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Trend der Wissenschaft

Entfernungsautomatik mit Ultraschall-Echo

Polaroids Sonar One Step

Die einzige bisher bei den verschiedenen Verfahren der Entfernungseinstellautomatik nicht ausprobierte Methode war - abgesehen vom optischen Entfernungsmesser - auch das älteste Meßverfahren ohne direkt ein Maßband anzulegen: Nämlich das Echolot. Bekannt wurde das Echolot vor mehr als einem halben Jahrhundert mit der U-Boot-Jagd und Meeresbodenvermessung. Seit Polaroid's Bekanntmachung auf der Aktionärsversammlung Ende April gehört das Echolot auch zu den Verfahren der fotografischen Entfernungsautomatik. Nach dem System Visitronic nach Honeywell gehört die Sonar One-Step auch zu den ersten marktgängigen Fotokameras mit Einstellautomatik der Entfernung.

Das Echolot als Grundlage der Entfernungsautomatik

Nicht ganz nebenbei bemerkt ist es auch die eleganteste Automatik dieser Art und die Sonar One-Step ist wohl auch die erste Fotokamera, bei der eine Entfernungseinstell-Automatik einen wirklichen Sinn hat. Denn in einer Kleinbildkamera mit Objektiv 1:3,8/38 mm kommt man auf Grund der vorhandenen Schärfentiefe ziemlich oft auch ohne genaue Entfernungseinstellung aus, was bei der längeren Brennweite einer SX-70 eben doch schon kritischer wird.

Dimensionen des Echolots: Die Sonar One-Step ist eine Kamera mit praktisch den Merkmalen der SX-70, aber eingebauter Entfernungseinstell-Automatik, die noch im Laufe dieses Jahres zu einem Preis von vielleicht einem Drittel über dem Preis der jetzigen SX-70 erscheinen soll. Die Automatik funktioniert in einem Entfernungsbereich von ca. 10 m (Nahgrenze der Schärfentiefe bei Objektiveinstellung auf unendlich) bis etwa 25 cm und stellt das Objektiv innerhalb maximal ca. 1/16 sek. scharf ein. Die oberhalb des Objektivs sitzende Echolot-Elektronik wird dabei von der im Filmpack der SX-70 eingebauten Batterie gespeist. Das Echolot ist im Gegensatz zur fotooptischen Entfernungsmessung (wie z. B. in der Visitronic-Einrichtung) ein sogenanntes aktives System: Es sendet ein Signal aus, und mißt bestimmte Eigenschaften des vom Aufnahmeobjekt zurückgeworfenen Signals. Rein optisch gab es bisher derartige Systeme mit Infrarotstrahlen, bei denen entweder optische Interferenzerscheinungen oder eine Verzögerung gemessen wurden. Eine Verzögerungsmessung war auch die Basis eines Lichtlot-Laserstrahlsystems. Mit der Echolot-Lichtmessung gibt es nun aber ein Problem: Durch die hohe Lichtgeschwindigkeit bedingt ist eine ungemein genaue Messung der Signalverzögerung erforderlich. Bei einem Objekt im Durchschnittsabstand von ca. 3 m beträgt die Signalverzögerung ja nur 20 nanosek. Eine Meßtoleranz von einer Nanosekunde (also einer Tausendmillionstel-Sekunde) entspricht einem Entfernungsmeßfehler von 15 cm, was bei einem Abstand von 3 m noch tragbar ist, nicht aber bei z. B. 0,5 m. Die Schallgeschwindigkeit dagegen beträgt ca. 330 m/sek. Zur Messung eines Objektabstands von 3 m muß der Schall eine Entfernung von 6 m (hin und zurück) zurücklegen, was etwa 18 millisek. dauert - in der Größenordnung also millionenfach höher als mit der Lichtmessung. Ein Meßfehler von 10 microsek. (das Zehntausendfache einer nanosek.) entspräche hier einem Einstellfehler von unter 2 mm!

