DE102016125381A1 - Fresnel lens, lens and digital camera system - Google Patents
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Abstract
Zur Verbesserung bekannter Linsen, Objektive oder Kamerasysteme und/oder zur Erweiterung ihrer Einsatzgebiete sieht die Erfindung eine Fresnel-Linse mit wenigstens einem ersten und wenigstens einem zweiten Linsenbereich vor, wobei der erste Linsenbereich einen ersten Teil der Linsenoberfläche umfasst und der zweite Linsenbereich 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.Die Erfindung sieht ferner ein digitales Kamerasystem und ein Objektiv mit jeweils wenigstens einer solchen Fresnel-Linse vor.Dieses ermöglicht die zeitgleiche Aufnahme von selbst stark unterschiedlichen Wellenlängenbereichen für den gesamten Bildbereich einer einzigen solchen Kamera (und mit dem einzigen verwendeten Objektiv) und damit den exakten geometrischen Bezug der Bildinformationen aus stark unterschiedlichen Wellenlängenbereichen zueinander.In order to improve on known lenses, lenses or camera systems and / or to expand their fields of application, the invention provides a Fresnel lens with at least one first and at least one second lens area, wherein the first lens area comprises a first part of the lens surface and the second lens area has a second, The invention further provides a digital camera system and an objective, each having at least one such Fresnel lens. The invention provides for the simultaneous simultaneous imaging of the first and second lens regions Recording of even very different wavelength ranges for the entire image area of a single such camera (and with the only lens used) and thus the exact geometric reference of the image information from strongly unterschiedl Ien wavelength ranges to each other.
Description
Die Erfindung betrifft allgemein die Abbildung von Objekten in eine Bildebene, und insbesondere eine Fresnel-Linse, ein Objektiv, sowie ein digitales Kamerasystem.The invention generally relates to the imaging of objects in an image plane, and more particularly to a Fresnel lens, a lens, and a digital camera system.
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.Digital camera systems are used today in a variety of fields, such as in the monitoring of objects or processes or in video telephony. Also in assistance systems of vehicle technology, camera systems are increasingly used, for example in the form of reversing cameras or collision warning systems. Since today typically every smartphone is equipped with a digital camera, every smartphone user constantly carries a digital camera system with him.
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.A digital camera system serves to detect and record static or moving images by means of an electronic sensor or to provide them via an interface, wherein the recording is typically carried out using a digital storage medium and the provision via an interface, for example, for display on a screen.
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.In a digital camera system, the image is usually imaged by a lens on an image plane in which the electronic sensor is arranged. An objective is a collecting optical system that produces a real optical image of an object in the image plane. In the simplest case, a lens is formed by a single converging lens. By combining multiple lenses, the imaging quality of a lens can be increased if the lenses and their properties are chosen to reduce certain aberrations. Also, the use of multiple lenses allows for the provision of variable focal length lenses.
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.Lenses are usually equipped with a diaphragm, with the help of which the light transmission through the lens can be changed. A lens diaphragm is usually designed as a lamellar diaphragm, in which circularly arranged lamellae move into one another such that the light transmission becomes narrower or wider and thus the incident light beam becomes smaller or larger. The aperture is positioned in the beam path in such a way that it acts only as an aperture diaphragm and not as a visual field diaphragm.
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.Lenses are typically called transparent devices that deflect electromagnetic radiation by refraction at their surfaces, with lenses generally having two refractive surfaces, at least one of which is convex or concave. A distinction is generally made between converging lenses that focus parallel light at one focal point and diverging lenses that expand parallel light.
Es sind auch sogenannte Fresnel-Linsen bekannt. Eine Fresnel-Linse, auch als Fresnelsche Stufenlinse bezeichnet, ist eine Linse, die durch eine Aufteilung in ringförmige Bereiche und eine Verringerung der Dicke der Linse in diesen Bereichen eine Reduzierung des Gewichts und des Volumens der Linse ermöglicht. Das Bauprinzip der Fresnel-Linse nutzt aus, dass die elektromagnetische Strahlung nur beim Passieren der Linsen-Oberflächen gebrochen wird, der Brechungswinkel aber nicht von der Dicke, sondern nur von dem Winkel zwischen den beiden Oberflächen abhängig ist. Dementsprechend führt die Dickenreduzierung in den ringförmigen Bereichen der Fresnel-Linse nicht zu einer Änderung der Brennweite, jedoch verringert sich aufgrund der Stufenstruktur die Abbildungsqualität.There are also known as so-called Fresnel lenses. A Fresnel lens, also referred to as a Fresnel Fresnel lens, is a lens which, by dividing into annular areas and reducing the thickness of the lens in those areas, enables a reduction in the weight and volume of the lens. The construction principle of the Fresnel lens makes use of the fact that the electromagnetic radiation is only refracted when passing through the lens surfaces, but the angle of refraction does not depend on the thickness, but only on the angle between the two surfaces. Accordingly, the thickness reduction in the annular portions of the Fresnel lens does not change the focal length, but due to the step structure, the imaging quality is lowered.
Linsen, deren Abbildungseigenschaften auf der Brechung elektromagnetischer Strahlung, d.h. auf Refraktion, basieren, werden auch als refraktive Linsen bezeichnet.Lenses whose imaging properties are based on the refraction of electromagnetic radiation, i. based on refraction, are also referred to as refractive lenses.
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.Most commonly, lenses are used in the field of classical optics for imaging light. The light is typically referred to as the portion of the electromagnetic radiation visible to the human eye, the range of the light in the electromagnetic spectrum comprising wavelengths of approximately 380 nm to 780 nm.
