DE3011053A1

DE3011053A1 - Optisches system

Info

Publication number: DE3011053A1
Application number: DE19803011053
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: DE3011053C2; JPS55130506A; JPS6335001B2; US4230942A

Description

-A-

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches System nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1. Insbesondere bezieht sie sich auf eine Verbesserung einer Elementarlinsenanordnung, wie sie in der älteren DE-OS 29 22 080 und der älteren Patentanmeldung P.... (.US Seriennummer 16 595, Anmeldetag: I.März beschrieben ist. Dort wird die Elementarlinsenanordnung im Zusammenhang mit einer Entfernungsmeßeinrichtung bzw. bei einem automatischen Scharfeinstellsystem für photographische Kameras bzw. Fernsehkameras verwendet.

Bei den Einrichtungen gemäß den älteren Vorschlägen, wird die von einer entfernten scharf abzubildenden Szene herrührende Strahlung durch eine Objektivlinse auf mehrere Elementarlinsen geworden, 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 entsprechend der empfangenen Strahlung und bei geeigneter Scharfeinstellung der Objektivlinse empfangen die Detektoren eines jeden Paares annähernd den gleichen Strahlungsbetrag. Wenn die Objektivlinse aus der richtigen Scharfeinstellung herausbewegt wird, so differieren die Ausgangsignale der Detektoren. Die Ungleichheit der Ausgangssignale der Detektoren wird durch ein System ausgewertet, um die Richtung festzustellen, in die die Objektivlinse bewegt werden muss, um die richtige Scharfeinstellung zu erzielen.

Bei den Einrichtungen gemäß den älteren Vorschlägen ist das durch die Elementarlinsen erzeugteBild kreisförmig bzw. entspricht beim Anhalten der Linse während der Fokussierung der Form des Blendenmechanismus, wobei dieses Bild seine Größe verändert, wenn Linsen mit unterschiedlichen Brennweiten benutzt werden oder wenn der Blendenmechanismus geöffnet und geschlossen wird. Im Hinblick auf eine richtige Funktion müssen

030041/0S59

die Detektoren im Umkreis des kleinsten aller angetroffenen Bilder angeordnet werden, was zu einer Beschränkung der Größe der Detektoren führt. Andererseits ist es wünschenswert die Detektoren mit einer größtmöglichen Oberfläche auszustatten, um möglichst große Ausgangssignale zu erhalten. Aufgrund der kreisförmigen Gestalt des Bildes der Austrittspupille der Objektivlinse und seiner veränderlichen Größe ist jedoch die für die Oberfläche der Detektoren verfügbare Fläche beschränkt. Die Kreisform bzw. die sphärische Form der Elementarlinsen, wie sie bei den Anordnungen gemäß den früheren Vorschlägen verwendet werden, ist aufgrund der sehr kleinen Größe nur sehr schwierig mit guter Genauigkeit herzustellen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches System mit einer Elementarlinsenanordnung anzugeben, das einfach herstellbar ist und eine verbesserte Signalausbeute liefert. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar .

In dem erfindungsgemäßen optischen System wird eine Elementarlinsenanordnung mit gekreuzten zylindrischen Linsen verwendet, so daß die von der Objektivlinse kommende Strahlung durch zwei Gruppen von Linsen gebündelt wird, die quer zueinander liegen und in dem dargestellten Ausführungsbeispiel orthogonal in parallelen Ebenen angeordnet sind. Beide Linsen besitzen unterschiedliche Brennweiten, so daß sich infolgedessen ein Bild in der Bildebene der Elementarlinsen ergibt, das eine längliche Form aufweist und somit die Anordnung von Detektoren mit vergrößerter Oberfläche gestattet. Ein weiterer Vorteil dieser neuen Elementarlinsenanordnung ist in einer leichteren Herstellung der Elementarlinsen zu sehen, da kleine zylindrische Linsen leichter als sphärische Linsen herzustellen sind.

