DE102020105201A1 - Compact telephoto lens with a diffractive optical element - Google Patents

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Daniel Werdehausen
Hans-Jürgen Dobschal
Vladan Blahnik
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Abstract

Es wird ein Objektiv (1) für eine Kamera (40) beschrieben, welches eine optische Achse (2), eine Brennweite (f), eine Baulänge (TL) in Richtung der optischen Achse (2), eine Anzahl an refraktiven optischen Elementen (11-15), eine Blende (3) mit einem maximalen Durchmesser (D) und mindestens ein diffraktives optisches Element (4, 7) umfasst. Die Brennweite (f) des Objektivs (1) liegt im Bereich zwischen 10 Millimetern und 6 Millimetern (10mm ≥ f ≥ 6mm) und das Verhältnis der Brennweite (f) zum maximalen Durchmesser der Blende (D) liegt im Bereich zwischen 2 und 4 (2 ≤ f/D ≤ 4). Das Verhältnis der Baulänge (TL) zur Brennweite (f) ist kleiner als 0,9 (TL/f < 0,9) und die Brennweite des mindestens einen diffraktiven optischen Elements (FDOE) ist um einen Faktor von mindestens 10 größer als die Brennweite (f) des Objektivs (fDOE ≥ 10*f).An objective (1) for a camera (40) is described which has an optical axis (2), a focal length (f), an overall length (TL) in the direction of the optical axis (2), a number of refractive optical elements ( 11-15), a diaphragm (3) with a maximum diameter (D) and at least one diffractive optical element (4, 7). The focal length (f) of the lens (1) is in the range between 10 millimeters and 6 millimeters (10mm ≥ f ≥ 6mm) and the ratio of the focal length (f) to the maximum diameter of the aperture (D) is in the range between 2 and 4 ( 2 ≤ f / D ≤ 4). The ratio of the overall length (TL) to the focal length (f) is less than 0.9 (TL / f <0.9) and the focal length of the at least one diffractive optical element (FDOE) is greater than the focal length by a factor of at least 10 (f) of the lens (fDOE ≥ 10 * f).

Description

Das Projekt, das zu dieser Patentanmeldung geführt hat, hat im Rahmen der Marie Sklodowska-Curie-Fördervereinbarung Nr. 675745 eine Finanzierung durch das Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union erhalten.The project that led to this patent application was part of the Marie Sklodowska-Curie grant agreement No. 675745 funding from Horizon 2020 European Union research and innovation program received.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Objektiv für eine Kamera, eine Kamera und ein mobiles Gerät, zum Beispiel ein Smartphone.The present invention relates to a lens for a camera, a camera and a mobile device, for example a smartphone.

Zahlreiche mobile Geräte, insbesondere Smartphones, weisen typischerweise eine Kamera auf. Dabei ist überwiegend eine qualitativ hochwertige Kamera erwünscht. Zudem besteht ein Bedarf an Kameras mit einem möglichst großen Zoombereich. Die Baulänge von Smartphone-Objektiven ist jedoch stark begrenzt. Gleichzeitig besteht allerdings ein Bedarf an Systemen mit langen Brennweiten (f), um einen größeren Zoombereich mit verschiedenen Kameramodulen abdecken zu können. Die dafür erforderliche Erhöhung der Brennweite bei gleichbleibender Baulänge (L), insbesondere die Realisierung von Brennweiten, welche größer sind als die Baulänge, ist jedoch schwierig. Dies liegt unter anderem an den geringen Brechungsindizes von Polymeren aus denen typischerweise die verwendeten Linsen hergestellt werden. Beispiele für Objektive mit Brennweiten im Bereich der Baulänge werden zum Beispiel in den Dokumenten US 9,223,118 B2 , US 10,306,031 B2 , US 10.288,845 B2 , US 10,261,288 B2 und US 2019/0056570 A1 beschrieben.Numerous mobile devices, in particular smartphones, typically have a camera. A high quality camera is predominantly desired. In addition, there is a need for cameras with the largest possible zoom range. However, the overall length of smartphone lenses is very limited. At the same time, however, there is a need for systems with long focal lengths ( f ) in order to be able to cover a larger zoom area with different camera modules. However, the increase in the focal length required for this while the overall length (L) remains the same, in particular the implementation of focal lengths which are greater than the overall length, is difficult. This is due, among other things, to the low refractive indices of polymers from which the lenses used are typically made. Examples of lenses with focal lengths in the range of the overall length are for example in the documents US 9,223,118 B2 , US 10,306,031 B2 , US 10,288,845 B2 , US 10,261,288 B2 and US 2019/0056570 A1 described.

Allgemein sind Fotoobjektive mit effizienzachromatisierten diffraktiven optischen Elementen (DOEs) bekannt. Dabei dienen die effizienzachromatisierten diffraktiven optischen Elemente dazu, die chromatische Aberration zu reduzieren.In general, photo objectives with efficiency achromatized diffractive optical elements (DOEs) are known. The efficiency achromatized diffractive optical elements serve to reduce the chromatic aberration.

Diffraktive optische Elemente werden beispielsweise zum spektralen Aufspalten von Licht und zum Ablenken von Licht verwendet. Derartige Elemente beruhen auf dem Prinzip der Beugung von Lichtwellen und sind dazu ausgelegt, mithilfe einer diffraktiven Struktur, d.h. mit Hilfe eines Beugungsgitters, Licht einer bestimmten Wellenlänge in eine bestimmte Richtung abzulenken. Ein Maß dafür, welcher Anteil des durch die Gitterstruktur transmittierten Lichtes in eine bestimmte Beugungsordnung, d.h. die gewünschte Richtung, gebeugt wird, ist die Beugungseffizienz eines diffraktiven optischen Elementes. Die Beugungseffizienz stellt dabei das Verhältnis des in der gewünschten Beugungsordnung propagierenden Energieflusses durch den gesamten transmittierten Energiefluss da. Grundsätzlich lässt sich für eine bestimmte Wellenlänge, der sogenannten Designwellenlänge des diffraktiven optischen Elementes, erreichen, dass unter Vernachlässigung von Abschattungseffekten alles Licht mit der Designwellenlänge in dieselbe Beugungsordnung gebeugt und somit in dieselbe Richtung abgelenkt wird, so dass für die Designwellenlänge eine Beugungseffizienz von 1 (oder 100%) erreicht werden kann (sog. Blazegitter oder Echelettegitter). Für von der Designwellenlänge abweichende Wellenlängen gilt dies jedoch nicht. Licht mit einer von der Designwellenlänge abweichenden Wellenlänge wird in verschiedene Beugungsmaxima abgelenkt und damit in verschiedene Richtungen. Dies führt im Falle der Beugung von polychromatischem Licht zu Streulicht außerhalb der Beugungsordnung und damit zu Auflösungsverlust.Diffractive optical elements are used, for example, for the spectral splitting of light and for the deflection of light. Such elements are based on the principle of diffraction of light waves and are designed to deflect light of a certain wavelength in a certain direction with the aid of a diffractive structure, i.e. with the aid of a diffraction grating. The diffraction efficiency of a diffractive optical element is a measure of the proportion of the light transmitted through the grating structure that is diffracted into a certain order of diffraction, i.e. the desired direction. The diffraction efficiency represents the ratio of the energy flow propagating in the desired diffraction order through the entire transmitted energy flow. Basically, for a certain wavelength, the so-called design wavelength of the diffractive optical element, neglecting shadowing effects, all light with the design wavelength is diffracted in the same order of diffraction and thus deflected in the same direction, so that a diffraction efficiency of 1 ( or 100%) can be achieved (so-called blaze grille or echelette grille). However, this does not apply to wavelengths that deviate from the design wavelength. Light with a wavelength deviating from the design wavelength is deflected into different diffraction maxima and thus in different directions. In the case of diffraction of polychromatic light, this leads to scattered light outside the diffraction order and thus to loss of resolution.

Es sind daher diffraktive optische Elemente entwickelt worden, die in der Lage sind, eine hohe Beugungseffizienz in eine bestimmte Beugungsordnung - zumeist die erste Beugungsordnung - für alle Wellenlängen aus einem bestimmten Wellenlängenbereich zu erzielen. Derartige diffraktive optische Elemente werden effizienzachromatisierte diffraktive optische Elemente genannt. Effizienzachromatisierte diffraktive optische Elemente sind demnach diffraktive optische Elemente, bei denen für alle Wellenlängen eines bestimmten Wellenlängenbereiches für eine bestimmte Beugungsordnung eine hohe Beugungseffizienz erzielt wird.Diffractive optical elements have therefore been developed which are able to achieve a high diffraction efficiency in a certain order of diffraction - mostly the first order of diffraction - for all wavelengths from a certain wavelength range. Such diffractive optical elements are called efficiency achromatized diffractive optical elements. Efficiency-achromatized diffractive optical elements are accordingly diffractive optical elements in which a high diffraction efficiency is achieved for all wavelengths of a certain wavelength range for a certain diffraction order.

Es bestehen verschiedene Ansätze zur Herstellung effizienzachromatisierter diffraktiver optischer Elemente. Beispielsweise wird in US 6,873,463 , US 9,696,469 , US 2001/013975 und US 5,487,877 die Verwendung mehrschichtiger diffraktiver optischer Elemente vorgeschlagen, um eine Effizienzachromatisierung herbeizuführen. Aus DE 10 2006 007 432 A1 , US 2011/026118 A1 , US 7,663,803 , US 6,912,092 , US2013/057956 A1 , US 2004/051949 A1 und US 5,847,887 ist zudem bekannt, in mehrschichtigen diffraktiven optische Elementen den Brechungsindex einer der Schichten so anzupassen, dass die Dispersion einer anderen Schicht aufgehoben wird. Aus US 2011/090566 A1 , US 9,422,414 , US 7,031,078 , US 7,663,803 , US 7,196,132 und US 8,773,783 sind diffraktive optische Elemente bekannt, in denen Materialien mit anormaler Dispersion zum Einsatz kommen, um eine Effizienzachromatisierung herbeizuführen.There are different approaches to the production of efficiency achromatized diffractive optical elements. For example, in U.S. 6,873,463 , U.S. 9,696,469 , US 2001/013975 and U.S. 5,487,877 proposed the use of multilayer diffractive optical elements in order to bring about an efficiency achromatization. the end DE 10 2006 007 432 A1 , US 2011/026118 A1 , U.S. 7,663,803 , U.S. 6,912,092 , US2013 / 057956 A1 , US 2004/051949 A1 and U.S. 5,847,887 It is also known to adapt the refractive index of one of the layers in multilayer diffractive optical elements in such a way that the dispersion of another layer is canceled. the end US 2011/090566 A1 , U.S. 9,422,414 , U.S. 7,031,078 , U.S. 7,663,803 , U.S. 7,196,132 and U.S. 8,773,783 diffractive optical elements are known in which materials with anomalous dispersion are used in order to bring about an efficiency achromatization.

Bei diffraktiven optischen Elementen mit Perioden, die sehr groß gegenüber der Wellenlänge des zu beugenden Lichtes sind, können einschichtige diffraktive optische Elemente so ausgelegt werden, dass theoretisch eine Beugungseffizienz von 100% für eine vorgegebene Design-Wellenlänge (λ0) erreicht wird. Weicht die Wellenlänge jedoch von dieser Design-Wellenlänge ab, so nimmt die Beugungseffizienz mit zunehmender Abweichung von der Design-Wellenlänge stark ab. Dies führt in optischen Abbildungssystemen zu unerwünschtem Streulicht und verhindert dadurch den Einsatz solcher diffraktiver optischer Elemente in breitbandigen optischen Systemen. Dieses Problem kann gelöst werden, indem eine zusätzliche diffraktive Schicht aus einem Material mit einem anderen Brechungsindex hinzugefügt wird, wie dies beispielsweise in US 6,873,463 B2 , US 9,696,469 B2 , US 5,847,877 und US 2001/0013975 A1 , sowie D. Werdehausen et al. „Dispersion-engineered nanocomposites enable achromatic diffractive optical elements“, OSA Publishing, Optica, Volume 6, Issue 8, Seite 1031-1038 (2019) (https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.001031) und D. Werdehausen et al. „General design formalism for highly efficient flat optics for broadband applications“ OSA Publishing, Optics Express, Volume 28, Issue 5, Seite 6452-6468 (2020) (https://doi.org/10.1364/OE.386573) beschrieben ist. Dabei können die beiden Schichten unterschiedliche Profilhöhen aufweisen, welche aneinander angepasst werden können, um die durchschnittliche Beugungseffizienz in dem gewünschten Wellenlängenbereich zu maximieren, wie dies beispielsweise von B.H. Kleemann et al. in „Design-Concepts for broadband high-efficieny DOEs“, Journal of the European Optical Society-Rapid publications 3 (2008) beschrieben ist. Andererseits kann aber auch durch geeignete Wahl des zweiten Materials die durchschnitte Beugungseffizienz in dem gewünschten Wellenlängenbereich bei gleicher Profilhöhe der Schichten maximiert werden. Während diffraktive optische Elemente mit unterschiedlichen Profilhöhen typischerweise Multilayer DOEs genannt werden, werden diffraktive optische Elemente mit gleicher Profilhöhe der Schichten üblicherweise „Common Depth DOEs“ genannt. Um ein Common Depth DOE zu realisieren, müssen Materialkombinationen gewählt werden, deren Dispersion sich gegenseitig möglichst gut kompensieren. Common Depth DOEs sind beispielsweise in DE 10 2006 007 432 A1 , US 2011/0026118 A1 , US 7,663,803 , US 6,912,092 , US 2012/0597741 A1 , US 2004/051949 A1 und US 5,847,877 beschrieben. Beide Ansätze sind bereits in kommerziell verfügbaren Fotoobjektiven umgesetzt. Diffraktive optische Elemente können bspw. mit geneigten Flächen realisiert werden, wie dies in den zuvor erwähnten Multilayer DOEs und Common Depth DOEs der Fall ist. Ein alternativer Ansatz zum Herstellen diffraktiver optischer Elemente besteht darin, den Brechungsindex innerhalb des Elements als Funktion des Ortes periodisch zu variieren. Dadurch erhält man ein sogenanntes Gradientenindex-DOE, auch kurz GRIN-DOE genannt. Die Beugungseffizienz eines Gradientenindex-DOE hängt jedoch stark von der Wellenlänge ab. Dieses Problem ist von anderen einschichtigen diffraktiven optischen Elementen bekannt und kann umgangen werden, indem analog zu einem Multilayer-DOE eine zweite GRIN-DOE-Schicht aufgebracht wird, wie dies beispielsweise in der bereits zitierten Veröffentlichung von B.H. Kleemann beschrieben ist. Dadurch erhält man aber wiederum ein zweischichtiges diffraktives optisches Element, wodurch die Höhe des Gesamtsystems zunimmt.In the case of diffractive optical elements with periods that are very large compared to the wavelength of the light to be diffracted, single-layer diffractive optical elements can be designed in such a way that theoretically a diffraction efficiency of 100% is achieved for a given design wavelength (λ 0 ). However, if the wavelength deviates from this design wavelength, the diffraction efficiency decreases sharply with increasing deviation from the design wavelength. This leads to undesired scattered light in optical imaging systems and thus prevents the Use of such diffractive optical elements in broadband optical systems. This problem can be solved by adding an additional diffractive layer made of a material with a different refractive index, as shown for example in FIG US 6,873,463 B2 , US 9,696,469 B2 , U.S. 5,847,877 and US 2001/0013975 A1 , as D. Werdehausen et al. "Dispersion-engineered nanocomposites enable achromatic diffractive optical elements", OSA Publishing, Optica, Volume 6, Issue 8, pages 1031-1038 (2019) (https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.001031) and D. Werdehausen et al. "General design formalism for highly efficient flat optics for broadband applications" OSA Publishing, Optics Express, Volume 28, Issue 5, page 6452-6468 (2020) (https://doi.org/10.1364/OE.386573). The two layers can have different profile heights, which can be adapted to one another in order to maximize the average diffraction efficiency in the desired wavelength range, as is the case, for example, from BH Kleemann et al. in "Design-Concepts for broadband high-efficieny DOEs", Journal of the European Optical Society-Rapid publications 3 (2008) is described. On the other hand, through a suitable choice of the second material, the average diffraction efficiency can be maximized in the desired wavelength range with the same profile height of the layers. While diffractive optical elements with different profile heights are typically called multilayer DOEs, diffractive optical elements with the same profile height of the layers are usually called “common depth DOEs”. In order to implement a common depth DOE, material combinations must be selected whose dispersion compensate each other as well as possible. For example, common depth DOEs are in DE 10 2006 007 432 A1 , US 2011/0026118 A1 , U.S. 7,663,803 , U.S. 6,912,092 , US 2012/0597741 A1 , US 2004/051949 A1 and U.S. 5,847,877 described. Both approaches have already been implemented in commercially available camera lenses. Diffractive optical elements can be implemented, for example, with inclined surfaces, as is the case in the aforementioned multilayer DOEs and common depth DOEs. An alternative approach to making diffractive optical elements is to periodically vary the index of refraction within the element as a function of location. This gives a so-called gradient index DOE, also known as GRIN DOE for short. However, the diffraction efficiency of a graded index DOE is highly dependent on the wavelength. This problem is known from other single-layer diffractive optical elements and can be circumvented by applying a second GRIN-DOE layer analogously to a multilayer DOE, as is described, for example, in the publication by BH Kleemann already cited. This in turn gives a two-layer diffractive optical element, which increases the height of the overall system.

