DE3323388C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches System gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Zur automatischen Fokussierung einäugiger Spiegelreflexkameras ist eine hinter dem Aufnahmeobjektiv angeordnete Fokussiervor­ richtung 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 hindurch­ tritt 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 da­ neben 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 Mikro­ linse 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 abge­ tastet und alle Signale der rechten Detektorreihe mit demjenigen der linken Detektorreihe verglichen. Ist die Kamera optimal fokussiert, so stimmen die von den ein­ ander zugeordneten Detektorpaaren ermittelten Signal­ signaturen überein. Ist die Kamera nicht fokussiert, so sind die Signaturen gegeneinander verschoben. Größe und Richtung des Fokussierfehlers werden von einem Mikro­ computer 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 zu­ geordneten Detektoren der Paare ermittelten Signaturen im Zustand optimaler Fokussierung nicht übereinstimmen. Hierdurch kann eine ordnungsgemäße Fokussierung vorge­ täuscht und somit eine Fehleinstellung bewirkt werden, oder dem System gelingt es nicht, die optimale Fokussierung zu ermitteln.

Diese Schwierigkeit wird bei einer Fokussiervorrichtung gemäß DE-OS 31 30 884 dadurch vermieden, daß zwischen Aufnahmeobjektiv und Abtastvorrichtung einer Kamera ein optisches Tiefpaßfilter angeordnet wird, welches die Modulationsübertragungsfunktion derjenigen Ortsfrequenz- Komponenten des Bildes erniedrigt, welche höher sind als die der Teilung der in Reihen angeordneten digitalen Sensoren entsprechende Ortsfrequenzkomponente. Als optische Tiefpaßfilter werden in DE-OS 31 30 884 Beugungs­ gitter vom Amplituden- oder Phasentyp, Lentikularlinsen, Faser­ platten und doppelbrechende planparallele Platten erwähnt.

Aus US-PS 29 59 105 ist ein optisches Zufallsphasenfilter in Form eines sogenannten Sayanagi-Filters bekannt. Dieses besteht aus einer transparenten Platte, die mit kleinen kreisförmigen Elementen von zufallsverteilter Lichtdurch­ lässigkeit bedeckt ist und die eine Stärke in der Größen­ ordnung einer Wellenlänge des einfallenden Lichts haben. Hierdurch entsteht eine optische Wellenlängendifferenz einer halben Wellenlänge. Das Sayanagi-Filter wird in erster Linie als Weichzeichner in fotografischen Aufnahme­ kameras eingesetzt.

Ferner ist aus DE-AS 28 33 261 die Vergrößerung der Apertur eines optischen Detektors mit Hilfe eines dem Detektor vorgesetzten, eine dünne Linse bildenden, Phasenhologramms bekannt.

Ausgehend von dem aus der DE-OS 31 30 884 bekannten optischen System liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die eingangs erwähnten Schwierigkeiten durch ein Zufalls­ phasenfilter zu beseitigen, welches leichter herstellbar ist als ein Sayanagi-Filter oder ein Hologramm hiervon.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekenn­ zeichnete Erfindung. Die Verwendung eines solchen doppelt­ zufallsmodulierten Beugungsgitters, auch Chirp-Filter ge­ nannt, ist möglich, weil die Detektoren einer Fokussier­ einrichtung üblicherweise in einer Reihe oder Zeile an­ geordnet sind, so daß anstelle der kreisförmigen Beugungs­ elemente eines Sayanagi-Filters Streifen bzw. Rillen als Beugungselemente dienen können. Die Ortsfrequenz und die Tiefe der einzelnen Streifen oder Rillen werden über die Filteröffnung verändert oder zufallsmoduliert (chirped), um vorgegebene Beugungsanordnungen zu vermeiden, welche ihrerseits zu Einstellungenauigkeiten führen könnten. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung wiedergegebener Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1A das System bei fehlender Scharfein­ stellung;

Fig. 1B bei exakter Fokussierung;

Fig. 2 die Anordnung des optischen Systems zur automatischen Scharfeinstellung in einer einäugigen Spiegelreflex­ kamera (SRL).

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

Das optische System bildet ein Objektiv 25 in der Brenn­ ebene 26 ab. Lichtstrahlen 18 vom Objektiv 25 werden durch die Linse 20 im Brennpunkt 27 fokussiert. Ist das System wie in Fig. 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 Detektor­ anordnung liegen in der Ebene 26. Die Abtasteinrichtung kann beispielsweise eine Detektoranordnung mit vorge­ schalteten 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 Signalver­ arbeitungselektronik 28 ist in Verbindung mit der Abtast­ einrichtung 22 erzeugt ein Stellsignal 24 für die Objektiv­ verstelleinrichtung 23, mit deren Hilfe das Objektiv bzw. die Linse 20 in einem geschlossenen Regelkreis derart verstellt wird, daß der Brennpunkt 27 in die Abbildungs­ ebene 26 fällt, die dann zugleich Brennebene ist.

Ein in der Ebene der Austrittspupille 17 angeordnetes Sayanagi-Filter könnte die eingangs erwähnten Schwierig­ keiten 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 Austritts­ pupille des Objektivs weder möglich noch praktisch ist, wird ein skaliertes Zufallsphasenfilter 21 in den Strahlengang zwischen Linse 20 und Abbildungsebene 26 an einer Stelle eingefügt, die von der mechanischen Anordnung her günstiger ist.

