DE3107323A1

DE3107323A1 - "vorrichtung zur automatischen fokussierung"

Info

Publication number: DE3107323A1
Application number: DE19813107323
Authority: DE
Inventors: Saburo Saitama Numata
Original assignee: Fuji Photo Optical Co Ltd
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 1980-02-29
Filing date: 1981-02-26
Publication date: 1981-12-24
Also published as: FR2477291A1; US4389565A; DE3107323C2; FR2477291B1; JPS56120908A

Description

Vorrichtung zur automatischen Fokussierung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen Steuerung der Scharfeinstellung für ein optisches Gerät, beispielsweise eine fotografische Kamera oder ein Endoskop, und bezieht sich insbesondere auf eine Einrichtung zur automatischen Ermittlung der Entfernung eines Gegenstandes und zur Steuerung des Fokus auf der Grundlage der ermittelten Entfernung, die für jedes beliebige vorhandene optische Gerät verwendbar ist.

Bei einem optischen Gerät, das mit einem Objektiv versehen ist, beispielsweise bei einer fotografischen Kamera oder einem Endoskop, soll die Scharfeinstellung des Bildes des zu beobachtenden oder zu fotografierenden Gegenstandes automatisch gesteuert werden. Es sind bereits vielfältige Arten von Einrichtungen für fotografische Kameras entwickelt und beschrieben worden, mit denen der Brennpunkt ermittelt oder eingestellt werden kann. Diese Einrichtungen sind jedoch mit einer speziellen und komplizierten Schärfenermittlungsanordnung versehen, die zum üblichen Aufbau des optischen Instruments hinzutritt.

Insbesondere bei einem Endoskop ist aber eine zusätzliche Schärfenermittlungsvorrichtung am Kopf seines flexiblen Rohres aus optischen Fasern unerwünscht, da der Kopf so dünn wie möglich sein soll, um so wenig wie möglich Schmerzen beim Patienten hervorzurufen.

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Bei einem Endoskop ist es auch bekannt, ein Bild eines Loches auf den zu betrachtenden Gegenstand zu projizieren und das Bild auf dem Gegenstand festzustellen, um die Schärfe einzustellen. Hierzu wird auf die JA-OS 12193/1978 verwiesen. Bei diesem Brennweiten- oder Bildschärfeneinstel1 system, das ein Lochbild verwendet, muß die Schärfeneinstellung vorgenommen werden, bevor der fotografische Vorgang und demzufolge die Projektion des Loches beim Fotografieren beendet sind. Darüberhinaus wird das Faserrohr teilweise zum Projizieren des Lochbildes verwendet und steht nicht vollständig zur Beobachtung des Gegenstandes zur Verfügung. Daher sind Aufbau und Betriebsweise des Endoskops durch das zusätzliche optische System und seinen Betrieb kompliziert, die zum Projizieren und Betrachten des Lochbildes und auch zum Einstellen des Brennpunktes (Fokus) benötigt werden.

Es ist ferner auf diesem Gebiet der Technik bekannt, zur Ermittlung des Brennpunktes, also zur Durchführung der Scharfeinstellung, ein räumliches Frequenzfilter zu verwenden. Da jedoch der Bildkontrast in den Körperhohlräumen sehr gering ist, läßt sich keine große Genauigkeit der Brennpunktermittlung durch Verwendung eines solchen räumlichen Frequenzfilters erreichen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine automatische Fokussteuervorrichtung zur Verwendung in einem optischen Gerät, beispielsweise einer fotografischen Kamera oder einem Endoskop, zu schaffen, die sehr einfach aufgebaut ist und sich leicht betätigen läßt.

