DE212015000145U1

DE212015000145U1 - Omnidirektionales Bildaufnahmegerät

Info

Publication number: DE212015000145U1
Application number: DE212015000145.8U
Authority: DE
Original assignee: Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
Current assignee: Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2017-01-13
Anticipated expiration: 2025-05-23
Also published as: WO2015181443A1; JP3214777U; US20150346582A1; CN207096551U

Abstract

Bildaufnahmegerät (500) mit: – einem Eingangs-Element (LNS1), – einer Aperturblende (AS1) und – einer Fokussiereinheit (300), wobei das Eingangs-Element (LNS1) das Folgende aufweist: – eine Eingangs-Oberfläche (SRF1), – eine erste reflektierende Oberfläche (SRF2), – eine zweite reflektierende Oberfläche (SRF3), und – eine Ausgangs-Oberfläche (SRF4), wobei die Eingangs-Oberfläche (SRF1) ausgebildet ist zum Erzeugen eines ersten gebrochenen Strahls (B1k) durch Brechen von Licht eines Eingangs-Strahls (B0k), die erste reflektierende Oberfläche (SRF2) ausgebildet ist zum Erzeugen eines ersten reflektierten Strahls (B2k) durch Reflektieren von Licht des ersten gebrochenen Strahls (B1k), die zweite reflektierende Oberfläche (SRF3) ausgebildet ist zum Erzeugen eines zweiten reflektierten Strahls (B3k) durch Reflektieren von Licht des ersten reflektierten Strahls (B2k), sodass der zweite reflektierte Strahl (B3k) den ersten gebrochenen Strahl (B1k) nicht schneidet, die Ausgangs-Oberfläche (SRF4) ausgebildet ist zum Erzeugen eines Ausgangs-Strahls (B4k) durch Brechen des Lichts des zweiten reflektierten Strahls (B3), das Eingangs-Element (LNS1) und die Fokussiereinheit (300) ausgebildet sind zum Bilden eines ringförmigen optischen Bilds (IMG1) auf einer Bildebene (PLN1), wobei die Aperturblende (AS1) eine Eintrittspupille (EPUk) des Bildaufnahmegeräts (500) definiert, sodass die effektive F-Zahl (Feff) des Bildaufnahmegeräts (500) im Bereich von 1,0 bis 5,6 liegt, und der Quotient (f1/Wk) aus der Brennweite (f1) der Fokussiereinheit (300) und der Breite (Wk) der Eintrittspupille (EPUk) im Bereich von 1,0 bis 5,6 liegt, und wobei der Quotient (f1/Δhk) der Brennweite (f1) und der Höhe (Δhk) der Eintrittspupille (EPUk) im Bereich von 1,0 bis 5,6 liegt.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Bildgebung.
HINTERGRUND
Eine Panoramakamera kann ein System mit einem Fischaugenobjektiv zur Bereitstellung eines Panoramabildes aufweisen. Die Bildung des Panoramabildes kann durch Fokussieren eines optischen Bildes auf einem Bildsensor erfolgen. Das Fischaugenobjektiv kann eingerichtet sein ein Randgebiet des optischen Bildes zu schrumpfen, so dass das gesamte optische Bild durch nur einen einzelnen Bildsensor aufgenommen werden kann. Deshalb kann die resultierende Auflösung des Fischaugenobjektivs im Randgebiet des optischen Bildes limitiert sein.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung für die optische Bildgebung zur Verfügung zu stellen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Aufnahme eines Bildes zur Verfügung zu stellen.
Nach einem ersten Aspekt wird ein Bildaufnahmegerät bereitgestellt mit:

– einem Eingangs-Element (LNS1)
– einer Aperturblende (AS1), und
– einer Fokussiereinheit (300), das Eingangs-Element (LNS1) mit:
– einer Eingangs-Oberfläche (SRF1),
– einer ersten reflektierenden Oberfläche (SRF2),
– einer zweiten reflektierenden Oberfläche(SRF3),
– einer Ausgangs-Oberfläche (SRF 4),

_k

300

_k

500

_eff

500

Nach einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Aufnahme eines Bildes durch Nutzung des Bildaufnahmegeräts (500) bereitgestellt, das Verfahren weist die Bildung eines ringförmigen optischen Bildes (IMG1) auf einer Bildebene (PLN1) auf.