Die Verwendung diffraktiver optischer Elemente im Zusammenhang mit gewöhnlichen Fotoobjektiven ist zum Beispiel in den Dokumenten US 2018/0 373 004 A1 , US 7,800,842 B2 , US 6,101,035 , JP 2016-102852 A ( JP 20140239895 ), JP 2019-028317 A ( JP 20170148612 ) und JP 2018 - 189878 A ( JP 20170093783 ) beschrieben. Smartphone-Objektive mit diffraktiven optischen Elementen werden beispielsweise in DE 10 2005 009 238 A1 , DE 10 2005 033 746 A1 , US 2010/0188758 A1 , US 2009/0002829 A1 , US 2010/309367 A1 , US 2015/293370 A1 und CN 107894655 A beschrieben.The use of diffractive optical elements in connection with ordinary camera lenses is for example in the documents US 2018/0 373 004 A1 , US 7,800,842 B2 , U.S. 6,101,035 , JP 2016-102852 A ( JP 20140239895 ), JP 2019-028317 A ( JP 20170148612 ) and JP 2018 - 189878 A ( JP 20170093783 ) described. Smartphone lenses with diffractive optical elements are used, for example, in DE 10 2005 009 238 A1 , DE 10 2005 033 746 A1 , US 2010/0188758 A1 , US 2009/0002829 A1 , US 2010/309367 A1 , US 2015/293370 A1 and CN 107894655 A described.

Vor dem beschriebenen Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes kompaktes Objektiv für eine Kamera zur Verfügung zu stellen, welches sich insbesondere für mobile Geräte wie zum Beispiel Smartphones eignet und als Teleobjektiv ausgelegt ist. Weitere Aufgaben bestehen darin eine vorteilhafte Kamera und vorteilhaftes mobiles Gerät zur Verfügung zu stellen.Against the background described, it is the object of the present invention to provide an improved compact lens for a camera which is particularly suitable for mobile devices such as smartphones and is designed as a telephoto lens. Further tasks are to provide an advantageous camera and an advantageous mobile device.

Die erste Aufgabe wird durch ein Objekt für eine Kamera gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch eine Kamera gemäß Patentanspruch 14 gelöst und die dritte Aufgabe wird durch ein mobiles Gerät gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung.The first object is achieved by an object for a camera according to patent claim 1. The second object is achieved by a camera according to claim 14 and the third object is achieved by a mobile device according to claim 15. The dependent claims contain further advantageous embodiments of the present invention.

Das erfindungsgemäße Objektiv für eine Kamera umfasst eine optische Achse, eine Brennweite f, bei Baulänge TL in Richtung der optischen Achse, eine Anzahl an refraktiven optischen Elementen, beispielsweise 3 bis 5 Linsen, eine Blende mit einem maximalen Durchmesser D, also einem Durchmesser D in vollständig geöffnetem Zustand der Blende, und mindestens ein diffraktives optisches Element, zum Beispiel ein oder zwei oder mindestens zwei diffraktive optische Elemente. Die Brennweite f des Objektivs liegt im Bereich zwischen 10 Millimetern (10mm) und 6 Millimetern (6mm) (10mm ≥ f ≥ 6mm), beispielsweise im Bereich zwischen 10 mm und 8 mm, insbesondere im Bereich zwischen 10 mm und 7 mm. Das Verhältnis der Brennweite f zum maximalen Durchmesser der Blende D liegt im Bereich zwischen 2 und 4 liegt (2 ≤ f/D ≤ 4). Das Verhältnis der Baulänge TL zur Brennweite f ist kleiner als 0,9 (TL/f < 0,9), vorzugsweise kleiner als 0,8. Die Brennweite des mindestens einen diffraktiven optischen Elements fDOE ist um einen Faktor von mindestens 10 größer ist als die Brennweite f des Objektivs (FDOE ≥ 10*f).The lens according to the invention for a camera comprises an optical axis, a focal length f , with length TL in the direction of the optical axis, a number of refractive optical elements, for example 3 to 5 lenses, an aperture with a maximum diameter D. , so a diameter D. in the completely open state of the diaphragm, and at least one diffractive optical element, for example one or two or at least two diffractive optical elements. The focal length f of the lens is in the range between 10 millimeters (10mm) and 6 millimeters (6mm) (10mm f 6mm), for example in the range between 10 mm and 8 mm, in particular in the range between 10 mm and 7 mm. The ratio of the focal length f to the maximum diameter of the aperture D. lies in the range between 2 and 4 (2 ≤ f / D ≤ 4). The ratio of the overall length TL to the focal length f is less than 0.9 ( TL / f <0.9), preferably less than 0.8. The focal length of the at least one diffractive optical element f DOE is greater than the focal length by a factor of at least 10 f of the lens (F DOE ≥ 10 * f).

Das erfindungsgemäße Objektiv hat den Vorteil, dass es ein sehr kompaktes und gleichzeitig leistungsstarkes Teleobjektiv bietet. Dabei ist trotz einer geringen Baulänge im Vergleich zur Brennweite die Funktionalität eines Teleobjektives gewährleistet. Mit anderen Worten ist das Objektiv als Teleobjektiv ausgestaltet. Das Objektiv ist bevorzugt für eine Kamera für ein tragbares mobiles Gerät ausgelegt, zum Beispiel für eine Smartphone-Kamera oder für eine Kamera für ein Tablet oder eine Smartwatch oder eine Datenbrille ausgelegt. In diesem Zusammenhang kann insbesondere ein Teleobjektiv für eine Smartphone-Kamera oder eine Kamera für ein anderes tragbares mobiles Gerät realisiert werden.The objective according to the invention has the advantage that it is very compact and at the same time powerful telephoto lens. The functionality of a telephoto lens is guaranteed despite the short overall length compared to the focal length. In other words, the lens is designed as a telephoto lens. The lens is preferably designed for a camera for a portable mobile device, for example for a smartphone camera or for a camera for a tablet or a smartwatch or data glasses. In this context, in particular a telephoto lens for a smartphone camera or a camera for another portable mobile device can be implemented.

Das mindestens eine diffraktive optische Element weist bevorzugt eine Brennweite im Bereich zwischen 1000 Millimetern und 100 Millimetern (1000 mm ≥ fDOE ≥ 100 mm) auf. In einer vorteilhaften Variante ist die Brennweite des diffraktiven optischen Elements um einen Faktor zwischen 10 und 200, insbesondere um einen Faktor zwischen 30 und 100 größer als die Gesamtbrennweite des Objektivs. Die Auswahl eines entsprechenden diffraktiven optischen Elements ermöglicht es eine Brennweite, welche deutlich größer ist als die Baulänge des Objektivs, zu erzielen.The at least one diffractive optical element preferably has a focal length in the range between 1000 millimeters and 100 millimeters (1000 mm f DOE 100 mm). In an advantageous variant, the focal length of the diffractive optical element is greater by a factor of between 10 and 200, in particular by a factor of between 30 and 100, than the total focal length of the objective. The selection of a suitable diffractive optical element makes it possible to achieve a focal length which is significantly greater than the overall length of the objective.

Vorteilhafterweise ist mindestens ein diffraktives optisches Element in Bezug auf die Baulänge des Objektivs ausgehend von einer Objektseite in Richtung einer Bildseite im ersten Drittel des Objektivs und/oder mindestens ein diffraktives optisches Element in der zweiten Hälfte, zum Beispiel im dritten Drittel, des Objektivs angeordnet. In einer weiteren Variante kann der minimale Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte Amin des mindestens einen diffraktiven optischen Elements zwischen 10 und 500 Mikrometern liegen (10µm ≤ Λmin ≤ 500µm). Im Falle von mindestens zwei diffraktiven optischen Elementen kann zum Beispiel ein erstes diffraktives optisches Element im ersten Drittel des Objektivs angeordnet sein und einen minimalen Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte zwischen 30 und 500 Mikrometern aufweisen und ein zweites diffraktives optisches Element in der zweiten Hälfte, zum Beispiel im dritten Drittel, des Objektivs angeordnet sein und einen minimalen Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte zwischen 10 und 200 Mikrometern aufweisen. Durch eine solche Ausgestaltung werden Brennweiten der diffraktiven optischen Elemente erreicht, welche mindestens zehnmal so hoch sind wie die Gesamtbrennweite des Objektivs.Advantageously, at least one diffractive optical element is arranged in relation to the overall length of the objective starting from an object side in the direction of an image side in the first third of the objective and / or at least one diffractive optical element in the second half, for example in the third third, of the objective. In a further variant, the minimum distance between the sections Amin of the at least one diffractive optical element forming the grating can be between 10 and 500 micrometers (10 μm min 500 μm). In the case of at least two diffractive optical elements, for example, a first diffractive optical element can be arranged in the first third of the objective and have a minimum distance between the sections forming the grating between 30 and 500 micrometers and a second diffractive optical element in the second half, for For example, be arranged in the third third of the objective and have a minimum distance between the sections forming the grating of between 10 and 200 micrometers. Such a configuration achieves focal lengths of the diffractive optical elements which are at least ten times as high as the total focal length of the objective.

Weiterhin kann das Objektiv ein Sichtfeld (FOV - Field of View) über die volle Diagonale im Bereich zwischen 40 Grad und 25 Grad (40° ≥ FOV ≥ 25°) aufweisen. Das mindestens eine diffraktive optische Element und/oder mindestens eines, vorzugsweise alle, der refraktiven optischen Elemente können ein Polymer umfassen oder aus einem Polymer bestehen. Die Verwendung von Polymeren hat den Vorteil, dass die entsprechenden Bauelemente einerseits leicht und robust ausgestaltet sind. Als Polymere können beispielsweise die folgenden Zusammensetzungen verwendet werden: Polymethylmethacrylate (PMMA), Cyclo Olefin Polymer (COP), Cyclo Olefin Copolymer (COC; Markenname ZEONEX), Polycarbonate (PC), Polystyrene (PS) und Styrene Acrylonitrile (SAN).Furthermore, the lens can have a field of view (FOV) over the full diagonal in the range between 40 degrees and 25 degrees (40 ° FOV 25 °). The at least one diffractive optical element and / or at least one, preferably all, of the refractive optical elements can comprise a polymer or consist of a polymer. The use of polymers has the advantage that the corresponding components are, on the one hand, designed to be light and robust. The following compositions, for example, can be used as polymers: polymethyl methacrylate (PMMA), cyclo olefin polymer (COP), cyclo olefin copolymer (COC; brand name ZEONEX), polycarbonate (PC), polystyrene (PS) and styrene acrylonitrile (SAN).

Die genannten Eigenschaften ermöglichen eine kompakte und leichte Bauweise eines gleichzeitig leistungsstarken Teleobjektivs.The properties mentioned enable a compact and lightweight construction of a simultaneously powerful telephoto lens.

In einer vorteilhaften Variante umfasst das Objektiv zwischen drei und fünf, zum Beispiel 3 oder 4, refraktive optische Elemente. Bei den refraktiven optischen Elementen kann es sich beispielsweise um Linsen handeln. Durch die Kombination mindestens eines diffraktiven optischen Elements mit maximal fünf, vier oder drei Linsen wird ein besonders kleines, vergleichsweise einfach aufgebautes Objektiv mit einem geringen Gewicht zur Verfügung gestellt.In an advantageous variant, the objective comprises between three and five, for example 3 or 4, refractive optical elements. The refractive optical elements can be lenses, for example. By combining at least one diffractive optical element with a maximum of five, four or three lenses, a particularly small, comparatively simply constructed lens with a low weight is made available.

Das mindestens eine diffraktive optische Element kann in mindestens eines der refraktiven optischen Elemente, beispielsweise eine Linse, eingebracht oder mit dieser fest verbunden sein. Dabei kann das mindestens eine diffraktive optische Element unmittelbar in einer Oberfläche des refraktiven optischen Elements eingebracht sein, zum Beispiel als Gradienten-Index-Element. Alternativ dazu kann das mindestens eine diffraktive optische Element auf einer Oberfläche eines der refraktiven optischen Elemente aufgebracht sein, beispielsweise auf ein refraktives optisches Element als Schicht aufgeklebt oder aufgekittet sein. In einer weiteren Alternative kann das mindestens eine diffraktive optische Element in Form einer Platte, beispielsweise in Form einer freistehenden Platte, angeordnet sein. Dabei erfolgt die Anordnung der Platte an einer geeigneten Position im Strahlengang des Objektivs.The at least one diffractive optical element can be introduced into at least one of the refractive optical elements, for example a lens, or permanently connected to it. The at least one diffractive optical element can be introduced directly into a surface of the refractive optical element, for example as a gradient index element. Alternatively, the at least one diffractive optical element can be applied to a surface of one of the refractive optical elements, for example glued or cemented onto a refractive optical element as a layer. In a further alternative, the at least one diffractive optical element can be arranged in the form of a plate, for example in the form of a free-standing plate. The plate is arranged at a suitable position in the beam path of the objective.

