DE3636951C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Ermittlung des Scharfeinstellzustands eines optischen Abbildungssystems, bei der ein Bild des abzubildenden Objektes auf einer Wandlereinrichtung erzeugt und in serielle elektrische Signale umgesetzt wird.

Aus der DE-PS 30 04 147 ist eine Einrichtung dieser Art mit einer Bildwandlereinrichtung zur Umsetzung des abgebildeten Objektbildes in elektrische Signale bekannt, bei der ein selbstabtastender Bildsensor aus einer Vielzahl photoelektrischer Bildelemente Verwendung findet. Zur Kontrastermittlung bei dem vom Bildsensor aufgenommenen Bild wird die jeweils vorliegende Helligkeitsdifferenz zwischen zwei, die höchsten Kontrastwerte aufweisenden photoelektrischen Bildelementen parallel ausgewertet und der Scharfeinstellzustand des Bildes in Abhängigkeit von einer ermittelten Vergrößerung bzw. Verringerung dieser Helligkeitsdifferenz, d. h. in Abhängigkeit vom Erreichen eines Maximalwertes, bestimmt. Zur Kompensation des hierbei mitzuberücksichtigenden Einflusses der Durchschnittsausleuchtung sämtlicher photelektrischer Bildelemente auf diese Helligkeitsauswertung ist eine Steuerung der Abtastgeschwindigkeit der Bildelemente in Abhängigkeit von der ermittelten Durchschnittshelligkeit in Betracht gezogen, um auf diese Weise den Dynamikbereich der photoelektrischen Signalcharakteristik beeinflussen zu können. Eine solche Maßnahme bedingt jedoch zusätzlichen Schaltungsaufwand und verkompliziert den Aufbau der Scharfeinstellungsermittlungseinrichtung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zur Erzielung einer bildkontrastunabhängigen Ermittlung des Scharfeinstellzustands eines optischen Abbildungssystems auszugestalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine von den elektrischen Signalen der Wandlereinrichtung beaufschlagte Detektoreinrichtung zur Ermittlung einer Kantenbreite des Bildes aus den elektrischen Signalen und Erzeugung eines die ermittelte Kantenbreite angebenden Ausgangssignals und durch eine vom Ausgangssignal der Detektoreinrichtung beaufschlagte Diskriminatorstufe zur Bestimmung des Scharfeinstellzustands des optischen Abbildungssystems aus dem Ausgangssignal der Detektoreinrichtung.

Auf diese Weise läßt sich durch gezielte Auswertung eines seriellen Bildwandlersignals die jeweilige Kantenbreite des abgebildeten Objektbildes zur Ermittlung des Scharfeinstellzustands des optischen Abbildungssystems auswerten, was einerseits den Vorteil hat, daß hierbei ein Abschnitt des Gesamtbildes zur Fokussierzustandsermittlung ausgewählt und herangezogen werden kann, der sich zur Kantenbreitendetektion optimal eignet, während andererseits der Vorteil gegeben ist, daß keine aufwendigen Helligkeitskompensationsmaßnahmen erforderlich sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1(a) bis 1(c), 2(a) bis 2(c) und 3(a) bis 3(c) schematische Darstellungen zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips der Einrichtung zur Ermittlung des Scharfeinstellzustands eines optischen Abbildungssystems, wobei in den Fig. 1(a), 2(a) und 3(a) jeweils die Beschaffenheit unterschiedlicher abzubildender Objekte, in den Fig. 1(b), 2(b) und 3(b) der jeweilige Verlauf zugehöriger elektrischer Bildsignale bei Scharfeinstellung und in den Fig. 1(c), 2(c) und 3(c) der jeweilige Verlauf der Bildsignale bei unscharfer Einstellung dargestellt ist,

Fig. 4 und 5 Blockschaltbilder eines Ausführungsbeispiels der Einrichtung zur Ermittlung des Scharfeinstellzustands eines optischen Abbildungssystems,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer automatischen Scharfstelleinrichtung mit einem weiteren Ausführungsbeispiel der Einrichtung zur Ermittlung des Scharfeinstellzustands eines optischen Abbildungssystems,

Fig. 7 bis 9 Ablaufdiagramme zur Veranschaulichung der Arbeitsweise eines Mikroprozessors der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 6,

Fig. 10(a) bis 10(c) und 11(a) bis 11(c) schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Funktionsprinzips der Einrichtung zur Ermittlung des Scharfeinstellzustands eines optischen Abbildungssystems,

Fig. 12 eine grafische Darstellung der Bildschärfe und

Fig. 13 und 14 Ablaufdiagramme zur Veranschaulichung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Arbeitsweise des Mikroprozessors der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 6.

Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1(a) bis 1(c) und 2(a) bis 2(c) und 3(a) bis 3(c) zunächst auf das Funktionsprinzip der Einrichtung zur Ermittlung des Scharfeinstellzustands eines optischen Abbildungssystems näher eingegangen. Fig. 1(a) ist eine graphische Darstellung einer Bildkante eines abzubildenden Objektes mit einem Schwarz/Weiß-Muster. In Fig. 1(a) ist mit x′ eine räumliche Achse bezeichnet, die die optische Achse eines optischen Abbildungssystems (nachstehend vereinfacht als optisches System bezeichnet) senkrecht schneidet.

Diese graphische Form der Kante wird von einer Wandlereinrichtung in Form eines Bildsensors auf fotoelektrische Weise in ein elektrisches Bildsignal umgesetzt. Gemäß Fig. 1(b) hat der Pegel I(x) des auf diese Weise erhaltenen Bildsignals eine steile Flanke, wenn das optische System scharf eingestellt ist. Falls das optische System jedoch nicht scharf eingestellt ist, hat das Bildsignal eine abgestumpfte Flanke gemäß Fig. 1(c). Mit x ist eine Achse in der Bildebene des Bildsensors bezeichnet, die der in Fig. 1(a) gezeigten räumlichen Achse x′ entspricht. Im allgemeinen wird das Bildsignal durch elektrisches Abtasten des Bildsensors in der Form eines zeitlich seriellen Signals erhalten. Zur Erläuterung wird jedoch dieses Signal in bezug auf die Achse x in der Bildebene betrachtet.

Gemäß Fig. 1(b) und 1(c) hat die Breite Δ x der Flanke des Bildsignals I(x) am Kantenteil im Scharfeinstellungszustand einen Minimalwert Δ xo, während sie mit zunehmendem Ausmaß der Unschärfe zunimmt. Die Breite Δ x ist durch den Unschärfe- bzw. Streukreisdurchmesser, das Auflösungsvermögen des Bildsensors und die Bandbreite einer Bildsignal-Verarbeitungsschaltung bestimmt. Da jedoch die letzteren beiden Faktoren keine Beziehung zum Scharfeinstellungszustand eines optischen Systems haben, kann durch das Ermitteln der Breite Δ x des Flankenteils des Bildsignals die scharfe oder unscharfe Einstellung des optischen Systems ermittelt werden. Das optische System ist als scharf eingestellt anzusehen, wenn Δ x ungefähr Δ xo ist, und als unscharf eingestellt, wenn Δ x ≦λτ Δ xo gilt. Die Unterscheidung zwischen Scharfeinstellzustand und Unschärfezustand erfolgt unabhängig von der mittleren Helligkeit der Kantenabbildung und von dem Kontrast derselben, d. h., es wird die Breite eines Kantenteils des Bildes eines abzubildenden Objekts ermittelt und die Abbildung als unscharf bewertet, wenn die Breite groß ist, bzw. als scharf, wenn die Breite klein ist.

