DE3016478A1 - Optisches system - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 3. Derartige optische Systeme dienen insbesondere der Entfernungsmessung bei Stehbildkaneras und Laufbildkameras bzw. Fernsehkamers, wobei zwei Strahlenwege verwendet werden, um zwei Bilder eines entfernten Objektes auf einem Paar von Detektoren abzubilden. Die relative Verschiebung der auf den beiden Detektoren entworfenen Bilder zueinander ist ein Maß für die Objektentfernung. Vielfach wird im Strahlengang vor den Detektoren ein bewegliches Gitter angeordnet, das periodisch die von den Detektoren empfangenen Bilder unterbricht, so daß sich als Ausgangssignale der Detektoren veränderliche elektrische Signale ergeben, deren Phasenbeziehung als Maß für die Objektentfernung dient.

Für die automatische Entfernungsmessung sind bereits zahlreiche Systeme vorgeschlagen worden. Ein solches System verwendet eine Einrichtung für die automatische Parallaxenfeststellung im Zusammenhang mit einem stereoskopischen optischen System, bei welchem Bilder des Objektes auf zwei Detektoren durch zwei getrennte optische übertragungssysteme geworfen werden und wobei die beiden optischen Übertragungssysteme einen bestimmten Abstand voneinander aufweisen. Dieses Verfahren macht von der bekannten Triangulation Gebrauch. Wenn sich beispielsweise das aufzunehmende Objekt im Unendlichen befindet, so sind die beiden auf den Detektoren entworfenen Bilder einander gleich und die Ausgangssignale der Detektoren besitzen ebenfalls die gleiche Größe. Wenn das entfernte Objekt näher an das optische System heranbewegt wird, so bewegt sich das Bild auf wenigstens einem der Detektoren in Bezug auf das Bild auf dem anderen Detektor, so daß zwischen den Ausgangssignalen der Detektoren eine Differenz auftritt, die ein Maß für die fehlende Scharfeinstellung ist. Um die Lageänderung des Bildes auf einem Detektor in Bezug auf das Bild auf dem anderen Detektor festzustellen, ist es ebenfalls be-

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kannt, ein bewegliches Gitter, Prisma oder eine andere ünterbrechungseinrichtung in dem Strahlenweg zu jedem Detektor anzuordnen, so daß das Ausgangssignal der Detektoren durch ein veränderliches Signal, beispielsweise ein sinusförmiges Signal, gebildet wird. Bei einer unendlichen Objektentfernung weisen die sinusförmigen Ausgangssignale der Detektoren eine übereinstimmende Phase auf; aber im Falle eines an das optische System näher heranbewegten Objektes tritt eine Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen der Detektoren auf. Es ist ferner bekannt, einen Phasendetektor an die Ausgangssignale der Detektoren anzuschließen um ein Signal zu erzeugen, das die Bildverschiebung auf den Detektoren und somit die Entfernung zu dem aufzunehmenden Objekt anzeigt. Dieses Signal kann verwendet werden, um eines der optischen Abbildungssysteme einzustellen und die Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen der Detektoren aufzuheben, und/oder das Signal kann verwendet werden, um durch einen Zeiger oder eine andere Einrichtung die Objektentfernung anzuzeigen. :

Bei bekannten Systemen haben sich Schwierigkeiten ergeben aufgrund eines Effektes,der als Kanteneffekt bekannt ist. Dieser Effekt verursacht eine unnatürliche Verminderung des von dem Objekt ausgehenden Lichtes aufgrund der Fassung bzw. Kante des das Licht messenden Systems. Das Detektorsystem erfaßt diese Kante und erzeugt daraufhin ein Kantensignal·. Das Ausgangssignal stellt sich somit durch eine Kombination aus dem gewünschten Informationssignal und dem Kantensignal dar. Aufgrund der Kantenkomponente kann das kombinierte Signal einen beträchtlichen Fehler aufweisen. Ein weiterer Kanteneffekt tritt auf, wenn auf einem Detektor ein geringfügig unterschiedlicher Szenenbereich gegenüber dem anderen Detektor abgebildet wird, was beispielsweise auf eine geringe Fehlausrichtung des Systems oder auf die Objektentfernung zurückzuführen ist. Wenn ein helles Objekt direkt auf der Bildkante auf einem Detektor aber nicht auf der Bildkante

