DE3011054A1

DE3011054A1 - Optisches system

Info

Publication number: DE3011054A1
Application number: DE19803011054
Authority: DE
Inventors: Norman L Stauffer
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1979-03-26
Filing date: 1980-03-21
Publication date: 1980-10-09
Also published as: DE3011054C2; JPS55130524A; JPS6333683B2; US4230941A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1. Sie bezieht sich insbesondere auf ein optisches System mit mehreren Elementarlinsen auf einem transparenten Träger, wie es in der älteren DE-OS 29 22 080 und in der älteren deutschen Patentanmeldung

P (US-Seriennummer 16 595, Anmeldetag 1. März 1979)

bereits vorgeschlagen wurde. Die dort beschriebene Elementarlinsenanordnung wird im Zusammenhang mit Entfernungsmeß- bzw. automatischen Fokussiereinrichtungen, beispielsweise in fotografischen Kameras oder Fernsehkameras verwendet.

Gemäß der in den älteren Vorschlägen beschriebenen Einrichtung wird Strahlung von einer entfernten scharf abzubildenden Szene durch eine Objektivlinse auf mehrere Elementarlinsen geworfen, die in der Nähe der Bildebene der Objektivlinse angeordnet sind. Jede Elementarlinse erzeugt ein Bild der Austrittspupille der Objektivlinse und in der Nähe der Bildebene einer jeden Elementarlinse ist ein Paar strahlungsempfindlicher Detektoren angeordnet. Jeder Detektor erzeugt ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von der empfangenen Strahlung und bei geeigneter Positionierung der Objektivlinse in der gewünschten Fokussierstellung empfangen die Detektoren eines jeden Paares annähernd den gleichen Strahlungsbetrag. Wenn die Objektivlinse aus der richtigen Fokussierstellung herausbewegt wird, so weichen die Ausgangssignale der Detektoren innerhalb eines Paares voneinander ab. Die voneinander abweichenden Ausgangssignale der Detektoren werden durch ein System ausgewertet, um die Richtung festzustellen, in der die Objektivlinse bewegt werden muß, um die richtige Fokussierstellung zu erzielen.

Elementarlinsen, die in der Nähe des Zentrums der Elementarlinsenanordnung angeordnet sind, empfangen im allgemeinen Strahlung von der Objektivlinse, die im wesentlichen gleichmäßig um die optische Achse einer solchen Elementarlinse verteilt ist, so daß auch die austretende Strahlung im allgemeinen symmetrisch zur optischen Achse verläuft. Es hat sich jedoch herausgestellt,

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daß die Elementarlinsen am Rand der Elementariinsenanordnung Strahlung von der Objektivlinse unter einem solchen Winkel zu ihrer optischen Achse empfangen, daß die von einer solchen Elementarlinse übertragene Strahlung entlang eines solchen Weges verläuft, daß der eine Detektor eines Paares einen größeren Strahlungsanteil als der andere Detektor eines Paares auch dann erhält, wenn sich die Objektivlinse in der richtigen Fokussierstellung befindet. Die Ausgangssignale dieser Detektorpaare weichen daher voneinander ab, so daß fälschlicherweise ein Zustand angezeigt werden kann, der einer nicht erreichten Scharfeinstellung entspricht.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches System der gattungsgemäßen Art so zu verbessern, daß bei der richtigen Scharfeinstellung der Objektivlinse alle Elementarlinsen möglichst symmetrische Bilder zu ihrer optischen Achse erzeugen. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das bei der bereits vorgeschlagenen Elementarlinsenanordnung auftretende Problem durch die Hinzufügung einer Korrekturlinse zwischen der Objektivlinse und der Elementarlinsenanordnung vermieden, wobei durch diese Korrekturlinse die von der Objektivlinse kommende Strahlung zu den einzelnen Elementarlinsen nahezu parallel und symmetrisch um die optische Achse einer jeden Elementarlinse gerichtet wird. Jede Elementarlinse entwirft hierdurch ein Bild, das im wesentlichen symmetrisch um die optische Achse verteilt ist. Die beiden Detektoren können nunmehr in gleichem Abstand von der optischen Achse einer jeden Elementarlinse angeordnet werden und sie empfangen hierbei im wesentlichen den gleichen Strahlungsbetrag, wenn sich die Objektivlinse in der richtigen Scharfeinstellung befindet.

