DE3109004A1 - Entfernungsmesssystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Entfernungs-Meß system nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1. In der jüngsten Zeit wurden eine ganze Anzahl derartiger Entfernungs-Meßsysteme zur Verwendung bei automatisch scharf einstellenden Kameras vorgeschlagen. Die Mehrzahl dieser Systeme fällt in eine von zwei Hauptkategorien. Zunächst gibt es passive Systeme, bei denen zwei Bilder einer aufzunehmenden Szene betrachtet und verglichen werden, wobei der Verschiebebetrag gegenüber einer übereinstimmenden bzw. überlagerten Position einen Hinweis auf die Entfernung zu dem Objekt liefert. Sodann gibt es aktive Systeme, bei denen entweder ein Schall- oder Lichtstrahl von der Kamera zu dem aufzunehmenden Objekt ausgesandt wird und die zurückempfangene reflektierte Energie analysiert wird, um die Entfernung zu dem Objekt festzustellen. Die vorliegende Erfindung betrifft ein aktives System, wobei bezüglich eines solchen Systemes in der Vergangenheit zahlreiche Schwierigkeiten aufgetreten sind.

Aktive Systeme, die Schallstrahlen aussenden, weisen die Eigenschaft auf, daß Reflexionen an Objekten stattfinden, die nicht das Hauptobjekt des aufzunehmenden Bildes darstellen. Es ist mit diesen Systemen beispielsweise nicht möglich, eine Scharfeinstellung durch ein transparentes Medium, wie beispielsweise durch ein Fenster vorzunehmen. Aktive Systeme, welche Lichtoder Infrarotenergie benutzen, haben bislang gewöhnlicherweise bewegliche Projektionen und/oder bewegliche Detektoren bzw. mehrere Strahlsender erfordert, um eine Scharfeinstellung entsprechend der vorliegenden Entfernung zu bewirken. In einigen Systemen werden ein fester Strahlsender und eine feste Detektoranordnung benutzt, wobei jedoch diese Systeme speziell geformte bzw. abgedeckte Detektoren und/oder eine ziemlich aufwendige Elektronikschaltung zur Feststellung der Objektentfernung, d. h. des Ursprunges des reflektierten Lichtes erfordern. Ferner wurden durch die bekannten Systeme in erster Linie analoge Ausgangssignale erzeugt, die schwierig zu verarbeiten sind und schlecht für die Positionierung einer Kameralinse verwendet werden können.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Entfernungs-Meßsystem der eingangs genannten Art so auszubilden, daß es bei einem einfachen Aufbau und mit einer einfachen elektronischen Schaltung ein digitales Ausgangssignal erzeugt, das zur Positionierung der Kameralinse herangezogen werden kann, wobei die Kameralinse das einzige bewegliche Teil darstellt. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

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

Fig. 1 den allgemeinen Aufbau einer Kamera mit dem erfindungsgemäßen Entfernungs-Meßsystem;

Fig. 2 die Detektoranordnung des erfindungsgemäßen Systems;

Fig. 2A die Detektoranordnung in näheren Einzelheiten und

Fig. 3 einen innerhalb des Systems verwendeten Differenzverstärker.

Gemäß Fig. 1 umfaßt der Linsenaufbau 10 einer Kamera eine Objektivlinse 12 in einem Linsengehäuse 14, das in rückwärtiger Richtung durch eine Feder 16 vorgespannt ist. Eine Verriegelungsklinke 18 greift in eine Ausnehmung 20 an dem Linsengehäuse 14 und wird in dieser Stellung durch ein Vorspannungsglied gehalten, das die Verriegelungsklinke 18 nach links drückt. Ein Freigabeknopf 26 ist normalerweise nach links durch eine Feder 28 vorgespannt und besitzt einen Stößel 30 mit einem Ansatz 34. Bei Betätigung des Freigabeknopfes 26 wird über den Ansatz 34 der Schalterkontakt eines Autofocus-Spannungsschalters 32 geschlossen, der hierdurch Spannung an das "zu beschreibende System anlegt. Durch eine weitere Bewegung des Freigabeknopfes 26 stößt der Stößel 30 die Verriegelungsklinke 18 nach rechts und bringt

diese außer Eingriff mit der Ausnehmung 20, wodurch das Linsengehäuse 14 und die Objektivlinse 12 für eine Rückwärtsbewegung mittels der Feder 16 freigegeben werden.■

