DE2944161A1

DE2944161A1 - Vorrichtung zur feststellung der schaerfeneinstellung eines optischen systems

Info

Publication number: DE2944161A1
Application number: DE19792944161
Authority: DE
Inventors: Teruo Iwasawa; Yoshio Nakajima; Shuichi Takayama; Kosaku Tsuboshima; Masafumi Yamazaki
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1978-11-01
Filing date: 1979-11-02
Publication date: 1980-05-08
Also published as: US4314150A; DE2944161C2; JPS5560903A

Description

PATENTANWÄLTE

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DR.-ING. FRANZ TUElTHOfP DR. »Hit. PREDA TUESTHOfP (1917-I95O D1PL.-INC. CERHARD PULt (l9)l-I97l) DIPU-CHEM. DR. E. PREIHERR VON PBCHMANN DR.-INC. DIETER IEHRENS D1PL.-1NC.; DIP1.-VIRTSCH.-INC. RUPERT COITZ

D-8000 MÜNCHEN SCHWEIGERSTRASSE 2

TELlPON: (089) £< IO 5 I

teuce.auii: protbctpatent telex: 514070

1.--52 953

Anmelder:

Olympus Optical Company Limited, 43-2, 2-Chome, Hatagaya, Shibuya-Ku, Tokyo, Japan

Titel:

Vorrichtung zur Feststellung der Schärfeeinstellung eines optischen Systems

03001 9/091 B

* DK.-INC. FRANZ VUESTHOFF

PATENTANWÄOTl· _D

WUESTHOFF-ν. PECHMANN-BEHRENS-GOETZ dipl.-ing.ge.hakd pul,

DIFL.-CHEM. DR. E. FXEIHERR VON PECHMANN PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE DR.-ING. DIETER BEHRENS

MANDATAIRES AGREES FRiS L'OFFICE EUXOPEEN DES BREVETS DIPL.-ING.; DIPL.-VIRTSCH.-ING. RUPERT GOETZ

D-8000 MÜNCHEN SCHWEIGERSTRASSE

telefon: (089) 6(2051 telegramm: protectpatent telex: 524070

1 -52 953

Vorrichtung zur Feststellung der Schärfeneinstellung eines optischen Systems

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten derartigen Vorrichtung sind fotoelektrische Wand lere leinen te wie eine CdS-ZeIIe oder dergleichen vor und hinter einer Abbildungsfläche eines optischen Systems angeordnet, deren Beleuchtungssignal zur Feststellung der Slchärf eneins te llung miteinander verglichen werden. Wenn bei dieser Vorrichtung das optische System scharf eingestellt ist, müssen die Beleuchtungssignale der beiden fotoelektrischen Wand lerelemente gleich sein, wobei es jedoch schwierig ist, diese beiden Elemente richtig anzuordnen, und die Genauigkeit gering ist, da die Beleuchtungssignale bei fester Lage verglichen werden.

Bei einer weiteren, entsprechend aufgebauten Vorrichtung werden auf diese beiden Elemente fokussierte Abbildungen von einem Drehspiegel abgetastet und die Kontraste der Abbildungen auf diesen Elementen werden ermittelt und miteinander verglichen, um dadurch die Schärfeeinstellung festzustellen. Auch bei dieser Vorrichtung müssen, wenn das optische System scharf eingestellt ist, die beiden Elemente so angeordnet sein, daß die Kontraste der Abbildungen auf den beiden fotoelektrischen Wand lere lementen gleich sind, wobei es ebenfalls schwierig ist, diese Elemente richtig anzuordnen. Außerdem muß zur Ermittlung der Kontraste ein Beleuchtungssignal einer Bildelementanordnung durch Abtastung einer Abbildung erzeugt werden, die in

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einer Ebene senkrecht zur optischen Achse bei einer bestimmten Lage der jeweiligen fotoelektrischen Wandlerelemente auf den Lichtempfangsflächen der jeweiligen Elemente gebildet wird, so daß ein Drehspiegel zur Abtastung und eine Antriebseinrichtung hierzu erforderlich sind, weshalb die Vorrichtung insgesamt groß ist.

