DE19910383A1 - Bildabtasteinrichtung - Google Patents

Abstract

Bei einer Bildabtasteinrichtung ist eine einzelne Brechzahlverteilungslinse (1), die eine Brechzahlverteilung aufweist, die im wesentlichen proportional zum Quadrat des Abstandes von der optischen Achse (2) in einem Querschnitt vertikal zur optischen Achse ist, als eine Abbildungslinse in der Nachbarschaft der Abbildungsfläche eines Bildabtastelements (4) vorgesehen. Insbesondere ist die gegenseitige Position zwischen dem Bildabtastelement (4) und der Linse (1) durch Kleben mittels eines organischen Lösungsmittels oder dgl. festgelegt. Außerdem ist ein Infrarotsperrfilter (6) auf der Lichteinfallsfläche der Brechzahlverteilungslinse angeordnet.

Description

Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bildabtasteinrichtung, die ein Bild­ abtastelement und eine Linse umfaßt, um ein Bild auf eine Abbildungsfläche des Bildabtastele­ ments zu fokussieren.

2. Stand der Technik

Seit einiger Zeit wird eine Bildabtasteinrichtung, die ein Festkörper-Bildabtastele­ ment und eine Linse umfaßt, um ein Bild auf dessen Abbildungsfläche zu fokussieren, bei einer Kamera angewandt. Eine optische Linse, die eine einheitliche Brechzahl hat, wird als Linse für eine solche Bildabtasteinrichtung, die oben beschrieben wurde, verwendet.

Bei der Bildabtasteinrichtung, bei der die Linse, die die einheitliche Brechzahl hat, verwendet wird, ist ein optischer Abstand, der extrem groß ist, obwohl er endlich ist, zwischen der Linse und dem Festkörper-Bildabtastelement erforderlich, um die gebrochenen Lichtstrah­ len auf die Abbildungsfläche des Festkörper-Bildabtastelements zu bündeln und zu fokussieren (abbilden). Somit wird die Summe der Dicke der Linse und des Abbildungsabstands als opti­ scher Abstand zwischen einer ersten Fläche (der Fläche bei der Lichteinfallseite) der Linse und der Abbildungsfläche des Festkörper-Bildabtastelements benötigt.

Bei der herkömmlichen Bildabtasteinrichtung ist, wie oben beschreiben, da die Ge­ samtsumme der Dicke der Linse und des Abbildungsabstands als optischer Abstand zwischen der ersten Fläche der Linse (einfallseitige Fläche) und der Abbildungsfläche des Festkörper- Bildabtastelements erforderlich ist, somit sehr schwierig, die Gesamtlänge des optischen Systems zu verkürzen. Daher konnten Wünsche nach einem kompakten Aussehen für die Bildab­ tasteinrichtung und die Kamera, die diese benutzt, nie zufriedengestellt werden.

Gemäß der oben beschriebenen herkömmlichen Bildabtasteinrichtung kann, wenn ein Linsenhalter verwendet wird, um eine Linse zu lagern, so daß sie von dem Bildabtastele­ ment in einem genauen Intervall beabstandet ist, während eine vorgegebene gegenseitige Lage zwischen der Linse und dem Bildabtastelement beibehalten wird, ein Fehler der gegenseitigen Position zwischen der Linse und dem Linsenhalter und ein Fehler gegenseitigen Position zwi­ schen dem Linsenhalter und dem Festkörper-Bildabtastelement als ein Fabrikationsfehler auf­ treten, wodurch es somit schwierig ist, den Fehler zu reduzieren.

Überblick über die Erfindung

Die vorliegende Erfindung wurde dazu vorgesehen, die Schwierigkeit der her­ kömmlichen Bildabtasteinrichtung zu überwinden, und hat eine Aufgabe, die Gesamtlänge ei­ ner Bildabtasteinrichtung zu verkürzen, die eine Linse und ein Bildabtastelement umfaßt, und den Fehler der gegenseitigen Position zwischen der Linse und dem Bildabtastelement zu redu­ zieren.

Um die obige Aufgabe zu lösen, ist eine Bildabtasteinrichtung gemäß der vorlie­ genden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß eine Brechzahlverteilungslinse, die eine Brechzahlverteilung aufweist, die im wesentlichen proportional zum Quadrat des Abstandes von der optischen Achse in einem Querschnitt vertikal zur optischen Achse ist, als eine Abbil­ dungslinse in der Nachbarschaft einer Abbildungsfläche eines Bildabtastelements vorgesehen ist.

