RU1793418C

RU1793418C - Automatic focusing device for photographic objective

Info

Publication number: RU1793418C
Application number: SU914927802A
Authority: RU
Inventors: Валентин Михайлович Степанов; Александр Сергеевич Емельянов; Алексей Иванович Инюшин; Сергей Георгиевич Мазюкевич; Борис Николаевич Струнилин
Original assignee: Всесоюзный научный центр "Государственный оптический институт им.С.И.Вавилова"
Priority date: 1991-04-15
Filing date: 1991-04-15
Publication date: 1993-02-07

Abstract

Использование: оптическое приборостроение . Сущность изобретени : устройство работает на принципе измерени резкости изображени путем сравнени электрических сигналов, поступающих с датчика дефокусировки , при сканировании изображени по одной строке в двух плоскост х, расположенных перпендикул рно оптической оси объектива по разные стороны от плоскости точной фокусировки. Считывающее устройство датчика дефокусировки выполнено в виде двух непрозрачных дисков с пр моугольными и чередующимис через одну переменной ширины прорез ми. Диски закреплены на валу двигател , смещены относительно друг друга вдоль оптической оси объектива и развернуты между собой на определенный угол. Обработка сигналов проводитс в электронном блоке. 2 ил. fc w ЁUsage: optical instrumentation. SUMMARY OF THE INVENTION: The device operates on the principle of measuring image sharpness by comparing electrical signals from a defocus sensor when scanning an image on one line in two planes located perpendicular to the optical axis of the lens on different sides of the exact focus plane. The defocusing sensor reader is made in the form of two opaque disks with rectangular and alternating slots through one variable width. The disks are mounted on the motor shaft, offset relative to each other along the optical axis of the lens, and rotated between themselves at a certain angle. Signal processing is carried out in the electronic unit. 2 ill. fc w yo

Description

Изобретение относитс к оптическому приборостроению.The invention relates to optical instrumentation.

Изобретение может быть использовано при разработке телескопических приборов, фотокамер и других оптических устройств с автоматической фокусировкой объектива.The invention can be used in the development of telescopic devices, cameras and other optical devices with automatic focusing of the lens.

Известны устройства автоматической фокусировки объективов, в которых используютс фотодиодные линейки, светоприемные матрицы или линейки светоприемных структур с переносом зар да 1.Automatic lens focusing devices are known in which photodiode arrays, light-receiving arrays or arrays of light-receiving structures with charge transfer 1 are used.

Недостаток таких систем, работающих с несколькими фотоприемниками, состоит в том, что дл них требуетс наличие приемников , обладающих строго одинаковыми светочувствительными параметрами, и сохранение их посто нства во времени при изменении температуры и других внешних факторов. Несоблюдение этих требований снижает точность и надежность работы устройства . Поэтому основными направлени ми дальнейшего развити систем автоматической фокусировки объективов вл етс повышение точности, надежности, расширение светового диапазона и быстродействие их работы.The disadvantage of such systems operating with several photodetectors is that they require the presence of receivers with exactly the same photosensitive parameters and the preservation of their constancy in time with changing temperature and other external factors. Failure to comply with these requirements reduces the accuracy and reliability of the device. Therefore, the main directions of the further development of automatic lens focusing systems are improving accuracy, reliability, expanding the light range and the speed of their work.

Наиболее близким техническим решением к изобретению вл етс устройство, содержащее расположенный на оси объектива вращаемый двигателем цилиндр, обращенный к объективу, торец которого имеет ступенчатую форму, при этом в сфокусированном положении объектива плоскость изображени проходит посередине промежутка между плоскост ми ступеней торца цилиндра, а внутри цилиндра расположены два световода, передние торцы которых совмещены соответственно с плоскост ми ступеней торца цилиндра, задние торцы совмещены с плоскостью противоположногоThe closest technical solution to the invention is a device containing a cylinder located on the axis of the lens rotated by the engine, facing the lens, the end of which has a stepped shape, while in the focused position of the lens the image plane passes in the middle of the gap between the planes of the steps of the cylinder end, and inside the cylinder there are two optical fibers, the front ends of which are aligned respectively with the planes of the steps of the cylinder end, the rear ends are aligned with the plane of the counter zhnogo

ю Yu

0000

торца цилиндра, за которым находитс фо- топриемик, освещенный поочередно выход щими из световодов световыми пучками 2. Дл определени резкости изображени the end of the cylinder, behind which there is a photodetector, illuminated by light beams 2, alternately emerging from the optical fibers. To determine the image sharpness

проводитс сравнение поступающих элект- рических сигналов, получаемых от одного фотоприемника.A comparison is made of the incoming electrical signals received from a single photodetector.

