DE3323388A1

DE3323388A1 - Optisches system

Info

Publication number: DE3323388A1
Application number: DE19833323388
Authority: DE
Inventors: Burton R Clay; George O Reynolds
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1982-06-30
Filing date: 1983-06-29
Publication date: 1984-01-05
Also published as: DE3323388C2; FR2529688A1; US4474446A; JPH0248085B2; GB2123238A; FR2529688B1; GB8316586D0; GB2123238B; JPS5922027A

Description

HONEYWELL INC.
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Minneapolis, Minn. USA

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27. Juni 1983 Λ3209614 DE HR/ep

Optisches System

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches System gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Zur automatischen Fokussierung einäugiger Spiegelreflexkameras ist eine hinter dem Aufnahmeobjektiv angeordnete Fokussiervorrichtung bekannt, bei welcher der mittlere Teil des Schwenkspiegels teildurchlässig ausgebildet ist, so daß ein Teil des normalerweise vom Schwenkspiegel zum Okular abgelenkten Lichts durch den Spiegel hindurchtritt und mittels eines zweiten Spiegels auf eine am Boden der Kamera angeordnete Meßeinrichtung geworfen wird. Diese besteht aus einer Zeile von Elementar- oder Mikrolinsen, welche die Bildebene halbieren, einer daneben angeordneten Reihe von Detektorpaaren, einem CCD-Speicher zur Abtastung der Detektorsignale sowie einer zugehörigen elektronischen Auswerteschaltung, welche die Ablage des jeweiligen Fokussierzustandes von der optimalen Fokussierung ermittelt und entweder einer Anzeigevorrichtung oder einer Steuereinrichtung zum Verstellen des Kameraobjektives zuleitet. Jede Mikrolinse projiziert ein Bild von der Austrittspupille des Kameraobjektivs auf ein Paar halbkreisförmiger Detektoren derart, daß jeder Detektor einen unterschiedlichen Teil der Austrittspupille und damit auch der Bildszene sieht. Die Reihen der Detektorpaare werden elektronisch abgetastet und alle Signale der rechten Detektorreihe mit denjenigen der linken Detektorreihe verglichen. Ist die Kamera optimal fokussiert, so stimmen die von den einander zugeordneten Detektorpaaren ermittelten Signalsignaturen überein. Ist die Kamera nicht fokussiert, so

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sind die Signaturen gegeneinander verschoben. Größe und Richtung des Fokussierfehlers werden von einem Mikrocomputer anhand der Verschiebung der Signaturen ermittelt.

Solche optischen Systeme arbeiten ordnungsgemäß solange die Ortsfrequenz der auf den Detektorpaaren abgebildeten Bildszene nicht höher ist als die Ortsfrequenz der Detektorpaare selbst. Weist jedoch die Abbildung der Szene auf den Detektorpaaren eine höhere Ortsfrequenz auf, so kann es vorkommen, daß die von den einander zugeordneten Detektoren der Paare ermittelten Signaturen im Zustand optimaler Fokussierung nicht übereinstimmen. Hierdurch kann eine ordnungsgemäße Fokussierung vorgetäuscht und somit eine Fehleinstellung bewirkt werden; oder dem System gelingt es nicht,die optimale Fokussierung zu ermitteln.

Diese Schwierigkeit könnte dadurch vermieden werden, daß man hinter der Austrittspupille des Objektivs ein Filter anordnet, welches die Auflösung des Objektivs auf einen Wert unterhalb der Ortsfrequenz der Detektoren verringert und damit die durch hochortsfrequente Szeneninhalte bedingte Mehrdeutigkeit beseitigt. Die Anordnung eines solchen Filters an der Austrittspupille bzw. zwischen Objektiv und Reflexspiegel ist jedoch unzweckmäßig, weil es sowohl das Bild stören als auch die Beleuchtung des Films und des Suchereinblicks verringern würde.

