DE2330940B2

DE2330940B2 - METHODS AND DEVICES FOR THE PHOTOELECTRIC DETERMINATION OF THE POSITION OF AT LEAST ONE PLANE OF FOCUS OF AN IMAGE

Info

Publication number: DE2330940B2
Application number: DE2330940A
Authority: DE
Inventors: Knut Dipl.-Ing. Heitmann; Ludwig Dr. Leitz; Klaus Dieter Dipl.-Ing. 6333 Braunfels Schaefer; Eckart Schneider
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH; Ernst Leitz GmbH
Current assignee: Leica Microsystems Holdings GmbH
Priority date: 1973-06-18
Filing date: 1973-06-18
Publication date: 1976-01-02
Also published as: CH601773A5; NL7408136A; FR2233640B1; NL182100C; GB1472454A; FR2233640A1; CA1009072A; DE2330940A1; SE7407984L; IT1011983B; SE399126B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur fotoelektrischen Bestimmung der Lage mindestens einer Schärfenebene eines Bildes innerhalb eines optischen Gerätes mit Abbildung mindestens eines Objektes auf mindestens ein Ortsfrequenzfilter eines optischen BiIdkorrelators und Messung und/oder Anzeige der das Ortsfrequenzfilter verlassenden Lichtflüsse sowie Einrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for photoelectrically determining the position of at least one Focal plane of an image within an optical device with an image of at least one object at least one spatial frequency filter of an optical image correlator and measurement and / or display of the Light fluxes leaving spatial frequency filters as well as devices for carrying out this method.

Solche Verfahren sind bereits bekannt. Das vom Objektiv kommende Lichtstrahlenbündel durchlauft ein modulierendes Ortsfrequenzfilter und fällt dann auf einen fotoelektrischen Empfänger, dessen Wechselstromausgangssignal im Hinblick auf seine Amplitude ausgewertet wird. Auch wurden schon Anordnungen (>s vorgeschlagen, bei Jenen mehrere Ausirittspupillen sich teilweise überlappen oder zwei Austrittspupillen ic auf einen fotoelektrischcn Empfänger fallen.Such methods are already known. The light beam coming from the lens passes through modulating spatial frequency filter and then falls on a photoelectric receiver whose AC output signal is evaluated with regard to its amplitude. Orders (> s suggested that with those several exit pupils partially overlap or two exit pupils I fall on a photoelectric receiver.

Dabei benutzt man gemäß der erstget.annten Ausführungsform für die opironische Entfernungsmessung nur jeweils einen Sektorabschnitt der Pupillen. Dagegen nutzt die letztere Ausführung für die aufgespaltenen Pupillen summarisch sowohl den Sektorausschnitt auf der einen Seite wie den symmetrisch dazugehörigen Ausschnitt auf der anderen Seite. Diese Einrichtungen berücksichtigen nicht genügend, uaß zwischen der rechten und der linken PupillenhälftR zum Objekt perspektivisch unterschiedliche, wenn auch symmetrische Strahlenschwerpunktzentren bestehen, d.h., die Tatsache der Strahlenparallaxen in den Pupillen wird nicht voll ausgenutzt.In this case, according to the embodiment mentioned first, only one uses for the opironic distance measurement each a sector section of the pupils. In contrast, the latter use uses for the split Pupils summarize both the sector section on one side and the symmetrically associated one Cutout on the other side. These institutions do not take sufficient account of the difference between the right and left pupil halves with different perspectives to the object, albeit symmetrical Radiation centroids exist, i.e. the fact of radiation parallaxes in the pupils will not fully exploited.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den vollen Informationsgehalt über die räumliche Lage des Meßobjektes aus dem vom Objekiraum kommenden, von der Sensoroptik aufgenommenen Lichtbündel unter getrennter Ausnutzung unterschiedlicher parallaktischer Schwerpunktsbereiche der Eintritlspupille einer qualitativ und quantitativ verbesserten Auswertung zuzuführen. The object of the present invention is to provide the full information about the spatial location of the Measurement object from the light beam coming from the object space and recorded by the sensor optics separate use of different parallactic focus areas of the entrance pupil of a to provide qualitatively and quantitatively improved evaluation.

Insbesondere betrifft dies Vorzeichen und Größe der Ablage oder der Bewegung des Meßobjektes nach drei Raumkoordinaten.In particular, this concerns the sign and size of the Storage or movement of the object to be measured according to three spatial coordinates.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß unterschiedliche Pupillenbereiche der abbildenden Optik durchlaufende Lichtflüsse gemeinsam durch das Ortsfrequenzfilter moduliert und entsprechend den Pupillenbereichen geometrisch oder physikalisch oder durch eine zusätzliche Modulation aufgespalten und dann aufeinanderfolgend oder gleichzeitig einem gemeinsamen fotoelektrischen Empfänger oder getrennten fotoelektrischen Empfängern zugeführt werden, deren Ausgangssignale zum Zwecke der Steuerung einer Anzeige- und/oder Nachführeinrichtung weiterverarbeitet werden. Zum Zwecke der vorzeichenrichtigen Steuerung einer Anzeige- und/oder Steuereinrichtung kann die Größe und/oder bei einer Relativbewegung zwischen Ortsfrequenzfilter und Bild die Phasenlage und/oder die Frequenzen der anfallenden elektrischen Signale relativ zueinander ermittelt werden.According to the invention, this object is achieved in a method of the type mentioned in that different pupil areas of the imaging optics passing through the light flows together through the Spatial frequency filter modulated and geometrically or physically or according to the pupil areas split by an additional modulation and then successively or simultaneously a common photoelectric receiver or separate photoelectric receivers are fed to their Output signals are further processed for the purpose of controlling a display and / or tracking device will. For the purpose of controlling a display and / or control device with the correct sign the size and / or, in the case of a relative movement between the spatial frequency filter and the image, the phase position and / or the frequencies of the electrical signals occurring are determined relative to one another.