К недостаткам устройства следует отнести малую эффективную светосилу устройства по причине малого поперечного сечени световода, значительных световых потерь при отражении от торцов световода и поглощени в нем, длительное врем обработки сигнала, снижающее быстродействие автофокусировки из-за низкой частоты считывани сигнала, вли ние модул ции светового потока от источника искусственного освещени на полезный сигнал по причине низкой частоты считывани сигнала, возможность по влени ложных сигна- лов, возникающих при выходе световода из-за непрозрачной диафрагмы на светлый фон и при входе световода в зону за диафрагмой .The disadvantages of the device include the low effective aperture of the device due to the small cross-section of the fiber, significant light losses due to reflection from the ends of the fiber and absorption in it, a long signal processing time that reduces the autofocus speed due to the low signal readout frequency, the effect of light modulation flow from an artificial light source to a useful signal due to the low readout frequency of the signal, the possibility of the appearance of false signals that occur when exiting because of the opaque diaphragm against a light background and when the fiber enters the zone behind the diaphragm.

Целью изобретени вл етс повыше- ние эффективности светосилы, увеличение быстродействи и повышение надежности работы., .The aim of the invention is to increase the efficiency of aperture, increase speed and increase reliability.

Цель достигаетс тем, что в устройстве автоматической фокусировки объектива, со- держащем датчик дефокусировки, фотопри- емник, блок обработки сигнала и исполнительный двигатель, датчик дефокусировки выполнен в виде размещенных на одном из концов вала исполнительного дви- гател двух непрозрачных дисков с пр моугольными радиальными и чередующимис через одну переменной ширины прорез ми, при этом диски смещены относительно друг друга вдоль оптической оси объектива, а прорези меньшей ширины одного диска расположены напротив середины прорезей большей ширины другого диска, а также в виде оптоэлектронной пары с обтюратором, расположенным на другом конце исполни- тельного двигател и имеющим число лопастей , равное числу пар прорезей в диске, причем блок обработки сигнала выполнен в виде генератора тактовых импульсов, схемы формировани абсолютного значени сигналов, схемы разделени сигнала, пиковых детекторов, схемы суммировани , трех ключей, дифференциального усилител , компараторов и разделительного конденсатора , при этом выход схемы формировани абсолютного значени сигналов соединен с одним из входов первого ключа, второй вход которого соединен с первым выходом генератора тактовых импульсов, а выход первого ключа соединен с одним из входов схемыThe goal is achieved in that in the automatic focusing device of the lens, which contains a defocus sensor, a photodetector, a signal processing unit and an actuator, the defocus sensor is made in the form of two opaque disks with rectangular radial disks placed on one end of the actuator shaft. and alternating slits through one variable width, wherein the disks are offset relative to each other along the optical axis of the lens, and the slots of a smaller width of one disk are located opposite the middle grooves of a larger width of the other disk, as well as in the form of an optoelectronic pair with a shutter located on the other end of the executing engine and having the number of blades equal to the number of pairs of slots in the disk, the signal processing unit being made in the form of a clock pulse generator, the absolute value generating circuit signals, signal separation circuits, peak detectors, summation circuits, three keys, a differential amplifier, comparators and an isolation capacitor, while the output of the absolute value generating circuit tim signal is coupled to one input of the first switch, a second input coupled to a first output of the clock generator and the output of the first switch is connected to one of the inputs of the circuit

