DE102005033746A1

DE102005033746A1 - Kompaktes Objektiv zur digitalen Bilderfassung sowie Bilderfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102005033746A1
Application number: DE102005033746A
Authority: DE
Inventors: Edgar Pawlowski; Matthias Brinkmann; Wolfram Prof. Dr. Beier
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2007-01-25
Also published as: EP1744188A2; JP2007025680A; US20070153387A1; EP1744188A3; TW200720827A; KR20070009483A; CN1971339A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kompaktes Objektiv mit fester Brennweite zur digitalen Bilderfassung, mit zwei oder drei refraktiven optischen Elementen (1-3) und mit zumindest einem diffraktiven optischen Element (5, 6), um einfallendes Licht auf ein Detektorarray (21) abzubilden. Erfindungsgemäß zeichnet sich das Objektiv dadurch aus, dass zumindest ein diffraktives optisches Element (6) auf einem refraktiven optischen Element (1-3) ausgebildet ist. DOLLAR A Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ferner eine digitale Bilderfassungsvorrichtung mit einem solchen Objektiv.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Objektive und Vorrichtungen zur digitalen Bilderfassung und betrifft insbesondere ein kompakt aufgebautes Objektiv zur digitalen Bilderfassung in mobilen informationstechnischen Geräten, wie beispielsweise Mobiltelefonen oder PDAs, sowie ein mobiles informationstechnisches Gerät, insbesondere Datenendgerät, mit einem solchen Objektiv.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die digitale Bilderfassung macht kompakte Objektive, d.h. Objektive mit vergleichsweise kurzer Baulänge, zunehmend erforderlich. Dies gilt insbesondere für die digitale Bilderfassung in Datenendgeräten, wie beispielsweise PDAs oder Mobiltelefonen, wo eine möglichst flache Gerätegeometrie gewünscht ist. Mit der zunehmenden Integrationsdichte in der Mikroelektronik stehen heutzutage auch digitale Bilderfassungschips, beispielsweise auch als CCD-Bildsensoren oder CMOS-Bildsensoren, mit mehreren Millionen Bilderfassungselementen auf kleinster Fläche zur Verfügung, was auch für vergleichsweise flache mobile Geräte, wie den vorgenannten mobilen Datenendgeräten, zukünftig eine hohe Bildauflösung wünschenswert macht. Somit besteht ein zunehmender Bedarf nach kompakten Objektiven mit kurzer Baulänge, die eine sehr hohe Bildauflösung ermöglichen und möglichst kostengünstig hergestellt werden sollen.
Kostengünstige Linsen als abbildendes optisches Element sind insbesondere auf dem Gebiet der analogen Einlinsenkameras, insbesondere Einwegkameras, bekannt. So offenbart beispielsweise US 5,581,405 eine achromatische Hybrid-Linse mit einem aus gewölbten Linsenoberflächen ausgebildeten refraktiven Basiskörper, auf dessen einer Linsenoberfläche diffraktive Strukturen ausgebildet sind, was durch Pressformen der Linse, Spritzgießen aus einem Kunststoff oder durch Nachbearbeitung der einen Linsenoberfläche bewerkstelligt werden kann.
Auch die EP 1 193 512 A2 offenbart ein diffraktives optisches Element sowie ein daraus ausgebildetes optisches System.
US 6,157,494 und US 2005/0068637 A1 offenbaren ein kompaktes Zoomobjektiv, das zur Korrektur der chromatischen Aberration mit einem diffraktiven optischen Element versehen ist. Das Objektiv ist vergleichsweise komplex aufgebaut und eignet sich folglich nicht als kompaktes Objektiv im Sinne der vorliegenden Anmeldung zur digitalen Bilderfassung, insbesondere zur digitalen Bilderfassung in mobilen Anwendungen, wie beispielsweise Datenendgeräten.
Die gattungsbildende US 6,072,634 offenbart ein kompaktes Objektiv mit fester Brennweite für Digitalkameras, das vier durch Spritzguß aus einem Kunststoff hergestellte Linsen umfasst, wobei auf einer Oberfläche von einer der Linsen diffraktiv wirkende optische Strukturen ausgebildet sind, um die chromatische Aberration geeignet zu beeinflussen. Die diffraktiv wirkende Linsenoberfläche ist nahe einer in dem Objektiv vorgesehenen Blende angeordnet. Zur exakten Ausrichtung der Einzellinsen sind diese mit peripheren als Ausricht-Flansch wirkenden Strukturen versehen, die durch nachträgliches Abdrehen der Strukturen ausgebildet werden, was vergleichsweise aufwändig und kostspielig ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Objektiv mit fester Brennweite zur digitalen Bilderfassung bereitzustellen, das kompakt aufgebaut und kostengünstig und einfach hergestellt werden kann und eine hohe Bildauflösung ermöglichen soll, insbesondere für mobile Anwendungen in der digitalen Bilderfassung, beispielsweise für Digitalkameras, in Mobiltelefonen, mobilen Datenendgeräten, insbesondere PDAs, oder auch für Anwendungen im Automotive-Bereich, beispielsweise zur Seitenstreifenerkennung, zur Personen- bzw. Hinderniserkennung oder für Objektive zur Bilderfassung beim Rückwärtsfahren. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung soll ferner eine digitale Bilderfassungsvorrichtung mit zumindest einem solchen Objektiv bereitgestellt werden.
