DE2259892A1

DE2259892A1 - METHOD AND ARRANGEMENT FOR THE AUTOMATIC FOCUSING OF LENSES, PREFERABLY REPRODUCTION LENSES

Info

Publication number: DE2259892A1
Application number: DE19722259892
Authority: DE
Inventors: Paul Dr Kuttner
Original assignee: Optische Werke G Rodenstock
Current assignee: Optische Werke G Rodenstock
Priority date: 1972-12-07
Filing date: 1972-12-07
Publication date: 1974-06-12

Description

"Verfahren und Anordnung zur automatischen Fokussierung von Objektiven vorzugsweise Reproduktionsobjektiven" Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Anordnung zur automatischen Fokus° sierung von Objektiven, vorzugsweise Reproduktionsobjektiven, bei dem das von einem achsnahen Bereich der Objektebene ausgehende Strahlenbündel hinter dem Objektiv auf eine oder mehrere Fotozellen auftrifft und der Abstand zwischen Objektiv und Bildebene mit Hilfe eines Stellmotors in Abhängigkeit vom Fotostrom bis zum Erreichen optimaler tontrastübertragung verändert wird."Procedure and arrangement for the automatic focusing of lenses preferably reproduction objectives "The invention relates to a method as well as an arrangement for automatic focusing of lenses, preferably Reproduction lenses, in which the from a near-axis area of the object plane outgoing bundle of rays hits one or more photocells behind the lens and the distance between the lens and the image plane with the aid of a servomotor as a function of is changed from the photocurrent to the achievement of optimal contrast transmission.

Bei fotografischen Kameras ist eine Anordnung zur automatischen Scharfstellung bekannt, bei der ein Teil des durch das Objektiv fallenden lichtes über einen teildurchlässigen Spiegel auf eine kleine Öffnung oder einen Spalt gelangt, hinter dem sich eine fotoelektrische Zelle befindet. Der Spiegel wird um seine Nittelachse periodisch bewegt, wobei in der fotoelektrischen Zelle eine Wechsel spannung erzeugt wird. Die Wechselspannung nimmt einen Maximalwert an, wenn das Bild in der Spaltebene optimale Schärfe erreicht hat.In the case of photographic cameras, there is an arrangement for automatic focusing known, in which part of the light falling through the lens is partially transparent Mirror reaches a small opening or gap behind which there is a photoelectric Cell is located. The mirror is moved periodically around its central axis, with in the photoelectric cell an alternating voltage is generated. the AC voltage assumes a maximum value when the image in the cleavage plane is optimal Has reached sharpness.

Ein Servomotor verändert hierbei die Lage des Objektives solange bis dieser Maximalwert der Spannung erreicht ist.A servomotor changes the position of the lens until this maximum value of the voltage is reached.

Bei anderen bekannten Foto geräten sind nicht lineare Fotoempfänger, z.B. Cadmiumsulfid -Fotowiderstände zur Scharfstellung vorgesehen.Other known photo devices are non-linear photo receivers, E.g. cadmium sulfide photoresistors intended for focusing.

Hierbei hängt wegen der Nichtlinearität des Fotoempfängers bei gleichbleibender Beleuchtung der Fotostrom von der Fokussierung ab und nimmt seinen Extremwert bei optimaler Bildschärfe an.Here, because of the non-linearity of the photo receiver, depends on the constant Illumination of the photocurrent from focusing and takes its extreme value at optimal image sharpness.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, zwei Foto zellen mit nichtlinearer Charakteristik in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung anzuordnen, wobei sich beide Fotozellen in der Bildebene befinden. Während die eine Fotozelle das Licht direkt vom Bild erhält, ist vor der zweiten Fotozelle eine Streuscheibe angeordnet.It has also been proposed to use two photo cells with non-linear Arrange characteristic in a Wheatstone bridge circuit, whereby both photocells are in the image plane. While one photocell is the light Received directly from the picture, a diffuser is placed in front of the second photocell.