Ferner ändert sich im Falle eines normalen Objekts gemäß Fig. 2(a) an den Konturen von Personen oder anderen Objekten die Helligkeit sprunghaft. In der Umgebung der Kontur tritt eine gewisse Helligkeits- bzw. Leuchtdichteverteilung auf, die derjenigen der grafischen Form der in Fig. 1(a) gezeigten Bildkante sehr ähnlich ist. Daher wird gemäß Fig. 2(b) und 2(c) die Breite Δ x des Flankenteils des Bildsignals I(x) ermittelt. Die Unterscheidung zwischen einem Scharfeinstellungszustand und einem Unschärfezustand kann somit durch Vergleichen der auf diese Weise ermittelten Breite mit einem bekannten Wert Δ xo getroffen werden, welcher die bei der Scharfeinstellung des optischen Systems erreichbare Breite des Signal-Flankenteils darstellt. Falls ein Objekt gemäß Fig. 3(a) fein gemustert ist, kann der Einstellungszustand nicht ermittelt werden, da sich die Verteilungen zweier Signal-Flankenteile überdecken und daher die Breite Δ x selbst im Falle einer unscharfen Einstellung nicht größer wird. Für die Ermittlung der Scharfeinstellung muß daher eine in Fig. 1(b) gezeigte Breite L der jeweils den Bildkantenteil bildenden schwarzen und weißen Bereiche etwas größer als der Wert Δ xo bei der Scharfeinstellung sein. Beispielsweise muß die Breite L zumindest zweimal oder mehrfach so groß sein wie dieser Wert. Da der Wert Δ xo ungefähr gleich dem kleinsten Streukeisdurchmesser des optischen Systems ist, ist die Breite L im Vergleich zur Größe der ganzen Bildebene sehr klein. Ein derartiger Bildkantenteil liegt bei nahezu jedem abzubildenden Objekt vor. Daher kann eine solche Ermittlung der Scharfeinstellung bei nahezu allen Aufnahmeobjekten angewandt werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Breite Δ x des Signal- Flankenteils dadurch ermittelt, daß aus dem Bildsignal I(x) der Helligkeitsgradient dI/dx des Signal-Flankenteils und eine Helligkeits- bzw. Leuchtdichtedifferenz Δ I zwischen den Bereichen an den in Fig. 1(b) und 2(b) gezeigten Signalflanken berechnet werden und dann ein Verhältnis P zwischen diesen Werten folgendermaßen berechnet wird: P = (dI/dx)/Δ I, d. h., die Breite Δ x des Flankenteils wird indirekt ermittelt. Der Wert P entspricht dem Kehrwert der Breite Δ x des Signal-Flankenteils und gibt die Schärfe bzw. Steilheit der Signalflanke an. Gemäß den Fig. 1(b) und 1(c) bleibt die bei der Scharfeinstellung ermittelte Helligkeitsdifferenz Δ I zwischen den Bereichen an der Signalflanke bei einer etwas unscharfen Einstellung des optischen Systems unverändert. Daher kann dieser Wert Δ I auch bei unscharfer Einstellung ermittelt werden, selbst wenn der Verlauf des Bildsignals bei der Scharfeinstellung zuvor nicht bekannt ist. Die Breite Δ x des Signal-Flankenteils kann daher erhalten werden, indem der Flanken-Gradient dI/dx, der sich entsprechend dem Zustand scharfer oder unscharfer Einstellung empfindlich bzw. deutlich ändert, mit diesem Wert als Δ I normiert wird. Ferner ist die Breite Δ x des Signal-Flankenteils nicht von der mittleren Helligkeit und dem Kontrast des Objekts abhängig. Daher kann die Unterscheidung zwischen einem Zustand scharfer Einstellung und einem Zustand unscharfer Einstellung des optischen Systems ohne Beeinträchtigung durch Abweichungen hinsichtlich der mittleren Helligkeit oder des Kontrastes des Objekts getroffen werden.

Ein Ausführungsbeispiel, das nach dem vorstehend beschriebenen Funktionsprinzip arbeitet, wird nachstehend näher beschrieben. Fig. 4 ist ein Blockschaltbild der Einrichtung zur Scharfeinstellungsermittlung gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel. Beim Ermitteln des vorstehend genannten Verhältniswerts P = (dI/dx)/Δ I wird ein Wert P(x) an einem jeweiligen Ort x folgendermaßen gebildet: P(x) = (dI/dx)/Δ I(x). Der auf diese Weise erhaltene Wert P(x) wird mit einem vorgegebenen Schwellenwert Po ≅ 1/Δ xo verglichen, um die Anzahl von scharfen Signalflanken bzw. scharf abgebildeten Bildkanten zu ermitteln. Falls dann die Anzahl der scharfen Bildkanten einen vorgegebenen Zahlenwert übersteigt, wird dies als Scharfeinstellung des optischen Systems bewertet. Hierbei wird der Wert Δ I(x) folgendermaßen berechnet:

In dieser Gleichung ist L ein Wert, der zweimal oder mehrfach so groß ist wie der kleinste Streukreisdurchmesser des optischen Systems. Daher erfolgt eine Integration für diesen Wert in einem Bereich des Bildsensors, der bis zu etwa 10 Bildelemente umfaßt. Der Wert Δ I(x) ergibt einen Wert der Differenz Δ I zwischen der größten Helligkeit und der geringsten Helligkeit einer Fläche innerhalb eines vorgegebenen Bereichs, der bei einem Bildkantenteil vor und hinter dem Signal-Flankenteil wie dem in Fig. 1(b) und 1(c) gezeigten liegt. Auch im Falle eines feinen Musters wie in dem in Fig. 3(a) gezeigten übersteigt der Wert Δ I(x) immer die Differenz zwischen den höchsten und den niedrigsten Werten, was einen kleinen Wert P(x) ergibt, welcher niemals zu einer falschen Scharfeinstellungs-Unterscheidung führt.

Die Fig. 4 zeigt einen Bildsensor 1 für die zeitlich serielle Abgabe eines Video- bzw. Bildsignals, eine Differenzierschaltung 2, die einen Differenziervorgang zum Ermitteln des Gradienten dI/dt des Bildsignals ausführt oder ein Differensignal erzeugt, welches der Differenz zwischen einem um eine bestimmte Zeitspanne verzögerten Signal und einem unverzögerten Signal entspricht, eine Absolutwertschaltung 3 und eine Rechenschaltung 4, die zum Ermitteln eines dem vorstehend genannten Wert Δ I(x) entsprechenden Signals Δ I(t) ausgebildet ist. Mit t ist die nach Beginn des Auslesens des Signals aus dem Bildsensor 1 verstrichenen Zeit bezeichnet. Einzelheiten der Δ I(t)-Rechenschaltung 4 sind in Fig. 5 gezeigt. Die Rechenschaltung 4 enthält eine Verzögerungsschaltung 14 zum Verzögern eines anstehenden Signals um eine Zeitspanne T, eine Subtrahierschaltung 15 und eine Integrierschaltung 16, die zum Integrieren des gebildeten Verzögerungs-Differenzsignals

in bezug auf das anstehende Signal

dient.

