DE102022124982B3 - Optische Anordnung für ein mobiles Gerät mit gekrümmter Detektor-Fläche - Google Patents

Abstract

Es wird eine optische Anordnung (10) für ein mobiles Gerät (15) beschrieben, welche ein Objektiv (11) und einen Bildempfänger (12) umfasst, wobei die Baulänge L0der optischen Anordnung (10) maximal 10 Millimeter beträgt. Der Bildempfänger (12) weist eine gekrümmte Detektor-Fläche (13) auf. Das Objektiv (11) ist vorzugsweise in Bezug auf den Bildempfänger (12) entlang einer Mittelachse (2) zwischen einem komprimierten Zustand und einem Betriebszustand verschiebbar angeordnet.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung mit einem Objektiv und einem Bildempfänger und ein mobiles Gerät.
• Mobile Geräte weisen in einer Vielzahl von Anwendungen Kameras auf, insbesondere Mobiltelefone, Tablets, Netbooks oder Notebooks. Es besitzt nahezu jedes moderne Mobiltelefon eine oder mehrere integrierte Kameras mit jeweils einem abbildenden optischen System. Das optische System wird im Folgenden auch als „Mobiloptik“ bezeichnet. Die genannten Kameras sind nahezu ausschließlich auf der Vorder- und Rückseite des mobilen Geräts angebracht, wobei die optische Achse der zugehörigen Optik senkrecht zur Vorder-und Rückseite ausgerichtet ist. Als Konsequenz ergibt sich, dass die Baulänge des optischen Systems durch die Dicke des mobilen Geräts vorgegeben ist. Typische Werte sind hierbei 6 mm bis 8,5 mm.
• Die Qualität der Optiken hat sich in den letzten Jahren stetig verbessert, sodass heutzutage mit den Mobiloptiken Bilder mit sehr guter Qualität gewonnen werden können. Ein Trend geht dabei zu zunehmend größeren Detektoren. Die Größe des Detektors wird dabei durch eine Maßzahl in englischen Zoll angegeben, die allerdings nicht der wirklichen linearen Dimension des Detektors entspricht. Als große Herausforderung gilt dabei, die Verwendung eines sogenannten 1''-Sensors zu ermöglichen. Dieser weist eine halbe Bildfelddiagonale von etwa 8 mm auf. Die große Schwierigkeit liegt dabei in der sehr beschränkten, durch die Dicke des mobilen Geräts, beispielsweise eines Smartphones, vorgegebenen Baulänge der Optik, welche typischerweise zwischen 6 mm und 8,5 mm beträgt. Es wird also die Realisierung einer leistungsfähigen Optik auf kleinstem Bauraum angestrebt.
• Stand der Technik zu Mobiloptiken ist beispielsweise in den Dokumenten CN 110361852 A und Blahnik, Schindelbeck, Smartphone imaging technology and its Applications, Adv. Opt. Techn. 2021; 10(3): 145-232 (https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/aot-2021 -0023/pdf) beschrieben. Die Dokumente US 2015 / 0 370 037 A1 , US 2017 / 0 230 552 A1 und JP 2021 - 43 385 A offenbaren Bilderfassungsvorrichtungen.
• Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte optische Anordnung und ein vorteilhaftes mobiles Gerät zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgaben werden durch eine optische Anordnung gemäß Patentanspruch 1 und ein mobiles Gerät gemäß Patentanspruch 12 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
• Die erfindungsgemäße optische Anordnung für ein mobiles Gerät umfasst ein Objektiv und einen Bildempfänger. Die optische Anordnung kann als Kamera oder Kameraanordnung eines mobilen Geräts ausgebildet sein. Die Baulänge L₀ der optischen Anordnung beträgt maximal 10 Millimeter, vorzugsweise maximal 8,5 Millimeter. Die Baulänge L₀ kennzeichnet die minimale Gesamtlänge der optischen Anordnung von einem ersten Linsenscheitel des Objektivs bis zum Bildempfänger. Das Objektiv umfasst vorzugsweise eine Anzahl, beispielsweise eine Mehrzahl, an Linsen. Unter dem ersten Linsenscheitel wird der Linsenscheitel der von einer Objektseite aus gezählt ersten Linse verstanden. Die Linse oder die Linsen umfassen vorzugsweise optisch transparentes Material. Erfindungsgemäß weist der Bildempfänger eine gekrümmte Detektor-Fläche auf. Der Bildempfänger ist also mit anderen Worten gekrümmt ausgestaltet.
• Die erfindungsgemäße Ausgestaltung erleichtert signifikant die Bildfeldebnung. Der Hintergrund hierzu wird im Folgenden erläutert. Es sei y' die halbe Bildfelddiagonale („Bildhöhe“) und NA die bildseitige numerische Apertur der Abbildung, so berechnet sich die Etendue E des Systems zu $$E=NA\cdot y\prime$$

  
• Eine charakteristische Maßzahl für das Design ist also das Verhältnis A der Etendue E zur minimal mechanisch möglichen Baulänge L₀ der Optik, nämlich $$A=\frac{E}{L_0}=\frac{NA\cdot y\prime }{L_0}$$

  
• Die Baulänge soll dabei die Gesamtlänge in einem eingefahrenen oder komprimierten Zustand (siehe unten) sein. Diese wird vorliegend durchweg mit 8,5mm angenommen. Um die Herausforderung deutlich zu machen, gehe man zunächst von einem paraxialen, einlinsigen Modell für die Optik aus, siehe hierzu auch 1. Die Blende liege hierbei in der Nähe der (im Modell einzigen) Linse in größtmöglicher Entfernung von der Bildebene. Der halbe Feldwinkel des Objektraums ω ist gegeben ist durch $$\text{tan}\left(\omega \right)=\frac{y\prime }{L}$$

