DE3625267C2

DE3625267C2 -

Info

Publication number: DE3625267C2
Application number: DE3625267A
Authority: DE
Inventors: Osamu Tokio/Tokyo Jp Shindo
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1985-07-26
Filing date: 1986-07-25
Publication date: 1989-09-21
Also published as: US4716431A; DE3625267A1; JPS6225715A; JPH0812321B2

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System für eine Vorrichtung zur Feststellung des Scharfeinstellzustandes eines optischen Abbildungssystems, mit einer in oder in der Nähe von einer Abbildungsebene angeordneten Kondensorlinse sowie einem Paar von optischen Aufspaltelementen, die hinter der Kondensorlinse in Bezug auf deren Meridionalebene symmetrisch angeordnet sind.

Ein derartiges optisches System ist bekannt aus JP 60-32 012 gemäß Patents Abstracts of Japan vom 29. 06. 85, P-368, Vol. 9, Nr. 156. Bei diesem System wird die frontseitige Oberfläche der Kondensorlinse durch einen Teil eines Rotationshyperboloids gebildet.

Ferner ist es aus DE-OS 30 11 054 bekannt, bei einem Fokussiersystem anderer Bauart unmittelbar vor den optischen Aufspaltelementen eine zusätzliche Linse anzubringen.

Das Prinzip der Aufspaltung des Bildes eines Aufnahmeobjektes in zwei Teilbilder und die Bestimmung der Scharfeinstellung durch relative Verschiebung der Lage der beiden Teilbilder ist auch bekannt aus den offengelegten Patentanmeldungen JP 39 544/1975, JP 82 419/1977, JP 13 929/1981 und JP 75 209/1984.

Beim System nach der letztgenannten Anmeldung beeinflußt das Verhalten der Kondensorlinse, die in der Abbildungsebene oder in deren Nähe angeordnet ist, die Verteilung der Lichtmenge auf den Sensor. Dabei hat sich herausgestellt, daß das Vorsehen einer Kondensorfläche mit einer asphärischen Fläche hinsichtlich einer Stabilisierung der Verteilung der Lichtmenge auf dem Sensor wirksam ist. Bei diesem System werden alle asymmetrischen Aberrationen, wie Verzeichnung, eliminiert. Die in dem System verwendeten reflektierenden Glieder erschweren jedoch die Erzielung einer hinreichenden Scharfeinstellung. Da außerdem das Restkoma in der Kondensorlinse mit einer asphärischen Oberfläche verbleibt, nimmt die vom Sensor aufgenommene Lichtmenge progressiv ab, wenn eine Annäherung an die Endbereiche des Sensors erfolgt. Dies ist hinsichtlich der "Vorhersage"-Fähigkeit des Systems sehr nachteilig. Im einzelnen wird dieses System in der nachfolgenden Beschreibung noch näher erläutert.

Bei dem System nach 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. Dieses System ermöglicht eine einfache Scharfeinstellung und hat den Vorteil geringer Kosten, da es Daten mit nur einer Sensoreinheit verarbeitet. Andererseits zeigt es jedoch viele Probleme aufgrund der Unvollständigkeit der optischen Basisanordnung.

Bevor jedoch auf diese Probleme eingegangen wird, werden die Merkmale diskutiert, die ein optisches System zur Feststellung des Scharfeinstellzustandes erfordert. Ein wichtiges Merkmal besteht darin, daß die einzelnen Fokuspositionen unabhängig vom jeweiligen Punkt des Bildausschnittes sind, der zur Scharfeinstellung herangezogen wird. Dieses Merkmal steht in direkter Beziehung zur Genauigkeit der Erfassung des Scharfeinstellzustandes des Systems. Da die optischen Aufspaltelemente symmetrisch zur Meridionalebene der Kondensorlinse angeordnet sind, muß das optische System die Fähigkeit haben, ein Bild zu erzeugen, welches hinsichtlich des Punktes auf dem Sensor, der dem Mittelpunkt des zur Scharfeinstellung herangezogenen Bildausschnittes entspricht, symmetrisch ist. In diesem Fall ist die Bilderzeugung auf dem Sensor unabhängig vom jeweiligen Punkt in dem zur Scharfeinstellung herangezogenen Bildausschnitt. Bei dieser "Verschiebe-Invarianz" kann die richtige Scharfeinstellung aus dem Betrag der Verschiebung zwischen den beiden aufgespaltenen Bildern bestimmt (vorhergesagt) werden.

