-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fokussiervorrichtung für ein abbildendes optisches System.
-
Bei abbildenden optischen Systemen, die in der Regel einen digitalen Bildsensor zur Aufnahme von Standbildern oder Laufbildern aufweisen, besteht die Notwendigkeit, die Fokuslage des optischen Systems an unterschiedliche Objektabstände anzupassen, um eine scharfe Abbildung eines Objekts in der Ebene des Bildsensor zu gewährleisten. Bei herkömmlichen abbildenden optischen Systemen erfolgt die Fokussierung üblicherweise durch eine Veränderung der Bildweite, also des Abstands zwischen dem Objektiv des optischen Systems und dem Bildsensor. Die Fokussierung erfolgt dabei in Abhängigkeit von einem Fokussteuersignal, welches in bekannter Weise beispielsweise durch eine Auswertung der von dem Bildsensor aufgenommenen Bilder oder durch eine oftmals infrarotlichtbasierte Abstandsmessung ermittelt werden.
-
In der Regel erfolgt die Fokussierung bei herkömmlichen optischen Systemen durch ein Verschieben des Objektivs bzw. von einzelnen Linsen oder Linsengruppen des Objektivs. Hierbei müssen jedoch relativ große Massen bewegt werden, sodass aufgrund der Massenträgheit die Fokussiergeschwindigkeit relativ gering ist. Dies ist insbesondere dann von Nachteil, wenn sich der Abstand zwischen den abzubildenden Objekten und dem optischen System in rascher Folge ändert, wie es etwa bei Codelesern der Fall ist, die zum Beispiel in der Logistik zur Erfassung von Objekten eingesetzt werden. Derartige Codeleser müssen in der Lage sein, Objekte, die sich mit Geschwindigkeiten von bis zu 3 m/s durch das Bildfeld des optischen Systems bewegen, anhand eines auf dem Objekt angebrachten Codes sicher zu identifizieren. Je nach Objektgröße befindet sich der Code in unterschiedlichen Distanzen zum Codeleser, beispielsweise bei Briefen, Päckchen oder Paketen. Um eine zuverlässige Erfassung des Codes zu gewährleisten, muss die Fokussierung innerhalb von wenigen Millisekunden erfolgen. Im Fall der vorstehend erwähnten beweglichen Objektive erfordert dies mechanisch aufwändige Konstruktionen, die einen entsprechend großen Bauraum beanspruchen. Dennoch ist die Lebensdauer solcher Konstruktionen begrenzt und beträgt manchmal lediglich einige 10.000 Zyklen. Aufgrund von Toleranzen ist zudem die Fokussierungspräzision begrenzt.
-
Fokussiervorrichtungen, die auf der Verwendung von gegeneinander verschiebbaren Phasenplatten beruhen, sind in
WO 2011/019283 A1 ,
US 2007/0247725 A1 ,
US 3 305 294 A und
WO 2007/037691 A2 beschrieben. Eine Einrichtung zur Erhöhung der Schärfentiefe, die ebenfalls auf der Verwendung von gegeneinander verschiebbaren Phasenplatten beruht, ist aus
EP 1 445 640 B1 bekannt.
DE 39 11 664 A1 beschreibt ein pankratisches System. Eine Positioniervorrichtung für optische Elemente ist in
DE 39 24 253 C2 erwähnt. In
AT 259 906 B ist eine optische Auswahleinrichtung offenbart. Die Berücksichtigung des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen Fokusversatz und Objektweite ist aus der
DE 29 15 638 A1 bekannt.
-
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Fokussiervorrichtung bereitzustellen.