Gemäß der Bildabtasteinrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird, da die Brechzahllinse als Linse verwendet wird, ein Bild in der Unendlichkeit, welches als parallele Lichtstrahlen des Lichts von der Endfläche der Linseneinfallseite einfallt, auf der Endfläche der Linsenabstrahlungsseite abgebildet, wenn die Länge (Dicke) der Linse auf eine Mäanderbil­ dungsperiode P = 0,5 π + nπ (n = 0, 1, 2, . . .) eingestellt wird. Somit wird das Bild auf der Ab­ bildungsfläche des Bildabtastelements, welches in der Nähe der Endfläche der Linsenabstrah­ lungsseite angeordnet ist, abgebildet, und somit ist es nicht notwendig, einen großen Spalt zwi­ schen der Linse und dem Bildabtastelement vorzusehen. Daher kann die Länge des optischen Systems reduziert werden, und es kann das Aussehen der Bildabtasteinrichtung so verbessert werden, daß sie eine kompaktere Größe und eine geringere Dicke hat.

Weiter kann die Linse in der Nähe des Bildabtastelements vorgesehen sein, und somit kann die gegenseitige Lage zwischen dem Bildabtastelement und der Linse durch Kleben mit organischen Lösungsmittel oder dgl. festgelegt sein, wodurch ein Fehler, der den Positi­ onsfehler der Linse in bezug auf das Bildabtastelement verursacht wird, reduziert werden kann und somit die Positionsgenauigkeit verbessert werden kann.

Die Bildabtasteinrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich da­ durch gekennzeichnet, daß eine Brechzahlverteilungslinse, die eine Brechzahlverteilung aufs weist, die in etwa proportional zum Quadrat des Abstandes von der optischen Achse im Quer­ schnitt vertikal zur optischen Achse ist, als Abbildungslinse in der Nachbarschaft der Abbil­ dungsfläche eines Bildabtastelements vorgesehen ist. Die Linsenlänge ist vorzugsweise auf eine Mäanderbildungsperiode P = 0,5 π + nπ (n = 0, 1, 2, . . .) festgelegt. Insbesondere ist es vorteil­ haft, daß die Linsenlänge so klein wie möglich ist (beispielsweise 0), da die Linsenlänge ver­ kürzt werden kann.

Die Bildabtasteinrichtung nach der vorliegenden Erfindung kann so ausgebildet werden, daß die Brechzahlverteilungslinse und das Bildabtastelement durch einen Halter ge­ halten werden, um die gegenseitige Lage zwischen der Brechzahlverteilungslinse und dem Bildabtastelement zu regulieren. Sie kann jedoch so ausgebildet sein, daß die Brechzahlvertei­ lungslinse unmittelbar durch Klebstoff am Bildabtastelement befestigt ist. In diesem Fall kann die gegenseitige Lage zwischen der Brechzahlverteilungslinse und dem Bildabtastelement mit extrem hoher Genauigkeit eingeregelt werden, wenn nur Material, welches keinen gegenteili­ gen Effekt für die Linse und das Bildabtastelement hat, als Klebstoffmittel ausgewählt wird.

Weiter kann eine optische dünne Schicht zu Reflektieren von Infrarotstrahlen an der Lichteinfallfläche der Brechzahlverteilungslinse vorgesehen sein, oder es kann eine Absor­ biereinrichtung zum Absorbieren von Infrarotstrahlen an der Lichteinfallflächenseite der Brech­ zahlverteilungslinse vorgesehen sein. Mit diesem Aufbau können die Infrarotstrahlen unterbro­ chen werden.

Außerdem kann eine Linse, die mit einer Krümmung an einer Endfläche oder an beiden Endflächen versehen ist, als Brechzahlverteilungslinse verwendet werden. In diesem Fall wird die optische Charakteristik auf der Basis der Brechzahlverteilung durch die Krümmung variiert, und die kombinierte optische Charakteristik der optischen Charakteristik auf der Basis der Brechzahlverteilung und die optische Charakteristik auf der Basis der Krümmung wird zur optischen Charakteristik der Linse. Wie oben beschrieben weist die vorliegende Erfindung ver­ schiedene Modalitäten auf.

