DE19604462C1 - Lineare Verstelleinheit für Autofocussysteme - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstelleinheit zur automatischen Scharfeinstellung eines projizierten Bildes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Projektionssystem nach dem Stand der Technik mit automatischer Fokussierung ist aus Fig. 1 ersicht­ lich. Eine Bildvorlage 1 wird dabei über ein Projektionsobjektiv auf eine Bildfläche 2 abge­ bildet. Zur Scharfstellung der Abbildung ist das Objektiv in Achsrichtung beweglich in einem Objektivhalter gelagert. Die Bewegung in Achsrichtung wird durch eine Antriebsein­ heit 4* elektromechanisch geregelt.

Zur automatischen Fokussierung in einem Regelkreis ist eine Meßeinheit 5 vorhanden, mit der der Abstand D des Objektives zur Bildvorlage 1 gemessen wird. Die Meßgröße 7 wird über eine elektronische Regeleinheit 6 in ein Korrektursignal für die Antriebsein­ heit 4* überführt und regelt so den Abstand D auf eine vorgegebene Größe. Alternativ kann der Regelkreis auch mit einer Meßeinheit 8 zur Absolutmessung der Stellung des Objektives mit der Abweichung p in Achsrichtung über die Verbindung 9 gebildet werden, um das Objektiv auf eine vorgegebene absolute Stellung zu regeln.

Systeme der beschriebenen Art sind bekannt und werden z. B. in Diaprojektoren einge­ setzt.

Die Meßeinheit 5 wird dann z. B. durch eine optoelektronische Messung entsprechend Fig. 2 realisiert, bei der z. B. mit einer lichtemittierenden Diode in einer Strahlerzeu­ gungseinheit 51 ein Meßstrahl 52 erzeugt wird, der auf ein Diapositiv 1 gerichtet und von dort an der Oberfläche reflektiert wird. Der reflektierte Strahl 53 wird auf einen optoelektronischen Empfänger mit einer Differenzdiodenanordnung in der Einheit 54 abgebildet. Bei Verschieben des Dias 1 in Achsrichtung verschiebt sich der reflektierte Strahl 53 und es wird ein Differenzsignal im Empfänger 54 gebildet, welches als Meßgröße dem Regelkreis zugeführt wird.

Alternativ kann auch die Abweichung von einer Absolutposition des Objektives mit einer Weglängenmeßeinrichtung 8 in Fig. 1 als Meßgröße im Regelkreis verwendet werden. Wegelängenmeßsysteme sind bekannt und werden nach induktiven oder optoelektronischen Verfahren aufgebaut.

Die Antriebseinheit 4* wird in heutigen Diaprojektoren allgemein durch einen kleinen Motor realisiert, der von der Regelelektronik 6 gesteuert wird. Die Drehbewegung des Motors wird über ein Getriebe mit angeschlossener Zahnstange, Gewindestange oder Exzenter in eine gerade Bewegung überführt und auf des Objektiv übertragen. Das Objektiv ist dazu beweglich in Achsrichtung in einer mechanischen Führung gelagert.

In der Patentschrift (US-Patent 3,917,394,A Automatic Component Positioning Device for Optical Systems) ist eine Antriebseinheit für die Bewegung eines Objektives in einem Diaprojektor mit einem Linearmotor beschrieben. Das in einem Regelkreis zu positionierende Objektiv ist nach diesem Patent in einem zylinderförmigen Rohr in axialer Richtung durch Gleitlager beweglich geführt. Das Führungsrohr ist von mehreren Spulen umgeben, mit denen im Bereich der Objektivführung in axialer Rich­ tung bei Anlegen von phasenverschobenen Wechselströmen ein magnetisches Wanderfeld erzeugt wird. Das Gehäuse des Objektives besitzt an der Oberfläche eine elektrisch leitfähige Schicht, in der durch Induktion Ströme durch das Wanderfeld indu­ ziert werden, die wiederum im Zusammenwirken mit dem Wanderfeld Kräfte in axialer Richtung zur Bewegung des Objektives erzeugen. Dieses Prinzip entspricht dem Wechselstrom-Induktionsmotor für eine rotierende Bewegung. Alternativ wird in dem Patent 3,917,394 auch vorgeschlagen, Ringe von Permanentmagneten an dem Objek­ tivträger anzubringen und so ein permanentes Magnetfeld zu erzeugen, welches mit den stromdurchflossenen Spulen am Außenrohr zusammen einen Linearmotor zur axialen Bewegung des Objektives bildet. Ein wesentlicher Nachteil der vorgeschla­ genen Fokussiereinrichtung ist, daß das Objektiv in einem Gleitlager geführt wird. In einem Regelkreis zur Einstellung des Objektives ist damit zu rechnen, daß ein ständi­ ger Übergang von Haft- zu Gleitreibung bei Bewegungsänderungen auftritt und dadurch das Objektiv letztlich ruckhafte Bewegungen ausführt.