разделени сигнала, соединенной другими входами с вторым и третьим выходами генератора тактовых импульсов, а выходами с первыми входами детекторов, вторые входы которых соединены соответственно с четвертым и п тым выходами генератора тактовых импульсов, выходы детекторов соединены с одними из входов соответственно второго и третьего ключей, другие входы которых соединены соответственно с вторым и третьим выходами генератора тактовых импульсов, выходы второго и третьего ключей соединены с соответствующими входами схемы суммировани , выходом соединенной с входом разделительного конденсатора и инвертируемым входом дифференциального усилител , неинвертируемый вход которого соединен с выходом разделительного конденсатора, а выходы дифференциального усилител подключены к входам соответствующих компараторов, выходами соединенных с входами схемы управлени .dividing the signal connected by other inputs to the second and third outputs of the clock generator, and outputs with the first inputs of the detectors, the second inputs of which are connected respectively to the fourth and fifth outputs of the clock generator, the outputs of the detectors are connected to one of the inputs of the second and third keys, the other inputs of which are connected respectively to the second and third outputs of the clock generator, the outputs of the second and third keys are connected to the corresponding inputs of the circuit and, an output connected to the input of the isolation capacitor and an inverted input of the differential amplifier, the non-inverted input of which is connected to the output of the isolation capacitor, and the outputs of the differential amplifier are connected to the inputs of the respective comparators, the outputs connected to the inputs of the control circuit.

На фиг, 1 изображена принципиальна схема устройства автоматической фокусировки объектива; на фиг. 2 - блок-схема обработки сигнала устройства автоматической фокусировки объектива.In Fig. 1 is a schematic diagram of an automatic focusing device of the lens; in FIG. 2 is a signal processing block diagram of a lens auto focus device.

Устройство автоматической фокусировки объектива (фиг. 1) содержит объектив 1, двигатель 2, датчик дефокусировки, выполненный в виде расположенных на валу двигател 2 двух непрозрачных дисков 3 с чередующимис разной ширины пр моугольными радиальными прорез ми. Диски 3 разнесены вдоль оптической оси объектива 1 и развернуты относительно друг друга. Посередине между дисками 3 расположена диафрагма 4. За дисками 3 установлен фотоприемник 5, На противоположном конце вала двигател 2 установлен датчик углового положени дисков, состо щий из обтюратора 6 (число лопастей равно числу пар прорезей диска 3), закрепленного на валу двигател 2, и оптоэлектронной пары 7, установленной на корпусе (не показано) датчика дефокусировки. За датчиком дефокусировки расположен электронный блок 3 обработки сигнала, соединенный с исполнительным двигателем 9, кинематически св занным с объективом 1.The automatic focusing device of the lens (Fig. 1) comprises a lens 1, an engine 2, a defocus sensor made in the form of two opaque disks 3 arranged on a shaft of an engine 2 with alternating rectangular radial cuts of different widths. The disks 3 are spaced along the optical axis of the lens 1 and are deployed relative to each other. A diaphragm 4 is located in the middle between the disks 3. A photodetector 5 is mounted behind the disks 3. At the opposite end of the motor shaft 2, a disk angular position sensor is installed, consisting of a shutter 6 (the number of blades is equal to the number of pairs of slots of the disk 3) mounted on the shaft of the engine 2, and optoelectronic pair 7 mounted on the housing (not shown) of the defocus sensor. Behind the defocus sensor, an electronic signal processing unit 3 is located, connected to an actuator 9 kinematically connected to the lens 1.

В блоке обработки сигнала (фиг.2) на входе электронного тракта установлен фильтр 10 высокой частоты, к выходу, которого подключена схема 11 автоматической регулировки усилени . Выход оптоэлект- рбнной пары 7 датчика углового положени дисков 3 соединен с входом генератора 12 тактовых импульсов, управл ющего работой электронного тракта обработки сигнала.In the signal processing unit (Fig. 2), a high-pass filter 10 is installed at the input of the electronic path to the output of which an automatic gain control circuit 11 is connected. The output of the optoelectronic pair 7 of the angular position sensor of the disks 3 is connected to the input of the clock pulse generator 12, which controls the operation of the electronic signal processing path.

