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Die
Erfindung betrifft ein optisches Strahlteilersystem für einen
Autofokus-Sensor, der in einem optischen Instrument, insbesondere
einem Vermessungsinstrument, verwendbar ist.
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In
einer herkömmlichen
automatischen Scharfstelleinrichtung, die für ein Vermessungsinstrument
mit einem Kollimatorfernrohr, z.B. eine Gesamtstation, vorgesehen
ist, wird der Strahlengang eines zum Erfassen der Scharfeinstellung
bestimmten optischen Systems durch ein optisches Strahlteilersystem
abgespalten, um den Fokussierzustand auf einer Fläche zu erfassen,
die zur Einstellfläche
des Kollimatorsystems optisch äquivalent
ist und im folgenden als Referenzeinstellfläche bezeichnet wird. Die Erfassung
des Fokussierzustandes erfolgt dabei über ein Autofokus-Sensormodul,
das ein Paar CCD-Sensoren hat und nach dem Prinzip der Phasendifferenzerfassung
den Grad der Defokussierung einer Fokussierlinse berechnet. Die
Fokussierlinse wird entsprechend dem Grad der Defokussierung an
eine der Scharfeinstellung entsprechende Position bewegt, um die
AF-Operation zu
vollenden. AF steht hierbei für "automatische Fokussierung". Das Prinzip der AF-Funktion
mittels Erfassung der Phasendifferenz ist im Stand der Technik bekannt
und wird in einäugigen Spiegelreflex-AF-Kameras
eingesetzt.
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In
einem herkömmlichen,
für einen
Autofokus-Sensor bestimmten Strahlteilersystem sind der Strahlteiler
und der Autofokus-Sensor so angeordnet, daß die von den beiden CCD-Sensoren
empfangenen Lichtstrahlen unter unterschiedlichen Eintrittswinkeln
auf eine beschichtete Teilerfläche
des Strahlteilersystems treffen. Da die Durchlässigkeit der aus einem mehrschichtigen,
dielektrischen Film bestehenden Teilerfläche in Abhängigkeit des Eintrittswinkels
variiert, werden bei dieser Anordnung von den beiden CCD-Sensoren
unterschiedliche Lichtmengen empfangen. Um diesen Unterschied in
den Lichtmengen zu verhindern, müssen
die optischen Elemente so angeordnet werden, daß die Eintrittswinkel der auf
die Teilerfläche
treffenden Strahlen identisch sind. Dadurch wird die Freiheit beim
Entwurf der optischen Elemente eingeschränkt, wodurch mögliche Verbesserungen
in der Betriebseffizienz, die Miniaturisierung sowie die Verringerung
des Gewichtes des optischen Systems nur eingeschränkt möglich sind.
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Der
durch die vorstehend erläuterte
Anordnung verursachte Unterschied in der Lichtmenge wird für gewöhnlich dadurch
korrigiert, daß bei
der Bestimmung der Scharfeinstellung während der AF-Operation ein Korrekturkoeffizient
verwendet wird. Ist jedoch der Unterschied groß, oder wird durch den Autofokus-Sensor selbst
elektrisches Rauschen erzeugt, so wird das Rauschen entsprechend
dem Korrekturkoeffizienten verstärkt,
wodurch eine genaue AF-Operation unmöglich wird. Dies tritt insbesondere
bei kleiner Lichtmenge auf, beispielsweise in der Abenddämmerung.
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Zum
Stand der Technik wird auf
DE
197 27 988 A1 und
DE
197 08 299 A1 verwiesen, aus denen optische Strahlteilersysteme
für automatische
Scharfstelleinrichtungen bekannt sind. Diese Systeme enthalten jeweils
eine Strahlteilerfläche,
die das durch ein Objektivsystem tretende Licht in einen auf ein
Beobachtungssystem gerichteten Lichtanteil und einen auf optische
Sensoren gerichteten Lichtanteil aufspaltet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die vorstehend erläuterten Nachteile des Standes
der Technik zu beseitigen, indem der Unterschied der von den beiden
CCD-Sensoren innerhalb des Autofokus-Sensors empfangenen Lichtmengen
verringert wird, um so die Einschränkungen hinsichtlich der Anordnung
der Komponenten in dem optischen Strahlteilersystem zu überwinden.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch das Strahlteilersystem mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche
sowie der folgenden Beschreibung.