Dieses Verfahren kann sich dadurch auszeichnen, daß bei Verwendung einer Gegentaktlichtflüsse erzeugenden Ortsfrequenzfilter-Anordnung die unterschiedliche Pupillenbereiche der Optik durchlaufenden Lichtflüsse nach ihrer Aufspaltung in je ein im Gegentaki befindliches Paar aufeinanderfolgend oder gleichzeitig einem gemeinsamen fotoelektrischen Empfängerpaai oder getrennten fotoelektrischen Empfängerpaaren zu geführt werden, deren Ausgangssignalc für jedes einen Pupillenbereich zugeordnete Empfängerpaar in be kannter Weise je einem Gegentaktverstärker züge führt werden, und daß die AusgangsMgnale dieser Ver stärker anschließend zum Zwecke der vorzeichenrichti gen Steuerung einer Anzeige- und/oder Nachführein richtung bezüglich Größe und/oder, bei einer Relativ bewegung zwischen Ortsfrequenzfilter und Bild, geger seitiger Phasenlage oder Frequenz miteinander vcrgl chen werden.This method can be distinguished by the fact that when using a push-pull light flux generating Spatial frequency filter arrangement, the light fluxes passing through the different pupil areas of the optics after their splitting into a pair located in the Gegentaki consecutively or simultaneously a common photoelectric receiver pair or separate photoelectric receiver pairs are performed, the output signalc for each pair of receivers assigned to a pupil area in be As is known, a push-pull amplifier will each lead, and that the output signals of this ver then stronger for the purpose of the sign-correct control of a display and / or tracking device direction in terms of size and / or, in the case of a relative movement between spatial frequency filter and image, Geger lateral phase position or frequency can be compared with one another.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Ar Sprüchen 4 bis 22 dargelegt.Further features of the invention are set out in Ar Proverbs 4-22.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in de schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbe spielen erläutert. Es zeigtThe invention is described below with reference to Ausführungsbe shown in the schematic figures play explained. It shows

F i g. 1 eine Einrichtung zur fotoelektrischen Bestir mung der Lage der Schärfenebene eines Bildes.F i g. 1 a device for photoelectrically determining the position of the focal plane of an image.

F i g. 2 eine Einrichtung gemäß F i g. 1 mit SummiF i g. 2 a device according to FIG. 1 with Summi

rung der Pupillenteile,tion of the pupil parts,

F i g. 3 die Lichtzuführung auf eine fotoelektrische Empfängergruppe,F i g. 3 the light supply to a photoelectric Recipient group,

F i g. 4 eine mögliche Pupillenaufteilung,F i g. 4 a possible division of the pupils,

F i g. 5 die Anordnung einer Zonenplatte innerhalb s eines Objektivs,F i g. 5 the arrangement of a zone plate within s a lens,

Fig.6 eine weitere Möglichkeit der Pupillenaufteilung, 6 shows a further possibility of dividing the pupils,

F i g. 7 ein Schema der Einrichtung gemäß F i g. 1.F i g. 7 shows a diagram of the device according to FIG. 1.

F i g. 7a, 7b, 7c die Stufung der Phase längs der Pupil- ίο lenöffnung,F i g. 7a, 7b, 7c the gradation of the phase along the pupil ίο opening,

F i g. 8 eine Einrichtung zur Bestimmung der Entfernung von Objekten in unterschiedlichen Entfernungen, F i g. 9 eine Bildaufteilung in der Rasterebene, F i g. 10 bis 13 Schaltungen zur Signalauswertung, ι ^ F i g. 14a ein Gerät für die Blindenorientierung, F i g. 14b das Gerät gemäß F i g. 14a in Längsschnitt.F i g. 8 a device for determining the distance of objects at different distances, F i g. 9 shows an image division in the grid plane, FIG. 10 to 13 circuits for signal evaluation, ι ^ F i g. 14a a device for the orientation of the blind, FIG. 14b the device according to FIG. 14a in longitudinal section.

Fig. 15 eine Einrichtung zur fotoelektrischen Bestimmung der Lage eines Objektes nach drei Raumkoordinaten. 15 shows a device for photoelectric determination the position of an object according to three spatial coordinates.