Ein ähnliches Prinzip zum Fokussieren und Positionieren einer Objektivlinse wird in der Offenlegungsschrift DE 33 34 911 A1 beschrieben. In dieser Offenlegungsschrift werden nach Fig. 1 stromdurchflossene Spulen 56, 58 und 64 am beweglichen Objektiv 48 angebracht, während in der Umgebung feststehende Permanentmagnete aus Ferrit angeordnet sind, welche zusammen mit den stromdurchflossenen Spulen zwei Linear­ motoren bilden, deren Kraftrichtungen senkrecht zueinander stehen und so das Objektiv in axialer sowie in Querrichtung zur optischen Achse, also in zwei Achsen, bewegen können.

Um eine Bewegung des Objektives 48 in zwei Achsen zu ermöglichen, ist der Objektiv­ träger 14 mit Spulen an einer biegsamen Aufhängevorrichtung befestigt. Im darge­ stellten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 in der DE 33 34 911 wird diese durch vier parallel angeordnete Biegestäbe 82-88 realisiert, von denen jeweils zwei einerseits an der Ober- und Unterkante einer Stirnfläche des quaderförmigen Objektivträgers befestigt sind und die andererseits am feststehenden Träger über die Elemente 70-72 der Gesamt­ anordnung fest eingespannt sind. Durch die Kräftewirkungen der beiden Linearmotoren werden die vier Stäbe jeweils "parallel" verbogen und erlauben dadurch kleine Bewe­ gungen des Objektivkörpers.

Da die Biegestäbe 82-88 an den Befestigungspunkten des Objektivträgers in jeder Richtung quer zu ihrer Achse verbogen werden können, ist es jedoch erforderlich, daß das Objektiv mit Träger und Spulen ein vergleichsweise geringes Gewicht besitzt und zudem eine durch das Eigengewicht verursachte Verbiegung die Federstäbe nur in Achsrichtung des Objektives oder quer dazu, also in den gewünschten Bewegungsrich­ tungen belastet. Würde durch Eigengewicht eine nicht zentrosymmetrische Belastung der Federstäbe erzeugt, dann würde dies zwangsläufig zu einer Verkippung des Objek­ tives aus der optischen Achse und damit zu einer Verschlechterung der optischen Abbildungsqualität führen.

Das Ziel der nachfolgend ausführlicher dargestellten Erfindung ist es, eine Verstellein­ heit mit Linearmotor für das Objektiv eines Projektors zu schaffen, die einerseits eine "reibungsfreie" Bewegung des Objektives in der gewünschten Achsrichtung ohne die Probleme von Gleit- und Haftreibung ermöglicht und andererseits die oben genannten Nachteile der Objektivlagerung nach der Offenlegungsschrift DE 33 24 511 A1 nicht besitzt, trotzdem aber eine Bewegung des Objektives um mehrere Millimeter Weglänge In Achsrichtung erlaubt. Zudem ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Verstelleinheit so zu realisieren, daß auch für Objektive mit relativ hohem Gewicht und für einseitig aus dem Objektivhalter herausragende Objektive (z. B. solche mit großer Brennweite in einem Diaprojektor) in jeder Position eine exakte Ausrichtung des Objektives parallel der optischen Achse gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 enthaltenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren weiter erläutert. Es zeigt Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der Projektionseinheit mit Regelkreis und der beispielhaft dargestellten optischen Reflexmeßstrecke für die Messung des Abstandes zwischen Projektionseinheit und Bildvorlage, entsprechend der einleitenden Erläuterung, Fig. 2 den detaillierteren Aufbau der optischen Reflexmeßstrecke nach dem Stand der Technik, Fig. 3 die erfindungsgemäße Verstelleinheit mit Linearmotor, Fig. 4 eine erfin­ dungsgemäße Ausführungsform der nahezu reibungsfreien Lagerung mit versteiften Federblechen und Fig. 5 den als Beispiel genannten Aufbau eines Linearmotors.

