Устройство для автоматической фокусировки объектива Советский патент 1992 года по МПК G03B3/00 

Светочувствительная поверхность видеокамеры оптически сопряжена с плоскостью регистрации изображения в регистраторе. Если плоскости наилучшего изображения двух анализируемых изображений расположены симметрично относительно светочувствительной поверхности видеокамеры, то объектив считается сфокусированным правильно. Недостатком такого устройства можно считать использование в качестве светоделителя полупрозрачной пластины, что уменьшает точность фокусировки объектива при малых яркостях объектива съемки.

Наиболее близким по принципу работы является устройство для автоматической фокусировки объектива, содержащее установленные по ходу луча объектив, механически связанный с приводом его перемещения, и светоделитель, выполненный в виде зеркального сектора, механически связанного с приводом его вращения, регистратор, видеокамеру, перед которой установлен оптический блок, фильтр верхних частот, усилитель, переключатель, первый и второй пиковые детекторы, первое и второе устройство выборки-хранения, дифференциальный усилитель, ждущий мультивибратор и блок датчиков, причем выход видеокамеры через последовательно соединенные фильтр верхних частот и усилитель подключен к первому входу переключателя, первый и второй выходы которого подключены к первым входам первого и второго пиковых детекторов,, соответственно, выходы первого и второго устройств выборки- хранения подключены к первому и второму входам дифференциального усилителя соответственно, первый выход блока датчиков соединен со входом регистратора, две взаимно параллельные оптические оси на выходе оптического блока перпендикулярны светочувствительной поверхности видеокамеры и точки их пересечения со светочувст- вительной поверхностью видеокамеры расположены вдоль строк телевизионной развертки видеокамеры, а плоскость регистрации изображения в регистраторе оптически сопряжена с плоскостями, симметричными относительно светочувствительной поверхности видеокамеры. В данном устройстве оптический блок совместно с объективом формирует на светочувствительной поверхности видеокамеры два анализируемых изображения объекта съемки, причем плоскости наилучшего изображения каждого из них оказываются симметричными относительно светочувствительной поверхности видеокамеры, оптически сопряженной с плоскостью

регистрации изображения в регистраторе, например, в кинокамере. В качестве светоделителя используется вращающийся зеркальный сектор и разделение светового потока, идущего от объектива, на две части производится во времени. Поскольку вращение зеркального сектора несинхронно и несфазировано с частотой кадровой развертки видеокамеры, максимальная частота

0 вращения зеркального сектора, при которой устройство осуществляет фокусировку объектива устойчиво (без сбоев), составляет порядка 16-18 оборот/с. Это означает, что если в качестве регистратора используется

5 киноаппарат, вращение обтюратора которого осуществляется синхронно и синфазно с вращением зеркального сектора, то максимальная частота съемки не может превышать 16-18 кадр/с, что при больших

0 скоростях перемещения объектов оказывается недостаточно.

Целью изобретения является повышение точности фокусировки объектива при высоких скоростях движения объекта съем5 ки малой яркости.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для автоматической фокусировки объектива, содержащее установленные по ходу луча объектив, механически связан0 ный с приводом его перемещения, и светоделитель, выполненный в виде зеркального сектора, механически связанного с приводом его вращения, регистратор, видеокамеру, перед которой установлен оптический

5 блок, фильтр верхних частот, усилитель, переключатель, первый и второй пиковые детекторы, первое и второе устройство выборки-хранения, дифференциальный усилитель, ждущий мультивибратор и блок дат0 чиков, причем выход видеокамеры через последовательно соединенные фильтр верхних частот и усилитель подключен к первому входу переключателя, первый и второй выходы которого подключены к первым вхо5 дам первого и второго пиковых детекторов соответственно, выходы первого и второго устройств выборки-хранения подключены к первому и второму входам дифференциального усилителя соответственно, первый вы0 ход блока датчиков соединен со входом регистратора, две взаимно параллельные оптические оси на выходе оптического блока перпендикулярны светочувствительной поверхности видеокамеры и точки их пере5 сечения со светочувствительной поверхностью видеокамеры расположены вдоль строк телевизионной развертки видеокамеры, а плоскость регистрации изображения в регистраторе оптически сопряжена с плоскостями, симметричными относительно

