DE3122027A1

DE3122027A1 - Autofokussiereinrichtung fuer objektive

Info

Publication number: DE3122027A1
Application number: DE19813122027
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Phys. 7082 Oberkochen Felle
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 1981-06-03
Filing date: 1981-06-03
Publication date: 1982-12-23
Also published as: DE3122027C2; CH660802A5

Description

Autofokussiereinrichtung für Objektive
Autofokussiereinrichtung für Oblektive Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung der Lage der Schärfenebene bei Aufnahmeoblektiven sowie ein davon abgeleitetes Verfahren zur automatischen Scharfeinstellung, das insbesondere für Luftbildaufnahmegerate geeignet ist.
Bei langerbrennweitigen Objektiven in Luftbildkammern wirken sich die Einflüsse von Umweltparometern wie Luftdruck und Temperatur negativ auf die Auflösung des Gerötes aus, da sie z.B. Abstönde und Form der Linsenflächen und die Brechzahlen der verwendeten Gläser beeinflussen, was zu einer Verschiebung der Schärfenebene führt, die dann nicht mehr exakt mit der Filmebene übereinstimmt.
Eine ausreichende Stabilisierung dieser Parameter erfordert einen hohen Aufwand wie Klimatisierung des gesamten Aufnahmeobjektivs bzw. des Einbauraums, ein druckdichtes Gehäuse etc. und ist oft nicht möglich.
Es sind daher Objektive für Luftbildzwecke bekonnt, in denen ein verstellbares Linsenglied vorhanden ist, das abhängig von den ermittelten Werten der Umweltparameter kontrolliert verstellt wird, um die Bildschörfe und damit das Auflösungsvermögen zu optimieren. Schwierigkeiten ergeben sich dabei vor allem dann, wenn beispielsweise inhomogene oder zeitlich schwankende Temperaturverteilungen vorliegen, die mit der begrenzten Anzahl der zur Verfügung stehenden Meßstellen nicht erfaßt werden.
Aus der Firmenschrift der Fa. Chicago Aerial Industries "Autometic Focus Sensing and Control of Optical Recannaisance Sensors" von David G. Sites (undotiert), ist es bekannt, die Lage der Schdrfenebene über einen photoempfindlichen Sensor zu ermitteln und sie durch Verschieben eines Linsengliedes in die Filmebene zurückzuführen. Dazu wird ein Spiegel vor das Objektiv geschwenkt, um einen Autokollimationsstrahlengang zu erhalten, und ein in der Filmebene angeordnetes beleuchtetes Gitter wird auf einen ebenfalls in der Filmebene angeordneten resistiven Detektor spezieller Bauart abgebildet, dessen elektrischer Widerstand ein kontrastabhängiges Maximum besitzt. Zur Ableitung eines für die Fokusdetektion brauchbaren Nutzsignals müssen Scharfenebene und Detektor relativ zueinander bewegt werden, was durch eine die optische Weglänge im Autokollimationsstrahlengang choppende, rotierende Glasplatte geschieht.
Dieses Verfahren der Signolgewinnung ist trotz des erforderlichen hohen Aufwandes für Chopper und Schwenkspiegel unbefriedigend, das das analoge Nutzsignol des Detektors einen geringen Störabstand besitzt. Da das Verfahren außerdem verhaltnismößig langsam arbeitet - der Schwenkspiegel wird positioniert, die Fokuslage wöhrend des gesamten Fokussiervorgonges gemessen, der Schwenkspiegel wieder zurückgeklappt - kann es nur zwischen längeren Aufnahmeserien der Luftbildkammer zur Nochfokussierung eingesetzt werden.
Ausgehend von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Arbeitsgeschwindigkeit des Verfahrens zu erhöhen und den apparativen Aufwand der zu einer Durchführung benötigten Einrichtung zu verringern. Diese Aufgabe wird gemöß den Kennzeichen der Ansprüche 1 bzw. 6 gelöst.
Durch die mit dem Verfohren erzielte hohe Arbeitsgeschwindigkeit ist es möglich, die Lage der Schärfenebene auch während einer Aufnahmesequenz genau zu ermitteln. So ist die Zeit, während der z.B. der in der Aufnahmekammer in der Regel verwendete Schlitzverschluß die Filmebene zwischen den Belichtungsvorgöngen abdeckt dafür mehr als ausreichend.
Die zur Durchführung des Verfahrens benutzte Einrichtung arbeitet ohne bewegte Teile und ist daher nicht nur preiswerter zu fertigen sondern kann auch kompakter gebaut werden und unterliegt keinem Verschleiß.
Die Genauigkeit der Bestimmung der Scharfenebene hängt bei vorgegebener Anzahl und Größe der Einzeldetektoren von der Neigung der Sensorzeile bzw. der Hilfsstruktur (Gitter) gegen die optische Achse des Autokollimationsstrohlenganges ab, die möglichst klein gewählt werden soll. Andererseits ist der Arbeitsbereich dem Sinus des Neigungswinkels direkt proportional. Um eine ausreichende Genauigkeit über einen möglichst großen Arbeitsbereich wie er beispielsweise zur Scherfeinstellung von Luftbild- kammern gefordert wird, sicherzustellen, ist es nun vorteilhaft, größere Ablagen der Schörfenebene erst einmal grob durch Verstellen eines Linsengliedes auszuregeln, dessen Verstellung sich aus den gemessenen Werten z.B. des Luftdrucks noch einer vorhestimmten Funktion ergibt. Die Feineinstellung erfolgt dann anschließend nachdem die genaue Lage der dann im Arbeitsbereich der Sensarzeile liegenden Schörfenebene durch das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt worden ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Fig. 1-4 der beigefügten Zeichnungen naher erläutert: Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze der erfindungsgemößen Einrichtung einschließlich des Regelkreises der Autofokussiereinrichtung; Fig. 2 skizziert die Anordnung der Sensorzeile aus Fig. 1; Fig. 3 skizziert typische Ausgangssignalfolgen der Sensorzeile wobei Fig. 3a das Nutzsignal bei voller Auflösung der Hilfsstruktur, Fig. 3b ein Bezugssignol, mit dem das Nutzsignal verglichen wird, Fig. 3c ein Beispiel für die Empfindlichkeitsverteilung der Detektorelemente Fig. 3d ein Beispiel für das vom Aufnahmeobjekt verursachte Störsignal darstellen.
