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"Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Bildebene eines optischen
Systems." Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum
Bestimmen der Bildebene eines optischen Systems durch Ermittlung der Ebene maximalen
Kontrastes unter Anwendung mindestens einer nichtlinear lichtelektrisch empfindlichen
Zelle mit durch die Messung bewirkter Anzeige der Lage der Bildebene, wobei. je
eine Messung an mindestens zwei in Richtung der optischen Achse des zu prüfenden
optischen Systems versetzten Stellen - insbesondere vor und hinter der Bildebene
- durchgeführt wird.
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Es ist bekannt, daß ein Photoviderstand aufgrund der nichtlinearen
Charakteristik seiner Elementarbezirke (Kristalle) bei scharfer Abbildung eines
Objektes auf seine wirksame Fläche nicht den Widerstand annimmt, der einem Mittelwert
des Lichtstromes entsprechen würde. Diese Eigenschaft läƒt sich zur Bestimmung
der Bildebene von Objektiven ausnutzen. Der Verlauf der Leitfähigkeit, bzw. des
Stromes in Abhängigkeit von der Pokussierbewegung ist in Pig. 1 dargestellt.
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Eine Vereinfachung der Messung ergibt sich dadurch, daß zur Kompensation
von Störungen, z.B. Schwankungen des Lampenlichts, der Strahlengang durch einen
Strahlenteiler geführt wird, wobei noch ein weiteres Photoelement dem Strahlengang
ausgesetzt ist. Vor diesem zweiten Photoelement muß sich in gewissem Abstand ein
streuendes Mittel, z.8. eine Mattscheibe, befinden,die dafür sorgt, daB der Vergleichswidemtand
diffus beleuchtet wird und daher von der Bildebene unabhängig. ist. Es ergeben sich
Meßungenauigkeiten bis zu 0,5 mm.
Bei einem anderen Verfahren wurde
die Mattscheibe vo'r'dem zweiten Photoelement weggelassen und dieses Photoelement
auch im abbildenden Strahlengang angeordnet, wobei dieses gegenüber dem ersten um
einen gewissen Betrag, z.B. einige Zehntel Millimeter, in axialer Richtung verschoben
wurde.
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Die Leitfähigkeit jedes der Photoelemente würde die in Fig. 1 gezeigte
Kurve bei einer Pokussierbewegung beschreiben. Da aber die Photoelemente gegeneinander
versetzt sind, sind auch die Kurven gegeneinander versetzt. Bei entsprechender rolung
der Photoelemente und Anordnung in einer Widerstandsbrücke erhält man den in Fig.
2 dargestellten Verlauf des-Stromes der Brücke in Abhängigkeit von der Bokussierbewegung.
Die Bildebene des zu prüfenden Objektivs läßt sich bei diesem Verfahren mit großer
Genauigkeit einstellen. Die Sicherheit der Einstellung beträgt einige pm.
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Als schwerwiegender Nachteil erweist sich jedoch, daß die Form der
Flanken der Leitfähigkeitskurve sehr abhängig ist von Tempera-tur, Alterung usw.,
so daß sich die Lage des Fokus im Verlauf der
Zeit stets verschiebt und
die Reproduzierbarkeit unbefriedigend ist. Selbst bei stets gewissenhaft
justierter iiTiderstandsbrücke ist eine
Verschiebung des Fokus
von einem Tag zum anderen bis zu Zehntel Mil-limeter festzustellen. Die beschriebenen
Verfahren sind aus diesem
Grunde nicht hinreichend zuverlässig.
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Auf den vorstehenden Überlegungen beruhen bekannte Lösungen, die in
der Zeitschrift INPHO Nr. 11, vom 1.6.63, in Electronics News, Nov. 1963 (Automation
in focusing, Andrew Hatheson), sowie in den
beiden DAS 1 173 327 und 1
207 640 beschrieben sind.
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Erfindungsgemäß werden die Nachteile der bekannten Verfahren dadurch
vermieden, daß einerseits der Vechsel der Meßatellen schneller
durchgeführt
wird als die infolge von Störeinflüssen bedinge Änderung der Planken der Meßkurve
und andererseits die Meßstellen möglichst nahe an das Minimum der Leitfähigkeit
gelegt werden. Die Entfernung der beiden Meßstellen voneinander ist daher sehr klein,
vorzugsweise einige .hundertstel Millimeter.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist die
Frequenz des Wechsels der Meßstellen nicht geringer als für die nachfolgende Vechselstromverstärkung
günstig ist und nicht höher als eine obere Frequenz, die sich aus der Zeitträgheit
der lichtelektrisch empfindlichen Zelle ergibt.