-
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1, welcher eine Fokussiervorrichtung für ein abbildendes optisches System betrifft, wobei das optische System eine optische Achse aufweist, mit einem Phasenplattensystem, welches zwei Phasenplatten umfasst, welche entlang der optischen Achse angeordnet sind, wobei jede Phasenplatte einen im wesentlichen kubischen Phasenverlauf aufweist, einer Positioniervorrichtung, welche dazu ausgelegt ist, die Phasenplatten lateral zur optischen Achse längs ihrer Diagonalen in zueinander entgegengesetzten Richtungen um jeweils den gleichen Betrag zu versetzen, und einer Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, ein Steuersignal zu empfangen, einen Versatz der Phasenplatten in Bezug auf die optische Achse auf der Grundlage des Fokussteuersignals zu ermitteln und die Positioniervorrichtung zum Versetzen der Phasenlage mit dem ermittelten Versatz anzusteuern. Durch das gegenläufige Versetzen der Phasenplatten kann der effektive Phasenverlauf des Phasenplattensystems modifiziert werden, so dass sich die Brechzahl des optischen Systems sowohl in positiver als auch in negativer Richtung verändern lässt. Der Strahlengang des abbildenden optischen Systems wird so beeinflusst, dass zur Fokussierung der Abstand zwischen dem Objektiv und dem Bildsensor nicht verändert werden muss und die Fokussierung allein durch das gegenläufige Versetzen der Phasenplatten erfolgt.
-
Mithilfe der Fokussiervorrichtung ist es möglich, innerhalb eines großen Objektdistanzbereichs stets eine scharfe Abbildung des Objekts zu erhalten. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Fokussiervorrichtung, bei welcher das Objektiv bzw. Linsen oder Linsengruppen des Objektivs axial zur optischen Achse verstellt werden und oftmals Massen von mehr als 100 g bewegt werden müssen, sind bei der erfindungsgemäßen Fokussiervorrichtung nur relativ geringe Massen, typischerweise nur einige g, zu bewegen. Der hierfür notwendige Versatz der Phasenplatten ist dabei vergleichsweise gering und beträgt nur wenige Millimeter. Somit kann die Fokussierung innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums durchgeführt werden, der typischerweise nur einige ms bis einige 10 ms beträgt. Das Versetzen der beiden Phasenplatten kann linear oder entlang eines Kreisbogens erfolgen, was nachfolgend noch näher erläutert wird. Die erfindungsgemäße Fokussiervorrichtung kann, vom Objekt aus betrachtet, sowohl vor als auch hinter dem Objektiv des abbildenden optischen Systems angeordnet werden, wobei eine Anordnung vor dem Objektiv, also zwischen Objekt und dem Objektiv, bevorzugt ist.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist jede Phasenplatte eine plane Fläche und eine gegenüberliegende gewölbte Fläche auf, wobei die gewölbten Flächen bevorzugt einander zugewandt sind. Hierbei ist der Abstand der beiden Phasenplatten voneinander gerade so groß gewählt, dass der für einen gewünschten Fokussierbereich bzw. Brechzahlbereich des Gesamtsystems erforderliche Versatz ohne gegenseitige Berührung der beiden Phasenplatten eingestellt werden kann.
-
Bevorzugt weisen die Konturen der gewölbten Flächen der Phasenplatten jeweils zumindest eine Erhebung und zumindest eine Vertiefung auf, wobei die Phasenplatten derart angeordnet sind, dass die Erhebung der einen Phasenplatte der Vertiefung der anderen Phasenplatte zugeordnet ist. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Anordnung der Phasenplatten.
-
Vorzugsweise weisen die gewölbten Flächen der Phasenplatten die gleiche Kontur auf. Insbesondere sind die Phasenplatten identisch zueinander. Dies vereinfacht die Konstruktion und Herstellung des Phasenplattensystems.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Konturen der gewölbten Flächen der Phasenplatten durch ein Polynom definiert, wobei das Polynom zumindest einen Term a1·x3 + a2·y3 umfasst, wobei bevorzugt die Koeffizienten a1 und a2 gleich sind. Bei den Größen x und y handelt es sich um die senkrecht zur optischen Achse verlaufenden Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems, wobei der Ursprung des Koordinatensystems einen Symmetriepunkt der jeweiligen Phasenplatte definiert, der in einer Grundstellung der Phasenplatten, in welcher der Versatz gleich Null ist, mit der optischen Achse zusammenfällt.
