DE2838647A1

DE2838647A1 - Verfahren zur automatischen oder halbautomatischen entfernungsmessung und scharfeinstellung der abbildung eines gegenstandes auf eine bildebene

Info

Publication number: DE2838647A1
Application number: DE19782838647
Authority: DE
Inventors: Karl-Ulrich Dipl Ing Dr Stein
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1978-09-05
Filing date: 1978-09-05
Publication date: 1980-04-10
Also published as: GB2030417A; DE2838647C2; US4320302A; FR2435738A1; GB2030417B; FR2435738B1; JPS5537999A; US4412741A

Description

AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München 78 PI 1 6 ^ BRD

Verfahren zur automatischen oder halbautomatischen Entfernungsmessung und Scharfeinstellung der Abbildung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen oder halbautomatischen Entfernungsmessung und Scharfeinstellung der Abbildung eines Gegenstandes auf eine Bildebene, wobei die Abbildung über ein in Richtung seiner optischen Achse verschiebbares Objektiv erhalten wird.

Aus der Zeitschrift "Electronics" (10. November 1977, Seiten 40 ff) ist eine Anordnung zur automatischen Entfernungseinstellung mit Hilfe von Fotodioden und einer elektronischen Schaltung bekannt. Die bekannte Anordnung arbeitet nach dem Winkelmeßverfahren, wobei zwei getrennte Bilder des Gegenstandes mit Hilfe von Spiegeln auf zwei flächenhafte Anordnungen von Fotodioden projiziert werden. Mit Hilfe eines kleinen Mo-

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tors wird das Objektiv und einer der Spiegel solange bewegt, bis die mittlere Helligkeit von einander entsprechenden Fotodioden übereinstimmt. Dieses Verfahren arbeitet mit einer analogen Verarbeitungsschaltung, wie sie in der Technik der bipolaren integrierten Schaltungen verwirklicht werden kann.

Die Schwierigkeit des bekannten Verfahrens besteht darin, daß es prinzipiell für die Integration große Siliziumflächen benötigt. Dies ist nur mit relativ hohem Aufwand zu realisieren, da eine anspruchsvolle bipolare Analog-Technologie erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, welches eine automatische Entfernungsmessung ermöglicht, ohne daß die genannten Schwierigkeiten auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei zellenförmige Bildausschnitte auf zwei Zeilensensoren abgebildet werden, daß die Ausgangssignale der Zeilensensoren digital weiterverarbeitet werden, daß die Entfernungsmessung durch sequentielle Überprüfung der Korrelation der digitalisierten Meßergebnisse der Zeilensensoren erfolgt, daß zur Korrelationsüberprüfung die jeweils einander gegenüberliegenden, sich überlappenden Teile der Zeilensensoren herangezogen werden, daß die Korrelationsüberprüfung in einem Äquivalenzteil durchgeführt wird, daß die Ergebnisse der Korrelationsüberprüfung in einem Addierer aufaddiert werden und einem Signalauswerter zugeführt werden, welcher die Scharfeinstellung steuert bzw. ein kodiertes Signal anzeigt.

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Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Vorteil der Erfindung besteht'darin, daß die Ausgangssignale der Sensorelemente digital weiterverarbeitet werden können. Die weitere Signalverarbeitung kann somit in digitaler Technik auf demselben Chip realisiert werden.

Ein besonderer Vorteil einer Entfernungsmessung mit digitalisierten Bildsignalen besteht darin, daß sie in einer MOS-Digital-Technologie - wie sie für Speicher oder Charge-Coupled-Devices herangezogen wird - ohne Prozeßänderung und unter Verwendung von bekannten Schaltungsstrukturen vollständig auf einem Chip realisiert werden kann. Der Integrationsumfang bleibt dabei in einem überschaubaren Rahmen, so sind beispielsweise für eine Vergleichsbreite von 32 Bildpunkten und eine Auslenkung von 32 Bildpunkten, d.h. für 64 Meßpositionen, ca. 3000 Transistorfunktionen (davon 2000 für Sensoren, Schieberegister und Meßwertaufbereitung, 1000 für die Signalauswertung) erforderlich.

Eine Belichtungsmessung bzw. eine Belichtungsautomatik läßt sich mit relativ geringem Mehraufwand auf demselben Chip verwirklichen. Dazu wird das Signal von Vergleichssensoren herangezogen, das im einfachsten Fall als Binärwert, der Meßdauer, vorliegt. Mißt man diese Dauer der Messung mit einem Zähler, so kann eine sogenannte Zeit- oder Blendenautomatik einfach implementiert werden. An das für die Zeitmessung herangezogene Frequenznormal sind dabei nur geringe Anforderungen zu

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stellen, da dasselbe Normal mit demselben relativen Fehler für die Ausgabe der Belichtungszeit auch eingesetzt wird.

