DE2549905C3

DE2549905C3 - Vorrichtung zur Scharfeinstellung eines Objektivs

Info

Publication number: DE2549905C3
Application number: DE2549905A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Kikuchi; Hideomi Takeda
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1974-11-07
Filing date: 1975-11-06
Publication date: 1978-06-15
Also published as: JPS5154432A; DE2549905A1; US4045804A; DE2549905B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Scharfeinstellen des durch eine Linse in eine feststehende Brennebene Fo abgebildeten Bildes, wobei die Linse in bezug auf die Brennebene verstellbar ist, mit einem ersten und einem zweiten Lichtsensor, auf die Licht aus dem Abbildungsstrahlengang abgelenkt wird, und die so angeordnet sind, daß der erste Lichtsensor vor und der zweite Lichtsensor hinter jeweils einer Brennebene angeordnet sind, die sich ergeben, wenn die Linse in die Brennebene Fo abbildet, mit einer elektrischen Brückenschaltung, in deren Zweige die Lichtsensoren eingeschaltet sind.

Die praktische Verwirklichung tiner Scharfeinstellungseinrichtung oder einer automatischen Fokussierungssteuereinrichtung wird ernsthaft benötigt, weil sie nicht nur den Unterschied in der Scharfeinstellung beseitigen würde, der bei verschiedenen Personen auftritt, sondern auch eine vereinfachte Handhabung optischer Einrichtungen ermöglichen könnte. Obwohl solche Einrichtungen in verschiedenster Form entwikkelt wurden, haben die meisten das Exptrimentierstadium nicht verlassen, weil sie praktische Probleme nicht berücksichtigt haben, die oft auftreten. Insbesondere für Kameras ist es wesentlich, daß sie möglichst klein sind und daß sie möglichst leicht sind, wobei sie außerdem nur eine geringe elektrische Energie verbrauchen sollten. Eine zusätzliche unerläßliche Bedingung für eine Einrichtung zur Einstellung der Schärfe, die in einer Kamera verwendbar ist, besteht darin, daß irgendein Einfluß auf die Scharfeinstellung ausgeschaltet sein sollte, der von einer Bewegungsunschärfe herrührt, die aufgrund einer entsprechenden Handhabung der Kamera auftritt, und es sollte außerdem ein Flackern oder eine Veränderung der Helligkeit eines Objektes ohne Einfluß bleiben. Leider enthält eine optische information, welche von einer Einrichtung zur Einstellung der Schärfe ermittelt wird, nicht nur die erforderliche Information zur Einstellung der Schärfe, sondern auch Rauschsignale, welche von einer Bewegungsschärfe aufgrund der Handhabung und von einer Helligkeitsveränderung hervorgerufen werden.

Aus der DE-OS 14 47 469 ist bereits eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art bekanntgeworden, bei der die Abtastung beispielsweise durch Verwendung einer Gleichstrombrückenschaltung bewirkt wird. Dies führt zu dem Ergebnis, daß die Fokussierungsabtastung instabil wird, weil sie den Einflüssen einer Bewegungsunschärfe, einer Dispersion und anderem Rauschen ausgesetzt ist. Mit dem Ausdruck »Bewegungsunschärfe« ist hier eine Bewegungsunschärfe angesprochen, welche dadurch hervorgerufen wird, daß mit der optischen Einrichtung verhältnismäßig langsame Bewegungen ausgeführt werden. Die obenerwähnte Anordnung ist jedoch insofern unzweckmäßig, als die elektrische Verarbeitung des abgetasteten Signals schwierig ist, weil es sich nämlich um ein Gleichstromsignal handelt. Diese Nachteile bilden eine Hauptursache dafür, daß die bekannte Einrichtung zur Einstellung der Schärfe in der praktischen Anwendung auf Schwierigkeiten stieß.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Einstellung einer scharfen Abbildung zu schaffen, die kompakt und leicht gebaut ist, und von jeglichen Einflüssen frei ist, die von einer Bewegungsunschärfe bei der Handhabung oder von einer Helligkeitsveränderung eines Objektes herrühren.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Brückenschaltung mit einer Wechselspannung vorgegebener Frequenz gespeist ist, daß am Ausgang der Brückenschaltung ein Differenzverstärker vorgesehen ist, daß der Differenzverstärker über ein Bandpaßfilter, das eine Mittelfrequenz aufweist, die im wesentlichen gleich der Frequenz der Wechselspannung ist, mit einem Phasenkomparator verbunden ist, dem gleichzeitig die Wechselspannung zugeführt wird, und daß eine einen Phasensprung feststellende Einrichtung vorgesehen ist.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine exakte Scharfeinstellung eines Bildes vorgenommen werden, wobei Störungen ausgeschaltet sind, die durch Schwankungsbewegungen der optischen Einrichtung, die sogenannte Bewegungsunschärfen hervorrufen, oder durch Helligkeitsänderungen des abzubildenden Objektes hervorgerufen werden. Die Schärfeeinstellung selbst kann mit hoher Empfindlichkeit durchgeführt werden. Weiterhin kann der Einfluß der Bewegungsunschärfe dadurch wesentlich verringert werden, daß eine Wechselspannung statt einer Gleichspannung verwandt wird. Einen minimalen Einfluß der Bewegungsunschärfe erhält man insbesondere dann, wenn die Frequenz der Wechselspannung, mit der die Brückenschaltung betne-

