DE2156617C3

DE2156617C3 - Einrichtung zur Bestimmung der Lage der Ebene maximaler Amplitude einer Ortsfrequenz, beispielsweise bei einem Entfernungsmesser

Info

Publication number: DE2156617C3
Application number: DE2156617A
Authority: DE
Inventors: Knut Dipl.-Ing. Heitmann; Ludwig Dr. Leitz; Eckart Schneider
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Leica Microsystems Holdings GmbH
Priority date: 1971-11-15
Filing date: 1971-11-15
Publication date: 1980-08-21
Also published as: JPS6365922B2; DE2156617A1; JPS4860645A; US3781110A; DE2156617B2

Description

Die Anmeldung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Lage der Ebene maximaler Amplitude einer Ortsfrequenz, beispielsweise bei einem Entfernungsmesser.

Es ist ein Verfahren zur objektiven Scharfeinstellung von durch optische Systeme entworfenen Bildern bckannt. bei dem das Bild eines Testobjektes ein lichtelektrisches Organ beeinflußt. Gemäß diesem Verfahren werden die Hell- und Dunkelfelder des vorzugsweise rasterförmigen Testobjektbildes dem lichtelcktrischen 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 (DE-PS 9 27 239).

Auch ist ein Verfahren zur objektiven Scharfeinstellung von durch optische Systeme entworfenen Bildern bekannt, bei dem die Hell- und Dunkelfcldcr zweier rasterförmiger Testobjektbilder, von denen das eine dicht vor. das andere dicht hinler der Einstcllebcnc liegt, durch eine Spaltblcndc hindurch abwechselnd einem lichtclcktrischen Organ in schneller Aufeinanderfolge zugänglich gemacht werden. Dabei dient die Steilheit der am Ausgang des lichtelekirischcn Organs auftretenden trapezförmigen Stromimpulsc als Maß für die Scharfeinstellung. Die Einstellung des optischen Systems wird so lange geändert, bis Gleichheit aller Steilheiten 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 (DE-PS 9 61 767).

Auch ist ein Verfahren zur Untersuchung der Einstcllung von abbildenden optischen Systemen mittels Autokollimalion bekannt, gemäß dem d'c Einstellung des Objektivs auf den optimalen Wert der Abbildungsschärfe durch eine vor dem Autokollimalionsiernrohr oder an dessen Stelle angeordnete lichtelektrische ZeI- |e 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 Testobjektabbiklungen ein Maximum oder ein Minimum des Fotozellenstromes entsteht, das als Kriterium für die Objekliveinstcllung dient. Auch diese Einrichtung kann nur für vorher präparierte und installierte Testobjekte verwendet werden, was bei Entfernungsbestimmungen zu beliebigen fernen Gegenständen nachteilig ist (DE-PS 7 42 220).

Schließlich ist eine Einrichtung zum .Scharfeinstellen optischer Systeme bekannt, bei der das ein optisches System durchsetzende l.ichtbündcl durch ein Mittel in /wei Teile zerlegt ist derart, daß die Trennebene der ile die optische Achse enthüll und bei der eine längs der optischen Achse relativ zum System verschiebliehe Foucaultsche Schneide eingeordnet ist, mit welcher diejenige Stelle aulgesucht 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 Helligkeiisverteilung kaum Verwendung finden (DE-PS 11 03 050).

Bei einer weiteren Einrichtung wird der durch eine oszillierende Blende hindurchgehende Lichtfluß als Scharfstellkriterium benutzt Solange das System defokussiert ist, werden aus unterschiedlichen Pupillenbereichen stammende Lichtflüsse zeitlich nacheinander durch die Blende abgedeckt Durch den Pupillenbereichen zugeordnete 'otoelektrische Empfänger werden somit unterschiedlich modulierte Signale erzeugt Erst wenn die Blende in der Fokusebene liegt werden die auf die Empfänger gelangenden Lichtflüsse durch die Blende in gleicher Weise beeinflußt Die von den Empfängern abgegebenen elektrischen Sigmle werden miteinander korreliert und zur automatischen Scharfstellung verwendet (US-PS 35 71 598).

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, Einrichtungen zur Bildkorrelation anzugeben, bei denen die Nachteile des Bekannten vermieden sind und die daher vielseitig verwendbar sind. Insbesondere sollen keine bewegten Meßelemente verwendet werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 9.

Statt zweier fotoelcktrischcr Empfänger kann je Koordinalc auch nur ein einziger fotoelcktrischcr Empfänger vorgesehen sein, der wechselweise den beiden Sirahlcnteilen zugeordnet wird.

Die Einrichtung ist nachfolgend an Hand von Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine neue Einrichtung mil verwendeter polarisierender Strahlenteilung,

Fig. 2 eine Einrichtung mit gerichteten fotoelekirischcn Empfängern,

Fig. 3 eine Einrichtung mit einem Spc/ialraster als Korrelator.

F i g. Ja die Ausbildung des Gilters nach F i g. 3.

F i g. 4 eine Einrichtung mit Prismcngitter.

F i g. 4a die Ausbildung des Gilters nach F i g. 4.

