DE2330940C3

DE2330940C3 - Method and device for photoelectrically determining the position of at least one focal plane of an image

Info

Publication number: DE2330940C3
Application number: DE19732330940
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dr.; Heitmann Knut Dipl.-Ing.; Schneider Eckart; 6330 Wetzlar; Schaefer Klaus Dieter Dipl.-Ing. 6333 Braunfels Leitz
Original assignee: Ernst Leitz GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Filing date: 1973-06-18
Publication date: 1976-08-19

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 BiIdkoTelators 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 picture telelator and measurement and / or display of the light fluxes and devices leaving the spatial frequency filter to carry out this procedure.

Solche Verfahren sind bereits bekannt. Das vom Objektiv kommende Lichtstrahlenbündel durchläuft ein modulierendes Ortsfrequenzfilter und fällt dann auf einen fotoelektrischen Empfänger, dessen Wechselstromausgangssignal im Hinblick auf seine Amplitude ausgewertet wird. Auch wurden schon Anordnungen vorgeschlagen, bei denen mehrere Aüstrittspupillen sich teilweise überlappen oder zwei Austrittspupillen separat je auf einen fotoelektrischen 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. Arrangements have also already been proposed in which several exit pupils partially overlap or two exit pupils each fall separately on a photoelectric receiver.

b»4üb »4ü

Dabei benut/t man gemäß der erstgenannten Ausführungsform für die optronische Entfernungsmessung nur jeweils einen Sektorabschnitt der Pupillen. Dagegen nutzt die letztere Ausführung für die aufgespaltenen Pupillen summarisch sowohl den Sektorausschnitt aul der emen Seite wie den symmetrisch dazugehörigen Ausschnitt auf der anderen Seite. Diese Einrichtungen berücksichtigen nicht genügend, daß zwischen der rechten und der linken Pupillenhälfte zum Objekt perspektivisch unterschiedliche, wenn auch symmetrische Slrahlenschwerpunktzentren bestehen, d. h„ die Tatsache der Strahlenparallaxep in der. Pupillen wird nicht voll ausgenutzt.One uses / t according to the first-mentioned embodiment for the optronic distance measurement only one sector section of the pupils in each case. On the other hand uses the latter version for the split pupils summarily as well as the sector section aul the one side as well as the symmetrically associated cutout on the other side. These bodies do not take sufficient account of the fact that between the right and left halves of the pupil to the object in perspective there are different, albeit symmetrical, beam centers of gravity, d. h "the fact the radiation parallaxep in the. Pupil is not fully used.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den vollen Informationsgehalt über die räumliche Lage des Meüoüjektes aus dem vom Objektraum kommenden, von der Sensoroptik aufgenommenen Lichtbündel unter getrennter Ausnutzung unterschiedlicher parallaktischer Schwerpunktsbereiche der Eintrittspupille 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 Meüoüjektes from the coming from the object space, Light bundles picked up by the sensor optics with separate utilization of different parallactic To provide the focus areas of the entrance pupil with a qualitatively and quantitatively improved evaluation.

Insbesondere betrifft dies Vorzeichen und Größe der Ablage oder der Bewegung des Meßobjektes nach drei Raumkoordinaten.In particular, this relates to the sign and size of the deposit or the movement of the measurement object after three Space coordinates.