■n wird, höher gewählt wird als die Frequenz, mit der . .· Bewegungsunscharfe auftritt.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform eines op-.ischen Systems, welches bei der Erfindung verwendbar ist,

F i g. 2 ein Blockdiagramm, welches eine elektronische Schaltung darstellt, die dazu dient eine Scharfeinstellungs-Abtastung durchführen,

Fig.3 eine grafische Darstellung der jeweiligen Ausgangssigrale a und öder fotoeiektrischen Elemente 7 bzw. 8, wobei die Bezugszeichen c/und V jeweils die Lage der Linse 1 bzw. die Ausgangssignale der Elemente in Form einer Wechselspannungsamplitude bezeichnen,

F ig. 4 eine grafische Darstellung, welche das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 12 in Form der Wechselspannungsamplitude V veranschaulicht, wobei die Bezugszeichen ρ und q jeweils Schwellenwerte für die Anzeige darstellen,

F i g. 5 eine grafische Darstellung des Ausgangssignals des Nullpunktdurchgangssektors,

Fig.6 eine grafische Darstellung, welche das elektrisch verarbeitete Ausgangssignal im Hinblick auf die Information über die Positionen vor und hinter der Brennebene veranschaulicht, wobei die Bezugszeichen P und Q jweils den ruhen bzw. den entfernten Bereich bezeichnen, und zwar in bezug auf die Brennebene F₀ und

F i g. 7 ein Blockdiagramm, welches eine weitere elektronische Schaltung veranschaulicht, die für die Scharfeinstellung-Abtastung verwendbar ist, wobei die Bezugszeichen 18 und 19 fotoelektrische Elementenbereiche bezeichnen.

In der Fig. 1 ist eine Ausführungsform eines optischen Systems für den Fall veranschaulicht, in welchem eine Scharfeinstellungs-Abtasteinrichtung in eine Spiegelreflexkamera mit einer einzigen Linse eingebaut ist Licht von einem Aufnahmeobjekt geht durch eine Fokussierungslinse 1 hindurch und wird durch einen Schnellkippspiegel 3 in das Auge 5 eines Beobachters reflektiert. Das Aufnahmeobjekt ist durch ein (nicht dargestelltes) optisches Suchersystem zu beobachten. Ein Teil des Lichtstromes wird dann durch optische Teiler 4 und 6 auf fotoelektrische Elemente 7 und 8 geleitet, welche in der Weise arbeiten, daß ein gewünschter Fokussierungspunkt oder Scharfeinstellungspunkt abgetastet wird. Die Bezugszeichen Fi und F2 bezeichnen jeweils Brennebenen der Linse 1, die dann erhalten werden, wenn sich die Linse 1 in einer solchen Stellung befindet, daß ihre Brennebene F₀ in der Bildebene liegt. Die Brennebenen F, und F₂ werden durch die Teiler 6 und 4 erzeugt. Die fotoelektrischen Elemente 7 und 8 sind jeweils vor bzw. hinter den Brennebenen Fi und F₂ angeordnet. Bei 2 ist ein fotoempfindlicher Film dargestellt, welcher in der Brennebene Fo der Fokossierungslinse oder Abbildungslinse 1 angeordnet ist. Alle Brennebenen F₀, F\ und F₂ haben den gleichen optischen Abstand von der Linse 1.

