DE3011053C2

DE3011053C2 - Optisches System für eine Entfernungsmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE3011053C2
Application number: DE3011053A
Authority: DE
Inventors: Norman L. Englewood Col. Stauffer
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1979-03-26
Filing date: 1980-03-21
Publication date: 1985-02-21
Also published as: JPS55130506A; JPS6335001B2; DE3011053A1; US4230942A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches System nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1. Insbesondere bezieht sie sich auf eine Verbesserung einer Elementarlinsenanordnung, wie sie in den älteren deutschen Offenlegungsschriften 29 22 080, 04 703 und 30 07 700 dargestellt und beschrieben ist. Diese älteren Elementarlinsenanordnungen werden im Zusammenhang mit einer Entfernungsmeßeinrichtung bzw. bei einem automatischen Scharfeinstellsystem für fotografische Kameras bzw. Fernsehkameras verwendet.

Bei den Einrichtungen gemäß den älteren Vorschlägen, wird die von einem entfernten scharf abzubildenden Gegenstand herrührende Strahlung durch eine Objektivlinse auf mehrere Elementarlinsen geworfen, die in der Nähe der Bildebene der Objektivlinse angeordnet sind. |ede Elcmcntarlinsc erzeugt ein Bild der Austrittspupille der Objektivlinsc und in der Nilhe der Bildebene einer jeden Elementarlinse ist ein Paar strahlungsempfindlicher Detektoren angeordnet Jeder Detektor erzeugt ein Ausgangssignal entsprechend der empfangenen Strahlung und bei geeigneter Scharfeinstellung der 5 Objektivlinse empfangen die Detektoren eines jeden Paares annähernd den gleichen Strahlungsbetrag. Wenn die Objektivlinse aus der richtigen Scharfeinstellung herausbewegt wird, so differieren die Ausgangssignale der Detektoren. Die Ungleichheit der Ausgangssignale

to der Detektoren wird durch ein System ausgewertet, um die Richtung festzustellen, in die die Objektivlinse bewegt werden muß, um die richtige Scharfeinstellung zu erzielen.
Bei den Einrichtungen gemäß den älteren Vorschlägen ist das durch die Elementarlinsen erzeugte Bild kreisförmig bzw. entspricht beim Anhalten der Linse • während der Fokussierung der Form des Blendenmechanismus, wobei dieses Bild seine Größe verändert, wenn Linsen mit unterschiedlichen Brennweiten benutzt werden oder wenn der Blendenmechanismus geöffnet und geschlossen wird. Im Hinblick auf eine richtige Funktion müssen die Detektoren im Umkreis des kleinsten sller angetroffenen Bilder angeordnet werden, was zu einer Beschränkung der Größe der Detektoren führt Andererseits ist es wünschenswert die Detektoren mit einer größtmöglichen Oberfläche auszustatten, um möglichst große Ausgangssignale zu erhalten. Aufgrund der kreisförmigen Gestalt des Bildes der Austrittspupille der Objektivlinse und seiner veränderlichen Größe ist jedoch die für die Oberfläche der Detektoren verfügbare Fläche beschränkt. Die Kreisform bzw. die sphärische Form der Elementarlinsen, wie sie bei den Anordnungen gemäß den früheren Vorschlägen verwendet werden, ist aufgrund der sehr kleinen Größe nur sehr schwierig mit guter Genauigkeit herzustellen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches System mit einer Elementarlinsenanordnung anzugeben, das einfach herstellbar ist und eine verbesserte Signalausbeute liefert. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

In dem erfindungsgemäßen optischen System wird eine Elementarlinsenanordnung mit gekreuzten zylindrischen Linsen verwendet, so daß die von der Objektivlinse kommende Strahlung durch zwei Gruppen von Linsen gebündelt wird, die quer zueinander liegen und in dem dargestellten Ausführungsbeispiel orthogonal in parallelen Ebenen angeordnet sind. Beide Linsen besitzen unterschiedliche Brennweiten, so daß sich infolgedessen ein Bild in der Bildebene der Elementarlinsen ergibt, das eine längliche Form aufweist und somit die Anordnung von Detektoren mit vergrößerter Oberfläche gestattet. Ein weiterer Vorteil dieser neuen Elementarlinsenanordnung ist in einer leichteren Herstellung der Elementarlinsen zu sehen, da kleine zylindrische Linsen leichter als sphärische Linsen herzustellen sind.

