DE2156617A1

DE2156617A1 - Einrichtung zur bildkorrelation

Info

Publication number: DE2156617A1
Application number: DE2156617A
Authority: DE
Inventors: Knut Dipl Ing Heitmann; Ludwig Dr Leitz; Eckart Schneider
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH; Ernst Leitz GmbH
Current assignee: Leica Microsystems Holdings GmbH
Priority date: 1971-11-15
Filing date: 1971-11-15
Publication date: 1973-05-24
Also published as: JPS6365922B2; DE2156617B2; DE2156617C3; US3781110A; JPS4860645A

Description

ERNST LEITZ GMBH

Unser Zeichen: A 1824/B 2698 Ä33 Wetelar,den,i T .November 1971·

Pat Se/GG rwtafcJio/aii

Einrichtung zur Bildkorrelation

Die Anmeldung betrifft Einrichtungen zur Bestimmung der relativen Lage der Ebene maximaler Amplitude einer Ortsfrequenz, beispielsweise bei einem Entfernungsmesser oder bei Mikroskopen·

Es ist ein Verfahren zur objektiven Scharfeinstellung von durch optische Systeme entworfenen Bildern bekannt, bei dem das Bild eines Testobjektes ein lichtelektrisches Organ beeinflußt. Gemäß diesent Verfahren werden die Hell- und Dunkelfelder des vorzugsweise rasterförmigen Testobjektbildes dem lichtelektrischen Organ abwechselnd in schneller Aufeinanderfolge durch eine vorzugsweise spaltförmige Blende hindurch zugänglich gemacht. Dieses Verfahren ist insofern nachteilig, als einerseits nur speziell präparierte Testobjektbilder scharf eingestellt werden können und andererseits zu seiner Durchführung ein erheblicher Aufwand unter Verwendung eines mechanisch schnell bewegten Bauteiles notwendig ist (DBP 927 239).

Auch ist ein Verfahren zur objektiven Scharfeinstellung von durch optische Systeme entworfenen Bildern bekannt, bei dem die Hell- und Dunkelfelder zweier rasterförmiger Testobjektbilder, von denen das eine dicht vor, das andere dicht hinter der Einstellebene liegt, durch eine Spaltblende hindurch abwechselnd einem lichtelektrischen Organ in schneller Aufeinanderfolge zugänglich gemacht werden. Dabei dient die Steilheit der am Ausgang des lichtelektrischen Organs auftretenden trapezförmigen Stromimpulse als Maß für die Scharfeinstellung. Die Einstellung des optischen Systems wird so lange geändert, bis Gleichheit aller Steilheiten

309821/0431

~ A 1824/B 2698

11.11.1971.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, Einrichtungen zur Bildkorrelation anzugeben, bei denen die Nachteile des Bekannten vermieden sind und die daher vielseitig verwendbar sind«

Die Lösung dieser Aufgabe bringt eine Einrichtung,, die gekennzeichnet ist durch mindestens ein einem Eintrittsobjektiv nachgeordnetes Gitter als Korrelator und Ortsfrequenzfilter, welches sich in der Nähe der Abbildungsebene dieses Objektivs befindet, sowie vorzugsweise zwei diesem Gitter nachgeordnete fotoelektrische Empfänger, deren Ausgangssignale auf Grund angewendeter physikalischer oder geometrischer Strahlenteilung für die gewählte Ortsfrequenz im Gegentakt sind.

Mit Vorteil weist die Einrichtung zwischen dem Objektiv und dem korrelierenden Gitter ein polarisierendes bildaufspaltendes Element als Bildverdoppler und zwischen dem Gitter und den fotoelektrischen Empfängern einen polarisierenden Teiler auf.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Objektiv und dem korrelierenden Gitter ein Dispersionsprisma als Bildverdoppler und zwischen dem Gitter und den. fotoelektrischen Empfängern ein nach Farben aufspaltender Teiler angeordnet.

