DE102008061664A1

DE102008061664A1 - Miniaturisiertes Vario-Objektiv

Info

Publication number: DE102008061664A1
Application number: DE102008061664A
Authority: DE
Original assignee: Linos Photonics GmbH and Co KG
Current assignee: Qioptiq Photonics GmbH and Co KG
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2010-06-17
Also published as: DE112009003707A5; JP2012511735A; US8605371B2; KR20110095922A; US20110299176A1; WO2010066415A1

Abstract

Ein miniaturisiertes Vario-Objektiv, insbesondere für eine Verwendung in Mobiltelefonen, weist, von der Objektebene aus gesehen, in der angegebenen Reihenfolge wenigstens eine negative erste optische Baugruppe 6, eine negative zweite optische Baugruppe 8, eine positive dritte optische Baugruppe 10 und eine positivie vierte optische Baugruppe 12 auf, wobei die zweite, die dritte und die vierte optische Baugruppe 8, 10, 12 derart ausgelegt sind, dass eine Fokussierung ausschließlich durch Verschiebung der vierten optischen Baugruppe 12 erfolgt und bei der Fokussierung die Position der zweiten und der dritten optischen Baugruppe 8, 10 unverändert bleibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein miniaturisiertes Vario-Objektiv.
Insbesondere Mobiltelefone werden in zunehmendem Maße mit einer digitalen Bildaufzeichnungseinrichtung ausgestattet. Um die fotographischen Möglichkeiten zu erweitern, werden hierbei Vario-Objektive verwendet. Wegen des in einem Mobiltelefon zur Verfügung stehenden beschränkten Bauraumes ist es erforderlich, entsprechende Vario-Objektive stark miniaturisiert auszuführen.
Derartige miniaturisierte Vario-Objektive bestehen in einer Grundkonfiguration aus einer optischen Baugruppe negativer Brechkraft und einer optischen Baugruppe positiver Brechkraft. In ihrer einfachsten Ausführungsform wird hierbei ein Frontglied mit negativer Brechkraft und ein in Einfallsrichtung des Lichtes dahinter angeordnetes Glied positiver Brechkraft verwendet. Um in der Bildebene eine reale Abbildung zu erzeugen, muß das auf diese Weise gebildete Vario-Objektiv eine positive Gesamtbrechkraft haben. Hierbei besteht die Hauptfunktion eines Vario-Objektives in einer Veränderung der Gesamtbrechkraft, also einer Veränderung der Brennweite, die es nach den bekannten paraxialen Abbildungsgesetzen ermöglicht, bei kurzer Brennweite einen großen Objektausschnitt und damit einen großen totalen Objektwinkel und bei langer Brennweite einen geringen Objektausschnitt und damit geringen totalen Objektwinkel zu erfassen.
Hat in einer solchen Anordnung ein erstes optisches Glied (Frontglied) eine negative Brennweite und ein in Einfallsrichtung des Lichtes dahinter angeordnetes zweites optisches Glied eine positive Brennweite, so bewirkt eine Abstandsänderung beider Glieder entlang der optischen Achse eine Veränderung der gesamten Brennweite. Falls hierbei die Abbildungsebene im Ort unverändert bleiben soll, so muß diese Zoomaktion auf beide Glieder entsprechend verteilt werden, wobei in der Regel die Verschiebung des Frontgliedes nichtlinear und die Verschiebung des hinteren Gliedes linear ist. Entsprechende Vario-Objektive finden nicht nur in Mobiltelefonen, sondern beispielsweise auch in Kleincomputern, insbesondere sogenannten PDAs (Personal Digital Assistants) Verwendung. Ein entsprechendes Vario-Objektiv ist beispielsweise durch EP 1 901 104 A1 bekannt.
Insbesondere bei einer Verwendung eines solchen Vario-Objektives in einem Mobiltelefon ergeben sich erhebliche Einschränkungen hinsichtlich des Einbauraumes. Aus diesem Grund wird meist ein sogenannter periskopischer Aufbau bevorzugt, bei dem der bei einer Zoomaktion bewegte Teil des Vario-Objektivs zu dem Frontglied um 90° versetzt eingebaut wird. Die Umlenkung des Strahlenganges erfolgt hierbei mittels eines 90°-Prismas (Umlenkprismas). Eine entsprechende Anordnung ist beispielsweise aus US 7 312 931 bekannt.
Aufgrund des eingeschränkten Bauraumes haben entsprechende miniaturisierte Vario-Objektive in der Regel einen relativ geringen Vario-Faktor, der sich aus dem Verhältnis der längsten und der kürzesten Brennweite berechnet. Um gleichzeitig eine aberrationsarme Abbildung erzielen zu können, darf die optische Anspannung des Systems in keiner Zoomposition, also bei keiner der verfügbarer. Brennweiten, einen bestimmten Wert übersteigen. Ein erstes Merkmal der Anspannung des optischen Systems kann hierbei die Brennweite der Einzelglieder sein. Falls diese nicht zu klein ist, kann die geometrische Form der Konstruktionselemente, insbesondere Linsen, in den verwendeten optischen Gliedern gut an das Gesamtkorrektionsziel des Vario-Objektivs angepaßt werden. Größere Brennweiten benötigen allerdings einen Mindeststellweg, der nicht unterschritten werden darf, falls ein vorgegebener Vario-Faktor realisiert werden soll. Ist der Verstellraum in Richtung der optischen Achse zu gering, so müssen die Brechkräfte der optischen Glieder besonders groß werden, was zu erheblichen Schwierigkeiten bei der optischen Korrektion der einzelnen Glieder führt. Ein Ausweg besteht hierbei darin, die einzelnen optischen Glieder aus einer größeren Anzahl von Komponenten zu bilden. Hierfür fehlt allerdings häufig der Einbauraum.
