DE4109484A1 - Messobjektiv - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Objektiv zur Messung von Entfer­ nungen mit mindestens einer Linsenbaugruppe, wobei die Lin­ senbaugruppe aus mehreren Linsen aufgebaut ist und mit minde­ stens einer Strahlablenkungsgruppe an dem Strahleneintritt oder an dem Strahlaustritt des Objektivs, wobei die Strahl­ ablenkungsgruppe aus mindestens einem Element besteht.

Derartige Meßobjektive werden dazu verwendet, das Licht einer Lichtquelle auf mindestens eine Meßoberfläche abzubilden oder das von mindestens einer Meßoberfläche kommende Licht auf eine Bildebene abzubilden und dort mit einem entsprechenden Meßwertaufnehmer in ein weiterzuverarbeitendes Signal umzu­ wandeln. Dabei ist es wesentlich, daß ein möglichst einfach auszuwertender optischer Zusammenhang zwischen der zu messen­ den Entfernung und dem empfangenen Signal besteht und daß die optischen Abbildungsfehler des Meßobjektivs das Meßergebnis im verlangten Auflösungsbereich möglichst nicht verfälschen, um eine rechenintensive Korrektur der Meßwerte zu vermeiden und um zu schnellen, exakten und reproduzierbaren Ergebnissen zu kommen.

Ein weiteres wesentliches Merkmal solcher Meßobjektive ist der freie Arbeitsbereich zwischen der Meßfläche und dem Ob­ jektiv, welchen man möglichst groß wählen können sollte. Nur wenn man einen großen freien Arbeitsbereich mit dem Meßobjek­ tiv realisieren kann, kann die mit dem Meßobjektiv aufgebaute Meßanordnung auch bei Manipulationen im Bereich der Meßober­ fläche aufgebaut bleiben bzw. es kann über nicht zugängliche Bereiche hinweg gemessen werden.

Aus der EP-OS 02 97 361 ist ein telezentrisches Bildformungs­ system mit variabler Vergrößerung bekannt. Wenngleich das dort beschriebene System für einen Belichtungsapparat be­ schrieben ist, so könnte es auch für eine Meßanordnung ver­ wendet werden. Durch das Objektiv mit symmetrischem Aufbau der Linsen erhält man einen parallelen Strahlengang der Hauptstrahlen (siehe insbesondere Fig. 9 und 13a-d). Ein ähnliches Objektiv mit symmetrischem Aufbau der Linsen ist auch aus der EP-OS 02 99 472 bekannt (siehe insbesondere Fig. 1, 17, 19 21, 23 und 29).

Als nachteilig ist anzusehen, daß diese Objektive keine zur Messung von Entfernung geeigneten Strahlablenkungsgruppen besitzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßobjektiv mit großem freien Arbeitsraum mit möglichst geringen Abbildungsfehlern hinsichtlich Koma, Astigmatismus und Verzeichnung zu reali­ sieren, bei welchem die Hauptstrahlen auf zumindest einer Objektivseite in einer Richtungskomponente zueinander geneigt und in der dazu senkrechten Richtungskomponente zueinander parallel sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruchs gelöst.

Mit dem Objektiv gemäß dem ersten Patentanspruch kann man Strukturen (z. B. Linien, Gitter, Quadrate usw.) auf zu messende Oberflächen abbilden. Neben Projektionen eignet sich das Objektiv aber auch zur Abbildung strukturierter Oberflä­ chen auf geeignete Detektoren.

Wenn das Objektiv ohne Strahlablenkungsgruppen eine telezen­ trische Abbildung liefert, sind alle ein- und austretenden Hauptstrahlen parallel. Setzt man beispielsweise einen bre­ chenden Keil hinter das Objektiv, so verlaufen die Haupt­ strahlen zwischen dem Objektiv und dem Keil noch parallel, während sie hinter dem Keil in einer Richtungskomponenten parallel verlaufen und in der dazu senkrechten in Richtung auf die optische Achse geneigt sind. Dabei tritt aber ein sehr großer Betrag für die Koma auf. Dieser große Betrag für die Koma wird dadurch reduziert, daß man auch vor das Objek­ tiv einen zweiten brechenden Keil setzt.