К выходу схемы 11 автоматической регулировки усилени подключена схема 13 формировани абсолютного значени сигнала, котора через ключ 14 соединена со схемой 15 разделени сигналов. Ключ 14 подключен к первому выходу генератора 12 тактовых импульсов, схема 15 разделени сигналов подключена к второму и третьему выходам генератора 12 тактовых импульсов. К выходам -схемы 15 разделени сигналов подключены пиковые детекторы 16 и 17, которые соединены с четвертым и п тым выходами генератора 12 тактовых импульсов . На выходах пиковых детекторов 16 и 17 подключены ключи 18 и 19, установленные на входе схемы 20 суммировани . Ключи 18 и 19 подключены к второму и третьему выходам генератора 1-2 тактовых импульсов. Выход схемы 20 суммировани подключен к конденсатору 21 и к инвертирующему входу дифференциального усилител 22. Между неинвертирующим .входом дифференциального усилител 22 и выходом схемы 20 суммировани установлен разделительный конденсатор 21. К выходу дифференциального усилител 22 подключены два компаратора 23 и 24, которые соединены с входами схемы 25 управлени , на входе которой установлен исполнительный двигатель 9..To the output of the automatic gain control circuit 11 is connected an absolute signal value generating circuit 13, which is connected via a key 14 to a signal separation circuit 15. The key 14 is connected to the first output of the clock generator 12, the signal separation circuit 15 is connected to the second and third outputs of the clock generator 12. Peak detectors 16 and 17 are connected to the outputs of the signal separation circuit 15, which are connected to the fourth and fifth outputs of the clock generator 12. At the outputs of the peak detectors 16 and 17, switches 18 and 19 are connected at the input of the summing circuit 20. The keys 18 and 19 are connected to the second and third outputs of the generator 1-2 clock pulses. The output of the summing circuit 20 is connected to the capacitor 21 and to the inverting input of the differential amplifier 22. Between the non-inverting input of the differential amplifier 22 and the output of the summing circuit 20, an isolation capacitor 21 is installed. Two comparators 23 and 24 are connected to the output of the differential amplifier 22, which are connected to the inputs of the circuit 25 control, at the input of which an actuating motor 9 is installed ..

В основе работы устройства автоматической фокусировки объектива лежит принцип измерени резкости изображени путем сравнени электрических сигналов, последовательно поступающих с фотоприемника при сканировании изображени по одной строке в двух плоскост х, расположенных перпендикул рно оптической оси объектива по разные стороны от плоскости точной фокусировки.The operation of the automatic lens focusing device is based on the principle of measuring image sharpness by comparing electrical signals sequentially from the photodetector when scanning the image along one line in two planes located perpendicular to the optical axis of the lens on different sides of the exact focus plane.

Работает устройство следующим образом .The device operates as follows.

При сканировании изображени , построенного объективом 1, световой поток поочередно проходит сначала, например, через узкую прорезь диска 3, расположенного перед фокальной плоскостью объектива , диафрагму 4 и широкую прорезь диска 3, расположенного после фокальной плоскости объектива, а при повороте дисков 3 на угол (п - число пар прорезей на диске 3) происходит схема плоскости, в которой проводитс сканирование, при этом световой поток проходит сначала через широкую прорезь диска 3, расположенного перед фокальной плоскостью объектива, диафрагму 4 и затем узкую прорезь диска 3, расположенного за фокальной плоскостью объектива . Пройд считывающее устройство, световой поток попадает на фотоприемникWhen scanning the image constructed by the lens 1, the luminous flux passes first, for example, through a narrow slot of the disk 3 located in front of the focal plane of the lens, aperture 4 and a wide slot of the disk 3 located after the focal plane of the lens, and when the disks 3 are rotated by an angle ( p - the number of pairs of slots on the disk 3) there is a diagram of the plane in which the scan is carried out, while the light flux first passes through a wide slot of the disk 3 located in front of the focal plane of the lens ASMU 4 and then a narrow slit disk 3 is located behind the focal plane of the lens. Pass reader, the light flux hits the photodetector