Wenn sich das Linsengehäuse 14 und die Objektivlinse 12 rückwärts bewegen, so gelangt ein Anschlag 36 des Linsengehäuses 14 in Kontakt mit einem oder mehreren von drei Plättchen 40, 42 und 44, je nach dem Ausgangssignal des Autofocussystems. Der Anschlag 36 zusammen mit einem oder mehreren der Plättchen 40 bis 44 schlägt sodann an einem beweglichen Glied 46 an, das sich um eine kleine Strecke nach unten bewegt, wobei diese Strecke durch den Abstand 48 vorgegeben ist. Nach Durchlaufen des Abstandes 48 durch das bewegliche Glied 46 gelangt dieses an einem ortsfesten Glied 50 zur Ruhe. Bei der Rückwärtsbewegung des beweglichen Gliedes 46 betätigt ein Ansatz 52 einen Schalter 54, der seinerseits die Auslösung eines nicht dargestellten Blendenmechanismus veranlaßt. Die Plättchen 40, 42 und 44 weisen eine Dicke von 0,32 mm, 0,16 mm und 0,08 mm entsprechend auf, wobei sie zwischen dem Gehäuse 14 und dem beweglichen Glied 46 durch drei Magnetspulen 60, 62 und 64 eingebracht werden können, indem das Autofocussystem diese Magnetspulen entsprechend ansteuert. Durch Erregung geeigneter Kombinationen der drei Magnetspulen können 8 unterschiedliche Kombinationen von Plättchen zwischen dem Gehäuse 14 und dem beweglichen Glied 46 angeordnet werden, wodurch sich 8 unterschiedliche Beträge für die Abwärtsbewegung des letzten Linsengehäuses 14 und der Objektivlinse 12 ergeben. Diese Beträge überstreichen den Bereich von 0,04 mm bis 0,60 mm, wobei dieser Bereich in Schritten von 0,08 mm durchlaufen wird. Der geringste Bewegungsbetrag von 0,04 mm ergibt sich, wenn sich alle drei Plättchen in der Lücke zwischen dem Anschlag 36 und dem beweglichen Gleid 46 befinden. Nachdem der Verschluß-Auslöseschalter 54 betätigt worden ist und das Bild aufgenommen worden ist, wird der nicht dargestellte Film-Vorschubmechanismus benutzt, um das Linsengehäuse 14 und die Objektivlinse 12 zurück in ihre Ausgangsstellung zu bringen, wobei die Verriegelungsklinke 18 erneut in die Ausnehmung 20 bewegt wird, um das Linsengehäuse 14 in einer Stellung zu halten^ in der die Objektivlinse zur Aufnahme des nächsten Bildes bereit ist.

Das Entfernungs-Meßsystem ist ein aktives System/ bei dem ein Lichtstrahl 82 zu dem zu fotografierenden Objekt ausgesandt wird und der Winkel des reflektierten Lichtstrahles 86 ermittelt wird. Eine lichtemittierende Diode 80 erzeugt den Lichtstrahl 82, dessen Wellenlänge vorzugsweise im Infrarotbereich liegt und ungefähr 0,94 \im beträgt. Der Lichtstrahl 82 wird durch eine Linse 84 gebündelt und es wird gewünschtenfalls ein Schmalbandfilter vorgesehen. Ebenso kann im Weg des reflektierten Strahles 86 ein entsprechendes Filter vorgesehen sein. Der reflektierte Lichtstrahl 86 durchläuft eine sphärische Linse 88 und eine zylindrische Linse 90, um anschließend auf einen Detektor 92 zu fallen. Die Linsen 88 und 90, die auch durch eine optisch äquivalente Anordnung wie beispielsweise eine einzige astigmatische Linse ersetzt werden können, bilden den Lichtstrahl in Form eines schmalen streifenförmigen Bildes auf dem Detektor 92 ab, wobei der Streifen senkrecht zu der Zeichenebene verläuft.