  
• Bei einer halben Bildfelddiagonalen y' ≈ L, die etwa der Baulänge entspricht, ergibt sich ein sehr großer halber Feldwinkel von 45 Grad (ω ≈ 45°). Sollte die Blende sogar zwischen der ersten Linse und dem Bildempfänger angebracht sein, so erhöht sich der Wert für ω dementsprechend. Eine Verwendung einer Blende vor der ersten Linse ist durch die Begrenzung des Bauraums auf 8.5mm nicht zu erwarten. Dementsprechend muss das Optikdesign unter Beachtung der mechanischen Randbedingungen so angepasst werden, dass der halbe objektseitige Feldwinkel verkleinert wird. Bei diesem extremen Feldwinkel ist die Ebnung des Bildfeldes eine ganz besondere Herausforderung. Ebenso muss also die Korrektur der Bildfeldebnung vereinfacht werden. Des Weiteren ist an der Detektor-Fläche mit einem Inzidenzwinkel des Hauptstrahls am Bildfeldrand zu rechnen, der die üblichen 30 bis 35 Grad (gegenüber dem Lot auf der Detektor-Fläche) deutlich überschreiten wird - in der zuvor angestellten paraxialen Betrachtung liegt dieser eher bei 45 Grad. Derartig hohe Inzidenzwinkel erschweren die Einkopplung der Strahlung in den Bildempfänger.
• Durch die gekrümmte Ausgestaltung der Detektor-Fläche wird die Bildfeldebnung erleichtert, indem der Hauptstrahlwinkel am Detektor reduziert wird. Dies erleichtert die Einkopplung des Lichts in den Bildempfänger. Bei der erfindungsgemäß gekrümmten Ausgestaltung der Detektor-Fläche kann die Bildfelddiagonale radial von einer optischen Achse des Bildempfängers gemessen werden.
• Der Bildempfänger kann eine sphärisch oder konisch oder asphärisch oder zylindrisch gekrümmte Detektor-Fläche aufweisen. In einer bevorzugten Variante weist der Bildempfänger eine konkav, insbesondere konkav gegen die einfallende Lichtrichtung, gekrümmte Detektor-Fläche auf, zum Beispiel eine sphärisch oder konisch oder asphärisch oder zylindrisch gekrümmte Detektor-Fläche. Unter einer Asphäre wird eine rotationssymmetrische Fläche verstanden, deren Oberfläche Bereiche mit voneinander abweichenden Krümmungsradien aufweisen kann. Eine zylindrische Krümmung ist im Falle eines rechteckigen Bildempfängers mit einem hohen Aspektverhältnis von Vorteil.
• Die gekrümmte Detektor-Fläche kann einen Krümmungsradius R_D aufweisen, für den gilt, dass der Betrag des Quotienten aus dem Krümmungsradius R_D und der Baulänge L₀ kleiner ist als 5, zum Beispiel kleiner ist als 3, vorzugsweise kleiner ist als 2,5. Es gilt also für eine entsprechende Größe G: $$G=\left|\frac{R_D}{L_0}\right|<5$$

  
• Die gekrümmte Detektor-Fläche kann zum Beispiel bei einer Baulänge von weniger als 10 Millimetern krummer als eine Fläche mit einen Krümmungsradius von -20 Millimetern sein. Die Detektor-Fläche kann insbesondere einen Krümmungsradius von -16 Millimetern aufweisen. Üblicherweise werden Krümmungsradien einer Fläche, deren Mittelpunkte näher am Objekt liegen als die Fläche, negativ dargestellt. Im Falle einer Luft-Glas-Fläche oder vorliegend einer Luft- Detektor-Fläche entspricht dies einer konkaven Fläche. Der Einfallswinkel („Inzidenzwinkel“) des Hauptstrahls am Bildempfänger kann maximal 30 Grad, vorzugsweise maximal 20 Grad, betragen.
• Es ist das gesamte Objektiv oder mindestens ein Teil des Objektivs in Bezug auf den Bildempfänger entlang einer Mittelachse zwischen einem eingefahrenen oder komprimierten Zustand und einem ausgefahrenen Zustand oder Betriebszustand verschiebbar oder verfahrbar, also durch Translation bewegbar, angeordnet. Insbesondere kann nur mindestens ein Teil des Objektivs, zum Beispiel mindestens eine Linse des Objektivs, verschiebbar angeordnet sein, während mindestens ein anderer Teil des Objektivs stationär, also nicht verschiebbar, angeordnet ist. Zum Beispiel kann eine nahe oder unmittelbar vor dem Bildempfänger stationär angeordnete Feldlinse vorhanden sein. Einzelne Teile des Objektivs können unterschiedlich weit verschiebbar angeordnet sein. Einzelne Teile des Objektivs können gegeneinander verschiebbar angeordnet sein, zum Beispiel im Rahmen der Realisierung einer Zoom-Optik. Bei der Mittelachse kann es sich insbesondere um eine Achse handeln, die parallel zu einer Oberflächennormale der Detektor-Fläche des Bildempfängers an dessen Scheitel verläuft. Die Mittelachse kann auch entlang einer optischen Achse der optischen Anordnung verlaufen. In einer vorteilhaften Variante beträgt die Baulänge L₀ der optischen Anordnung in dem komprimierten Zustand maximal 10 Millimeter, vorzugsweise maximal 8,5 Millimeter, und/oder die Baulänge L₁ der optischen Anordnung in dem Betriebszustand mindestens 12 Millimeter, vorzugsweise mindestens 13 Millimeter.
• Die Verschiebbarkeit hat den Vorteil, dass dadurch der objektseitige halbe Feldwinkel verringert werden kann. Darüber hinaus trägt diese Ausgestaltung zur Verringerung des Hauptstrahlwinkels am Bildempfänger, konkret an der Detektor-Fläche, bei, was die Einkopplung des Lichts in den Detektor erleichtert. Zum Beispiel kann die Baulänge des Objektivs vom ersten bis zum letzten Linsenscheitel der Dicke eines mobilen Geräts, zum Beispiel eines Smartphones, entsprechen. Es kann jedoch die gesamte Optik im Sinne einer teleskopischen Anordnung entlang der optischen Achse verschiebbar bzw. verfahrbar sein. Insbesondere kann das Objektiv während der Aufnahme vom Bildempfänger weg aus dem Gehäuse des Smartphones herausgefahren werden, um somit einen größeren Abstand von der Frontlinse zum Bildgeber, insbesondere der Detektor-Fläche, zu erhalten.
• Durch die Bewegung des gesamten Objektivs vom Bildempfänger weg besteht zudem die Möglichkeit, die Linsen mit deutlich kleinerem Durchmesser als dem Durchmesser der Detektor-Fläche auszulegen. Entgegen klassischer Mobiloptiken sind die Linsendurchmesser nun maßgeblich durch die freien Öffnungsdurchmesser der Linsen des Systems getrieben und nur noch untergeordnet durch die Größe des Bildempfängers, konkret der Detektor-Fläche. Dies spart einerseits Material, erlaubt andererseits aber auch eine größere Packungsdichte, d.h. mehr Linsen je mm Systemlänge. So wird es erst möglich, eine größere Anzahl (z.B. 6 oder 7) Linsen in dem Objektiv unterzubringen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass es bezüglich der Lage der Blende einen deutlich größeren Freiraum gibt, als bei bisherigen Lösungen. Dies wird im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen erläutert.
• Die optische Anordnung weist eine bildseitige numerische Apertur NA und im komprimierten Zustand eine Baulänge L₀ auf. Der Bildempfänger weist einen halben Durchmesser y' auf, wobei gilt, dass der Quotient aus dem Produkt aus der numerischen Apertur NA und dem halben Durchmesser des Bildempfängers y' und der Baulänge im komprimierten Zustand L₀ größer ist als 0,2. Es gilt also für eine entsprechende Größe A: $$A=\frac{NA\cdot y\prime }{L_0}>\mathrm{0,2}$$