Vorteilhafterweise ist der gesamte optische Weg jedes Strahls eines beliebigen Öffnungsbündels in der Summe durch zumindest alle Strahlenablenkungsgruppen gleich lang. Dadurch erreicht man, daß durch die Strahlenablenkungsgruppen am Strahleneintritt und am Strahlenaustritt keine zusätzliche Koma erzeugt wird.

Im allgemeinen erzeugen prismatische Keile aber auch einen beträchtlichen Astigmatismus. Für eine vorgegebene beliebige Umlenkung gibt es genau eine Kombination von Teilumlenkungen an den beiden Keilflächen jedes Keils, so daß kein Astigma­ tismus entsteht. Dieselbe Wirkung erzielt man, wenn man den Astigmatismus in der Summe aller Keile eliminiert. Bei pa­ rallelen Hauptstrahlen ist diese Kombination für alle Haupt­ strahlen dieselbe.

Benützt man ein symmetrisches Objektiv mit 1:1-Abbildung, dann zeichnet sich diese Abbildung durch minimale Fehler hinsichtlich Verzeichnung, Koma und deren chromatischer Va­ riation aus. Wenn auch noch die beiden Strahlablenkungsgrup­ pen symmetrisch zur Objektivmitte liegen (dabei können die Umlenkungen oberhalb und unterhalb des Knicks durchaus unter­ schiedlich sein), dann bleiben die bereits erwähnten opti­ schen Eigenschaften insgesamt erhalten.

Wenn die Keile spiegelsymmetrisch bezüglich einer Ebene durch ihrer Knicks aufgebaut sind, erhält man oberhalb und unter­ halb des Knicks symmetrische optische Verhältnisse.

Die beiden Keile erzeugen zwei getrennte Meßbereiche. Wenn die Knicks der Keile in einer Ebene, welche die optische Achse beinhaltet, ausgerichtet sind, sind beide Meßbereiche optimal groß. Besitzen die Keile plane Strahlendurchtritts­ flächen, kann man sie vorteilhafterweise leichter herstellen.

Die Erfindung wird nachstehend in beispielhafter Weise anhand der Fig. 1-3 der Zeichnungen näher erläutert, wobei weitere wesentliche Merkmale sowie dem besseren Verständnis dienende Erläuterungen und Ausgestaltungsmöglichkeiten des Erfindungs­ gedankens beschrieben sind. Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Meßobjektivs mit jeweils einem Keil am Strahlenein- und -austritt;

Fig. 2a eine schematische Darstellung eines weiteren Meßobjektivs gemäß der Erfindung mit nur einem brechenden Keil;

Fig. 2b den Innenspiegel in dem Meßobjektiv der Fig. 2a und

Fig. 3 eine Meßanordnung mit dem Meßobjektiv aus Fig. 1.

Das in Fig. 1 dargestellte Objektiv (1) besteht aus zwei Linsenbaugruppen (6, 7) aus mehreren Einzellinsen (6a-c, 7a-c) und zwei Strahlablenkungsgruppen (8, 9), welche spiegelsymmetrisch zu einer inneren Blende (10) angeordnet sind. Die optische Achse (2) geht genau zentrisch durch die kreisrunde Blende (10), welche sich in der Mitte des Objek­ tivs (1) befindet.

Jede Linsenbaugruppe (8; 9) besteht aus einer Positivlinse (6a; 7a) und einem Achromaten (6b, 6c; 7b, 7c). Der Achromat (6b, 6c; 7b, 7c) besteht aus einer Positiv- (6b; 7b) und einer Negativlinse (6c; 7c), wobei die beiden Linsen (6b, 6c; 7b, 7c) jedes Achromaten (6b, 6c; 7b, 7c) dicht hintereinan­ der angeordnet und durch eine Kittschicht (11) in bekannter Art und Weise fest miteinander verbunden sind. Dabei weist die negative Linsenoberfläche des Achromaten (6b, 6c; 7b, 7c) in Richtung auf die Blende (10). Die beiden Achromate (6b, 6c; 7b, 7c) sind um die innere Blende (10) angeordnet, wäh­ rend die beiden zusätzlichen Positivlinsen (6a, 7a) am Strah­ lenaus- und -eintritt angeordnet sind. Die beiden Positiv­ linsen (6a, 7a) und auch die beiden Achromate (6b, 6c; 7b, 7c) sind zueinander spiegelbildlich angeordnet, wobei sich die Blende (10) in der Spiegelebene befindet. Beide Linsen­ baugruppen sind identisch aufgebaut. Die Strahlablenkungs­ gruppen (8, 9) bestehen bei dem hier dargestellten Objektiv (1) jeweils lediglich aus einem Keil, einem Doppelprisma (8a, 9a). Beide Doppelprismen (8a, 9a) haben eine identische Form­ gestaltung. Jedes Doppelprisma (8a, 9a) ist spiegelsymme­ trisch zur optischen Achse (2) aufgebaut und besitzt jeweils ober- und unterhalb besagter optischen Achse (2) zwei ebene, sich unter einem spitzen Winkel β schneidende Flächen. Ver­ bindet man die spitzen Endpunkte der Doppelprismen (8a, 9a) miteinander, so beträgt der dem Objektivinneren zugewandte Teilwinkel β₂ des Gesamtwinkels β ein Vielfaches des Teil­ winkels β₁ zwischen der Verbindungslinie der Endpunkte und den zum Strahlenein- bzw. -austritt zugewandten Flächen der Doppelprismen (8a, 9a). Beide Keile (8a, 9a) sind symmetrisch zum Objektivmittelpunkt und hier speziell zur inneren Blende (10) angeordnet.