-
Bevorzugt kann das Polynom zusätzlich einen Term b1·x4 + b2·y4 umfassen, wobei bevorzugt die Koeffizienten b1 und b2 gleich sind. Phasenplatten, deren gewölbte Flächen durch ein derartiges Polynom definiert sind, haben sich als besonders geeignet erwiesen. Grundsätzlich kann das Polynom alternativ oder zusätzlich auch Terme höherer als der vierten Ordnung enthalten. Grundsätzlich ist jedoch der vorstehend genannte Term a1·x3 + a2·y3 bestimmend für den Phasenverlauf.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Fokussteuersignal einen die Objektdistanz bzw. den Objektabstand repräsentierenden Fokuswert, wobei die Steuereinrichtung zur Ermittlung des Versatzes auf der Grundlage des Fokuswerts mittels wenigstens einer der Steuereinrichtung gespeicherten Nachschlagetabelle ausgelegt ist. Die Verwendung von Nachschlagetabellen ermöglicht eine besonders einfache Anpassung der Fokussiervorrichtung an verschiedene Objektivtypen, insbesondere an verschiedene Brennweiten. So können beispielsweise in der Steuereinrichtung mehrere Nachschlagetabellen für verschiedene Objektivtypen bzw. Brennweiten gespeichert sein. Weiterhin kann auch in Abhängigkeit von dem verwendeten Objektiv eine spezifische Nachschlagetabelle in die Steuereinrichtung eingespeichert werden.
-
Ferner kann alternativ oder zusätzlich eine Kalibrierfunktion vorgesehen werden, sodass im Rahmen eines vorgängigen Einlernvorgangs, bei dessen Durchführung die Fokussiervorrichtung bevorzugt bereits in das optische System integriert ist, eine entsprechende Nachschlagetabelle generiert werden kann. Hierbei besteht die Möglichkeit, Fertigungstoleranzen, die sich insbesondere in einem leicht variierenden Abstand zwischen dem Objektiv und dem Bildsensor bemerkbar machen, zu kompensieren. Weiterhin können auch verschiedene Nachschlagetabellen für unterschiedliche Umgebungstemperaturen generiert werden, so dass auch thermische Einflüsse auf die Fokuslage oder Drift kompensiert werden können.
-
Alternativ kann das Fokussteuersignal auch mithilfe eines Algorithmus erzeugt werden. Weiterhin kann ein iteratives Fokussieren vorgesehen werden, wobei zunächst anhand der ermittelten Unschärfe eines aufgenommenen Bildes ein Versatz berechnet und eingestellt wird. Anschließend wird erneut ein Bild aufgenommen und eine etwaige Restunschärfe ermittelt, welche als Grundlage für eine nachfolgende Feineinstellung des Versatzes herangezogen wird.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist zumindest eine der Phasenplatten eine mit der Steuereinrichtung verbundene Sensoranordnung zur Ermittlung eines eingestellten Versatzes auf, wobei die Steuereinrichtung ferner dazu ausgelegt ist, die Positioniervorrichtung zusätzlich auf der Grundlage des eingestellten Versatzes anzusteuern. Die Sensoranordnung ermöglicht auf diese Weise eine Bestimmung der tatsächlichen Position der Phasenplatten bzw. einer Relativposition der Phasenplatten zueinander, sodass eine präzise Einstellung des Versatzes unabhängig von der Wiederholgenauigkeit der Positioniervorrichtung möglich ist. Auf der Grundlage des von der Sensoranordnung ermittelten eingestellten Versatzes kann also eine Regelung implementiert werden. Die Sensoranordnung kann zum Beispiel einen magnetischen, einen optischen, insbesondere interferometrischen, einen induktiven oder einen kapazitiven Weg- oder Winkelsensor umfassen. Bevorzugt ist an jeder Phasenplatte eine eigene Sensoranordnung vorgesehen. Bei einer spielfreien Zwangskopplung der beiden Phasenplatten ist auch nur eine einzige Sensoranordnung ausreichend.