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des anderen Detektors abgebildet wird, so wird sich das Ausgangssignal des einen Detektors von dem Ausgangssignal des anderen Detektors unterscheiden, obgleich eine richtige Scharfeinstellung bezüglich des aufzunehmenden Objektes vorliegt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches System der eingangsgenannten Art so auszubilden, daß der erwähnte Kanteneffekt vermieden und somit die Leistungsfähigkeit und Genauigkeit des Systems erhöht wird. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das im Stand der Technik vorliegende Problem durch ein Filter im Strahlenweg vor den Detektoren vermieden, wobei dieses Filter im Kantenbereich nahezu lichtundurchlässig und in seinem mittleren Bereich .praktisch lichtdurchlässig ist. Die Kantenbereiche der aufzunehmenden Szene bzw. des ObjekteSydie nahe der Bildkante auf den Detektoren liegen_/besitzen somit nur einen geringen bzw. garkeinen Einfluss auf das Ausgangssignal der Detektoren während jene Teile des Bildes im mittleren Bereich des Detektors eine maximale Auswirkung auf das Ausgangssignal besitzen. Mit einem solchen Filter werden die auf die Kanteneffekte zurückzuführenden Fehler auf ein Minimum reduziert bzw. eliminiert und das System ist somit in der Lage, eine genaue Entfernungsanzeige zu liefern.

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des optischen

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Systems gemäß der Erfindung

Fig.2 eine Draufsicht auf das System gemäß Figur entlang der Schnittlinie 2-2;

Fig.3a bis 3h Signaldiagramme zur Veranschaulichung des Einflusses verschiedener Teile des erfindungsgemäßen Systems;

Fig.4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der

Abhängigkeit zwischen Phasendifferenz und Objektentfernung; und

Fig.5 ein Blockdiagramm eines Schaltkreises für die Erzeugung eines Entfernungssignales

Gemäß Figur 1 nimmt ein Paar von Linsen 10 und 12 Strahlung von einem entfernten Objekt auf, wobei die Strahlenwege durch gestrichelte Linien 14 und 16 dargestellt sind. Die auf dem Strahlenweg 14 einfallende Strahlung wird von einer ersten Spiegelfläche 18 reflektiert und auf eine zweite Spiegelfläche 20 geworfen, von welcher sie ebenfalls reflektiert wird und über ein Filter 22 und ein bewegliches Gitter 24 auf einen auf einem Substrat 28 angeordneten Strahlendetektor 26 geworfen wird. Die entlang dem Strahlenweg 16 einfallende Strahlung wird von einer ersten Spiegelfläche 30 reflektiert und erneut auf eine zweite Spiegelfläche 32 geworfen, von der sie widerum reflektiert wird und über ein Filter 34 und das bewegliche Gitter 24 auf einen zweiten auf dem Substrat 28 angeordneten Detektor 36 geworfen wird. Das bewegliche Gitter 24 besteht abwechselnd aus lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Teilen und ist gemäß Figur 1 nach rechts durch eine Feder 38 vorgespannt, die an einem ortsfesten Anschlag 40 befestigt ist. Das linke Ende des beweglichen Gitters 24 ist über eine mechanische Verbindung 42 mit einem nichtdargestellten Mechanismus verbunden, der beispielsweise aus dem Auslöse-

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mechanismus einer Kamera bestehen kann. Bei der Auslösung des·. Mechanismus, was durch Niederdrücken eines Auslöseknopfes auf einer Kamera erfolgen kann, wird das bewegliche Gitter 24 nach rechts in Figur 1 unter der Wirkung der Feder 38 bewegt, wodurch das auf die Detektoren 26 und 36 auftreffende Licht eine Veränderung erfährt. Wenn das bewegliche Gitter 24 aus einem Sinusgitter besteht, so nehmen die Ausgangssignale der Detektoren 26 und 3 6 in bekannter Weise eine Sinusform ein. Das bewegliche Gitter 24 kann in seine ursprüngliche Ausgangsstellung gemäß Figur 1 durch einen Mechanismus zurückbewegt werden, der auf die mechanische Verbindung 42 einwirkt und beispielsweise aus der Filmtransporteinrichtung besteht.

