DE3625267A1

DE3625267A1 - Optisches system fuer die verwendung in einem brennpunkt-erfassungsapparat

Info

Publication number: DE3625267A1
Application number: DE19863625267
Authority: DE
Inventors: Osamu Shindo
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1985-07-26
Filing date: 1986-07-25
Publication date: 1987-02-05
Also published as: JPH0812321B2; US4716431A; JPS6225715A; DE3625267C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches System für die Verwendung in einem Brennpunkt-Erfassungsapparat im Zusammenhang mit einer Abbildungsvorrichtung, wie eine Kamera.

Viele Apparate wurden bereits vorgeschlagen, bei denen das Bild des Objektes durch ein optisches System übertragen wird, welches hinter einer filmäquivalenten Fläche angeordnet ist. Das so übertragene Bild wird im wesentlichen in zwei Bilder aufgespalten und die Brennpunktlage wird dadurch erfasst, dass die relative Lageverschiebung zwischen den beiden Bildern festgestellt wird. Diesbezügliche Anwendungen sind in den japanischen Patentveröffentlichungen 39 544/1975, 82 419/1977 und 13 929/1981 offenbart.

Die in diesen Veröffentlichungen offenbarten optischen Systeme sind dahingehend übereinstimmend, dass sie im wesentlichen aus einer Linsengruppe für die Rückwärts- Übertragung des Bildes des Objektes und aus optischen Elementen zum Aufspalten des übertragenen Bildes in zwei im wesentlichen gleiche Bilder bestehen. Jedoch ist keines der Systeme hinsichtlich der Berücksichtigung der Aberrationen ausgelegt. Eine Lösung dieses Problems ergibt sich aus der japanischen Patentveröffentlichung 75 209/1984.

Bei dieser Veröffentlichung beeinflusst das Verhalten der Kondensorlinse, die an der filmäquivalenten Fläche oder in der Nähe derselben angeordnet ist, die Verteilung der Lichtmenge auf den Sensor. Es wird festgestellt, dass das Vorsehen der Kondensorlinse mit einer asphärischen Fläche hinsichtlich eines Stabilisierens der Verteilung der Lichtmenge auf dem Sensor wirksam ist. Bei dem in dieser Vorveröffentlichung vorgeschlagenen System werden alle asymmetrischen Aberrationen, wie die Verzeichnung, durch die optische Basisanordnung eliminiert. Die in dem System verwendeten reflektierenden Glieder erschweren die Erzielung einer geeigneten Scharfeinstellung. Da ausserdem das Restkoma im Kondensor mit einer asphärischen Oberfläche verbleibt, nimmt die vom Sensor aufgenommene Lichtmenge progressiv ab, wenn eine Annäherung an die Bits an den Enden des Sensors erfolgt. Dies ist hinsichtlich der "Vorhersage"-Fähigkeit des Systems gänzlich nachteilig. Die Basis für diese Kritik des Systems der japanischen Patentveröffentlichung 75 209/1984 wird später in der Beschreibung erläutert.

Bei der japanischen Patentveröffentlichung 32 012/1985 werden die Verzeichnungen durch eine Kondensorlinse mit einer asphärischen Oberfläche korrigiert, da sie durch die optische Basisanordnung nicht korrigiert werden können. Dieser Apparat setzt sich zusammen aus Übertragungsgliedern und erlaubt eine einfache Scharfeinstellung. Der Apparat hat den zusätzlichen Vorteil geringer Kosten, da er Daten mit nur einer Sensoreinheit verarbeitet. Dieser Apparat zeigt jedoch viele Probleme hinsichtlich der Unvollständigkeit der optischen Basisanordnung.