Fig. 4 stellt eine modifizierte Ausführungsform der in Fig. 1 skizzierten Einrichtung dar.
Wie Fig. 1 zeigt besteht das Aufnahmeobjektiv, dessen exakte Fokuslage ermittelt werden soll, aus zwei Linsen 2a und 2b, vor denen ein Spektral- filter 3 angeordnet ist. Die Innenseite des Filters 3 ist teilverspiegelt. Die Spiegelschicht 1 ist so ausgelegt, daß der größte Teil (wenigstens 90%) des von der abzubildenden Szene, d.h. aus dem Gegenstandsraum 15 kommenden Lichts transmittiert wird.
In der Filmebene 4 sind ein Strichgitter 7 und eine Sensorzeile 5 angeordnet,- welches ein handelsübliches Fotodiodenarray oder Charge Coupled Device (CCD)-Array sein kann, das aus einer Aneinanderreihung von typischerweise 2048 photoempfindlichen Einzelelementen besteht. Eine Blitzlampe 8 dient zur Beleuchtung des Gitters 7.
Die Spiegelschicht 1 und die Objektivoptik 2 bilden einen Autokollimationsstrahlengang, über den das Gitter 7 auf die Sensorzeile 5 abgebildet wird. Da der Detektor 5 einen Neigungswinkel oÇ mit der Filmebene einschließt, wird auf ihm nur ein Teil des Gitters 7 scharf, d.h. mit gutem Kontrast abgebildet, in den Randbereichen geht der Kontrast stark zurück, umsomehr ie nöher die Gitterkonstante des Gitter 7 an der Auflösungsgrenze des Objektivs liegt. Das von den n Elementen der Sensorzeile abgegebene Signal 10 hat also etwa die in Fig. 3a skizzierte Form, wobei der Punkt maximaler Modulationsamplitude die Lage der Schärfenebene 9 bestimmt, die wie in Fig. 2 dargestellt ist, von der Filmebene 4 abweicht.
Das von der Ansteuerelektronik 13 dem Array 5 entnommene Signal wird einem Mikroprozessor 14 zugeführt, der das Signal bestmöglich in eine typische Ortsfrequenzmodulationsfunktion reprasentierende Hüllkurve 11 einpaßt und die Lage ihres Schwerpunktes 12 bestimmt (Fig. 3b). Aus der Ablage dieses Punktes von der Mitte n der Sensorzeile werden dann die Feinverstelldaten für den Antrieb 16 des Linsengliedes 2a berechnet, mit dessen Hilfe die Schörfenebene 9 in die Filmebene 4 zurückgeführt wird.
Der Mikroprozessor 14 steuert außerdem die Zündung der Blitzlampe 8 über deren Steuerelektronik 17 und zwar synchron mit <lem nicht dargestellten Filmtransport in den Aufnahmepausen, so daß kein {iberstrohlen des vom Objektraum 15 aufgenommenen Bildes auftritt. Außerdem steuert er die Grobeinstellung des Linsengliedes 2a, indem er die Werte für den Luftdruck und die Temperatur im Objektiv, die mit Hilfe der Sensoren P und T gemes- sen werden, gemäR einer vorher empirisch bestimmten, einprogrammierten Funktion in Verstelldaten für den Antrieb 16 umrechnet.
Der Mikroprozessor 14 hat weiterhin die Aufgabe, das Nutzsignal 10 mit der Empfindlichkeit der Einzelelemente zu entfalten, was durch Division durch eine bei homogener Beleuchtung der Sensorzeile 5 gewonnenen Signalfolge 18 geschieht (Fig. 3c).
Störsignale, die durch das aus dem Objektroum 15 kommende, auf den Sensor auffallende Licht verursacht werden, können unterdrückt werden, indem eine kurz vor dem Zünden des Blitzlichts 8 gewonnene Signal folge 19 von dem Nutzsignal 10 subtrahiert wird (Fig. 3d).
Fig. 5 zeigt eine etwas abgewandelte Ausführungsform der der in Fig. 1 skizzierten Einrichtung. Das dargestellte Objektiv 112 besitzt zwei Linsenglieder 102, 103, von denen das vorderste eine Planfläche aufweist, die mit einer Schicht 101 teilverspiegelt ist. Der Autokollimationsstrahlengang enthält zwei Umlenkspiegel 110, 111 die so angeordnet sind, daß der für die Aufnahme genutzte Bereich der Filmebene 104 nicht abgedeckt ist. Weiterhin ist eine Zusatzoptik 106 vorgesehen über die das Gitter 107 vergrößert auf den in der Ebene 104' angeordneten Sensor 105 abgebildet wird, um die Abmessungen seiner Elemente an die Gitterkonstante des Gitters 107 anzupassen, die an der Auflösungsgrenze des Objektivs 112 liegt.
Das Linsenglied 102 ist zur Einstellung unterschiedlicher Aufnahmeentfernungen längs der optischen Achse verschiebbar. Um den Autokollimotionsstrahlengang an die eingestellte Aufnahmeentfernung anpassen zu können ist auch das aus Gitter 107 und Blitzlampe 108 bestehende Bauteil 114 verschieb bar am Gehäuse befestigt.
Wenn das Objektiv 112 also abweichend von dem in Fig. 1 dargestellten Fall der Gegenstandsweite ooouf endliche Aufnahmeentfernung ausgezogen wird, ist das Bauteil 114 in der durch den Pfeil 113 angedeuteten Richtung zu verschieben, was durch eine (nicht dargestellte) Zwangskopplung der beiden Einstellmechaniken erreicht werden kann.
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Claims

