DE102021103587B4 - Kompaktes Teleobjektiv mit Materialien mit anomaler relativer Teildispersion, Kamera sowie mobiles Gerät - Google Patents

Abstract

Es wird ein Objektiv (1) für eine Kamera (40) beschrieben, welches eine Längsachse (2), eine Brennweite (f), eine Baulänge (TL) in Richtung der Längsachse (2) von weniger als 10 Millimetern (TL < 10mm), eine Anzahl an refraktiven optischen Elementen (11-17) und eine Blende mit einem maximalen Durchmesser (D) aufweist, wobei die Brennweite (f) des Objektivs (1) im Bereich zwischen 25 Millimetern und 6 Millimetern liegt (25mm ≥ f ≥ 6mm) und das Verhältnis der Brennweite (f) zum maximalen Durchmesser der Blende (D) im Bereich zwischen 1,4 und 8 liegt (1,4 ≤ f/D ≤ 8). Es ist mindestens ein refraktives optische Element (4, 7) vorhanden, welches Material umfasst, welches eine Abbe-Zahl vdaufweist und für welches der Betrag der DifferenzΔPg,F=|Pg,F−Pg,Fnormal|aus der relativen Teildispersion Pg,Fdes Materials und einer normalen relativen TeildispersionPg,Fnormalbei der Abbe-Zahl vddes Materials mindestens 0,05 beträgt. Dabei ist die normale relative TeildispersionPg,FnormaldurchPg,Fnormal(νd)=0,6438−0,001682 νddefiniert.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Objektiv für eine Kamera, eine Kamera und ein mobiles Gerät, zum Beispiel ein 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 (TL) 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, 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 , US 6 101 035 A , US 7 800 842 B2 , US 2009/0185283 A1 und US 2019 / 0056570 A1 beschrieben, sowie in H. J. Brückner, V. Blahnik, and U. Teubner, „Maximale Bildqualität aus Minikameras,“ Physik in unserer Zeit 51, 236- 243 (2020).
• Die Dispersionseigenschaften von optischen Materialien werden gewöhnlich durch ihre Abbe-Zahl v_d und relativer Teildispersion P_g,_F beschrieben. Die Abbe-Zahl ist eine dimensionslose Größe, welche die dispersiven Eigenschaften eines optischen Materials beschreibt. Im Folgenden findet folgende Definition der Abbe-Zahl Verwendung $${\nu }_{\text{d}}=\frac{n_{\text{d}}-1}{n_{\text{F}}-n_{\text{C}}},$$

  

  wobei das tiefgestellte „d“ bedeutet, dass zur Definition der Abbe-Zahl die d-Line von Helium herangezogen wird. In dieser Definition stehen n_d für den Brechungsindex bei der Wellenlänge der d-Linie von Helium (587,56 nm), n_F 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). [siehe auch Schott AG, „Optical Glass 2018“ https://www.schott.com/d/advanced_optics/c36214d9-13c4-468c-bf408d438b89f532/1.14/schott-optical-glass-pocket-catalog-jan-2018-row.pdf.]
• Andere Definitionen der Abbe-Zahl als v_d können im Rahmen der vorliegenden Erfindung aber ebenfalls Verwendung finden, beispielsweise v_e. Dies erfordert aber eine Anpassung der unten angegebenen konkreten Werte und Grenzwerte. Im Falle von v_e finden in der obigen Gleichung statt des Brechungsindex n_d bei der Wellenlänge der d-Line von Helium der Brechungsindex n_e bei der Wellenlänge der e-Linie von Quecksilber (546,07 nm), statt des Brechungsindex n_F bei der Wellenlänge der F-Linie von Wasserstoff der Brechungsindex n_F' 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 n_C' bei der Wellenlänge der C'-Linie von Cadmium (643,85 nm) Verwendung.
• Die relative Teildispersion beschreibt eine Differenz zwischen den Brechungsindices zweier bestimmter Wellenlängen bezogen auf ein Referenz-Wellenlängenintervall und stellt ein Maß für die relative Stärke der Dispersion in dem Spektralbereich zwischen diesen beiden Wellenlängen dar. Die beiden Wellenlängen sind vorliegend die Wellenlänge der g-Linie von Quecksilber (435,83 nm) und die Wellenlänge der F-Linie von Wasserstoff (486,13 nm), so dass die relative Teildispersion P_g,_F durch $$P_{\text{g},\text{F}}=\frac{n_{\text{g}}-n_{\text{F}}}{n_{\text{F}}-n_{\text{C}}}$$

  

  gegeben ist, wobei n_F und nc dieselben sind wie bei v_d. Auch bei der relativen 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. Die unten angegebenen Werte und Grenzwerte müssten entsprechend angepasst werden.
• Bei gewöhnlichen optischen Gläsern besteht im Allgemeinen ein näherungsweise linearer Zusammenhang zwischen der relativen Teildispersion P_g,_F und der Abbe-Zahl v_d. Dabei wird als sogenannte Normallinie für optische Gläser die Linie bezeichnet, die diesen generellen Zusammenhang näherungsweise wiedergibt. Historisch wird als Normallinie die Linie definiert, die die Werte der Schott-Gläser vom Typ K7 und F2 verbindet. Die unten beschriebene 1 veranschaulicht dies. Gewöhnlich wird dabei die folgende Definition aus P. Hartmann, „Optical glass: deviation of relative partial dispersion from the normal line-need for a common definition,“ Optical Engineering 54, 105112 (2015) verwendet: $P_{g,F}^{normal}\left({\mathrm{\nu }}_d\right)=\mathrm{0,6438}-\mathrm{0,001682}{\mathrm{\nu }}_d.$

