DE102016125377B4

DE102016125377B4 - Refraktive Linse, Objektiv und digitales Kamerasystem

Info

Publication number: DE102016125377B4
Application number: DE102016125377.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Witych
Original assignee: Deutsche Telekom AG
Current assignee: Deutsche Telekom AG
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2019-01-03
Anticipated expiration: 2036-12-23
Also published as: DE102016125377A1

Abstract

Refraktive Linse (230, 240, 260, 270) mit mehreren ersten und mehreren zweiten Linsenbereichen, wobei jeweils- der erste Linsenbereich (231-1, 231-2, 241-1, 241-2, 241-3, 261-1, 261-2, 271-1, 271-2) einen ersten Teil der Linsenoberfläche umfasst und der zweite Linsenbereich (232-1, 232-2, 242-1, 242-2, 242-3, 262-1, 262-2, 272-1, 272-2) einen zweiten, vom ersten unterschiedlichen Teil der Linsenoberfläche umfasst, und- der erste und zweite Linsenbereich jeweils ein unterschiedliches Material mit unterschiedlichen Transmissionseigenschaften für elektromagnetische Strahlung aufweist, und wobei- der erste und zweite Linsenbereich jeweils eine Grenzfläche bilden, die parallel zur optischen Achse der Linse und durch einen Punkt auf der optischen Achse der Linse verläuft, und wobei- der erste Linsenbereich für eine erste Wellenlänge eine höhere Transmission als der zweite Linsenbereich aufweist, und- der zweite Linsenbereich für eine zweite, von der ersten unterschiedliche Wellenlänge eine höhere Transmission als der erste Linsenbereich aufweist, und- der erste Linsenbereich für elektromagnetische Strahlung der zweiten Wellenlänge und der zweite Linsenbereich für elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge einen Transmissionsgrad von unter 25 % aufweist,und wobeidie ersten Linsenbereiche in der Linsenmitte auf der optischen Achse einen ersten Durchmesser (d) aufweisen und die zweiten Linsenbereiche in der Linsenmitte auf der optischen Achse einen zweiten Durchmesser (d) aufweisen, wobei der zweite Durchmesser (d) kleiner als der erste Durchmesser (d) ist.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Abbildung von Objekten in eine Bildebene, und insbesondere eine refraktive Linse, ein Objektiv, sowie ein digitales Kamerasystem.
Digitale Kamerasysteme werden heute in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, beispielsweise bei der Überwachung von Objekten oder Prozessen oder in der Video-Telefonie. Auch in Assistenzsystemen der Fahrzeugtechnik werden immer häufiger Kamerasysteme, beispielsweise in Form von Rückfahrkameras oder Kollisions-Warnsystemen, eingesetzt. Da heute typischerweise jedes Smartphone mit einer Digitalkamera ausgestattet ist, trägt jeder Smartphone-Nutzer ein digitales Kamerasystem ständig bei sich.
Ein digitales Kamerasystem dient dazu, statische oder bewegte Bilder mittels eines elektronischen Sensors zu detektieren und aufzuzeichnen oder über eine Schnittstelle bereitzustellen, wobei die Aufzeichnung typischerweise unter Verwendung eines digitalen Speichermediums erfolgt und die Bereitstellung über eine Schnittstelle beispielsweise zur Anzeige auf einem Bildschirm dient.
Bei einem digitalen Kamerasystem wird das Bild in der Regel von einem Objektiv auf eine Bildebene abgebildet, in welcher der elektronische Sensor angeordnet ist. Ein Objektiv ist ein sammelndes optisches System, das eine reelle optische Abbildung eines Objektes in der Bildebene erzeugt. Im einfachsten Fall wird ein Objektiv durch eine einzelne Sammellinse gebildet. Durch die Kombination mehrerer Linsen kann die Abbildungsqualität eines Objektivs erhöht werden, wenn die Linsen und deren Eigenschaften so gewählt werden, dass bestimmte Abbildungsfehler verringert werden. Auch ermöglicht die Verwendung mehrerer Linsen die Bereitstellung von Objektiven mit variabler Brennweite.
Objektive sind in der Regel mit einer Blende ausgestattet, mit deren Hilfe der Lichtdurchlass durch das Objektiv verändert werden kann. Eine Objektivblende ist meist als Lamellenblende ausgebildet, bei der sich kreisförmig angeordnete Lamellen so ineinander verschieben, dass der Lichtdurchlass enger oder weiter und so das einfallende Lichtbündel kleiner oder größer wird. Die Blende ist dabei so im Strahlengang positioniert, dass sie nur als Aperturblende und nicht als Gesichtsfeldblende wirkt.
Als Linsen werden typischerweise transparente Bauelemente bezeichnet, die elektromagnetische Strahlung durch Brechung an ihren Oberflächen ablenken, wobei Linsen im Allgemeinen zwei lichtbrechende Flächen aufweisen, von denen mindestens eine konvex oder konkav gewölbt ist. Man unterscheidet allgemein zwischen Sammellinsen, die paralleles Licht in einem Brennpunkt bündeln, und Zerstreuungslinsen, die paralleles Licht aufweiten.
Linsen, deren Abbildungseigenschaften auf der Brechung elektromagnetischer Strahlung, d.h. auf Refraktion, basieren, werden auch als refraktive Linsen bezeichnet.
Am häufigsten werden Linsen im Bereich der klassischen Optik zur Abbildung von Licht eingesetzt. Als Licht wird typischerweise der für das menschliche Auge sichtbare Teil der elektromagnetischen Strahlung bezeichnet, wobei der Bereich des Lichts im elektromagnetischen Spektrum Wellenlängen von etwa 380 nm bis 780 nm umfasst.
Es sind auch Linsen für die Verwendung in anderen Wellenlängenbereichen bekannt. Infrarotlinsen, oder kurz IR-Linsen, für den Einsatz im infraroten Wellenlängenbereich von etwa 780 nm bis 1 mm werden beispielsweise in Wärmebildkameras, Nachtsichtgeräten oder in der Infrarot-Spektroskopie eingesetzt. Ultraviolett-Linsen, oder kurz UV-Linsen, für den Einsatz im ultravioletten Wellenlängenbereich von etwa 1 nm bis 380 nm werden beispielsweise in Laseranwendungen eingesetzt.
Je nachdem, für welchen Wellenlängenbereich eine Linse eingesetzt werden soll, werden Linsenmaterialien mit entsprechenden Transmissionseigenschaften verwendet, d.h. Materialien, die in dem jeweils gewünschten Wellenlängenbereich auch ausreichend transparent sind.
Der Brechungsindex von Linsenmaterialien ist typischerweise wellenlängenabhängig, wobei der Brechungsindex in der Regel mit steigender Wellenlänge abfällt. Da somit elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge unterschiedlich stark gebrochen wird, ergibt sich ein Abbildungsfehler, welcher als chromatische Aberration bezeichnet wird, und der dazu führt, dass eine Linse nur für einen begrenzten Wellenlängenbereich einsetzbar ist.
Aus DE 23 52 363 A ist eine Korrekturlinse bekannt, mit der unerwünschte Reflektion und Lichtstreuung des Lichtes bei der Herstellung eines Bildröhrenschirmes von Farbfernsehern weitgehend vermieden werden soll, wobei in DE 23 52 363 A beispielsweise eine tortenförmige Linse mit keilförmigen Elementen beschrieben wird, die jeweils aus verschiedenartigen Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex hergestellt sind.
In GB 791 312 A wird eine Linse beschrieben, welche mehrere Sektoren mit unterschiedlichem Brechungsindex umfasst, wobei dies dadurch erreicht wird, dass die Linse aus zusammengesetzten Prismen aus unterschiedlichen Gläsern hergestellt wird.
US 3 594 075 A beschreibt eine bifokale Linse, bei welcher laminare Schichten aus unterschiedlichem Material und mit unterschiedlichem Brechungsindex zusammengefügt werden.
US 2 978 956 A beschreibt eine Linse mit einem inneren Linsenelement und einem äußeren Linsenelement, wobei das innere Linsenelement aus einem Arsentrisulfid-Glas gebildet ist und vornehmlich infrarotes Licht transmittiert, und wobei das äußere Linsenelement aus Kronglas gebildet ist und vornehmlich sichtbares Licht transmittiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus dem Stand der Technik bekannte Linsen, Objektive oder Kamerasysteme zu verbessern und/oder deren Einsatzgebiet zu erweitern.