Weitere Aspekte sind in den Ansprüchen offenbart.
Die Aperturblende kann eine hohe Leistung zur Sammlung von Licht bereitstellen und die Aperturblende kann zur Verbesserung der Bildschärfe die Ausbreitung von Randstrahlen verhindern, die ansonsten ein Verwischen des optischen Bildes bewirken könnten. Insbesondere kann die Aperturblende die Ausbreitung von solchen Randstrahlen verhindern, welche ein Verwischen in die tangentiale Richtung des ringförmigen optischen Bildes bewirken könnten.
Das Bildaufnahmegerät kann ein ringförmiges optisches Bild bilden, welches die Umgebung des Bildaufnahmegeräts repräsentiert. Das ringförmige Bild kann durch digitale Bildverarbeitung in ein rechteckiges Panoramabild konvertiert werden.
Die radiale Verzerrung des ringförmigen Bildes kann geringfügig sein. In anderen Worten ausgedrückt kann die Beziehung zwischen dem Elevationswinkel der von den Objekten empfangenen Strahlen und den Positionen des korrespondierenden Bildpunktes im Wesentlichen linear sein. Deshalb können die Pixel des Bildsensors effektiv für einen vorgegebenen vertikalen Blickwinkel genutzt werden und alle Teile des Panoramabildes können mit der bestmöglichen Auflösung gebildet werden.
Das Bildaufnahmegerät kann im Wesentlichen eine zylindrische Objektoberfläche aufweisen. Das Bildaufnahmegerät kann die Pixel des Bildsensors zur Aufnahme des ringförmigen Bildes, welches die zylindrische Objektoberfläche repräsentiert, effektiv nutzen. Für bestimmte Anwendungen ist es nicht notwendig Bilder von Objekten aufzunehmen, die sich direkt über dem Bildaufnahmegerät befinden. Für diese Anwendungen kann das Bildaufnahmegerät die Pixel eines Bildsensors effektiver nutzen als beispielsweise ein Fischaugenobjektiv. Das Bildaufnahmegerät kann beispielsweise an einem Fahrzeug angebracht sein, um um das Fahrzeug herum befindliche Hindernisse, andere Fahrzeuge und/oder um das Fahrzeug herum befindliche Personen zu überwachen. Das Bildaufnahmegerät kann beispielsweise als eine stationäre Überwachungskamera genutzt werden. Das Bildaufnahmegerät kann zur Aufnahme von Bildern für ein Bildverarbeitungssystem eingerichtet sein.
In einem Ausführungsbeispiel kann es vorgesehen sein Panoramabilder des Bildaufnahmegeräts für ein Telekonferenzsystem zu nutzen. Beispielsweise kann das Bildaufnahmegerät ein Panoramabild von verschiedenen im Raum befindlichen Personen bereitstellen. Ein Telekonferenzsystem kann eine oder mehrere Bildaufnahmegeräte aufweisen um Panoramabilder aufzunehmen und zu übertragen. Das Telekonferenzsystem kann eine Videosequenz, in der die Videosequenz eine oder mehrere Panoramabilder aufweist, aufnehmen und übertragen.
Das Bildaufnahmegerät kann über ein Eingangs-Element verfügen, welches über zwei lichtbrechende Oberflächen und zwei reflektierende Oberflächen verfügt um einen gefalteten Strahlenweg auszubilden. Der gefaltete Strahlenweg ermöglicht es die Größe des Bildaufnahmegerätes zu verringern. Das Bildaufnahmegerät kann wegen des gefalteten Strahlenwegs eine geringe Höhe aufweisen.
FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt beispielsweise ein Bildaufnahmegerät mit einem omnidirektionalen Objektiv in der Querschnittsansicht,
2 zeigt beispielsweise ein Bildaufnahmegerät mit einem omnidirektionalen Objektiv in der Querschnittsansicht,
3a zeigt beispielsweise eine Bildung eines ringförmigen optischen Bildes auf einem Bildsensor in einer dreidimensionalen Ansicht,
3b zeigt beispielsweise mehrere Bildungen von optischen Bildern auf einem Bildsensor in einer dreidimensionalen Ansicht,
4 zeigt beispielsweise mehrere Aufnahmen von unteren und oberen Grenzen des Sichtbereichs des Bildaufnahmegeräts,
5a zeigt ein auf einem Bildsensor gebildetes optisches Bild,
5b zeigt beispielsweise die Bildung eines Panoramabildes aus dem aufgenommenen digitalen Bild,
6a zeigt beispielsweise einen zu einem Punkt eines Objekts korrespondierenden Elevationswinkel in einer dreidimensionalen Ansicht,
6b zeigt beispielsweise einen zu dem Objektpunkt der 6a korrespondierenden Bildpunkt in Draufsicht,
7a zeigt beispielsweise eine Eintrittspupille eines Bildaufnahmegerätes in einer Seitenansicht,
7b zeigt beispielsweise die Eintrittspupille der 7a in einer Endansicht,
7c zeigt beispielsweise die Eintrittspupille der 7a in einer Draufsicht,
8a zeigt beispielsweise die Aperturblende des Bildaufnahmegeräts in einer Draufsicht,
8b zeigt beispielsweise durch die Aperturblende tretende Strahlen in einer Endansicht,
8c zeigt beispielsweise durch die Aperturblende tretende Strahlen in einer Seitenansicht,
8d zeigt beispielsweise die Ausbreitung von Randstrahlen im Bildaufnahmegerät in einer Endansicht,
8e zeigt beispielsweise die Ausbreitung von Randstrahlen von der Eingangs-Oberfläche zur Aperturblende in einer Draufsicht,
9a zeigt beispielsweise auf den Bildsensor auftreffende Strahlen in einer Seitenansicht,
9b zeigt beispielsweise auf den Bildsensor auftreffende Strahlen in einer Endansicht,
9c zeigt Modulationstransferfunktionen für einige verschiedene Elevationswinkel,
10 zeigt beispielsweise Funktionseinheiten des Bildaufnahmegeräts,
11 zeigt beispielsweise charakteristische Dimensionen des Eingangs-Elements,
12 zeigt beispielsweise ein implementiertes Bildaufnahmegerät ohne die die Strahlen modifizierende Einheit,
13 zeigt beispielsweise Sensor-Pixel eines Bildsensors.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 zeigt ein Bildaufnahmegerät 500 mit einem Eingangs-Element LNS1, einer Aperturblende AS1, einer Fokussiereinheit 300 und einem Bildsensor DET1. Das Bildaufnahmegerät 500 kann über einen weiten Sichtbereich VREG1 um eine Achse AX0 verfügen (4). Das Bildaufnahmegerät 500 kann über einen Sichtbereich VREG1 verfügen, welcher vollständig die optische Achse AX0 umgibt. Der Sichtbereich VREG1 kann einen 360°-Winkel um den Sichtbereich VREG1 darstellen. Das Eingangs-Element LNS1 kann beispielsweise eine omnidirektionale Linse oder Panoramalinse genannt werden. Die optischen Elemente des Bildaufnahmegeräts 500 können eine Formation bilden, welche ein omnidirektionales Objektiv genannt werden kann. Das Bildaufnahmegerät 500 kann beispielsweise ein omnidirektionales Bildaufnahmegerät oder panoramisches Bildaufnahmegerät genannt werden. Das Bildaufnahmegerät 500 kann beispielsweise eine Kamera sein.
Die optischen Elemente des Geräts 500 können zum Brechen und/oder Reflektieren von Licht eines oder mehrerer Strahlen eingerichtet sein. Jeder Strahl kann eine Mehrzahl an Lichtstrahlen beinhalten. Das Eingangs-Element LNS1 kann über eine Eingangs-Oberfläche SRF1, eine erste reflektierende Oberfläche SRF2, eine zweite reflektierende Oberfläche SRF3, und eine Ausgangs-Oberfläche SRF4 verfügen. Ein erster Eingangs-Strahl B0₁ kann auf die Eingangs-Oberfläche SRF1 treffen. Der erste Eingangs-Strahl B0₁ kann von einem Punkt P1 eines Objekts O1 aufgenommen werden (3a). Die Eingangs-Oberfläche SRF1 kann eingerichtet sein ein erstes gebrochenes Licht B1₁ bereitzustellen, in dem es das Licht des Eingangs-Strahls B0₁ bricht. Die erste reflektierende Oberfläche SRF2 kann eingerichtet sein einen ersten reflektierten Strahl B2₁ bereitzustellen, in dem es das Licht des ersten gebrochenen Strahls B1₁ reflektiert. Die zweite reflektierende Oberfläche SRF3 kann eingerichtet sein einen zweiten reflektierten Strahl B3₁ bereitzustellen, in dem es das Licht des ersten reflektierten Strahls B2₁ reflektiert. Und eine Ausgangs-Oberfläche SRF4 kann eingerichtet sein den Ausgangs-Strahl bereitzustellen, in dem es das Licht des zweiten reflektierten Strahls B3₁ bricht.