Anhand der Figuren der beiliegenden Zeichnung sei im folgenden ein Ausführungsbeispiel gemäß dem älteren Vorschlag sowie

030041/0659

ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigen:

Fig.1 die Objektivlinse und die Elementarlinsenanordnung gemäß dem älteren Vorschlag;

Fig.2 die durch die einzelnen Elementarlinsen

in Figur 1 erzeugten Bilder mit den darin angeordneten Detektoren;

Fig.3 eine vergrößerte Ansicht eines der Bilder gemäß Figur 2 mit darin angeordneten Detektoren;

Fig.4 eine vergrößerte Ansicht eines der Bilder

gemäß Figur 2 mit einer veränderten Form der Detektoren;

Fig.5 eine perspektivischeAnsicht von gekreuzten zylindrischen Linsen gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig.6 eine Seitenansicht der Elementarlinsenanordnung gemäß Fig.5;

Fig.7 eine Seitenansicht der um 90° gedrehten Elementarlinsenanordnung gemäß Figur 5;

Fig.8 die durch die einzelnen Elementarlinsen gemäß Figur 5 erzeugten Bilder mit darin angeordneten Detektoren;

Fig.9 eine vergrößerte Ansicht eines der Bilder

gemäß Figur 8 mit darin angeordneten Detektoren ; und

Fig.10 eine vergrößerte Ansicht eines der Bilder gemäß Figur 8 mit einer veränderten Form der darin angeordneten Detektoren.

030041/0659

Gemäß Figur 1 stellt eine Linse 10 eine Objektivlinse eines optischen Systems oder eine Aufnahmelinse einer Kamera dar und ist entlang einer optischen Achse 12 in der durch die Pfeile 14 angedeuteten Richtung verschiebbar. Die Linse 10 empfängt Strahlung von einer aufzunehmenden Szene links von ihr und wirft diese Strahlung nach rechts auf eine Elementarlinsenanordnung 16, die in der Nähe der Bildebene der Linse angeordnet ist. Die Strahlung, die von der Linse 10 auf die Elementarlinsenanordnung 16 geworfen wird,ist durch gestrichelte Linien 20 und 22 veranschaulicht. Die Elementarlinsenanordnung 16 weist auf ihrer rechten Oberfläche mehrere Elementarlinsen 26 auf, wobei hinter jeder Elementarlinse 26 paarweise strahlungsempfindliche Detektoren 28 angeordnet sind. Jede Elementarlinse weist eine sphärische Form auf und erzeugt daher ein Bild in der Ebene der Detektoren 28, das entlang der horizontalen und vertikalen Achse die gleiche Vergrößerung aufweist. Die Bilder sind kreisförmig dargestelltj sie können jedoch wie zuvor erwähnt die allgemeine Form des Blendenmechanismus der Objektivlinse 10 aufweisen und daher beispielsweise eine oktogonale Form besitzen. Die links liegende Oberfläche 32 der Elementarlinsenanordnung 16 ist flach ausgestaltet; auf dieser kann jedoch eine Korrekturlinse angeordnet sein, wie dies in der Anmeldung P... mit gleichem Anmeldungstag (US-Serien-Nr. 23 vom 26.Märζ 1979) beschrieben ist. Wenn sich die Linse 10 entlang der Achse 12 aus der geeigneten Fokussierstellung herausbewegt, so wird die durch die einzelnen Detektoren empfangene Strahlung benutztem über einen Auswerteschaltkreis ein Signal zu erzeugen, das die Richtung anzeigt,in der die Linse 10 bewegt werden muß_; um die richtige Fokussierstellung wieder zu erzielen. Dieses Signal kann entweder benutzt werden_yum die fehlende Scharfeinstellung anzuzeigen, oder um eine Antriebseinrichtung anzutreiben und die Linse 10 in der richtigen Fokussierstellung zu positionieren.

