DE3004703C2

DE3004703C2 - Einrichtung zur Feststellung der Scharfeinstellung eines Gegenstandes auf eine Bildebene

Info

Publication number: DE3004703C2
Application number: DE3004703A
Authority: DE
Inventors: Hideo Tokyo Nakaoka
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1979-02-08
Filing date: 1980-02-08
Publication date: 1986-05-28
Also published as: DE3004703A1; US4414470A

Description

a) vor jeweils zwei photoelektrischen Wandlern (3, 3a, 3b, 3c), von denen der eine der einen Gruppe und der andere der anderen Gruppe zugeordnet ist, im Strahlengang des Objektivs (1) ein konvexes Linsenelement (2a, 2b, 2c) einer Rasterlinse (2) angeordnet ist, und daß

b) an den Randbereichen (Q) jedes Linsenelementes (2a, 2b, 2c) eine Schicht (4) aus lichtabsorbierendem Material angeordnet ist

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als lichtabsorbierendes Material ein Epoxydharz mit feinverteiltem Ruß verwendet wird.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Randbereichen (Q) der Linsenelemente (2a, 2b, 2c) Rillen für die Einfüllung des lichtabsorbierenden Materials (4) ausgebildet sind.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Feststellung der Scharfeinstellung eines Gegenstandes auf eine Bildebene der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Eine solche Einrichtung kann beispielsweise in einer Kamera, also in einer Filmkamera oder einer Stehbildkamera, eingesetzt werden.

Aus der DE-OS 28 21 722 ist ein Verfahren zur automatischen oder halbautomatischen Scharfeinstellung der Abbildung eines Gegenstandes auf eine Bildebene bekannt, bei dem ein Ausschnitt des Bildes mit Hilfe von Mikroprismenrastern auf Bildsensoren projiziert wird. Durch die Mikroprismenraster sind die Abbildungen auf den Bildsensoren nur dann zueinander ähnlich, wenn die richtige Scharfeinstellung am Objektiv vorgenommen wurde.

Weiterhin geht aus der DE-OS 28 13 914 eine Anordnung zur Scharfeinstellung der Abbildung eines Gegenstandes auf eine Bildebene hervor, bei der drehbar gelagerte Spiegel verwendet werden, die zwei Hilfsabbildungen des Gegenstandes liefern. Die Verwendung von beweglichen Bauteilen ist jedoch gerade bei Kameras immer mit Problemen verbunden, da insbesondere bei längerem Gebrauch, aber auch bei Erschütterungen die erforderliche, die exakte Justierung nicht mehr gewährleistet ist

Schließlich geht aus der DE-AS 23 64 603 noch eine Einrichtung zur Feststellung der Scharfeinstellung eines Gegenstandes auf eine Bildebene der angegebenen Gattung hervor, die zwei Gruppen von selbstabtastenden, photoelektrischen Wandlern für das durch ein Objektiv einfallende Licht und eine die Phasenunterschiede zwischen den Ausgangssignalen der photoelektrischen Wandler verarbeitende Auswerteinrichtung aufweist

Nachteilig ist bei diesem Scharfeinstellsystem, daß bewegliche Teile vorgesehen werden müssen. Denn die Ausgangssignale der photoelektrischen Wandler müssen durch seitliche Verschiebung eines der beiden Bilder zur Obereinstimmung gebracht werden, um die Fokussierung feststellen zu können. Eine solche mechanische Verschiebung des Scharfeinstellsystems verlangt jedoch einen relativ hohen, konstruktiven Aufwand, benötigt relativ viel Raum und reagiert

ίο extrem empfindlich auf Erschütterungen, Stöße oder ähnliche äußere Einflüsse.

Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß nicht sofort festgestellt werden kann, ob sich bei Abweichungen von der Fokussierlage die Abbildungsebene vor oder hinter der Bildebene, im allgemeinen der Filmebene einer Kamera, befindet Aus diesem Grunde kann die Verstellung immer nur in einer bestimmten Richtung erfolgen, beispielsweise bei einer Kamera aus der Einstellung auf dem geringsten Aufnahmeabstand durch Verschiebung des Objektivs auf den Abstand »Unendlich«. Dadurch wird relativ viel Zeit benötigt, da der gesamte Entfernungsbereich durchfahren werden muß. Außerdem wird für diese Bewegung relativ viel Energie gebraucht, so daß die in einer solchen Kamera vorhandenen Batterien sich bei häufiger Betätigung des Scharfeinstellsystems rasch entleeren.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Feststellung der Scharfeinstellung eines Gegenstandes auf eine Bildebene der angegebe nen Gattung zu schaffen, bei der auch ohne kontinuierli ches Durchlaufen des gesamten Verstellbereiches die Scharfeinstellung sehr rasch und gleichzeitig exakt ermittelt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im

kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf folgender Funktionsweise: In jedem Paar von photoelektrischen Elementen, beispielsweise CCD-Elementen, »sieht« ein photoelektrischer Wandler den Gegenstand von einer Hälfte des Objektivs an der Austrittspupille des Objektivs, während der andere Wandler den Gegenstand von der anderen Hälfte des Objektivs »sieht«. Wenn jeder Wandler die gleiche Lichtmenge empfängt, liegt die Abbitdungsebene in der festen Bildebene, d. h, das Objektiv ist auf den Gegenstand scharf eingestellt Wenn ungleiche Lichtmengen auf die beiden Wandler jedes Paars fallen, ist die Abbildung nicht scharf eingestellt, so daß die Auswerteinrichtung

so ein entsprechendes Signal für die Verstellung des Objektivs oder auch nur für die Anzeige dieses Zustandes abgeben kann.

Es sind also keine beweglichen Teile für die Ermittlung der Scharfeinstellung erforderlich, so daß die oben erwähnten Nachteile vermieden werden. Außerdem muß nicht der gesamte Verstellbereich des Objektivs durchfahren werden, um die Scharfeinstellage zu erreichen, sondern aus einer einzigen Messung kann bereits die Richtung ermittelt werden, in der das Objektiv zur Scharfeinstellung verschoben werden muß. Und schließlich wird durch die Verwendung von Schichten aus Licht absorbierendem Material in den Randbereichen der einzelnen, konvexen Linsenelemente verhindert, daß einzelne Lichtstrahlen auf die photoelektrischen Wandler von benachbarten Linsenelementen fallen und dadurch das Meßergebnis verfälschen können, so daß eine sehr hohe Meßgenauigkeit gewährleistet ist

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. i das optische System einer Einrichtung zur Feststellung der Scharfeinstellung im fokussierten Zustand,

F i g. 2 die Phasen der Ausgangssign.\!e der photoelektrischen Wandler,

Fig.3 die Fokussierung auf einen Punkt vor der Bildebene,

F i g. 4 die Phasen der Ausgangssignale der photoelektrischen Wandler bei der Fokussierung nach F i g. 3,

F i g. 5 die Fokussierung auf einen Punkt hinter der Bildebene,

F i g. 6 die Phasen der Ausgangssignale der photoelektrischen Wandler bei der Fokussierung nach F i g. 5,

F i g. 7 eine Detaildarstellung des optischen Systems,

F i g. 8 eine weitere Detaildarstellung eines optischen Systems,

Fig.9 und 10 den geometrischen Strahlengang des optischen Systems,

F i g. 11 im vergrößerten Maßstab die Rasterlinse,

F i g. 12 im vergrößerten Maßstab einen Schnitt durch die Rasterlinse mit den Schichten aus lichtabsorbierendem Material,

F i g. 13 eine weitere Ansicht der Rasterlinse, und

F i g. 14 im vergrößerten Maßstab einen Schnitt durch die Rasterlinse nach Fig. 13 mit Schichten aus lichtabsorbierendem Material.