ErfindungsgemäR wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß unterschiedliche Pupiilenbereiche der abbildenden Optik durchlaufende Lichtflüsse gemeinsam durch das Ortsfrequenzfilter moduliert und entsprechend den Pupillenbcreichen 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 at the outset achieved in that different pupil areas of the imaging optics light fluxes passing through are modulated jointly by the spatial frequency filter and corresponding to the pupil areas split geometrically or physically or by an additional modulation and then consecutively or simultaneously with a common photoelectric receiver or separate Photoelectric receivers are supplied, the output signals for the purpose of controlling a Display and / or tracking device are further processed. For the purpose of the correct sign Control of a display and / or control device can be 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 resulting electrical Signals 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 Gegentakt befindliches Paar aufeinanderfolgend oder gleichzeitig einem gemeinsamen fotoelektrischen Empfängerpaar oder getrennten fotoelektrischen Empfängerpaaren zugeführt werden, deren Ausgangssignale für jedes einem Pupillenbereich zugeordnete Empfängerpaar in bekannter Weise je einem Gegentaktverstärker zugeführt werden, und daß die Ausgangssignale dieser Verstärker anschließend zum Zwecke der vorzeichenrichtigen Steuerung einer Anzeige- und/oder Nachführeinrichtung bezüglich Größe und/oder, bei einer Relativbewegung zwischen Ortsfrequenzfilter und Bild, gegenseitiger Phasenlage oder Frequenz miteinander verglichen 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 push-pull pair, successively or simultaneously a common pair of photoelectric receivers or separate pairs of photoelectric receivers whose output signals are known for each receiver pair assigned to a pupil area Way are each fed to a push-pull amplifier, and that the output signals of this amplifier then for the purpose of controlling a display and / or tracking device with the correct sign in terms of size and / or, in the case of a relative movement between spatial frequency filter and image, mutual Phase position or frequency can be compared with each other.

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

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigtThe invention is described below with reference to the exemplary embodiments shown in the schematic figures explained. It shows

F i g. 1 eine Einrichtung zur fotoelektrischeh Bestimmung der Lage der Schärfenebehe eines Bildes,F i g. 1 a device for photoelectrically determining the position of the plane of focus of an image,

F i g. 2 eine Einrichtung gemäß F i g. 1 mit Summie-F i g. 2 a device according to FIG. 1 with total

23 3Ö^f94023 3Ö ^f 940

rung der Pupillenteile,tion of the pupil parts,

Fig.3 die Lichtzuführung auf eine fotoelektrische Erripfängergruppe,Fig. 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,

Fig.5 die Anordnung, einer Zonenplatte innerhalb eines Objektivs,5 shows the arrangement of a zone plate within a lens,

Fig.6 eine weitere Möglichkeit der Pupillenaufteilii ng,6 shows another possibility of dividing the pupils ng,

F i g. 7 ein Schema der Einrichtung gemäß Fig. 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-Ienöffnung, F i g. 7a, 7b, 7c the gradation of the phase along the pupil opening,

Fi g. 8 eine Einrichtung zur Bestimmung der Entfernung von Objekten in unterschiedlichen Entfernungen.Fi g. 8 a device for determining the distance of objects at different distances.

F i g. 9 eine Bildaufteilung in der Rasterebene.F i g. 9 shows an image division in the grid plane.

F i g. 10 bis 13 Schaltungen zur Signalauswertung, F i g. 14a ein Gerät für die Blindenorientierung.F i g. 10 to 13 circuits for signal evaluation, FIG. 14a a device for the orientation of the blind.

