DE3039425A1

DE3039425A1 - Einrichtung zur fotoelektrischen bestimmung der lage mindestens einer schaerfenebene eines bildes

Info

Publication number: DE3039425A1
Application number: DE19803039425
Authority: DE
Inventors: Horst 6330 Wetzlar Schmidt
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1980-10-18
Filing date: 1980-10-18
Publication date: 1982-05-19
Also published as: GB2086567B; GB2086567A; FR2492544B1; FR2492544A1; NL8104724A; SE8106136L; US4465366A

Description

den 2 5.09;· 1980

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Patentabteilung

Einrichtung zur fotoelektrischen Bestimmung der Lage mindestens einer Schärfenebene eines Bildes

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur fotoelektrischen Bestimmung der Lage mindestens einer Schärfenebene eines Bildes gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

Einrichtungen dieser Art sind bekannt. In der DE-PS 23 20 940 ist ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Entfernungsmessung mittels eines optischen, sich aus einer Abbildungsoptik, einer mindestens in der Nähe der Bildebene dieser Optik angeordneten Rasterstruktur als Ortsfrequenzfilter sowie wenigstens einem dieser zugeordneten fotoelektrischen Wandlersystem zusammensetzenden Korrelators beschrieben. Zur Messung einer Objektentfernung - der Bestimmung der Lage der Bildschärfenebene moduliert die Rasterstruktur gemeinsam Lichtflüsse, welche unterschiedliche Bereiche der Eintrittspupille der Abbildungsoptik durchlaufen, und führt diese nach geometrischer oder physikalischer oder durch eine mittels einer zusätzlichen Modulation entsprechend den Pupillenbereichen durchgeführter Aufspaltung aufeinanderfolgend

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Patentabteilung

einem gemeinsamen oder gleichzeitig getrennten fotoelektrischen Empfänger(n) zu. Die Ausgangssignale der Empfänger dienen dann der Steuerung einer Anzeige- und/oder Nachführeinrichtung.

Der Nachteil dieser Einrichtung liegt darin, daß beispielsweise mechanische auf den Strahlengang wirkende Veränderungen innerhalb der Einrichtung zu SignalVerschlechterung, ja sogar zu Signalverfälschungen führen können. Deshalb ist bereits in der DE-OS 24 60 805 vorgeschlagen worden, in einer wie oben beschriebenen Einrichtung einen optischen Sensor vorzusehen, der auf solche beispielsweise aus thermischen Einflüssen resultierende Veränderungen anspricht und der elektrische Signale erzeugt, die zur Anzeige und/oder Korrektur der genannten Veränderungen bzw. deren optische Effekte benutzt werden.

Zur Bestimmung der Lage der Schärfenebene eines Bildes werden bei Einrichtungen der beschriebenen Art Lichtflüsse genutzt, die zum sichtbaren Spektralbereich des Lichtes gehören. Für Messungen mit Wellenlängen aus dem unsichtbaren bzw. dem sichtbaren eng benachbarten Spektralbereich des Lichtes wären bei wie oben beschriebenen Einrichtungen aufwendige und zeitraubende Umbauten erforderlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, mit welcher die Lage der Schärfenebene eines Bildes aus Lichtflüssen bestimmbar

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ist, deren Wellenlängen sowohl im sichtbaren als auch im unsichtbaren oder um den sichtbaren benachbarten Spektralbereich des Lichtes liegen. Die Einrichtung soll außerdem wechselweise von einem Spektralbereich zum andem umschaltbar sein und sich ferner durch eine kompakte Bauweise auszeichnen.

Für eine Einrichtung der eingangs genannten Art gelingt die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß als Korrelator-Abbildungssystem ein katadioptrisch.es System verwendet und die Rasterstruktur des optischen Korrelators in der Brennebene des katadioptrischen Systems gelagert ist.