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Die
Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin
zeigen:
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1 die
Seitenansicht einer Gesamtstation mit Vermessungsinstrument als
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 die
Vorderansicht der Gesamtstation nach 1,
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3 das
Prinzip eines Autofokus-Systems in schematischer Darstellung,
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4A die
vergrößerte Vorderansicht
eines Hauptteils der Gesamtstation gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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4B die
Endansicht einer beschichteten Teilerfläche in Richtung des in 4A gezeigten
Pfeils L,
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5 ein
in 4A gezeigtes Porro-Prisma in perspektivischer
Darstellung,
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6A die
Draufsicht auf den Hauptteil eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
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6B die
Endansicht einer beschichteten Teilerfläche in Richtung des in 6A gezeigten
Pfeils L,
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7 das
in 6A gezeigte Porro-Prisma in perspektivischer Darstellung,
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8 einen
Graphen zur Illustration des Transmissionsgrades und des Reflexionsgrades
für den rechtsseitig
eintretenden Strahl bei einem Eintrittswinkel α und
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9 einen
Graphen zur Illustration des Transmissionsgrades und des Reflexionsgrades
für den linksseitig
eintretenden Strahl bei einem Eintrittswinkel γ.
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1 zeigt
die Seitenansicht und 2 die Vorderansicht einer Gesamtstation
mit Vermessungsinstrument. Ein innerhalb des Kollimationsfeldes
eines Fernrohrs 3 der Gesamtstation 1 angeordnetes
Objektbild wird von einem optischen Objektivsystem als aufrechtes
Bild auf einer Einstellscheibe (Fokussierplatte) 5 auf einer
vorbestimmten Einstellfläche
erzeugt. Das Objektivsystem enthält
eine Objektivlinse 8, eine Fokussierlinse 4 und
ein Porro-Prisma 6. Der Benutzer kann das auf der Einstellscheibe 5 erzeugte
Objektbild durch ein Okular betrachten, das ein optisches Betrachtungssystem
bildet.
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Die 4A und 4B zeigen,
wie das Porro-Prisma 6 und ein Autofokus-Sensormodul 7 relativ
zueinander angeordnet sind. Das Autofokus-Sensormodul 7 befindet
sich in dem Strahlengang eines zum Erfassen der Scharfeinstellung
bestimmten optischen Systems, der durch eine beschichtete Strahlteilerfläche 11 des
Porro-Prismas 6 von dem Strahlengang des Objektivsystems
abgeteilt ist. Das Autofokus-Sensormodul 7 kann so den
Fokussierzustand, d.h. den Grad der Defokussierung, auf einer Referenz-Einstellfläche (Fokussierfläche) 18 erfassen,
die optisch äquivalent
zur Einstellscheibe 5 ist. Das Licht, welches das Objektbild transportiert
und von der Objektivlinse 8 durchgelassen wird, wird aufgeteilt
in Licht, das auf die Einstellplatte 5 trifft, und Licht,
das auf das Autofokus-Sensormodul 7 trifft und der Erfassung
der Scharfeinstellung dient. Das Autofokus-Sensormodul 7 empfängt das
das Objektbild transportierende Licht über ein Paar CCD-Sensoren und
sendet elektrische Signale an eine nicht gezeigte Vorrichtung, die
den Fokussierzustand, d.h. den Grad der Defokussierung berechnet.
Das Autofokus-Sensormodul 7 ist im Stand der Technik bekannt.
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3 zeigt
an einem Beispiel das Prinzip der Erfassung der Scharfeinstellung
mittels des Autofokus-Sensormoduls 7. Eine Kondensorlinse 19 und
ein Paar Separatorlinsen 20 befinden sich hinter der Referenz-Einstellfläche 18.
Ein Paar CCD-Sensoren 15 ist hinter den Separatorlinsen 20 angeordnet.
Das durch die Kondensorlinse 19 tretende Licht wird von
den Separatorlinsen 20 aufgespalten, und die abgespaltenen Lichtbündel werden
von den entsprechenden CCD-Sensoren 15 empfangen, um auf
diese Weise Objektbilder zu erzeugen. Die Hauptstrahlen der Lichtbündel, die
die Objektbilder auf den CCD-Sensoren 15 erzeugen, sind
in 3 mit 9 und 10 bezeichnet.
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Die
Bilderzeugungsposition der CCD-Sensoren 15, an der das
jeweilige Objektbild erzeugt wird, hängt von der Position des Bildes
auf der Referenz-Einstellfläche 18 ab.
In 3 sind folgende Fälle angedeutet: das Zielbild
wird korrekt an der Referenz-Einstellfläche 18 erzeugt, wie
durch die Hauptstrahlen 9 und 10 dargestellt ist;
das Bild wird vor der Referenz-Einstellfläche 18 erzeugt, wie
durch die Strahlen 9f und 10f dargestellt ist
(nach vorne verlagerter Fokus); oder das Bild wird hinter der Referenz-Einstellfläche 18 erzeugt,
wie durch die Strahlen 9r und 10r dargestellt
ist (nach hinten verlagerter Fokus). Die Abweichung von der Scharfeinstellposition
wird auf Grundlage des Abstandes zwischen den an den CCD-Sensoren 15 erzeugten
Objektbildern erfaßt.
Die zur Berechnung des Fokussierzustandes bestimmte Vorrichtung,
der die Ausgabesignale der CCD-Sensoren 15 zugeführt werden,
verstärkt
das Ausgangssignal durch einen nicht dargestellten Vorverstärker und
führt die
Berechnung mittels einer nicht dargestellten Rechnerschaltung aus,
um so eine scharte Einstellung (in-focus), eine unscharfe Einstellung
(out-of-focus), eine nach vorne verlagerte Scharteinstellung oder
eine nach hinten verlagerte Scharteinstellung zu erfassen. Es werden
so der Wert der Defokussierung auf der Referenz-Einstellfläche 18 und
die Auslenkung der Fokussierlinse 4, die zur Bewegung derselben an
die Scharteinstellposition erforderlich ist, bestimmt.
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Wie
in der vergrößerten Vorderansicht
des Porro-Prismas 6 nach 4A gezeigt,
befindet sich bei dem ersten Ausführungsbeispiel das Autofokus-Sensormodul 7 unterhalb
des Porro-Prismas 6, und ein Prisma 22 ist an
der zweiten Reflexionsfläche 21b des
Porro-Prismas 6 angebracht, so daß die Grenzfläche zwischen den
beiden vorstehend genannten Prismen die beschichtete Teilerfläche 11 eines
Strahlteilers festlegt (vgl. auch 5). In diesem
Ausführungsbeispiel
wird das auf das Porro-Prisma 6 treffende Licht durch die
Teilerfläche 11 in
reflektiertes und durchgelassenes Licht aufgespalten. Das reflektierte
Licht erzeugt ein aufrechtes Bild auf der Einstellscheibe 5,
während
das durchgelassene Licht das Autofokus-Sensormodul 7 erreicht
und auf den beiden CCD-Sensoren 15 Objektbilder erzeugt.
Die CCD-Sensoren 15 sind in einer Ebene angeordnet, die
senkrecht zur optischen Achse der Kondensorlinse 19 orientiert
ist. Die optische Achse der Kondensorlinse 19 verbindet
den Mittelpunkt der Teilerfläche 11 mit
dem Mittelpunkt des Autofokus-Sensormoduls 7. Die CCD-Sensoren 15 liegen
in lateraler Richtung nebeneinander, d.h. in Querrichtung in dem
Kollimationsfeld (vgl. 4A). Diese Anordnung ist insbesondere
dann von Vorteil, wenn das Objekt, für welches das Vermesssungsinstrument
der Kollimation zu unterziehen ist, ein vertikal langgestrecktes
Element, z.B. eine Stange ist. Die CCD-Sensoren 15 empfangen
die durch die Teilerfläche 11 tretenden
Strahlen 9 und 10. Wie in 4A gezeigt,
treffen die Strahlen 9 und 10 unter verschiedenen
Winkeln α und γ auf die
Teilerfläche 11.