F i g. 14b das Gerät gemäß F i g. 14a in Längsschnitt.F i g. 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 Z Letzteres ist, z. B. mittels zweier Piezobieger 7, 8 aufgehängt, von denen der Bieger 7 das Raster zu Bewegungen antreibt, weiche 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 1', Γ" versehen, während der zwischen diesen Abschnitten liegende Teil des Objektivs das Bezugszeichen 1" trägt. Die Trennkanten der Bereiche Γ, 1", V" sind so gelegt, daß sie zur Bewegungsrichtung des Rasters im wesentlichen senkrecht stehen. Eine dem Prismenraster nachgeordnete Feldlinse 3 bildet die Eintrittspupälle des Objektivs 1 in Kombination mit der Brechwirkung des Prismenrasters 2 als zwei getrenntliegende Pupillenbilder 4a und 46 ab, wobei jedes dieser Bilder den Aperturbereichen des Objektivs 1 entsprechende Aperturbereichbilder 4a' bis 4a'" bzw. 46' bis 4b"' aufweist Dabei wird die gleichzeitige Auftrennung 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. 46 ist also die Lage der abgebildeten Objektstruktur relativ zu den Flanken 21, 22 des Rasters 2 maßgeblich, für die Beleuchtung der Pupiilenbildbereiche 4a' und 4a'" bzw. 4ti 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 46 nachgeschaltete fotoelektrische Empfänger ausgebildet und angeordnet. Über die Zusammenschaltung dieser Empfänger mit anderen Baugruppen, z. B. Verstärkern, ist später berichtetIn Fig. 1 shows an arrangement with an objective 1 and a spatial frequency filter in the form of a prism grid Z. The latter is, for. B. suspended by means of two piezo benders 7, 8, of which the bender 7 drives the grid to make movements that are perpendicular to the direction of the furrows of the grid, while the bender 8 is intended for feedback of the movements of the grid self-exciting drive arrangement for the grid, not shown. As can be seen, two sections of the aperture in the objective 1 are specially marked in the drawing and given the reference symbols 1 ', Γ ", while the part of the objective located between these sections bears the reference symbol 1". The separating edges of the areas Γ, 1 ", V" are placed so that they are essentially perpendicular to the direction of movement of the grid. A field lens 3 arranged downstream of the prism grid images the entrance pupalls of the objective 1 in combination with the refractive power of the prism grid 2 as two separate pupil images 4a and 46, each of these images corresponding to the aperture areas of the objective 1 aperture area images 4a 'to 4a'"or 46 ' to 4b ''' The simultaneous separation of the image is effected by the two edge groups of the raster so that the pupil images 4a and 4b originate from light fluxes which have passed through different edge groups of the raster, and it results from this that one pupil image leads to the other The pupil image is complementary with respect to the light fluxes that generate. As a result of the movement of the prism grid 2, the action of the said light fluxes on the pupil images changes periodically. For the illumination of the pupil images 4a and 46, the position of the object structure shown is thus significantly relative to the flanks 21, 22 of the reticle 2, for lighting the Pupiilenbildbereiche 4a 'and 4a''or 4Ti and 4b'', however, the difference in the 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, photoelectric receivers connected downstream of the pupil images 4a and 46 are designed and arranged

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 Rasters 2 mittels piezoelektrischer Bieger kann auch ein andersartiger Antrieb, beispielsweise mit Tauchspulen, vorgesehen sein.Instead of the shown drive of the grid 2 by means of piezoelectric bender can also have a different type of drive, for example with plunger coils being.

Ist das Vorzeichen der Objektbewegung nicht erforderlich, so kann man die den Pupillenabschnittspaaren 4a', 4a'" bzw. 46', 46'" 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 algebraic sign of the object movement is not required, the pupil segment pairs can be used 4a ', 4a' "or 46 ', 46'", connect the photoelectric receiver 5 assigned to it in parallel in pairs, as shown in FIG F i g. 2 is shown. The two groups of receivers deliver signals in antiphase with a particularly strong one pronounced amplitude maximum in the case of the same position of image plane and grid.

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 Blende 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 Aperture 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 darstellt4 shows an aperture area division for the Entrance objective 1, which also occurs in the assigned pupil images. The total aperture is in several Zone strips 41, 42, 44, 45 for distance measurement and divided into a strip 43 for 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 16. Diese Platte 9 ist so ausgebildet, daß jeweils für eine Pupillenzone, 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 liegtF i g. 5 shows an arrangement of a zone plate or Zone lens 9 in section within an objective made up of two lenses 1 a and 16. This plate 9 is designed in such a way that that in each case for a pupil zone, which can be strip-shaped or ring-shaped, objects of a specific one Distance can be mapped into the grid plane. When used as a tracking device, it can be determined whether there is an object in the respective object level

F i g. 6 zeigt eine der F i g. 4 analoge Anordnung, jedoch in ringförmiger Ausführung. Das zentrale Teil 43 ist hierbei kreisscheibenförmig gestaltetF i g. 6 shows one of the FIGS. 4 analogous arrangement, but in a ring-shaped design. The central part 43 is designed here in the shape of a circular disk