- 5, Электрический сигнал с фотоприемникэ 5 поступает на вход блока 8 обработки сигнала . Фильтр 10 высокой частоты, установлен- ный на входе электронного блока 8, 5 выдел ет полезные сигналы, несущие информацию о ркости объекта и дефокусировке объектива. Нар ду с ними при сканировании пол зрени в моменты пересечени узкой прорезью его границ возни0 кают ложные сигналы, обусловленные по влением и исчезновением фоновой засветки . Ложные сигналы несут информации о ркости фона и участвуют совместно с полезными сигналами в работе схемы 11- 5, The electrical signal from the photodetector 5 is input to the signal processing unit 8. A high-pass filter 10 installed at the input of the electronic unit 8, 5 emits useful signals that carry information about the brightness of the object and the defocusing of the lens. Along with them, when scanning a field of vision at the moments of crossing a narrow slot of its boundaries, false signals arise due to the appearance and disappearance of background illumination. False signals carry information about the background brightness and participate together with useful signals in the operation of circuit 11

5 автоматической регулировки усилени . Схема 13 формировани абсолютного значени сигнала преобразует разнопол рные сигналы , возникающие из-за различного знака ркостного контраста объекта, на который5 automatic gain control. The circuit 13 for generating the absolute value of the signal converts bipolar signals arising from the different sign of the brightness contrast of the object onto which

0 фокусируетс объектив, в сигналы одной пол рности , что необходимо дл однозначного определени направлени перемещени объектива при его фокусировке.0, the lens focuses into signals of the same polarity, which is necessary to uniquely determine the direction of movement of the lens when it is focused.

Ложные сигналы, возникающие на вы5 ходе фильтра 10 высокой частоты, устран ютс с помощью ключа 14, управл емого генератором 12 тактовых импульсов. Работа генератора тактовых импульсов осуществл етс от датчика углового положени False signals arising from the output of the high-pass filter 10 are eliminated with a key 14 controlled by a clock generator 12. The operation of the clock generator is carried out from the angular position sensor

0 дисков 3 по сигналам от оптоэлёктронной пары 7. Дл определени направлени перемещени объектива 1 полезный сигнал с выхода ключа 14 поступает на схему 15 разделени сигналов по двум каналам, которые0 drives 3 according to the signals from the optoelectronic pair 7. To determine the direction of movement of the lens 1, the useful signal from the output of the key 14 is fed to the signal separation circuit 15 for two channels, which

5 соответствуют двум плоскост м сканировани , работа схемы осуществл етс по командам от генератора12 тактовых импульсов. Дл повышени чувствительности схемы сигналы направл ютс на пико0 вые детекторы 16 и .17, преобразующие импульсные сигналы, несущие информацию о фокусировке объектива, в квазипосто нные сигналы. Информаци , записанна в пиковых детекторах, стираетс перед каж5 дым новым поступлением сигнала в соответствующий детектор по командам от генератора 12 тактовых импульсов. Перед поступлением на схему 20 суммировани сигналы с помощью ключей 18 и 19, управ0 л емых генератором 12 тактовых импульсов , преобразуютс а сигналы одинаковой длительности, равной времени прохождени по полю зрени узкой прорези каждого из дисков 3 считывающего устройства. С5 correspond to two scanning planes, the operation of the circuit is carried out by commands from a clock generator 12. To increase the sensitivity of the circuit, signals are sent to peak detectors 16 and .17, which convert pulsed signals carrying lens focus information to quasi-constant signals. The information recorded in the peak detectors is erased before each new signal arrives at the corresponding detector by commands from the clock generator 12. Before entering the summing circuit 20, the signals with the help of keys 18 and 19 controlled by a clock pulse generator 12 are converted and signals of the same duration equal to the time taken to pass through the field of view of a narrow slot of each of the disks 3 of the reader. WITH