Dieser Integriervorgang ergibt ein Signal

Fig. 4 zeigt ferner eine Verzögerungsschaltung 6 zum Verzögern des Signals

um ungefähr eine Zeitspanne von T/2, Logarithmierschaltungen 5 und 7 und eine Subtrahierschaltung 8. Aus einer logarithmischen Differenz wird ein Signal

erhalten. Das auf diese Weise gebildete Signal P(t) wird in einer Vergleichsschaltung 9 mit dem vorgewählten Schwellenwert Po verglichen. Eine monostabile Kippstufe 10 erzeugt jeweils gemäß dem Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 9 ein Impulssignal. Die Anzahl der Impulse des Impulssignals wird mittels eines Zählers 11 gezählt. Ein Zeitsignalgenerator 12 erzeugt Zeitsteuersignale für die Schaltungsanordung sowie Steuertaktimpulse, die an den Bildsensor 1 angelegt werden. Der Zähler 11 wird durch ein Vertikalsynchronisiersignal rückgesetzt und zählt die Anzahl der in einem Vollbild oder einem Halbbild auftretenden Signalflanken mit einer Steilheit, die den Schwellenwert Po übersteigt. Als Scharfeinstellung des optischen Systems wird bewertet, daß der auf diese Weise erhaltene Zählwert einen vorgegebenen Wert übersteigt, während es als unscharfe Einstellung bewertet wird, wenn der Zählwert den vorgegebenen Wert nicht übersteigt. Der Schwellenwert Po muß nicht auf einen festen Wert eingestellt werden. Falls sich die Abbildungseigenschaften des optischen Systems mit einer Änderung eines Blendenwerts oder eines Brennweiteneinstellzustands desselben stark ändern, ist es vorteilhaft, irgendeine Einrichtung zum Erfassen dieser Parameter und für das Einstellen des Schwellenwerts Po auf einen entsprechenden optimalen Wert vorzusehen. Falls sich beispielsweise die Funktion des optischen Systems derart verschlechtert, daß mit zunehmendem Blendenwert ein größerer Streukreisdurchmesser entsteht, wird der Schwellenwert Po entsprechend der Zunahme des Blendenwerts verringert. Im Falle von Signalen nach dem NTSC-System wird vorzugsweise jeweils die Zeitkonstante der Differenz- bzw. Differenzierschaltung 2 auf einen Wert zwischen 100 und 500 ns und die Verzögerungszeit T der Verzögerungsschaltung 14 auf einen Wert zwischen 500 ns und 2 µs eingestellt. Das Verfahren zum Ermitteln des Werts Δ I(t) kann geändert werden zu:

In diesem Fall trägt ein Teil, an dem

ein kleiner Wert wird, wenig zum Wert Δ I(t) bei. Daher kann die Helligkeitsdifferenz Δ I auch durch Berechnung für einen Signal-Flankenteil mit einem gewissen Ausmaß an Welligkeit gemäß Fig. 2(b) auf die gleiche Weise wie für einen idealen Signal-Flankenteil gemäß Fig. 1(b) ermittelt werden. In diesem Fall wird die Absolutwertschaltung 3 durch eine Quadrierschaltung ersetzt. Eine weitere mögliche Abwandlung besteht darin, zwischen die Absolutwertschaltung 3 und die Δ I(t)-Rechenschaltung 4 einen Begrenzer zu schalten und dann, wenn der Wert

geringer als ein vorgegebener Wert ist, das Eingangssignal der Rechenschaltung 4 zwangsweise auf "0" zu setzen, um die gleiche vorteilhafte Wirkung zu erhalten.

Wenn ferner der in der Rechenschaltung 4 berechnete Wert Δ(t) klein ist, ist infolge von Störsignalanteilen bzw. Rauschens des Bildsignals in dem der Logarithmierschaltung 7 zugeführten Wert

ein gewisser Fehler enthalten. In diesem Fall verringert sich die Genauigkeit des ermittelten Werts P(t). Dieser Fehler kann unterdrückt werden, indem die Kennlinie der Logarithmierschaltung 8 derart geändert wird, daß deren Ausgangssignal entsprechend einer Verringerung des Eingangssignals Δ I(t) in einer Richtung versetzt wird, bei der es größer als ein Wert logΔ I(t) wird, um dadurch den ermittelten Wert P(t) zu verringern.

Die Fig. 6 ist ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels, der Einrichtung zur Scharfeinstellungsermittlung, die bei einer Einrichtung zu automatischen Scharfeinstellung eingesetzt ist. In der Darstellung sind zur Vereinfachung Speicheradressenzähler und Steuerleitungen für Speicher und A/D-Wandler nicht enthalten. Nach Fig. 6 wird ein vom Bildsensor 1 erhaltenes Bildsignal einem Schaltglied 17 zugeführt. Das Schaltglied 17 leitet entsprechend einem Steuersignal G nur denjenigen Teil des Signals weiter, der einem vorgegebenen Erfassungsbereich der Bildebene entspricht. Die Fig. 6 zeigt ein Hochpaßfilter 18 eine Gleichrichterschaltung 19, eine Integrierschaltung 20, die zum Erfassung der Intensität der Hochfrequenzkomponente des aus dem Erfassungsbereich innerhalb eines Vollbild- oder Teilbildabschnitts des Signals erhaltenen Bildsignals ausgebildet ist, und einen A/D-Wandler 21 zur Analog/Digital-Umsetzung der erfaßten Intensität der Hochfrequenzkomponente. Das Ausgangssignal des A/D-Wandlers 21 wird als Signal B einem Mikroprozessor 30 zugeführt. Ferner zeigt die Fig. 6 eine Rechenschaltung 13, die gemäß der Darstellung in Fig. 4 zum Berechnen der Steilheit P(t) der Signalflanke ausgebildet ist, und eine Spitzenwerthalteschaltung 22. Die Spitzenwerthalteschaltung 22 speichert einen innerhalb einer Horizontalabtastzeile erhaltenen maximalen Wert Pi des Werts P(t) und wird durch ein Signal fH rückgesetzt, welches für eine jede Horizontalabtastung zwischen niedrigem und hohem Pegel wechselt. Ein A/D-Wandler 23 ist für die A/D-Umsetzung des bei einer jeweiligen Horizontalabtastung erhaltenen maximalen Werts Pi von P(t) und für das aufeinanderfolgende Einspeichern des umgesetzten maximalen Werts Pi in einen Speicher 24 ausgebildet. Mit Pi ist der maximale Wert bezeichnet, wobei i eine Abtastzeilennummer in dem Erfassungsbereich darstellt. Der Mikroprozessor 30 liest den Inhalt des Speichers 24 innerhalb der Vertikalrücklaufperiode eines Vollbilds oder eines Testbilds aus. Schaltungselemente 25 bis 29 dienen zum Berechnen der Bewegungsgeschwindigkeit der Abbildung eines aufzunehmenden Objekts. Insbesondere im Falle einer Videokamera wird mittels dieser Schaltungselemente 25 bis 29 verhindert, daß infolge von Erschütterungen der Kamera durch Handbewegungen oder infolge einer Bewegung des Aufnahmeobjekts die automatische Scharfstelleinrichtung fehlerhaft oder instabil arbeitet. Wenn nämlich durch Handerschütterung oder eine Bewegung des Objekts ein scharfes Bild des Objekts zeitweilig aus dem Erfassungsbereich der Bildebene herausbewegt bzw. versetzt wird, kann fälschlicherweise eine unscharfe Einstellung des optischen Systems ermittelt und infolgedessen ein Motor zur Verstellung angesteuert werden. Ferner würde sich selbst dann, wenn das Objektbild noch im Erfassungsbereich verbleibt, durch die Erschütterung der Kamera infolge der Signalakkumulation im Bildsensor 1 die Steilheit P(t) der zu erfassenden Signalflanke verringern, so daß dann ein Scharfeinstellungszustand fälschlich als unscharfe Einstellung bewertet würde. Die Schaltungselemente 25 bis 29 sind zur Lösung dieses Problems durch das Erfassen der Bewegungsgeschwindigkeit des Objektbilds vorgesehen und umfassen eine Digitalisierschaltung 25, die durch binäres Digitalisieren eines Bildsignals das Muster eines Bilds erfaßt, einen Multiplexer 26 und Speicher 27 und 28, die abwechselnd die Bildmuster speichern, wobei der Multiplexer 26 entsprechend einem Signal fv schaltet, dessen Pegel für jedes einzelne Vollbild oder Halbbild zwischen hohem und niedrigem Pegel wechselt. Auf diese Weise werden in den Speichern 27 und 28 die Bildmuster für zwei aufeinanderfolgende Vollbilder oder Teilbilder gespeichert. Diese Anordnung ermöglicht es, danach in einem Geschwindigkeitsdetektor 29 eine Korrelation zwischen den gespeicherten Bildmustern zu berechnen. Hierdurch wird ein Vektor V der Bildbewegung ermittelt, die während einer Vollbild- oder Teilbildperiode stattfindet. Die Information über diesen Bewegungsvektor V wird vom Geschwindigkeitsdetektor 29 dem Mikroprozessor 30 zugeführt.