  

  $$

  

  Die relative Teildispersion P_g,_F eines Materials wird dementsprechend häufig durch die Differenz $\mathrm{\Delta }{P}_{g,F}=P_{g,F}-P_{g,F}^{normal},$

  

  welche den vertikalen Abstand der relativen Teildispersion des Materials von der Normalgerade oder Normallinie angibt, beschrieben (siehe dazu auch 1).
• Materialien mit anomaler relativer Teildispersion werden beispielsweise in den Dokumenten US 8 934 183 B2 , US 6 912 092 B2 , US 7 158 320 B2 , US 8 773 783 B2 , US 7 193 789 B2 , US 7 136 237 B2 und US 7 312 935 B2 beschrieben. Objektive mit Materialien mit anomaler relativer Teildispersion werden in den Dokumenten US 7 158 320 B2 , US 8 773 783 B2 , US 7 193 789 B2 und US 7 292 398 B1 beschrieben.
• 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. Weitere Aufgaben bestehen darin eine vorteilhafte Kamera und vorteilhaftes mobiles Gerät zur Verfügung zu stellen.
• Die erste Aufgabe wird durch ein Objektiv für eine Kamera gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch eine Kamera gemäß Patentanspruch 13 gelöst und die dritte Aufgabe wird durch ein mobiles Gerät gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung.
• Das erfindungsgemäße Objektiv für eine Kamera weist eine Längsachse, welche senkrecht zu einer Eintrittsebene verläuft, die die physische Ausdehnung des Objektivs begrenzt und die mit der oder einer optischen Achse des Objektivs zusammenfallen kann, eine Brennweite f, eine Baulänge TL in Richtung der Längsachse, also eine Tiefe, von weniger als 10 Millimetern (TL < 10mm), beispielweise von weniger als 8 mm (TL < 8mm) und bevorzugt von weniger als 6,5 Millimetern (TL < 6,5mm), auf und umfasst eine Anzahl an refraktiven optischen Elementen, beispielsweise drei bis acht Linsen, und eine Blende, welche im vollständig geöffneten Zustand einen maximalen Durchmesser von D_Blende aufweist. Diese Blende begrenzt den Durchmesser des in das Objektiv parallel zur optischen Achse einfallenden Lichtbündels auf einen gewissen Wert D. Falls die Blende vor der ersten Objektivlinse angeordnet ist oder falls die Blende die Linsenfassung der ersten Objektivlinse darstellt, dann ist der Blendendurchmesser gleich dem Durchmesser des parallel zur optischen Achse einfallenden Lichtbündels und es gilt dem entsprechend D_Blende = D. Falls die Blende jedoch zwischen der ersten Objektivlinse und der Bildebene des Objektivs angebracht ist, so sind der Blendendurchmesser D_Blende und der Durchmesser D des achsparallelen Lichtbündels voneinander verschieden. Die Brennweite f des Objektivs liegt im Bereich zwischen 25 Millimetern (25mm) und 6 Millimetern (6mm) (25mm ≥ f ≥ 6mm), vorzugsweise 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 1,4 und 8 (1,4 ≤ f/D ≤ 8), zum Beispiel im Bereich zwischen 2 und 4 (2 ≤ f/D ≤ 4). Ein kleines Verhältnis der Brennweite zu dem maximalen Blendendurchmesser hat den Vorteil, dass ein höherer Lichtleitwert und ein kleineres Beugungslimit erreicht werden. Der Telefaktor, also das Verhältnis der Baulänge zur Brennweite (TL/f), ist bevorzugt kleiner als 1 (TL/f < 1), das Objektiv ist also bevorzugt als Teleobjektiv ausgestaltet.
• Es ist mindestens ein refraktives optische Element vorhanden, welches ein Material umfasst, welches eine Abbe-Zahl v_d aufweist und für welches der Betrag der Differenz $\mathrm{\Delta }{P}_{g,F}=P_{g,F}-P_{g,F}^{normal}$

  

  aus der relativen Teildispersion P_g,_F des Materials und einer normalen relativen Teildispersion $P_{g,F}^{normal}$

  

  bei der Abbe-Zahl v_d des Materials mindestens 0,05 beträgt. Dabei ist die normale relative Teildispersion durch $P_{g,F}^{normal}\left({\mathrm{\nu }}_d\right)=\mathrm{0,6438}-\mathrm{0,001682}{\mathrm{\nu }}_d$

  

  definiert, also durch eine Gerade in einem Diagramm, welches eine Abhängigkeit zwischen der normalen relativen Teildispersion $P_{g,F}^{normal}$