Anhand der Figuren der beiliegenden Zeichnung sei im folgenden ein optisches System gemäß dem älteren Vorschlag und das erfindungsgemäße optische System näher beschrieben.

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Es zeigen:

Fig. 1 ein System, bestehend aus Objektivlinse und Elementarlinsenanordnung gemäß dem älteren Vorschlag;

Fig. 2 die Anordnung eines Detektorpaares innerhalb des Bildes der Austrittspupille der Objektivlinse;

Fig. 3 den Strahlungsverlauf durch eine Elementarlinse am Rande der Elementarlinsenanordnung, wie er sich gemäß dem älteren Vorschlag ergibt; und

Fig. 4 den Strahlungsverlauf durch eine Elementralinse am Rande der Elementarlinsenanordnung, wie er sich bei Verwendung der erfindungsgemäß vorgesehenen Korrekturlinse ergibt.

Gemäß Fig. 1 stellt eine Linse 10 die Objektivlinse eines optischen Systems oder die Aufnahmelinse einer Kamera dar und besitzt eine optische Achse 12,entlang weicher die Linse 10 in beiden Richtungen beweglich ist. Die Linse 10 empfängt Strahlung von einer aufzunehmenden Szene links von der Linse und sie richtet diese Strahlung nach rechts auf eine Elementarlinsenanordnung 16, die in der Nähe der Bildebene der Linse 10 angeordnet ist. Strahlung von dem oberen Teil der Linse 10 wird auf die Elementarlinsenanordnung 16 entlang einem Strahlenverlauf gerichtet, der durch die lang gestrichelten Linien 20, 22 und 24 veranschaulicht ist. Ebenso wird Strahlung von dem unteren Teil der Linse 10 auf die Elementarlinsenanordnung 16 entlang von Strahlenwegen gerichtet, die durch die kurz gestrichelten Linien 26, 28 und 30 veranschaulicht sind. Die Elementarlinsenanordnung 16 besitzt eine flache Oberfläche 32 und eine zweite Oberfläche, die durch mehrere Elementarlinsen 36 gebildet wird. Hinter jeder Elementarlinse ist ein Paar von Punkten 38 und 40 veranschaulicht, die ein Paar strahlungsempfindlicher Detektoren darstellen. Jede Elementarlinse erzeugt ein Bild der Austrittspupille des Objektives 10, so daß die Detektoren 38 und 40 einen gleichen Strahlungsbetrag empfangen, wenn sich die Linse 10 in der richtigen Scharfeinstellung befindet.

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Fig. 2 zeigt ein solches Detektorpaar, bestehend aus :1ξπ Detektoren 44 und 46 innerhalb eines Bildes der Austrittspupille der Linse 10, was durch einen Kreis 48 angedeutet ist. Es ist erkennbar, daß die Detektoren 44 und 46 die gleiche Größe aufweisen und daß sie im wesentlichen im gleichen Abstand vom Zentrum der Austrittspupille 48 angeordnet sind. Wenn die Detektoren in der Nähe des Zentrums der Elementarlinsenanordnurig 16 angeordnet sind, so wird hierbei der Detektor 44 im wesentlichen den gleichen Strahlungsbetrag wie der Detektor 46 bei richtiger Scharfeinstellung der Linse 10 empfangen. Im Zentrum der Detektoren 44 und 46 sind Punkte 50 und 52 bezeichnet, wobei in diesen Punkten jeweils ein Strahl vom Zentrum des unteren und oberen Teiles der Objektivlinse 10 auftrifft.

In Fig. 1 ist ein Lichtstrahl 54 eingezeichnet, der aus dem oberen Teil der Linse 10 austritt und im Zentrum einer oberen Elementarlinse 56 in der Elementarlinsenanordnung 16 auftrifft. Ebenso verläßt ein Lichtstrahl 58 den unteren Teil der Objektivlinse und trifft auf dem Zentrum der oberen Elementarlinse 56 auf. Diese beiden Strahlen 54 und 58 durchlaufen die Elementarlinse und sie sollten zugeordnete Detektoren in deren Zentrum beaufschlagen, wie dies durch die Punkte 50 und 52 in Fig. 2 veranschaulicht ist. Die Lichtstrahlen 54 und 58 werden nachfolgend bei der Beschreibung der Fig. 3 und 4 benutzt.