Bei einer weiteren vorgeschlagenen Vorrichtung ist eine Lichtempfangseinrichtung, die aus Bildsensoren wie einer ladungsgekoppelten Vorrichtung oder dergleichen besteht, auf der Abbildungsfläche eines optischen Systems vorgesehen, und es werden die Werte einer Kontrastauswertungsfunktion für auf der Lichtempfangseinrichtung fokussierte Abbildungen ermittelt und aufeinanderfolgend miteinander verglichen, um dadurch die Schärfeneinstellung festzustellen. Bei dieser Vorrichtung wird jedoch bei dem aufeinanderfolgenden Vergleich der Werte der Kontrastauswertungsfunktion die Scharfeinstellung durch den Wechsel der Polarität des Ergebnisses festgestellt, das durch den Vergleich erhalten wird, so daß die ermittelte Lage der Scharfeinstellung nicht mit der tatsächlichen des optischen Systems übereinstimmt und daher die Genauigkeit gering ist. Bei einer automatischen Bewegung und Einstellung des optischen Systems in den fokussierten Zustand auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses kann, selbst wenn die Richtung der Abweichung aus der fokussierten Lage durch die Polarität des Vergleichsergebnisses gefunden wird,die Größe der Abweichung nicht festgestellt werden, so daß die Steuerung kompliziert und schwierig und das Ansprechvermögen problematisch wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs genannten Gattung derart auszubilden, daß sie bei hoher Genauigkeit eine geringe Größe und eine einfache Konstruktion hat.

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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Figur 1 und 2 perspektivische Darstellungen der Anordnung von Lichtempfängern der Vorrichtung zur Feststellung der Schärfeneinstellung,

Figur 3 ein Diagramm, aus dem die Größe eines Bildelementsignals und einer Abbildung durch Vergleich der Fälle in den Fig. 1 und 2 hervorgeht, wenn das optische System im fokussierten Zustand bzw. scharf und im nicht fokussierten Zustand bzw. unscharf eingestellt ist,

Figur 4 und 5 Schaltbilder der Vorrichtung in zwei verschiedenen Ausführungsformen,

Figur 6A bis 61 den Verlauf von Signalen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung in Fig. 5, und

Figur 7A und 7B Querschnitte zweier Asuführungsformen einer mit der Vorrichtung versehenen Spiegelreflexkamera.

Die Fig. 1 und 2 zeigen perspektivisch die Lageanordnung von Lichtempfängern der Vorrichtung zur Ermittlung der Schärfeneinstellung.

In Fig. 1 ist ein Lichtempfänger 1 in Form eines Bildsenscrs wie einer ladungsgekoppelten Vorrichtung, einer Eimerkettenvorrichtung oder dergleichen mit eindimensionaler Anordnung fotosensitiver Elemente (im folgenden als BiId-

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elemente bezeichnet) in einer Reihe vorgesehen. Der Lichtempfänger 1 ist zu einer Abbildungsfläche 3 derart geneigt angeordnet, daß die optische Achse 0 des optischen Systems 2 zur Ermittlung der Scharfeinstellung durch die Mitte des Lichtempfängers 1 verläuft.

In Fig. 2 ist ein Lichtempfänger 4 aus einem Bildsensor in Form einer zweidimensionalen Anordnung einer großen Anzahl von Bildelementen in Form einer Matrix in Reihen h1 bis hm und Spalten v1 bis vn vorgesehen, die gegenüber der Abbildungsfläche so geneigt ist, daß die Bildelemente der Reihe hmo etwa in der Mittel parallel zur geraden Linie 5 senkrecht zur optischen Achse 0 auf der Abbildungsfläche 3 des optischen Systems 2 liegen und die optische Achse 0 durch das etwa mittlere Bildelement (hmo, vno) der Reihe hmo verläuft.

Wenn bei der Anordnung der Fig. 1 und 2 der Brennpunkt des optischen Systems 2 bei a auf der Abbildungsfläche 3 liegt, d.h., das optische System 2 scharf eingestellt ist, der Brennpunkt bei b vor der Abbildungsfläche 3 oder bei c hinter der Abbildungsfläche 3 liegt, haben die Ausgangssignale Eia, Eib, Eic der Bildelemente des Lichtempfängers und die Ausgangssignale E4a, E4b, E4c der Bildelemente in der Spalte vno des Lichtempfängers 4 den in Fig. 3 gezeigten Verlauf.

Wenn daher die aufeinanderfolgend vom Empfänger 1 oder von einer bestimmten Spalte des Empfängers 4 erhaltenen Ausgangssignale in geeigneter Weise verarbeitet werden, kann die Schärfeeinstellung ermittelt werden. Im Falle des Empfängers 4 sind, wie die Kurven Fa, Fb, Fc in Fig. 3 zeigen, die Größen der Abbildungen vor und hinter den Brennpunktlagen a, b, c verschieden, so daß ein Signal bzw. ein Kontrast, das bzw. der die Größe der Abbildung darstellt, in der ausgewählten Reihe erhalten und die Schärfeeinstellung durch Vergleich ermittelt werden kann.

