DE102010040030A1

DE102010040030A1 - Objektiv

Info

Publication number: DE102010040030A1
Application number: DE102010040030A
Authority: DE
Inventors: Kristof SEIDL; Jens Knobbe
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2030-09-01
Also published as: US20120050891A1; US8526126B2; DE102010040030B4

Abstract

Ein Objektiv wird beschrieben, das aus einem monolithischen Körper aus einem zumindest teilweise für einen Teil eines elektromagnetischen Spektrums transparenten Material besteht, und dessen Oberflächen eine erste optische refraktive Funktionsfläche, die als Eintrittsfläche dient, durch die eine elektromagnetische Strahlung in das Objektiv eintreten kann, eine zweite optische reflektive Funktionsfläche, die als ein erster Spiegel dient, eine dritte optische reflektive Funktionsfläche, die als ein zweiter Spiegel dient, eine vierte optische reflektive Funktionsfläche, die als ein dritter Spiegel dient, eine fünfte optische reflektive Funktionsfläche, die als ein vierter Spiegel dient, und eine sechste optische refraktive Funktionsfläche, die als eine Austrittsfläche dient, durch die die elektromagnetische Strahlung aus dem Objektiv austreten kann, aufweist, wobei die erste bis sechste optische Funktionsfläche so ausgebildet sind, dass sich von der Eintrittsfläche aus durch den monolithischen Körper über den ersten bis vierten Spiegel zu der Austrittsfläche hin ein zentralabschattungsfreier, gefalteter Strahlengang erstreckt, indem sich zwischen der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche keine Zwischenbildebene befindet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Objektive.
Für viele Produkte werden kompakte und leichte Objektive mit einer hohen Abbildungsleistung verlangt, die jedoch preisgünstig in der Herstellung sein sollen.
Bei konventionellen Objektiven sind je nach Anforderung mehrere Linsen und Linsengruppen mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften notwendig, um beispielsweise geometrische Abbildungsfehler oder Farbfehler in ausreichendem Maß zu korrigieren. Zur Senkung der Produktionskosten können beispielsweise Glaslinsen neben den klassischen Schleif- und Polierverfahren z. B. in einer Blankpresstechnologie hergestellt werden. Dennoch sind kostenintensive, mechanische Linsenfassungen und eine Montage mit unterschiedlichsten Prozessschritten notwendig.
Weiterhin können Linsen mit einer Kunststoffumformtechnik preisgünstig in hohen Stückzahlen hergestellt werden. Der bei dem Umformvorgang entstehende Schrumpf des Werkstoffs, der zu Homogenitätsschwankungen des Materials, lokalen Änderungen des Brechungsindex oder zu Formabweichungen der optischen Flächen führt, kann meist mit korrigierenden Freiformflächen im Formwerkzeug kompensiert werden.
Um mit geringem optischen Aufwand beispielsweise den Farbfehler eines Objektivs zu korrigieren, ist es möglich, rein reflektive optische Systeme einzusetzen. Je nach Bauart sind diese Objektive sehr anfällig gegenüber Fertigungs- und Montagetoleranzen, sodass sie für Großserien ungeeignet sind.
Um die Vorteile von reflektiven und refraktiven Systemen zu verbinden und gleichzeitig die Herstellungskosten zu senken, sind sogenannte monolithische Objektive mit reflektiven und refraktiven Funktionsflächen bekannt ( EP 0 921 427 B1 , DE 696 24 021 T2 ). Sie bestehen aus einem für einen Teil des elektromagnetischen Spektrums transparenten Vollkörper, der an seiner Oberfläche entsprechende Funktionsflächen aufweist. Die Formgebung dieser monolithischen Systeme wird dabei meist direkt in einem Fertigungsschritt, wie beispielsweise Spritzgießen erreicht. Mit solchen Systemen kann demnach die Anzahl der optischen Elemente auf eins beschränkt, der Montage- und Justageaufwand stark verringert und somit die Kosten bis zu einem gewissen Grad reduziert werden. Weiterhin werden keine aufwendigen mechanischen Fassungen benötigt, da das monolithische Objektiv selbsttragend alle optischen Funktionsflächen enthält.
Um monolithische Systeme in einer Kunstoffumformtechnologie herstellen zu können, müssen Formen bereitgestellt werden, die mehrere winkelig zueinander angeordnete, hochgenaue asphärische Flächen oder auch Freiformflächen aufweisen. Diese Formen werden mit den heute üblichen Mehr-Achs-CNC-Ultrapräzisionswerkzeugmaschinen als ein Bauteil oder aus mehreren hochgenau zusammengefügten Teilstücken hergestellt.
Trotz der heute üblichen Ultrapräzisionsbearbeitungstechnologien steigt der Herstellungspreis der Form mit jeder optischen Funktionsfläche und mit deren Formkomplexität. Die Systeme in der EP 0 921 427 B1 und DE 696 24 021 T2 verfügen über mindestens sieben hochkomplexe Freiformflächen, die über Polynome höherer Ordnung mathematisch beschrieben sind. Dies erhöht die Herstellungskosten und reduziert zudem die Lichtstärke des Objektivs aufgrund von Absorptionsverlusten. Zudem ist mathematische Beschreibung der dortigen optischen Funktionsfläche komplex, was die Herstellung derselbigen schwieriger und kostenintensiver macht.
Die in der EP 0 921 427 B1 und DE 696 24 021 T2 gezeigten Ausführungsbeispiele weisen alle eine Zwischenabbildung auf, wodurch sich der optischen Strahlengang verlängert und damit der Aufbau voluminöser ist. Außerdem sind bei den Ausführungsvarianten der EP 0 921 427 B1 und DE 696 24 021 T2 die Systemblenden, die gleichzeitig als Eintrittspupille dienen, im Strahlengang vor dem ersten optischen Funktionselement angeordnet. Mit einer außerhalb des Objektivs angeordneten Systemblende ist es aber auf Grund einer fehlenden Symmetrie im System sehr schwierig Abbildungsfehler zu korrigieren.
Des Weiteren zeigen die Ausführungsvarianten der oben genannten Patentliteratur eine Anordnung des Bildsensors mit einem Luftabstand zu der letzten meist gekrümmten optischen Funktionsfläche, sodass zusätzliche und kostenintensive mechanischen Bauteile für die Ausrichtung und dauerhaften Fixierung des Bildsensors nötig sind. Damit erhöht sich die Schwierigkeit den Sensor exakt und mit geringen Toleranzen zu montieren.
Als Umformmaterial für monolithischen Systeme aus Kunststoff wird meist PMMA oder Zeonex^® verwendet.
Die für das monolithische Objektiv benötigten Antireflex- und Rückseitenverspiegelungsschichten können in mehreren Beschichtungsvorgängen mit heute üblichen Anlagen für Großserien effizient aufgebracht werden.
Obwohl obige Lösungen bereits einzeln einige Vorteile besitzen, wäre ein kompaktes, zwischenbildfreies Objektiv wünschenswert, das nicht nur stabil gegen Erschütterungen ist, eine hohe Abbildungsgüte besitzt und bei hohen Stückzahlen mit geringen Kosten herstellbar ist, sondern auch noch ein großes Bildfeld von mehr als ±25° in der Diagonalen, eine Anfangsöffnung von kleiner F4,5, eine geringe Anzahl von optischen Funktionsflächen und eine einfache, exakte und kostengünstige Montagemöglichkeit für den Bildsensor aufweist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Objektiv zu schaffen, das obigen Bedarf deckt, nämlich ein kompaktes Objektiv zu schaffen, das in hohen Stückzahlen preisgünstig herstellbar ist, eine hohe Bildgüte ermöglicht und dabei stabil gegen äußere Einflüsse ist, dabei ein großes Bildfeld von mehr als ±25° sowie eine Anfangsöffnung von kleiner F4,5 zulässt, wobei es gleichzeitig wenige und einfach mathematisch zu beschreibende optische Funktionsflächen aufweist und eine einfache, exakte und kostengünstige Möglichkeit besitzt, handelsübliche mit Deckgläsern gekapselte Bildsensoren zu montieren.
