CH660802A5

CH660802A5 - Verfahren zur ermittlung der lage der schaerfenebene eines aufnahmeobjektivs.

Info

Publication number: CH660802A5
Application number: CH303882A
Authority: CH
Inventors: Karl Felle
Original assignee: Zeiss Carl Fa
Priority date: 1981-06-03
Filing date: 1982-05-17
Publication date: 1987-06-15
Also published as: DE3122027A1; DE3122027C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, eine Anwendung des Verfahrens und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei längerbrennweitigen Objektiven in Luftbildkamm-mern wirken sich die Einflüsse von Umweltparametern wie Luftdruck und Temperatur negativ auf die Auflösung des Gerätes aus, da sie z.B. Abstände und Form der Linsenflächen und die Brechzahlen der verwendeten Gläser beeinflussen, was zu einer Verschiebung der Schärfenebene führt, die dann nicht mehr exakt mit der Filmebene übereinstimmt.

Eine ausreichende Stabilisierung dieser Parameter erfordert einen hohen Aufwand wie Klimatisierung des gesamten Aufnahmeobjektivs bzw. des Einbauraums, ein druckdichtes Gehäuse etc. und ist oft nicht möglich.

Es sind daher Objektive für Luftbildzwecke bekannt, in denen ein verstellbares Linsenglied vorhanden ist, das abhängig von den ermittelten Werten der Umweltparameter kontrolliert verstellt wird, um die Bildschärfe und damit das Auflösungsvermögen zu optimieren. Schwierigkeiten ergeben sich dabei vor allem dann, wenn beispielsweise inhomogene oder zeitlich schwankende Temperaturverteilungen vorliegen, die mit der begrenzten Anzahl der zur Verfügung stehenden Messtellen nicht erfasst werden.

Aus der Firmenschrift der Fa. Chicago Aerial Industries «Automatic Focus Sensing and Control of Optical Reconnai-sance Sensors» von David G. Sites (undadiert), ist es bekannt, die Lage der Schärfenebene über einen photoempfindlichen Sensor zu ermitteln und sie durch Verschieben eines Linsengliedes in die Filmebene zurückzuführen. Dazu wird ein Spiegel vor das Objektiv geschwenkt, um einen Autokollimationsstrahlengang zu erhalten, und ein in der Filmebene angeordnetes beleuchtetes Gitter wird auf einen ebenfalls in der Filmebene angeordneten resistiven Detektor spezieller Bauart abgebildet, dessen elektrischer Widerstand ein kontrastabhängiges Maximum besitzt. Zur Ableitung eines für die Fokusdetektion brauchbaren Nutzsignals müssen Schärfenebene und Detektor relativ zueinander bewegt werden, was durch eine die optische Weglänge im Autokollimationsstrahlengang choppende, rotierende Glasplatte geschieht.

Dieses Verfahren der Signalgewinnung ist trotz des erforderlichen hohen Aufwandes für Chopper und Schwenkspiegel unbefriedigend, da das analoge Nutzsignal des Detektors einen geringen Störabstand besitzt. Da das Verfahren ausserdem verhältnismässig langsam arbeitet - der Schwenkspiegel wird positioniert, die Fokuslage während des gesamten Fokussiervorganges gemessen, der Schwenkspiegel wieder zurückgeklappt - kann es nur zwischen längeren Aufnahmeserien der Luftbildkammer zur Nachfokussierung eingesetzt werden.

Ausgehend von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Arbeitsgeschwindigkeit des Verfahrens zu erhöhen und den apparativen Aufwand der zu einer Durchführung benötigten Einrichtung zu verringern. Diese Aufabe wird gemäss den Kennzeichen der Ansprüche 1 zw. 6 gelöst.

Durch die mit dem Verfahren erzielte hohe Arbeitsgeschwindigkeit ist es möglich, die Lage der Schärfenebene auch während einer Aufnahmesequenz genau zu ermitteln. So ist die Zeit, während der z.B. der in der Aufnahmekammer in der Regel verwendete Schlitzverschluss die Filmebene zwischen den Belichtungsvorgängen abdeckt dafür mehr als ausreichend.

Die zur Durchführung des Verfahrens benutzte Einrichtung arbeitet ohne bewegte Teile und ist daher nicht nur preiswerter zu fertigen sondern kann auch kompakter gebaut werden und unterliegt keinem Verschleiss.