Bei dem in F i g. Γ dargestellten optischen System einer Einrichtung zur Feststellung der Scharfeinstellung eines Gegenstandes auf eine Bildebene verlaufen die Lichtstrahlen vom Randbereich der Austrittspupille eines Objektivs I₁ beispielsweise des Aufnahmeobjektivs einer Kamera, über die Linsenelemente einer Rasterlinse 2 zu zwei Gruppen von selbstabtastenden, photoelektrischen Wandlern, beispielsweise ladungsgekoppelten (CCD) oder MOS-Bildfühlern. Die Fokussierung des Gegenstandes kann aus der Phasendifferenz der Ausgangssignale der photoelektrischen Wandler 3 festgestellt werden.

Wesentlich bei diesem Prinzip ist also, daß Lichtstrahlen, die von zwei verschiedenen Bereichen des Objektivs kommen, für die Feststellung der Scharfeinstellung verwendet werden.

Wenn die Abbildung des Gegenstandes scharf eingestellt ist, fallen die aufgeteilten Lichtstrahlen von dem Objektiv 1 genau auf die beiden Wandler 3a-l und 3a-2. Folglich stimmen die Phasen der Ausgangssignale der entsprechenden Wandler 3a-l und 3a-2 überein. Wenn das Bild auf einen Punkt vor der Bildebene scharf eingestellt ist, fallen die aufgeteilten Lichtstrahlen von dem Objektiv 1 auf zwei andere Wandler 36-1 und 3e-2, so daß die Phasen der Ausgangssignale der beiden Wandler 36-1 und 3c-2 gegeneinander verschoben sind, wie in Fig.4 dargestellt ist. Andererseits fällt bei Scharfeinstellung auf einem Punkt hinter der Bildebene (siehe Fig.5) einer der Lichtstrahlen /ι auf einen Wandler 3c-2, der durch einen weißen, leeren Kreis dargestellt ist, obwohl bei Scharfeinstellung der Lichtstrahl h auf den Wandler 3a-1 fallen sollte, der in F i g. 5 durch einen vollen schwarzen Kreis dargestellt ist Ferner fällt bei dieser Einstellung der andere Lichtstrahl k auf den Wandler 36-1, der durch einen vollen schwarzen Kreis dargestellt ist Die Phasen der Ausgangssignale der Wandler 3o2 und 36-1 sind im Unterschied zu dem Fall in Fig.4 umgekehrt, wie in F i g. 6 dargestellt ist

Durch Ermittlung des Phasenunterschieds zwischen den Ausgangssignalen der Wandler kann somit festgestellt werden, ob das Bild eines Gegenstandes auf einen Punkt vor oder hinter der Bildebene scharf eingestellt ist

Bei dieser Einrichtung sind jeweils zwei Wandler 3a, 36 paarweise so angeordnet, daß sie je einem konvexen Linsenelement einer Rasterlinse 2 entsprechen. Folglich

ίο ist der Abstand Po zwischen jeweils zwei Wandlern gleich dem Abstand P zwischen den Linsenelementen. Bei dieser Ausführung konvergieren die Lichtstrahlen I\ und h, die von Punkten h und /auf der Austrittsöffnungsebene G des Objektivs 1 kommen, auf der optischen Achse 5 des Objektivs 1 und fallen auf zwei Wandler 3a, die einem kleinen Linsenelement 2a entsprechen. Lichtstrahlen, die von der optischen Achse 5 abweichen, beispielsweise die Lichtstrahlen h und A, fallen jedoch nicht auf die beiden Wandler 3m, die einem kleinen Linsenelement 2m entsprechen. Im Unterschied zu den Lichtstrahlen /Ί und /3 fallen Lichtstrahlen k und k in umgekehrter Reihenfolge auf die beiden Wandler 3v, die einem kleinen Linsenelement 2v entsprechen, und auf die beiden Wandler 3w, die einem kleinen Linsenelement 2w entsprechen, welches bei einem Wandler 3 ν angeordnet ist Folglich wird die Scharfeinstellung, die durch jedes Wandler-Paar angezeigt ist, ungenauer, wenn sich der Abstand von der optischen Achse S vergrößert

Damit die Lichtstrahlen A bis k, die von Punkten h und i auf der Austrittsöffnungsebene G des Objektivs 1 herkommen, genau auf das entsprechende Wandler-Paar fallen, wird der Abstand Po zwischen den Wandlerpaaren bezüglich des Abstandes P zwischen den kleinen Linsenelementen entsprechend geändert, so daß jedes Wandler-Paar, außer dem auf der optischen Achse 5, scheinbar nicht jedem Linsenelement entspricht Jedes Wandlerpaar entspricht jedoch im wesentlichen jedem Linsenelement bezüglich der neutralen Linien der Strahlen von den Punkten h und / auf der Austrittsöffnungsebene G, beispielsweise bezüglich der neutralen Linien 5i und Si in F i g. 8.