Die F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform einer elektronischen Schaltung zur Verarbeitung eines fotoelektrischen Signals, welches durch das oben beschriebene opitsche System geliefert wird. Die fotoelektrischen Elemente 7 und 8 sind derart angeordnet, daß sie eine Wechselstrombrückenschaltung bilden, und zwar zu- (\> sammen mit Lastwiderständen 9 und 10 und einer Wechselspannungsquelle 11. Das Ausgangssigna! der Brückenschaltung wird durch Differenzverstärker 12 and ein Bandpaßfilter 13 verarbeitet, und es wird dann in einem Phasendiskriminator 14 im Hinblick auf seine Phase untersucht Das Ausgangssignal des Phasendiskriminators 14 hat einen Null-Kreuzungspunkt, welcher durch einen entsprechenden Null-Kreuzungspunkt-Detektor 15 abgetastet und durch eine Anzeigeeinrichtung 16 angezeigt wird.

Zur Beschreibung der Arbeitsweise der Vorrichtung sei angenommen, daß ein Objekt durch die Abbildungslinse 1 auf die fotoelektrischen Elemente 7 und 8 reell abgebildet wird.

Weiterhin sei angenommen, daß die Linse durch eine herkömmliche Einrichtung aus einer Fokussierungsstellung für den Abstand »unendlich« in eine Fokussierungsstellung für einen geringen Objektabstand verschoben wird. Die auf die Elemente 7 und 8 auftreffende Lichtmenge wird in Abhängigkeit von den Kurven a und b der Fig.3 verändert. Die Elemente 7 und 8 verzeichnen eine maximale Lichtintensität, wenn sich die Linse unmittelbar vor und hinter der Stellung befindet, welche eine im wesentlichen exakte Fokussierung auf die Ebene Fo liefert Die Kurven schneiden sich an dem Punkt, an welchem die Linse in der Weise eingestellt ist, daß das Aufnahmeobjekt im wesentlichen in der Ebene Fo fokussiert. Die Kurven sind auch für die Amplituden der entsprechenden Wechselspannungen an den Ausgangsklemmen A und B in bezug auf die Spannung an der Verbindung zwischen den Widerständen 9 und 10 repräsentativ, d. h., wenn die Lichtintensität auf dem Element 7 ansteigt, nimmt auch der Spannungsabfall am Widerstand 9 zu. Die Tatsache, daß die Kurven a und b symmetrischen Steilen in bezug auf die Brennebene F₀ angeordnet sind, ergibt sich daraus, daß die fotoeleklrischen Elemente 7 und 8 des optischen Systems gemäß F i g. 1 jeweils vor bzw. hinter der Brennebene F\ bzw. F₂ angeordnet sind. Zweckmäßig ist die Erzeugungsfrequenz der Wechselstrom- Brückenschaltung auf einem Pegel, der gleich oder größer ist als einige kHz, und zwar zu dem Zweck, die Rauschfrequenz zu eliminieren, welche durch die bei der Handhabung entstehende Unscharfe verursacht wird, die geringer ist als einige 100 kHz.

Das Ausgangssignal der Wechselstrom-Brückenschaltung wird in einem Differenzverstärker 12 einer Differenzverstärkung unterworfen, wobei das Ausgangssignal dieses Differenzverstärkers in der F i g. 4 in Form der Wechselspannungsamplitude Kdargestellt ist Aus der F i g. 3 ist ersichtlich, daß dann, wenn die Brennebene der Linse 1 vor oder hinter der Brennebene Fo liegt, eine Differenz zwischen den Fokussierungsanpaßsignalen erzeugt wird, welche von den entsprechenden fotoelektrischen Elementen 7 und 8 aufgenommen werden, so daß eine Verstimmung der Wechselstrombrückenschaltung entsteht. Wenn andererseits die zwei Fokussierungsanpaßsignale denselben Wert annehmen, so bedeutet dies eine Abstimmung in der Brennebene Fo. Somit folgt das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 12 der in Fig.4 gezeigten Spannungskurve, deren Polarität gemäß F i g. 4 vor und hinter der Brennebene Fo umgekehrt ist. Eine solche Charakteristik des Differenzausgangssignals kann als Signal verwendet werden, um deutlich die Fokussierungsstellung bzw. Scharfeinstellung anzuzeigen, wie es nachfolgend im einzelnen näher erläutert wird.