Die Eingangs-Oberfläche SRF1 kann einen ersten Radius einer Krümmung in vertikale Richtung und die Eingangs-Oberfläche SRF1 kann einen zweiten Radius einer Krümmung in vertikale Richtung aufweisen. Der zweite Radius kann sich vom ersten Radius unterscheiden und die Brechung an der Eingangs-Oberfläche SRF1 kann Astigmatismus verursachen. Insbesondere kann die Eingangs-Oberfläche SRF1 ein Teil einer ringförmigen Oberfläche sein. Die reflektierende Oberfläche SRF2 kann beispielsweise eine im Wesentlichen konische Oberfläche sein. Die reflektierende Oberfläche kann die tangentiale und sagittale optische Vergrößerung über Kreuz verbinden, was Astigmatismus und Chroma (chromatische Aberration) verursachen kann. Die reflektierenden Oberflächen SRF1 und SRF4 können zu den lateralen Farbeneigenschaften beitragen. Die Formen der Oberflächen SRF1, SRF2, SRF3, SRF4 können optimiert sein um beispielsweise den totalen Betrag von Astigmatismus, Chroma und/oder chromatischer Aberration zu minimieren. Die Formen der Oberflächen SRF1, SRF2, SRF3, SRF4 können durch Nutzung optischer Designsoftware iterativ optimiert werden, beispielsweise durch Nutzung der unter dem Handelsnamen „Zemax“ verfügbaren Software. Beispiele von passenden Formen für die Oberflächen werden beispielsweise in den Tabellen 1.2 und 1.3 und in den Tabellen 2.2 und 2.3 spezifiziert.
Das Bildaufnahmegerät 500 kann optional über eine die Wellenfront modifizierende Einheit 200 verfügen um die Wellenfront von Ausgangs-Strahlen des Eingangs-Elements LNS1 zu modifizieren. Optional kann die Wellenfront des Ausgangs-Strahls B4₁ durch die Wellenfront modifizierende Einheit 200 modifiziert werden. Die Wellenfront modifizierende Einheit 200 kann eingerichtet sein einen Zwischenstrahl B5₁ zu bilden indem es die Wellenfront des Ausgangs-Strahls B4₁ modifiziert. Der Zwischenstrahl kann auch als korrigierter Strahl oder modifizierter Strahl bezeichnet werden.
Die Aperturblende AS1 kann zwischen dem Eingangs-Element LNS1 und der Fokussiereinheit 300 positioniert werden. Die Aperturblende kann zwischen die modifizierende Einheit 200 und die Fokussiereinheit 300 positioniert werden. Die Aperturblende AS1 kann eingerichtet sein um die transversale Dimension des Zwischenstrahls B5₁ zu begrenzen. Die Aperturblende AS1 kann auch die Eintrittspupille des Bildaufnahmegeräts 500 definieren (7b).
Das Licht des Zwischenstrahls B5₁ kann durch die Fokussiereinheit 300 auf den Bildsensor DET1 fokussiert werden. Die Fokussiereinheit 300 kann eingerichtet sein einen fokussierten Strahl B6₁ durch Fokussierung des Lichts des Zwischenstrahls B5₁ zu bilden. Der fokussierte Strahl B6₁ kann auf einen Punkt P₁' des Bildsensors DET1 treffen. Der Punkt P₁' kann beispielsweise als Bildpunkt bezeichnet werden. Der Bildpunkt kann einen oder mehrere Sensor-Pixel des Bildsensors DET1 überlappen, und der Bildsensor DET1 kann ein digitales Signal als Hinweis auf die Helligkeit des Bildpunktes geben.