Der Abstand Po zwischen Wandlern wird folgendermaßen festgelegt: Gemäß F i g. 9 schneiden sich die Austrittsöffnungsebene G des Objektivs 1 und die optische Achse S des Objektivs 1 an der Stelle M,- der Abstand entlang der optischen Achse S zwischen der Austrittsöffnungsebene G und dem Krümmungsmittelpunkt 0 jedes Linsenelements der Rasterlinse 2 ist D, während der Abstand entlang der optischen Achse S zwischen dem Krümmungsmittelpunkt ο und einer Halterungsebene F zum Anbringen jedes Wandler-Paars mit ^bezeichnet ist.

In einer Ausführung mit einer Rasterlinse 2, deren konvexe Seite zu dem Objektiv 2 hin ausgerichtet ist, liegt die Halterungsebene F für die Wandler auf der Rückseite der Rasterlinse 2; folglich ist der Abstand XV gleich T-R, wobei Γ die Dicke der Rasterlinse und R der Krümmungsradius jedes Linsenelementes ist.

Wenn der Krümmungsmittelpunkt eines n-ten kleinen Linsenelements In, von der optischen Achse 5 aus gezählt 0„ ist, wenn der Abstand zwischen der optischen Achse Sund dem Krümmungsmittelpunkt O_n L_n ist, wenn A_n der Schnittpunkt einer neutralen MO_n und der Haiterungsebene F ist, d. h., die Mitte zwischen einem Wandlerpaar, das zu dem kleinen Linsenelement 2r> gehört, und wenn B_n der Schnittpunkt der Halterungsebene Fund einer Abstandslinie bezüglich des kleinen

Linsenelements 2„ ist, d. h., einer parallel zu der optischen Achse S verlaufenden Linie, welche durch den Krümmungsmittelpunkt O_n hindurchgeht, dann läßt sich der Abstand X_n zwischen dem Punkt A_n und dem Punkt ß„folgendermaßen darstellen:

A'. = W A.

(D

X_n ist die Summierung der Veränderungen des Abstandes Po zwischen dem Wandlerpaar (Photoelemente) entsprechend der Summierung des Abstandes P zwischen den kleinen Linsenelementen in dem Bereich von der optischen Achse S zu dem kleinen Linsenelement 2n- Die Summierung X_n, der Veränderungen des Abstandes Po zwischen dem Wandlerpaar bis zu einem kleinen Linsenelement 2m, welches bei dem kleinen Linsenelement 2n und näher bei der optischen Achse S angeordnet ist, läßt sich folgendermaßen darstellen:

X₁₁₁ = W -im. = w JuiZJL o)

D D ^U>

Folglich ist die Änderung AX des Abstandes Po des Wandlerpaars, das dem einen Abstand zwischen den kleinen Linsenelementen entspricht, folgende:

AX = X₁₁-X,,,

= w -L·. _ _w I₃ZL = w .1 L₁-(L₁-P) !

D D 1 Z) I

= H —
D

Dadurch beträgt der Abstand Po zwischen den Wandlern

Po = P+ AX = P+ W — D

Wie vorstehend erwähnt, kann, da W=T-R ist, die Gl. (4) folgendermaßen umgeschrieben werden:

Po = P+(T-R) —

Durch Festlegen des Abstandes Po zwischen den Wandlern entsprechend dem auf diese Weise festgelegten Abstand Po fallen dann die Lichtstrahlen von jedem aufgeteilten Bereich des Objektivs 1 genau auf das entsprechende Wandlcrpaar, so daß die richtigen Ausgangssignale von dem Wandlerpaar erzeugt werden.