Es kann vorgesäien sein, daß zwei foto elektrische Wandlersysteme unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit sowie Mittel vorhanden sind, welche eine wechselweise Auswertung der aus dem Zusammenwirken der Objektbilder mit der Rasterstruktur resultierenden Lichtflüsse mittels eines der fotoelektrischen Wandlersysterne gestatten.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und im Folgenden näher beschieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung im Schnitt; Fig. 2 eine erfindungsgemäße Einrichtung mit einem Strahlenteiler zur wechselweisen Auswertung

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von Lichtflüssen unterschiedlicher Spektralbereiche;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform zur wechselweisen Auswertung von Lichtflüssen unterschiedlicher Spektralbereiche in Einzelheit und

Fig. 4 eine andere Ausführungsform zur wechselweise! Auswertung von Lichtflüssen unterschiedlicher Spektralbereiche in perspektivischer Darstellung.

Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen mit optischer Korrelation arbeitenden Entfernungsmesser, dessen abbildendes System aus einem katadioptrischen System besteht. Dieses System setzt sich aus einer Abdeckscheibe 1, einem aus Linse 2 und Linse 3 bestehenden Schiebesystem, Hauptspiegeln 4 und 5 sowie einem Sekundärspiügel 6 zusammen. In der Brennebene 7 des katadioptrischen Systems 1 - 6 ist senkrecht zur optischen Achse 8 des Systems 1-6 eine Rasterstruktur 9 angeordnet, die mittels eines Antriebs 10 in RichLung des Doppelpfeils 11 in eine oszillatorische oder kontinuierliche Bewegung versetzbar ist.

In Lichtrichtung nach der Rasterstruktur 9 ist eine Feldlinse 12 montiert. Sie dient der Abbildung unterschiedlicher Pupillenbereiche 13 und 14 auf fotoelektrische Empfängersysterne 15 und 16.

Eine den fotoelektrischen Empfängersystemen 15, 16 nachgeschaltete Vergleichsstufe 17 vergleicht die Phasen der an den Ausgängen der Empfängersysterne 15, 16 anstehenden

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elektrischen Signale und erzeugt aus diesem Vergleich ihrerseits ein Signal, welches in einer auf die Vergleichsstufe 17 folgenden Prozeßschaltung 18 zu einem Steuersignal verarbeitet wird, das über eine Servoeinrichtung 19 die Verstellung der Schieblinse 3 steuert.

Die soweit beschriebene Einrichtung arbeitet in folgender Weise:

Durch die Aufteilung des katadioptrischen Systems 1-6 in eine linke bzw. rechte Seite 1 bzw. 2> 3 erfolgt die Aufspaltung der Eintrittspupille dieses Systems in dia-r metrale Pupillenbereiche 13 und 14. Die aus diesen Bereichen herrührenden Lichtflüsse werden über die Hauptspiegel 4 und 5 zum Sekundärspiegel 6 gelenkt, der sie zur Brennebene 7 fokussiert. Die dort befindliche, oszillierende oder kontinuierlich bewegte Rasterstruktur moduliert die Lichtflüsse. Die der Rasterstruktur 9 nachfolgende Feldlinse 12 bildet die Pupillenbereiche und 14 auf die fotoelektrischen Empfängersysteme 15 und 16 ab, die aufgrund der sich bewegenden Rasterstruktur periodisch beaufschlagt werden. Wie bereits weiter oben beschrieben, vergleicht die Vergleichsstufe 17 die aus der Beaufschlagung der fotoelektrischen Empfängersysteme 15 und 16 entstehenden elektrischen Signale auf ihre Phasenlagen. Die Lage der Schärfenebene eines Objektbildes, aus welcher- sich in bekannter Weise die Entfernung ableiten läßt, ist dann bestimmt, wenn gleiche Phasenlage (Phasengleichheit) erreicht ist.

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Der Gleichlichtanteil aus in dieser Weise gewonnenen Signalen kann eliminiert werden, wenn in bekannter Weise Empfängergruppen verwendet werden, die gegenphasige Signale liefern, die außerdem noch bei Gleichlage von Bildebene und Rasterebene ein besonders stark ausgeprägtes Amplitudenmaximum besitzen.

