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Die Erfindung betrifft eine miniaturisierte Zoomkamera, welche insbesondere in Mobiltelefonen einsetzbar ist.
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Klassische Zoomsysteme basieren üblicherweise auf Linsensystemen in denen mindestens zwei Linsengruppen entlang eines gemeinsamen Strahlenganges zueinander verschoben werden, um die jeweilige gewünschte Vergrößerung bzw. Brennweite einzustellen. Bei einem Zoom müssen prinzipiell zwei Größen, die Brennweite und die Fokussierung auf einen feststehenden Detektor, eingehalten werden. Diese zwei Bedingungen lassen sich durch die definierte Variation der Position von zwei Linsengruppen erreichen. Nachteilig ist hierbei, dass die Linsengruppen für alle Zoomstellungen aus den gleichen Teilen bestehen und somit nur „vermittelt“ für alle Zoomstellungen optisch korrigiert werden können, was verglichen zu Systemen mit einer festen Brennweite eine deutliche Verschlechterung der optischen Abbildungsqualität bedeutet. Durch Einsatz einer größeren Anzahl Linsen kann dieses Problem reduziert werden, wobei dies mit einer Erhöhung des Aufwandes und einer größere Baulänge des Zoomsystems verbunden ist. Insbesondere in Systemen mit einem nur geringen verfügbaren Bauraum muss die Linsenzahl minimiert werden. Weiterhin muss auch die Größe des Zoombereiches, welcher größere Verschiebungsstrecken der Linsen oder Linsengruppen verlangt, beschränkt werden. Diese einschränkenden Faktoren bereiten insbesondere bei Geräten, die eine geringe Bautiefe aufweisen, große Schwierigkeiten. Bisherige Zoomsysteme für Mobiltelefone benötigen einen relativ großen Bauraum und ragen deutlich aus dem Gehäuse heraus.
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Um die dargelegten Probleme zu umgehen wird in der
US 8,514,495 B2 ein abgewinkeltes Zoomsystem beschrieben, bei dem die notwendige Verschiebungsstrecke der Linsengruppen in einer Längenausdehnung des Gehäuses erfolgt. In der
US 8,077,254 B2 wird eine WEB-Kamera beschrieben, bei der austauschbare Linsen vor dem Kameragehäuse angeordnet sind, um eine einfache, kostengünstige Einstellung unterschiedlicher Abbildungsmaßstäbe zu realisieren. Mehrere Linsen sind auf einem Träger montiert und jeweils eine der Linsen ist in den Strahlengang der Kamera einschiebbar oder einschwenkbar. Diese Lösung hat den Nachteil, dass die optischen Bauteile völlig ungeschützt den Umwelteinflüssen ausgesetzt sind und die Bautiefe der Kamera nicht reduzierbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Zoomkamera zu schaffen, welche bei einer geringen Bautiefe in Richtung der optischen Achse des optischen Systems eine hinreichend gute Abbildungsqualität und einen vergleichsweise großen Zoombereich realisiert.
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Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die Merkmale der Unteransprüche 2 bis 8 sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Merkmale des Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die miniaturisierte Zoomkamera ein miniaturisiertes Zoomsystem aufweist, welches aus einer feststehenden ersten (in Lichtrichtung gesehen) Linsengruppe und einer Mehrzahl austauschbarer zweiter Linsengruppen aufgebaut ist, wobei jede der zweiten Linsengruppen eine unterschiedliche Brennweite aufweist und auf einem gemeinsamen Linsenträger angeordnet ist, und wobei der Linsenträger so gelagert und beweglich ist, dass jeweils eine der zweiten Linsengruppen in einen Strahlengang zwischen der ersten Linsengruppe und dem Detektor positionierbar ist.
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Vorzugsweise sind die zweiten Linsengruppen auf dem gemeinsamen Linsenträger in unterschiedlichen Ebenen angeordnet.
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Vorteilhaft weist die erste Linsengruppe eine Gesamtbrennweite f1ges kleiner gleich 6 auf.
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Bevorzugt bildet die erste Linsengruppe mit dem Detektor und jeder der zweiten Linsengruppen ein optisches System, das eine Gesamtbaulänge von kleiner gleich 6 mm aufweist.
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Bevorzugt ist der gemeinsame Linsenträger in einer Drehachse drehbar gelagert. Die zweiten austauschbaren Linsengruppen sind in diesem Fall auf dem gemeinsamen Linsenträger kreisringförmig zentrisch zur Drehachse angeordnet. Durch Drehen des insbesondere scheibenförmigen Linsenträgers wird jeweils eine der zweiten Linsengruppen zwischen die feststehende Linse und einen Detektor eingeschwenkt.