Nachfolgend wird die elektrische Verarbeitung des Ausgangssignals vom Differenzverstärker 12 beschrieben. Das Ausgangssignal wird dem Bandfilter 13 zugeführt, welches eine Mittenfrequenz hat, die gleich

der Erzeugungsfrequenz der Brückenschaltung ist. Das auf diese Weise verarbeitete Ausgangssignal wird dann dem Phasendiskriminator 14 zugeführt, wo es in bezug auf die Phase mit dem Wechselspannungssignal verglichen wird, welches der Brückenschaltung als Speisespannung zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Phasendiskriminators 14 verhält sich bekanntlich derart, daß es eine ähnliche Kurve beschreibt, wie sie in der Fig.4 dargestellt ist. Dies bedeutet, die Amplitude hängt von der Amplitude des Wechselspannungs-Eingangssignals ab, und die Polarität hängt davon ab, ob das von dem Filter 13 erhaltene Einganssignal in Phase mit oder gegenüber dem an die Brückenschaltung angelegten Wechselspannungssignal um 180° in der Phase verschoben ist. Wenn die Kurve der Fig.4 dazu verwendet wird, die Ausgangscharaktcristik des Diskriminators 14 zu beschreiben, so stellt die Ordinate eine Gleichspannungsamplitude dar, anstatt einer Wechselspannungsamplitude, wie im Falle des Ausgangssignals von dem Verstärker 12. Die Polarität des Signals ist bei Einstellungen der Linse der Art, daß die Brennebene vor oder hinter der Brennebene Fo liegt, umgekehrt. Das auf diese Weise erhaltene Ausgangssignal wird durch einen bekannten Nullpunktkreuzungsdetektor 15 verarbeitet und einer Anzeigeeinrichtung 16 zugeführt, welche aus einer lichtemittierenden Diode oder aus einer Miniaturlampe bestehen kann. Der Nullpunkt-Kreuzungsdetektor 15 besteht beispielsweise aus einem Fensterkomparator, und er wird in der Weise betrieben, daß er ein Signal mit einem hohen Pegel dann liefert, wenn sich das Ausgangssignal des Phasendiskriminators 14 auf einem Pegel im Bereich von Null in der F i g. 4 befindet, d. h. wenn die Brennebene der Linse 1 in der Brennebene Fo liegt. Das Ausgangssignal des Detektors 15, welches in der F i g. 5 dargestellt ist, wird einer Anzeigeeinrichtung

16 zugeführt.

Dies führt zu dem Ergebnis, daß die Fokussierungsanpaßstellung klar angezeigt wird.

Obwohl die obige Beschreibung sich auf ein digitales Anzeigeverfahren der Scharfeinstellung bezieht, dürfte ersichtlich sein, daß eine analoge Anzeige gewählt werden kann, wenn das Ausgangssignal des Phasendiskriminators 14 einem herkömmlichen Meßinstrument

17 zugeführt wird. Bei der beschriebenen Vorrichtung kann als zusätzliches Merkmal auch eine Information über die Stellungen vor und hinter der Brennebene geliefert werden. Falls dies gewünscht wird, kann das Ausgangssignal des Phasendiskriminators 14, welches dieselbe Kurve wie in der F i g. 4 beschreibt, leicht einer derartigen elektrischen Weiterverarbeitung unterworfen werden, daß solche Signale wie P und Q erzeugt werden, welche auf einem positiven bzw. negativen konstanten Pegel bleiben, und zwar jeweils vor bzw. hinter der Brennebene Fo, wie es in der Fig. 6 dargestellt ist Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß das Ausgangssigna] des Phasendiskriminators 14 in bezug auf seine Polarität separiert wird und dann die positiven und die negativen Ausgangssignale von einem Komparator weiterverarbeitet werden, der Schwellenwerte hat, die in der F i g. 4 durch unterbrochene Linien ρ und q angegeben sind. Das in der F i g. 6 in unterbrochenen Linien dargestellte Signal ist dasselbe Fokussierungsanpaßsignal bzw. Scharfeinstellungssignal wie in der Fig. 5. Die Signale P, Fund Q können beispielsweise durch lichtemittierende Dioden mit einer blauen, roten bzw. grünen Farbe dargestellt werden. Der Benutzer kann deshalb bestimmen, ob der Brennpunkt vor oder hinter der Brennebene Fo liegt, so daß er die Scharfeinstellung leicht und schnell ausführen kann. Insbesondere dann, wenn die blaue lichtemittierende Diode während der Scharfeinstellung leuchtet, wird angezeigt, daß die Brennebene der Linse 1 von der

ίο Brennebene Fo zur Linsenseite hin verschoben ist. Um die Scharfeinstellung zu erreichen, bringt der Benutzer die Linse 1 dann näher an die Brennebene Fo heran, bis die rote lichtemittierende Diode eingeschaltet wird. Wenn die grüne lichtemittierende Diode eingeschaltet wird, bewegt der Benutzer die Linse vor der Brennebene F₀ hinweg. Die Information über die Stellungen vor bzw. hinter der Brennebene ist wesentlich zur Verbesserung der Handhabung der Scharfeinstellungseinrichtung. Diese Anordnung ermöglicht eine leichtere Handhabung der Scharfcinstellvorrichtung, da durch die erleuchtete Anzeige jeweils einer von zwei Anzeigevorrichtungen eine schnelle Information darüber erhalten wird, ob bei der augenblicklichen Einstellung der Brennpunkt vor oder hinter der Bildebene liegt.