  
• Der halbe objektseitige Feldwinkel ist vorzugsweise kleiner als 40 Grad. Er kann beispielsweise 35 Grad betragen.
• Weiterhin kann im Betriebszustand die Baulänge der optischen Anordnung L₁ betragen. Diese ist größer ist als die Baulänge der optischen Anordnung im komprimierten Zustand L₀ (L₁>L₀). Vorteilhafterweise gilt, dass der Quotient aus der Baulänge im Betriebszustand L₁ und der Baulänge der optischen Anordnung im komprimierten Zustand L₀ größer ist als 1,2, vorzugsweise größer als 1,5. Für eine entsprechende Größe B gilt also: $$B=\frac{L_1}{L_0}>\mathrm{1,2}$$

  
• Der Bildempfänger kann einen halben Durchmesser y' aufweisen und das Objektiv kann einen maximalen optisch freien Durchmesser aller Linsenflächen D_L aufweisen, wobei gilt, dass der Quotient aus dem maximalen optisch freien Durchmesser aller Linsenflächen D_L und dem halben Durchmesser des Bildempfängers y' kleiner ist als 1,5, zum Beispiel kleiner als 1,2, vorzugsweise kleiner als 1,0. Für eine entsprechende Größe C gilt also: $$C=\frac{D_L}{y\prime }<\mathrm{1,5}$$

  
• In einer weiteren Variante kann das Objektiv eine optisch wirksame Fläche mit einem minimalen optisch freien halben Durchmesser h_m, eine im Strahlengang, also beispielsweise in Strahlrichtung oder Lichteinfallsrichtung oder objektseitig oder geometrisch, erste optisch wirksame Fläche mit einem optisch freien halben Durchmesser h₁ und eine im Strahlengang letzte optisch wirksame Fläche mit einem optisch freien halben Durchmesser h_L aufweisen, wobei gilt, dass der Quotient aus der Summe aus dem optisch freien halben Durchmesser h₁ der ersten optisch wirksame Fläche und dem optisch freien halben Durchmesser h_L der letzten optisch wirksame Fläche und dem Doppelten des minimalen optisch freien halben Durchmesser h_m größer ist als 1,25, insbesondere größer als 1,3 oder bevorzugt größer als 1,5. Für eine entsprechende Größe F gilt also: $$F=\frac{\left(h_1+h_L\right)}{2h_m}>\mathrm{1,25}$$

  
• Die optische Anordnung kann eine Brennweite f aufweisen, wobei gilt, dass der Quotient aus der Brennweite f und der Baulänge L₀, wobei es sich insbesondere um die Baulänge im komprimierten Zustand handeln kann, größer ist als 1, zum Beispiel größer als 1,2, bevorzugt größer als 1,5. $$\frac{f}{L_0}>1$$