Die der Streuscheibe zugeordnete Zelle reagiert auf eine Durchschnittshelligkeit, während die andere Zelle infolge der durch das Bild bedingten, veränderbaren Intensitätaverteilung bei der Scharfeinstellung das Brückengleichgevicht beeinflusst. Die Fokussierung erfolgt auf maximale Differenz zwischen den von den beiden Zellen ausgehenden Signalen.The cell assigned to the lens reacts to an average brightness, while the other cell is due to the variable intensity distribution caused by the image affects the balance of the bridge when focusing. The focus takes place on the maximum difference between the signals emanating from the two cells.

Die beschriebenen bekannten Fokussiereinrichtungen sind für hohe Ansprüche wie sie beispielsweise bei Reproduktionskameras vorliegen, nicht ausreichend.The known focusing devices described are for high demands as they exist in reproduction cameras, for example, are not sufficient.

Reproduktionskameras werden daher in der Praxis auf Mattscheibe fokussiert. Als Fokussiertest wird dabei entweder ein geeigneter Objektausschnitt oder aber ein im Bereich der optischen Achse in der Objektebene angeordneter Siemensstern verwendet. Das Mattscheibenbild wird mit einer Lupe oder einem Mikroskop beobachtet und durch Verstellen der Mattscheibe nach möglichst hoher Auflösung visuell fokussiert.In practice, reproduction cameras are therefore focused on a screen. Either a suitable section of the object or a a Siemens star arranged in the area of the optical axis in the object plane used. The screen image is observed with a magnifying glass or a microscope and visually focused by adjusting the screen to achieve the highest possible resolution.

Aufgabe der Erfindung ist. es, ein Verfahren bzw.The object of the invention is. it, a procedure or

eine Anordnung zu schaffen, das eine automatische Fokussierung von Reproduktionskameras mit hoher Präzision gestattet.to create an arrangement that allows automatic focusing of Reproduction cameras with high precision are permitted.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Bereich der optischen Achse der Objektebene ein kontrastreiches periodisches Testfeld mit scharf begrenzten abwechselnd schwarzen und weißen Streifen, z.B. in Form eines sogenannten Siemenssternes angeordnet wird und in der Bildebene ein Meßspalt vorgesehen ist, der parallel zu der in seinem Bereich abgebildeten Kontur des Testfeldes verläuft und rechtwinkelig zu dieser Kontur in der Bildebene gleichförmig bewegt wird und das durch den Meßspalt fallende Licht von einer oder mehreren Fotozellen in elektrische Signale umgesetzt wird, welche von dem Maß des Kontrastes des von dem Meßspalt überstrichenen Testfeldbereiches abhängig sind und diese Signale einer elektronischen Speicher- und/oder Steuereinrichtung zugeleitet werden, welche ein erhaltenes Signal verstärkt und speichert, die Verschiebung des Objektives oder der Bildebene in der optischen Achse um einen bestimmten Weg bewirkt, ein weiteres Signal mit dem gespeicherten vergleicht, je nach dem Vergleichsergebnis eine weitere Verschiebung des Ob-Jektives oder der Bildebene im Sinne eines verbesserten Kontrastes bewirkt und diesen Vorgang bis zum Erreichen eines optimalen Kontrastes wiederholt.This object is achieved according to the invention in that in the area a high-contrast periodic test field with the optical axis of the object plane sharply defined alternating black and white stripes, e.g. in the form of a so-called Siemens star is arranged and a measuring gap is provided in the image plane which runs parallel to the contour of the test field shown in its area and is moved uniformly at right angles to this contour in the image plane and the light falling through the measuring gap from one or more photocells into electrical Signals is converted which depends on the degree of contrast of the swept by the measuring gap Test field area are dependent and these signals an electronic Storage- and / or control device which amplifies a received signal and stores the displacement of the lens or the image plane in the optical Axis by a certain distance causes another signal with the stored one compares, depending on the comparison result, a further shift in the objective lens or the image plane in the sense of an improved contrast and this process repeated until an optimal contrast is achieved.