Ein Motor 31 dient zum Verstellen einer Fokussier- bzw. Scharfeinstellungslinse im optischen System. Die Geschwindigkeit und die Richtung der Verstellung mit dem Motor werden durch ein Signal VM vom Mikroprozessor 30 gesteuert. Der Ablauf der durch den Mikroprozessor 30 zu steuernden Vorgänge wird nachstehend anhand der Fig. 7, 8 und 9 beschrieben.

Die Fig. 7 ist ein Ablaufdiagramm einer Subroutine zur Bildung einer Bewertung q bezüglich der Breite des Kantenteils eines Bilds und zur Ermittlung der Intensität B der Hochfrequenzkomponente sowie des Bildbewegungsvektors V. Die Fig. 8 ist ein Ablaufdiagramm der Betriebsvorgänge der mit dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgestatteten automatischen Scharfstelleinrichtung. Die Fig. 9 ist ein weiteres Ablaufdiagramm, das die Betriebsvorgänge der automatischen Scharfstelleinrichtung bei dem Ermitteln eines Scharfeinstellungszustands veranschaulicht.

Nach Fig. 7 läuft die Subroutine folgendermaßen ab: Bei einem Schritt S- 2 wird zu Beginn eines jeweiligen Teilbilds dem Schaltglied 17 das Steuersignal G zugeführt, um ein in dem vorgewählten Erfassungsbereich erhaltenes Bildsignal abzuleiten. Bei einem nächsten Schritt S- 3 werden Werte P 1. . .PN, die am Ende des Teilbilds im Speicher 24 gespeichert sind, die vom A/D-Wandler 21 abgegebene Intensität B der Hochfrequenzkomponente und der von dem Geschwindigkeitsdetektor 29 abgegebene Bildbewegungsvektor V aufgenommen. Bei Schritten S- 4 und S- 5 werden die Bewertungen q berechnet, welche das Schärfeausmaß bzw. die Steilheit des Signal-Flankenteils anzeigen.

Bei diesen Schritten S- 3 bis S- 5 arbeitet der Mikroprozessor 30 folgendermaßen: zuerst werden die Werte P 1, P 2, . . .PN nacheinander aus dem Speicher 24 ausgelesen. Aus dem A/D-Wandler 21 wird der Intensitätswert B der Hochfrequenzkomponente aufgenommen, während aus dem Geschwindigkeitsdetektor 29 der Bildbewegungsvektor V aufgenommen wird. Mit N ist dabei die Anzahl von Abtastzeilen in dem Erfassungsbereich bezeichnet. Beim Schritt S- 4 wird ein Rechenvorgang nach einer Gleichung

für jeden dieser Werte P 1, P 2, . . .PN für i = M + 1 bis N - M ausgeführt, wobei M eine ganze Zahl ist, die kleiner ist als N ist, Pk der Maximalwert der auf der k-ten Abtastzeile ermittelten Steilheit P (t) der Signalflanken ist und qi ein mittlerer Maximalwert der bei aufeinanderfolgenden M Abtastzeilen ermittelten Steilheitswerte P(t) ist. Dementsprechend wird als q der Steilheitsgrad des steilsten Signal-Flankenteils mit einer bestimmten Länge in Vertikalrichtung der Bildebene gemäß der Darstellung in Fig. 1(a) berechnet (Schritt S- 5). Dieser Wert bzw. diese Bewertung q wird als Maßstab für das Erfassen des Scharfeinstellungszustands des optischen Systems herangezogen, d. h., mit dieser Anordnung wird zur Scharfeinstellungsermittlung die beim Schritt S- 4 ermittelte Breite des Signal-Flankenteils mit der größten Steilheit, nämlich die kleinste Flankenbreite erfaßt. Im Falle einer üblichen Videokamera wird die Anzahl N der Abtastzeilen im Erfassungsbereich vorzugsweise zwischen 50 und 100 gewählt, während die Anzahl M der Mittelungs-Abtastzeilen zwischen 5 und 10 oder ähnlich gewählt wird.

Nach Fig. 8 arbeitet die automatische Scharfstelleinrichtung folgendermaßen: Die Funktion der automatischen Scharfstelleinrichtung beginnt bei einem Schritt S- 7. Bei einem Schritt S- 8 wird ein Normalwert für einen Erfassungsbereich eingestellt (der normalerweise der mittlere Teil der Bildebene ist), d. h., es wird ein Bereich eingestellt, in welchem bei dem Schritt S- 2 nach Fig. 7 das Schaltglied 17 durch das Steuersignal G durchgeschaltet wird. Danach wird bei einem Schritt S- 9 mit der in Fig. 7 gezeigten Subroutine eine Bewertung q berechnet. Bei einem Schritt S- 10 wird die auf diese Weise erhaltene Bewertung q mit einem Störwert q 2 verglichen. Falls q ≦ωτ q 2 ermittelt wird, d. h. die Bewertung q kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, was anzeigt, daß infolge der Unschärfe des Bilds selbst die kleinste Kantenbreite des Objektbilds zu groß ist, wird bei Schritten S- 11 bis S- 16 das optische System in der Richtung zur Steigerung der Intensität B der Hochfrequenzkomponente verstellt, bis die Bedingung q ≦λτ q 2 erreicht ist. Entsprechend der Abweichung des optischen Systems vom Scharfeinstellungszustand nimmt die Bewertung bzw. der Wert q schnell in einem derartigen Ausmaß ab, daß bei einer übermäßigen Unschärfe der Ermittlungsvorgang infolge des Störsignalanteils bzw. des Rauschens unmöglich wird. Zur Lösung dieses Problems sind bei dem Ausführungsbeispiel die in Fig. 6 gezeigten Schaltungselemente 18 bis 21 vorgesehen. Wenn die Bewertung bzw. der Wert q niedriger als der vorgegebene Rauschpegel-Wert q 2 ist, wird der Intensitätswert B für die Hochfrequenzkomponente des Bildsignals aufgenommen und die Steuerung gemäß diesem Intensitätswert B anstiegsabhängig ausgeführt. Im einzelnen wird bei dem Schritt S- 11 der Motor 31 in einer gewünschten Richtung betrieben. Danach wird bei dem Schritt S- 13 der neu ermittelte Wert B mit dem vorangehenden Wert B verglichen. Wenn das Vergleichsergebnis eine Abnahme des Werts B anzeigt, wird bei dem Schritt S- 14 der Motor 31 in Gegenrichtung betrieben. Bei den Schritten S- 15 und S- 16 wird der Motor 31 fortgesetzt weiter betrieben, bis der ermittelte Wert q den Wert q 2 übersteigt. Wenn die Einstellung des optischen Systems bis zu einem gewissen Ausmaß an die Scharfeinstellung angenähert ist und daher die Bedingung q ≦λτ q 2 erfüllt ist, d. h. die Breite des schmälsten Signal-Flankenteils kleiner als eine vorgegebene Breite wird, schreitet das Programm zu einem Schritt S- 27 weiter.