In F i g. 1 ist eine Anordnung gezeigt mit einem Objektiv 1 und einem Ortsfrequenzfilter in Form eines Prismenrasters 2. Letzteres ist, z. B. mittels zweier Piezobieger 7, 8 aufgehängt, von denen der Bieger 7 das Raster zu Bewegungen antreibt, welche senkrecht zur Richtung der Furchen des Rasters verlaufen, während der Bieger 8 zur Rückmeldung der Bewegungen des Rasters bestimmt ist. Mit seiner Hilfe läßt sich eine hier nicht mit dargestellte selbsterregende Antriebsanordnung für das Raster darstellen. Wie ersichtlich, sind in der Zeichnung beim Objektiv 1 zwei Abschnitte der Apertur besonders gekennzeichnet und mit den Bezugszeichen Γ, 1'" versehen, während der zwischen diesen Abschnitten liegende Teil des Objektivs das Bezugszeichen I" trägt. Die Trennkanten der Bereiche 1', 1", Γ" sind so gelegt, daß sie zur Bewegungsrichtung des Rasters im wesentlichen senkrecht stehen. Eine dem Prismenraster nachgeordnete Feldlinse 3 bildet die Eintrittspupille des Objektivs 1 in Kombination mit der Brechwirkung des Prismenrasters 2 als zwei getrenntliegende Pupillenbilder 4a und 4b ab. wobei jedes dieser Bilder den Aperturbereichen des Objektivs 1 entsprechende Aperturbereichbilder 4a' bis 4a'" bzw. 4b' bis 4b'" aufweist. Dabei wird die gleichzeitige Auftrrnnung des Bildes durch die beiden Flankengruppen des Rasters bewirkt, so daß die Pupillenbilder 4a und 4b aus Lichtflüssen stammen, welche unterschiedliche Flankengruppen des Rasters durchlaufen haben, und es ergibt sich daraus, daß das eine Pupillenbild zum anderen Pupillenbild in bezug auf die erzeugenden Lichtflüsse komplementär ist. Infolge der Bewegung des Prismenrasters 2 wechselt die Beaufschlagung der Pupillenbilder durch die genannten Lichtflüsse periodisch. Für die Beleuchtung der Pupillenbilder 4a bzw. 4b ist also die Lage der abgebildeten Objektstruktur relativ zu den Flanken 21. 22 des Rasters 2 maßgeblich, für die Beleuchtung der Pupillenbildbereiche 4a' und 4a'" bzw. 4b' und 4b'" dagegen der Unterschied der Parallaxe (Raumwinkel) verschiedener Objektbereiche. Wie ersichtlich, bleibt der Lichtfluß durch den Aperturbereich 1" des Objektivs 1 ungenutzt. Demgemäß sind den Pupillenbildern 4a und 4b nachgeschaltete fotoelektrische Empfänger ausgebildet und angeordnet. Über die Zusammenschaltung dieser Empfänger mit anderen Baugruppen, z. B. Verstärkern, ist später berichtet. f>sIn Fig. 1 shows an arrangement with an objective 1 and a spatial frequency filter in the form of a prism grid 2. The latter is, for. B. by means of two piezo benders 7, 8 suspended, of which the bender 7 drives the grid to movements which are perpendicular to the The direction of the furrows of the grid run, while the bender 8 for feedback of the movements of the Raster is determined. With its help, a self-exciting drive arrangement, not shown here, can be used represent for the grid. As can be seen, two sections of the lens 1 are shown in the drawing Aperture specially marked and provided with the reference symbols Γ, 1 '", while the between The part of the lens which lies in these sections bears the reference symbol I ". The separating edges of the areas 1 ', 1 ", Γ" are placed so that they are essentially perpendicular to the direction of movement of the grid. One The field lens 3 arranged downstream of the prism grid forms the entrance pupil of the objective 1 in combination with the refractive effect of the prism grid 2 as two separate pupil images 4a and 4b. where each of these images the aperture areas of the objective 1 corresponding aperture area images 4a 'to 4a' "or 4b 'to 4b' ". The simultaneous separation of the image by the two edge groups of the grid, so that the pupil images 4a and 4b originate from light fluxes which are different Flank groups of the raster have passed through, and it follows from this that one pupil image leads to the other Pupil image is complementary with respect to the generating light fluxes. As a result of the movement of the prism grid 2 changes the exposure of the pupil images by the mentioned light fluxes periodically. For the illumination of the pupil images 4a or 4b is therefore the position of the object structure imaged relative to the flanks 21, 22 of the grid 2, for the illumination of the pupil image areas 4a 'and 4a' "or 4b 'and 4b' "on the other hand, the difference in parallax (solid angle) of different object areas. As can be seen, the light flux through the aperture region 1 ″ of the objective 1 remains unused. Accordingly, the pupil images 4a and 4b formed and arranged downstream photoelectric receivers. About the interconnection this receiver with other assemblies, e.g. B. amplifiers is reported later. f> s

Aus der Lage der Schärfenebene des Bildes eines Objektes läßt sich dann natürlich in bekannter Weise die Entfernung des Objektes vom Objektiv ableiten.The position of the focal plane of the image of an object can then of course be used in a known manner Derive the distance of the object from the lens.

An Stelle des gezeigten Antriebs des Rasteis 2 mittels piezoelektrischer Bieger kann auch ein andersartiger Antrieb, beispielsweise mit Tauchspulen, vorgesehen sein.Instead of the shown drive of the Rasteis 2 by means of piezoelectric bender can also have a different type of drive, for example with plunger coils be.

Ist das Vorzeichen der Objektbewegung nicht erforderlich, so kann man die den Pupillenabschnittspaaren 4a', 4a'" bzw. 4b', 4b'" zugeordneten fotoelektrischen Empfänger 5 paarweise parallel schalten, wie dies in F i g. 2 dargestellt ist. Die beiden Empfängergruppen liefern gegenphasige Signale mit einem besonders stark ausgeprägten Amplitudenmaximum im Falle der Gleichlage von Bildebene und Raster.If the sign of the object movement is not required, the photoelectric receivers 5 assigned to the pairs of pupil sections 4a ', 4a'" or 4b ', 4b'" can be connected in parallel in pairs, as shown in FIG. 2 is shown. The two groups of receivers deliver signals in antiphase with a particularly pronounced amplitude maximum when the image plane and grid are in the same position.

Will man statt der parallel geschalteten Empfängerpaare nur je einen fotoelektrischen Empfänger vorsehen, so muß man dafür Sorge tragen, daß die den Objektivbereich Γ" durchdringenden Strahlenbündel ohne Einwirkung auf diese fotoelektrischen Empfänger bleiben. Eine Anordnung dazu ist als Beispiel in F i g. 3 gezeigt, in welcher die Lichtzuführung auf einen fotoelektrischen Empfänger 5 dargestellt ist. Durch eine Biende 2' und ein Prisma oder einen lichtbrechenden Kegel 6 gelangt das Licht bei möglichst hoher Beleuchtungsstärke ohne Leerinformation aus dem Objektivbereich 1" mit voller Information über die Strahlenparallaxe auf den Empfänger 5.If you want to use only one photoelectric receiver instead of the receiver pairs connected in parallel, so one must ensure that the bundle of rays penetrating the objective area Γ " remain unaffected by these photoelectric receivers. An arrangement for this is shown as an example in FIG. 3 shown, in which the light supply to a photoelectric receiver 5 is shown. By a At the end 2 'and a prism or a light-refracting cone 6, the light arrives at the highest possible illuminance without empty information from the objective area 1 "with full information about the ray parallax on the recipient 5.