  

  und der Abbe-Zahl v_d abbildet. Vorzugsweise besteht das mindestens eine refraktive optische Element aus einem Material mit anomaler relativer Teildispersion. Mit anderen Worten umfasst das mindestens eine refraktive optische Element ein Material mit anomaler relative Teildispersion und/oder kann insbesondere aus einem solchen Material bestehen.
• Als Materialien mit anomaler relativer Teildispersion (anomalous partial dispersion materials - APDM) werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung optische Materialien mit ΔP_g,_F ≥ |0,05| verstanden. In einer bevorzugten Ausführungsvariante umfasst das mindestens eine refraktive optische Element Material, für welches der Betrag der Differenz aus der relativen Teildispersion und der normalen relativen Teildispersion mindestens 0,07 beträgt (ΔP_g,F ≥ |0,07|).
• Das erfindungsgemäße Objektiv hat den Vorteil, dass es ein sehr kompaktes und gleichzeitig leistungsstarkes Teleobjektiv bietet. Dabei ist trotz einer geringen Baulänge die Funktionalität eines Teleobjektives gewährleistet. 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 oder ein Notebook oder ein Netbook oder einen Laptop ausgelegt. In diesem Zusammenhang kann insbesondere ein Teleobjektiv für eine Smartphone-Kamera oder eine Kamera für ein anderes tragbares mobiles Gerät realisiert werden.
• Das mindestens eine refraktive optische Element kann aus einem Material mit anomaler relativen Teildispersion (APDM) bestehen. Durch den Einsatz von beispielsweise einer oder zweier dünner refraktiver Schichten, welche beispielsweise aus APDM bestehen, können kompakte Teleobjektive mit sehr guter optischer Leistung realisiert werden. Das Verhältnis der Baulänge TL zur Brennweite f ist vorzugsweise kleiner als 0,9 (TL/f < 0,9), insbesondere kleiner als 0,8 (TL/f < 0,8).
• Das mindestens eine refraktive optische Element kann als Schicht, beispielsweise auf ein weiteres optisches Element aufgebracht werden, oder als Folie oder als Asphäre, insbesondere als Linse, oder als optischer Kitt oder als Gradienten-Index-Linse (GRIN-Linse) oder Gradienten-Index-Faser oder Mikrolinsen-Array oder als Freiformelement ausgebildet sein. Das mindestens eine refraktive optische Element kann dabei bevorzugt eine von 0 Dioptrien verschiedene Brechkraft aufweisen, wobei die Brechkraft, wie aus der Literatur bekannt, als Kehrwert der Brennweite des Elementes definiert ist. Es kann auch freistehend im Strahlengang angeordnet sein. Insbesondere kann das das APDM umfassende refraktive optische Element auf eine refraktive Linse aufgebracht sein. Ebenso ist es möglich, dass das mindestens eine refraktive optische Element als optischer Kitt ausgeführt ist, das heißt als Klebstoff zum Verbinden zweier benachbarter optischer Elemente eingesetzt wird.
• Das mindestens eine refraktive optische Element weist bevorzugt eine Brennweite auf, deren Betrag um mindestens einen Faktor 10 größer ist als die Brennweite des Objektivs. Vorzugsweise weist das mindestens eine refraktive optische Element eine Dicke, also gemessen in Richtung der optischen Achse, von maximal 250 Mikrometern (250 µm), bevorzugt von maximal 150 Mikrometern (150 µm), auf. Die genannten Dicken werden mit anderen Worten an der dicksten Stelle des optischen Elements nicht überschritten. Weiterhin weist vorteilhafterweise das Material des mindestens einen refraktiven optischen Elements, also das APDM, eine Abbe-Zahl auf, die kleiner ist als 30, insbesondere kleiner ist als 20.
• Das Objektiv kann zusätzlich zu dem mindestens einen refraktiven optischen Element, welches APDM umfasst, zwischen drei und acht weitere refraktive optische Elemente, zum Beispiel refraktive Linsen, umfassen. Diese können Polymere umfassen oder aus Polymeren bestehen. Dies gilt auch für das mindestens eine refraktive optische Element, welches APDM umfasst. Dieses kann in Form einer dünnen Schicht auf eine andere Linse aufgebracht oder zwischen zwei Linsen eingebracht sein. Alternativ kann das mindestens eine refraktive optische Element mit anomaler relativer Teildispersion auch freistehend im Strahlengang angeordnet sein.