Die Position des streifenförmigen Bildes auf dem Detektor 92 hängt von der Entfernung des zu fotografierenden Objektes ab, das den Strahl 82 als Lichtstrahl 86 zurückreflektiert. Typische Dimensionen sind folgende: Brennweite f der Linse 88 = 20 mm. Basisabstand B zwischen den Linsen 84 und 88 = 50 mm und Entfernung R zu dem Objekt im nahesten Bereich = 1 m. Die Verschiebung d des streifenförmigen Bildes entlang des Detektors 92 gegenüber der unendlichen Objektentfernung, bei welcher der reflektierte Lichtstrahl parallel einfällt, ergibt sich somit wie folgt:

d = fB/R = 1mm.

Die Längsausdehnung des Detektors-92 beträgt daher 1mm und das streifenförmige Bild liegt an dem rechten Ende des Detektors bei einem Objekt im Unendlichen und am linken Ende des Detektors bei einem Objekt in einer minimalen Entfernung von 1m. Bei irgendeiner Zwischenentfernung wird das streifenförmige Bild in Abhängigkeit von der Entfernung eine Zwischenposition auf dem Detektor einnehmen.

Der Detektor 92 ist so aufgebaut, daß er einen Hinweis auf die Position des auf ihm abgebildeten streifenförmigen Bildes liefert. Seine Vorderansicht ist in Fig. 2 dargestellt, wobei eine typische Lage des streifenförmigen Bildes 120 ebenfalls dargestellt ist. Der nähere Aufbau des Detektors ist in einer vergrößerten schematischen Ansicht in Fig. 2A dargestellt. Der Detektor umfaßt drei Reihen von Detektorelementen R1, R2 und R3, Jede Reihe besteht aus mehreren Detektorelementen, die abwechselnd miteinander verbunden sind. Um die Verbindungen zu verdeutlichen, sind die Detektorelemente einer jeden Reihe abwechselnd gestrichelt und gepunktet dargestellt. Die gestrichelten Detektorelemente einer jeden Reihe sind miteinander verbunden und die gepunkteten Detektorelemente einer Reihe sind ebenfalls miteinander verbunden. Die Trennung zwischen benachbarten Detektorelementen führt zu einer Unterteilung der Oberfläche des Detektors in 8 Zonen Z1 bis Z8. Es sei vermerkt, daß jede der 8 Zonen durch eine unterschiedliche Kombination von gestrichelten und gepunkteten Detektorelementen vorgegeben ist, wie dies aus der nachstehenden Tabelle hervorgeht.

Zone Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8

R1	5	0	8 4	1	4 2	1	CM CM	0	2 1	0	1	6 33	1 1	1	33 14	1 1	0	14 00
R2	0	0	5	0	3	0	2	0	1	1	1	44	1	1	23	1	1	06
R3	0	0	0	0	1	0	1	0	1	1	44	0	0	52	0	0	60
S1	0	1	0	1	0	1		0		1
S2	0	0	1	1	0	0		1		1
S3	0	0	0	0	1	1		1		1
	.0	.0 .0	.0 .66	.66 .0	.0 .6	1. 1 .		.		■
	.6	.23	.14	.25	.76	1.		B		-
	.04	.12	.20	.28	.36	0.		•		•
Entfernung (m) 8
Fokus 1 (m) Ί
Linsen verschie bung (mn)

In den mit R bezeichneten Zeilen sind die gestrichelten und gepunkteten Detektorelemente durch Digitalwerte 0 und 1 entsprechend repräsentiert. Man erkennt, daß die Codierung gemäß

einem Gray-Code erfolgt, bei dem nur ein einziges Bit zwischen benachbarten Zonen eine Änderung erfährt.

Die drei Reihen von Detektorelementen des Detektors 92 erzeugen 3 Paare von Signalen RA1-RB3, wie dies in Fig. 2A dargestellt ist. Diese Signale werden über einen Bus 131 gemäß Fig. 1 drei identischen Signalverarbeitungskanälen zugeführt. Der Kanal für die Reihe R1 umfaßt einen Differenzverstärker 233. Der Differenzverstärker 233 ist in näheren Einzelheiten in Fig. 3 dargestellt und besteht grundsätzlich aus zwei Verstärkern mit gleicher und entgegengesetzter Verstärkung, die einen Summierverstärker speisen. Die drei Signalverarbeitungskanäle 233-260, 243-262 und 253-264 erzeugen drei Signale RX1-RX3, die den drei Signalen R1-R3 der obengenannten Tabelle entsprechen.