Das diffraktive optische Element kann aus zwei Schichten aufgebaut sein, wobei die erste Schicht einen ersten Brechungsindex n1(λ) aufweist und die zweite Schicht einen sich von dem ersten Brechungsindex n1 unterscheidenden zweiten Brechungsindex n2(λ) aufweist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das mindestens eine diffraktive optische Element als Gradienten-Index-Element ausgestaltet sein. Im Falle einer Ausgestaltung als Gradienten-Index-Element findet ein kontinuierlicher Übergang von einem ersten Brechungsindex n1(λ) zu einem zweiten Brechungsindex n2(λ) statt.The diffractive optical element can be made up of two layers, the first layer having a first refractive index n 1 (λ) and the second layer having a second refractive index n 2 (λ) different from the first refractive index n 1. Additionally or alternatively, the at least one diffractive optical element can be designed as a gradient index element. In the case of an embodiment as a gradient index element, there is a continuous transition from a first refractive index n 1 (λ) to a second refractive index n 2 (λ).

Vorzugsweise ist das mindestens eine diffraktive optische Element effizienzachromatisiert ausgestaltet. Das bedeutet, es beugt mindestens 95% des transmittierten Lichts für alle Wellenlängen innerhalb eines festgelegten Spektralbereichs, zum Beispiel innerhalb des sichtbaren Spektralbereichs, in eine Beugungsordnung. Um eine Effizienzachromatisierung zu erreichen, kann das diffraktive optische Element, wie zuvor bereits beschrieben, aus zwei Schichten aufgebaut sein und/oder als Gradienten-Index-Element ausgestaltet sein. In den genannten Fällen sind vorzugsweise die Brechungsindizes in n1(λ) und n2(λ) so optimiert, dass die Differenz aus beiden, also Δn(λ) = n1(λ)-n2(λ) praktisch linear von der Wellenlänge abhängt (siehe dazu die eingangs bereits erwähnte Veröffentlichung von B.H. Kleemann et al. in „Design-Concepts for broadband high-efficieny DOEs“, Journal of the European Optical Society-Rapid publications 3 (2008) ). Dazu muss n1(λ) einen höheren Brechungsindex bei der d-Linie (nd = n(587,56nm)) und eine höhere Abbezahl (νd) als n2(λ) aufweisen.The at least one diffractive optical element is preferably designed to be efficiency achromatized. This means that it diffracts at least 95% of the transmitted light for all wavelengths within a specified spectral range Example within the visible spectral range, in one order of diffraction. In order to achieve efficiency achromatization, the diffractive optical element, as already described above, can be made up of two layers and / or designed as a gradient index element. In the cases mentioned, the refractive indices in n 1 (λ) and n 2 (λ) are preferably optimized so that the difference between the two, i.e. Δn (λ) = n 1 (λ) -n 2 (λ), is practically linear from the Depends on the wavelength (see the aforementioned publication by BH Kleemann et al. in "Design-Concepts for broadband high-efficieny DOEs", Journal of the European Optical Society-Rapid publications 3 (2008) ). For this purpose, n 1 (λ) must have a higher refractive index at the d-line (n d = n (587.56nm)) and a higher Abbe number (ν d ) than n 2 (λ).

Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass das mindestens eine diffraktive optische Element als Metaoberfläche aufgebaut ist, d.h. aus einzelnen Elementen, die kleiner als eine bestimmte Wellenlänge sind. In diesem Fall stellen n1(λ) und n2(λ) die effektiven Brechungsindizes der Wellenleiter, oder bei sehr dicht stehenden Elementen des gemittelten Mediums dar.Additionally or alternatively, it is possible for the at least one diffractive optical element to be constructed as a meta-surface, ie from individual elements that are smaller than a specific wavelength. In this case, n 1 (λ) and n 2 (λ) represent the effective refractive indices of the waveguides, or in the case of very dense elements of the averaged medium.

Das mindestens eine diffraktive optische Element weist vorzugsweise eine Höhe h von weniger als 20 Mikrometern (h < 20µm), beispielsweise eine Höhe von weniger als 10 Mikrometern (h < 10µm) auf. Dies hat den Vorteil, dass ausreichend hohe Effizienzen bei schrägem Lichteinfall und kleinen Gitterperioden erreicht werden.The at least one diffractive optical element preferably has a height H of less than 20 micrometers (h <20 μm), for example a height of less than 10 micrometers (h <10 μm). This has the advantage that sufficiently high efficiencies can be achieved with inclined incidence of light and small grating periods.

Das diffraktive optische Element (DOE) kann eine einzige, diffraktive Struktur mit einer räumlichen Variation im Brechungsindex aufweisen. Durch die räumliche Variation im Brechungsindex ist eine Folge aneinandergrenzender Abschnitte gebildet, innerhalb derer der Brechungsindex jeweils variiert und die eine diffraktive Struktur bilden. Das diffraktive optische Element ist somit ein GRIN-DOE. Die Folge aneinandergrenzender Abschnitte bildet eine Struktur mit variablen lateralen Abmessungen der Abschnitte, die zu einem definiert variierenden Beugungswinkel in Abhängigkeit vom Ort auf der diffraktiven Struktur führt, bspw. um zusätzlich zur ablenkenden Wirkung der Struktur beispielsweise eine fokussierende, eine defokussierende, eine Abbildungsfehler ausgleichende Wirkung oder eine andere optische Wirkung zu erzielen.The diffractive optical element (DOE) can have a single, diffractive structure with a spatial variation in the refractive index. The spatial variation in the refractive index forms a sequence of adjoining sections within which the refractive index varies in each case and which form a diffractive structure. The diffractive optical element is thus a GRIN-DOE. The sequence of adjoining sections forms a structure with variable lateral dimensions of the sections, which leads to a diffraction angle that varies in a defined manner depending on the location on the diffractive structure, for example, in addition to the deflecting effect of the structure, for example, a focusing, a defocusing, an aberration compensating effect or to achieve another visual effect.

Die diffraktive Struktur kann über einen sich wenigstens über 300 nm und vorzugsweise einen sich über mindestens 350 nm erstreckenden Spektralbereich, eine über diesen Spektralbereich gemittelte Beugungseffizienz von mindestens 0,95 aufweisen. Der Spektralbereich kann dabei ein Ausschnitt aus dem sichtbaren Spektralbereich sein, insbesondere kann der Spektralbereich der gesamte sichtbare Spektralbereich sein, also der Spektralbereich von 400 bis 800 nm oder, etwas enger spezifiziert, von 400 bis 750 nm.The diffractive structure can have a diffraction efficiency averaged over this spectral range of at least 0.95 over a spectral range extending at least over 300 nm and preferably over at least 350 nm. The spectral range can be a section of the visible spectral range, in particular the spectral range can be the entire visible spectral range, i.e. the spectral range from 400 to 800 nm or, to be more narrowly specified, from 400 to 750 nm.

Das diffraktive optische Element kann sich dadurch auszeichnen, dass der Wert die über den Spektralbereich von wenigstens 300 nm gemittelte Beugungseffizienz von mindestens 0,95 durch eine einzige einschichtige diffraktive Struktur mit einer Kombination aus wenigstens einem optimierten maximalen Brechungsindex nmax und einem optimierten minimalen Brechungsindex nmin sowie wenigstens einer optimierten hohen Abbe-Zahl νmax und einer optimierten niedrigen Abbe-Zahl νmin innerhalb jedes Abschnittes der Folge aneinandergrenzender Abschnitte realisiert ist.The diffractive optical element can be characterized in that the value is the diffraction efficiency averaged over the spectral range of at least 300 nm of at least 0.95 by a single single-layer diffractive structure with a combination of at least one optimized maximum refractive index nmax and an optimized minimum refractive index n min and at least one optimized high Abbe number ν max and an optimized low Abbe number ν min is implemented within each section of the sequence of adjacent sections.

Das diffraktive optische Element kann auf Grund der Tatsache, dass die über den Spektralbereich gemittelte Beugungseffizienz von mindestens 0,95 durch eine einzige einschichtige diffraktive Struktur realisiert sein kann, mit einer geringen Profilhöhe hergestellt werden. Je geringer die Profilhöhe der diffraktiven Struktur ist, desto geringer sind die durch die Profilhöhe verursachten Abschattungseffekte. Je geringer die Abschattungseffekte sind, desto langsamer fällt die Beugungseffizienz bei einer Vergrößerung des Einfallswinkels des Lichtes und/oder bei einer Verringerung der lateralen Ausdehnung der Abschnitte der Folge aneinandergrenzender Abschnitte ab.The diffractive optical element can be produced with a low profile height due to the fact that the diffraction efficiency averaged over the spectral range of at least 0.95 can be achieved by a single single-layer diffractive structure. The lower the profile height of the diffractive structure, the lower the shadowing effects caused by the profile height. The lower the shadowing effects, the slower the diffraction efficiency drops when the angle of incidence of the light is increased and / or when the lateral extent of the sections of the sequence of adjoining sections is reduced.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des diffraktiven optischen Elements ist der Wert der über den Spektralbereich von wenigstens 300 nm gemittelten Beugungseffizienz von mindestens 0,95 durch eine einzige einschichtige diffraktive Struktur mit wenigstens einer Kombination aus einem optimierten maximalen Brechungsindex nmax bei einer bestimmten Wellenlänge des Spektralbereichs von mindestens 300 nm, einem optimierten minimalen Brechungsindex nmin bei der bestimmten Wellenlänge des Spektralbereichs von mindestens 300 nm, einer optimierten hohen Abbe-Zahl νmax und einer optimierten niedrigen Abbe-Zahl νmin sowie optional einer optimierten ersten partiellen Teildispersion und einer optimierten zweiten partiellen Teildispersion innerhalb jedes Abschnittes der Folge aneinandergrenzender Abschnitte realisiert.In an advantageous embodiment of the diffractive optical element, the value of the diffraction efficiency averaged over the spectral range of at least 300 nm is at least 0.95 due to a single single-layer diffractive structure with at least one combination of an optimized maximum refractive index n max at a certain wavelength of the spectral range of at least 300 nm, an optimized minimum refractive index n min at the specific wavelength of the spectral range of at least 300 nm, an optimized high Abbe number ν max and an optimized low Abbe number ν min and optionally an optimized first partial partial dispersion and an optimized second partial dispersion Partial dispersion realized within each section of the sequence of adjacent sections.

Der Brechungsindex ist eine von der Wellenlänge abhängige Größe, deren Wellenlängenabhängigkeit insbesondere im sichtbaren Spektralbereich sich bspw. durch die Cauchy-Gleichung beschreiben lässt. Daher sind zur Beschreibung der Wellenlängenabhängigkeit der des optimierten maximalen Brechungsindex nmax und des optimierten minimalen Brechungsindex nmin zwei unterschiedlich parametrisierte Cauchy-Gleichungen nötig. Da die Wellenlängenabhängigkeit der Cauchy-Gleichung in hinreichender Näherung durch den Wert des Brechungsindex bei einer bestimmten Wellenlänge zusammen mit dem Wert der Abbe-Zahl und dem Wert der partiellen Teildispersion festgelegt werden kann, erlaubt diese Ausgestaltung, die Optimierung des wellenlängenabhängigen maximalen Brechungsindex nmax sowie des wellenlängenabhängigen minimalen Brechungsindex nmin durch Optimieren von sechs Parametern, nämlich des maximalen Brechungsindex nmax bei der bestimmten Wellenlänge, des minimalen Brechungsindex nmin bei der bestimmten Wellenlänge, der hohen Abbe-Zahl νmax, der niedrigen Abbe-Zahl νmin, der ersten partiellen Teildispersion und der zweiten partiellen Teildispersion. Da sich die Abhängigkeit der Cauchy-Gleichung von der partiellen Teildispersion weniger auf den Wert der über den Spektralbereich von wenigstens 300 nm gemittelten Beugungseffizienz auswirkt, können partiellen Teildispersionen jeweils auf einem vorgegebene Wert festgehalten werden, ohne sie in der Optimierung zu variieren.The refractive index is a variable that depends on the wavelength, the wavelength of which can be described, for example, by the Cauchy equation, particularly in the visible spectral range. Therefore, two differently parameterized Cauchy equations are necessary to describe the wavelength dependency of the optimized maximum refractive index n max and the optimized minimum refractive index n min. Since the The wavelength dependency of the Cauchy equation can be determined in a sufficient approximation by the value of the refractive index at a certain wavelength together with the value of the Abbe number and the value of the partial partial dispersion, this configuration allows the optimization of the wavelength-dependent maximum refractive index n max as well as the wavelength-dependent one minimum refractive index n min by optimizing six parameters, namely the maximum refractive index n max at the specific wavelength, the minimum refractive index n min at the specific wavelength, the high Abbe number ν max , the low Abbe number ν min , the first partial Partial dispersion and the second partial partial dispersion. Since the dependence of the Cauchy equation on the partial partial dispersion has less of an effect on the value of the diffraction efficiency averaged over the spectral range of at least 300 nm, partial partial dispersions can each be kept at a given value without varying them in the optimization.

Mit den optimierten Werten für den maximalen Brechungsindex nmax bei der bestimmten Wellenlänge des Spektralbereichs, für den minimalen Brechungsindex nmin bei der bestimmten Wellenlänge des Spektralbereichs, für die hohe Abbe-Zahl νmax und für die niedrige Abbe-Zahl νmin sowie optional für die erste partielle Teildispersion und für die zweiten partielle Teildispersion verläuft die Differenz Δn(λ) = nmax(λ) - nmin(λ) als Funktion der Wellenlänge λ über den Spektralbereich von wenigstens 300 nm weitestgehend linear.With the optimized values for the maximum refractive index n max at the specific wavelength of the spectral range, for the minimum refractive index n min at the specific wavelength of the spectral range, for the high Abbe number ν max and for the low Abbe number ν min and optionally for the first partial partial dispersion and for the second partial partial dispersion the difference Δn (λ) = n max ( λ) −n min (λ) runs largely linearly as a function of the wavelength λ over the spectral range of at least 300 nm.

In dem diffraktiven optischen Element liegt die optimierte hohe Abbe-Zahl νmax vorzugsweise in dem Bereich mit dem optimierten maximalen Brechungsindex nmax und die optimierte niedrige Abbe-Zahl νmin vorzugsweise in dem Bereich mit dem optimierten minimalen Brechungsindex nmin vor. Dies ist entgegen dem Trend von optischen Materialien, mit zunehmendem Brechungsindex eine niedrigere Abbe-Zahl aufzuweisen und wird bspw. durch die Verwendung dotierter oder gemischter optischer Materialien ermöglicht.In the diffractive optical element, the optimized high Abbe number ν max is preferably in the area with the optimized maximum refractive index n max and the optimized low Abbe number ν min is preferably in the area with the optimized minimum refractive index n min . This is contrary to the trend of optical materials to have a lower Abbe number with increasing refractive index and is made possible, for example, by the use of doped or mixed optical materials.

