Устройство для автоматической фокусировки объектива Советский патент 1984 года по МПК G03B3/00 

Изобретение относится к фотоаппаратуре, конкретно к фотоаппаратам с автоматической фокусировкой объектива, и может быть использовано в других устройствах, где требуется автоматическая фокусировка объектива по границе объект - фон. Известно устройство для автоматической фокусировки объектива, содержащее, кроме основного объектива, до . полнительную короткофокусную линзу, за которой установлены кольцевое диафрагменное устройство и светоприемник, иэмерякяций изменение ойдего светового потока при расфокусировках tilОднако устройство имеет невысокую чувствительность к расфокусировкам, поскольку изменение светового потока .при расфокусировках незначительно ограничения лучей света кольце вой диафрагмой. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для автоматической фокусировки объектива, содержащее оптическую систему, состоящую из основно го и дополнительного объективов,, визирное устройство, модулятор и фотоприемник, расположенные в выход ном зрачке оптической системы, электронную схему обработки сигнала расфокусировки, включающую усилитель, блок вьгаеления минимума сигнала, коммутатор с переключателями, блок управления приводом фокусировки объектива 2. В устройстве отсутствует изображение объекта съемки, поскольку оно работает за счет изменения виньетиро вания на входном диаметре дополнительной линзы. Однако устройство имеет малую чувствительность к расфокусировкам, так как для значительного изменения распределения освеще ния на поверхности светоприемника н обходимы значительные перемещения основного объектива. Целью изобретения является повышение чувствительности устройства к расфокусировкам.основного объектива и фокусировки по границе объект - Фон, расположенной в произвольном направлении путем определения изменения амплитуды сигнала в момент перемены его фазы. Указанная цель достигается- тем, что в устройство для автоматической фокусировки объектива, содержащее оптическую систему, СОСТОЯЩ.УЮ из основного и дополнительного объективов визирное устройство, модулятор и фотоприемник, расположенные в выходном зрачке оптической системы, электpoннsю схему обработки сигнала расфокусировки, включающую усилитель, блок вьщеления минимума сигнала, коммутатор с переключателями, блок управления приводом фокусировки объектива, введены установленная в передней фокальной плоскости дополнительного объектива, совмещенной с фокальной плоскостью основного объектива, диафрагма, синхронизатор с дополнительным модулятором, кинематически связанньлм с диафрагмой и основным модулятором, при этом синхронизатор соединен с входом коммутатора, выход которого соединен с блоком управления приводом фокусировки. При этом диафрагма выполнена в виде щели. С целью уменьшения габаритов устройства в него введен коллектив, установленный за диафрагмой, причем диафрагма, коллектив, дополнительный объектив и модулятор жестко связаны между собой и установлены с возможностью вращения вокруг оптической оси. Кроме того, с целью упрощения конструкции привода и блока управления в режиме ручной подвижки фокусируемого объектива вустройстве для фокусировки фотоприемник соединен .с первым переключателем коммутатора, второй переключатель которого через введенный инвертор соединен с синхронизатором, причем переключатели через введенный усилитель соединены с введенным устройством индикации . На фиг. 1 изображена принципиальная схема фотокамеры с устройством автоматической фокусировки; на фиг.2графики изменения максимальной амплитуды сигнала в зависимости от дистанции для диафрагмы в виде щели () и для круглой диафрагмы (); на фиг. 3 - 5.- графики изменения амплитуды и фазы сигнала при переходе чер.ез точное значение дистанции в положении объектива соответственно на дистанции бесконечность, на точном значении дистанции и, на конечном значении дистанции; на фиг. 6 электрическая схема синхронизатора; на фиг. 7 - электрическая схема устройства для режима ручной подвижки объектива; на фиг. 8 электрическая схема фотоприемного устройства; на фиг. 9 - ход лучей в оптической схеме устройства. Устройство, встроенное в фотоап- . парат, состоит из корпуса камеры 1, фокусируемого объектива 2, визирного зеркала 3, выполненного в центральной части полупрозрачным, коллектива 4 , на котором нанесено перекрестие, пентапризмы 5, окуляра б, затвора 7, кёщрового окна 8, дополнительного зеркала. 