DE4343636C2 - Vorrichtung zur bildorientierten Scharfstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fokuseinstellung eines optischen Abbildungssystems, bestehend aus einem in Richtung der optischen Achse verstellbaren Objektiv, einem total reflektierenden Spiegel, der Licht auf einen außerhalb des Strahlenganges befindlichen Strahlungs­ detektor lenkt, dessen Ausgang mit einer Auswerteelektronik verbunden ist, die Steuersignale an einen Stellantrieb für das Ob­ jektiv liefert.

Die Patentschrift DE 33 23 384 offenbart eine Autofokusvor­ richtung, die eine bewegliche Zoomlinse umfaßt. Hinter der Zoomlinse und vor der afokalen Linse befindet sich ein total reflektierender Streifenspiegel oder, wie im zweiten Aus­ führungsbeispiel dargestellt, ein im wesentlichen total reflektierender Rundspiegel. In beiden Ausführungsbeispielen ist es die Aufgabe des verwendeten Spiegels, Licht auf eine Detektoranordnung zu lenken, die sich außerhalb des Strahlenganges befindet. Die Detektoranordnung besteht aus zwei Detektoren A und B, aus deren photoelektrischem Signal der Fokuszustand des Objektivs ermittelt wird. Ein Nachteil dieser Anordnung ist, daß auf Grund der Abmessungen der ver­ wendeten Spiegel relativ viel Strahlung ausgeblendet wird, die somit der Abbildung mittels der Hauptlinse auf die Bild­ ebene verloren geht.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Fein­ fokusierung von optischen Instrumenten ist in der Offen­ legungsschrift 34 39 304 offenbart Mittels eines Strahl­ teilers wird Strahlung in Richtung eines Okulars projiziert, derart, daß eine vorläufige Scharfeinstellung erzielt werden soll. Nach dieser ersten manuellen Scharfstellung wird mittels einer weiteren Abtastvorrichtung ein schmaler, durchsichtiger Schlitz über das Objekt geführt. Das durch den Schlitz hindurchtretende Licht wird von einem Photo­ detektor abgefühlt. Die von dem Photodetektor abgegebenen elektrischen Signale werden ausgewertet, indem der Kanten­ wert (K=1/(dp/dx)) des abgetasteten Signals bestimmt wird. Der Weft dp/dx ist die Änderungsrate der Helligkeit, die groß ist, wenn optimal scharf gestellt ist. Eine elektrische Antriebsvorrichtung stellt dann auf den Punkt des optimalen Schärfezustandes ein. Der Detektor befindet sich im Strahlengang und wird zur Bestimmung des Schärfezustandes in der Bildebene verfahren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die ein Objektiv eines optischen Abbildungssystems auto­ matisch in den Fokuszustand bringt. Hinzu kommt, daß der für die Abtastung des Bildes verwendete Spiegel die Projektion oder Abbildung nicht stören soll.

Dies wird erfindungsgemäß für die gattungsgemäße Vorrichtung dadurch erreicht, daß die Fläche des total reflektierenden Spiegels etwa den 10ten Teil der Fläche des Objektivs bemißt, daß der Strahlungsdetektor und der Spiegel kollinear angeordnet sind, daß der Spiegel im Bereich der Eintritts­ pupille des Objektivs periodisch durch den Strahlengang des Objektivs be­ wegbar ist, und daß der Spiegel die Form eines Segments eines Kreisringes besitzt, dessen Fläche um einen Winkel dα verwunden ist. Der Abstand a_D des Spiegels zur ersten Ebene und der Abstand a_S des Spiegels zum Strahlungsdetektor sind dabei gleich bemessen.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen darin, daß der verwendete Spiegel klein gehalten ist, was zudem die Tiefenschärfe für die Bildauswertung bzw. für die Schärfe­ ermittlung erhöht. Ferner wird durch den kleinen Spiegel, der mit einer bestimmten Frequenz durch den Strahlengang bewegt wird, das zur Abbildung benötigte Licht kaum ge­ schwächt.