Das korrelierende Gitter kann auch aus von Zeile zu Zeile gegenläufigen sägezahnförmlgen Prismenreihen bestehen«

In einer anderen Ausführungsform ist jedem der dem korrelierenden Gitter nachgeordneten fotoelektrischen Empfänger je eine sammelnde Optik sowie eine Richtungsblende zugeordnet und die fotoelektrischen Empfänger sind räumlich derart angeordnet, daß sie nur durch diametrale Partien

-k-

309821/0431

² A 182^/b 2698

11.11 * 1971 -

erreicht ist« Die Anwendung dieses Verfahrens bedingt ebenfalls mechanisch schnell bewegte Elemente, die sich darüber hinaus noch am Orte des anzumessenden Objektes befinden müssen. Solches ist oft nicht durchführbar (DBF 961 767).

Auch ist ein Verfahren zur Untersuchung der Einstellung von abbildenden optischen Systemen mittels Autokollimatibn bekannt, gemäß dem die Einstellung des Objektivs auf den optimalen Wert der Abbildungsschärfe durch eine vor dem Autokollimationsfernro.hr oder an dessen Stelle angeordnete lichtelektrische Zelle erfolgt, auf deren lichtempfindliche Fläche durch das zu untersuchende Objektiv das von einer Lichtquelle herrührende Licht in solcher Stärke geworfen wird, daß bei genauer Deckung zweier Testobjektabbildungen ein Maximum oder ein Minimum des Fotozellenstromes entsteht, das als Kriterium für die Objektiveinstellung dient. Auch diese Einrichtung kann nur für vorher präparierte und installierte Testobjekte verwendet werden, was bei Entfernungsbestimmungen zu beliebigen fernen Gegenständen nachteilig ist (DRP 7^2 220)„

Schließlich ist eine Einrichtung zum Scharfeinstellen optischer Systeme bekannt, bei der das ein optisches System durchsetzende Lichtbündel durch ein Mittel in zwei Teile zerlegt ist derart, daß die Trennebene der Teile die optische Achse enthält und bei der eine länge der optischen Achse relativ zum System verschiebliehe Foucault*sehe-. Schneide angeordnet ist, mit welcher diejenige Stelle aufgesucht werden kann, in der die Schneide die Helligkeit der beiden Teile in gleichem Verhältnis beeinflußt, was fotoelektrisch bestimmt wird. Bei der Bildkorrelation beliebiger Objektstrukturen kann dieses Verfahren wegen inhomogener Helligkeitsverteilung kaum Verwendung finden (DBP 1 103 050).

—*! —

" 303821/0431

A 1824/B .2698

des Objektivs passiert habende Strahlenanteile erregt werden können¹.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann auch so ausgebildet sein, daß den fptoelektrischen Empfängern Mittel nachgesehaltet sind, die eine Variation der Relativlage zwischen Objektiv und Korrelationsgitter im gewünschten Sinne bewirken .

Mit Vorteil kann das korrelierende Gitter durch in bzw. auf einen Träger gebrachte, in ihrem Querschnitt dreieckförmige, mit ihren Längskanten zueinander parallelliegende Furchen oder Prismen ,gebildet sein.

Zum Messen nach verschiedenen Koordinatenrichtungen kann das korrelierende Gitter durch eine Vielzahl.mit den Kanten ihrer Grundfläche parallel zueinander und nebeneinander liegender Pyramiden dargestellt sein. In diesem Falle ist vorzugsweise jeder durch die Pyramidenseiten definierten Gitterrichtung ein fotoelektrischer Empfänger zugeordnet.

Statt zweier fotoelektrischer Empfänger kann je Koordinate auch nur ein einziger fotoelektrischer Empfänger vorgesehen sein, der wechselweise den beiden Strahlenteilen zugeordnet wird.

Die Einrichtung ist nachfolgend anhand von Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine neue Einrichtung mit verwendeter polarisierender Strahlenteilung,

Fig. 2 eine Einrichtung mit gerichteten fotoelektrischen Empfängern,

Fig. 3 eine Einrichtung mit einem Speziairaster als

Korrelator, _t-_

309821/0431

A 1824/B 2698 11 .11,1971.