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Fig. 4 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform der Vorrichtung, bei der beim Lichtempfänger 1 in Fig. 1 Beleuchtungssignale von zwei Bildelementen auf beiden Seiten der optischen Achse selektiv extrahiert werden, und das optische System 2 wird automatisch verstellt und auf der Grundlage des Vergleichs der jeweiligen Beleuchtungssignale in den fokussierten Zustand gebracht. Ein Taktsignalgenerator 7 empfängt das Ausgangssignal eines Oszillators 8 und leitet einem Synchronsignalgenerator 9 einen bestimmten Taktimpuls zu. Der Empfänger 1 wird von einem Taktimpuls des Generators 7 gesteuert und leitet die Beleuchtungssignale jedes Bildelements sukzessiv einem Vorverstärker 10 zu. Der Vorverstärker 10 verstärkt das Beleuchtungssignal des Empfängers 1 und überträgt sein Ausgangssignal zu analogen Schaltern 11 und 12. Die Schalter 11 und 12 werden von einem bestimmten Treiberimpuls des Generators 9 gesteuert und übertragen das Ausgangssignal des Vorverstärkers 10 beim Empfänger des Treiberimpulses zu Haltekreisen 13 und 14. Der Treiberimpuls des Generators 9 gibt seine Lage (Adresse) an, um die Signale, die den Ausgangssignalen der Bildelemente entsprechen, die auf beiden Seiten der optischen Achse im Empfänger 1 ausgewählt sind, zu extrahieren. Die Haltekreise 13 und 14 halten daher Signale entsprechend den Ausgangssignalen der bestimmten Bildelemente auf beiden Seiten der optischen Achse des Empfängers 1. Ein Differentialverstärker 15 vergleicht die Signale der Haltekreise 13 und 14 und verstellt das optische System 2 in Richtung der optischen Achse durch den Antrieb eines Motors 16 entsprechend der Vergleichsdifferenz und steuert den Brennpunkt des optischen Systems 2 auf die Abbildungsfläche. Dies bedeutet, daß beim Vergleich der Beleuchtungssignale der Bildelemente auf beiden Seiten abstandsgleich von den Bildelementen, durch die die optische Achse verläuft, das optische System verstellt und in eine Lage gebracht wird, in der das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 15 Null wird, d.h., daß das optische System 2 scharf eingestellt ist.

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Fig. 5 zeigt das Schaltbild einer weiteren Ausfuhrungsform der Vorrichtung, bei, der beim Empfänger 4 in Fig. 2 zwei Bildelementjpeihen auf beiden Seiten der Reihe hmo ausgewählt werden, deren Beleuchtungssignale, die die Größe der Abbildungen der jeweiligen Reihen darstellen, verarbeitet werden, und das optische System 2 wird automatisch verstellt und durch den Vergleich der die Größendieser beiden Abbildungen darstellenden Signale scharf eingestellt. Um die Signale zu erhalten, die die Größe der Abbildungen in den beiden ausgewählten Reihen darstellen, wird das Ausgangssignal des Vorverstärkers 10 durch einen Komparator 20 mit einem Bezugswert Vs verglichen und die Ausgangssignale mit einer Amplitude größer als der vorbestimmte Bezugswert werden zu AusgangsSignalen mit einer bestimmten Amplitude gemacht. Die Ausgangssignale der Bildelementanordnungen in jeder der ausgewählten Reihen werden über die analogen Schalter 11 und 12 Integratoren 21 und 22 zugeführt, die Gesamtsumme der Ausgangssignale der Spalten v1 bis vn jeder ausgewählten Reihe, d.h. ein Signal proportional der Gesamtsumme der Anzahl der Bildelemente, die die Ausgangssignale erzeugen, die größer als der vorbestimmte Bezugswert ist, wird ermittelt, und diese Werte werden über die Haltekreise 13 und 14 im Diferentialverstärker 15 verglichen.

Es wird nun die Arbeitsweise der Vorrichtung der Fig. 5 anhand des Verlaufs der Signale in Fig. 6 näher erläutert. Der Empfänger 4 wird von der Reihe h1 bis hm an jeder Spalte v1 bis vn abgetastet, und die'beiden ausgewählten Reihen sind die Reihen hmo-a und hmo+a an einer von der Reihe hmo abstandsgleichen Stelle. Der Lichtempfänger 4 wird von der Spalte v1 bis vn der Reihe nach durch den Taktimpuls in Fig. 6A abgetastet. Der Synchronsignalgenerator 9 gibt wiederholt die in den Fig. 6B und 6C gezeigten Torimpulse an die analogen Schalter 11 und 12 bei jeder Spalte ab, um die Ausgangssignale des Komparators 20 entsprechend den Reihen hmo-a und hmo+a den Integratoren 21

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und 22 an jeder Spalte v1 bis vn zuzuführen. Die Integratoren 21 und 22 erhalten dann Signale der Bildelemente der Reihen hmo-a bzw. hmo+a.