Hinzu kommt, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowohl die Lage des Spiegels, im Bereich nahe der Eintritts­ pupille des Objektivs als auch die Bewegungsfrequenz des Spiegels durch den Strahlengang in geeigneter Weise derart zusammenwirken, daß der Spiegel bei der Projektion für das menschliche Auge unsichtbar ist. Bei der Bildaufnahme können die mechanischen Mittel bequem angehalten werden, so daß der Spiegel während der Belichtung außerhalb des Strahlenganges verbleibt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Strahlungs­ detektor mit einer Abschirmung gegen Streulicht versehen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß eine einzige Fotodiode genügt, um die für die differenzielle Flankenauswertung erforderlichen Spannungs­ signale zu liefern.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispiels wird der Gegenstand der Erfindung beschrieben. Die Zeichnung zeigt in der

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zum bildorientierten Scharfstellen,

Fig. 2 eine Detaildarstellung der Anordnung des Spiegels der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Scan-Winkels α als Funktion des Segmentwinkels Φ, und

Fig. 4 eine Ansicht des für die Strahlausblendung verwen­ deten Spiegels aus drei verschiedenen Blickwinkeln.

Die in der Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 zum bildorientier­ ten Scharfstellen gibt eine Ausführungsform eines Projek­ tionsapparates wieder. Die mögliche Verwendung der Vorrich­ tung 1 bei Bildaufnahmevorrichtungen (Fotoapparate, Video­ kameras und dgl.) ist gegeben, deshalb wird in der folgenden Beschreibung nicht näher darauf eingegangen.

Zum automatischen Scharfstellen eines Objekts ist ein ver­ stellbares Objektiv 4 vorgesehen, das in Richtung des Pfeils S bewegt werden kann. Das Objekt, das sich in einer ersten Ebene 2 befindet, wird mittels des Objektivs in eine zweite Ebene 12 abgebildet. Zur Ermittlung des Fokuszu­ standes des Bildes in der zweiten Ebene 12 befindet sich un­ mittelbar hinter dem Objektiv 4 ein total reflektierender Spiegel 8. Der Spiegel 8 hat die Form eines Kreissegmentrin­ ges, dessen Segmentfläche um den Winkel dα verwunden ist. Die räumliche Form des Spiegels wird weiter unten genauer beschrieben.

Der Spiegel 8 ist an einem Ausleger 13 angebracht, der an der Drehachse eines Motors 14 befestigt ist. Bei Betrieb des Elektromotors 14 wird der Spiegel mit einer bestimmten Frequenz durch den Strahlengang bewegt, die der Umlauf­ frequenz des Motors 14 entspricht.

Außerhalb des Strahlenganges ist ein Strahlungsdetektor 16 angebracht, der mit einer Abschirmung 18 gegen Streulicht versehen ist. Vorzugsweise ist der Strahlungsdetektor 16 eine Fotodiode. Während sich der Spiegel 8 an der Eintritts­ pupille des Objektivs 4 vorbeibewegt, wird der gescante Bildanteil auf die punktförmige Fotodiode 16 abgebildet. Der Abstand a_D zwischen der ersten Ebene 2 und dem Spiegel 8 ist gleich dem Abstand a_S zwischen dem Spiegel 8 und der Foto­ diode 16. Die Ausgangssignale der Fotodiode 16 werden über eine Leitung 11 und die Auswerteelektronik 10 gesandt.

Mit der Auswerteelektronik 10 wird die Stellung des Objek­ tivs 4 auf maximale Steilheit der Kontrastübergänge einge­ regelt. Das von der Fotodiode 16 abgegebene Signal wird mittels der Auswerteelektronik 10 differenziert und anschließend wird vom differenzierten Signal der Betrag gebildet. Die zeitliche Änderung der von der Fotodiode 16 abgegebenen Spannung wird erfaßt und liefert eine Antriebs­ spannung für ein Stellmittel 6, das von der Auswerteelek­ tronik 10 über eine Leitung 7 die Steuerimpulse erhält. Je nach ermitteltem Fokuszustand wird das Objektiv 4 parallel zur optischen Achse A-A im Richtung des Pfeils S hin- und herbewegt bis der Fokus erreicht ist, d. h. bis die maximale Steilheit der Kontrastübergänge erreicht ist.

Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt der in Fig. 1 dargestell­ ten Vorrichtung 1. Wie bereits oben erwähnt, wird der total reflektierende Spiegel 8 mittels eines Auslegers 13, der mit der Drehachse des Motors 14 verbunden ist, periodisch durch den Strahlengang des Objektivs 4 bewegt. Bei Beginn der Ab­ bildung einer Linie aus der zweiten Ebene 12, ist eine erste Kante 20 des Spiegels 8 um den Winkel α_f im Uhrzeigersinn gegen die Verbindungslinie B-B zwischen der Fotodiode und der Mittellinie des Kreissegmentringes des Spiegels 8 ge­ neigt. Aufgrund der Verwindung des Kreissegmentringes ändert sich dieser Winkel während der Bewegung des Spiegels 8 kon­ tinuierlich bis eine zweite Kante des Spiegels 8 einen Win­ kel α_S mit der Verbindungslinie B-B einschließt. In Fig. 3 ist dieser funktionelle Zusammenhang graphisch dargestellt. Auf der Abszisse ist der Segmentwinkel Φ aufgetragen, der die Abmessung des Spiegels 8 angibt. Die Drehzahl des Motors 14 und der Segmentwinkel Φ des Kreissegmentringes legen die Zeit fest, die sich der Spiegel 8 im Strahlengang des Objek­ tivs befindet. Während dieser Zeit wird eine Linie der zwei­ ten Ebene 12 auf die Fotodiode 16 abgebildet.

Die Fig. 3 zeigt den funktionellen Zusammenhang zwischen dem Segmentwinkel Φ und dem auf der Ordinate aufgetragenen Scan-Winkel α. In der graphischen Darstellung in Fig. 3 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel gewählt, wobei der Spie­ gel derart symmetrisch verwunden ist, daß bei halbem Seg­ mentwinkel Φ/2 der Spiegel einen Neigungswinkel zur Verbin­ dungslinie B-B von 45° besitzt.

Zur besseren Veranschaulichung der Raumform des Spiegels 8 ist dieser in Fig. 4 in drei verschiedenen räumlichen Ansich­ ten dargestellt. Die auf dem Spiegel 8 eingezeichneten Gitterlinien sind hier nur zur Verdeutlichung der Verwindung des Kreissegmentringes eingefügt. Ein Teil des Auslegers 13 ist dargestellt, an dem der Spiegel 8 befestigt ist. Beson­ ders deutlich ist die Verwindung der ersten und der zweiten Kante 20 bzw. 21 in beiden Darstellungen zu erkennen, in denen die x-Achse und die y-Achse oder die x-Achse und die z-Achse parallel zur Zeichenebene liegen.

Claims (11)

1. Vorrichtung (1) zur Fokuseinstellung eines optischen Abbildungssystems, bestehend aus einem in Richtung der optischen Achse (A-A) verstellbaren Objektiv (4), einem total reflektierenden Spiegel (8), der Licht auf einen außerhalb des Strahlenganges befindlichen Strahlungsdetektor (16) lenkt, dessen Ausgang mit einer Auswerteelektronik (10) verbunden ist, die Steuersignale an einen Stellantrieb (6) für das Objektiv (4) liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des total reflektierenden Spiegels (8) etwa den loten Teil der Fläche des Objektivs (4) bemißt, daß der Strahlungsdetektor (16) und der Spiegel (8) kollinear angeordnet sind, daß der Spiegel (8) im Bereich der Eintrittspupille des Objektivs (4) periodisch durch den Strahlengang des Objektivs (4) bewegbar ist, und daß der Spiegel (8) die Form eines Segments eines Kreisringes besitzt, dessen Fläche um einen Winkel (dα) verwunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem ein Projektionsapparat ist, mit dem ein Objekt in der ersten Ebene (2) in eine zweite Ebene (12) abbildbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem eine Bildaufnahmevorrichtung ist, mit der ein Gegenstand in der zweiten Ebene (12) in die erste Ebene (2) abbildbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwindung der ersten und der zweiten Kante (20 und 21) in Bezug auf eine Winkelhalbierende des Kreissegmentringes gleich groß bemessen ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Strahlengang eingeführte Spiegel (8) einen ersten Winkel (α_f) mit einer Achse (B-B) bildet, auf der der Strahlungsdetektor (16) sitzt, und daß nach einer Bewegung des Spiegels (8) um den Segmentwinkel (Φ), dieser mit der Achse (B-B) einen Winkel (α_s) einschließt, der größer als der Winkel (α_f) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (8) im Strahlengang nach einer Bewegung um den Segmentwinkel (Φ/2) mit der Achse B-B einen Winkel von (45°) einschließt.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (8) an einem Ausleger (13) befestigt ist, der mit der Welle eines Motors (14) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsdetektor (16) eine Fotodiode ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsdetektor (16) mit einer Abschirmung (18) gegen Streulicht versehen ist.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (10) die elektrischen Signale des Strahlungsdetektors (16) differenziert und das Objektiv (2) auf maximalen Kontrast einstellt.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a_D) des Spiegels (8) zur ersten Ebene (2) und der Abstand (a_S) des Spiegels (8) zum Strahlungsdetektor (16) gleich groß bemessen ist.