Fig. 3a die Ausbildung des Gitters nach Fig.3,

Fig» 4 eine Einrichtung mit Prismengitter,

Fig. 4a die Ausbildung des Gitters nach Fig*4,

Fig. 5 eine Einrichtung zum zweidimensionalen Messen,

Fig. J5a die Ausbildung des Gitters nach Fig.5·

In F±g.1 ist mit dem Bezugszeicheii 1 ein von einem anzumessenden Objekt (nicht mit dargestellt) herkommendes Lichtbündel bezeichnet, aus dessen optischen Eigenschaften die Entfernung des Objektes bestimmt werden soll. Beleuchtet wird das Objekt durch allgemein verwandte Lichtquellen, j z.B. Tageslicht oder Kunstlicht. Ein Objektiv 2 bildet das Objekt in die Ebene eines Gitters 3 ab« Dabei erzeugt ein dem Objektiv 2 zugeordnetes Wollaston-Prisma 4 durch · Doppelbrechung zwei Objektbilder, die in der Ebene des Gitters 3 um eine halbe Gitterkonstante senkrecht zu den Gitterstrichen gegeneinander versetzt sind. Das Licht je eines Bildes wird nach Filterung durch das Gitter 3 über einen polarisierenden Teiler 5 je einem fotoelektrischen Empfänger 6, 7 zugeführt, deren Ausgangssignale auf einen Gegentaktverstärker 8 geschaltet sind. Am Ausgang das Verstärkers 8 liegt ein Meßinstrument 9 zur Anzeige des maximalen Differenzsignals der Empfänger 6, 7·

Da die Objektbilder eine ortsveränderliche Helligkeitsverteilung aufweisen, erhalten die Empfänger 6, 7 verschiedene Lichtmengen, denn das Gitter 5 filtert als Ortsfrequenzfilter den seiner Gitterkonstante entsprechenden Frequenzanteil aus der Bildverteilung aus. Die Erfindung beruht nun darauf, daß dieser Frequenzanteil dann ein Intensitätsmaximum besitzt, wenn der anzumessende Bildanteil des Objektes in der Ebene des Gitters 3 scharf abgebildet wird. Demnach tritt bei aher- Relativbewegung zwischen Gitter und Bild (eventuell stochastisch durch Bewegungen oder Zittern

-6-

309821/0431

⁶ A 182 k/B 2698

11 .11.1971 .

des Benutzers des Entfernungsmessers hervorgerufen) bei Scharfeinstellung am Ausgang des Verstärkers 8 ein zeitveränderliches Signal maximaler Amplitude auf, dessen Frequenz der Geschwindigkeit der Relativbewegung proportional ist. Nach diesem Signal wird über einen Regler 10 und das Objektiv 2 die Abbildungsschärfe optimal geregelt. Die Entfernung kann dann z.B. an einer dem Regler 10 zugeordneten Skala abgelesen werden.

Durch die Überlagerung der Objektstruktur mit der Struktur des Gitters 3 ergibt sich die Ausfilterung der der Ortsfrequenz des Gitters entsprechenden Bildstrukturanteile. Dabei werden zusätzliche niederfrequentere Bildanteile als störender Gleichlichtanteil durchgelassen. Für das um eine halbe Gitterkonstante versetzte Bild gilt das gleiche, aber mit dem Unterschied, daß nur die der Gitterkonstante entsprechende Ortsfrequenz gegenüber dem erstgenannten Ortssignal um 180 in der. Phase verschoben ist. Durch die. anschließende Differenzbildung der aus den beiden Bildanteilen gewonnenen elektrischen Signale erhält man also automatisch eine Elimination der gleichphasigen Gleich— lichtanteile und eine Addition der gegenphasigen Signalanteile der ausgefilterten Ortsfrequenz.

Es ist natürlich auch möglich, die polarisierende Aufspaltung der beiden Bildanteile durch Farbaufspaltung mittels eines Farbdispersionsprismas und eines dichromatischen Teilers anstelle der Bauelemente h bzw. 5 zu ersetzen.