Patentansprüche: \ Verfahren zur Ermittlung der Lage der Scharfenebene bei Aufnahmeobjektiv durch Autokollimation einer im Objektiv angeordneten Hilfsstruktur auf einen in der Filmebene bzw. einer dazu korrelierten Ebene angeordneten Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsstruktur (Gitter 7,105) über einen feststehenden Spiegel (1,101) kurzzeitig auf eine aus einer Vielzahl von Einzeldetektoren bestehende, relativ zur Hilfsstruktur geneigte Sensorzeile (5,105) aufbelichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignalfolge (10) des Sensors (5,105) mit einer gespeicherten Signalfolge (18,19) gefaltet wird.
3. Verfohren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gespeicherte Signalfolge (18) die Empfindlichkeit des Sensors (5,105) reprcsentiert.
4. Verfahren nach Anspruch 2-3. dadurch gekennzeichnet, daß die gespeicherte Signalfolge (18) eine vor der Aufbelichtung der Hilfsstruktur (7,107), durch Abbildung des Aufnahmeobjekts auf den Sensor (5,105) entstandene Signalfolge (19) ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1-4, verwendet zur automatischen Schorfeinstellung von Objektiven für Luftbildkammern, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Umweltparameter Luftdruck (P) und Temperatur (T) gemessen und sein Einfluß auf die Bildscharfe durch Verstellen eines Linsengliedes (2a) gemäß einer vorbestimmten Funktion grob ausgeregelt wird, und daß sich daran die Feineinstellung des Linsengliedes (2a) aufgrund der nach einem Verfohren nach Anspruch 7-10 ermittelten Lage der Schärfenebene (9) anschließt.
6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1-5, bestehend aus einem Aufnahmeobjektiv (2,112) einer im Objektiv (2,112) angeordneten Hilfsstruktur (Gitter 7,107), einer Lichtquelle (Blitzlampe 8,108) zur Beleuchtung der Hilfsstruktur (7,107) einem vor dem Objektiv (2,112) angeordneten Spiegel (1,101) und einem in der Filmebene (4) bzw. in einer zu ihr korrelierten Ebene (104) angeordneten Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (1,101) feststeht und teildurchlnssig ist, der Detektor eine aus einer Viel.ahl von Einzeldetektoren gebildete Sensorzeile (5,105) ist und die Hilfsstruktur (7,107) bzw. die Sensorzeile (5,105) gegen die optische Achse des Autokollimationsstrahlenganges geneigt angeordnet ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (8,108) eine Blitzlampe ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 6-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (1,101) durch eine die gesamte Obiektivöffnung abdeckende Planflache eines optischen Elementes (Spektralfilter 3, Linse 102) des Objektivs gebildet ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsstruktur (107) in Lichtrichtung einstellbor befestigt ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 6-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsstruktur (7) im wesentlichen die gleiche Periodizität wie die Sensor zeile (5) besitzt.