DE3329603A1

DE3329603A1 - Anordnung zur automatischen scharfeinstellung fotografischer kameras

Info

Publication number: DE3329603A1
Application number: DE19833329603
Authority: DE
Inventors: Gottfried Dr. DDR 8020 Dresden König; Siegfried DDR 8051 Dresden Schütze
Original assignee: Pentacon Dresden VEB
Current assignee: Pentacon GmbH Foto und Feinwerktechnik
Priority date: 1982-09-29
Filing date: 1983-08-17
Publication date: 1984-03-29
Also published as: GB2128050B; GB8316817D0; DD210359A1; GB2128050A

Description

Anordnung zur automatischen Scharfeinstellung fotografischer Kameras

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur automatischen Scharfeinstellung fotografischer Kameras, bei der die durch fokusabhängige Abschattwirkung erzeugte Helligkeitsverteilung der Austrittspupille des Gesamtsystems in einer Meßebene ausgewertet wird.

Es ist bekannt, die Abschattwirkung einer Bildfeldblende in der Austrittspupille eines Systems fotoelektrisch durch Messung der Helligkeitsverteilung zu erfassen.

Des weiteren ist bekannt, das Bild des scharfzustellenden Objektes in Teilbilder zu zerlegen und damit eine Pupillenvervielfachung vorzunehmen, wobei die fotoelektrische Meßwerterfassung durch Vielfach-Empfängerarrays in der Ebene der Teilpupillen erfolgt. Die entscheidenden Vorteile der Bildteilung liegen in der Möglichkeit der Gewinnung eines vorzeichenrichtigen Signals bei gleichzeitiger Empfindlichkeitserhöhung.

Es ergeben sich jedoch noch entscheidende Nachteile.

Das Auflösungsvermögen der Bildteilung und damit, die System-Empfindlichkeit sind durch Einschränkungen bei der Herstellung der erforderlichen optischen Mittel zur BiIdteilung begrenzt. Dagegen ergibt sich eine ungünstige Anpassung der Vielfach-Teilempfanger, die bei den dadurch erforderlichen größeren Abmessungen der Teilempfänger nicht bei optimalen Nutz-Stör-Verhältnissen arbeiten, andererseits aber mit wesentlich kleineren Abmessungen und damit optimaleren Nutz-Stör-Verhältnissen technologisch herstellbar sind.

Zur Erklärung 3ei festgestellt, daß der fokusabhängige

Meßeffekt (relative Änderung des Fokussignals bei Defokussierung um einen festen Betrag) unmittelbar mit der Verkleinerung der Tcilbildbreifce steigt und andererseits auch die Grenzleuchtdichte (kleinste verarbeitbare Objektleuchtdichte je nach Objektkontrast) umgekehrt proportional zur ■ Wurzel aus dem Auflösungsvermögen (Teilbilder pro mm) sinkt,

Durch Anwendung der Erfindung sollen die angegebenen ÜTach- - teile behoben werden.

Die Erfindung hat die Verbesserung der Scharfeinstellung durch Erhöhung der System-Empfindlichkeit und Erniedrigung der Grenzleuchtdichte mittels einer Anordnung zur Aufgabe, bei der daa Auflösungsvermögen der Bildteilung im wesentlichen nur durch das Auflösungsvermögen des Vielfach-Empfangerarrays bestimmt ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Anordnung gelöst, bei der die Meßebene in einer zweiten Bildebene liegt, bei der in der zwischen der ersten und zweiten Bildebene liegenden Pupillenebene optische Mittel zur Erzeugung von mindestens zwei identischen Bildern eines begrenzten Ausschnittes einer ersten Bildebene in der zweiten Bildebene vorgesehen sind und bei der die identischen Bilder der zweiten Bildebene mittels eines Vielfach-Arrays in mindestens je zwei Teilbilder zerlegbar sind, wobei aus der Helligkeitsverteilung diametraler Pupillengebiete durch Vergleich der gleichen Bildteilen zugeordneten Empfänger verschiedener Teilbilder das Betragssignal und unter Einbeziehung des Vergleichs der Empfänger innerhalb eines Teilbildes das Richtungssignal für die Pokusabweichung gewonnen wird. Zur Durchführung der automatischen Scharfeinstellung ist es weiterhin erforderlich, daß in der Pupillenebene in diametralen peripheren Pupillenteilen in einer ersten und/oder einer dazu senkrechten zweiten Richtung mindestens je zwei Pupillenlinsen angeordnet sind. Sind die Pupellenlinsen nur