Vorteile der Entfernungsautomatik mit Echolot

Das Echolot hat also als Basis für die automatische Entfernungseinstellung in Fotokameras bedeutende Vorteile, allerdings auch Beschränkungen, auf die wir noch zurückkommen. Vorgreifend ist z. B. zu erwähnen, daß hier Ultraschallsignale also mit Frequenzen weit über dem hörbaren Bereich - zum Einsatz kommen. (Um gleich Hundefotografen zu beruhigen, da Hunde ja auch im Ultraschallbereich hören, liegen die Frequenzen der in der Sonar One-Step eingesetzten Signale auch über dem Hunde-Hörbereich.) Ferner ist eine Signalverschlüsselung erforderlich, so daß das Empfangssystem die zurückgestrahlten Signale deutlich von anderen Geräuschen (die es ja auch im Ultraschallbereich gibt) unterscheiden kann. Das gilt übrigens für alle aktiven Entfernungsmeß-Systeme, auch mit Licht- oder Infrarotsignalen. Das System muß also so eingerichtet sein, daß es nur auf die echten Signale anspricht.

Polaroid-Patente seit mehr als 20 Jahren

Auf die Frage, warum denn niemandem bisher ein Echolot-System eingefallen wäre, lautet die Antwort, daß Polaroid derartige Einfälle schon vor rund 20 Jahren hatte, denn auf diesen Zeitpunkt gehen erste diesbezügliche Polaroid-Patente zurück. 

Impulsmessung mit Digitalsteuerung: Wie geht nun die Messung selbst vor sich? Der Vorgang läßt sich in drei Phasen einteilen: Signalaussendung, Signalempfang und motorische Scharfeinstellung. Gesteuert wird der Vorgang von einem elektroakustischen Wandler, einem als Taktgeber funktionierendem Kristalloszillator, einem Detektor, einem Sammelspeicher und dem Einstellmotor. Der elektroakustische Wandler dient sowohl als Sender und als Empfänger für die Ultraschallsignale und besteht aus einer Metallplatte mit einer drüber gespannten goldplattierten Kunststoffolie.
Der Meßvorgang setzt beim Druck auf den Auslöseknopf, aber vor der Auslösung selbst ein. Der elektroakustische Wandler, der zu diesem Zeitpunkt wie ein Lautsprecher funktioniert, sendet ein Trillersignal mit Ultraschallfrequenz aus. Das Signal besteht aus vier Tönen von 60, 57, 53 und 50 kHz (die obere Hörgrenze des Durchschnittsmenschen liegt um 13 bis 16 kHz). Diese Signale gehen nacheinander in unterschiedlichen Längen aus, die ganze Folge dauert aber nur eine msek. (1/1000 sek.). Die Signalzusammenstellung dient einerseits als Schlüssel zur Identifizierung des Signals bei der späteren Messung und andererseits wahrscheinlich auch zur Festlegung bestimmter Meßcharakteristiken, wie unterschiedliche Empfindlichkeit und Toleranz im Nah- und Fernbereich. Gleichzeitig mit der Aussendung dieses Signals wird auch der Taktgeber in Funktion gesetzt und erzeugt in regelmäßigen Abständen Takte, die einem Sammelspeicher zugeleitet werden. Der Speicher hat 128 Speicherpositionen, die durch diesen Takt hochgezählt werden. Mit dem Aussenden des Signals stellt sich gleichzeitig die Schaltung auf Signalempfang um.
Damit ist das System für die zweite Phase bereit. Das vom elektroakustischen Wandler ausgesandte Ultraschallsignal erreicht das Objekt und wird nun wieder zur Kamera zurückgeworfen. Sobald der Wandler dieses durch seine vier Frequenzen und Impulslängen gekennzeichnete Signal empfängt, erzeugt er seinerseits ein Signal, das das Hochzählen des Speichers unterbricht. Gleichzeitig schließt sich ein Stromkreis zur Betätigung des Einstellmotors. Dieser Motor ist mit der Objektiveinstellung verbunden, wobei das Objektiv vorerst in einer Ruhestellung hinter der Unendlich-Stellung liegt. Der Motor fängt nun zu laufen an und dreht die Einstellfassung des Objektivs vorerst vorwärts in die Unendlich-Stellung und dann auf nähere Entfernungen. Gleichzeitig erzeugt aber eine mit der Einstellmechanik verbundene Zählscheibe Impulse, die nun den Sammelspeicher nach der unterbrochenen Hochzählung durch den Taktgeber jetzt bis zur vollen Kapazität hochzählen. Sobald die letzte Speicherposition voll ist, arretiert ein Signal den Einstellmotor; das Objektiv bleibt also in der dadurch bedingten Stellung stehen. Der Fotograf kann nun das scharfeingestellte Bild im Sucher betrachten und -sobald er bereit ist - die Aufnahme machen. Die elektronische Steuerung der übrigen Kamerafunktionen übernimmt die schon bekannten Vorgänge und Abläufe des Verschlusses, des Reflexspiegels, der Lichtmessung und Belichtung sowie des Bildauswurfs. Sobald das belichtete Bild die Kamera verläßt, läuft das Objektiv wieder in seine Ruhestellung hinter Unendlich zurück.