Anhand der Figuren der Zeichnung sei im folgenden ein Ausführungsbeispiel gemäß dem älteren Vorschlag sowie ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die Objektivlinse und die Elementarlinsenanordnung gemäß dem älteren Vorschlag;

Fig. 2 die durch die einzelnen Elementarlinsen in

b5 F i g. 1 erzeugten Bilder mit den darin angeordneten Detektoren;

F i g. 3 eine vergrößerte Ansicht eines der Bilder gemäß F i g. 2 mit darin angeordneten Detektoren;

F i g. 4 eine vergrößerte Ansicht eines der Bilder gemäß F i g. 2 mit einer veränderten Form der Detektoren;

F i g. 5 eine perspektivische Ansicht von gekreuzten zylindrischen Linsen gemäß der vorliegenden Erfindung;

F i g. 6 eine Seitenansicht der ElementarlinsenanordnunggemäßFig. 5;

F i g. 7 eine Seitenansicht der um 90° gedrehten EIementarlinsenanordnung gemäß F i g. 5;

Fig.8 die durch die einzelnen Elementarlinsen gemäß Fig.5 erzeugten Bilder mit darin angeordneten Detektoren;

F i g. 9 eine vergrößerte Ansicht eines der Bilder gemäß F i g. 8 mit darin angeordneten Detektoren; und

F i g. 10 eine vergrößerte Ansicht eines der Bilder gemäß F i g. 8 mit einer veränderten Form der darin angeordneten Detektoren.

Gemäß Fig. 1 stellt eine Linse 10 eine Cbjektivlinse eines optischen Systems oder eine Aufnahmelinse einer Kamera dar und ist entlang einer optischen Achse 12 in der durch die Pfeile 14 angedeuteten Richtung verschiebbar. Die Linse 10 empfängt Strahlung von einem aufzunehmenden Gegenstand links von ihr und wirft diese Strahlung nach rechts auf eine Elementarlinsenanordnung 16, die in der Nähe der Bildebene der Linse angeordnet ist. Die Strahlung, die von der Linse 10 auf die Elementarlinsenanordnung 16 geworfen wird, ist durch gestrichelte Linien 20 und 22 veranschaulicht. Die Elementarlinsenanordnung 16 weist auf ihrer rechten Oberfläche mehrere Elementarlinsen 26 auf, wobei hinter jeder Elementarlinse 26 paarweise strahlungsempfindliche Detektoren 28 angeordnet sind. Jede Elemenlarlinse weist eine sphärische Form auf und erzeugt daher ein Bild in der Ebene der Detektoren 28, das entlang der horizontalen und vertikalen Achse die gleiche Vergrößerung aufweist. Die Bilder sind kreisförmig dargestellt; sie können jedoch wie zuvor erwähnt die allgemeine Form des Blendenmechanismus der Objektivlinsc 10 aufweisen und daher beispielsweise eine oktogonale Form besitzen. Die links liegende Oberfläche 32 der Elementarlinsenanordnung 16 ist flach ausgestaltet; auf dieser kann jedoch eine Korrckturlinse angeordnet sein, wie dies in der DE-OS 30 11 054 mit gleichem Anmeldungslag beschrieben ist. Wenn sich die Linse 10 entlang der Achse 12 aus der geeigneten Fokussierstellung herausbewegt, so wird die durch die einzelnen Detektoren empfangene Strahlung benutzt, um über einen Auswerteschaltkreis ein Signal zu erzeugen, das die Richtung anzeigt, in der die Linse 10 bewegt werden muß, um die richtige Fokussierstellung wieder zu erzielen. Dieses Signal kann entweder benutzt werden, um die fehlende Scharfeinstellung anzuzeigen, oder um eine Antriebseinrichtung anzutreiben und die Linse 10 in der richtigen Fokussierstellung zu positionieren.

F i g. 2 zeigt die Bildebene der Detektoren 28 gemäß Fig. 1, und es ist erkennbar, daß jede Elementarlinse ein im wesentlichen kreisförmiges Bild der Austrittspupille der Linse 10 erzeugt, wobei die Detektoren paarweise im wesentlichen in dem Mittelteil eines jeden Bildes der Austrittspupille angeordnet sind. Der Einfachheit halber ist in F i g. 2 nur ein Bild 36 einer Ausirittspupillc und ein Paar Detektoren 38 eingezeichnet.

Fig. 3 zeigt eine Vergrößerung eines der Bilder gemäß Fig. 2, wobei das Bild durch die Bezugs/.iffcr 40 bezeichnet ist und ein erster und zweiter Detektor 42 und 44 im gleichen Abstand vom Zentrum des Bildes 40 angeordnet sind. Es ist aus F i g. 3 ersichtlich, daß für am leichtesten herstellbare recht eckförmige Detektoren die Größe der Detektoren durch die innerhalb des Bildes 40 verfügbare Fläche begrenzt ist. Da die Größe der Detektoren der Größe des Ausgangssignales direkt proportional ist, ist es wünschenswert, diese so groß wie möglich zu machen.