Fig. 4 zeigt eine Aperturbereichsaufteilung für das Eintrittsobjektiv 1, welche auch bei den zugeordneten Pupillenbildern auftritt. Die Gesamtapertur ist in mehrere Zonenstreifen 41, 42, 44, 45 für die Entfernungsmessung und in einen Streifen 43 für die Bewegungsmessung unterteilt. Dementsprechend sind auch nicht mit dargestellte zugehörige fotoelektrische Empfängergruppen aufzuteilen. Der längliche Pupillenstreifen 43 ist besonders geeignet, um Objektbewegungen quer zur Rasterstreifung des Ortsfrequenzfilters 2 und damit zu seiner Längsrichtung einer Messung zugänglich zu machen, weil er eine maximale Schärfentiefe des Bildes bezüglich der Bewegungsrichtung gewährleistet. Die äußeren Streifen 41 und 45 sind für die genaue Bestimmung größerer, die Streifen 42 und 44 sind für die genaue Bestimmung geringerer Objektentfernung geeignet, da der räumliche Abstand der Pupillenbereiche die Meßbasis des Systems darstellt.4 shows an aperture area division for the entrance objective 1, which is also the case with the associated Pupillary images occurs. The total aperture is divided into several zone strips 41, 42, 44, 45 for distance measurement and divided into a strip 43 for the movement measurement. Accordingly, they are not with the associated photoelectric receiver groups shown. The elongated pupillary strip 43 is particularly suitable for object movements transverse to the grid stripes of the spatial frequency filter 2 and thus to its longitudinal direction to make a measurement accessible because it has a maximum depth of field of the image guaranteed with respect to the direction of movement. The outer strips 41 and 45 are for precise identification larger, the strips 42 and 44 are suitable for the precise determination of shorter object distances, because the spatial distance between the pupil areas represents the measurement basis of the system.

F i g. 5 zeigt eine Anordnung einer Zonenplatte oder Zonenlinse 9 im Schnitt innerhalb eines Objektivs aus zwei Linsen la und Ib. Diese Platte 9 ist so ausgebildet, daß jeweils für eine Pupillenzonc, die streifen- oder ringförmig ausgebildet sein kann. Objekte einer bestimmten Entfernung in die Rasterebene abgebildet werden. Bei Verwendung als Ortungsgerät kann dann festgestellt werden, ob in der jeweiligen Objektebene ein Objekt liegt.F i g. FIG. 5 shows an arrangement of a zone plate or zone lens 9 in section within an objective from FIG two lenses la and Ib. This plate 9 is designed so that each for a pupil zone, the stripes or can be formed ring-shaped. Objects shown at a certain distance in the grid plane will. When used as a locating device, it can then be determined whether in the respective object level an object lies.

F i g. 6 zeigt eine der F i g. 4 analoge Anordnung, je doch in ringförmiger Ausführung. Das zentrale Teil 45 ist hierbei kreisscheibenförmig gestaltet.F i g. 6 shows one of the FIGS. 4 analog arrangement, each but in a ring-shaped design. The central part 45 is designed in the shape of a circular disk.

Zur Erläuterung von Gewinnung, Verknüpfung unc Verlauf der Meßsignale ist in F i g. 7 noch einmal eir Schema einer Einrichtung gemäß F i g. 1 dargestellt Gezeichnet ist der Fall, in dem diametrale Partien / und A ' des Objektivs 1 durchsetzende Lichtbündel ii der Ebene des Prismenrasters 2 ein scharfes Bild erzeu gen. Für das auf einen Kondensor 3 aufgebrachte Pns menrastcr 2 ist ein oszillatorisch oder gleichförmi] transversal zur optischen Achse wirksamer Antrieb
vorgesehen. In der Austrittspupillc 3' des abbildende! Systems 1, 2, .1 sind zweimal zwei den diametralen Par tion A, A ' zugeordnete fotoelektrischc Empfänger 5, 5i·' und 5i, 5/ angeordnet. Für die gezeichnete Schar!To explain the extraction, linkage and course of the measurement signals, FIG. 7 again a scheme of a device according to FIG. 1 is shown the case in which diametrical parts / and A 'of the lens 1 penetrating light bundles ii of the plane of the prism grid 2 generate a sharp image optical axis effective drive
intended. In the exit pupil 3 'of the imaging one! Systems 1, 2, .1, two photoelectric receivers 5, 5i · 'and 5i, 5 / assigned to the diametrical part tion A, A' are arranged. For the drawn crowd!

einstellung sind die bei einer Relativbewegung zwischen dem Raster 2 und dem Objektbild entstehenden Wechselstrom-Ausgangssignale der Empfänger zwischen 5r\ Sg sowie zwischen 5r, 5^ gegentaktig und zwischen 5Λ 5r sowie zwischen 5/. 5g phasengleich, wie dies in den Kurvenzügen neben den Empfängerausgängen angedeutet ist. Demgemäß sind die Ausgänge der Empfänger 5/, 5/ sowie 5r und 5g jeweils mit einem Gegentaktverstärker 9', 9" verschaltet, wobei gleichzeitig vorhandene Gleichanteile in den Signalen eliminiert werden.setting are the alternating current output signals of the receivers between 5r \ Sg and between 5r, 5 ^ push-pull and between 5Λ 5r and between 5 /. 5g in phase, as indicated in the curves next to the receiver outputs. Accordingly, the outputs of the receivers 5 /, 5 / as well as 5r and 5g are each connected to a push-pull amplifier 9 ', 9 ", with DC components present in the signals being eliminated at the same time.

