DE3437145C2

DE3437145C2 - Automatische Scharfeinstellvorrichtung für photographische Kameras

Info

Publication number: DE3437145C2
Application number: DE3437145A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Rinn; Fritz Dr Belitz
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1984-10-10
Filing date: 1984-10-10
Publication date: 1996-03-28
Anticipated expiration: 2004-10-11
Also published as: DE3437145A1; US4639110A

Description

Die Erfindung betrifft eine automatische Scharfeinstellvorrichtung für eine photographische Kamera (sog. Autofocuseinrichtung), mit einer Speichereinheit zur elektronischen Speicherung von Entfernungs- Meßwerten und einer Verknüpfungs- bzw. Rechenschaltung zur Ermittlung des sich aus den Meßwerten ergebenden günstigsten Entfernungs-Einstellwertes für das Aufnahmeobjektiv unter Berücksichtigung verschiedener Anforderungen an Lage und Ausdehnung des Schärfentiefenbereichs.

Bekannte automatische Scharfeinstellvorrichtungen messen die Entfernung zu einem Aufnahmeobjekt in einem sehr eng begrenzten Bereich in der Mitte des aufzunehmenden Bildfeldes.

Dieses Verfahren ergibt nur gute Resultate, wenn sich das Hauptobjekt ebenfalls in Bildmitte befindet oder wenn das Objekt insgesamt eine geringe Tiefenausdehnung aufweist.

Eine Verbesserung dieses Verfahrens wird durch die Einführung eines Meßwertspeichers erreicht. Dabei kann zunächst mit Hilfe einer Zielvorrichtung das Hauptobjekt anvisiert werden, seine Entfernung gemessen und die so gewonnene Entfernungsinformation mittels eines Speichers festgehalten werden. Die Kamera kann danach in eine andere Richtung geschwenkt werden, um den gewünschten Bildaufbau herzustellen. Beim Auslösen der Kamera erfolgt dann die Scharfeinstellung des Objektivs gemäß der im Speicher enthaltenen Entfernungs-Information, so daß eine scharfe Abbildung des zuvor gemessenen Hauptobjekts erreicht wird.

Nach einem anderen Vorschlag (DE-OS 33 44 431 A1) werden an mehreren Stellen innerhalb des Aufnahmebildfeldes Entfernungsmessungen durchgeführt. Dazu wird das Meßfeld der Entfernungsmeßeinrichtung automatisch über das Aufnahmeobjekt geführt. Die kürzeste gemessene Objektentfernung wird dabei gespeichert und das Aufnahmeobjektiv auf diesen Wert eingestellt. Es wird dabei vorausgesetzt, daß das Hauptobjekt immer am nächsten zur Kamera gelegen ist.

Alle diese Verfahren haben den Nachteil, daß die Scharfeinstellung der Kamera immer nur auf die gemessene Objektebene erfolgt. Da die meisten Aufnahmeobjekte aber eine räumliche Tiefenausdehnung haben, ist es kaum möglich, gezielt einen bestimmten Tiefenbereich des Objektes scharf abzubilden, was auf Grund der stets vorhandenen Schärfentiefe des Aufnahmeobjektivs möglich wäre. Die Schärfentiefe, die insbesondere bei kleineren Blendenöffnungen des Aufnahmeobjektivs vorhanden ist, kann also nicht voll genutzt werden.

Aus US-PS 4,470,681 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abstandsfeststellung bekannt. Diese weist eine Infrarotlichquelle, einen Infrarotdetektor und eine vor dem Detektor angeordnete Fokussierungslinse auf. Dabei wird mit Hilfe des Detektors basierend auf den reflektierten Infrarotmeßstrahlen eine Entfernung zum Objekt bestimmt.

Aus DE 33 44 431 A1 ist eine automatische Scharfeinstellvorrichtung für eine photographische Kamera bekannt. Bei dieser wird während der Abtastung die Größe des dem nächstgelegenen Aufnahmeobjekts entsprechenden Entfernungssignal erfaßt und in einem Speicher festgehalten.