• Die APDM werden bevorzugt durch das Einbringen einer Dotierung in ein gewöhnliches Polymer-Material hergestellt. Die Dotierung kann dabei entweder mit Nanopartikeln oder mit zusätzlichen Atomen, Molekülen oder Molekülgruppen erfolgen [siehe dazu D. Werdehausen, S. Burger, I. Staude, T. Pertsch, and M. Decker, „Dispersion-engineered nanocomposites enable achromatic diffractive optical elements,“ Optica 6, 1031 (2019); D. Werdehausen, S. Burger, I. Staude, T. Pertsch, and M. Decker, „General design formalism for highly efficient flat optics for broadband applications,“ Optics Express 28, 6452 (2020); J.-g. Liu, and M. Ueda, „High refractive index polymers: fundamental research and practical applications,“ J. Mater. Chem. A 19, 8907-8919 (2009).]. Kommen Nanopartikel zum Einsatz, haben diese eine mittlere Größe von unter 20 nm und bevorzugt von unter 7 nm, 5 nm oder 4 nm um Streuverluste zu vermeiden [D. Werdehausen, I. Staude, S. Burger, J. Petschulat, T. Scharf, T. Pertsch, and M. Decker, „Design rules for customizable optical materials based on nanocomposites,“ Opt. Mater. Express 8, 3456 (2018); D. Werdehausen, X. G. Santiago, S. Burger, I. Staude, T. Pertsch, C. Rockstuhl, and M. Decker, „Modeling Optical Materials at the Single Scatterer Level: The Transition from Homogeneous to Heterogeneous Materials,“ Advanced Theory and Simulations n/a, 2000192 (2020).] Unabhängig von der Dotierung weisen die APDM dabei generell eine Absorptionskante in der Nähe des sichtbaren Spektralbereichs, d.h. bei einer Wellenlänge unter 430 nm oder über 700 nm, auf.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das mindestens eine refraktive optische Element, welches APDM umfasst, in Bezug auf die Baulänge des Objektivs ausgehend von einer Objektseite in Richtung einer Bildseite im ersten Drittel des Objektivs angeordnet. Alternativ dazu kann das mindestens eine refraktive optische Element, also das APDM, in der zweiten Hälfte des Objektivs angeordnet sein. In einer weiteren Variante kann ein erstes refraktives optisches Element, welches APDM umfasst, im ersten Drittel des Objektivs angeordnet sein und ein zweites refraktives optisches Element, welches APDM umfasst, in der zweiten Hälfte des Objektivs angeordnet sein. Auf diese Weise können lange Brennweiten erreicht werden.
• Weiterhin kann das Objektiv ein Sichtfeld (FOV - Field of View) über die volle Diagonale im Bereich zwischen 45 Grad und 10 Grad (45° ≥ FOV ≥ 10°) aufweisen. Dabei bezeichnet das FOV das Doppelte des maximalen Winkels zwischen der optischen Achse und dem Hauptstrahl eines Lichtbündels.
• Das mindestens eine refraktive optische Element, welches APDM umfasst, 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 und andererseits kostengünstig in hoher Stückzahl herstellbar 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). Es ist auch denkbar, eine oder mehrere Linsen des Objektivs mit additiven Herstellungsverfahren herzustellen, beispielsweise mit einem 3D-Drucker zum Druck optischer Komponenten. Es ist möglich auch das mindestens eine refraktive optische Element, welches das APDM-Material umfasst, mit solchen additiven Herstellungsverfahren herzustellen. Dabei kann der Brechungsindex des mindestens einen refraktiven optischen Elementes, welches APDM umfasst, auch in Abhängigkeit des Ortes innerhalb des Elementes variiert werden. Ein derartiges Element wird gewöhnlich als Gradienten-Index-Linse (GRIN-Linse) bezeichnet. Hierbei kann ein APDM insbesondere auch nur innerhalb eines räumlich beschränkten Teilbereichs innerhalb eines optischen Elementes zum Einsatz kommen. Mit anderen Worten kann auch nur ein räumlich beschränkter Teilbereich des mindestens einen refraktiven optischen Elementes durch eine anomale relative Teildispersion gekennzeichnet sein.