9, диафрагмы 10, например, в виде щели, которая расположена в передней фокальной плоскости линзы дополнительного объектива 11, причем плоскость диафрагмы 10 оптически сопряжена с плоскостью кадрового окна 8, модулятора 12, коллективной линзы 13, фотоприемник 14, расположенного вблизи плоскости выходного зрачка оптической системы 2,3,9,10,11,12 и 13, элементов 15 17 редуктора, один из которых 16 представляет собой дополнительный модулятор, электромотора 18, связан ного с диафрагмой 10 и модулятором 12 посредством редуктора, передачи 19, с помощью которой осуществляется движение объектива 2 от электромотора 18 под действием сигнала, поступающего с фотоприемнка-Л4 в электронный блок 20 обработки сигн ла, включающий усилитель, блок 21 для определения минимума амплитуды сигнала, блок 22 управления электр мотором, на который поступает сигн с коммутатора 23, вход которого св зан с выходом блока 24 синхронизат ра, на который поступает сигнал со светоприемника 25 синхронизатора под действием засветки от светоизлучающего диода 26 синхронизатора. Для реализации ручной подвижки объектива 2 выход коммутатора 23 через .усилитель 27 соединен с устройством 28 индикации. Устройство работает следующим образом. После того, как фотоаппарат начеден на границу объекта, расположенную в произвольном направлении в пространстве ху на расстоянии от объектива 2, с помощью визирной системы, включающей элементы 3-6 включается электромотор; 18, который начинает вращать щель 10 и модуляторы 12 и 16 посредством элементов 15 и 17 редуктора с передаточным отношением 1:1. С фотоприемника 14 снимается сигнал переменной частоты, пропорциональный его освещенности и зависящий от распределения освещенности в выходном зрачке оптической системы 2,3,9,10,11,12 и 13. Электромотор 18 через передачу 19 начинает двигать объектив 2 (например, от положения Бесконечность в сторону его выдвижения), и изображение границы объекта начинает смещаться вдоль оптической оси до тех по)о, пока граница объект спроектируется в плоскость нулевой диафрагмы 10. В этом случае, если прямолинейная граница объект - фон точно проектируется в центр щеловой диафрагмы 10, все лучи от зоны в ту и другую сторону от границы проходя через щель диафрагмы 10 и равномерно освещают модулятор 12 и фотопри емник 14,это происходит тогда, когда перекрестие визира (не показано) наведено на границу объекта, а объ ектив 2 сфокусирован на дистанцию . В этом случае освещенность в ир делах выходного зрачка фокусирующей системы (в плоскости установки фотоприемника 14) оказывается равномерной в любой точке зрачка, поэтому при вращении модулятора 12 и щелевой диафрапиы 10 светевой поток ие изменяется, а на блок 20 поступает постоянный сигнал (точнее, минимальный по амплитуде), который и определяет момент точной фокусировки , в результате чего блок 21 выделяет минимум сигнала, а блок 22 управления останавливает электромотор 18, а следовательно, и объектив 2. При смещении объектива 2 от положения точной фокусировки граница объект - фон проектируется перед или за диафрагмой 10. В этом случае через щель диафрагмы 10 лучи света проходят с частичным виньетированием, причем свет от объекта и от фона (освещенности Е, и Ej . в плоскости установки диафрагмы 10) попадает на разные части линзы дополнительного объектива 11 и собирается на разных участках фотоприемника 14, создавая неравномерную освещенность в пределах фотоприемника 14. При этом недофокусировке в момент прохождения щели диафрагмы 10 через границу изображения объект - фон, т.е. когда целевая диафрагма 10 параллельна границе объекта, лучи света от темной части изображения проходят на один край фотоприемника 14, а при перефокусировке объектива 2 лучи света от темной части изображения проходят на противоположный край фотоприемника 14. Поэтому при переходе через положение точной фокусировки фаза сигнала изменяется на 180 . Максимальная амплитуда сигнала при различных расфокусировках изменяется: чем большая расфокусировка, т.е. величинаД- расстояние объектива от положения точнойфокусировкч, тем больше максимальная амплитуда сигнала. При вращении щепи диафрагмы 10 и модулятора 12 снимаемый с фотоприемника 14 сигнал оказывается переменным, если объектив 2 не сфокусирован; на границу объект.. Этот факт служит критерием включения блока 22, который управляет электромотором; 18, а объектив 2 при этом перемещается. По мере приближения объектива 2 к положению точной фокусировки максимальная амплитуда переменного сигнала уменьшается. Б том случае, если перекрестие визира (не показано) наведено неточно на границу объект - фон (линия визирования смещена вправо-влево от границы), то в положении точной фокусировки появляется переменная составляющая сигнала. Однако при враении щелевой диафрагмы 10 и модулятора 12 максимальные амплитуды сигнала при прохождении отверстия щелевой диафрагмы lO через границу изображения дважды за период вращения остаются постоянными, частота удваивается, что может служить дополнительным критерием определения положения точ- 5 ной фокусировки. При расфокусировках амплитуды сигнала за период вращения оказываются неравными, и это служит критерием определения неточной фокусировки (расфокусировки). 10 При этом максимальная амплитуда сигнала также увеличивается при расфокусировках (подобно случаю точного визирования на границу объекта).