in einer Richtung angeordnet, d. h. es erfolgt eine Meßwertverarbeitung nur in einer Richtung, so ist diese Richtung vorzugsweise gegenüber horizontalen oder vertikalen Objektkanten um einen Winkel oc geneigt. Eine verbesserte Ausführung der Anordnung sieht erfindungsgemäß zusätzlich zu den erwähnten diametralen Pupillenlinsen eine zentrale Pupillenlinse (zentrales Bild C), deren optische Achse mit der optischen Achse des Aufnahmeobjektivs übereinstimmt, vor. Die Brennweiten der Pupillenlinsen sind zweckmäßigeΓΙΟ weise so bemessen, daß in der zweiten Bildebene gegenüber der ersten Bildebene eine Verkleinerung erfolgt. Als bildbegrenzendes Mittel ist beispielsweise eine Bildfeldblende in der ersten Bildebene angeordnet. Weiterhin ist es zweck mäßig, daß zwischen den Bildern in der zweiten Bildebene " Abschirmblenden vorgesehen sind. Pur die praktische Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung ist es vorteilhaft, daß die in der ersten Bildebene und in den nachfolgenden Ebenen angeordneten optischen Bauelemente sowie das Vielfacharray zu einem kompakten Baustein zusammenfaßbar sind. Zur Meßwertverarbeitung ist die Scharfeinstellanordnung mit einem Signalverarbeitungsteil derart verbunden, daß (m-1) erste Differenzen M.. zugeordneter Empfänger zweier Bilder A und B aus diametralen Pupillenteilen entsprechend M^_n = -jAn - Bnj _ . ( -Λ) ^un<i (^m~¹) zv/eite Differenzen M_2n der Empfänger jeweils eines der beiden Bilder entsprechend M₀ „ = /An+1 - An

η — ι... ^m—

oder M_Oyi = -jBn+1 - BnV _Λ , _Λ >. gebildet und die 2n (___ Jn«i... (m-1; °

Vorzeichen von M₁ und M₀ festgestellt werden, wobei das Vorzeichen der Fokusabweichung für jedes der (m-1) Pokussignale aus der Übereinstimmung oder Nichtübereinstimmung der Vorzeichen von M₁ und M_? hervorgeht. Vorteilhafter wird erfindungsgemäß das Signal M₂ aus einem zentralen Bild C abgeleitet, welches an der Bildung des Signals M_1n nicht beteiligt ist und mit dem Signal M₁ zur Vorzei-

chengewinnung multipliziert wird. Die Vorzeichen der Signale IZLj_n und Mp_n können auch mittels einer logischen

Schaltung getestet werden. Ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß von m-1 Fo-'5 kussignalen mindestens ein Signal direkt oder mindestens zwei Signale summiert weiterverarbeitet werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen

Pig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2a, 2b Anordnungsvarianten der Pupillenlinsen, Fig. 3 die Abbildungsverhältnisse auf dem CCD-Array

und

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

Anordnung in einer SR-Kamera.

Das Aufnahmeobjektiv 2 bildet entsprechend Fig. 1 in einer zur Filmebene äquivalenten ersten Bildebene 4 das durch die Bildfeldblende 4a begrenzte Bild 6 des scharfzusteilenden Objektes 1 ab. Die in der ersten Bildebene 4 angeordnete Meßfeldlinse 5 bildet die Austrittspupille 3 des Aufnahmeobjektivs 2 in die Pupillenebene 8 ab. In der Pupillenebene 8 sind die Pupillenlinsen 7a, 7b und 7c in der aus Fig. 2a ersichtlichen Variante angeordnet. Sie erzeugen in der zweiten Bildebene 9 drei identische Bilder 10a, 10b und 10c des Bildes 6 der ersten Bildebene 4 auf einem Vielfach-Empfängerarray 10, z. B. einem CCD-Arrayentsprechend Fig. 3. Zwischen den Pupillenlinsen 7a und 7c sowie 7c und 7b sind Abschirmblenden 11a, 11b angeordnet

Anhand eines Zahlenbeispiels sollen die Bildgrößen kurz veranschaulicht v/erden:

Die Bildgröße 6 beträgt z. B. 4,8 χ 4,8 mm².