Automatische Entfernungsmessung bis zu 10 Meter

Im Grunde genommen sieht das Prinzip also recht einfach aus. Bei einem nahen Objekt erreicht das vom Objekt zurückgeworfene Ultraschallsignal den elektroakustischen Wandler nach entsprechend kurzer Zeit; die Hochzählung des Sammelspeichers bleibt also verhältnismäßig bald stehen. Der Einstellmotor läuft daher entsprechend länger, bis die verbleibenden Speicherpositionen gefüllt sind und bringt somit gleichzeitig das Objektiv auf eine nähere Entfernungseinstellung. Bei weiter entfernten Objekten dauert es länger, bis das Signal zur Kamera zurückkommt; der Speicher ist daher schon fast vollgezählt und der Einstellmotor bleibt nach einem kürzeren Objektiv-Einstellweg (also bei einer längeren Einstellentfernung) stehen. Die maximale Hochzählzeit des Speichers beträgt 60 msek. In dieser Zeit legt der Schall von der Kamera zum Objekt und zurück eine Gesamtstrecke von 330x0,06 = 19,8 m zurück; das entspricht also einem Objektabstand von rund 10 m und auch der Schärfentiefen-Nahgrenze der SX-70-Kamera. Die Einstellautomatik reagiert daher nicht mehr auf weiter als 10 m entfernte Objekte - das gilt als Unendlich.

Bereich und Toleranzen: Der Sammelspeicher der Sonar One-Step hat noch eine weitere Eigenheit: Er spricht nicht linear auf die Takte des Taktgebers an. Denn ein lineares Hochzählen würde bei Gesamtzählzeit 60 msek. und 128 Speicherpositionen eine Zählzeit von rund 0,5 msek. pro Position entsprechen. Nun liegt die Naheinstellgrenze der Kamera bei 25 cm. Der Schallweg in 0,5 msek. beträgt aber rund 16,5 cm, was eine Meßtoleranz von über 8 cm voraussetzen würde - bei einem Objektabstand von 25 cm ist das selbstverständlich kaum tragbar. Die Hochzählfunktion des Speichers ist daher hyperbolisch, d. h. die Hochzählung erfolgt am Anfang sehr schnell und am Ende bedeutend langsamer. Die ersten Positionen werden in nur ca. 17 microsek. pro Position hochgezählt; das entspricht einer Einstelltoleranz von 2,75 mm an der Naheinstellgrenze von 25 cm, was hier also durchaus innerhalb der Schärfentiefentoleranz liegt. Am anderen Ende des Einstellbereichs steigt die Hochzählzeit pro Position auf 3 msek.; das entspricht dort also einer Einstelltoleranz von ca. 0,9 m, was bei 1 0 m Objektabstand wieder innerhalb der Schärfentiefentoleranz liegt. Im Mittelbereich, also Objektentfernung 1,5 m, liegt dann die Einstelltoleranz wahrscheinlich um ca. 5 cm.