Figur 2 zeigt die Bildebene der Detektoren 28 gemäß Figur 1, und es ist erkennbar, daß jede Elementarlinse ein im wesentlichen kreisförmiges Bild der Austrittspupille der Linse 10 erzeugt, wobei die Detektoren paarweise im wesentlichen in

030041/0659

deiTi Mittelteil eines jeden Bildes der Austrittspupille angeordnet sind. Der Einfachheit halber ist in Figur 2 nur ein Bild 36 einer Austrittspupille und ein Paar Detektoren 38 eingezeichnet.

Figur 3 zeigt eine Vergrößerung eines der Bilder gemäß Figur 2, wobei das Bild durch die Bezugsziffer 40 bezeichnet ist und ein erster und zweiter Detektor 42 und 44 im gleichen Abstand vom Zentrum des Bildes 40 angeordnet sind. Es ist aus Figur 3 ersichtlich, daß für am leichtesten herstellbare rechteckförmige Detektoren die Größe der Detektoren durch die innerhalb des Bildes 40 verfügbare Fläche begrenzt ist. Da die Größe der Detektoren der Größe des Ausgangssignales direkt proportional ist, ist es wünschenswert, diese so groß wie möglich zu machen.

Figur 4 zeigt ein anderes Bild der Austrittspupille, welches mit der Bezugsziffer 48 bezeichnet ist. In dem Bild 48 ist ein Paar von Detektoren 50 und 52 angeordnet, die gegenüber denjenigen gemäß Figur 3 eine geringfügig vergrößerte Fläche auf- · weisen, da die außen liegenden Ecken 54 und 56 des Rechteckes abgeschnitten sind. Durch die Verwendung der Detektoranordnung gemäß Figur 4 ist eine Flächenvergrößerung möglich, ohne daß die Herstellung der Detektoren merklich erschwert wird. Ideal wäre die Verwendung von halbkreisförmigen Detektoren; aber die Herstellung derartiger Detektoren hat sich als schwierig erwiesen.

Figur 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anordnung mit gekreuzten Zylinderlinsen für die Elementarlinsenanordnung 16 in Figur 1, die bei ihrer Verwendung ein Bild erzeugt, das die Verwendung einer größeren Fläche von Detektormaterial gestattet. Gemäß Figur 5 ist ein Block aus transparentem Material 60 dargestellt, der eine Oberfläche 62 und eine ünterflache 64 aufweist. In der Mitte der Oberfläche 62 befindet sich eine zylindrische Linse 66, die sich von links nach rechts über die Länge

030041/0 659

des Blockes 60 erstreckt. Auf der ünterflache 64 sind mehrere zylindrische Linsen,wie beispielsweise die Linsen 70 und 72,angeordnet, von denen sich jede orthogonal zu der zylindrischen Linse 66 quer über die Breite des Blockes 60 erstreckt. Die zylindrische Linse 66 besitzt eine erste Brennweite und jede der zylindrischen Linsen 70 und 72 besitzt eine zweite Brennweite, so daß die durch den Block 60 hindurchtretende Strahlung durch die Linsen in der gleichen Bildebene fokussiert wird. Hierbei wird jedoch das Bild in einer Richtung um einen unterschiedlichen Betrag gegenüber der anderen Richtung vergrößert.

Figur 6 zeigt eine Endansicht des Blockes 60, wobei die zylindrische Linse 66 auf der Oberfläche Strahlung von links entlang der durch die gestrichelte Linien 68 und 70 angedeuteten Strahlenwege empfängt. Diese Strahlung wird durch die zylindrische Linse 66 entlang der durch die gestrichelte Linien 74 und 7 6 angedeuteten Strahlenwege in einer Bildebene 78 gebündelt.

