DE102005015145A1

DE102005015145A1 - Objektiv, Bildaufnahmevorrichtung und elektro-optisches Gerät

Info

Publication number: DE102005015145A1
Application number: DE200510015145
Authority: DE
Inventors: Marco Wörz; Dietmar Gängler
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-04-01
Also published as: DE102005015145B4

Abstract

In einem Objektiv (100) sind, von einer Objektseite (104) her gesehen, eine erste Linse (I) positiver Brechkraft, eine zweite Linse (II) negativer Brechkraft, eine dritte Linse (III) positver Brechkraft sowie eine vierte Linse (IV) negativer Brechkraft entlang einer gemeinsamen optischen Achse (102) hintereinander angeordnet. Mindestens eine von der Objektseite (104) abgewandte Oberfläche (12) der vierten Linse (IV) ist asphärisch ausgebildet. Eine Blende (110) ist zwischen der ersten Linse (I) und der zweiten Linse (II) angeordnet. Die Oberfläche (12) der vierten Linse (IV) ist in einem zentralen Bereich (120) plan und in einem Randbereich (121) konvex ausgebildet. Das Objektiv (100) ist bevorzugt Teil einer Bildaufnahmevorrichtung mit einem Bildaufnahmeelement (116) sowie mit dem vor dem Bildaufnahmeelement (116) angeordneten Objektiv (100). Die Bildaufnahmevorrichtung wiederum ist bevorzugt Teil eines elektro-optischen Gerätes, beispielsweise eines Telefons, insbesondere eines Mobiltelefons (Figur 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Objektiv, bei dem, von einer Objektseite her gesehen, eine erste Linse positiver Brechkraft, eine zweite Linse negativer Brechkraft, eine dritte Linse positiver Brechkraft, sowie eine vierte Linse negativer Brechkraft entlang einer gemeinsamen optischen Achse hintereinander angeordnet sind, wobei mindestens eine von der Objektseite abgewandte Oberfläche der vierten Linse asphärisch ausgebildet und eine Blende zwischen der ersten Lins und der zweiten Linse angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Bildaufnahmevorrichtung mit einem Bildaufnahmeelement sowie einem vor dem Bildaufnahmeelement angeordneten Objektiv.
Die Erfindung betrifft schließlich ein elektro-optisches Gerät.

Ein Objektiv, eine Bildaufnahmevorrichtung sowie ein Gerät der vorstehend genannten Art sind aus der US 6,747,810 B2 bekannt.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf axial klein bauende Objektive und deren Anwendungen. Speziell sind Objektive für Mobiltelefone und ähnliche elektronische Geräte angesprochen, ohne dass die Erfindung jedoch auf diesen Anwendungsbereich beschränkt ist.

Objektive für Mobiltelefone müssen kompakt, leicht und einfach sowie kostengünstig zu fertigen sein. Aufgrund der geringen Baugröße eines Mobiltelefons und der Anforderung, dass das Display des Mobiltelefons zugleich als Sucher verwendet werden kann „ ist die Blickrichtung des Objektivs für das Mobiltelefon in Richtung von dessen Tiefe, also der kleinsten Abmessung, festgelegt. Da Mobiltelefone möglichst flach sein sollen, kann die Baulänge des Objektivs folglich nur wenige mm betragen.

Trotz dieser schon schwierig miteinander zu vereinbarenden Vorgaben sollen die Objektive für Mobiltelefone zusätzlich auch gute optische Eigenschaften, insbesondere eine hohe Abbildungsqualität mit geringst möglichen Verzeichnungen haben. Die Anforderungen an die Bildgüte ergeben sich auch aus dem sehr geringen Pixelabstand von beispielsweise 3 μm im zugeordneten Bildaufnahmeelement. Insbesondere im Randbereich sollen die Verzeichnungen gering sein, weshalb die sog. TV-Verzeichnung ausreichend korrigiert werden muss. Im Randbereich wird auch eine gute Ausleuchtung gefordert, weil der Dynamikbereich von üblichen digitalen Bildaufnahmeelementen kleiner ist als der von herkömmlichem Filmmaterial.

Aus der eingangs genannten US 6,747,810 B2 ist ein vierlinsiges Objektiv der Bauart +-+- bekannt, das für den Einsatz in Digitalkameras vorgesehen ist. Von der Objektseite her gesehen befindet sich zwischen der ersten und der zweiten Linse eine Blende. Beide Oberflächen der vierten Linse sind asphärisch ausgebildet. Die von der Objektseite abgewandte Oberfläche ist im wesentlichen konkav. Das Objektiv hat nur eine relativ geringe Öffnung (Lichtstärke) von 1:4.8 und eine auf die Brennweite von 6.56 mm normierte Baulänge von 2.27, was in absoluten Werten einer Baulänge von 14.88 mm entspricht. Die Baulänge ist also relativ groß und die Öffnung klein.