Die Erfindung geht davon aus, daß im Frequenzbereich zwischen 15 und 30 Per/mm bei allen gängigen Objektiven die Kurven der Eontrastübertragungsfunktionen in der visuellen Einstellebene höher liegen als in allen defokussierten Ebenen, d.h. dieser Frequenzbereich wird bei visueller Fokussierung auf optimalen Kontrast fokussiert. Die zugehörigen tontrastwerte, d.h. die relativen Helligkeitsunterschiede zwischen den hellen und dunklen Bereichen des Testfeldes liegen zwischen 0,3 und 0,5.The invention assumes that in the frequency range between 15 and 30 per / mm for all common lenses the curves of the contrast transfer functions are higher in the visual setting level than in all defocused levels, i.e. this frequency range is optimized for contrast with visual focus focused. The associated contrast values, i.e. the relative differences in brightness between the light and dark areas of the test field lie between 0.3 and 0.5.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispielen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert.Based on the exemplary embodiments shown in the drawing the invention is explained in more detail below.

Die Fig. 1 und 2 zeigen Beispiele von Testfeldern, die Fig. 3 und 4 zwei Anordnungsbeispiele in schematischer Darstellung. FIGS. 1 and 2 show examples of test fields, FIGS. 3 and 4 two arrangement examples in a schematic representation.

Das in der Objektebene vorgesehene Testfeld kann als einfaches Rechteck-Streifenfeld nach Fig. 1 ausgebildet sein, bei dem die Ortsfrequenz reduziert durch den Abbildungsmaßstab des Objektives in der Bildebene etwa 20 Per/mm beträgt. Die Beleuchtung muß inkohärent sein und kann durch Auflicht oder Durchlicht erfolgen. Ebenso kann das Testfeld gemäß Fig. 2 fächerförmig als sogenannter Siemensstern ausgebildet sein. Die Länge der einzelnen Felder ist so begrenst, daß das Bild des Testfeldes Ortsfrequenzen von 15 bis 30 Per/mm enthält. Durch die optische Abbildung des Testfeldes entsteht in der Bildebene des zu fokussierenden Objektives bei einem Abbildungsmaßstab 1:1 eine in Richtung der optischen Achse örtlich variable Intensitätsverteilung mit etwa 20 Per/mm. Ist der Abbildungsmaßstab wesentlich von 1:1 verschieden, so ist die Ortsfrequenz des Testfeldes so auszubilden, daß durch den Abbildungsmaßstab bedingt in der Bildebene eine Ortsfrequenz von 15 bis'30 Per/mm entsteht.The test field provided in the object plane can be a simple rectangular strip field be designed according to Fig. 1, in which the spatial frequency is reduced by the imaging scale of the objective in the image plane is about 20 per / mm. The lighting must be incoherent and can be done by incident light or transmitted light. The test field can also 2 be designed as a so-called Siemens star in a fan shape. The length the individual fields is so limited that the image of the test field spatial frequencies from 15 to 30 per / mm. The optical imaging of the test field arises in the image plane of the objective to be focused at an image scale of 1: 1 a locally variable intensity distribution in the direction of the optical axis about 20 per / mm. If the reproduction ratio is significantly different from 1: 1, then is to train the spatial frequency of the test field so that by the imaging scale conditionally, a spatial frequency of 15 to 30 per / mm arises in the image plane.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung zur Durehführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der ein Testfeld 1 in der Objektebene 2 des Objektives 3 im Bereich von dessen optischer Achse 4 angeordnet ist.Fig. 3 shows an arrangement for performing the invention Method in which a test field 1 is in the object plane 2 of the objective 3 in the area of the optical axis 4 is arranged.