Diese Aufgabe wird durch ein Objektiv gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Objektiv besteht aus einem monolithischen Körper, aus einem zumindest teilweise für einen Teil eines elektromagnetischen Spektrums transparenten Material, dessen Oberflächen eine erste optische refraktive Funktionsfläche, die als Eintrittsfläche dient, durch die eine elektromagnetische Strahlung in das Objektiv eintreten kann, eine zweite optische reflektive Funktionsfläche, die als ein erster Spiegel dient, eine dritte optische reflektive Funktionsfläche, die als ein zweiter Spiegel dient, eine vierte optische reflektive Funktionsfläche, die als ein dritter Spiegel dient, eine fünfte optische reflektive Funktionsfläche, die als ein vierter Spiegel dient, und eine sechste optische refraktive Funktionsfläche, die als eine Austrittsfläche dient, durch die die elektromagnetische Strahlung aus dem Objektiv austreten kann, aufweist, wobei die erste bis sechste optische Funktionsfläche so ausgebildet sind, dass sich von der Eintrittsfläche aus durch den monolithischen Körper über den ersten bis vierten Spiegel zu der Austrittsfläche hin ein zentralabschattungsfreier, gefalteter Strahlengang erstreckt, indem sich zwischen der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche keine Zwischenbildebene befindet.
Das monolithische Objektiv mit reflektiven und refraktiven optischen Funktionsflächen vereint die oben genannten Vorteile von Spiegeloptiken und von refraktiven Systemen bei gleichzeitiger Senkung der Herstellungs- und Montagekosten, vor allem in dem Fall großer Stückzahlen. Das Bauvolumen kann gegenüber Spiegeloptiken modularen Aufbaus verringert werden, da auf aufwendige, mechanische Halterungen für die Einzelelemente verzichtet werden kann.
Da das Objektiv aus einem monolithischen Körper besteht, kann, wie es sonst bei reflekiven und refraktiven Objektiven modularen Aufbaus nicht möglich ist, auf zusätzliche mechanische Fassungsteile verzichtet werden.
Objektive gemäß der vorliegenden Erfindung sind in Applikationen einsetzbar, wie z. B. in mobilen Geräten, in der Automobiltechnik oder in der unbemannten Luftfahrt, d. h. Applikationen, die bisher mit all den genannten Vorteilen nicht möglich waren.
Da gemäß Ausführungsbeispielen die Anzahl der optischen Funktionsflächen relativ gering ist, ist der Herstellungspreis der Form für die Objektive gemäß dieser Ausführungsbeispiele auch gering. Gemäß Ausführungsbeispielen ist nicht nur die Anzahl der optischen Funktionsflächen gering, sondern die optischen Funktionsflächen sind auch mit sphärischen, konischen oder bikonischen Flächen beschreibbar, so dass eine robuste und kostengünstige Herstellung der Form für beispielsweise eine Kunststoffumformung erreicht werden kann, da nur wenige, einfach mathematisch zu beschreibende beispielsweise sphärische, konische oder bikonische Flächen verwendet werden. Durch die reduzierte Anzahl der Funktionsflächen wird zu dem der negative Einfluss der Absorptionsverluste an jeder optischen Funktionsfläche auf die Lichtstärke des Objektivs reduziert. Durch das Fehlen einer Zwischenabbildung kann der optischen Strahlengang verkürzt und somit eine kompaktere Bauweise erreicht werden. Gemäß Ausführungsbeispielen sitzt die Systemblende im Strahlengang zwischen den optischen Funktionselementen, so dass es möglich ist, mit weniger Funktionsflächen evtl. vorhandene Bildfehler zu korrigieren und somit eine höhere Bildgüte zu erzielen. Zudem ist gemäß Ausführungsbeispielen eine refraktive Funktionsfläche des monolithischen Objektivs, die als Austrittsfläche dient, plan ausgeführt, so dass ein Bildsensor, der mit einem planen Deckglas gekapselt sein kann, direkt ohne zusätzliche mechanische Bauteile an dieser Funktionsfläche angebracht bzw. gefügt werden kann, wodurch die Montagetoleranzen signifikant gesenkt und die Kosten reduziert werden können.
Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a 1b und 1c eine Schnittansicht in einer Hauptschnittebene, eine Seitenansicht und eine isometrische Ansicht eines Bildaufnahmesystems mit einem Objektiv gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und einem Bildsensor;
2 eine Draufsicht eines Bildaufnahmesystems mit einem Objektiv gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und einem Bildsensor; und
3 eine Darstellung einer Modulationstransferfunktion der in 1a–c und 2 gezeigten monolithischen Objektive.
1a–c zeigt ein Bildaufnahmesystem mit einem Objektiv 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel und einem Bildsensor 101.
Insbesondere handelt es sich bei dem Objektiv 100 um ein zentralabschattungsfreies monolithisches Objektiv mit refraktiven und reflektiven Funktionsflächen. Es besteht aus einem monolithischen Körper 100a, aus einem zumindest teilweise für einen Teil eines elektromagnetischen Spektrums transparenten Material, dessen Oberfläche Abschnitte aufweist, die bestimmte Funktionsflächen 110, 120, 130, 140, 150 und 160 definieren, worunter es sich bei den Funktionsflächen 110 und 160 um refraktive Funktionsflächen handelt, die als Eintrittsfläche bzw. Austrittsfläche dienen, und es sich bei den optischen Funktionsflächen 120, 130, 140, 150 um reflektive Funktionsflächen handelt, die als jeweilige Spiegel dienen. Die Funktionsflächen 110–160 sind so ausgebildet, dass sich von der Eintrittsfläche 110 durch den monolithischen Körper 100a über die Spiegel 120–150 zu der Austrittsfläche 160 in der soeben genannten Reihenfolge ein zentralabschattungsfreier, gefalteter Strahlengang ausbildet, der in 1a mit den Bezugszeichen 102a angezeigt wird. Der Strahlengang ist zwischenbildfrei, d. h. es befindet es sich keine Zwischenbildebene in dem Strahlengang 102a zwischen der Eintrittsfläche 110 und der Austrittsfläche 160.
Das monolithische zentralabschattungsfreie Objektiv 100 von 1a–c besitzt ein Bildfeld von ±26° in der Diagonalen. Das Objektiv 100 von 1a–c ist ein Beispiel für ein Objektiv, bei dem nicht alle Funktionsflächen 110–160 auf einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet sind, das man als „Off-Axis-Anordnung” bezeichnen würde, sondern vielmehr sind zumindest zwei der Funktionsflächen 110–160 so angeordnet, dass sie eine zueinander unterschiedliche optische Achse aufweisen, womit das Objektiv 100 von 1a–c vom Typ einem „Schiefspiegler” ähnelt. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass auch mit einer „Off-Axis-Anordnung” ein zentralabschattungsfreies Objektiv 100 aus einem monolithischen Körper mit den zwei refraktiven Funktionsflächen und den im Strahlengang dazwischen befindlichen vier reflektiven Funktionsflächen möglich wäre.
Wie bereits erwähnt, sind die erste bis sechste optische Funktionsfläche so angeordnet, dass sich ein gefalteter Strahlengang 102a von der ersten Funktionsfläche 110 über die zweite Funktionsfläche 120, die dritte Funktionsfläche 130, die vierte Funktionsfläche 140 und die fünfte Funktionsfläche 150 zu der sechsten Funktionsfläche 160 erstreckt und im Bereich der Schärfentiefe eine optische Abbildung auf dem Chip 180 des Bildsensors 101 erzeugt, der mit seinem Deckglas 170 direkt an der planen Austrittsfläche 160 montiert ist.
Die vierte Funktionsfläche 140 bildet dabei die Systemblende, die damit innerhalb des Strahlenganges 102a liegt. Mit der innerhalb des Strahlenganges liegenden Systemblende ist es durch das Ausnutzen von Symmetrien einfacher möglich Abbildungsfehler zu korrigieren und somit mit weniger und einfacheren Flächen eine höhere Bildgüte zu erreichen. Im Speziellen wirken die Lage der dritten Funktionsfläche 130 und der fünften Funktionsfläche 150 im Bezug auf die Systemblende sowie die Krümmung der beiden Funktionsflächen 130 und 150 positiv auf die Aberrationskorrektur.