Diese und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein kompaktes Objektiv mit den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie durch eine digitale Bilderfassungsvorrichtung nach Anspruch 18 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.
Somit geht die Erfindung aus von einem kompakten Objektiv mit fester Brennweite zur digitalen Bilderfassung, das zwei oder drei, bevorzugt zwei, refraktive optische Elemente und zumindest ein diffraktives optisches Element umfasst, um einfallendes Licht auf einen Detektorarray abzubilden. Erfindungsgemäß zeichnet sich das Objektiv dadurch aus, dass zu mindest ein diffraktives optisches Element auf einem refraktiven optischen Element ausgebildet ist. Zweckmäßig handelt es sich bei einem solchen refraktiven optischen Element um eine optische Linse oder auch um eine Verbund- bzw. Hybridlinse, die zwei miteinander stoffschlüssig verbundene Einzellinsen umfasst. Da erfindungsgemäß nur zwei oder drei refraktive optische Element, insbesondere Linsen, vorgesehen sind, kann das erfindungsgemäße Objektiv mit sehr kurzer Baulänge hergestellt werden, was im Vergleich zu Objektiven mit mehr Linsen eine enorme Reduktion des Bauvolumens zur Folge hat. Ferner können so erfindungsgemäß signifikante Kosten eingespart werden. Gleichzeitig lassen sich mittels des zumindest einen diffraktiven Elements Abbildungsfehler wirkungsvoll kompensieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest ein diffraktives optisches Element unmittelbar auf oder an einer transparenten Abdeckung eines Detektorarrays ausgebildet oder vorgesehen. Somit kann das auf den Detektorarray abzubildende Licht unmittelbar vor dem Detektorarray geeigneter korrigiert werden, was wichtige Eigenschaften des Objektivs, wie beispielsweise die Abbildungsqualität, den Bildkontrast und die Signalintensität, weiter erhöht, da die Lichtempfindlichkeit der üblichen Detektorarrays, insbesondere von CCD-Chips oder CMOS-Chips, üblicherweise eine starke Abhängigkeit vom Einfallswinkel des einfallenden Lichts aufweist. Die höhere Empfindlichkeit ermöglicht Objektive mit kürzerer Baulänge. Insbesondere können erfindungsgemäß auch Objektive mit vergleichsweise kleinen Durchmessern realisiert werden, was bei gleicher f-Zahl des Objektivs zu einer weiteren Verkürzung des Objektivs beiträgt. Die Anordnung bzw. Ausbildung eines diffraktiven optischen Elements unmittelbar vor bzw. auf der transparenten Abdeckung ermöglicht auch eine noch wirkungsvollere Kompensation der chromatischen Aberration des Objektivs.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das diffraktive optische Element einstückig mit der transparenten Abdeckung ausgebildet. Dies lässt sich beispielsweise durch Ausbilden eines Beugungsgitters, einer Fresnel-Zonenplatte, von phasenwirksamen Strukturen oder dergleichen in bzw. auf der transparenten Abdeckung realisieren. Die diffraktiven optischen Strukturen können durch Prägen, insbesondere Heißprägen, oder durch eine andere geeignete Heißformgebung der Oberfläche der transparenten Abdeckung oder durch andere Oberflächenstrukturierungsverfahren wie Ätzen (WCE, RIE, IBE, CAIBE) oder auch durch Laserablationsverfahren (UV-Laser, fs-Laser) oder auch durch additive Aufdampfverfahren realisiert werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann auch auf die transparente Abdeckung ein Kunststoff- oder Glasfilm aufgebracht werden, der durch Prägen, insbesondere Heißprägen, oder durch eine andere geeignete Heißformgebung dann weiter strukturiert wird, um ein diffraktives optisches Element auszubilden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein abbildendes optisches Element als Verbund- bzw. Hybridlinse mit einem ersten Linsenelement aus einem Material mit einem ersten Brechungsindex und einem zweiten Linsenelement aus einem Material mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner ist als der erste Brechungsindex, ausgebildet, wobei das erste Linsenelement im Strahlengang vor dem zweiten Linsenelement und an einer Lichteintrittsseite des Objektivs angeordnet ist. Somit wird das einfallende Licht bereits an der Lichteintrittsseite des Objektivs relativ stark gebrochen, was Abbildungsfehler des Objektivs weiter mindert. Bei einer solchen Verbund- bzw. Hybridlinse sind die beiden Materialien stoffschlüssig miteinander verbunden, beispielsweise durch einstückige Ausbildung, insbesondere durch Spritzgießen von Kunststofflinsen oder Pressen von Glaslinsen, oder durch Verkleben oder Glasbonden.