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Diese Fokussteuervorrichtung soll keinerlei zusätzliche Mechanismen oder optische Mittel für die Fokussteuerung aufweisen, die an das herkömmliche Endoskop anzubauen wären.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Objektentfernung automatisch mit Hilfe einer elektrischen Schaltung gemessen wird, welche mit einer Lichtquelle zur Beleuchtung des Objektes und mit einem Fotodetektor zum Empfang des von dem beleuchteten Objekt reflektierten Lichtes verbunden ist. Der Fotodetektor empfängt im Falle eines Endoskops das von dem beleuchteten Objekt kommende Licht über ein optisches Faserbündel. Im Falle einer fotografischen Kamera empfängt der Fotodetektor das Licht direkt von dem beleuchteten Objekt. Im Fall der fotografischen Kamera wird zur Schärfenermittlung eine Lichtquelle, beispielsweise eine Infrarotstrahlungsquelle, bei der Beleuchtung des Objekts verwendet. Die Erfindung beruht auf der Grundvorstellung, daß der Reflektionskoeffizient des Objektes um 20 bis 30 % statistisch konstant ist, und daß der Diffusionsgrad des Lichtes, das von der Lichtquelle ausgesandt wird, konstant ist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Beleuchtungsintensität kontinuierlich variiert und es wird der Punkt ermittelt, an dem die Lichtmenge, die von dem Fotodetektor aufgenommen wird, einen vorbestimmten Wert erreicht. Da dieser Punkt infolge des konstanten Reflektionskoeffizienten und des konstanten Diffusionsgrades des Lichtes dem Abstand oder der Entfernung des Objektes entspricht, läßt sich die Objektentfernung damit bestimmen. Entsprechend

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der ermittelten Entfernung wird die Fokuseinstellung der Aufnahmelinse oder des Objektivs des optischen Gerätes oder Instruments gesteuert.

Im Falle eines Endoskops wird das Objekt nur durch die beleuchtende Lichtquelle beleuchtet, die sich an dem Endoskop befindet, und demzufolge wird die Brennpunktermittlung nur mit dem Licht der Lichtquelle vorgenommen. Im Falle der fotografischen Kamera ist das zur Brennpunktermittlung benutzte Licht zu unterscheiden von dem für die Beleuchtung des Objektes vorhandenen Licht, also beispielsweise dem Sonnen- oder Kunstlicht. Deshalb kann beispielsweise als Beleuchtungslicht in einem solchen Fall für die Brennpunktermittlung ein Infrarotstrahl Verwendung finden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausf lihrungsbeispiel s näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht des

gesamten optischen Systems mit einer Ausführungsform der Fokussteuervorrichtung, angepaßt an ein Endoskop,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer elektrischen

Schaltung zur Brennpunkt(Fokus)ermittlung gemäß der Erfindung und

Fig. 3 " ein Zeitdiagramm mit der Wellenform

der Signale, die in der Schaltung von Fig. 2 auftreten.

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In Fig. 1 ist das optische System eines Endoskops dargestellt, das mit der Fokussteuervorrichtung ausgestattet ist sowie einer Lichtquelle 3, die ein Objekt P über ein lichtübertragendes Faserrohr 2 beleuchtet. Dieses lichtübertragende Faserrohr 2 liegt parallel zu einem Bildübertragungsfaserrohr 1. Vor dem Bildübertragungsfaserrohr 1 ist ein Objektiv L1 angeordnet, das ein Bild des Objektes P auf der Eintrittsfläche 1a des Rohres 1 fokussiert, also scharf abbildet. Zwischen der Austrittsfläche 1b des Rohres 1 und einem Okular L2 befindet sich ein halbtransparentes Spiegelprisma 4, das teilweise Licht von der Austrittsfläche 1b auf das Okular L2 überträgt und teilweise Licht von der Austrittsfläche 1b auf eine Fokussierungslinse L3 reflektiert, um dadurch ein Bild des Objektes P auf einem Fotodetektor 5 scharf abzubilden. Die Fokussierungslinse L3 bildet also das Bild des Objektes P, das auf der Austrittsfläche 1b erscheint, scharf auf dem Fotodetektor 5 ab.

Da ein Endoskop gewöhnlicherweise mit einer Beleuchtungslichtquelle ähnlich der oben erwähnten Lichtquelle 3 versehen ist, wird in dieser Hinsicht kein zusätzliches Element benötigt. Nur der Fotodetektor 5 und das halbtransparente Spiegel prisma 4 sind zusätzlich vorzusehen. Diese Elemente werden jedoch einfach zwischen der Austrittsfläche 1b des Bildübertragungsfaserrohres 1 und dem Okular L2 angeordnet. Daher ist kein besonderes optisches Instrument vorhanden, welches die Dicke des Kopfes oder des flexiblen Faserrohres, das in eine Körperhöhlung eingeführt wird, nachteilig beeinflußt. Des weiteren sind bekanntermaßen gewisse Endoskope mit einer Lichtmeßeinrichtung zur Steuerung der fotografischen Aufnähme-

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belichtung versehen, die aus einem halbtransparenten Spiegelprisma, einem Fotodetektor und einer Fokussierungslinse besteht, also gerade aus solchen Elementen, die bei der Ausführungsform von Fig. 1 Verwendung finden. Bei einem solchen Endoskop sind daher keine zusätzlichen optischen Elemente erforderlich.