-
Erfindungsgemäß weist die Positioniervorrichtung wenigstens eine Antriebseinrichtung und wenigstens ein Getriebe zur Umsetzung eines Verstellwegs der Antriebseinrichtung in einen Versatz der Phasenplatten auf. Als Getriebe können alle geeigneten Arten von Getrieben verwendet werden, zum Beispiel Zahnrad-, Reibrad-, Kurven- oder Wälzkurvengetriebe. Als Antriebseinrichtung kann beispielsweise ein Elektromotor, ein Piezomotor oder ein Schrittmotor verwendet werden, wobei im Fall eines Schrittmotors aufgrund dessen Wiederholgenauigkeit eine Sensoranordnung zur Ermittlung des eingestellten Versatzes auch entfallen kann.
-
Es ist möglich, jeder Phasenplatte eine eigene Antriebseinrichtung zuzuordnen. Alternativ kann auch nur eine einzige Antriebseinrichtung vorgesehen werden, welche beide Phasenplatten gemeinsam antreibt oder nur eine der Phasenplatten antreibt, welche mit der anderen Phasenplatte zwangsgekoppelt ist.
-
Erfindungsgemäß ist das Getriebe derart ausgelegt, dass in einem Nahbereich des optischen Systems ein kleiner Verstellweg eine große Versatzänderung bewirkt und in einem Fernbereich des optischen Systems ein großer Verstellweg eine kleine Versatzänderung bewirkt. Es handelt sich also um ein nichtlineares Getriebe, das bevorzugt so ausgelegt ist, dass annähernd ein lineares Verhältnis zwischen jeweiligen Verstellpositionen der Antriebseinrichtung und den zugehörigen, im Fokus liegenden Objektabständen des optischen Systems vorliegt. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, das zwischen gegebenen Objektabständen und den zugehörigen Versatzwerten kein linearer Zusammenhang besteht. So erfordert eine Änderung des Objektabstandes um ein bestimmtes Maß im Fernbereich eine kleinere Änderung des Versatzes als im Nahbereich. Daher wird angestrebt, dass durch eine entsprechende Getriebeauslegung unabhängig vom Objektabstand über den gesamten Fokussierbereich eine bestimmte Änderung des Objektabstands zumindest annähernd mit dem gleichen Verstellweg der Antriebsvorrichtung korreliert. Dadurch wird über den gesamten Fokussierbereich eine möglichst gleichmäßige Auflösung erreicht.
-
Bevorzugt umfasst das Getriebe zwei auf einer mit der Antriebseinrichtung gekoppelten Welle angeordnete Kurvenscheiben, welche zur Umsetzung einer Drehbewegung der Welle in Linearbewegungen der Phasenplatten mit einem jeweiligen, mit einer der Phasenplatten gekoppelten Nocken zusammenwirken. Mittels einer derartigen Kurvenscheibenanordnung lassen sich die Phasenplatten auf besonders einfache und präzise Weise versetzen.
-
Die Erfindung betrifft ferner ein abbildendes optisches System, welches ein Objektiv und eine erfindungsgemäße Fokussiervorrichtung umfasst, wobei die Fokussiervorrichtung bevorzugt im Bereich der Eintrittspupille oder der Austrittspupille des Objektivs angeordnet ist. Bei einer Anordnung im Bereich der Eintrittspupille bestehen die Vorteile in einer geringen Temperaturabhängigkeit, einer geringeren Verzeichnung und geringeren Abschattungen im Bild bei Verunreinigungen durch Staub oder dergleichen. Eine Anordnung im Bereich der Austrittspupille ermöglicht hingegen eine kompaktere Bauform des Systems und erleichtert ein Auswechseln des Objektivs.