Zweckmäßige Materialkombinationen zur Erzielung eines vorteilhaft kompakten Objektivs umfassen als Material mit dem ersten Brechungsindex ein Glas mit einem Brechungsindex n > 1,6. Geeignete Glassorten sind beispielsweise Gläser mit niedrigem Tg, wie beispielsweise N-LASF47 von Schott, K-VC89 von Sumita oder S-LAH79 von OHARA, sowie alle anderen optischen Gläser, wie beispielsweise N-SF6 oder auch N-SF66 oder auch LASF35 von Schott. Als Material mit dem zweiten Brechungsindex ist zweckmäßig ein Kunststoff mit einem Brechungsindex n < 1,6 vorgesehen. Ein solcher Kunststoff kann insbesondere ausgewählt sein aus einer Gruppe von Kunststoffen; umfassend: Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylimid (PMMI), Polystyrol (PS), Poly(styrol-co-acrylnitril) (SAN), Cycloolefincopolymer (COC), Cycloolefinpolymer (COP), Methylpentencopolymer (PMP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyurethane, aliphatische Polyurethane und Silikone.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Gesamtlänge L des Objektivs kleiner oder gleich einer Brennweite f des Objektivs: L = f. Das erfindungsgemäße Objektiv unterschreitet somit deutlich die herkömmlichen Auslegungsgrenzen bei der Gestaltung von kompakten Objektiven mit fester Brennweite.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die beiden diffraktiven optischen Elemente an oder auf einander gegenüberliegenden Grenzflächen zweier benachbarter optischer Elemente vorgesehen oder ausgebildet, von denen ein optisches Element ein refraktives optisches Element ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die beiden diffraktiven optischen Elemente an oder auf einander abgewandten Grenzflächen zweier benachbarter optischer Elemente vorgesehen oder ausgebildet, von denen ein optisches Element ein refraktives optisches Element ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die beiden diffraktiven optischen Elemente aus einem Material mit demselben Brechungsindex ausgebildet, wobei ein Zwischenraum zwischen den beiden benachbarten optischen Elementen mit einem transparenten Füllmaterial mit einem Brechungsindex und einer Abbezahl, der bzw. die zu dem Brechungsindex der beiden diffraktiven optischen Elemente und der beiden benachbarten optischen Elemente verschieden ist, insbesondere kleiner ist, ausgefüllt. Mit dem transparenten Füllmaterial steht erfindungsgemäß ein weiterer Parameter zur Verfügung, um Abbildungseigenschaften des Objektivs, insbesondere die chromatische Aberration und die chromatische Beugungseffizienz, geeignet zu beeinflussen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Brechungsindex und die Abbezahl des transparenten Füllmaterials so gewählt, dass die Abhängigkeit der Lichtbeugung der beiden diffraktiven optischen Elementen von der Wellenlänge des abzubildenden Lichts vergleichmäßigt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Füllmaterial in dem Zwischenraum ein Kunststoff oder Polymer, dessen Abbezahl kleiner ist als die Abbezahl des Materials der diffraktiven optischen Elemente, sodass das transparente Füllmaterial eine vergleichsweise starke Dispersion vorgibt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die diffraktiven optischen Elemente aus einem Kunststoff ausgebildet sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die diffraktiven optischen Elemente aus einem Kunststoff ausgebildet, der ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend: Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylimid (PMMI), Polystyrol (PS), Poly(styrol-co-acrylnitril) (SAN), Cycloolefincopolymer (COC), Cycloolefinpolymer (COP), Methylpentencopolymer(PMP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyurethane, aliphatische Polyurethane und Silikone; und ist der Zwischenraum mit einem anderen Kunststoff oder Polymer, ausgewählt aus der vorgenannten Gruppe, ausgefüllt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die diffraktiven optischen Elemente aus einem Glas mit einer niedrigen Verarbeitungstemperatur Tg ausgebildet sind, bevorzugt mit einer Verarbeitungstemperatur Tg < 1000°C und bevorzugter mit einer Verarbeitungstemperatur Tg < 700°C.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die diffraktiven optischen Elemente aus einem Glas mit einem niedrigen Tg ausgebildet, das ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend: Gläser mit einem niedrigen Tg, wie beispielsweise N-LASF47 von Schott, K-VC89 von Sumita oder auch S-LAH79 von OHARA, sowie alle anderen optischen Gläser, wie bei spielsweise N-SF6, N-SF66 oder auch LASF35 von Schott; und ist der Zwischenraum mit einem Kunststoff oder Polymer ausgefüllt, der bzw. das ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend: Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylimid (PMMI), Polystyrol (PS), Poly(styrol-co-acrylnitril) (SAN), Cycloolefincopolymer (COC), Cycloolefinpolymer (COP), Methylpentencopolymer(PMP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyurethane, aliphatische Polyurethane und Silikone.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die diffraktiven optischen Elemente von diffraktiv wirkenden erhabenen Abschnitten ausgebildet, deren maximale Höhe H gegeben ist durch: H ≤ N λ/Δn, wobei λ eine minimale Wellenlänge des abzubildenden Lichts bezeichnet, Δn einen Absolutwert einer Differenz der Brechungsindizes des Materials der diffraktiven optischen Elemente und des Füllmaterials bezeichnet und N eine natürliche Ganzzahl zwischen N = 1 und N = 20 bezeichnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das diffraktive optische Element jeweils durch Heißformgebung, insbesondere durch Heißprägen, oder durch andere Oberflächenstrukturierungsverfahren wie Ätzen (WCE, RIE, IBE, CAIBE) oder auch durch Laserablationsverfahren (UV-Laser, fs-Laser) oder auch durch additive Aufdampfverfahren einer Oberfläche einer optischen Linse oder eines optischen Elements ausgebildet.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft eine digitale Bilderfassungsvorrichtung, insbesondere Handykamera, mit einem Detektorarray zur digitalen Bilderfassung, mit einem Objektiv wie vorstehend ausgeführt.