Das Objektiv 100 ist so ausgelegt, dass die Austrittspupille nahezu im Unendlichen liegt und sich somit ein nahezu bildseitig telezentrischer Strahlengang ausbildet. Bei einem bildseitig telezentrischen Strahlengang verlaufen die Hauptstrahlen der einzelnen Strahlenbündel hinter der letzen Funktionsfläche eines Objektivs parallel und können somit auch senkrecht auf den Bildsensor auftreffen. Würden hingegen weit am Rand verlaufende Strahlenbündel schräg auf den digitalen Bildsensor auftreffen, so könnte es z. B. durch erhabene Leiterbahnen auf dem Chip zu Abschattungen der lichtempfindlichen Sensorfläche oder durch Reflexionen am Deckglas zu sogenannten Geisterbildern kommen. Damit so wenig zusätzliche Aberrationen wie möglich an der Austrittsfläche entstehen, ist diese als eine Planfläche ausgebildet, was deren Herstellbarkeit enorm vereinfacht und damit die Kosten für die Formherstellung signifikant reduziert.
Das Objektiv 100 ist also, in wieder anderen Worten ausgedrückt, so ausgebildet, dass die optische Austrittsfläche 160 plan ist und sich in der Nähe der Bildebene des Objektivs 100 befindet, so dass der Bildsensor 101 einfach an der Austrittsfläche 160 befestigt werden kann. Auf diese Weise ist das Bildaufnahmesystem 10 von 1a bis c sehr robust, da das Bildaufnahmesystem 10 in sich abgeschlossen ist und kein Gehäuse benötigt wird, in welchem Objektiv 100 und Bildsensor 101 in einer bestimmten relativen Lage zueinander gehalten werden müssen.
Mit dieser Methode lässt sich der Montageaufwand signifikant reduzieren und somit enorme Kostenvorteile erzielen. Weiterhin werden kritische Justage- und Montagetoleranzen vermieden.
Die Anordnung der ersten bis sechsten optischen Funktionsfläche ist zusätzlich so ausgeführt, dass sich in dem Strahlengang 102a zwischen der Eintrittsfläche 110 und der Austrittsfläche 160 des monolithischen Objektivs keine Zwischenbildebene befindet. Dadurch kann das monolithische Objektiv kompakter hergestellt werden als bei Objektiven mit Zwischenbildebene, da eine Zwischenbildebene den Strahlengang 102a verlängern würde. Als Beispiel sind die Strahlenbündel 102, 104, 106 für drei unterschiedliche Feldpunkte bzw. Objektpunkte eingezeichnet. Es ist der Weg der drei verschiedenen Strahlenbündel 102, 104, 106 durch das Objektiv 100 bis zur Bildebene 180 bzw. dem Bildsensor 101 gezeigt.
Die Eintrittsfläche 110 besitzt eine konvexe Oberflächenform und ist so angeordnet, dass ihr Krümmungsmittelpunkt in etwa mit dem Mittelpunkt einer Eintrittspupille des monolithischen Objektivs zusammenfällt. Damit werden die Strahlenbündel an der Eintrittsfläche nur geringfügige gebrochen und bringen demzufolge nur geringe geometrische und chromatische Aberrationen in das System ein. Weiterhin kann die Eintrittsfläche 110 so ausgebildet sein, dass sie nur Strahlung aus einem bestimmten Bereich in das Objektiv zulässt, wodurch Streu- und Falschlicht vermieden wird.
Mit der genannten Ausführung der Eintrittsfläche bildet sich der abbildende Strahlengang hauptsächlich über die reflektiven Funktionsflächen 120, 130, 140, 150 aus, bei denen keinerlei wellenlängenabhängige Abbildungsfehler bzw. chromatische Aberrationen entstehen. Das monolithische Objektiv ist je nach verwendetem Material in einem großen Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums, beispielsweise im VIS und/oder NIR, einsetzbar.
Bevor bezugnehmend auf 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Objektiv beschrieben wird, wird darauf hingewiesen, dass dabei einige der Bezugszeichen wieder verwendet werden, die bereits bei 1a–c verwendet worden sind, um gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente anzuzeigen. Die Beschreibung aus 1a–c gilt dabei auch für 2, solange bei der Beschreibung von 2 nicht auf Abweichungen explizit hingewiesen wird.
2 zeigt ebenso wie 1a–c ein Bildaufnahmesystem 20 mit einem Objektiv 200 aus einem monolithischen Körper 200a und einen Bildsensor 201. Die Oberfläche des monolithischen Körpers 200a definiert ebenso wie der Körper 100a aus 1a–c zwei optische refraktive Funktionsflächen 110 und 160 sowie vier optische reflektive Funktionsflächen 120 bis 150, die als Eintrittsfläche, Austrittsfläche bzw. Spiegel dienen und so angeordnet sind, dass sich von der Eintrittsfläche 110 durch den monolithischen Körper 200a über die Spiegel 120 bis 150 zu der Austrittsfläche 160 ein zentralabschattungsfreier, gefalteter und zwischenbildfreier Strahlengang 102a erstreckt.
Die optische Achse 102a aus 2 zerfällt in mehrere Konstruktionsachsen e₀, e₁, e₂, e₃ und e₄. Die Konstruktionsachse e₀ trifft durch die Eintrittsfläche 110 hindurch in einem ersten Auftreffpunkt 204 auf die optische Funktionsfläche 120, von wo aus die zweite Konstruktionsachse e₁ in einem zweiten Auftreffpunkt 206 auf die optische Funktionsfläche 130 trifft, von wo aus wiederum die dritte Konstruktionsachse e₂ in einem dritten Auftreffpunkt 207 auf die Funktionsfläche 140 trifft, von wo aus wiederum die vierte Konstruktionsachse e₃ in einem vierten Auftreffpunkt 208 auf die Funktionsfläche 150 trifft, von wo aus wiederum die letzte Konstruktionsachse e₄ durch die Austrittsfläche 160 auf die Bildebene 180 trifft.
Das Objektiv 200 stellt also ebenfalls ein monolithisches Objektiv mit reflektiven und refraktiven Funktionsflächen 110–160 dar und ist so aufgebaut, dass der Strahlengang 102a von einem Objekt 202 die Eintrittsfläche 110 in einem nahezu rechten Winkel zur Oberflächennormalen der Eintrittsfläche 110 passiert und auf den ersten Spiegel 120 so auftrifft, dass die erste Konstruktionsachse e₀ und die optische Achse 222 des ersten Spiegels 120 einen Winkel α₁ einschließen. Entsprechend dem Reflexionsgesetz des Strahlengangs 102 entlang der zweiten Konstruktionsachse e₁, die mit der ersten Konstruktionsachse e₀ den zweifachen Winkel α₁, d. h. 2α₁, einschließt, zu dem zweiten Spiegel 130. Die zweite Konstruktionsachse e₁ und ein Einfallslot 232 des zweiten Spiegels 130 schließen einen Winkel α₂ ein. Nach der Reflexion an dem zweiten Spiegel 130 führt der Strahlengang 102 wiederum entsprechend dem Reflexionsgesetz entlang der dritten Konstruktionsachse e₂, die mit der zweiten Konstruktionsachse e₁ den zweifachen Winkel α₂ einschließt, zu dem dritten Spiegel 140. Die dritte Konstruktionsachse e₂ und ein Einfallslot 242 des dritten Spiegels 140 schließen einen Winkel α₃ ein. Nach der Reflexion an dem dritten Spiegel 140 führt der Strahlengang 102a wiederum entsprechend dem Reflexionsgesetz entlang an der vierten Konstruktionsachse e₃, die mit der dritten Konstruktionsachse e₂ den zweiten Winkel α₃ einschließt, zu dem vierten Spiegel 150. Die vierte Konstruktionsachse e₃ und ein Einfallslot 252 des vierten Spiegels 150 schließen dabei einen Winkel α₄ ein. Entlang einer fünften Konstruktionsachse e₄, die mit der vierten Konstruktionsachse e₃ den zweifachen Winkel α₄ einschließt, führt der Strahlengang 102a weiter zu der Austrittsfläche 160 und darüber hinaus zu dem Bildsensor 201, d. h. dem Deckglas 170 und dem hinter dem Deckglas 170 befindlichen photoempfindlichen Bereich 180, wie z. B. dem Chip des Bildsensors 201, welcher photoempfindliche Bereich wiederum die Bildebene definiert. Die fünfte Konstruktionsachse e₄ und eine Flächennormale 260 auf der Austrittsfläche 160 am Ort, wo die fünfte Konstruktionsachse e₄ die Austrittsfläche 160 basiert, schließen einen Winkel α₅ ein.
Der Begriff Einfallslot bezieht sich entsprechend dem Reflexionsgesetz auf die Winkelhalbierende Symmetrieachse zwischen den beiden Konstruktionsachsen, die entlang des Strahlengangs 102a auf einen jeweiligen Spiegel 120–150 treffen.
