des höchsten Frequenzanteils möglich ist.

Ferner besitzt ein wirkliches optisches System immer Aberrationen, welche bewirken, daß verschiedene räumliche Frequenzen in etwas unterschiedlichen Fokalebenen fokussieren. Die beste Fokalebene für ein natürliches Objekt ist immer ein Kompromiß, so daß es wichtig ist, eine Amplitudeninformation über alle Frequenzen in dem fokussierenden Signal zu besitzen, aber einen vernünftigen Ausgleich dadurch zu finden, daß höheren räumlichen Frequenzen eine höhere Gewichtung (größere Verstärkung) als niedrigeren Frequenzen gegeben wird.

Nachfolgend wird eine Anwendung der Erfindung beschrieben.

In Figur 2 wird ein Objekt 10 von einer Lichtquelle 12 über eine Kondensorlinse 14- und eine Platte aus wärmeabsorbierendem Glas 16 bestrahlt. Von dem Objekt 10 durchgelassenes Licht durchläuft ein Objektiv-system 18, welches entlang seiner Achse bewegt werden kann, wie durch den Doppelpfeil angedeutet. Das Objektivsystem 18 fokussiert Licht von dem Objekt auf eine lineare Photodioden-Anordnung 20, aber ein Teil dieses Lichts wird abgelenkt durch einen Strahlteiler 22 auf einen photografischen Film 24-, ebenfalls bei einem Brennpunkt des Objektivsystems 18.

Die Diodenanordnung 20 ist über eine Treppenfunktionsschaltung 21, ein Filter 26, einen Zweiweggleichrichter 28 und einen integrierenden Analog-Digital-Wandler 30 mit einem Mikroprozessor 32 verbunden. Der Mikroprozessor steuert eine Steuer- und Takt schaltung 34-» welche der Anordnung 20, dem Filter 26 und dem Wandler 30 Signale zuführt. Der Mikroprozessor steuert eine Schrittmotoranordnung 36, welche das Objektivsystem 18 trägt und für die axiale Bewegung sorgt, und der Mikroprozessor wird selbst durch einen Speicher 38 mit einem Fokussier-Algorithmus versorgt.

Es ist festgestellt worden, daß es nicht nötig ist, den Frequenzmittenabstand der Dioden größer als S = 0,5 zu machen, was bedeutet, daß die größte ermittelte räumliche Frequenz S = 0,25 beträgt. Es tritt kein bedeutender Genauigkeitsverlust auf, weil die Defokussiertoleranz bei dieser Frequenz nicht wesentlich verschieden von der bei S = 1 ist.

In Betrieb wird Licht von verschiedenen Teilen des Objekts auf verschiedene Photodioden in der Anordnung 20 fokussiert.

Die Anordnung wird unter der Steuerung der Schaltung 34- abgetastet, und das Ausgangssignal (das in Figur 2 an der entsprechenden Stelle dargestellt ist) wird der Treppenfunktionsschaltung 21 zugeführt. Diese Schaltung verbreitert jeden Impuls, um ein Treppenfunktionssignal zu ergeben, das ebenfalls in Figur 2 dargestellt ist, und-fuhrt das Signal dem Filter 26 zu.

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Die Frequenzkurve des Filters in Figur 3 dargestellt, welche eine Aufzeichnung des Logarithmus der Verstärkung über dem Logarithmus der Frequenz in Kilohertz ist. Die dem Eingangssignal erteilte Verstärkung variiert direkt mit der Frequenz, so daß hochfrequente Signale viel mehr verstärkt werden als niederfrequente Signale. Das Ausgangssignal des Filter 26 enthält also eine Komponente, welche von der höchsten räumliehen Frequenz abgeleitet ist, die durch die Diodenanordnung ermittelt worden ist. Der übrige Teil der Schaltung hat die Funktion, die Stellung des Objektivsystems 18 zu verstellen, bis das Signal von dem Filter 26 am größten ist. Wenn das Bild nicht im Brennpunkt ist, wird das Ausgangssignal durch niederfrequente Komponenten des Bildes geschaffen. Bei Annäherung an den genauen Brennpunkt beginnen höhere Frequenzen in dem Signal zu erseheinen und werden um einen größeren Betrag als niedrigere Frequenzen verstärkt, so daß die Fokussierung aufgrund der Kennlinie der Verstärkungsschaltung immer genauer wird.

Von einem anderen Gesichtspunkt betrachtet enthält die beste

·*· Fokal ebene des Objektivsystems 18 den höchsten Betrag an Information über das Objekt, was einen Höchstbetrag an Variation des Signals mit sich bringt. Eine Maßnahme zur Veränderung einer Funktion ist dadurch gegeben, daß sie differenziert wird. Ein elektronisches Signal kann dadurch differenziert werden, daß es durch ein Filter geschickt wird, dessen Frequenzkurve der Frequenz proportional ist. Dies ist charakteristisch für die in der Erfindung verwendete Verstärkungseinrichtung.
10

Der obere Beschneidungspunkt des Filters ist scharf und liegt bei der halben Abtastfrequenz der Photodiodenanordnung 20; Dies vermindert die Wirkung von Geräusch mit feststehendem Muster, das durch die einzelnen Photodioden mit verschiedenem Ansprechverhalten verursacht wird.