Liegt nun die Bildschärfenebene vor bzw. hinter dem Raster 2, so liegen, entsprechend der Parallaxe der Objektivpartien A, A', die Phasen des zur Partie A gehörenden Gegentaktsignals am Verstärker 9" in der einen Richtung und des zur Partie A gehörenden Gegentaktsignals am Verstärker 9' in der anderen Richtung verschoben. Aus diesen Phasenverschiebungen lassen sich also Größe und Vorzeichen der Abweichung von der Scharfeinstellung bestimmen.If the focal plane is in front of or behind the grid 2, the phases of the push-pull signal belonging to part A at the amplifier 9 ″ and the push-pull signal belonging to part A at the amplifier lie in one direction, corresponding to the parallax of the lens parts A, A ' 9 'shifted in the other direction. From these phase shifts, the size and sign of the deviation from the focusing can be determined.

Die Größe dieser Phasenverschiebung hängt außer von der Ablage der Schärfenebene auch von der Apertur oder vom Achsenabstand der entsprechenden Objektivpartien A, A' ab. Ordnet man, einer feineren Einteilung des Objektivs 1 entsprechend, einer größeren Anzahl von fotoelektrischen Empfängerpaaren eine entsprechende Anzahl von Gegentaktverstärkern zu, so weisen diese eine entsprechende feine Phasenstufung ihrer Ausgangssignale auf. In den F i g. 7a, 7b, 7c ist für die Lage der Schärfenebene vor bzw. in bzw. hinter dem Raster 2 in zwei symmetrischen Austrittspupillen eine kontinuierliche Stufung der Phase φ der Helligkeit längs der Pupillenöffnung A dargestellt. Bei Schärfeneinfang (F i g. 7b) herrscht über alle Pupillenbereiche Gleichphasigkeit. Man erkennt, daß die Phasenänderungen in den achsnahen Bereichen verschwinden, weshalb diese für die Entfernungsmessung ungeeignet sind. Ändert man die Lage der Schärfenebene in der einen oder anderen Richtung, so ergeben sich im zentralen Pupillenbereich keine Veränderungen der Phasenlage, da hierfür auch keine perspektivischen Bildlageänderungen eintreten.The size of this phase shift depends not only on the offset of the focal plane but also on the aperture or on the axial spacing of the corresponding lens parts A, A ' . If, according to a finer division of the objective 1, a corresponding number of push-pull amplifiers are assigned to a larger number of photoelectric receiver pairs, then these have a correspondingly fine phase graduation of their output signals. In the F i g. 7a, 7b, 7c shows a continuous gradation of the phase φ of the brightness along the pupil opening A for the position of the focal plane in front of or in or behind the grid 2 in two symmetrical exit pupils. When focus is captured (FIG. 7b), all pupil areas are in phase. It can be seen that the phase changes disappear in the areas close to the axis, which is why they are unsuitable for distance measurement. If the position of the focal plane is changed in one direction or the other, there are no changes in the phase position in the central pupil area, since no perspective changes in the image position occur for this either.

Mit zunehmendem Abstand des Pupillenbereichs von der optischen Achse treten perspektivische Bildlageänderungen auf, welche sich durch die obenerwähnten zunehmenden Phasenverschiebungen bemerkbar machen. Bei symmetrisch zur Achse liegenden Pupillenbereichen ergibt sich ein gleichgroßer Betrag der Phasenverschiebung mit jeweils entgegengesetzten Vorzeichen. Für symmetrische Lagen der Schärfenebene zur Gitterebene vertauschen sich die Vorzeichen der Phasenverschiebungen. As the distance between the pupil area and the optical axis increases, changes in perspective image position occur on, which make themselves noticeable by the above-mentioned increasing phase shifts. In the case of pupil areas lying symmetrically to the axis, an equal amount of phase shift results with opposite signs. For symmetrical positions of the focal plane to In the lattice plane, the signs of the phase shifts are interchanged.

Die F i g. 8 und 9 zeigen schematisch eine Einrichtung, bei der unterschiedlichen Bildabschnitten 2a, 2b, 2c aus der Rasterebene 2 getrennte Feldlinsen 3a, 36 und 3c zugeordnet sind. Auf Grund der Ausbildung einer dem Objektiv 1 vorgeschalteten Zonenplatte 9 entspricht dem Bildabschnitt 2b (F i g. 9) eine Objektenifernung Y, einem in 2b gelegenen Tsslaussehnm 2e hingegen eine andere Objektentfernung X. Mittels einer nachgeordneten Zwischenabbildung des Ausschnitts 2e in die Nähe, aber nicht genau auf Blenden 10a und 10b wird das zu 2e gehörige Schärfesignal ausgesondert, ohne dabei einen Teil des verbleibenden Feldes 2b für die Messung der Entfernung Y abzudek- t>s ken. Die aus dem Teilausschnitt 2e stammenden Lichtflüsse werden von nachgeordneten fotoelektrischen Empfängern 5c und 5d in elektrische Signale umgesetzt. The F i g. 8 and 9 schematically show a device in which different image sections 2a, 2b, 2c from the raster plane 2 are assigned separate field lenses 3a, 36 and 3c. Due to the formation of a zone plate 9 upstream of the objective 1, an object distance Y corresponds to the image section 2b (FIG. 9), but a different object distance X to a Tsslaussehnm 2e located in 2b the sharpness signal belonging to 2e is not separated out precisely on apertures 10a and 10b without covering part of the remaining field 2b for measuring the distance Y > s ken. The light fluxes originating from partial section 2e are converted into electrical signals by downstream photoelectric receivers 5c and 5d.

In den F i g. 10 bis 13 sind Beispiele unterschiedlicher Auswertung der an Gegentaktverstärkern, beispielsweise an den Gegentaktverstärkern 9', 9" aus F i g. 7 anfallenden Ausgangssignale gezeigt.In the F i g. 10 to 13 are examples of more different Evaluation of the push-pull amplifiers, for example push-pull amplifiers 9 ', 9 "from FIG. 7 resulting output signals are shown.