Die Genauigkeit der Bestimmung der Schärfenebene hängt bei vorgegebener Anzahl und Grösse der Einzeldetektoren von der Neigung der Sensorzeile bzw. der Hilfsstruktur (Gitter) gegen die optische Achse des Autokollimationsstrahlenganges ab, die möglichst klein gewählt werden soll. Andererseits ist der Arbeitsbereich dem Sinus des Neigungswinkels direkt proportional. Um eine ausreichende Genauigkeit über einen möglichst grossen Arbeitsbereich wie er bei2

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spielsweise zur Scharfeinstellung von Luftbildkammern gefordert wird, sicherzustellen, ist es nun vorteilhaft, grössere Ablagen der Schärfenebene erst einmal grob durch Verstellen eines Linsengliedes auszuregeln, dessen Verstellung sich aus den gemessenen Werten z.B des Luftdrucks nach einer vorbestimmten Funktion ergibt. Die Feineinstellung erfolgt dann anschliessend, nachdem die genaue Lage der dann im Arbeitsbereich der Sensorzeile liegenden Schärfenebene durch das erfindungsgemässe Verfahren bestimmt worden ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

I m folgenden wird die Erfindung anhand der Fig. 1 -4 der beigefügten Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze der erfindungsgemässen Einrichtung einschliesslich des Regelkreises der Autofokus-siereinrichtung;

Fig. 2 skizziert die Anordnung der Sensorzeile aus Fig. 1 ;

Fig. 3 skizziert typische Ausgangssignalfolgen der Sensorzeile wobei

Fig. 3a das Nutzsignal bei voller Auflösung der Hilfsstruktur,

Fig. 3b ein Bezugssignal, mit dem das Nutzsignal verglichen wird,

Fig. 3c ein Beispiel für die Empfindlichkeitsverteilung der Detektorelemente

Fig. 3d ein Beispiel für das vom Aufnahmeobjekt verursachte Störsignal darstellen.

Fig. 4 stellt eine modifizierte Ausführungsform der in Fig. 1 skizzierten Einrichtung dar.

Wie Fig. 1 zeigt besteht das Aufnahmeobjektiv, dessen exakte Fokuslage ermittelt werden soll, aus zwei Linsen 2a und 2b, vor denen ein Spektralfilter 3 angeordnet ist. Die Innenseite des Filters 3 ist teilverspiegelt. Die Spiegelschicht 1 ist so ausgelegt, dass der grösste Teil (wenigstens 90%) des von der abzubildenden Szene, d.h. aus dem Gegenstandsraum 15 kommenden Lichts transmittiert wird.

In der Filmebene 4 sind ein Strichgitter 7 und eine Sensorzeile 5 angeordnet, welches ein handelsübliches Fotodiodenarray oder Charge Coupled Device (CCD)-Array sein kann, das aus einer Aneinanderreihung von typischerweise 2048 photoempfindlichen Einzelelementen besteht. Eine Blitzlampe 8 dient zur Beleuchtung des Gitters 7.

Die Spiegelschicht 1 und die Objektivoptik 2 bilden einen Autokollimationsstrahlengang, über den das Gitter 7 auf die Sensorzeile 5 abgebildet wird. Da der Detektor 5 einen Neigungswinkel a mit der Filmebene einschliesst, wird auf ihm nur ein Teil des Gitters 7 scharf, d.h. mit gutem Kontrast abgebildet, in den Randbereichen geht der Kontrast stark zurück, umsomehr je näher die Gitterkonstante des Gitter 7 an der Auflösungsgrenze des Objektivs liegt. Das von den n Elementen der Sensorzeile abgegebene Signal 10 hat also etwa die in Fig. 3a skizzierte Form, wobei der Punkt maximaler Modulationsamplitude die Lage der Schärfenebene 9

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bestimmt, die wie in Fig. 2 dargestellt ist, von der Filmebene 4 abweicht.

Das von der Ansteuerelektronik 13 dem Array 5 entnommene Signal wird einem Mikroprozessor 14 zugeführt, der das Signal bestmöglich in eine typische Ortsfrequenzmodulationsfunktion repräsentierende Hüllkurve 11 einpasst und die Lage ihres Schwerpunktes 12 bestimmt (Fig. 3b). Aus der Ablage dieses Punktes von der Mitte 2 der Sensorzeile werden dann die Feinverstelldaten für den Antrieb 16 des Linsengliedes 2a berechnet, mit dessen Hilfe die Schärfenebene 9 in die Filmebene 4 zurückgeführt wird.

Der Mikroprozessor 14 steuert ausserdem die Zündung der Blitzlampe 8 über deren Steuerelektronik 17 und zwar synchron mir dem nicht dargestellten Filmtransport in den Aufnahmepausen, so dass kein Überstrahlen des vom Objektraum 15 aufgenommenen Bildes auftritt. Ausserdem steuert er die Grobeinstellung des Linsengliedes 2a, indem er die Werte für den Luftdruck und die Temperatur im Objektiv, die mit Hilfe der Sensoren P und T gemessen werden, gemäss einer vorher empirisch bestimmten, einprogrammierten Funktion in Verstelldaten für den Antrieb 16 umrechnet.