Zur Lösung der genannten Probleme wird erfindungsgemäß die beispielhaft in Fig. 3 skizzierte Verstelleinheit mit Linearmotor vorgeschlagen. Diese Verstelleinheit besteht aus einem Objektivträger 45 mit einem Objektivtubus, in welchem das Objektiv 3 in einer festen Stellung eingeschoben ist. Die Bewegung des Objektivträgers 45 wird durch eine Anordnung aus einer Bodenplatte 41, einer Deckenplatte 42 und parallel geführten Seitenplatten 43 und 44 mit Biegescharnieren 431 und 441 gebildet. Boden­ platte, Deckenplatte und Seitenplatten sind fest miteinander verbunden und bilden bis auf die Biegeelemente mechanische steife Platten. Das Objektiv 3 ist in dieser Anord­ nung über den Objektivhalter 45 fest mit der Deckenplatte 42 verbunden. Die Decken­ platte ist nun durch die Biegeelemente gegenüber der Bodenplatte in axialer Richtung beweglich und bewegt damit auch das Objektiv in axialer Richtung. Die Lagerung des Objektives ist damit bis auf die innere Reibung der Biegeelemente reibungsfrei.

Zur Verstellung der Position der Deckenplatte 42 relativ zur Bodenplatte ist an der Unterseite des Objektivhalters 45 ein Linearmotor 46 vorgesehen. Dieser besteht z. B. In bekannter Form nach Fig. 5 aus einem magnetischen Eisenkreis 461 und Perma­ nentmagneten 48, die senkrecht zu ihrer Oberfläche magnetisiert sind und damit einen magnetischen Fluß mit magnetischen Feldlinien wie in Fig. 5 beispielhaft skizziert erzeugen. Im magnetischen Feld des Luftspaltes befindet sich eine Spule, durch die ein elektrischer Strom geführt wird. Je nach Richtung des Stromes wird eine Kraftwir­ kung auf die Spule ausgeübt. Während der magnetische Kreis mit der Bodenplatte verbunden ist, wird die Spule mit dem Objektivträger 45 fest verbunden und kann sich damit entsprechend der Beweglichkeit der Deckenplatte 42 in Fig. 3 im Luftspalt axial bewegen. In der Praxis sind aber auch andere bekannte geometrische Ausführungs­ formen von Linearmotoren, wie sie in magnetischen Plattenspeichern oder Compact- Disc-Systemen üblich sind, einsetzbar. Damit das Objektiv sich gegenüber den Seiten­ platten frei bewegen kann, sind in den Seitenplatten entsprechende Ausstanzungen vorhanden. Diese gehen aus der Vorder- und Seitenansicht rechts und links in Fig. 3 hervor.

Die wesentlichen Vorteile der vorgeschlagenen Verstelleinheit mit Linearmotor bestehen darin, daß das Objektiv praktisch reibungsfrei gelagert ist und daher eine sehr exakte Einstellbarkeit bis auf Genauigkeiten im Mikrometerbereich möglich ist. Der Linearmotor 46 ermöglicht durch die Steuerung des Stromes in der Spule eine präzise Kraftwirkung und Bewegung mit hoher Geschwindigkeit, die in der Praxis zu einer für den Betrachter eines projizierten Bildes nicht mehr merkbaren Schärfeeinstellung in einem Regelkreissystem eines Diaprojektors führt.