In den Fig. 2 und 3 ist eine elektrische Schaltung zur Ermittlung der Entfernung und zur Steuerung des Fokus, also der Bildschärfe dargestellt, die im einzelnen beschrieben werden soll. In Fig. 2 sind alle diejenigen Elemente, die den Elementen von Fig. 1 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen. Ein Rückstellimpulsgenerator 10 erzeugt eine Reihe Impulse mit Hilfe eines Schalters SW und bewirkt, daß ein Sägezahnwellengenerator 11 eine Sägezahnspannung erzeugt, die zwischen einem niedrigen Spannungswert und einem hohen Spannungswert hin- und herpendelt. Die sich ändernde Spannung treibt eine Lichtquellenantriebsschaltung 12 an, um eine Lampe 3 mit einer sich wiederholt ändernden Spannung zu beaufschlagen. Die Periode der Spannungsänderung, die auf diese Weise erhalten wird, soll etwa 0,05 see oder weniger betragen, um beim Beobachter das Entstehen einer Nachbildwirkung zu verhindern. Auf diese Weise wird die Intensität des von der Lampe 3 ausgesandten Lichtes periodisch geändert, ohne daß der Beobachter des Endoskops dies bemerkt.

Das Bild des Objektes P, das von der Lampe 3 beleuchtet wird, wird auf dem Fotodetektor 5 mit Hilfe des Objektivs L1, des Bildübertragungsfaserrohres 1, des halbtransparenten Spiegelprismas 4 und der Fokussier-

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ungslinse L3 scharf abgebildet. Das Ausgangssignal des Lichtmeßschaltkreises 18, der mit dem Fotodetektor 5 verbunden ist, ändert sich daher wiederholt zwischen einem niedrigen Spannungswert und einem hohen Spannungswert, und zwar entsprechend dem Ausgangssignal des Antriebsschaltkreises 12.

Das Ausgangssignal S1 des Fotodetektors 5, das über den Lichtmeßschaltkreis 18 erhalten wird, wird mit einer Bezugsspannung S2 in einer Vergleichsvorrichtung 19 verglichen. Wenn das Ausgangssignal S1 des Lichtmeßschaltkreises 18 die Höhe der Bezugsspannung S2 erreicht hat, wird das Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 19 umgekehrt. Das umgekehrte Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 19 wird in einen Impuls verwandelt, und zwar mit Hilfe einer Wellenformumwandlungsschaltung 20, und dieser Impuls wird wiederum als Verriegelungsimpuls für einen Verriegelungs- oder Sperrschaltkreis 14 verwendet. Der Verriegelungsschaltkreis ist an einen Wechselspannungs/Gleichspannungswandler 13 angeschlossen, der das analoge Signal S3 des besagten Sägezahnwellengenerators 11 in ein digitales Signal verwandelt, und der Verriegelungsschaltkreis empfangt das digitale Signal, um den digitalen Betrag dann, wenn das Ausgangssignal der Vergleichsvorrichtung 19 umgekehrt wird, zu verriegeln oder zu sperren. Der verriegelte digitale Betrag bildet den Eingang eines Entschlüsselers 15, bestehend aus einem Speicher, beispielsweise einem ROM. Der digitale Betrag, der auf diese Weise in den Entschllisseler 15 gelangt, wird in einen anderen digitalen Betrag verwandelt, der der Ent-

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fernung des Objektes entspricht, und zwar gemäß einer vorherbestimmten Information, die die Abhängigkeit zwischen dem Ausgangssignal des Lichtmeßschaltkreises 18, welcher die Helligkeit des von der Lichtquelle 3 beleuchteten Objektes anzeigt, und dem Objektabstand betrifft, der im Hinblick auf den statistisch konstanten Refiektionskoeffizienten des Objekts und den konstanten Diffusionsgrad des von der Lichtquelle 3 ausgesandten Lichtes berechnet wird. Die Helligkeit B des Objektes P läßt sich durch die Formel

B = kl
Kr²

darstellen, wobei I die Intensität der Lichtquelle 3, K der Diffusionsgrad, r der Abstand des Objektes P von der Eintrittsfläche 1a des Bildübertragungsfaserrohres 1 und k eine Konstante bedeuten, die von dem Refiektionskoeffizienten des Objektes abhängt.