  
• Es wird hierbei also eine optische Anordnung mit langer Brennweite auf kurzem Bauraum realisiert.
• Das Objektiv kann eine Mehrzahl an im Strahlengang, insbesondere entlang einer optischen Achse, hintereinander angeordneten Linsen umfassen, wobei vorzugsweise Linsen aus Kronmaterial (z.B. PMMA - Polymethylmethacrylat) und Linsen aus Flintmaterial (z.B. Polystyrol) vorhanden sind. Bevorzugt sind Linsen aus Kronmaterial und Linsen aus Flintmaterial einander abwechselnd hintereinander angeordnet.
• Das erfindungsgemäße mobile Gerät umfasst eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße optische Anordnung. Bei dem erfindungsgemäßen mobilen Gerät kann es sich um ein Mobiltelefon oder ein Smartphone, ein Tablet, ein Notebook, eine Smartwatch, ein Netbook, einen Monitor etc. handeln. Es hat die bereits beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
• 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 Elemente verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, die 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 den Strahlengang durch eine Linse.
• 2 zeigt schematisch eine erste Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
• 3 zeigt schematisch Aberrationen des in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiels.
• 4 zeigt schematisch die polychromatische Modulationsübertragungsfunktion (MTF) des in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiels für drei ausgewählte Ortsfrequenzen und die polychromatische Strehlsche Definitionshelligkeit als Funktion des Feldwinkels.
• 5 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
• 6 zeigt schematisch die polychromatische Modulationsübertragungsfunktion (MTF) des in der 5 gezeigten Ausführungsbeispiels.
• 7 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
• 8 zeigt schematisch die polychromatische Modulationsübertragungsfunktion (MTF) des in der 7 gezeigten Ausführungsbeispiels.
• 9 zeigt schematisch eine vierte Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
• 10 zeigt schematisch die polychromatische Modulationsübertragungsfunktion (MTF) des in der 9 gezeigten Ausführungsbeispiels.
• 11 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes mobiles Gerät.
• Zunächst wird im Folgenden anhand der 1 die Ausgangssituation der vorliegenden Erfindung illustriert. Die 1 zeigt schematisch den Strahlengang durch eine Linse in einem paraxialen Modell für die Optik. Die Linse ist durch einen Pfeil mit der Bezugsziffer 1 gekennzeichnet. Die optische Achse ist mit der Bezugsziffer 2 gekennzeichnet. Die Bildebene ist mit der Bezugsziffer 3 gekennzeichnet. Die Lichtstrahlen bzw. der Strahlengang ist mit der Bezugsziffer 4 gekennzeichnet. Die Blende liegt hierbei in der Nähe der (im Modell einzigen) Linse 1 in größtmöglicher Entfernung von der Bildebene 4. Sie bildet an dieser Position auch zugleich die Austrittspupille des Systems.
• Der halbe Feldwinkel des Objektraums ω ist gegeben ist durch $$\text{tan}\left(\omega \right)=\frac{y\prime }{L}$$

  
• Bei einer halben Bildfelddiagonalen y' ≈ L, die etwa der Baulänge entspricht, ergibt sich ein sehr großer halber Feldwinkel von 45 Grad (ω ≈ 45°). Sollte die Blende zwischen der ersten Linse und dem Bildempfänger angebracht sein, so liegt die Austrittspupille näher an der Bildebene und der Wert für ω erhöht sich dementsprechend. Es muss das Optikdesign unter Beachtung der mechanischen Randbedingungen so angepasst werden, dass der halbe objektseitige Feldwinkel verkleinert wird. Eine besondere Herausforderung stellt die Ebnung des Bildfeldes und deren Korrektur bei großen Feldwinkeln dar. In der gezeigten Situation mit y' ≈ L ist an der Bildebene 3 oder einer dort angeordneten Detektor-Fläche eines Bildempfängers ein Inzidenzwinkel α des Hauptstrahls am Bildfeldrand zu erwarten, der die üblichen 30 bis 35 Grad gegenüber dem Lot auf der Detektor-Fläche bzw. der Bildebene 3 deutlich überschreiten wird und etwa bei 45 Grad liegt. Derartig hohe Inzidenzwinkel erschweren die Einkopplung der Strahlung in den Detektor.
• Die 2 zeigt schematisch eine erste Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10. In der 2 ist die optische Anordnung 10 links in einem Betriebszustand bzw. einem ausgefahrenen oder expandierten Zustand gezeigt. Rechts in der 2 ist die optische Anordnung 10 in einem eingefahrenen bzw. komprimierten Zustand gezeigt. Die optische Anordnung 10 umfasst ein Objektiv 11 und einen Bildempfänger 12. Das Objektiv 11 ist in Bezug auf den Bildempfänger 12 entlang einer Mittelachse 2, welche in dem gezeigten Beispiel zugleich die optische Achse bildet, verschiebbar oder verfahrbar, also durch Translation bewegbar, angeordnet.
• Der Bildempfänger 12 umfasst eine konkav gekrümmte Detektor-Fläche 13 und ein objektseitig vor der Detektor-Fläche 13 angeordnetes Deckglas 14. Das Deckglas 14 ist ebenfalls konkav gekrümmt. Das Deckglas dient dem mechanischen Schutz des Sensors sowie eventuell der Wellenlängenfilterung des Lichts. Es ist insbesondere für die Abbildungsqualität unerheblich und könnte in anderen Ausführungsbeispielen auch weggelassen werden. Die Detektor-Fläche 13 kann zum Beispiel sphärisch oder konisch oder asphärisch gekrümmt sein.
• Das Objektiv 11 umfasst eine Mehrzahl an entlang der Mittelachse 2 hintereinander im Strahlengang 4 angeordneten Linsen. Konkret umfasst das gezeigte Objektiv 11 sieben Linsen, welche mit den Bezugsziffern 21 bis 27 gekennzeichnet sind. Die Linsen weisen jeweils eine objektseitig angeordnete Vorderseite und eine bildseitig angeordnete Rückseite auf, welche jeweils asphärisch ausgebildet sind. Die Vorderseiten sind mit den Bezugsziffern 31 bis 37 gekennzeichnet und die Rückseiten sind mit den Bezugsziffern 41 bis 47 gekennzeichnet.
• In dem gezeigten Ausführungsbeispiel, wie auch in allen nachfolgenden Ausführungsbeispielen, werden für die Linsen zwei verschiedene transparente optische Materialien verwendet, nämlich die Kunststoffe PMMA („Acrylglas“ bzw. „Polymethylacrylat“) sowie Polystyrol. Das Material PMMA weist einen Brechungsindex von 1,4906 und eine Abbezahl von 58,00 auf. Das Material Polystyrol weist einen Brechungsindex von 1,5916 und eine Abbezahl von 29,53 auf. Die optischen Eigenschaften, insbesondere die Abbezahlen der beiden Materialien erlauben dabei die Korrektur der maßgeblichen chromatischen Aberrationen des Designs, nämlich die chromatische Längsaberration sowie die chromatische Queraberration. Hierbei fungiert das PMMA als Kronmaterial und das Polystyrol als Flintmaterial. In dem gezeigten Beispiel bestehen die Linsen 21, 23, 25 und 27 aus PMMA und die Linsen 22, 24, 26 aus Polystyrol. Es wechseln sich also PMMA-Linsen und Polystyrol-Linsen in ihrer Reihenfolge ab. Es sind auch andere Abfolgen und andere Materialien möglich.
• Die optische Anordnung 10 hat im ausgefahrenen Zustand bzw. im Betriebszustand eine Baulänge L₁ von etwas über 14mm. Es kann im eingefahrenen bzw. komprimierten Zustand auf eine Baulänge L₀ von 8.5mm komprimiert werden. Die Baulänge wird jeweils gemessen vom ersten Linsenscheitel, also dem Linsenscheitel der Vorderseite 31 der objektseitig ersten Linse 21, bis zum Scheitel der Detektor-Fläche 13.
• Die Systemblende liegt im Inneren der Optik zwischen den Linsen 23 und 24 Alle Feldbüschel füllen die gesamte Blende aus, d.h. es liegt keine Vignettierung vor. Der halbe objektseitige Feldwinkel beträgt etwa 35 Grad und liegt damit, trotz innen liegender Blende, deutlich unter der oben angegebenen paraxialen Abschätzung im Falle eines nicht-komprimierbaren Objektivs.
• Die Öffnung des Systems FNO beträgt vorliegend f12,0, was einer numerischen Apertur NA von 2,5 entspricht. Hierbei ist f die Brennweite. $$NA=\frac{1}{2\cdot FNO}=\mathrm{0,25}$$

