DE102017101164A1

DE102017101164A1 - Optisches Linsensystem für ein Vorsatzobjektiv vor ein Kameramodul eines elektrischen Endgeräts

Info

Publication number: DE102017101164A1
Application number: DE102017101164.1A
Authority: DE
Inventors: Vladan Blahnik; Oliver Schindelbeck
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2017-01-23
Filing date: 2017-01-23
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2037-01-24
Also published as: US20180210173A1; CN108345089A; US10606032B2; DE102017101164B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Vorsatzobjektivsystem mit zumindest einem Vorsatzobjektiv vor ein Kameramodul eines elektronischen Endgeräts, umfassend eine objektseitige Linseneinheit mit positiver Brechkraft und eine bildseitige Linseneinheit mit positiver Brechkraft, wobei zwischen der objektseitigen Linseneinheit und der bildseitigen Linseneinheit ein Zwischenbild erzeugbar ist.Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Vorsatzobjektiv für ein solches Vorsatzobjektivsystem.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein optisches Linsensystem für ein Vorsatzobjektiv vor ein Kameramodul eines elektronischen Endgeräts.
Beschreibung des Standes der Technik
Mobile elektronische Endgeräte wie beispielsweise Handys, persönliche digitale Assistenten („PDA“) oder Tablets sind heutzutage in der Regel mit einem oder mehreren Kameramodulen ausgestattet. Diese Kameramodule werden für die verschiedensten Zwecke eingesetzt wie beispielsweise für das Erstellen von Portraitaufnahmen, das Einlesen von Barcodes oder für das Aufnehmen von Videosequenzen. Viele dieser kompakten Kameramodule weisen eine niedrige Standardauflösung zwischen 0.3 Megapixeln („MP“, entsprechend einer VGA-Auflösung) und 3 MP auf. Seit einigen Jahren werden verstärkt hochauflösende Kameramodule mit 5 MP, 8 MP oder 12 MP mit steigenden Marktanteilen verwendet. Alle diese Kameramodule besitzen in der Regel eine feste Brennweite, da eine Mechanik zur Brennweitenverstellung aufgrund der geringen Bautiefen aufwändig und mit hohen Kosten verbunden wäre.
Die feste Brennweite stellt bei bestimmten fotografischen Aufgabenstellungen eine empfindliche Beschränkung dar. Beispielsweise bei der Aufnahme makroskopischer Details, bei der Aufnahme großformatiger Bauwerke oder bei weit entfernten Objekten besteht oftmals der Wunsch nach einem veränderbaren Bildwinkel. Die bekannten Kameramodule weisen üblicherweise einen Bildwinkel von 75° auf (über die gesamte Diagonale im Objektraum angegeben) und sind mit einer Vorderblende meist objektseitig vor der ersten Linse, in seltenen Fällen mit einer Blende direkt nach dem ersten Linsenelemente ausgelegt.
Um dem Wunsch nach einem veränderbaren Bildwinkel abzuhelfen, sind am Markt entsprechende Vorsatzoptiken erhältlich. Diese Vorsatzoptiken sind im Fall von Weitwinkel- oder Televorsätzen in der Regel als afokale Vorsatzoptiken ausgelegt. Damit wird gewährleistet, dass eine fokussierte Abbildung bei einer Objektentfernung von unendlich erhalten bleibt. Die notwendige Fokussierung kann weiterhin mit dem Kameramodul durchgeführt werden. Üblicherweise werden afokale Vorsatzoptiken mit einem Vergrößerungsfaktor charakterisiert. So bedeutet ein Vergrößerungsfaktor „0,6x“, dass die Brennweite des Gesamtsystems, bestehend aus Vorsatzoptik und Kameramodulobjektiv, um einen Faktor 0,6 reduziert wird gegenüber der Brennweite des Kameraobjektivs allein. Damit wird der entsprechende Bildwinkel vergrößert. Umgekehrt bedeutet ein Vergrößerungsfaktor „2x“, dass die Brennweite des Gesamtsystems, bestehend aus Vorsatzoptik und Kameramodulobjektiv, um einen Faktor 2 vergrößert wird und entsprechend der Bildwinkel kleiner wird.
Die im Markt erhältlichen Vorsatzoptiken leiden unter einer Verschlechterung der Abbildungsleistung beispielsweise zum Rand des Bildfeldes, was sich bereits bei unvergrößerter Betrachtung als störend darstellt. Die Verschlechterung der Abbildungsleistung betrifft insbesondere die sogenannten Asymmetriefehler, d.h. Koma, Verzeichnung und Astigmatismus. Hinzu kommen Abbildungsverschlechterungen durch eine Dezentrierung oder Verkippung der Vorsatzoptik gegenüber der optischen Achse des Kameramoduls.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Vorsatzoptiken aufgrund ihres inhärenten Aufbaus mit dem Bestreben nach besserer Abbildungsleistung größer werden müssten. Wenn die bekannten Vorsatzoptiken über eine einfache konvexe Sammellinse hinausgehen und afokal ausgelegt sind, wird eine Linse mit positiver Brechkraft mit einer Linse mit negativer Brechkraft kombiniert. Werden nun höhere Abbildungsleistungen wie beispielsweise ein Vergrößerungsfaktor „4x“ angestrebt, so ergibt sich beispielsweise rein rechnerisch ein Durchmesser für eine geeignete Vorsatzoptik von 65 mm ohne Gehäuse. Diese Abmessungen sind zwar theoretisch realisierbar, haben aber in der Praxis eine unbefriedigende Handhabung zur Folge. Einerseits dominiert die Vorsatzoptik dann die Kombination aus mobilem elektronischen Gerät und Vorsatzoptik aufgrund ihrer schieren Größe, so dass der Vorteil einer solchen Zusatzoptik gegenüber einem eigenen Fotoapparat in dieser Hinsicht verloren geht.
Zum anderen werden zunehmend zwei oder Kameramodule nebeneinander in den genannten mobilen elektronischen Endgeräten verbaut. Diese werden beispielsweise für Stereoaufnahmen oder Entfernungsmessungen verwendet oder weisen zwei verschiedene Brennweiten auf, die für verschiedenen Zwecke eingesetzt werden. Werden beispielsweise zwei Kameramodule nebeneinander eingesetzt, sind Abstände zwischen 9mm und 20 mm bekannt. Weist nun die Vorsatzoptik die genannten Abmessungen auf, wird bei einer Verwendung der Vorsatzoptik eines der beiden Kameramodule verdeckt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein optisches Linsensystem für ein Vorsatzobjektiv vor ein Kameramodul eines elektronischen Endgeräts anzugeben, das die genannten Nachteile mildert und insbesondere einen geringeren Außendurchmesser als die bekannten Vorsatzobjektive aufweist.
Die Aufgabe wird durch ein Vorsatzobjektivsystem gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den entsprechenden abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Vorsatzobjektivsystem mit zumindest einem Vorsatzobjektiv vor ein Kameramodul eines elektronischen Endgeräts weist eine objektseitige Linseneinheit mit positiver Brechkraft und eine bildseitige Linseneinheit mit positiver Brechkraft auf. Ein solches Kameramodul kann beispielsweise in einem Handy oder in einem industriellen Umfeld, beispielsweise an einem Roboterarm, zum Einsatz kommen. Das Kameramodul eines solchen elektronischen Endgeräts weist in der Regel ein abbildendes Objektiv auf. Es ist vorgesehen, dass zwischen der objektseitigen Linseneinheit und der bildseitigen Linseneinheit ein Zwischenbild erzeugbar ist. Mit einer solchen Anordnung der Linseneinheiten wird von dem bisher üblicherweise verwendeten Aufbau abgewichen, der einem Galileischen Fernrohr entspricht. Stattdessen wird ein Aufbau verwendet, der mit dem Aufbau eines Keplerschen Fernrohrs vergleichbar ist. Diese Vorgehensweise hat mehrere Vorteile. Aufgrund der Entstehung des Zwischenbilds bleibt der Gesamtdurchmesser der Vorsatzoptik deutlich kleiner verglichen mit dem bisher herkömmlicherweise verwendeten Galileischen Aufbaus.
Gleichzeitig bietet das Vorhandensein eines Zwischenbilds die Möglichkeit, feldnahe Eingriffe vorzunehmen und so beispielsweise Filterelemente einzubringen.
Schließlich bietet das Zwischenbild eine Schnittstelle, an der verschiedene Vorsatzoptikelemente angeschlossen werden können.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die objektseitige Linseneinheit eine erste Brennweite f₁, die bildseitige Linseneinheit eine zweite Brennweite f₂ und die beiden Linseneinheiten einen Abstand d zueinander aufweisen, wobei gilt, dass die Summe der beiden Brennweiten dem Abstand der Hauptebenen beiden Linseneinheiten entspricht: $f 1 + f 2 = d .$
Mit dieser auch Keplersche Bedingung genannten Beziehung fallen die Brennpunkte der beiden Linseneinheiten zusammen und das Zwischenbild wird durch die zweite Linseneinheit zusammen mit der Optik des Kameramoduls auf die Sensorfläche des Kameramoduls abgebildet. Es entsteht auf der Sensorfläche ein auf dem Kopf stehendes und seitenverkehrtes Bild. Dies kann für den menschlichen Betrachter des Bildes in dem elektronischen Endgerät bevorzugt auf rein elektronischen Wege korrigiert werden. Es ist aber auch eine rein optische Korrektur mit einem Einsatz von Prismen oder Spiegeln oder dergleichen oder eine Kombination aus elektronischer und optischer Korrektur möglich.
Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Zwischenbild an der Stelle erzeugbar ist, die von der Hauptebene der objektseitigen Linseneinheit die erste Brennweite f₁ und von der Hauptebene der bildseitigen Linseneinheit die zweite Brennweite f₂ entfernt ist. Somit befindet sich das Zwischenbild an einer Stelle, die sich besonders für eine mechanische Schnittstelle zwischen den beiden Linseneinheiten eignet.
Das Vorsatzobjektivsystem kann afokal ausgelegt sein. Damit ist das Vorsatzobjektivsystem nicht abbildend und als Vorsatz vor ein Kameramodul geeignet.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die objektseitige Linseneinheit und die bildseitige Linseneinheit bezüglich Telezentrie, numerischer Apertur oder/und Feldgröße aufeinander abgestimmt sind. Dies ermöglicht es, zwischen der objektseitigen-Linseneinheit und der bildseitigen Linseneinheit eine Schnittstelle vorzusehen, welche aufgrund der dann vorhandenen Kompatibilität zwischen der objektseitigen und der bildseitigen Linseneinheit beispielsweise eine Austauschbarkeit der objektseitigen Linseneinheit für eine Veränderung der Gesamtbrennweite oder des Bildwinkels ermöglicht.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die objektseitige Linseneinheit und die bildseitige Linseneinheit telezentrisch sind, die gleiche numerische Apertur aufweisen oder/und die gleiche Feldgröße aufweisen. Je enger die beiden Linseneinheiten bezüglich der genannten Größen aufeinander abgestimmt sind, desto geringer sind die Verluste im Kontrast (eine beugungsbegrenzte Abbildung vorausgesetzt) und desto kleiner ist eine Vignettierung des Bildes, bei der sich das Bild zum Feldrand verdunkelt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann die objektseitige Linseneinheit oder/und die bildseitige Linseneinheit so ausgelegt sein, dass ein Hauptstrahl mit der optischen Achse der objektseitigen Linseneinheit einen Winkel kleiner gleich 15°, bevorzugt kleiner gleich 10°, besonders bevorzugt kleiner gleich 5° einschließt. Bei Einhalten dieser telezentrienahen Bedingung wird sichergestellt, dass beispielsweise ein von der objektseitigen Linseneinheit erzeugtes Bild ohne große Verluste an die bildseitige Linseneinheit übergeben werden kann.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Vorsatzobjektivsystem ein objektseitiges Vorsatzobjektiv und ein bildseitiges Vorsatzobjektiv aufweist, wobei die beiden Vorsatzobjektive miteinander koppelbar sind. Bei dem erfindungsgemäßen Vorsatzobjektivsystem ist insbesondere eine einfache Koppelbarkeit zwischen der objektseitigen Linseneinheit und der bildseitigen Linseneinheit von Vorteil. Dies ermöglicht einerseits einen Austausch des objektivseitigen Vorsatzobjektivsystems, um das gesamte Vorsatzobjektivsystem an verschiedene Anwendungsfälle anzupassen. Gleichzeitig kann nach einem Erwerb des Vorsatzobjektivsystems für das Kameramodul eines bestimmten elektronischen Endgeräts durch einen Austausch des bildseitigen Vorsatzobjektivs die bereits erworbenen objektivseitigen Vorsatzobjektive ohne Anpassung weiterverwendet werden.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die beiden Vorsatzobjektive mittels einer Schnittstelle miteinander koppelbar sind und die Schnittstelle im Bereich des Zwischenbilds angeordnet ist. Die Schnittstelle kann mechanischer Natur sein. Beispielsweise kann hierbei eine bekannte Objektivkoppelvorrichtung wie ein Bajonettverschlusssystem, eine Verschraubung oder eine magnetische Halterung Anwendung finden. Die Anordnung der mechanischen Schnittstelle im Bereich des Zwischenbilds ermöglicht eine Kombination aus mechanischer und optischer Schnittstelle, die eine besondere Flexibilität des gesamten Vorsatzobjektivsystems zur Folge hat. Gleichzeitig kann das gesamte Vorsatzobjektivsystem mit besonders geringem Durchmesser hergestellt werden.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Bereich des Zwischenbilds eine Feldeingriffsvorrichtung angeordnet ist. Es ist aufgrund des Vorhandenseins eines Zwischenbilds möglich, feldnahe Eingriffe vorzunehmen. Diese wirken sich im Gegensatz zu blendennahen Eingriffen auf das gesamte auf dem Sensor des Kameramoduls erzeugte Bild aus.
Beispielsweise können als Feldeingriffsvorrichtungen ein Graustufenfilter, ein Mikrolinsenarray oder/und eine Feldwölbungsplatte vorgesehen sein.
Ein Graustufenfilter kann beispielsweise dafür geeignet sein, Landschaftsaufnahmen mit einem dynamischen Graustufenbereich zu versehen. Solche Graustufen- oder Grauverlaufsfilter können beispielsweise bei Landschaftsaufnahmen dazu eingesetzt werden, einen wesentlich helleren Bildbereich wie beispielsweise den Himmel gegenüber einem anderen Bildbereich wie beispielsweise der eigentlichen Landschaft abzudunkeln. Bei der vorliegenden Lösung ist es insbesondere von Vorteil, dass ein solcher Filter für alle verfügbaren Vorsatzobjektive, also sowohl für Weitwinkel- als auch für Teleobjektive einsetzbar ist.
Ein Mikrolinsenarray kann beispielsweise für die Erzeugung von Lichtfeldaufnahmen verwendet werden. Das Vorsatzobjektivsystem mit einem solchen Mikrolinsenarray rüstet somit das Kameramodul zu einer plenoptischen Kamera auf.
Eine Feldwölbungsplatte könnte beispielsweise einen Feldeingriff derart vornehmen, dass die auf dem Sensor entstehende Aufnahme den Eindruck erweckt, sie wäre mit einer Kamera aus den Anfängen der Fotografie mit den entsprechenden Abbildungsfehlern aufgenommen (Retro-Look). Es könnte auch ein Feldeingriff mit einer Feldwölbung derart vorgenommen werden, dass ein nichtebenes Objektfeld scharf abgebildet wird. So könnte beispielsweise ein kugel- oder zylinderförmiges Objektfeld mit einer entsprechenden Feldwölbungsplatte auf dem gesamten Objektfeld scharf abgebildet werden. Es könnten des Weiteren mit einer solchen Feldwölbungsplatte auch ebene Objekte, bei denen die Ebene nicht senkrecht zur optischen Achse ist, durchgehend scharf abgebildet werden. Dies würde im Ergebnis den Merkmalen eines Tilt- oder Tilt-Shift-Objektivs entsprechen.
Besonders bevorzugt ist in diesen Zusammenhang, dass die Feldeingriffsvorrichtung mit der Schnittstelle koppelbar, insbesondere mechanisch koppelbar, ist. Dies ermöglicht einfache mechanische Lösungen für ein Einschieben, Auf- oder Einstecken der entsprechenden Filter je nach dem momentanen Verwendungszweck. Es ist in diesem Zusammenhang auch möglich, einen solchen Feldeingriff mit nur einer Komponente [Vorsatzobjektiv?] variabel zu gestalten im Sinne einer feldnahen Alvarez-Lohmann-Manipulation.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass bildseitig der bildseitigen Linseneinheit eine Pupilleneingriffsvorrichtung vorgesehen ist. Als Pupilleneingriffsvorrichtung können beispielsweise eine Pupillenformvorrichtung, ein Apodisationsfilter oder ein Phasenelement vorgesehen sein. Das Phasenelement könnte beispielsweise eine Wellenfrontaberration beispielsweise für einen Weichzeichnungseffekt mit einer sphärischen Aberration einbringen. Solch ein Phaseneingriff könnte auch variabel mit einer Neutralstellung geschehen. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die Pupilleneingriffsvorrichtung mit der Schnittstelle koppelbar, insbesondere mechanisch koppelbar, ist.
Bei einem Vorsatzobjektivsystem kann vorgesehen sein, dass das objektseitige Vorsatzobjekt als abbildendes Objektiv, insbesondere als Weitwinkelobjektiv, Teleobjektiv, Zoomobjektiv, Makroobjektiv oder/und Mikroobjektiv ausgelegt ist. Somit ist es möglich, mit dem erfindungsgemäßen Vorsatzobjektivsystem mit nur einem bildseitigen Vorsatzobjektiv je nach Bedarf eine Reihe verschiedener objektseitiger Vorsatzobjektive anzukoppeln und so verschiedene Gesamtabbildungstypen mit beispielsweise verschiedenen Bildwinkeln (FOV) zu erreichen.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Vorsatzobjektiv für das eben erläuterte Vorsatzobjektivsystem.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass das Vorsatzobjektiv als bildseitiges Vorsatzobjektiv so ausgelegt ist, dass das Kameramodul zusammen mit dem Vorsatzobjektiv eine Abbildung mit einem Maßstab von 1:0,5 zu 1:2 aufweist. Dies ermöglicht zum einen die Verwendung des bildseitigen Vorsatzobjektivs als Makro- oder Mikroskopvorsatz. Bei einer üblicherweise anzutreffenden Sensorgröße bei heutzutage verwendeten Kameramodulen von 5-7 mm und der damit einhergehenden Bildgröße ergibt sich somit eine entsprechende Objektgröße, die formatfüllend abgebildet werden kann. Bei der momentan anzutreffenden Pixelgröße oder Pixelperiode kann mit einer entsprechenden numerischen Apertur des Vorsatzobjektivs eine Auflösung von etwa 2 µm erreicht werden. Dies stellt eine beachtliche Abbildungsleistung bei vergleichsweise geringen Kosten dar und bildet gleichzeitig ein sehr kompaktes und mobiles System gegenüber herkömmlichen Mikroskopen dar.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Vorsatzobjektiv als bildseitiges Vorsatzobjektiv zusammen mit dem Kameramodul eine Relay-Optik bildet. Dies bedeutet, dass die bildseitige Vorsatzoptik so ausgelegt ist, dass die Zwischenebene, die gemäß einem Keplerschen Aufbau vorgesehen ist, im Wesentlichen 1:1 auf die Sensorebene des Kameramoduls abgebildet wird und umgekehrt.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass ein Vorsatzobjektiv, insbesondere das bildseitige Vorsatzobjektiv des Vorsatzobjektivsystems, eine Aufnahmevorrichtung für einen Objektträger aufweist. Somit kann das sich ergebende System aus bildseitigem Vorsatzobjektiv und elektronischem Endgerät als kompaktes und tragbares Mikroskopsystem eingesetzt werden.
Bevorzugt ist in diesem Zusammenhang, wenn der Objektträger mit der Schnittstelle koppelbar ausgebildet ist. Somit kann die ohnehin vorhandene mechanische Schnittstelle für das objektseitige Vorsatzobjektiv auf Seiten des bildseitigen Vorsatzobjektivs gleichzeitig für die Befestigung des Objektträgers verwendet werden.
Für diese Verwendung des bildseitigen Vorsatzobjektivs kann ein Beleuchtungssystem für ein solches Vorsatzobjektiv vorgesehen sein, wobei das Beleuchtungssystem ebenfalls bevorzugterweise mit der Schnittstelle, die für ein objektseitiges Vorsatzobjektiv vorgesehen ist, koppelbar ist.
Das Beleuchtungssystem kann eine Aperturblende oder/und eine Leuchtfeldblende aufweisen. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise eine Köhlersche Beleuchtung realisieren und so eine sehr gleichmäßige Beleuchtungsverteilung in der Objektebene erzielen.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass das Beleuchtungssystem eine Beleuchtungsapertur aufweist, die an die Objektivapertur anpassbar ist oder/und dass die Größe des beleuchteten Objektfeldes anpassbar ist.
Ebenfalls besonders bevorzugt ist es, wenn die numerische Apertur eines Vorsatzobjektivs zwischen 0,125 und 0,5, bevorzugt bei 0,25 ± 0,1 liegt. Diese numerische Apertur entspricht der numerischen Apertur vieler Kameramodule und stellt einen guten Kompromiss zwischen einer kleineren Apertur und einer größeren Apertur dar. Die kleinere Apertur würde zwar das Design des Vorsatzobjektivs erleichtern, würde aber zu einem größeren Linsendurchmesser führen. Bei einer größeren Apertur hingegen würde sich zwar ein deutlich kleinerer Linsendurchmesser ergeben, aber den Designaufwand wäre signifikant erhöht und die größere Apertur würde zu einer sehr kurzen Schärfentiefe und damit zu einem deutlich erhöhten Positionieraufwand führen.
Bei einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Feldgröße bei 6 mm ±2 mm liegt. [Hr. Blahnik: Bitte prüfen!]
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

1 in einem Linsenschnitt eine erste Ausführungsform eines als Mikroskopvorsatzobjektiv fungierenden Vorsatzobjektivs;
2 in einem Linsenschnitt eine zweite Ausführungsform eines als Mikroskopvorsatzobjektiv fungierenden Vorsatzobjektivs;
3 in einem Linsenschnitt eine Ausführungsform eines Vorsatzobjektivsystems für ein Kameramodul, das als Teleobjektivsystem ausgelegt ist; und
4 in einem Linsenschnitt eine Ausführungsform eines Vorsatzobjektivsystems für ein Kameramodul, das als Zoomobjektivsystem ausgelegt ist.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 zeigt in einem Linsenschnitt einer ersten Ausführungsform eines optischen Linsensystems 10 für ein Vorsatzobjektiv eines Vorsatzobjektivsystem gemäß der Erfindung. Das hier dargestellte Linsensystem kann beispielsweise in einem bildseitigen Vorsatzobjektiv eingesetzt werden und so ein Vorsatzobjektivsystem gemäß der vorliegenden Erfindung bilden. Es kann als einziges Vorsatzobjektiv eingesetzt werden und kann dann als Makro-/Mikroskopvorsatz dienen.
Der in der 1 gezeigte Linsenschnitt ist im Wesentlichen maßstabsgetreu. Zusätzlich zu dem Linsenschnitt ist in einer schematischen Darstellung ein Kameramodul 12 mit einem Deckglas 14, einer Aperturblende 15, einem Kameraobjektiv 16, das durch eine ideale Linse 18 repräsentiert wird und mit einer Sensorfläche 20 dargestellt. Des Weiteren sind hier und in den folgenden Abbildungen ein Zentralstrahlenbündel und Randstrahlenbündel zur Veranschaulichung der Abbildungssituation dargestellt.
Das hier als Ausführungsform beschriebene Linsensystem 10 für das Kameramodul 12 ist als dreiteiliges Linsensystem aufgebaut und weist entlang einer zentralen optischen Achse A drei Linseneinheiten Le1. LE2, LE3 und insgesamt vier Linsen, nämlich eine erste Linse 22, eine zweite Linse 24, eine dritte Linse 26 und eine vierte Linse 28 auf. Die Brechkraft des gesamten Aufbaus ist positiv. Es sind in dem in der 1 gezeigten Aufbau ausschließlich sphärische Oberflächen vorgesehen, um die Herstellungskosten niedrig zu halten. Selbstverständlich können anstelle der sphärischen Oberflächen auch asphärische Oberflächen um Einsatz kommen, wenn eine besonders aufwändige Korrektur des optischen Systems erreicht werden soll.
Das Linsensystem 10 selbst besitzt keine Blende. Das Kameramodul 12 hingegen weist eine bezogen auf das Kameraobjektiv 16 objektseitig angeordnete Aperturblende 15 auf. Das Kameramodul 12 besitzt beispielsweise eine Festbrennweite mit FOV ≈ 75° (FOV = „Field Of View“, volle Diagonale im Objektraum). Der Durchmesser der Eintrittspupille kann beispielsweise 1,5-2 mm betragen. Die in der 1 gezeigten Aperturen und Blenden stellen nicht notwendigerweise Größe und Form derselben dar, sondern geben die Position der Blende entlang der optischen Achse A an.
Der Aufbau des Linsensystems 10 wird nun von links nach rechts, also von Objektseite zu Bildseite beschrieben.
Die objektseitig erste Linseneinheit LE1 ist als Kittglied aus zwei Linsen, nämlich der ersten Linse 22 und der zweiten Linse 24, mit unterschiedlichen Glasarten aufgebaut. Die objektseitig erste Linse 22 ist meniskusförmige mit insgesamt negativer Brechkraft. Die erste Linse ist aus einer ersten Glasart, beispielsweise Lanthanschwerflintglas NLaSF9 (Schott), gefertigt und weist objektseitig eine konvexe Oberfläche 221 und bildseitig eine konvexe Oberfläche 222 auf.
Die konvexe Oberfläche weist einen Krümmungsradius auf, der bei 83,8557 ± 4,19 mm liegen kann.
Grundsätzlich gilt jedoch, dass optische Systeme wie das hier beschriebene proportional vergrößert oder verkleinert werden können, beispielsweise zur Anpassung an eine andere Bildgröße, und somit die hier angegebenen Radien, Durchmesser, Dicken und Abstände lediglich beispielhaft zu verstehen sind.
Der Krümmungsradius der konvexen objektseitigen Oberfläche 221 ist größer als der Radius der ebenfalls sphärischen konkaven Oberfläche 222, welcher beispielsweise bei 6,4250 ± 0,32 mm liegen kann.
Der Abstand des Scheitelpunkts der bildseitigen Oberfläche 222 von dem Scheitelpunkt der objektseitigen Oberfläche 221 kann beispielsweise bei 0,4150 ± 0,02 mm liegen.
Die zweite bildseitige Linse 24, die den zweiten Teil des Kittglieds LE1 bildet, ist aus einer zweiten Glasart, beispielsweise Schwerkronglas N-SK16, gefertigt und weist objektseitig eine sphärisch konvexe Oberfläche 241 mit einem Krümmungsradius auf, der dem der bildseitigen Oberfläche 222 der ersten Linse 22 entspricht.
Bei der vorliegenden Beschreibung des Linsensystems 10 und nachfolgenden Ausführungsformen wird auf die optischen Eigenschaften einer Kittstelle zwischen Linsen nicht näher eingegangen, da deren Einfluss auf das Gesamtsystem als vernachlässigbar angesehen wird.
Die zweite Linse 24, die mit ihrer objektseitigen konvexen sphärischen Oberfläche 241 in direktem Kontakt - also ohne einen Luftspalt - mit der bildseitigen Oberfläche 222 der ersten Linse 22 steht, weist an ihrer bildseitigen Oberfläche 242 eine konvexe Krümmung mit einem Krümmungsradius von -8,8889 ± 0,44 mm auf. Der Scheitelpunkt der bildseitigen Oberfläche 242 ist von dem Scheitelpunkt der objektseitigen Oberfläche 241 2,22 ± 0,11 mm entfernt.
An die eben beschrieben Linseneinheit LE1 schließt sich mit einem minimalen Luftspalt eine zweite Linseneinheit an, die im Wesentlichen die dritte Linse 26 aufweist. Die dritte Linse 26 weist eine objektseitig konvex gekrümmte Oberfläche 261 mit einem Krümmungsradius von 10,6175 ± 0,53 mm auf, deren Scheitelpunkt um einen Luftspalt von 0,055 ± 0,003 mm von dem der bildseitigen Oberfläche 241 der zweiten Linse 24 entfernt ist. Die ebenfalls konvexe bildseitige Oberfläche 262 der dritten Linse 26 weist einen Radius von -106,0916 ± 5,3 mm auf und ist mit ihrem Scheitelpunkt 1,25 ± 0,06 mm von dem der objektseitigen Oberfläche 261 entfernt. Die dritte Linse 26 ist ebenfalls aus einem Schwerkronglas gefertigt, beispielsweise N-SK16 (Schott).
Die vierte Linse 28 bildet die dritte Linseneinheit LE3. Sie ist aus einer weiteren Glasart, einem Lanthanflintglas, beispielsweise N-LaF2 (Schott), gefertigt und weist eine konvex gekrümmte objektseitige Oberfläche 281 und eine konkav gekrümmte bildseitige Oberfläche 282 auf. Der Krümmungsradius der objektseitige Oberfläche 281 beträgt 6,0257 ± 0,30 mm, der Krümmungsradius der bildseitigen Oberfläche 282 51,2517 ± 2,56 mm. Der Scheitelpunkt der objektseitigen Oberfläche ist 2,5 ± 0,13 mm von dem Scheitelpunkt der bildseitigen Oberfläche 262 der dritten Linse 26 entfernt, der Scheitelpunkt der bildseitigen Oberfläche 282 ist 1,25 ± 0,06 mm von dem Scheitelpunkt der objektseitigen Oberfläche 281 entfernt.

Das Linsensystem 10 besteht im Wesentlichen aus den Linseneinheiten LE1, LE2 und LE2. Der Ausdruck „besteht im Wesentlichen aus“ bedeutet, dass das optische Linsensystem zusätzlich zu den oben als Bestandteil erwähnten Linsen auch Linsen, die praktisch keine Brechkraft aufweisen, andere optische Elemente als Linsen wie eine Blende, eine Maske, eine Glasabdeckung oder/und einen Filter, mechanische Komponenten wie Linsenflansche, einen Linsentubus, ein Bildgebungselement oder/und einen Kameraverwacklungs-Korrekturmechanismus umfassen kann. Das gesamte Linsensystem 10 ist in der in 1 gezeigten Ausführungsform 2,5 ± 0,13 mm vor dem Kameramodul 12, genauer vor dem Abdeckglas 14 mit als planar angenommenen objektseitigen und bildseitigen Oberflächen 141, 142 zu positionieren. Die nachfolgende Tabelle gibt die bei der Berechnung des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels eines Linsensystems 10 angenommenen Parameter wieder:

Bezugszeichen der Oberfläche	Radius in mm	Dicke in mm	Glasart
221	83,8557	0,4150	N-LaSF9 (Schott)
222	6,4250	2,220	N-SK16 (Schott)
241	6,4250	-
242	-8,8889	0,0550
261	10,6175	1,2500	N-SK16 (Schott)
262	-106,0916	2,500
281	6,0657	1,2500	N-LaF2 (Schott)
282	51,2518	2,5000
141	∞	0,2400	N-BK7 (Schott)
142	∞	0,4600
15	0	0,0000
18	0	4,0000

Das Linsensystem 10 der 1 weist einen maximalen Linsendurchmesser von 12 mm auf und ist ca. 30 mm lang. Mit einer größeren Anzahl an Linsenelementen, beispielsweise sieben, lassen sich maximale Linsendurchmesser von 10 mm für eine Feldgröße von 6 mm und einer Blendenzahl von f/2 erreichen. Die Gesamtlänge liegt dann bei ca. 25 mm.
2 zeigt in diesem Zusammenhang in einem Linsenschnitt eine zweite alternative Ausführungsform eines als Mikroskopvorsatz einsetzbaren Linsensystems 300 für ein Vorsatzobjektiv. Im Vergleich zu der Darstellung der 1 ist in dem Kameramodul 12 die Optik mit einzelnen Linsen dargestellt. Auf eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Linsen und Oberflächen wird in diesem und den folgenden Ausführungsformen verzichtet.
Das in 2 abgebildete Linsensystem 300 ist in ein bildseitiges Vorsatzobjektiv 301 integriert und kann Teil eines Vorsatzobjektivsystems sein. Das Vorsatzobjektiv 301 kann aber auch alleinstehend verwendet werden, da es sich als Mikroskop-/Makrovorsatz eignet. Das Vorsatzobjektiv 301 weist eine bildseitige Koppelvorrichtung 303 auf, die für die Ankopplung an das Kameramodul 12 dient. Gleichzeitig kann vorgesehen sein, dass an der Koppelvorrichtung 303 eine Pupilleneingriffsvorrichtung 305 anbringbar ist, die in der 2 gestrichelt dargestellt ist. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Apodisationsfilter, eine Pupillenformvorrichtung, einen Polarisationsfilter oder um ein Phasen- oder Wellenfrontelement handeln. Die Pupilleneingriffselemente könnten auch variabel eingeführt oder eingebracht werden.
Des Weiteren weist das Vorsatzobjektiv 301 eine objektseitige Koppelvorrichtung 307 auf. An dieser kann beispielsweise ein weiteres Vorsatzobjektiv (nicht abgebildet] ankoppelbar sein. Alternativ oder zusätzlich kann an der objektseitigen Koppelvorrichtung 307 ein Feldeingriffselement [nicht abgebildet) ankoppelbar sein. Die objektseitige Koppelvorrichtung 307 befindet sich im Bereich eines Zwischenbilds 309, das in 2 gestrichelt dargestellt ist.
Ebenfalls alternativ oder zusätzlich kann an der objektseitigen Koppelvorrichtung 307 eine Aufnahmevorrichtung 311 für ein zu beobachtendes Objekt vorgesehen sein. Die Aufnahmevorrichtung 311 ist in der 2 nur schematisch dargestellt und kann beispielsweise als Objektträger ausgebildet sein.
Die Aufnahmevorrichtung 311 kann zusätzlich oder alternativ als Beleuchtungssystem ausgebildet sein. Das Beleuchtungssystem kann als Phasenkontrast- oder als Dunkelfeldbeleuchtung ausgebildet sein. Es können besonders geeignete Beleuchtungspupillenformen zur Verbesserung der Auflösung eingesetzt werden. So können beispielweise flexible Beleuchtungsarten durch Veränderung der numerischen Apertur realisiert werden. Dies kann die Tiefenschärfe beeinflussen und ist objektstrukturabhängig. In manchen Fällen ist es bevorzugt, sogenannte „Low-Sigma-Verteilungen“ oder „High-Sigma-Verteilungen“ zu verwenden. Zur Verbesserung der Auflösung kann es sinnvoll sein, beim Phasenkontrastverfahren eine ringfömige Struktur zur Erzielung einer annularen Phasenverteilung einzusetzen.
Das Linsensystem 300 der 2 umfasst sechs Linseneinheiten, die teilweise sphärisch, teilweise asphärisch ausgelegt sind. Es weist übergreifend Linsendurchmesser kleiner 9 mm auf und ist ca. 22 mm lang. Es ist vorliegend mit Kunststoffelementen ausgeführt.
3 zeigt in einem Linsenschnitt zusätzlich zu dem bereits in 2 gezeigten Linsensystem 300 für ein Vorsatzobjektiv 301 vor ein Kameramodul 12 ein Linsensystem 400 für ein weiteres, objektseitiges Vorsatzobjektiv 401, das insgesamt mit dem Linsensystem 300 und dem Kameramodul 12 als Teleobjektiv mit einer Äquivalenzbrennweite bezüglich der Kleinbildformats von 120 mm arbeitet. Während das Linsensystem 300 des bildseitigen Vorsatzobjektivs 301 ca. 22 mm Länge aufweist, trägt das Linsensystem 400 für das objektseitige Vorsatzobjektiv 401 ca. 45 mm zusätzlich bei. Mit einer weitergehenden Optimierung des Linsensystems 400 sind Längen unter 40 mm erreichbar, die auch für Kameramodule mit großer Apertur wie beispielsweise f/1.4 oder f/1.8 bei einem Linsen-/Objektivdurchmesser unter 12 mm einsetzbar sind.
Das Vorsatzobjektiv 401 weist eine mit der Koppelvorrichtung 307 des bildseitigen Vorsatzobjektivs 301 koppelbare bildseitige Koppelvorrichtung 407 auf. Die bildseitige Koppelvorrichtung 407 des objektseitigen Vorsatzobjektivs 401 ist weiterhin dazu ausgelegt, ein Feldeingriffselement 405 - in der 3 gestrichelt dargestellt - aufzunehmen. Bei der Feldeingriffsvorrichtung 405 kann es sich beispielsweise um einen Graustufenfilter, ein Mikrolinsenarray, eine Phasenkeilplatte oder/und eine Feldwölbungsplatte handeln
4 zeigt in einem Linsenschnitt ein alternatives Linsensystem 400 für ein objektseitiges Vorsatzobjektiv, das mit einem bildseitigen Vorsatzobjektiv mit dem Linsensystem 200 kombiniert wird. In dieser Linsensystemkombination ergibt sich ein Zoom-Objektiv mit 28-85 mm Äquivalenz-Brennweite zum Kleinbildformat, das in der gezeigten Ausführungsform ca. 69 mm Länge aufweist. Bei weiterer Optimierung sind Längen zwischen 45 mm und 50 mm erreichbar.
Insgesamt ermöglich das erfindungsgemäße Konzept der Zweiteilung einer Vorsatzoptik vor ein Kameramodul unter Bildung eines Zwischenbilds die Realisierung hochqualitativer Linse-/Vorsatzobjektivsysteme mit deutlich kleinerem Durchmesser als bestehende Ansätze. Bereits aus der einzelnen bildseitigen Vorsatzoptik ergibt sich eine äußerst kompakte, tragbare und leistungsstarke Mikroskopoptik.
Die Ausbildung einer mechanisch zugänglichen Schnittstelle am Ort des Zwischenbilds ermöglicht feldnahe Eingriffe, die sich dem eigentlichen Bild überlagern. Es sind beispielsweise Graustufenfilter für HDR-Aufnahmen, gekrümmte Phasenelemente beispielsweise für einen Retro-Landschaftslinsen-Effekt oder beispielsweise zur scharfen Abbildung von Flächen mit verschiedener Geometrie möglich.
Aufgrund der geringen Durchmesser ist das System besonders für elektronische Endgeräte mit zwei nah benachbarten Kameramodulen geeignet.

Claims

Vorsatzobjektivsystem mit zumindest einem Vorsatzobjektiv (301, 401) vor ein Kameramodul (12) eines elektronischen Endgeräts, umfassend eine objektseitige Linseneinheit (400) (mit positiver Brechkraft und eine bildseitige Linseneinheit (300) mit positiver Brechkraft, wobei zwischen der objektseitigen Linseneinheit (400) und der bildseitigen Linseneinheit (300) ein Zwischenbild (309) erzeugbar ist.
Vorsatzobjektivsystem nach Anspruch 1, wobei die objektseitige Linseneinheit (400) eine erste Brennweite f₁, die bildseitige Linseneinheit (300) eine zweite Brennweite f₂ und die beiden Linseneinheiten (400, 300) einen Abstand d zueinander aufweisen, wobei gilt, dass die Summe der beiden Brennweiten dem Abstand der Hauptebenen beiden Linseneinheiten entspricht: $f_{1} + f_{2} = d .$
Vorsatzobjektivsystem nach Anspruch 2, wobei das Zwischenbild (309) an der Stelle erzeugbar ist, die von der Hauptebene der objektseitigen Linseneinheit die erste Brennweite f₁ und von der Hauptebene der bildseitigen Linseneinheit die zweite Brennweite f₂ entfernt ist.
Vorsatzobjektivsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vorsatzobjektivsystem afokal ausgelegt ist.
Vorsatzobjektivsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die objektseitige Linseneinheit (400) und die bildseitige Linseneinheit (300) bezüglich Telezentrie, numerischer Apertur oder/und Feldgröße aufeinander abgestimmt sind.
Vorsatzobjektivsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die objektseitige Linseneinheit (400) oder/und die bildseitige Linseneinheit (300) so ausgelegt ist, dass ein Hauptstrahl mit der optischen Achse der jeweiligen Linseneinheit einen Winkel kleiner gleich 15°, bevorzugt kleiner gleich 10°, besonders bevorzugt kleiner gleich 5° einschließt.
Vorsatzobjektivsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vorsatzobjektivsystem ein objektseitiges Vorsatzobjektiv (401) und ein bildseitiges Vorsatzobjektiv (301) aufweist, wobei die beiden Vorsatzobjektive (401, 301) miteinander koppelbar sind.
Vorsatzobjektivsystem nach Anspruch 7, wobei die beiden Vorsatzobjektive (401, 301) mittels einer Schnittstelle (407, 307) miteinander koppelbar sind und die Schnittstelle im Bereich des Zwischenbilds (309) angeordnet ist.
Vorsatzobjektivsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Bereich des Zwischenbilds (309) eine Feldeingriffsvorrichtung (405) anordenbar ist.
Vorsatzobjektivsystem nach Anspruch 9, wobei die Feldeingriffsvorrichtung (405) einen Graustufenfilter, ein Mikrolinsenarray oder/und eine Feldwölbungsplatte aufweist.
Vorsatzobjektivsystem nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Feldeingriffsvorrichtung (405) mit der Schnittstelle (407) koppelbar ist.
Vorsatzobjektivsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bildseitig der bildseitigen Linseneinheit (300) eine Pupilleneingriffsvorrichtung (305) vorgesehen ist.
Vorsatzobjektivsystem nach Anspruch 12, wobei die Pupilleneingriffsvorrichtung (305) eine Pupillenformvorrichtung, ein Apodisationsfilter oder ein Korrekturelement aufweist.
Vorsatzobjektivsystem nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Pupilleneingriffsvorrichtung (305) mit einer Schnittstelle (303) koppelbar ist.
Vorsatzobjektivsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das objektseitige Vorsatzobjektiv (400) als abbildendes Objektiv, insbesondere als Weitwinkelobjektiv, Teleobjektiv, Zoomobjektiv, Mikroobjektiv oder/und Makroobjektiv ausgelegt ist.
Feldeingriffsvorrichtung (405) für ein Vorsatzobjektivsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11.
Pupilleneingriffsvorrichtung (305) für ein Vorsatzobjektivsystem nach einem der Ansprüche 12 oder 14.
Vorsatzobjektiv (400, 300) für ein Vorsatzobjektivsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Vorsatzobjektiv nach Anspruch 18, das so ausgelegt ist, dass das Vorsatzobjektiv zusammen mit Kameramodul eine Abbildung mit einem Maßstab von 1:0,5 bis zu 1:2 aufweist.
Vorsatzobjektiv nach Anspruch 18 oder 19, wobei das Vorsatzobjektiv (301) ein bildseitiges Vorsatzobjektiv ist und zusammen mit dem Kameramodul eine Relay-Optik bildet.
Vorsatzobjektiv nach einem der Ansprüche 18 bis 20, mit einer Aufnahmevorrichtung (311) für einen Objektträger.
Vorsatzobjektiv nach Anspruch 21, wobei der Objektträger mit der Schnittstelle koppelbar ausgebildet ist.
Objektträger für ein Vorsatzobjektiv nach einem der Ansprüche 18 bis 22.
Beleuchtungssystem für ein Vorsatzobjektiv nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei das Beleuchtungssystem mit der Schnittstelle koppelbar ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 24, wobei das Beleuchtungssystem eine Aperturblende oder/und eine Leuchtfeldblende aufweist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 24 oder 25, wobei das Beleuchtungssystem eine Beleuchtungsapertur aufweist, die an die Objektivapertur anpassbar ist oder/und die Größe des beleuchteten Objektfeldes anpassbar ist.