Das oben genannte technische Problem wird durch eine refraktive Linse gemäß Anspruch 1, ein digitales Kamerasystem gemäß Anspruch 12 und ein Objektiv gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Ein Kerngedanke der Erfindung ist darin zu sehen, eine refraktive Linse bereitzustellen, die gleichzeitig für unterschiedliche Wellenlängenbereiche einsetzbar ist. Zu diesem Zweck weist eine erfindungsgemäße refraktive Linse wenigstens einen ersten und wenigstens einen zweiten Linsenbereich auf, wobei der erste Linsenbereich einen ersten Teil der Linsenoberfläche umfasst und der zweite Linsenbereich einen zweiten, vom ersten unterschiedlichen Teil der Linsenoberfläche umfasst, und wobei der erste und zweite Linsenbereich jeweils ein unterschiedliches Material mit unterschiedlichen Transmissionseigenschaften für elektromagnetische Strahlung aufweist.
Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine Linse für mehrere ausgewählte Wellenlängenbereiche, bzw. den Aufbau oder die Konstruktion einer solchen Linse, welche ein notwendiges Grundelement in einem Objektiv bildet, welches dazu ausgebildet ist, die Informationen des Objektraumes, die aus stark unterschiedlichen Wellenlängenbereichen kommen, in den Bildraum zeitglich passieren zu lassen, um dort in einer Bildebene detektiert zu werden.
Der Begriff der Bildebene soll vorliegend allgemein eine durch einen Sensor oder ein Sensor-Bauteil vorgegebene Detektionsfläche bezeichnen, wobei diese nicht zwingend tatsächlich eine ebene Fläche sein muss, sondern beispielsweise auch die Form einer Kugelteilfläche oder Kugelkalotte haben kann. Der Begriff der Bildebene wird somit vorliegend allgemein im Sinne eines Bildraums verwendet.
Ein wesentlicher Grundgedanke ist darin zu sehen, in einer Linse wenigstens zwei unterschiedliche Materialien zu kombinieren, wobei insbesondere wenigstens zwei unterschiedliche Substrate mit unterschiedlichen Transmissionseigenschaften in einer gemeinsamen Linse kombiniert werden. Denkbar ist aber auch, dass der erste und/oder zweite Linsenbereich durch eine Beschichtung der Linse gebildet wird. Beispielsweise könnte ein Substratmaterial verwendet werden, welches für die erste und zweite Wellenlänge transparent ist, wobei der erste und zweite Linsenbereich jeweils durch eine Beschichtung mit unterschiedlichen Materialien gebildet wird, wobei die Materialschichten jeweils nur für die erste bzw. zweite Wellenlänge transparent sind. Der Einsatz von Beschichtungen kann bei der Linsenherstellung vorteilhaft sein.
Der erste Linsenbereich weist für eine erste Wellenlänge eine höhere Transmission als der zweite Linsenbereich und der zweite Linsenbereich für eine zweite Wellenlänge, die sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet, eine höhere Transmission als der erste Linsenbereich auf.
Mit besonderem Vorteil weist der erste Linsenbereich für einen ersten Wellenlängenbereich eine höhere Transmission als der zweite Linsenbereich und der zweite Linsenbereich für einen zweiten Wellenlängenbereich, der sich von dem ersten Wellenlängenbereich unterscheidet, eine höhere Transmission als der erste Linsenbereich auf. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten und zweiten Wellenlängenbereich um nicht überlappende Wellenlängenbereiche. Der erste und/oder zweite Wellenlängenbereich kann jeweils als ein zusammenhängendes Wellenlängenband ausgebildet sein oder durch wenigstens zwei nicht zusammenhängende Wellenlängenbänder gebildet sein.
Der erste Linsenbereich blockiert im Wesentlichen elektromagnetische Strahlung der zweiten Wellenlänge und der zweite Linsenbereich blockiert im Wesentlichen elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge. Auf diese Weise wirkt der erste Linsenbereich vorzugsweise abbildend nur für elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge bzw. des ersten Wellenlängenbereichs und somit als Blende für elektromagnetische Strahlung der zweiten Wellenlänge bzw. des zweiten Wellenlängenbereichs, während der zweite Linsenbereich vorzugsweise abbildend für elektromagnetische Strahlung der zweiten Wellenlänge bzw. des zweiten Wellenlängenbereichs und als Blende für elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge bzw. des ersten Wellenlängenbereichs wirkt.
Die Linse ist somit vorteilhaft gleichzeitig für zwei unterschiedliche Wellenlängenbereiche einsetzbar, wobei elektromagnetische Strahlung dieser zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereiche vorzugsweise gleichzeitig in eine gemeinsame Bildebene abgebildet werden kann.
Der erste und zweite Linsenbereich bilden eine gemeinsame Grenzfläche, die im Wesentlichen parallel zur optischen Achse der Linse verläuft, wobei in der gemeinsamen Grenzfläche der erste und zweite Linsenbereich aneinander angrenzen. Durch eine solche Anordnung durchläuft elektromagnetische Strahlung, die sich in Richtung der optischen Achse der Linse ausbreitet, vorteilhaft im Wesentlichen nur entweder den ersten oder den zweiten Linsenbereich. Würden der erste und zweite Linsenbereich überlappen, würde sich in nachteiliger Weise ein Blendeneffekt sowohl für die erste als auch für die zweite Wellenlänge ergeben.
Vorteilhaft ist eine zur optischen Achse symmetrische Anordnung des ersten und zweiten Linsenbereiches vorgesehen, so dass insbesondere der erste Teil der Linsenoberfläche, den der erste Linsenbereich umfasst, im Wesentlichen die gleiche Fläche aufweist wie der zweite Teil der Linsenoberfläche, den der zweite Linsenbereich umfasst. Mit anderen Worten kann vorteilhaft dem ersten und zweiten Linsenbereich jeweils im Wesentlichen der gleiche Anteil der Apertur der Linse zugeordnet werden. Zu diesem Zweck ist vorteilhaft vorgesehen, dass der erste und zweite Linsenbereich eine gemeinsame Grenzfläche bilden, die durch einen Punkt auf der optischen Achse der Linse verläuft. Je nach Vorgabe der Lichtstärkenverhältnisse kann das Oberflächenverhältnis auch gezielt vorgegeben werden.
Die Linse weist vorteilhaft einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur optischen Achse der Linse auf, da eine solche Linsenform für die meisten Anwendungen geeignet ist. Je nach Einsatzzweck liegen aber auch andere Linsenformen im Rahmen der Erfindung, wie beispielsweise mit ovalem oder rechteckigen Querschnitt senkrecht zur optischen Achse der Linse.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Linse ferner wenigstens einen dritten Linsenbereich, welcher einen dritten, vom ersten und zweiten unterschiedlichen Teil der Linsenoberfläche umfasst und ein vom ersten und zweiten Linsenbereich unterschiedliches Material aufweist, wobei der dritte Linsenbereich für eine dritte, von der ersten und zweiten unterschiedliche Wellenlänge eine höhere Transmission aufweist als der erste und zweite Linsenbereich, der erste Linsenbereich für die erste Wellenlänge eine höhere Transmission als der dritte Linsenbereich aufweist, und der zweite Linsenbereich für die zweite Wellenlänge eine höhere Transmission als der dritte Linsenbereich aufweist.
Vorteilhaft kann auch in dieser Ausführungsform vorgesehen sein, dass der erste Linsenbereich für einen ersten Wellenlängenbereich eine höhere Transmission als der zweite Linsenbereich und der zweite Linsenbereich für einen zweiten Wellenlängenbereich, die sich vom ersten Wellenlängenbereich unterscheidet, eine höhere Transmission als der erste Linsenbereich aufweist. In diesem Fall ist vorzugsweise vorgesehen, dass der dritte Linsenbereich für einen dritten, von dem ersten und zweiten unterschiedlichen Wellenlängenbereich eine höhere Transmission aufweist als der erste und zweite Linsenbereich, der erste Linsenbereich für den ersten Wellenlängenbereich eine höhere Transmission als der dritte Linsenbereich aufweist, und der zweite Linsenbereich für den zweiten Wellenlängenbereich eine höhere Transmission als der dritte Linsenbereich aufweist.