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.Also known are lenses for use in other wavelength ranges. Infrared lenses, or IR lenses for short, for use in the infrared wavelength range of about 780 nm to 1 mm are used for example in thermal imaging cameras, night vision devices or in infrared spectroscopy. Ultraviolet lenses, or UV lenses for short, for use in the ultraviolet wavelength range of about 1 nm to 380 nm are used, for example, in laser applications.
Ferner ist bekannt, zur Fokussierung von Röntgenstrahlung mit Wellenlängen im Bereich von etwa 0,01 nm bis 1 nm sogenannte Fresnel-Zonenplatten einzusetzen. Eine Fresnel-Zonenplatte ist typischerweise eine Platte, auf der wechselnde transparente und intransparente konzentrische Ringe angebracht sind, wodurch ringförmige Spalten gebildet werden, an denen elektromagnetische Strahlung gebeugt und durch konstruktive Interferenz in Brennpunkten verstärkt wird. Die auf Beugung basierende Fokussierung wird bei Röntgenstrahlung eingesetzt, da für Röntgenstrahlung der Brechungsindex aller durchstrahlbaren Materialien minimal kleiner als 1 ist, so dass eine Sammellinse nur minimal fokussierend wirkt. It is also known to use so-called Fresnel zone plates for focusing X-radiation with wavelengths in the range from about 0.01 nm to 1 nm. A Fresnel zone plate is typically a plate on which alternating transparent and non-transparent concentric rings are mounted, forming annular gaps where electromagnetic radiation is diffracted and amplified by constructive interference at foci. The diffraction-based focusing is used in X-radiation, as for X-rays, the refractive index of all radiopaque materials is minimally less than 1, so that a converging lens has only minimal focusing.
Linsen, deren Abbildungseigenschaften auf der Beugung elektromagnetischer Strahlung, d.h. auf Diffraktion, basieren, werden auch als diffraktive Linsen bezeichnet. Die oben beschriebene Fresnel-Zonenplatte stellt eine diffraktive Linse dar.Lenses whose imaging properties are based on the diffraction of electromagnetic radiation, i. based on diffraction, are also referred to as diffractive lenses. The Fresnel zone plate described above constitutes a diffractive lens.
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.Depending on which wavelength range a lens is to be used, lens materials with corresponding transmission properties are used, i. Materials that are also sufficiently transparent in the respective desired wavelength range.
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. The refractive index of lens materials is typically wavelength dependent, with the refractive index typically decreasing with increasing wavelength. Since electromagnetic radiation of different wavelengths is thus refracted to different extents, an aberration which is referred to as chromatic aberration results, and which leads to the fact that a lens can be used only for a limited wavelength range.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus dem Stand der Technik bekannte Linsen, Objektive oder Kamerasysteme zu verbessern und/oder deren Einsatzgebiet zu erweitern.The invention has for its object to improve known from the prior art lenses, lenses or camera systems and / or to expand their field of application.
Das oben genannte technische Problem wird durch eine Fresnel-Linse gemäß Anspruch 1, ein digitales Kamerasystem gemäß Anspruch 15 und ein Objektiv gemäß Anspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.The above technical problem is solved by a Fresnel lens according to claim 1, a digital camera system according to claim 15 and a lens according to claim 16. Advantageous embodiments and further developments are the subject of the respective subclaims.
Ein Kerngedanke der Erfindung ist darin zu sehen, eine Fresnel-Linse bereitzustellen, die gleichzeitig für unterschiedliche Wellenlängenbereiche einsetzbar ist. Zu diesem Zweck weist eine erfindungsgemäße Fresnel-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.A central idea of the invention is to provide a Fresnel lens which can be used simultaneously for different wavelength ranges. For this purpose, a Fresnel lens according to the invention comprises at least a first and at least a second lens area, wherein the first lens area comprises a first part of the lens surface and the second lens area comprises a second, different from the first part of the lens surface, and wherein the first and second Lens each having a different material with different transmission properties for electromagnetic radiation.
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.In other words, the invention relates to a lens for a plurality of selected wavelength ranges, or the structure or construction of such a lens, which forms a necessary basic element in an objective, which is adapted to the information of the object space, which come from strongly different wavelength ranges. to let happen in the picture space in time to be detected there in an image plane.
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.In the present case, the term image plane is generally intended to designate a detection surface predetermined by a sensor or a sensor component, although this does not necessarily have to be a flat surface but, for example, may also have the shape of a partial spherical surface or spherical cap. The notion of the image plane is thus generally used here in the sense of a pictorial space.
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 Fresnel-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.An essential basic idea is to combine at least two different materials in one lens, wherein in particular at least two different substrates with different transmission properties are combined in a common lens. It is also conceivable that the first and / or second lens area is formed by a coating of the Fresnel lens. For example, a substrate material that is transparent to the first and second wavelengths could be used, wherein the first and second lens regions are each formed by a coating of different materials, the material layers being transparent only for the first and second wavelengths, respectively. The use of coatings may be advantageous in lens manufacture.
Vorteilhaft weist der erste Linsenbereich 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.Advantageously, the first lens region for a first wavelength has a higher transmission than the second lens region, and the second lens region for a second wavelength, which differs from the first wavelength, has a higher transmission than the first lens region.
