DE102020105201A1 - Compact telephoto lens with a diffractive optical element - Google Patents
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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
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 (
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
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
Die Verwendung diffraktiver optischer Elemente im Zusammenhang mit gewöhnlichen Fotoobjektiven ist zum Beispiel in den Dokumenten
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
Das erfindungsgemäße Objektiv für eine Kamera umfasst eine optische Achse, eine Brennweite
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
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
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
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.
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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
Alle gezeigten Objektive
In Richtung des Strahlengangs von der Objektebene zur Bildebene sind in der in der
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Objektivs
Die in den
Die in den
Ein diffraktives optisches Element
Die in den
Die
Das in der
Das in der
Prinzipiell kann das mindestens eine diffraktive optische Element
Das mindestens eine diffraktive optische Element
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
Die
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
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die kontinuierliche Zunahme des Brechungsindex n(λ0) bei der bestimmten Wellenlänge λ0 durch eine lineare Zunahme von dem im Bereich
Der minimale Brechungsindex nmin(λ0) und der maximale Brechungsindex nmax(λ0) bei der der bestimmten Wellenlänge λ0 haben derartige Werte, dass der maximale Brechungsindex nmax(λ0) bei der bestimmten Wellenlänge einen um mindestens 0,005, insbesondere mindestens 0,01 und vorzugsweise mindestens 0,015 höheren Wert als der minimale Brechungsindex nmin(λ0) bei der bestimmten Wellenlänge aufweist. Wenn die bestimmte Wellenlänge λ0 gleichzeitig die Designwellenlänge λdes der diffraktiven Struktur ist, bestimmt die Brechungsindexdifferenz Δn(λdes) = nmax(λdes) - nmin(λdes) zwischen dem maximalen Brechungsindex und dem minimalen Brechungsindex die Profilhöhe
In der j-ten Beugungsordnung wäre die Profilhöhe
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
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
Der wellenlängenabhängige Verlauf des Brechungsindex η(λ) kann mit Hilfe der Abbe-Zahl und der partiellen Teildispersion durch die Cauchy-Gleichung
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
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
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 nmax(λ0), nmin(λ0), νmax und νmin einen Wert von 0,95 oder höher erzielen kann. Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, statt optimierter Werte für nmax(λ0), nmin(λ0), νmax und νmin oder optimierter Werte für Δn(λ0) und Δν optimierte Werte für nmax(λ0), nmin(λ0), νmax, νmin, Pg,F,1 und Pg,F,2 zu ermitteln, wobei Pg,F,1 nmax(λ0) und νmax zugeordnet ist und Pg,F,2 nmin(λ0) und νmin zugeordnet ist. Wenn lediglich nmax(λ0), nmin(λ0), 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 max (λ 0 ), n min (λ 0 ), ν max and ν min . In principle, however, there is also the possibility, instead of optimized values for n max (λ 0 ), n min (λ 0 ), ν max and ν min or optimized values for Δn (λ 0 ) and Δν, optimized values for n max (λ 0 ) , n min (λ 0 ), ν max , ν min , P g, F, 1 and P g, F, 2 , where P g, F, 1 is assigned to n max (λ 0 ) and ν max and P g, F, 2 n min (λ 0 ) and ν min . If only n max (λ 0 ), n min (λ 0 ), 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
Der minimale Brechungsindex nmin(λ0) und der maximale Brechungsindex nmax(λ0) sind bei der Designwellenlänge λdes der diffraktiven Struktur
Ein diffraktives optisches Element
Die
Die
In den
Die
Die
Die
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
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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