Bei Vorsehen wenigstens eines ersten, zweiten und dritten Linsenbereiches ist die Linse vorteilhaft gleichzeitig für drei unterschiedliche Wellenlängenbereiche einsetzbar, wobei elektromagnetische Strahlung dieser drei unterschiedlichen Wellenlängenbereiche vorzugsweise gleichzeitig in eine gemeinsame Bildebene abgebildet werden kann. Durch das Vorsehen weiterer Linsenbereiche, d.h. wenigstens eines vierten, fünften, etc. Linsenbereiches, die jeweils ein unterschiedliches Material mit unterschiedlichen Transmissionseigenschaften für elektromagnetische Strahlung als die übrigen Linsenbereiche aufweisen, kann eine Linse bereitgestellt werden, die gleichzeitig für eine vorgegebene Anzahl unterschiedlicher Wellenlängenbereiche einsetzbar ist, wobei elektromagnetische Strahlung der vorgegebenen unterschiedlichen Wellenlängenbereiche vorzugsweise gleichzeitig in eine gemeinsame Bildebene abgebildet werden kann.
Die erste und zweite, sowie gegebenenfalls die dritte Wellenlänge und weitere Wellenlängen bzw. der erste und zweite, sowie gegebenenfalls der dritte Wellenlängenbereich und weitere Wellenlängenbereiche können je nach Einsatzzweck beliebig gewählt werden, soweit Materialien mit geeigneten Transmissionseigenschaften zur Verfügung stehen.
Die erste Wellenlänge bzw. der erste Wellenlängenbereich liegt vorzugsweise im sichtbaren Spektrum zwischen 380 nm und 780 nm und die zweite Wellenlänge bzw. der zweite Wellenlängenbereich liegt vorzugsweise im infraroten Spektrum zwischen 780 nm und 1 mm, insbesondere zwischen 2 µm und 15 µm. In dieser Ausführungsform umfasst der erste Linsenbereich vorteilhaft ein optisches Glas und der zweite Linsenbereich umfasst vorteilhaft Germanium, insbesondere reines Germanium. Das für den ersten Linsenbereich gewählte optische Glas hat vorzugsweise eine geringe Transmission zumindest in Teilen des infraroten Spektrums.
Beispielsweise kann als optisches Glas für den ersten Linsenbereich ein Borosilikat-Kronglas eingesetzt werden, welches elektromagnetische Strahlung im infraroten Spektrum ab einer Wellenlänge von etwa 2 µm im Wesentlichen blockiert. Der Transmissionsbereich von Germanium reicht etwa von 2 µm bis 16 µm, so dass der erste Linsenbereich gerade elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen durchlässt, die vom zweiten Linsenbereich blockiert werden und der zweite Linsenbereich elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen durchlässt, die vom zweiten Linsenbereich blockiert werden.
Eine Linse, die zur gleichzeitigen Abbildung elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren und infraroten Spektrum ausgebildet ist, kann vorteilhaft beispielsweise in einem Fahrzeug eingesetzt werden, beispielsweise in einem Rückfahrkamera-System oder einem anderen Fahrer-Assistenzsystem.
Die erste, zweite oder dritte Wellenlänge bzw. der erste, zweite oder dritte Wellenlängenbereich kann auch außerhalb des sichtbaren und infraroten Spektrums liegen, beispielsweise im ultravioletten Spektrum zwischen 1 nm und 380 n.
Um den Einsatz der Linse für ausgewählte Wellenlängenbereiche zu ermöglichen, können gewünschte Transmissionseigenschaften eines Linsenbereiches, insbesondere Bandpass-Eigenschaften, auch beispielsweise durch eine geeignete Beschichtung des entsprechenden Linsenbereiches erreicht werden.
Vorzugsweise weisen der erste und der zweite Linsenbereich, bezogen auf eine vorgegebene Wellenlänge, jeweils eine unterschiedliche Brennweite auf.
Besonders vorteilhaft weist der erste Linsenbereich, bezogen auf die erste Wellenlänge, für die der erste Linsenbereich transparent ist, und der zweite Linsenbereich, bezogen auf die zweite Wellenlänge, für die der zweite Linsenbereich transparent ist, jeweils die gleiche Brennweite auf.
Auf diese Weise wird ermöglicht, dass elektromagnetische Strahlung der ersten und zweiten Wellenlänge bzw. des ersten und zweiten Wellenlängenbereiches im Wesentlichen in eine gemeinsame Bildebene abgebildet wird.
Entsprechendes gilt, wenn ein dritter Linsenbereich oder weitere Linsenbereiche vorgesehen sind, d.h. vorteilhaft weist jeder Linsenbereich, bezogen auf die dem jeweiligen Linsenbereich zugeordnete Wellenlänge jeweils die gleiche Brennweite auf, so dass vorteilhaft elektromagnetische Strahlung der ersten, zweiten, dritten und gegebenenfalls weiteren Wellenlänge bzw. der entsprechenden Wellenlängenbereiche, für welche die jeweiligen unterschiedlichen Linsenbereiche transparent sind, im Wesentlichen in eine gemeinsame Bildebene abgebildet wird.
Es sind mehrere erste und zweite Linsenbereiche vorgesehen, wobei die Linsenbereiche derart angeordnet sind, dass benachbarte Linsenbereiche unterschiedliche Materialien aufweisen.
Bei Vorsehen von drei unterschiedlichen Linsenbereichen sind vorteilhaft mehrere erste, zweite und dritte Linsenbereiche vorgesehen, wobei die Linsenbereiche derart angeordnet sind, dass benachbarte Linsenbereiche unterschiedliche Materialien aufweisen. Entsprechendes gilt bei Vorsehen weiterer Linsenbereiche, d.h. vierter, fünfter etc. Linsenbereiche.
Jeweils angrenzende Linsenbereiche sind vorzugsweise miteinander verklebt oder mittels Verbindungselementen miteinander verbunden. Auch können die Linsenbereiche in eine gemeinsame Halteeinrichtung eingesetzt werden, um die Linse zu bilden.
Ein erfindungsgemäßes digitales Kamerasystem umfasst wenigstens eine refraktive Linse wie oben beschrieben, sowie ein Sensor-Bauteil, welches zumindest erste, für die erste Wellenlänge sensitive Sensorelemente und zweite, für die zweite Wellenlänge sensitive Sensorelemente umfasst.
Bei Abbildung von elektromagnetischer Strahlung eines ersten und zweiten Wellenlängenbereiches sind die ersten und zweiten Sensorelemente vorzugsweise für im Wesentlichen alle Wellenlängen in dem jeweiligen Wellenlängenbereich sensitiv.
Als Sensorelemente können beispielsweise Fotodioden eingesetzt werden, wobei das Sensor-Bauteil als CCD-Sensor oder CMOS-Sensor ausgebildet sein kann. Um gezielt die gewünschten Wellenlängen zu detektieren, kann das Sensor-Bauteil entsprechende Filter vorsehen.
Ein Sensor, der zum Einsatz als Sensor-Bauteil geeignet ist, wird auch in DE 10 2016 125 372 A1 beschrieben. Der Inhalt dieser Patentanmeldung wird vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung inkorporiert.
Ein erfindungsgemäßes Objektiv umfasst wenigstens eine refraktive Linse wie oben beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen gleiche oder ähnliche Teile.