• In einer vorteilhaften Variante umfasst das Objektiv zusätzlich zu dem mindestens einen refraktiven optischen Element, welches APDM umfasst, zwischen drei und acht weitere refraktive optische Elemente, also refraktive optische Elemente in dem Bereich nomaler relativen Teildispersion P_g,_F, also Materialien mit ΔP_g,_F ≤ |0,05|. Bei den refraktiven optischen Elementen kann es sich beispielsweise um Linsen handeln. Durch die Kombination mindestens eines refraktiven optischen Elements mit anomaler relativer Teildispersion mit maximal acht anderen Linsen wird ein besonders kleines, vergleichsweise einfach aufgebautes Objektiv mit einem geringen Gewicht zur Verfügung gestellt.
• In den Dokumenten US 7 158 320 B2 , US 8 773 783 B2 , US 7 193 789 B2 und US 7 292 398 B1 wurden bereits optische Systeme mit APDM offengelegt. Dabei handelt es sich jedoch um Designs, die überwiegend aus rein sphärischen Linsen bestehen und für welche die Gesamtlängen von TL > 40 mm vorgesehen sind. Derartige Designansätze sind jedoch nicht für leistungsstarke Kompaktobjektive mit TL < 8 mm und bevorzugt TL < 6,5 mm geeignet [T. Steinich, and V. Blahnik, „Optical design of camera optics for mobile phones“, Advanced Optical Technologies 1 (2012).]. Außerdem hat die Verwendung von APDM gegenüber Ausführungen von ähnlich kompakten Teleobjektiven mit diffraktiven optischen Elementen den großen Vorteil, dass, im Gegensatz zu diffraktiven optischen Elementen, bei aus APDM bestehenden dünnen refraktiven Linsen kein Streulicht in ungewünschten Beugungsordnungen auftritt, welches generell zu einem Kontrastverlust mit Doppelbildern führt. Die Bildqualität der erfindungsgemäßen Objektive ist daher bezüglich Streulicht den Objektiven mit diffraktiven optischen Elementen nach dem Stand der Technik überlegen. Gegenüber kompakten Teleobjektiven mit gefalteten Designs, das heißt Objektiven, in denen eine Strahlumlenkung über einen Spiegel erfolgt, wie beispielsweise beschrieben in H. J. Brückner, V. Blahnik, und U. Teubner, „Maximale Bildqualität aus Minikameras“, Physik in unserer Zeit 51, 236-243 (2020) und M. Kreitzer, and J. Moskovich, „Optical design of a smartphone zoom lens“, Proc. SPIE 11106, Zoom Lenses VI, 111060D (9 September 2019), haben die erfindungsgemäßen Objektive den Vorteil, das seine derartige Umlenkung nicht notwendig ist. Dies ist vorteilhaft, da eine Umlenkung im Allgemeinen zu einer deutlichen Erhöhung der Komplexität, einer Verkleinerung der Fertigungstoleranzen und einer Erhöhung des benötigen Bauraums in die transversale Richtung führt. Außerdem verursacht die begrenzte Größe des zur Umlenkung notwendigen Spiegels eine Vergrößerung der Blendenzahl f/D bei längeren Brennweiten [H. J. Brückner, V. Blahnik, and U. Teubner, „Maximale Bildqualität aus Minikameras“, Physik in unserer Zeit 51, 236-243 (2020)].
• Allerdings können APDM auch in solchen gefalteten Designs vorteilhaft eingesetzt werden. In einer weiteren Ausgestaltungsvariante umfasst das erfindungsgemäße Objektiv mindestens ein reflektiv ausgestaltetes optisches Bauteil, zum Beispiel einen Spiegel oder ein Prisma. Das Objektiv kann in dieser Variante einen gefalteten Strahlengang aufweisen. Hierdurch werden weitere Designoptionen ermöglicht. Es kann zum Beispiel eine Gesamtlänge des Strahlenganges innerhalb des Objektivs von bis zu 25 Millimetern vorgesehen sein, also durch die Faltung des Strahlenganges eine Gesamtlänge des Stahlenganges vorgesehen sein, die deutlich größer ist als die Baulänge des Objektivs.
• In einer weiteren Variante kann das erfindungsgemäße Objektiv mindestens ein diffraktiv und/oder als Fresnelelement (z.B. eine Fresnellinse) ausgestaltetes optisches Bauteil umfassen. Dieses Element kann reflektiv und/oder transmittiv ausgebildet sein.
• Das mindestens eine refraktive optische Element mit anomaler relativen Teildispersion kann einen von der Wellenlänge λ abhängigen Brechungsindexverlauf n (λ) aufweisen, der durch eine Funktion approximiert werden kann. Der Brechungsindexverlauf eines beispielhaften APDM kann durch folgende Funktion beschrieben werden: $$n\left(\lambda \right)=\sqrt{1+\frac{\mathrm{1,21406}{\lambda }^2}{{\lambda }^2-\mathrm{0,00489}}+\frac{\mathrm{0,48463}{\lambda }^2}{{\lambda }^2-\mathrm{0,04373}}+\frac{\mathrm{2,98136}{\lambda }^2}{{\lambda }^2-\mathrm{5,19483}}}$$

