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Die
Erfindung betrifft ein Vermessungsinstrument mit automatischer Scharfeinstellung.
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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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Sind
in einem herkömmlichen,
für einen
Autofokus-Sensor bestimmten Strahlteilersystem 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, so werden bei dieser Anordnung
von den beiden CCD-Sensoren unterschiedliche Lichtmengen empfangen,
da die Durchlässigkeit
der aus einem mehrschichtigen, dielektrischen Film bestehenden Teilerfläche in Abhängigkeit des
Eintrittswinkels variiert. 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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Ein
Vermessungsinstrument mit automatischer Scharfeinstellung ist aus
DE 197 08 299 A1 bekannt.
Dieses Vermessungsinstrument umfaßt ein Fernrohr mit einem Objektivsystem
und einem Beobachtungssystem, einen zwischen dem Objektivsystem
und dem Beobachtungssystem angeordneten Strahlteiler mit einer Teilerfläche, die
das durch das Objektivsystem tretende Licht aufspaltet, sowie ein System
zum Erfassen der Scharfeinstellung. Dieses System hat zwei Lichtempfangselemente,
die jeweils einen an der Teilerfläche reflektierten Lichtstrahl emp fangen.
Aus
DE 197 27 988
A1 ist ein Vermessungsinstrument mit automatischer Scharfeinstellung bekannt,
das mit einem dichroitischen Prisma arbeitet, welches infrarotes
Meßlicht
reflektiert und sichtbares Licht durchläßt. Weder in
DE 197 08 299 A1 noch in
DE 197 27 988 A1 ist
etwas über
die Eintrittswinkel ausgesagt, unter denen die Lichtstrahlen auf den
Strahlteiler fallen.
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Schließlich wird
auf
US 4 670 645 A verwiesen.
Dort wird vorgeschlagen, mittels optischer Filter eine gleichförmige Lichtverteilung
auf Sensoren eines Autofokus-Systems,
das nach dem Prinzip der Phasendifferenz arbeitet, zu erreichen.
Durch diese Maßnahme
werden Fehler korrigiert, welche durch eine Feldlinse verursacht
werden. Die Filter sind derart aufgebaut, daß für eine symmetrische Filterdichteverteilung
gesorgt ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Vermessungsinstrument mit automatischer
Scharfeinstellung anzugeben, bei dem der Unterschied der von den beiden
CCD-Sensoren innerhalb
des Autofokus-Sensors empfangenen Lichtmengen verringert ist, 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 Vermessungsinstrument 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 eines
ND-Filters 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 eines
ND-Filters 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 ein Diagramm der gestuften
Transmissionsverteilung eines in der Erfindung verwendeten optischen
Elementes und
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9 ein Diagramm der kontinuierlichen Transmissionsverteilung
eines in der Erfindung verwendeten optischen Elementes.
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1 zeigt die Seitenansicht
und 2 die Vorderansicht
einer Gesamtstation mit Vermessungsinstrument. Ein Fernrohr 3 der
Gesamtstation 1 erzeugt über ein optisches Objektivsystem,
das eine Objektivlinse 8, eine Fokussierlinse 4 und
ein Porro-Prisma 6 enthält,
ein aufrechtes Bild eines Objektes auf einer Einstellscheibe (Fokussierplatte) 5.
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) 19 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 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 20 und ein Paar Se paratorlinsen 21 befinden
sich in der genannten Reihenfolge optisch hinter der Referenz-Einstellfläche 19.
Ein Paar CCD-Sensoren 15 ist hinter den Separatorlinsen 21 angeordnet.
Das durch die Kondensorlinse 20 tretende Licht wird von den
Separatorlinsen 21 aufgespalten, und die aufgespaltenen
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 19 ab.
In 3 sind folgende Fälle angedeutet:
das Zielbild wird korrekt an der Referenz-Einstellfläche 19 erzeugt,
wie durch die Hauptstrahlen 9 und 10 dargestellt
ist; das Bild wird vor der Referenz-Einstellfläche 19 erzeugt, wie
durch die Strahlen 9f und 10f dargestellt ist
(nach vorne verlagerter Fokus); oder das Bild wird hinter der Referenz-Einstellfläche 19 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 Vorverstärker und führt die Berechnung mittels
einer Rechnerschaltung aus, um so eine scharfe Einstellung (in-focus),
eine unscharfe Einstellung (out-of-focus), eine nach vorne verlagerte
Scharfeinstellung oder eine nach hinten verlagerte Scharfeinstellung
zu erfassen. Es werden so der Wert der Defokussierung auf der Referenz-Einstellfläche 19 und
die Auslenkung der Fokussierlinse 4, die zur Bewegung derselben
an die Scharfeinstellposition 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 23 ist an
der zweiten Reflexionsfläche 22b 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 20 orientiert
ist. Die optische Achse der Kondensorlinse 20 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 bezüglich des Gesichtsfeldes
(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 besteht die beschichtete Teilerfläche 11 aus einem mehrschichtigen,
dielektrischen Film mit geringerer Lichtabsorption, 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 jedoch abhängig vom
Eintrittswinkel. 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, sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
zwei ND-Filter 17 und 18 mit unterschiedlichen
Durchlässigkeiten
in die Strahlengänge der
Strahlen 9 und 10 eingesetzt. Das Licht mit der höheren Lichtmenge
tritt durch das ND-Filter mit dem geringeren Transmissionsgrad,
während
das Licht mit der geringeren Lichtmenge durch das ND-Filter mit
dem höheren
Transmissionsgrad tritt. Der Unterschied in der Lichtmenge der auf
die CCD-Sensoren 15 treffenden Strahlen 9 und 10 wird
auf diese Weise verringert, so daß der entsprechende Unterschied im Ausgangssignal
des Autofokus-Sensormoduls 7 unter Beseitigung des vorstehend
erläuterten
Problems minimiert werden kann.