Das Objektiv (1) liefert eine telezentrische Abbildung, da die Eintritts- und die Austrittspupille im Unendlichen liegen. Alle in die Linsenbaugruppen ein- und austretenden Haupt­ strahlen sind parallel zur optischen Achse und haben so den gleichen Inzidenzwinkel bezüglich der Doppelprismen (8a, 9a). Die Winkel β₁ und β₂ sind so gewählt, daß bei der gesamten, von β abhängigen Umlenkung kein Astigmatismus erzeugt wird. Aufgrund der Telezentrizität ist die "Astigmatismus-Null- Lage" für alle Bildhöhen dieselbe, d. h. auch der Astigmatis­ mus wird klein gehalten.

Beide Linsenbaugruppen (6, 7) sowie Objekt- und Bildlage sind symmetrisch zur inneren Blende (10) angeordnet. Deshalb liefert das Objektiv eine 1:1-Abbildung. Damit ist sicher­ gestellt, daß durch die Linsenbaugruppen (6, 7) des Objektivs (1) keine unsymmetrischen Abbildungsfehler auftreten. Das heißt, daß dieses Objektiv keine Koma, keine Verzeichnung und keine chromatische Variation der Verzeichnung besitzt.

Würde man nur einen Keil verwenden, so würde dadurch eine starke Koma entstehen. Erst wenn, was für den Meßzweck als solchen nicht notwendig ist, auch bildseitig ein entsprechen­ der (hier derselbe zur Objektivmitte und sogar zur Knickebene symmetrische) Keil eingesetzt wird, ist die Koma kompensiert, da alle Strahlen eines Büschels denselben optischen Weg ha­ ben.

Im Bildraum verlaufen die Hauptstrahlen in einer Richtungs­ komponenten parallel zueinander, während sie in einer anderen Richtungskomponenten zueinander geneigt verlaufen.

Der große Vorteil dieses Objektivs besteht darin, daß die Abbildungsfehler minimal sind. Dabei muß aber erwähnt werden, daß die beiden Bildebenen zueinander leicht geneigt sind. Dies stellt aber für die meisten Meßprobleme kein Problem dar bzw. ist bei Objektiven mit hoher Tiefenschärfe sogar unnötig.

In der Zeichnung sind die Verhältnisse etwas übertrieben dargestellt, um die Strahlenführung besser verdeutlichen zu können. Die Anzahl der Linsen und der Keile der Linsenbau­ gruppen bzw. Strahlablenkungsgruppen kann sich je nach den gestellten Anforderungen in praktischen Ausführungen unter­ scheiden.

In der Fig. 2a ist eine abgewandelte Variante der Erfindung dargestellt. Das Objektiv (21) besteht aus einer Linsenbau­ gruppe (27) aus mehreren Einzellinsen (27a-c) und einer Strahlablenkungsgruppe (29) aus einem Doppelprisma (29a). Außerdem befindet sich im Objektiv (21) ein Spiegel (20), welcher nur in einem zentralen kreisrunden Bereich (20b) spiegelnd ist, während er außerhalb dieses Bereiches auftref­ fende Strahlung absorbiert. Dieser als Blende wirkende Spie­ gel (20, 30) ist in Fig. 2b nochmals in Frontalansicht dar­ gestellt, wobei man hier den spiegelnden kreisrunden zentra­ len Bereich (30b) deutlicher sieht.