FIGURENÜBERSICHT
Nachfolgend wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, woraus sich weitere Vorteile, Merkmale und zu lösende Aufgaben ergeben werden und worin:
1 eine schematische Schnittansicht eines Objektivs gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine schematische Schnittansicht eines Objektivs gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 eine schematische Schnittansicht eines Objektivs gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 die Gitterverzerrung eines Objektivs gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 bis 7 verschiedene optische Eigenschaften eines Objektivs gemäß der vorliegenden Erfindung zusammenfassen;
8 die Transmission eines erfindungsgemäßen Objektivs, aufgetragen über den Objektivradius, darstellt;
9 bis 11 in Entsprechung zu den 5 bis 7 verschiedene optische Eigenschaften eines herkömmlichen Objektivs zusammenfassen, dessen optische Linsen entsprechend zu den optischen Linsen des Objektivs gemäß den 5 bis 7 ausgebildet sind, das jedoch kein diffraktives optisches Element gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst; und
12a und 12b in einer Draufsicht und einer Seitenansicht schematisch ein Mobiltelefon mit einer Kameraoptik gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
In sämtlichen Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder gleichwirkende Elemente oder Elementgruppen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines kompakten Objektivs gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß der 1 umfasst des Objektiv, in Richtung des Strahlengangs von der Objektebene zur Bildebene auf dem Detektorarray 21, eine erste Linse 1, die als plankonvexe Linse ausgebildet ist, eine zweite Linse 2, die als plan-konkave Linse ausgebildet ist, eine dritte Linse 3, die als plan-konvexe Linse ausgebildet ist, sowie ein scheibenförmiges diffraktives optisches Element (nachfolgend DOE) 6. Das DOE 6 ist unmittelbar vor einer transparenten Abdeckung 20 angeordnet, die als optischer und mechanischer Schutz eines in einem Gehäuse 22 aufgenommenen Detektorarrays 21 dient und beispielsweise aus einer Glas- oder Kunststoffscheibe besteht. Die transparente Abdeckung 20 kann mit einem Filter, beispielsweise zum Filtern von Spektralbereichen außerhalb des sichtbaren Wellenlängenbereichs (Wellenlänge etwa 400 bis 700 nm), insbesondere von Infrarot-Strahlung (Wellenlänge > 700 nm), versehen sein. Sämtliche optischen Elemente können mit geeigneten Antireflexions-Beschichtungen zur Erhöhung der Transmission des Objektivs in der bekannten Weise versehen sein. Wie dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein wird, ist die Höhe des Gehäuses 22 einschließlich der transparenten Abdeckung 20 vergleichsweise gering, und zwar von der Größenordnung von etwa 1 mm oder weniger, um eine möglichst kompakte Bilderfassungseinrichtung zu ermöglichen.
Gemäß der 1 weist die erste Linse 1 eine konvexe Vorderseite 10 und eine plane Rückseite 11 in Anlage zur planen Vorderseite der zweiten Linse 2 auf, die mit einer konkav gekrümmten Rückseite 13 versehen ist. Gemäß der 1 sind die beiden Linsen 1, 2 miteinander verbunden, um eine Verbundlinse mit einem ersten Linsenelement 1 aus einem Material mit einem ersten Brechungsindex und mit einem zweiten Linsenelement 2 aus einem Material mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner ist als der erste Brechungsindex, auszubilden. Dadurch wird an der Vorderseite 10 des brechend wirkenden Linsenele ments 1 einfallendes Licht relativ stark gebrochen, was wirkungsvoll zu einer Baulängenreduktion des erfindungsgemäßen Objektivs beiträgt. Grundsätzlich können die beiden Linsen 1, 2 durch Kleben miteinander verbunden werden. Als besondere zweckmäßig hat sich jedoch eine einstückige Ausbildung als Verbundlinse im Rahmen der Herstellung erwiesen, wie nachfolgend ausgeführt.
Als zweckmäßig hat sich die Verwendung von Glas für das erste Linsenelement 1 und eines Kunststoffes für das zweite Linsenelement 2 erwiesen. Denn so kann das zweite Linsenelement 2 durch einfaches Anformen, insbesondere Spritzgießen, eines Kunststoffs auf die plane Rückseite eines plan-konvexen Linsengrundkörpers und durch Prägen des Kunststoffs bei einer Temperatur unterhalb einer Erweichungs- bzw. Verarbeitungstemperatur Tg des Glases des ersten Linsenelements 1 ausgebildet werden, was die Herstellungskosten reduziert. Das erste Linsenelement 1 ermöglicht auch die Bereitstellung einer besonders stabilen und unanfälligen, insbesondere vergleichsweise kratzfesten und wenig Verunreinigungen anziehenden, Linsenoberfläche an der Lichteintrittsfläche des Objektivs, was insbesondere für Anwendungen ohne schützende transparente Abdeckung vor dem Objektiv von Vorteil ist.