Die Öffnungszahl k« des Meßsystems ergibt sich aus dem

Abstand d_o , zwischen den Ebenen 8 und 4 und dem Durchmesser ο,4

dg der Gesamtpupille 8a. Die Meßöffnungszahl beträgt

■ 5 falls z. B, Wechselobjektive der Öffnungszahl-für Offenblende k a 2,8 benutzt werden sollen.

Daraus folgt für z. B. d_Q . = 15 mm

dg_a a 4»4 mm

und eine Brennweite der Pupillenlinsen 7a - 7c von ca. 2mm. Die Bildgröße auf dem CCD-Array beträgt damit ca. 0,74 - 0,74 mm .

Wird z. B. von einer Rasterung des CCD-Arrays 10 von 40 Teilempfängern pro mm in x- und y-Richtung ausgegangen, resultiert daraus eine Anzahl von ca. 30 χ 30 Teilbildern (30 Empfängerzeilen zu je 30 Teilempfängern). Dabei ist dio Zeilenausrichtung mit' der Ausrichtung der Pupillenlinsen 7 (y-Richtung) identisch. Das hat zur Folge, daß nur Kantenlagen im Objekt senkrecht zur Zeilenausrichtung mit maximaler Meßempfindlichkeit ausgewertet werden können.

Eine optimale Empfindlichkeit in beiden zueinander senkrechten Richtungen erfordert die in Pig. 2b ersichtliche Linsenanordnung aus z.B. 5 Pupillenlinsen und eine entsprechende Matrix-Struktur des CCD-Arrays (Abfrage in x- und y-Richtung) zur Meßwertverarbeitung.

Gegenüber Fig. 3 kann das CCD-Array 10 im Extremfall auch aua einer Zeile bestehen, wobei hinsichtlich der x-Ausdehnung die Teilempfänger entweder eine entsprechende Breite in x-Richtung aufweisen oder zwecks optimaler Energiebilanz in bekannter Weise die x-Richtung optisch stärker gebündelt wird.

Zur Gewinnung des Fokus-Gesamtsignals werden zunächst den Teilbildern entsprechende selbständige Fokussignale nach Betrag und Vorzeichen (Richtung der erforderlichen Verstellung Δ s de3 Objektivs) gebildet. Das Fokus-Gesamtsignal kann dann das Signal eines einzelnen beliebig wählbaren Teilbildes sein oder aus den Fokussignalen mehrerer Teilbilder (maximal m-1) zusammengesetzt (summiert) werden. Die Auswahl bestimmter Teilbilder geht davon aus, die Gutausbeute des Systems zu erhöhen.

Z. B. kann es zur Ausschaltung eines störenden Hintergrundes (gleichzeitiges Vorhandensein unterschiedlich entfernter Objekte) zweckmäßig sein, jeweils nur dasjenige Teilobjekt mit der kleinsten Objektentfernung automatisch per Rechenprogramm auszuwählen und weiterzuverarbeiten.

Da die den unterschiedlich entfernten Teilobjekten zugeordneten Teilfokussignale ihre Mulldurchgän'ge bei unterschiedlichen Objektivlagen besitzen,, wird in diesem Fall dasjenige ,Teilfokussignal selektiert, dessen Nulldurchgang der IJah-Einsteilgrenze am nächsten liegt.

Die Betragsbildung erfolgt pro Teilbild durch den Vergleich der diametral gegenüberliegenden Pupillen 7a und 7b, d, h. durch Bildung einer ersten Differenz IVL zugeordneter Teilbilder An, Bn der Bilder 10a und 10b,

^M1n = {^ -^Bn] n= 1...

Das Teilsignal jedes Teilempfängers ist damit durch den integralen Bildinhalt dea entsprechenden Teilbildes (bei Scharfeinstellung streng gültig) und durch die abschatten de V/irkung seiner in die erste Bildebene 4 übersetzten Be grenzung (Blendenwirkung) bei Defokussierung bestimmt.

Da die Differenz M^_n in Abhängigkeit von der Helligkeitsfolge H/D bzw. D/H im Bild kein eindeutiges Vorzeichen

der Defokussierung Δ s bewirkt, ist eine eindeutige Rich tungsbestimmung erforderlich. Dies erfolgt im Bild 10c durch Vergleich des entsprechenden Teilbildes Cn mit dem benachbarten Teilbild, z. B. On + 1, entsprechend der Bildung einer zweiten Differenz.

I/L· = J Cn + 1 - CnV - ₁ 2n |_ Jn=T...