Weitere Vorteile der Erfindung werden an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert. In der dazugehörenden Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer automatischen Entfernungsmessung,
Fig. 2 ein dynamisches Schieberegister mit Sensoren,

Fig. 3 ein Zeitdiagramm, daß den Betrieb des Schieberegisters gemäß Fig. 2 veranschaulicht,

Fig. 4 ein Zeitdiagramm, welches die Taktfolge beim Messen des Schieberegisters gemäß Fig. 2 veranschaulicht,

Fig. 5 ein statisches Schieberegister mit Sensoren,

Fig. 6 ein Zeitdiagramm, welches den Betrieb des Schieberegisters gemäß Fig. 5 veranschaulicht und

Fig. 7 ein Schaltbild der beiden Vergleichssensoren.
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In Fig. 1 ist das Blockschaltbild der automatischen Entfernungsmessung gemäß der Erfindung dargestellt, wobei die Messung der Entfernung in Verbindung mit einem modifizierten Schnittbild-Entfernungsmesser durchgeführt wird.

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Im Mittelpunkt des Blockschaltbildes ist der Sensoren- und Schieberegisterteil 1 zu erkennen. Es sind zwei Zeilensensoren 2, 3 für die obere und untere Pupille des Schnittbildprinzips dargestellt. Weiterhin sind im Teil 1 zwei Vergleichssensoren 4, 5 schematisch dargestellt.

Das Prinzip der Schnittbild-Entfernungsmessung beruht auf einer Korrelationsuntersuchung zwischen den vom oberen Zeilensensor 2 und dem unteren Zeilensensor 3 erfaßten zellenförmigen Bildausschnitten. In der Figur sind dazu vereinfacht Zeilensensoren 2 und 3 mit jeweils sieben Bildpunkten (01 bis 07 für den oberen Zeilensensor und Ü1 bis Ü7 für den unteren Zeilensensor) dargestellt. Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Beispiel liegen die vier Bildelemente 04 bis 07 des oberen Zeilensensors 2 und U1 bis U4 des unteren Zeilensensors 3 gegenüber, wodurch beispielsweise eine Entfernungseinstellung "unendlich" realisiert ist.

Dagegen sind bei einer Entfernungseinstellung "1 m" die Zeilensensoren um jeweils drei Elemente nach rechts bzw. nach links ausgelenkt, so daß die Bildelemente 01 bis 04 und U4 bis U7 gegenüberliegen.

Die Messung selbst erfolgt in diesem Beispiel durch eine sequentielle Überprüfung der Korrelation der digitalisierten Meßergebnisse des oberen und unteren Zeilensensors. Für die Korrelationsüberprüfung werden jeweils die einander gegenüberliegenden, sich überlappenden Teile der Zeilensensoren 2 und 3 herangezogen. Die im dargestellten Beispiel nachweisbaren sieben Positionen (Anzahl der Bildelemente in der Vergleichs-

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breite: 4, plus Anzahl der Bildelemente in der Auslenkung: 3) werden in sieben Einzelüberprüfungen im Äquivalenzteil 6 überprüft. Das Äquivalenzteil 6 ist mit Gattern für Exklusiv-ODER bestückt. Besonders vorteilhaft ist bei dieser Anordnung, daß nach jedem Einzelschritt der Korrelationsüberprüfung eine neue Überprüfung durch eine Verschiebung nach rechts im oberen Register bzw. eine Verschiebung nach links im unteren Register vorbereitet wird. Die schrittweise Verschiebung geschieht dabei in der Weise, daß immer abwechselnd das obere Schieberegister um einen Schritt nach rechts und darauf folgend das untere Schieberegister um einen Schritt nach links verschoben werden. Im dargestellten Beispiel liegen sich somit zunächst 04 bis 07 und Ü1 bis U4 gegenüber. Dann wird das obere Schieberegister um einen Schritt nach rechts verschoben, wodurch 03 bis 06 und Ü1 bis ü4 gegenüberliegen. Im nächsten Schritt erfolgt die Verschiebung des unteren Schieberegisters um einen Schritt nach links, so daß 03 bis 06 und U2 bis U5 gegenüberliegen. Zum Abschluß der jeweils schrittweisen Verschiebung liegen somit 01 bis 04 und U4 bis U7 gegenüber.

Die Ergebnisse der Korrelationsüberprüfung (bei vollständiger Übereinstimmung liegen beim Ausführungsbeispiel vier parallel auftretende logische "1" vor) werden im Addierer 7 aufaddiert und stehen damit zur Signalauswertung zur Verfügung. Der Addierer 7 besteht dabei aus einem Schieberegister und einem Zähler mit parallelem Ausgang.