Diese "Vorhersage"-Fähigkeit spielt bei der Einstellung und Steuerung der Scharfeinstellung eines fotografischen Objektivs eine bedeutsame Rolle. Praktisch kann jedoch die Auslegung des Systems zur Erfassung des Scharfeinstellzustandes innerhalb weiterer Grenzen variieren, und zwar sogar dann, wenn ein optisches System, das nicht das Merkmal der "Vorhersage"-Fähigkeit hat, zufriedenstellende Resultate bei der Scharfeinstellung erlaubt.

Es sollen nun die Wirkungen diskutiert werden, die bei der Verteilung der Lichtmenge auf dem Sensor durch Aberrationen entstehen und auf die Kondensorlinse Bezug haben. Fig. 5 und 6 der beigefügten Zeichnungen zeigen das Verhältnis zwischen dem von den optischen Aufspaltelementen 5 aufgenommenen Lichtbündel und dem Weg durch die Austrittspupille 7. Aus diesen Abbildungen wird klar, daß der Weg des Lichtbündels durch die Mitte und den Umfangsbereich des zur Erfassung des Scharfeinstellzustandes herangezogenen Bildausschnittes 1 je nach Art der in der Kondensorlinse 2 auftretenden Aberration unterschiedlich ist. Da die Punkte in diesem Bildausschnitt den Elementen des Sensors entsprechen, entspricht der Bereich, in dem das Lichtbündel durch die Austrittspupille 7 gelangt, dem Signalniveau eines jeden Elementes des Sensors.

Fig. 5 zeigt den Fall, in dem die Kondensorlinse 2 eine sphärische Aberration hat. In diesem Fall liegt keine bemerkenswerte Änderung der von den Elementen 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 zu den Elementen an den Enden des Sensors ab. Daraus erhellen die Nachteile des in der vorgenannten japanischen Patentveröffentlichung 75 209/1984 beschriebenen Systems.

Die vorstehende Diskussion zeigt, 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 Elementen abgegebenen Signalen an den Enden des Sensors 1% nicht übersteigt.

Es sollen nun die Probleme des optischen Systems der vorerwähnten japanischen Patentveröffentlichung 32 102/1985 erörtert werden. Fig. 7, 8 und 9 machen drei optische Eigenschaften bzw. Merkmale sichtbar, wie sie sich aus den Daten von Tabelle 1 in Verbindung mit einer Ausführungsform des bekannten Systems ergeben. Fig. 7 zeigt die Verteilung der Helligkeit der Punktbilder auf dem Sensor. Fig. 8 (a) zeigt die Verzeichnung der Kondensorlinse und Fig. 9 (a) die Verteilung der Lichtmenge auf dem Sensor. Jeder dieser Abbildungen ist eine Fig. 8 (b) bzw. Fig. 9 (b) zugeordnet, um eine bessere Beurteilungsgrundlage für die Symmetrie zu schaffen. Die in Fig. 8 gezeigte Verzeichnung 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 wirksame Länge des zur Scharfeinstellung herangezogenen Bildausschnittes wäre nicht größer als 2 mm. Wenn dieser Bildausschnitt kurz ist, wird die Zuverlässigkeit des Systems bei der Scharfeinstellung vermindert, falls dieses System bei einem fotografischen Objektiv langer Brennweite verwendet wird. Daher ist ein solcher Bildausschnitt, dessen wirksame Länge etwa 2 mm beträgt, für ein fotografisches Objektiv mit einer Brennweite (f) von mehr als 300 mm nicht verwendbar. Andererseits sind jedoch Objektive mit längeren Brennweiten für die Verwendung in herkömmlichen einäugigen Spiegelreflexkameras verfügbar. Um bei diesen Objektiven den Scharfeinstellzustand wirksam zu erfassen, werden Bildausschnitte von mehr als 2 mm Länge benötigt.