F i g. 4 zeigt ein anderes Bild der Austrittspupille, welches mit der Bezugsziffer 48 bezeichnet ist. In dem Bild 48 ist ein Paar von Detektoren 50 und 52 angeordnet,

ίο die gegenüber denjenigen gemäß F i g. 3 eine geringfügig vergrößerte Fläche aufweisen, da die außen liegenden Ecken 54 und 56 des Rechteckes abgeschnitten sind. Durch die Verwendung der Detektoranordnung gemäß F i g. 4 ist eine Flächenvergrößerung möglich, ohne daß die Herstellung der Detektoren merklich erschwert wird. Ideal wäre die Verwendung von halbkreisförmigen Detektoren; aber die Herstellung derartiger Detektoren hat sich als schwierig erwiesen.
Fig.5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer An-Ordnung mit gekreuzten Zylinderlinsen für die Eierrsentarlinsenanordnung 16 in Fig. 1. die bei ihrer Virwendung ein Bild erzeugt, das die Verwendung einer größeren Fläche von Detektormaterial gestattet. Gemäß F i g. 5 ist ein Block aus transparentem Material 60 dargestellt, der eine Oberfläche 62 und eine Unterfläche 64 aufweist. In der Mitte der Oberfläche 62 befindet sich eine zylindrische Linse 66, die sich von links nach rechts über die Länge des Blockes 60 erstreckt. Auf der Unterfiäche 64 sind mehrere zylindrische Linsen, wie beispielsweise die Linsen 70 und 72, angeordnet, von denen sich jede orthogonal zu der zylindrischen Linse 66 quer über die Breite des Blockes 60 erstreckt. Die zylindrische Linse 66 besitzt eine erste Brennweite und jede der zylindrischen Linsen 70 und 72 besitzt eine zweite Brennweite, so daß die durch den Block 60 hindurchtretende Strahlung durch die Linsen in der gleichen Bildebene fokussiert wird. Hierbei wird jedoch das Bild in einer Richtung um einen unterschiedlichen Betrag gegenüber der anderen Richtung vergrößert.

F i g. 6 zeigt eine Endansicht des Blockes 60, wobei die zylindrische Linse 66 auf der Oberfläche Strahlung von links entlang der durch die gestrichelte Linien 68 und 70 angedeuteten Strahlenwege empfängt. Diese Strahlung wird durch die zylindrische Linse 66 entlang der durch die gestrichelte Linien 74 und 7ft angedeuteten Strahlenwege in einer Bildebene 78 gebündelt.

F i g. 7 zeigt eine seitliche Ansicht des Blockes 60, wobei sich die einzelnen Elemeniairlinsen, wie beispielsweise die Linsen 70 und 72, auf der rechten Seite des Blokkes befinden. Die Strahlung, die durch die zylindrische Linse 66 entlang der durch die gestrichelten Linien 76 und 78 veranschaulichten Strahlenwege hindurchgetreten ist, wird durch die Elementarlinsen 70, 72 entlang von Strahlenwegen fokussiert, die durch die gestrichelten Linien 82 und 84 angedeutet sind, und auf die Bildebene 78 geworfen. Die Brennweite der einzelnen Elementarlinsen 70, 72 ist kurzer als die Brennweite der zylindrischen Linse 66, wobei der Unterschiedsbetrag so gewählt ist, daß das durch beide Linsen erzeugte Bild in dergleichen Bildebene78auftritt.

F i g. 8 zeigt eine Draufsicht auf die Bildebene 78 mit den Bildern der Auslrittspupille der Objektivlinse, die sich als längliche Bilder bzw. Ovale 88 darstellen. Paarweise angeordnete Detektoren 90 sind innerhalb der

b^ri ovalen Bilder der Austrittspupille der Objektivlinse angeordnet, wobei aus einem Vergleich von Fig.8 mit Fig. 2 ersichtlich ist, daß die Länge dieser Detektoren nunmehr vergrößert werden kann.

F i g. 9 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines der länglichen Bilder gemäß F i g. 8, wobei im Zentrum des ovalen Bildes 92 ein Paar von Detektoren 94 und % angeordnet ist. Wie aus einem Vergleich von F i g. 9 mit F i g. 3 ersichtlich ist, ist die Größe der Oberfläche der Detektoren 94 und 96 beträchtlich gesteigert worden, so daß für das Auswertesystem nunmehr ein größeres Ausgangssignal verfügbar ist.