Durch die Erfindung soll folglich ein optisches System der eingangs genannten Art dahin gehend verbessert werden, daß unter Vermeidung der geschilderten Nachteile eine genaue Fokussierung auch bei hochortsfrequenten Bildinhalten gewährleistet ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Mit ihr wird die Verwendung eines für derartige Zwecke bisher nicht eingesetzt on Filters vorgeschlagen, welches an einer anderen Siel Ie .ι I s an <lei Ausl r i I I spupi 1 1 e des

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KaiiicJMol) jek 1 ivi; unqcoJdneL werden kann. Die; Krf induncj besteht im wesentlichen darin, ein skaliertes Zufallsphasenfilter zwischen Objektiv und Abtastvorrichtung anzuordnen. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält dieses Filter ein skaliertes Hologramm eines Sayanagi-Filters, wie es aus der US-PS 29 59 105 bekannt ist. Dieses Filter wird zwischen dem Schwenkspiegel und der Elementarlinsenanordnung angebracht. Das herkömmliche Sayanagi-Filter besteht aus einer transparenten Platte, die mit kleinen kreisförmigen Elementen von zufallsverteilter Lichtdurchlässigkeit bedeckt ist, wodurch eine optische Weglängendifferenz einer halben Wellenlänge erzielt wird. Umfang und Verteilung der Zufallselemente ist an die gewünschte Grenzfrequenz angepaßt, d.h. im vorliegenden Fall an die Ortsfrequenz der Detektorpaare. Um das Filter nicht an der theoretisch notwendigen Position in der Austrittspupille des Objektivs anordnen zu müssen, sondern hinter dem Schwenkspiegel anbringen zu können, wird ein auf die erforderliche Größe skaliertes Hologramm des Filters erzeugt und verwendet.

Das skalierte holographische Sayanagi-Filter stellt eine gute Lösung des Problems vorgetäuschter Fokussierein-Stellungen dar. Da jedoch die Elementarlinsen und die zugehörigen Detektoren in Reihen angeordnet sind, kann ein Filter, welches Streifen statt kreisförmiger Elemente benutzt, eingesetzt und zudem mit geringeren Kosten hergestellt werden, solange es eine gleichwertige Zufallsverteilung über denselben Meridian erzielt wird wie bei der Detektoranordnung. Die Ortsfrequenz und die Tiefe der Streifen werden über die Filteröffnung verändert oder zufallsmoduliert (chirped), um vorgegebene Beugungsordnungen zu vermeiden, welche ihrerseits zu Einstell- ungenauigkeiten führen könnten. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der

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Zeichnung wiedergegebener Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigt:

Fig. "IA das System bei fehlender Scharfeinstellung;

Fig. 1B bei exakter Fokussierung; Fig. 2 die Anordnung des optischen Systems zur automatischen Scharfeinstellung in einer einäugigen Spiegelreflexkamera (SRL).

Figur 1 zeigt ein in diesem Fall einlinsiges Objektiv 20, ein skaliertes Zufallsphasenfilter 21, eine Abtastvorrichtung 22 mit Signalverarbeitungselektronik 28 zur Erzeugung eines Stellsignals 24 für das Objektiv 20 sowie eine mit einem Motor ausgestattete Fokussiereinstellvorrichtung 23 für das Objektiv.

Das optische System bildet ein Objekt 25 in der Erennebene 26 ab. Lichtstrahlen 18 vom Objektiv 25 werden durch die Linse 20 im Brennpunkt 27 fokussiert. Ist das System wie in Figur 1B scharf eingestellt, so liegt der Brennpunkt 27 in der Abbildungsebene 26. Die Oberfläche der Abtastvorrichtung 22 oder eines Aufzeichnungsträgers, z.B. eines Films oder eine IR- oder sonstige Detektoranordnung liegen in der Ebene 26. Die Abtasteinrichtung kann beispielsweise eine Detektoranordnung mit vorgeschalteten Elementarlinsen aufweisen oder andere in der Abbildungsebene liegende Abtastmittel. Eine der möglichen Abtastvorrichtungen ist in dem Aufsatz "Electronic Focus for Cameras" von N. Stauffer und D. Wilwerding beschrieben, der in der Zeitschrift "Scientific Honeyweller," März 1982, Seiten 1 bis 13 veröffentlicht ist. Die Signalverarbeitungselektronik 28 in Verbindung mit der Abtasteinrichtung 22 erzeugt ein Stellsignal 24 für die Objektivverstellcinrichtung 23, mit deren Hilfe das Objektiv bzw. die Linse 20 in einem geschlossenen Regelkreis derart

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verstellt wird, daß der Brennpunkt 27 in die Abbildungsebene 26 fällt, die dann zugleich Brennebene ist.

Ein in der Ebene der Austrittspupille 17 angeordnetes Sayanagi-Filter könnte die eingangs erwähnten Schwierigkeiten beseitigen, indem es die Grenzfrequenz der Linse 20 auf einen Betrag unterhalb der Ortsfrequenz der Detektoren der Abtasteinrichtung 22 beschränkt. Da eine solche Anordnung des Filters im Bereich der Austrittspupille des Objektivs weder möglich noch praktisch ist, wird ein skaliertes Zufallsphasenfilter 21 in dan Strahlengang zwischen Linse 20 und Abbildungsebene 26 an einer Stelle eingefügt, die von der mechanischen Anordnung her günstiger ist.