Es ist einzusehen, daß die bis hier beschriebene Einrichtung für Störungen anfällig ist, die durch eine mechanische Verlagerung optischer Bauteile, z. B. durch thermische Einflüsse, entstehen können. Durch die Effekte dieser Störungen können dann die Meßergebnisse verfälscht werden.

Um derartige Beeinflussungen erkennen und auch ihre Wirkung eliminieren zu können, ist die in Fig. 1 gezeigte Einrichtung durch eine Anordnung ergänzt, welche auf die mechanischen, die Lichtflüsse des optischen Korrelationsentfernungsmesser beeinflussenden Veränderungen anspricht.

Diese Anordnung weist sowohl für den Strahlengang der linken als auch der rechten Seite 1 bzw. 2, 3 des katadioptrischen Systems je eine Lichtquelle 20 bzw. 21 auf, die je einen Lichtstrahl aussendet. Diese Lichtstrahlen beleuchten über je einen Umlenkspiegel 22 bzw. 23 je einen Markenträger 24 bzw. 25, welche über optisehe Systeme 26 bzw. 27 abgebildet werden. Mittels zweier Umlenkprismen 28 und 29 werden die die optischen Systeme 24, 25 verlassenden Stiäilenbündel an die Strahlenbündel der Pupillenbereiche 13, 14 angekoppelt

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und durchlaufen bis zur Brennebene 7 mit diesen gemeinsam die Hauptspiegel 4 und 5 sowie den Sekundärspiegel 6. Dabei aber ist die räumliche Lagerung der diese Referenzstrahlen erzeugenden Bauteile 20 - 29 derart, daß die von ihnen erzeugten Bilder der Markenträger 24 bzw. 25 die Bilder der Pupillenbereiche 13, 14 nicht beeinträchtigen. Im dargestellten Fall werden die Bilder der Markenträger 24, 25 mit auf die Rasterstruktur 9 abgebildet, jedoch bezogen auf die Bewegung der Rasterstruktur, wie beispielsweise durch die DE-OS 24 54 883 bekannt, in einer anderen Zeilenlage. Den Bereichen der Bilder der Markenträger 24, 25 sind fotoelektrische Empfängersysteme 30, 31 zugeordnet, deren Ausgangssignale ein Maß für mechanische, die Lichtflüsse des optischen Korrelators 1 bis 9 beeinflussende Veränderungen ist. Sie werden der Prozeßschaltung 18 zugeführt, in welcher sie rechnerisch berücksichtigt werden. Sie können aber*M£tir Ingangsetzung einer Kompensationssteuerung verwendet werden.

In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist die Durchlicht-Rasterstruktur 9 aus Fig„ 1 durch eine Auflicht-Rast er struktur (Reflexionsgitter) 32 ersetzt. Zur Abbildung der unterschiedlichen Pupillenbereiche 13 und 14 ist eine Linse 33 in den reflektierenden Strahlengang eingebracht. Außerdem ist in diesem Strahlengang ein Strahlenteiler 34 angeordnet, dessen Teilerschicht 35 einerseits für die Strahlung eines vorgegebenen Spektralbereiches durchlässig ist und andererseits Strahlung eines anderen Spektralbereiches reflektiert.

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Der Strahlenteiler 34 kann aber auch in einer nicht mil dargestellten Schwenkvorrichtung gehaltert sein, so daß bei Verschwenken des Strahlenteilers 34 und somit der Teilerschicht 34 um 90 die von der Linse 33 erzeugten Bilder der Pupillenbereiche 13, 14 wechselweise fotoelektrische Empfängersysteme 36, 37 bzw. 38, 39 beaufschlagen, deren Empfindlichkeit auf die Strahlung aus unterschiedlichen Spektralbereichen abgestimmt ist.

Die Verarbeitung der an den Empfängersystemen 36, 37 bzw. 38, 39 entstehenden elektrischen Signale erfolgt, wie zu Fig. 1 beschrieben.