  
• Der Feldwinkel im Objektraum führt bei einer Brennweite von etwa 11,5 mm auf eine Feldhöhe y' von 8 mm. Unter „Feldhöhe“ wird dabei der radiale Abstand des äußersten Feldpunktes von der optischen Achse 2 verstanden. Mit diesen Größen leitet sich der Kompaktheitsparameter A ab zu $$A=\frac{NA\cdot y\prime }{L_0}\approx \mathrm{0,235}$$

  
• Eine weitere Möglichkeit, die Kompaktheit der optischen Anordnung oder des Designs zu charakterisieren besteht darin, das Längenverhältnis B zwischen den Baulängen in einem komprimiertem oder eingeschobenem Zustand (L₀) und einem ausgefahrenen Zustand oder Betriebszustand (L₁) anzugeben. Hier soll der Parameter B definiert werden als $$B=\frac{L_1}{L_0}$$

  
• Er beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel B=1,662 mit L₀=8,5mm und L₁=14,1mm. Ein großer Wert des Parameters B wird erfindungsgemäß angestrebt.
• Es lässt sich die Kompaktheit noch durch einen weiteren Parameter C charakterisieren, nämlich dem Verhältnis des maximalen Linsendurchmessers zum Durchmesser der Detektor-Fläche 13, wobei der Durchmesser in radialer Richtung gemessen wird. Durch die Bewegung des gesamten Objektivs 11 vom Bildempfänger 12 weg besteht hier die Möglichkeit, die Linsen mit deutlich kleinerem Durchmesser als dem Durchmesser der Detektor-Fläche 13 auslegen zu können. Linsen mit deutlich kleinerem Durchmesser als dem Durchmesser der Detektor-Fläche sind gemäß der Lösungen im Stand der Technik (siehe z.B. CN 110361852 A ) bisher nicht möglich. Entgegen klassischer Mobiloptiken sind die Linsendurchmesser nun maßgeblich durch die Öffnung (FNO) des Systems getrieben und nur noch untergeordnet durch die Größe des Bildempfängers 12, konkret der Detektor-Fläche 13. Dies spart einerseits Material, erlaubt andererseits aber auch eine größere Packungsdichte, d.h. mehr Linsen je mm Systemlänge. So wird es erst möglich, eine größere Anzahl (z.B. 6 oder 7) Linsen in dem Objektiv unterzubringen. Der Parameter C kann folgendermaßen definiert werden: $$C=\frac{D_M}{y\prime }$$

  
• Dabei kennzeichnet D_M den maximal auftretenden (optisch freien) Durchmesser aller Linsenflächen und y' wie zuvor die halbe Bildfelddiagonale. Für dieses erste Ausführungsbeispiel beträgt der Wert D_M=8,15mm auf der ersten optischen Fläche 31. Mit einer halben Detektordiagonalen von y'=8mm ergibt sich C≈1,02.
• Eine weitere Besonderheit der vorliegenden Optik, verglichen mit den Mobiloptiken aus dem Stand der Technik, ist, dass die Blende deutlich im Inneren der Optik liegt. Bei „klassischen“ Mobiloptiken ist dies nicht der Fall; dort kommt die Systemblende in der Regel in der Nähe der ersten Systemfläche zu liegen. Nun stellt die Lage der Blende phänomenologisch oft eine Einschnürung im Strahlengang dar; im Linsenschnitt entsteht dadurch eine sog. „Taille“ (engl: „waist“): Linsen mit kleinem optisch freien Durchmesser sind von solchen mit größerem optisch freien Durchmesser umgeben. Auch diesen Umstand kann man durch einen weiteren Parameter F beschreiben. Sei D₁ der (optisch freie) Durchmesser der ersten, optisch wirksamen Fläche und D_L der (optisch freie) Durchmesser der letzten optisch wirksamen Fläche des verschiebbaren Teils der Optik, also des Objektivs 11 ohne ein mögliches Deckglas vor der Detektor-Fläche 13, und sei D ein minimaler optisch freier Durchmesser einer Fläche innerhalb des Objektivs 11, so lässt sich der Parameter F geeignet definieren über $$F=\frac{\left(D_1+D_L\right)}{2D_m}$$