Die Längen der ersten bis fünften Konstruktionsachsen e₀ bis e₄ legen den Abstand zwischen den jeweiligen optischen Funktionsflächen fest.
Der in Strahlengangrichtung zweite und vierte Spiegel 130 und 150 können ein Segment eines Spiegels darstellen, d. h. gekrümmte Spiegelflächen mit einer optischen Achse 234 bzw. 254, die hier sogar jenseits der eigentlichen Spiegelfläche 130 bzw. 150 liegt, auf jeden Fall beabstandet von der physikalischen Mitte der tatsächlichen Spiegelflächen, d. h. der entsprechenden gegebenenfalls verspiegelten Oberfläche des monolithischen Körpers. Gedanklich werden in 2 die Funktionsflächen 130 und 150 durch gestrichelte Linien 238 und 258 über die jeweilige optische Achse 254 und 234 hinaus fortgesetzt. Die gestrichelten Bereiche 238 und 258 sind nicht erforderlich bzw. müssen nicht vorhanden sein, weil sie keine optisch aktiven Flächen darstellen bzw. enthalten, d. h. keine Flächen, die zu der optischen Abbildung des Objekts 202 beitragen. Die Verwendung der Spiegelsegmente 130 und 150 anstelle der gesamten Spiegel ermöglicht die abschattungsfreie Anordnung der Spiegel des Objektivs 200 bei einer gleichzeitig effektiven Möglichkeit zur Aberrationskorrektur. Die Abstände zwischen den Auftreffpunkten 206 und 208 des mittleren Strahlenbündels 102 (vgl. 1a) auf den außeraxial genutzten Spiegeln 130 und 150 und deren optischen Achsen 234 und 254 ist mit d₂ bzw. d₄ in 2 angezeigt. Dabei ist der Betrag des Abstandes einer Lateralverschiebung d₂ von der optischen Achse 234 bis zum Auftreffpunkt 206 der zweiten Konstruktionsachse e₁ auf den zweiten Spiegel 130 bzw. ein Abstand der optischen Achse 234 von dem Auftreffpunkt 206 beispielsweise gleich 9,55 mm und der Abstand d₄ von der optischen Achse 254 des vierten Spiegels 150 bis zu dem Auftreffpunkt 208 der vierten Konstruktionsachse e₃ auf dem vierten Spiegel 150 beispielsweise 8,03 mm, wobei die Abstände aber bei modifizierten Ausführungsbeispielen etwas anders ausfallen können.
Die Abstände sind jeweils orthogonal zur jeweiligen optischen Achse 234 bzw. 254 des zweiten Spiegels 130 bzw. vierten Spiegels 150 angegeben.
Da ein großer Abstand von dem vierten Spiegel 150 zu der Bildebene 180 bzw. dem Sensor 201, bezeichnet als hintere Schnittweite, erforderlich ist, ist das Objektiv 100, 200 als Retrofokustyp mit einem konvexen ersten Spiegel 120 ausgeführt. Der zweite Spiegel 130 und der vierte Spiegel 150 haben eine konkave Krümmung. Der dritte Spiegel 140 fungiert wiederum als Systemblende und weist eine leicht konvexe Krümmung auf.
Die Hauptsymmetrierichtung der Winkelverkippung der einzelnen Spiegel wird durch die eingezeichneten Achsen e₀, e₁, e₂, e₃ und e₄ festgelegt. Die Verkippungswinkel α₁, α₂, α₃ und α₄ sind dem jeweils entsprechenden Spiegel zugeordnet und bestimmen die Verkippung relativ zu den Achsen e₀ bis e₄. α₅ bezeichnet den Verkippungswinkel der Austrittsfläche 160 und somit auch der Bildebene 180 und des Sensordeckglases 170.
Die abschattungsfreie Anordnung wird durch einen Kompromiss von Verdrehungswinkel α₁ bis α₅ und den Abständen zwischen den optischen Komponenten, gemessen als Länge der Achsen e₁ bis e₄, erreicht. Die Drehungen erfolgen für den ersten Spiegel 120 und den dritten Spiegel 140 und die Austrittsfläche 160 bzw. den Bildsensors 180 inklusive Deckglas 170 einerseits, sowie für den zweiten Spiegel 130 und den vierten Spiegel 150 andererseits, in entgegengesetzter Richtung. Je größer die Drehwinkel der Spiegel sind, desto schwieriger ist es beispielsweise den dadurch verursachten Astigmatismus und die Koma zu korrigieren. Mit kleiner werdendem Drehwinkel muss jedoch in den meisten Fällen der Abstand zwischen den jeweiligen Spiegeln vergrößert werden, was wiederum den benötigten effektiven Durchmesser der Spiegel beeinflusst. Weiterhin sind die Drehwinkel und Abstände beispielsweise vom Platzbedarf des Bildsensors 201 und dessen Platine mit einer Ausleseelektronik abhängig.
Der zweite Spiegel 130 ist so angeordnet, dass er außerhalb des durch die Eintrittsfläche 110 einfallenden Strahlenbündels liegt. In anderen Worten, Strahlung, die von dem Objekt 202 auf den ersten Spiegel 120 trifft, wird nicht durch den zweiten Spiegel 130 abgeschattet. Dabei liegt der Kippwinkel α₁ des ersten Spiegels 120 bei 18,63°. Der zweite Spiegel 130 ist entgegengesetzt zu dem ersten Spiegel 120 um α₂ = –21,07° gedreht.
Da der vierte Spiegel 150 ebenso im Uhrzeigersinn mit α₄ = –9,41° gedreht ist, aber die Abstände nicht ausreichen, um abschattungsfrei den Bildsensor 180 anzuordnen, ist in der Blendenebene der dritte Spiegel 140 angeordnet und mit dem Winkel α₃ = 27,68° entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht.
Zur Korrektur der optischen Abbildungsfehler hauptsächlich Koma und Astigmatismus sind beispielsweise die Spiegel 120 bis 150 als konische Asphären ausgebildet, die axial oder außeraxial verwendet werden. Es konnte somit in den obigen Ausführungsbeispielen auf bikonische Flächen, Asphären höherer Ordnung oder Freiformflächen, die beispielsweise mit Hilfe von vollständigen Polynomen, polynominalen Erweiterungen von sphärischen Flächen oder mit Nicht-uniformen rationalen B-Splines, kurz NURBS, beschrieben werden können, verzichtet werden. NURBS sind stückweise mathematisch funktional definierte Geometrie-Elemente, wie Kurven oder Flächen, die zur Modellierung beliebiger Formen verwendet werden können. Mit der geringen Anzahl von vier konischen Asphären, einer planen Fläche 160 und einer sphärischen Eintrittsfläche 110, ist es möglich eine kostengünstige und robuste Herstellung der Form für die Kunststoffumformung zu gewährleisten.
Zusätzliche Abbildungsfehler, hauptsächlich prinzipbedingter Astigmatismus und Koma, könnten mit dem zweiten Spiegel 130 und dem vierten Spiegel 150 korrigiert werden. Um den hauptsächlich auftretenden Astigmatismus und Koma im System zu korrigieren, können beispielsweise außeraxial genutzte bikonischen Oberflächen verwendet werden. Bikonisch bedeutet dabei, dass zwei senkrecht zueinander stehende Ebenen unterschiedliche Krümmungsradien und/oder unterschiedliche konische Konstanten besitzen.
Beide monolithische Objektive 100/200 mit reflektiven und refraktiven Funktionsflächen und einem zentralabschattungsfreien Strahlengang 102a haben beispielsweise einen diagonalen Bildfeldwinkel von ±26 Grad bei einer Anfangsöffnung von F2,0 und umfassen eine refraktive Eintrittsfläche 110, vier rückflächenverspiegelte optische Funktionsflächen 120, 130, 140, 150 und eine Austrittsfläche 160. Weiterhin ist eine Bildebene 180 bzw. ein Bildsensor mit zugehörigem Sensordeckglas 170 dargestellt. Das Objektiv entwirft jeweils ein Bild eines Objekts 202 an dem Ort der Bildebene 180 bzw. des Bildsensors.