Um bei der Verwendung von Wechselspannung an der Brückenschaltung auch Fotodioden als Lichtsensor verwenden zu können, wird vorzugsweise eine der Fig. 7 entsprechende Schaltung vorgesehen. Mit den

.to Bezugszeichen 18 und 19 sind Bereiche von fotoelektrischen Elementen bezeichnet, von denen jedes aus einer Vielzahl von Fotodioden besteht und die an den Stellen angeordnet sind, welche denjenigen der fotoelektrischen Elemente 7 und 8 nach F i g. 1 entsprechen. Jedes Element in den fotoelektrischen Elementen 18 und 19 ist so angeordnet, daß zwei Fotodioden elektrisch in der Weise miteinander verbunden sind, daß ihre Fotoströme in der entgegengesetzten Richtung fließen.

Wenn bei einer derartigen Konstruktion die Linse 1 bewegt wird, wird zwischen den Klemmen A und ßder Brückenschaltung dasselbe Signal aufgebaut, wie es in der F i g. 3 dargestellt ist, und zwar in ähnlicher Weise wie im vorausgehenden Beispiel. Deshalb kann das Scharfeinstellungssignal in der Brennebene Fo erreicht werden, indem eine ähnliche Verarbeitung wie bei den vorausgegangenen Ausführungsformen an den auf den Differenzverstärker 12 folgenden Stufen ausgeführt wird.

Im Hinblick auf den Aufbau erweist sich die beschriebene Anordnung als höchst vorteilhaft, weil die Scharfeinstellungseinrichtung kompakt, leicht und preiswert ist, da sie keine elektrische oder keine Bewegungseinrichtung wie beispielsweise einen Elektromotor erfordert, der elektrische Energie benötigen würde. Es wird somit eine Scharfeinstellungseinrichtung geschaffen, welche sich in ein optisches Gerät mit kleinen Abmessungen, wie eine Kamera, einbauen läßt.

Weiterhin läßt sich die beschriebene Anordnung leicht von der oben beschriebenen Scharfeinstellungs-

(Ό einrichtung in eine automatische Scharfeinstellungs-Steuereinrichtung abwandeln, indem ein Servorverstärker und ein Servomotor hinzugefügt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Scharfeinstellen des durch eine Linse in eine feststehende Brennebene F₀ abgebildeten Bildes, wobei die Linse in bezug auf die Brennebene verstellbar ist, mit einem ersten und einem zweiten Lichtsensor, auf die Licht aus dem Abbildungsstrahlengang abgelenkt wird, und die so angeordnet sind, daß der erste Lichtsensor vor und der zweite Lichtsensor hinter jeweils einer Brennebene angeordnet sind, die sich ergeben, wenn die Linse in die Brennebene Fo abbildet, mit einer elektrischen Brückenschaltung, in deren Zweige die Lichtsensoren eingeschaltet sind, dadurch ge- is kennzeichnet, daß die Brückenschaltung mit einer Wechselspannung vorgegebener Frequenz gespeist ist, daß am Ausgang (A, B) der Brückenschaltung ein Differenzverstärker (12) vorgesehen ist, daß der Differenzverstärker über ein Bandpaßfilter (13), das eine Mittelfrequenz aufweist, die im wesentlichen gleich der Frequenz der Wechselspannung ist, mit einem Phasenkomparator (14) verbunden ist, dem gleichzeitig die Wechselspannung zugeführt wird, und daß eine einen Phasensprung feststellende Einrichtung (15) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichisensoren jeweils aus zwei in entgegengesetzten Richtungen zueinander parallelgeschalteten Fotodioden (18,19) bestehen.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang der einen Phasensprung feststellenden Einrichtung (15) eine Anzeigeeinrichtung (f 6) verbunden ist.

4. Vorrichtungn nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Anzeigeeinrichtungen vorgesehen sind, von denen in Abhängigkeit von einem festgestellten Phasensprung jeweils eine Anzeigeeinrichtung erleuchtbar ist.

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