  
• Der Brechungsindexverlauf von jedem APDM kann aber generell durch eine ähnliche Funktion, zum Beispiel mit anderen Koeffizienten, angenähert werden.
• Wie oben bereits erwähnt, wird ein Material mit anomaler relativer Teildispersion im Allgemeinen durch das Einbringen einer Dotierung in ein gewöhnliches Material, bevorzugt eines Polymeres, hergestellt. Durch Variation der Konzentration der Dotierung können also auf einfache Weise Materialien mit verschiedenen Brechzahlverläufen n(λ) in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ erhalten werden. Aus all diesen Materialien können dünne refraktive optische Elemente oder Schichten hergestellt werden, so dass Objektive mit entsprechenden APDM herstellbar sind.
• Die erfindungsgemäße Kamera umfasst ein zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes Objektiv. Das erfindungsgemäße mobile Gerät umfasst eine zuvor genannte Kamera. Vorzugsweise handelt es sich bei dem mobilen Gerät um ein tragbares Mobiltelefon, ein Smartphone, ein Tablet, ein Notebook, ein Netbook, einen Laptop, eine Smartwatch, ein PDA (Personal Digital Assistent), eine Drohne 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.
• Die vorliegende Erfindung hat insgesamt die folgenden Vorteile: Es wird ein kompaktes Teleobjektiv für mobile Geräte, z.B. Smartphones, insbesondere mit einer Brennweite, welche größer ist als die Baulänge (f > TL), wobei die Baulänge weniger als 10 mm beträgt, zur Verfügung gestellt. Dabei werden ein Verhältnis der Brennweite f zum maximalen Durchmesser der Blende D von f/D ≤ 8, bevorzugt von f/D ≤ 4 und eine hohe Abbildungsleistung erreicht.
• Im Vergleich zu Ausführungen mit diffraktiven optischen Elementen wird die Bildqualität des erfindungsgemäßen rein refraktiven Objektivs nicht durch Streulicht aus unerwünschten Beugungsordnungen beeinträchtigt. Darüber hinaus ist kein gefalteter Strahlengang notwendig, sondern lediglich optional. Das Objektiv kann zumindest teilweise aus Polymeren aufgebaut sein, wodurch es ein geringes Gewicht aufweist und/oder kostengünstig in hohen Stückzahlen herstellbar ist.
• 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.
• 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.
• 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 die Abhängigkeit der relativen Teildispersion P_g,_F bekannter optischer Gläser von der Abbe-Zahl in Form eines Diagramms.
• 2 zeigt schematisch die Abhängigkeit der relativen Teildispersion von der Abbe-Zahl für bekannter optische Gläser und Materialen mit anomaler relativer Teildispersion P_g,_F in Form eines Diagramms.
• 3 zeigt schematisch eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Objektivs.
• 4 zeigt schematisch eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Objektivs.
• 5 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Kamera.
• 6 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes mobiles Gerät in einer längsgeschnittenen Ansicht.
• Die 1 und 2 zeigen jeweils Diagramme, in welchen die relative Teildispersion P_g,_F in Abhängigkeit von der Abbe-Zahl v_d aufgetragen ist. Die kreisförmigen Punkte 20 veranschaulichen Werte für bekannte optische Gläser des oben zitierten Glas Katalogs Schott AG, „Optical Glass 2018“. Die sternförmigen Punkte 21 veranschaulichen Werte für Materialien mit anomaler relativer Teildispersion. Die Gerade 22 stellt die Verbindungslinie, die die Werte der Schott-Gläser vom Typ K7 und F2 verbindet (siehe oben zitierten Glas Katalog Schott AG, „Optical Glass 2018“), also die sogenannte Normalgerade, dar. Der Pfeil 23 stellt den in der Darstellung vertikalen Abstand, also den Abstand in Richtung der y-Achse, der relativen Teildispersion eines Materials von der Normalgerade 22 $\left(\mathrm{\Delta }{P}_{g,F}=P_{g,F}-P_{g,F}^{normal}\right)$