светочувствительной поверхности видеокамеры, введены генератор, счетчик-дешифратор, первый и второй буферные усилители, фильтр низких частот, сумматор, частотный детектор, фазовый детектор, коммутатор на два направления, пульт управления коммутатором, блок опорных напряжений и счетчик-делитель, причем выход генератора соединен со входом счетчика-дешифратора, первый и второй выходы которого подключены к первому и второму входам видеокамеры соответственно, второй выход счетчика-дешифратора через ждущий мультивибратор подключен также к первому входу фазового детектора, ко второму входу которого подключен выход первого направления коммутатора, третий и четвертый выходы счетчика-дешифратора подключены ко второму и третьему входам переключателя, пятый выход счетчика-дешифратора подключен ко вторым входам первого и второго пиковых детекторов, шестой выход счетчика-дешифратора подключен ко вторым входам первого и второго устройств выборки-хранения, выход дифференциального усилителя подсоединен через фильтр низких частот ко входу привода объектива, третий выход блока датчиков подключен ко входу частотного детектора и первому входу счетчика-делителя, ко второму входу которого подключен второй выход блока датчиков, счетные выходы счетчика- делителя подключены к соответствующим N входам первого направления коммутатора, к N входам второго направления которого подключены соответствующие выходы блока опорных напряжений, выход второго направления коммутатора подключен ко второму входу сумматора, к первому и третьему входам которого подключены выходы частотного и фазово.о детекторов соответственно, выход сумматора подключен ко входу привода вращения светоделителя, выходы первого и второго пиковых детекторов через соответственно первый и второй буферные усилители подключены к первым входам первого и второго устройств выборки-хранения соответственно, Р выходов пульта управления подсоединены к соответствующим управляющим входам коммутатора, а регистратор расположен на оптической оси объектива за светоделителем.

На фиг.1(а) приведена блок-схема устройства и (б) внешний вид светоделителя; на фиг.2 - формы сигналов на выходе блоков предлагаемого устройства при частоте вращения светоделителя 5 об/с; на фиг.3-формы сигналов на выходе блоков предлагаемого устройства при частоте вращения светоделителя 25 об/с; на фиг,2а и За - временные диаграммы, характеризующие попадание светового потока, отраженного от светоделителя, на светочувствительную поверхность видеокамеры; на фиг. 26, 2в, 2г, 2д и 2е - формы сигналов на втором и третьем выходах блока датчиков, на выходе первого направления коммутатора, на втором выходе счетчика0 дешифратора и на выходе ждущего мультивибратора соответственно при частоте вращения светоделителя 5 об/с, на фиг. 36, Зв, Зг, Зд и Зе - формы сигналов на втором и третьем выходах блока датчиков, на выхо5 де первого направления коммутатора, на втором выходе счетчика-дешифратора и на выходе ждущего мультивибратора соответственно при частоте вращения светоделителя 25 об/с; на фиг.Зж и Зл - формы сигналов

0 на пятом и шестом выходах счетчика-дешифратора соответственно, на фиг.Зк - форма сигналов на третьем и четвертом выходах счетчика-дешифратора; на фиг.4а, 46 и 4е - формы сигналов на первом, треть5 ем и четвертом выходах счетчика-дешифратора соответственно; на фиг.5 - один из возможных вариантов выполнения пульта управления.

Устройство содержит; объектив 1, свето0 делитель 2, привод светоделителя 3, блок датчиков 4, регистратор 5, оптический блок 6, светочувствительную поверхность видеокамеры 7, видеокамеру 8, фильтр верхних частот 9, усилитель 10, переключатель 11,

5 первый пиковый детектор 12, второй пиковый детектор 13, первый буферный усилитель 14, второй буферный усилитель 15, первое устройство выборки-хранения (УВХ) 16, второе устройство выборки-хранения

0 (УВХ) 17, дифференциальный усилитель 18, фильтр низких частот 19, привод объектива 20, генератор 21, счетчик-дешифратор 22,23 ждущий мультивибратор 23, счетчик-делитель 24, блок опорных напряжений 25, ком5 мутатор на два направления 26, частотный детектор 27, фазовый детектор 28, сумматор 29, пульт управления 30.