Wie in Fig. 1 besteht die Linsenbaugruppe (27) aus einer Positivlinse (27a) und einem Achromaten (27b, c). Der Ach­ romat (27b, c) besteht aus einer Positiv- (27b) und einer Negativlinse (27c), wobei die beiden Linsen (27b, c) dicht hintereinander angeordnet und durch eine Kittschicht (31) in bekannter Art und Weise fest miteinander verbunden sind. Dabei weist die negative Linsenoberfläche des Achromaten (27b, c) in Richtung auf den als Blende wirkenden Spiegel (20).

Am Strahlenein- bzw. -austritt befindet sich eine Strahlen­ ablenkungsgruppe (29), welche in dem in Fig. 2a dargestellten Beispiel aus einem Element, einem Keil (29a), besteht. Dieser Keil (29a) ist spiegelsymmetrisch zur optischen Achse (22) aufgebaut und besitzt jeweils ober- und unterhalb besagter optischen Achse (2) zwei ebene, sich unter einem Winkel β schneidende Flächen. Verbindet man die spitzen Endpunkte des Keils (29a) miteinander, so beträgt der dem Objektivinneren zugewandte Teilwinkel β₂ des Gesamtwinkels β ein Vielfaches des Teilwinkels β₁ zwischen der Verbindungslinie der Endpunk­ te und den zum Strahlenein- bzw. -austritt zugewandten Flä­ chen des Keils (29a).

Auch dieses Objektiv (21) liefert eine telezentrische Abbil­ dung, da die Eintritts- und die Austrittspupille im Unendli­ chen liegen. Alle ein- und austretenden Strahlen haben den gleichen Inzidenzwinkel, damit alle Hauptstrahlen in gleicher Weise durch das Doppelprisma gehen.

Alle zu dem in Fig. 1 ausgeführten optischen Gegebenheiten treffen auch für das in Fig. 2a dargestellten Objektiv (21) zu bis auf die beiden Meßbereiche, denn das Objektiv (21) liefert nur einen linienförmigen Meßbereich.

In Fig. 3 ist ein Objektiv (35) gezeigt, welches zur Entfer­ nungsmessung verwendet wird. Das Objektiv (35) entspricht dabei im Aufbau dem Objektiv (1) aus Fig. 1.

Mit dem Objektiv (35) wird die Oberfläche (45, 46) eines strukturierten Objekts, wobei die Strukturierung projiziert oder objektimanent sein kann, auf eine Sensorbildebene (36) abgebildet. Der Sensor in der Sensorbildebene (36) sollte dabei die Aufnahme eines linien- oder flächenhaften Bildes ermöglichen (z. B. CCD-Sensor), damit er für eine Messung nicht in der Meßbildebene (36) bewegt werden muß.

Die von den Objektpunkten (41, 41′) ausgehenden geneigten Hauptstrahlen (48, 48′) treffen auf die äußere Begrenzungs­ fläche (40) der als Doppelprisma ausgebildeten Strahlenablen­ kungsgruppe (39). Das telezentrische Objektiv (35) mit 1:1- Abbildung und mit zwei zu einer inneren Blende (37) spiegel­ symmetrisch angeordneten Linsenbaugruppen (44, 43) sowie seinen beiden ebenfalls zur inneren Blende (37) spiegelsymme­ trisch angeordneten Strahlenablenkungsgruppen (38, 39) sorgt dafür, daß die schräg einfallenden Hauptstrahlen (48, 48′) das Objektiv (35) wieder schräg in Richtung auf die Sensor­ bildebene (36) verlassen. Da der Abstand D zwischen der bild­ seitig angeordneten Strahlenablenkungsgruppe (38) und der Sensorbildebene (36) konstant gehalten wird, ergibt die Ent­ fernung der Auftreffpunkte (51, 51′) der bildseitigen Haupt­ strahlen (49, 49′) die Entfernung E1 der zu messenden Ober­ fläche (45) vom Objektiv (35).