Gemäß Figur 1 verlaufen die Strahlenwege 14 und 16 zueinander parallel und diese stammen von einem Objekt im Unendlichen. In diesem Fall sind die von dem Objekt auf den Detektoren 26 und 36 entworfenen Bilder im wesentlichen einander gleich und die sinusförmigen Ausgangssignale der Detektoren besitzen die gleiche Phase. Wenn der Abstand zwischen dem Objekt und dem optischen System verringert wird, so verschieben sich die Bilder auf den Detektoren 26 und 36, so daß die sinusförmigen Ausgangssignale eine Phasendifferenz aufweisen, deren Betrag von dem Abstand des Objektes von dem optischen System abhängt. Die Feststellung dieser Phasendifferenz und deren Betrag geben einen Hinweis auf die Objektentfernung.

Mit Ausnahme der Filter 22 und 34 gehört das vorstehend beschriebene System zum Stand der Technik. Bei diesen bekannten Systemen ist jedoch eine Schwierigkeit angetroffen worden, wenn die durch den Detektor 26 über den Strahlenweg 14 aufgenommene Szene nicht ganz identisch mit der Szene ist, die durch den Detektor 36 über den Strahlenweg 16 aufgenommen wird. Dieser Kanteneffekt wurde eingangs erwähnt.

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Gemäß Figur 2 ist erkennbar, daß das Paar von in Schraffur dargestellter Detektoren 26 und 36 unter dem Gitter 24 liegt, das der Übersichtlichkeit wegen weggebrochen ist und daß das Paar von Filtern 22 und 34 so angeordnet ist, daß sich die Filter über den gesamten Bereich der Detektoren 26 und 36 erstrecken. Es ist ebenfalls aus Figur 2 erkennbar, daß die Filter 22 und 34 so aufgebaut sind, daß sie an den Kanten am wenigsten Licht durchlassen und nach der Mitte zu immer lichtdurchlässiger werden. Mit einer solchen Anordnung wird das Licht, das normalerweise in der Nähe der Kanten der Detektoren 26 und 36 auftrifft, durch die Lichtundurchlässig- . keit der Filter 22 und 34 blockiert, während das Licht im Zentrum der Detektoren- 26 und 36 nahezu ungedämpft auftrifft» Durch diese Einrichtung werden die Kanteneffekte, die die Fehler in den AusgangsSignalen der Detektoren hervorrufen im wesentlichen eliminiert, da diese einen geringen oder garkeinen Einfluss auf die Ausgangssignale der Detektoren besitzen. Die Bildteile im Zentrum der Detektoren sind hingegen voll wirksam, so daß aufgrund dieser Anteile ein genaues Ausgangssignal erzeugt wird.

In den Figuren 3a und 3b ist die Lichtintensität über der Bildposition im Bereich um die Detektoren 26 und 36 für eine betrachtete hypothetische ' Szene aufgetragen. Es ist aus Figur 3a erkennbar, daß die Leuchtdichteverteilung.50 einen Spitzenwert in einem Bereich nahe dem Zentrum des Detektors aufweist, der gemäß Figur 3a zwischen den Punkten 52 und 54 liegt. In Figur 3b weist die Leuchtdichte 56 einen gleichen Kurvenverlauf wie die Kurve 50 in Figur 3a auf, aber diese Kurve ist etwas weiter nach rechts verschoben, so daß sie mehr um den rechten Teil des Detektors zentriert ist, der zwischen den Punkten 58 und 60 liegt. Die Verschiebung der Kurve 56 gemäß Figur 3 b im Hinblick auf die Kurve 50 in Figur 3a zeigt, daß das Objekt eine andere Entfernung als die im voraus eingestellte Basisentfernung aufweist, die im vorliegenden Fall

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dem Wert unendlich entspricht. Wenn sich das Objekt tatsäch- , lieh im Unendlichen befinden würde,so wäre die Kurve 56 weiter nach links verschoben und indem durch die Punkte 58 und 60 vorgegebenen Detektorbereich so zentriert, daß sie im wesentlichen die gleiche Position wie die Kurve 50 in Figur 3a einnehmen würde. Der Betrag der Rechtsverschiebung der Kurve 56 in Figur 3b ist ein Maß für die Objektentfernung, da bei einer Heranbewegung des Objektes an das optische System die Kurve 56 immer weiter nach rechts in Figur 3b verschoben wird. Durch Feststellung des Verschxebebetrages wird ein Maß für die Objektentfernung gewonnen.