Befor jedoch auf diese Probleme eingegangen wird, ist es notwendig, die Merkmale zu diskutieren, die bei allen optischen Systemen für die Verwendung in einem Brennpunkt-Erfassungsapparat des Typs der Erfindung vorhanden sein müssen. Das bedeutendste, zu realisierende Merkmal besteht darin, dass eine Einzelfokusposition definitiv unabhängig von dem Punkt im wirksamen Bereich der filmäquivalenten Fläche (dieser Bereich wird nachfolgend als Entfernungsmesszone bezeichnet) bestimmt wird, an dem das Bild des zu behandelnden Objektes ausgebildet wird. Dieses Merkmal steht in direkter Beziehung zur Genauigkeit der Brennpunkt-Erfassung durch den Apparat und zur Gleichförmigkeit der Genauigkeit innerhalb der Entfernungsmesszone. Da die optischen Aufspaltelemente symmetrisch hinsichtlich der Meridionalebene der Kondensorlinse angeordnet sind, muss das diese Eigenschaft bzw. dieses Merkmal besitzende optische System die Fähigkeit haben, ein Bild auszubilden, welches hinsichtlich dem Punkt auf dem Sensor, der dem Mittelpunkt der Entfernungsmesszone entspricht, symmetrisch ist. In einem besonderen Fall ist die Fähigkeit der Ausbildung eines Bildes auf dem Sensor unabhängig von dem Punkt in der Entfernungsmesszone, an der das Bild des Objektes ausgebildet ist, invariant, d. h. unveränderlich. Bei dieser "Verschiebe-Invarianz" kann die richtige Brennpunktlage aus dem Betrag der Verschiebung zwischen den beiden aufgespalteten Bildern vorhergesagt werden.

Diese "Vorhersage"-Fähigkeit spielt bei der Einstellung und Steuerung des Brennpunktes eines fotografischen Objektivs eine bedeutsame Rolle. Tatsächlich jedoch ist ein beträchtlicher Freiheitsgrad möglich, hinsichtlich der Auslegung des Brennpunkt-Erfassungsapparates, und zwar sogar wenn ein optisches System, das nicht das Merkmal der "Vorhersage"-Fähigkeit hat, zufriedenstellende Resultate bei der Brennpunkt-Erfassung erlaubt.

Es sollen nur die Wirkungen diskutiert werden, die bei der Verteilung der Lichtmenge auf dem Sensor durch Aberrationen zur Auswirkung kommen, die sich auf der Kondensorliste entwickeln. Fig. 5 und 6 zeigen das Verhältnis zwischen dem von den optischen Aufspaltelementen (5) aufgenommenen Lichtstrom und dem Weg, dessen Verlauf durch die Austrittspupille (7). Aus diesen Figuren wird klar, dass der Verlaufsweg des Lichtstromes durch die Mitte und den Umfangsbereich der Entfernungsmesszone (1) mit der Art der in der Kondensorlinse (2) auftretenden Aberration unterschiedlich ist. Da die Punkt in der Entfernungsmesszone den Bits des Sensors entsprechen, entspricht der Bereich des besonderen Ortes, an dem der Lichtstrom durch die Austrittspupille (7) gelangt, dem Signalniveau eines jeden Bits. Fig. 5 zeigt den Fall, bei dem die Kondensorlinse (2) eine sphärische Aberration hat. In diesem Fall liegt keine bemerkenswerte Änderung der von den Bits im Sensor aufgenommenen Lichtmenge vor, jedoch muss der wirksame Durchmesser des fotografischen Objektivs vergleichsweise gross sein. In Fig. 6 wird der Fall dargestellt, bei dem ein Koma (im dargestellten Fall ein Aussenkoma) in der Kondensorlinse (2) auftritt. In diesem Fall nimmt die Lichtmenge progressiv in Richtung auf die Bits an den Enden des Sensors ab. Dies schafft die Basis für eine Kritik des in der japanischen Patentveröffentlichung 75 209/1984 beschriebenen Systems.

Die vorstehende Diskussion ermöglicht dem Leser das Verständnis dafür, dass die Aberration in einer Kondensorlinse in engem Verhältnis zur Verteilung der Lichtmenge auf dem Sensor steht. Im allgemeinen geht man davon aus, dass für praktische Zwecke die Asymmetrie der Verteilung der Lichtmenge auf dem Sensor, nämlich der Unterschied zwischen den von den Bits abgegebenen Signalen an den Enden des Sensors 1% nicht übersteigt.

Es sollen nun die Probleme des optischen Systems der japanischen Patenveröffentlichung 32 012/1985 erörtert werden. Fig. 7, 8 und 9 machen drei optische Eigenschaften bzw. Merkmale sichtbar, wie sie aus den Daten der Tabelle 1 in Verbindung mit einer Ausführungsform des bekannten Systems beurteilt sind. Fig. 7 zeigt die Verteilung der Helligkeit der Punktbilder auf dem Sensor. Fig. 8 zeigt die Verzeichnung der Kondensorlinse und Fig. 9 zeigt die Verteilung der Lichtmenge auf dem Sensor. Da die Symmetrie für die Verzeichnung der Kondensorlinse und die Verteilung der Lichtmenge auf dem Sensor bedeutsam ist, werden Fig. 8 und Fig. 9 (Fig. (b) in jedem Fall) begleitet, um eine bessere Beurteilungsgrandlage für diese Symmetrie zu schaffen. Die in Fig. 8 gezeigte Bezeichnung bezieht sich nicht auf den Hauptlichtstrahl, sondern auf den Schwerpunkt, wie er aus der Verteilung der Bildhelligkeit gemäss Fig. 7 bestimmt ist, wobei man davon ausgeht, dass dadurch die Wirklichkeit besser simuliert wird.