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In einer alternativen Ausführungsform bildet der gemeinsame Linsenträger den linear beweglichen Teil einer Geradführung.
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Die erste Linsengruppe bildet zusammen mit jeder der zweiten Linsengruppen ein System der Brennweite fn, wobei n die diskrete Stellung einer der zweiten Linsengruppen bezeichnet und jede der zweiten Linsengruppen eine andere diskrete Gesamtbrennweite des Zoomsystems erzeugt, die an der Kamera jeweils durch Einschwenken der entsprechenden zweiten Linsengruppe einstellbar ist. Die Gesamtlänge des optischen Systems bleibt dabei gleich, so dass für alle Stellungen der gleiche Detektor verwendet werden kann. Mit anderen Worten ist es durch die Anpassung der zweiten Linsengruppen möglich, dass auf den üblicherweise notwendigen Verschiebungsweg einer Linsengruppe zur Brennweiteneinstellung verzichtet werden kann und dass demzufolge auch die Gesamtbaulänge des erfindungsgemäßen optischen Systems gegenüber der klassischen Lösung deutlich minimiert wird.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass die Bildgüte unabhängig für jedes der optischen Systeme genau durch die spezielle Auslegung der zweiten Linsengruppe angepasst werden kann und nicht nur eine Vermittlung verschiedener optischer Abbildungseigenschaften erfolgt, wie dies bei normalen Zoomsystemen der Fall ist. Es ist hierbei zum Beispiel möglich ein Drei-fach-Zoomsystem in einer Gesamtbaulänge von 4,5 mm unterzubringen, welche normalerweise für eine Festbrennweite üblich ist.
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Um die optische Abbildungsqualität weiter zu steigern und die Linsenzahl zu minimieren kann es vorgesehen sein, auf die nach innen liegende optische Fläche der feststehenden ersten Linsengruppe ein DOE aufzubringen, um keine weiteren Aufwände für die chromatische Korrektion betreiben zu müssen. Die Aperturblende liegt vorzugsweise ebenfalls auf dieser Fläche.
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Im einfachsten Falle besteht die erste Linsengruppe aus nur einer rotationsasphärischen Linse und die zweiten Linsengruppen bestehen jeweils auch nur aus einzelnen rotationsasphärischen Linsen. So erhält man durch die Kombination von nur zwei rotationsasphärischen Linsen ein kompaktes Zoomsystem, welches beispielsweise voll in das Gehäuse eines üblichen Mobiltelefons integrierbar ist. Die Form der rotationsasphärischen optischen Flächen wird allgemein durch die Formel
beschrieben,
mit
c = 1 / R, wobei r die radiale Höhe (Abstand von der optischen Achse) in mm, R der Linsenradius in mm, k die konische Konstante, a
i die asphärischen Koeffizienten und z die Pfeilhöhe in mm sind.
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Der Linsenträger kann zum Einschwenken der zweiten Linsengruppen elektrisch, beispielsweise elektromotorisch, angetrieben sein. Alternativ ist natürlich auch ein manuelles Einstellen, zum Beispiel mit einem an der Seite des Gehäuses angebrachten Einstellrad, möglich, wobei vorteilhaft jeweils Rasterstellungen vorgesehen sind, die das positionsgenaue Einschwenken der zweiten Linsengruppen erleichtern.
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Zoomzwischenstellungen, die durch die diskreten Gesamtbrennwerte des Zoomsystems nicht abgedeckt sind, können softwaremäßig interpoliert werden.