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Der
Unterschied in der Lichtmenge der durch die Teilerfläche 11 hindurchgelassenen
Strahlen 9 und 10 wird so beim Durchtritt der
Strahlen durch die ND-Filter 17 und 18 verringert.
Daraufhin werden die Strahlen 9 und 10 von dem
Autofokus-Sensormodul 7 empfangen.
Auf diese Weise ist eine präzise Scharfeinstellung
möglich.
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In
dem ersten Ausführungsbeispiel
sind zwei ND-Filter vorgesehen. Es ist jedoch ebenso möglich, ein
einziges ND-Filter vorzusehen, das zwei transparente Bereiche mit
unterschiedlichen Transmissionsgraden hat.
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Die
ND-Filter 17 und 18 haben jeweils eine gleichmäßige Transmissionsverteilung.
In der Praxis reicht eine solche gleichmäßige Transmissionsverteilung
aus. Um die Genauigkeit zu erhöhen,
können
jedoch die ND-Filter mit einer nicht gleichmäßigen Transmissionsverteilung
versehen werden, die sich in Abhängigkeit
der Eintrittsposition und des Eintrittswinkels, wie in 8 gezeigt, schrittweise
oder, wie in 9 gezeigt,
kontinuierlich ändert.
Weiterhin ist es möglich,
nur für
das Licht mit der größeren Lichtmenge
ein ND-Filter vorzusehen.
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In
dem ersten Ausführungsbeispiel
ist die Teilerfläche
durch die zweite Reflexionsfläche 22b des
Porro-Prismas 6 festgelegt. Es ist jedoch ebenso möglich, die
Teilerfläche
durch die erste Reflexionsfläche 22a,
die dritte Reflexionsfläche 22c oder
die vierte Reflexionsfläche 22d des
Porro-Prismas 6 festzulegen.
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In
den 6A, 6B und 7 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel befindet sich
der Strahlteiler 14 auf der Vorderseite des Porro-Prismas 6,
d.h. auf der Seite der Objektivlinse (vgl. 7), so daß das Licht durch die Reflexion
an der beschichteten Teilerfläche 11a in 6 nach rechts abgespalten
wird. Ein Paar CCD-Sensoren 15 ist in einer Ebene angeordnet,
die senkrecht zur optischen Achse der Kondensorlinse 20 orientiert ist.
Die optische Achse der Kondensorlinse 20 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 (vgl. 6A).
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In
diesem Ausführungsbeispiel
treffen die Strahlen 12 und 13 unter verschiedenen
Eintrittswinkeln α und γ auf die
beschichtete Teilerfläche 11a. Aufgrund
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, sind zwei ND-Filter 17 und 18 mit
unterschiedlichen Durchlässigkeiten
derart in die Strahlengänge
der Strahlen 12 und 13 eingesetzt, daß die größere Lichtmenge durch
das ND-Filter mit der geringeren Durchlässigkeit und die kleinere Lichtmenge
durch das ND-Filter mit der höheren
Durchlässigkeit
tritt. Der Unterschied in der Lichtmenge des durch die ND-Filter
tretenden Lichtes wird so unter Beseitigung des vorstehend erläuterten
Problems verringert.
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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.
Das reflektierte Licht tritt durch die ND-Filter 17 und 18, das
den Unterschied der Lichtmengen der beiden Strahlen 12 und 13 verringert,
und erreicht das Autofokus-Sensormodul 7, um dort für eine präzise Scharfeinstellung
zur Verfügung
zu stehen.
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Wie
auch bei dem ersten Ausführungsbeispiel
sind die ND-Filter 17 und 18 jeweils so ausgebildet,
daß sie über den
Strahleintrittswinkel eine gleichmäßige Transmissionsverteilung
haben. In der Praxis ist eine solche gleichmäßige Transmissionsverteilung
ausreichend. Um die Genauigkeit zu steigern, können jedoch die ND-Filter jeweils
mit einer nicht gleichmäßigen Transmissionsverteilung
versehen werden, die sich in Abhängigkeit
der Eintrittsposition und des Eintrittswinkels schrittweise oder
kontinuierlich ändert.
Darüber
hinaus ist es auch möglich,
nur für
das Licht mit der größeren Lichtmenge
ein ND-Filter vorzusehen.
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In
dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel
befinden sich das Autofokus-Sensormodul 7 und
die Teilerfläche 11 oder 11a an
speziellen Positionen. Die Erfindung ist jedoch auf diese Anordnungen
nicht beschränkt.
Sie kann allgemein auf Anordnungen angewendet werden, in denen Lichtstrahlen,
die von einem Paar CCD-Sensoren zu empfangen sind, unter unterschiedlichen
Eintrittswinkeln auf eine Teilerfläche treffen. Bei den erläuterten
Ausführungsbeispielen
ist nur ein zum Erfassen der Scharfeinstellung bestimmtes optisches
System vorgesehen. Die Erfindung kann jedoch ebenso in einem Mehrpunkt-AF-System
eingesetzt werden, das mehrere Systeme zur Erfassung der Scharfeinstellung enthält.
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Durch
das Einsetzen von optischen Elementen wie ND-Filtern mit unterschiedlichen
Durchlässigkeiten
in die Strahlengänge
der Strahlen, die von den beiden in dem zum Erfassen der Scharfeinstellung bestimmten
System vorgesehenen Lichtempfangselementen zu empfangen sind, tritt
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 gesteigert 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 Erfin dung in geringerem Maße
von elektrischem Rauschen beeinflußt wird. Auf diese Weise ist
eine präzise
Scharfeinstellung möglich.