Aufgrund des begrenzten Einbauraumes können entsprechende miniaturisierte Vario-Objektive also nur auf relativ einfachen optischen Ansätzen beruhen, insbesondere besonders wenige Linsen aufweisen, die zur Erzielung der erforderlichen Abbildungseigenschaften des Objektivs viele asphärische Flächen aufweisen. US 2004 0 257 671 offenbart ein miniaturisiertes Vario-Objektiv mit einem Vario-Faktor von etwa 2.
Bei einem Übergang zu höheren Vario-Faktoren > 2 zeigt sich, daß eine dreigliedrige Zoomstruktur günstig ist, bei der drei optische Glieder verwendet werden, um eine Veränderung der Brennweite zu erzielen. Derartige Vario-Objektive besitzen zusätzlich zu stationären optischen Gliedern einen Variator und zwei Kompensatoren, wobei die Funktion des Variators darin besteht, die Brennweite zu verändern, während die Funktion des Kompensators bzw. der Kompensatoren darin besteht, auch bei einer Änderung der Brennweite den Ort der Bildentstehung konstant zu halten. Entsprechende Vario-Objektive sind beispielsweise durch US 2005/0 105 192 , US 7 315 422 , US 6 924 939 und US 2008/0 062 531 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein miniaturisiertes Vario-Objektiv anzugeben, das bei einem relativ einfachen optischen Aufbau einen relativ großen Vario-Faktor ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
Die Erfindung sieht vor, daß die zweite, die dritte und die vierte optische Baugruppe derart ausgelegt sind, daß eine Fokussierung ausschließlich durch Verschiebung der vierten optischen Baugruppe erfolgt und bei der Fokussierung die Positionen der zweiten und der dritten Baugruppe unverändert bleibt.
Erfindungsgemäß wird die Brennweitenänderung durch Verschiebung der zweiten und der dritten optischen Baugruppe bewirkt, während die Fokussierung ausschließlich durch Verschiebung der vierten optischen Baugruppe bewirkt wird. Bei einer Veränderung der Brennweite bleibt die vierte optische Baugruppe somit ortsfest.
Auf diese Weise ist ein relativ einfacher optischer Aufbau angegeben, der gleichzeitig einen relativ großen Vario-Faktor ermöglicht.
Die Auslegung der zweiten, der dritten und der vierten optischen Baugruppe wird mit bekannten Verfahren und Werkzeugen der Optikrechnung so gewählt, daß das Vario-Objektiv vorbestimmten Anforderungen an die Abbildungsqualität genügt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Vario-Faktor > 2,5, insbesondere 2,7 bis 2,8, ist.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das Verhältnis aus der Baulänge des Objektivs und der Bilddiagonalen ≤ 4, insbesondere etwa 3,5, ist. Unter der Baulänge des Objektivs wird hierbei der Abstand einer Austrittsfläche eines 90°-Prismas (Umlenkprismas) des Objektivs von der Abbildungsebene verstanden.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die erste optische Baugruppe, die zweite optische Baugruppe, die dritte optische Baugruppe und die vierte optische Baugruppe so ausgelegt sind wie im Anhang der Beschreibung angegeben.
Eine Anordnung zur digitalen Bildaufzeichnung ist im Anspruch 5 angegeben.
Ein Mobiltelefon, das eine Anordnung zur digitalen Bildaufzeichnung gemäß Anspruch 5 aufweist, ist im Anspruch 6 angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vario-Objektivs dargestellt ist. Dabei bilden alle beschriebenen, in der Zeichnung dargestellten und in den Patentansprüchen beanspruchten Merkmale für sich genommen sowie in beliebiger Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Beschreibung bzw. Darstellung in der Zeichnung.
Es zeigt:
1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Vario-Objektives und