Fig. 5 eine Einrichtung zum zwciclimensionalen Messen,

F i g. 5a die Ausbildung des Gilters nach F i g. 5.
In F i g. I ist mit dem Bczugszeiehen I ein von einem anzumessenden Objekt (nichl mit dargestellt) herkommendes Lichtbündcl bezeichnet, aus dessen optischen Eigenschaften die Entfernung des Objektes bestimmt werden soll. Beleuchtet wird das Objekt durch allgemein verwandle Lichtquellen. /.. B. Tageslicht oder Kunstlicht. Ein Objektiv 2 bildet das Objekt in die Ebene eines Gitters 3 ab. Dabei erzeugt ein dem Objektiv 2 zugeordnetes Wollaslon-Prisma 4 durch Doppelbrechung zwei Objcktbildcr, die in der Ebene des Gitters 3 um eine halbe Gitlcrkonstantc .rrkreeht zu den Gittersirichen gegeneinander vci'sct/.t sind. Das Licht je eines Bildes wird nach Filterung durch das Gitier 3 über einen polarisierenden Teiler 5 je einem fotoelektrischen Empfänger 6, 7 zugeführt, deren Ausgangssignale auf einen Gegentaktverstärker 8 geschaltet sind. Am Ausgang des Verstärkers 8 liegt ein Meßinstrument 9 zur Anzeige des maximalen Pillerenzsignals der Empfänger b. 7.

Da die Objektbilder eine ortsveränderliche Helligkeitsverteilung aufweisen, erhalten die Empfänger 6. 7 verschiedene Lichtmengen, denn das Gitter 5 filteri als Ortsfrequenzfilter den seiner Gitterkonstante entsprechendem 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. Bei einer Relativbewegung zwischen Gitter und Bild (evtl. stochatisch durch Bewegungen oder Zittern des Benutzers des Entfernungsmessers hervorgerufen) tritt bei Scharfeinstellung am Ausgang des Verstärkers 8 ein zeitveränderliches Signal maximaler Amplitude auf, dessen Frequenz der Geschwindigkeit der Relativbewegung proportional ist Nach der Amplitude dieses Signals 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 Ausfilterunj: der der Ortsfrequenz des Gitters entsprechenden BiIdstrukturanicile. Dabei werden zusätzliche niederfrequentere Bildanteile als störender Gleichlieiiiantcil durchgelassen. Für das um eine halbe Giuerkonsiante versetzte Bild gilt das gleiche, aber mit dem Unterschied, daß nur die der Gitterkonstante entsprechende Ortsfrequenz gegenüber dem erstgenannten Ollssignal 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 Gleichlichtanteilc und eine Addition der gegenphasigcn Signalanleile der ausgefilterten Ortsfrequenz.

Es ist natürlich auch möglich, die Aufspaltung durch Polarisation der beiden Bildanteile durch Farbaufspal tung mittels eines Farbdispersionsprismas und eines di- chromatischen Teilers an Stelle der Bauelemente 4 bzw. 5 zu ersetzen.

Die in F i g. 2 schematisch dargestellte Ausführungsform weist die in der Anordnung nach F i g. 1 mit Bczugszeiehen 1 bis 3 und 6 bis 10 bezifferten Elemente mil gleicher Funktion und Bezeichnung auf. Im Gegensatz zur letztgenannten Anordnung treffen hier jedoch diametrale Partien 11, 12 des Objektivs 2 passiert habende Sirahlenanteile des Bündels 1 jeweils die verschiedenen Fotoempfänger 6, 7. Dies wird dadurch erreicht, daß jedem der dem korreliercnden Gitier 3 nachgeordneten foloelektrischen Empfänger 6, 7 je eine sammelnde Optik 13, 14 sowie eine Richlungsblcndc 15, 16 zugeordnet sind und daß die Bauelemente 6. 7, 13 bis 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 ferngehalten Lind können beispielsweise zur fotografischen Bildauswerlung dienen. Im Falle der Gleichlage von Bild und Gitterebene zeigt das Instrument 9 einen Null-Durchgang des Diffcrenzsignals an, da die Elemente 6. 7 dann glciehe Lichlmcngcn erhallen. Bei der Verlagerung des Schnittpunktes der Lichtanteile aus der Giucrcbene heraus werden beide Foloempfänger 6, 7 hingegen unterschiedlich beaufschlagt. Dies gilt für alle Bildpunktc. die im Bild relativ zueinander fixiert, d. h. »kohärent« liegen, sich aber gemeinsam zeitlich stochastisch bewegen können.

In F i g. ! ist eine weitere Ausführungsform der neuen Einrichtung schematisch dargestellt Sie weist

die mit 1. 2, 6 bis 10 bezeichneten Elemente der F i g. 1 mit analoger Funktion auf. Das korrelierende Gitter 21 besteht hier jedoch aus von Zeile zu Zeile gegenläufigen sägezahnförmigen Prismenreihen 22 (s. F i g. 3a). Die Energieauf¹·""Mltung zwischen den um eine halbe Gitterkonstantc gegeneinander versetzten Objektbildern wird also nicht über eine Polarisationsoplik erzeugt, sondern durch die unterschiedliche Lichtablenkung der gegenläufigen Prismen. Das erzeugte Gcgentaktsignal bezüglich der Ortsfrequenz der Objekibilder ist dem mit Anordnung nach F i g. 1 äquivalent.