Wie Fig. 8 zeigt, hat die Verzeichnung in der Kondensorlinse, die bei dem optischen System der japanischen Patentveröffentlichung 32 012/1985 verwendet wird, einen sehr hohen Grad an Symmetrie. Jedoch sind die anderen beiden Parameter, insbesondere die Verteilung der Lichtmenge auf dem Sensor höchst asymmetrisch und die Betriebslänge der Entfernungsmesszone wäre nicht grösser als 2 mm. Wenn die Entfernungsmesszone kurz ist, wird die Zuverlässigkeit des Systems beim Betrieb der Scharfeinstellung und der Brennpunkt-Erfassung vermindert, wenn dieses System im Zusammenhang mit einem fotografischen Objektiv langer Brennweite verwendet wird. Daher ist eine solche Entfernungsmesszone, deren Betriebslänge nahezu 2 mm beträgt, für ein fotografisches Objektiv mit einer Brennweite (f) von mehr als 300 mm nicht verwendbar. Tatsächlich jedoch sind Objektive mit längeren Brennweiten für die Verwendung in herkömmlichen einäugigen Spiegelreflexkameras verfügbar. Um bei diesen Objetiven eine wirksame Brennpunkt-Erfassung zu realisieren, werden Entfernungsmesszonen von mehr als 2 mm benötigt.

Die vorerwähnte asymmetrische Natur des optischen Systems der japanischen Patentveröffentlichung 32 012/1985 resultiert erheblich aus der Tatsache, dass der aus der Mitte der Entfernungsmesszone austretende Hauptlichtstrahl nicht senkrecht auf den Sensor fällt. Als Folge sind die Hauptlichtstrahlen des aus beiden Enden der Entfernungsmesszone austretenden Lichtstroms nicht in der Lage, den Sensor in gleichen Winkeln bzw. im rechten Winkel zu kreuzen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein optisches System zu schaffen, das die Ausbildung eines symmetrischen Bildes über eine ausreichend lange Entfernungsmesszone sicherstellt, damit ein zuverlässiger Scharfeinstellvorgang und eine zuverlässige Brennpunkt-Erfassung bei einem Objektiv erfolgen kann, das eine lange Brennweite hat.

Diese Aufgabe wird erfindunsgemäss gelöst durch ein optisches System für die Verwendung in einem Brennpunkt-Erfassungsapparat, der eine an einer filmäquivalenten Fläche oder in der Nähe derselben befindlichen Kondensorlinse und ein Paar von optischen Aufspaltelementen umfasst, die hinter der Kondensorlinse auf symmetrische Weise hinsichtlich der Meridionalebene der Kondensorlinse angeordnet sind, wobei die Brennpunktlage erfasst wird durch Feststellen eines relativen Lagerversatzes zwischen den Bildern des von den jeweiligen optischen Aufspaltelementen refokusierten Objektes, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die hintere Oberfläche der Kondensorlinse eine elipsoidale Oberfläche ist, die dem Verhältnis -1≦ωτk≦ωτ0 genügt, wenn es durch die Formel für eine quadratische Fläche ausgedrückt ist: und dass eine zusätzliche Linse koaxial mit der Kondensorlinse angeordnet ist und zwar unmittelbar vor den optischen Aufspaltelementen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein schemat sche Darstellung eines optischen Systems gemäss einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm mit der Darstellung der Verteilung der Helligkeit von Punktbildern auf dem Sensor,

Fig. 3a ein Diagramm mit der Darstellung des Verzeichnungsprofils, welches in der Kondensorlinse auftritt, die bei dem optischen System der Fig. 1 verwendet wird,

Fig. 3b ein Diagramm mit der Darstellung der Asymmetrie der in Fig. 3a wiedergegebenen Verzeichnung,

Fig. 4a ein Diagramm mit der Darstellung der Verteilung der Lichtmenge des beim optischen System der Fig. 1 verwendeten Sensors,

Fig. 4b ein Diagramm mit der Darstellung der Asymmetrie der Verteilung der Lichtmenge, wie sie in Fig. 4a dargestellt ist,

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Ergebnisses des Auftretens einer restlichen sphärischen Aberration in der Kondensorlinse,

Fig. 6 eine schematische Darstellung des Ergebnisses des Auftretens eines restlichen Koma in der Kondensorlinse,

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Verteilung der Helligkeit von Lichtpunkten auf dem bei einem bekannten optischen System verwendeten Sensor, welches System bei einem Brennpunkt-Erfassungsapparat (Scharfeinstellung) verwendet wird.