-
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen genannt.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
-
1 bis 3 schematische Strahlengänge eines abbildenden optischen Systems, welches eine erfindungsgemäße Fokussiervorrichtung umfasst, sowie die zugehörigen Kontrasttransferfunktionen, jeweils für verschiedene Objektweiten bzw. Einstellungen der Fokussiervorrichtung,
-
4 eine schematische Darstellung einer Phasenplatte der erfindungsgemäßen Fokussiervorrichtung in Draufsicht,
-
5 eine schematische Darstellung der Phasenplatte von 4 in perspektivischer Ansicht,
-
6 und 7 schematische Darstellungen einer erfindungsgemäßen Fokussiervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel in verschiedenen Verstellpositionen in Draufsicht,
-
8 eine Seitenansicht der Fokussiervorrichtung gemäß 7,
-
9 eine schematische Darstellung einer Sensoranordung zur Ermittlung eines eingestellten Versatzes der Phasenplatten in Draufsicht und Seitenansicht.
-
In 1 bis 3 ist jeweils im oberen Teil ein abbildendes optisches System 10 dargestellt, welches eine Objektebene 16, ein nur schematisch dargestelltes Objektiv 18 und eine Bildebene 20 aufweist. Im Strahlengang des optischen Systems 10 ist eine erfindungsgemäße Fokussiervorrichtung 12 angeordnet. Die Fokussiervorrichtung 12 umfasst zwei im Wesentlichen zueinander identische Phasenplatten 14a, 14b, welche unmittelbar beabstandet entlang der optischen Achse im Bereich der Eingangspupille des Objektivs 18 angeordnet sind.
-
Jede Phasenplatte 14a, 14b weist eine plane Fläche 24a bzw. 24b und eine gegenüberliegende gewölbte Fläche 26a bzw. 26b auf.
-
Eine beispielhafte Phasenplatte 14a bzw. 14b, wie sie in 4 und 5 dargestellt ist, ist bevorzugt aus transparentem Kunststoff, wie beispielsweise Polymethylmethacrylat mit einem Brechungsindex von 1,492, gefertigt, kann jedoch zum Beispiel auch aus Glas hergestellt sein. Die Phasenplatte 14a bzw. 14b weist einen aktiven kreisförmigen Bereich auf, dessen Radius im vorliegenden Ausführungsbeispiel 19 mm beträgt. In 4 sind die x- und y-Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems dargestellt. Die z-Koordinate verläuft in Richtung der optischen Achse A des optischen Systems 10 (1 bis 3).
-
Die Kontur oder das Höhenprofil der gewölbten Fläche 26a bzw. 26b in z-Richtung lässt sich durch ein Polynom beschreiben, welches einen Term (a1·x3 + a2·y3) + (b1·x4 + b2·y4) umfasst. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel betragen die Koeffizienten a1 = a2 = 3,8796296·10–4 und b1 = b2 = 1,4393117·10–6.
-
Dies ergibt eine Kontur, wie sie in 5 dargestellt ist.
-
Die Konturen der gewölbten Flächen 26a, 26b weisen somit Vertiefungen 28a, 28b und Erhebungen 30a, 30b auf, wobei sich die tiefsten Punkte der Vertiefungen 28a, 28b bei x = –19 mm, y = 0 mm bzw. x = 0 mm, y = –19 mm und die höchsten Punkte der Erhebungen 30a, 30b bei den Koordinaten x = 19 mm, y = 0 mm bzw. x = 0 mm, y = 19 mm befinden.
-
Mit den genannten Werten beträgt die größte Höhe der Erhebungen 30a, 30b bezogen auf eine fiktive Grundebene, welche durch die Höhe 0 der Kontur bei x = y = 0 definiert ist, 330 μm und die größte Tiefe der Vertiefungen 28a, 28b, bezogen auf die Grundebene, –820 μm.