Ein zweiter Eingangs-Strahl B0_k kann auf die Eingangs-Oberfläche SRF1 auftreffen. Die Richtung DIR_k des zweiten Eingangs-Strahls B0_k kann sich von der Richtung DIR₁ des ersten Eingangs-Strahls B0₁ unterscheiden. Die Strahlen B0₁, B0_k können von beispielsweise zwei verschiedenen Punkten P₁, P_k eines Objekts O1 empfangen werden.
Die Eingangs-Oberfläche SRF1 kann eingerichtet sein einen gebrochenen Strahl B1_k durch Brechen des Lichts des Eingangs-Strahls B0_k bereitzustellen. Die erste reflektierende Oberfläche SRF2 kann eingerichtet sein einen reflektierten Strahl B2_k durch Reflektieren des gebrochenen Strahls B1_k zu erzeugen. Die zweite reflektierende Oberfläche SRF3 kann eingerichtet sein einen reflektierten Strahl B3_k durch Reflektieren des reflektierten Strahls B2_k bereitzustellen. Und die Ausgangs-Oberfläche SRF4 kann eingerichtet sein einen Ausgangs-Strahl B4_k durch Brechen des Lichtes des reflektierten Strahls B3_k bereitzustellen. Die die Wellenfront modifizierende Einheit 200 kann eingerichtet sein einen Zwischenstrahl B5_k durch Modifikation der Wellenfront des Ausgangs-Strahls B4_k bereitzustellen. Die Aperturblende AS1 kann eingerichtet sein die transversale Dimension des Zwischenstrahls B5_k zu begrenzen. Die Fokussiereinheit 300 kann eingerichtet sein einen fokussierten Strahl B6_k durch Fokussieren des Lichtes des Zwischenstrahls B5_k zu bilden. Der fokussierte Strahl B6_k kann auf einen Punkt P_k' eines Bildsensors DET₁ auftreffen. Der Punkt P_k' kann sich vom Punkt P₁' räumlich unterscheiden.
Das Eingangs-Element LNS1 und die Fokussiereinheit 300 können zur Bildung eines optischen Bildes IMG1 auf dem Bildsensor DET1 durch Empfangen von Strahlen B0₁, B0_k von verschiedenen Richtungen DIR₁, DIR_k eingerichtet sein.
Das Eingangs-Element LNS1 kann im Wesentlichen axialsymmetrisch um die Achse AX0 sein. Die optischen Komponenten des Bildaufnahmegeräts 500 können im Wesentlichen axialsymmetrisch um die Achse AX0 sein. Das Eingangs-Element LNS1 kann axialsymmetrisch um die Achse AX0 sein. Die Achse AX0 kann beispielsweise als symmetrische Achse oder optische Achse bezeichnet werden.
Das Eingangs-Element LNS1 kann auch eingerichtet sein derart zur operieren, dass die die Wellenfront modifizierende Einheit 200 nicht benötigt wird. In diesem Fall kann die Oberfläche SRF4 des Eingangs-Elements LNS1 den Zwischenstrahl B5₁ direkt durch das Brechen des Lichtes des gebrochenen Strahls B5₁ bereitstellen. Die Oberfläche SRF4 des Eingangs-Elements LNS1 kann den Zwischenstrahl B5_k durch Brechen des Lichtes des reflektierten Strahls B5_k bereitstellen. In diesem Fall kann der Ausgangs-Strahl des Eingangs-Elements LNS1 direkt als Zwischenstrahl B5_k genutzt werden.
Die Aperturblende AS1 kann zwischen dem Eingangs-Element LNS1 und der Fokussiereinheit 300 positioniert sein. Das Zentrum der Aperturblende AS1 kann im Wesentlichen mit der Achse AX0 zusammenfallen. Die Aperturblende AS1 kann im Wesentlichen kreisförmig sein.
Das Eingangs-Element LNS1, die optischen Elemente der (optionalen) modifizierenden Einheit 200, der Aperturblende AS1 und des optischen Elements der Fokussiereinheit 300 können im Wesentlichen axialsymmetrisch in Bezug auf die Achse AX0 sein.
Das Eingangs-Element LNS1 kann eingerichtet sein derart zu funktionieren, dass der durch die zweite reflektierende Oberfläche SRF3 gebildete zweite reflektierte Strahl B3_k sich nicht mit dem ersten durch die Eingangs-Oberfläche SRF1 gebildeten gebrochenen Strahl B1_k schneidet.