5 выходов ключей 18 и 19 один из сигналов поступает на инвертирующий вход схемы 20 суммировани , а другой - на ее неинвертирующий вход. На выходе суммирующей схемы 20 сигнал содержит посто нную со- ставл ющую. несущую информацию о дефокусировке , и переменную составл ющую, котора устран етс с помощью дифференциального усилител 22. Дл этого на инвертирующий вход дифференциального усилител подаетс полый сигнал, а на его неинвертирующий вход через разделительный конденсатор 21 - только переменна составл юща сигнала. Коэффициенты передачи по обоим входам дифференциального усилител 22 подбираютс таким образом, чтобы на его выходе переменна составл юща сигнала была равна нулю и вырабатывалась только посто нна составл юща , несуща информацию о дефокусировке . С выхода дифференциального усилител 22 сигнал поступает на два компаратора 23 и 24, реагирующие на пол рность и амплитуду сигнала рассогласовани . С выходов компараторов 23 и 24 сигнал поступает на вход схемы 25 управлени , котора включает исполнительный двигатель 9 дл перемещени объектива 1 в положение точной фокусировки.5 outputs of the keys 18 and 19, one of the signals is fed to the inverting input of the summing circuit 20, and the other to its non-inverting input. At the output of the summing circuit 20, the signal contains a constant component. carrying defocusing information and a variable component that is eliminated by the differential amplifier 22. For this, a hollow signal is supplied to the inverting input of the differential amplifier, and only the variable component of the signal is fed to its non-inverting input through the isolation capacitor 21. The transmission coefficients at both inputs of the differential amplifier 22 are selected so that at its output the variable component of the signal is equal to zero and only a constant component is generated that carries defocusing information. From the output of differential amplifier 22, the signal is fed to two comparators 23 and 24, responsive to the polarity and amplitude of the error signal. From the outputs of the comparators 23 and 24, the signal is input to the control circuit 25, which turns on the actuator 9 to move the lens 1 to the exact focus position.

Технико-экономический эффект изобретени заключаетс в следующем: достигнуто увеличение эффективной светосилы УАФ объектива более чем в 10 раз за счет введени считывающего устройства, сокращено вThe technical and economic effect of the invention is as follows: an increase in the effective aperture of the UAF lens by more than 10 times is achieved due to the introduction of a reader, is reduced in

5-7 раз врем обработки электрического сигнала и соответственно увеличено быстродействие системы за счет повышени частоты считывани сигнала и введени в схему блока обработки сигнала дифференциального усилител , повышена надежность работы УАФ объектива путем увеличени до 600 Гц частоты считывани при фокусировке на объекты, на которых осуществл етс от источников , питаемых переменным током промышленной частоты.5-7 times the processing time of the electric signal and, accordingly, the system speed is increased by increasing the frequency of reading the signal and introducing a differential amplifier into the signal processing unit circuit, the reliability of the UAF lens is increased by increasing the reading frequency to 600 Hz when focusing on objects that are carried out from sources fed by alternating current of industrial frequency.

Claims

The claims

An automatic lens focusing device comprising a defocus sensor, a photodetector, a signal processing unit and an executive motor, characterized in that, in order to increase effective aperture ratio, increase speed and increase reliability, the defocus sensor is made in the form of an executive motor located on one end of the shaft two opaque disks with rectangular, radial and alternating through one slits of variable width, while the disks are offset relative to each other along the optical axis of the lens, and the slots of the smaller width of one disk are located opposite the middle of the slots of the larger width of the other disk, and also in the form of an optoelectronic pair with a shutter located on the other end of the actuator and having the number of blades equal to the number of slots of the pairs in the disk, and the signal processing unit made in the form of a clock generator, a circuit for generating the absolute value of the signal, a circuit for splitting the signal, peak detectors, a summing circuit, three keys, a differential amplifier, a com pa-

rotators and a separation capacitor, while the output of the circuit for generating the absolute value of the signal is connected to one of the inputs of the first key, the second input of which is connected to the first output of the clock generator, and the output of the first key is connected to one of the inputs of the signal separation circuit connected by other inputs to the second and the third outputs of the clock generator, and the outputs with the first inputs of the detectors, the second inputs of which are connected respectively to the fourth and fifth outputs of the clock generator, and in the detector moves are connected to one of the inputs of the second and third keys, respectively, the other inputs of which are connected respectively to the second and third outputs of the clock generator, the outputs of the second and third keys are connected to the corresponding inputs of the summing circuit, the output connected to the input of the isolation capacitor and with an invertible input a differential amplifier, the non-invertible input of which is connected to the output of the isolation capacitor, and the outputs of the differential amplifier are connected to the inputs The appropriate comparator output coupled to the control circuit inputs.

Phase 1

-Gr7b - rGQ, -, Ch2yi5L. 45 Th