Die vollständige optische Charakterisierung des in 1a–c und 2 gezeigten Ausführungsbeispiels ist in nachfolgender Tabelle zu finden. Tabelle 1 beinhaltet die Werte der Verdrehungswinkel und der Abstände zwischen den Elementen und die Krümmungsradien und konischen Konstanten auf. Dabei sind negative Krümmungsradien als konvexe und positive Krümmungsradien als konkave Formen zu verstehen. Eine konische Konstante größer Null ergibt einen abgeflachten Ellipsoiden. Tabelle 1: Optische Anordnung eines monolithischen Objektivs aus PMMA mit reflektiven und refraktiven optischen Funktionsflächen – Bildwinkel: 24,8° V × 47,6° H; F#: 2,0; Brennweite: 6,80 mm

Element	Radius/mm	konische Konst.	Abstand/mm	Winkel	Dezentrierung/mm
Eintrittsfläche 110	37,40	0	e₀ = 21,02
erster Spiegel 120	–48,64	–0,60	e₁ = 28,19	α₁ = 18,63°
zweiter Spiegel 130	141,46	–37,73	e₂ = 17,50	α₂ = –21,07°	d₂ = 9,55
dritter Spiegel 140	–87,30	46,70	e₃ = 21,19	α₃ = 27,68°
vierter Spiegel 150	35,14	0,33	e₄ = 23,04	α₄ = –9,41°	d₄ = 8,03
Austrittsfläche 160	∞	0	0	α₅ = 4,91°
Bildsensor 101/201

Das Deckglas 170 und der Bildsensor am Ort der Bildebene 180 sind optionale Komponenten und nicht zwingender Bestandteil des beschriebenen monolithischen Objektivs.
3 zeigt ein Darstellung der Modulationstransferfunktion (MTF) 300 des in 1a–c und 2 gezeigten monolithischen Objektivs mit reflektiven und refraktiven Funktionsflächen. Die Modulationstransferfunktion veranschaulicht die Güte der Abbildung bzw. die Qualität eines Objektivs in Abhängigkeit einer Ortsfrequenz und von unterschiedlichen Bildfeldwinkeln. In 3 sind zwei Beispiele für zwei unterschiedliche Bildfeldwinkel 302, 306 dargestellt. Dabei ist in Feld 1 (bei Bezugszeichen 302 gezeigt) ein Strahlenbündel, das unter einem Objektwinkel von 0° einfällt, gezeigt, was einer Abbildung eines punktförmigen Objekts in der Bildfeldmitte entspricht. In Feld 2 (wie bei Bezugszeichen 306 gezeigt) ist ein Strahlenbündel dargestellt, das unter einem Objektwinkel von 12,4° und 23,8° einfällt, was einer Abbildung eines punktförmigen Objekts in einer Ecke des Bildfelds entspricht. Zusätzlich ist die MTF der Beugungsgrenze 390 eingezeichnet. Die Beugungsgrenze 390 stellt die bestmögliche Abbildung eines punktförmigen Objekts durch das Objektiv dar. Das heißt, umso höher die MTF ist, umso besser ist die Güte der Abbildung des Objektivs.
Die Modulationstransferfunktion 300 zeigt für das in 1a–c und 2 gezeigte monolithische Objektiv mit reflektiven und refraktiven Funktionsflächen eine für kommerzielle Fotoobjektive übliche Abbildungsleistung.
Im Anschluss an die Beschreibung vorhergehender Ausführungsbeispiele wird noch auf verschiedene Verallgemeinerungsmöglichkeiten und Möglichkeiten bei der Implementierung obiger Ausführungsbeispiele, wie z. B. bei der Materialauswahl oder dergleichen hingewiesen.
Grundlage für oben beschriebene monolithische Objektive kann ein optisches Material sein, das für einen ausgewählten Teil des elektromagnetischen Spektrums transparent ist. Das bedeutet, dass ein Großteil dieses ausgewählten elektromagnetischen Spektrums, also üblicherweise zwischen 30% und 100% der Strahlung durch das optische Material transmittiert werden. Des Weiteren sollte sich das verwendete optische Material sehr gut umformen lassen und ausreichend langzeitstabil gegenüber Umwelteinflüssen, wie z. B. Temperatur und Feuchtigkeit, sein. Für den sichtbaren Spektralbereich bieten sich dabei eine Vielzahl von optischen Gläsern zum Blankpressen, aber auch Kunststoffe, wie z. B. PMMA oder Zeonex^® an. Beispielsweise ist das Material, aus dem der oben erwähnter monolithischer Körper 100a bzw. 200a besteht, über einen Spektralbereich, beispielsweise im ultravioletten, sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich, beispielsweise in einem Wellenlängenbereich von mehr als 100 nm transparent. Oben beschriebene monolithische Objektive umfassten mehrere optische Funktionsflächen, wobei eine erste optische Funktionsfläche 110 als Eintrittsfläche diente, wo die elektromagnetische Strahlung in das Material eindringt. Wie es im Vorhergehenden beschrieben worden ist, kann die Eintrittsfläche so geformt sein, dass ihr Krümmungsmittelpunkt nahe des Mittelpunkts der Eintrittspupille des Systems angeordnet ist, wodurch die Strahlenbündel nur geringfügig gebrochen werden und somit die refraktive Grenzfläche 110 der Eintrittsfläche nur geringe geometrische und chromatische Aberrationen verursacht.
In Strahlengangrichtung folgen weitere Funktionsflächen, im Speziellem rückseitenverspiegelte, konvexe und konkave optische Funktionsflächen, die zusammen einen zentralabschattungsfreien, gefalteten Strahlengang ergeben. Eine weitere in Strahlengangrichtung folgende Funktionsfläche 160 bildet die Austrittsfläche des monolithischen Objektivs, bei der die elektromagnetische Strahlung aus dem Vollkörper austritt und in einem definierten Abstand zu der Austrittsfläche 160 ein Bild erzeugt. Je kleiner der Abstand zwischen dem Bildsensor bzw. der Bildebene und der Austrittsfläche ist, umso geringer wirken sich chromatische und geometrische Aberrationen aus, die durch Refraktion an der Austrittsfläche 160 entstehen können, auf das Bild aus.
Die Austrittsfläche 160 weist, wie die Eintrittsfläche 110 auch, eine Krümmung auf, deren Krümmungsmittelpunkt in etwa mit dem Mittelpunkt der Austrittspupille des Systems bzw. Objektivs zusammenfällt, wodurch Aberrationen durch die Refraktion an der der Austrittfläche minimiert werden können. Liegt die Austrittspupille, wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen nahezu im Unendlichen bildet sich ein nahezu bildseitig telezentrischer Strahlengang aus. Bei einem bildseitig telezentrischen Strahlengang verlaufen die Hauptstrahlen der einzelnen Strahlenbündel hinter der letzen Funktionsfläche eines Objektivs parallel und können somit auch senkrecht auf den Bildsensor auftreffen. Würden hingegen weit am Rand verlaufende Strahlenbündel schräg auf den digitalen Bildsensor auftreffen, so könnte es z. B. durch erhabene Leiterbahnen auf dem Chip zu Abschattungen der lichtempfindlichen Sensorfläche oder durch Reflexionen am Deckglas zu sogenannten Geisterbildern kommen. Im Fall eines bildseitig telezentrischen bzw. nahezu bildseitig telezentrischen Strahlengangs, kann die Austrittsfläche als eine Planfläche ausgeführt werden, was deren Herstellbarkeit enorm vereinfacht und damit die Kosten für die Formherstellung signifikant reduziert. Weiterhin kann das Objektiv, wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, so ausgelegt sein, dass beispielsweise ein mit einem Deckglas handelsüblich verkapselter Bildsensor leichter direkt ohne zusätzliche mechanische Bauteile an die plane Austrittsfläche des Objektivs angebracht bzw. gefügt werden kann. Mit dieser Methode lässt sich der Montageaufwand signifikant reduzieren und somit enorme Kostenvorteile erzielen. Weiterhin werden kritische Justage- und Montagetoleranzen vermieden.
Bezugnehmend auf vorhergehende Ausführungsbeispiele wird noch darauf hingewiesen, dass die Existenz eines Deckglases 170 für den Bildsensor nicht notwendig ist. Einige Applikationen erfordern es sogar auch, den Bildsensor ohne Deckglas auszustatten. In diesen Fällen könnte der Bildsensor mit Hilfe von mechanischen Bauteilen, die den Nacktchip vor äußeren Einflüssen schützen, in einem definierten Luftabstand hinter der Austrittsfläche positioniert und fixiert werden.