Fig. 2 zeigt die Anordnung eines skalierten Zufalls­ phasenfilters 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 ge­ worfen. 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 übrige Licht durchläuft den mittleren Teil des Schwenk­ spiegels 11 und wird von einem zweiten Spiegel 13 auf die Detektoranordnung 15 der Abtasteinrichtung 22 ge­ worfen. Werden die Spiegel 11, 13 aus dem Strahlengang herausbewegt bzw. herausgeschwenkt, so fällt das Licht auf die Filmebene 29. Die Mattscheibe 19, die Detektor­ anordnung 15 sowie die Filmebene 29 liegen praktisch im gleichen optischen Abstand von der Linse 20.

Die Abtastvorrichtung 22 umfaßt eine Elementarlinsen­ anordnung 14, eine angepaßte, die Bildebene halbierende Anordnung von Detektorpaaren 15 sowie eine Detektor­ abtastelektronik 16. Jede Elementarlinse bildet die Ebene 17 der Austrittspupille auf einem entsprechenden Detektor­ paar der Detektoranordnung 15 ab. Die Abtasteinrichtung 16 übernimmt die Signale der Detektoranordnung 15, während eine Signalverarbeitungselektronik 28 den Grad und die Richtung des Fokussierfehlers ermittelt und bei Vorhandensein eines Fokussierfehlers ein Stellsignal auf der Leitung 24 liefert, welches über die Steuer­ einrichtung 23 die Linse 20 verschiebt. Die Filter­ wirkung 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 an­ geordneten 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 = 2,44 wfP,

wobei w die Wellenlänge des vom Fotodetektor aufzu­ nehmenden Lichtes, f die Brennweite der Linse 20 und P die Grenzfrequenz des Filters ist. Diese Grenzfrequenz liegt niedriger als die Ortsfrequenz der einzelnen Fotodetektoren. Ein Hologramm des Filters wird in der Weise aufgezeichnet, daß das Filter im gewünschten Ab­ stand von der Ebene der Austrittspupille angeordnet und 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 Be­ schreibung 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 Beugungs­ gitter an der Stelle 21 eingesetzt, um den Frequenz­ inhalt der Bildszene mit einer Zufallsmodulation zu ver­ sehen. In einem Beugungsgitter mit konstanter Orts­ frequenz 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 Beugungs­ gitter schaltet solche genau vorgegebenen Anteile höherer 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 Orts­ frequenz des Beugungsgitters symmetrisch zu beiden Seiten der Achse zunehmen, wodurch ein symmetrisches doppelt­ zufallsmoduliertes Beugungsgitter entsteht.

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

F = (2,44 wfP) ^-1,

wobei w die Betriebswellenlänge des für den Fokussier­ vorgang verwendeten Lichts ist (z. B. 0,6 × 10^-3 mm), 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 Wirksam­ keit des Beugungsgitters erhält man, wenn die Nuten­ tiefe h im Maß der optischen Weglängendifferenz OPD

h = 0,36 q

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 günstigen 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 zufalls­ moduliertes Filter (chirped filter) im optischen System derart ausgerichtet werden, daß die Beugungslinien rechtwinkelig zur Erstreckung der Detektoranordnung 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 Objetiv abhängt. Die Erfindung ist keineswegs nur bei Spiegelreflexkameras einsetzbar, sondern kann auch bei anderen optischen Geräten, bei­ spielsweise 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 Fokussierungs­ grades 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 32 03 788 beschriebenen Filter. Außer­ dem ist ihre Nebenzipfelunterdrückung besser.

Claims (6)

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 Zufallsphasen­ filter angeordnet ist, welches den oberhalb der Abtastorts­ frequenz der Abtastvorrichtung liegenden hochortsfrequenten Bildinhalt unterdrückt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Zufallsphasenfilter ein skaliertes doppelt-zufallsmoduliertes Beugungsfilter (chirp filter) ist, bei dem

• a) das Gitter praktisch parallel verlaufende 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 Objektes und k eine von der Amplitudenverteilung der ein­ fallenden Lichtwelle auf dem Objektiv abhängige 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 Orts­ periodenlänge q der Nuten von der Form h = N · q ist, wobei N eine den Brechungswirkungsgrad des Gitters bestimmende Konstante ist.

2. Optisches System nach Anspruch 1 zur An­ wendung 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 Abtast­ vorrichtung (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 ab­ gedeckter Filmebene (29) die durch den Zentralbereich auf ihn fallenden Strahlen zur Abtastvorrichtung (22) hin ablenkt.

3. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastvorrichtung eine lineare Anordnung von Detektor­ paaren, eine zugeordnete Reihe von Elementarlinsen und eine Detektorsignal-Verarbeitungsschaltung (28) enthält.

4. Optisches System nach Anspruch 3, gekenn­ zeichnet durch eine solche Anordnung des Filters (21) zwischen dem zweiten Spiegel (13) und der Abtastvorrichtung (22), daß die Gitterlinien etwa rechtwinklig zur Erstreckung der Detektoranordnung (15) verlaufen.

5. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv infrarotdurchlässig und die Detektoranord­ nung infrarotempfindlich ist.

6. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Bildabtastvorrichtung (22 ) nachgeschaltete Detektor-Signalverarbeitungsschaltung (28) einen ein Stellsignal für den Antrieb (23) wenigstens einer die Fokussierung der Abbildung in der Bildebene beeinflussenden Linse (20) liefernden Signalausgang (24) aufweist.