Wenn z.B. der Brennpunkt des optischen Systems 2 auf der Abbildungsfläche liegt, d.h., das optische System 2 im fokussierten Zustand ist, der Brennpunkt vor der Abbildungsfläche oder hinter der Abbildungsfläche liegt, und die Signale der Bildelemente der Reihen hmo-a und hmo+a des Empfängers 4 gewählt werden, ergeben sich die in der. Fig. 6D bis 6F gezeigten Fälle. Die Integration der Werte der Signale der Reihen hmo-a und hmo+a der Haltekreise und 14 ergibt die Signale der Fig. 6G bis 61. Im fokussierten Zustand (Fig. 6D) sind somit die Ausgangssignale der Haltekreise 13 und 14 gleich, so daß das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 15 Null wird und das optische System 2 im fokussierten Zustand bleibt. Liegt der Brennpunkt vor der Abbildungsfläche (Fig. 6E), ist die Anzahl der Bildelemente, die Beleuchtungssignale mit einer Amplitude größer als eine vorbestimmte in der Reihe hmo-a erzeugen, größer als die Anzahl der Bildelemente, die Beleuchtungssignale mit einer Amplitude größer als der vorbestimmte Wert in der Reihe hmo+a erzeugen, so daß das Ausgangssignal des Haltekreises 13 größer als das des Haltekreises 14 wird. Das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 15 wird daher negativ, um das optische System 2 näher an die Abbildungsfläche zu schieben. Liegt der Brennpunkt hinter der Abbildungsfläche (Fig. 6F), wird das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 15 positiv, so daß das optische System 2 von der Abbildungsfläche entfernt wird.

Die Fig. 7a und 7B zeigen Querschnitte zweier Ausführungsformen einer Spiegelreflexkamera mit der Vorrichtung zur Feststellung der Schärfeneinstellung. Fig. 7A zeigt eine Konstruktion, bei der ein Lichtempfänger 29, bestehend aus

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Bildsensoren ein- oder zweidimensionaler Anordnung, durch den die imaginäre Achse O¹ eines reflektierten Strahlenbündels verläuft und der auf einem Fadenkreuz 28 angeordnet ist, das sich an einer Stelle konjugiert zur Filmoberfläche 27 befindet, um eine Abbildung durch Reflektion eines Strahlenbündels, das von der Kameraoptik 25 reflektiert wird, durch einen Schwenkspiegel 26 zu -erzeugen, der unter einem Winkel von 45 zur optischen Achse 0 angeordnet ist, wobei der Empfänger 29 schräg zur Abbildungsfläche des Fadenkreuzes 28 angeordnet ist. Von dem Empfänger 29 erhaltene Beleuchtungssignale werden von dem Signalverarbeitungskreis der Fig. 4 oder 5 verarbeitet. Ein Motor 30 wird von dem verarbeiteten Signal angetrieben und die Kameraoptik 25 wird in Richtung der optischen Achse 0 in einer Linsenfassung 31 verstellt, um sie automatisch in den fokussierten Zustand zu bringen. Der Signalverarbeitungskreis der Fig. 4 oder 5 kann am unteren Teil 33 des Kameragehäuses 22 angeordnet sein. Fig. 7B zeigt eine Konstruktion, bei der ein lichtdurchlässiges Element 34 in der Mitte des Schwenkspiegels 26 auf der optischen Achse 0 der Kameraoptik 25 vorgesehen ist. Das durch das Element 34 übertragene Strahlenbündel wird in Richtung des unteren Teils 33 des Kameragehäuses 32 durch einen Reflektionsspiegel 35 am Schwenkspiegel 26 reflektiert. Der reflektierte Lichtstrahl wird auf dem in der gleichen Weise wie in Fig. 7A auf dem unteren Teil 33 angeordneten Lichtempfänger abgebildet.