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Der Signalauswerter 8 besteht im einfachsten Fall aus einer Schaltung, die anzeigt, in welcher Position ein hohes Korrelationsergebnis zwischen den Sensoren 2 und 3 (z.B. "1111" im dargestellten AusfUhrungsbeispiel) auftritt. Diese Position kann als Entfernungsangabe für die Steuerung einer Einstellung (z.B. als Impulszug für einen Schrittmotor) und/oder als kodiertes Signal für eine Entfernungsanzeige ausgegeben werden.

Das genannte einfache Meßverfahren läßt sich beispielsweise anwenden, wenn für die Messung nur einfache Bildinhalte - wie sie z.B. eine Hell-Dunkel-Kante bietet herangezogen werden. Soll auch bei komplexeren Bildinhalten zuverlässig gemessen werden, so muß der Signalauswerter 8 eine Summenspeicherung und einen Summenvergleich samt einer Ermittlung jener Position der Korrelation aufweisen, welche die größte Summe ergibt. Die Kodierung des Vergleichsergebnisses für die Entfernungsausgabe ist - wie bereits oben dargestellt diesen Funktionen nachgeschaltet. Der Signalauswerter kann beispielsweise durch eine angepaßte Mikroprozessor-Struktur dargestellt werden.

Über die Ablaufsteuerung 9 wird die Messung mit dem Impuls T ausgelost. Weiterhin ist in der Ablaufsteuerung 9 eine Schaltung enthalten, welche die Takte T für den Sensoren- und Schieberegisterteil 1 liefert sowie die Signale S der Vergleichssensoren 4, 5 verarbeitet.
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In der Fig. 2 ist ein dynamisches Schieberegister bestehend aus den Transistoren T₁ bis T₁₀ und den

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Kapazitäten C₁ bis C-, dargestellt, welches um die Detektordioden D₁ und D₂ mit nachgeschalteten Transfertransistoren T₁₁, T^p für die Bildsignalaufnahme erweitert ist.
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Zur Einleitung der Zeilenaufnahme wird das Schieberegister in einen Betriebszustand versetzt, bei dem der Knoten A über den Ausgang des vorhergehenden Inverters und den Transfertransistor T₁₁ auf hohes Potential gelegt wird. Zum Einleiten der Messung wird (J)₁, der Takt am Schieberegister-Transfertransistor, ausgeschaltet. Der Knoten A wird nun je nach Belichtung der Fotodiode D₁ mehr oder weniger stark entladen. Die für die Entladung nötige Zeitspanne, d.h. die Meßdauer, wird mit Hilfe der parallel zu den Zeilensensoren liegenden Vergleichssensoren ermittelt. Die Schaltung (s. Fig. 7) erzeugt eine Impulsflanke, die die Meßdauer beendet, sobald im Mittel über die gesamten Sensoren hinweg der Schwellwert der Spannung für das Umschalten des Inverters erreicht wird. Dadurch werden mit Hilfe des Taktes φ die Transfertransistoren T₁₁, T₁₂ ausgeschaltet. Das zu diesem Zeitpunkt am Knoten A anliegende analoge Signal des Sensors wird über die Inverter-Kennlinie der Transistoren T₂, T, in einen Binärwert umgewandelt, der am Knoten B zur Ausgabe für den Äquivalenzteil 6 abgegriffen werden kann. Falls die Übertragungskennlinie des Verwendeten Inverters hierzu nicht ausreicht, ist ein Abgriff am Knoten D vorzusehen.

Das in der Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel mit den zwei Detektordioden D₁ und D₂ und den zwei Transfertransistoren T₁₁, T₁₂ bezieht sich auf zwei BiId-

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elemente und ist entsprechend der Anzahl der erforderlichen Bildelemente zu erweitern.

In Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm der Taktfolge beim üblichen Schieberegisterbetrieb des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 2 dargestellt. In den Figuren 2 und 3 ist ferner die Zeitverzögerung t, für ein Bit dargestellt.

In Fig. 4 ist ein Zeitdiagramm der Taktfolge beim Messen, der Bildung der Binärwerte und der Korrelationsund Schiebephase des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. dargestellt. Dabei setzt der Impuls (J)₁ den Knoten A auf die Drainspannung v_DD . Der Impuls φ stellt die Meßdauer dar.