Falls bei dem Schritt S- 10 q ≦λτ q 2 ermittelt wird, d. h. wenn die Breite des schmälsten Signal-Flankenteils des Objektbilds kleiner als ein vorgegebener Wert ist, wird nicht die anhand der Schritte S- 11 bis S- 16 beschriebene Anstiegssteuerung ausgeführt, sondern in Schritten S- 17 bis S- 26 derart gesteuert, daß die Bewertung bzw. der Wert q größer wird. Falls zuerst der ermittelte Bewegungsvektor V größer als ein vorbestimmter Wert ist, gibt der Mikroprozessor 30 bei dem Schritt S- 17 an das Schaltglied 17 ein Steuersignal G in der Weise ab, daß der Erfassungsbereich so weit versetzt wird, daß der Bewegungsvektor V der Bewegung des Objekts bzw. Bilds folgt. Danach wird bei dem Schritt S- 18 die in Fig. 7 gezeigte Subroutine ausgeführt. Dabei werden der Bewertungswert q und der Bewertungsvektor V erfaßt. Sodann wird bei dem Schritt S- 19 der Bewertungswert q entsprechend dem Bewertungsvektor V korrigiert. Nimmt man beispielsweise an, daß sich das Objektbild mit einer Geschwindigkeit VH in der Horizontalrichtung bewegt, wird dadurch die ermittelte Signal-Flankenbreite um VH Δ t größer, wobei Δ t die Sammel- bzw. Akkumulationszeit des Bildsensors 1 ist. Daher wird der berechnete Wert q entsprechend dieser Erhöhung korrigiert und zu einem neuen Wert q geändert.

Bei dem Schritt S- 20 schreitet das Programm zu einem Schritt S- 33 weiter, wobei angenommen ist, daß das Aufnahmeobjektiv bzw. das optische System scharf eingestellt ist, wenn die Bedingung q ≦λτ q 1 erfüllt ist. Falls q ≦ωτ q 1 ermittelt wird, wird bei dem Schritt S- 21 der Motor 31 zum Verstellen des Aufnahmeobjektivs in einer beliebigen Richtung angetrieben. Danach wird der Motor 31 bei den Schritten S- 22 bis S- 26 in der Richtung angetrieben, bei der der ermittelte Wert q größer wird. Die Schritte S- 22 bis S- 24 sind den Schritten S- 17 bis S- 19 gleichartig.

In Schritten S- 27 bis S- 32 wird der Scharfeinstellungszustand ermittelt und die Verstellung des optischen Systems beendet. Im einzelnen wird bei den Schritten S- 27 bis S- 29 der Wert q ermittelt. Falls der Zusammenhang q ≦λτ q 1 ermittelt wird oder ein Maximalwert erfaßt wird, bevor der Wert q den Wert q 1 erreicht, schreitet das Programm zu dem Schritt S- 33 weiter, wobei angenommen ist, daß ein Scharfeinstellungszustand erreicht ist, und ein dem Erreichen des Scharfeinstellungszustands folgender Prozeß ausgeführt wird. Hierbei dreht sich der Motor 31 in der bei den Schritten S- 21 bis S- 26 bestimmten Richtung. Falls der Scharfeinstellungszustand nicht erfaßt wird, wird bei dem Schritt S- 32 entsprechend einer zwischen den Werten q und q 1 ermittelten Differenz der Motor 31 mit einer geringeren Geschwindigkeit betrieben, sobald der Wert q dem Wert q 1 näherkommt. Danach wird erneut eine Überprüfung zum Ermitteln des Werts q vorgenommen. Die Schritte S- 27 bis S- 32 werden wiederholt, bis ermittelt wird, daß das Objektiv scharf eingestellt ist.

Falls bei dem Schritt S- 31 ein Scharfeinstellungszustand ermittelt wird und das Programm zum Schritt S- 33 fortschreitet, bedeutet dies, daß als Aufnahmeobjekt ein Objekt gewählt ist, das nahezu keinen Bildkantenteil hat. Mit der beschriebenen Gestaltung dieses Ausführungsbeispiels kann daher auch die scharfe Einstellung auf ein derartiges Objekt ermittelt werden, das nahezu keine Bildkante hat.

Wenn in den vorstehend beschriebenen Schritten das optische System auf diese Weise scharf eingestellt worden ist, beginnt der Mikroprozessor 30 eine Überwachung, um zu ermitteln, ob sich das Objekt in der Richtung der optischen Achse des Objektivs bewegt oder ob ein Schwenkvorgang aufgetreten ist, der eine erneute Scharfeinstellung auf das Objekt erforderlich macht. Fig. 9 veranschaulicht den Ablauf eines solchen Überwachungsvorgangs. Wenn ein Scharfeinstellungszustand erreicht ist, wird bei einem Schritt S- 34 der Motorantrieb sofort unterbrochen. Darauffolgend wird bei einem Schritt S- 35 vom Mikroprozessor 30 ein anderer Schwellenwert q 3 wie beispielsweise q 3 = 0,9 q′ eingestellt, der etwas kleiner als ein Wert q′ ist, welcher der beim Erreichen des Scharfeinstellungszustands ermittelte Wert q ist. Falls sich danach das Objektbild bewegt, wird bei einem Schritt S- 36 der Erfassungsbereich geändert. Bei einem Schritt S- 37 wird auf die in Fig. 7 dargestellte Weise der Bewertungswert 9 ermittelt. Bei einem Schritt S- 38 wird der Wert q entsprechend der Bildbewegung korrigiert. Bei einem Schritt S- 39 wird dann, wenn die Bedingung q ≦ωτ q 3 gilt, wieder die automatische Scharfeinstellung ausgeführt. Falls jedoch bei einem Schritt S- 40 der Zusammenhang q ≦λτ q 2 ermittelt wird, zeigt dies an, daß keine übermäßige Unschärfe vorliegt. Daher wird bei einem Schritt S- 41 das Objektiv scharf eingestellt, d. h., das Programm schreitet zu einem in Fig. 8 gezeigten Schritt S- 41 weiter. Falls jedoch q ≦ωτ q 2 gilt, was eine übermäßige Unschärfe anzeigt, kehrt das Programm zu dem Schritt S- 7 zurück, um wieder den Scharfeinstellungsvorgang einzuleiten. Falls die Motordrehung unterbrochen wird, während der Wert q seinen Maximalwert erreicht, bevor der Schwellenwert q 1 erreicht ist, und unter diesen Bedingungen ein normales Bild eines Objekts mit einem gewissen Kantenteil als nächstes in den Erfassungsbereich gelangt, würde das Bild als scharf bewertet werden, selbst wenn es in gewissem Ausmaß unscharf ist. Zur Lösung dieses Problems wird daher der Motor 31 zwangsweise beispielsweise in Intervallen von 1 s in Vorwärts- und Gegenrichtung angetrieben und es wird dabei ermittelt, ob der Wert q tatsächlich der Maximalwert ist. Ferner könnte im Scharfeinstellungszustand ein sich schnell bewegendes Objekt den Erfassungsbereich durchqueren oder plötzlich eine Schwenkung vorgenommen werden. In diesem Fall würde der Wert q zeitweilig unter den Schwellenwert q 3 abfallen und der Motor 31 unnötig zu einer Nachstellung der Bildschärfe angetrieben werden. Zum Vermeidung dieser Schwierigkeiten kann die Anordnung des Ausführungsbeispiels derart abgewandelt werden, daß eine gewisse Wartezeit von beispielsweise 0,5 s oder dergleichen eingeführt wird, wenn sich der Wert q in einem Ausmaß ändert, daß einen gegebenen Wert übersteigt, und daß der Motor 31 nur dann angetrieben wird, wenn am Ende der Wartezeit der Wert q nicht wieder erreicht wird.

Das dermaßen gestaltete Ausführungsbeispiel ermöglicht es, zwischen einem Scharfeinstellungszustand und einer unscharfen Einstellung des optischen Systems ohne eine Beeinflußung durch Unterschiede hinsichtlich der Art oder des Kontrastes des Objekts zu unterscheiden, da auf einfache Weise die Breite eines Kantenteils eines Objektbilds wie der Kontur desselben erfaßt wird, welche im allgemeinen bei den meisten unterschiedlichen Objekten in Erscheinung tritt. Das beschriebene Ausführungsbeispiel ist daher außerordentlich gut zur Verwendung in Verbindung mit einer automatischen Scharfstelleinrichtung eines Geräts wie einer Videokamera geeignet.