Es zeigen:

1: eine schematische Abbildung einer bikonvexen und einer halbkonvexen Linse,
2: schematisch die Abbildung eines parallelen Strahlenbündels mit der in 1 dargestellten halbkonvexen Linse,
3: schematisch eine erste bevorzugte Ausführungsform einer refraktiven Linse mit einem ersten und einem zweiten Linsenbereich, welche als bikonvexe Linse ausgebildet ist,
4: schematisch eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer refraktiven Linse mit einem ersten und einem zweiten Linsenbereich, welche als halbkonvexe Linse ausgebildet ist,
5: schematisch die Abbildung eines parallelen Strahlenbündels mit der in 3 dargestellten bikonvexen Linse,
5a: schematisch die Erzeugung eines reellen Bildes mit der in 3 dargestellten bikonvexen Linse,
6: schematisch eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer refraktiven Linse mit jeweils zwei ersten und zwei zweiten Linsenbereichen
7: eine schematische Schrägansicht der in 6 dargestellten refraktiven Linse,
8: die in 7 dargestellte schematische Schrägansicht mit Darstellung der verdeckten innenliegenden Kanten,
9: schematisch ein digitales Kamerasystem, welches eine erfindungsgemäße refraktive Linse umfasst,
10: schematisch eine vierte bevorzugte Ausführungsform einer refraktiven Linse mit mehreren ersten und zweiten Linsenbereichen,
11: schematisch eine fünfte bevorzugte Ausführungsform einer refraktiven Linse mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Linsenbereich,
12: schematisch eine sechste bevorzugte Ausführungsform einer refraktiven Linse mit mehreren ersten, zweiten und dritten Linsenbereichen,
13: schematisch eine siebte bevorzugte Ausführungsform einer refraktiven Linse mit zwei ersten und zwei zweiten Linsenbereichen, wobei die Linsenbereiche jeweils parallele Linsenabschnitte bilden,
14: schematisch eine achte bevorzugte Ausführungsform einer refraktiven Linse mit mehreren ersten und zweiten Linsenbereichen, wobei die Linsenbereiche jeweils ringförmige Linsenabschnitte bilden, und
15: schematisch ein Fahrzeug, welches wenigstens ein in 9 dargestelltes digitales Kamerasystem als Teil einer Rückfahrkamera oder eines Fahrer-Assistenzsystems umfasst.

In den 1 und 2 sind aus dem Stand der Technik bekannte Linsen dargestellt.
1 zeigt schematisch im Querschnitt übliche sphärische Linsen 10 und 12, wobei die Linse 10 als halbkonvexe, insbesondere plankonvexe Linse und die Linse 12 als bikonvexe Linse ausgebildet sind.
Für die kalbkonvexe Linse 10 ist in 2 schematisch die Abbildung eines parallelen Strahlenbündels dargestellt, wobei die halbkonvexe sphärische Linse 10 eine Brennweite f aufweist, so dass in bekannter Weise ein parallel einfallendes Strahlenbündel im Fokus F fokussiert wird. In 2 ist beispielhaft eine Blende 30 dargestellt, welche bewirkt, dass ein äußerer Bereich der Linse 10 abgedeckt ist und somit nur ein Teil der Linse 10 zur Abbildung beiträgt.
In den im Folgenden dargestellten Ausführungsformen werden insbesondere bikonvexe und halbkonvexe sphärische Linsen betrachtet. Die Ausführungen können jedoch auch auf andere Linsenarten übertragen werden, wie beispielsweise asphärische oder konkave Linsen.
In 3 ist schematisch eine erste bevorzugte Ausführungsform einer refraktiven Linse 210 dargestellt, wobei 3 a) eine Aufsicht, 3b) eine Seitenansicht und 3 c) eine Querschnittsansicht der refraktiven Linse 210 zeigt. Die refraktive Linse 210 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als bikonvexe sphärische Linse ausgebildet. Die refraktive Linse 210 weist wenigstens einen ersten und wenigstens einen zweiten Linsenbereich auf, wobei der erste Linsenbereich einen ersten Teil der Linsenoberfläche umfasst und der zweite Linsenbereich einen zweiten, vom ersten unterschiedlichen Teil der Linsenoberfläche umfasst, und wobei der erste und zweite Linsenbereich jeweils ein unterschiedliches Material mit unterschiedlichen Transmissionseigenschaften für elektromagnetische Strahlung aufweist.
In dem in 3 dargestellten Beispiel weist die refraktive Linse 210 einen ersten Linsenbereich 211 aus einem ersten Material und einen zweiten Linsenbereich 212 aus einem zweiten Material auf.
Es sei angemerkt, dass in den Figuren verwendete Schraffuren der Kennzeichnung verschiedener Materialien dienen und daher nicht als Kennzeichnung von Schnittflächen zu verstehen sind. Bei allen gezeigten Querschnittsansichten bilden alle dargestellten Flächen Schnittflächen.
In 4 ist schematisch eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer refraktiven Linse 220 dargestellt, wobei der Aufbau im Wesentlichen dem der in 3 dargestellten Linse 210 entspricht, wobei aber die Linse 220 in dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel im Unterschied zu der in 3 dargestellten Linse 210 als halbkonvexe sphärische Linse ausgebildet ist.
In dem in 4 dargestellten Beispiel weist die Linse 220 einen ersten Linsenbereich 221 aus einem ersten Material, welches dem Material des Linsenbereiches 211 der Linse 210 entspricht, und einen zweiten Linsenbereich 222 aus einem zweiten Material, welches dem Material des Linsenbereiche 212 der Linse 210 entspricht, auf.
Wie in 3 a) bzw. 4 a) erkennbar ist, handelt es sich bei den refraktiven Linsen 210 und 220 jeweils um eine kreisförmige Linse, wobei die Linsenbereiche 211 und 212 bzw. 221 und 222 jeweils eine Linsenhälfte bilden.
Vorteilhaft weist der erste Linsenbereich 211 für eine erste Wellenlänge eine höhere Transmission als der zweite Linsenbereich 212 und der zweite Linsenbereich 212 für eine zweite, von der ersten Wellenlänge unterschiedliche Wellenlänge eine höhere Transmission als der erste Linsenbereich 211 auf.
Mit besonderem Vorteil blockiert der erste Linsenbereich 211 im Wesentlichen elektromagnetische Strahlung der zweiten Wellenlänge und der zweite Linsenbereich 212elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge. Eine elektromagnetische Strahlung wird vorzugsweise dann im Wesentlichen blockiert, wenn der Transmissionsgrad für die jeweilige Wellenlänge unter 25%, insbesondere unter 10%, insbesondere unter 5%, insbesondere unter 1% liegt.
Mit anderen Worten ist der erste Linsenbereich für die erste Wellenlänge im Wesentlichen transparent und wirkt für die zweite Wellenlänge im Wesentlichen als Blende, während der zweite Linsenbereich für die zweite Wellenlänge im Wesentlichen transparent ist und für die erste Wellenlänge im Wesentlichen als Blende wirkt.
Vorzugsweise trifft dies nicht nur für eine erste und eine zweite Wellenlänge, sondern für einen ersten und einen zweiten Wellenlängenbereich zu, wobei es sich bei dem ersten und zweiten Wellenlängenbereich vorteilhaft um nicht überlappende Wellenlängenbereiche handelt, und wobei der erste und/oder zweite Wellenlängenbereich jeweils als ein zusammenhängendes Wellenlängenband ausgebildet oder durch wenigstens zwei nicht zusammenhängende Wellenlängenbänder gebildet sein kann.
Bevorzugt liegt die erste Wellenlänge bzw. der erste Wellenlängenbereich im sichtbaren Spektrum zwischen 380 nm und 780 nm und die zweite Wellenlänge bzw. der zweite Wellenlängenbereich liegt bevorzugt im infraroten Spektrum zwischen 780 nm und 1 mm, insbesondere zwischen 2 µm und 15 µm.
Dementsprechend umfasst der erste Linsenbereich 211 der in 3 dargestellten refraktiven Linse 210 vorteilhaft ein optisches Glas, wobei bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel das Volumen des ersten Linsenbereiches 211 vollständig durch das optische Glas gebildet ist. Um eine Transparenz im infraroten Spektrum, nicht aber im sichtbaren Spektrum zu erreichen, umfasst der zweite Linsenbereich 212 der in 3 dargestellten refraktiven Linse 210 vorteilhaft zum Beispiel Germanium, insbesondere reines Germanium, wobei bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel das Volumen des zweiten Linsenbereiches 212 vollständig durch Germanium gebildet ist.