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. With particular advantage, the first lens region has a higher transmission for a first wavelength range than the second lens region, and the second lens region for a second wavelength region, which differs from the first wavelength region, has a higher transmission than the first lens region. Preferably, the first and second wavelength ranges are non-overlapping wavelength ranges. The first and / or second wavelength range may each be formed as a contiguous wavelength band or be formed by at least two non-contiguous wavelength bands.
Besonders vorteilhaft blockiert der erste Linsenbereich 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.Particularly advantageously, the first lens region substantially blocks electromagnetic radiation of the second wavelength, and the second lens region substantially blocks electromagnetic radiation of the first wavelength. In this way, the first lens region preferably acts as an imaging only for electromagnetic radiation of the first wavelength or of the first wavelength range and thus as a diaphragm for electromagnetic radiation of the second wavelength or the second wavelength range, while the second lens region is preferably imaging for electromagnetic radiation of the second wavelength or of the second wavelength range and acts as a diaphragm for electromagnetic radiation of the first wavelength or of the first wavelength range.
Die Fresnel-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.The Fresnel lens can thus advantageously be used simultaneously for two different wavelength ranges, wherein electromagnetic radiation of these two different wavelength ranges can preferably be imaged simultaneously into a common image plane.
Die Abbildung kann jeweils refraktiv oder diffraktiv erfolgen. Dementsprechend ist die Fresnel-Linse vorteilhaft als refraktive und/oder diffraktive Linse ausgebildet.The image can be refractive or diffractive. Accordingly, the Fresnel lens is advantageously designed as a refractive and / or diffractive lens.
Erfolgt die Abbildung aufgrund von Diffraktion, so ist der jeweilige Linsenbereich vorteilhaft derart ausgebildet, dass eine diffraktive Fresnel-Zonenlinse gebildet wird.If the image is due to diffraction, the respective lens region is advantageously designed such that a diffractive Fresnel zone lens is formed.
Eine Fresnel-Linse weist typischerweise ringförmige Bereiche auf, die im Folgenden auch als Ringzonen bezeichnet werden. Erfolgt die Abbildung aufgrund von Refraktion, so ist der jeweilige Linsenbereich vorteilhaft als Ringzone der Fresnel-Linse ausgebildet.A Fresnel lens typically has annular regions, which are also referred to below as ring zones. If the image is due to refraction, the respective lens region is advantageously designed as an annular zone of the Fresnel lens.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Fresnel-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.In an advantageous embodiment, the Fresnel lens further comprises at least a third lens region comprising a third, different from the first and second parts of the lens surface and having a different material from the first and second lens region, wherein the third lens region for a third, of the first and the second different wavelength has a higher transmittance than the first and second lens portions, the first lens portion for the first wavelength has higher transmittance than the third lens portion, and the second lens portion for the second wavelength has higher transmittance than the third lens portion.
Zweckmäßigerweise 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.Conveniently, it can also be provided in this embodiment that the first lens region has a higher transmission than the second lens region for a first wavelength range and the second lens region has a higher transmission than the first lens region for a second wavelength range which differs from the first wavelength range. In this case, it is preferably provided that the third lens region has a higher transmission for a third, of the first and second different wavelength range than the first and second lens region, the first lens region for the first wavelength region has a higher transmission than the third lens region, and the second lens region for the second wavelength range has a higher transmission than the third lens region.
Bei Vorsehen wenigstens eines ersten, zweiten und dritten Linsenbereiches ist die Fresnel-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 Fresnel-Linse bereitgestellt werden, die gleichzeitig für eine vorgegebene Anzahl unterschiedlicher Wellenlängenbereiche einsetzbar ist, wobei elektromagnetische Strahlung aller vorgegebenen unterschiedlichen Wellenlängenbereiche vorzugsweise gleichzeitig in eine gemeinsame Bildebene abgebildet werden kann.When providing at least one first, second and third lens region, the Fresnel lens can advantageously be used simultaneously for three different wavelength ranges, wherein electromagnetic radiation of these three different wavelength ranges can preferably be imaged simultaneously in a common image plane. By providing additional lens areas, i. at least one fourth, fifth, etc. lens area, each having a different material with different transmission properties for electromagnetic radiation than the other lens areas, a Fresnel lens can be provided, which can be used simultaneously for a predetermined number of different wavelength ranges, wherein electromagnetic radiation of all predetermined different wavelength ranges can be imaged preferably simultaneously in a common image plane.
Auch die Abbildung durch den dritten Linsenbereich oder weitere Linsenbereiche kann jeweils refraktiv oder diffraktiv erfolgen, wobei der jeweilige Linsenbereich bei Abbildung aufgrund von Diffraktion vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass eine diffraktive Fresnel-Zonenlinse gebildet wird, und bei Abbildung aufgrund von Refraktion vorzugsweise als Ringzone der Fresnel-Linse ausgebildet ist. The imaging by the third lens area or further lens areas can also be refractive or diffractive, wherein the respective lens area is preferably formed in imaging due to diffraction such that a diffractive Fresnel zone lens is formed, and in imaging due to refraction preferably as an annular zone Fresnel lens is formed.
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.The first and second, as well as optionally the third wavelength and further wavelengths or the first and second, and optionally the third wavelength range and other wavelength ranges can be arbitrarily selected depending on the purpose, as far as materials with suitable transmission properties are available.
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.The first wavelength or the first wavelength range is preferably in the visible spectrum between 380 nm and 780 nm and the second wavelength or the second wavelength range is preferably in the infrared spectrum between 780 nm and 1 mm, in particular between 2 .mu.m and 15 .mu.m. In this embodiment, the first lens region advantageously comprises an optical glass, and the second lens region advantageously comprises germanium, in particular pure germanium. The optical glass selected for the first lens region preferably has a low transmission at least in parts of the infrared spectrum.