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Eine Einrichtung zur Durchführung der Verfahren nach der Erfindung
wird dadurch geschaffen, daß auf einer optischen Bank eine Meßeinrichtung angeordnet
ist, die aus einem Testelement T, einem Kollimationsobjektiv K, einem zu prüfenden
optischen System P und einer lichtelektrisch empfindlichen Zelle Z besteht, wobei
die lichtelektrisch empfindliche Zelle Z eine Widerstaubzelle ist, die zweckmäßig
in an sich bekannter Weise in einer Brückenschaltung angeordnet ist.
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Zur schnallen wechselweisen Messung vor und hinter der Bildebene E
ist eine elektrische Schaltung zur selbsttätigen elektromagnetischen Steuerung mindestens
eines der verschiebbaren Teile Testelement T, Kollimatorobjektiv K oder lichtelektrisch
empfindliche Zelle Z der Meßeinrichtung vorgesehen. Weiterhin ist die lichtelektrisch
empfindliche Zelle auf einem schwingenden Träger angeordnet.
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Eine bevorzugte Ausführungsform wird darin gesehen, daß in den Sirahlengang
des zu prüfenden optischen Systems P oder des Kollimatorobiekti.rs K mindestens
ein optisches Diaphragma G zur schnellen Veränderung der Strahlenweglänge eingefügt
ist.
In Weiterer Augestaltung der Erfindung ist die lii,1f4i6ft3%
gekennzeichnet durch eine elektrische Schaltung zur Servosteuerung eines der verschiebbaren
Teile der Meßeinrichtung, durch die die Messung automatisch ausführbar ist, wobei
die Servosteuerung auch zur automatischen Scharfeinstellung eines optischen Systems
auf seine Bildebene in einer photographischen oder kinematographischen Kamera oder
Fernsehkamera dient.
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Nach einer besonderen Ausführungsform kann die lichtelektrisch empfindliche
Zelle z.B. auf einem schwingenden Träger befestigt sein, der sehr schnell in axialer
Richtung schwingt. Die Amplitude der Schwingung ist dabei nur einige hundertstel
Millimeter groß gewählt. Weit außerhalb des Fokus ergibt sich dabei keine Änderung
des Stromes in Abhängigkeit von der Schwingung. Befindet sich die lichtelektrisch
empfindliche Zelle in der Nähe des Fokus, z.B. auf der Vorderflanke des Leitf ähigkeitsminimums,
so erhält man einen Wechselstrom der Schwingungsfrequenz f. Das gleiche gilt für
die hintere Flanke. Nur im Fokus erhält man durch Überschreiten des Leitfähigkeitsminimums
einen Wechselstrom der doppelten Schwingungsfrequenz 2f. Der Widerstand schwingt
zur Bildebene nur dann symmetrisch, wenn Punkte gleicher Unschärfe unmittelbar vor
und hinter der Bildebene die gleiche Leitfähigkeit ergeben: in diesem Falle entsteht
ein sinusförmiger Wechselstrom der Schwingungsfrequenz 2f.
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Durch eine zur optischen Achse koaxiale schnelle Verschiebung des
Testelementes, des Kollimatorobjektivs oder des zu prüfenden Objektivs ist das gleiche
Meßergebnis erreichbar, ebenso bei Messungen, bei denen in den Strahlengang
des zu prüfenden optischen Systems ein optisches Diaphragma mit veränderlichem
Lichtweg, s.B. eine rotieren-
de Glasscheibe wechselweise verschiedener
Dicke angeordnet ist.
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Eine elektrische Differenzmessung hoher Verstärkung ergibt die erforderliche
Meßgenauigkeit. Die Einstellgenauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messungen liegen
in der Größenordnung von 1 pm. Ein großer
Vorteil des Verfahrens
nach der Erfindung und der Einrichtung zur
Durchführung des Verfahrens liegt
außer in der hohen Genauigkeit darin, daß keinerlei Justagearbeiten am Testelement
oder am Prüfling notwendig sind. Es ist daher als Meßgerät zum Gebrauch in der industriellen
Fertigung sehr geeignet.
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Als Anzeigeinstrument kann ein Oszillograph dienen, oder es kann über
eine Auswertung der Vechselatromsignale mit bekannten Mitteln ein Zeigerinstrument
betrieben werden.
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Die Messung kann dadurch automatisiert Werden, daß die erzeugten Yechselatromsignale
zur Steuerung eines Servosystems, benutzt werden,
das die Inzidenz
mit der Bildebene selbsttätig herbeiführt.
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Figuren 1 und 2 beziehen sich auf den Stand der Technik. Figuren
3 bis 5 veranschaulichen schematisch einige Ausführungsbeispiele
der
erfindungsgemäßen Einrichtung. Es zeigen
Fig. 1 Leitfähigkeitskurve
einer nichtlinear lichtelektrisch emp-
findlichen Zelle in Abhängigkeit
von der Pokussierbevegung, Fig. 2 Leitfähigkeitakurve zweier
zueinander versetzter nichtli-
near lichteliktrisch empfindlicher
Zellen in Abhängigkeit
von der Pokussierbevegung, Fig. 3 Meßeinriahtung
mit einer in zwei Stellungen befindlichen
lichtelektrisch empfindlichen
Zelle,
Fig. 4 Meßeinrichtung mit einem im Strahlengang befindlichen
optischen
Diaphragma, Fig. g Meßeinriohtung mit zwei an eine Brückenschaltung a,ageschlossenen
lichtelektrisch empfindlichen Zellen.
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In Fig. 1 ist auf der Ordinate die elektrische Leitfähigkeit
L
einer nichtlinear lichtelektrisch empfindlichen Zelle Z aufgetragen,
und
zwar in Abhängigkeit ton dar auf der Abszisse aufgetragenen Ent-fernung
S vom zu prUfenden optischen System. Die nichtlinear licht-
elektrisch
empfindliche Zelle Z befindet sich dann in der Bildebene
des zu prüfenden
optischen Systems, wenn die Leitfähigkeit L das aus
der Zeichnung
ersichtliche Minimum hat. Diese Messung ist, .wie im
vorstehenden
ausgeführt wurde, verhältnismäßig ungenau.
Fig.
2 zeigt eine Meßkurve, die sich von der Fig. 1 dadurch unter-
scheidet,
daß anstelle einer einzigen nichtlinear lichtelektrisch
empfindlichen
Zelle zwei derartige Zellen Z,Z' in bestimmter gegen-
seitiger
Anordnung benutzt werden. Beide Zellen werden gleichzeitig
in Achsrichtung
des zu prüfenden optischen Systems verschoben. Gleichzeitig-ist vorgesehen,
daß die beiden Zellen gemäß der Pig. 5 in einer
Brückenschaltung
liegen, wobei die Ausschläge des Meßgerätes M die in
Big.
2 dargestellte Kurve ergeben.
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In Pig. 3 bedeutet Q eine Lichtquelle, die mittels eines
Kondensors C auf ein Kollimator-Objektiv g Licht wirft:
Zwischen dem Kondensor C
und dem gollinator-Objektiv K
ist ein Testelement T, z.8. ein Linien-Raster angeordnet. Hinter
dem Kollimator-Objektiv g ist das zu prüfen-
de optische System P angeordnet.
Durch das au prüfende optische System
P wird das Testelement
T in der Bildebene E abgebildet. Z ist eine
nichtlinear lichtelektrisch
empfindliche Zelle, die zunädist an einer
Stelle angeordnet ist,
in der die Bildebene vermutet wird. Durch Ver-
schieben der Zelle Z
in Richtung der optischen Achse des zu prüfenden optischen Systems wird die
Kurte gemäß Fig. 1 gewonnen.
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Fig. 4 entspricht im wesentlichen der Fig. 3 und unterscheidet
sich
von dieser lediglich dadurch, daß in Strahlengang zwischen dem
zu prüfenden
optischen System P und der nichtlinear lichtelektrisch
i empfindlichen
Zelle Z ein optisches Diaphragma G angeordnet ist, wo-
bei die Zelle
Z fest im Baum angeordnet ist. Durch das optische Dia-
phragma
kann die Veglänge zwischen dem optischen System P und der
Zelle
Z verändert, insbesondere periodisch verändert werden.
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Gemäß den Ausführungsbeispiel ist das Diaphragma G
als rotierender
Körper ausgebildet, dessen schraffierter 7L1
eine andere optische Veglänge aufweist als der nichtschraffierte
Teil. Die Änderungsfrequenz der optischen Veglänge ist größer als
die infolge von Störeinflüssen
bedingte Änderung der Flanken
der Meßkurven nach Fig. 1 und 2. Fig. 5 entspricht wiederum im wesentlichen der
Fig. 3, wobei P wiederum das zu prüfende optische System bedeutet. Jedoch ist im
Strahlengang zwischen dem optischen System P und der nichtlinear lichtelektrisch
empfindlichen Zelle Z ein Strahlenteiler Sp angeordnet, durch den erreicht wird,
daß das vom optischen System P abgebildete Testelement T nicht nur auf die Zelle
Z, sondern gleichzeitig auch auf eine zweite Zelle Z' abgebildet wird. Die beiden
Zellen Z und Z' sind in einer Brückenschaltung an einem Meßgerät M und zwei Ausgleichswiderständen
X und Y angeordnet. D bedeutet eine Mattscheibe, die im Strahlungang zwischen dem
Strahlenteiler Sp und der Zelle Z' angeordnet ist und gewährleistet, daß die Zelle
Z' von diffusem Licht beleuchtet wird. Die Zelle Z wird in beschriebener Weise in
Achsrichtung wechselweise hin und her verschoben.