Der auf diese Weise durch den EntschlUsseler 15 erhaltene digitale Betrag wird dann mit Hilfe eines Wechselspannuns/Gleichspannungs-Wandlers 16 in einen analogen Betrag umgewandelt. Dem Ausgangssignal des Wandlers oder Umsetzers 16 wird eine Motorantriebsschaltkreis 17 zugeführt, durch den ein Motor angetrieben wird, um auf diese Weise das Objektiv L1 so zu bewegen, daß das Bild des Objektes P automatisch fokussiert, also scharf eingestellt wird.

Auf diese Weise wird die Scharfeinstellung des beobachteten oder fotografierten Bildes automatisch dadurch gesteuert, daß automatisch die Entfernung des Gegenstan-

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des ermittelt wird.

Der Impulsgenerator 10 gibt kontinuierlich die Impulse an den Sägezahnwellengenerator 11 über den Rückstellschalter SW ab. Der Rückstellschalter SW läßt sich zweckmäßigerweise abschalten, um eine unnötige Schärfenermitttlung oder -steuerung und damit auch Energieverlust zu vermeiden.

Die Lichtquelle 3 kann aus der Komination einer sichtbaren Lichtquelle und einer Infrarotstrahlenquelle bestehen, so daß nur der Infrarotstrahl von dem halbtransparenten Spiegelprisma 4 ausgeblendet wird, während das sichtbare Licht für die Beobachtung oder das Fotografieren voll zur Verfügung steht.

Wie im obigen erläutert, läßt sich die Fokussteuervorrichtung der hier beschriebenen Art nicht nur für ein Endoskop einsetzen, sondern auch für eine fotografische Kamera oder ein anderes optisches Gerät oder Instrument, beispielsweise eine Fernsehkamera oder irgendeine Art von mit einem Objektiv versehener Beobachtungseinrichtung

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Leerseite

Claims

TISCHER · KERN & BREHM TlSCHER · KERN & BREHM Albert-Rosshaupter-Strasse 65 · D 8000 München 70 Representatives before the European Patent Office Zugelassene Vertreter beim Europäischen Patentamt Ihr Zeichen Your Ref. Unser Zeichen Our Ref. Ke-ma H. TISCHER Dlpl.-Ing. W. KERN Dipl.-Ing. H. P. BREHM Dipl.-Chem., Dr. phil. nat. Albert-Rosshaupter-Strasse D 8000 München 70 Telefon (089) 7605520 Telex 05-212284 pats d Telegramme Kernpatent München Datum Date 26. Februar 1981 Fuji-6872 FUJI PHOTO OPTICAL CO., LTD. 1-324 Uetake-machi, Ohmiya-shi, Saitama-ken, Japan Vorrichtung zur automatischen Fokussierung Patentansprüche:

1.) Vorrichtung zur automatischen Fokussierung ür ein Endoskop, mit einem Lichtlibertragungsfaserrohr, einem Objektiv zur Fokussierung eines Bildes eines zu beobachtenden oder zu fotografieren-

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den Objektes auf einer Eintrittsstirnfläche des Bildübertragungsfaserrohres, ferner mit einem Okular zur Vergrößerung und zur Betrachtung des an der Austrittsstirnfläche des Bildlibertragungsfaserrohres erscheinenden Bildes, mit einer Lichtquelle zur Beleuchtung des Objektes, einem flexiblen LichtUbertragungsfaserrohr zur übertragung des Lichtes von der Lichtquelle zum Objekt, und mit einer Einrichtung zur Messung der Helligkeit des von der Lichtquelle beleuchteten Objektes, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (12) zur Veränderung der Intensität der Lichtquelle (3), eine Einrichtung (19) zum Vergleichen des Ausgangssignals der die Helligkeit messenden Vorrichtung mit einem bestimmten Wert und zur Erzeugung eines Ausgangssignals, sobald das Ausgangssignal der Helligkeitsmeßvorrichtung gleich dem vorbestimmten Wert wird, eine mit der Vergleichsvorrichtung (19) verbundene Vorrichtung (20) zum Empfang des Ausgangssignals zur Bestimmung der Entfernung des Objekts auf der Basis der Intensität der Lichtquelle (3), sobald das Ausgangssignal von der Vergleichsvorrichtung empfangen ist, und durch eine Vorrichtung (17) zur axialen Bewegung des Objektivs (L1) zur Steuerung der Bildschärfe entsprechend der ermittelten Entfernung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Lichtquelle (3) periodisch geändert wird.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Periode der Lichtintensitätsänderung 0,05 sec oder weniger beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t , daß die Lichtquelle eine Infrarotstrahlenquelle ist.

