DE1547456A1 - Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Bildebene eines optischen Systems - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Bildebene eines optischen Systems

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Vetteth Basu John
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/28Systems for automatic generation of focusing signals
    • G02B7/34Systems for automatic generation of focusing signals using different areas in a pupil plane

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)

Description

  • "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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Als Anzeigeinstrument kann ein Oszillograph dienen, oder es kann über eine Auswertung der Vechselatromsignale mit bekannten Mitteln ein Zeigerinstrument betrieben werden.
  • Die Messung kann dadurch automatisiert Werden, daß die erzeugten Yechselatromsignale zur Steuerung eines Servosystems, benutzt werden, das die Inzidenz mit der Bildebene selbsttätig herbeiführt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (1)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1.) Verfahren zum Bestimmen der Bildebene eines optischen Systems durch Ermittlung der Ebene maximalen Kontrastes durch minbstens eine nichtlinear lichtelektrisch empfindliche Zelle mit durch die Messung bewirkter Anzeige der Lage der Bildeben, 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, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Wechsel der Meßstellen schneller durchgeführt wird als die infolge von Störeinflüssen bedingte Änderung-der Charakteristik der lichtelektrisch empfindlichen Zelle (Z), wobei die Meßstellen nahe an das Minimum der Leitfähigkeit gelegt sind. 2.) Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e -t , daß die Frequenz des Wechsels der Meßstellen nicht geringer-als für die nachfolgende Nechselstromverstärkung günstig ist und nicht höher als eine obere Frequenz, die sich aus der Zeitträgheit der lichtelektrisch empfindlichen Zelle ergibt. 3.) Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, d a. d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß auf einer optischen Bank eine Meßeinrichtung, bestehend aus einem Testelement (T), einem Kollimationsobjektiv (K), einem zu prüfenden optischen System (P) und einer lichtelektrisch empfindlichen Zelle (Z) angeordnet ist. 4.) Einrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die lichtelektrisch empfindliche Zelle (Z) eine Widerstandszelle ist. 5.) Einrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, d a d u r c h g e -' k e n n z e i c h n e t , dafl die lichtelektrisch empfindliche Zelle (Z) in einer Brückenschaltung angeordnet ist. 6.) Einrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 5, g e k e n n z e i c hn e t d u r c h eine elektrische Schaltung zur selbsttätigen elektromagnetischen Steuerung mindestens eines der verschiebbaren Teile (TJ,Z) der Beßeinrichtung zur wechselweisen Messung vor und hinter der Bildebene (E). 7.) Einrichtung nach den Ansprücheä 3 bis 6, g e k e n n z e i c hn e t d u r c h eine zur optischen Achse koaxiale Verschiebung mindestens eines der Teile (T,g,Z) der Autokollimations Meßeinrichtung. 8.) Eirichtung nach den Ansprüchen 3 bis 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die lichtelektrisch empfindliche Zelle (Z) auf einem schwingenden Träger befestigt ist. 9.) Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 5' d a d u r eh g e -k e n n z e ich n e, t , daß in den Strahlengang des zu prüfenden optischen Systems (P) mindestens ein optisches Diaphragma (G) zur Veränderung der Strahlenweglänge eingefügt ist. l00) Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h eine elektrische Schaltung zur Servosteuerung eines der verschiebbaren Teile (T, K, Z) der Meßeinrichtung, durch die die Messung automatisch ausführbar ist. 11.) Einrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Servorsteuerung zur automatischen Scharfeinstellung eines optischen Systems auf seine Bildebene in einer photographischen oder kinematographischen Kamera oder Fernsehkamera dient.
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