Figur 7 zeigt eine seitliche Ansicht des Blockes 60,wobei sich die einzelnen Elementarlinsen, wie beispielsweise die Linsen 70 und 72,auf der rechten Seite des Blockes befinden. Die Strahlung,die durch die zylindrische Linse 66 entlang der durch die gestrichelten Linien 76 und 78 veranschaulichten Strahlenwege hindurchgetreten ist, wird durch die Elementarlinsen 70, 72 entlang von Strahlenwegen fokussiert, die durch die gestrichelten Linien 82 und 84 angedeutet sind,und auf die Bildebene 78 geworfen. Die Brennweite der einzelnen Elementarlinsen 70, 72 ist kürzer als die Brennweite der zylindrischen Linse 66, wobei der ünterschiedsbetrag so gewählt ist, daß das durch beide Linsen erzeugte Bild in der gleichen Bildebene 78 auftritt.

Figur 8 zeigt eine Draufsicht auf die Bildebene 78 mit den Bildern der Austrittspupille der Objektivlinse, die sich als längliche Bilder bzw. ovale 88 darstellen. Paarweise angeordnete

030041/0659

-JO-

Detektoren 90 sind innerhalb der ovalen Bilder der Austrittspupille der Objektivlinse angeordnet, wobei aus einem Vergleich von Figur 8 mit Figur 2 ersichtlich ist, daß die Länge dieser Detektoren nunmehr vergrößert werden kann.

Figur 9 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines der länglichen Bilder gemäß Figur 8, wobei im Zentrum des ovalen Bildes 92 ein Paar von Detektoren 94 und 96 angeordnet ist. Wie aus einem Vergleich von Figur 9 mit Figur 3 ersichtlich ist, ist die Größe der Oberfläche der Detektoren 94 und 96 beträchtlich gesteigert worden, so daß für das Auswertesystem nunmehr ein größeres Ausgangssignal verfügbar ist.

Figur 10 zeigt eine weitere vergrößerte Ansicht eines länglichen Bildes gemäß Figur 8, wobei in diesem Bild 100 zwei Detektoren 102 und 104 angeordnet sind. Es ist erkennbar, daß die Detektoren 102 und 104 etwas größer als die Detektoren in Figur 9 sind, da die Ecken dieser Detektoren abgeschnitten wurden, wie die bereits anhand von Figur 4 erläutert wurde. Obgleich in den Figuren 9 und 10 die Bilder oval dargestellt sind, kann erneut die tatsächliche Bildform beim Anhalten der Objektivlinse während der Fokussierung durch ein längliches Bild des Blendenmechanismus vorgegeben sein.

Die vorstehend beschriebene Anordnung kann in einem Entfernungsmeßsystem verwendet werden, um die Größe des Bildes der Austrittspupille der Objektivlinse und somit die Fläche der Detektoren und die Größe des verfügbaren Ausgangssignales zu erhöhen. Für den Fachmann sind vielerlei Modifikationen möglich. Während im vorliegenden Ausführungsbeispiel nur eine einzige gekreuzte zylindrische Linse gezeigt wurde, können zwei oder mehr solcher Linsen zusammen mit den zylindrischen Elementarlinsen verwendet werden, so daß eine Anzahl von Gruppen

030041/0659

zulänglicher Bilder der Austrittspupille der Objektivlinse gebildet wird. Andererseits können 20 bis 40 Elementarlinsen in einem normalen Anwendungsfall vorgesehen sein, während im dargestellten Ausführungsbeispiel nur 10 Elementarlinsen dargestellt worden sind. Ferner können die beiden Gruppen von Linsen konstruktiv voneinander getrennt werden, während das Ausführungsbeispxel eine einheitliche die gekreuzten zylindrischen Linsen aufweisende Struktur zeigt. Auch kann ein Kreuzungswinkel zwischen den gekreuzten Linsen vorgesehen werden, der von dem in dem Ausführungsbeispiel dargestellten Winkel von 90° abweicht. Dies würde zu gestreckten Bildern anderer Form führen. Schließlich kann auch bei der erfindungsgetnäßen gekreuzten Linsenanordnung noch eine zusätzlich Korrekturlinse Anwendung finden, wie sie in der erwähnten Parallelanmeldung beschrieben ist.