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Im
allgemeinen ist die beschichtete Teilerfläche 11 durch einen
mehrschichtigen, dielektrischen Film mit geringerer Lichtabsorption
gegeben, dessen Transmissions- und Reflexionsgrad auf Grundlage
des Referenz-Eintrittswinkels (45°)
des auf seine Mitte treffenden Lichtes festgelegt (entworfen) werden.
Der Transmissionsgrad, d.h. die Durchlässigkeit des dielektrischen
Filmes ändert
sich in Abhängigkeit
des Eintrittswinkels. Unterscheiden sich die Strahlen 9 und 10 vor
dem Auftreffen auf die Teilerfläche 11 hinsichtlich
ihrer Lichtmenge nicht, so tun sie es nach Durchtritt durch die
Teilerfläche 11.
Um dieses Problem zu beseitigen, ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
die mit dem mehrschichtigen dielektrischen Film überzogene Teilerlläche 11 in zwei
Hälften
unterteilt, nämlich bezüglich der
Mittellinie der Teilerfläche 11 in
einen rechten Bereich 17 und ein linken Bereich 16.
Die optischen Eigenschaften der beschichteten Bereiche 17 und 16 sind
entsprechend den Eintrittswinkeln α und γ des rechten und des linken
Strahls 9 und 10 gewählt.
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Numerische
Daten des in dem ersten Ausführungsbeispiel
verwendeten mehrschichtigen, dielektrischen Films sind in den Tabellen 1 und 2 angeführt. Die
Tabellen 1 und 2 zeigen den Aufbau des dielektrischen Films
für einen
dem rechtsseitigen Licht zugeordneten Eintrittswinkel α von 47,5° und einen
dem linksseitigen Licht zugeordneten Eintrittswinkel γ von 42,5°. In den
Tabellen 1 und 2 sind die Materialien A, B, C
angeführt, die
unterschiedliche Brechungsindizes haben und Schichten bilden, deren
Dicke in den Tabellen zwischen BK7 (optisches Glas), d.h. dem Prisma,
und einer Haftschicht angeführt
sind. Der Veränderung
des Transmissionsgrades und des Reflexionsgrades in Abhängigkeit
der Wellenlänge
des unter den Eintrittswinkeln α und γ auftreffenden
Lichtes ist in 8 bzw. in 9 gezeigt.
Die dargestellte Filmstruktur dient lediglich als Beispiel. Die
Erfindung ist nicht auf diese Filmstruktur beschränkt.
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Durch
die geteilten Bereiche der Teilerfläche 11 wird der Unterschied
in den Lichtmengen der von den CCD-Sensoren 15 empfangenen
Strahlen 9 und 10 verringert, so daß auch der
Unterschied in den Ausgangssignalen des Autofokus-Sensormoduls 7 reduziert
werden kann.
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In
dem ersten Ausführungsbeispiel
wird der Unterschied in den Lichtmengen der Strahlen 9 und 10 minimiert,
wenn diese durch die entsprechenden geteilten Bereiche der mit dem
mehrschichtigen, dielektrischen Film überzogenen Teilfläche 11 treffen
und daraufhin das Autofokus-Sensormodul 7 erreichen. Auf
diese Weise ist eine präzise
Scharfeinstellung möglich.
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Die
Erfindung kann auch auf eine alternative Anordnung angewendet werden,
in der die Teilerfläche 11 durch
die erste Reflexionsfläche 21a,
die dritte Reflexionsfläche 21c oder
die vierte Reflexionsfläche 21d des
Porro-Prismas 6 festgelegt ist.
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In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
befindet sich der Strahlteiler 14 auf der Vorderseite des
Porro-Prismas 6, d.h. auf der Seite der Objektivlinse (vgl. 7),
wie aus 6 hervorgeht, die eine Draufsicht des
Porro-Prismas 6 und dessen Umgebung zeigt. Ein Paar CCD-Sensoren 15 ist
in einer Ebene angeordnet, die senkrecht zur optischen Achse der
Kondensorlinse 19 orientiert ist. Die optische Achse der
Kondensorlinse 19 verbindet den Mittelpunkt der Teilerfläche 11a mit
dem Mittelpunkt des Autofokus-Sensormoduls 7. Die beiden
CCD-Sensoren 15 liegen in lateraler Richtung nebeneinander,
d.h. in Querrichtung bezüglich
des Gesichtsfeldes. In diesem Ausführungsbeispiel treffen die
Strahlen 12 und 13 unter verschiedenen Eintrittswinkeln α und γ auf die
beschichtete Teilerfläche 11a.