Als besonders zweckmäßig hat sich zur Erzielung einer geringen Gesamtlänge des Objektivs für die aus dem ersten und zweiten Linsenelement 1, 2 ausgebildete Verbundlinse die Kombination aus einer vergleichsweise hochbrechenden Glassorte oder auch einer Optokeramik und einem niederbrechenden Kunststoff erwiesen. Beispielhaft seien nachfolgend die folgenden Materialkombinationen für das Material des ersten und zweiten Linsenelements 1, 2 angegeben: das Material mit dem ersten Brechungsindex kann ein Glas mit einem niedrigen Tg sein, beispielsweise ein Glas, das ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend: Gläser mit einem niedrigen Tg, wie beispielsweise N-LASF47 von Schott, K-VC89 von Sumita oder auch S-LAH79 von OHARA, sowie alle anderen optischen Gläser, wie beispielsweise N-SF6, N-SF66 oder auch LASF35 von Schott oder auch eine Optokeramik wie z.B. Lumicera von Murata; und das Material mit dem zweiten Brechungsindex kann z.B. ein Kunststoff sein, bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe von Kunststoffen, umfassend: Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylimid (PMMI), Polystyrol (PS), Poly(styrol-co-acrylnitril) (SAN), Cycloolefincopolymer (COC), Cycloolefinpolymer (COP), Methylpentencopolymer(PMP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyurethane, aliphatische Polyurethane und Silikone.
Gemäß der 1 weist die plan-konvexe Linse 3 eine plane Vorderseite 15 und eine konvex gekrümmte Rückseite 16 auf und ist zweckmäßig aus Glas ausgebildet, kann jedoch gemäß einer weiteren Ausführungsform auch aus einem Kunststoff ausgebildet sein.
Zur Realisierung eines kompakten Objektivdesigns sind die Zwischenräume 8, 9 zwischen den Linsen minimal gehalten. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest einer der Zwischenräume 8, 9 mit einem Kunststoff oder Polymer ausgefüllt. Die Dispersionseigenschaften dieses „Füllmaterials" können die optischen Abbildungseigenschaften des Objektivs weiter vorteilhaft beeinflussen. So kann die Dispersion des Füllmaterials die Wellenlängenabhängigkeit des zumindest einen in dem Objektiv vorgesehenen DOEs (Bezugszeichen 6 gemäß der 1) weiter verstärken oder zumindest teilweise kompensieren, wie nachfolgend noch näher ausgeführt. Mit der Wahl des Füllmaterials steht somit erfindungsgemäß ein weiterer Parameter zur Beeinflussung der optischen Abbildungseigenschaften und zur Baulängenreduktion des Objektivs zur Verfügung.
Die 2 zeigt eine Schnittansicht eines Objektivs gemäß einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Gemäß der 2 ist die dritte Linse 3 als plankonkave Linse ausgebildet, mit einer konkav gekrümmten Vorderseite 15 und einer planen Rückseite. Gemäß der 2 ist auf oder unmittelbar an der Rückseite der dritten Linse 3 ein DOE 5 vorgesehen bzw. ausgebildet. Gemäß der 2 ist auf oder unmittelbar an der Vorderseite der transparenten Abdeckung 20 ein weiteres DOE vorgesehen bzw. ausgebildet. Die beiden DOEs 5, 6 sind somit an bzw. auf einander unmittelbar gegenüberliegenden Oberflächen vorgesehen (sog. ,close cascade'-Anordnung) und können so ausgelegt sein, dass sich die Wellenlängenabhängigkeiten der Beugungseffizienz der beiden DOEs 5, 6 gegenseitig im Wesentlichen vollständig kompensieren. Auch bei der zweiten Ausführungsform ist zumindest der zweite Linsenzwischenraum 9 mit einem Füllmaterial geeigneter Dispersion ausgefüllt, wie vorstehend ausgeführt. Selbstverständlich kann auch der erste Zwischenraum 8 mit einem Füllmaterial geeigneter Dispersion ausgefüllt sein.
Die 3 zeigt eine Schnittansicht eines Objektivs gemäß einer dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Gemäß der 3 ist die dritte Linse 3 wie auch bei der ersten Ausführungsform als plan-konvexe Linse ausgebildet, mit einer planen Vorderseite und einer konvex gekrümmten Rückseite 16. Wie in der 3 ersichtlich, ist auf oder unmittelbar an der Vorderseite der dritten Linse 3 ein erstes DOE 5 vorgesehen bzw. ausgebildet, sodass die beiden DOEs 5, 6 auf oder an einander abgewandten Grenzflächen der zueinander benachbarten optischen Elemente 3, 20 vorgesehen bzw. ausgebildet sind.
Die Linsenzwischenräume 8, 9 werden zweckmäßig mit einem Kunststoff oder Polymer mit einer kleineren Abbe-Zahl als dem Material des den jeweiligen Linsenzwischenraum begrenzenden Elements ausgefüllt, um eine noch höhere Dispersion erzielen zu können.