Da die Seitenplatten bei der Bewegung der Deckenplatte eine kreisförmige Bewegung um ihre Biegepunkte machen, verändert sich prinzipiell auch der Abstand der Decken­ platte zur Grundplatte. Diese Veränderung des Abstandes steigt mit dem Winkel der Drehung der Seltenplatten aus ihrer senkrechten Stellung um ihren Biegepunkt quadra­ tisch an. Für die praktisch vorkommenden Dimensionen in einem Diaprojektor mit wenigen mm Verstellweg liegt diese Abstandsänderung unter 100 Mikrometern. Sie ist für den Betrachter eines projizierten Bildes nicht merkbar.

In einer einfachen Ausführungsform können die Seltenplatten sowie die Boden- und Deckenplatte aus Kunststoff hergestellt werden, wobei die Biegeelemente durch eine Verengung der Dicke der Seitenplatten realisiert werden. Zur Verstärkung der Biegee­ lemente können im Kunststoff auch Einlagerungen alterungsbeständiger hochfester Fasern vorgesehen werden.

In einer anderen Ausführungsform entsprechend Fig. 4 werden die Biegeelemente durch dünnes Federblech 48 realisiert, welches zur Versteifung außerhalb der Biegeelemente 431 und 441 mit Kunststoff umspritzt wird und in die Boden- und Deckenplatte einge­ klemmt oder eingespritzt wird. In einer besonders robusten Ausführungsform werden die Boden- und Deckenplatte sowie die Versteifungen der Seitenplatten in Metall ausgeführt, welches an die Federelemente angeschweißt oder angeschraubt wird.

Die Erfindung ist bereits in Form eines Labor-Modells in einem Diaprojektor mit einer Reflexmeßeinrichtung entsprechend Fig. 2 in einem Regelkreis realisiert worden. Das Modell ist entsprechend der Ausführungsform in Fig. 4 realisiert worden. Das Modell zeigt für die Diaprojektion eine für den Beobachter praktisch trägheitslose Einstellung der Schärfe innerhalb von 100 ms ohne jede Geräuschentwicklung nach jedem Bild­ wechsel oder bei temperaturbedingter Verformung der Dias.

Claims (4)

1. Verstelleinheit zur automatischen Scharfeinstellung eines projizierten Bildes durch Bewegung des Objektives einer optischen Projektionseinheit in Richtung der optischen Achse mittels eines Linearmotors als Antriebseinheit nach Vorgabe einer elektronischen Stellgröße eines Autofokus-Regelkreises, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Linearmotor mit einer nahezu reibungsfreien Lagerung des Objektives zusammenwirkt, welche so aufgebaut ist, daß das Objektiv an einer parallel zu einer festen Bodenplatte geführten Deckenplatte befestigt ist, die Bo­ den- und Deckenplatte durch zwei Seitenplatten zwischen den gegenüberlie­ genden Kanten der Stirnflächen der Boden- und Deckenplatte auf Abstand ge­ führt werden und die nahezu reibungsfreie Lagerung durch Biegescharniere (431 und 441) zwischen den Seitenplatten und der Decken- sowie der Boden­ platte realisiert ist, wobei die Seitenplatten Bohrungen zum Durchtritt des opti­ schen Strahlenganges des Objektives enthalten.

2. Verstelleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenplatten und die Deckenplatte in Kunststoff als Spritzguß hergestellt sind und die Bie­ geelemente durch eine Verengung der Seitenplatten (431 und 441) an den Ver­ bindungskanten zu der Boden- und Deckenplatte realisiert sind.

3. Verstelleinheit nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Verengungsstellen der Biegescharniere alterungsbeständige Fasern bzw. Fasermatten eingelagert sind.

4. Verstelleinheit nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeelemente durch ausgestanztes Federblech realisiert werden, welches au­ ßerhalb der Biegeelemente zur Bildung steifer Seiten- und Boden- sowie Deckenplatten mit Metall oder Kunststoff im Spritzguß ummantelt wird.