Fig. 8a eine schematische Darstellung des Profils der Verzeichnung, die in der Kondensorlinse auftritt, welche beim bekannten optischen System verwendet wird,

Fig. 8b eine schematische Darstellung der Asymmetrie der in Fig. 8a dargestellten Verzeichnung, wobei die Y-Achse beider Fig. 8a und 8b den aktuellen Verzeichnungsbetrag in Mikron aufzeigt und nicht in %, und zwar aus Gründen der Klarheit,

Fig. 9a eine schematische Darstellung der Verteilung der Menge des Lichtes auf dem beim bekannten optischen System verwendeten Sensor, und

Fig. 9b eine schematische Darstellung der Asymmetrie der Verteilung der in Fig. 9a dargestellten Lichtmenge.

Vom funktionellen Standpunkt her ist der Kondensor am besten an der filmäquivalenten Fläche positioniert. Jedoch bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform, in der die Entfernungsmesszone (1) eine Länge von ungefähr 4 mm hat, muss jede ungünstige Einwirkung vermieden werden, die sich aus dem Eintreten von Fremdkörpern, wie Staub oder Schmutz, ergibt, indem eine Kondensorlinse (2) mit einer asphärischen hinteren Oberfläche an einer Stelle angeordnet werden, die geringfügig von der filmäquivalenten Fläche weg liegen (d. h. in der Nähe der filmäquivalenten Fläche), wobei eine zusätzliche Linse (3) hinter der Kondensorlinse angeordnet ist, damit ein Hauptlichtstrahl, der aus der Mitte der Entfernungsmesszone (1) austritt, den Sensor in rechten Winkeln kreuzt. Die anderen Komponenten des Systems müssen nicht erläutert werden, da sie im wesentlichen mit dem bekannten System übereinstimmen.

Die technischen Daten für die beste Methode der Gestaltung der Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben.

TABELLE 1

Die hintere Fläche der Kondensorlinse ist asphärisch und wird ausgedrückt durch:

Die Wirkung des Mechanismus der wesentlichen Elemente des durch die vorliegende Erfindung beanspruchten optischen Systems und die durch diese Wirkung sich ergebenden Resultate werden nachfolgend beschrieben.

Wie bereits erwähnt, besteht die primäre Funktion der zusätzlichen Linse (3) darin, dem Hauptlichtstrahl zu gestatten, aus der Mitte der Entfernungsmesszone (1) auszutreten und den Sensor im rechen Winkel zu kreuzen. Der Erfinder hat herausgefunden, dass diese zusätzliche Linse (3) ebenso dahingehend wirksam ist, die Verzeichnungen zu korrigieren, während eine geringe Wirkung auf die Verteilung der Lichtmenge auf dem Sensor verursacht wird. Die Kondensorlinse (2) mit einer asphärischen Oberfläche kann wirksam sowohl die Verteilung der Lichtmenge auf dem Sensor als auch die Verzeichnungen in der Kondensorlinse korrigieren. Bei den bekannten Techniken kann einer dieser Parameter nicht geeignet korrigiert werden, ohne den anderen Parameter zu verschlechtern, und zwar wegen des Unterschiedes bezüglich des asphärischen Koeffizienten, der erlaubt, dass die beiden Parameter auf Minimalwerte reduziert werden. Jedoch wurde im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass die zusätzliche Linse (3) wirksam ist für das Korrigieren der Verzeichnung in der Kondensorlinse, so dass es möglich wird, die Kondensorlinse (2) mit einer asphärischen Oberfläche nur für den Zweck zu verwenden, die Verteilung der Lichtmenge auf dem Sensor zu korrigieren. Um die Möglichkeit des Koma und der Verzeichnung in der Kondensorlinse (2) zu eliminieren, muss deren vordere Oberfläche einen grossen Krümmungsradius haben. Im Zusammenhang damit wurde herausgefunden, das kein grosser Vorteil sich ergibt, wenn die vordere Oberfläche asphärisch gehalten wird. Andererseits wurden im Zusammenhang mit der Erfindung sehr gute Ergebnisse erzielt, wenn die hintere Oberfläche der Kondensorlinse (2) asphärisch gemacht wird.