(M-I)

Es stellt sich heraus, daß die Änderung der Helligkeitsfolge, z.B. D/H - H/D sowohl das Vorzeichen der ersten Differenz M₁ als auch das Vorzeichen der zweiten Differenz Mp_n ändert.

Aus diesem Grund ergibt sich das Vorzeichen des Fokussignals eindeutig positiv, wenn beide Differenzen gleiches Vorzeichen aufweisen und negativ, wenn beide Differenzen ungleiches Vorzeichen aufweisen oder umgekehrt. Dies kann durch eine einfache logische Schaltung geprüft werden. Das gleiche'Ergebnis wird erhalten, wenn beide Differenzen, M₁ und Mp_n, multipliziert werden. Zur Bildung der Differenzen Mp kann auch das Bild 10a oder 10b herangezogen werden, wobei dann die zentrale Pupillenlinse 7c und damit auch Bild 10c entfällt. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, daß bei größeren Defokussierungen infolge Abschattung und lateraler Bildverschiebung eine Vorzeichenverfälschung eintreten kann.

Diese Vorzeichenverfälschung wird ausreichend eingeschränkt, "wenn zur Bildung der Differenz M„ Pupillenteile herangezogen werden, die möglichst nahe an der optischen Achse des Systems liegen.

Aus diesem Grunde soll die y-Ausdehnung der Pupillenlinse 7c möglichst klein und die Linsenfläche der Linsen 7a und 7b möglichst gleich sein.

Bei Scharfeinstellung durchläuft die Differenz ML Mull. Die Differenz M« ist unabhängig von der Defokussierung

stets ungleich Null, solange ausreichender Kontrast vorhanden ist.

Die geschilderte Meßwertverarbeitung bezieht sich auf eine Zeile in y-Richtung. Falls mehrere Zeilen vorhanden sind, kann die genannte Verarbeitung zeilenweise nacheinander erfolgen. Falls eine Anordnung entsprechend Fig. 2b in Verbindung mit einer x, y-Matrix-Struktur des CCD-Arrays angewendet wird, dann kann dieser Verarbeitungsmodus auch für die 2. Richtung erfolgen.

Für die praktische Anwendung genügt im allgemeinen eine Verarbeitung in einer Richtung, wenn die Linsenanordnung 7a - 7c und das zugeordnete Empfangerarray unter cc ^ 45 gegenüber horizontalen und vertikalen Objektkanten ausgerichtet wird.

Die Linsenanordnung sollte zwecks Gewährleistung einer kompakten Bauweise und hoher Meßeffekte mit einem möglichst großen Verkleinerungsmaßstab ausgelegt werden. Bei der Wahl einer möglichst kleinen Brennweite der Pupillenlinsen muß mit Rücksicht auf die Abbildungsgüte der Linsendurchmesser (f/d-Verhältnis) beachtet werden. Ein kleiner Abstand (d_Q . in Fig. 1) kommt einem möglichst großen f/d-Verhältnis entgegen.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die optische Anordnung in einer SR-Kamera.

In bekannter Weise wird die Meßeinrichtung im Kameraboden untergebracht, wobei der Meßstrahlengang über den teildurchlässigen Klapp3piegel 14 mit angelenktem Hilfsspiegel 15 geführt wird.

Die optischen Bauelemente der ersten Bildebene, der Pupillenebene 8 und der zweiten Bildebene sind zu einem Kompaktmodul 16 zusammengafaßt. Dieser ist getrennt herstellbar und abgeglichen, so daß der Einbau in die Kamera stark vereinfacht wird. Die einzelnen Bezeichnungen stimmen mit Fig. 1 überein.

Die erfindungsgemäße Lösung hat gegenüber bekannten Anordnungen die Möglichkeit der Bildverkleinerung mit 2 entscheidenden Vorteilen:

Es erfolgt eine Erhöhung der Beleuchtungsstärke auf dem Vielfacharray und damit eine Erhöhung des Hutz-Stör-Abstandest

Weiterhin ist der Einsatz einer kompakten Anordnung möglich, wodurch der Wachteil einer notwendigen zweiten Bildebene wieder kompensiert wird.

Des weiteren entfällt die Anpassung der Teilempfänger auf die durch optische Bildteilung bestimmte Lage. Das fotoelektrisch definierte Teilbild erfordert weniger Justieraufwand und erfaßt die Meßflgche lediglich nach Maßgabe der Fehlstellen zwischen den Teilempfängern voll.