In F i g. 4 ist eine Abwandlung des in F i g. 3 gezeigten dargestellt. Auch hier weisen gleichlautende Bezugszeichen auf gleiche Bauteile hin. Das Gitter 24 ist hier jedoch als Furchenraster mit dreieckförmigem Furchenquerschnitt 25 ausgebildet (s. F i g. 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 F i g. 3 erfolgt hier die Aufspaltung quer zur Furchenrichtung. Die dargestellten Blenden 15'. 16' haben in Verbindung mit den Objektiven 13'. 14' hier die Aufgabe, die Empfangsrichtungen der fotoelektrischen Empfänger 6, 7 eindeutig zu definieren.

In F i g. 5 schließlich ist eine neue Einrichtung dargestellt, welche die Messung nach zwei Koordinaten richtungen 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 nebencinandeiliegender Pyramiden 27 aufweist (vgl. F i g. 5a). Durch die Normalen der Pyramidenflächen sind in der Ebene des Gitters zwei Richtungspaarc definiert, denen vier fotoelcktrische Empfänger 28 bis 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 BiIdstrukturen (Lattenzaun) anfallen. Darüber hinaus läßt sich mit Hilfe dieser Gitteranordnung für jede Koordinatenrichtung ein Gegentaktsignalpaar gewinnen, die es in bekannter Weise ermöglichen, Gleichlichtantcilc aus den anfallenden Meßsignalen zu eliminieren.

Wie ersichtlich, werden alle Ausführungsbeispiele in Durchlichtdarstellung gezeigt, d. h. bei allen dargestellten Einrichtungen sind die Gilter transparent ausgeführt und die foloelektrischen Empfänger befinden sich, in Lichtrichtung gesehen, hinter den Gittern. Selbstverständlich lassen sich für alle Beispiele entsprechende Gitterausführungen herstellen, welche die Funktionen eines Reflexionsgillers 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Bestimmung der Lage der Ebene maximaler Amplitude einer Ortsfrequenz, beispielsweise bei einem Entfernungsmesser, g e kennzeichnet durch ein einem Eintrittsobjektiv (2) nachgeordnetes Gitter (3; 21; 24; 28) als Korrelator und Ortsfrequenzfilter, welches sich in der Nähe der Abbildungsebene dieses Objektivs befindet, durch mindestens zwei diesem Gitter nachgeordnete fotoelektrische Empfänger (6, 7; 28-31) und durch Mittel (4,5; 13-16; 22; 25; 27), die eine Aufspaltung des scharfzustellenden BiI-des bewirken, so daß jeder fotoelektrische Empfänger (6, 7; 28-31) das Licht nur jeweils eines konelierten Teilbildes empfängt

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorliegen einer Relativbewegung zwischen Bild und Ortsfrequenzfilter die Ausgangssignale der fotoelektrischen Empfänger auf Grund angewendeter physikalischer oder geometrischer Strahlenteilung für die gewählte Ortsfrequenz im Gegentakt sind.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Objektiv (2) und dem korrelierenden Gitter (3) ein polarisierendes büdaufspaltendes Element (4) als BiIdverdoppler und zwischen dem Gitter und den fotoelektrischen Empfängern ein polarisierender Teiler (5) angeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Objektiv (2) und dem korrelierenden Gitter (3) ein Dispcrsionsprisma als Bildverdoppler und zwischen dem Gitter und den fotoelcktrischen Empfängern ein nach Farben aufspaltender Teiler angeordnet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das korrelicrcnde Gitter von Zeile zu Zeile gegenläufige sägezahnförmigc Prismenreihen (22) aufweist.

6. Einrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das korrelicrcnde Gilter durch in bzw. auf einen Träger (24) gebrachte, in ihrem Querschnitt dreieckförmige, mit ihren Längskanten zueinander parallelliegende Furchen (25) oder Prismen gebildet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das korreliercnde Gitter durch eine Vielzahl mit den Kanten ihrer Grundflächen parallel zueinander und nebeneinanderliegcnder gleichartiger Pyramiden (27) gebildet ist und daß vorzugsweise jeder durch die Pyraniidenscilen definierten Gitterrichtung ein fotoelektrischcr F.mpfiinger (28 bis 31) zugeordnet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der dem korrelierenden Gitter nachgeordneten fotoelektrischen Empfänger (6, 7) je eine sammelnde Optik (13, 14) sowie eine Richtungsblendc (15, 16) zugeordnet sind und daß die fotoelektrisehen Empfänger räumlich derart angeordnet sind, daß sie nur durch diametrale Partien des Objektivs (2) passiert habende Slrahlenlcile (I I. 12) erregt weiden können.

9. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den fotoelcktrischen Empfängern (6, 7) Mittel (8, 10) nachgeschaltet sind, die eine Variation der Relativlage zwischen Objektiv (2) und Korrelalionsgittcr (3) im gewünschten Sinne bewirken.