Zur Erläuterung von Gewinnung, Verknüpfung und Verlauf der Meßsignale ist in F i g. 7 noch einmal ein Schema einer Einrichtung gemäß F i g. 1 dargestellt Gezeichnet ist der Fall, in dem diametrale Partien A und A ' des Objektivs 1 durchsetzende Lichtbündel in der Ebene des Prismenrasters 2 ein scharfes Bild erzeugen. Für das auf einen Kondensor 3 aufgebrachte Prismenraster 2 ist ein oszillatorisch oder gleichförmig transversal zur optischen Achse wirksamer Antrieb 7 vorgesehen. In der Austrittspupille 3' des abbildenden Systems 1,2,3 sind zweimal zwei den diametralen Partien A, A ' zugeordnete fotoelektrische Empfänger 5^, 5/ und 5_Λ 5/ angeordnet Für die gezeichnete Scharf-To explain the acquisition, combination and course of the measurement signals, FIG. 7 again shows a diagram of a device according to FIG. 1 The case is shown in which light bundles penetrating diametrical parts A and A 'of the objective 1 produce a sharp image in the plane of the prism grid 2. For the prism grid 2 applied to a condenser 3, an oscillatory or uniform drive 7 is provided which acts transversely to the optical axis. In the exit pupil 3 'of the imaging system 1, 2, 3 two photoelectric receivers 5 ^, 5 / and 5 _Λ 5 / assigned to the diametrical parts A, A' are arranged.

einstellung sind die bei einer Relativbewegung zwischen dem Raster 2 und dem Objektbild entstehenden Wechselstrom-Ausgangssignale der Empfänger zwischen 5/, 5g sowie zwischen 5r, 5^ gegentaktig und zwischen 5r, 5r sowie zwischen 5/, 5* phasengleich, wie s 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 5 / .5g and between 5r, 5 ^ push-pull and between 5r, 5r and between 5 /, 5 * in phase, as shown in the Curves next to the receiver outputs is indicated. Accordingly, the outputs of the receivers 5 / - ', 5 / and 5r and 5g are each connected to a push-pull amplifier 9', 9 ", with any 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, then, corresponding to the parallax of the lens parts A, A ', the phases of the push-pull signal belonging to part A at the amplifier 9 ″ lie in one direction and the push-pull signal belonging to part A' shifted at the amplifier 9 'in the other direction. The size and sign of the deviation from the focus setting can therefore be determined from these phase shifts.

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 fotoeSektrischen Empfängerpaaren eine entsprechende An2:ahl von Gegenlaklverstärkern 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 " In FIGS. 7a, 7b, 7c there is a continuous phase gradation for the position of the focal plane in front of or in or behind the grid 2 in two symmetrical exit pupils φ of the brightness along the pupil opening A is represented. (g F i. 7b) in Schärfeneinfang rules all pupil areas phasality. changes can be seen that the phase changes disappear in the near-axis area, for which reason they are unsuitable for the distance measurement. If the position of the focal plane in one direction or the other, result in the central pupil No changes in the phase position since there are no perspective changes in the position of the image.

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 Objektentfernung Y, einem in 2b gelegenen Teilausschnitt 2e hingegen eine andere Objektentfernung X. Mittels einer nachgeordneten Zwischenabbildung des Ausschnitts 2e in die Nähe, aber nicht genau auf Blenden 10a und iOb wird das zu 2e gehörige Schärfesignal ausgesondert, ohne dabei einen Teil des verbleibenden Feldes 2b für die Messung der Entfernung Y abzudekken. 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 field lenses 3a are separated from different image sections 2a, 2b, 2c from the raster plane 2. 36 and 3c are assigned. 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 partial section 2e located in 2b the sharpness signal belonging to 2e is not separated out precisely on diaphragms 10a and 10b, without covering part of the remaining field 2b for measuring the distance Y in the process. The light fluxes originating from the 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. 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 offset.