030041/0659

-η-

Leerseite

Claims

EONEYWELL INC. ' " *"V HONEYWELL PLAZA 1OO8OO13 Ge Minneapolis, Minn., USA Hz/umw Optisches System Patentansprüche:

1. Optisches System, insbesondere Entfernungsmeßsystem,mit einer eine optische Achse aufweisenden und ein Bild einer entfernten Szene in einer Bildebene entwerfenden Objektivlinse, mit einer in der Nähe der Bildebene angeordneten EIementarlinsenanordnung zur Erzeugung eines Bildes der Austrittspupille der Objektivlinse und mit Strahlungsdetektoren zur Erfassung des Bildes der Austrittspupille, gekennzeichnet durch eine erste zylindrische Linse (66), die einen Teil der Elementarlinsenanordnung (60) bildet und sich in einer ersten Ebene in einer ersten Richtung erstreckt, die ixn wesentlichen senkrecht zu der optischen Achse verläuft; und mehrere zweite zylindrische Linsen (70,72), die einen Teil der Elementarlinsenanordnung (60) bilden, von der ersten zylindrischen Linse (66) im Abstand angeordnet sind und sich in einer zweiten Ebene in einer zweiten Richtung erstrecken, die im wesentlichen senkrecht zu der optischen Achse und senkrecht zu der ersten Richtung verläuft, so daß sich ein längliches Bild der Austrittspupille ergibt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Strahlungsdetektoren (94,96;102, 104) mehrere längliche strahlungsempfindliche Oberflächen aufweisen, die Seite an Seite paarweise angeordnet sind, wobei sich die Längsausdehnung in die Längsausdehnung des Bildes der länglichen Austrittspupille erstreckt.

0300A1/0659

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die strahlungsempfindlichen Oberflächen rechteckförmig sind.

4. System nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die strahlingsempfindliehen Oberflächen rechteckförmig sind und zwei Ecken abgeschnitten sind, um eine Annäherung an das Bild der Austrittspupille zu erzielen.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Brennweite der ersten zylindrische: Linse von der Brennweite der zweiten zylindrischen Linsen um einen ausreichenden Betrag differiert, um eine gemeinsame Bildebene vorzugeben.

6. Einrichtung mit einer eine optische Achse und eine erste Bildebene aufweisenden Objektivlinse, g e k e η η zeichnet durch eine in der Nähe der ersten Bildebene angeordnete Linsenanordnung (60) mit mehreren zylindrischen Elementarlinsen (7O,72)_/ die mit parallelen Achsen Seite an Seite angeordnet sind, und mit einer zylindrischen Linse (66),die in der Nähe der zylindrischen Elementarlinsen entlang einer Achse angeordnet ist, die quer zu den parallelen Achsen der Elementarlinsen verläuft und in einer hierzu parallelen Ebene liegt, um durch die Linsenanordnung in einer zweiten Bildebene mehrere längliche Bilder der Austrittspupille der Objektivlinse zu erzeugen.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch in der Nähe der zweiten Bildebene angeordnete strahlungsempfindliche Detektoren (94,96;102,104).

030041/0659

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge kenn zeichnet, daß die Detektoren paarweise angeordnet sind, wobei jedes Paar innerhalb eines unterschiedlichen Bildes (92;100) der Austrittspupille der Objektivlinse (10) angeordnet ist.

9·; Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die strahlungsempfindlichen Detektoren (94,96) rechteckförmig sind, wobei die lange Seite des Rechteckes parallel zu der längeren Bildachse des länglichen Bildes der Objektivlinse verläuft.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß zwei Ecken der rechteckförmigen Strahlungsdetektoren (.102,304) abgeschnitten sind, um eine Annäherung an das längliche Bild der Objektivlinse zu erzielen.

030041/0659