Aus DE 29 24 083 A1 ist eine Schaltungsanordnung für photographische Kameras bekannt. Dabei wird aus einem von der jeweiligen Entfernungseinstellung des Objektivs abgeleiteten Signal eine Steuergröße für eine Korrektur der Entfernungseinstellung gebildet. Dies geschieht genauer so, daß die korrigierte Entfernung zwischen der zuvor eingestellten Entfernung und "unendlich" liegt oder daß die korrigierte Entfernung kürzer ist als die vorher eingestellte, wobei letztere stets unterhalb des durch die Objektivblende festgelegten Schärfentiefenbereichs liegt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer automatischen Scharfeinstellvorrichtung für eine photographische Kamera, bei der die räumliche Tiefenausdehnung des Aufnahmeobjektes berücksichtigt werden kann und entsprechend der Schärfentiefe des Aufnahmeobjektivs in Abhängigkeit von dessen Blendenöffnung die Scharfeinstellung eines bestimmten räumlichen Tiefenbereichs des Aufnahmeobjekts ermöglicht wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden zusätzliche Möglichkeiten geschaffen, die es dem Benutzer gestatten, gezielt die Lage und Ausdehnung des Schärfentiefenbereichs zu beeinflussen bzw. vorherzubestimmen.

So soll z. B. in einer ersten Betriebsart der Scharfeinstellvorrichtung in herkömmlicher Weise die Scharfeinstellung des Aufnahmeobjektivs genau auf die gemessene Entfernung erfolgen. Der gesamte bei einer bestimmten Blenden-Öffnungszahl k vorhandene Schärfentiefenbereich verteilt sich dann nach den Gesetzen der geometrischen Optik (siehe "Naumann, Optik für Konstrukteure, Düsseldorf 1970, S. 28") derart, daß die Tiefe des scharf abgebildeten Raumes vor der exakt scharf eingestellten Ebene durch U₁ und die Tiefe des scharf abgebildeten Raumes hinter dieser Ebene durch U₂ gegeben ist.

A₀ = Abstand der exakt scharf eingestellten Objektebene
a = Konstante (1000 bis 4000)
k = Öffnungszahl des Aufnahmeobjektivs
f = Brennweite des Aufnahmeobjektivs.

In einer zweiten Betriebsart soll die gemessene Objektentfernung A₀ als Höchstentfernung des vorhandenen Schärfentiefenbereichs bewertet werden. Der gesamte scharf abgebildete Raum erstreckt sich demnach vor der gemessenen Entfernung. Die exakte Scharfeinstellung muß also bei dieser "Naheinstellung" auf eine Eentfernung A_N erfolgen die kleiner ist als die gemessene Entfernung A₀ zbd zwar gilt:

A_N = A₀ - U₂ .

In einer dritten Betriebsart soll die gemessene Objektentfernung A₀ als Mindestentfernung des vorhandenen Schärfentiefenbereichs bewertet werden. Der gesamte scharf abgebildete Raum erstreckt sich demnach hinter der gemessenen Entfernung. Die exakte Scharfeinstellung muß also bei dieser "Ferneinstellung" auf eine Entfernung A_F erfolgen, die größer ist als die gemessene Entfernung A₀ und zwar gilt:

A_F = A₀ + U₁ .

In einer vierten Betriebsart soll der häufig auftretende Fall berücksichtigt werden, daß eine scharfe Abbildung von der gemessenen Objektentfernung A₀ bis Unendlich gefordert wird. Es handelt sich also um einen Sonderfall der zuvor beschriebenen dritten Betriebsart, die sogenannte "Nah-Unendlichkeitseinstellung". Die exakte Scharfeinstellung muß also auf die Entfernung A_∞ erfolgen, die wesentlich größer ist als die gemessene Entfernung A₀.

Der scharf abgebildete Raum erstreckt sich bis ins Unendliche, wenn gilt:

a·f = A_∞·k oder A_∞ = a·f/k

Damit ergibt sich U₁=A_∞/2 oder, daU₁ gleich der gemessenen Entfernung A₀ sein soll,

A_∞ = 2·A₀

Selbstverständlich muß in dieser Betriebsart ein ausreichend großer Schärfentiefenbereich vorhanden sein, um diese Bedingung einhalten zu können. Andernfalls soll eine Warnung bzw. ein Hinweis erfolgen, damit durch gezielte Änderung der Parameter, z. B. durch Verkleinern der Blendenöffnung (=Erhöhung der Öffnungszahl k) die notwendige Schärfentiefe erreicht werden kann. In diesem Fall muß mindestens die Öffnungszahl

eingestellt werden.

In einer fünften Betriebsart soll sich schließlich der Schärfentiefenbereich zwischen zwei Aufnahmeobjekten erstrecken, die verschiedenen Abstand von der Kamera haben. Dazu muß die Entfernung zu dem näheren Objekt A₁ und zu dem entfernteren Objekt A₂ gemessen werden, was nacheinander durch Anvisieren der beiden Objekte mit der Zielvorrichtung der Entfernungsmeßeinrichtung und Zwischenspeicherung der Meßwerte erfolgen kann. Die Scharfeinstellung muß dann auf eine mittlere Entfernung A_M erfolgen, die gegeben ist durch die Bezeichnung:

Auch hier muß für einen ausreichend großen Schärfentiefenbereich gesorgt werden und zwar durch Einstellen einer Öffnungszahl von mindestens

Diese Betriebsart kann auch sinnvoll kombiniert werden mit einer automatischen Abtastung des gesamten Bildfeldes, wobei an einer größeren Zahl von Teilbereichen des Bildfeldes Entfernungsmessungen durchgeführt und die Meßwerte gespeichert werden. Aus dem kleinsten und dem größten Entfernungsmeßwert kann dann nach diesem Verfahren die ideale Einstellentfernung ermittelt werden.

Die Wahl der Betriebsart kann vom Benutzer der Kamera durch geeignete Einrichtungen z. B. Schalter oder Taster vorgenommen werden.

Selbstverständlich müssen in einer Kamera nicht alle 5 Betriebsmöglichkeiten vereint sein, sondern es kann auch eine Auswahl der wichtigsten realisiert werden.

Im folgenden soll eine bevorzugte einfache Ausführungsform der Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Meß- und Auswerteschaltung für eine automatische Scharfeinstellvorrichtung der genannten Art,

Fig. 1a eine Klarstellung der verwendeten Bezeichnungen nach "Naumann: Optik für Konstrukteure, Düsseldorf 1970, S. 21, 28",

Fig. 2 Schaltungsdetail zur Realisierung der Betriebsarten 1 und 2,

Fig. 3 Schaltungsdetail zur Realisierung der Betriebsarten 3 und 4,

Fig. 4 Schaltungsdetail zur Realisierung der Betriebsart 5.

Die Messung der Entfernung erfolgt in an sich bekannter Weise nach dem Prinzip der Dreiecksbildung mit einem Infrarot-Lichtstrahl. Fig. 1 veranschaulicht den Aufbau der Entfernungsmeßeinrichtung.

Die Strahlung einer Infrarot-Senderdiode 1 wird mit der Linse 2 parallel gerichtet und auf das Aufnahmeobjekt 3 fokussiert. Die von dem Objekt 3 unter dem Winkel α diffus zurückgestreute Strahlung wird von der Linse 4 auf die Oberfläche des Positionsdetektors 5 fokussiert und erzeugt dort ein angenähertes Abbild der Senderdiode 1. Der Rückstreuwinkel α und damit die Lage des empfangenen Lichtpunktes auf dem Positionsdetektor 5 ist von der Entfernung der Meßvorrichtung 1, 2, 4, 5, zum Objekt 3 abhängig. Der Positionsdetektor 5 erzeugt die beiden Teilströme J_A und J_B, deren Verhältnis von der Lage des Auftreffpunktes der Strahlung und damit von der Entfernung des Objektes 3 abhängig ist.

Es gilt die Beziehung:

L = wirksame Länge des Positionsdetektors
X = Abstand des Auftreffpunktes von einem Ende des Positionsdetektors

Die beiden Teilströme J_A und J_B werden durch die Verstärker 6 und 7 verstärkt und der Recheneinheit 8 zugeführt. Hier werden Differenz und Summe von J_A und J_B sowie der Quotient aus Differenz und Summe gebildet. Das Ergebnis der Quotientenbildung enthält die reine Entfernungsinformation und ist unabhängig vom Reflexionsgrad des Objektes. Da die Fokussierung des Aufnahmeobjektivs in kleinen Stufenschritten erfolgen kann und andererseits eine Speicherung des Entfernungs- Meßwerts erforderlich ist, erweist es sich als vorteilhaft, den Meßwert zu digitalisieren. Dazu dient der Analog-Digital-Wandler 9.

Der Digitalisierungsschritt wird dabei so gewählt, daß jedem Schritt eine Entfernungseinstellzone entspricht.

Die Zahl der einstellbaren Entfernungszonen N richtet sich nach Brennweite und größter Blendenöffnung des Aufnahmeobjektivs sowie nach den Anforderungen an die Schärfenwiedergabe und liegt in der Regel bei 5 bis 20.

Das digitalisierte Entfernungssignal wird mit Hilfe der Steuerschaltung 10 in den Meßwertspeicher 11 eingeschrieben. Dieser Speicher hat N Stellen, wobei jede Stelle einer Entfernungszone entspricht. Die Steuerschaltung 10 ist so ausgebildet, daß jeweils nur eine von den N Stellen besetzt werden kann, die dann den zuletzt gemessenen Entfernungswert darstellt.

Außer dem Meßwertspeicher 11 ist ein zweiter Meßwertspeicher 12 vorhanden, der mit 11 identisch ist und der dann in Funktion tritt, wenn zwei aufeinanderfolgende Meßwerte gespeichert werden müssen.

Die N Ausgänge der Meßwertspeicher 11 und 12 werden durch eine Logikschaltung 13 miteinander verknüpft. In diese Logikschaltung werden die Signale für die gewünschte Betriebsart mit Hilfe des Wahlschalters 14 eingegeben, der im gezeichneten Fall die Wahl zwischen 5 verschiedenen Betriebsarten zuläßt.

Außerdem werden in die Logikschaltung 13 mit Hilfe des Schalters 15 die am Aufnahmeobjektiv eingestellten Blendenwerte bzw. Gruppen von Blendenwerten in codierter Form eingegeben.

Die Logikschaltung 13 hat ebenso wie die Meßwertspeicher 11 und 12 N Ausgänge. Das Ausgangssignal des Meßwertspeichers ist das Eingangssignal der Logikschaltung und wird durch diese entsprechend den eingegebenen Daten für Betriebsart und Blendenwert verändert.

Ist z. B. das Ergebnis einer Messung die Zone n, so kann durch die gewählte Betriebsart und/oder Blendenwert das Ausgangssignal der Logikschaltung die Zone n+1 sein.

Die genaue Funktion der Logikschaltung 13 in den einzelnen Betriebsarten wird im folgenden an Hand der Zeichnungen Fig. 2, 3 und 4 erklärt.

In der ersten Betriebsart soll die Scharfeinstellung genau auf die gemessene Entfernung erfolgen, d. h., die Zonennummer darf durch die Logikschaltung nicht verändert werden. Nach Fig. 2 ist dies dann der Fall, wenn auf den Steuerleitungen 16 und 17 der Logikpegel "0" eingestellt ist.

In diesem Fall gelangt z. B. das Ausgangssignal n des Meßwertspeichers 11 direkt durch das Oder-Gitter 18 zu dem Ausgang n der Logikschaltung.

In der zweiten Betriebsart soll die Scharfeinstellung auf eine kürzere Entfernung, d. h. auf eine niedrigere Zonennummer als die gemessene erfolgen, wenn die bei dem eingegebenen Blendenwert vorhandene Schärfentiefe dies zuläßt.

Dazu wird durch eine nicht gezeigte logische Verknüpfung der Signale aus dem Betriebsarten-Schalter 14 und der Blendenwert-Eingabe 15 ein Signal gewonnen, das z. B. auf der Steuerleitung 16 den Logikpegel "1" erzeugt. Dadurch wird über das Oder-Gatter 19, den Inverter 20 und das Und-Gatter 21 der Durchgang des Signals n durch das Gatter 18 blockiert. Gleichzeitig wird aber der Weg für den Meßwert "n" durch die Gatter 22 und 25 geöffnet, so daß er am Ausgang von 25 als Einstellwert "n-1" in Erscheinung tritt.

Entsprechend kann durch Wahl eines anderen Blendenwertes der zu einer größeren Schärfentiefe führt, in der gleichen Betriebsart auf der Steuerleitung 17 der Logikpegel "1" erzeugt werden. Dann bleiben bei Auftreten des Meßwerts "n" die Logikausgänge "n" und "n-1" gesperrt. Durch die Gatter 27 und 29 tritt dann aber der Meßwert "n" am Ausgang von 29 als Einstellwert "n-2" auf.

In der dritten Betriebsart soll die Scharfeinstellung auf eine größere Entfernung, d. h. auf eine höhere Zonennummer als die gemessene erfolgen, wenn die vorhandene Schärfentiefe dies zuläßt. Nach Fig. 3 erfolgt dies in analoger Weise wie bei der zuvor beschriebenen Betriebsart 2, jedoch wirkt die Logikschaltung im Sinne einer Erhöhung der Zonennummer. Wird hier z. B. auf der Steuerleitung 30 der Logikpegel "1" erzeugt, so wird aus dem Meßwert "n" der Einstellwert "n+1" und bei Logikpegel "1" auf der Steuerleitung 31 wird aus dem Meßwert "n" der Einstellwert "n+2".

In der vierten Betriebsart soll die Scharfeinstellung auf die doppelte Entfernung des gemessenen Wertes d. h. wie in der zuletzt beschriebenen dritten Betriebsart auf eine höhere Zonennummer erfolgen.

Zur Erläuterung kann dafür Fig. 3 sinngemäß angewandt werden. Die Erhöhung der Zonennummer vom Meßwert zum Einstellwert erfolgt jedoch nicht von "n" auf "n+1" oder "n+2" sondern auf "n+a". Dabei entspricht die Entfernungszone "n+a" jeweils der doppelten Entfernung wie die Zone "n".

In der fünften Betriebsart soll die Scharfeinstellung auf eine Entfernung erfolgen, die zwischen zwei gemessenen Entfernungswerten liegt, d. h. die einzustellende Zone ergibt sich als Mittelwert der gemessenen Zonennummern.

Zur Speicherung der beiden Meßwerte werden die Meßwertspeicher 11 und 12 benötigt. Nachdem die beiden Messungen durchgeführt sind, ist in jedem Speicher eine der N Stellen besetzt. Die Ermittlung des richtigen Einstellwertes erfolgt durch die logische Verknüpfung der Speicherausgänge untereinander gemäß Fig. 4.

Ergab sich z. B. bei der ersten Messung die Zone "n+2" und bei der zweiten Messung die Zone "n" dann ist auf der Ausgangsleitung 34 des Meßwertspeichers 11 und auf der Ausgangsleitung 41 des Meßwertspeichers 12 der Logikpegel "1" vorhanden. Durch das Und-Gatter 43 und das Oder-Gatter 46 erscheint dann am Ausgang von 46 der Einstellwert "n+1".

