DE3150818A1

DE3150818A1 - Scharfstellungs-vorrichtung

Info

Publication number: DE3150818A1
Application number: DE19813150818
Authority: DE
Inventors: Yosuke Kawasaki Kusaka
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1980-12-26
Filing date: 1981-12-22
Publication date: 1982-08-19
Also published as: JPS57108810A; US4417139A

Description

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Beschreibung ScharfStellungs-Vorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen deren Entfernung von einem Objekt, insbesondere auf eine Vorrichtung zur Feststellung, ob das Abbildungsobjektiv einer Kamera oder dergl. auf ein Objekt fokussiert (scharfgestellt) ist.

US-A-41 85 191 und US-A-42 64 810 beschreiben eine Vorrichtung zum Messen des von einem Objekt herrührenden und durch ein Abbildungsobjektiv, z. B. das Aufnahmeobjektiv einer Kamera, gegangenen Lichtes und Feststellen der Abweichung der tatsächlichen Abbildungsebene eines Objektes durch das Objektiv (Ist-Abbildungsebene) von einer vorbestimmten Abbildungsebene (Soll-Abbildungsebene), beispielsweise der Filmebene der Kamera. Bei diesen bekannten Vorrichtungen werden Lichtstrahlenbündel, die von zwei bezüglich der optischen Achse symmetrischen Gebieten der Austrittspupille herrühren, auf ein .Paar fotoelektrischer Wandlerelementanordnungen zum Einfall gebracht, wobei die Wandleranordnungen dicht benachbart bei der Soll-Abbildungsebene des abbildenden Objektivs angeordnet sind. Die Ausgangssignale der beiden Wandleranordnungen werden dann verglichen, wodurch die Scharfstellung des Abbildungs-

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objektives auf das Objekt feststellbar ist.

Aus dem Vergleich der Ausgangssignale der beiden Anordnungen kann bei Scharfstellung ein kritischer Wert erhalten werden. Zum Erhalt einer genauen Scharfstellungsanzeige, müssen die beiden fotoelektrischen Wandleranordnungen mit hoher Lagegenauigkeit angeordnet werden, so daß ihre Lichtempfangsflächen auf der Soll-Abbildungsebene des abbildenden . Objektivs oder auf einer hierzu konjugierten Ebene liegen. Insbesondere ist bei einer einäugigen Spiegelreflexkamera, bei der das Aufnahmeobjektiv als Abbildungsobjektiv für die Scharfstellungsfeststeilung benutzt wird, der Raum, in dem die fotoelektrischen Wandlerelementanordnungen angeordnet werden können, sehr stark eingeschränkt, üblicherweise ist die Anordnung zum Empfang von Licht, das an einem beweglichen Klappspiegel reflektiert wird, im Sucherstrahlengang angeordnet, während die Anordnung zum Empfang von Licht, das durch einen lichtdurchlässigen Teil des Reflexspiegels gegangen ist, am Grunde des Spiegelschachtes sitzt. In jedem Fall muß der Raum, in dem eine Detektorvorrichtung mit solchen Wandlerelementanordnungen angeordnet ist, so gewählt sein, daß er weder mit dem Sucherstrahlengang noch mit dem Aufnahmestrahlengang kollidiert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Scharfstellungsfeststellvorrichtung bereitzustellen, bei der die ernste

Lagebeschränkung bei der Anordnung der fotoelektrischen Wandlereinrichtung relativ zum abbildenden Objektiv beseitigt ist und die Freizügigkeit bei der Anordnung einer solchen Vorrichtung vergrößert ist.

Erfindungsgemäß können die Lichtempfangsflächen der fotoelektrischen Wandlerelementanordnungen in der Scharfstellungsfeststellvorrichtung in einer Stellung angeordnet werden, die gegenüber der Soll-Abbildungsebene des abbildenden Objektivs beliebig versetzt ist. Die fotoelektrischen Wandlerelementanordnungen liefern ein Signal mit einem kritischen Wert, wenn das Bild eines Objektes vom abbildenden Objektiv auf den in der versetzten Stellung befindlichen Lichtempfangsflächen erzeugt wird, und liefert ein Ausgangssignal entsprechend der Größe der Versetzung, wenn das Bild des Objekts auf einer vorbestimmten Abbildungsebene erzeugt wird. Die Ausgangssignale der fotoelektrischen Wandlerelementanordnungen werden dabei als resultierende Ausgangssignale nach einer Korrektion auf der Basis eines voraufgezeichneten Datums, das für die Größe der Versetzung repräsentativ ist, erzeugt.

Nachstehend ist die Erfindung an Hand der Zeichnung im einzelnen beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Strahlengang des optischen Scharfstellungsfeststellsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Lehre,

Fig. 2A - 4B die Zustände der ScharfStellungsfeststellung durch eine übliche Vorrichtung, wobei Fig. 2A, 3A und 4A die Strahlengänge mit den Abbildungslagen und Fig. 2B, 3B und 4B Diagramme zur Darstellung der zugeordneten fotoelektrischen Ausgangssignale zeigen,

Fig. 5A - 7B die Zustände der ScharfStellungsfeststellung durch eine Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Lehre, wobei Fig. 5A, 6A und 7A die Strahlengänge und Abbildungslagen und Fig. 5B, 6B und 7B Diagramme zur Darstellung der zugeordneten fotoelektrischen Ausgangssignale zeigen,

Fig. 8 das Blockschaltbild einer Ausfuhrungsform entsprechend der vorliegenden Lehre und

Fig. 9 und 10 zwei Ausführungsbeispiele für eine entsprechend der vorliegenden Lehre ausgebildeten Kamera.

Fig. 1 zeigt schematisch das optische System zum Feststellen der Scharfstellung entsprechend der vorliegenden Lehre. Die Lichtstrahlenbündel, die von zwei Gebieten 2A und 2B in der Austrittspupille 2 eines abbildenden Objektivs herrühren und symmetrisch zur optischen Achse gelegen sind, treffen auf ein fotoelektrisches Wandlerelementfeld 6 auf. Das Wandlerelementfeld ist vom Selbstabtastungstyp und liegt beispielsweise als CCD-Bildsensor oder als MOS-Bildsensor vor. Vor dem Wandlerelementfeld 6 liegt ein Kleinlinsenfeld 4 in einer Ebene, die in Richtung der optischen Achse gegenüber einer vorbestimmten AbbildungsebeneF (Soll-Abbildungsebene) um die Strecke 1 versetzt ist. Die Soll-Abbildungsebene F entspricht in einer Kamera der Filmebene oder einer hierzu konjugierten Ebene. Das fotoelektrische Wandlerelementfeld 6 umfaßt ein Paar von Gruppen A und B mit je η-Elementen; und das Licht vom Gebiet 2A der Austrittspupille tritt in das Feld Ao...Ai...An der Gruppe A ein, während das Licht vom Gebiet 2B der Eintrittspupille in das Feld Bo...Bi...Bn der Gruppe B eintritt. Jedes Feld erzeugt fortlaufend ein elektrischen Ausgangssignal entsprechend der in jedem der Elemente empfangenen Lichtintensität. Demgemäß kann die Lage des vom abbildenden' Objektiv erzeugten Objektbildes festgestellt werden an Hand der Phasendifferenzen der kontinuierlichen Ausgangssignale, die vom Feld der Gruppe A und vom Feld der Gruppe B erzeugt werden.

Es sei angenommen/ daß ein Kleinlinsenfeld 4¹ auf der Soll-Brennebene F angeordnet ist, wie dieses durch die strichpunktierten Linien angedeutet ist. Das Kleinlinsenfeld 4¹ ist dann so angeordnet, daß das Bild der Austrittspupille 2 auf der Lichtempfangsfläche des fotoelektrischen Wandlerelementfeldes erzeugt wird. Das Ausgangssignal des fotoelektrischen Wandlerfeldes 6' sei für diesen Fall an Hand der Fig. 2 A bis 4B beschrieben.

Wenn das abbildende Objektiv 12 fokussiert ist, dann fallen die beiden Objektbilder, die auf der Soll-Abbildungsebene F durch Licht von den beiden Gebieten der Austrittspupille erzeugt werden, miteinander zusammen (Fig. 2A). Demgemäß fällt auch das Ausgangssignal· des Feldes der Gruppe A mit dem Ausgangssignal des Feldes der Gruppe B ohne gegenseitige Phasenabweichung zusammen (Fig. 2B).

Wenn sich das abbildende Objektiv in einer Hinter-Fokus-Lage (Ist-Abbildungsebene liegt hinter der Soll-Abbildungsebene) befindet, dann haben die Lagen der beiden Objektbilder, die von Licht aus den beiden Gebieten der Austrittspupille erzeugt werden, eine gegenseitige Abweichung auf der Soll-Abbildungsebene F (Fig.3A). Demgemäß wird (Fig. 3B) eine Phasendifferenz d. zwischen dem Ausgangssignal des Feldes der Gruppe A und dem Ausgangssignal des Feldes der Gruppe B erzeugt.

Befindet sich das abbildende Objektiv 12 in einer Vor-Fokus-Lage (Ist-Abbildungsebene liegt vor der Soll-Abbildungsebene), dann haben die Lagen der beiden durch Licht von den beiden Gebieten der Austrittspupille erzeugten Objektbilder eine gegenseitige Abweichung auf der Soll-Abbildungsebene F, die der bei einer Hinter-Fokus-Lage erhaltenen Abweichung entgegengesetzt ist (Fig. 4A). Demgemäß entsteht eine gegenüber einer Hinter-Fokus-Lage entgegengesetzte Phasendifferenz d₂ zwischen dem Ausgangssignal des Feldes der Gruppe A und dem Ausgangssignal des Feldes der Gruppe B. Es ist daher möglich, die Richtung der Bildunschärfe aus der Richtung, dem Vorzeichen, der Phasendifferenz vorherzusagen, und aus der Größe der Phasenverschiebung den zum Erhalt einer Scharfstellung auf die Soll-Abbildungsebene erforderlichen Verschiebungsbetrag des abbildenden Objektivs 12.

Im Gegensatz hierzu ist die Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Lehre so entworfen, daß die Lichtstrahlen das Kleinlinsenfeld 4, das in der um die Strecke 1 in Richtung der optischen Achse gegenüber der Soll-Abbildungsebene F versetzten Ebene liegt, passieren und auf das fotoelektrische Wandlerfeld 6 treffen, wobei dann die Scharfeinstellungsfeststellung wie folgt bewerkstelligt wird.

Wenn das abbildende Objektiv ein Objekt auf die Soll-Abbildungsebene F abbildet, wenn also das abbildende Objektiv fokussiert ist, dann erzeugen die beiden Objektbilder, die durch die beiden Gebiete in der Austrittspupille gegangen sind, eine Abweichung auf der verschobenen Ebene (Fig. 5A). Demgemäß wird (Fig. 5B) eine Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal des Feldes der Gruppe A und dem Ausgangssignal des Feldes der Gruppe B erzeugt. Bei der vorliegenden Ausführungsform liegt das Kleinlinsenfeld 4 auf einer Ebene, die gegenüber der Soll-Abbildungsebene F nach hinten verschoben ist. Daher ist das Vorzeichen der Phasendifferenz ji_Q negativ, wenn es an Hand des Ausgangssignals des? Feldes der Gruppe A als Referenzsignal bestimmt wird. Wenn der Abstand zwischen dem abbildenden Objektiv 12 und dem Objekt gegenüber der in Fig. 5A dargestellten Lage geändert wird, um eine Hinter-Fokus-Lage zu erhalten, dann wird der Absolutwert der Phasendifferenz φ allmählich kleiner.. Fig. 6 zeigt den Fall einer Hinter-Fokus-Lage. Das dann dabei erhaltene Ausgangssignal des Feldes der Gruppe A und das des Feldes der Gruppe B erzeugen eine Phasendifferenz φ. des umgekehrten Vorzeichens (Fig. 6B). Wenn das abbildende Objektiv 12 eine Vor-Fokus-Lage angenommen hat, dann haben die Lagen der beiden vorstehend beschriebenen Objektbilder eine größere Abweichung

voneinander (Fig. 7A) als die von den beiden Objektbildern im Scharfstellungsfall erzeugte Abweichung. Demgemäß wird (Fig. 7B) eine größere Phasendifferenz Φ₂ desselben Vorzeichens wie die Phasendifferenz im ScharfStellungsfall zwischen dem Ausgangssignal des Feldes der Gruppe A und dem des Feldes der Gruppe B erzeugt.

Die so erhaltenen Ausgangssignale werden in der in Fig. 8 dargestellten Apparatur verarbeitet. Eine fotoelektrische Wandlerschaltung 21, die das fotoelektrische Wandlerelementfeld enthält, liefert das Ausgangssignal des Feldes der Gruppe A und das Ausgangssignal des Feldes der Gruppe B zu einem Phasendetektor 22. Letzterer stellt die Phasendifferenz φ zwischen den beiden Ausgangssignalen fest und gibt das Ergebnis in eine Substrahierschaltung ein. Die Vorabphasendifferenz 0_Q bei Scharfstellung auf die SoIl-Abbildungsebene ist in einem Speicher 24 gespeichert, und die Subtrahierschaltung 23 subtrahiert die Vorabphasendifferenz φ~ von der Phasendifferenz φ und gibt einen neuen Phasendifferenzwert φ¹·= φ - φ- zu einem Diskriminator 25, der beurteilt, ob auf Grund von φ* = 0 Scharfstellung auf die Soll-Abbildungsebene gegeben oder an Hand des Vorzeichens von φ¹ bei einem von 0 abweichenden Wert, ob eine Vor-Fokus-Lage oder einer Hinter-Fokus-Lage vorhanden ist, und gibt ein Ausgangssignal zum Objektivantrieb 26 und

einer Scharfstellungszustands-Anzeigevorrichtung 27. Der Objektivantrieb 26 erzeugt, ansprechend auf den Diskriminator 25, an seinem Ausgangsanschluß 26a ein Antriebssignal für das abbildende Objektiv, um letzteres zu einer Abbildung auf die vorbestimmte Abbildungsebene F zu veranlassen. Die ScharfStellungszustandanzeige zeigt an, ob das Objektiv scharfgestellt ist oder sich in einer Vor-Fokus-Lage oder einer Hinter-Fokus-Lage befindet. Die im Speicher 24 zu speichernde Vorabphasendifferenz φ- kann aus empirisch ermittelten Daten bestimmt werden, nachdem das Kleinlinsenfeld 4 und das fotoelektrische Wandlerelementfeld 6 in Stellung gebracht worden sind.

Eine einäugige Spiegelreflexkamera, die die vorstehend beschriebene Scharfstellungsfeststellvorrichtung enthält, ist in Fig. 9 dargestellt. Eine fotoelektrische Wandlervorrichtung 32, die das Kleinlinsenfeld 4 und das fotoelektrische Wandlerelementfeld 6 enthält, ist am Boden des Kamerakörpers unterhalb des Aufnahmestrahlengangs angeordnet; und vom durch das Aufnahmeobjektiv 34 gegangenen Licht wird das durch einen durchlässigen Teil eines Klappspiegels 36 durchgegangene Licht aus dem Strahlengang abgezweigt, an einem Hilfsspiegel 38 reflektiert und auf die fotoelektrische Wandlervorrichtung 32 gerichtet.

Das Aufnahmeobjektiv 34 wird zwecks Scharfstellung in Richtung der optischen Achse durch einen elektrischen Motor 40 angetrieben/ der mit dem Ausgangsanschluß 26a der Antriebsschaltung 26 in Fig. 8 verbunden ist. Die Lichtempfangsfläche der fotoelektrischen Wandlervorrichtung 32 wird bei einer Ebene angeordnet, die um die Strecke 1 gegenüber der Ebene P nach hinten (in Lichtrichtung) verschoben ist. Die Ebene F ist mit der Filmebene konjugiert. Diese Zurückversetzung kann den Freiheitsgrad für die Auswahl der Stellung erhöhen, in der die fotoelektrische Wandlervorrichtung in die Kamera ohne Kollision mit der Filmebene eingebaut werden kann.

Das vorstehende Beispiel ist an Hand des Falles beschrieben worden, in welchem eine ScharfStellungsfeststellung mit Hilfe einer hinter der Soll-Abbildungsebene gelegenen Wandlereinrichtung durchgeführt worden ist, es kann aber nach demselben Prinzip auch so verfahren werden, daß die ScharfStellungsfeststellung mit Hilfe einer vor der Soll-Abbildungsebene gelegenen Wandlervorrichtung bewerkstelligt wird.

Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform für die letztere Variante.

Wenn der Verschlußvorhang geschlossen ist, kann eine fotoelektrische Wandlervorrichtung 42, die am Ende eines Schwenkarms 44 befestigt ist, in eine Stellung hochgeschwenkt werden, die um die Strecke 1 vor der Filmebene F gelegen ist. Sie empfängt wiederum Licht vom Aufnahmeobjektiv durch einen durchlässigen Teil des Klappspiegels 46, um so die Scharfstellungsfeststellung zu bewerkstelligen. Während der Aufnahme wird der Schwenkarm 44 aus dem Aufnahmestrahlengang nach unten herausgeklappt.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform sind das Ausgangssignal des Feldes der Gruppe A und das Ausgangssignal des Feldes der Gruppe B miteinander verglichen worden, um die Phasendifferenz hierzwischen festzustellen. Andererseits ist die Erfindung nicht auf dieses spezielle Scharfstellungs-Feststellsystem beschränkt.

Des weiteren können bei einer Vorrichtung mit einem optischen System zur Scharfstellungsfeststellung, das ohne Kleinlinsenfeld arbeitet, die Lichtempfangsflächen der Lichtempfangselemente des fotoelektrischen Wandlerfeldes oder dergl. an einer Stellung angeordnet werden, die aus der Soll-Abbildungsebene herausgeschoben ist.

Claims

BLUMBACH -WESER -BERGEN· KRAMER ZWIRNER - HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patentconsult Radeckestraße 43 3000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

Nippon Kogaku K. K. Case 564

Tokyo, Japan

Patentansprüche

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' 1.jVorrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das sich mit einer Verschiebung längs der optischen Achse des von einem Abbildungsobjektiv erzeugten Bildes eines Objektes ändert, wobei die Vorrichtung im Strahlengang hinter dem Abbildungsobjektiv gelegen ist und, wenn das Bild des
Objekts auf einer vorbestimmten Abbildungsebene erzeugt-, wird, ein Ausgangssignal entsprechend einem kritischen
Wert erzeugt, der für die Scharfstellung des Abbildungsobjektivs auf das Objekt repräsentativ ist, und, wenn
das Bild des Objekts an einer von der vorbestimmten
Abbildungsebene abweichenden Lage erzeugt, wird, ein
Ausgangssignal entsprechend der Größe dieser Abweichung
erzeugt,

dadurch gekennzeichnet, daß

a) eine Detektoreinrichtung in einer Stellung angeordnet . ist, die in Richtung der optischen Achse gegenüber der vorbestimmten Abbildungsebene versetzt ist, um ein

München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. not. · E Holtmann Dlpl.-Ing.
Wiesbaden: P. G. Blumbach Dlpl.-Ing. . P. Bergen Ptof. Dr. jur. Dipl.-Ing., Pal.-Ass., Pat.-Anw. bis 1979 · G. Zwirner Dlpl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