2 in gleicher Darstellung wie 1 das Vario-Objektiv gemäß 1 in drei verschiedenen Zoompositionen.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen miniaturisierten Vario-Objektivs 2 dargestellt, das bei diesem Ausführungsbeispiel zum Einbau in ein nicht dargestelltes Mobiltelefon vorgesehen ist. Von einer Objektebene aus betrachtet, also in einer in 1 durch einen Pfeil 4 gekennzeichneten Lichteinfallsrichtung, weist das Vario-Objektiv, das nachfolgend auch kurz als Objektiv bezeichnet wird, eine erste optische Baugruppe 6 und eine zweite optische Baugruppe 8 auf, die jeweils eine negative Brechkraft aufweisen. Darüber hinaus weist das Objektiv 2 eine dritte optische Baugruppe 10 und eine vierte optische Baugruppe 12 auf. Erfindungsgemäß sind die zweite, die dritte und die vierte optische Baugruppe 8, 10, 12 derart ausgelegt, daß eine Fokussierung ausschließlich durch Verschiebung der vierten optischen Baugruppe 10 erfolgt und bei der Fokussierung die Position der zweiten und der dritten optischen Baugruppe 8, 10 unverändert bleibt. Erfindungsgemäß wird eine Veränderung der Brennweite des Objektivs 2 ausschließlich durch Verschiebung der zweiten und der dritten optischen Baugruppe 8, 10 bewirkt, wobei die dritte optische Baugruppe 10 einen Variator bildet und bei Veränderung der Brennweite linear verschoben wird, während die zweite optische Baugruppe 8 einen Kompensator bildet und bei Veränderung der Brennweite nichtlinear verschoben wird. Die vierte optische Baugruppe 12 hat somit erfindungsgemäß keinerlei Zoomfunktion, sondern dient ausschließlich der Fokussierung.
2 zeigt das Objektiv 2 bei verschiedenen Brennweiten, wobei in 2 oben eine Weitwinkelstel lung dargestellt ist, bei der der objektseitige Feldwinkel 2w = 31,633° ist, während in 2 in der Mitte eine Mittelstellung dargestellt ist, in der der objektseitige Feldwinkel 2w = 20,210° ist. Demgegenüber ist in 3 unten eine Telestellung dargestellt, in der der objektseitige Feldwinkel 2w = 12,407° ist. Aus einem Vergleich der verschiedenen in 2 dargestellten Zoompositionen ergibt sich, daß die vierte optische Baugruppe 12 keinerlei Zoomfunktion hat.
Das dargestellte Objektiv weist einen Brennweitenbereich f' von 5,154 bis 14,43 mm auf; die Brennweite f' in der in 2 in der Mitte dargestellten Mittelstellung beträgt 8,625 mm. Hierbei berechnet sich die Brennweite f' aus dem maximalen Feldwinkel w und der maximalen Bildhöhe y' wie folgt: f' = y'/tanw
Bei der Verstellung der Brennweite ändert sich die Blendenzahl von 2,8 in der Weitwinkelstellung über 3,6 in der Mittelstellung zu 4,9 in der Telestellung.
Zu den 1 und 2 ist anzumerken, daß die erste optische Baugruppe 6 ein Umlenkprisma 14 aufweist, mittels dessen der Strahlengang um 90° umgelenkt wird. Aus Gründen der Darstellung ist der Strahlengang in den 1 und 2 jedoch nicht umgelenkt dargestellt.
Im Anhang zu der vorliegenden Beschreibung ist die bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete Auslegung der optischen Baugruppe 6, 8, 10 und 12 angegeben, wobei die optischen Flächen in ihrer Reihenfolge in Lichteinfallsrichtung 4 durchnumeriert sind. Die Fläche ”OBJ” steht hierbei für die Objektebene, während die Fläche ”STO” für die reale, körperliche Aperturblende des Objektivs 2 steht. ”IMA” steht für die letzte Flä che in dem optischen System, nämlich die Abbildungsebene. In dem Anhang sind die optischen Flächen unter ”SURFACE DATA SUMMARY” hinsichtlich ihres Materials und ihrer Geometrie näher spezifiziert. Unter ”TYPE” ist angegeben, ob es sich um eine sphärische oder eine asphärische Fläche handelt. Unter ”RADIUS” und ”THICK-NESS” sind der Krümmungsradius und die Dicke in Lichtausbreitungsrichtung des jeweiligen optischen Elementes angegeben. Unter ”Glas” sind die Medien-Brechzahl n(d) und die Abbezahl v(d) angegeben. Die Fraunhofersche Spektrallinie ”d” hat in der Normalluft eine Wellenlänge von
d = 587,5618 nm.
Sie ist auch die Hauptwellenlänge im System. Die Abbezahl v(d) ergibt sich zu: v(d) = [n(d) – 1]/[n(F) – n(C)],wobei die Wellenlänge der blauen und roten Fraunhoferlinien
”F” = 4861327 nm und
”C” = 656,2725 nm
ist. Diese beiden Farben bilden das ”achromatische Wellenlängenpaar”. Unter ”Diameter” ist der Durchmesser des jeweiligen optischen Elementes und unter ”Conic” die Konizität des jeweiligen optischen Elementes angegeben.
Unter ”SURFACE DATA DETAIL” sind die asphärischen optischen Flächen durch ihre Koeffizienten näher definiert, die sich in der üblichen Weise aus einer Poly nomialentwicklung der Abweichung von einer sphärischen Fläche ergeben, wie beispielsweise in "ZEMAX" Optical Design Program, User's guide, November 10, 2008, auf den Seiten 310 und 283 angegeben. Diese Literaturstelle wird hiermit durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen. Gemäß dieser Literaturstelle wird die Oberfläche wie folgt beschrieben:
Die Parameterdefinitionen sind hierbei wie folgt:

Parameter 1 Parameter 2 Parameter 3 Parameter 4 Parameter 5 Parameter 6 Parameter 7 Parameter 8

^α1 α₂ α₃ α₄ α₅ α₆ α₇ α₈
Eine entsprechende Polynomialentwicklung findet sich auch in US 6 924 939 B2 sowie in US 2005/0 105 192 A1 .
Um eine Fokussierung von ∞ auf nahestehende Objekte auszuführen, wird die vierte optische Baugruppe 12 entgegen der Richtung des Pfeiles 4 verschoben. In der Weitwinkelstellung, in der die dritte optische Baugruppe 10 und die vierte optische Baugruppe 12 entlang der optischen Achse den geringsten Abstand voneinander haben, ergibt sich ein (am Rande der Linsen gemessener Abstand) von 3,44 mm. Dieser Abstand ist ausreichend, um eine Fokussierung auf sehr naheliegende Objekte in allen Zoomstellungen erzielen zu können.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich ein Variofaktor von 2,8 und ein Verhältnis aus der Baulänge des Objektivs 2 und der Bilddiagonalen von 3,5.
Die Erfindung stellt damit bei einem relativ einfachen und kompakten Aufbau ein Vario-Objektiv zur Verfügung, das einen relativ großen Variofaktor und ausgezeichnete Abbildungseigenschaften aufweist. ANHANG ZUR BESCHREIBUNG DER PATENTANMELDUNG ”Miniaturisiertes Vario-Objektiv” SURFACE DATA SUMMARY:
SURFACE DATA DETAIL:

MULTI-CONFIGURATION DATA:
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1901104 A1 [0004]
- US 7312931 [0005]
- US 20040257671 [0007]
- US 2005/0105192 [0008]
- US 7315422 [0008]
- US 6924939 [0008]
- US 2008/0062531 [0008]
- US 6924939 B2 [0033]
- US 2005/0105192 A1 [0033]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- ”ZEMAX” Optical Design Program, User's guide, November 10, 2008, auf den Seiten 310 und 283 [0031]

Claims

Miniaturisiertes Vario-Objektiv, insbesondere für eine Verwendung in Mobiltelefonen, wobei das Vario-Objektiv, von der Objektebene aus gesehen, in der angegebenen Reihenfolge wenigstens eine negative erste optische Baugruppe (6), eine negative zweite optische Baugruppe (8), eine positive dritte optische Baugruppe (10) und eine positive vierte optische Baugruppe (12) aufweist, wobei die zweite, die dritte und die vierte optische Baugruppe (8, 10, 12) derart ausgelegt sind, daß eine Fokussierung ausschließlich durch Verschiebung der vierten optischen Baugruppe (12) erfolgt und bei der Fokussierung die Position der zweiten und der dritten optischen Baugruppe (8, 10) unverändert bleibt.
Vario-Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vario-Faktor > 2,5, insbesondere 2,7 bis 2,8, ist.
Vario-Objektiv nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis aus der Baulänge des Vario-Objektivs und der Bilddiagonalen ≤ 4, insbesonde re etwa 3,5, ist.
Vario-Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste optische Baugruppe (6), die zweite optische Baugruppe (8), die dritte optische Baugruppe (10) und die vierte optische Baugruppe (12) so ausgelegt sind wie im Anhang der Beschreibung angegeben.
Digitale Bildaufzeichnungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Vario-Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einen digitalen Bildaufnehmer, aufweist.
Mobiltelefon, dadurch gekennzeichnet, daß es eine digitale Bildaufzeichnungseinrichtung nach Anspruch 5 aufweist.