DE3323388A1 - Optisches system - Google Patents
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Description
HONEYWELL INC.
lloneywe] 1 Plcr/.α
Minneapolis, Minn. USA
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Minneapolis, Minn. USA
q '■ ο QOpO
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
<) ο η λ >
η η O O ^. O J ϋ ΰ
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
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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
·-·*-- -■ ··' 3323383
. J.
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
ι τ" ι ο ο Q
J.-/JOÜÖ
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 = 2r44wfP,
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
■/Ο-
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
25
25
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.
Leerseite
Claims (11)
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-
Ρϊ? --33S8
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.
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