Aus der US 4,035,063 sind dreilinsige Objektive bekannt, bei denen ebenfalls, von der Objektseite her gesehen, eine Blende zwischen der ersten und der zweiten Linse angeordnet ist. Auf der von der Objektseite abgewandten Seite der dritten Linse befindet sich eine planparallele transparente Platte, die bei einigen Ausführungsbeispielen auf ihrer bildseitigen Oberfläche, bei anderen Ausführungsbeispielen auf ihrer objektseitigen Oberfläche im Randbereich asphärisch, und zwar im wesentlichen konvex, ausgebildet ist. Diese im Randbereich asphärische Ausbildung der planparallelen Platte hat den Sinn, Aberrationen fern der optischen Achse zu korrigieren. Aus diesem Grunde befindet sich die jeweilige Asphäre fern der Blende. Die Objektive haben ebenfalls nur eine relativ geringe Lichtstärke tive haben ebenfalls nur eine relativ geringe Lichtstärke von 1:4.5.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Objektiv der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass eine noch bessere Bildqualität bei noch geringerer Baulänge erreicht wird. Ferner sollen eine Bildaufnahmevorrichtung sowie ein elektro-optisches Gerät bereitgestellt werden, die über die genannte Bildqualität bei geringst möglichen Abmessungen verfügen

Bei einem Objektiv der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Oberfläche der vierten Linse in einem zentralen Bereich plan und in einem Randbereich konvex ausgebildet ist.

Bei einer Bildaufnahmevorrichtung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, das Objektiv in der vorstehend genannten Weise ausgebildet ist.

Bei einem elektro-optischen Gerät der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass es mit einer Bildaufnahmevorrichtung der vorstehend genannten At versehen ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Dadurch, dass die genannte bildseitige Oberfläche der vierten Linse in der erwähnten Weise ausgebildet ist, wird ein beson ders gutes Bild erzielt, insbesondere bei einem Zusammenwirken des Objektivs mit einem elektronischen Bildaufnahmeelement.

Dessen Sensoren haben nämlich nur einen begrenzten Aufnahmewinkel, so dass es ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen im Randbereich zu einer Abschattung kommt, wenn die Lichtstrahlen dort relativ flach auf die Sensoren fallen. Bei herkömmlichen Bildaufnahmeelementen soll im Randbereich der Einfallswinkel, d.h. der Winkel zur optischen Achse, nicht größer als etwa 25° sein. Durch die spezielle Ausbildung des Randbereiches wird dieser Effekt kompensiert, indem die randseitigen Lichtstrahlen so abgelenkt werden, dass sie unter einem Winkel von weniger als 25° zur optischen Achse auf die Sensoren auftreffen.

Für die Korrektur von achsfernen Aberrationen, wie sie bei dem Objektiv gemäß der US 4,035,063 korrigiert werden, ist die Ausbildung der Asphäre beim erfindungsgemäßen Objektiv eher nachteilig. Diese Korrektur findet daher durch die Gesamtkorrektur des Objektivs statt.

Beim erfindungsgemäßen Objektiv wird eine hohe Lichtstärke bzw. Öffnung von 1:2.9 erreicht, und zwar bei einer nur sehr geringen Baulänge, die bei 1.25, normiert auf die Brennweite liegt.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind sämtliche Oberflächen aller vier Linsen asphärisch ausgebildet.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine besonders kurze Baulänge erzielt werden kann.

Ferner ist bevorzugt, wenn vor der ersten Linse ein Eintrittsfenster angeordnet ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass ein effektiver Staubschutz für das Objektiv realisiert werden kann.

Weiter kann bei Ausführungsformen der Erfindung hinter der vierten Linse ein Infrarot-Filter angeordnet sein.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass einerseits ein Staubschutz für ein ggf. hinter dem Objektiv angeordnetes Bildaufnahmeelement dargestellt wird, andererseits wird durch das Filter störendes Infrarotlicht ausgefiltert.

Bei besonders bevorzugten Anwendungen der Erfindung ist hinter der vierten Linse eine Bildebene eines Bildaufnahmeelementes angeordnet.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass das Objektiv in elektrooptischen Geräten eingesetzt werden kann, insbesondere in Mobiltelefonen, Notebooks, PGAs, sowie in digitalen Kameras, Überwachungskameras, Webcams usw.