-
Wie in 1 bis 3 zu erkennen ist, sind die Phasenplatten 14a, 14b so angeordnet, dass ihre gewölbten Flächen 26a, 26b einander zugewandt sind. Die Phasenplatten 14a, 14b sind dabei so orientiert, dass die Vertiefungen 28a, 28b der einen Phasenplatte den Erhebungen 30a, 30b der anderen Phasenplatte zugeordnet sind.
-
Mit Hilfe einer nachfolgend noch näher erläuterten Positioniervorrichtung können die Phasenplatten 14a, 14b lateral, insbesondere senkrecht zur optischen Achse längs ihrer Diagonalen in zueinander entgegengesetzten Richtungen um jeweils den gleichen Betrag versetzt werden, wobei die Diagonalen im Ausführungsbeispiel von x = y = –19 mm nach x = y = 19 mm verlaufen. Die in Richtung der Diagonalen verlaufende Versatzrichtung V ist in 1 bis 5 durch einen Doppelpfeil angedeutet.
-
Nachfolgend wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Fokussiervorrichtung 12 näher erläutert.
-
Bei allen im oberen Teil der 1 bis 3 dargestellten Strahlengängen ist der Abstand zwischen dem Objektiv 18 und der Bildebene 20 konstant.
-
Im unteren Teil der 1 bis 3 ist eine jeweilige Modulationstransferfunktion (MTF) 22 dargestellt, welche die Modulation im Bild in Abhängigkeit von der Ortsfrequenz f (in Linienpaaren/mm) für verschiedene Objektpunkte darstellt.
-
Bei der Darstellung gemäß 1 beträgt der Objektabstand 160 mm und der Versatz der Phasenplatten 14a, 14b in Bezug auf die optische Achse A jeweils 1 mm.
-
Wie in der MTF 22 von 1 zu erkennen ist, ist der Versatz der Phasenplatten 14a, 14b so eingestellt, dass das Objekt scharf abgebildet wird.
-
In 2 wurde gegenüber der Konfiguration von 1 der Objektabstand auf 180 mm vergrößert. Der Phasenversatz von 1 mm wurde beibehalten. Die zugehörige MTF 22 des Bildes zeigt das Vorliegen einer Defokussierung.
-
Bei der Darstellung von 3 beträgt der Objektabstand wiederum 180 mm. Der Versatz der Phasenplatten 14a, 14b wurde auf jeweils 1,6 mm, bezogen auf die optische Achse A, vergrößert. Wie anhand der zugeordneten MTF 22 zu erkennen ist, befindet sich das Objekt nun wieder im Fokus.
-
Mit Bezug auf 6 bis 8 wird nun der Aufbau und die Funktionsweise einer Positioniervorrichtung 32 einer erfindungsgemäßen Fokussiervorrichtung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
-
Gemäß 8 ist die Fokussiervorrichtung 12 im Bereich der Eintrittspupille des Objektivs 18 angeordnet. Die von einem Objekt ausgehenden Lichtstrahlen treffen also zunächst auf die Phasenplatten 14a, 14b, treten anschließend durch das Objektiv 18 hindurch und treffen dann auf einen Bildsensor 50. Eine derartige Anordnung der Fokussiervorrichtung 12 im Bereich der Eintrittspupille des Objektivs 18 hat sich bezüglich der Anforderungen an die optische Qualität der Phasenplatten als vorteilhaft erwiesen. Zudem hat sich gezeigt, dass diese Anordnung eine geringere Empfindlichkeit in Bezug auf Temperaturschwankungen aufweist. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, die Fokussiervorrichtung 12 im Bereich der Austrittspupille des Objektivs 18, also zwischen Objektiv 18 und dem Bildsensor 50 anzuordnen.