Wenn sich beispielsweise das Objekt vor- oder zurückbewegt, nachdem das optische System in einer Lage für einen maximalen Schärfegrad angehalten ist, wird die Schärfe geringer, so daß sich ein unscharfes Bild ergibt. In diesem Fall ist es mit dem bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel angewandten Verfahren nicht möglich, eine passende Scharfeinstellungsrichtung bzw. die Richtung zu beurteilen oder zu ermitteln, in der das Objekt sich bewegt hat. Daher muß das optische System zunächst in einer beliebigen Richtung bewegt werden, um die passende Scharfeinstellungsrichtung zu suchen. Dies ergibt mit 50% Wahrscheinlichkeit eine Objektivverstellung in der falschen Richtung. Daher wird nicht nur das Ansprechvermögen der Scharfeinstellung bei der Mitverfolgung eines sich bewegenden Objekts vermindert, sondern auch ein unbrauchbares Bild erhalten, wenn kontinuierlich Bilder eines Objekts aufgenommen werden, wie dies bei einer Videokamera oder einer Fernsehkamera der Fall ist.

Zur Lösung dieses Problems wird eine automatische Scharfstelleinrichtung mit der Scharfeinstellungs-Ermittlungseinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel derart gestaltet, daß bei einer Vor- oder Zurückbewegung des Objekts nach dem Erfassen eines Scharfeinstellungszustands die geeignete Scharfeinstellrichtung ohne Verstellen des optischen Systems ermittelbar ist, so daß sofort eine Scharfeinstellung vorgenommen werden kann.

Das Funktionsprinzip bei diesem Ausführungsbeispiel wird nachstehend anhand der Fig. 10(a), 10(b), 10(c), 11(a), 11(b) und 11(c) beschrieben.

In den Fig. 10(a) und 11(a) ist eine durch das optische System bestimmte Schärfentiefe dargestellt. Die Schärfentiefe stellt einen Bereich dar, innerhalb dessen ein Objektbild als scharf in der Bildebene abgebildet angesehen werden kann. In jeder dieser Figuren ist über der Ordinate die Schärfe des Objektbilds aufgetragen. Gemäß der Darstellung nimmt der Schärfegrad entsprechend der besseren Scharfeinstellung des Bilds zu und erreicht einen Maximalwert, wenn das Bild am schärfsten abgebildet ist.

Bei der Scharfeinstellung wird gemäß Fig. 10(a) das Aufnahmeobjektiv zuerst in der Richtung zu einer schärferen Einstellung, d. h. in der Richtung einer Steigerung des Bildschärfegrads verstellt. Das Objektiv wird dann innerhalb der Schärfentiefe an einer Stelle angehalten, die über die Stelle hinausgeht. an der der maximale Schärfegrad erzielbar ist. Auf diese Weise wird der Schärfegrad gespeichert, der beim Anhalten des Objektivs erzielt wird. Falls sich darauffolgend gemäß der Darstellung durch eine gestrichelte Linie in Fig. 10(b) das Objekt in Richtung einer Steigerung des ermittelten Schärfegrads bewegt, kann die geeignete Scharfeinstellungrichtung als Richtung bestimmt werden, die der Richtung zu der Stelle entgegengesetzt ist, an der der maximale Schärfegrad erzielt wird. Wenn sich ferner gemäß der Darstellung durch eine gestrichelte Linie in Fig. 10(c) das Objekt in Richtung einer Verminderung des erfaßten Schärfegrads bewegt, kann die geeignete Scharfeinstellungsrichtung als Richtung zu der Stelle hin bestimmt werden, an der der maximale Schärfegrad erzielt wird.

Auch wenn das Objektiv in einer Stellung angehalten wird, bei der die Stellung für die maximal erzielbare Schärfe nicht überschritten ist, kann die geeignete Scharfeinstellungsrichtung auf gleichartige Weise in Fällen ermittelt werden, bei denen sich das Objekt gemäß der Darstellung durch eine gestrichelte Linie in Fig. 11(b) oder 11(c) bewegt.

Die Verfahren zum Anhalten des Aufnahmeobjektivs in einer Einstellung, die von der in Fig. 10(a) oder 11(a) gezeigten Einstellung für die maximale erzielbare Schärfe verschieden ist, umfassen folgende unterschiedliche Verfahren:

Bei einem ersten Verfahren wird durch Verstellen des Objektivs in Richtung einer Steigerung des Bildschärfegrads gemäß Fig. 10(a) die Stellung für die maximal erzielbare Schärfe ermittelt und dann das Objektiv aus dieser ermittelten Stellung vor dem Anhalten weiter in einem Ausmaß verstellt, das einer aus der Brennweite und der F-Zahl des Aufnahmeobjektivs berechneten Schärfentiefe entspricht.

Bei einem zweiten Verfahren wird das Aufnahmeobjektiv gemäß Fig. 11(a) in Richtung einer Steigerung der Bildschärfe verstellt, wonach dann aus der während des Verstellens ermittelten Tendenz der Schärfeänderung eine Stellung für die maximal erzielbare Schärfe vorausgesagt und entsprechend dieser Voraussage das Objektiv innerhalb der Schärfentiefe angehalten wird, bevor die vorausgesagte Stellung erreicht ist.

Ein drittes Verfahren besteht darin, daß die Schärfe eines Objektbilds unabhängig von der Helligkeit, dem Kontrast und dem Muster des Objekts bewertet wird. Das vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiel stellt ein Beispiel für eine derartige Schärfebewertung dar. Es wird die Breite eines Kantenteils des Objektbildes ermittelt, wobei das Ausmaß der Unschärfe des Bilds unabhängig vom Kontrast des Objekts bewertet werden kann. Bei einer vereinfachten Ausführung dieses Verfahrens wird die Hochfrequenzkomponente des Bildsignals mittels einer Niederfrequenzkomponente normiert.

Im Falle dieses Schärfebewertungsverfahrens gibt die ermittelte Schärfe direkt das Ausmaß der Unschärfe des Objektbilds wieder. Wenn daher das Aufnahmeobjektiv in Richtung einer Steigerung der Schärfe verstellt wird die Verstellung an einer Stelle beendet wird, an der der Schärfegrad einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, kann damit das Objektiv vor der Stellung für die maximal erzielbare Schärfe innerhalb des Bereichs der Schärfentiefe angehalten werden, wie es in Fig. 11(a) gezeigt ist.

Ein nach dem vorstehend beschriebenen Funktionsprinzip arbeitendes Ausführungsbeispiel ist folgendermaßen gestaltet:

Obwohl diese Ausgestaltung für alle vorstehend genannten Schärfebewertungsverfahren anwendbar ist, wird bei diesem Ausführungsbeispiel gleichfalls das bei den Einrichtungen gemäß den Fig. 4, 5 und 6 angewandte Schärfebewertungsverfahren verwendet. Fig. 12 ist eine grafische Darstellung der Funktion dieses Ausführungsbeispiels. Über der Abszisse ist die Stellung des Objektivs aufgetragen, während über der Ordinate der vorstehend genannte Bewertungswert q als Schärfegrad aufgetragen ist. Gemäß den vorstehenden Ausführungen ist der Schärfegrad q so weit wie möglich von der Helligkeit und dem Kontrast des Objekts unabhängig. Mit qL 2 ist ein Schwellenwert zwischen einer scharfen und einer unscharfen Einstellung bezeichnet, während mit qL 1 ein Wert über dem Schwellenwert qL 2 bezeichnet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird nach Erreichen der Scharfeinstellung das Aufnahmeobjektiv in einer Stellung angehalten, bei der es innerhalb des Schärfentiefebereichs steht und bei der der Schärfegrad q zwischen qL 1 und qL 2 und nicht auf dem maximalen Wert liegt. Mit q 3 ist der Rauschpegel bzw. Störpegel für den Schärfegrad q bezeichnet.