Es ist klar, daß die Stellung des besten Brennpunktes um so genauer bestimmt werden kann, je größer die Anzahl von Photodioden in der Anordnung 20 ist. Während es möglich ist, ein "differenziertes" Signal von einer Anordnung von zwei Photodioden vorzusehen, werden in praktischen Fällen wenigstens acht Photodioden und vorzugsweise eine viel größere Anzahl, wie beispielsweise 256 oder sogar mehr als 1000 Photodioden benötigt. Die Anordnung kann linear oder zweidimensional sein. Gewöhnlich werden das Objektivsystem 18 und die Diodenanordnung 20 seitlich befestigt, und die Anordnung 20 elektronisch abgetastet, aber es ist auch eine mechanische Abtastung einer einzelnen Diode möglich.

Die Anordnungen zum Bewegen des Objektivsystems 18 zum Einstellen eines genauen Brennpunkts werden nun im einzelnen betrachtet: das Ausgangssignal von dem Filter 26 wird im Doppelweg gleichgerichtet, durch den Wandler 30 über eine Periode gemittelt, die einer Abtastung der Photodiodenan-Ordnung entspricht, und in eine Digitalzahl umgewandelt, welche in den Mikroprozessor 32 eingelesen wird. Der Wandler wird bei Beginn der Abtastung abgeschaltet, um den Impuls

zu beseitigen, der durch die Diskontinuität zwischen dem Ende einer Abtastung und dem Beginn der nächsten Abtastung verursacht wird. Der Mikroprozessor 32 bringt den Algorithm mus in dem Speicher 38 zur Wirkung und bewegt das Objektivsystem 18 mittels des Schrittmotors 36.

Es gibt zwei mögliche Typen von Algorithmus. Bei dem ersten Typ, der sich zur Verwendung bei der herkömmlichen Stehbildphotografie eignet und durch manuelles Schließen eines Schalters betätigt wird, bewirkt der Algorithmus in dem Speicher 38, daß der Mikroprozessor 32 den Schrittmotor 36 so steuert, daß das Objektivsystem 18 einen angemessenen Bereich von Stellungen überstreicht. Der Mikroprozessor bestimmt die Stellung des besten Brfnnpunkts entsprechend einem maximalen Signal von dem Wandler 30 und bringt das Objektivsystem in diese Stellung zurück, bevor die Aufnahme gemacht wird. Natürlich muß das Objektivsystem schnell bewegt werden.

Bei einem zweiten Algorithmustyp, der zur Verwendung bei einer Video-, Fernseh- oder Kinokamera vorgesehen ist, wird das Objektivsystem 18 bewegt, um die Brennpunkteinstellung eines bewegten Objekts kontinuierlich zu verfolgen. Das Linsensystem wird in einer Richtung bewegt, bis das Signal von dem Wandler 30 beispielsweise 10$ geringer ist als das während dieser Bewegungsrichtung ermittelte maximale Signal, dann wird die Laufrichtung umgekehrt und die Berechnung wiederholt. Das Objektivsystem 18 muß in der Lage sein, sich wenigstens doppelt so schnell wie das Objekt zu bewegen, und die Wirkung besteht darin, daß das System sich durch den besten Fokus vorwärts und rückwärts bewegt, aber diese Oszillation ist durch das menschliche Auge nicht bemerkbar, welches (a) ein etwas weniger genauer Brennpunktdetektor ist und (b) sein eigenes Zittern oder Zucken zur Fokuskompensation besitzt. Wenn kein Objekt vorhanden ist, kann das Objektivsystem zwischen zwei vorbestimmten Punkten verstellt werden, und bei Bedarf kann ein Unterprogramm eingeschlossen

t . ι·

werden, um die Linse in der Stellung anzuhalten, die dem letzten Signalmaximum entspricht, so daß ein Stehbild aufgenommen werden kann.

Beide Algorithmen können mit Unterprogrammen verknüpft werden, um die Apertur und die Verschlußzeit einer Aufzeichnungskaraera zu steuern.

Wenn die Möglichkeit von zwei Objekten in verschiedenem Abstand, aber ähnlicher Größe in dem Bild besteht,, wird das Problem gelöst, indem die Photodiodenanordnung 20 so eingerichtet wird, daß sie einen kleinen Bereich in der Mitte der Bildebene bedeckt, und es wird eine Schutzmaßnahme in den Algorithmus einbezogen, um das Linsensystem zur Fokussierung auf das nähere Objekt zu bewegen.