Es vorteilhaft, wenn die Brechungsindexdifferenz Δn zwischen dem optimierten maximalen Brechungsindex nmax und dem optimierten minimalen Brechungsindex nmin zumindest bei der bestimmten Wellenlänge mindestens einen Wert von 0,005, insbesondere mindestens einen Wert von 0,01 und vorzugsweise mindestens einen Wert von 0,015, aufweist, da die Profilhöhe der diffraktiven Struktur umso geringer gehalten werden kann, je größer die Brechungsindexdifferenz Δn ist.It is advantageous if the refractive index difference Δn between the optimized maximum refractive index n max and the optimized minimum refractive index n min has at least a value of 0.005, in particular at least a value of 0.01 and preferably at least a value of 0.015, at least at the specific wavelength, since the profile height of the diffractive structure can be kept lower, the greater the refractive index difference Δn.

Es ist zudem vorteilhaft, wenn die Abbe-Zahl-Differenz Δν zwischen der optimierten hohen Abbe-Zahl νmax und der optimierten niedrigen Abbe-Zahl νmin mindestens einen Wert von 8, insbesondere mindestens einen Wert 15 und vorzugsweise mindestens einen Wert 30 aufweist. Je höher die Abbe-Zahl-Differenz Δν ist, desto höher kann die Brechungsindexdifferenz Δn sein, mit der sich die über den Spektralbereich gemittelten Beugungseffizienz von mindestens 0,95 erreichen lässt, was es wiederum ermöglicht, geringere Profilhöhen der diffraktiven Struktur zu realisieren.It is also advantageous if the Abbe number difference Δν between the optimized high Abbe number ν max and the optimized low Abbe number ν min has at least a value of 8, in particular at least one value 15th and preferably at least one value 30th having. The higher the Abbe number difference Δν, the higher the refractive index difference Δn can be, with which the diffraction efficiency averaged over the spectral range of at least 0.95 can be achieved, which in turn enables lower profile heights of the diffractive structure to be achieved.

In dem diffraktiven optischen Element können in dem sich wenigstens über 300 nm, vorzugsweise über mindestens 350 nm erstreckenden Spektralbereich wenigstens zwei Maxima der spektralen Beugungseffizienz vorhanden sein. Während die über den Spektralbereich von wenigstens 300 nm gemittelte Beugungseffizienz einen über den Spektralbereich gemittelten Wert für die Beugungseffizienz repräsentiert, repräsentiert die spektrale Beugungseffizienz die Beugungseffizienz als Funktion der Wellenlänge des gebeugten Lichtes. Wenn die spektrale Beugungseffizienz wenigstens zwei Maxima aufweist, kann für einen bestimmten Wert der über den Spektralbereich von wenigstens 300 nm gemittelten Beugungseffizienz ein gleichmäßiger Verlauf der spektralen Beugungseffizienz über den Spektralbereich erzielt werden, insbesondere dann, wenn sich im Falle zweier Maxima der spektralen Beugungseffizienz die Wellenlängen, bei denen die Maxima liegen, um mindestens 150 nm, vorzugsweise um mindestens 200 nm voneinander unterscheiden. Im Falle von mehr als zwei Maxima insbesondere dann, wenn sich die Wellenlängen, bei denen die äußeren beiden Maxima liegen, um mindestens 150 nm, vorzugsweise um mindestens 200 nm, voneinander unterscheiden.In the diffractive optical element, at least two maxima of the spectral diffraction efficiency can be present in the spectral range extending at least over 300 nm, preferably over at least 350 nm. While the diffraction efficiency averaged over the spectral range of at least 300 nm represents a value for the diffraction efficiency averaged over the spectral range, the spectral diffraction efficiency represents the diffraction efficiency as a function of the wavelength of the diffracted light. If the spectral diffraction efficiency has at least two maxima, a uniform course of the spectral diffraction efficiency over the spectral range can be achieved for a certain value of the diffraction efficiency averaged over the spectral range of at least 300 nm, in particular if the wavelengths differ in the case of two maxima of the spectral diffraction efficiency , at which the maxima lie, differ from one another by at least 150 nm, preferably by at least 200 nm. In the case of more than two maxima, in particular when the wavelengths at which the two outer maxima are located differ from one another by at least 150 nm, preferably by at least 200 nm.

Die diffraktive Struktur des diffraktiven optischen Elements kann aus einem dotierten Material oder einem aus wenigstens zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindices gemischten Material bestehen. Die räumliche Variation im Brechungsindex beruht dann auf einer Variation der Dotierung bzw. einer Variation des Mischungsverhältnisses. Das Herstellen der diffraktiven Struktur kann dann relativ einfach durch Einbringen einer räumlich variierenden Dotierung bzw. durch einen 3D-Druck mit zeitlich variierendem Mischungsverhältnis des zugeführten gemischten Materials erfolgen. Im Falle der Verwendung eines Druckers mit mehreren Druckdüsen kann statt eines über der Zeit variierenden Mischungsverhältnisses auch ein über die Düsen variierendes Mischungsverhältnis zur Anwendung kommen.The diffractive structure of the diffractive optical element can consist of a doped material or a material mixed from at least two materials with different refractive indices. The spatial variation in the refractive index is then based on a variation in the doping or a variation in the mixing ratio. The production of the diffractive structure can then take place relatively easily by introducing spatially varying doping or by 3D printing with a mixing ratio of the mixed material that is fed in that varies over time. If a printer with several print nozzles is used, instead of a mixing ratio that varies over time, a mixing ratio that varies over the nozzles can also be used.

Die beschriebenen Varianten einer Ausgestaltung des mindestens einen diffraktiven optischen Elements ermöglichen die Erzielung einer besonders großen Brennweite im Vergleich zur Baulänge des Objektives bei einer gleichzeitigen Korrektur verschiedener Aberrationen, beispielsweise einer chromatischen Aberration, und anderer Abbildungsfehler. Es wird somit ein im Hinblick auf die Abbildungsqualität sehr hochwertiges und gleichzeitig sehr kompaktes Teleobjektiv zur Verfügung gestellt.The described variants of an embodiment of the at least one diffractive optical element make it possible to achieve a particularly large focal length compared to the overall length of the objective with a simultaneous correction various aberrations, such as a chromatic aberration, and other aberrations. A very high quality and at the same time very compact telephoto lens is thus made available with regard to the image quality.

Die erfindungsgemäße Kamera umfasst ein zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes Objektiv. Das erfindungsgemäße mobile Gerät umfasst eine zuvor beschriebene Kamera. Vorzugsweise handelt es sich bei dem mobilen Gerät um ein Smartphone oder ein Tablet oder eine Smartwatch oder eine Datenbrille. Die erfindungsgemäße Kamera und das erfindungsgemäße mobile Gerät, insbesondere das Smartphone, haben dieselben Eigenschaften und Vorteile wie das bereits beschriebene erfindungsgemäße Objektiv.The camera according to the invention comprises a previously described lens according to the invention. The mobile device according to the invention comprises a camera as described above. The mobile device is preferably a smartphone or a tablet or a smartwatch or data glasses. The camera according to the invention and the mobile device according to the invention, in particular the smartphone, have the same properties and advantages as the lens according to the invention already described.

Die vorliegende Erfindung hat insgesamt die folgenden Vorteile: Es wird ein kompaktes Telefonobjektiv für Smartphones, insbesondere mit einer Brennweite, welche größer ist als die Baulänge (f > TL) zur Verfügung gestellt. Das Objektiv kann zumindest teilweise aus Polymeren aufgebaut sein, wodurch es ein geringes Gewicht aufweist. Weiterhin werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Objektives weniger refraktive optische Elemente, insbesondere Linsen, benötigt um ein leistungsstarkes Objektiv zu realisieren. Darüber hinaus wird die Komplexität der Asphären verringert womit diese unempfindlicher gegenüber Fertigungstoleranzen sind.The present invention has the following advantages overall: A compact telephone lens for smartphones, in particular with a focal length which is greater than the overall length (f> TL), is made available. The objective can be constructed at least partially from polymers, which means that it has a low weight. Furthermore, less refractive optical elements, in particular lenses, are required within the scope of the objective according to the invention in order to realize a powerful objective. In addition, the complexity of the aspheres is reduced, making them less sensitive to manufacturing tolerances.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the accompanying figures. Although the invention is illustrated and described in more detail by the preferred exemplary embodiments, the invention is not restricted by the disclosed examples and other variations can be derived therefrom by the person skilled in the art without departing from the scope of protection of the invention.

Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.The figures are not necessarily true to detail and to scale and can be enlarged or reduced in order to provide a better overview. The functional details disclosed here are therefore not to be understood as restrictive, but merely as an illustrative basis that offers the person skilled in the art in this field of technology guidance in order to use the present invention in a wide variety of ways.

Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elementen verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, dass sie die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.

  • 1 zeigt schematisch eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Objektivs.
  • 2 zeigt schematisch eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Objektivs.
  • 3 zeigt schematisch eine dritte Variante eines erfindungsgemäßen Objektivs.
  • 4 zeigt schematisch eine vierte Variante eines erfindungsgemäßen Objektivs.
  • 5 zeigt schematisch eine fünfte Variante eines erfindungsgemäßen Objektivs.
  • 6 zeigt schematisch eine sechste Variante eines erfindungsgemäßen Objektivs.
  • 7 zeigt schematisch eine siebente Variante eines erfindungsgemäßen Objektivs.
  • 8 zeigt ein erstes exemplarisches Ausführungsbeispiel für ein diffraktives optisches Element.
  • 9 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Linse mit einem integrierten diffraktiven optischen Element.
  • 10 zeigt ein zweites exemplarisches Ausführungsbeispiel für ein diffraktives optisches Element.
  • 11 zeigt ein drittes exemplarisches Ausführungsbeispiel für ein diffraktives optisches Element.
  • 12 zeigt ein viertes exemplarisches Ausführungsbeispiel für ein diffraktives optisches Element.
  • 13 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Kamera.
  • 14 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes mobiles Gerät.
The term "and / or" as used herein, when used in a series of two or more items, means that any of the listed items can be used alone, or any combination of two or more of the listed items can be used. For example, if a composition is described that it contains components A, B and / or C, the composition A alone; B alone; C alone; A and B in combination; A and C in combination; B and C in combination; or A, B, and C in combination.
  • 1 shows schematically a first variant of an objective according to the invention.
  • 2 shows schematically a second variant of an objective according to the invention.
  • 3 shows schematically a third variant of an objective according to the invention.
  • 4th shows schematically a fourth variant of an objective according to the invention.
  • 5 shows schematically a fifth variant of an objective according to the invention.
  • 6th shows schematically a sixth variant of an objective according to the invention.
  • 7th shows schematically a seventh variant of an objective according to the invention.
  • 8th shows a first exemplary embodiment for a diffractive optical element.
  • 9 shows a schematic representation of a lens with an integrated diffractive optical element.
  • 10 shows a second exemplary embodiment for a diffractive optical element.
  • 11 shows a third exemplary embodiment for a diffractive optical element.
  • 12th shows a fourth exemplary embodiment for a diffractive optical element.
  • 13th shows schematically a camera according to the invention.
  • 14th shows schematically a mobile device according to the invention.

Im Folgenden werden anhand der 1 bis 7 verschiedene Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Objektive 1 beschrieben. Dabei sind die Objektive in den 1 bis 7 maßstabsgerecht vergrößert gezeigt. Zudem ist der Strahlengang für verschiedene Einfallswinkel, d.h. Feldpunkte, gezeigt und in allen Figuren mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet.In the following, the 1 until 7th various embodiments for lenses according to the invention 1 described. The lenses are in the 1 until 7th Shown enlarged to scale. In addition, the beam path is shown for different angles of incidence, ie field points, and in all figures with the reference number 10 marked.

Alle gezeigten Objektive 1 weisen jeweils eine optische Achse 2, Brennweite f und eine Baulänge TL entlang der optischen Achse 2 auf. Die Objektive 1 umfassen zudem eine Blende 3, drei oder vier refraktive optische Elemente 11-14 in Form von Linsen und mindestens ein diffraktives optisches Element 4, 7. Darüber hinaus umfassen die gezeigten Objektive 1 eine Bildebene 5 und eine im Strahlengang in Richtung von einer Objektebene zur Bildebene 5 unmittelbar vor der Bildebene 5 angeordnete planparallele Platte 6. Die refraktiven optischen Elemente 11-14 weisen jeweils eine zur Objektebene oder zur Blende 3 zeigenden Vorderseite 8 und eine zur Bildebene 5 zeigende Rückseite 9 auf.All lenses shown 1 each have an optical axis 2 , Focal length f and a length TL along the optical axis 2 on. The lenses 1 also include a bezel 3 , three or four refractive optical elements 11-14 in the form of lenses and at least one diffractive optical element 4th , 7th . They also include the lenses shown 1 an image plane 5 and one in the beam path in the direction from an object plane to the image plane 5 immediately in front of the image plane 5 arranged plane-parallel plate 6th . The refractive optical elements 11-14 each point one to the object plane or to the diaphragm 3 pointing front 8th and one to the picture plane 5 pointing back 9 on.

In Richtung des Strahlengangs von der Objektebene zur Bildebene sind in der in der 1 gezeigten Variante die Blende 3, eine erste Linse 11, eine zweite Linse 12 und eine dritte Linse 13 und in den 2 bis 6 zusätzlich eine vierte Linse 14 vor der planparallelen Platte 6 und der Bildebene 5 angeordnet. Die gezeigten Linsen 11-14 sind vorzugsweise asphärisch geformt. Die refraktiven optischen Elemente bzw. Linsen können grundsätzlich konvex, konkav, sphärisch oder asphärisch oder beliebig daraus kombiniert geformt sein. Es können auch Freiformlinsen oder Fresnel-Linsen verwendet werden.In the direction of the beam path from the object plane to the image plane are in the 1 The variant shown is the bezel 3 , a first lens 11 , a second lens 12th and a third lens 13th and in the 2 until 6th in addition a fourth lens 14th in front of the plane-parallel plate 6th and the image plane 5 arranged. The lenses shown 11-14 are preferably shaped aspherically. The refractive optical elements or lenses can basically be convex, concave, spherical or aspherical or any combination thereof. Free-form lenses or Fresnel lenses can also be used.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Objektivs 1 können grundsätzlich aus Polymeren aufgebaute refraktive und/oder diffraktive optische Elemente verwendet werden.Within the scope of the lens according to the invention 1 In principle, refractive and / or diffractive optical elements made up of polymers can be used.