In der Bildebene 5 ist ein umlaufender Meßspalt 6 angeordnet, hinter dem sich eine Fotozelle 7 befindet. Der Meßspalt 6 ist so angeordnet, daß er jeweils parallel zu den Kanten der einzelnen gontrastfelder des Testfeldes 1 verläuft. Die Fotozelle 7 ist mit einer Speicher- oder Steuereinrichtung 8 verbunden, welche ihrerseits mit einem Stellmotor 9 zusenwirkt. Der Stellmotor 9 verstellt mit Hilfe eines beliebigen mechanischen Getriebes 1o die Bildebene 5 mit dem Meßspalt 6 in Richtung der optischen Achse 4.In the image plane 5, a circumferential measuring gap 6 is arranged, behind which is a photocell 7. The measuring gap 6 is arranged so that he each parallel to the edges of the individual contrast fields of the test field 1 runs. The photocell 7 is connected to a storage or control device 8, which in turn cooperates with a servomotor 9. The servomotor 9 is adjusted with the help of any mechanical gear 1o the image plane 5 with the measuring gap 6 in the direction of the optical axis 4.

Der schmale Meßspalt 6 dient zur Messung der Intensitätsverteilung in der Abbildung des Testfeldes 1 in der Bildebene 5. Hierzu muß der Meßspalt 6 in der Bildebene eine gleichförmige Bewegung ausführen. Vorteilhaft ist dabei die fächerförmige Anordnung des Testfeldes 1 mit dem Mittelpunkt M. Der Meßspalt rotiert dann um den Punkt M', den Abbildungspunkt von N in der Bildebene.The narrow measuring gap 6 is used to measure the intensity distribution in the image of the test field 1 in the image plane 5. For this purpose, the measuring gap 6 execute a uniform movement in the image plane. The advantage here is Fan-shaped arrangement of the test field 1 with the center point M. The measuring gap rotates then around the point M ', the imaging point of N in the image plane.

Hinter dem rotierenden Meßspalt kann z.B.Behind the rotating measuring gap e.g.

ein Sekundärelektronenvervielfacher als Fotozelle 7 angeordnet sein. Die zur Anzeige gelangende Lichtart soll der spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges entsprechen. Gegebenenfalls kann eine Anpassung durch Filter erfolgen.a secondary electron multiplier can be arranged as a photocell 7. The type of light that is displayed should reflect the spectral sensitivity of the human Eye to match. If necessary, an adjustment can be made by means of filters.

Zur Steuerung der Verschiebung der Bildebene 5 wird die bildseitige Modulation über einen bestimmten Zeitraum ausgemessen.To control the displacement of the image plane 5, the image-side Modulation measured over a certain period of time.

Die Amplitude der Modulation wird gemessen und gespeichert. Anßchließend verschiebt der Stellmotor die Bildebene in Richtung der optischen Achse um einen bestiaten Weg. Hierauf wird erneut die Modulation in der Bildebene gemessen. Auch die Amplitude der erneuten Modulation wird gespeichert. Ist die Modulation der zweiten Messung größer als diejenige der ersten, so wird eine weitere Verschiebung der Bildebene in der gleichen Richtung ausgelöst. Ist die Modulation jedoch kleiner geworden, so erfolgt die Verschiebung in der entgegengesetzten Richtung.The amplitude of the modulation is measured and stored. Afterwards the servomotor shifts the image plane by one in the direction of the optical axis bestiaten way. On that again the modulation in the image plane measured. The amplitude of the new modulation is also saved. Is the modulation If the second measurement is greater than that of the first, there will be another shift the image plane triggered in the same direction. However, if the modulation is smaller the shift takes place in the opposite direction.

Nach der Verschiebung wird die Amplitude der sich neu einstellenden Modulation gemessen und mit der letzten vorhergehenden Messung verglichen. Sinngemäß erfolgt jetzt die weitere Verschiebung der Bildebene.After the shift, the amplitude becomes the new one Modulation measured and compared with the last previous measurement. Analogous The image plane is now shifted further.

Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das Maximum der Amplitude der Modulation gefunden und so die Bildebene an den Ort des optimalen Kontrastes gebracht ist. Hiermit ist der Fokussiervorgang abgeschlossen.This process is repeated until the maximum amplitude of the Modulation found and thus brought the image plane to the location of the optimal contrast is. This completes the focusing process.

Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Wie vorher beschrieben, ist auch hier ein Testfeld 1 mit dem Schnittpunkt M der Begrensungslinien seiner Kontrastfelder in der Objektebene 2 des Objektives 3 angeordnet. Das Testfeld 1 befindet sich hierbei im Bereich der optischen Achse 4 des Objektives 3. In unmittelbarer Nähe der Bildebene 5 befinden sich zwei um die Achse 1o umlaufende Meßspalte 11 und 12, wobei die Achse 1o parallel zur optischen Achse 4 verläuft und die Bildebene im Abbildungspunkt M' des Punktes M durchdringt. Die beiden Meßspalte 11 und 12 befinden sich in axialer Richtung im Abstand A voneinander. Hinter den Meßspalten 11 und 12 befindet sich im Bereich der Abbildung des Testfeldes 1 eine Fotozelle 13, die mit dem Steuerteil 14 elektrisch verbunden ist. Das Steuerteil 14 bewirkt die Verschiebung der Bildebene 5 mit den Meßspalten 11 und 12 in Richtung der optischen Achse 4 mit Hilfe des Stellmotors 15 eines beliebigen mechanischen Getriebes 16.Another embodiment of the invention is shown in FIG. As previously described, a test field 1 with the intersection M is also here The boundary lines of its contrast fields are arranged in the object plane 2 of the objective 3. The test field 1 is located in the area of the optical axis 4 of the objective 3. In the immediate vicinity of the image plane 5 there are two revolving around the axis 1o Measuring column 11 and 12, the axis 1o running parallel to the optical axis 4 and the image plane in the imaging point M 'of the point M penetrates. The two measuring columns 11 and 12 are located at a distance A from one another in the axial direction. Behind the Measuring gaps 11 and 12 there is a photocell in the area of the image of test field 1 13, which is electrically connected to the control part 14. The control part 14 causes the shift of the image plane 5 with the measuring columns 11 and 12 in the direction of the optical Axis 4 with the aid of the servomotor 15 of any mechanical gear 16.

Bei dieser Anordnung wird die Abbildung des Testfeldes 1 abwechselnd von den mit konstanter Drehzahl umlaufenden Meßspalten 11 und 12 abgetastet. Die beiden nacheinander durch die Fotozelle 13 an das Steuerteil 14 übermittelten Signale werden in Bezug auf die Amplitude ihrer Modulation verglichen und es wird die Verschiebung der Bildebene in Richtung auf denjenigen Meßspalt bewirict, dessen Signal höheren Kontrast anzeigt. Der Vorgang wird wiederholt, bis eine Steigerung des Kontrastes nicht mehr erreicht wird.With this arrangement, the image of the test field 1 is alternating scanned by the measuring gaps 11 and 12 rotating at constant speed. the two signals transmitted one after the other by the photocell 13 to the control part 14 are compared in terms of the amplitude of their modulation and it becomes the displacement the image plane in the direction of that measuring gap, the signal of which is higher Contrast Indicates. The process is repeated until there is an increase in contrast is no longer achieved.

Statt des in Fig. 2 dargestellten sektorförmigen Testfeldes kann auch ein zum vollen Kreis erweitertes Testfeld verwendet werden, wobei dann dessen Mittelpunkt M in der optischen Achse anzuordnen wäre. Analog muß dann die Drehachse des bzw. der Meßspalte mit der optisc hen Achse zusammenfallen. Bei dieser Anordnung befinden sich direkt im Bereich der optischen Achse keine Kontrastfelder.Instead of the sector-shaped test field shown in FIG. 2, it is also possible a test field expanded to a full circle can be used, with its center point M would be to be arranged in the optical axis. The axis of rotation of the resp. of the measuring column coincide with the optical axis. Located in this arrangement there are no contrast fields directly in the area of the optical axis.

Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, im Bereich der Objektebene zwei Testfelder anzuordnen, die sich in Richtung der optischen Achse des zu fokussierenden Objektives im Abstand voneinander befinden. Die Bilder dieser beiden Testfelder liegen in verschiedenen Ebenen und können sinngemäß wie vorbeschrieben mit einem Meßspalt abgetastet und die so erhaltenen Signale zur Fokussierung des Objektives ausgenutzt werden.It is also possible within the scope of the invention in the area of the object plane two test fields to arrange, which is in the direction of the optical Axis of the objective to be focused are at a distance from each other. The pictures these two test fields are on different levels and can be used in the same way as previously scanned with a measuring gap and the signals thus obtained for focusing of the lens can be exploited.