Gemäß F i g. 12 werden die beiden Signale A, 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. 12, the two signals A, 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 phasenernpfindlichen 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. 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 Korrelator 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 zweiten Korrelatorsystem ist eine nach unten gerichtete Beleuchtungseinrichtung 16 zugeordnet, welche es erlaubt, das Gerät bei Dunkelheit zu benutzen. Jedem Korrelatorsystem ist ein Satz Fingersensoren 14a, 14ö, 14a 14e, 14£ 14g· zugeordnet, wobei die verschiedenen Sensoren innerhalb eines Satzes unterschiedlichen Entfernungsbereichen der Objekte zugeordnet sind. Diese Sensoren werden mittels als Blökke dargestellter elektronischer Schaltmittel 11a, 11b lic He, Hi 1 ig angesteuert, wobei diese Schaltmitte] ihrerseits ihre Steuersignale von den Korrelatoren erhalten. 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 next to the forward-facing lens 1, which is used for this. To image objects in a straight line on the grating 2 of a first optical correlator, the device has a second objective la, which is directed downwards to image steps or inclinations on the grating of a second optical correlator system and to make them recognizable. A downwardly directed lighting device 16 is assigned to the second correlator system, which makes it possible to use the device in the dark. A set of finger sensors 14a, 14ö, 14a, 14e, 14 £ 14g is assigned to each correlator system, the various sensors within a set being assigned to different distance ranges of the objects. These sensors are controlled by electronic switching means 11a, 11b lic He, Hi 1 ig shown as blocks, these switching means] in turn receiving their control signals from the correlators.

Die Sensoren werden durch entsprechende Signalf gesteuert, beispielsweise von magnetostriktiven odei piezoelektrischen Schwingern 11a, 11 b, lic, He, llJ 1 \g über Blattfedern in Schwingung versetzt Eine sol ehe Einrichtung ist für den Antrieb von Sensor 14; über die Feder 12s vom Schwinger 11a aus im einzel nen dargestellt Ein Schalter 15 für den Daumen dien zum Einschalten des Gerätes. Der Taster 14a ist für deiThe sensors are controlled by appropriate signals, for example by magnetostrictive or piezoelectric oscillators 11a, 11b , lic, He, 11J 1 \ g set in oscillation via leaf springs. A sol before device is for driving sensor 14; Shown in detail via the spring 12s from the oscillator 11a. A switch 15 for the thumb is used to switch on the device. The button 14a is for dei

6Ü9 634/236Ü9 634/23

kleinen Finger vorgesehen, \4b 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 Fig.8 und 9 schon beschrieben wurde. Dem Zeigefinger ist der Vibrator 14e zugeordnet, dem das optische »Zeigestockfeld« 2e entspricht. little finger provided, \ 4b 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 an obvious height assignment of the appropriate fields 2a, 2b and 2c, the position and detection of which has already been described in relation to FIGS. 8 and 9. The vibrator 14e is assigned to the index finger, to which the optical "index stick field" 2e corresponds.

In Fig. 15 ist eine Anordnung gezeigt, bei deren Eintrittsobjektiv 1 vier Abschnitte der Apertur besonders gekennzeichnet und mit den Bezugszeichen Γ, 1'", 1^IV, l^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, 4b, 4c, 4d ab, wobei jedes dieser Bilder den Aperturbereichen des Objektivs 1 entsprechende Aperturbereichsbilder 4a', 4a'", 4b',4b'", 4c^v, 4d^v,4cF,4d"^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 Pupiüenbüd 4a bzw. 4czurrs anderen Pupillenbiid ΛΌ bzw. 4d in bezug auf die erzeugenden Lichtflüsse komplementär ist. Infolge der durch die Taumelplatte 11 verursachten Bewegung der Lichtflüsse relativ zum15 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 , l ^v . This objective 1 is followed by a pyramid grid 12 via a beam deflector Base edges are oriented parallel to the connecting lines of opposite aperture sections shown in dashed lines. 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 in cooperation with the refraction of the pyramid grid 12 as four separate pupil images 4a, 4b, 4c, 4d , each of these images corresponding to the aperture areas of the objective 1 aperture area images 4a ', 4a'", 4b ', 4b'", 4c ^v , 4d ^v , 4cF, 4d " ^v . The simultaneous separation of the image is brought about by the four edge groups of the grid, so that the pupil images 4a, 4b and 4c, 4d originate from light fluxes which have passed through different edge groups of the grid. It follows from this that one pupil group 4a or 4currs other pupil image ΛΌ or 4d is complementary 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, 4c/ ist also die Lage der abgebildeten Objektstruktur relativ zu den Flanken des Rasters 12 maßgeblich, für die Beleuchtung der Pupillenbereiche 4a' bis 4d^v dagegen der Unterschied der Parallaxe (Raumwinkel) verschiedener Objeklbereiche. Wie ersichtlich, bleibt 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 or 4c, 4c /, the position of the imaged object structure relative to the flanks of the grid 12 is decisive, for the illumination of the pupil areas 4a 'to 4d ^v, on the other hand, the difference in parallax (solid angle) of different object areas is decisive . As can be seen, the light flow 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 Zeichnungen For 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 ight fiows leaving the local frequency filter. characterized in that different pupil areas (V. V ", Iiv, J ^v ) of the imaging optics (1) modulate light fluxes passing through jointly by the spatial frequency filter (2, 12) and then split geometrically or physically or by an additional modulation according to the pupil areas sequentially or simultaneously a common fotoeiektrischen receiver (5) or separate photoelectric receivers (5c, 5d.:. 5 _g 5 / 5R, 5 /) whose output signals are fed to be processed further for the purpose of controlling a display and / or tracking..