In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem ein statisches Schieberegister, daß als Flip-Flop-Verstärker wirkt, um die Detektordioden D₁ und Dg und die Transfertransistoren T₁₁, T₁₂ für die Bildsignalaufnahme erweitert ist. Die Arbeitsweise ist ähnlich dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, wobei zur Einleitung der Zeilenaufnahme das Schieberegister in einen Betriebszustand versetzt wird, bei dem der Knoten A auf hohes Potential gelegt wird. Zum Einleiten der Messung wird (J)₁ ausgeschaltet und der Knoten A je nach Belichtung der Fotodiode D₁ mehr oder weniger stark entladen. Die Bildung des Binärwertes erfolgt durch Aktivieren der Takte (J)₂ ^^ Φ3 (Einschalten des Flip-Flops). Dieser Binärwert wird am Knoten B zur Ausgabe für den Äquivalenzteil 6 abgegriffen.

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Auch bei diesem Ausführungsbeispiel richtet sich die Anzahl der Fotodioden und Transfertransistoren nach der Anzahl der erforderlichen Bildelemente.

In Fig. 6 ist ein Zeitdiagramm der Taktfolge im Schiebebetrieb des Ausführungsbeispieles gemäß der Fig. 5 dargestellt. Im Meßbetrieb ist die Taktfolge des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 5 ähnlich der Taktfolge für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 (s. Fig. 4).

In der Fig. 7 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, mit welcher der Impuls für die Meßdauer φ gebildet wird. Der Beginn der Meßdauer wird durch den Rückstelltakt t)^ am Rückstelltransistor T₂₀ bewirkt. Die Bildung des Impulses für die Meßdauer erfolgt aus der Entladung der beiden Vergleichssensoren D,, D^, bewertet in einem statischen Inverter Τ_ΟΛ , T₀₀ gleicher Dimensionierung wie in den Schieberegistern.

Die in den Fig. 2 und 5 dargestellten Fotodioden D₁, D₂ sowie die Vergleichssensoren D^, D^ gemäß Fig. 7 lassen sich in im MOS-Prozeß vorhandene Devices einsetzen wie z.B. Source- und Drain-Diffusionen oder Source- und Drain-Anschlußimplantationen bzw. als Inversionsrandschichten unter transparenten Elektroden wie beim Charge-Coupled-Device (CCD).

Neben den in den Fig. 2 und 5 dargestellten Schaltungsanordnungen, welche die Funktion für die einfachsten bekannten dynamischen bzw. statischen Schieberegister .darstellen, lassen sich diese Schaltungsanordnungen sinngemäß auch in Enhancinent-Depletion-Technologien

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und in verbesserten dynamischen Techniken verwirklichen. Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Einsatz in fotografischen Kameras und Filmapparaten und zur automatischen Entfernungsmessung auch für Abstands- und Geschwindigkeitsmessungen im Verkehr und in der Meß-, Steuer- und Regeltechnik.

7 Patentansprüche,
7 Figuren.

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Claims

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Verfahren zur automatischen Entfernungsmessung und Scharfeinstellung der Abbildung eines Gegenstandes auf eine Bildebene, wobei die Abbildung über ein in Richtung seiner optischen Achse verschiebbares Objektiv erhalten wird, dadurch gekennzeichnet , daß zwei zellenförmige Bildausschnitte auf zwei Zeilensensoren (2, 3) abgebildet werden, daß die Ausgangssignale der Zeilensensoren (2, 3) digital weiterverarbeitet werden, daß die Entfernungsmessung durch sequentielle Überprüfung der Korrelation der digitalisierten Meßergebnisse der Zeilensensoren (2, 3) erfolgt, daß zur Korrelationsüberprüfung die jeweils einander gegenüberliegenden, sich überlappenden Teile der Zeilensensoren (2, 3) herangezogen werden, daß die Korrelationsüberprüfung in einem Äquivalenzteil (6) durchgeführt wird, daß die Ergebnisse der Korrelationsüberprüfung in einem Addierer (7) aufaddiert werden und einem Signalauswerter (8) zugeführt werden, welcher die Scharfeinstellung steuert bzw. ein kodiertes Signal anzeigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein mit Gattern für Exklusiv-ODER bestücktes Äquivalenzteil (6) verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein aus einem Schieberegister und einem Zähler mit parallelen Ausgang bestehende Addierer (7) verwendet wird.

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ORIGINAL INSPECTED

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4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdauer mit Hilfe von parallel zu den Zeilensensoren (2, 3) liegenden Vergleichssensoren (4, 5) ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannten Schieberegistern Detektordiöden (D₁, D2) mit nachgeschalteten Transfertransistoren (T-j ^» ^2) £&^r die Bildsignalaufnahme verwendet werden.
6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie in MOS-Digital-Technologie auf einem Chip enthalten ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch

gekennzeichnet, daß auf demselben Chip zusätzlich eine Schaltung zur Belichtungsmessung enthalten ist.

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