-
Die Positioniervorrichtung 32 weist einen ortsfesten Träger 34 auf, an welcher eine Antriebseinrichtung 36 gelagert ist. Die Antriebseinrichtung 36 treibt eine Welle 38 an, welche den Träger 34 durchdringt. Auf der Welle 38 sind auf der der Antriebseinrichtung 36 gegenüberliegenden Seite zwei Kurvenscheiben 40a, 40b befestigt.
-
Am Träger 34 sind ferner zwei Rahmen 42a, 42b linear verschieblich gehalten, welche als Einfassung oder Halterung für die Phasenplatten 14a bzw. 14b dienen. Die Rahmen 42a, 42b sind in 6 und 7 separat von einander in Draufsicht dargestellt. Die Versatzrichtung V der Rahmen 42a, 42b ist in 6 bis 8 durch einen Doppelpfeil angegeben. Jeder Rahmen 42a, 42b weist einen Nocken 44a bzw. 44b auf, welcher mit einer Steuerfläche 46a bzw. 46b der jeweils zugeordneten Kurvenscheibe 40a bzw. 40b zusammenwirkt.
-
Zwischen dem Träger 34 und den Rahmen 42a, 42b sind jeweilige vorgespannte Zugfedern 48 derart angeordnet, dass die Nocken 44a, 44b in jeder Verstellposition der Rahmen 42a, 42b an den Steuerflächen 46a, 46b anliegen. Die Steigungen der Steuerflächen 46a, 46b sind so gewählt, dass jeder Rahmen 42a, 42b bei einem bestimmten Drehwinkel der Welle 38 um den selben Betrag, jedoch in eine andere, entgegengesetzte Richtung versetzt wird.
-
Die Positioniervorrichtung 32 kann beispielsweise so ausgelegt werden, dass jeder der die Phasenplatten 14a, 14b tragenden Rahmen 42a, 42b um 2 bis 3 mm in jede Richtung bezogen auf die optische Achse versetzt werden kann. Die Rahmen 42a, 42b sind in 6 und 7 in ihren jeweiligen Endpositionen dargestellt.
-
Der Abstand der Phasenplatten 14a, 14b in Richtung der optischen Achse ist so gewählt, dass bei maximalem Versatz der Phasenplatten gerade keine Berührung der Phasenplatten 14a, 14b erfolgt.
-
Die Ansteuerung der Positioniervorrichtung 32 kann über eine nicht dargestellte Steuereinrichtung erfolgen, welche dazu ausgelegt ist, auf der Grundlage von mithilfe des Bildsensors 50 aufgenommenen Bildern ein Fokussteuersignal zu erzeugen oder ein auf grundsätzlich bekannte Weise erzeugtes Fokussteuersignal zu empfangen, wobei das Fokussteuersignal den Objektabstand repräsentieren kann. Auf der Grundlage dieses Fokussteuersignals kann auf eine der eingangs erläuterten Weisen ein zur korrekten Fokussierung notwendiger Versatz der Phasenplatten ermittelt werden. Die Positioniervorrichtung 32 kann anschließend zur Einstellung dieses Versatzes angesteuert werden.
-
Der Verstellbereich der Positioniervorrichtung 32 und die optischen Eigenschaften der Phasenplatten 14a, 14b werden vorteilhafterweise auf die Anforderungen des abbildenden optischen Systems und auf das Objektiv 18 abgestimmt. Soll beispielsweise der minimale Objektabstand 500 mm und der maximale Objektabstand 2000 mm betragen, so können die Phasenplatten 14a, 14b so optimiert werden, dass sie sich bei einem Objektabstand von 850 mm in ihrer Neutrallage befinden, in welcher der Versatz in Bezug auf die optische Achse 0 mm beträgt.