Figur 2 zeigt die Anordnung eines skalierten Zufallsphasenfilters 21 in einer einäugigen Spiegelreflexkamera mit Scharfeinstellung durch das Objektiv. Das Filter 21 liegt hier im Strahlenweg zwischen Objektiv 20 und Abtasteinrichtung 21, nicht jedoch im Strahlenweg zur Filmebene 29. Die von einem Objekt 25 im Unendlichen ankommenden Lichtstrahlen 18 fallen auf das Objektiv 20 und werden von diesem auf den Schwenkspiegel 11 geworfen. Der mittlere Teil des Spiegels 11 dient als optischer Strahlungsteiler. Er ist teildurchlässig.

In der gezeigten Stellung des Schwenkspiegels wird ein Teil des Lichts nach oben auf eine Mattscheibe 19 reflektiert und durch das Pentaprisma 12 dem Betrachter 29* im Okular oder Suchereinblick dargeboten. Das 0 übrige Licht durchläuft den mittleren Teil des Schwenkspiegels 11 und wird von einem zweiten Spiegel 13 auf die Detektoranordnung 15 der Abtasteinrichtung 22 geworfen. Werden die Spiegel 11, 13 aus dem Strahlengang herausbewegt bzw. herausgeschwenkt, so fällt das Licht auf die Filmebene 29. Die Mattscheibe 19, die Detektoranordnung 15 sowie die Filmebene 29 liegen praktisch im gleichen optischen Abstand von der Linse 20.

Die Abtastvorrichtung 22 umfaßt eine Elementarlinsenanordnung 14, eine angepaßte,die Bildebene halbierende Anordnung von Detektorpaaren 15 sowie eine Detektorabtastelektronik 16. Jede Elementarlinse bildet die Ebene 17 der Austrittspupille auf einem entsprechenden Detektorpaar der Detektoranordnung 15 ab. Die Abtasteinrichtung 16 übernimmt die Signale der Detektoranordnung 15, während eine Signalverarbeitungselektronik 28 den Grad und die Richtung des Fokussiertehlers ermittelt und bei Vorhandensein eines Fokussierfehlers ein Stellsignal auf der Leitung 24 liefert, welches über die Steuereinrichtung 23 die Linse 20 verschiebt. Die Filterwirkung eines Zufallsphasenfilters in der Ebene der Austrittspupille 17 wird durch ein entsprechend skaliertes Zufallsphasenfilter 21 an einer geeigneten Stelle zwischen der Abbildungsebene 26 und der Ebene 17 der Austrittspupille erreicht.

Das Filter 21 kann durch Aufzeichnung eines Fresnel-Hologramms eines geeigneten in der Austrittspupille angeordneten Sayanagi-Filters erzeugt werden. Bekannte in der Ebene der Austrittspupille angeordnete Sayanagi-Filter bestehen aus einer lichtdurchlässigen Platte, auf welcher kreisförmige Bereiche von der Dicke einer halben Wellenlänge in einer Zufallsverteilung angeordnet sind. Der Durchmesser D dieser erhabenen Bereiche wird wie folgt berechnet:

D = 2_r44wfP,

wobei w die Wellenlänge des vom Fotodetektor aufzunehmenden Lichtes, f die Brennweite der Linse 20 und P die Grenzfrequenz des Filters ist. Diese Grenzfrequenz lieqt niedriger als die Ortsfroquonz der einzelnen FoLotk¹1 ck loten. Hin Hol o<] rutuin de:, FiI lei·; wird in der Weise aufgezeichnet, daß das Filter im gewünschten Abstand von der Ebene der Austrittspupille angeordnet und

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aus der Position der Detektoren abgetastet wird. Das virtuelle· Bild des Sayanagi-Filters erscheint dann in der Ebene der Austrittspupille der Linse 20 liegend. Dieses Hologramm stellt das skalierte Filter dar. Eine genaue Form des skalierten Filters 21 kann mittels einer Fresnel-Transformation der Phasenverteilung und Koordinaten eines in der Ebene der Austrittspupille liegenden Filters erzeugt werden. Dies führt zu einer mathematischen Beschreibung der Phasenwerte und Koordinaten eines neuen Filters, welches in einem ausgewählten Abstand von der Ebene 17 der Austrittspupille angeordnet wird.