Das "Bildabtastelement" nach der vorliegenden Erfindung bedeutet jedes Teil, wel ches ein Bild von Lichtstrahlen von einem Gegenstand empfangen kann und das elektrische Signal liefern kann, welches dem Bild entspricht, beispielsweise eine CCD (ladungsgekoppelte Einrichtung), ein CMOS-Bildsensor oder dgl.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform der Bildabtastein­ richtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Raumfre­ quenz und der MTF-Modulation der optischen Kennlinie zeigt, die durch die Bildabtastein­ richtung der vorliegenden Erfindung erhalten wird;

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Defokussie­ rungsposition und der MTF-Modulation der optischen Kennlinie zeigt, die durch die Bildab­ tasteinrichtung der vorliegenden Erfindung erhalten wird;

Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht, die eine weitere Ausführungsform der Bildab­ tasteinrichtung nach der vorliegenden Erfindung zeigt; und

Fig. 5A bis 5B sind Querschnittsansichten, die verschiedene Modifikationen der Brechzahlverteilungslinse der Bildabtasteinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Eine bevorzugte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird an­ schließend mit Hilfe der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform einer Bildabtastein­ richtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

In Fig. 1 zeigt das Bezugszeichen 1 eine Brechzahlverteilungslinse, und die Brech­ zahlverteilungslinse 1 ist zu einer zylindrischen Form ausgebildet und besitzt eine Brechzahl­ verteilung, die im wesentlichen proportional zum Quadrat des Abstandes von einer optischen Achse 2 in einem Querschnitt vertikal zur optischen Achse 2 ist. Die Brechzahlverteilungslinse 1 ist an eine Abbildungsfläche 5 eines Festkörper-Bildabtastelements 4 an der Endfläche der Lichtabstrahlungsseite mittels eines dünnen und transparenten Klebstoffs 3 geklebt, der aus einem organischen Lösungsmittel besteht. Das Bezugszeichen 6 zeigt eine Infrarot-Sperrfilter­ schicht, die auf der Lichteinfallfläche der Brechzahlverteilungslinse 1 gebildet ist, wobei das Filter 6 durch Ablagern gebildet ist und dazu dient, die Infrarotstrahlen zu reflektieren.

Die Länge Z der Brechzahlverteilungslinse 1 (Linsenlänge) wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt, wenn die Brechzahlverteilungskonstante √A = 0,43 ist, der Bre­ chungsindex N der optischen Achse (zum Unterschied von "n" in der Gleichung, die die Mäan­ derbildungsperiode P ausdrückt) = 1,658 und die Mäanderbildungsperiode P = 0,5 π (d. h. für n = 0 in der Gleichung der Mäanderbildungsperiode P):
Z = Mäanderbildungsperiode P/Brechzahlverteilungskonstante
= (0,5 π)/√A = 3,653 mm.

In diesem Fall wird die Berechnung unter der Bedingung durchgeführt, daß die Dicke des Klebstoffs 3 vernachlassigt wird, die emissionsseitige Endfläche der Brechzahlver­ teilungslinse 1 in direkten Kontakt mit der Abbildungsfläche gebracht wird und die Existenz des Infrarotsperrfilters 6 (Dicke, Kennlinie) vernachlässigt wird. In der obigen Gleichung stellt "A" einen Fokussierungsparameter dar. Der Linsendurchmesser wird auf 1,8 mm festgelegt, und somit ist die Brechzahlverteilungslinse 1 nach dieser Ausführungsform optimal ein 1/10- Inch-Bildabtastelement 4 (2,54-mm-Bildabtastelement). Der Grund dafür liegt darin, daß die Länge der Diagonale des 1/10-Inch-Bildabtastelements 4 gleich 1,8 mm ist. Das heißt, daß diese Linse 1 auf einem 1/10-Inch-Bildabtastelement 4 vorgesehen ist, um ein Bild eines diago­ nalen Sichtwinkels von 100° zu erhalten. Zusätzlich kann ein Infrarotbild aus dem Bild entfernt werden, was dadurch erreicht wird, daß das Infrarotsperrfilter 6 vorgesehen ist.