Устройство для автоматической фокусировки объектива содержит следующие узлы

0 и блоки.

Светоделитель 2 выполнен в виде вращающегося от привода 3 зеркального сектора (фиг. 16). Световой поток, прошедший через светоделитель 2 в течение примерно

5 1 /4 его оборота, попадает на вход регистратора 5 и используется для регистрации изображения. Если в качестве регистратора используется киноаппарат, то вращение его обтюратора должно быть синхронно и син- фазно с вращением светоделителя 2. В течение 3/4 оборота вращения светоделителя 2 световой поток отражается от его зеркальной поверхности и поступает к оптическому блоку 6 и далее к видеокамере 8. Такой способ разделения светового потока обеспечивает 100%-ное использование светового потока: весь световой поток используется как для регистрации изображения, так и для оценки состояния фокусировки объектива, т.е. для автоматизации процесса фокусировки объектива 1, что имеет большое значение при фокусировке объектов малой яркости.

Блок 4 датчиков предназначен для формирования сигналов, характеризующих частоту и фазу вращения светоделителя 2.

Оптический блок 6 может состоять, например, из системы зеркал и светоделителей (не показано) и предназначен для формирования совместно с объективом 1 на светочувствительной поверхности 7 видеокамеры 8 двух изображений объекта съемки. Если объектив сфокусирован правильно, то эти изображения (А и В на фиг. 1а) оказываются расположенными в плоскостях, симметричных относительно плоскости светочувствительной поверхности

7видеокамеры 8. Анализ изображений А и

8осуществляется для определения величины и направления расфокусировки объектива 1.

Фильтр 9 верхних частот и усилитель 10 служат для формирования сигнала, характеризующего резкость изображений А и В на светочувствительной поверхности 7 видеокамеры 8.

Переключатель 11 служит для коммутации этого сигнала с пиковыми детекторами 12 и 13, в которых запоминается максимальное значение величины высокочастотных составляющих видеосигнала, получающегося при сканировании изображений А и В соответственно.

Буферные усилители 14 и 15 служат для того, чтобы при перезаписи напряжений, запомненных в пиковых детекторах 12 и 13 в УВХ 16 и 17 соответственно, величины зтих напряжений не уменьшались.

УВХ 16 и 17 предназначены для хранения в них величин сигналов, характеризующих резкость изображений А и В соответственно. Дифференциальный усилитель 18 сравнивает эти сигналы и через фильтр 19 низкой частоты управляет приводом 20, перемещающим объектив 1.

Фильтр 19 низкой частоты предназначен для фильтрации пульсаций, возникающих в сигнале на выходе дифференциального усилителя 18 из-за модуляции светового потока светоделителем 2.

Генератор 21 и счетчик-дешифратор 22 предназначены для формирования сигналов, управляющих работой переключателя 11, УВХ 16 и 17, разрядом накопительных 5 конденсаторов (не показано) пиковых детекторов 12 и 13 и для синхронизации строчной и кадровой разверток видеокамеры 8 с работой остальных блоков устройства. Счетчик-дешифратор 22 может состоять из

0 счетчика-делителя и схем И и ИЛИ (не показаны).

Ждущий мультивибратор 23 предназначен для получения сигнала, сдвинутого по фазе на полпериода относительно частоты

5 кадровой развертки.

Счетчик-делитель 24 служит для формирования на своих выходах сигналов различной частоты, необходимых для фазирования вращения светоделителя 2 и кадровой раз0 вертки видеокамеры 8.

Блок 25 опорных напряжений предназначен для формирования ряда опорных напряжений, необходимых для вращения светоделителя 2 с различной частотой.

5Коммутатор 26 на два направления

предназначен для коммутации одного из выходов блока 25 опорных напряжений и одного из выходов счетчика-делителя 24 со вторым входом сумматора 29 и входом фа0 зового детектора 28 соответствен но. В качестве коммутатора 26 на два направления может быть использована микросхема К590КНЗ или галетный переключатель на два направления.