Für all diese und andere Anwendungsfälle ist ein spezielles Ausführungsbeispiel besonders bevorzugt, das gemäß den folgenden Werten ausgebildet ist:

* fakultativ

Entwicklungskonstanten der Asphären:

ASP 3: K: 0.000000 A: 0.510204E-02 B: 0.198736E-03 C: 0.111597E-02 D: 0.000000E+00
ASP 4: K: 0.000000 A: 0.631303E-02 B: -.553562E-03 C: 0.177248E-03 D: 0.000000E+00
ASP 7: K: 0.000000 A: 0.405755E-01 B: 0.120842E-01 C: 0.224906E-01 D: 0.000000E+00
ASP 8: K: 0.000000 A: 0.194218E-01 B: 0.105418E-01 C: =.396063E-02 D: 0.000000E+00
ASP 9: K: 0.000000 A: -.141654E-01 B: 0.476600E-02 C: -.101551E-02 D: 0.000000E+00
ASP 10: K: 0.000000 A: 0.157624E-01 B: 0.314134E-03 C: 0.658900E-04 D: 0.000000E+00
ASP 11: K: 0.000000 A: 0.346293E-01 B: -.666398E-02 C: 0.694282E-03 D: 0.000000E+00
ASP 12: K: 0.000000 A: 0.311670E-02 B: -.272320E-02 C: 0.133110E-03 D: 0.000000E+00

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung bestehen die Linsen in an sich bekannter Weise aus Kunststoff; insbesondere bestehen die erste Linse und die dritte Linse aus Zeonex und/oder weiter vorzugsweise die zweite Linse und die vierte Linse aus Polycarbonat.

Wie bereits erwähnt, wird das Objektiv vorzugsweise für ein Telefon, insbesondere ein Mobiltelefon eingesetzt, oder für ein elektro-optisches Gerät, insbesondere ein mit einer Kamera bestücktes mobiles Datenverarbeitungsgerät oder für eine Kamera.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1: eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Objektivs in stark vergrößertem Maßstab;
2: Diagramme, darstellend die Querabweichungen in der Bildebene in tangentialer und in sagittaler Richtung beim Objektiv gemäß 1;
3: ein Diagramm, darstellend den Einfallswinkel auf die Bildebene; und
4: ein Diagramm, darstellend den Verlauf des MTF-Verlustes in der Bildmitte.
In 1 bezeichnet 100 als ganzes ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Objektivs mit einer optischen Achse 102. Das Objektiv 100 ist von der Bauart +-+-.
In der Darstellung der 1 befindet sich auf der linken Seite des Objektivs 100 eine Objektseite 104 und auf der rechten Seite eine Bildseite 106. Objektseitig ist das Objektiv 100 mit einem Eintrittsfenster 108 abgeschlossen. Dahinter sind hintereinander entlang der optischen Achse 102 eine erste Linse I positiver Brechkraft, eine zweite Linse II negativer Brechkraft, eine dritte Linse III positiver Brechkraft, sowie eine vierte Linse IV negativer Brechkraft angeordnet. Eine Blende 110 befindet sich zwischen der ersten Linse I und der zweiten Linse II. Am bildseitigen Ende ist das Objektiv 100 mit einem IR-Filter 112 abgeschlossen. Dahinter befindet sich eine Bildebene 114, die von einem Bildaufnahmeelement 116 eingenommen wird.
In 1 sind ferner mit den Ziffern 1 bis 16 die üblichen Oberflächen bzw. Ebenen eingezeichnet.
Sämtliche Oberflächen 3, 4 und 7–12 der Linsen I–IV sind asphärisch ausgebildet. Die von der Objektseite 104 abgewandte Oberfläche 12 der vierten Linse IV hat einen zentralen Bereich 120, der im wesentlichen plan ausgebildet ist, sowie einen Randbereich 121, der asphärisch und im wesentlichen konvex ausgebildet ist.
Die konstruktiven Einzelheiten des vorstehend geschilderten und in 1 dargestellten Objektivs 100 lassen sich in der üblichen Notation aus den folgenden Angaben entnehmen:
Entwicklungskonstanten der Asphären:

Infolge der Ausbildung der Asphären ergibt sich für das Objektiv 100 eine sehr kurze axiale Baulänge von nur 7 mm. Die Öffnung bzw. Lichtstärke liegt bei 1:2.5.
Die spezielle Formgebung der Oberfläche 12 hat zur Folge, dass die Sensoren in dem Bildaufnahmeelement 116 auch im Randbereich verhältnismäßig steil (Einfallswinkel < 25°) beleuchtet werden, so dass sich am Rand kein Helligkeitsabfall und keine Verzeichnung ergeben. Die TV-Verzeichnung beträgt weniger als 0.8%.
Die Linsen I–IV werden vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt, beispielweise durch Spritzen oder Pressen. Für die Erste Linse I und die dritte Linse III wird bevorzugt der Kunststoff Zeonex verwendet, für die zweite Linse II und die vierte Linse IV Polycarbonat.
2 zeigt für das Objektiv 100 in der üblichen Darstellung die Querabweichungen in der Bildebene in tangentialer und in sagittaler Richtung. Alle zehn Einzeldiagramme sind nach den unten rechts angegebenen fünf Lichtwellenlängen a) bis e) parametriert.
3 zeigt den Verlauf des Einfallswinkels über dem relativen Feld und man kann dort die durch die Asphäre der Oberfläche 12 bewirkte Kompensation am Rand deutlich erkennen. Der Einfallswinkel liegt immer unterhalb 25°.
4 schließlich zeigt den Verlauf des MTF-Verlustes über der relativen Bildhöhe. Da die Oberfläche 12 der vierten Linse IV im zentralen Bereich 120 plan ist, ergibt sicht eine besondere Bildgüte in diesem Bereich, anders als bei konvexen Asphären, wie dies in der eingangs genannten US 6,747,810 B2 angegeben ist. Bei einer konvexen Asphäre erhält man nämlich nahe der Bildmitte einen Wendepunkt in der Asphärenfunktion, der das System toleranzempfindlich macht. Die erfindungsgemäße plane Ausführung führt hingegen zu einer Steigerung des Abfalls der MTF hinsichtlich der Toleranzen um 7.8–15.4% in der Bildmitte, wie 4 zeigt.
Das Objektiv wird bevorzugt in Bildaufnahmevorrichtungen eingesetzt, wie sie für elektro-optische Geräte verwendet werden. Beispiele hierfür sind Telefone, insbesondere Mobiltelefone, Notebooks, PGAs, Digitalkameras, Überwachungskameras, Webcams usw.

Claims

Objektiv, bei dem, von einer Objektseite (104) her gesehen, eine erste Linse (I) positiver Brechkraft, eine zweite Linse (II) negativer Brechkraft, eine dritte Linse (III) positiver Brechkraft, sowie eine vierte Linse (IV) negativer Brechkraft entlang einer gemeinsamen optischen Achse (102) hintereinander angeordnet sind, wobei mindestens eine von der Objektseite (104) abgewandte Oberfläche (12) der vierten Linse (IV) asphärisch ausgebildet und eine Blende (110) zwischen der ersten Linse (I) und der zweiten Linse (II) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (12) der vierten Linse (IV) in einem zentralen Bereich (120) plan und in einem Randbereich (121) konvex ausgebildet ist.
Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Oberflächen (3, 4, 7–12) aller vier Linsen (I–IV) asphärisch ausgebildet sind.
Objektiv nach Anspruche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der ersten Linse (I) ein Eintrittsfenster (108) angeordnet ist.
Objektiv nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass hinter der vierten Linse (IV) ein Infrarot-Filter (112) angeordnet ist.
Objektiv nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass hinter der vierten Linse (IV) eine Bildebene (114) eines Bildaufnahmeelementes (116) angeordnet ist.
Objektiv nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es gemäß den folgenden Werten ausgebildet ist:
* fakultativ Entwicklunaskonstanten der Asphären: ASP 3: K: 0.000000 A: 0.510204E-02 B: 0.198736E-03 C: 0.111597E-02 D: 0.000000E+00 ASP 4: K: 0.000000 A: 0.631303E-02 B: -.553562E-03 C: 0.177248E-03 D: 0.000000E+00 ASP 7: K: 0.000000 A: 0.405755E-01 B: 0.120842E-01 C: 0.224906E-01 D: 0.000000E+00 ASP 8: K: 0.000000 A: 0.194218E-01 B: 0.105418E-01 C: =.396063E-02 D: 0.000000E+00 ASP 9: K: 0.000000 A: -.141654E-01 B: 0.476600E-02 C: -.101551E-02 D: 0.000000E+00 ASP 10: K: 0.000000 A: 0.157624E-01 B: 0.314134E-03 C: 0.658900E-04 D: 0.000000E+00 ASP 11: K: 0.000000 A: 0.346293E-01 B: -.666398E-02 C: 0.694282E-03 D: 0.000000E+00 ASP 12: K: 0.000000 A: 0.311670E-02 B: -.272320E-02 C: 0.133110E-03 D: 0.000000E+00
Objektiv nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (I–IV) aus Kunststoff bestehen.
Objektiv nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Linse (I) und die dritte Linse (III) aus Zeonex bestehen.
Objektiv nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Linse (Ii) und die vierte Linse (IV) aus Polycarbonat bestehen.
Bildaufnahmevorrichtung mit einem Bildaufnahmeelement (116) sowie einem vor dem Bildaufnahmeelement (116) angeordneten Objektiv (100), dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (100) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
Elektro-optisches Gerät mit einer Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 10.
Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Telefon, insbesondere ein Mobiltelefon ist.
Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Datenverarbeitungsgerät, insbesondere ein mobiles Datenverarbeitungsgerät ist.
Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Kamera ist.