In Fig. 1 ist die axiale optische Bahn und die peripherische optische Bahn gezeigt. Lichtstrahlen auf der axialen optischen Bahn laufen parallel zur optischen Achse 2 der Linse 1 und fallen auf die Brechzahlverteilungslinse 1. Die einfallenden Lichtstrahlen auf der axialen optischen Bahn werden auf die Endfläche der Abstrahlungsseite der Linse 1 oder auf einen Kreuzungspunkt zwischen der optischen Achse und der axialen optischen Bahn hinter der emissionsseitigen Endfläche der Linse 1 gebündelt.

Fig. 2 und 3 zeigen den MTF (Modulationsübertragungsfaktor) der optischen Kennlinie, die in diesem Zeitpunkt erhalten wird. In Fig. 2 zeigt die Abszisse die Raumfrequenz (periode/mm), und die Ordinate zeigt die Modulation. In Fig. 3 zeigt die Abszisse die Defokus­ sierungsposition (mm) und die Ordinate zeigt die Modulation.

Die oben beschriebene Bildabtasteinrichtung ist eine Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung, und die Erfindung kann in verschiedenen Modifikationen ausgebildet sein.

Zunächst können, um die Infrarotstrahlen zu sperren, die Infrarotstrahlen durch eine Infrarot- Sperrfilterschicht 6 reflektiert werden, oder es kann ein optisches Element 7 zum Absorbieren der Infrarotstrahlen an der Lichteinfallflächenseite der Brechzahlverteilungslinse 1 vorgesehen sein, um die Infrarotstrahlen zu sperren, wie in Fig. 4 gezeigt ist.

Wie in Fig. 5A bis 5C gezeigt ist, kann eine Linse, die mit einer Krümmung auf beiden oder auf der Lichteinfallfläche und oder der Lichtabstrahlungsfläche (bezeichnet durch Bezugszeichen 1a, 1b, 1c in Fig. 5A bis 5C) versehen ist, als Brechzahlverteilungslinse 1 ver­ wendet werden.

In diesem Fall wird die kombinierte optische Charakteristik der optischen Charak­ teristik auf der Basis der Brechzahlverteilung und die optische Charakteristik auf der Basis der Krümmung zur Charakteristik der Brechzahlverteilungslinse 1. Das heißt, eine oder beide End­ flächen (Oberflächen) der Brechzahlverteilungslinse ist mit der Krümmung versehen, so daß der Linseneffekt ebenfalls durch die Krümmung erhalten werden kann. Somit kann der gleiche Linseneffekt mit einer dünneren Brechzahlverteilungslinse durch die Gesamtwirkung des Lin­ seneffekts auf der Basis der Brechzahlverteilung und des Linseneffekts auf der Basis der Krümmung erzielt werden. Damit kann eine kompaktere und dünnere Ausbildung der Bildab­ tasteinrichtung erhalten werden.

Gemäß der Bildabtasteinrichtung nach dem ersten Merkmal der vorliegenden Er­ findung wird eine einfache Brechindexverteilungslinse, die eine Brechzahlverteilung hat, die im wesentlichen proportional zum Quadrat des Abstandes von der optischen Achse in ei­ nem Querschnitt vertikal zur optischen Achse ist, als Abbildungslinse verwendet, so daß ein Bild in der Unendlichkeit, welches von einer Linseneinfall-Seitenendfläche einfällt, als parallele Strahlen des Lichts auf der Endfläche der Lichtabstrahlungsseite der Linse abgebildet (fokussiert) werden. Damit kann die Abbildungsfläche des Bildabtastelements in der Nachbar­ schaft der Brechzahlverteilungslinse angeordnet werden, und es nicht notwendig, einen Spalt zwischen der Linse und dem Bildabtastelement vorzusehen. Damit kann die Länge des opti­ schen Systems verkürzt werden, und es kann die Miniaturisierung der Bildabtasteinrichtung erreicht werden.

Außerdem ist gemäß der Bildabtasteinrichtung nach dem zweiten Merkmal der vorliegenden Erfindung die Brechzahlverteilungslinse in der Nachbarschaft der Abbildungsflä­ che des Bildabtastelements durch Klebstoff befestigt, wodurch der Einfluß des Fehlers in Ver­ bindung mit der Positionierung zwischen der Brechzahllinse und dem Bildabtastelement ver­ mindert wird und somit die Positionierung mit einer extrem hohen Genauigkeit durchgeführt werden kann.