Die Elemente des Objektivs sind rotationssymmetrisch ausgebildet und in einem rohrförmigen Linsentubus (nicht gezeigt) aufgenommen. Wenngleich in den Figuren nicht dargestellt, können grundsätzlich in den Linsenzwischenräumen 8, 9 geeignete Blenden, insbesondere zur Minderung von Streulicht, vorgesehen sein. Zur Herstellung des Objektivs werden zunächst die refraktiv wirkenden optischen Elemente bereitgestellt. Anschließend wird das zumindest eine DOE bereitgestellt, und zwar zweckmäßig durch Ausbilden oder Anordnung unmittelbar auf einer Oberfläche von einem der refraktiv wirkenden optischen Elemente oder der transparenten Abdeckung des Detektorarrays. Die optischen Elemente und die transparente Abdeckung werden entlang der optischen Achse fluchtend und exakt parallel zueinander angeordnet. Anschließend werden die Linsenzwischenräume mit einem geeigneten Kunststoff oder Polymer ausgefüllt. Durch diese Maßnahme wird zugleich die gewählte fluchtende und parallele Anordnung der optischen Elemente dauerhaft fixiert. Auf diese Weise wird erfindungsgemäß ein Objektiv mit einer festen Brennweite ausgebildet.
Die beiden Zwischenräume gemäß den 1 bis 3 können auch in unterschiedlichen Arbeitsschritten ausgefüllt werden, da die Geometrie bei dem Objektiv gemäß den 1 bis 3 so gewählt sein kann, dass nach dem Ausfüllen eines Linsenzwischenraums zueinander planparallele Oberflächen vorliegen, die zu einer weiteren Ausrichtung der optischen Elemente zum Auffüllen des anderen Linsenzwischenraums verwendet werden können. So kann bei der Ausführungsform gemäß den 1 und 3 zunächst der zweite Linsenzwischenraum 9 mit einem Kunststoff oder Polymer ausgefüllt werden, in welchem Fall nach diesem Ausfüllen ein rohrförmiger Körper mit zwei planparallelen Oberflächen (1 und 3: Rückseite der transparenten Abdeckung und Vorderseite 15 der dritten Linse) ausgebildet ist.
Wenngleich vorstehend nicht näher ausgeführt, wird dem Fachmann beim Studium der vorstehenden Beschreibung ohne weiteres ersichtlich sein, dass die gekrümmten Oberflächen der refraktiven optischen Elemente 1–3 wahlweise als sphärisch, asphärisch oder als Freiformfläche gekrümmte Oberflächen ausgebildet sein können.
Die diffraktiv wirkenden Strukturen können erfindungsgemäß als Oberflächenphasenelemente, ausgebildet sein. Beispielhaft seien Fresnel-Zonenplatten oder polynomförmige Phasenelemente genannt, die aus einer Anordnung von binären oder auch geblazten oder auch sägezahnförmigen Strukturen veränderlicher Periode auf der Oberfläche bestehen. Die erhabenen Abschnitte ragen dabei in den benachbarten, mit einem Kunststoff oder Polymer ausgefüllten Linsenzwischenraum hinein. Dabei gilt für die maximale Höhe H der erhabenen Abschnnitte: H ≤ N λ/Δn, wobei λ eine minimale Wellenlänge des abzubildenden Lichts bezeichnet, Δn einen Absolutwert einer Differenz der Brechungsindizes des Materials der diffraktiven optischen Elemente (5, 6) und des Füllmaterials bezeichnet und N eine natürliche ganze Zahl zwischen 1 und 20 ist.
Die diffraktiven Strukturen können erfindungsgemäß durch Strukturieren einer Oberfläche eines refraktiv wirkenden optischen Elements, beispielsweise einer optischen Linse oder einer transparenten Glas- oder Kunststoffabdeckung eines Detektorarrays, ausgebildet werden. Als beispielhafte Herstellungsverfahren seien angeführt: Blankpressen, Ätzen einschließlich Nasschemischem Ätzen (WCD; wet chemical etching), Trockenätzen, IBE (ion beam etching), CAIBE (chemically assisted ion beam etching), mechanisches Bearbeiten, Spritzgießen, Heißprägen, Laserablation. Zum Zwecke des Heißprägens kann beispielsweise auf die Oberfläche eines Glas- oder Kunststoffsubstrats, beispielsweise einer optischen Linse oder einer transparenten Abdeckung eines Detektorarrays, eine weitere Glas- oder Kunststoffschicht aufgebracht, insbesondere aufgeschleudert oder aufgepresst, werden, die bei einer niedrigen Temperatur schmilzt als das Substratmaterial. Selbstverständlich sind auch beliebige andere Strukturierungsverfahren zur Ausbildung der diffraktiven optischen Strukturen grundsätzlich möglich.
Die 4 zeigt die gemessene Gitterverzerrung eines erfindungsgemäßen Objektivs mit einer Gesamtlänge L = 4,9 mm und einer Brennweite f = 6,7 mm. Auf der in der 4 dargestellten Bildebene mit den Abmessungen 4,24 × 4,24 mm konnte eine maximale Verzerrung (grid distortion) von 0,8% gemessen werden.