Die Krümmungen der rückverspiegelten Flächen 120–150 der vorhergehenden Ausführungsbeispiele sowie ihre Neigungswinkel und ihre asphärischen Formen können so aufeinander abgestimmt sein, das ein Bild hoher Güte in der Bildebene 180 entsteht. Bei dem in der Bildebene angeordneten Bildsensor kann es sich um einen Matrixsensor handeln.
Die im Vorhergehenden erwähnten optischen Funktionsflächen 110–160 können je nach Ausführungsbeispiel plane, sphärische, konische oder bikonische Formen, asphärische Formen höherer Ordnung aufweisen, die axial oder außeraxial benutzt werden. Weiterhin sind Freiformflächen möglich, die beispielsweise mit Hilfe von vollständigen Polynomen, polynominalen Erweiterungen oder mit Nicht-uniformen rationalen B-Splines, kurz NURBS, beschrieben werden können. NURBS sind stückweise mathematisch funktional definierte Geometrie-Elemente, wie Kurven oder Flächen, die zur Modellierung beliebiger Formen verwendet werden können.
Obige Ausführungsbeispiele können auch im Hinblick auf die Ausgestaltung der optischen Funktionsflächen variiert werden. Die optischen Funktionsflächen 110–160 können entweder ohne Beschichtung belassen werden, mit einer Antireflexbeschichtung oder mit einer teilweise oder vollständig reflektierenden Schicht versehen werden. Die Antireflex- und Spiegelbeschichtungen der optischen Funktionselemente sind dabei auf den ausgewählten Teil des elektromagnetischen Spektrums und den gewünschten Transmissions- und Reflexionsgrad abgestimmt. Die Antireflexbeschichtungen können dabei aus einer einzelnen dielektrischen Schicht oder einem dielektrischen Schichtstapel bestehen. Die Spiegelschichten können aus einer metallischen Schicht, einer dielektrischen Schicht, in einem dielektrischen Schichtstapel oder einer Kombination aus einer metallischen und einer dielektrischen Schicht bestehen. Entsprechend dem gewählten Spektralbereich kann die spektrale Transmission der Entspiegelungs- bzw. die spektrale Reflektivität der Verspiegelungsschichten an einen Wellenlängenbereich im ultravioletten, sichtbaren oder nahinfraroten angepasst sein.
Ferner wird bezugnehmend auf obige Ausführungsbeispiele noch auf folgendes hingewiesen. Zur Unterdrückung von Falschlicht können beispielsweise alle Flächenteile der Oberfläche des monolithischen Körpers 100a bzw. 200a, die keine optischen Funktionsflächen darstellen, wie z. B. die Flächen 115, 125, 135, 145 und 155, die Seitenflächen des Körpers 100a bzw. 200a darstellen, die jeweils Paare der Funktionsflächen 110–160 miteinander verbinden, sowie eine Oberseite 165a und eine Unterseite 165b des Körpers 100a bzw. 200a mit einer Streu- und Falschlicht reduzierenden Schicht versehen sein. Diese Schicht kann beispielsweise ein absorbierender Lack sein, der durch Pinseln oder Sprühen aufgebracht wird. Weiterhin sind Öffnungen im monolithischen Objektiv möglich bzw. im monolithischen Körper 100a bzw. 200a, in die zur Reduktion von Streulicht und Falschlicht beispielsweise Schwarz gebeizte Messingbleche eingeführt oder mit absorbierenden, beispielsweise rußgefärbten Kunststoffen verfüllt werden, oder deren Seitenflächen mit absorbierendem Lack versehen werden. Solche Öffnungen können beispielsweise in Form von Nuten oder Bohrungen oder Ausklinkungen in dem monolithischen Vollkörper 100a–200a vorgesehen werden.
Bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen wurde vornehmlich auf die Funktionsflächen eingegangen, d. h. die Flächen, die eine optische Funktion hinsichtlich der geometrisch-optischen Abbildungseigenschaften des Objektivs erfüllen. Dazu zählen insbesondere alle Flächen, die sich im Strahlengang des Objektivs befinden, wobei solche Flächen aber auch Planflächen sein können, ebenso wie gekrümmte Flächen, wie die zuvor beschriebenen Rückseitenverspiegelten sphärischen oder asphärischen Flächen. Flächen hingegen, welche nur eine mechanische Funktion oder eine passive optische Funktion, wie beispielsweise plane Seitenflächen des Vollkörpers, die zur Unterdrückung von Streulicht mit einer speziellen Beschichtung versehen sein können, werden dagegen nicht als Funktionsflächen betrachtet, wozu beispielsweise die soeben erwähnten Flächen 115, 125, 135, 145 und 155 gehören. Diese nicht-optischen Flächen bzw. funktionslosen Flächen können als Planflächen hergestellt werden, um die Herstellung zu erleichtern, und sie können unterschiedliche Rauhigkeiten und Beschichtungen aufweisen, die optische und/oder andere Funktionalitäten besitzen können. Insbesondere können noch weitere mechanische Merkmale zur Anbindung bzw. Befestigung an weitere Geräte vorhanden sein, wie z. B. an das Gehäuse eines Gerätes, dass das Objektiv bzw. Bildaufnahmesystem aufweist.
Die Bezeichnungen „konvex” und „konkav” sind im Vorhergehenden zur näheren Beschreibung der Oberflächenform der gekrümmten Funktionsflächen entsprechende Einfallsrichtung der Strahlen gewählt worden. Dadurch kann es vorkommen, dass Spiegel von monolithischen Objektiven mit reflektiven und refraktiven Funktionsflächen gemäß obiger Ausführungsbeispiele eine von außen betrachtete konvexe Form aufweisen, aber als konkaver Spiegel im Inneren des monolithischen Körpers wirken. Das gleiche geschieht mit einer von außen gesehen konkaven Funktionsfläche, die rückverspiegelt ist. Diese wirkt im inneren des monolithischen Körpers als ein konvexer Spiegel und wird daher auch so bezeichnet.
Eine mögliche Anwendung obiger Beispiele besteht im Bereich der Feldüberwachung mit z. B. unbemannten Kleinflugzeugen mit geringen zulässigen Nutzlasten. Konventionelle Feldüberwachungssysteme arbeiten oft entweder im sichtbaren oder im infraroten Spektralbereich, da die dort zum Einsatz kommenden Optiken häufig refraktive Komponenten mit signifikanten chromatischen Abbildungsfehlern besitzen und somit auf eingeschränkte Spektralbereiche begrenzt sind. Hier bieten obige Objektive mit ihrer minimalen chromatischen Aberration und geringen Masse deutliche Vorteile.
Eine weitere Anwendung besteht in der Verwendung obiger Ausführungsbeispiele in einer Helmkamera für Rettungskräfte. Auch hier bietet die Möglichkeit Objekte mit hoher Bildgüte mit einem massearmen Objektiv abzubilden deutliche Vorteile. Das Objektiv ermöglicht es der Rettungskraft durch visuelle Prüfung mittels Kamera verrauchte und/oder mit Wasserdampf gefüllte Innenräume nach Verunglückten abzusuchen, ohne dass sich der Retter tastend durch das Gebäude vorarbeiten muss. Damit können Verunfallte leichter gefunden werden, ohne den Retter unnötig Gefahren auszusetzen. Diese Anwendung setzt kleine, leichte und robuste Systeme voraus.
Obige Ausführungsbeispiele bilden somit jeweils auch ein hochgeöffnetes, monolithisches Objektiv mit einem großen Bildfeld von mehr als ±25° in der Diagonalen und einer Anfangsöffnung von kleiner F4,5. Sie können eine mit herkömmlichen Linsenobjektiven vergleichbare Abbildungsgüte besitzen und gleichzeitig in sehr hohen Stückzahlen preisgünstiger hergestellt werden. Obige monolithische Objektive können in einer Blankpresstechnologie oder mit einer Kunststoffumformtechnologie hergestellt werden.
Oben beschriebene Bildsensoren können beispielsweise CCD- oder CMOS-Sensoren sein, und ergeben mit den Beispielen obiger monolithischer Objektive Kamerasysteme mit hoher Bildgüte.