Als optisches Glas kann beispielsweise ein Borosilikat-Kronglas eingesetzt werden, welches über das gesamte sichtbare Spektrum und bis ins nahe Infrarot transparent ist, aber elektromagnetische Strahlung im ultravioletten Spektrum, sowie im infraroten Spektrum ab einer Wellenlänge von etwa 2 µm im Wesentlichen blockiert. Der Transmissionsbereich von Germanium reicht etwa von 2 µm bis 16 µm, so dass sich die Transmissionsbereiche des ersten und zweiten Linsenbereiches im dargestellten Beispiel nicht überlappen. Es können aber für den ersten und zweiten Linsenbereich auch andere Materialien mit geeigneten Transmissionseigenschaften gewählt werden.
Das jeweilige Substratmaterial des ersten und/oder zweiten Linsenbereiches der in 3 dargestellten refraktiven Linse, d.h. das optische Glas und/oder das Germanium kann mit Vorteil an der Linsenoberfläche zusätzlich beschichtet sein, beispielsweise mit einer Antireflexbeschichtung. Die Beschichtung ist dabei jedoch insbesondere derart ausgebildet, dass diese für den jeweils gewünschten Wellenlängenbereich transparent ist.
Der erste Linsenbereich 211 ist derart ausgebildet, dass dieser refraktiv wirkt und elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im ersten Wellenlängenbereich, d.h. im dargestellten Beispiel im sichtbaren Spektrum, insbesondere elektromagnetische Strahlung mit der ersten Wellenlänge, mit einer vorgegebenen ersten Brennweite abbildet. Der zweite Linsenbereich 212 ist derart ausgebildet, dass dieser refraktiv wirkt und elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im zweiten Wellenlängenbereich, d.h. im dargestellten Beispiel im infraroten Spektrum, insbesondere elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Wellenlänge, mit einer vorgegebenen zweiten Brennweite abbilden.
Mit besonderem Vorteil sind die erste und zweite Brennweite im Wesentlichen identisch, so dass durch die refraktive Linse 210 elektromagnetische Strahlung des sichtbaren Spektrums und des infraroten Spektrums in eine gemeinsame Bildebene abgebildet wird.
Dies ist schematisch in 5 dargestellt. 5 zeigt die refraktive Linse 210 und ein einfallendes paralleles Strahlenbündel, welches zumindest Strahlen im sichtbaren und im infraroten Spektrum umfasst, die schematisch und beispielhaft als Linien dargestellt sind. Strahlen mit Wellenlängen im sichtbaren Spektrum sind als durchgezogene Linien 311 dargestellt und Strahlen mit Wellenlängen im infraroten Spektrum als gestrichelte Linien 312. Die Strahlen beider Wellenlängenbereiche werden im Wesentlichen im Fokus F fokussiert. Aufgrund der chromatischen Aberration fällt der Fokus typischerweise nur für eine ausgewählte Wellenlänge des ersten Wellenlängenbereiches und eine ausgewählte Wellenlänge des zweiten Wellenlängenbereiches genau zusammen. Diese kann je nach Einsatzzweck geeignet gewählt werden. Beispielsweise kann die mittlere Wellenlänge eines gewünschten Wellenlängenbereiches gewählt werden oder die Wellenlänge, welche der Mittenfrequenz eines gewünschten Wellenlängenbereiches entspricht. Auch kann eine Wellenlänge gewählt werden, bei der ein Maximum der abzubildenden Strahlung erwartet wird.
5a zeigt beispielhaft ein mit der Linse 210 erzeugtes reelles Bild P' eines Gegenstands P. Strahlen mit Wellenlängen im sichtbaren Spektrum sind wieder als durchgezogene Linien dargestellt und Strahlen mit Wellenlängen im infraroten Spektrum wieder als gestrichelte Linien. Wie aus der 5a ersichtlich, tragen sowohl Strahlen mit Wellenlängen im sichtbaren Spektrum als auch Strahlen mit Wellenlängen im infraroten Spektrum zur Abbildung des Gegenstands P bei. Dies trifft natürlich nur dann zu, wenn der Gegenstand P Strahlung in beiden Wellenlängenbereichen abgibt.
Der Brechungsindex des optischen Glases des ersten Linsenbereiches liegt für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektrum beispielsweise bei etwa 1,5, während der Brechungsindex des Germaniums des zweiten Linsenbereiches für elektromagnetische Strahlung im infraroten Spektrum bei etwa 4 liegt. Da sich der Brechungsindex des optischen Glases des ersten Linsenbereiches für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektrum von dem Brechungsindex des Germaniums des zweiten Linsenbereiches für elektromagnetische Strahlung im infraroten Spektrum unterscheidet, weist der erste Linsenbereich vorzugsweise eine unterschiedliche Oberflächenkrümmung als der zweite Linsenbereich auf.
Es sei angemerkt, dass die unterschiedliche Oberflächenkrümmung im dargestellten Beispiel nicht zu einer doppelten Abbildung führt, da eine vorgegebene Wellenlänge nur entweder den ersten oder den zweiten Linsenbereich passieren kann.
Die unterschiedliche Oberflächenkrümmung ist schematisch in der Querschnittsansicht in 3 c) dargestellt, wobei die Oberfläche des ersten Linsenbereiches 211 einen ersten Krümmungsradius R₁ aufweist und die Oberfläche des zweiten Linsenbereiches 212 einen zweiten Krümmungsradius R₂ aufweist, wobei im dargestellten Beispiel der Krümmungsradius R₂ größer ist als der Krümmungsradius R₁ .
Die in 3 dargestellte Linse 210 ist so aufgebaut, dass der erste Linsenbereich 211 und der zweite Linsenbereich 212 in der Linsenmitte den gleichen Durchmesser d aufweisen. Entsprechendes gilt für die in 4 dargestellte Linse 220. Aufgrund der unterschiedlichen Krümmungsradien des ersten und zweiten Linsenbereiches, weist die Linsenoberfläche des zweiten Linsenbereichs 212 gegenüber der Linsenoberfläche des ersten Linsenbereichs 211 einen von der Linsenmitte nach außen zunehmenden Versatz auf, wodurch eine in 3 b) gekennzeichnete Kante 215 gebildet wird.
Der erste und zweite Linsenbereich 211 und 212 der Linse 210 bilden vorteilhaft eine gemeinsame Grenzfläche, die im Wesentlichen parallel zur optischen Achse der Linse 210, insbesondere durch einen Punkt auf der optischen Achse der Linse 210, verläuft, wobei in der gemeinsamen Grenzfläche der erste und zweite Linsenbereich aneinander angrenzen, so dass aus Sicht entlang der optischen Achse keine Überlappung des ersten und zweiten Linsenbereiches besteht. Durch eine solche Anordnung durchläuft elektromagnetische Strahlung, die sich in Richtung der optischen Achse der Linse ausbreitet, vorteilhaft im Wesentlichen nur entweder den ersten oder den zweiten Linsenbereich.
Da der erste Linsenbereich 211 und der zweite Linsenbereich 212 jeweils eine Linsenhälfte bilden, weisen der erste und zweite Linsenbereich 211 bzw. 212 im Wesentlichen die gleiche Linsenoberfläche auf. Mit anderen Worten kann vorteilhaft dem ersten und zweiten Linsenbereich 211 bzw. 212 jeweils im Wesentlichen der gleiche Anteil der Apertur der Linse 210 zugeordnet werden. Allgemein ist eine insbesondere zur optischen Achse der Linse symmetrische Anordnung erster, zweiter und gegebenenfalls weiterer Linsenbereiche, bei der jeder Linsenbereich einen im Wesentlichen gleichen Anteil an der Linsenoberfläche aufweist, bevorzugt. Die in den 7 bis 13 beispielhaft dargestellten Linsen 230, 240, 250, 260 und 270 weisen jeweils eine solche Anordnung auf. Auch sind andere geometrische Anordnungen der unterschiedlichen Materialien und/oder der Oberflächenbrechungseigenschaften wie z.B. die Anordnung in konzentrischen Bereichen um die optische Achse möglich. Ein Beispiel für eine Linse mit konzentrischen ringförmigen Linsenabschnitten ist die in 14 beispielhaft dargestellte Linse 280.
Die hier beispielhaft beschriebenen Linsen 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270 und 280 weisen jeweils einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur optischen Achse der Linse auf. Eine solche Linsenform ist für viele Anwendungen geeignet. Je nach Einsatzzweck liegen aber auch andere Linsenformen im Rahmen der Erfindung, wie beispielsweise mit ovalem oder rechteckigen Querschnitt senkrecht zur optischen Achse der Linse.