Gemäß der Bildabtasteinrichtung nach dem dritten Merkmal der Erfindung ist die optische dünne Schicht zum Reflektieren der Infrarotstrahlen an der Lichteinfallfläche der Brechzahlverteilungslinse vorgesehen, wodurch Infrarotstrahlen, die dabei sind; in die Linse einzutreten, durch die dünne Schicht reflektiert werden, wodurch der Einfall von Infrarot­ strahlen in das Bildabtastelement vermieden wird.

Gemäß der Bildabtasteinrichtung nach dem vierten Merkmal der vorliegenden Er­ findung ist das optische Element zum Absorbieren der Infrarotstrahlen an der Lichteinfallflä­ chenseite der Brechzahlverteilungslinse vorgesehen, wodurch Infrarotstrahlen, die dabei sind, in die Linse einzutreten, durch das Element absorbiert werden, wodurch der Einfall von Infra­ rotstrahlen in das Bildabtastelement verhindert wird.

Gemäß der Bildabtasteinrichtung nach dem fünften Merkmal der vorliegenden Er­ findung ist eine oder beide der Endflächen (Oberflächen) der Brechzahlverteilungslinse mit einer Krümmung versehen, wodurch der Linseneffekt ebenfalls durch die Krümmung erhalten werden kann. Somit kann der gleiche Linseneffekt mit einer dünneren Brechzahlverteilungs­ linse durch den Gesamteffekt der Linse auf der Basis der Brechzahlverteilung und des Lin­ seneffekts auf der Basis der Krümmung erhalten werden. Somit kann ein kompakteres und dünneres Aussehen in bezug auf die Bildabtasteinrichtung erhalten werden.

Claims (8)

1. Bildabtasteinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brechzahlverteilungslinse (1), die eine Brechzahlverteilung aufweist, die im wesentlichen proportional zum Quadrat des Abstandes von der optischen Achse (2) in einem Querschnitt vertikal zur optischen Achse ist, als eine Abbildungslinse in der Nachbarschaft ei­ ner Abbildungsfläche (5) eines Bildabtastelements (4) vorgesehen ist.

2. Bildabtasteinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Brechzahlverteilungslinse (1) an der Abbildungsfläche (5) des Bildabtastelementes (4) durch einen Klebstoff (3) kleb-befe­ stigt ist.

3. Bildabtasteinrichtung nach Anspruch 1, wobei eine optische dünne Schicht (6) zum Reflektieren von Infrarotstrahlen auf der Lichteinfallfläche der Brechzahlverteilungslinse vorgesehen ist.

4. Bildabtasteinrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Infrarotstrahlen-Absorbiti­ onseinrichtung zum Absorbieren von Infrarotstrahlen an der Lichteinfallsflächenseite der Brechzahlverteilungslinse (1) vorgesehen ist.

5. Bildabtasteinrichtung nach Anspruch 2, wobei eine Krümmung an einer oder beiden Flächen der Brechzahlverteilungslinse (1) vorgesehen ist.

6. Bildabtasteinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine einfache Brechzahl­ verteilungslinse (1) als Abbildungslinse in der Nachbarschaft einer Abbildungsfläche (5) eines Bildabtastelementes (4) vorgesehen ist, und daß die Linsenlänge (L) der Brechzahlverteilungs­ linse (1) auf einen Wert festgesetzt ist, der durch Teilen einer Mäanderbildungsperiode P = 0,5 π + nπ (n = 0, 1, 2, . . .) durch eine Brechzahlverteilungskonstante der Brechzahlverteilungs­ linse für eine Gebrauchswellenlänge der Bildabtasteinrichtung erhalten wird.

7. Bildabtasteinrichtung nach Anspruch 6, wobei die Brechzahlverteilung der Brechzahlverteilungslinse (1) im wesentlichen proportional zum Quadrat des Abstandes von der optischen Achse in einem Querschnitt vertikal zur optischen Achse ist.

8. Bildabtasteinrichtung nach Anspruch 6, wobei die Brechzahlverteilungslinse an der Abbildungsfläche (5) durch einen Klebstoff (3) kleb-befestigt ist.