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Aufgrund der geringen Größe der zweiten Linsengruppen ist es möglich, relativ viele Gruppen auf dem Linsenträger unterzubringen und somit den gewünschten Zoombereich relativ dicht abzudecken. Auf eine softwaremäßige Interpolation von Zwischenwerten kann somit auch gut verzichtet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
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1: Schematische Darstellung einer Zoomkamera mit einem linear geführten Linsenträger
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2: Schematische Darstellung eines drehbaren Linsenträgers
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3: Zoomsystem mit einer Weitwinkeleinstellung
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4 Zoomsystem mit einer mittleren Einstellung der Brennweite
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5 Zoomsystem mit einer Teleeinstellung
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1 zeigt eine Zoomkamera 1, die zwischen einem frontseitigen Gehäuseteil 2 und einem rückseitigen Gehäuseteil 3 angeordnet ist. Die Zoomkamera 1 ist insbesondere als Komponente in einem Mobiltelefon einsetzbar. Das frontseitige Gehäuseteil 2 und das rückseitige Gehäuseteil 3 bilden zusammengefügt die Hülle des Mobiltelefons. Das frontseitige Gehäuseteil 2 weist eine Öffnung auf, die von einem transparenten Schutzglas 4 verschlossen ist. Zwischen dem frontseitigen Gehäuseteil 2 und dem rückseitigen Gehäuseteil 3 ist im Beispiel ein Bauraum von 4,5 mm Länge vorgesehen, in dem die optischen Komponenten der Zoomkamera 1 in Bezug auf eine optische Achse 5 linear angeordnet sind. In Lichtausbreitungsrichtung ist nach dem Schutzglas 3 eine erste Linsengruppe 6 angeordnet, die feststehend ist und die optische Achse 5 festlegt. Es folgt eine zweite Linsengruppe 7, die austauschbar beweglich ist und die zur optischen Achse 5 positionierbar ist. Weiterhin sind im Strahlengang ein Deckglas 8 und ein Detektor 9 zur optischen Achse 5 ausgerichtet und feststehend angeordnet.
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Dabei ist die zweite Linsengruppe 7 in einem Linsenträger 10 montiert, der in einer Geradführung 11 linear verschiebbar gelagert ist. Der Linsenträger 10 dient der Fassung mehrerer zweiter Linsengruppen, im Beispiel der zweiten Linsengruppen 7, 7´ und 7´´. Die Anordnung der zweiten Linsengruppen 7, 7´ und 7´´ auf dem Linsenträger 10 erfolgt so, dass deren optische Achsen 5, 5´ und 5´´ eine Gerade schneiden, die parallel zur linearen Bewegung der Geradführung 11 ausgerichtet ist. Jeweils eine der drei beweglichen zweiten Linsengruppen 7, 7´ oder 7´´ kann in den Strahlengang zwischen der feststehenden ersten Linsengruppe 6 und dem Deckglas 8 des Detektors 9 eingeschoben werden, um den gewünschten Abbildungsmaßstab einzustellen,
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Die Bewegung des Linsenträgers 10 erfolgt in dem Ausführungsbeispiel der 1 durch einen elektromotorischen Antrieb, der durch eine Bedienperson steuerbar ist. Dazu kann an dem Kameragehäuse eine Steuertaste vorgesehen sein. Alternativ kann die Steuerung über eine grafische Nutzeroberfläche erfolgen, beispielsweise über einen berührungsempfindlichen Bildschirm mittels Fingergesten.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass auf einer der außenliegenden optischen Flächen der Linse der ersten Linsengruppe ein Diffraktives Optisches Element (DOE) aufgebracht ist.
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In 2 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Zoomkamera 1, bei der ein drehbar gelagerter Linsenträger 10 eingesetzt wird, auf dem die zweiten Linsengruppen 7 angeordnet sind. In der 2 ist angedeutet, dass auch mehr als drei zweite Linsengruppen 7 in dem Linsenträger 10 angeordnet sein können. Dabei sind die Linsengruppen 7 mit ihren optischen Achsen 5 parallel zu einer Drehachse 12 auf einer Kreislinie angeordnet. Die Mitte der Kreislinie entspricht der Drehachse 12, die von einem Lager 13 gebildet ist. Die Drehachse 12 des Lagers 13 ist parallel zur optischen Achse 5 der ersten Linsengruppe 6 ausgerichtet. Mit dem drehbaren Linsenträger 10 können nacheinander unterschiedliche zweite Linsengruppen 7 in den Strahlengang des Zoomobjektivs eingeschwenkt werden, um einen sich ändernden Abbildungsmaßstab einzustellen.
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3 zeigt das Zoomsystem mit einer zweiten Linsengruppe 7, deren optische Eigenschaften eine Weitwinkeleinstellung realisieren. In dem Beispiel gemäß den 3 bis 5 ist die erste Linsengruppe 6 eine immer identische Einzellinse mit den optischen Flächen a und b die eine Gesammbrennweite kleiner / gleich 6 aufweist und die zweite austauschbare Linsenbaugruppe 7 ist eine Einzellinse mit den optischen Flächen c und d. Das Deckglas 8 aus BK7 hat die optischen Flächen e und f. Das Linsenmaterial der Linse der ersten Linsengruppe 6 ist B270 und das der Linse der zweiten Linsengruppen 7 ist Polycarbonat.