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des oberen Teiles der Linsenanordnung 16 gemäß Fig. 1, wobei der Lichtstrahl 54 die Elementarlinse 56 durchläuft und auf einen Detektor 60 geworfen wird, während der Lichtstrahl 58 die Elementarlinse 56 durchläuft und auf einen Detektor 62 geworfen wird. Die optische Achse der Elementarlinse 56 ist als eine gestrichelte Linie 64 dargestellt. Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind die Detektoren 60 und 62 mit einem übertriebenen Abstand in Bezug auf die Elementarlinse 56 dargestellt; in Wirklichkeit liegen sie viel näher an dieser Elementarlinse.

Die Lichtstrahlen 54 und 58 treffen auf das Zentrum der Detekto- j ren 60 und 62 in einer Weise auf, wie dies hinsichtlich der j

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Zentren 50 und 52 bei den Detektoren 44 und 46 gemäß Fig. 2 veranschaulicht wurde. Es ist aus Fig. 3 erkennbar, daß die Lichtstrahlen 54 und 58 auf der Elementarlinse 56 beträchtlich unterhalb der optischen Achse 64 auftreffen und daß sie auf die Detektoren 60 und 62 an einer Stelle geworfen werden, die beträchtlich oberhalb der optischen Achse 64 liegt. Infolgedessen hat die Strahlungsenergie, die auf den Detektor 62 auftrifft, einen längeren Weg von der Elementarlinse 56 als die Strahlungsenergie zurückgelegt, die auf den Detektor 60 auftrifft. Ferner ist auf Grund des größeren Winkels zwischen dem Lichtstrahl 58 und der optischen Achse 64 gegenüber dem Winkel zwischen dem Lichtstrahl 54 und der optischen Achse 64 die Energieverteilung auf der Oberfläche des Detektors 62 weniger dicht als auf der Oberfläche des Detektors 60. Infolgedessen weist das Ausgangssignal des Detektors 62 einen etwas geringeren Betrag als das -Ausgangssignal des Detektors 60 auf, auch wenn ein Zustand der Scharfeinstellung vorliegt. Der Unterschied in den Ausgangssignalen der Detektoren 60 und 62 kann einem Sensorsystem eine falsche Anzeige geben, wodurch auf eine fehlende Scharfeinstellung verwiesen wird, was im allgemeinen unerwünscht ist.

Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Elementarlinsenanordnung 16 und der oberen Elementarlinse 56 mit ihrer optischen Achse 64 sowie die gleichen zwei Lichtstrahlen 54 und 58 und die gleichen zwei Detektoren 60 und 62, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind. In Fig. 4 ist jedoch eine zusätzliche Linse 70 in der Nähe oder auf der Rückfläche 32 der Elementarlinsenanordnugn 16 angeordnet, um die Lichtstrahlen 54 und 58 so abzulenken, daß sie sich beim Auftreffen auf die Elementarlinse 56 entlang der optischen Achse 64 bewegen und ebenfalls symmetrisch zu dieser Achse aus der Elementarlinse 56 austreten, so daß die gemäß Fig. 3 auftretenden unterschiedlichen Winkel kompensiert werden. Die Korrekturlinse 70 kann eine getrennte Linse in Nachbarschaft zu der Oberfläche 32 der Elementarlinsenanordnung 16 sein oder sie kann integral mit der Elementarlinsenanordnung 16 gebildet werden. Die Linse 70 kann zum Zwecke der leichteren Herstellung sphärisch ausgebildet sein aber sie kann auch eine andere Form aufweisen, beispielsweise kann sie zylindrisch sein,