Die vorerwähnte asymmetrische Natur des optischen Systems nach der japanischen Patentveröffentlichung 32 012/1985 resultiert erheblich aus der Tatsache, daß der aus der Mitte des zur Erfassung der Scharfeinstellung herangezogenen Bildausschnittes stammende Hauptlichtstrahl nicht senkrecht auf den Sensor fällt. Als Folge davon sind die Hauptlichtstrahlen des von beiden Rändern des Bildausschnittes stammenden Lichtbündels nicht in der Lage, auf den Sensor unter gleichen Winkeln aufzutreffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System der eingangs genannten Art zu schaffen, das die Ausbildung eines symmetrischen Bildes über einen ausreichend langen, zur Erfassung der Scharfeinstellung heranziehbaren Bildausschnitt sicherstellt, damit der Vorgang der Scharfeinstellung zuverlässig durchgeführt und der Zustand der Scharfeinstellung des optischen Abbildungssystems zuverlässig erfaßt werden können, und zwar auch bei einem Objektiv, das eine lange Brennweite hat.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs gelöst.

Eine Ausführungsform der Erfindung mit ihren Einzelheiten und Vorteilen wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

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

Fig. 3a ein Diagramm mit der Darstellung des Verzeichnungsprofils, welches in der Kondensorlinse auftritt, die bei dem optischen System gemäß 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 gemäß 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 aus dem Auftreten einer restlichen sphärischen Aberration in der Kondensorlinse,

Fig. 6 eine schematische Darstellung des Ergebnisses aus dem Auftreten eines restlichen Koma in der Kondensorlinse,

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Verteilung der Helligkeit von Lichtpunkten auf dem bei einem bekannten optischen System zur Erfassung der Scharfeinstellung eines optischen Abbildungssystems verwendeten Sensor,

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

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

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

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

Der Kondensor wird vom funktionellen Standpunkt aus am besten an einer Fläche (Abbildungsebene) positioniert, die der Filmoberfläche in einem Abbildungssystem entspricht. Jedoch wird bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform, bei welcher der für die Erfassung des Scharfeinstellzustandes herangezogene Bildausschnitt 1 eine Länge von ungefähr 4 mm hat, zur Vermeidung jeglicher ungünstiger Einwirkung, die sich aus dem Eintreten von Fremdkörpern, wie Staub oder Schmutz, ergibt, eine Kondensorlinse 2 mit einer asphärischen hinteren Oberfläche an einer Stelle angeordnet, die geringfügig von der Abbildungsebene entfernt ist (d. h. in der Nähe einer der Filmoberfläche äquivalenten Fläche), wobei eine zusätzliche Linse 3 hinter der Kondensorlinse angeordnet ist, damit ein Hauptlichtstrahl, der aus der Mitte des Bildausschnittes 1 austritt, den Sensor unter 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 bestmögliche Gestaltung der Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

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

worin bedeuten:

c = l/r₃ und
h² = y² + z²,

wie sich beispielsweise aus der Veröffentlichung von D. Malacara "Optical Shop Testing" 1978, Seite 479, ergibt.

Dabei liegt der asphärische Koeffizient k zur Kennzeichnung der ellipsoidalen Oberfläche der Kondensorlinse 2 im Bereich -l < k < 0.

Eine Computersimulierung hat gezeigt, daß für diesen Koeffizienten k ein Fehler innerhalb von etwa ±0,1 für praktische Zwecke zulässig ist. Dieser zulässige Fehlerbereich nimmt zu, wenn die Länge des für die Erfassung des Scharfeinstellzustandes herangezogene Bildausschnittes verkürzt wird.