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

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 photoelectric receiver pair (5c. 5d) or separately photoelectric receiver pairs (5 *. 5 /, 5r, 5 /) are fed, the output signals of which for each receiver pair assigned to a pupil area (1, V) in a known manner each to a push-pull amplifier (9 ', 9 ") are supplied, and that the output signals of these amplifiers then for the purpose of the correct sign control of a display and / or tracking device with respect to size and / or, in the case of a relative movement between spatial frequency filters

(2. 12) and picture, mutual phase position or frequency be compared with each other.

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) The light fluxes corresponding to the pupil are also used to determine the angular velocity of the Object are used such that z. B. in the manner described above, the frequency and / or the Phase position of the signals resulting from these light fluxes is determined and a display and / or Tracking device are fed.

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 speed.

7. Device for performing the Verfahret according to one of claims 1 to 6, with an Opti and one of these downstream Ortsfrrquenzfi ter, which at least one photoelectric Emr. is assigned to catcher, characterized in that a linear furrow grating (: with beam-collapsing properties is provided as the Oris frequency filter, which, via a condenser (3), creates at least two non-overlapping pupil images (4a. ·, 5 /. Or. 5 /) are assigned to generate electrical push-pull signals.

8. Facility for carrying out the procedure; according to one of claims 1 to 6, with optics and one of these downstream spatial frequency filters. to which at least one photoelectric receiver is assigned, characterized in that a pyramid raster (12) with beam-splitting properties is provided as the spatial frequency filter, which uses a condenser (3) to create at least three non-overlapping pupil images (4a, 4b, 4c, 4d) of the entrance pupil and that at least one photoelectric receiver for obtaining phase-shifted rotating field signals is assigned to these images.

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. Facility for carrying out the procedure according to one of claims' to 6, characterized in that that the different pupil areas lens zones (41, 42, 43, 44, 45) with different Focal lengths are assigned which for different distances between object and Lens (1) on the downstream spatial frequency filter (2) generate sharp object images and that each pupil area is assigned at least one photoelectric 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, 14 £>, 14c, 14e, 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 (- '. 2b, 2c, 2e) or object angle sections on the downstream spatial frequency filter (2) generate sharp object images and that at least one photoelectric receiver is assigned to each pupil area for signal generation.

13. Device according to claim 10 or 12, characterized by strip-shaped pupil 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

! 5, characterized by at least one phase-sensitive rectifier (20), which is used as input signals from two different pupil areas originating signals are fed.

17. Device according to one of claims 7 to s 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 fre frequency filter processed as a reference

15. Device according to claim 7 to 15 characterized by a phase-sensitive rectifier (20), which consists of the signals from two Photoelectric receiver associated with different pupil areas 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 the 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 a 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 x, y and ζ .

21. Device according to claim 16, 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 (5 _g , 5 g. Sr, 5 /) are assigned to each pupil area (A. AJ) 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 ").