Die in Fig.2 schematisch dargestellte Ausfuhrungsform weist die in der Anordnung nach Fig.1 mit Bezugszeichen 1-3 und 6-10 bezifferten Elemente mit gleicher Funktion und Bezeichnung auf, Im Gegensatz zur letztgenannten Anordnung treffen hier jedoch at±am± diametrale Partien 11, 12 des Objektivs 2 passiert habende Strahlenanteile des Bündels

309821/0431

⁷ A 1824/B 2698

11.11.1971.

jeweils die verschiedenen. Fotoempfänger 6, 7· Dies wird dadurch erreicht, daß jedem der dem korrelierenden Gitter 3 nachgeordneten fotoelektrischen Empfänger 6, 7 je eine sammelnde Optik 13, Ik sowie eine Richtungsblende 15, 16 zugeordnet sind und daß die Bauelemente 6, 7» 13-16" eine entsprechende räumliche Anordnung in Bezug auf die Hauptachse des Objektivs 2 besitzen. Die achsennahen Anteile des Bündels 1 sind durch eine Blende 17 von der Meßanordnung fern gehalten und können beispielsweise zur fotografischen Bildauswertung dienen, Im Falle der Gleichlage von Bild und Gitterebene zeigt das Instrument 9 einen Null-Durchgang des Differenzsignals an, da die Elemente 6, 7 dann gleiche Lichtmengen erhalten. Bei der Verlagerung des Schnittpunktes der Lichtanteile aus der Gitterebene heraus werden beide Fotoempfänger 6, 7 hingegen unterschiedlich beaufschlagt. Dies gilt für alle Bildpunkte, die im Bild relativ zueiander fixiert, doho "kohärent" liegen, sich aber gemeinsam zeitlich stochastisch bewegen können.

In Fig.3 ist eine weitere Ausführungsform der neuen Einrichtung schematisch dargestellt. Sie weist die mit 1, 2, 6-10 bezeichneten Elemente der Fig.1 mit analoger Funktion auf. Das korrelierende Gitter 21 besteht hier jedoch aus von Zeile zu Zeile gegenläufigen sägezahnförmigen Prismenreihen 22 (siehe Fig.3a). Die Energieaufspaltung zwischen dem um eine halbe Gitterkonstante gegeneinander versetzten Objektbildern wird also nicht über eine Polarisationsoptik erzeugt, sondern durch die unterschiedliche'Lichtablenkung der gegenläufigen Prismen. Das erzeugte Gegentaktsignal bezüglich der Ortsfrequenz der Objektbilder ist dem mit Anordnung nach Fig.1 äquivalent»

In Fig.k ist eine Abwandlung des in Fig»3 Gezeigten dargestellt. Auch hier weisen gleichlautende Bezugszeichen auf

-8-

3 09821/iU 31

⁰ A 1824/B 2698

11.11.1971.

21-56R17

gleiche Bauteile hin. Das Gitter 25 ist hier jedoch als Furchenraster mit dreieckförmigem Furchenquerschnitt ausgebildet (öiehe Fig.4a). Dadurch, daß die Flanken der Gitterfurchen abwechselnd ungleiche Neigungen aufweisen, wird die Energieaufspaltung zwischen den um eine halbe Gitterkonstante gegeneinander versetzten Objektbildern durch die unterschiedliche -Lichtablenkung benachbarter Flanken erzeugt. Im Gegensatz zu Fig.3 erfolgt hier die Aufspaltung quer zur Furchenrichtung. Die dargestellten Blenden 15'» 16* haben in Verbindung mit den Objektiven 13 *» 1^¹ hier die Aufgabe, die Empfangsrichtungen der fotoelektrischen Empfänger 6, 7 eindeutig zu definieren.

In Fig.5 schließlich ist eine neue Einrichtung dargestellt, welche die Messung nach zwei Koordinatenrichtungen erlaubt. Wie dargestellt, ist hier im vom Objekt herkommenden Lichtbündel 1 dem Objektiv 2 ein Raster nachgeschaltet, welches auf einem Träger 26 eine Vielzahl gleichartiger, mit den Kanten ihrer Grundflächen parallel zueinander und nebeneinander liegender Pyramiden 27 aufweist (vergl. Fig.5a)» Durch die Normalen der Pyramidenflächen sind in der Ebene des Gitters zwei Richtungspaare definiert, denen vier fotoelektrische Empfänger 28-31 zugeordnet sind. Es ist also möglich, mittels dieses Gitters in der Gitterebene nach zwei zueinander nicht parallelen Richtungen zu messen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in einer Koordinatenrichtung periodische Bildstrukturen (Lattenzaun) anfallen. Darüber hinaus läßt sich mit Hilfe dieser Gitteranordnung für jede Koordinatenrichtung ein Gegentakt-signalpaar gewinnen, die es in bekannter Weise ermöglichen, Gleichlichtanteile aus den anfallenden Meßsignalen zu eliminieren.