Das skalierte Sayanagi-Filter stellt das optimale radialsymmetrische Filter zur Unterdrückung von durch hohe Ortsfrequenzen bedingten Fehlfokussierungen dar. Da jedoch die meisten Abtasteinrichtungen lineare Detektoranordnungen benutzen, kann auch ein Filter Anwendung finden, welches den hochfrequenten Bildinhalt parallel zur Detektorzeile 15 unterdrückt. In einer zweiten Ausführungsform wird ein zufallsmoduliertes Beugungsgitter an der Stelle 21 eingesetzt, um den Frequenzinhalt der Bildszene mit einer Zufallsraodulation zu versehen. In einem Beugungsgitter mit konstanter Ortsfrequenz werden Beugungsergebnisse hoher Ordnung den Szeneninhalt mit hohen Ortsfrequenzen verstärken, wodurch Schwebungsfrequenzen entstehen, die zu Fehlfokussierungen bzw. zur Vortäuschung einer eigentlich nicht erreichten Fokussierstellung führen. Das zufallsmodulierte Beugungsgitter schaltet solche genau vorgegebene Anteile höherer 0 Ordnung durch Erhöhung der Beugungsfrequenz aus, wodurch die Beugungsanteile höherer Ordnung aus dem Blickfeld der Detektoranordnung 15 herausverschoben wird. Da die Irisblende 30 der Kamera je nach Helligkeit der Szene entweder weit offen oder auch ziemlich weit geschlossen ist, muß das zufallsmodulierte Filter derart bemessen werden, daß die niedrigste Beugungsfrequenz in der Achse liegt und höhere Frequenzen außerhalb der Achse liegen,

wenn die Irisblende geöffnet wird,- Folglich muß die Ortsfrequenz des Beugungsgitters symmetrisch zu beiden Seiten der Achse zunehmen, wodurch ein symmetrisches doppeltzufallsmoduliertes Beugungsgitter entsteht. 5

Für ein zufallsmoduliertes Beugungsgitter in der Ebene 17 der Austrittspupille läßt sich die Rasterfrequenz im Mittelpunkt des Filters F wie folgt berechnen:

F = (2,44wfP)~¹,

wobei w die Betriebswellenlänge des für den Fokussiervorgang verwendeten Lichts ist (z.B. .0,6 X 10 mn), P die gewünschte Grenzfrequenz (der Abstand zwischen den Detektoren der Detektoranordnung 15 von z.B. 0,2 mm) und f die Brennweite der Linse 20 (z.B. 50 mm) ist. Die Änderung der Ortsfrequenz zu den Filterkanten hin wird empirisch bestimmt. Um die Wirksamkeit des Filters zu optimieren, wird die Tiefe der Nuten an die lokale Ortsfrequenz des Gitters angepaßt. Die höchste Wirksamkeit des Beugungsgitters erhält man, wenn die Nutentiefe h im Maß der optischen Weglängendifferenz OPD

h = 0,36q
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beträgt, wobei q der lokale Gitterabstand, d.h. die Periodenlänge entsprechend der Ortsfrequenz ist.

Um das zufallsmodulierte Filter aus der Ebene 17 der Austrittspupille zu einer mechanisch güngstigen Position hinter dem Schwenkspiegel 11 zu verschieben, beispielsweise in die Position 21, kann das Filter in der oben beschriebenen Weise geometrisch skaliert werden. Abweichend von einem skalierten Sayanagi-Filter muß ein skaliertes zufallsmoduliertes Filter (chirpod filter) im optischen System derart ausgerichtet werden, daß die Beuqunq;;! i nien rechtwinkelig zur Erstreckung der Detcktoranordnung liegen,

Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abwandlungen hinsichtlich der Bemessung und Anordnung der einzelnen Komponenten des optischen Systems möglich. Beispielsweise sind die obengenannten Konstanten von 0,36 und 2,44 nur als Ausführungsbeispiele zu verstehen. Die dort mit 0,36 angegebene Konstante h kann beispielsweise zwischen 0,1 und 0,5 liegen, ist jedoch derart zu wählen, daß sie die Beugungswirksamkeit des Gitters bestimmt. Die Konstante 2,44 kann auch über einen weiten Bereich variieren und ist im besonderen eine Zahl, welche von der Amplitudenverteilung des einfallenden Lichts auf die. Linse 20 bzw. das Objektiv abhängt. Die Erfindung ist keineswegs nur bei Spiegelreflexkameras einsetzbar, sondern kann auch bei anderen optischen Geräten, beispielsweise Mikroskop, Teleskop, Fernsehkamera sowie für Infrarot-Abbildungssysteme mit Vorteil eingesetzt werden. Sie kann sowohl der automatischen Fokussierung solcher Geräte als auch der Anzeige des jeweiligen Fokussierungsgrades dienen. Es hat sich gezeigt, daß die skalierten Zufallsphasenfilter gemäß der Erfindung mit höherer Genauigkeit und einfacher herstellbar sind als die in der älteren DE-OS 3 203 788 beschriebenen Filter. Außerdem ist ihre Nebenzipfelunterdrückung besser.

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Claims

3 2 2 3 3 8 8 Patentansprüche;

1. Optisches System zur Abtastung einer in seiner Brennebene abgebildeten Szene, wobei ein Objektiv das Bild der Szene auf wenigstens eine Bildebene wirft und in dieser Bildebene eine Bildabtastvorrichtung vorgesehen ist, welche die Abbildung mit einer vorgegebenen Ortsfrequenz abtastet, und wobei zwischen Objektiv und Abtastvorrichtung ein optisches Filter angeordnet ist, welches den oberhalb der Abtastortsfrequenz der Abtastvorrichtung liegenden hochortsfrequenten Bildinhalt unterdrückt, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter ein skaliertes Zufallsphasenfilter (21) ist.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Bildabtastvorrichtung

(22) ein Stellsignal (24) für wenigstens eine die Fokussierung der Abbildung in der Bildebene beeinflussende Linse (20) liefert.

3. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2 zur Anwendung in einer einäugigen Spiegelreflexkamera, dadurch gekennzeichnet , daß in einer ersten Bildebene eine Mattscheibe (19), in einer zweiten Bildebene ein lichtempfindlicher Film (29) und in einer dritten Bildebene (26) die Abtastvorrichtung (22) angeordnet sind;

daß zwischen dem Objektiv (20) und den ersten beiden Bildebenen (19, 29) ein Schwenkspiegel (11) mit einem teildurchlässigen Zentralbereich angeordnet ist; und daß hinter dem teildurchlässigen Zentralbereich ein zweiter Spiegel (13) vorgesehen ist, der bei abgedeckter Filmebene (29) die durch den Zentralbereich auf ihn fallenden Strahlen zur Abtastvorrichtung (22) hin ablenkt,

4. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a durch gekennzeichnet, daß das Zufalls-

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phasenfilter (21) ein skaliertes Hologramm eines Sayanagi-Filters enthält.

5. Optisches System nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das skalierte holographische Sayanagi-Filter (21) zwischen dem zweiten Spiegel (13) und der Abtastvorrichtung (22) angeordnet ist.

6. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastvorrichtung eine lineare Anordnung von Detektorpaaren, eine zugeordnete Reihe von Elementarlinsen und eine Detektorsignal-Verarbeitungsschaltung (28) enthält.

7. Optisches System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Zufallsphasenfilter ein skaliertes doppelt-zufallsmoduliertes Beugungsgitter (chirp filter) ist.

8. Optisches System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das Gitter praktisch parallel verlaufenden Nuten aufweist;

b) die Gitterfrequenz F im Filterzentrum den Wert F= (kwfP)"¹ hat, wobei w die Betriebswellenlänge des Abbildungssystems, P die Grenzfrequenz des Filters, f die Brennweite des Objektivs und K eine Konstante ist;

c) die Ortsfrequenz des zufallsmodulierten Gitters im wesentlichen symmetrisch zu den Rändern des Filters hin zunimmt;

d) die Tiefe h jeder der Nuten eine Funktion der Ortsperiodenlänge q der Nuten von der Form h = N»q ist, wobei N eine Konstante ist.

9. Optisches System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Konstante K eine von der

Ämplitudenverteilung der einfallenden Lichtwelle auf dem Objektiv abhängige Zahl und die Konstante N eine den Brechungswirkungsgrad des Gitters bestimmend Zahl ist.

10. Optisches System nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch eine solche Anordnung des Gitters (21) zwischen dem zweiten Spiegel (13) und der Abtastvorrichtung (22), daß die Gitterlinien etwa rechtwinkelig zur Erstreckung der Detektoranordnung (15) verlaufen.

11. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv infrarotdurchlässig und die Detektoranordnung infrarotempfindlich ist.