Der erste gebrochene Strahl B1_k, der erste reflektierte Strahl B2_k, und der zweite reflektierte Strahl B3_k können sich in einem im Wesentlichen homogenen Material verbreiten ohne sich in einem Gas zu verbreiten.
Das Bildaufnahmegerät 500 kann eingerichtet sein, ein optisches Bild IMG1 auf einer Bildebene PLN1 zu bilden. Die aktive Oberfläche des Bildsensors DET1 kann im Wesentlichen mit der Bildebene PLN1 zusammenfallen. Der Bildsensor DET1 kann derart positioniert sein, dass die Licht detektierenden Pixel des Bildsensors DET1 sich im Wesentlichen in der Bildebene PLN1 befinden. Das Bildaufnahmegerät 500 kann eingerichtet sein das optische Bild IMG1 auf der aktiven Oberfläche des Bildsensors DET1 zu bilden. Die Bildebene PLN1 kann im Wesentlichen senkrecht zu der Achse AX0 sein.
Der Bildsensor DET1 kann während der Herstellung des Bildaufnahmegeräts 500 an das Bildaufnahmegerät 500 angebracht werden, so dass das Bildaufnahmegerät 500 den Bildsensor DET1 aufweisen kann. Allerdings kann das Bildaufnahmegerät 500 auch ohne den Bildsensor DET1 bereitgestellt werden. Beispielsweise kann das Bildaufnahmegerät 500 ohne den Bildsensor DET1 hergestellt oder transportiert werden. Der Bildsensor DET1 kann an das Bildaufnahmegerät 500 zu einem späteren Stadium, vor der Aufnahme des Bildes IMG1 angebracht werden.
SX, SY und SZ bezeichnen orthogonale Richtungen. Die Richtung SY ist beispielsweise in 3a gezeigt. Das Symbol k kann beispielsweise einen eindimensionalen oder zweidimensionalen Index bezeichnen. Beispielsweise kann das Bildaufnahmegerät 500 eingerichtet sein, ein optisches Bild IMG1 durch Fokussieren des Lichts verschiedener Eingangs-Strahlen B0₁, B0₂, B0₃, .. B0_k-1, B0_k, B0_k+1... zu bilden.
Bezugnehmend auf 2, kann die Fokussiereinheit 300 beispielsweise eine oder mehrere Linsen 301, 302, 303, 304 aufweisen. Die Fokussiereinheit 300 kann für Leistung außerhalb der Achse optimiert sein.
Das Bildaufnahmegerät 500 kann optional ein Fenster WN1 zum Schutz der Oberfläche des Bildsensors DET1 aufweisen.
Die die Wellenfront modifizierende Einheit 200 kann eine oder mehr Linsen 201 aufweisen. Die die Wellenfront modifizierende Einheit 200 kann eingerichtet sein einen Zwischenstrahl B5_k durch Modifizieren der Wellenfront des Ausgangs-Strahls B4_k zu bilden. Insbesondere kann das Eingangs-Element LNS1 und die die Wellenfront modifizierende Einheit 200 eingerichtet sein zur Bildung eines kollimierten Zwischenstrahls B5_k vom Licht des kollimierten Eingangs-Strahls B0_k. Der kollimierte Zwischenstrahl B5_k kann eine im Wesentlichen planare Wellenfront haben.
In einem Ausführungsbeispiel können das Eingangs-Element LNS1 und die die Wellenfront modifizierende Einheit 200 zur Bildung eines konvergierenden oder divergierenden Zwischenstahls B5_k ausgebildet sein. Der konvergierende oder divergierende Zwischenstrahl B5_k kann eine sphärische Wellenform haben.
Bezugnehmend auf 3a kann das Bildaufnahmegerät 500 eingerichtet sein Licht B6_k auf einen Punkt P_k' auf dem Bildsensor DET1 zu fokussieren durch das Erhalten von Licht B0_k von einem beliebigen Punkt P_k des Objekts O1. Das Bildaufnahmegerät 500 kann eingerichtet sein ein Bild SUB1 eines Objekts O1 auf dem Bildsensor DET1 zu bilden. Das Bild SUB1 des Objekts O1 kann beispielsweise als Teilbild bezeichnet werden. Das auf dem Bildsensor DET1 gebildete optische Bild IMG1 kann das Teilbild SUB1 aufweisen.