Obige Ausführungsbeispiele schaffen somit auch Beispiele für ein kompaktes, massearmes, farbfehlerkorrigiertes, monolithisches Objektiv mit reflektiven und refraktiven Funktionsflächen mit geringen Herstellungskosten. Die Abbildungsgüte kann dabei die üblichen Werte von rein refraktiven Systemen erreichen. Obige Ausführungsbeispiele können überall da eingesetzt werden, wo besonders auf stark reduzierte Herstellungskosten, auf das Gewicht und Bauraum geachtet werden muss, aber trotzdem eine sehr hohe Abbildungsgüte bei einem großem Öffnungsverhältnis benötigt wird. In Kombination mit den modernen Bildsensoren, wie z. B. CCD- oder CMOS-Sensoren stellen obige Ausführungsbeispiele auch eine Möglichkeit für die Schaffung von Kamerasystemen mit einer hohen Bildgüte dar.
Obige Ausführungsbeispiele beschrieben also auch, in anderen Worten ausgedrückt, ein zentralabschattungsfreies, monolithisches Objektiv 100, 200 mit reflektiven und refraktiven Funktionsflächen, bestehend aus einem zumindest teilweise für einen Teil eines elektromagnetischen Spektrums transparenten Material und einer ersten bis sechsten optischen Funktionsfläche, wovon die erste 110 refraktiv ist und als Eintrittsfläche dient, durch die elektromagnetische Strahlung in das Objektiv eintreten kann, die zweite bis fünfte 120–150 reflektiv sind und als erster bis vierter Spiegel dienen und die sechste 160 refraktiv ist und als eine Austrittsfläche dient, durch die elektromagnetische Strahlung aus dem Objektiv austreten kann, wobei die optischen Funktionsflächen 110–160 so angeordnet sind, dass entweder alle optischen Funktionselemente eine gemeinsame optische Achse besitzen oder zumindest zwei optische Funktionsflächen eine unterschiedliche optische Achse aufweisen, und dass sich ein zentralabschattungsfreier, gefalteter Strahlengang von der Eintrittsfläche 110 über die Spiegel 120–150 erstreckt, wobei die optischen Funktionsflächen 110–160 so angeordnet und geformt sind, dass sich in einem Strahlengang 102a zwischen der Eintritts- und der Austrittsfläche keine Zwischenbildebene befindet. Die Eintrittsfläche 110 kann dabei eine konvexe Oberflächenform aufweisen und ihr Krümmungsmittelpunkt kann einen Abstand zu einem Mittelpunkt einer Eintrittspupille des Objektivs von ±10% des Krümmungsradius der Eintrittsfläche aufweisen. Der erste Spiegel 120 kann eine plane oder konvexe Oberfläche aufweisen, deren Betrag des Krümmungsradius zwischen dem 2-fachen und dem 15-fachen der Systembrennweite liegt. Eine erste Konstruktionsachse e₀ kann entlang des Strahlengangs 102a auf den ersten Spiegel 120 treffen und in einem Auftreffpunkt 204 einen Einfallswinkel zur Oberflächennormalen mit einem Betrag von mindestens 10° besitzen. Eine zweite Konstruktionsachse e₁ kann entlang des Strahlengangs 102a von dem ersten Spiegel 120 in einen Auftreffpunkt 206 auf den zweiten Spiegel 130 treffen. Der zweite Spiegel 130 kann dann eine konkave Oberfläche aufweisen, dessen Betrag des Krümmungsradius zwischen dem 3-fachen und dem 30-fachen der Brennweite des Objektivs liegen kann. Der Betrag einer Lateralverschiebung d₂ ihrer optischen Achse 234 von dem Auftreffpunkt der zweiten Konstruktionsachse e₁ auf den zweiten Spiegel 130 kann gemessen orthogonal zur optischen Achse 234 des zweiten Spiegels 130 kleiner als die 3-fache Systembrennweite sein. Eine Länge der zweiten Konstruktionsachse e₁ zwischen dem ersten Spiegel 120 und dem zweiten Spiegel 130 kann zwischen dem 1-fachen und dem 10-fachen der Brennweite des Objektivs liegen. Eine dritte Konstruktionsachse e₂ kann entlang des Strahlengangs 102a von dem zweiten Spiegel 130 auf den dritten Spiegel 140 treffen, wobei die Länge der dritten Konstruktionsachse e₂ zwischen dem zweiten Spiegel 130 und dem dritten Spiegel 140 zwischen dem 0,5-fachen und dem 6-fachen der Brennweite des Objektivs liegen. Eine vierte Konstruktionsachse e₃ kann entlang des Strahlengangs 102a von dem dritten Spiegel 140 in einem vierten Auftreffpunkt 208 auf den vierten Spiegel 150 treffen. Dabei kann der vierte Spiegel 150 eine konkave Spiegelfläche aufweisen, deren Betrag des Krümmungsradius zwischen dem 1-fachen und dem 10-fachen der Objektivbrennweite liegt. Sie kann zudem eine konische Konstante aufweisen, die größer oder gleich Null ist. Der Betrag einer Lateralverschiebung d₄ ihrer optischen Achse 254 von dem Auftreffpunkt 208 der vierten Konstruktionsachse e₃ auf den vierten Spiegel 150 kann gemessen, orthogonal zur optischen Achse 254 des vierten Spiegel 150 kleiner als die 5-fache Brennweite des Objektivs sein. Eine Länge der vierten Konstruktionsachse e₃ zwischen dem dritten Spiegel 140 und dem vierten Spiegel 150 kann zwischen dem 0,5-fachen und dem 6-fachen der Objektivbrennweite liegen. Eine fünfte Konstruktionsachse e₄ entlang des Strahlengangs 102a von dem vierten Spiegel 150 auf die Bildebene treffen, und kann zwischen dem vierten Spiegel 150 und der Austrittsfläche 160 zwischen dem 0,5-fachen und dem 10-fachen der Objektivbrennweite liegen.

Obigen Kennwerte für e₁ bis e₄ und α₁ bis α₄ sind gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel durch folgende Ungleichungen gegeben:

e₁ zwischen f und 10f	α₁ > 10°
e₂ zwischen 0,3e₁ und 0,7e₁	1,5α₁ < –α₂ < 2,5α₁
e₃ zwischen 0,3e₁ und 0,7e₁	1,2α₁ < α₃ < 2,5α₁°
e₄ zwischen 0,3e₁ und 1,5e₁	0,3α₁ < –α₄ < 1α₁

Obige Objektive können einen festen diagonalen Bildwinkel von mehr als ±25° und eine Blendenzahl kleiner oder gleich F 4,5 aufweisen. Die optischen Funktionsflächen können eine Beschichtung, bestehend aus einer Schicht oder einem Schichtstapel aufweisen, die für einen Teil des elektromagnetischen Spektrums reflexmindernd oder teildurchlässig oder reflektierend wirkt. Die gekrümmten Funktionsflächen können sphärisch, asphärisch oder als Freiformflächen ausgeführt sein. Nicht optisch genutzte Flächen können für eine Reduktion von Falsch- und Streulicht eine Beschichtung aufweisen. Der monolithische Körper kann zudem mindestens eine Öffnung aufweisen, in die ein Medium zur Reduktion von Falsch- und Streulicht integriert ist. Der monolithische Körper kann aus einem Glaswerkstoff oder einem Kunststoff bestehen. Wie es oben ebenfalls beschrieben worden ist, kann ein Bildaufnahmesystem durch Kombinieren eines solchen zentralabschattungsfreien monolithischen Objektivs mit reflektiven und refraktiven Funktionsflächen und einem Sensor oder Detektor zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung mit mindestens einem Element erzielt werden. Eine Ausleseelektronik für den Sensor oder Detektor kann das Bildaufnahmesystem ebenfalls aufweisen.
Zu obigen Ausführungsbeispielen sei noch erwähnt, dass zwar in 1a–c der Körper 100a als im wesentlichen prismatisch dargestellt wurde, aber auch andere Formen ohne weiteres möglich ist, wie es auch schon aus vorhergehender Beschreibung in Bezug auf die Nicht-Funktionsflächen hervorging. Insbesondere müssen die Ober- und Unterseite nicht parallel zueinander sein, sondern die Seiten können in Strahlengangrichtung hin aufeinander zu laufen, d. h. der Körper flacher werden.