  
• Im vorliegenden Fall sind D₁=4,07, D_L=3,80 und D_M=2,41 auf der Vorderseite 34 der vierten Linse 24. Damit wird F=1,633.
• Der Bildempfänger 12, konkret die Detektor-Fläche 13, ist sphärisch gekrümmt und weicht damit deutlich von einer planen Form ab. Er bzw. sie weist einen konkaven Krümmungsradius von -16.56mm auf. Dadurch erhält er bzw. sie am Rand einen Durchhang von gut 2mm. Am Linsenschnitt ist ersichtlich, dass die Detektor-Flächenkrümmung zu einer Verringerung des Inzidenzwinkels des Hauptstrahls α an der Detektor-Fläche 13 führt. Dieser beträgt am Feldrand lediglich knapp 20 Grad, sodass eine einfache Einkopplung in den Bildempfänger 12 gewährleistet ist.
• Die Krümmung der Detektor-Fläche 13 kann durch den Parameter G charakterisiert werden. Sei R_D der Krümmungsradius der Detektor-Fläche und sei L₀ die eingeschobene Gesamtlänge der Mobiloptik, so gilt $$G=\left|\frac{R_D}{L_0}\right|$$

  
• Der Wert von G gibt an, wie stark die Detektor-Fläche gekrümmt ist, d.h. wie stark von dem Vorteil einer gekrümmten Detektor-Fläche im erfinderischen Sinne Gebrauch gemacht wird. Im vorliegenden Beispiel beträgt G 1,948. $$G=\left|\frac{-\mathrm{16,56}}{\mathrm{8,5}}\right|=\mathrm{1,948}$$