In den Figuren 3c und 3d ist die Lichtdurchlässigkeit der Filter 22 und 3 4 über deren Quererstreckung aufgetragen und es ist erkennbar, daß die Lichtdurchlässigkeit im Bereich der Kanten der Detektoren nahezu Null ist, was in Figur 3c durch die Punkte'52' und 54' und in Figur 3d durch die Punkt 58' und 60' angegeben ist. Es ist ebenfalls erkennbar, daß in der Nähe des Zentrums der Detektorflächen die Durchlässigkeit am größten ist, so daß die Strahlung an den Kanten des Detektors blockiert wird, aber die Blockierungzu der Mitte hin abnimmt, wo im wesentlichen keine Blockierung des Lichtes erfolgt.

In den Figuren 3e und 3f ist durch die Kurven 64 und 66 die Durchlässigkeit des bweglichen Sinusgitters in Abhängigkeit von seiner Lage in Bezug auf die Detektoren dargestellt, wobei die Detektoren gemäß Figur 3e zwischen den Punkten 52'' und 54'' und gemäß Figur 3f zwischen den Punkten 58'' und 60'' liegen. Das bewegliche Gitter bewegt sich in Richtung der Pfeile 70 und 72, so daß der die Detektoren erreichende Lichtanteil sinusförmig moduliert wird.

In den Figuren 3g und 3h ist der Ausgangsstrom der Detektoren

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und 28 dargestellt, wobei eine Modulation durch das bewegliche Gitter 24 erfolgt. Der Detektorstrom ist in Figur 3g durch die Sinuskurve 74 und in Figur 3h durch die Sinuskurve 76 dargestellt. Es ist aus diesen Figuren erkennbar, daß die über der Zeit aufgetragenen Kurven um einen bestimmten Betrag in der Phase zueinander verschoben sind, wobei diese Phasenverschiebung beispielsweise zwischen der ersten nach unten gerichteten Amplitude entsprechend der Linie 78 in Figur 3g und der ersten nach unten gerichteten Amplitude entsprechen!der Linie 80 in Figur 3h gemessen wird. Diese Phasendifferenz zeigt die Objektentfernung an, wie dies aus Figur 4 erkennbar ist.

Gemäß Figur 4 ist die Phasendifferenz über der Entfernung aufgetragen und es ist erkennbar, daß dieser Zusammenhang durch eine gerade Linie 84 vorgegeben ist, die sich von einem Nullpunkt 86 rechts nach oben erstreckt. Der Nullpunkt 86 entspricht einer Objektentfernung von Unendlich,bei welcher Entfernung keine Phasendifferenz vorliegt und ein Punkt am Ende der Linie 84 entspricht einer sehr nahen Objektentfernung von beispielsweise einem Meter.

Figur 5 zeigt einen Schaltkreis zur Erzeugung eines die Entfernung anzeigenden Ausgangssignales. Gemäß Figur 5 sind die Detektoren 26 und 36 als schraffierte Quadrate dargestellt, die Ausgangssignale auf Leitungen 90 und 92 liefern. Diese Leitungen sind an Kondensatoren 94 und 96 entsprechend angeschlossen und die Kondensatoren 94 und 96 sind auf die Eingänge von Verstärkern 98 und 100 geführt. Wie zuvor erwähnt, bilden die Ausgänge der Detektoren 26 und 36 veränderliche Signale_/beispielsweise die sinusförmigen Ströme gemäß den Figuren 3g und 3h, welche durch die Verstärker 98 und lOO verstärkt werden und über Leitungen 102 und 104 einem Phasendetektor 106 zugeführt werden. Der Phasendetektor 106 kann irgendeinherkömmlicher Detektor sein, der auf einer Ausgangs-

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leitung 108 ein Signal mit einer Größe erzeugt, die sich mit der Phasendifferenz zwischen den Signalen von den Detektoren ' 26 und 36 verändert. Dieses Signal wird einer Ausgangseinrichtung zugeführt, die als Linsen^Einstellmechanismus 310 dargestellt ist und beispielsweise zur Positionierung der Objektivlinse einer Kamera verwendet wird. Abweichend hiervon kann die Einrichtung 110 eine Anzeigeeinrichtung sein, die eine sichtbare Anzeige der Objektentfernung liefert.