Zur Erkennung bzw. Eliminierung mechanischer Veränderungen innerhalb der Einrichtung ist dieselbe, wie auch die in Fig. 1 gezeigte Einrichtung, mit einer Anordnung ergänzt, welche auf derartige Veränderungen anspricht. Sie unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten lediglich dadurch, daß zur Abkopplung des Referenzstrahles von den Strahlenbündeln der Pupillenbereiche 13 und 14 nach der Linse 33 im vom Reflexionsgitter 32 reflektierten Lichtfluß ein Umlenkspiegel 40 angeordnet ist, über welchen fotoelektrische Empfängersysteme 41 und 42 mit ebenfalls vom Reflexionsgitter 32 modulierten Lichtflüssen aus den Bildern der Markenträger 24 bzw. 25 beaufschlagt werden. Die Ausgangssignale der fotoelektrischen Empfängersysteme 41 und 42 werden, wie zu Fig. 1 beschrieben, in der Prozeßschaltung 18 weiterverarbeitet oder aber werden zur Ingangsetzung einer !Compensations steuerung verwendet.

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Patentabteilung

Für den wechselweisen Betrieb einer solchen Einrichtung im sichtbaren bzw. unsichtbaren Spektralbereich des Lichtes ist es auch möglich, Rasterstrukturen vorzusehen, die auf unterschiedliche Spektralbereiche abgestimmt sind und die wechselweise eingeschaltet werden können. Eine solche Umschaltmöglichkeit ist in Fig. 3 schematisch und in Einzelheit dargestellt.

In der Brennebene 7 des Sekundärspiegels 6 sind in Richtung des Doppelpfeiles oszillierbare oder kontinuierlich bewegbare Rasterstrukturen 43 und 44 angeordnet, die jeweils auf einen vorgegebenen Spektralbereich abgestimmt sind. Zur Abbildung der Pupillenbereiche 13 und 14 auf die nicht mehr mit dargestellten fotoelektrischen Empfängersysteme folgen den Rasterstrukturen 43 und 44 Feldlinsen 45 url 46. Die Umschaltung auf die eine- oder andere Rasterstruktur erfolgt über den Sekundärspiegel 6, der zu diesem Zwecke auf einem in einem Gehäuse 47 lagernden Halbzylinder 48 montiert ist. Mittels an sich bekannter Stellvorrichtungen, wie z.B. Hebel, Schubstangen und ähnliches, wird der den Sekundärspiegel 6 tragende Halbzylinder 48 so weit auf einer zu seiner optischen Achse senkrechten Achse verschwenkt, daß die Lichtflüsse aus den Pupillen bereichen 13 und 14 jeweils auf die Rasterstruktur gelenkt wird, die auf den Spektralbereich abgestimmt ist, in welchem die Einrichtung arbeiten soll.

Eine weitere Umschaltmöglichkeit ist in Fig. 4 gezeigt. Dazu sind die in Piezobiegern 49,50 gehalterten Rasterstrukturen 43, 44 auf einem Schlitten 51 montiert, der

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in einer Führung läuft, die durch die schwalbenschwanzförmige Ausbildung 52 der Schlittenunterseite angedutet ist. An der Schlittenunterseite ist ein Gelenkstück 53 befestigt, an welchem ein Klauenhebel 54 angreift. Bei Kippen des Klauenhebels 54 werden die Rasterstrukturen 43, 44 in der Brennebene 7 des Sekundärspiegels 6 so verschoben, daß sie jeweils nur von Lichtflüssen desjenigen Spektralbereiches durchsetzt werden, auf welchen sie abgestimmt sind.