  
• In der 3 sind die wesentlichen Aberrationen des in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiels dargestellt. Links sind für drei verschiedene Wellenlängen und verschiedene Feldwinkel die Queraberrationen gezeigt. In der Mitte oben ist der Astigmatismus, rechts daneben die sphärische Längsaberration und rechts daneben die chromatische Fokusverschiebung gezeigt. Unter dem Astigmatismus sind die Verzeichnung und darunter die laterale chromatische Aberration gezeigt. Man erkennt die gute polychromatische Korrektur. Insbesondere in der Darstellung der sphärischen Längsaberration erkennt man, dass der chromatische Längsfehler den Gaußfehler („spherochromatizm“) erfolgreich kompensiert.
• Des Weiteren ist in der 4 die polychromatische Modulationsübertragungsfunktion (MTF) der Optik für drei ausgewählte Ortsfrequenzen (112, 223 und 445 Ip/mm, also „Linienpaaren je Millimeter“) sowie, gepunktet, die polychromatische Strehlsche Definitionshelligkeit als Funktion des Feldwinkels gezeigt. Dabei sind auf der x-Achse die Feldhöhe in Prozent, die entsprechende Bildhöhe in Millimetern und der entsprechende Objektfeldwinkel in Grad angegeben. Auf der y-Achse ist der Kontrast in Prozent aufgetragen. Die Strehlsche Definitionshelligkeit ist als Kurve mit der Bezugsziffer 5 gekennzeichnet. Die Kurve 6 beschreibt den Kontrast sagittaler Strukturen mit einer Bildfrequenz von 112 Ip/mm und die Kurve 16 den Kontrast tangentialer Strukturen mit einer Bildfrequenz von 112 Ip/mm. Die Kurve 7 beschreibt den Kontrast sagittaler Strukturen mit einer Bildfrequenz von 223 Ip/mm und die Kurve 17 den Kontrast tangentialer Strukturen mit einer Bildfrequenz von 223 Ip/mm. Die Kurve 8 beschreibt den Kontrast sagittaler Strukturen mit einer Bildfrequenz von 446 Ip/mm und die Kurve 18 den Kontrast tangentialer Strukturen mit einer Bildfrequenz von 446 Ip/mm. Aus der 4 ist ersichtlich, dass die Korrektur durch die optische Anordnung über der Beugungsbegrenzung liegt (Strehl > 80%) und somit als ausreichend betrachtet werden kann.
• Die in dieser Beschreibung angegebenen Parameter und die abgeleiteten Größen, die die Kompaktheit der Designs beschreiben sollen, sind in der angehängten Tabelle 1 für dieses und die nachfolgenden Ausführungsbeispiele zusammengestellt.
• Die 5 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10. In diesem Ausführungsbeispiel sind dieselben Charakteristika wie im ersten Ausführungsbeispiel (2) umgesetzt, lediglich wurde auf die vorletzte Linse 26 verzichtet, um das Design grundsätzlich einfacher auszulegen. Der Kompaktheitsparameter verbleibt dadurch bei A≈0,235. Das Objektiv 11 umfasst nunmehr sechs statt sieben Linsen 21 bis 25 und 27. Die Aperturblende liegt im Luftraum zwischen der dritten Linse 23 und vierten Linse 24. Wiederum ist ein gekrümmtes Deckglas 14 vor der Sensor-Fläche 13 zu deren Schutz angebracht. Auf diesem Deckglas 14 gibt es auch die Möglichkeit eine optische Schicht anzubringen, welche ultraviolette und/oder infrarote Strahlung zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, blockt.
• Der Verfahrweg oder Translationsweg des Objektivs beträgt in diesem Ausführungsbeispiel etwa 6.5mm, der komprimierte Zustand ist nicht gesondert dargestellt. Die 6 zeigt für das in der 5 gezeigte Ausführungsbeispiel die polychromatische Modulationsübertragungsfunktion (MTF) der Optik für drei ausgewählte Ortsfrequenzen sowie, gepunktet, die polychromatische Strehlsche Definitionshelligkeit als Funktion des Feldwinkels. Der Korrekturzustand ist nicht mehr ganz so gut wie im ersten Ausführungsbeispiel (Strehl > 75%) aber eventuell trotzdem noch ausreichend im Hinblick auf eine wirtschaftliche Entscheidung hinsichtlich der geringeren Fertigungskosten durch weniger Linsen.
• Die 7 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10. Im dritten Ausführungsbeispiel wurde die gekrümmte Detektor-Fläche 13 anstelle der reinen sphärischen Krümmung der vorangegangenen Beispiele zusätzlich asphärisch ausgelegt. Dieser weitere Freiheitsgrad erleichtert nochmals die Korrektur der Feldkrümmung, vornehmlich der Feldkrümmung höherer Ordnung. Diese Erleichterung führt dazu, dass in diesem Ausführungsbeispiel die Öffnung von f/2,0 auf f/1,8 erhöht werden konnte und damit der Kompaktheitsparameter auf A≈0,261 steigt. Der Wert für die polychromatische Strehlsche Definitionshelligkeit konnte bei über 80% gehalten werden, wie die 8 zeigt. Die Verläufe der MTF-Kurven sind sehr vergleichbar mit denen des ersten Ausführungsbeispiels, liegen im Kontrast aber etwas höher aufgrund der verbesserten Öffnungszahl f/1,8. Die Asphärizität der Detektor-Fläche 13 wird durch Vergleich der Form mit dem unmittelbar davor angeordneten sphärischen Deckglas 14 ersichtlich. Bezüglich der Anordnung der Linsen und der Materialabfolge entspricht dieses dritte Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel.
• Die 9 zeigt schematisch eine vierte Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10. Im vierten Ausführungsbeispiel wurde entgegen der vorangegangenen Ausführungsbeispiele eine signifikante Vignettierung zugelassen, wobei der äußerste Feldpunkt nunmehr in meridionaler Richtung nur noch etwa 50 Prozent der Eintrittspupille ausfüllt. Dies ist dadurch ersichtlich, dass die Feldbüschel vom Feldrand nicht mehr den Rand der Aperturblende treffen sondern maßgeblich an der ersten Linsenfläche 31 und den letzten Linsenflächen, also den Vorderseiten 35 bis 37 und den Rückseiten 45 bis 47 der Linsen 25 bis 27, beschnitten werden. Durch die Vignettierung konnte die Öffnung des Gesamtsystems auf f/1,5 erhöht werden. Damit steigt aber auch der Kompaktheitsparameter erneut an und liegt nun bei A≈0,314.
• Durch die Beschneidung der Feldbüschel an anderen Flächen als der Aperturblende ist die Lage der Aperturblende von untergeordneter Bedeutung. Es wäre insbesondere denkbar, die Aperturblende nunmehr als Vorderblende auszuführen. Um einen definierten Beschnitt der Feldbündel zu erreichen ist es von Vorteil eine Blende jeweils vor der ersten Linse 21 und der letzten Linse 27 zu positionieren. Aus mechanischen Gründen kann die hintere Blende auch vor der vorletzten Linse 26 angeordnet sein, je nach den räumlichen Verhältnissen.
• Die Abbildungsleistung des Objektivs 11 der in der 9 gezeigten Ausführungsvariante ist in in Form einer Modulationsübertragungsfunktion (MTF) dargestellt. Deutlich ist der Gewinn an Kontrast für die Feldmitte durch die erhöhte Öffnung ersichtlich. Allerdings zeigt sich auch erwartungsgemäß, dass der meridionale Kontrast (gestrichelt) im Randbereich des Bildes sehr stark einbricht und für die feinsten Strukturen (446lp/mm) am Feldrand schon vollständig verschwindet. Dieser Umstand ist ausschließlich der vorliegenden Vignettierung geschuldet.
• Die 11 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes mobiles Gerät 15. Das mobile Gerät 15 umfasst eine erfindungsgemäße optische Anordnung 10, beispielsweise eine optische Anordnung 10 gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten. Bei dem mobilen Gerät 15 kann es sich zum Beispiel um ein Mobiltelefon, ein Notebook, ein Netbook, eine Smartwatch etc. handeln. Tabelle 1:

  Figur	2	5	7	9
  y'	8.00	8.00	8.00	8.00
  FNO	2.00	2.00	1.80	1.50
  L0	8.50	8.50	8.50	8.50
  L1	14.13	14.88	14.03	13.57
  f'	11.40	12.00	10.44	10.30
  DM	8.14	9.24	9.56	7.12
  D1	4.07	4.62	4.78	3.56
  DL	3.80	3.44	3.96	3.87
  Dm	2.41	2.59	2.42	2.72
  A	0.235	0.235	0.261	0.314
  B	1.662	1.751	1.651	1.596
  C	1.018	1.155	1.195	0.890
  F	1.633	1.556	1.806	1.366
  G	1.948	2.035	1.601	1.572

• Bezugszeichenliste:

1

Linse

2

optische Achse / Mittelachse

3

Bildebene / Detektor-Fläche

4

Strahlengang

5

Strehlsche Definitionshelligkeit

6

Kontrast sagittaler Strukturen mit einer Bildfrequenz von 112 Ip/mm

7

Kontrast sagittaler Strukturen mit einer Bildfrequenz von 223 Ip/mm

8

Kontrast sagittaler Strukturen mit einer Bildfrequenz von 446 Ip/mm

10

optische Anordnung

11

Objektiv

12

Bildempfänger

13

Detektor-Fläche

14

Deckglas

15

mobiles Gerät

16

Kontrast tangentialer Strukturen mit einer Bildfrequenz von 112 Ip/mm

17

Kontrast tangentialer Strukturen mit einer Bildfrequenz von 223 Ip/mm

18

Kontrast tangentialer Strukturen mit einer Bildfrequenz von 446 Ip/mm

21

Linse

22

Linse

23

Linse

24

Linse

25

Linse

26

Linse

27

Linse

31

Vorderseite

32

Vorderseite

33

Vorderseite

34

Vorderseite

35

Vorderseite

36

Vorderseite

37

Vorderseite

41

Rückseite

42

Rückseite

43

Rückseite

44

Rückseite

45

Rückseite

46

Rückseite

47

Rückseite

L

Baulänge

y'

halbe Bildfelddiagonale

α

Inzidenzwinkel des Hauptstrahls am Bildfeldrand

ω

halber Feldwinkel

Claims (13)

1. Optische Anordnung (10) für ein mobiles Gerät (15), welche ein Objektiv (11) und einen Bildempfänger (12) umfasst, wobei die Baulänge L₀ der optischen Anordnung (10) maximal 10 Millimeter beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildempfänger (12) eine gekrümmte Detektor-Fläche (13) aufweist, wobei das gesamte Objektiv (11) oder mindestens ein Teil des Objektivs (11) in Bezug auf den Bildempfänger (12) entlang einer Mittelachse (2) zwischen einem komprimierten Zustand und einem Betriebszustand verschiebbar angeordnet ist, wobei die optische Anordnung (10) eine bildseitige numerische Apertur NA und im komprimierten Zustand eine Baulänge L₀ aufweist und der Bildempfänger (12) einen halben Durchmesser y' aufweist, wobei gilt, dass der Quotient aus dem Produkt aus der numerischen Apertur NA und dem halben Durchmesser des Bildempfängers y' und der Baulänge im komprimierten Zustand L₀ größer ist als 0,2 $$\frac{NA\cdot y\prime }{L_0}>\mathrm{0,2.}$$

   
2. Optische Anordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildempfänger (12) eine sphärisch oder konisch oder asphärisch oder zylindrisch gekrümmte Detektor-Fläche (13) aufweist.
3. Optische Anordnung (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildempfänger (12) eine konkav gekrümmte Detektor-Fläche (13) aufweist.
4. Optische Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte Detektor-Fläche (13) einen Krümmungsradius R_D aufweist, für den gilt, dass der Betrag des Quotienten aus dem Krümmungsradius R_D und der Baulänge L₀ kleiner ist als 5 $$\left|\frac{R_D}{L_0}\right|<5.$$

   
5. Optische Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Baulänge L₀ der optischen Anordnung (10) in dem komprimierten Zustand maximal 10 Millimeter und/oder die Baulänge L₁ der optischen Anordnung (10) in dem Betriebszustand mindestens 12 Millimeter beträgt.
6. Optische Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand die Baulänge der optischen Anordnung (10) L₁ beträgt, wobei der Quotient aus der Baulänge im Betriebszustand L₁ und der Baulänge der optischen Anordnung (10) im komprimierten Zustand L₀ größer ist als 1,2 $$\frac{L_1}{L_0}>\mathrm{1,2.}$$

   
7. Optische Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildempfänger (12) einen halben Durchmesser y' aufweist und das Objektiv (11) einen maximalen optisch freien Durchmesser einer Linsenfläche D_L aufweist, wobei gilt, dass der Quotient aus dem maximalen optisch freien Durchmesser einer Linsenfläche D_L und dem halben Durchmesser des Bildempfängers (12) y' kleiner ist als 1,5 $$\frac{D_L}{y\prime }<\mathrm{1,5.}$$

   
8. Optische Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (11) eine optisch wirksame Fläche mit einem minimalen optisch freien halben Durchmesser h_m, eine im Strahlengang (4) erste optisch wirksame Fläche (31) mit einem optisch freien halben Durchmesser h₁ und eine im Strahlengang (4) letzte optisch wirksame Fläche (47) mit einem optisch freien halben Durchmesser h_L aufweist, wobei gilt, dass der Quotient aus der Summe aus dem optisch freien halben Durchmesser h₁ der ersten optisch wirksame Fläche (31) und dem optisch freien halben Durchmesser h_L der letzten optisch wirksame Fläche (47) und dem Doppelten des minimalen optisch freien halben Durchmesser h_m größer ist als 1,25 $$\frac{\left(h_1+h_L\right)}{2h_m}>\mathrm{1,25.}$$

   
9. Optische Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (10) eine Brennweite f aufweist, wobei gilt, dass der Quotient aus der Brennweite f und der Baulänge L₀ größer ist als 1 $$\frac{f}{L_0}>1.$$

   
10. Optische Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (11) eine Mehrzahl an im Strahlengang (4) hintereinander angeordneten Linsen (21-27) umfasst, wobei Linsen aus Kronmaterial und Linsen aus Flintmaterial vorhanden sind.
11. Optische Anordnung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Linsen aus Kronmaterial und Linsen aus Flintmaterial einander abwechselnd hintereinander angeordnet sind.
12. Mobiles Gerät (15), welches eine optische Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst.
13. Mobiles Gerät (15) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem mobilen Gerät (15) um ein Mobiltelefon, ein Tablet, ein Notebook, eine Smartwatch, ein Netbook oder einen Monitor handelt.

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