Die in den 1, 2 und 6 gezeigten Objektive 1 weisen eine erste Linse 11 mit einer konvexen Vorderseite 8 und einer konkaven Rückseite 9 auf. Die in den 3 bis 5 und 7 gezeigten Objektive 1 weisen eine erste Linse 11 mit einer konvexen Vorderseite 8 und einer konvexen Rückseite 9 auf. Die zweiten bis vierten Linsen 12-14 sind in den 1 bis 6 asphärisch geformt.The ones in the 1 , 2 and 6th shown lenses 1 have a first lens 11 with a convex front 8th and a concave back 9 on. The ones in the 3 until 5 and 7th shown lenses 1 have a first lens 11 with a convex front 8th and a convex back 9 on. The second through fourth lenses 12-14 are in the 1 until 6th aspherically shaped.

Die in den 1 und 2 schematisch gezeigten erfindungsgemäßen Objektive 1 weisen eine Baulänge von 6 Millimetern (TL=6mm), eine Brennweite f von 7 Millimetern (f=7,0mm), ein Verhältnis der Brennweite f zum maximalen Durchmesser D der Blende von 2,8 (f/D=2,8) und ein Sichtfeld von 36 Grad auf. Das in der 2 gezeigte Objektiv 1 weist im Unterschied zu dem in der 1 gezeigten Objektiv 1 vier Linsen auf. Die zweite Linse 12 und die dritte Linse 13 können als Verbundlinse ausgestaltet sein oder miteinander verklebt sein.The ones in the 1 and 2 objectives according to the invention shown schematically 1 have a length of 6 millimeters (TL = 6mm), a focal length f of 7 millimeters (f = 7.0mm), a ratio of the focal length f to the maximum diameter D. the aperture of 2.8 (f / D = 2.8) and a field of view of 36 degrees. That in the 2 shown lens 1 points in contrast to that in the 1 shown lens 1 four lenses on. The second lens 12th and the third lens 13th can be designed as a composite lens or glued together.

Ein diffraktives optisches Element 4 mit einem minimalen Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte von mehr als 40 Mikrometern ist im ersten Drittel des Strahlengangs in Bezug auf die Baulänge ausgehend von der Blende 3 in Richtung der Bildebene 5 angeordnet, zum Beispiel an der Rückseite 9 der ersten Linse 11 oder in die erste Linse 11 integriert. Varianten für eine Ausgestaltung des diffraktiven optischen Elements 4 werden weiter unten anhand der 7 bis 12 näher erläutert.A diffractive optical element 4th with a minimum distance between the sections forming the grating of more than 40 micrometers is in the first third of the beam path in relation to the overall length starting from the diaphragm 3 in the direction of the image plane 5 arranged, for example at the rear 9 the first lens 11 or in the first lens 11 integrated. Variants for a configuration of the diffractive optical element 4th are described below using the 7th until 12th explained in more detail.

Die in den 3 und 4 schematisch gezeigten erfindungsgemäßen Objektive 1 weisen 4 Linsen, eine Baulänge von 6 Millimetern (TL=6mm), eine Brennweite f von 8 Millimetern (f=8,0mm), ein Verhältnis der Brennweite f zum maximalen Durchmesser D der Blende von 2,8 (f/D=2,8) und ein Sichtfeld von 31,5 Grad auf. In dem in der 3 gezeigten Beispiel ist ein diffraktives optisches Element 4 mit einem minimalen Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte von mehr als 90 Mikrometern im ersten Drittel der Baulänge ausgehend von der Blende 3 in Richtung der Bildebene 5 angeordnet, zum Beispiel an der Rückseite 9 der ersten Linse 11 oder in die erste Linse 11 integriert. In dem in der 4 gezeigten Beispiel ist ein diffraktives optisches Element 4 mit einem minimalen Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte von mehr als 15 Mikrometern in der zweiten Hälfte des Strahlengangs in Bezug auf die Baulänge ausgehend von der Blende 3 in Richtung der Bildebene 5 angeordnet, zum Beispiel an der Rückseite 9 der dritten Linse 13 oder in diese integriert.The ones in the 3 and 4th objectives according to the invention shown schematically 1 have 4 lenses, a length of 6 millimeters ( TL = 6mm), one focal length f of 8 millimeters (f = 8.0mm), a ratio of the focal length f to the maximum diameter D. the aperture of 2.8 (f / D = 2.8) and a field of view of 31.5 degrees. In the in the 3 The example shown is a diffractive optical element 4th with a minimum distance between the sections forming the grid of more than 90 micrometers in the first third of the overall length starting from the diaphragm 3 in the direction of the image plane 5 arranged, for example at the rear 9 the first lens 11 or in the first lens 11 integrated. In the in the 4th The example shown is a diffractive optical element 4th with a minimum distance between the sections forming the grating of more than 15 micrometers in the second half of the beam path in relation to the overall length starting from the diaphragm 3 in the direction of the image plane 5 arranged, for example at the rear 9 the third lens 13th or integrated into them.

Die 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit 4 Linsen und zwei diffraktiven optischen Elementen, wovon ein erstes diffraktives optisches Element 4 mit einem minimalen Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte von mehr als 100 Mikrometern im ersten Drittel des Strahlengangs in Bezug auf die Baulänge, zum Beispiel an der Rückseite 9 der ersten Linse 11, und ein zweites diffraktives optisches Element 7 mit einem minimalen Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte von mehr als 35 Mikrometern in der zweiten Hälfte des Strahlengangs in Bezug auf die Baulänge, zum Beispiel an der Rückseite 9 der dritten Linse 13, angeordnet ist.the 5 shows an embodiment with 4 lenses and two diffractive optical elements, of which a first diffractive optical element 4th with a minimum distance between the sections forming the grating of more than 100 micrometers in the first third of the beam path in relation to the overall length, for example at the rear 9 the first lens 11 , and a second diffractive optical element 7th with a minimum distance between the sections forming the grating of more than 35 micrometers in the second half of the beam path in relation to the overall length, for example at the rear 9 the third lens 13th , is arranged.

Das in der 5 gezeigte Objektiv 1 weist eine Brennweite von 8 Millimetern (f=8 mm), eine Baulänge von 6 Millimetern (TL=6 mm), ein Verhältnis der Brennweite zur maximalen Blendenöffnung von 2,8 (f/D= 2,8) und ein Sichtfeld von 31,5 Grad (FOV=31,5°) auf. Das in der 6 gezeigte Objektiv 1 mit einem diffraktiven optischen Element 4 im ersten Drittel des Strahlengangs in Bezug auf die Baulänge weist eine Brennweite von 9 Millimetern (f=9 mm), eine Baulänge von 6 Millimetern (TL=6 mm), ein Verhältnis der Brennweite zur maximalen Blendenöffnung von 3,6 (f/D = 3,6) und ein Sichtfeld von 28 Grad (FOV = 28°) auf.That in the 5 shown lens 1 has a focal length of 8 millimeters (f = 8 mm), an overall length of 6 millimeters (TL = 6 mm), a ratio of the focal length to the maximum aperture of 2.8 (f / D = 2.8) and a field of view of 31 .5 degrees (FOV = 31.5 °). That in the 6th shown lens 1 with a diffractive optical element 4th in the first Third of the beam path in relation to the overall length has a focal length of 9 millimeters (f = 9 mm), an overall length of 6 millimeters (TL = 6 mm), a ratio of the focal length to the maximum aperture of 3.6 (f / D = 3 , 6) and a field of view of 28 degrees (FOV = 28 °).

Das in der 7 gezeigte Objektiv 1 umfasst 5 Linsen, wobei die fünfte Linse mit der Bezugsziffer 15 gekennzeichnet ist. Das Objektiv 1 weist eine Brennweite von 8 Millimetern (f=8 mm), eine Baulänge von 6 Millimetern (TL=6 mm), ein Verhältnis der Brennweite zur maximalen Blendenöffnung von 2,5 (f/D= 2,5) und ein Sichtfeld von 31,4 Grad (FOV=31,4°) auf. Ein erstes diffraktives optisches Element 4 mit einem minimalen Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte von mehr als 70 Mikrometern ist im ersten Drittel des Strahlengangs in Bezug auf die Baulänge angeordnet, zum Beispiel an der Rückseite 9 der ersten Linse 11. Ein zweites diffraktives optisches Element 7 mit einem minimalen Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte von mehr als 42 Mikrometern ist in der zweiten Hälfte des Strahlengangs in Bezug auf die Baulänge angeordnet, zum Beispiel an der Rückseite 9 der vierten Linse 14.That in the 7th shown lens 1 comprises 5 lenses, the fifth lens having the reference number 15th is marked. The objective 1 has a focal length of 8 millimeters (f = 8 mm), an overall length of 6 millimeters (TL = 6 mm), a ratio of the focal length to the maximum aperture of 2.5 (f / D = 2.5) and a field of view of 31 .4 degrees (FOV = 31.4 °). A first diffractive optical element 4th with a minimum distance between the sections forming the grating of more than 70 micrometers is arranged in the first third of the beam path in relation to the overall length, for example on the rear 9 the first lens 11 . A second diffractive optical element 7th with a minimum distance between the sections forming the grating of more than 42 micrometers is arranged in the second half of the beam path in relation to the overall length, for example at the rear 9 the fourth lens 14th .

Prinzipiell kann das mindestens eine diffraktive optische Element 4, 7 entweder auf eine Oberfläche einer der Linsen, vorzugsweise der ersten Linse 11, auf oder eingebracht werden, als zusätzliche Schicht aufgekittet oder als freistehende Platte im Strahlengang platziert werden. Alternativ ist es auch denkbar, dass diffraktive optische Element als Gradienten-Index-DOE (GRIN-DOE) in eine Linse einzubringen. Dies wird weiter unten erläutert. Das diffraktive optische Element 4 hat dabei in allen Fällen eine Brennweite fDOE , die sehr viel größer ist, beispielsweise um einen Faktor zwischen 10 und 200, vorzugsweise um einen Faktor zwischen 30 und 100, als die Brennweite f des gesamten Objektivs. Vorzugsweise liegt die Brennweite des diffraktiven optischen Elements 4 als Einzelelement fDOE im Bereich zwischen 1000 mm und 100 mm.In principle, the at least one diffractive optical element can 4th , 7th either on a surface of one of the lenses, preferably the first lens 11 , on or in, cemented on as an additional layer or placed as a free-standing plate in the beam path. Alternatively, it is also conceivable to introduce a diffractive optical element into a lens as a gradient index DOE (GRIN DOE). This is explained below. The diffractive optical element 4th has a focal length in all cases f DOE , which is very much larger, for example by a factor between 10 and 200, preferably by a factor between 30 and 100, than the focal length f of the entire lens. The focal length of the diffractive optical element is preferably located 4th as a single element f DOE in the range between 1000 mm and 100 mm.

Das mindestens eine diffraktive optische Element 4, 7 in dem Objektiv 1 ist vorzugsweise effizienzachromatisiert. Das heißt, es beugt mindestens 95% des transmittierten Lichts für alle Wellenlängen innerhalb eines festgelegten Spektralbereichs, beispielsweise innerhalb des sichtbaren Spektralbereichs, z.B. zwischen 400 µm und 800 µm in eine Beugungsordnung. Dazu kann es aus zwei Schichten aufgebaut sein. Dabei weist eine erste Schicht einen ersten Brechungsindex n1(λ) und eine zweite Schicht einen zweiten Brechungsindex n2(λ) auf. Eine solche Ausgestaltung ist schematisch in der 10 gezeigt. Im Falle eines GRIN-DOEs findet dagegen ein kontinuierlicher Übergang von n1(λ) zu n2(λ) statt. In allen Fällen müssen n1(λ) und n2(λ) so optimiert werden, dass Δn(λ)= n1(λ) - n2(λ), also die Differenz der Brechungsindizes, praktisch linear von der Wellenlänge abhängt.The at least one diffractive optical element 4th , 7th in the lens 1 is preferably efficiency achromatized. This means that it diffracts at least 95% of the transmitted light for all wavelengths within a specified spectral range, for example within the visible spectral range, for example between 400 μm and 800 μm, into a diffraction order. For this purpose, it can be made up of two layers. A first layer has a first refractive index n 1 (λ) and a second layer has a second refractive index n 2 (λ). Such a configuration is shown schematically in FIG 10 shown. In the case of a GRIN-DOE, on the other hand, there is a continuous transition from n 1 (λ) to n 2 (λ). In all cases, n 1 (λ) and n 2 (λ) have to be optimized in such a way that Δn (λ) = n 1 (λ) - n 2 (λ), i.e. the difference in the refractive indices, depends practically linearly on the wavelength.

Alternativ ist es auch möglich, das diffraktive optische Element als Metaoberfläche (metasurface) aufzubauen, d.h. aus einzelnen Elementen die kleiner als eine bestimmte Wellenlänge, beispielsweise kleiner als die kleinste verwendete Wellenlänge, für die das Objektiv ausgelegt ist, beispielsweise die kleinste Wellenlänge des sichtbaren Lichtes. Ein Beispiel hierfür wird anhand der 11 näher erläutert. In diesem Fall stellen die Brechungsindizes n1(λ) und n2(λ) die effektiven Brechungsindizes der Wellenleiter, oder bei sehr dicht stehenden Elementen des gemittelten Mediums dar. Die Gesamthöhe h, auch Profilhöhe genannt, des diffraktiven optischen Elements ist dabei vorzugsweise kleiner als 20 µm und besonders bevorzugt kleiner als 10 µm.Alternatively, it is also possible to build the diffractive optical element as a metasurface, ie from individual elements that are smaller than a certain wavelength, for example smaller than the smallest wavelength used for which the objective is designed, for example the smallest wavelength of visible light . An example of this is given using the 11 explained in more detail. In this case, the refractive indices n 1 (λ) and n 2 (λ) represent the effective refractive indices of the waveguides, or in the case of very dense elements of the averaged medium. The total height H , also called the profile height, of the diffractive optical element is preferably less than 20 μm and particularly preferably less than 10 μm.

Die 8 zeigt einen Ausschnitt aus einem diffraktiven optischen Element 4, 7, welches eine diffraktive Struktur 33 aufweist, die aus einer Folge aneinander angrenzender Abschnitten 33A bis 33D gebildet ist. Die diffraktive Struktur 33 - und damit das optische Element - besitzt eine Profilhöhe h, die nicht mehr als 20 µm, insbesondere nicht mehr als 50 µm und vorzugsweise nicht mehr als 10 µm beträgt. In einer Richtung senkrecht zur Profilhöhe weist die diffraktive Struktur eine räumliche Variation im Brechungsindex auf, durch die die Abschnitte 33A bis 33D definiert werden. Innerhalb jedes Abschnittes 33A bis 33D nimmt der Brechungsindex von einem mit geringer Punktdichte dargestellten Bereich 25, der einen Bereich mit einem bezogen auf eine bestimmte Wellenlänge λ0 der diffraktiven Struktur minimalen Brechungsindex nmin0) repräsentiert, zu einem mit hoher Punktdichte dargestellten Bereich 27, der einen Bereich mit einem bezogen auf die bestimmte Wellenlänge λ0 maximalen Brechungsindex nmax0) repräsentiert, hin kontinuierlich zu.the 8th shows a section from a diffractive optical element 4th , 7th , which is a diffractive structure 33 which is formed from a sequence of mutually adjacent sections 33A to 33D. The diffractive structure 33 - and thus the optical element - has a profile height H which is not more than 20 µm, in particular not more than 50 µm and preferably not more than 10 µm. In a direction perpendicular to the profile height, the diffractive structure has a spatial variation in the refractive index, by which the sections 33A to 33D are defined. Within each section 33A to 33D, the refractive index decreases from an area represented with a low point density 25th , which represents a region with a minimum refractive index n min0 ) based on a specific wavelength λ 0 of the diffractive structure, to a region represented with a high point density 27 , which represents a region with a maximum refractive index n max0 ) based on the specific wavelength λ 0 , increases continuously.