Die Wirkung des erfindungsgemäßen optischen Systems und seiner Elemente sowie die durch diese Wirkung sich ergebenden Resultate werden nachfolgend beschrieben.

Wie bereits erwähnt, besteht die primäre Funktion der zusätzlichen Linse 3 darin, zu ermöglichen, daß der Hauptlichtstrahl aus der Mitte des für die Erfassung des Scharfeinstellzustandes herangezogenen Bildausschnittes 1 austritt und den Sensor im rechten Winkel kreuzt. Der Erfinder hat herausgefunden, daß diese zusätzliche Linse 3 auch 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 der asphärischen Oberfläche kann wirksam sowohl die Verteilung der Lichtmenge auf dem Sensor korrigieren als auch mittels dieser asphärischen Oberfläche die Verzeichnung in der Kondensorlinse korrigieren.

Bei den bekannten Systemen kann einer dieser Parameter nicht geeignet korrigiert werden, ohne den anderen Parameter zu verschlechtern, und zwar wegen des Unterschieds im asphärischen Koeffizienten, der erlaubt, daß die beiden Parameter auf Minimalwerte reduziert werden. Hingegen wurde im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung herausgefunden, daß die zusätzliche Linse 3 für die Korrektur der Verzeichnung in der Kondensorlinse wirken kann, 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, daß kein großer Vorteil sich ergibt, wenn die vordere Oberfläche asphärisch gehalten wird. Andererseits führte die erfindungsgemäße asphärische Gestaltung der hinteren Oberfläche der Kondensorlinse 2 zu sehr guten Ergebnissen.

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 der erfindungsgemäßen Lösung mit Fig. 7, 8 und 9, die die Eigenschaften des Systems gemäß der japanischen Patentveröffentlichung 32 012/1985 zeigen. Aus Fig. 2 bis 4 wird deutlich, daß die Fähigkeit des erfindungsgemäßen optischen Systems 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.

Gemäß der Erfindung wird ein optisches System zur Erfassung des Scharfeinstellzustandes eines optischen Abbildungssystems geschaffen, das eine an einer der Filmfläche äquivalenten Fläche oder in der Nähe derselben liegende Kondensorlinse und ein Paar von optischen Aufspaltelementen umfaßt, die hinter der Kondensorlinse symmetrisch zur Meridionalebene der Kondensorlinse angeordnet sind. Der Zustand der Scharfeinstellung des Systems kann erfaßt werden durch Feststellen des relativen Lagerversatzes zwischen den Bildern des durch die jeweiligen optischen Aufspaltelemente fokussierten Objekts. Beim erfindungsgemäßen optischen System weist die hintere Fläche der Kondensorlinse eine ellipsoidale Oberfläche auf, bei welcher der asphärische Koeffizient k der Beziehung -l < k < 0 genügt, wobei eine zusätzliche Linse, die koaxial zur Kondensorlinse angeordnet ist, sich unmittelbar vor den optischen Aufspaltelementen befindet. Hierdurch wird die Erzeugung eines symmetrischen Bildes gewährleistet, wodurch zur Erfassung des Scharfeinstellzustandes des optischen Abbildungssystems ein Bildausschnitt herangezogen werden kann, der auch bei einem fotografischen Objektiv mit langer Brennweite eine zufriedenstellende Erfassung des Zustandes der Scharfeinstellung ermöglicht.

Claims

Optisches System für eine Vorrichtung zur Feststellung des Scharfeinstellzustandes eines optischen Abbildungssystems, mit einer in oder in der Nähe von einer Abbildungsebene angeordneten Kondensorlinse sowie einem Paar von optischen Aufspaltelementen, die hinter der Kondensorlinse in Bezug auf deren Meridionalebene symmetrisch angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die hintere Oberfläche der Kondensorlinse (2) eine ellipsoidale Oberfläche ist und daß eine zusätzliche Linse (3) koaxial zur Kondensorlinse (2) unmittelbar vor den optischen Aufspaltelementen (5) angeordnet ist.