5 Частотный детектор 27 предназначен для получения напряжения, пропорционального частоте вращения светоделителя 2. Фазовый детектор 28 предназначен для формирования напряжения, пропорцио0 нального разности фаз сигналов, поступающих с выхода ждущего мультивибратора 23 и выхода первого направления коммутатора 26.

Сумматор 29 предназначен для управ5 ления вращением светоделителя 2 с различной частотой синхронно и синфазно с частотой кадровой развертки видеокамеры 8.

Пульт 30 управления предназначен для

0 упр-вления коммутатором 26 на два направления в зависимости от требуемой частоты вращения светоделителя 2. При использовании в качестве регистратора 5 киноаппарата эта частота устанавливается оператором на

5 пульте 30 управления равной частоте съемки киноаппарата.

Устройство работает следующим образом.

Работу предлагаемого устройства рассмотрим, например, для случая, при котором в качестве регистратора 5 используется киноаппарат с частотами съемки 1, 5,10 И 25 кадр/с. В этом случае светоделитель 2 должен вращаться с частотами 1, 5, 10 и 25 об/с. Для пояснения работы устройства на фиг,2 и 3 показаны формы сигналов только для двух из четырех перечисленных частот: для 5 и 25 об/с. На четырех выходах блока 25 опорных напряжений формируются 4 различных напряжения, необходимых для вращения светоделителя 2 с соответствующей частотой, а счетчик-делитель 24 формирует на своих 4-х выходах сигналы с частотами в 1, 5, 10 и 25 раз меньшими, чем частота сигнала на его первом входе, равная 50 импульсам за оборот светоделителя.

Оператор на пульте 30 управления устанавливает требуемую частоту вращения светоделителя 2. При этом одно из напряжений с выхода блока 25 опорных напряжений через коммутатор поступает на второй вход сумматора 29 и заставляет привод 3 вращать светоделитель 2 с требуемой частотой. Сигнал с третьего выхода блока 4 датчиков (фиг.2в и Зв) преобразуется в напряжение в частотном детекторе 27 и используется для стабилизации вращения светоделителя 2 с требуемой частотой. Кроме того, сигналы со второго (фиг.26 и 36) и третьего (фиг.2в и Зв) выходов блока 4 датчиков поступают на вход счетчика-делителя 24. При установленной оператором частоте вращения светоделителя 2, равной 5 об/с, сигнал (фиг. 2г) частотой 10 имп/оборот 50 Гц с одного из выходов счетчика-делителя 24 через коммутатор 26 поступает на вход фазового детектора 28, на второй вход которого поступает сигнал (фиг. 2е) с выхода ждущего мультивибратора 23, сдвинутый на полпериода относительно импульсов частоты кадровой развертки (фиг. 2д). Если оператором установлена частота вращения светоделителя 2, равная 25 об/с, то на вход фазового детектора 28 поступает сигнал (фиг. Зг) с частотой 2 имп/оборот 50 Гц. Фазовый детектор 28 совместно с сумматором 29 управляет вращением светоделителя 2 таким образом, чтобы импульсы кадровой развертки (фиг. 2д и Зд) были сфазированы с моментом прекращения попадания светового потока, отраженного светоделителем 2, на светочувствительную поверхность 7 видеокамеры 8 (фиг.2а и За). Для синхронизации вращения светоделителя 2 и обтюратора киноаппарата (не показано), используемого в качестве регистратора 5, предназначен сигнал с первого выхода блока 4 датчиков. Таким образом осуществляется синхронное и синфазное с кадровой разверткой видеокамеры 8 и вращением обтюратора регистратора 5 вращение светоделителя 2 на различных частотах, устанавливаемых оператором на пульте 30 управления.