Die 5 bis 7 fassen verschiedene optische Eigenschaften eines Objektivs gemäß der vorliegenden Erfindung zusammen. Das Objektiv hatte eine Baulänge L = 4,9 mm (vgl. 1). Dargestellt ist dabei in der 5 die Fokussierung von einfallendem Licht auf einen Lichtfleck zentrumsnah und etwa 3,0 mm beabstandet zur Objektivmitte. Wie dargestellt, konnte eine Spotgröße von etwa 2,1 μm auf der optischen Achse (zentrumsnah) und von etwa 8,8 μm für den Randstrahl ermittelt werden. Die 6 zeigt die Modulations-Transfer-Funktion (MTF) für zentrale Strahlen und Strahlen, die 3,0 mm beabstandet zur Objektivmitte einfallen. Schließlich zeigt die 7 die laterale chromatische Aberration. Die 8 zeigt schließlich für ein erfindungsgemäßes Objektiv die Transmission des Objektivs in Abhängigkeit vom Objektivradius, ausgedrückt als relative Intensität des transmittierten Lichts.
Die 9 bis 11 zeigen in Entsprechung zu den 5 bis 7 verschiedene optische Eigenschaften eines Objektivs, dessen optische Linsen entsprechend zu den optischen Linsen des Objektivs gemäß den 5 bis 7 ausgebildet sind, das jedoch kein diffraktives optisches Element (DOE) gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst. Die Gesamtbaulänge (vgl. 1) des Objektivs beträgt L = 5,5 mm. Gemäß der 9 wurde eine Spotgröße von etwa 7,5 μm zentrumsnah und von etwa 19,1 μm in einem Abstand von 3,0 mm zur Objektivmitte gemessen.
Wie dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein wird, kann das erfindungsgemäße Objektiv bei beliebigen optischen Vorrichtungen im Bereich Konsumeroptik, Industrieoptik oder auch Automotive eingesetzt werden. Beispielhaft seien nachfolgend angeführt: Objektive von mobilen digitalen Geräten, wie beispielsweise Mobiltelefonen, PDAs, portablen Datenendgeräten. Die 12 zeigt ein Beispiel für eine solche Anwendung im Detail. Gemäß der 12 umfasst das Mobiltelefon 30 ein Unterteil 31 und ein Oberteil 32, die über ein Scharnier miteinander verbunden sind, wobei das Unterteil in der bekannten Weise eine Tastatur 33 und einen Auswählschalter 34 für die Funktionen des Mobiltelefons, wie beispielsweise Telefonieren, SMS, PDA, Datenspeichern, Datenabspielen, Fotografieren, umfasst. Auf der Vorderseite des Oberteils 32 ist ein Display vorgesehen, auf der Rückseite ein Objektiv 36 gemäß der vorliegenden Erfindung.

1: Linse
2: Linse
3: Linse
5: Diffraktives optisches Element
6: Diffraktives optisches Element
8: Linsenzwischenraum
9: Linsenzwischenraum
10: Vorderseite von Linse 1
11: Rückseite von Linse 1
13: Rückseite von Linse 2
15: Vorderseite von Linse 3
16: Rückseite von Linse 3
20: Transparente Abdeckung
21: Detektorarray
22: Gehäuse
30: Mobiltelefon
31: Unterteil
32: Oberteil
33: Tastatur
34: Auswählschalter
35: Display
36: Objektiv

Claims

Kompaktes Objektiv mit fester Brennweite zur digitalen Bilderfassung, mit zwei oder drei refraktiven optischen Elementen (1–3) und mit zumindest einem diffraktiven optischen Element (5, 6), um einfallendes Licht auf einen Detektorarray (21) abzubilden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein diffraktives optisches Element (6) auf einem refraktiven optischen Element (1–3) ausgebildet ist.
Objektiv nach Anspruch 1, wobei zumindest ein diffraktives optisches Element (6) unmittelbar auf oder an einer transparenten Abdeckung (20) zum Abdecken des Detektorarrays (21) ausgebildet oder vorgesehen ist.
Objektiv nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das diffraktive optische Element einstückig mit der transparenten Abdeckung (21) ausgebildet ist.
Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein abbildendes optisches Element als Verbundlinse mit einem ersten Linsenelement (1) aus einem Material mit einem ersten Brechungsindex und einem zweiten Linsenelement (2) aus einem Material mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner ist als der erste Brechungsindex, ausgebildet ist, wobei das erste Linsenelement (1) im Strahlengang vor dem zweiten Linsenelement (2) und an einer Lichteintrittsseite des Objektivs angeordnet ist.
Objektiv nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Material mit dem ersten Brechungsindex ein Glas ist; und das Material mit dem zweiten Brechungsindex ein Kunststoff ist, bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe von Kunststoffen, umfassend: Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylimid (PMMI), Polystrol (PS), Poly(styrol-co-acrylnitril) (SAN), Cycloolefincopolymer (COC), Cycloolefinpolymer (COP), Methylpentencopolymer(PMP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyurethane, aliphatische Polyurethane und Silikone.
Objektiv nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Material mit dem ersten Brechungsindex eine Optokeramik ist; und das Material mit dem zweiten Brechungsindex ein Kunststoff ist, bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe von Kunststoffen, umfassend: Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylimid (PMMI), Polystyrol (PS), Poly(styrol-co-acrylnitril) (SAN), Cycloolefincopolymer (COC), Cycloolefinpolymer (COP), Methylpen tencopolymer(PMP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyurethane, aliphatische Polyurethane und Silikone.
Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Gesamtlänge L des Objektivs kleiner oder gleich einer Brennweite f des Objektivs ist: L = f.
Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden diffraktiven optischen Elemente (5, 6) an oder auf einander gegenüberliegenden Grenzflächen zweier benachbarter optischer Elemente (3, 20) vorgesehen oder ausgebildet sind, von denen ein optisches Element ein refraktives optisches Element (3) ist.
Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zwei diffraktive optische Elemente (5, 6) an oder auf einander abgewandten Grenzflächen zweier benachbarter optischer Elemente (3, 20) vorgesehen oder ausgebildet sind, von denen ein optisches Element ein refraktives optisches Element (3) ist.
Objektiv nach Anspruch 7, wobei zwei diffraktive optische Elemente (5, 6) aus einem Material mit demselben Brechungsindex ausgebildet sind und wobei ein Zwischenraum (9) zwischen den beiden benachbarten optischen Elementen (3, 20) mit einem transparenten Füllmaterial mit einem Brechungsindex, der zu dem Brechungsindex der beiden diffraktiven optischen Elemente (3, 20) und der beiden benachbarten optischen Elemente (3, 20) verschieden ist, ausgefüllt ist.
Objektiv nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Brechungsindex und die Dicke des transparenten Füllmaterials so gewählt ist, dass die Abhängigkeit der Lichtbeugungseffizienz der beiden diffraktiven optischen Elementen (3, 20) von der Wellenlänge des abzubildenden Lichts zu vernachlässigen ist.
Objektiv nach dem einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Füllmaterial in dem Zwischenraum (9) ein Kunststoff oder Polymer ist, dessen Abbe-Zahl kleiner ist als die Abbe-Zahl des Materials der diffraktiven optischen Elemente (5, 6).
Objektiv nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die diffraktiven optischen Elemente (5, 6) aus einem Kunststoff ausgebildet sind.
Objektiv nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die diffraktiven optischen Elemente (5, 6) aus einem Kunststoff ausgebildet sind, der ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend: Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylimid (PMMI), Polystyrol (PS), Poly(styrol-co- acrylnitril) (SAN), Cycloolefincopolymer (COC), Cycloolefinpolymer (COP), Methylpentencopolymer(PMP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyurethane, aliphatische Polyurethane und Silikone; und wobei der Zwischenraum (9) mit einem anderen Kunststoff oder Polymer ausgefüllt ist.
Objektiv nach Anspruch 11, wobei die diffraktiven optischen Elemente (5, 6) aus einem Glas mit einer niedrigen Verarbeitungstemperatur Tg ausgebildet sind, bevorzugt mit einer Verarbeitungstemperatur Tg < 1000°C und bevorzugter mit einer Verarbeitungstemperatur Tg < 700°C.
Objektiv nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die diffraktiven optischen Elemente (5, 6) aus einem Glas ausgebildet sind; und der Zwischenraum (9) mit einem Kunststoff oder Polymer ausgefüllt ist, der bzw. das ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend: Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylimid (PMMI), Polystyrol (PS), Poly(styrol-co-acrylnitril) (SAN), Cycloolefincopolymer (COC), Cycloolefinpolymer (COP), Methylpentencopolymer(PMP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyurethane, aliphatische Polyurethane und Silikone.
Objektiv nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die diffraktiven optischen Elemente (5, 6) aus einem Optokeramik ausgebildet sind; und der Zwischenraum (9) mit einem Kunststoff oder Polymer ausgefüllt ist, der bzw. das ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend: Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylimid (PMMI), Polystyrol (PS), Poly(styrol-co-acrylnitril) (SAN), Cycloolefincopolymer (COC), Cycloolefinpolymer (COP), Methylpentencopolymer(PMP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyurethane, aliphatische Polyurethane und Silikone.
Objektiv nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei die diffraktiven optischen Elemente (5, 6) von diffraktiv wirkenden erhabenen Abschnitten ausgebildet sind, deren maximale Höhe H gegeben ist durch: H = N λ/Δn, wobei λ eine minimale Wellenlänge des abzubildenden Lichts bezeichnet, Δn einen Absolutwert einer Differenz der Brechungsindizes des Materials der diffraktiven optischen Elemente (5, 6) und des Füllmaterials bezeichnet und N eine natürliche Zahl zwischen N = 1 und N = 20 ist.
Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das diffraktive optische Element (5, 6) jeweils durch Heißformgebung, insbesondere durch Heißprägen, einer Oberfläche einer optischen Linse (1–3) oder eines optischen Elements (20) ausgebildet ist.
Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das diffraktive optische Element (5, 6) jeweils durch ein Oberflächenstrukturierungsverfahren, wie beispielsweise Ätzen, insbesondere WCE, RIE, IBE oder CAIBE, oder auch durch Laserablationsverfahren, insbesondere mittels UV-Laser oder Femtosekunden-Laser, oder auch durch additive Aufdampfverfahren auf einer optischen Linse (1–3) oder eines optischen Elements (20) ausgebildet ist.
Digitale Bilderfassungsvorrichtung, insbesondere Handykamera (30), mit einem Detektorarray (21) zur digitalen Bilderfassung, gekennzeichnet durch ein Objektiv (36) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.