Es sei angemerkt, dass es sich bei einem Material eines Linsenbereiches nicht homogen um ein einziges Material handeln muss, sondern das Material auch eine Materialmischung aus mehreren Materialien sein kann, das zum Beispiel einen speziellen Wellenlängenbereich besonders gut durchlässt und für einen anderen Wellenlängenbereich als Komplettblende wirkt oder diesen anderen Wellenlängenbereich nur mit geringerer Intensität durchlässt. Auch können die gewünschten Transmissionseigenschaften des jeweiligen Materials durch eine geeignete Beschichtung erreicht werden.
Es wäre auch denkbar, Materalien für den ersten bzw. zweiten Linsenbereich zu wählen, die in einem spektralen Überlappungsbereich beide transparent sind. Bei einer solchen Ausführung weist der erste Linsenbereich vorzugsweise eine Brennweite für eine erste Wellenlänge auf, die außerhalb des Überlappungsbereiches liegt, und der zweite Linsenbereich die gleiche Brennweite für eine zweite, von der ersten unterschiedliche Wellenlänge, die ebenfalls außerhalb des Überlappungsbereiches liegt, wobei die erste Wellenlänge vorzugsweise unterhalb des Überlappungsbereiches und die zweite Wellenlänge vorzugsweise oberhalb des Überlappungsbereiches liegt.
Wird beispielsweise bei dem in 3 dargestellten Beispiel statt des optischen Glases als Material Saphir verwendet, welches einen Transmissionsbereich von etwa 0,3 µm bis etwa 6 µm aufweist, so ergibt sich ein Überlappungsbereich von etwa 2 µm bis etwa 6 µm, in welchem beide Materialien transparent sind.
Die Geometrie des ersten und zweiten Linsenbereiches könnte dann beispielsweise so ausgebildet sein, dass die Brennweite des ersten Linsenbereiches für eine Wellenlänge von 670 nm mit der Brennweite des zweiten Linsenbereiches für eine Wellenlänge im langwelligen Infrarot von beispielsweise 10 µm übereinstimmt.
Bezogen auf eine vorgegebene Wellenlänge im Überlappungsbereich weisen der erste und der zweite Linsenbereich dann vorzugsweise jeweils eine unterschiedliche Brennweite auf.
Da bei einer solchen Ausführung elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen, die im Überlappungsbereich liegen, nicht im Fokus F fokussiert wird und zudem durch den ersten und zweiten Linsenbereich unterschiedlich abgebildet wird, ergibt sich eine reduzierte Abbildungsqualität. Eine solche Ausführung ist daher nur dann vorteilhaft, wenn für die gewünschten Wellenlängenbereiche keine Materialen mit geeigneten Transmissionseigenschaften zur Verfügung stehen.
In 6 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer refraktiven Linse 230 schematisch dargestellt, wobei 6 a) eine Aufsicht und 6 b) und 6 c) jeweils eine Querschnittsansicht der Linse 230 zeigen. In dem in 6 dargestellten Beispiel weist die Linse 230 mehrere erste Linsenbereiche 231-1 und 231-2 aus einem ersten Material und mehrere zweite Linsenbereiche 232-1 und 232-2 aus einem zweiten Material auf. Die Materialien können wie bei der in 3 dargestellten Linse 210 gewählt sein.
Die in 6 c) dargestellten Krümmungsradien R₁ und R₂ entsprechen im dargestellten Beispiel den in 3 c) dargestellten Krümmungsradien. Während der Linsenaufbau der in 3 dargestellten Linse 210 so gewählt ist, dass der erste Linsenbereich 211 und der zweite Linsenbereich 212 in der Linsenmitte den gleichen Durchmesser d aufweisen, ist bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die ersten Linsenbereiche 231-1 und 231-2 in der Linsenmitte einen ersten Durchmesser d₁ aufweisen und die zweiten Linsenbereiche 232-1 und 232-2 einen Durchmesser d₂ aufweisen, welcher kleiner als d₁ ist.
Statt einer Kantenbildung am äußeren Rand der Linse, wie dies bei der in 3 dargestellten Linse 210 der Fall ist, weist bei der in 6 dargestellten Linse 230 die Linsenoberfläche der ersten Linsenbereiche 231-1 und 231-2 gegenüber der Linsenoberfläche der zweiten Linsenbereiche 232-1 und 232-2 einen vom Linsenrand nach innen zunehmenden Versatz auf, wodurch eine Kante 235 gebildet wird.
Zur weiteren Veranschaulichung ist in den 7 und 8 jeweils schematisch eine Schrägansicht der in 6 dargestellten Linse 230 dargestellt, wobei in 8 zusätzlich die verdeckten innenliegenden Kanten dargestellt sind.
9 zeigt schematisch ein digitales Kamerasystem 400, welches eine Linse 410 umfasst, die im dargestellten Beispiel der oben beschriebenen Linse 210 entspricht. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das digitale Kamerasystem 400 ein Gehäuse 440, in dem die Linse 410 sowie ein Sensor-Bauteil 420 angeordnet sind, wobei das Sensor-Bauteil 420 in der Bildebene angeordnet ist. Zur Fokussierung kann die Linse 410 und/oder das Sensor-Bauteil 420 beweglich ausgebildet sein. Im dargestellten Beispiel umfasst das Sensor-Bauteil 420 zumindest erste, für die erste Wellenlänge sensitive Sensorelemente und zweite, für die zweite Wellenlänge sensitive Sensorelemente, wobei auch spezielle kombinierte Sensorelemente verwendet werden können, die für beide Wellenlängen zugleich sensitiv sind.
Für andere Ausführungsformen von Linsen für mehr als zwei Wellenlängenbereiche umfasst das Sensor-Bauteil 420 vorzugsweise weitere Sensorelemente, welche für eine dritte bzw. weitere Wellenlängen sensitiv sind, oder spezielle kombinierte Sensorelemente, die für alle relevanten Wellenlängen zugleich sensitiv sind.
Vorteilhaft sind alle Sensorelemente des Sensor-Bauteils 420 in einer gemeinsamen Bildebene angeordnet, wobei die Sensorelemente beispielsweise als Fotodioden ausgebildet sein können und gegebenenfalls ein vorgeschaltetes Filter vorgesehen sein kann, welches nur die Wellenlängen zum jeweiligen Sensorelement durchlässt, die von dem jeweiligen Sensorelement detektiert werden sollen.
Eine kombinierte Fotodiode in der Bildebene könnte aber auch nacheinander senkrecht zur Bildebene sensitiv sein für unterschiedliche Wellenlängen und somit eine hohe Packungsdichte von Dioden in der Bildebene ermöglichen, um möglichst hohe Auflösungen in der Bildebene zu erzielen.
In dem in 9 dargestellten Beispiel weist das digitale Kamerasystem 400 ferner eine mit dem Sensor-Bauteil 420 verbundene Schnittstelle 430 auf, beispielsweise zum Anschließen einer Anzeigevorrichtung oder zum Verbinden mit einer Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, aufgenommene Bilder einem Speicher zuzuführen und dort zu speichern.
Ein digitales Kamerasystem könnte auch mehrere Linsen umfassen, von denen eine oder mehrere erfindungsgemäß ausgeführt sein können. Bei Einsatz mehrerer Linsen können eine oder mehrere von diesen zur Fokussierung beweglich ausgeführt sein. Mehrere Linsen, von denen eine oder mehrere erfindungsgemäß ausgeführt sind, können vorteilhaft auch ein erfindungsgemäßes Objektiv bilden. Die Kombination von Linsen zu Objektiven wird nicht näher betrachtet, da sie weitestgehend den bekannten Prinzipien handelsüblicher Objektive folgt. Bei Kombination mehrerer erfindungsgemäß ausgebildeter Linsen zu einem Objektiv könnte z. B. darauf geachtet werden, dass diese möglichst derart angeordnet werden, dass Strahlen in Richtung und/oder nahezu in Richtung der optischen Achse des Objektivs jeweils im Wesentlichen Linsenbereiche der unterschiedlichen Linsen durchlaufen, die gleiche oder ähnliche Transmissionseigenschaften aufweisen, um damit die Lichtstärke des Objektives positiv zu beeinflussen.