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Das optische System mit den Eigenschaften einer Weitwinkelstellung wird durch folgende Daten beschrieben:
Brennweite: 3,501 mm
Fläche Medium R[mm] k a1 a2 a3
a B270 0,97 3,13e – 001 –4,77e – 003 0,00e + 000 0,00e + 000
Mittendicke 0,59 mm
b 1,21 –2,99e + 001 1,59e + 000 –4,61e + 000 9,03e + 000
Luftabstand 0,39 mm
c P-CAR 9,09 0,00e + 000 –8,72e – 002 1,23e – 001 0,00e + 000
Mittendicke 2,60 mm
d –30,10 –4,66e + 024 1,21e – 002 –8,37e – 003 4,24e – 004
Luftabstand 0,20 mm
e BK7 0,00
Mittendicke 0,30 mm
f 0,00
Luftabstand zum Detektor 0,40 mm.
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4 zeigt das Zoomsystem mit einer zweiten Linsengruppe
7, die eine mittlerer Einstellung des Abbildungsmaßstabes liefert. Dieses optische System wird durch folgende Daten beschrieben:
Brennweite: 6,998 mm
Fläche Medium R[mm] k a1 a2 a3
a B270 0,97 3,13e – 001 –4,77e – 003 0,00e + 000 0,00e + 000
Mittendicke 0,59 mm
b 1,21 –2,99e + 001 1,59e + 000 –4,61e + 000 9,03e + 000
Luftabstand 2,25 mm
c P-CAR –1,68 0,00e + 000 –1,50e – 001 –9,53e – 002 0,00e + 000
Mittendicke 0,40 mm
d 75,22 –6,85e + 011 –1,45e – 001 2,75e – 002 –6,21e – 003
Luftabstand 0,54 mm
e BK7 0,00
Mittendicke 0,30 mm
f 0,00
Luftabstand zum Detektor 0,40 mm.
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5 zeigt das Zoomsystem mit einer zweiten Linsengruppe
7, deren optische Eigenschaften eine Teleeinstellung liefern. Dieses optische System wird durch folgende Daten beschrieben:
Brennweite: 10,475 mm
Fläche Medium R[mm] k a1 a2 a3
a B270 0,97 3,13e – 001 –4,77e – 003 0,00e + 000 0,00e + 000
Mittendicke 0,59 mm
b 1,21 –2,99e + 001 1,59e + 000 –4,61e + 000 9,03e + 000
Luftabstand 2,60 mm
c P-CAR –0,74 0,00e + 000 3,65e – 001 5,42e – 002 0,00e + 000
Mittendicke 0,28 mm
d 199,18 –1,55e + 010 –7,36e – 002 1,39e – 001 –1,48e – 001
Luftabstand 0,20 mm
e BK7 0,00
Mittendicke 0,30 mm
f 0,00
Luftabstand zum Detektor 0,40 mm.
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Der Bereich der Brennweite des Zoomobjektivs der Kamera erstreckt sich von 3,5 mm bis 10,5 mm (3-fach-Zoom) in den drei diskreten Brennweiten 3,5, 6,9 und 10,5. Dabei ist das Sichtfeld (FOV) zwischen 60 Grad bis 20 Grad bei einer Öffnung von 1:2,8 bis 1:6. Die Baulänge der Zoomkamera (Zoomobjektiv mit Detektor) ist 4,5 mm. Es ist vorgesehen, mehr als drei zweite Linsengruppen 7 in dem Linsenträger 10 vorzuhalten, um die diskrete Abstufung der Brennweiten in kleineren Schritten auswählen zu können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zoomkamera
- 2
- frontseitiges Gehäuseteil
- 3
- rückseitiges Gehäuseteil
- 4
- Schutzglas
- 5
- optische Achse
- 6
- erste Linsengruppe
- 7
- zweite Linsengruppen
- 8
- Deckglas
- 9
- Detektor
- 10
- Linsenträger
- 11
- Geradführung
- 12
- Drehachse
- 13
- Lager
- a, b, c, d, e, f
- optische Flächen
- R
- Radius
- r
- radiale Höhe (Abstand von der optischen Achse)
- ai
- asphärischen Koeffizienten
- k
- konische Konstante
- z
- Pfeilhöhe
- fn
- Brennweite der n-ten zweiten Linsengruppe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8514495 B2 [0003]
- US 8077254 B2 [0003]