Die Vorteile des optischen Systems, wie es sich in der Tabelle 1 ausdrückt, ist am besten verständlich durch den Vergleich von Fig. 2, 3 und 4 mit Fig. 7, 8 und 9, die die Eigenschaften des Systems gemäss der japayischen Patentveröffentlichung 32 012/1985 zeigen. Aus Fig. 2 bis 4 wird deutlich, dass die Fähigkeit des optischen Systems der Erfindung zur Ausbildung eines symmetrischen Bildes gegenüber dem Stand der Technik hinsichtlich der Verteilung der Helligkeit der Bildpunkte auf dem Sensor, der Verzeichnung in der Kondensorlinse und der Verteilung der Lichtmenge auf dem Sensor erheblich verbessert ist.

Es liegt nicht im Umfang der Erfindung, dass der asphärische Koeffizient entweder positiv (k0) oder gleich oder kleiner als -1 ist (k1), da in keinem Fall die vorgenannten, zufriedenstellenden Resultate erzielt werden können, wenn der asphärische Koeffizient innerhalb der vorgenannten Bereiche liegt. Es sollte jedoch festgestellt werden, dass eine elipsoide Oberfläche, die dem Verhältnis: -1≦ωτk≦ωτ0 genügt, innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung liegt.

Eine Analyse durch eine Computersimulierung hat gezeigt, dass für praktische Zwecke ein Fehler innerhalb des ungefähren Bereiches von ±0,1 für den asphärischen Koeffizienten (k) zulässig ist. Dieser zulässige Bereich wird zunehmen, wenn die Länge der Entfernungsmesszone verkürzt wird.

Entsprechend der Beschreibung auf den vorstehenden Seiten schafft die Erfindung ein optisches System für die Verwendung bei einem Brennpunkt-Erfassungsapparat, der eine an einer filmäquivalenten Fläche oder in der Nähe derselben liegende Kondensorlinse und ein Paar von optischen Aufspaltelementen umfasst, die hinter der Kondensorlinse auf symmetrische Weise hinsichtlich der Meridionalebene der Kondensorlinse angeordnet sind. Die Brennpunktlage kann erfasst werden durch Feststellen des relativen Lageversatzes zwischen den Bildern des durch die jeweiligen optischen Aufspaltelemente refokusierten Objektes. Das optische System der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die hintere Fläche der Kondensorlinse eine elipsoidale Oberfläche hat, die dem Verhältnis -1≦ωτk≦ωτ0 genügt, und dass eine zusätzliche Linse, die koaxial zur Kondensorlinse angeordnet ist, sich unmittelbar vor den optischen Aufspaltelementen befindet. Wegen dieser Anordnung garantiert das optischen System der Erfindung die Ausbildung eines symmetrischen Bildes, wodurch eine Entfernungsmesszone vorgesehen wird, die bei einem fotografischen Objektiv mit langer Brennweite eine zufriedenstellende Brennpunkt-Erfassung bzw. Scharfeinstellung ermöglicht.

Claims

Optisches System für die Verwendung in einem Brennpunkt-Erfassungsapparat, der eine an einer filmäquivalenten Fläche oder in der Nähe derselben befindliche Kondensorlinse und ein Paar von optischen Aufspaltelementen umfasst, die hinter der Kondensorlinse auf symmetrische Weise hinsichtlich der Meridionalebene der Kondensorlinse angeordnet sind, wobei die Brennpunktlage erfasst wird durch Feststellen eines relativen Lageversatzes zwischen den Bildern des von den jeweiligen optischen Aufspaltelementen refokusierten Objektes, dadurch gekennzeichnet, dass die hintere Oberfläche der Kondensorlinse (2) eine elipsoidale Oberfläche ist, die dem Verhältnis -1≦ωτk≦ωτ0 genügt, wenn es durch die Formel für eine quadratische Fläche ausgedrückt ist: und dass eine zusätzliche Linse (3) koaxial mit der Kondensorlinse (2) angeordnet ist und zwar unmittelbar vor den optischen Aufspaltelementen.