In 10 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer refraktiven Linse 240 dargestellt, welche mehrere erste Linsenbereiche 241-1, 241-2 und 241-3 und mehrere zweite Linsenbereiche 242-1, 242-2 und 242-3 umfasst, wobei 10 eine Aufsicht der Linse 240 zeigt.
In 11 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer refraktiven Linse 250 dargestellt, welche einen ersten Linsenbereich 251, einen zweiten Linsenbereich 252, sowie einen dritten Linsenbereich 253 umfasst, wobei 11 eine Aufsicht der Linse 250 zeigt.
In 12 ist eine nochmals weitere bevorzugte Ausführungsform einer refraktiven Linse 260 dargestellt, welche mehrere erste Linsenbereiche 261-1 und 261-2, mehrere zweite Linsenbereiche 262-1 und 262-2, sowie mehrere dritte Linsenbereiche 263-1 und 263-2 umfasst, wobei 12 eine Aufsicht der Linse 260 zeigt.
Die ersten Linsenbereiche 261-1 und 261-2 umfassen vorzugsweise einen ersten Teil der Linsenoberfläche, die zweiten Linsenbereiche 262-1 und 262-2 umfassen vorzugsweise einen zweiten, vom ersten unterschiedlichen Teil der Linsenoberfläche, und die dritten Linsenbereiche 263-1 und 263-2 umfassen vorzugsweise einen dritten, vom ersten und zweiten unterschiedlichen Teil der Linsenoberfläche. Vorteilhaft weisen die ersten Linsenbereiche 261-1 und 261-2 für eine erste Wellenlänge eine höhere Transmission als die zweiten und dritten Linsenbereiche auf, und die zweiten Linsenbereiche 262-1 und 262-2 weisen für eine zweite Wellenlänge eine höhere Transmission als die ersten und dritten Linsenbereiche auf, und die dritten Linsenbereiche 263-1 und 263-2 weisen für eine dritte Wellenlänge eine höhere Transmission als die ersten und zweiten Linsenbereiche auf.
Ferner blockieren die ersten Linsenbereiche 261-1 und 261-2 vorteilhaft elektromagnetische Strahlung der zweiten und dritten Wellenlänge, während die zweiten Linsenbereiche 262-1 und 262-2 vorteilhaft elektromagnetische Strahlung der ersten und dritten Wellenlänge blockieren und die dritten Linsenbereiche 263-1 und 263-2 vorteilhaft elektromagnetische Strahlung der ersten und zweiten Wellenlänge blockieren.
Zu diesem Zweck weisen vorteilhaft die ersten Linsenbereiche 261-1 und 261-2, die zweiten Linsenbereiche 262-1 und 262-2 und die dritten Linsenbereiche 263-1 und 263-2 jeweils unterschiedliche Materialien auf.
Bei den Linsen 230, 240, 250 und 260 umfassen die einzelnen Linsenbereiche jeweils Kreissektoren oder Kreisausschnitte der jeweils kreisförmigen Linse, wobei die Linsenbereiche derart angeordnet sind, dass benachbarte Linsenbereiche unterschiedliche Materialien aufweisen. Vereinfacht gesprochen haben die Linsenbereiche die Form von Torten- oder Kuchenstücken.
Es können aber auch andere Anordnungen der Linsenbereiche vorgesehen sein. In 13 ist beispielhaft eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer refraktiven Linse 270 dargestellt, welche mehrere erste Linsenbereiche 271-1 und 271-2 und mehrere zweite Linsenbereiche 272-1 und 272-2 umfasst, wobei 13 eine Aufsicht der Linse 270 zeigt, und wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Linsenbereiche 271-1, 271-2, 272,1 und 272-2 jeweils streifenförmige Linsenabschnitte der Linse 270 bilden.
14 ist beispielhaft eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer refraktiven Linse 280 dargestellt, welche mehrere erste Linsenbereiche 281-1 bis 281-4 und mehrere zweite Linsenbereiche 282-1 bis 282-3 umfasst, wobei 14 eine Aufsicht der Linse 280 zeigt, und wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Linsenbereiche 281-1 bis 281-4 und 282-1 bis 282-3 jeweils konzentrische ringförmige Linsenabschnitte der Linse 280 bilden.
Die in 14 dargestellte Linse 280 könnte vorteilhaft auch als Fresnel-Linse ausgebildet sein. In diesem Fall würde die Linse 280 einen Querschnitt aufweisen, wie er in 14a beispielhaft dargestellt ist.
Weitere mögliche Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Linse als Fresnel-Linse werden in DE 10 2016 125 381 A1 beschrieben. Der Inhalt dieser Patentanmeldung wird vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung inkorporiert.
Für das Zusammenfügen der ersten, der zweiten und gegebenenfalls der weiteren Linsenbereiche, insbesondere das Zusammenfügen benachbarter Linsenbereiche, welche unterschiedliche Materialien umfassen, können an sich bekannte Fertigungstechniken eingesetzt werden.
Beispielsweise können angrenzende Linsenbereiche jeweils miteinander verklebt werden, oder es können angrenzende Linsenbereiche mittels Verbindungselementen miteinander verbunden werden. Auch können die einzelnen Linsenbereiche beispielsweise als separate Linsenteile gefertigt werden, welche und in eine gemeinsame Stützkonstruktion oder Halteeinrichtung eingesetzt werden, wobei die Stützkonstruktion oder Halteeinrichtung beispielsweise aus Kunststoff gefertigt sein kann. Denkbar ist auch, dass die Linsenteile durch einen umlaufenden, am Linsenrand angeordneten flexiblen Ring, beispielsweise einen Gummiring, gehalten werden.
Es kann auch vorteilhaft vorgesehen sein, Linsenteile, welche zur Bildung der ersten, zweiten oder weiterer Linsenbereiche dienen, flexibel auszutauschen, um flexibel unterschiedliche Materialen für unterschiedliche Wellenlängenbereiche vorzusehen.
In 15 ist ein vorteilhaftes Einsatzgebiet für eine erfindungsgemäße refraktive Linse dargestellt. 15 zeigt ein Fahrzeug 500, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei digitale Kamerasysteme 510 und 520 umfasst, wobei diese jeweils eine oben beschriebene refraktive Linse umfassen und jeweils zur gleichzeitigen Abbildung elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren und im infraroten Spektrum ausgebildet sind.
Das Kamerasysteme 510 ist als Rückfahrkamera ausgebildet und mit einer Anzeigeeinrichtung 540 verbunden, wodurch dem Fahrer des Fahrzeugs 500 eine Rücksicht ermöglicht wird, wobei diese vorteilhaft um Informationen im infraroten Spektrum erweitert ist, was beispielsweise nachts von Vorteil sein kann. Zur Sichtbarkeit der im infraroten Wellenlängenbereich unterschiedlichen Rückansicht-Objektraum-Szene benötigt diese Objektraum-Szene der Rückansicht keine gleichzeitige Beleuchtung dieser Szene bei Dunkelheit im sichtbaren Lichtbereich durch einen handelsüblichen Rückscheinwerfer mit sichtbarem Licht.
Das Kamerasystem 520 ist mit einer Steuereinrichtung 530 verbunden und bildet einen Teil eines Fahrer-Assistenzsystems, welches vorteilhaft dazu ausgebildet sein kann, automatisch sich in der Nähe der Fahrbahn befindliches Wild zu erkennen unter Verwendung der zusätzlichen Informationen im infraroten Spektrum, während die Informationen im sichtbaren Spektrum auf herkömmliche Weise beispielsweise zur Spurerkennung eingesetzt werden.
Wird in der Nähe befindliches Wild erkannt, so kann dem Fahrer eine entsprechende Information angezeigt werden. Zu diesem Zweck ist die Steuereinrichtung 530 vorzugsweise mit der Anzeigeeinrichtung 540 verbunden. Die ausschnittsweise Information des erkannten Wildes im Infrarot-Bereich könnte geeignet aufbereitet werden und in der Anzeigeeinrichtung 540 zusätzlich in das Abbild des sichtbaren Bereiches des Lichtes der Kamera 520 projiziert werden, um dem Fahrer die Gefahr durch das Wild besonders kenntlich zu machen und ihm dabei zusätzlich optisch eine gute geometrische Lageinformation des Wildes zu geben.