  

  $$

  

  dar. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden APDM als Materialien definiert, die einen Abstand von mindestens 0,05 von der Normalgerade aufweisen. In der 2 kennzeichnen die Bereiche oberhalb der parallel zu der Normalgeraden 22 verlaufenden Gerade 24 und unterhalb der ebenfalls parallel zu der Normalgeraden 22 verlaufenden Gerade 25 liegenden Bereiche die entsprechenden Bereiche, in denen Materialien eine anomale relative Teildispersion aufweisen.
• Im Folgenden werden anhand der 3 und 4 verschiedene Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Objektive 1 beschrieben. Dabei sind die Objektive in den 3 und 4 maßstabsgerecht vergrößert gezeigt. Zudem ist der Strahlengang für verschiedene Einfallswinkel, d.h. Feldpunkte, gezeigt und in allen Figuren mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet. Die in den 3 und 4 gezeigten Objektive sind jeweils für das sichtbare Spektrum, das heißt für Wellenlängen zwischen 400nm und 700nm ausgelegt. Der Brechungsindexverlauf des eingesetzten APDM kann durch die oben angegebene Funktion beschrieben werden kann.
• Die gezeigten Objektive 1 weisen jeweils eine Längsachse 2, welche mit der optische Achse zusammenfällt, eine Brennweite f und eine Baulänge TL entlang der Längsachse 2 auf. Die Objektive 1 umfassen zudem eine Blende 3, eine Anzahl refraktiver optischer Elemente 11-17 in Form von Asphären, zum Beispiel in Form von sphärischen oder asphärischen Linsen, und mindestens ein refraktives optisches Element 4, 7 mit anomaler relativer Teildispersion. 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 bis 17 weisen jeweils eine zur Objektebene oder zur Blende 3 zeigende Vorderseite 8 und eine zur Bildebene 5 zeigende Rückseite 9 auf. In den gezeigten Varianten wird durch die Begrenzung 3 eine Eintrittsebene 18 in das Objektiv 1 festgelegt. Die Eintrittsebene kann auch durch ein anderes Bauteil festgelegt werden, welches den Eintritt eines Strahlenbündels in das Objektiv 1 definiert und damit die physische Ausdehnung des Objektivs bestimmt. Insbesondere kann sie auch durch den Scheitelpunkt der ersten Linse verlaufen und somit mit der Tangentialebene dieses Punktes übereinstimmen. Die Längsachse 2 und die Eintrittsebene 18 verlaufen senkrecht zueinander.
• In Richtung des Strahlengangs von der nicht gezeichneten Objektebene zur Bildebene 5 ist in der in der 3 gezeigten Variante die Blende 3, eine erste Asphäre in Form einer konvexen Linse 11, eine zweite Asphäre in Form einer konkaven Linse 12, eine dritte Asphäre in Form einer konvex-konkaven Linse 13 und zwei weitere Asphären 14 und 15 vor der planparallelen Platte 6 und der Bildebene 5 angeordnet. In der 4 sind sechs refraktive optische Elemente 11 bis 17 vor der planparallelen Platte 6 und der Bildebene 5 angeordnet. Die refraktiven optischen Elemente bzw. Linsen 11-17 können grundsätzlich konvex, konkav, sphärisch oder asphärisch oder beliebig daraus kombiniert geformt sein. Es können auch Freiformlinsen oder Fresnel-Linsen verwendet werden. Unter einer Asphäre wird eine Linse mit einer rotationssymmetrischen Oberfläche verstanden, deren Oberfläche Oberflächenbereiche mit voneinander abweichenden Krümmungsradien aufweisen kann.
• Zusätzlich ist in der 3 ein refraktives optisches Element 4 mit anomaler relativer Teildispersion im Strahlengang angeordnet. In der gezeigten Ausführungsvariante ist das refraktive optische Element mit anomaler relativer Teildispersion 4 an der Rückseite 9 der zweiten Linse oder Asphäre 12 angeordnet. Das refraktive optische Element mit anomaler relativer Teildispersion 4 kann dabei als dünne Schicht ausgestaltet sein, welche mit dem refraktiven optischen Element 12 fest verbunden ist. Es kann aber auch als separates Bauteil an dem refraktiven optischen Element 12 anliegend angeordnet sein. Das refraktive optische Element mit anomaler relativer Teildispersion 4 ist in der 3 im ersten Drittel des Objektives in Bezug auf die Baulänge des Objektives 1 ausgehend von der Blende 3 in Richtung der Bildebene 5 angeordnet.
• In der in der 4 gezeigten Ausführungsvariante sind ein erstes refraktives optisches Element mit anomaler relativer Teildispersion 4 und ein zweites refraktives optisches Element mit anomaler relativer Teildispersion 7 vorhanden. Dabei ist das erste refraktive optische Element mit anomaler relativer Teildispersion 4 ausgehend von der Blende 3 in Richtung der Bildebene 5 im ersten Drittel des Objektives 1 in Bezug auf die Baulänge des Objektives 1 angeordnet und das zweite refraktive optische Element mit anomaler relativer Teildispersion 7 in der zweiten Hälfte des Objektives 1 angeordnet. Das erste refraktive optische Element mit anomaler Teildispersion 4 ist zwischen der ersten Asphäre 11 und der zweiten Asphäre 12 angeordnet, zum Beispiel als Zwischenschicht oder Folie mit beiden Asphären 11 und 12 fest verbunden. Das zweite refraktive optische Element mit anomaler relativer Teildispersion 7 ist in der 4 gezeigten Ausführungsvariante an der Rückseite 9 des refraktiven optischen Elements 16 angeordnet, beispielsweise mit diesem als Schicht oder Folie fest verbunden oder als an diesem anliegendes Bauteil.
• Die refraktiven optische Elemente mit anomaler relativer Teildispersion 4, 7 weisen eine Dicke von maximal 250 Mikrometern, vorzugsweise maximal 150 Mikrometern, und/oder eine Abbe-Zahl von weniger als 30, vorzugsweise weniger als 20, auf.
• Das in der 3 gezeigte Objektiv 1 weist eine Brennweite von 8 Millimetern (f=8mm), eine Baulänge von 6 Millimetern (TL=6mm), ein Verhältnis aus Brennweite zum maximalen Blendendurchmesser f/D von 2,8 (f/D=2,8) und einen Sichtwinkel von 31,4° (FOV=31,4°) auf. Das in der 4 gezeigte Objektiv weist eine Brennweite von 8 mm (f=8 mm), eine Baulänge von 6 Millimetern (TL=6mm), ein Verhältnis aus Brennweite zu maximalem Blendendurchmesser von 2,5 (f/D=2,5) und ein Sichtfeld von 31,4° (FOV=31,4°) auf. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Objektivs 1 können grundsätzlich aus Polymeren aufgebaute refraktive optische Elemente verwendet werden. Ein kleines Verhältnis aus Brennweite zu Blendendurchmesser hat den Vorteil, dass ein höherer Lichtleitwert und ein kleineres Beugungslimit erreicht werden.
• Die 5 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Kamera 40, beispielsweise eine Kamera für ein mobiles Gerät, z.B. ein Smartphone, Tablet, Notebook, Laptop, Datenbrille, Smartwatch etc.. Die Kamera 40 umfasst ein erfindungsgemäßes Objektiv 1, beispielsweise ein im Zusammenhang mit den 3 und 4 beschriebenes Objektiv.
• Die 6 zeigt schematisch ein mobiles Gerät 41, bei welchem es sich zum Beispiel um ein Smartphone, eine Smartwatch, ein Tablet, ein Notebook, ein Netbook, einen Laptop oder eine Datenbrille handeln kann, in einer längsgeschnittenen Ansicht. Das mobile Gerät 41 umfasst eine erfindungsgemäße Kamera 40. Das Objektiv 1 weist vorzugsweise eine Baulänge TL von 6,5 Millimetern auf. Die Baulänge ist in der 6 durch einen Pfeil mit der Bezugsziffer 19 gekennzeichnet.
• Bezugszeichenliste