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so daß die Lichtstrahlen wie beispielsweise die StraMen 54 und 58 in einer noch symmetrischeren Weise um die optische Achse 64 verteilt werden. Wie aus Fig. 4 erkennbar, trifft nun der Lichtstrahl 54 auf die Oberfläche der Linse 70 in einem Punkt 74 auf, von wo er unter einem Winkel in Richtung auf die optische Achse 64 abgelenkt wird. Der Lichtstrahl 58 trifft nunmehr auf die Linse 70 in einem Punkt 76 auf, von wo er ebenfalls in Richtung auf die optische Achse 64 unter einem Winkel abgelenkt wird, der im wesentlichen dem Ablenkungswinkel des Lichtstrahles 54 entspricht. Als eine Folge hiervon treten nunmehr die Strahlen aus der Elementarlinse 56 unter im wesentlichen gleichen Winkeln aus und sie treffen auf die Detektoren 60 und 62 auf, nachdem sie im wesentlichen gleiche Entfernungen unter im wesentlichen gleichen Winkeln zu der optischen Achse 64 von der Elementarlinse zurückgelegt haben. Die Detektoren 60 und 6 2 befinden sich nunmehr im wesentlichen im gleichen Abstand von der optischen Achse 64 und auf gegenüberliegenden Seiten derselben und die von den Detektoren 60 und 62 empfangene Strahlungsdichte ist nunmehr im wesentlichen gleich, wenn die richtige Scharfeinstellung vorliegt.

Die auf die anderen Elementarlinsen der Anordnung 16 auftreffenden Strahlen werden ebenfalls mehr oder weniger in Richtung auf die optische Achse dieser Elementarlinsen abgelenkt, so daß jedes Detektorpaar hinter jeder Elementarlinse einen gleichen Strahlungsbetrag empfängt, wenn die richtige Scharfeinstellung vorliegt.

Wenn die Detektoren 60 und 6 2 nur auf sichtbare Strahlung ansprechen sollen, wie dies bei fotografischen Anwendungen der Fall ist, so kann die Linse 70 als ein Filter ausgebildet sein, um langwelliges Licht, d. h. Infrarotstrahlung auszufiltern. Bei anderen Anwendungsfällen kann durch das Filter Licht mit anderer unerwünschter Wellenlänge unterdrückt werden.

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Claims

HONEYWELL INC. 21. März 1980 Honeywell Plaza 1008015 GE Minneapolis, Minnesota, USA Hz/de Optisches System Patentansprüche:

1./Optisches System, insbesondere Entfernungsmeßsysteiti, mit mehreren eine optische Achse aufweisenden Elementarlinsen auf einem transparenten Träger, die von einer Strahlung durchsetzt werden, wobei die Elementarlinsen die Strahlung fokussieren, und mit mehreren paarweise angeordneten strahlungsempfindlichen Detektoren, die die von jeder Elementarlinse entworfenen Bilder erfassen, gekennzeichnet durch eine Linse (70) auf der den Elementarlinsen (36,56) abgewandten Oberfläche (32) des Trägers (16), durch die die von jeder Elementarlinse abgelenkte Strahlung im wesentlichen gleichmäßig um die optische Achse (64) verteilt wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (70) ein Filter aufweist.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (70) sphärisch gekrümmt ist.

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4. Einrichtung mit einer Objektivlinse zur Bündelung der von einem entfernten Objekt kommenden Strahlung und zur Erzeugung eines Bildes von dem Objekt in einer ersten Bildebene, gekennzeichnet durch mehrere jeweils eine optische Achse (64) aufweisende und in der Nähe der ersten Bildebene angeordnete Elementarlinsen (36,56);

eine zwischen der Objektivlinse (10) und den Elementarlinsen (36,56) angeordnete Korrekturlinse (70), um die von der Objektivlinse kommende Strahlung zu den Elementarlinsen zu richten, so daß jede Elementarlinse eine im wesentlichen symmetrische Strahlung um seine optische Achse (64) erzeugt und ein Bild der Austrittspupille der Objektivlinse in einer zweiten Bildebene liefert; und

mehrere strahlungsempfindliche in der Nähe der zweiten Bildebene paarweise so angeordnete Strahlungsdetektoren (38,40; 44,46;60,62), daß die Detektoren jedes Paares im wesentlichen in gleichem Abstand auf gegenüberliegenden Seiten der optischen Achse einer jeden Elementarlinse liegen und eine im wesentlichen gleich große Strahlung empfangen, wenn die Objektivlinse in richtiger Weise positioniert ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Elementarlinsen (36,56) auf einem transparenten Träger (16) angeordnet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturlinse (70) auf der den Elementarlinsen (36,56) abgewandten Oberfläche (32) des Trägers (16) angeordnet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturlinse (70) sphärisch gekrümmt ist.

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8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch g 2 :< 3 η η zeichnet , daß die Korrekturlinse (70) ein Filter aufweist.

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