Was kann die Echolotmessung und was kann sie nicht? Ein Vergleich zwischen Polaroid's Sonar-System und der Visitronic-Meßautomatik von Honeywell ist wohl unvermeidlich. Durch die grundverschiedenen Prinzipien der beiden Systeme bedingt, überrascht es vielleicht auch nicht, daß sie, die gegenseitigen Nachteile fast dramatisch überwinden: z. B. beruht das Visitronic-System auf Kontrastmessungen und -vergleichen; es versagt daher bei kontrastarmen Flächen, z. B. einer weißen Wand. Die gleiche Wand dagegen reflektiert hervorragend das Ultraschallsignal der Sonar-Einrichtung; die letztere kann sogar in totaler Dunkelheit (z. B. für Blitzaufnahmen) funktionieren. Das Visitronic-System ist sehr empfindlich gegen jede Verunreinigung im Lichtweg und wird schon von Fingerabdrücken auf den Entfernungsmesserfenstern gestört. Fingerabdrücke können dem Echolot nichts anhaben; dagegen kann man mit der Sonar One-Step nicht durch eine Fensterscheibe (z. B. Schaufenster) hindurch fotografieren, denn die Kamera stellt sich unweigerlich auf die Entfernung der Scheibe ein.
Ganz allgemein gesagt, spricht das Sonar-System stets auf das nächste im Meßfeld liegende Objekt an. Eine elektrooptische Messung wie die des Visitronic-Bausteins spricht dagegen auf das kontrastreichste Objekt an. Es würde also schlecht auf einen kontrastarmen Vordergrund ansprechen, der beim Sonar-System wieder ausschließlich die Entfernungseinstellung bestimmt.
Das klassische in derartigen Diskussionen metaphorisch (!) an den Haaren herbeigezogene Beispiel ist ein Zebra in einem Käfig im Zoo. Je nach Lichtverhältnissen (Sonnenschein auf Zebra, auf Käfigstangen oder auf beide) kann eine Meßautomatik nach dem Visitronic-Prinzip auf das Zebra, auf die Käfigstangen oder auf eine mittlere Entfernung zwischen den beiden einstellen. Polaroid's Sonar-System stellt unweigerlich und ohne Rücksicht auf Lichtverhältnisse oder Fotografenabsichten auf die Käfigstangen ein. Will man das Zebra scharf haben, muß man eben die Einstellautomatik abschalten und manuell bzw. über die Einstellscheibe in der Kamera scharfstellen.

Meßwinkel und Auflösung: Verständlicherweise will man bei der Scharfeinstellung ja doch einigermaßen wählen können, auf was ein System automatisch scharf einstellt. Das ausgesandte Signal hat daher eine ziemlich scharf begrenzte Streuung und umfaßt ein Meßfeld, das nach Polaroid ca. 10% der im Sucher sichtbaren Bildmitte entspricht.