-
Da der zur Fokussierung erforderliche Versatz keinen linearen Zusammenhang mit der Objektweite aufweist, ist die Steigung der Steuerflächen 46a, 46b bevorzugt so gewählt, dass in einem Nahbereich des optischen Systems ein kleiner Verstellweg eine große Versatzänderung bewirkt und in einem Fernbereich des optischen Systems ein großer Verstellweg der Antriebseinrichtung eine kleine Versatzänderung bewirkt. Bevorzugt werden die Kurvenscheiben 40a, 40b so ausgelegt, dass ein annähernd lineares Verhältnis zwischen dem Drehwinkel der Welle 38 mit dem zu fokussierenden Objektweitenbereich besteht. Somit stellen die Kurvenscheiben 40a, 40b ein nichtlineares Getriebe dar.
-
Um den Versatz der Phasenplatten 14a, 14b präzise und reproduzierbar einstellen zu können, kann die Positioniervorrichtung 32 mit einem Wegsensor gekoppelt sein, mit dessen Hilfe der aktuell eingestellte Versatz in Bezug auf die optische Achse A ermittelt werden kann.
-
Ein solcher Wegsensor kann beispielsweise mit Hilfe einer Sensoranordnung 62 realisiert werden, die nachfolgend mit Bezug auf 6 bis 9 erläutert wird.
-
Die Sensoranordnung 62 umfasst ein Sensorelement 64, welches ausgelegt ist, die Position bzw. Wegdifferenz eines am Sensorelement 64 vorbeigeführten Magnetstreifens 66 in entsprechende Ausgangssignale umzusetzen. Der Magnetstreifen 66 umfasst eine Mehrzahl von sich mit einer festen Periode abwechselnden magnetischen Nord- und Südpolen. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Periode, d. h. der Abstand zwischen zwei gleichartigen Polen 2 mm.
-
Im Sensorelement 64 sind entsprechende magnetfeldsensitive Sensoren, zum Beispiel Hall-Sensoren angeordnet, welche die durch eine Verschiebung des Magnetstreifens 66 in Versatzrichtung V (Doppelpfeil) verursachten Magnetfeldänderungen detektieren und in die entsprechenden Ausgangssignale umsetzen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 9 kann jede Periode mit einer Auflösung von 4096 Einzelwerten abgetastet werden, was zu einer Wegauflösung von ca. 0,5 μm führt.
-
Wie in 6 bis 8 zu erkennen ist, ist der Magnetstreifen 66 auf dem Rahmen 42a angeordnet. Das zugeordnete Sensorelement (nicht dargestellt) ist ortsfest zur optischen Achse angeordnet, kann aber auch auf dem anderen Rahmen 42b vorgesehen werden. Aufgrund der Zwangskopplung der Rahmen 42a, 42b über die von derselben Welle 38 angetriebenen Kurvenscheiben 40a, 40b ist es ausreichend, lediglich eine einzige Sensoranordnung 62 vorzusehen.
-
Insbesondere bei Verwendung der Sensoranordnung 62 kann letztlich eine Positioniergenauigkeit der Phasenplatten 14a, 14b von einigen wenigen μm erreicht werden. Die zur Fokussierung erforderliche Zeit beträgt einige ms bis einige 10 ms.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- optisches System
- 12
- Fokussiervorrichtung
- 14a, 14b
- Phasenplatten
- 16
- Objektebene
- 18
- Objektiv
- 20
- Bildebene
- 22
- MTF
- 24a, 24b
- plane Fläche
- 26a, 26b
- gewölbte Fläche
- 28a, 28b
- Vertiefung
- 30a, 30b
- Erhebung
- 32
- Positioniervorrichtung
- 34
- Träger
- 36
- Antriebseinrichtung
- 38
- Welle
- 40a, 40b
- Kurvenscheibe
- 42a, 42b
- Rahmen
- 44a, 44b
- Nocken
- 46a, 46b
- Steuerfläche
- 48
- Zugfeder
- 50
- Bildsensor
- 62
- Sensoranordnung
- 64
- Sensorelement
- 66
- Magnetstreifen
- A
- optische Achse
- V
- Versatzrichtung