PatentansrücheClaims

Claims

Claims 1. Method for the automatic focusing of lenses, preferably reproduction objectives, in which the from a near-axis area of the Beam bundles emanating from the object plane behind the objective onto one or more Photocells impinges and the distance between lens and image plane using a Servomotor depending on the photocurrent until optimal contrast transmission is achieved is changed, characterized in that in the area of the optical axis (4) the Object plane (2) a high-contrast periodic test field (1) with sharply delimited, alternating black and white stripes, e.g. in the form of a so-called Siemens star, is arranged and a SeBspalt (6) is provided in the image plane (5), which is parallel runs at right angles to the contour of the test field (1) shown in its area to this contour in the image plane (5) is moved uniformly and that by the Measuring gap (6) falling light from one or more photocells (7) into electrical Signals are set, which depends on the degree of contrast of the measurement gap (6) the swept test field area and these signals are an electronic Storage and control device (8) which one the received signal is amplified and stored, the displacement of the lens (3) or causes the image plane (5) in the optical axis (4) by a certain path, a compares another signal with the stored one, depending on the comparison result a further shift of the objective (3) or the image plane (5) in the sense of a causes improved contrast and this process until the optimum is reached Contrast repeated.

2. Arrangement for Durchftilirung the method according to claim 1, at that of a sub-area of the object plane of the objective close to the axis The bundle of rays hits one or more photocells and the distance between Lens and image plane with the help of a servomotor depending on the photo current is changeable, characterized in that; that in the area of the optical axis (4) in the object plane (2) a high-contrast, periodic test field (1) with e.g. sharply delimited, alternating black and white stripes or in the form of a so-called Siemens star is provided and in the area of the image plane (5) an approximately right-angled in this plane to the direction of the strips of the test field (1) uniformly movable, parallel to the strip running measuring gap (6) is arranged, and behind the measuring gap one or a group of photocells (7) is provided, which have a electronic Storage and control device (8) is connected to the servomotor (9), which via a mechanical gear (1o) shifting the image plane (5) or the lens causes in the direction of the optical axis (4) of the objective (3).

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the electronic Storage and control device (8) is constructed in a manner known per se in such a way that that they the from the photocell (7) proceeding, a defined position of the lens (3) the associated signal stores the displacement of the lens (3) or the image plane (5) controls the signal from the photocell (7) again by a certain amount compares with the stored signal and depending on the comparison result another shift of the lens (3) or the image plane (5) in the sense of a controls improved contrast transfer and this process up to optimal contrast transfer repeated.

4. The method according to claim 1, characterized in that in the area the image plane (5) offset from one another, in the optical axis (4) approximately distance (A) from one another two measuring gaps (11; 12) corresponding to an adjustment step are provided and that falling through each measuring gap (11; 12) from the test field (1) outgoing light strikes one or a group of photocells (13) and the two from the photocells outgoing signals in an electronic Control device (14) are compared, which the displacement of the image plane (5) or the lens (3) with the aid of the servomotor (15) by one setting step in one direction causes a shift of the image plane (5) of the objective (3) in the direction of that measuring gap (11; 12) corresponds to the one better gontrast indicating signal is assigned and this process until it is reached an optimal contrast is repeated.

5. Arrangement for performing the method according to claim 4, characterized characterized in that in the area of the optical axis (4) of the object plane (2) at least a high-contrast periodic test field (1) is arranged and in the area of the Image plane (5) of the objective (3) two approximately at right angles in the direction of this plane uniformly movable, parallel to high-contrast contours of the test field (1) Measuring gaps (11; 12) extending towards the contours are provided, which extend in the direction of the optical axis (4) at a distance (A) from each other and behind the Neßspalten one or a group of photocells in the area of the image of the test field (1) are arranged, which via an electronic control device with the servomotor cooperate.

L e r s e i t e