При построчном сканировании пучок

электронов передающей ТВ трубки (не показана) видеокамеры 8 последовательно проходит изображения А и В (фиг. 1) объекта съемки. При этом при сканировании изобра0 жения А сигнал, характеризующий резкость этого изображения, поступает на пиковый детектор 12, при сканировании изображения В - на пиковый детектор 13. Пиковые детекторы 12 и 13 собирают информацию о

5 резкости изображений А и В во время сканирования всего ТВ кадра. Считывание информации из пиковых детекторов 12 и 13 УВХ 16 и 17 соответственно происходит в конце каждого ТВ кадра при помощи сигна0 ла с шестого выхода счетчика-дешифратора 22 (фиг, Зл). Дифференциальный усилитель 18 вырабатывает разностный сигнал и управляет приводом 20, посредством которого объектив 1 смещается в ту или иную сторону

5 вдоль отической оси в зависимости от полярности поступающего сигнала.

Временные диаграммы работы блоков устройства показаны на фиг.2-4.

На фиг. 4а показана форма сигнала на

0 первом, а на фиг. 2д и Зд - на втором выходах счетчика-дешифратора 22, поступающего на первый и второй входы видеокамеры 8 и служащего для синхронизации строчной и кадровой разверток видеокамеры 8 с рабо5 той остальных блоков устройства. Сигналы с третьего (фиг. 2к и 46) и четвертого (фиг. 2к и 4в) выходов счетчика-дешифратора 22 управляют работой переключателя 11 и обеспечивают пропуск сигналов, характери0 зующих резкость изображений А и В (фиг, 1) на пиковые детекторы 12 и 13 соответственно, причем только при сканировании центральной части ТВ кадра (фиг. 2к).

Сигнал на пятом выходе счетчика-де5 шифратора 22 (фиг. Зж) поступает на вторые входы пиковых детекторов 12 и 13 и предназначен для обнуления последних перед началом сканирования очередного ТВ кадра. Сигнал на шестом выходе счетчика-де0 шифратора 22 (фиг. Зл) обеспечивает перезапись информации о резкости изображений А и В в УВХ 16 и 17 соответственно в конце каждого ТВ кадра.

Введение в известное устройство гене5 ратора 21, счетчика-дешифратора 22, буферных усилителей 14 и 15, фильтра 19 низких частот, счетчика-делителя 24, блока 25 опорных напряжений, коммутатора 26 на два направления, частотного 27 и фазового 28 детекторов, сумматора 29, пульта 30 управления, позволяет осуществлять фокусировку объектива при частоте вращения светоделителя 2, равной 25 Гц, что соответствует частоте съемки 25 кадр/с, т.е. существенно повысить точность фокусировки объектива 5 при высоких скоростях движения объекта съемки малой яркости.

Формула изобретения

Устройство для автоматической фокусировки объектива, содержащее установленные по ходу луча объектив, механически связанный с приводом его перемещения, и светоделитель, выполненный в виде зер- кального сектора, механически связанного с приводом его вращения, регистратор, видеокамеру, перед которой установлен опти- ческий блок, фильтр верхних частот, усилитель, переключатель, первый и второй пиковые детекторы, первое и второе устройства выборки-хранения, дифференциальный усилитель, ждущий мультивибратор и блок датчиков, причем выход видеокамеры через последовательно соединенные фильтр верхних частот и усилитель подключен к первому входу переключателя, первый и второй выходы которого подключены к первым входам первого и второго пиковых детекторов соответственно, выходы перво- го и второго устройств выборки-хранения подключены к первому и второму входам дифференциального усилителя соответственно, первый выход блока датчиков соединен с входом регистратора, две взаимно параллельные оптические оси на выходе оптического блока перпендикулярны светочувствительной поверхности видеокамеры и точки их пересечения со светочувствительной поверхностью видеокамеры располо- жены вдоль строк телевизионной развертки видеокамеры, а плоскость регистрации в регистраторе оптически сопряжена с плоскостями, симметричными относительно светочувствительной поверхности видеос- пектра,отл ичающееся тем, что, с целью повышения точности фокусировки объектива при высоких скоростях движения объекта съемки малой яркости, в него введены генератор, счетчик-дешифратор, первый и вто-

0

5 0 5 0 5 0 5 0

рой буферные усилители, фильтр низких частот, сумматор, частотный детектор, фазовый детектор, коммутатор на два направления, пульт управления коммутатором, блок опорных напряжений и счетчик- делитель, причем выход генератора соединен с входом счетчика-дешифратора, первый и второй выходы которого подключены к первому и второму входам видеокамеры соответственно, второй выход счетчика-дешифратора через ждущий мультивибратор подключен также к первому входу фазового детектора, к второму входу которого подключен выход первого направления коммутатора, третий и четвертый выходы счетчика-дешифратора подключены к второму и третьему входам переключателя, пятый выход счетчика-дешифратора подключен к вторым входам первого и второго пиковых детекторов, шестой выход счетчика-дешифратора подключен к вторым входам первого и второго устройств выборки-хранения, выход дифференциального усилителя подсоединен через фильтр низких частот к входу привода объектива, третий выход блока датчиков подключен к входу частотного детектора и первому входу счетчика-делителя, к второму входу которого подключен второй выход блока датчиков, счетные выходы счетчика-делителя подключены к соответствующим N входам первого направления коммутатора, к N входам второго направления которого подключены соответствующие выходы блока опорных напряжений, выход второго направления коммутатора подключен к второму входу сумматора, к первому и третьему входам которого подключены выходы частотного и фазового детекторов соответственно, выход сумматоров подключен к входу привода вращения светоделителя, выходы первого и второго пиковых детекторов через первый и второй буферные усилители подключены к первым входам первого и второго устройств выборки-хранения соответственно, Р выходов пульта управления подсоединены к соответствующим управляющим входам коммутатора, а регистратор расположен на оптической оси объектива за светоделителем

Т

Использование: в оптико-электронном приборостроении, в оптико-электронных приборах, в которых осуществляется автоматическая фокусировка объективов. Сущность изобретения: устройство содержит устаногленные по ходу луча объектив 1, механически связанный с приводом 20 его перемещения, и светоделитель 2, выполненный в виде зеркального сектора, механически связанного с приводом 3 его вращения, регистратор 5, видеокамеру 7, перед которой установлен оптический блок Изобретение относится к оптико-электронным приборам,предназначенным для осуществления автоматической фокусировки объективов и может быть использовано в кино-, фото- и телевизионных камерах, где требуется автоматически получать резкое изображение объекта в процессе съемки. Известно устройство для автоматической фокусировки объектива, содержащее фокусируемый объектив, оптический блок, светоделитель, видео6, фильтр 9 верхних частот, усилитель 10, переключатель, первый и второй пиковые детекторы 12, 13, первое и второе устройства 16, 17 выборки-хранения, дифференциальный усилитель 18, ждущий мультивибратор 23, блок датчиков 4, генератор 21, счетчик-дешифратор 22, первый и второй буферные усилители, фильтр 19 низких частот, сумматор 26, частотный детектор 27, фазовый детектор 28, коммутатор 29 на два направления, пульт управления коммутатором блок 25 опорных напряжений и счетчик-делитель 24. К оптическому блоку и видеокамере поступает световой поток, отраженный от светоделителя, а регистратор расположен на оптической оси объектива за светоделителем. При работе устройства за счет периодического перекрывания светового пучка сектором светоделителя происходит его отражение на фокусирующее устройство, в прочие моменты времени световой пучок проходит на регистратор 5. Процесс фокусировки осуществляется выравниванием специально недофокусиро- ванного и перефокусированного изображений. 5 ил. камеру, ВЧ-фильтр, усилитель, двухполупе- риодный выпрямитель, логарифматор, регистратор, переключатель, два пиковых детектора, два устройства выборки-хранения, дифференциальный усилитель и привод объектива Принцип действия основан на оценке величины высокочастотных (ВЧ) составляющих видеосигнала у формируемых на светочувствительной поверхности видеокамеры двух изображений объекта съемки сл ч 4 N О Ю :ю

г

Л.

Jf

I

/р

п я п п п я д п п п п п п п п п п л

Ткодр

fl il Я И Я Я И И II П И Я И П ДЯ Я П II t

Фиг. 2

Риг.З

П П П П t

Фиг. 4