Vergrößert man die Entfernung E1 des Objektes um ΔE, so hat das Objekt nun die Entfernung E2 vom Objektiv (35). Gleich­ zeitig entfernt sich dabei die zu messende Oberfläche (45) nach (46) vom Objektiv (35). Die nun von den Objektpunkten (42, 42′) ausgehenden Hauptstrahlen (47, 47′) treffen nun weiter außen auf die äußere Begrenzungsfläche (40) der als Keil ausgebildeten Strahlenablenkungsgruppe (39). Die nun aus dem Objektiv (35) austretenden Hauptstrahlen (50, 50′) tref­ fen die Sensorbildebene (36) an anderen Auftreffpunkten (52, 52′), welche näher beieinander liegen. Die Ortsveränderung der Auftreffpunkte (51, 51′; 52, 52′) zueinander steht dabei in einem linearen Verhältnis zur Entfernungsänderung ΔE des zu messenden Objektes relativ zum Objektiv (35).

Die Verwendung des Objektivs (35) als Entfernungsmesser ist möglich im Bereich der hinreichenden Tiefenschärfe, da zur Entfernungsmessung lediglich hinreichend definierbare Strahlungsschwerpunkte auf der Sensorbildebene (36) auftref­ fen müssen. Damit lassen sich ΔE-Messungen im mm-Bereich realisieren, so daß sich das Objektiv (35) hervorragend zur Stabilisierung einer Entfernungseinstellung eignet.

Claims (10)

1. Objektiv zur Messung von Entfernungen mit mindestens einer Linsenbaugruppe, wobei die Linsenbaugruppe aus mehreren Linsen aufgebaut ist und mit mindestens einer Strahlablenkungsgruppe an dem Strahleneintritt und an dem Strahlenaustritt des Objektivs, wobei jede Strahlablen­ kungsgruppe aus mindestens einem Element besteht, dadurch gekennzeichnet, daß jede Strahlablenkungsgruppe (8, 9, 29, 38, 39) einen brechenden Keil (8a, 9a, 29a + b, 38a, 39a) besitzt, daß der Keil (8a, 9a, 29a + b, 38a, 39a) mindestens auf einer Seite einen Knick (8b, 9b, 29c, 38b, 39b) besitzt, daß der Knick (8b, 9b, 29c, 38b, 39b) mög­ lichst senkrecht zur optischen Achse (2, 22, 53) steht und daß der Knick (8b, 29c, 39b) am Strahleneintritt und der Knick (9b, 29c, 38b) am Strahlenaustritt auf­ einander bezogen möglichst parallel verläuft.

2. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen (6a, b, c; 27a, b, c) des Objektivs (1, 21, 35) so angeordnet sind, daß das Objektiv (1, 21, 35) eine tele­ zentrische Abbildung liefert.

3. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte optische Weg jedes Strahls eines beliebigen Öffnungsbündels in der Summe durch zumindest alle Strahlablenkungsgruppen (8, 9, 29, 38, 39) gleich lang ist.

4. Objektiv nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Winkel der Keile (8a, 9a, 29a + b, 38a, 39a) so gewählt sind, daß in der Summe aller Keile (8a, 9a, 29 a + b, 38a, 39a) kein zusätzlicher Astigmatismus entsteht.

5. Objektiv nach einem der Asprüche 1-4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Winkel jedes Keils (8a, 9a, 29a + b, 38a, 39a) so gewählt sind, daß die Kombination von den erzeug­ ten Teilumlenkungen keinen zusätzlichen Astigmatismus er­ zeugt.

6. Objektiv nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bezüglich des Objektivmittelpunktes die beiden Linsenbaugruppen (6, 7; 43, 44) und/oder die bei­ den Strahlablenkungsgruppen (8, 9, 38, 39) symmetrisch angeordnet sind.

7. Objektiv nach einem der Anpsrüche 1-6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abbildung des Objektivs (1, 21, 35) 1:1 ist.

8. Objektiv nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Keile (8a, 9a, 29a + b, 38a, 39a) spiegelsymmetrisch bezüglich einer Ebene durch ihren Knick (8b, 9b, 29c, 38b, 39b) aufgebaut sind.

9. Objektiv nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Knicks (8b, 9b, 29c, 38b, 39b) der Keile (8a, 9a, 29a + b, 38a, 39a) in einer Ebene, welche die optische Achse (2, 22, 53) beinhaltet, ausgerichtet sind.

10. Objektiv nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Keil (8a, 9a, 29a + b, 38a, 39a) nur plane Strahlendurchtrittsflächen besitzt.