Figur 4- zeigt eine abgewandelte Anordnung; die mit den in Figur 2 identischen Teile tragen die gleichen Bezugszeichen. Durch das Objekt 10 durchgelassenes Licht wird durch eine halbreflektierende Fläche 4-0 empfangen, welche einen Teil des Lichts zu einer Kamera 4-2 mit einer Linse 4-4- durchläßt und den übrigen Teil des Lichts durch ein weiteres Linsensystem 4-6 zu der Photodiodenanordnung 20 reflektiert. Die Schrittmotoranordnung 4-8 steuert die Stellung des Linsensystems 4-6 und läßt es kontinuierlich einen vollen Bereich möglicher Stellungen überstreichen. Der Mikroprozessor 32 steuert einen weiteren Schrittmotor 36, welcher die Kameralinse 4-4- bewegt und sie in der Stellung des besten Fokus hält, der von dem überstreichenden Linsensystem 4-6 bestimmt

3Oworden ist. Zwischen der halbreflektierenden Fläche 4-0 und dem Objekt kann ein weiteres optisches System vorgesehen sein, das schematisch bei 50 angedeutet ist. Zum Beispiel kann in dieser Stellung ein optisches Instrument wie beispielsweise ein Endoskop angeordnet sein.

Die Figuren 2 und 4· erläutern die Erfindung in einer Ausführungsform, die auf eine Durchlassanordnung zum Belichten

eines photografischen Films ausgelegt ist; die Erfindung kann auf Reflektionsanordnungen angewandt werden oder zur Belichtung irgendeines Aufzeichnungssystems wie beispielsweise einer Fernsehkamera oder eines Videorekorders, oder kann in einem wissenschaftlichen oder industriellen Instrument wie beispielsweise einem Endoskop verwendet werden. Die Erfindung kann auch dazu verwendet werden, optische Systeme genau einzustellen oder zu kalibrieren.

In einer nicht dargestellten,sehr einfachen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Ausgangssignal des Filters einem Gleichrichter und einem Instrument zugeführt, und ein Beobachter stellt die Stellung einer Linse entsprechend der maximalen Anzeige des Instruments ein. Diese Anordnung kann dazu verwendet werden, optische Instrumente bei der Herstellung einzustellen.

Der Patentanwalt

Leerseite

Claims (8)

NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION 66-74- Victoria Street, London SW1 / England Ansprüche:

1. Verfahren zur Fokussierung optischer Systeme, bei welchem von einer Fokussiereinrichtung ein Bild empfangen wird, dadurch gekennzeichnet , daß ein elektrisches Signal geschaffen wird mit einer Frequenzverteilung, die der räumlichen Frequenzverteilung des Bildes entspricht, daß dem elektrischen Signal eine Verstärkung erteilt wird, die bei hohen Frequenzen größer ist als bei niedrigen Frequenzen, und daß das optische System in Übereinstimmung mit dem verstärkten Signal eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem elektrischen Signal erteilte Verstärkung der Frequenz proportional ist.

3. Vorrichtung zum Fokussieren eines optischen Systems, welche eine Empfangseinrichtung zum Empfangen eines Bildes von einer Fokussiereinrichtung umfaßt, gekennzeichnet durch eine Schaltungseinrichtung (20,21), die dazu dient, von der.Empfangseinrichtung (20) ein elektrisches Signal mit einer Frequenzverteilung abzuleiten, die der räumlichen Frequenzverteilung des Bildes entspricht, ferner eine Verstärkungseinrichtung (26), die dazu dient, dem elektrischen Signal eine Verstärkung zu erteilen, die bei hohen Frequenzen hoher ist als bei niedrigen Frequenzen, sowie eine Einstelleinrichtung (36) zum Einstellen des optischen Systems in Übereinstimmung mit dem verstärkten Signal.

4·· Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinrichtung (26) eine Verstärkung erteilt, welche der Frequenz proportional ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung (20) eine Anordnung von wenigstens acht lichtempfindlichen Detektoren umfaßt, von denen jeder entsprechend der Intensität von einfallendem Licht anspricht, und daß die Schaltungseinrichtung (20,21) eine Abtasteinrichtung umfaßt, die darauf eingerichtet ist, die Detektoranordnung abzutasten.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung (18) ein Teil des zu fokussierenden optischen Systems ist, und daß die Einstelleinrichtung (36) die Fokussiereinrichtung über einen vorbestimmten Fokusbereich verstellt, wobei eine Signalspeicher- und Vergleichseinrichtung (32) vorgesehen ist, um die Stellung der Fokussiereinrichtung zu bestimmen, bei welcher ein maximales verstärktes Signal auftritt.

/dadurch gekennzeichnet,

7. Vorrichtung nach Anspruch 5» daß die Fokussiereinrichtung

(18) ein Teil des zu fokussierenden optischen Systems ist, und daß die Einstelleinrichtung (36) die Fokussiereinrichtung in einer axialen Hin- und Herbewegung einstellt, wobei die Bewegung in jeder Richtung weitergeht, bis das verstärkte Signal von einem Maximus um einen vorbestimmten Betrag abnimmt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Fokussiereinrichtung (4-6) wiederholt über einen vorbestimmten Bereich von Stellungen verstellt wird, und daß eine zweite, ähnliche Fokussiereinrichtung (44·)» welche zu dem optischen System (4-2) gehört, kontinuierlich auf die Stellung eingestellt wird, die dem maximalen verstärkten Signal bei jeder wiederholten Bewegung der ersten Fokussiereinrichtung entspricht.