Таким образом,устройство автомати- 5 ческой фокусировки может осуществлять подвижку объектива 2 в положение точной фокусировки по принципу выделения минимума переменного сигнала (по минимуму амплитуды).

Для упрощения конструкции привода можно детали 10 - 13 объединить в один блок, который вращать совместно от дополнительного модулятора 16 колеса, при этом элемент редуктора „ колесо 15 исключается из схемы привода: фокусировки объектива 2. Возможно применить такой вариант устройства, в котором отверстие диафрагмы 10 выполнено круглым, тогда детали 10, 11 и 13 остаются неподвижными, а вра-30 ается лищь модулятор 12, причем колесо 15 также исключается.

Для определения момента перемены фазы на 180 в устройстве установлен синхронизатор, состоящий из светодио-35 да 26, светоприемника 25 и электронного блока 24 синхронизатора, причем между светодиодом 26 и светопри емником 25 установлен модулятор 16 синхронизатора, вращакяцийся синхрон- 40 но с модулятором 12 и щелевой диафрагмой 10.

При согласованной работе синхронизатора со схемой фотопрнемного уст ройства,включающего элементы 15 и 5 20, сигнал в зависимости от положения объектива 2 по отношению к положению точной фокусировки имеет различный характер.

В момент включения устройства сп автофокусировки объектив 2 находится в положении дистанции Бесконечность и напряжение 9игиала изменяется относительно значения ;UQ с определенной частотой; в момент времени tj амплитуда отрицательна относитель- но значения Ufl. При приближении объектива 2 к положению точной фокусировки амплитуда сигнала уменьшается, а фаза сигнала остается неизменной. При переходе объектива через 60 положение, соответствующее дистанЦии , фаза сигнала изменяется на 180 (в момент времени t амплиту;ца положительна относительно1(Ло) при неизменном периоде колебаний. (5

Таким образом, по изменению фазы также можно определять момент точно фокусировки.

Для того, чтобы определить момен изменения фазы сигнала, электронный блок 24 синхронизатора соединен с коммутатором 23, который управляет блоком 22, осуществляющим остановку электродвигателя 18.

Электрическая схема синхронизатора работает следующим образом.

Светодиод 26 засвечивает через щель модулятора 16 фототранзистор 25. Выходные импульсы прямоугольной формы, снимаются с R- и служат для управления коммутатором 23.

В варианте устройства с ручной подвижкой объектива 2 момент точной фокусировки индицируется с помощью блока 28 (гальванометрический индикатор, вместо которого может быть установлен светодиодный индикатор).

Принципиальная схема состоит из электромотора 18, который служит лишь для вращения модуляторов 12 и 16, фотоприемника 14, синхронизатора 24, усилитель-согласующей схемы 20, коммутирующей схемы 23, усилителя 27 и индикатора 28. Достоинством этой схемы является то, что она вносит минимальные собственные погрешности в работу системы. Цепь. развязывает схему по постоянной составляющей, А1 является необходимым связующим звеном для обеспечения замкнутости цепи синхронного коммуттора по постоянной составляющей продетектированного сигнала ( в качестве А1 может использоваться усилитель). Миллиамперметр выполняет функции индикатора 28 и сглаживакядего звена.

После коммутатора 23 снимается сигнал, полярность которого зависит от расфокусировки объектива 2. При недофокусировке полярность сигнала имеет один знак, а при переходе через положение точной фокусировки знак сигнала изменяется на противоположный. Гальванометр-миллиамперметр 29 включается на выход схемы 27 таким образом, что в положении точной фокусировки его стрелка (не показано) указывает нуль, а при недофокусировке или перефокусировке плюс или минус. . - Использование синхронизатора 16, 24, 25 и 26 и. коммутатора 23 позволет получить дополнительную информацию о расфокусировке, т.е. скачок фазы в положении точной фокусировки Преимуществами фазового метода по сравнению с амплитудным являются более высокая помехоустойчивость, а также отсутствие влияния изменени амплитуд сигнала, что позволяет испол зовать усилители в режиме ограничения.

В схеме выделение положительных либо отрицательных полуволн сигнала осуществляется аналоговым коммутатором 23, переключение которого происходит по сигналам синхронизатора.

Устройство индикации может быть установлено и в режиме подвижки объекта 2 электромотором 18, в этом случае оно служит для контроля автоматической отработки подвижки объектива 2.