Auf Objekte wie Käfigstangen reagiert die Sonar One-Step sehr gut. Im Laufe eines etwas groben Versuches im Büro des Konstrukteurs Dr. Conrad Biber bewies er mir, daß die Sonar One-Step in einem Abstand von 1,8 m perfekt auf meinen ca. 1 cm dicken Kugelschreiber einstellte. Das entspricht einer Auflösung von ca. 0,3xGRADx. Diese Auflösung und die Meßgenauigkeit muß natürlich auch vom durch das Objektiv zurückgestrahlten Energieanteil des ursprünglichen Signals abhängen. Bei einem Kugelschreiber oder ähnlichem Objekt gibt es da wahrscheinlich kein Problem; wie es mit kleinen schallschluckenden Objekten steht, ist eine andere Frage, die wohl durch gründlichere Praxistests zu beantworten sein wird. Ähnliche Tests werden auch darüber Aufschluß geben, wie weit das Sonar-System z. B. durch eine Brille in einer Porträtaufnahme beeinflußt wird und daher auf die Brille und nicht auf die Augen der Person einstellt. Die Meßgenauigkeit beruht auch auf der normalen Schallgeschwindigkeit in trockener Luft auf Meereshöhe. Feuchte Klimaverhältnisse oder die etwas dünnere Luft im Hochgebirge kann die Messung ebenfalls beeinflussen. Es ist möglich, daß sich manche dieser Faktoren gegenseitig aufheben oder sich In der Praxis als belanglos erweisen.

Sonar für Filmaufnahmen? In seiner jetzigen Form eignet sich die Einrichtung der Sonar One-Step ausschließlich für eine Fotokamera, denn die Entfernungseinstellung erfolgt normalerweise einmal pro Aufnahme. Andererseits ist eine Entfernungsautomatik besonders in einer Filmkamera wertvoll, da sie dort das umständliche und selten genaue Nachstellen der Entfernung erübrigt.

Akustische Einstellautomatik birgt Probleme

Umstellen ließe sich ein Sonar-System evtl. auch auf Filmaufnahmen, aber mit einigen Problemen. Theoretisch wäre es möglich, Ultraschall-Meßimpulse in Abständen von 60 bis 100 msek. auszulösen und das Objektiv jeweils nachzustellen. Allerdings müßte eine solche Nachstellung den Rücklauf auf Unendlich und Vorlauf auf die Objektentfernung umgehen, sonst würde ja die Schärfe ständig hin und herspringen. Der Nachstellabstand wäre auch so zu wählen, daß die Signale keine gegenseitigen Stör- oder Schlagfrequenzen erzeugen. Letztlich kann eine akustische Einstellautomatik bei Tonfilm problematisch werden, da hier evtl. wiederum Schlag- oder Zwischenfrequenzen zustande kommen, die sich im Gegensatz zu den Signalfrequenzen auch in der Tonaufzeichnung niederschlagen. Allerdings dürfte eine derartige Entwicklung ausschließlich der Filmkamera bzw. den zukünftigen Filmkameras des Polavision-Systems zugute kommen. Polaroid hat sich bisher kaum bereit gezeigt, seine eigenen gerätetechnischen Entwicklungen anderen über Lizenzen zur Verfügung zu stellen. (Eigentlich warum auch?) Eine andere Frage ist, wie weit sich dieses Sonar-System in den preisgünstigen Fotokameras der Polaroid-Reihe durchsetzen kann. Auf der Aktionärsversammlung erklärte William J. McCune, Geschäftsführer der Firma, daß der durch die Einstellautomatik bedingte Preisaufschlag einer SX-70-Kamera unter 50% betragen würde. Bei z. B. der im vergangenen Jahr herausgebrachten Polaroid 1000 würde dagegen eine Einstellautomatik einen erheblich höheren Kostenanteil ausmachen. Andererseits wird diese Polaroid 1000 jetzt mit einem weltweiten Produktionsvolumen (in Fabriken in den USA, Schottland und Holland) von ca. 900.000 Stück pro Monat gefertigt und ist inzwischen Polaroid's meist gekaufte Kamera geworden. Sie stellte dabei Polaroid's Antwort auf Kodak's billigste Sofortbildkamera EK 2 dar. Andererseits müßte der Preis der Sonar-Automatik bei einer derartigen Produktionszahl auch erheblich sinken, so daß Polaroid mit einer preisgünstigen Sonar-Kamera zweifellos einen sensationellen Absatz finden würde.
Das ist schließlich das Rezept, mit dem sich Canon vor zwei Jahren so energisch in den Markt der automatischen Kleinbild-Spiegelreflexkameras einschaltete.

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