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.For example, a borosilicate crown glass can be used as the optical glass for the first lens region, which essentially blocks electromagnetic radiation in the infrared spectrum from a wavelength of about 2 μm. The transmission range of germanium ranges from about 2 .mu.m to 16 .mu.m, so that the first lens portion transmits straight electromagnetic radiation at wavelengths blocked by the second lens portion and the second lens portion transmits electromagnetic radiation at wavelengths blocked by the second lens portion.
Eine Fresnel-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, da dann eine einzige Kamera mit geringem Volumen und Gewicht bzgl. des Objektives gleichzeitig Informationen aus unterschiedlichen Wellenlängenbereichen liefern kann und insbesondere für den IR-Bereich auch bei Dunkelheit im sichtbaren Licht keine aktive Beleuchtung des Objektes benötigt wird.A Fresnel lens, which is designed for the simultaneous imaging of electromagnetic radiation in the visible and infrared spectrum, can advantageously be used for example in a vehicle, for example in a reversing camera system or another driver assistance system, since then a single camera with low volume and Weight with respect to the objective at the same time can provide information from different wavelength ranges and in particular for the IR range, even in the dark in visible light no active illumination of the object is needed.
Die erste, zweite oder dritte Wellenlänge bzw. der erste, zweite oder dritte Wellenlängenbereich kann auch außerhalb des sichtbaren und infraroten Spektrums, beispielsweise im ultravioletten Spektrum zwischen 1 nm und 380 n oder sogar im Röntgenspektrum zwischen 0,01 nm und 1 nm liegen.The first, second or third wavelength or the first, second or third wavelength range can also be outside the visible and infrared spectrum, for example in the ultraviolet spectrum between 1 nm and 380 n or even in the X-ray spectrum between 0.01 nm and 1 nm.
Um den Einsatz der Fresnel-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.In order to enable the use of the Fresnel lens for selected wavelength ranges, desired transmission properties of a lens region, in particular bandpass properties, can also be achieved, for example, by a suitable coating of the corresponding lens region.
Vorzugsweise weisen der erste und der zweite Linsenbereich, bezogen auf eine vorgegebene Wellenlänge, jeweils eine unterschiedliche Brennweite auf.Preferably, the first and the second lens area, each with a different focal length, with respect to a predetermined wavelength.
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.Particularly advantageously, the first lens region, in each case with respect to the first wavelength, for which the first lens region is transparent, and the second lens region, based on the second wavelength, for which the second lens region is transparent, each have the same focal length.
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.In this way it is made possible that electromagnetic radiation of the first and second wavelengths and the first and second wavelength ranges is substantially imaged in a common image plane.
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.The same applies if a third lens area or further lens areas are provided, i. each lens area preferably has the same focal length relative to the wavelength assigned to the respective lens area, so that advantageous electromagnetic radiation of the first, second, third and optionally further wavelength or the corresponding wavelength ranges for which the respective different lens areas are transparent Essentially in a common image plane is mapped.
Besonders vorteilhaft sind mehrere erste und zweite Linsenbereiche vorgesehen, wobei sich die ersten und zweiten Linsenbereiche vorzugsweise von der Linsenmitte nach außen abwechseln.Particularly advantageously, a plurality of first and second lens regions are provided, wherein the first and second lens regions preferably alternate from the lens center to the outside.
Bei Vorsehen von drei unterschiedlichen Linsenbereichen sind vorteilhaft mehrere erste, zweite und dritte Linsenbereiche vorgesehen, wobei sich die ersten, zweiten und dritten Linsenbereiche von der Linsenmitte nach außen abwechseln. Entsprechendes gilt bei Vorsehen weiterer Linsenbereiche, d.h. vierter, fünfter etc. Linsenbereiche. When three different lens areas are provided, a plurality of first, second and third lens areas are advantageously provided, wherein the first, second and third lens areas alternate from the center of the lens to the outside. The same applies when providing further lens areas, ie fourth, fifth etc. lens areas.
Bei refraktiver Abbildung durch die ersten Linsenbereiche bildet jeder der mehreren ersten Linsenbereiche vorteilhaft jeweils eine Ringzone der Fresnel-Linse. Entsprechendes gilt für die zweiten Linsenbereiche, sowie gegebenenfalls für die dritten und weiteren Linsenbereiche.In the case of refractive imaging by the first lens regions, each of the plurality of first lens regions advantageously forms in each case an annular zone of the Fresnel lens. The same applies to the second lens areas, and optionally for the third and further lens areas.
Jeweils angrenzende Linsenbereiche sind vorzugsweise miteinander verklebt oder mittels flexibler Verbindungselemente miteinander verbunden.Each adjacent lens areas are preferably glued together or connected to each other by means of flexible connecting elements.
Ein erfindungsgemäßes digitales Kamerasystem umfasst wenigstens eine Fresnel-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.A digital camera system according to the invention comprises at least one Fresnel lens as described above, as well as a sensor component which comprises at least first sensor elements sensitive to the first wavelength and second sensor elements sensitive to the second wavelength.
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.When imaging electromagnetic radiation of a first and second wavelength range, the first and second sensor elements are preferably sensitive to substantially all wavelengths in the respective wavelength range.
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.As sensor elements, for example, photodiodes can be used, wherein the sensor component can be designed as a CCD sensor or CMOS sensor. To specifically detect the desired wavelengths, the sensor component can provide appropriate filter.
Ein Sensor, der zum Einsatz als Sensor-Bauteil geeignet ist, wird auch in der Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Titel „Verfahren zum Bestimmen der Position und/oder Orientierung durch gleichzeitige Aufnahme von Objektrauminformation aus erheblich unterschiedlichen Wellenlängenbereichen in einem Bild, digitales Kamerasystem und mobile elektronische Einrichtung“ beschrieben, welche am gleichen Tag wie die vorliegende Patentanmeldung eingereicht wurde. Der Inhalt dieser Patentanmeldung wird vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung inkorporiert.A sensor suitable for use as a sensor component is also described in Applicant's patent application entitled "Method for Determining Position and / or Orientation by Simultaneously Capturing Object Space Information from Significantly Different Wavelength Ranges in an Image, Digital Camera System and Mobile electronic device "filed on the same day as the present patent application. The content of this patent application is incorporated in full in the present application.
Ein erfindungsgemäßes Objektiv umfasst wenigstens eine Fresnel-Linse wie oben beschrieben.An objective according to the invention comprises at least one Fresnel lens as described above.
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.The invention will now be described in more detail by way of example with reference to preferred embodiments and with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals in the drawings designate the same or similar parts.
Es zeigen:
-
1 : schematisch die Abbildung eines parallelen Strahlenbündels mit einer halbkonvexen Linse, -
2 : schematisch die Abbildung eines parallelen Strahlenbündels mit einer halbkonvexen Fresnel-Linse, welche die gleiche Brennweite aufweist wie die in1 dargestellte Linse, -
3 : eine schematische Schrägansicht der in2 dargestellten Fresnel-Linse, -
4 : schematisch den Querschnitt einer bikonvexen Linse und einer entsprechenden bikonvexen Fresnel-Linse, -
5 : schematisch eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Fresnel-Linse mit mehreren ersten und zweiten Linsenbereichen, -
6 : schematisch die Abbildung eines parallelen Strahlenbündels mit der in5 dargestellten Fresnel-Linse, -
6a : schematisch die Erzeugung eines reellen Bildes mit der in5 dargestellten Fresnel-Linse, -
7 : schematisch eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Fresnel-Linse mit mehreren ersten und zweiten Linsenbereichen, welche als Rechtecklinse ausgebildet ist, -
8 : eine schematische Schrägansicht der in7 dargestellten Fresnel-Linse, -
9 : schematisch eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer Fresnel-Linse mit mehreren ersten und zweiten Linsenbereichen, -
10 : schematisch ein digitales Kamerasystem, welches eine erfindungsgemäße Fresnel-Linse umfasst, -
11 : schematisch eine vierte bevorzugte Ausführungsform einer Fresnel-Linse mit mehreren ersten, zweiten und dritten Linsenbereichen, -
12 : schematisch eine fünfte bevorzugte Ausführungsform einer Fresnel-Linse mit mehreren ersten, zweiten und dritten Linsenbereichen, -
13 : schematisch eine sechste bevorzugte Ausführungsform einer Fresnel-Linse mit mehreren ersten und zweiten Linsenbereichen, wobei die ersten Linsenbereiche diffraktiv und die zweiten Linsenbereiche refraktiv wirken, -
14 : eine schematische Schrägansicht der in13 dargestellten Fresnel-Linse, -
15 : schematisch eine Variante der in13 dargestellten Fresnel-Linse, wobei die ersten Linsenbereiche eine Beschichtung umfassen, -
16 : schematisch eine weitere Variante der in13 dargestellten Fresnel-Linse, wobei die ersten Linsenbereiche eine Beschichtung umfassen, und -
17 : schematisch ein Fahrzeug, welches wenigstens ein in10 dargestelltes digitales Kamerasystem als Teil einer Rückfahrkamera oder eines Fahrer-Assistenzsystems umfasst.
-
1 FIG. 2 schematically shows the image of a parallel beam with a semi-convex lens, FIG. -
2 FIG. 2 schematically shows the image of a parallel beam with a semi-convex Fresnel lens having the same focal length as that in FIG1 illustrated lens, -
3 : a schematic oblique view of in2 represented Fresnel lens, -
4 FIG. 2 schematically shows the cross section of a biconvex lens and a corresponding biconvex Fresnel lens, FIG. -
5 FIG. 2 schematically shows a first preferred embodiment of a Fresnel lens having a plurality of first and second lens areas, FIG. -
6 schematically the image of a parallel beam with the in5 represented Fresnel lens, -
6a schematically the generation of a real image with the in5 represented Fresnel lens, -
7 FIG. 2 schematically shows a second preferred embodiment of a Fresnel lens having a plurality of first and second lens areas, which is designed as a rectangular lens, FIG. -
8th : a schematic oblique view of in7 represented Fresnel lens, -
9 FIG. 2 schematically shows a third preferred embodiment of a Fresnel lens having a plurality of first and second lens areas, FIG. -
10 FIG. 2 schematically shows a digital camera system comprising a Fresnel lens according to the invention, FIG. -
11 FIG. 2 schematically shows a fourth preferred embodiment of a Fresnel lens having a plurality of first, second and third lens regions, FIG. -
12 FIG. 2 schematically shows a fifth preferred embodiment of a Fresnel lens having a plurality of first, second and third lens areas, FIG. -
13 FIG. 2 schematically shows a sixth preferred embodiment of a Fresnel lens having a plurality of first and second lens regions, wherein the first lens regions are diffractive and the second lens regions are refractive. FIG. -
14 : a schematic oblique view of in13 represented Fresnel lens, -
15 : schematically a variant of in13 represented Fresnel lens, wherein the first lens areas comprise a coating, -
16 : schematically another variant of in13 represented Fresnel lens, wherein the first lens areas comprise a coating, and -
17 schematically a vehicle, which at least one in10 illustrated digital camera system as part of a rear view camera or a driver assistance system includes.
In den
In den im Folgenden dargestellten Ausführungsformen werden hinsichtlich Refraktion halbkonvexe Linsen betrachtet. Die Ausführungen können jedoch auch auf andere Linsenarten übertragen werden, wie beispielsweise auf bikonvexe Linsen. Aus dem Stand der Technik bekannte bikonvexe Linsen sind beispielhaft in
In
In dem in
Wie in
Vorteilhaft weisen die ersten Linsenbereiche
Mit besonderem Vorteil blockieren die ersten Linsenbereiche 211-1, 211-2, 211-3 und 211-4 im Wesentlichen elektromagnetische Strahlung der zweiten Wellenlänge und die zweiten Linsenbereiche
Mit anderen Worten sind die ersten Linsenbereiche für die erste Wellenlänge im Wesentlichen transparent und wirken für die zweite Wellenlänge im Wesentlichen als Blende, während die zweiten Linsenbereiche für die zweite Wellenlänge im Wesentlichen transparent sind und für die erste Wellenlänge im Wesentlichen als Blende wirken. In other words, the first lens regions for the first wavelength are substantially transparent and act as an aperture for the second wavelength substantially, while the second lens regions for the second wavelength are substantially transparent and substantially act as an aperture for the first wavelength.
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.Preferably, this is true not only for a first and a second wavelength, but for a first and a second wavelength range, wherein the first and second wavelength ranges are advantageously non-overlapping wavelength ranges, and wherein the first and / or second wavelength ranges each as a contiguous wavelength band may be formed or formed by at least two non-contiguous wavelength bands.
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.The first wavelength or the first wavelength range in the visible spectrum is preferably between 380 nm and 780 nm, and the second wavelength or the second wavelength range is preferably in the infrared spectrum between 780 nm and 1 mm, in particular between 2 μm and 15 μm.
Dementsprechend umfassen die ersten Linsenbereiche
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 pm, so dass sich die Transmissionsbereiche der ersten und zweiten Linsenbereiche im dargestellten Beispiel nicht überlappen. Es können aber für die ersten und zweiten Linsenbereiche auch andere Materialien mit geeigneten Transmissionseigenschaften gewählt werden.As optical glass, for example, a borosilicate crown glass can be used, which is transparent over the entire visible spectrum and into the near infrared, but substantially blocks electromagnetic radiation in the ultraviolet spectrum, as well as in the infrared spectrum from a wavelength of about 2 microns. The transmission range of germanium ranges from about 2 μm to 16 μm, so that the transmission ranges of the first and second lens regions do not overlap in the example shown. However, other materials with suitable transmission properties can also be selected for the first and second lens regions.
Das jeweilige Substratmaterial der ersten und/oder zweiten Linsenbereiche der in
Die ersten Linsenbereiche
Mit besonderem Vorteil sind die erste und zweite Brennweite im Wesentlichen identisch, so dass durch die Fresnel-Linse
Eine Situation mit im Wesentlichen identischen Brennweiten ist schematisch in
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 der ersten Linsenbereiche für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektrum von dem Brechungsindex des Germaniums der zweiten Linsenbereiche für elektromagnetische Strahlung im infraroten Spektrum unterscheidet, weisen die ersten Linsenbereiche vorzugsweise eine unterschiedliche Oberflächenkrümmung als die zweiten Linsenbereiche auf, um identische Brennweiten zu erzeugen.The refractive index of the optical glass of the first lens region is about 1.5 for electromagnetic radiation in the visible spectrum, for example, while the refractive index of the germanium of the second lens region for electromagnetic radiation in the infrared spectrum is about 4. Since the refractive index of the optical glass of the first electromagnetic radiation lens regions in the visible spectrum is different from the refractive index of germanium of the second electromagnetic radiation lens regions in the infrared spectrum, the first lens regions preferably have a different surface curvature than the second lens regions to have identical focal lengths produce.
Es sei angemerkt, dass dies im dargestellten Beispiel nicht zu einer doppelten Abbildung führt, da eine vorgegebene Wellenlänge nur entweder die ersten oder die zweiten Linsenbereiche passieren kann.It should be noted that in the illustrated example, this does not result in duplicate mapping since a given wavelength can only pass through either the first or the second lens areas.
Bei der in
Jede Ringzone könnte aus einem anderen Material bestehen, wobei das spezielle Material der jeweiligen Ringzone insbesondere bei der Herstellung der Linse festgelegt wird.Each annular zone could consist of a different material, wherein the specific material of the respective annular zone is determined in particular during the production of the lens.
Da die Ringzonen in einer Reihenfolge von innen, d.h. von der Linsenmitte, nach außen angeordnet sind, kann eine Ringzone durch eine Information (i;k) definiert werden, wobei der Wert i die Position in der Reihenfolge von innen nach außen und k das jeweilige Material der Ringzone angibt. Um eine Ringzone eindeutig festzulegen, werden vorzugsweise zusätzlich die Breite der Ringzone in Richtung von der Linsenmitte nach außen, sowie die Brennweite bezüglich einer vorgegebene Wellenlänge definiert.Since the ring zones are arranged in an order from the inside, i. from the lens center, are arranged outwardly, an annular zone can be defined by information (i; k), where the value i indicates the position in the order from inside to outside and k the respective material of the annular zone. To clearly define an annular zone, the width of the annular zone in the direction from the center of the lens to the outside, as well as the focal length with respect to a predetermined wavelength are preferably additionally defined.
Mögliche Materialien wurden oben bereits beispielhaft beschrieben. Es sei angemerkt, dass es sich bei einem Material k einer Ringzone nicht homogen um ein einziges Material handeln muss, sondern das Material k 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.Possible materials have already been described above by way of example. It should be noted that a material k of an annular zone does not have to be homogeneous with respect to a single material, but the material k can also be a material mixture of a plurality of materials which, for example, transmits a particular wavelength range particularly well and for a different wavelength range than Full aperture effect or lets this other wavelength range only with less intensity. Also, the desired transmission properties of the respective material can be achieved by a suitable coating.
Eine mögliche Fresnel-Ringkombination ist eine strikte Abwechslung erster und zweiter Linsenbereiche, wie in
Die in den dargestellten Ausführungsformen vorgesehene Anzahl der Ringzonen ist nur beispielhaft und könnte auch deutlich höher liegen. So könnten beispielsweise mehr als 10, mehr als 100 oder auch mehr als 1000 Ringzonen vorgesehen sein.The number of ring zones provided in the illustrated embodiments is only an example and could also be significantly higher. For example, more than 10, more than 100 or even more than 1000 ring zones could be provided.
Es wäre auch denkbar, Materialien für die ersten bzw. zweiten Linsenbereiche zu wählen, die in einem spektralen Überlappungsbereich beide transparent sind. Bei einer solchen Ausführung weisen die ersten Linsenbereiche vorzugsweise eine Brennweite für eine erste Wellenlänge auf, die außerhalb des Überlappungsbereiches liegt, und die zweiten Linsenbereiche 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. It would also be conceivable to choose materials for the first and second lens areas, which are both transparent in a spectral overlap area. In such an embodiment, the first lens areas preferably have a focal length for a first wavelength that is outside of the overlap area, and the second lens areas have the same focal length for a second, different wavelength from the first, which is also outside of the overlap area Preferably, the wavelength is below the overlap region and the second wavelength is preferably above the overlap region.
Wird beispielsweise bei dem in
Die Geometrie der ersten und zweiten Linsenbereiche könnte dann beispielsweise so ausgebildet sein, dass die Brennweite der ersten Linsenbereiche für eine Wellenlänge von 670 nm mit der Brennweite der zweiten Linsenbereiche für eine Wellenlänge im langwelligen Infrarot von beispielsweise 10 µm übereinstimmt.The geometry of the first and second lens regions could then be designed, for example, such that the focal length of the first lens regions for a wavelength of 670 nm coincides with the focal length of the second lens regions for a wavelength in the long-wave infrared of, for example, 10 μm.
Bezogen auf eine vorgegebene Wellenlänge im Überlappungsbereich weisen der erste und der zweite Linsenbereich dann vorzugsweise jeweils eine unterschiedliche Brennweite auf.Based on a predetermined wavelength in the overlap region, the first and second lens regions then preferably each have a different focal length.
Da bei einer solchen Ausführung elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen, die im Überlappungsbereich liegen, nicht im Fokus F fokussiert wird und zudem durch die ersten und zweiten Linsenbereiche 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.Since, in such an embodiment, electromagnetic radiation having wavelengths which lie in the overlapping region is not focused in the focus F and is also imaged differently by the first and second lens regions, the result is a reduced imaging quality. Such an embodiment is therefore only advantageous if no materials with suitable transmission properties are available for the desired wavelength ranges.
Statt einer kreisförmigen Fresnel-Linse
In
Die in
Zur weiteren Veranschaulichung ist in
Statt einer strikten Abwechslung zweier Materialien könnte auch eine beliebige andere vorgegebene Anordnung der Ringzonen zweier Materialien vorgesehen sein, wie zum Beispiel (1;a) (
Dies ist schematisch in
Für andere Ausführungsformen von Fresnel-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. For other embodiments of Fresnel lenses for more than two wavelength ranges, the
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.Advantageously, all the sensor elements of the
Eine kombinierte Fotodiode in der Bildebene könnte bekannter Weise 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.A combined photodiode in the image plane could be known, but also successively perpendicular to the image plane sensitive to different wavelengths and thus enable a high packing density of diodes in the image plane to achieve the highest possible resolutions in the image plane.
In dem in
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 Regeln handelsüblicher Objektive folgt.A digital camera system could also include multiple lenses, one or more of which may be embodied according to the invention. When using multiple lenses, one or more of them may be designed to be movable for focusing. Several lenses, one or more of which are embodied according to the invention, can advantageously also form an objective according to the invention. The combination of lenses to lenses is not considered in detail, since it largely follows the known rules of commercially available lenses.
In
Die ersten Linsenebereiche
Ferner blockieren die ersten Linsenbereiche vorteilhaft elektromagnetische Strahlung der zweiten und dritten Wellenlänge, während die zweiten Linsenbereiche vorteilhaft elektromagnetische Strahlung der ersten und dritten Wellenlänge blockieren und die dritten Linsenbereiche vorteilhaft elektromagnetische Strahlung der ersten und zweiten Wellenlänge blockieren.Furthermore, the first lens regions advantageously block electromagnetic radiation of the second and third wavelengths, while the second lens regions advantageously block electromagnetic radiation of the first and third wavelengths and the third lens regions advantageously block electromagnetic radiation of the first and second wavelengths.