Der Lichtempfänger, der aus Ladungsübertragungselementen in Form einer Bildelementenanordnu ng, z.B. Bildsensoren wie einer ladungsgekoppelten Vorrichtung, einer Eimerkettenvorrichtung oder dergleichen besteht, ist schräg auf der Abbildungsfläche angeordnet, so daß die Konstruktion einfach ist und man Beleuchtungssignale der Bildelementenanordnung auf, vor und hinter der Abbildungsfläche erhalten kann und es dadurch möglich ist, wenn die Beleuchtungs-

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signale entsprechend verarbeitet werden, die Schärfeneinstellung sehr genau festzustellen. Stellt man die Schärfeneinstellung durch Ermittlung des Kontrastes oder der Größe einer Abbildung fest, wenn ein Lichtempfänger in Form von fotosensitiven Elementen in Matrixanordnung verwendet wird, kann die Abbildung auf, vor oder hinter der Abbildungsfläche ohne Verwendung eines Drehspiegels abgetastet werden

Wenn in den Fig. 4 und 5 das optische System 2 nahe dem Fokussierzustand ist, wird der Beleuchungspegel des Bildelements nahe der Abbildungsfläche groß, so daß, wenn die Beleuchtungssignale und ihre Integrationswerte, die von den Bildelementen bzw. deren Anordnung auf beiden Seiten der Abbildungsfläche entfernt von dieser bis zu den Bildelementen bzw. ihrer Anordnung auf beiden Seiten der Abbildungsfläche nahe dieser aufeinanderfolgen oder wahlweise mit-einander verglichen werden und der fokussierte Zustand festgestellt wird, kann ein Signal mit hohem Pegel wie nahe dem fokussierten Zustand verarbeitet werden, so daß der fokussierte Zustand mit hoher Genauigkeit festgestellt werden kann. Dies kann leicht durch geeignete Änderung der Zeitsteuerung des Treiberimpulses (Torimpulses) erreicht werden, den der Synchronsignalgenerator 9 erzeugt. Der fokussierte Zustand des optischen Systems 2 kann nicht nur durch Vergleich des Bildelements und der Bildelementreihe auf beiden Seiten der Abbildungsfläche, sondern auch durch Vergleich des Bildelements und der Bildelementreihe auf der Abbildungsfläche mit dem Bildelement und der Bildelementreihe auf beiden Seiten der Abbildungsfläche, und auch durch Vergleich des Bildelements und der Bildelementreihe auf der Abbildungsfläche mit einem bestimmten Bildelement und einer Bildelementreihe auf einer Seite der Abbildungsfläche. In Fig. 4 wird als Lichtempfänger 1 eine zweidimensionale Anordnung wie in Fig. 2 verwendet, und dabei wird nicht nur jedes einzelne Bildelement auf beiden

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Seiten der Abbildungsfläche, sondern es werden mehrere Bildelemente zur Feststellung der Schärfeneinstellung verwendet. Das optische System wird aufgrund des Ausgangssignals des Differentialverstärkers 16 automatisch fokussiert, jedoch bei Verwendung eines Komparators anstelle des Differentialverstärkers 16 kann bei Handeinstellung des optischen Systems eine Lichtemissionsdiode durch das Ausgangssignal des Komparators gezündet oder ein Ton durch einen Summer erzeugt werden, wenn das optische System fokussiert wird. Die optische Achse 0 des optischen Systems 2 verläuft bei den obigen Ausführungsformen im wesentlichen durch die Mitte der Lichtempfänger 1 und 4, müssen sich jedoch nicht notwendigerweise mit dieser Achse kreuzen, jedoch mit der Abbildungsfläche.

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Feststellung der Schärfeneinstellung eines optischen Systems wie einer Kamera, eines Mikroskops oder eines Endoskops, gekennzeichnet durch einen Lichtempfänger (1, 4), der unter einem Winkel zu einer Abbildungsfläche (3) des optischen Systems angeordnet ist und aus Ladungsübertragungselementen in Form einer Bildelementenanordnung besteht, eine Einrichtung zur Erzeugung von Beleuchtungssignalen durch die Bildelementenanordnung des Lichtempfängers, und eine Einrichtung zur Verarbeitung der Beleuchtungssignale zur Feststellung der Schärfeneinstellung des optischen Systmes.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Beleuchtungssignale bestimmter Bildelemente auf beiden Seiten der Abbildungsfläche des Lichtempfängers wahlweise erzeugt werden.

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ORIGINAL INSPECTED

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet/ daß die Ladungsübertragungselemente in Form einer Matrix von Bildelementen auf beiden Seiten einer geraden Linie senkrecht zu einer durch die Abbildungsfläche (3) verlaufenden Achse angeordnet sind, und daß Beleuchtungssignale einer bestimmten Bildelementenspalte des Lichtempfängers, die parallel zu der geraden Linie angeordnet sind, wahlweise erzeugt werden, um Signale zu erzeugen, die die Größe einer Abbildung darstellen, die auf die Bildelementenspalte fokussiert ist.

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