Wie ersichtlich, werden alle Ausführungsbeispiele in Durchlichtdarstellung gezeigt, d.h. bei allen dargestellten

-9-

309821/0431

⁹ ■ A 1824/B 2698

Einrichtungen sind die Gitter transparent ausgeführt und die" fotoelektrischen Empfänger befinden sich, in Lichtrichtung gesehen, hinter den Gittern. Selbstverständlich lassen sich für alle Beispiele entsprechende Gitterausführungen herstellen, welche die Punktionen eines Reflexionsgitters ausüben, wobei dann die fotoelektrischen Empfänger vor den Gittern angeordnet sind.

Der Vorteil der oben beschriebenen neuen Einrichtungen liegt einmal darin, daß zur Signalbildung ein schnell bewegtes und daher störanfälliges Bauteil nicht benötigt wird. Zum anderen aber lassen sich diese Einrichtungen mit geringem Aufwand verwirklichen. Sie lassen sich beispielsweise bei fotografischen Kameras, bei Kopiergeräten, bei Mikroskopen, bei Vermessungsgeräten usw. mit Vorteil < anwenden.

-10-

309821/0431

Claims

" ¹⁰ " A 1824/B 2698

11.11.1971. _p

Pat.nfobt.Hung * I 5 b b 1 7

Se/GG

Ansprüche

Einrichtung zur Bestimmung der relativen Lage der Ebene maximaler Amplitude einer Ortsfrequenz, beispielsweise bei einem Entfernungsmesser, gekennzeichnet durch mindestens ein einem Eintrittsobjektiv (2) nachgeordnetes Gitter (3; 21; 22} 25; 26, 27) als Korrelator und Ortsfrequenzfilter, welches sich in der Nähe der Abbildungsebene dieses Objektivs befindet, sowie vorzugsweise zwei diesem Gitter nachgeordnete fotoelektrische Empfänger (6, 7; 28-31), deren Ausgangssignale aufgrund angewendeter physikalischer oder geometrischer Strahlenteilung für die gewählte Ortsfrequenz im Gegentakt sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Objektiv (2) und dem korrelierenden Gitter (3) ein polarisierendes bildaufspaltendes Element (k) als Bildverdoppler und zwischen dem Gitter und den fotoelektrischen Empfängern ein polarisierender Teiler (5) angeordnet sind.
3· Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Objektiv (2) und dem korrelierenden Gitter (3) ein Dispersionsprisma als Bildverdoppler und zwischen dem Gitter und den fotoelektrischen Empfängern ein nach Farben aufspaltender Teiler angeordnet sind.
h. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das korrelierende Gitter von Zeile zu Zeile gegenläufige sägezahnförmige Prismenreihen (22) aufweist.
5» Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das korrelierende Gitter durch in bzw« auf einen Träger {2k) gebrachte, in ihrem Querschnitt dreieckförmige,

309821/0431

¹¹ ~ A 1824 /B 2698

11.11.1971 2156617

Patentabteilung Se/GG

mit ihren Längskanten zueinander parallelliegende Furchen (25) oder Prismen gebildet ist.
6, Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das korrelierende Gitter durch eine Vielzahl mit den Kanten ihrer Grundflächen parallel zueinander und nebeneinander liegender gleichartiger Pyramiden (27) gebildet ist und daß vorzugsweise jeder durch die Pyramidenseiten definierten Gitterrichtung ein fotoelektrischer Empfänger (28-31) zugeordnet ist.
7· Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der dem korrelierenden Gitter nachgeordneten foto- ™ elektrischen Empfänger (6, 7) je eine sammelnde Optik (i3f 1*0 sowie eine Richtungsblende (15> 16) zugeordnet sind und daß die fotoelektrischen Empfänger räumlich derart angeordnet sind, daß sie nur durch diametrale Partien des Objektivs (2) passiert habende Strah— lenanteile (11, 12) erregt werden können.
8. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden ι Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den fotoelektrischen Empfängern (6, 7) Mittel (8, 10) nachgeschaltet sind, die eine Variation der Relativlage zwischen Objektiv (2) und Korrelationsgitter (3) im A gewünschten Sinne bewirken.

309821/0431