Es ist somit erkennbar, daß vorstehend ein System angegeben wurde, das die Objektentfernung zu ermitteln gestattet und hierbei unter Umgehung des Problemes der Kanteneffekte ein genaues Ausgangssignal erzeugt. Vielfältige naheliegende Änderungen liegen dem Fachmann auf der Hand. Beispielsweise kann anstelle des beweglichen Gitters 24 in Form eines linear beweglichen Sinusgitters irgendein Gitter anderer Ausgestaltung,beispielsweise ein kreisförmiges Gitter oder rotierendes Prisma verwendet werden, um die gewünchte Lichtmodulation auf den Detektoren 26 und 3 6 zu erzeugen. Der Phasendetektor 106 in Figur 5 kann die Phase durch Feststellung des Abstandes zwischen Amplitudenspitzen oder zwischen Nulldurchgängen der beiden in den liguren 3g und 3h dargestellten Detektorströme feststellen oder das Gitter 24 kann gewünschtenfalls so ausgebildet sein, daß sich der Gitterabstand vom einen Ende zu dem anderen Ende verändert, wobei in diesem Fall der Phasendetektor die Position feststellen kann, an der bei einer Bewegung des Gitters nach rechts in Figur 1 die beiden Ströme eineübereinstimmende Phase aufweisen. Gewünschtenfalls kann der Linsen-Einstellmechanismus 110 zusätzlich zu der Positionierung der Objektivlinse- einer Kamera ebenfalls auf das optische System und hierbei beispielsweise auf die Linse 12 in Figur 1 einwirken, wobei durch Drehung dieser Linse die Bilder auf den Detektoren 26 und 36 wiederum in Übereinstimmung zueinander gebracht werden. Diese und weitere Modifikationen liegen dem Fachmann auf der Hand und diese sollen daher durch die Erfindung mit umfaßt sein.

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Claims (6)

HONEYWELL INC. 28.April 1980 Honeywell Plaza 3 007904 Ge Minneapolis, Minn»,USA Hz/umw Optisches System Patentansprüche:

1. Optisches System mit einer strahlungsempfindlichen Einrichtung zur Erzeugung einesAusgangssignales entsprechend dem Betrag der empfangenen Lichtstrahlung, mit Mitteln, um ein Bild eines entfernten Objektes auf der strahlungsempfindlichen Einrichtung zu erzeugen und mit einer Modulationseinrichtung im Strahlengang zwischen dem entfernten Objekt und der strahlungsempfindlichen Einrichtung, um die Strahlung und somit das Ausgangssignal in einer bestimmten Weise zu verändern, gekennzeichnet durch ein Strahlenfilter C22;24) im Strahlengang zur wenigstens teilweisen Dämpfung der zu der strahlungsempfindlichen Einrichtung (26;36) übertragenen Strahlung in der Weise, daß in den Endbereichen der strahlungsempfindlichen Einrichtung (.26;36) die Dämpfung größer als im mittleren Bereich der strahlungsempfindlichen Einrichtung (26;36) ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die strahlungsempfindliche Einrichtung erste und zweite Strahlendetektoren (26;36) zur Erzeugung erster und zweiter Ausgangssignale aufweist, wobei die Mittel (10,12) zur Bilderzeugung ein Bild des entfernten Objektes auf beiden Strahlendetektoren erzeugen und die relative Lage der Bilder auf den Strahlendetektoren zueinander mit der Entfernung des Objektes eine Änderung erfährt, und die Modulationseinrichtung(24)

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eine Charakteristik hinsichtlich der Ausgangsignale erzeugt, die die Entfernung des Objekts anzeigt.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß durch die Modulationseinrichtung (.24) die Ausgangssignale periodisch geändert werden und die Charakteristik der Ausgangssignale durch "die Phasendifferenz gegeben ist, wobei ein an die Strahlendetektoren (26;36) angeschlossener Phasendetektor (.106) ein die Objektentfernung anzeigendes resultierendes Signal erzeugt.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die periodische Änderung der Ausgangssignale sinusförmig verläuft.

5. System nach Anspruch 1.oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung (24) abwechselnd in lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Bereiche unterteilt ist.

6. Verwendung des optischen Systems nach Anspruch 1 oder einem der folgenden zur Positionierung der Objektivlinse einer Kamera in Abhängigkeit von der Objektentfernung.

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