In F i g. 10 werden die aus verschiedenen Pupillenbereichen A, A' stammenden Signale A, A' nach ihrer Gegentaktbildung zusammen einem einzigen phasenempfindlichen Gleichrichter 20 zugeführt, der kein Referenzsignal aus der Rasterbewegung erhält. Man erhält in der Größe des Ausgangssignals ein sehr genaues Schärfekriterium ohne Vorzeicheninformation.In Fig. 10 are fed along a single phase-sensitive rectifier 20 according to the push-pull form the various pupil areas A, A 'derived signals A, A', which no reference signal obtained from the scanning movement. A very precise sharpness criterion without sign information is obtained in the size of the output signal.

Gemäß F i g. 11 werden die beiden Signale A, A' zunächst voneinander subtrahiert und ergeben dadurch bereits ein sehr genaues Schärfekriterium ohne Vorzeichen, da ein Nulldurchgang der Amplitude der Differenz bei Phasengleichheit auftritt. Durch anschließende phasenempfindliche Gleichrichtung dieses Differenzsignals mit dem Antriebssignal für das Raster 2 als Referenz erhält man zusätzlich das Vorzeichen der Ablage-
Gemäß F i g. 12 werden die beiden Signale Λ, A' zunächst summiert, um zusätzlich Winkelbewegungen des Meßobjektes zu erfassen oder durch ein Signalmaximum der Summe einen Objektfangbereich zu melden. Hier erhält man das Vorzeichen der Winkelbewegung durch anschließende phasenempfindliche Gleichrichtung des Summensignals mit dem Rasterantriebssignal als Referenz.According to FIG. 11, the two signals A, A 'are first subtracted from one another and thereby already result in a very precise sharpness criterion without a sign, since a zero crossing of the amplitude of the difference occurs in the case of phase equality. Subsequent phase-sensitive rectification of this difference signal with the drive signal for grid 2 as a reference also gives the sign of the storage
According to FIG. 12, the two signals Λ, A 'are first summed up in order to additionally detect angular movements of the measurement object or to report an object catching area by means of a signal maximum of the sum. The sign of the angular movement is obtained here by subsequent phase-sensitive rectification of the sum signal with the raster drive signal as a reference.

Gemäß F i g. 13 schließlich werden die beiden Signale A, A' getrennt je einem phasenempfindlichen Gleichrichter 20 zusammen mit einem Referenzsignal vom Rasterantrieb 7 zugeführt und die resultierenden Gleichspannungssignale zur Bestimmung der Objektbewegung in x, y und ζ als Differenz und auch als Summe ausgewertet.According to FIG. 13, finally, the two signals A, A ' are each fed separately to a phase-sensitive rectifier 20 together with a reference signal from the raster drive 7 and the resulting DC voltage signals for determining the object movement in x, y and ζ are evaluated as a difference and also as a sum.

Natürlich lassen sich die Auswerteverfahren gemäß den F i g. 10 bis 13 auch beliebig kombinieren.Of course, the evaluation methods according to FIGS. 10 to 13 can also be combined as desired.

Fig. 14a und 14b zeigen ein Gerät mit optischen Korrelatoren, wie es für die Blindenorientierung vorgeschlagen wird, F i g. 14a in Vorderansicht, F i g. 14b im Längsschnitt. Neben dem nach vorn gerichteten Objektiv 1, welches dazu dient. Gegenstände in Geradeausrichtung auf das Gitter 2 eines ersten optischen !Correlators abzubilden, weist das Gerät ein zweites Objektiv la auf, welches nach unten gerichtet dazu dient, Stufen oder Neigungen auf das Gitter eines zweiten optischen Korrelatorsystems abzubilden und erkennbar zu machen. Dem zweiter Korrelatorsystem ist eine nach unten gerichtete Beleuchtungseinrichtung 16 zugeordnet welche es erlaubt, das Gerät bei Dunkelheit zu benut zen. Jedem Korrelatorsystem ist ein Satz Fingersenso ren 14a, 14b, 14c, 14e. 14£ \Ag zugeordnet, wobei di( verschiedenen Sensoren innerhalb eines Satzes unter schiedlichen Entfernungsbereichen der Objekte zu geordnet sind. Diese Sensoren werden mittels als Blök ke dargestellter elektronischer Schaltmittel Ha, Ili Hc, We, Wf, 1\g angesteuert, wobei diese Schaltmitte ihrerseits ihre Steuersignale von den Korrelatoren er halten.14a and 14b show a device with optical correlators as it is proposed for the orientation of the blind, FIG. 14a in front view, FIG. 14b in longitudinal section. In addition to the forward-facing lens 1, which is used for this. To image objects in a straight line onto the grating 2 of a first optical correlator, the device has a second objective la which, directed downwards, is used to image steps or inclinations on the grating of a second optical correlator system and to make them recognizable. The second correlator system is assigned a downwardly directed lighting device 16 which allows the device to be used in the dark. Each correlator system has a set of finger sensors 14a, 14b, 14c, 14e. 14 £ \ Ag , where di (different sensors are assigned to different distance ranges of the objects within a set. These sensors are controlled by electronic switching means Ha, Ili Hc, We, Wf, 1 \ g shown as blocks, with this switching center in turn, keep their control signals from the correlators.