1

Objektiv

2

Längsachse / optische Achse

3

Begrenzung

4

refraktives optisches Element mit anomaler relativer Teildispersion

5

Bildebene

6

planparallele Platte

7

refraktives optisches Element mit anomaler relativer Teildispersion

8

Vorderseite

9

Rückseite

10

Strahlengang

11

refraktives optisches Element

12

refraktives optisches Element

13

refraktives optisches Element

14

refraktives optisches Element

15

refraktives optisches Element

16

refraktives optisches Element

17

refraktives optisches Element

18

Eintrittsebene

19

Baulänge

20

Messwerte für gewöhnliche optische Gläser

21

Messwerte für Materialien mit anomaler relativer Teildispersion

22

Normalgerade

23

ΔP_g.F, Abstand parallel zur y-Achse

24

parallel zu der Normalgeraden verlaufende Gerade

25

parallel zu der Normalgeraden verlaufende Gerade

40

Kamera

41

mobiles Gerät

Claims (15)

1. Objektiv (1) für eine Kamera (40), welches eine Längsachse (2), eine Brennweite (f), eine Baulänge (TL) in Richtung der Längsachse (2) von weniger als 10 Millimetern (TL < 10mm) aufweist und eine Anzahl an refraktiven optischen Elementen (11-17) und eine Blende mit einem maximalen Durchmesser (D) umfasst, wobei die Brennweite (f) des Objektivs (1) im Bereich zwischen 25 Millimetern und 6 Millimetern liegt (25mm ≥ f ≥ 6mm) und das Verhältnis der Brennweite (f) zum maximalen Durchmesser der Blende (D) im Bereich zwischen 1,4 und 8 liegt (1,4 ≤ f/D ≤ 8), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein refraktives optisches Element (4, 7) vorhanden ist, welches ein Material umfasst, welches eine Abbe-Zahl v_d aufweist und für welches der Betrag der Differenz $\mathrm{\Delta }{P}_{g,F}=\left|P_{g,F}-P_{g,F}^{normal}\right|$

   

   aus der relativen Teildispersion P_g,_F des Materials und einer normalen relativen Teildispersion $P_{g,F}^{normal}$

   

   bei der Abbe-Zahl v_d des Materials mindestens 0,05 beträgt, wobei die normale relativer Teildispersion $P_{g,F}^{normal}$

   

   durch $P_{g,F}^{normal}\left({\mathrm{\nu }}_d\right)=\mathrm{0,6438}-\mathrm{0,001682}{\mathrm{\nu }}_d$

   

   definiert ist.
2. Objektiv (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine refraktive optische Element (4, 7) ein Material umfasst, für welches der Betrag der Differenz aus der relativen Teildispersion und der normalen relativen Teildispersion mindestens 0,07 beträgt.
3. Objektiv (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine refraktive optische Element (4, 7) als Schicht oder Folie oder Asphäre oder optischer Kitt oder Gradienten-Index-Linse oder Gradienten-Index-Faser oder Mikrolinsen-Array ausgebildet ist und/oder freistehend im Strahlengang angeordnet ist.
4. Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine refraktive optische Element (4, 7) eine Brennweite aufweist, deren Betrag um mindestens 10-fach größer ist als die Brennweite des Objektivs (1).
5. Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine refraktive optische Element (4, 7) eine Dicke von maximal 250 Mikrometern aufweist.
6. Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine refraktive optische Element (4, 7) eine Abbe-Zahl v_d von weniger als 30 aufweist.
7. Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (1) zusätzlich zu dem mindestens einen refraktiven optischen Element (4, 7) zwischen drei und acht weitere refraktive optische Elemente (11-17) umfasst.
8. Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine refraktive 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 das mindestens eine refraktive optisches Element (4, 7) in der zweiten Hälfte des Objektivs (1) angeordnet ist.
9. Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Baulänge (TL) zu Brennweite (f) weniger als 0,9 (TL/f < 0,9) beträgt.
10. Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (1) eine Baulänge (TL) in Richtung der optischen Achse (2) von weniger als 6,5 Millimetern (TL<6,5mm) aufweist.
11. Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (1) ein Sichtfeld (FOV - Field of View) im Bereich zwischen 45 Grad und 10 Grad (45° ≥ FOV ≥ 10°) aufweist.
12. Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv mindestens ein reflektiv und/oder diffraktiv ausgestaltetes optisches Bauteil umfasst.
13. Kamera (40), welche ein Objektiv (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 umfasst.
14. Mobiles Gerät (41), welches eine Kamera (40) gemäß Anspruch 13 umfasst.
15. Mobiles Gerät (41) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem mobilen Gerät (41) um ein tragbares Mobiltelefon oder ein Smartphone oder ein Tablet oder eine Smartwatch oder eine Datenbrille oder ein Notebook oder ein Netbook oder einen Laptop oder ein PDA (Personal Digital Assistent) oder eine Drohne handelt.

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