Das durch die Erfindung vorgeschlagene neuartige Design von Linsen kann in digitalen Kameras mit z.B. CMOS oder CCD Sensoren in der Bildebene eingesetzt werden, wobei dann in der Bildebene in bekannter Weise die unterschiedlichen Wellenlängenbereichsinformationen zum Beispiel durch spezielle Filter vor den einzelnen Dioden getrennt aufgenommen werden können. Die Erfindung liefert ein breiteres Spektrum an Informationen und diese Informationen wurden dann auch zeitgleich erhoben, wodurch die Informationen auch für bewegte Kameras und deren bewegte Aufnahmen und/oder bewegte Objekte vor der Kamera ideal geeignet sind. Beziehen sich diese Information dann noch auf die gleiche Bildebene, somit das gleiche Bild, so kann für dieses Bild und seine Lage und Orientierung im Raum ein einziger Parametersatz genutzt werden, wodurch

a) die Positions- und Orientierungsbestimmung einer digitalen Kamera im Objektraumkoordinatensystem, z.B. WGS84 für GPS oder ein selbstdefiniertes bauwerksfestes System, stark verbessert wird, und wodurch
b) Informationen zum Beispiel eines Punktes des Objektraums oder aus einer Richtung aus dem Objektraum, die in verschiedenen Wellenlängenbereichen vorliegen, einfacher und genauer zueinander zugeordnet werden.

Dies kann besonders vorteilhaft zur Erweiterung des in DE 10 2016 119 920 A1 beschriebenen Verfahrens eingesetzt werden. Der Inhalt der DE 10 2016 119 920 A1 wird hiermit vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung inkorporiert.

Claims

Refraktive Linse (230, 240, 260, 270) mit mehreren ersten und mehreren zweiten Linsenbereichen, wobei jeweils - der erste Linsenbereich (231-1, 231-2, 241-1, 241-2, 241-3, 261-1, 261-2, 271-1, 271-2) einen ersten Teil der Linsenoberfläche umfasst und der zweite Linsenbereich (232-1, 232-2, 242-1, 242-2, 242-3, 262-1, 262-2, 272-1, 272-2) einen zweiten, vom ersten unterschiedlichen Teil der Linsenoberfläche umfasst, und - der erste und zweite Linsenbereich jeweils ein unterschiedliches Material mit unterschiedlichen Transmissionseigenschaften für elektromagnetische Strahlung aufweist, und wobei - der erste und zweite Linsenbereich jeweils eine Grenzfläche bilden, die parallel zur optischen Achse der Linse und durch einen Punkt auf der optischen Achse der Linse verläuft, und wobei - der erste Linsenbereich für eine erste Wellenlänge eine höhere Transmission als der zweite Linsenbereich aufweist, und - der zweite Linsenbereich für eine zweite, von der ersten unterschiedliche Wellenlänge eine höhere Transmission als der erste Linsenbereich aufweist, und - der erste Linsenbereich für elektromagnetische Strahlung der zweiten Wellenlänge und der zweite Linsenbereich für elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge einen Transmissionsgrad von unter 25 % aufweist, und wobei die ersten Linsenbereiche in der Linsenmitte auf der optischen Achse einen ersten Durchmesser (d₁) aufweisen und die zweiten Linsenbereiche in der Linsenmitte auf der optischen Achse einen zweiten Durchmesser (d₂) aufweisen, wobei der zweite Durchmesser (d₂) kleiner als der erste Durchmesser (d₁) ist.
Refraktive Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Linse einen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur optischen Achse der Linse aufweist.
Refraktive Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend - wenigstens einen dritten Linsenbereich (253, 263-1, 263-2), welcher einen dritten, vom ersten und zweiten unterschiedlichen Teil der Linsenoberfläche umfasst und ein vom ersten und zweiten Linsenbereich unterschiedliches Material aufweist, wobei - der dritte Linsenbereich bei einer dritten, von der ersten und zweiten unterschiedlichen Wellenlänge eine höhere Transmission aufweist als der erste und zweite Linsenbereich, - der erste Linsenbereich für die erste Wellenlänge eine höhere Transmission als der dritte Linsenbereich aufweist, und - der zweite Linsenbereich für die zweite Wellenlänge eine höhere Transmission als der dritte Linsenbereich aufweist.
Refraktive Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Wellenlänge im sichtbaren Spektrum zwischen 380 nm und 780 nm und die zweite Wellenlänge im infraroten Spektrum zwischen 780 nm und 1 mm, insbesondere zwischen 2 µm und 15 µm, liegt.
Refraktive Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Linsenbereich ein optisches Glas und der zweite Linsenbereich reines Germanium umfasst.
Refraktive Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Linsenbereich, bezogen auf eine vorgegebene Wellenlänge, jeweils eine unterschiedliche Brennweite aufweisen.
Refraktive Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Linsenbereich, bezogen auf die erste Wellenlänge, und der zweite Linsenbereich, bezogen auf die zweite Wellenlänge, jeweils die gleiche Brennweite (f) aufweisen.
Refraktive Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche mit mehreren ersten und zweiten Linsenbereichen (231-1, 231-2, 241-1, 241-2, 241-3, 261-1, 261-2, 271-1, 271-2; 232-1, 232-2, 242-1, 242-2, 242-3, 262-1, 262-2, 272-1, 272-2), wobei die Linsenbereiche derart angeordnet sind, dass benachbarte Linsenbereiche unterschiedliche Materialien aufweisen.
Refraktive Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche mit mehreren ersten, zweiten und dritten Linsenbereichen (261-1, 261-2; 262-1, 262-2; 263-1, 263-2), wobei die Linsenbereiche derart angeordnet sind, dass benachbarte Linsenbereiche unterschiedliche Materialien aufweisen.
Refraktive Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei angrenzende Linsenbereiche jeweils miteinander verklebt sind.
Refraktive Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Linsenbereiche in eine gemeinsame Halteeinrichtung eingesetzt sind.
Digitales Kamerasystem (400), umfassend - wenigstens eine refraktive Linse (230, 240, 260, 270) mit mehreren ersten und mehreren zweiten Linsenbereichen, wobei die ersten Linsenbereiche in der Linsenmitte auf der optischen Achse der Linse einen ersten Durchmesser (d₁) aufweisen und die zweiten Linsenbereiche in der Linsenmitte auf der optischen Achse der Linse einen zweiten Durchmesser (d₂) aufweisen, wobei der zweite Durchmesser (d₂) kleiner als der erste Durchmesser (d₁) ist, und wobei jeweils - der erste Linsenbereich (231-1, 231-2, 241-1, 241-2, 241-3, 261-1, 261-2, 271-1, 271-2) einen ersten Teil der Linsenoberfläche umfasst und der zweite Linsenbereich (232-1, 232-2, 242-1, 242-2, 242-3, 262-1, 262-2, 272-1, 272-2) einen zweiten, vom ersten unterschiedlichen Teil der Linsenoberfläche umfasst, - der erste und zweite Linsenbereich jeweils ein unterschiedliches Material mit unterschiedlichen Transmissionseigenschaften für elektromagnetische Strahlung aufweist, - der erste und zweite Linsenbereich jeweils eine Grenzfläche bilden, die parallel zur optischen Achse der Linse und durch einen Punkt auf der optischen Achse der Linse verläuft, - der erste Linsenbereich für eine erste Wellenlänge eine höhere Transmission als der zweite Linsenbereich aufweist, - der zweite Linsenbereich für eine zweite, von der ersten unterschiedliche Wellenlänge eine höhere Transmission als der erste Linsenbereich aufweist, und - der erste Linsenbereich für elektromagnetische Strahlung der zweiten Wellenlänge und der zweite Linsenbereich für elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge einen Transmissionsgrad von unter 25 % aufweist, und - ein Sensor-Bauteil (420), welches erste, für die erste Wellenlänge sensitive Sensorelemente und zweite, für die zweite Wellenlänge sensitive Sensorelemente umfasst.
Objektiv, umfassend wenigstens eine refraktive Linse (230, 240, 260, 270) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.