In F i g. 10 ist eine Ausführung dargestellt, bei der die konvexe Seite der Rasterlinse 2 bezüglich des Objektivs 1 umgekehrt ist Bei dieser Ausführung .ist die Hallerungsfläche F der Wandler im Abstand von der Oberfläche der Rasterlinse 2 angeordnet. Wenn jedoch der Abstand zwischen der Austrittsöffnungsebene Gdes Objektivs 1 und dem Krümmungsmittelpunkt 0 jedes > Linsenelements der Rasterlinse 2Dbeträgt, der Abstand W von dem Krümmungsmittelpunkt 0 zu der Halterungsebene F der Wandler beträgt und die anderen Faktoren so wie im Fall der F i g. 9 eingestellt sind, kann die Beziehung zwischen dem Abstand Po zwischen den

ίο Wandlern und dem Abstand P zwischen den kleinen Linsenelementen durch dieselbe Gleichung, nämlich Gl. (4) dargestellt werden.

Folglich kann der Abstand Po zwischen den Wandlern aus einem vorherbestimmten Abstand P

ii zwischen den kleinen Linsenelementen festgesetzt werden; umgekehrt kann der Abstand P aus einem vorherbestimmten Abstand Po festgesetzt werden. Dies ist nützlich, wenn eine Gruppe von Wandlerpaaren unter Verwendung einer handelsüblichen Rasterlinse gebildet wird oder handelsübliche Wandlerpaare verwendet werden.

Die Rasterlinse, die bei dieser Einrichtung zum Festlegen der Scharfeinstellung verwendet wird, besteht aus mehreren kleinen Linsen, die aneinandergrenzen

2> und als Einheit ausgebildet sind. Wie in F i g. 11 dargestellt ist, hat bei den Randbereichen der konvexen Oberfläche jedes Linsenelements die Oberfläche jedes Linsenelements einen Krümmungsradius, welcher sich von dem vorherbestimmten Krümmungsradius R

jo unterscheidet, oder sie hat auf einer Breite Q einen umgekehrten Krümmungsradius. Obwohl alle Lichtstrahlen, die auf das Linsenelement 2a fallen, auf den

Wandler 3a-l fallen sollten, werden einige der (3) Lichtstrahlen in den Randbereichen Q in anderen

Richtungen gebrochen und fallen auf andere Wandler, wodurch Störungen in den Ausgangssignalen der Wandler erzeugt werden und die genaue Feststellung der Scharfeinstellung nicht möglich ist.

Dieser Nachteil kann dadurch vermieden werden, daß die Randbereiche des Linsenelements lichtundurchlässig gemacht werden. Beispielsweise wird, wie in F i g. 12 dargestellt, ein lichtabsorbierendes Material 4 in die senken- oder talförmigen Bereiche gefüllt oder auf diesen aufgebracht, welche die Randbereiche Q bilden.

Als lichtabsorbierendes Material kann beispielsweise ein Epoxydharz mit darin feinstverteiltem Ruß verwendet werden. Wenn das lichtabsorbierende Material auf die talförmigen Bereiche gefüllt wird, werden die übrigen Teile der Linsenoberfläche durch das lichtabsorbierende Material 4 nicht verschmutzt Um das lichtabsorbierende Material 4 sicherer einzufüllen, können Rillen zum Einfüllen des lichtabsorbierenden Materials 4 in den talförmigen Bereichen der Räildbereiche Q ausgebildet werden.

Da die Randbereiche lichtabsorbierend gemacht werden, wird die Fortpflanzung der Lichtstrahlen, welche die Randbereiche Q erreichen, unterbunden, so daß keine Störsignale erzeugt werden.

(4)

(5)

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Feststellung der Scharfeinstellung eines Gegenstandes auf eine Bildebene mit zwei Gruppen von selbstabtastenden photoelektrischen Wandlern für das durch ein Objektiv einfallende Licht und mit einer die Phasenunterschiede zwischen den Ausgangssignalen der photoelektrischen Wandler verarbeitenden Auswerteinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß