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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fotoobjektiv.
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Eine Anforderung an ein Fotoobjektiv ist, dass es fokussierbar ist. Neben den fokussierbaren Fotoobjektiven mit fester Brennweite bieten einige Hersteller auch Fotoobjektive mit einer variabel einstellbaren Brennweite an. Des Weiteren bieten einige Hersteller sogenannte Zooms an, bei denen die Brennweite kontinuierlich in einem Bereich eingestellt werden kann. Einige Hersteller bieten auch Fotoobjektive an, in denen die Brennweite diskret nur bestimmte Werte annehmen kann. Beispielsweise können in einem Fotoobjektiv diskret nur drei Brennweiten eingestellt werden. Ferner ist häufig gewünscht, dass das Fotoobjektiv abgeblendet werden kann, d.h., dass das Fotoobjektiv eine Irisblende aufweist und diese zugänglich ist.
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Die oben genannten Eigenschaften sind bspw. in heute gängigen Fotoobjektiven realisiert. Diese Fotoobjektive sind dioptrische Fotoobjektive, also Fotoobjektive, die nur refraktive Elemente als abbildende optische Elemente aufweisen. Fotoobjektive, die refraktive und reflektive Elemente als abbildende optische Elemente aufweisen, werden als katadioptrische Fotoobjektive bezeichnet. Aufgrund der Verwendung von reflektiven Elementen ist in katadioptrischen Fotoobjektiven eine Faltung des Strahlengangs möglich, was kleinere Abmessung eines katadioptrischen Fotoobjektivs im Vergleich zu einem dioptrischen Fotoobjektiv gleicher Brennweite ermöglicht.
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Ein dioptrisches optisches Bildaufnahmesystem, das als Objektiv einer kompakten flachen Kamera Verwendung finden kann, ist bspw. in der
DE 697 15 198 T2 offenbart. Das optische Bildaufnahmesystem weist eine vordere Linsengruppe und eine hintere Linsengruppe sowie eine gefaltete optische Achse auf. Zwei plane reflektierende Elemente falten dabei die optische Achse jeweils im Winkel von ca. 90°, wobei die planen reflektierenden Elemente zur Abbildung nichts beitragen. Die bildformenden optischen Elemente sind daher alle dioptrische Elemente, d.h. refraktive Elemente.
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Ein Kamerasystem zum Aufnehmen stereoskopischer Bilder, in dem jeder Abbildungsstrahlengang eine dreidimensional gefaltete optische Achse aufweist, ist in
US 7,856,181 B2 beschrieben. Als die optische Achse faltende Elemente kommen plane reflektive Flächen zum Einsatz, als bildformende optische Elemente dioptrische Elemente, d.h. refraktive Elemente.
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Dioptrische Systeme weisen aufgrund von Dispersion beim Durchtritt durch die Linsen Farbfehler auf. Zwar können diese Farbfehler durch die Verwendung mehrerer Linsen mit unterschiedlichen Dispersionseigenschaften weitgehend minimiert werden, jedoch führt die Erhöhung der Linsenzahl zu einer Gewichtszunahme und somit zu relativ schweren Objektiven.
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In der
US 4,690,516 ist ein katadioptrisches Fotoobjektiv offenbart, das eine um 180 Grad eine gefaltete optische Achse aufweist. Mittels eines Hauptspiegels wird der von der Objektivöffnung kommende Abbildungsstrahlengang in Richtung auf die Objektivöffnung zurückgeworfen. Im Bereich der Objektivöffnung befindet sich ein Sekundärspeiegel, welcher den Strahlengang wieder in seine ursprüngliche Richtung ablenkt. Dieser Sekundärspiegel führt zu einer Obskuration im Strahlengang, zuweilen auch Obstruktion genannt, die zu einem Verlust an Öffnungsfläche und aufgrund von Beugungseffekten zu einer Kontrastminderung führt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kompaktes Fotoobjektiv zur Verfügung zu stellen, welches weder einen Farbfehler, noch eine Obskuration aufweist. Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Kamera zur Verfügung zu stellen.
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Die erste Aufgabe wird durch ein Fotoobjektiv nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch eine Fotokamera nach Anspruch 12.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Fotoobjektiv zur Verfügung, welches bildformende optische Elemente umfasst, die entlang einer gefalteten optischen Achse angeordnet sind. Die optische Achse ist in mindestens zwei Abschnitte unterteilt. Der Winkel zwischen den Abschnitten der optischen Achse vor und nach der Faltung beträgt weniger als 180°. Erfindungsgemäß umfassen die bildformenden optischen Elemente reflektive Elemente. Dabei weist wenigstens ein bildformendes optisches reflektives Element eine nicht rotationssymmetrisch gekrümmte reflektive Fläche auf. Als nicht rotationssymmetrisch gekrümmte Flächen sollen dabei sowohl solche Flächen angesehen werden, die Ausschnitte aus rotationssymmetrischen Flächen sind, d.h. die zu einer rotationssymmetrischen Fläche ergänzt werden können, als auch solche Flächen, die nicht zu einer rotationssymmetrischen Fläche ergänzt werden können.
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Wenn das Fotoobjektiv ausschließlich reflektive Elemente als bildformende optische Elemente aufweist, treten keine chromatischen Aberrationen auf, was insbesondere bei Fotoobjektiven mit langer Brennweite günstig ist. Gleichzeitig ermöglicht das erfindungsgemäße Fotoobjektiv ein obskurationsfreies Abbildungssystem. Ferner kann ein katoptrisches Fotoobjektiv mit weniger optischen Elementen als ein dioptrisches oder ein katadioptrisches Fotoobjektiv aufgebaut werden, da kein durch ein dioptrisches Element induzierter Farbfehler durch ein weiteres dioptrisches Element ausgeglichen werden muss.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann wenigstens eine nicht rotationssymmetrisch gekrümmte reflektive Fläche als Freiformfläche ausgebildet sein. Unter Zuhilfenahme von Freiformflächen können monochromatische Abbildungsfehler wie etwa Sphärische Aberration, Astigmatismus, Koma, etc. korrigiert werden. Unter einer Freiformfläche versteht man im weiteren Sinn eine komplexe Fläche, die sich insbesondere mittels gebietsweise definierter Funktionen, insbesondere zweimal stetig differenzierbarer gebietsweise definierter Funktionen darstellen lässt. Beispiele für geeignete gebietsweise definierte Funktionen sind (insbesondere stückweise) polynomiale Funktionen (insbesondere polynomiale Splines, wie z.B. bikubische Splines, höhergradige Splines vierten Grades oder höher, oder polynomiale non-uniform rational B-Splines (NURBS)).
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die optische Achse des Fotoobjektivs mindestens zweifach gefaltet. Dabei können bei jeder Faltung die Winkel zwischen den Abschnitten der optischen Achse vor und nach der Faltung weniger als 180° betragen. Die zweite Faltung der optischen Achse kann in derselben Ebenen wie die erste Faltung erfolgen, oder sie kann in einer anderen Ebene als die erste Faltung liegen, wodurch eine dreidimensionale Variante realisiert werden kann, insbesondere dann, wenn wenigstens eines der reflektiven Elemente weder eine rotationssymmetrisch noch eine achsensymmetrisch gekrümmte reflektive Fläche aufweist. Bei dem Fotoobjektiv mit mindestens zweifach gefalteter optischer Achse ist die Lage der Objektachse relativ zur Bildachse frei wählbar, d.h. parallel zueinander oder mit beliebigen Winkel zwischen Objektachse und Bildachse. Diese Ausgestaltung ermöglicht daher eine sehr variable Anpassung des Objektivs an einen gegebenen Bauraum.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist mindestens eines der reflektiven Elemente verschiebbar angeordnet. Hierdurch wird das Objektiv fokussierbar. Wenn wenigstens zwei der reflektiven Elemente verschiebbar angeordnet sind, kann das Objektiv eine derartige Innenfokussierung aufweisen, dass sich bei der Fokussierung die Bildebene nicht verschiebt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist zum Bewegen des wenigstens einen reflektiven Elements wenigstens ein Drehlager vorhanden. Eine Fokussierung mit Spiegeln über ein Drehlager ermöglicht die gewohnte Art der Fokussierung durch Drehen eines Ringes am Objektiv.
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In dem erfindungsgemäßen Fotoobjektiv können die reflektiven Elemente wenigstens zwei reflektive Elemente umfassen, deren reflektive Flächen derart geformt sind, dass in zwei zueinander und zur optischen Achse senkrechten Richtungen im geformten Bild unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe vorliegen. Hierdurch kann eine sog. anamorphotische Abbildung realisiert werden, d.h. eine Abbildung mit unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben entlang den Achsen eines zweidimensionalen Koordinatensystems in der Bildebene. Zusätzlich oder alternativ dazu können die reflektiven Elemente wenigstens zwei reflektive Elemente umfassen, deren reflektive Flächen derart geformt sind, dass für zwei zueinander senkrechte Bildausdehnungsrichtungen eine unterschiedliche Anzahl von Zwischenbildern entsteht. Eine derartige Abbildung wird choristikonale Abbildung genannt.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist mindestens eines der bildformenden optischen Elemente des Fotoobjektives einen Ausschnitt einer rotationssymmetrisch gekrümmten reflektiven Fläche auf, wobei die optische Achse der rotationssymmetrisch gekrümmten reflektiven Fläche das bildformende optische Element nicht durchstößt. Hierdurch kann das Fotoobjektiv um einen Skalierungsfaktor von 0,1 verkleinert werden, so dass das Fotoobjektiv für Handykameras genutzt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung stellt außerdem eine Kamera mit einem erfindungsgemäßen Fotoobjektiv zur Verfügung.
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Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
- 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel mit einer zweidimensionalen Faltung der optische Achse und einer Brennweite von 800 mm sowie einer Blendenöffnung von 4,0.
- 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer dreidimensionalen Faltung der optische Achse und einer Brennweite von 300 mm sowie einer Blendenöffnung von 4,0.
- 3 zeigt eine Fotokamera mit einem katoptrischen Objektiv.
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Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel für ein Fotoobjektiv 11 beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Fotoobjektiv 11 zur Verfügung. Das Fotoobjektiv 11 in 1 umfasst reflektive bildformende optische Elemente 3'a-f, 4'a-b, die entlang einer zweidimensional gefalteten optischen Achse OA angeordnet sind und die am Ort eines Bildsensors 2' ein Bild eines in der Objektebene 1' befindlichen Objekts erzeugen. Um die Farbreinheit des Objektivs zu gewährleisten sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ausschließlich reflektive Elemente 3'a-f, 4'a-b als abbildende optische Elemente 3'a-f, 4'a-b vorhanden. Die optische Achse weist mehrere Abschnitte OA'1 bis OA'9 auf, wobei nebeneinanderliegende Abschnitte jeweils um weniger als 180° gefaltet sind. Die zweidimensionale Faltung bedeutet hierbei, dass alle Abschnitte OA'1 bis OA'9 der optischen Achse in einer gemeinsamen Ebene liegen. Dadurch wird erreicht, dass der Bildsensor 2' innerhalb dieser gemeinsamen Ebene, beliebig zur Objektebene 1' verschoben werden kann. Außerdem kann der Bildsensor 2' relativ zur Objektebene 1' um eine aus der Ebene hinausweisende Drehachse verdreht werden.
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Die Flächen der reflektiven Elemente 3'a-f, 4'a-b sind im allgemeinen nicht rotationssymmetrisch gekrümmte reflektive Flächen, wodurch die Faltung des Strahlengangs möglich wird. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass eine oder mehrere der Flächen der reflektiven Elemente 3'a-f, 4'a-b als Freiformflächen ausgebildet ist bzw. sind, wodurch sich monochromatische Abbildungsfehler korrigieren lassen
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die reflektiven Elemente 4'a und 4'b entlang ihrer Flächennormalen verschiebbar angeordnet. Durch Verschieben der reflektiven Elemente 4'a und 4'b ist das Objektiv fokussierbar. Die verschiebbaren Elemente 4'a und 4'b können über ein Getriebe, welches eine Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung umwandelt, mit einem Drehring am Objektiv verbunden sein. Auf diese Weise kann die von konventionellen Objektiven gewohnte Art des Fokussierens beibehalten werden.
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Da in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei der reflektiven Elemente verschiebbar angeordnet sind, kann das Fotoobjektiv mit einer Innenfokussierung realisiert sein, d.h. einer Fokussierung, bei der sich die Bildebene beim Fokussieren nicht verschiebt. Wenn auf eine Innenfokussierung verzichtet werden kann, reicht es dagegen aus, wenn lediglich eines der reflektiven Elemente verschiebbar angeordnet ist.
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Wenn im dargestellten Ausführungsbeispiel Ausschnitte von rotationssymmetrisch gekrümmten reflektiven Flächen für die bildformenden optischen Elemente 3'a-f, 4'a-b verwendet werden, wobei die optische Achse de rotationssymmetrisch gekrümmten reflektiven Flächen nicht durch die Ausschnitte verlaufen, kann der optische Aufbau des Fotoobjektivs 11 klein gehalten werden.
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Das in 1 dargestellte Fotoobjektiv kann auch wenigstens zwei reflektive Elemente umfassen, deren reflektive Flächen derart geformt sind, dass in zwei zueinander und zur optischen Achse senkrechten Richtungen im geformten Bild unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe vorliegen. Hierdurch sind anamorphotische Abbildungen möglich. Zusätzlich oder alternativ kann das in 1 dargestellte Fotoobjektiv wenigstens zwei reflektive Elemente umfassen, deren reflektive Flächen derart geformt sind, dass für zwei zueinander senkrechte Bildausdehnungsrichtungen eine unterschiedliche Anzahl von Zwischenbildern entsteht. Hierdurch ist eine choristikonale Abbildung möglich.
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In dem Objektiv ist zudem eine Irisblende 5' an einer zugänglichen Stelle vorhanden, so dass ein Abblenden des Fotoobjektivs möglich ist-
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Fotoobjektiv. Während in 1 ein Ausführungsbeispiel mit einer zweidimensional gefalteten optische Achse gezeigt ist, zeigt 2 ein erfindungsgemäßes Fotoobjektiv mit einer dreidimensional gefalteten optischen Achse, d. h. ein Fotoobjektiv, in dem nicht alle Abschnitte OA"1 bis O"A9 der optischen Achse in einer gemeinsamen Ebene liegen. Im vorliegenden zweiten Ausführungsbeispiel weiset der Abschnitt OA"8 eine Richtungskomponente auf, die in die Zeichenebene der 2 hineinweist. Dadurch kann der Bildsensor 2" zu den reflektiven Elementen 3"a, 3"b, 3"c, 3"d, 4"a und 4"b senkrecht zur Zeichenebene verschoben angeordnet werden. Durch geeignete Form und Orientierung der reflektiven Elemente kann zudem auch erreicht werden, dass die Orientierung des Bildsensors 2" gegenüber der Orientierung der Bildebene 1" einen beliebigen Winkel aufweist, d.h. die Flächennormale des Bildsensors 2" kann beliebig relativ zur Flächennormalen der Bildebene 1" orientiert sein.
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Wie im ersten Ausführungsbeispiel sind die reflektiven Elemente 4"a und 4"b entlang ihrer Flächennormalen verschiebbar angeordnet. Was mit Bezug auf die verschiebbaren reflektiven Elemente 4'a und 4'b des ersten Ausführungsbeispiels gesagt worden ist, gilt für die reflektiven Elemente 4"a und 4"b des zweiten Ausführungsbeispiel entsprechend. Ebenso gilt das, was im ersten Ausführungsbeispiel über die Form der reflektiven Flächen 3'a-f, 4'ab und die Irisblende 5' ausgeführt worden ist für die reflektiven Flächen 3"a-f, 4"a-b bzw. die Irisblende 5" des zweiten Ausführungsbeispiels entsprechend-
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3 zeigt eine Fotokamera 10 mit einem Bildsensor 2 und einem erfindungsgemäßen Fotoobjektiv 11. Das Fotoobjektiv 11 kann dabei insbesondere ein Fotoobjektiv sein, wie es mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben worden ist.
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Das Fotoobjektiv der vorliegenden Erfindung stellt ein Fotoobjektiv für Kleinbildformatsensoren zur Verfügung, welches keine Obskuration aufweist, fokussierbar ist und eine abblendbare d.h. zugängliche Irisblende umfasst. Durch eine Skalierung des Fotoobjektivs um einen Faktor von 0,1 kann das Fotoobjektiv 11 auch mit Brennweiten im Bereich von 15 bis 20 mm realisiert werden, so dass es als Fotoobjektiv für eine Kamera für Mobiltelefone Verwendung finden kann. Die erfindungsgemäße Kamera kann daher auch als Kamera eines Mobiltelefons, eines Tablets oder eines ähnlichen Geräts realisiert sein.
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Das erfindungsgemäße Fotoobjektiv hat mehrere Vorteile. Es weist als katoptrisches Objektiv keine chromatischen Aberrationen auf, was besonders günstig bei Objektiven mit langer Brennweite ist. Des Weiteren ist das erfindungsgemäße Fotoobjektiv ein obskurationsfreies Abbildungssystem. Zudem kann das katoptrische Fotoobjektiv mit weniger optischen Elementen als ein dioptrisches oder katadioptrisches Objektiv realisiert werden, so dass das Fotoobjektiv der vorliegenden Erfindung leichter als ein dioptrisches oder ein katadioptrisches Fotoobjektiv sein kann. Zudem sind die Spiegelflächen in der Regel dünner als vergleichbare Linsen, was zu einer zusätzlichen Gewichtseinsparung führt. Weiterhin ermöglicht es erfindungsgemäße Fotoobjektiv, die Lage und Orientierung der Bildebene relativ zur Lage und Orientierung der Objektebene zu verschieben und zu verdrehen. Die vorhandenen Beschichtungen erlauben zudem eine hohe Reflektivität auch bei großen Reflexionswinkeln, so dass im erfindungsgemäßen Fotoobjektiv auch große Reflektionswinkel Verwendung finden können.
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Die vorliegende Erfindung wurde anhand von zwei Ausführungsbeispielen zu Erläuterungszwecken detailliert beschrieben. Ein Fachmann erkennt jedoch, dass Abweichungen von den Ausführungsbeispielen möglich sind. Bspw. kann das katoptrische Fotoobjektiv, wie es in den Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, auch mit einigen wenigen dioptrischen Elementen kombiniert werden, so dass ein katadioptrisches Fotoobjektiv entsteht. Die Erfindung soll daher nicht ausschließlich auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Objektebene
- 2
- Kleinbildformatsensor
- 3a-f
- Spiegel
- 4a-b
- verschiebbar und/oder drehbar gelagerter Spiegel
- 5a-b
- Blende
- 10
- Fotokamera
- 11
- Fotoobjektiv
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69715198 T2 [0004]
- US 7856181 B2 [0005]
- US 4690516 [0007]