Die Fig. 13 ist ein Ablaufdiagramm, das den Ablauf der Betriebsvorgänge bei einer gemäß diesem Ausführungsbeispiel gestalteten automatischen Scharfeinstelleinrichtung zeigt. Die Gestaltung der Einrichtung ist mit der in Fig. 4, 5 und 6 dargestellten Gestaltung identisch. Die Betriebsvorgänge bei diesem Ausführungsbeispiel laufen folgendermaßen ab: nach Fig. 13 wird die automatische Scharfstelleinrichtung bei einem Schritt s- 7 in Betrieb gesetzt. Zuerst wird bei einem Schritt s- 8 ein Normal-Erfassungsbereich eingestellt (welcher normalerweise der mittlere Teil der Bildebene ist). Im einzelnen wird gemäß Schritt S- 2 nach Fig. 7 ein Bereich eingestellt, innerhalb dessen durch das Steuersignal G das Schaltglied 17 durchgeschaltet wird. Bei einem Schritt s- 9 wird in der in Fig. 7 gezeigten Subroutine der Schärfegrad- Wert q berechnet. Bei einem Schritt s- 10 wird der berechnete Wert mit dem Störpegel q 3 verglichen. Falls das Ergebnis des Vergleichs q ≦ωτ q 3 ergibt, d. h. der Bewertungswert q kleiner als der vorgegebene Wert q 3 ist, was anzeigt, daß selbst die kleinste Kantenbreite des Objektbilds infolge der Unschärfe des Bilds noch übermäßig breit ist, wird das optische System in Schritten s- 11 bis s- 16 in der Richtung einer Steigerung der Intensität B der Hochfrequenzkomponente verstellt, bis die Bedingung q ≦λτ q 3 erfüllt ist, und zwar deshalb, weil wegen der plötzlichen Abnahme des Schärfegradwerts q bei der Abweichung des optischen Systems aus der Scharfeinstellungslage das Vorliegen eines Rausch- bzw. Störsignalanteils die Scharfeinstellungsermittlung unmöglich macht, falls das Bild übermäßig unscharf ist. Infolgedessen wird wie auf die vorstehend beschriebene Weise bei den Schritten s- 15 und s- 16 der Motor 31 weiter betrieben, bis der ermittelte Wert q für die Bewertung den vorgegebenen Wert q 3 übersteigt. Wenn die Bedingung q ≦λτ q 3 erfüllt ist, wobei das optische System in eine Stellung gelangt ist, die in einem gewissen Ausmaß näher an der Scharfeinstellungslage liegt, d. h. wenn die Breite des Kantenteils des Bilds kleiner als eine vorgegebene Breite wird, schreitet das Programm zu einem Schritt s- 27 weiter.

Falls das Ergebnis des Vergleichs bei dem Schritt s- 10 q ≦λτ q 3 ist, also die kleinste Kantenbreite des Objektbilds kleiner als der vorgegebene Wert ist, wird nicht die mit den Schritten s- 11 bis s- 16 dargestellte Anstiegsteuerung vorgenommen, sondern in Schritten s- 17 bis s- 26 eine Steuerung in der Weise ausgeführt, daß der Schärfegrad q vergrößert wird. Falls ein Bewegungsvektor V über einem vorgegebenen Wert ermittelt wird, gibt zuerst der Mikroprozessor 30 an das Schaltglied 17 ein Steuersignal G bei dem Schritt s- 17 in der in Verbindung mit Fig. 8 beschriebenen Weise ab, so daß der Erfassungsbereich so weit versetzt wird, wie der Bewegungsvektor V der Bewegung des Objekts folgt. Danach wird bei dem Schritt s- 18 die in Fig. 7 gezeigte Subroutine ausgeführt, um den Schärfegrad q und den Bewegungsvektor V zu ermitteln. Bei dem nächsten Schritt s- 19 wird der Schärfegrad q entsprechend dem Bewegungsvektor V korrigiert, d. h., wenn sich das Bild mit einer Geschwindigkeit VH in der Horizontalrichtung bewegt, wird die ermittelte Kantenbreite um VH Δ t vergrößert, wobei Δ t die Akkumulationszeit des Bildsensors 1 ist. Daher wird der berechnete Wert q in einem dieser Vergrößerung entsprechenden Ausmaß korrigiert und dadurch zu einem neuen Wert q geändert. Bei einem Schritt s- 20 wird der Wert q in einen Wert q 1 geändert.

Sodann wird der zum Verstellen der Scharfeinstellungslage des Aufnahmeobjektivs vorgesehene Motor 31 bei einem Schritt s- 21 in einer beliebigen Richtung angetrieben. Bei Schritten s- 22 bis s- 26 wird der Motor 31 in Richtung einer Steigerung des ermittelten Werts q für den Schärfegrad angetrieben. Die Schritte s- 22 bis s- 24 entsprechen den Schritten s- 17 bis s- 19.

Bei einem Schritt s- 27 wird die zu diesem Zeitpunkt bestehende Motorantriebsrichtung als "A" gespeichert. A hat den Wert "1", wenn das optische System aus der Stellung für die Entfernung "unendlich" zur Stellung für die kleinste Entfernung hin verstellt wird, und den Wert "-1", wenn das optische System in der Gegenrichtung verstellt wird.

In Schritten s- 28 bis s- 36 wird ein Scharfeinstellungszustand erfaßt und die Verstellung des optischen Systems beendet. Bei den Schritten s- 28 bis s- 30 wird der Wert q für den Schärfegrad ermittelt. Bei dem Schritt s- 31 wird ermittelt, ob der Wert q größer als der in Fig. 12 dargestellte Schwellenwert qL 1 ist. Wenn ein größerer Wert ermittelt wird, schreitet das Programm zu dem Schritt s- 32 weiter. Wenn dies nicht der Fall ist, zweigt das Programm zu dem Schritt s- 35 ab. Bei dem Schritt s- 35 wird ermittelt, ob der erfaßte Wert q größer als der in Fig. 12 gezeigte Schwellenwert qL 2 ist. Wenn dies der Fall ist, schreitet das Programm zu einem Schritt s- 37 weiter. Wenn dies nicht der Fall ist, zweigt das Programm zu dem Schritt s- 36 ab. Daher wird bei dem Schritt s- 37 die Scharfeinstellung als erreicht angesehen, wenn der Schärfegrad q kleiner als der Schwellenwert qL 1 und größer als der Schwellenwert qL 2 ist. Falls der Schärfegrad q größer als der Schwellenwert qL 1 ist, wird eine Motorantriebsrichtung C entgegengesetzt zu der im vorstehend beschriebenen Programmablauf vorgegebenen Antriebsrichtung A eingestellt. Falls der Schärfegrad q kleiner als der Schwellenwert qL 2 ist, wird die Motorantriebsrichtung C bei dem Schritt s- 36 auf die Antriebsrichtung A eingestellt. Bei dem Schritt s- 33 wird der Motor 31 in der Richtung C angetrieben. Sobald der Wert q dem Wert qL 1 oder qL 2 näherkommt, wird die Motorgeschwindigkeit herabgesetzt. Danach wird wieder der Schärfegrad q ermittelt. Die Schritte s- 28 bis s- 36 werden wiederholt, bis ermittelt wird, daß das optische System die Scharfeinstellung erreicht hat.

Nachdem das optische System bei den vorstehend genannten Schritten in den Scharfeinstellungszustand versetzt ist, erfolgt die ausschließende automatische Scharfeinstellung gemäß der nachstehenden Beschreibung anhand des Ablaufdiagramms in Fig. 14.

Wenn der Scharfeinstellungszustand erreicht ist, wird der Motorantrieb bei einem Schritt s- 38 sofort unterbrochen. Falls sich bei einem Schritt s- 39 das Bild bewegt hat, wird bei diesem Schritt der Erfassungsbereich dementsprechend geändert. Bei einem Schritt s- 40 wird auf die in Fig. 7 dargestellte Weise der Schärfegrad q ermittelt. Bei einem Schritt s- 41 wird der Wert q entsprechend der Bewegung des Bilds korrigiert. Falls sich das Bild nicht bewegt hat, wird der Erfassungsbereich nicht geändert. Falls der Schärfegrad q kleiner als der Wert qL 1 und größer als der Wert qL 2 ist, werden Schritte s- 38 bis s- 45 wiederholt, während der Motor 31 stillsteht.