Eine derartige diffraktive Struktur wird Gradientenindex-DOE oder kurz GRIN-DOE genannt. Ein derartiges Gitter kann derart ausgelegt werden, dass seine spektrale Beugungseffizienz η(λ) für eine spezifische Wellenlänge λdes, die sogenannte Designwellenlänge, theoretisch den Wert 1 oder 100% erreicht. Die Designwellenlänge λdes braucht dabei nicht mit der bestimmten Wellenlänge λ0 übereinzustimmen, eine Übereinstimmung von bestimmter Wellenlänge λ0 und Designwellenlänge λdes ist kann jedoch das Entwerfen der diffraktiven Struktur vereinfachen, wenn über den gesamten sichtbaren Spektralbereich eine hohe Beugungseffizienz bei gleichzeitig geringer Profilhöhe der diffraktiven Struktur erreicht werden soll.Such a diffractive structure is called a gradient index DOE or GRIN DOE for short. Such a grating can be designed in such a way that its spectral diffraction efficiency η (λ) for a specific wavelength λ des , the so-called design wavelength, theoretically equals the value 1 or 100% achieved. The design wavelength λ des does not need to match the specific wavelength λ 0 , but a match of specific wavelength λ 0 and design wavelength λ des is can simplify the design of the diffractive structure if a high diffraction efficiency over the entire visible spectral range and a low profile height of the diffractive structure is to be achieved.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die kontinuierliche Zunahme des Brechungsindex n(λ0) bei der bestimmten Wellenlänge λ0 durch eine lineare Zunahme von dem im Bereich 25 vorliegenden minimalen Brechungsindex nmin0) bei der bestimmten Wellenlänge λ0 zu dem im Bereich 27 vorliegenden maximalen Brechungsindex nmax0) bei der bestimmten Wellenlänge λ0 charakterisiert. Der minimale Brechungsindex nmin0) und der maximale Brechungsindex nmax0) bei der bestimmten Wellenlänge λ0 der diffraktiven Struktur 33 sind so gewählt, dass Licht mit der Designwellenlänge λdes bei einer Transmission durch den Bereich mit dem maximalen Brechungsindex nmax0) gegenüber einer Transmission durch den Bereich mit dem minimalen Brechungsindex nmin0) eine Phasenverschiebung von j × 2π erfährt, wobei j die Beugungsordnung repräsentiert. In den vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispielen ist j = 1, gewählt, so dass das Licht in die erste Beugungsordnung abgelenkt wird. Es ist jedoch auch möglich j > 1 - und damit eine höhere Beugungsordnung - oder j < 0 - und damit eine negative Beugungsordnung - zu wählen. Bei einer negativen Beugungsordnung würde im Bereich 25 der maximale Brechungsindex nmax0) und im Bereich 27 der minimale Brechungsindex nmin0) vorliegen.In the present exemplary embodiment, the continuous increase in the refractive index n (λ 0 ) at the specific wavelength λ 0 is due to a linear increase from that in the range 25th present minimum refractive index n min0 ) at the specific wavelength λ 0 to that in the area 27 present maximum refractive index n max0 ) at the specific wavelength λ 0 characterized. The minimum refractive index n min0 ) and the maximum refractive index n max0 ) at the specific wavelength λ 0 of the diffractive structure 33 are chosen so that light with the design wavelength λ des experiences a phase shift of j × 2π when transmitted through the area with the maximum refractive index n max0 ) compared to a transmission through the area with the minimum refractive index n min0) , where j represents the diffraction order. In the present exemplary embodiments, j = 1 is chosen so that the light in the first order of diffraction is deflected. However, it is also possible to choose j> 1 - and thus a higher diffraction order - or j <0 - and thus a negative diffraction order. In the case of a negative diffraction order, 25th the maximum refractive index n max0 ) and in the range 27 the minimum refractive index n min0 ) is present.

Der minimale Brechungsindex nmin0) und der maximale Brechungsindex nmax0) bei der der bestimmten Wellenlänge λ0 haben derartige Werte, dass der maximale Brechungsindex nmax0) bei der bestimmten Wellenlänge einen um mindestens 0,005, insbesondere mindestens 0,01 und vorzugsweise mindestens 0,015 höheren Wert als der minimale Brechungsindex nmin0) bei der bestimmten Wellenlänge aufweist. Wenn die bestimmte Wellenlänge λ0 gleichzeitig die Designwellenlänge λdes der diffraktiven Struktur ist, bestimmt die Brechungsindexdifferenz Δn(λdes) = nmaxdes) - nmindes) zwischen dem maximalen Brechungsindex und dem minimalen Brechungsindex die Profilhöhe h der diffraktiven optischen Struktur gemäß der nachfolgenden Gleichung (in der ersten Beugungsordnung): h = λ des / Δ n ( λ des ) .

Figure DE102020105201A1_0001
The minimum refractive index n min0 ) and the maximum refractive index n max0 ) at the specific wavelength λ 0 have such values that the maximum refractive index n max0 ) at the specific wavelength is at least 0.005, in particular at least 0.01 and preferably at least 0.015 higher value than the minimum refractive index n min0 ) at the specific wavelength. If the specific wavelength λ 0 is also the design wavelength λ des of the diffractive structure, the refractive index difference Δn (λ des ) = n maxdes ) - n mindes ) between the maximum refractive index and the minimum refractive index determines the profile height H the diffractive optical structure according to the following equation (in the first order of diffraction): H = λ of / Δ n ( λ of ) .
Figure DE102020105201A1_0001

In der j-ten Beugungsordnung wäre die Profilhöhe h entsprechend durch h = λ des / Δ n ( λ des ) .

Figure DE102020105201A1_0002
gegen. Wenn die bestimmte Wellenlänge λ0 von der Designwellenlänge λdes der diffraktiven Struktur abweicht, müssen die Brechungsindices nmax0) und nmin0) bei der bestimmten Wellenlänge zuerst in die Brechungsindices nmaxdes) und nmindes) bei der Designwellenlänge λdes umgerechnet werden, um die Profilhöhe der diffraktiven Struktur berechnen zu können.The profile height would be in the jth order of diffraction H accordingly H = j λ of / Δ n ( λ of ) .
Figure DE102020105201A1_0002
against. If the specific wavelength λ 0 deviates from the design wavelength λ des of the diffractive structure, the refractive indices n max0 ) and n min0 ) at the specific wavelength must first be converted into the refractive indices n maxdes ) and n min ( λ des ) can be converted at the design wavelength λ des in order to be able to calculate the profile height of the diffractive structure.

Die bestimmte Wellenlänge λ0 ist im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel gleich der Designwellenlänge λdes der diffraktiven Struktur und hat den Wert 587,56 nm. Sie entspricht damit der d-Linie von Helium. Grundsätzlich kann jedoch auch jede andere Wellenlänge als die bestimmte Wellenlänge λ0 Verwendung finden, bspw. die Wellenlänge der e-Linie von Quecksilber (546,07 nm), sofern diese in demjenigen Wellenbereich liegt, für den eine Effizienzachromatisierung der diffraktiven Struktur erfolgen soll. Dieser Wellenlängenbereich ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel der sichtbare Wellenlängenbereich, also der Wellenlängenbereich zwischen 400 und 800 nm oder, etwas enger spezifiziert, von 400 bis 750 nm. Die bestimmte Wellenlänge λ0 liegt daher mit 587,56 nm im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel mehr oder weniger im Zentrum des sichtbaren Wellenlängenbereichs.In the present exemplary embodiment, the specific wavelength λ 0 is equal to the design wavelength λ of the diffractive structure and has the value 587.56 nm. It thus corresponds to the d-line of helium. In principle, however, any other wavelength than the specific wavelength λ 0 can also be used, for example the wavelength of the e-line of mercury (546.07 nm), provided that this is in the wavelength range for which efficiency achromatization of the diffractive structure is to take place. This wavelength range is in the present embodiment, the visible wavelength range, which is the wavelength range between 400 and 800 nm, or somewhat specified narrower nm 400-750. The specific wavelength λ 0 is therefore to 587.56 nm in the present exemplary embodiment, more or less in the Center of the visible wavelength range.

Um die Effizienzachromatisierung der diffraktiven Struktur 33 im sichtbaren Spektralbereich zu erreichen, weist das Material, aus dem sie hergestellt ist, im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel einen maximalen Brechungsindex nmax0) von 1,700 und einen minimalen Brechungsindex nmin0) von 1,695 auf, so dass eine Brechungsindexdifferenz Δn(λ0) = nmax0) - nmin0) von 0,005 vorliegt. Zudem liegt in den Bereichen 27 mit dem maximale Brechungsindex nmax0) eine Abbe-Zahl νmax von 50 und in den Bereichen 25 mit dem niedrigem Brechungsindex nmin0) eine Abbe-Zahl νmin von 42 vor, so dass eine Abbe-Zahl-Differenz Δν mit dem Wert 8 vorliegt. Diese Werte entstammen einer Optimierung, in der die Wertekombination (nmax0) = 1,7000; νmax = 50) festgehalten wurde und die Werte für nmin0) sowie für νmin, und damit die Brechungsindexdifferenz Δn(λ0) sowie die Abbe-Zahl-Differenz Δν, im Hinblick auf eine hohe über den sichtbaren Spektralbereich gemittelte Beugungseffizienz optimiert wurden. Statt der Werte für nmax0), und νmax können alternativ aber auch die Werte für nmin0) und νmin festgehalten werden. Zudem besteht auch die Möglichkeit, die Werte für den maximalen Brechungsindex nmax0), den minimalen Brechungsindex nmin0), die Abbe-Zahl νmax und die Abbe-Zahl νmin zu optimieren, so dass keiner dieser Werte festgehalten wird.About the efficiency achromatization of the diffractive structure 33 In the present exemplary embodiment, the material from which it is made has a maximum refractive index n max0 ) of 1.700 and a minimum refractive index n min0 ) of 1.695, so that a refractive index difference Δn (λ 0 ) = n max0 ) - n min0 ) of 0.005 is present. Also lies in the areas 27 with the maximum refractive index n max0 ) an Abbe number ν max of 50 and in the areas 25th with the low refractive index n min0 ) an Abbe number ν min of 42, so that an Abbe number difference Δν with the value 8th is present. These values come from an optimization in which the combination of values (n max0 ) = 1.7000; ν max = 50) was recorded and the values for n min0 ) and for ν min , and thus the refractive index difference Δn ( λ 0 ) and the Abbe number difference Δν, have been optimized with regard to a high diffraction efficiency averaged over the visible spectral range. Instead of the values for n max0 ) and ν max , the values for n min0 ) and ν min can alternatively be recorded. It is also possible to optimize the values for the maximum refractive index n max0 ), the minimum refractive index n min0 ), the Abbe number ν max and the Abbe number ν min , so that none of these values is being held.

Eine Größe, die die zum Angeben der Höhe der über einen Spektralbereich gemittelten Beugungseffizienz - und damit den Grad an Effizienzachromatisierung der diffraktiven Struktur - Verwendung finden kann, ist die polychromatische integrale Beugungseffizienz ηPIDE (PIDE: Polychromatic Integral Diffraction Efficiency), die eine über einen bestimmten Spektralbereich - im vorliegenden Ausführungsbeispiel über den sichtbaren Spektralbereich - gemittelte spektrale Beugungseffizienz η(λ) ist und die gemäß der Gleichung η PIDE = 1 0.8 μ m 0.4 μ m 0.4 μ m 0.8 μ m η ( λ )

Figure DE102020105201A1_0003
berechnet werden kann, wobei die spektrale Beugungseffizienz η(λ) durch die Gleichung η ( λ ) = sinc ( h Δ n ( λ ) λ 1 )
Figure DE102020105201A1_0004
gegeben ist, sofern Abschattungseffekte vernachlässigt werden können. In der j-ten Beugungsordnung wäre die „-1“ durch „-j“ zu ersetzen. Dabei stehen sinc für den Sinus cardinalis, h für die Profilhöhe der diffraktiven Struktur, Δn(λ) = n1(λ) - n2(λ) für die wellenlängenabhängige Brechungsindexdifferenz und λ für die Wellenlänge, wobei n10) = nmax0) und n20) = nmin0) gilt.One quantity that can be used to indicate the level of the diffraction efficiency averaged over a spectral range - and thus the degree of efficiency achromatization of the diffractive structure - is the polychromatic integral diffraction efficiency η PIDE (PIDE: Polychromatic Integral Diffraction Efficiency), which is a specific spectral range - in the present exemplary embodiment over the visible spectral range - is the mean spectral diffraction efficiency η (λ) and that according to the equation η PIDE = 1 0.8 μ m - 0.4 μ m 0.4 μ m 0.8 μ m η ( λ )
Figure DE102020105201A1_0003
can be calculated, where the spectral diffraction efficiency η (λ) is given by the equation η ( λ ) = sinc ( H Δ n ( λ ) λ - 1 )
Figure DE102020105201A1_0004
is given, provided that shadowing effects can be neglected. In the j-th order of diffraction, the "-1" would have to be replaced by "-j". Here sinc stands for the cardinal sinus, h for the profile height of the diffractive structure, Δn (λ) = n 1 (λ) - n 2 (λ) for the wavelength-dependent refractive index difference and λ for the wavelength, where n 10 ) = n max0 ) and n 20 ) = n min0 ) applies.