Zu diesem Zweck weisen vorteilhaft die ersten, zweiten und dritten Linsenbereiche jeweils unterschiedliche Materialien auf.For this purpose, advantageously, the first, second and third lens areas each have different materials.
Die in
In
In
Bei dieser Ausführungsform wirken die ersten Linsenbereiche 261-1 bis 261-7 diffraktiv, d.h. diese führen zu einer Beugung analog einer Fresnel-Zonenplatte und sind aus einem Material, welches transparent für eine erste Wellenlänge und im Wesentlichen intransparent für eine zweite Wellenlänge ist. Die zweiten Linsenbereiche
Zur weiteren Veranschaulichung ist in
Die
Diffraktiv wirkende erste Linsenbereiche können auch vorteilhaft zur Abbildung elektromagnetischer Strahlung im Röntgenspektrum eingesetzt werden, da der Brechungsindex für Röntgenstrahlung in allen Materialien sehr nahe bei eins liegt und Röntgenstrahlung außerdem in Festkörpern stark absorbiert wird, und somit eine refraktive Abbildung im Röntgenspektrum schwierig ist.Diffractive first lens areas can also be advantageously used for imaging electromagnetic radiation in the X-ray spectrum, since the refractive index for X-radiation in all materials is very close to one and X-radiation is also strongly absorbed in solids, and thus refractive imaging in the X-ray spectrum is difficult.
Bei der in
Für eine konstruktive Interferenz in einem Fokus müssen die Radien der abwechselnd transparenten und absorbierenden Zonen in der quadratischen Näherung folgender Gleichung genügen:
- n
- die fortlaufende Nummer der Zone,
- λ
- die Wellenlänge der Strahlung, z. B. 5 nm für Röntgenstrahlung,
- f
- die Bildweite, also der Abstand vom Zentrum der Linse zum Bild (Fokus), und
- g
- die Gegenstandsweite bezeichnet.
- n
- the serial number of the zone,
- λ
- the wavelength of the radiation, z. B. 5 nm for X-radiation,
- f
- the image width, ie the distance from the center of the lens to the image (focus), and
- G
- denotes the object's width.
Für g » f gilt:
Für den Einsatz zur Abbildung von Röntgenstrahlung umfasst die Linse dementsprechend eine sehr viel höhere Anzahl an Ringzonen als in
Eine zur gleichzeitigen Abbildung beispielsweise im Röntgenspektrum und im sichtbaren Spektrum ausgebildete Linse kann beispielsweise vorteilhaft zu Überwachungszwecken in Kernkraftwerken eingesetzt werden.For example, a lens designed for simultaneous imaging, for example in the X-ray spectrum and in the visible spectrum, can advantageously be used for monitoring purposes in nuclear power plants.
Für das Zusammenfügen der ersten, der zweiten und gegebenenfalls der weiteren Linsenbereiche, insbesondere das Zusammenfügen benachbarter Linsenbereiche, welche unterschiedliche Materialien umfassen, können im Übrigen an sich bekannte Fertigungstechniken eingesetzt werden. Incidentally, known production techniques can be used for joining the first, the second and optionally the further lens areas, in particular the joining together of adjacent lens areas which comprise different materials.
Beispielsweise können angrenzende Linsenbereiche jeweils miteinander verklebt werden, oder es können angrenzende Linsenbereiche mittels flexibler Verbindungselemente miteinander verbunden werden. Als flexible Verbindungselemente könnten beispielsweise Gummiringe eingesetzt werden.For example, adjacent lens areas may each be glued together, or adjacent lens areas may be interconnected by means of flexible connecting elements. For example, rubber rings could be used as flexible connecting elements.
Alternativ könnte auch eine Stützkonstruktion vorgesehen sein, beispielsweise aus Kunststoff, in welche Teile der Linse eingesetzt werden können. In dieser Ausführungsform könnte sogar vorgesehen sein, Linsenteile, welche zur Bildung der ersten, zweiten oder weiterer Linsenbereiche dienen, flexibel auszutauschen, um flexibel unterschiedliche Materialen für unterschiedliche Wellenlängenbereiche vorzusehen.Alternatively, a support structure could be provided, for example made of plastic, in which parts of the lens can be used. In this embodiment, it could even be provided to flexibly exchange lens parts which serve to form the first, second or further lens regions in order to flexibly provide different materials for different wavelength ranges.
In
Das Kamerasysteme
Das Kamerasystem
Wird in der Nähe befindliches Wild erkannt, so kann dem Fahrer eine entsprechende Information angezeigt werden. Zu diesem Zweck ist die Steuereinrichtung
Das durch die Erfindung vorgeschlagene neuartige Design von Fresnel 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 z.B. 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 z.B. eines Punktes des Objektraums oder aus einer Richtung aus dem Objektraum, die in verschiedenen Wellenlängenbereichen vorliegen, einfacher und genauer zueinander zugeordnet werden.
- a) the position and orientation determination of a digital camera in the object space coordinate system, eg WGS84 for GPS or a self-defined construction-fixed system, is greatly improved, and thereby
- b) information such as a point of the object space or from a direction of the object space, which are present in different wavelength ranges, are assigned to each other easier and more accurate.
Dies kann besonders vorteilhaft zur Erweiterung des in der
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