Fig. 10 zeigt eine weitere vergrößerte Ansicht eines länglichen Bildes gemäß Fig.8, wobei in diesem Bild 100 zwei Detektoren 102 und 104 angeordnet sind. Es ist erkennbar, daß die Detektoren 102 und 104 etwas größer als die Detektoren in F i g. 9 sind, da die Ecken dieser Detektoren abgeschnitten wurden, wie die bereits anhand von Fig.4 erläutert wurde. Obgleich in den Fig.9 und i0 die Bilder oval dargestellt sind, kann erneut die tatsächliche Bildform beim Anhalten der Objektivlinse während der Fokussierung durch ein längliches Bild des Blendenmechanismus vorgegeben sein.

Die vorstehend beschriebene Anordnung kann in einem Entfernungsmeßsystem verwendet werden, um die Größe des Bildes der Austrittspupille der Objektivlinse und somit die Fläche der Detektoren und die Größe des verfügbaren Ausgangssignales zu erhöhen. Für den Fachmann sind vielerlei Modifikationen möglich. Während im vorliegenden Ausführungsbeispiel nur eine einzige gekreuzte zylindrische Linse gezeigt wurde, können zwei oder mehr solcher Linsen zusammen mit den zylindrischen Elementarlinsen verwendet werden, so daß eine Anzahl von Gruppen länglicher Bilder der Austrittspupille der Objektivlinse gebildet wird. Andererseits können 20 bis 40 Elementarlinsen in einem normalen Anwendungsfall vorgesehen sein, während im dargestellten Ausführungsbeispiei nur 10 Elementarlinsen dargestellt worden sind. Ferner können die beiden Gruppen von Linsen konstruktiv voneinander getrennt wenden, während das Ausführungsbeispiel eine einheitliche die gekreuzten zylindrischen Linsen aufweisende Struktur zeigt. Auch kann ein Kreuzungswinkel zwischen den gekreuzten Linien vorgesehen werden, der von dem in dem Ausführungsbeispiel dargestellten Winkel von 90° abweicht Dies würde zu gestreckten Bildern anderer Form führen. Schließlich kann auch bei der erfindungsgemäßen gekreuzten Linsenanordnung noch eine zusätzliche Korrekturlinse Anwendung finden, wie sie in der erwähnten Parallelanmeldung beschrieben ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

50 55 60 65

Claims

Patentansprüche:

1. Optisches System für eine Entfernungsmeßeinrichtung mit einer eine optische Achse aufweisenden und ein Bild eines entfernten Gegenstandes in einer Bildebene entwerfenden Objektivlinse mit einer in der Nähe der Bildebene angeordneten Elementarlinsenanordnung zur Erzeugung eines Bildes der Austrittspupille der Objektivlinse und mit Strahlungsdetektoren zur Erfassung des Bildes der Austrittspupille, gekennzeichnetdurch

eine erste zylindrische Linse (66), die einen Teil der Elementarlinsenanordnung (60) bildet und sich in einer ersten Ebene in einer ersten Richtung erstreckt, die im wesentlichen senkrecht zu der optischen Achse verläuft;

mährere zweite zylindrische Linsen (70, 72), die einen Tail der Elementarlinsenanordnung (60) bilden, von der ersten zylindrischen Linse (66) im Abstand angeordnet sind und sich in einer zweiten Ebene in einer zweiten Richtung erstrecken, die im wesentlichen senkrecht zu der optischen Achse und senkrecht zu der ersten Richtung verläuft, so daß sich ein längliches Bild der Austrittspupille ergibt; und
eine Anordnung von Strahlungsdetektoren (94, 96; 102,104) mit jeweils länglichen strahlungsempfindlichen Oberflächen, die Seite an Seite paarweise angeordnet sind, wobei sich die Längsausdehnung in die Längsausdehnung des Bildes der länglichen Austrittspupille erstreckt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsempfindlichen Oberflächen der Strahlungsdetektoren (94, 96) rechteckförmig sind.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsempfindlichen Oberflächen der Strahlungsdetektoren (102,104) rechteckförmig sind und zwei Ecken abgeschnitten sind, um eine Annäherung an das Bild der Austrittspupille zu erzielen.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite der ersten zylindrischen Linse (66) von der Brennweite der zweiten zylindrischen Linsen (70,72) um einen ausreichenden Betrag differiert, um eine gemeinsame Bildebene vorzugeben.