Der wellenlängenabhängige Verlauf des Brechungsindex η(λ) kann mit Hilfe der Abbe-Zahl und der partiellen Teildispersion durch die Cauchy-Gleichung n ( λ ) = a + b λ 2 + c λ 4 + 0 ( λ 6 )

Figure DE102020105201A1_0005
insbesondere im sichtbaren Spektralbereich sehr gut angenähert werden. Dabei können die Koeffizienten a, b und c gemäß a = n d b λ d 2 c λ d 4
Figure DE102020105201A1_0006
und ( b c ) = 1 λ F , C 2 λ g , F 4 λ F , C 4 λ g , F 2 ( λ g , F 4 λ F , C 4 λ g , F 2 λ F , C 2 ) ( n d 1 v d n d 1 v d P g , F )
Figure DE102020105201A1_0007
mit λ g , F 2 = 1 λ g 2 1 λ F 2
Figure DE102020105201A1_0008
λ F , C 4 = 1 λ F 2 1 λ C 2
Figure DE102020105201A1_0009
λ g , F 4 = 1 λ g 4 1 λ F 4
Figure DE102020105201A1_0010
λ F , C 4 = 1 λ F 4 1 λ C 4
Figure DE102020105201A1_0011
durch den Brechungsindex nd bei der d-Linie von Helium (587,56 nm) die Abbe-Zahl νd und die partielle Teildispersion Pg,F ausgedrückt werden.The wavelength-dependent course of the refractive index η (λ) can be determined with the help of the Abbe number and the partial partial dispersion by the Cauchy equation n ( λ ) = a + b λ 2 + c λ 4th + 0 ( λ - 6th )
Figure DE102020105201A1_0005
can be approximated very well, especially in the visible spectral range. The coefficients a, b and c can be used according to a = n d - b λ d 2 - c λ d 4th
Figure DE102020105201A1_0006
and ( b c ) = 1 λ F. , C. 2 λ G , F. 4th - λ F. , C. 4th λ G , F. 2 ( λ G , F. 4th - λ F. , C. 4th - λ G , F. 2 λ F. , C. 2 ) ( n d - 1 v d n d - 1 v d P. G , F. )
Figure DE102020105201A1_0007
with λ G , F. 2 = 1 λ G 2 - 1 λ F. 2
Figure DE102020105201A1_0008
λ F. , C. 4th = 1 λ F. 2 - 1 λ C. 2
Figure DE102020105201A1_0009
λ G , F. 4th = 1 λ G 4th - 1 λ F. 4th
Figure DE102020105201A1_0010
λ F. , C. 4th = 1 λ F. 4th - 1 λ C. 4th
Figure DE102020105201A1_0011
the Abbe number ν d and the partial partial dispersion P g, F can be expressed by the refractive index n d at the d-line of helium (587.56 nm).

Die Abbe-Zahl ist eine dimensionslose Größe, welche die dispersiven Eigenschaften eines optischen Materials beschreibt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel findet folgende Definition der Abbe-Zahl Verwendung v d = n d 1 n F n C ,

Figure DE102020105201A1_0012
wobei das tiefgestellte „d“ bedeutet, dass zur Definition der Abbe-Zahl die d-Line von Helium herangezogen wird. In dieser Definition stehen nd für den Brechungsindex bei der Wellenlänge der d-Linie von Helium (587,56 nm), nF für den Brechungsindex bei der Wellenlänge der F-Linie von Wasserstoff (486,13 nm) und nC für den Brechungsindex bei der Wellenlänge der C-Linie von Wasserstoff (656,27 nm). Andere Definitionen der Abbe-Zahl als νd können im Rahmen der vorliegenden Erfindung aber ebenfalls Verwendung finden, bspw. νe. Im Falle von ve finden in der obigen Gleichung statt des Brechungsindex nd bei der Wellenlänge der d-Line von Helium der Brechungsindex ne bei der Wellenlänge der e-Linie von Quecksilber (546,07 nm), statt des Brechungsindex nF bei der Wellenlänge der F-Linie von Wasserstoff der Brechungsindex nF' bei der Wellenlänge der F'-Linie von Cadmium (479,99 nm) und statt des Brechungsindex nc bei der Wellenlänge der C-Linie von Wasserstoff der Brechungsindex nC' bei der Wellenlänge der C'-Linie von Cadmium (643,85 nm) Verwendung. Da die vorliegende Erfindung nicht von der gewählten Definition der Abbe-Zahl abhängt, wird diese in der vorliegenden Beschreibung lediglich mit v ohne einen Index bezeichnet. Bei einem anderen Spektralbereich als dem sichtbaren Spektralbereich sind statt der Brechungsindices bei den oben beschriebenen Wellenlängen Brechungsindices bei anderen Wellenlängen zu wählen, die innerhalb des Spektralbereichs, für den die Effizienzachromatisierung erfolgen soll, liegen. Dabei braucht keine der gewählten Wellenlängen mit der Designwellenlänge der diffraktiven Struktur übereinzustimmen.The Abbe number is a dimensionless quantity that describes the dispersive properties of an optical material. In the present exemplary embodiment, the following definition of the Abbe number is used v d = n d - 1 n F. - n C. ,
Figure DE102020105201A1_0012
where the subscript "d" means that the d-line of helium is used to define the Abbe number. In this definition, n d stands for the refractive index at the wavelength of the d-line of helium (587.56 nm), n F for the refractive index at the wavelength of the F-line of hydrogen (486.13 nm) and n C for the Refractive index at the wavelength of the C-line of hydrogen (656.27 nm). Definitions of the Abbe number other than ν d can also be used in the context of the present invention, for example ν e . In the case of ve, instead of the refractive index n d at the wavelength of the d-line of helium, the refractive index n e at the wavelength of the e-line of mercury (546.07 nm) instead of the refractive index n F at the The wavelength of the F line of hydrogen is the refractive index n F ' at the wavelength of the F' line of cadmium (479.99 nm) and instead of the refractive index nc at the wavelength of the C line of hydrogen, the refractive index n C ' at the wavelength the C 'line of cadmium (643.85 nm) use. Since the present invention does not depend on the chosen definition of the Abbe number, this is referred to in the present description only with v without an index. In the case of a spectral range other than the visible spectral range, instead of the refractive indices at the wavelengths described above, refractive indices at other wavelengths that lie within the spectral range for which the efficiency achromatization is to take place are to be selected. None of the selected wavelengths need to match the design wavelength of the diffractive structure.

Die partielle Teildispersion beschreibt eine Differenz zwischen den Brechungsindices zweier bestimmter Wellenlängen bezogen auf ein Referenz-Wellenlängenintervall und stellt ein Maß für die Stärke der Dispersion in dem Spektralbereich zwischen diesen beiden Wellenlängen dar. Die beiden Wellenlängen sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Wellenlänge der g-Linie von Quecksilber (435,83 nm) und die Wellenlänge der F-Linie von Wasserstoff (486,13 nm), so dass die partielle Teildispersion Pg,F im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch P g ,F = n g n F n F n C

Figure DE102020105201A1_0013
gegeben ist, wobei nF und nC dieselben sind wie bei νd. Auch bei der partiellen Teildispersion kann eine andere Definition Verwendung finden, in der bspw. die F- und C-Linien von Wasserstoff durch die F'- und C'-Linien von Cadmium ersetzt sind.The partial partial dispersion describes a difference between the refractive indices of two specific wavelengths based on a reference wavelength interval and represents a measure of the strength of the dispersion in the spectral range between these two wavelengths. In the present exemplary embodiment, the two wavelengths are the wavelength of the g-line of Mercury (435.83 nm) and the wavelength of the F line of hydrogen (486.13 nm), so that the partial partial dispersion P g, F in the present exemplary embodiment P. G , F = n G - n F. n F. - n C.
Figure DE102020105201A1_0013
is given, where n F and n C are the same as for ν d . Another definition can also be used in the case of partial partial dispersion, in which, for example, the F and C lines of hydrogen are replaced by the F 'and C' lines of cadmium.

Der in die Koeffizienten der Cauchy-Gleichung unmittelbar eingehende Brechungsindex nd bei der Wellenlänge der d-Line von Helium kann ebenfalls durch einen Brechungsindex bei einer anderen Wellenlänge ersetzt werden, sofern die andere Wellenlänge innerhalb des Spektralbereiches liegt, für den die Effizienzachromatisierung erfolgen soll. Allerdings müssten die Gleichungen für die Koeffizienten a, b und c an den Brechungsindex bei der anderen Wellenlänge angepasst werden. The refractive index n d , which is directly included in the coefficients of the Cauchy equation, at the wavelength of the d-line of helium can also be replaced by a refractive index at a different wavelength, provided that the other wavelength lies within the spectral range for which the efficiency achromatization is to take place. However, the equations for the coefficients a, b and c would have to be adapted to the refractive index at the other wavelength.

Die oben beschriebe Optimierung kann damit im Hinblick auf das Erreichen eines vorgegebenen Mindestwertes der polychromatischen integralen Beugungseffizienz ηPIDE oder im Hinblick auf das Erreichen eines Maximums der polychromatischen integralen Beugungseffizienz ηPIDE erfolgen. Dabei zeigt sich, dass der Einfluss der partiellen Teildispersion Pg,F auf die polychromatische integrale Beugungseffizienz ηPIDE deutlich geringer ist als der Einfluss der Abbe-Zahl ν, so dass man für die polychromatische integrale Beugungseffizienz ηPIDE für einen breiten Wertebereich der partiellen Teildispersion Pg,F mit Hilfe einer Optimierung von Δn(λ0) und Δν bzw. einer Optimierung von nmax0), nmin0), νmax und νmin einen Wert von 0,95 oder höher erzielen kann. Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, statt optimierter Werte für nmax0), nmin0), νmax und νmin oder optimierter Werte für Δn(λ0) und Δν optimierte Werte für nmax0), nmin0), νmax, νmin, Pg,F,1 und Pg,F,2 zu ermitteln, wobei Pg,F,1 nmax0) und νmax zugeordnet ist und Pg,F,2 nmin0) und νmin zugeordnet ist. Wenn lediglich nmax0), nmin0), νmax und νmin oder Δn(λ0) und Δν optimiert werden, erhält man zwei Maxima in der spektralen Beugungseffizienz η(λ). Wenn zudem Pg,F,1 und Pg,F,2 sowohl optimiert werden, erhält man drei Maxima in der spektralen Beugungseffizienz η(λ), sofern die Differenz von Pg,F,1 und Pg,F,2 ausreichend groß wird, d.h. Pg,F,1 ausreichend groß und Pg,F,2 ausreichend klein ist.The optimization described above can thus be carried out with a view to achieving a predetermined minimum value of the polychromatic integral diffraction efficiency η PIDE or with a view to achieving a maximum of the polychromatic integral diffraction efficiency η PIDE . It can be seen that the influence of the partial partial dispersion P g, F on the polychromatic integral diffraction efficiency η PIDE is significantly less than the influence of the Abbe number ν, so that one for the polychromatic integral diffraction efficiency η PIDE for a wide range of values of the partial partial dispersion P g, F can achieve a value of 0.95 or higher with the help of an optimization of Δn (λ 0 ) and Δν or an optimization of n max0 ), n min0 ), ν max and ν min . In principle, however, there is also the possibility, instead of optimized values for n max0 ), n min0 ), ν max and ν min or optimized values for Δn (λ 0 ) and Δν, optimized values for n max0 ) , n min0 ), ν max , ν min , P g, F, 1 and P g, F, 2 , where P g, F, 1 is assigned to n max0 ) and ν max and P g, F, 2 n min0 ) and ν min . If only n max0 ), n min0 ), ν max and ν min or Δn (λ 0 ) and Δν are optimized, two maxima are obtained in the spectral diffraction efficiency η (λ). If, in addition, P g, F, 1 and P g, F, 2 are both optimized, three maxima are obtained in the spectral diffraction efficiency η (λ), provided that the difference between P g, F, 1 and P g, F, 2 is sufficient becomes large, ie P g, F, 1 is sufficiently large and P g, F, 2 is sufficiently small.

Die diffraktive Struktur 33 im diffraktiven optischen Element 4, 7 weist eine derartige Variation auf, dass im Zentrum der diffraktiven Struktur 33 zwei horizontal gespiegelte diffraktive Strukturen 33, 33' aneinandergrenzen. Mit zunehmenden Abstand vom Zentrum der diffraktiven Struktur 33 verringern sich die lateralen Abmessungen der Abschnitte 33A bis 33D bzw. 33A' bis 33D', in denen die Brechungsindices jeweils von dem minimalen Brechungsindex nmin0) zum maximalen Brechungsindex nmax0) variieren. Dadurch wird es möglich, das diffraktive optische Element 4, 7 bspw. als Beugungslinse auszugestalten, wobei die Art und Weise, wie sich die lateralen Abmessungen mit zunehmenden Abstand vom Zentrum der diffraktiven Struktur 33 verringern unter anderem davon abhängt, welche Fokuslage erzielt werden soll.The diffractive structure 33 in the diffractive optical element 4th , 7th exhibits such a variation that in the center of the diffractive structure 33 two horizontally mirrored diffractive structures 33 '33' adjoin each other. With increasing distance from the center of the diffractive structure 33 the lateral dimensions of the sections 33A to 33D or 33A 'to 33D', in which the refractive indices vary from the minimum refractive index n min0 ) to the maximum refractive index n max0 ), decrease. This makes it possible for the diffractive optical element 4th , 7th For example, to design as a diffraction lens, the manner in which the lateral dimensions change with increasing distance from the center of the diffractive structure 33 among other things depends on which focus position is to be achieved.

Der minimale Brechungsindex nmin0) und der maximale Brechungsindex nmax0) sind bei der Designwellenlänge λdes der diffraktiven Struktur 33 so gewählt, dass Licht mit der Designwellenlänge λdes bei einer Transmission durch den Bereich mit dem maximalen Brechungsindex nmax0) gegenüber einer Transmission durch den Bereich mit dem minimalen Brechungsindex nmin0) eine Phasenverschiebung von j × 2π erfährt, wobei j die Beugungsordnung repräsentiert. Für Abschnitte 33D, 33D' mit geringer Breite bedeutet dies, dass der Verlauf des Brechungsindex von dem Bereich 27D, 27D' mit dem maximalen Brechungsindex nmax0) zu dem Bereich 25D, 25D' mit dem minimalen Brechungsindex nmin0) steiler sein muss als bspw. bei den Abschnitten 33B, 33B' mit größerer Breite.The minimum refractive index n min0 ) and the maximum refractive index n max0 ) are at the design wavelength λ of the diffractive structure 33 chosen so that light with the design wavelength λ des experiences a phase shift of j × 2π when transmitted through the area with the maximum refractive index n max0 ) compared to a transmission through the area with the minimum refractive index n min0), where j represents the diffraction order. For sections 33D, 33D 'with a small width, this means that the course of the refractive index from the area 27D, 27D' with the maximum refractive index n max0 ) to the area 25D, 25D 'with the minimum refractive index n min0 ) must be steeper than, for example, in the case of sections 33B, 33B 'with a greater width.

Ein diffraktives optisches Element 10, wie es in der 8 dargestellt ist, kann beispielsweise in eine Linse 15 integriert werden, wie dies schematisch in 9 dargestellt ist, insbesondere um dadurch zusätzlich zu dem auf der Refraktion der Linse 15 beruhenden Fokuspunkt auf der Beugung durch das diffraktive optische Element 10 beruhende Fokuspunkte zu schaffen. Die Linse bzw. das refraktive optische Element 15 kann als eine der in den 1 bis gezeigten Linsen 11 bis 14 verwendet werden. Das diffraktive optische Element kann derart ausgebildet werden, dass seine Wellenlängenabhängigkeit die refraktive Wellenlängenabhängigkeit der Linse ausgleicht und so den Farbfehler der Linse korrigiert.A diffractive optical element 10 as it is in the 8th is shown, for example, in a lens 15th be integrated, as shown schematically in 9 is shown, in particular to thereby add to that on the refraction of the lens 15th based focus point on the diffraction by the diffractive optical element 10 to create based focus points. The lens or the refractive optical element 15th can be considered one of the in the 1 to shown lenses 11 until 14th be used. The diffractive optical element can be designed in such a way that its wavelength dependency compensates for the refractive wavelength dependency of the lens and thus corrects the color error of the lens.