Ausgangssignal entsprechend dem kritischen Wert zu erzeugen, wenn das Bild des Objektes auf einer Ebene erzeugt wird, die in Richtung der optischen Achse gegenüber der vorbestimmten Abbildungsebene um einen vorbestimmten Betrag versetzt ist, sowie ein Ausgangssignal entsprechend der Größe der vorbestimmten Versetzung zu erzeugen, wenn das Bild des Objektes auf der vorbestimmten Abbildungsebene erzeugt wird,

b) eine Speichereinrichtung vorgesehen ist, in der ein

für die vorbestimmte Größe der Versetzung repräsentatives Datum voraufgezeichnet ist, und

c) eine Korrektureinrichtung vorgesehen ist, die das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung auf der Basis des voraufgezeichneten Datums korrigiert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung aufgebaut ist aus

a)· einer ersten fotoelektrischen Wandlereinrichtung in einer Stellung, die zum auf der versetzten Ebene vom Lichtstrahlenbündel· eines ersten Teils der Austrittspupille des Abbildungsobjektivs erzeugten Biid dicht benachbart ist, und

b) eine zweite fotoeiektrische Wandiereinrichtung in einer Steilung, die zum auf der versetzten Ebene vom Lichtstrahlenbündel eines zweiten Teils der Austrittspupille

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des Abbildungsobjektivs erzeugten Bild dicht benachbart ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß

"- die Detektoreinrichtung eine Vielzahl von Linsen aufweist, die je eine zweite Abbildungsebene besitzen, auf die sie das auf die versetzte Ebene abgebildete Objekt erneut abbilden, und

- die erste und die zweite fotoelektrische Wandlereinrichtung je in einer dicht benachbart zur zweiten Abbildungsebene gelegenen Stellung angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektionseinrichtung Mittel zum Erzeugen eines von einer Subtraktion des Datums vom Ausgangssignal der Detektoreinrichtung resultierenden Ausgangssignals aufweist.
5. Kamera mit einer Antriebseinrichtung zum Verschieben eines Aufnahmeobjektivs, bis eine im Strahlengang hinter dem Abbildungsobjektiv gelegene Detektorvorrichtung, die zum Erzeugen eines Ausgangssignals dient, das sich mit einer Verschiebung längs der optischen Achse des vom Abbildungsobjektiv erzeugten Bildes eines Objektes

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ändert/ ein Ausgangssignal entsprechend einem kritischen Wert erzeugt, der für den Umstand repräsentativ ist, daß das Bild des Objektes auf einer vorbestimmten Abbildungs- ebene erzeugt worden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß

a) eine Detektoreinrichtung in einer Stellung angeordnet ist, die in Richtung der optischen Achse gegenüber der vorbestimmten Abbildungsebene versetzt ist, um ein Ausgangssignal entsprechend dem kritischen Wert zu erzeugen, wenn das Bild des Objektes auf einer Ebene erzeugt wird, die in Richtung der optischen Achse gegenüber der vorbestimmten Abbildungsebene um einen vorbestimmten Betrag versetzt ist, sowie ein Ausgangssignal entsprechend der Größe der vorbestimmten Versetzung zu erzeugen, wenn das Bild des Objektes auf der vorbestimmten Abbildungsebene erzeugt wird,

b) eine Speichereinrichtung vorgesehen ist, in der ein

für die vorbestimmte Größe der Versetzung repräsentatives Datum voraufgezeichnet ist,

c) eine Korrektureinrichtung vorgesehen ist, die das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung auf der Basis des voraufgezeichneten Datums korrigiert, und

d) eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die veranlaßt, daß die Antriebsvorrichtung auf das korrigierte Ausgangssignal zwecks Erzeugung des Bildes des Objektes auf der vorbestimmten Abbildungsebene anspricht.