Der Mikroprozessor 14 hat weiterhin die Aufgabe, das Nutzsignal 10 mit der Empfindlichkeit der Einzelelemente zu entfalten, was durch Division durch eine bei homogener Beleuchtung der Sensorzeile 5 gewonnenen Signalfolge 18 geschieht (Fig. 3c).

Störsignale, die durch das aus dem Objektraum 15 kommende, auf den Sensor auffallende Licht verursacht werden, können unterdrückt werden, indem eine kurz vor dem Zünden des Blitzlichts 8 gewonnene Signalfolge 19 von dem Nutzsignal 10 subtrahiert wird (Fig. 3d).

Fig. 4 zeigt eine etwas abgewandelte Ausführungsform der der in Fig. 1 skizzierten Einrichtung. Das dargestellte Objektiv 112 besitzt zwei Linsenglieder 102, 103, von denen das vorderste eine Planfläche aufweist, die mit einer Schicht 101 teilverspiegelt ist. Der Autokollimationsstrahlengang enthält zwei Umlenkspiegel 110, 111 die so angeordnet sind, dass der für die Aufnahme genutzte Bereich der Filmebene 104 nicht abgedeckt ist. Weiterhin ist eine Zusatzoptik 106 vorgesehen über die das Gitter 107 vergrössert auf den in der Ebene 104' angeordneten Sensor 105 abgebildet wird, um die Abmessungen seiner Elemente an die Gitterkonstante des Gitters 107 anzupassen, die an der Auflösungsgrenze des Objektivs 112 liegt.

Das Linsenglied 102 ist zur Einstellung unterschiedlicher Aufnahmeentfernungen längs der optischen Achse verschiebbar. Um den Autokollimationsstrahlengang an die eingestellte Aufnahmeentfernung anpassen zu können ist auch das aus Gitter 107 und Blitzlampe 108 bestehende Bauteil 114 verschiebbar am Gehäuse befestigt.

Wenn das Objektiv 112 also abweichend von dem in Fig. 1 dargestellten Fall der Gegenstandsweite œ auf endliche Aufnahmeentfernung ausgezogen wird, ist das Bauteil 114 in der durch den Pfeil 113 angedeuteten Richtung zu verschieben, was durch eine (nicht dargestellte) Zwangskopplung der beiden Einstellmechaniken erreicht werden kann.

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1 Blatt Zeichnungen

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660802 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Ermittlung der Lage der Schärfenebene eines Aufnahmeobjektivs durch Autokollimation einer im Objektiv angeordneten Hilfsstruktur auf einen in der Filmebene bzw. einer dazu korrelierten Ebene angeordneten Detektor, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsstruktur (7, 107) über einen feststehenden Spiegel (1,101) kurzzeitig auf eine aus einer Vielzahl von Einzeldetektoren bestehende, relativ zur Hilfsstruktur geneigte Sensorzeile (5,105) aufbelichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignalfolge (10) des Sensors (5,105) mit einer gespeicherten Signalfolge (18, 19) gefaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherte Signalfolge ( 18) die Empfindlichkeit des Sensors (5, 105) repräsentiert.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherte Signalfolge ( 18) eine vor der Aufbelichtung der Hilfsstruktur (7,107) durch Abbildung des Aufnahmeobjekts auf den Sensor (5,105) entstandene Signalfolge (19) ist.

5. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-4 zur automatischen Scharfeinstellung des Aufnahmeob-jektivs einer Luftbildkammer, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Umweltparameter Luftdruck (P) und Temperatur (T) gemessen und sein Einfluss auf die Bildschärfe durch Verstellen eines Linsengliedes (2a) gemäss einer vorbestimmten Funktion grob ausgeregelt wird und dass sich daran die Feineinstellung des Linsengliedes (2a) aufgrund der ermittelten Lage der Schärfenebene (9) anschliesst.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-4, bestehend aus einer im Objektiv (2,112) angeordneten Hilfsstruktur (7, 107), einer Lichtquelle^, 108) zur Beleuchtung der Hilfsstruktur (7,107), einem vor dem Objektiv (2, 112) angeordneten Spiegel (1, 101) und einem in der Filmebene (4) bzw. in einer zu ihr korrelierten Ebene (104) angeordneten Detektor, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (1, 101) feststeht und teildurchlässig ist, der Detektor eine aus einer Vielzahl von Einzeldetektoren gebildete Sensorzeile (5,105) ist und die Hilfsstruktur (7, 107) bzw. die Sensorzeile (5, 105) gegen die optische Achse des Autokollimationsstrahlenganges geneigt angeordnet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (8, 108) eine Blitzlampe ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (12, 101) durch eine die gesamte Objektivöffnung abdeckende Planfläche eines optischen Elementes (3,102) des Objektivs gebildet ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsstruktur (107) in Lichtrichtung einstellbar befestigt ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsstruktur (7) im wesentlichen die gleiche Periodizität wie die Sensorzeile (5) besitzt.