Bezugnehmend auf 3b kann das Bildaufnahmegerät 500 eingerichtet sein Licht B6_R auf den Bildsensor DET1 zu fokussieren durch das Empfangen von Licht B0_R eines zweiten Objekts O2. Das Bildaufnahmegerät 500 kann eingerichtet sein ein Teilbild SUB2 des zweiten Objekts O2 auf dem Bildsensor DET1 zu bilden. Das auf dem Bildsensor DET1 gebildete optische Bild IMG1 kann ein oder mehrere Teilbilder SUB1, SUB2 aufweisen. Die optischen Teilbilder SUB1, SUB2 können auf dem Bildsensor DET1 simultan gebildet werden. Das die 360°-Sicht um die Achse AX0 repräsentierende optische Bild IMG1 kann simultan und augenblicklich gebildet werden.
In einem Ausführungsbeispiel können die Objekte O1, O2 beispielsweise auf im Wesentlichen gegensätzlichen Seiten des Eingangs-Elements LNS1 sein. Das Eingangs-Element LNS1 kann zwischen einem ersten Objekt O1 und einem zweiten Objekt O2 lokalisiert sein.
Das Eingangs-Element LNS1 kann ausgehendes Licht B4_R durch Empfangen von Licht B0_R des zweiten Objekts O2 bereitstellen. Die die Wellenfront modifizierende Einheit 200 kann zur Bildung eines Zwischenstrahls B5_R durch Modifizieren der Wellenfront des Ausgangs-Strahls B4_R eingerichtet sein. Die Aperturblende AS1 kann zur Begrenzung von transversalen Dimensionen des Zwischenstrahls B5_R eingerichtet sein. Die Fokussiereinheit 300 kann eingerichtet sein einen fokussierten Strahl B6_R durch Fokussieren des Lichts des Zwischenstrahls B5_R zu bilden.
Bezugnehmend auf 4, kann das Bildaufnahmegerät 500 einen Sichtbereich VREG1 haben. Der Sichtbereich VREG1 kann auch als Sichtvolumen oder Sichtzone bezeichnet werden. Das Bildaufnahmegerät 500 kann ein im Wesentlichen scharfes Bild eines Objekts O1 bilden, welches sich innerhalb des Sichtbereichs VREG1 aufhält.
Der Sichtbereich VREG1 kann die Achse AX0 vollständig umgeben. Die obere Grenze des Sichtbereichs VREG1 kann eine konische Oberfläche sein, die einen Winkel 90° – Θ_MAX gegenüber der Richtung SZ hat. Der Winkel Θ_MAX kann sich beispielsweise im Bereich +30° bis +60° befinden. Die untere Grenze des Sichtbereichs VREG1 kann eine konische Oberfläche sein, welche einen Winkel 90° – Θ_MIN gegenüber der Richtung SZ hat. Der Winkel Θ_MIN kann sich beispielsweise im Bereich von –30° bis +20° befinden. Der Winkel Θ_MAX kann den maximalen Elevationswinkel auf einem Eingangs-Strahl in Bezug auf die zur Richtung SZ senkrechte Referenzebene REF1 repräsentieren. Die Referenzebene REF1 kann durch die Richtungen SX, SY definiert werden. Der Winkel Θ_MIN kann den minimalen Elevationswinkel auf einem Eingangs-Strahl in Bezug auf die Referenzebene REF1 repräsentierten.
Das vertikale Sichtfeld (Θ_MAX – Θ_MIN) des Bildaufnahmegeräts 500 kann durch einen ersten Winkelwert Θ_MIN und einen zweiten Winkelwert Θ_MAX definiert sein, worin der erste Winkelwert Θ_MIN kleiner als oder gleich z.B. 0° sein kann und der zweite Winkelwert Θ_MAX größer oder gleich z.B. +35° sein kann.
Das vertikale Sichtfeld (Θ_MAX – Θ_MIN) des Bildaufnahmegeräts 500 kann durch einen ersten Winkelwert Θ_MIN und durch einen zweiten Winkelwert Θ_MAX definiert werden, worin der erste Winkelwert Θ_MIN kleiner oder gleich –30° sein kann und der zweite Winkelwert Θ_MAX größer als oder gleich +45° sein kann.