Wenn unter diesen Bedingungen der Schärfegrad q größer als der Wert qL 1 wird, weil die Entfernung zwischen dem Bildobjekt und der Position des optischen Systems geändert hat, zweigt das Programm von dem Schritt s- 43 zu dem Schritt s- 44 ab. Dabei wird bei dem Schritt s- 43 die Motorantriebsrichtung C entgegengesetzt zur Motorantriebsrichtung A eingestellt. Bei dem Schritt s- 44 wird der Motor 31 zu einer Verstellung des optischen Systems in einer Defokussierrichtung angetrieben, die der Scharfeinstellungs- bzw. Fokussierrichtung entgegengesetzt ist. Falls ferner der Schärfegrad q kleiner als der Wert qL 2 wird, zweigt das Programm von dem Schritt s- 45 zu einem Schritt s- 46 ab. Falls bei dem Schritt s- 46 ermittelt wird, daß der Schärfegrad q größer als der vorstehend genannte Wert q 3 ist, zweigt das Programm zu einem Schritt s- 47 ab. Dabei wird die Motorantriebsrichtung C auf die Motorantriebsrichtung A umgeschaltet. Bei dem Schritt s- 44 wird dann der Motor 31 so angetrieben, daß das optische System in der Fokussier- bzw. Scharfeinstellungsrichtung verstellt wird. Falls bei dem Schritt s- 46 ermittelt wird, daß der Schärfegrad q kleiner als der Wert q 3 ist, zeigt dies entweder eine übermäßige Unschärfe des Bilds oder eine Bewegung des Objekts an. In diesem Fall kehrt das Programm zum Anfangsschritt s- 7 zurück, um den Scharfeinstellungsvorgang erneut auszuführen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es daher stets möglich, auf zuverlässige Weise eine Scharfeinstellung auf das aufzunehmende Objekt selbst dann auszuführen, wenn es sich um ein Objekt gemäß der Darstellung in Fig. 3(a) handelt. Bei der Gestaltung gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die Fokussier- bzw. Scharfeinstellungsrichtung ohne Verstellung des optischen Systems ermittelt werden, wenn das optische System angehalten worden ist, nachdem das Objektbild in der Bildebene scharf abgebildet wurde. Daher kann mit dem Ausführungsbeispiel ein System wie eine Video- oder Fernsehkamera derart gestaltet werden, daß fortlaufend Bilder eines Objekts unter Nachführen von Vor- und Rückwärtsbewegungen des Objekts aufgenommen werden. Infolgedessen ist die Scharfeinstellungs-Ermittlungseinrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel außerordentlich gut zur Anwendung in automatischen Scharfstelleinrichtungen von Videokameras oder dergleichen geeignet.

Claims (21)

1. Einrichtung zur Ermittlung des Scharfeinstellzustands eines optischen Abbildungssystems, bei der ein Bild des abzubildenden Objektes auf einer Wandlereinrichtung erzeugt und in serielle elektrische Signale umgesetzt wird, gekennzeichnet durch eine von den elektrischen Signalen der Wandlereinrichtung (1) beaufschlagte Detektoreinrichtung (13, 22 bis 24) zur Ermittlung einer Kantenbreite des Bildes aus den elektrischen Signalen und Erzeugung eines die ermittelte Kantenbreite angebenden Ausgangssignals und durch eine vom Ausgangssignal der Detektoreinrichtung (13, 22 bis 24) beaufschlagte Diskriminatorstufe (9 bis 11; 30) zur Bestimmung des Scharfeinstellzustands des optischen Abbildungssystems aus dem Ausgangssignal der Detektoreinrichtung (13, 22 bis 24).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtung (1) eine zweidimensionale Bildaufnahmeeinrichtung aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (13) zur Ermittlung der Kantenbreite des Bildes in einer vorgegebenen Richtung ausgebildet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Richtung eine Horizontalabtastrichtung ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Speichereinrichtung (22) zur Speicherung des bei jeder Horizontalabtastung ermittelten Minimalwertes der Kantenbreite des Bildes.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminatorstufe (9 bis 11) eine Vergleichereinrichtung (9) zum Vergleich der von der Detektoreinrichtung (13) ermittelten Kantenbreite mit einem vorgegebenen Wert aufweist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Wert (Po) dem kleinsten Streukreisdurchmesser des optischen Abbildungssystems entspricht.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (13) eine erste Detektorschaltung (2, 3, 4) zur Ermittlung der Differenz zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Helligkeitswert an der Bildkante, eine zweite Detektorschaltung (2, 3, 6) zur Ermittlung eines an der Bildkante auftretenden Helligkeitsgradienten und eine Recheneinrichtung (5, 7, 8) zur Berechnung der Kantenbreite des Bildes aus den Ausgangssignalen der ersten und der zweiten Detektorschaltung aufweist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminatorstufe (9 bis 11) zur Bestimmung des Scharfeinstellzustands des optischen Abbildungssystems auf der Basis einer Vielzahl von über die Detektoreinrichtung (13) ermittelten Kantenbreitenwerten ausgebildet ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (13, 22, 23, 24) zur Ermittlung und Zählung von Bildkanten mit einer unter einem vorgegebenen Wert liegenden Breite ausgebildet ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (13, 22 bis 24) die Zählung in einem Bereich der Bildebene des von der Wandlereinrichtung (1) umgesetzten Bildes durchführt.

12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine Signalgeneratoreinrichtung (18 bis 21) zur Erzeugung eines dem Abbildungszustand des optischen Abbildungssystems entsprechenden Signals (B).

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminatorstufe (30) in Abhängigkeit von dem von der Signalgeneratoreinrichtung (18 bis 21) erzeugten Signal die Scharfeinstellungsauswertung ändert.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminatorstufe (30) zur Ermittlung des Scharfeinstellzustands durch Vergleich des Zählergebnisses der Detektoreinrichtung (13, 22 bis 24) mit einem vorgegebenen Zahlenwert ausgebildet ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminatorstufe (30) zur Änderung der Scharfeinstellungsauswertung durch Änderung des vorgegebenen Zahlenwertes ausgebildet ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Detektoreinrichtung (18 bis 21) zur Ermittlung eines weiteren charakteristischen Fokussierzustandsparameters vorgesehen ist, und daß die Diskriminatorstufe (30) den Scharfeinstellzustand des optischen Abbildungssystems in Abhängigkeit vom Ausgangssignal zumindest einer der beiden Detektoreinrichtungen bestimmt.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Detektoreinrichtung (18 bis 21) zur Ermittlung einer Hochfrequenzkomponente der elektrischen Signale ausgebildet ist.

18. Einrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminatorstufe (30) den Scharfeinstellzustand des optischen Abbildungssystems aus dem Ausgangssignal der weiteren Detektoreinrichtung (18 bis 21) bestimmt, wenn das von der ersten Detektoreinrichtung (13, 22 bis 24) erhaltene Ermittlungsergebnis eine vorgegebene Bedingung erfüllt.

19. Einrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminatorstufe (30) den Scharfeinstellzustand des optischen Abbildungssystems aus dem Ausgangssignal der weiteren Detektoreinrichtung (18 bis 21) bestimmt, wenn kein Ermittlungsergebnis von der ersten Detektoreinrichtung (13, 22 bis 24 erhalten werden kann.

20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch eine Stelleinrichtung (31) zur Verstellung des optischen Abbildungssystems in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Detektoreinrichtung (13, 22 bis 24).

21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung (31) die Verstellbewegung des optischen Abbildungssystems zum Stillstand bringt, wenn die von der Detektoreinrichtung (13, 22 bis 24) ermittelte Kantenbreite des Bildes unter einem vorgegebenen Wert liegt.