Aufgrund des Entwurfs oder der Winkelabhängigkeit des mehrschichtigen,
dielektrischen Films ist der Reflexionsgrad der Teilerfläche 11a an
unterschiedlichen Auftreffpunkten verschieden. Die von den CCD-Sensoren 15 empfangenen
Strahlen 12 und 13 unterscheiden sich deshalb
hinsichtlich ihrer Lichtmenge.
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Um
dieses Problem zu beseitigen, ist die mit dem mehrschichtigen, dielektrischen
Film überzogene Teilerfläche 11a in
zwei Hälften
unterteilt, nämlich
in einen rechten und in einen linken Bereich 16a, 17a,
die durch die Mittellinie der Teiler fläche 11a voneinander
getrennt sind. Die optischen Eigenschaften der beschichteten Bereiche 16a und 17a sind
entsprechend den Eintrittswinkeln α und γ des rechten und des linken
Strahls 12 und 13 gewählt. Der Aufbau des dielektrischen
Films ist für
das zweite Ausführungsbeispiel
der gleiche wie für
das erste Ausführungsbeispiel.
Der Unterschied in den Lichtmengen des von den CCD-Sensoren 15 in
dem Autofokus-Sensormodul 7 empfangenen Lichtes wird so
minimiert.
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Bei
dem zweiten Ausführungsbeispiel
wird also das durch die Objektivlinse 8 in das optische
System tretende Licht nach Durchtritt durch die Fokussierlinse 4 durch
den vor dem Porro-Prisma 6 angeordneten Strahlteiler 14 in
durchgelassenes Licht und reflektiertes Licht aufgespalten. Das
durchgelassene Licht trifft auf das Porro-Prisma 6 und
erzeugt so ein aufrechtes Bild auf der Einstellscheibe 5.
Die Strahlen des reflektierten Lichtes werden an den Bereichen 16a und 17a der
Teilerfläche 11a reflektiert.
Der Unterschied der Lichtmengen der beiden Strahlen 12 und 13 wird
so verringert, und die Strahlen 12 und 13 erreichen
das Autofokus-Sensormodul 7,
um dort für
eine präzise
Scharfeinstellung zur Verfügung
zu stehen.
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Die
Erfindung kann allgemein auf eine Anordnung angewendet werden, in
der der Strahlteiler 14 und das Autofokus-Sensormodul 7 so
angeordnet sind, daß die
von einem Paar CCD-Sensoren 15 zu empfangenden Lichtstrahlen 12 und 13 unter
unterschiedlichen Eintrittswinkeln auf die Teilerfläche 11a treffen.
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Wie
aus obiger Diskussion hervorgeht, sind die voneinander getrennten
Bereiche der Teilerfläche
mit einem mehrschichtigen, dielektrischen Film überzogen, der entsprechend
den jeweiligen Eintrittswinkeln der Lichtstrahlen ausgebildet ist,
die innerhalb des zum Erfassen der Scharfeinstellung bestimmten
optischen Systems von den beiden Lichtempfangselementen zu empfangen
sind. Es tritt deshalb selbst bei herkömmlicher Anordnung der optischen
Komponenten, bei der der Unterschied in den Lichtmengen auch in
anderer Weise verursacht werden könnte, nur ein geringer oder überhaupt
kein Unterschied in den Lichtmengen auf. Auf diese Weise kann die
Freiheit bei der Anordnung der Komponenten gestei gert werden, wodurch
eine Miniaturisierung, eine Gewichtsverringerung und eine Verbesserung
der Bedienbarkeit möglich
sind.
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Vergleicht
man das optische System nach der Erfindung mit Systemen, in denen
der Unterschied in den Lichtmengen unter Verwendung eines Korrekturkoeffizienten
korrigiert wird, so stellt man fest, daß das optische System nach
der Erfindung in geringerem Maße
von elektrischem Rauschen beeinflußt wird. Auf diese Weise ist
eine präzise
Scharfeinstellung möglich.