Die Sensoren werden durch entsprechende Signal gesteuert, beispielsweise von magnetostriktiven ode piezoelektrischen Schwingern 11a, lib, Hr, lie, 11 Wg über Blattfedern in Schwingung verset2:t. Eine sol ehe Einrichtung ist für den Antrieb von Sensor 14 über die Feder 12a vom Schwinger Wa aus im einzei nen dargestellt. Ein Schalter 15 für den Daumen dier zum Einschalten des Gerätes. Der Taster 14a ist für deThe sensors are controlled by appropriate signals, for example by magnetostrictive or piezoelectric oscillators 11a, lib, Hr, lie, 11 Wg set in oscillation via leaf springs2: t. A sol before device is shown in einzei NEN for driving the sensor 14 via the spring 12a from the transducer Wa. A switch 15 for the thumb dier to switch on the device. The button 14a is for de

kleinen Finger vorgesehen, 14b für den Ringfinger, 14c für den Mittelfinger und 14e für den Zeigefinger. Da diese Finger in der genannten Reihenfolge in der Höhe gestaffelt liegen, ergibt sich eine sinnfällige Höhenzuordnung der angemessenen Felder 2a, 2b und 2c, deren Lage und Erfassung zu den F i g. 8 und 9 schon beschrieben wurde. Dem Zeigefinger ist der Vibrator 14e zugeordnet, dem das optische »Zeigestockfeld« 2e entspricht. little finger provided, 14b for the ring finger, 14c for the middle finger and 14e for the index finger. Since these fingers are staggered in height in the order mentioned, there is a logical assignment of the heights of the appropriate fields 2a, 2b and 2c, their position and coverage to FIGS. 8 and 9 has already been described. The vibrator 14e is assigned to the index finger, to which the optical "index stick field" 2e corresponds.

In F i g. 15 ist eine Anordnung gezeigt, bei deren Eintrittsobjektiv 1 vier Abschnitte der Apertur besonders gekennzeichnet und mit den Bezugszeichen Γ, 1'". 1^IV, 1^V versehen sind. Diesem Objektiv 1 ist über einen Strahlablenker ein Pyramidenraster 12 nachgeordnet, dessen Grundkanten parallel zu den gestrichelt dargestellten Verbindungslinien einander gegenüberliegender Aperturabschnitte orientiert sind. Als Strahlablenker ist eine Taumelplatte 11 verwendet, die eine kreisende Strahlbewegung verursacht. Ihr Rotationsantrieb ist der Übersichtlichkeit halber nicht mit dargestellt. Eine dem Pyramidenraster 12 nachgeordnete Feldlinse 3 bildet die Eintrittspupille des Objektivs 1 im Zusammenwirken mit der Brechung des Pyramidenrasters 12 als vier getrennt liegende Pupillenbilder 4a, 46, 4c, 4d ab, wobei jedes dieser Bilder den Aperturbereichen des Objektivs 1 entsprechende Aperturbereichsbilder 4a', 4a"^/.4ö',4b'".4c^v.4c^lv,4c/^v,4t/^v aufweist. Dabei wird die gleichzeitige Auftrennung des Bildes durch die vier Flankengruppen des Rasters bewirkt, so daß die Pupillenbilder 4a, 4b bzw. 4c, 4d aus Lichtflüssen stammen, welche unterschiedliche Flankengruppen des Rasters durchlaufen haben. Daraus ergibt sich, daß das eine Pupillenbild 4a bzw.4czum anderen Pupillenbild 4b bzw. 4d in bezug auf die erzeugenden Lichtflüsse komplementär ist. Infolge der durch die Taumelplatte 11 verursachten Bewegung der Lichtflüsse relativ zumIn Fig. 15 shows an arrangement in whose entrance objective 1 four sections of the aperture are specially identified and provided with the reference symbols Γ, 1 '". 1 ^IV , 1 ^V. This objective 1 is followed by a pyramid grid 12 via a beam deflector, the base edges of which are parallel to The dashed connecting lines of opposite aperture sections are oriented. A wobble plate 11 is used as the beam deflector, which causes a circular beam movement. For the sake of clarity, its rotational drive is not shown the refraction of the pyramid grid 12 as four separate pupil images 4a, 46, 4c, 4d , each of these images corresponding to the aperture areas of the objective 1 aperture area images 4a ', 4a " ^/ .4ö', 4b '". 4c ^v .4c ^lv , 4c / ^v , 4t / ^v . The simultaneous separation of the Bi This is caused by the four groups of edges of the grid, so that the pupil images 4a, 4b or 4c, 4d originate from light fluxes which have passed through different groups of edges of the grid. It follows from this that one pupil image 4a or 4c is complementary to the other pupil image 4b or 4d with regard to the light fluxes that generate it. As a result of the movement of the light fluxes caused by the swash plate 11 relative to the

ίο Pyramidenraster 12 wechselt die Beaufschlagung der Pupillenbilder durch die genannten Lichtflüsse periodisch. Für die Beleuchtung der Pupillenbilder 4a, 4b bzw. 4c. 4d ist also die Lage der abgebildeten Objektstruktur relativ zu den Flanken des Rasters 12 maßgeblich, für die Beleuchtung der Pupillenbereiche 4a' bis 4d^y dagegen der Unterschied der ParaHaxe (Raumwinkel) verschiedener Objektbereiche. Wie ersichtlich, bieibt der Lichtfluß durch den zentralen Aperturbereich 1" des Objektivs auch bei dieser Anordnung ungenutzt. Den Pupillenbildbereichen zugeordnete fotoelektrische Empfänger sind in der dargestellten Weise paarweise mit Gegentaktverstärkern verbunden, aus deren vier Ausgangssignalen dann in weiter oben beschriebener analoger Weise Vorzeichen und die Größe der Ablage oder der Bewegung des Meßobjektes nach drei Raumkoordinaten bestimmt wird.ίο pyramid grid 12 changes the exposure of the pupil images by the mentioned light fluxes periodically. For the illumination of the pupil images 4a, 4b and 4c. 4d , the position of the imaged object structure relative to the flanks of the grid 12 is decisive, whereas the difference in the ParaHaxe (solid angle) of different object areas is decisive for the illumination of the pupil areas 4a 'to 4d ^y. As can be seen, the light flux through the central aperture area 1 ″ of the objective remains unused even with this arrangement. Photoelectric receivers assigned to the pupil image areas are connected in pairs to push-pull amplifiers as shown the storage or the movement of the measurement object is determined according to three spatial coordinates.

Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. A method for the photoelectric determination of the position of at least one focal plane of a picture within an optical device with imaging of at least one object on at least one spatial frequency filter of an optical image correlator and measurement and / or display of the light fluxes leaving the spatial frequency filter, characterized in that different pupil areas ( Γ, 1 '", l ^lv , l ^v ) of the imaging optics (1) are modulated jointly by the spatial frequency filter (2, 12) and split geometrically or physically or by an additional modulation and then successively or simultaneously a common one photoelectric receiver (5) or separate photoelectric receivers (5c, 5d; 5 _f , 5 /, 5 _r , 5 /), the output signals of which are further processed for the purpose of controlling a display and / or tracking device.

2. The method according to claim 1, characterized in that in addition for the purpose of the correct sign Control of a display and / or control device, the size and / or a relative movement the phase position and / or the frequencies between the spatial frequency filter (2, 12) and the image the resulting electrical signals can be determined relative to one another.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that when using a push-pull light flux generating spatial frequency filter arrangement (2, 12) the different pupil areas of the optics (1) passing light fluxes after their splitting into a push-pull pair successively or simultaneously a common one photoelectric receiver pair (5c, 5d) or separate photoelectric receiver pairs (5 _it 5 /, 5r, 5 /) are fed, the output signals of which for each receiver pair assigned to a pupil area (1, Γ) in a known manner a push-pull amplifier (9 ', 9 " ), and that the output signals of these amplifiers are then compared with each other for the purpose of controlling a display and / or tracking device with the correct sign with regard to size and / or, in the case of a relative movement between spatial frequency filter (2, 12) and image, mutual phase position or frequency.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that only for evaluation Light fluxes corresponding to edge parts (41, 45) of the pupil are used.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that central parts (43) of the pupil corresponding light fluxes are also used for determining the angular velocity of the object such that, for. B. in the ^manner described above, the frequency and / or the phase position of the signals resulting from these light fluxes are determined and fed to a display and / or tracking device.

6. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that frequency and / or Phase position of different pupil areas corresponding signal components in addition to the distance measurement can also be used to determine the angular velocity.

7 device for performing the method according to any one of claims 1 to 6, with optics and one of these downstream spatial frequency filters which has at least one photoelectric receiver is assigned, characterized in that a linear furrow grid (2) with beam splitting properties is provided which has at least a condenser (3) designs two non-overlapping pupil images (4a, 46) of the entrance pupil and that these images photoelectric means (5 ^, 5 /, 5 ,, 5 /) for extraction electrical push-pull signals are assigned

8. Device for performing the method according to one of claims 1 to 6, with an optical system and one of these subordinate spatial frequencies. ter, to which at least one photoelectric receiver is assigned, characterized in that a pyramid raster (12) ml; Beam-splitting properties are provided at least via a condenser (3). -Ire: "non-overlapping pupil image (4; j. 4t 4c. Ad) of the entrance pupil designs and that at least one photoelectric receiver / for the acquisition of in their phase is assigned to mutually shifted rotating field signals.

9. Device for performing the method according to one of claims 1 to 6, characterized through a diaphragm (2 ') or a mirror that fades out the central parts of the pupil.

10. Device for performing the method according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the different pupil areas, objective zones (41, 42, 43, 44, 45) with different Focal lengths are assigned which unj for different distances between objects Lens (1) on the downstream spatial frequency filter (2) generate sharp object images and that each pupil area is assigned at least one fotoclek tric receiver for signal generation is.

11. Device according to claim 10, characterized in that that to use the device as a blind aid per distance range one acoustic and / or sensory (14a, 146, 14c 14t ·. 14 /; 14 ^) display device is provided.

12. Device for performing the method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the different pupil areas are assigned lens zones with different focal lengths, which for different image sections (2a, 2b, 2c, 2c) or object angle sections on the downstream spatial frequency filter ( 2) generate sharp object images and that at least one photoelectric receiver for signal generation is assigned to each pupil area.

13. Device according to claim 10 or 12, characterized through strip-shaped pupillary areas.

14. Device according to claim 10 or 12, characterized by ring sector-shaped pairs of pupil zones.

15. Device according to one of claims 7 to 14, characterized by a drive (7) for the relative Movement between the object image and the spatial frequency filter (2).

16. Device according to one of claims 7 to

15, characterized by at least one phase-sensitive Rectifier (20), which acts as input signals from two different pupil areas originating signals are fed.

17. Device according to one of claims 7 to

16, characterized by at least one differential amplifier, only one signal as input signals from two different pupil areas is fed.

18. Device according to claim 17, characterized by a phase-sensitive rectifier (20), which the output signal of the differential amplifier with the drive signal for the spatial frequency filter processed for reference.

19. Device according to claim 7 to 15, characterized by a phase-sensitive rectifier (20), to which the one assigned from the signals of two different pupil areas Photoelectric receiver formed sum signal with the drive signal for the spatial frequency filter processed as a reference and whose output terminals are connected to a display device.

20. Device according to one of claims 15 to 19, characterized by at least one phase-sensitive rectifier (20) with a control signal corresponding to the relative movement between the object image and spatial frequency filter, to which a signal is supplied as input signals from different pupil areas, and characterized by at least one differential amplifier to which two rectifier output signals are fed as input signals, the output signals of the amplifiers being used to determine the object movement in the coordinate directions ν, y and ζ .

21. Device according to claim Ib, characterized in that that at least two phase-sensitive rectifiers (20) are present, one of which Summing stage is connected downstream.

22. Device according to one of claims 16 to 21, characterized in that two photoelectric receivers (5g, 5 /, Sr, 5 /) are assigned to each pupil area (A, A) used for signal formation for the purpose of generating push-pull signals and that these are connected in pairs to the inputs of differential amplifiers (9 ', 9 ").