В электрической схеме фотоприемного устройства системы автофокусировки фотоприемник с операционным усилителем объединены в ОАИН узел фотоприемника 14, который выполняется в экранированном корпусе, чтобы исключить помехи. На вход операционного усилителя А1 (типа 140УД8) включен фотодиод Д1 (например, типа ФД24К),диод Д2 служит для получения линейной люкс-вольтовой характеристики в рабочем диапазоне освещенностей устройства автофокусировки. Усилительный блок 20 также построен на операционном усилителе А2, коэффициент усиления которого может изменяться при настройке схемы, а при необходимости он может быть отключен и работать будут только элементы узла фотоприемника 14. В устройстве на фотоприемник 14 проходят все лучи ,от объектива 2 ,() , прошедшие через диафрагму 10, установленную в плоскости А. При этом установка коллективной линзыл13 (Ч«) позволяет уменьшить габариты линзы дополнительного объектива 11 (Vg). Величина |свв тового поюка, прощедшего на. фотоприемник 14, зависит от радиуса |j , от оптической оси системы. фокусировки работает даже при :диафрагмировании объектива 2, так :как фотоприемник 14 освещается, :хотя размер выходного зрачка уменьшается. Это важно для зеркальных фотоаппаратов, в которых применяются сменные объективы различной свето:силы. Все это позволяет повысить. .

чувствительнрсть устройства и работать по объектам с более низкой яркостью.- .

Установка щелевой диафрагмы 10 вместо круглой повышает чувствительность системы к расфокусировкам. В положении точной фокусировки (дистанция do) напряжение снимаемого сигнала близко к величине О,. В этой точке пересекаются огибающие пере0 менного сигнала и и u (при этом t/, характеризует изменение освещенности половины фотоприемника 14 в одну сторону от границы объект - фон, а и - изменение освещенности второй

5 половины фотоприемника 14, в другую сторону от границы). Угол наклона прямых и и. и к оси характеризует чувствительность системы к расфокусировкам. Прямые и и .и соответствуQ ют изменению сигнала при использовании щелевой диафрагмы 10, а пр51мые 1/2 и Ui - при круглой диафрагме, площадь которой равна площади щели, т.е. при одинаковых световых пото5 ках, -прошедших на фотоприемник 14.

Более высокая чувствительность к расфокусировкам устройства со щелевой диафрагмой вызвана более значительным виньетированием границы объекта при расфокусировках относительно щели (вместо круглой диафрагмы).

Таким образом, введение диафрагмы в виде щели и установка ее в передней фокальной плоскости дополнительного объектива, введение синхронизатора и дополнительного модулятора.

кинематически связанного с основным модулятором и щелевой диафрагмой, соединение фотоприемника с блоком веделения минимума переменного сигнала, а соединение синхронизатора с коммутатором, который переключает блок управления привода фокусировки в момент скачка фазы, повышает точность фокусировки.

Устройство может работать по границе объект --.фон, расположенной в произвольном направлении.

i; УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ФОКУСИРОВКИ ОБЪЕКТИВА, содержащее оптическую систему, состоящую из основного и дополнительного объективов, визирное устройство, модулятор и фотоприемник, расположенные в выходном зрачке оптической системы, электронную схему обработки сигнала расфркусировки, содержащую связанные между собой усилитель, блок выделения минимума сигнала, коммутатор с переключателями, блок управления приводом фокусировки объектива, о тличающеёся тем, что,с целью повышения чувствительности к расфокусировкам и точности фокусировки на границе объект - фон, в него введены ус7ановленная в передней фокальной плоскости Дополнительного объектива диафрагма, синхронизатор с дополнительным модулятором, кинематически связанным с диафрагмой и основным Модулятором, при этом синхронизатор соединен с входом коммутатора, выход которого соединен с блоком управления приводом фокусировки. 2.Устройство по п. 1, о т л и- , чаюшееся тем, что диафрагма выполнена в виде щели. 3.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью уменьшения габаритов устройства введен коллектив, установленный за диафрагмой, при этом диафрагма,коллектив , дополнительный объектив и модулятор жестко связаны между собой и установлены с возможностью вращения (Л вокруг оптической оси. 4.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции привода и уменьшения мощности злектррлвнгател в нем фотоприемник соединен с первым переключателем коммутатора, второй переключатель которого через введенный инвертор соединен с синхронизаа тором, причем переключатели через введенный усилитель соединены с вве00 00 денным устройством индикации. Е:

и

Uo

и

ХЛ/Х/ / А/ ЛЛААг

Но

ti

фиг.З

t

Фиг.

5V f2ji

фиг. 9

Ф

.Ф,

15 ,Ф2

/

-fS

Выходн. зрачок