Die 10 zeigt schematisch mehrschichtiges diffraktives optisches Element 4, 7 mit gleicher Profilhöhe h, welches in lateraler Richtung zur Profilhöhe aneinandergereihte Bereiche 30 umfasst. In der gezeigten Variante sind ein erstes Material 31 und ein zweites Material 32 „sägezahnförmig“ übereinander angeordnet. Dabei steigt jeweils in lateraler Richtung zur Profilhöhe die Höhe des zweiten Materials 32 innerhalb eines Bereichs 30 linear an und die Höhe des ersten Materials 31 fällt entsprechend kontinuierlich linear ab.the 10 shows schematically multilayer diffractive optical element 4th , 7th with the same profile height H , which areas are strung together in the lateral direction to the profile height 30th includes. In the variant shown are a first material 31 and a second material 32 Arranged "sawtooth" one above the other. The height of the second material increases in each case in the lateral direction to the profile height 32 within a range 30th linear and the height of the first material 31 correspondingly falls continuously linearly.

Die zeigt eine Ausführungsvariante eines diffraktiven optischen Elements 4, 7, welches als Metaoberfläche ausgebildet ist. Die Metaoberfläche besteht aus einzelnen Elementen, deren Abmessungen kleiner sind als eine bestimmte festgelegte Wellenlänge. Einander benachbarte Elemente bestehen dabei aus sich in ihrem Brechungsindex unterscheidende Materialien, beispielsweise Materialien 31 und 32, wie im Zusammenhang mit dem in der 10 beschriebenen Ausführungsbeispiel. In der in der 11 gezeigten Variante nehmen die Abmessungen des zweiten Materials 32 innerhalb eines Bereichs 30 von links nach rechts ab und die Abmessungen der einzelnen Elemente des Materials 31 von links nach rechts zu.the shows a variant embodiment of a diffractive optical element 4th , 7th , which is designed as a meta-surface. The meta-surface consists of individual elements, the dimensions of which are smaller than a certain specified wavelength. Adjacent elements consist of materials that differ in their refractive index, for example materials 31 and 32 as related to the one in the 10 described embodiment. In the in the 11 variant shown take the dimensions of the second material 32 within a range 30th from left to right and the dimensions of each element of the material 31 left to right too.

In den 10 und 11 sind die einzelnen Bereiche 30 zur Vereinfachung mit gleichen lateralen Abmessungen der einander benachbarten Bereiche gezeigt. Um eine fokussierende Wirkung zu erzielen müssen die Abmessungen jedoch variieren, beispielsweise wie im Zusammenhang mit der 8 oben erläutert.In the 10 and 11 are the individual areas 30th for simplification shown with the same lateral dimensions of the adjacent areas. In order to achieve a focusing effect, however, the dimensions must vary, for example as in connection with the 8th explained above.

Die 12 zeigt schematisch ein effizienzachromatisiertes diffraktives optisches Element 4, 7 in Form einer diffraktiven Linse. Die gezeigte diffraktive Linse weist in z-Richtung eine Profilhöhe h von etwas weniger als 4 µm auf. Die diffraktive Linse ist ausgehend von einer Mitte, insbesondere einer Mittelachse, in x-Richtung symmetrisch aufgebaut. In der Figur ist ausgehend von der Mittelachse 29 der radiale Abstand r in Millimetern auf einer x-Achse aufgetragen. Die Abmessungen der einzelnen Teilbereiche nehmen mit zunehmendem Abstand r von der Mittelachse 29 ab. Wie bereits im Zusammenhang mit der 10 beschrieben, ist die diffraktive Linse aus zwei Schichten aufgebaut, nämlich einer ersten Schicht 31 mit einem Brechungsindex n1(λ) und einer zweiten Schicht 32 mit einem Brechungsindex n2(λ). Die Grenze zwischen den beiden Schichten, insbesondere die in der 12 gezeigte Grenzlinie zwischen der ersten Schicht 31 und der zweiten Schicht 32 weisen in den ausgehend von der Mittelachse 29 ersten Teilbereichen bzw. Abschnitten eine parabelförmige bzw. parabolische Form auf. Mit anderen Worten ist für Übergangspunkte zwischen den beiden Schichten die jeweilige Position in z-Richtung in Abhängigkeit von dem Abstand r von der Mittelachse durch eine Parabel gekennzeichnet, also z (r) ist proportional r2. In der in der 12 gezeigten Variante sind die beiden genannten Schichten auf ein Substrat 28 aufgebracht.the 12th shows schematically an efficiency achromatized diffractive optical element 4th , 7th in the form of a diffractive lens. The shown diffractive lens has a profile height in the z-direction H of a little less than 4 µm. Starting from a center, in particular a center axis, the diffractive lens is constructed symmetrically in the x direction. The figure is based on the central axis 29 the radial distance r is plotted in millimeters on an x-axis. The dimensions of the individual sub-areas increase with increasing distance r from the central axis 29 away. As already in connection with the 10 described, the diffractive lens is composed of two layers, namely a first layer 31 with a refractive index n 1 (λ) and a second layer 32 with a refractive index n 2 (λ). The boundary between the two layers, especially that in the 12th shown boundary line between the first layer 31 and the second layer 32 point in the starting from the central axis 29 first subregions or sections have a parabolic or parabolic shape. In other words, for transition points between the two layers, the respective position in the z direction is characterized by a parabola as a function of the distance r from the central axis, that is to say z (r) is proportional to r 2 . In the in the 12th The variant shown are the two layers mentioned on a substrate 28 upset.

Die 13 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Kamera, beispielsweise eine Kamera für ein mobiles Gerät, z.B. ein Smartphone. Die Kamera 40 umfasst ein erfindungsgemäßes Objektiv 1, beispielsweise ein im Zusammenhang mit den 1 bis 7 erläutertes Objektiv.the 13th shows schematically a camera according to the invention, for example a camera for a mobile device, for example a smartphone. The camera 40 comprises an objective according to the invention 1 , for example one related to the 1 until 7th explained lens.

Die 14 zeigt schematisch ein mobiles Gerät 41, bei welchem es sich zum Beispiel um ein Smartphone handeln kann. Das mobile Gerät 41 umfasst eine erfindungsgemäße Kamera 40.the 14th shows schematically a mobile device 41 , which can be a smartphone, for example. The mobile device 41 comprises a camera according to the invention 40 .

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Objektivlens
22
optische Achseoptical axis
33
Blendecover
44th
diffraktives optisches Elementdiffractive optical element
55
BildebeneImage plane
66th
planparallele Platteplane-parallel plate
77th
diffraktives optisches Elementdiffractive optical element
88th
Vorderseitefront
99
Rückseiteback
1010
StrahlengangBeam path
1111
erstes refraktives optisches Elementfirst refractive optical element
1212th
zweites refraktives optisches Elementsecond refractive optical element
1313th
drittes refraktives optisches Elementthird refractive optical element
1414th
viertes refraktives optisches Elementfourth refractive optical element
1515th
refraktives optisches Element, Linserefractive optical element, lens
1616
fünftes refraktives optisches Elementfifth refractive optical element
2323
diffraktive Strukturdiffractive structure
2525th
Bereich mit niedrigem BrechungsindexLow refractive index area
2727
Bereich mit hohem BrechungsindexHigh refractive index area
2828
SubstratSubstrate
2929
MittelachseCentral axis
3030th
Bereicharea
3131
erstes Material, Elementfirst material, element
3232
zweites Material, Elementsecond material, element
3333
diffraktive Strukturdiffractive structure
4040
Kameracamera
4141
mobiles Gerätmobile device
ff
BrennweiteFocal length
fDOEfDOE
Brennweite des diffraktiven optischen ElementsFocal length of the diffractive optical element
hH
ProfilhöheProfile height
TLTL
BaulängeOverall length
DD.
maximaler Durchmesser der Blendemaximum diameter of the aperture

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Claims (16)

Objektiv (1) für eine Kamera (40), welches eine optische Achse (2), eine Brennweite (f), eine Baulänge (TL) in Richtung der optischen Achse (2), eine Anzahl an refraktiven optischen Elementen (11-15), eine Blende (3) mit einem maximalen Durchmesser (D) und mindestens ein diffraktives optisches Element (4, 7) umfasst, wobei die Brennweite (f) des Objektivs (1) im Bereich zwischen 10 Millimetern und 6 Millimetern liegt (10mm ≥ f ≥ 6mm) und das Verhältnis der Brennweite (f) zum maximalen Durchmesser der Blende (D) im Bereich zwischen 2 und 4 liegt (2 ≤ f/D ≤ 4), dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Baulänge (TL) zur Brennweite (f) kleiner ist als 0,9 (TL/f < 0,9) und die Brennweite des mindestens einen diffraktiven optischen Elements (FDOE) um einen Faktor von mindestens 10 größer ist als die Brennweite (f) des Objektivs (FDOE ≥ 10*f).Objective (1) for a camera (40), which has an optical axis (2), a focal length (f), an overall length (TL) in the direction of the optical axis (2), a number of refractive optical elements (11-15) , a diaphragm (3) with a maximum diameter (D) and at least one diffractive optical element (4, 7), the focal length (f) of the objective (1) being in the range between 10 millimeters and 6 millimeters (10mm ≥ f ≥ 6mm) and the ratio of the focal length (f) to the maximum diameter of the diaphragm (D) is in the range between 2 and 4 (2 ≤ f / D ≤ 4), characterized in that the ratio of the overall length (TL) to the focal length ( f) is less than 0.9 (TL / f <0.9) and the focal length of the at least one diffractive optical element (F DOE ) is greater by a factor of at least 10 than the focal length (f) of the objective (F DOE ≥ 10 * f). Objektiv (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine diffraktive optische Element (4, 7) eine Brennweite im Bereich zwischen 1000 Millimetern und 100 Millimetern (1000 mm ≥ fDOE ≥ 100 mm) aufweist.Lens (1) Claim 1 , characterized in that the at least one diffractive optical element (4, 7) has a focal length in the range between 1000 millimeters and 100 millimeters (1000 mm f DOE 100 mm). Objektiv (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweite des mindestens einen diffraktiven optischen Elements (4, 7) um einen Faktor zwischen 10 und 200 (30 und 100) größer ist als die Brennweite des Objektivs.Lens (1) Claim 1 or Claim 2 , characterized in that the focal length of the at least one diffractive optical element (4, 7) is greater than the focal length of the objective by a factor between 10 and 200 (30 and 100). Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein diffraktives optisches Element (4, 7) in Bezug auf die Baulänge des Objektivs (1) ausgehend von einer Objektseite in Richtung einer Bildseite im ersten Drittel des Objektivs (1) und/oder mindestens ein diffraktives optisches Element (4, 7) in der zweiten Hälfte des Objektivs (1) angeordnet ist.Lens (1) according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that at least one diffractive optical element (4, 7) in relation to the overall length of the objective (1) starting from an object side in the direction of an image side in the first third of the objective (1) and / or at least one diffractive optical element ( 4, 7) is arranged in the second half of the lens (1). Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte Amin des mindestens einen diffraktiven optischen Elements (4, 7) zwischen 10 und 500 Mikrometern liegt (10µm ≤ Λmin≤ 500µm).Lens (1) according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that the minimum distance between the sections Amin of the at least one diffractive optical element (4, 7) forming the grating is between 10 and 500 micrometers (10 µm Λ min 500 µm). Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (1) ein Sichtfeld (FOV - Field of View) im Bereich zwischen 40 Grad und 25 Grad (40° ≥ FOV ≥ 25°) aufweist.Lens (1) according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the lens (1) has a field of view (FOV) in the range between 40 degrees and 25 degrees (40 ° ≥ FOV ≥ 25 °). Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine diffraktive optische Element (4, 7) und/oder mindestens ein refraktives optisches Element (11-15) ein Polymer umfasst.Lens (1) according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that the at least one diffractive optical element (4, 7) and / or at least one refractive optical element (11-15) comprises a polymer. Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (1) zwischen drei und fünf refraktive optische Elemente (11-15) umfasst.Lens (1) according to one of the Claims 1 until 7th , characterized in that the objective (1) comprises between three and five refractive optical elements (11-15). Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine diffraktive optische Element (4, 7) in eins der refraktiven optischen Elemente (11-15) eingebracht ist oder auf eine Oberfläche eines der refraktiven optischen Elemente (11-15) aufgebracht ist oder in Form einer Platte ausgestaltet und im Strahlengang angeordnet ist.Lens (1) according to one of the Claims 1 until 8th , characterized in that the at least one diffractive optical element (4, 7) is introduced into one of the refractive optical elements (11-15) or is applied to a surface of one of the refractive optical elements (11-15) or in the form of a plate is designed and arranged in the beam path. Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine diffraktive optische Element (4, 7) als Gradienten-Index-Element ausgestaltet ist oder aus mindestens zwei Schichten (31, 32) mit voneinander abweichendem Brechungsindex aufgebaut ist oder aus einzelnen Elementen (31, 32) mit Abmessungen, die kleiner sind als eine bestimmte Wellenlänge, aufgebaut ist.Lens (1) according to one of the Claims 1 until 9 , characterized in that the at least one diffractive optical element (4, 7) is designed as a gradient index element or is composed of at least two layers (31, 32) with different refractive indices or of individual elements (31, 32) with Dimensions that are smaller than a certain wavelength is built. Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine diffraktive optische Element (4, 7) effizienzachromatisiert ist.Lens (1) according to one of the Claims 1 until 10 , characterized in that the at least one diffractive optical element (4, 7) is efficiency achromatized. Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine diffraktive optische Element (4, 7) eine Höhe (h) von weniger als 20 Mikrometern (h < 20µm) aufweist.Lens (1) according to one of the Claims 1 until 11 , characterized in that the at least one diffractive optical element (4, 7) has a height (h) of less than 20 micrometers (h <20 µm). Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (1) mindestens zwei diffraktive optische Elemente (4, 7) umfasst.Lens (1) according to one of the Claims 1 until 12th , characterized in that the objective (1) comprises at least two diffractive optical elements (4, 7). Kamera (40), welche ein Objektiv (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 umfasst.Camera (40) which has an objective (1) according to one of the Claims 1 until 13th includes. Mobiles Gerät (41), welches eine Kamera (40) gemäß Anspruch 14 umfasst.Mobile device (41) which has a camera (40) according to Claim 14 includes. Mobiles Gerät (41) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem mobilen Gerät (41) um ein Smartphone oder ein Tablet oder eine Smartwatch oder eine Datenbrille handelt.Mobile device (41) according to Claim 15 , characterized in that the mobile device (41) is a smartphone or a tablet or a smartwatch or data glasses.
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