Dresden, am 04. Juli 1983
21/4-04

VEB PENTACON DRESDEN Kamera- und Kinowerke

Claims

Patentansprüche

1. Anordnung zur Scharfeinstellung fotografischer Kameras , bei der die durch fokusabhängige Abschattwirkung erzeugte Helligkeitsverteilung der Austrittspupille

'5 des Gesamtsystems in einer Meßebene ausgewertet wird und die Meßwerte zur vollautomatischen oder halbautomatischen Einstellung des Aufnahmeobjektivs herange-. zogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßebene in einer zweiten Bildebene (9) liegt, daß in " der Pupillenebene (8) optische Mittel (7) zur Erzeugung von mindestens zwei identischen Bildern eines begrenzten Ausschnittes einer ersten'Bildebene (4) in der zweiten Bildebene (9) vorgesehen sind und daß die identischen Bilder der zweiten Bildebene (9) mittels eines Yielfach-Arrays (10) in mindestens je 2 Teilbilder zerlegbar sind, wobei aus der Helligkeitsverteilung diametraler Pupillengebiete durch Vergleich der gleichen Bildteilen zugeordneten Empfänger verschiedener Teilbilder das Betragssignal und unter Einbeziehung des Vergleichs der Empfänger innerhalb eines Teilbildes das Riehtungssignal für die Fokusabweichung gewonnen wird.

2. Anordnung zur Scharfeinstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Pupillenebene (8) in diametralen peripheren Pupillenteilen in einer ersten und/oder einer dazu senkrechten zweiten Rich-.- tung mindestens je zwei Pupillenlinsen (7a, 7b) angeordnet sind.

3. Anordnung zur Scharfeinstellung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pupillenlinsen (7a, 7b) nur in einer Richtung angeordnet sind, wobei diese Richtung vorzugsweise gegenüber horizontalen oder vertikalen Objektkanten um einen Winkel oc geneigt ist.

4. Anordnung zur Scharfeinstellung nach. Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im zentralen Teil der Pupillenebene (8) eine Linse (7c) angeordnet ist, deren optische Achse mit der optischen Systemachse übereinstimmt.

5. Anordnung zur Scharfeinstellung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite der Pupillenlinsen (7) so bemessen ist, daß in der zweiten Bildebene gegenüber der ersten Bildebene eine Verkleinerung erfolgt.

6. Anordnung zur Scharfeinstellung mit einem Signalverarbeitungsteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß (m-1) erste Differenzen zugeordneter Empfänger zweier Bilder A und B aus diametralen Pupillenteilen entsprechend

M_1n = -jAn - BnJ- _n _ ₁ (m-1) ^*¹ ^^m"¹^ zweite Differenzen der Empfänger jeweils eines der beiden Bilder entsprechend Mp_n = AAn+1 - AnJ _ - (m-1) ^0<ier

_n J (m)

(^Bn₊1 - ^Bn) η = 1... (m-1) gebildet und die Vorzeichen von M_1n und Mp_n festgestellt werden, wobei

^M2n

das Vorzeichen der Fokusabweichung für jedes der (m-1) Fokussignale aus der Übereinstimmung oder Nichtübereinstimmung der Vorzeichen von M- und M₂ hervorgeht.

7. Anordnung zur Scharfeinstellung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal M_2n aus einem zentralen Bild C abgeleitet wird, welches an der Bildung des Signals M_1n nicht beteiligt ist.

8. Anordnung zur Schrafeinsteilung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorzeichengewinnung die Signale M- und M₂ multipliziert oder deren Vorzeichen mittels einer logischen Schaltung getestet werden,

9· Anordnung zur Scharfeinstellung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß von m-1 Fokussignalen mindestens ein Signal direkt oder mindestens zwei Signale summjert weiterverarbeitet werden.

•5 10. Anordnung zur Scharfeinstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bildbegrenzende Mittel, z. B. eine Bildfeldblende (4a), in der ersten Bildebene angeordnet sind.

11. Anordnung zur Scharfeinstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Bildern in der zweiten Bildebene Abschirmblenden (11a, 11b) vorgesehen sind.

12. Anordnung zur Scharfeinstellung nach Anspruch 1, da-, durch gekennzeichnet, daß die in der ersten Bildebene "und den nachfolgenden Ebenen angeordneten optischen Bauelemente sowie das Vielfacharray zu einem kompakten Baustein (16) zusammenfaßbar sind.

(Hierzu 3 Seiten Zeichnungen)