5. Vorrichtung zur automatischen Ermittlung der Entfernung eines Objektes von einem Endoskop, mit einem BildUbertragungsfaserrohr, einem Objektiv zur Fokussierung eines Bildes eines zu beobachtenden oder zu fotografierenden Gegenstandes auf einer Eintrittsstirnfläche des BildUbertragungsfaserrohres, einem Okular zur Vergrößerung und zur Betrachtung des auf der Austrittsstirnfläche des BildUbertragungsfaserrohres erscheinenden Bildes, einer Lichtquelle zur Beleuchtung des Objektes, einem flexiblen Lichtübertragungsfaserrohr zur LichtUbertragung von der Lichtquelle zum Objekt, und mit einer die Helligkeit des durch die Lichtquelle beleuchteten Objektes messenden Einrichtung, gekennzei chnet durch eine Vorrichtung (12) zur Veränderung der Intensität der Lichtquelle (3), eine Vergleichseinrichtung (19) für das Ausgangssignal der Helligkeitsmeßvorrichtung mit einem vorbestimmten Wert und zur Erzeugung eines Ausgangssignals, sobald das Ausgangssignal der Meßeinrichtung gleich dem vorbestimmten Wert wird, und durch eine mit der Vergleichseinrichtung (19) verbundene Vorrichtung (20) zum Empfang des Ausgangs-

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signals zwecks Bestimmung der Entfernung des Objektes auf der Grundlage der Intensität der Lichtquelle (3), sobald das Ausgangssignal von der Vergleichsvorrichtung empfangen ist.

6. Vorrichtung zur automatischen Ermittlung der Entfernung eines Objekts von einem optischen Gerät, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (3) zur Beleuchtung des Objektes, eine Einrichtung (18) zur Messung der Helligkeit des von der Lichtquelle beleuchteten Objektes, eine Einrichtung (12) zur Veränderung der Intensität des von der Lichtquelle (3) abgestrahlten Lichtes, eine Einrichtung (19) zum Vergleichen des Ausgangssignals der die Helligkeit messenden Einrichtung mit einem bestimmten Wert und zur Erzeugung eines Ausgangssignals, sobald das Signal der Helligkeit messenden Einrichtung gleich dem vorbestimmten Wert wird, und durch eine Einrichtung (20), die mit der Vergleichseinrichtung (19) verbunden ist und das Ausgangssignal zur Bestimmung der Entfernung des Objektes auf der Basis der Intensität des Lichtes empfängt, sobald das Ausgangssignal von der Vergleichseinrichtung empfangen ist.

7. Vorrichtung zur automatischen Fokussierung eines Bildes eines Objektes eines optischen Instruments, g e k e η η ζ e i c h η e t durch eine Lichtquelle (3) zur Beleuchtung des Objektes, eine Einrichtung (18) zur Messung der Helligkeit des durch die Lichtquelle beleuchteten Objektes, eine Einrichtung (12) zur Änderung der Intensität des von der Lichtquelle abgegebenen

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Lichtes, eine Einrichtung (19) zum Vergleichen des Ausgangssignals der die Helligkeit messenden Einrichtung mit einem Bezugswert und zur Erzeugung eines Ausgangssignals, sobald das Signal der die Helligkeit messenden Einrichtung gleich dem Bezugswert wird, eine Einrichtung (20), die mit der Vergleichseinrichtung (19) verbunden ist und zur Aufnahme des Ausgangssignals zwecks Bestimmung der Entfernung des Objektes auf der Basis der Intensität des Lichtes dient, sobald das Ausgangssignal von der Vergleichseinrichtung empfangen ist, und durch eine Einrichtung (17) zur axialen Bewegung des Objektivs (L1) zur Steuerung der Scharfeinstellung (Fokussierung) entsprechend der ermittelten Entfernung.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Lichtquelle (3) eine Infrarotstrahlenquelle ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Lichtquelle periodisch geändert wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Periode der Lichtintensitätsänderung 0,05 see oder weniger beträgt.

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