Das System weist einen Oszillator 268 auf, der die lichtemittierende Diode 80 und somit den infraroten Lichtstrahl 82 moduliert. Der reflektierte Lichtstrahl 86 ist daher ebenfalls moduliert und die Signale RAi-RB3 des Detektors 92 sind daher ebenfalls moduliert. Bezüglich der beiden Signale einer jeden Reihe des Detektors ist daher ein Signal beträchtlich moduliert und das andere Signal ist ein schwaches, nicht moduliertes Signal. Die Ausgangssignale der Differenzverstärker 233, 243 und 253 sind daher moduliert, wobei die Phasen der Ausgangssignale eine Differenz von 0° oder 180° in Abhängigkeit davon aufweisen, ob das streifenförmige Bild 120 auf ein gepunktetes oder gestricheltes Detektorelement der entsprechenden Reihe fällt. Die Differenzverstärker speisen daher mit ihren Ausgangssignalen Phasendetektoren 260, 262 und 264, denen ebenfalls das Ausgangssignal des Oszillators 268 als ein Referenzsignal zugeführt wird und die die Signale in Signale RX1-RX3 mit den Logikwerten 0 und 1 umwandeln, wie dies aus der vorstehend gezeigten Tabelle ersichtlich ist. Jeder Phasendetektor kann an seinem Ausgang mit einem Glättungskondensator versehen sein, um ein stetiges Ausgangssignal sicherzustellen und er kann ebenfalls Mittel zur Vermeidung eines Synchronisationsfehlers aufweisen, wenn die beiden Eingangssignale des vorgeschalteten Differenzverstärkers genau aufeinander abgeglichen sind.

Wie ferner ersichtlich ist, speist der Oszillator 268 die Differenzverstärker 233, 243 und 253. Dies geschieht zu dem Zweck, ein kleines moduliertes Signal in die Signale RA1, RA2 und RA3 einzufügen. Diese Signale sollten bei einem Objekt in großer Entfernung vorliegen (Zone Z8, 8,0m -oq), wobei jedoch bei einem sehr weit entfernten Objekt die Amplitude des reflektierten Strahles 86 und daher die abgeleiteten Signale sehr schwach sein können. Diese Einfügung eines gesonderten kleinen modulierten Signales stellt sicher, daß das System das Objekt als in der Zone 8 liegend registriert, wenn das Objekt zu weit entfernt ist, um einen merklichen reflektierten Strahl 86 zu liefern.

Die drei Signale RX1-RX3 werden einem Codewandlerschaltkreis 166 zugeführt, der den anstehenden Gray-Code in einen Binärcode, d. h. in eine gewichtete Gruppe von 3 Signalen S1-S3 umwandelt. Der Schaltkreis 166 kann zwei Exklusiv-ODER-Gatter aufweisen, die so angeordnet sind, daß sie die anstehenden Signale gemäß folgenden Gleichungen umwandeln:

S3 = RX2,

S2 = RX2 © RX3,

S1 = RX1 © S2.

Diese drei Signale S1-S3 werden den drei Magnetspulen 60, 62 und 64 zugeführt, um die Lage der drei Plättchen 40, 42 und zu steuern. Das niedrigwertigste Signal S1 steuert das dünne Plättchen 44, usw. Somit wird für jede Entfernungszone eine geeignete Auswahl von Plättchen in die Lücke zwischen dem Linsengehäuse 14 und dem beweglichen Anschlag 46 eingeführt. Die in der Tabelle vermerkten unterschiedlichen Linsenverschiebungen werden dadurch erzielt. Diese Verschiebungen sind korrekt für eine Objektivlinse mit 25mm Brennweite. In der Tabelle sind ferner die entsprechenden Entfernungen und die Fokuseinstellungen für die 8 Zonen aufgelistet.