In den dargestellten Ausführungsformen ist der Referenzstrahl der Fehlererkennungsanordnung stets an die Lichtflüsse des Spektralbereiches angekoppelt, in dem die Einrichtung arbeiten soll. Seine Modulation erfolgt auch durch die die Lichtflüsse aus den unterschiedlichen Pupillenbereichen modulierende Rasterstruktur. Es versteht sich hierbei, daß der Referenzstrahl zusätzlich gepulst werden muß, damit seine Abkoppclung von den zur Messung verwendeten Lichtflüssen leichter vorgenommen werden kann.

Es ist aber auch denkbar, den Referenzstrahl nicht an die Strahlenbündel aus den unterschiedlichen Pupillenbereichen anzukoppeln und ihm eine von den anderen getrennte Rasterstruktur zuzuordnen.

Claims

•.Wetzlar, den 25.09.1980 : Pat Mü/Gr Ä*2134 / B 2998 Ansprüche

1. Einrichtung zur fotoelektrischen Bestimmung der Lage mindestens einer Schärfenebene eines Bildes mit einem optischen Korrelator, der ein Abbildungssystem, wenigstens eine mindestens in der Nähe der Bildebene dieses Abbildungssystems angeordnete Rasterstruktur als Ortsfrequenzfilter sowie dieser nachgeordnet wenigstens ein fotoelektrisches Wandlersystem aufweist und bei dem die von einem vorzugsweise unmarkierten Objekt ausgehenden, unterschiedliche Pupillenbereiche des Abbildungssystems durchlaufende Lichtflüsse vom Ortsfrequenzfilter gemeinsam moduliert und die aus dem Zusammenwirken von Objektbildern und Rasterstruktur resultierenden Lichtflüsse in elektrische Signale zu Anzeige- und/oder Regelzwecken gewandelt werden, und mit einem optischen Sensor, der auf mechanische, die Lichtflüsse des optischen Korrelators beeinflussende Veränderungen anspricht und elektrische Signale erzeugt, die zur Anzeige und/oder Korrektur der genannten Veränderungen bzw. deren optische Effekte benutzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Korrelator -

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Abbildungssystem ein katadioptrisches System (1 - 6) verwendet und die Rasterstruktur (9, 32, 43, 44) des optischen !Correlators (1 - 16) in der Brennebene (7) des katadioptrischen Systems (1 - 6) gelagert ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei fotoelektrische Wandlersysterne (36, 37) unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit sowie Mittel (34, 48, 51 - 54) vorhanden sind, welche eine wechselweise Auswertung der aus dem Zusammenwirken der Objektbilder mit der Rasterstruktur (32, 43, 44) resultierenden Lichtflüsse mittels eines der fotoelektrischen Wandlersysteme (36, 37) gestatten.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur wechselweisen Auswertung wenigstens ein Strahlenteiler (34) vorgesehen ist, dessen Teilerschicht (35) Strahlung eines Spektralbereiches zu jeweils einem fotoelektrischen Wandlersystem (36, 37) reflektiert bzw. durchläßt.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennebene (7) des katadioptrischen Systems (1 - 6) zwei auf unterschiedliche Spektralbereiche abgestimmte Rasterstrukturen (43, 44) gelagert sind und daß zur wechselweisen Einschaltung dieser Rasterstrukturen in den Strahlengang des katadioptrischen Systems (1 - 6) der Sekundärspiegel (6) dieses Systems auf einer zu seiner optischen Achse (8) senkrechten, horizontalen Achse (55) schwenkbar gelagert ist.

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5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennebene (7) des katadioptrischen Systems (1 - 6) zwei auf unterschiedliche Spektralbereiche abgestimmte Rasterstrukturen (43,

44) gelagert und zur wechselweisen Einschaltung in den Strahlengang des katadioptrischen Systems (1 - 6) in der Brennebene (7) verschiebbar sind.

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die'Rasterstruktur (32) als Reflexionsgitter ausgebildet ist.

7. Einrichtung nach einem der Vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rasterstruktur(en) (9, 32, 43, 44) bewegbar gelagert ist (sind) und daß Mittel (10, 49) zur oszillatorischen oder kontinuierlichen Bewegung der Struktur(en) vorgesehen sind.