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 0921427 B1 [0006, 0008, 0009, 0009]
DE 69624021 T2 [0006, 0008, 0009, 0009]

Claims

Objektiv (100, 200), das aus einem monolithischen optisch transparenten Körper besteht, dessen Oberfläche folgende Merkmale aufweist: eine erste optische reflaktive Funktionsfläche (110), die als Eintrittsfläche dient, durch die elektromagnetische Strahlung in das Objektiv eintreten kann; eine zweite optische reflektive Funktionsfläche (120), die als ein erster Spiegel dient; eine dritte optische reflektive Funktionsfläche (130), die als ein zweiter Spiegel dient; eine vierte optische reflektive Funktionsfläche (140), die als ein dritter Spiegel dient; eine fünfte optische reflektive Funktionsfläche (150), die als ein vierter Spiegel dient; eine sechste optische refraktive Funktionsfläche (160), die als eine Austrittsfläche dient, durch die elektromagnetische Strahlung aus dem Objektiv austreten kann, wobei die erste bis sechste optische Funktionsfläche so angeordnet sind, dass sich von der Eintrittsfläche (110) durch den monolithischen Körper über den ersten Spiegel (120), den zweiten Spiegel (130), den dritten Spiegel (140) und den vierten Spiegel (150) zu der Austrittsfläche (160) – in der genannten Reichenfolge – ein zentralabschattungsfreier, gefalteter Strahlengang erstreckt, in dem zwischen der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche keine Zwischenbildebene befindlich ist.
Objektiv (100, 200) gemäß Anspruch 1, bei dem die erste bis sechste optische Funktionsfläche eine gemeinsame optische Achse besitzen.
Objektiv gemäß Anspruch 1, bei dem die erste bis sechste optische Funktionsfläche so angeordnet sind, dass zumindest zwei der optischen Funktionsflächen eine unterschiedliche optische Achse aufweisen.
Objektiv gemäß Anspruch 3, bei dem die zumindest zwei optischen Funktionsflächen zumindest die erste optische reflektive Funktionsfläche (110) und die dritte optische reflektive Funktionsfläche (140) eine unterschiedliche optische Achse aufweisen.
Objektiv gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Eintrittsfläche (110) eine, bezogen auf die Strahlengangrichtung konvexe Oberflächenform mit einem Krümmungsmittelpunkt aufweist, der zu einem Mittelpunkt einer Eintrittspupille des Objektivs um höchstens 10% eines Krümmungsradius der Eintrittsfläche (110) beabstandet ist.
Objektiv gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Spiegel (120) eine plane oder bezogen auf die Strahlengangrichtung konvexe Oberflächenform mit einem Krümmungsradius aufweist, dessen Betrag zwischen dem zweifachen und dem 15-fachen einer Brennweite des Objektivs liegt.
Objektiv gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine erste Konstruktionsachse (e₀) entlang des Strahlengangs (102a) in einem ersten Auftreffpunkt (204) und unter einem ersten Einfallswinkel (α₁) zu einer Oberflächennormalen an dem ersten Auftreffpunkt (204) auf den ersten Spiegel (120) trifft, eine zweite Konstruktionsachse (e₁) entlang des Strahlengangs (102a) von dem ersten Auftreffpunkt (204) unter einem zu dem ersten Einfallswinkel (α₁) gleichen ersten Ausfallswinkel zu der Oberflächennormalen an dem ersten Auftreffpunkt (204) in einem zweiten Auftreffpunkt (206) unter einem zweiten Einfallswinkel (α₂) zu einer Oberflächennormalen (232) an dem zweiten Auftreffpunkt (206) auf den zweiten Spiegel (130) trifft, eine dritte Konstruktionsachse (e₂) entlang des Strahlengangs (102a) von dem zweiten Auftreffpunkt (206) unter einem zu dem zweiten Einfallswinkel (α₂) gleichen zweiten Ausfallswinkel zu der Oberflächennormalen (232) an dem zweiten Auftreffpunkt (206) in einem dritten Auftreffpunkt (207) unter einem dritten Einfallswinkel (α₃) auf den dritten Spiegel (140) trifft, eine vierte Konstruktionsachse (e₃) entlang des Strahlengangs (102a) von dem dritten Auftreffpunkt (207) unter einem zu dem dritten Einfallswinkel (α₃) gleichen dritten Ausfallswinkel zu der Oberflächennormalen (242) an dem dritten Auftreffpunkt (207) in einem vierten Auftreffpunkt (208) unter einem vierten Einfallswinkel (α₄) zu einer Oberflächennormalen (252) an dem vierten Auftreffpunkt (208) auf den vierten Spiegel (150) trifft, eine fünfte Konstruktionsachse (e₄) entlang des Strahlengangs (102a) von dem vierten Auftreffpunkt (208) unter einem zu dem vierten Einfallswinkel (α₄) gleichen vierten Ausfallswinkel zu der Oberflächennormalen (252) an dem vierten Auftreffpunkt (208) auf eine Bildebene des Objektivs trifft. wobei der erste Einfallswinkel (α₁) einen Betrag von mindestens 10° aufweist.
Objektiv gemäß Anspruch 6, bei dem der zweite Spiegel (130) eine relativ zu der Strahlengangrichtung konkave Oberflächenform mit einem Krümmungsradius, dessen Betrag zwischen dem Dreifachen und dem 30-fachen der Brennweite des Objektivs liegt, und einer optischen Achse (234) aufweist, die von dem zweiten Auftreffpunkt (206) um weniger als die dreifache Brennweite des Objektivs beabstandet ist.
Objektiv gemäß Anspruch 6 oder 7, bei dem eine Länge der zweiten Konstruktionsachse (e₁) zwischen dem ersten Auftreffpunkt (204) und dem zweiten Auftreffpunkt (206) zwischen dem einfachen und dem 10-fachen der Brennweite des Objektivs liegt.
Objektiv gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die Länge der dritten Konstruktionsachse (e₂) zwischen dem zweiten Auftreffpunkt (206) und dem dritten Auftreffpunkt (207) zwischen dem 0,5-fachen und dem 6-fachen der Brennweite des Objektivs liegt.
Objektiv gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem der vierte Spiegel (150) eine relativ zu der Strahlengangrichtung konkave Oberflächenform mit einem Krümmungsradius, der zwischen dem 1-fachen und dem 10-fachen der Brennweite des Objektivs liegt, einer konischen Konstante, die größer oder gleich Null ist, und einer optischen Achse (254) aufweist, die von dem vierten Auftreffpunkt (208) um weniger als die 5-fache Brennweite des Objektivs beabstandet ist.
Objektiv gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem eine Länge der vierten Konstruktionsachse (e₃) zwischen dem dritten Auftreffpunkt (207) und dem vierten Auftreffpunkt (208) zwischen dem 0,5-fachen und dem 6-fachen der Brennweite des Objektivs liegt.
Objektiv gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem ein Abschnitt der fünften Konstruktionsachse (e₄) zwischen dem vierten Auftreffpunkt (208) und einem Punkt, an dem die fünfte Konstruktionsachse (e₄) die Austrittsfläche (160) durchdringt, zwischen dem 0,5-fachen und dem 10-fachen der Brennweite des Objektivs liegt.
Objektiv gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem der dritte Spiegel (140) eine relativ zu der Strahlengangrichtung konvexe Oberflächenform aufweist.
Objektiv gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der dritte Spiegel (140) so angeordnet ist, dass derselbe als Systemblende des Objektives wirkt.
Objektiv gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Objektiv einen festen diagonalen Bildwinkel von mehr als ±25° und eine Blendenzahl von kleiner oder gleich F4,5 aufweist.
Objektiv gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite, dritte, vierte und fünfte optische reflektive Funktionsfläche mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sind.
Objektiv gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste und/oder die sechste optische refraktive Funktionsfläche mit einer Reflexionsminderungs- und/oder spektral filternden Beschichtung versehen ist.
Objektiv gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem optisch nicht von dem Strahlengang (102a) durchdrungene Flächenabschnitte der Oberfläche des monolithischen Körpers mit einer Falsch- und Streulicht Reduktionsbeschichtung versehen sind.
Objektiv gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der monolithische Körper mindestens eine Öffnung aufweist, in die ein Medium zur Reduktion von Falsch- und Streulicht integriert ist.
Objektiv gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der monolithische Körper aus einem Glaswerkstoff oder einem Kunststoff besteht.
Bildaufnahmesystem mit folgenden Merkmalen: einem Objektiv gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche; einem Bildsensor (101, 201), der in einer Bildebene des Objektivs angeordnet ist.
Bildaufnahmesystem gemäß Anspruch 21, bei dem der Bildsensor direkt an der Austrittsfläche des Objektivs befestigt ist.