Ebenso ergeben z. B. Messungen der Zonen "n+1" und "n+3" aber auch die Kombination von "n" und "n+4" den Einstellwert "n+2".

Die hier beschriebene direkte logische Verknüpfung der Meßwertsignale mit den Steuersignalen zur Realisierung der verschiedenen Betriebsarten ist nur eine einfache Ausführungsform, die auf automatische Scharfeinstellvorrichtungen mit relativ kleiner Zonenzahl N beschränkt ist.

Für Scharfeinstellvorrichtungen mit hoher Zonenzahl ist es selbstverständlich sinnvoller, die jeweils günstigsten Entfernungs-Einstellwerte durch Rechenoperationen zu ermitteln, ohne daß dadurch das Prinzip der Erfindung verändert wird.

Claims

1. Automatische Scharfeinstellvorrichtung für photographische Kameras mit einer Infrarot-Lichtquelle, einem Infrarot-Positionsdetektor (5), einer vor dem Detektor angeordneten Fokussierungsoptik, welche die vom Aufnahmeobjekt reflektierten IR-Strahlen derart auf die Detektor-Oberfläche fokussiert, daß der Detektor in zwei Teil-Detektoren unterteilt wird, von denen jeder einen Teilstrom liefert, deren Verhältnis direkt von der Objektentfernung abhängig ist und einer dem Positionsdetektor (5) nachgeschalteten elektronischen Auswerteschaltung (6-13) mit A/D-Wandler (9) und Meßwertspeicher (11), wobei mittels einer Objektiveinstellvorrichtung in Abhängigkeit von einem an einem Wählschalter (15) einstellbaren und dadurch aus verschiedenen Schärfentiefenbereichen auswählbaren Schärfentiefebereich die Scharfeinstellung des Objektives erfolgt, wobei die elektronische Auswerteschaltung (6-13) eine Recheneinheit (8) zur Bildung des Entfernungssignals aus den Quotienten aus der Summe und der Differenz der beiden Teilströme I_A und I_B enthält, wobei der A/D-Wandler (9) das analoge Entfernungssignal digitalisiert und N Digitalisierungsschritte aufweist, wobei der Digitalisierungsschritt so gewählt ist, daß jedem Schritt eine von N Entfernungszonen entspricht, wobei eine Steuerschaltung (10) vorgesehen ist, welche das digitalisierte Entfernungssignal so in den mindestens einen Meßwertspeicher (11) einschreibt, daß jeweils nur eine von N Stellen des Meßwertspeichers (11) benutzt wird, und wobei dem Meßwertspeicher (11) eine Logikschaltung (13) nachgeschaltet ist, die mittels des Wahlschalters (15) und eines Blendeneingebers (14) auf einen der Schärfentiefebereiche einstellbar ist, und wobei hierbei an den N Ausgängen der Logikschaltung (13) die Objektiveinstellvorrichtung zur Einstellung des Objektives auf eine der N Entfernungszonen angeschlossen ist.

2. Automatische Scharfeinstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter, mit dem ersten Meßwertspeicher (11) baugleicher Meßwertspeicher (12) zur Speicherung eines zweiten Entfernungssignals vorhanden ist, und daß dieser zweite Meßwertspeicher (12) ebenfalls der Steuerschaltung (10) nachgeschaltet ist.

3. Automatische Scharfeinstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Schärfentiefebereiche vorgesehen sind:

a) Erstreckung des Schärfentiefebereichs auf Aufnahmeobjektebene,
b) Erstreckung des Schärfentiefebereichs auf Aufnahmeobjekt in Richtung Kamera,
c) Erstreckung des Schärfentiefebereichs vom Aufnahmeobjekt nach hinten
d) Erstreckung des Schärfentiefebereichs vom Aufnahmeobjekt bis ∞,
e) Erstreckung des Schärfentiefebereichs zwischen zwei nacheinander anvisierten Aufnahmeobjekten.