Die Signale S1-S3 werden ebenfalls einem Decodierer 355 zugeführt, der den Binärcode in 8 Stufen decodiert und eine

Anzeigeeinheit 359 mit 8 Elementen aus lichtemittierenden Dioden steuert. Dem Fotografen wird somit angezeigt, welche Entfernung vorliegt.

Die Herstellung eines Detektors 92 mit der erforderlichen Länge von 1mm liegt in den bestehenden Möglichkeiten. Es sei darauf verwiesen, daß das linienförmige Bild 120 in Wirklichkeit auch kreisförmig sein kann, wenn die Breite der Detektorelemente hinreichend klein im Vergleich zu ihrer Länge ist. Die Lücken zwischen den Detektorelementen in jeder Reihe sollten kleiner als die Breite des streifenförmigen Bildes sein. Es ist ebenfalls möglich, die gestrichelten Detektorelemente wegzulassen, wenn man das eingefügte Signal von dem Oszillator 268 bezüglich der Differenzverstärker 233, 243 und 253 verwendet. Dies führt jedoch zu weniger befriedigenden Resultaten. Ferner kann natürlich die Anordnung der Detektorelemente in den Reihen verändert werden, obgleich eine Gray-Codeanordnung vorzuziehen ist/und die Anzahl der Reihen kann variiert werden, um beispielsweise 4 oder 16 Zonen vorzugeben.

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Claims (12)

HONEYWELL INC. 9. März 1981 Honeywell Plaza 1008454 GE Minneapolis/ Minnesota, USA Hz/de Entfernungs-Meß system Pa tentan sprüche:

1./ Entf ernungs-Meß sy s tem, bei dem ein Lichtstrahl in Richtung auf ein Objekt ausgesandt wird und der reflektierte Lichtstrahl durch eine Detektoreinrichtung erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl (82) entlang einer festen Achse ausgesandt wird, gegenüber der die Detektoreinrichtung (92) seitlich versetzt angeordnet ist, und daß die Detektoreinrichtung mehrere Reihen (R1 bis R3) von Detektorelementen aufweist, die so angeordnet sind, daß der reflektierte Lichtstrahl (86) ein Bild (120) über allen Reihen an einer Stelle entwirft, die von der Objektentfernung (1m bis o© ) abhängt, und wobei die Detektorelemente so angeordnet sind (Fig. 2A), daß die Lage des Bildes durch einen Code mit einem Bit pro Reihe vorgegeben wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Reihe der Detektoreinrichtung abwechselnd angeschlossene Detektorelemente aufweist, deren Signale einer zugeordneten Differenzverstärkeranordnung (233,243,253) zugeführt sind.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der ausgesandte Lichtstrahl (82) durch einen Oszillator (268) moduliert ist und daß die Ausgangssignale der Differenzverstärkeranordnungen (233,243,253) jeweils einem Demodulator (260,262, 264) zugeführt sind, die ebenfalls von dem Oszillator (268) beaufschlagt werden.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (268) ein schwaches Signal jeder Reihe der Detektoranordnungen zuführt, um eine Codierung entsprechend einer unendlichen Objektentfernung zu bewirken, wenn kein reflektierter Lichtstrahl empfangen wird.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Decodierer (355) und eine nachgeschaltete Sichtanzeige (359) für die Anzeige der Entfernung.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine zylindrische oder astigmatische Linsenanordnung (88,90) zur Abbildung des reflektierten Lichtstrahles als strichförmiges Bild (120) über den Reihen der Detektoranordnung.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Detektoren der Detektoranordnung so angeordnet sind, daß sie einen Graycode erzeugen, bei welchem sich jeweils nur 1 Bit bei einer Bildverschiebung ändert.

8. System nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen den Gray-Code in einen Binärcode umwandelnden Konverter (166).

9. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzverstärkeranordnung (233, 243, 253) in einer Zuführung einen Inverter aufweist.

10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch Mittel zum Einstellen einer Objektivlinse (12) entsprechend der durch das System gemessenen Entfernung.

11. System nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch mehrere in die Bewegungsstrecke der Objektivlinse (12) bewegliche Plättchen (40,42,44), wobei deren Stellung durch das Entfernungs-Meßsignal vorgegeben wird.

12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen (40,42,44) eine binär gewichtete Stärke aufweisen.