Das vertikale Sichtfeld (= Θ_MAX – Θ_MIN) des Geräts 500 kann im Bereich von 5° bis 60° liegen.
Das Bildaufnahmegerät 500 kann zur Bildung des optischen Bildes IMG1 mit beispielsweise einer räumlichen Auflösung geeignet sein, welche größer als beispielsweise 90 Linienpaare pro mm ist.
Bezugnehmend auf 5a kann das Bildaufnahmegerät 500 ein im Wesentlichen ringförmiges zweidimensionales optisches Bild IMG1 auf dem Bildsensor DET1 bilden. Das Bildaufnahmegerät 500 kann ein im Wesentlichen ringförmiges zweidimensionales optisches Bild IMG1 auf einer Bildebene PLN1 bilden und der Bildsensor DET1 kann in der Bildebene PLN1 positioniert sein.
Das Bild IMG1 kann ein Bild des Sichtbereichs VREG1 sein. Das Bild IMG1 kann ein oder mehrere Teilbilder SUB1, SUB2 eines sich im Sichtbereich VREG1 aufhaltenden Objekts sein. Das optische Bild IMG1 kann einen äußeren Durchmesser d_MAX und einen inneren Durchmesser d_MIN haben. Die innere Grenze des optischen Bildes IMG1 kann zur oberen Grenze des Sichtbereichs VREG1 korrespondieren und die äußere Grenze des optischen Bildes IMG1 kann zu der unteren Grenze des Sichtbereichs VREG1 korrespondieren. Der äußere Durchmesser d_MAX kann zum unteren Elevationswinkel Θ_MIN, und der innere Durchmesser d_MIN kann zum maximalen Elevationswinkel Θ_MAX korrespondieren.
Der Bildsensor DET1 kann eingerichtet sein das optische Bild IMG1 in ein digitales Bild DIMG1 zu konvertieren. Der Bildsensor DET1 kann das digitale Bild DIMG1 bereitstellen. Das digitale Bild DIMG1 kann das ringförmige optische Bild IMG1 repräsentieren. Das digitale Bild DIMG1 kann beispielsweise als ringförmiges digitales Bild DIMG1 bezeichnet werden.
Die innere Grenze des Bildes IMG1 kann eine zentrale Region CREG1 umgeben, so dass der Durchmesser der zentralen Region CREG1 kleiner als der innere Durchmesser d_MIN des ringförmigen Bildes IMG1 ist. Das Gerät 500 kann eingerichtet sein ein ringförmiges Bild IMG1 zu bilden ohne das Bild auf der zentralen Region CREG1 des Bildsensors DET1 zu bilden. Das Bild IMG1 kann einen Zentralpunkt CP1 haben. Das Gerät 500 kann eingerichtet sein, ein ringförmiges Bild IMG1 zu bilden ohne Licht auf den Zentralpunkt CP1 zu fokussieren.
Der aktive Bereich des Bildsensors DET1 kann eine Länge LDET1 und eine Breite WDET1 haben. Der aktive Bereich meint den Bereich der zur Detektion von Licht geeignet ist. Die Breite WDET1 kann die kürzeste Dimension des aktiven Bereichs in eine Richtung bezeichnen, die senkrecht zu der Achse AX0 ist. Die Länge LDET1 kann die Dimension des aktiven Bereichs in eine Richtung bezeichnen, welche senkrecht zu der Breite WDET1 ist. Die Breite WDET1 des Sensors DET1 kann größer als oder gleich zum äußeren Durchmesser d_MAX des ringförmigen Bildes IMG1 sein, so dass das ganze ringförmige Bild IMG1 vom Sensor DET1 aufgenommen werden kann.
Bezugnehmend auf 5b kann das ringförmige digitale Bild DIMG1 in ein Panoramabild PAN1 durch Durchführung eines Entzerrungsverfahrens konvertiert werden. Das Panoramabild PAN1 kann aus dem ringförmigen digitalen Bild DIMG1 durch digitale Bildbearbeitung gebildet werden.
Das digitale Bild DIMG1 kann beispielsweise in einem Speicher MEM1 gesichert werden. Jedoch kann das digitale Bild DIMG1 auch Pixel für Pixel in ein Panoramabild PAN1 konvertiert werden, ohne die Notwendigkeit, das ganze digitale Bild DIMG1 im Speicher MEM1 zu sichern.
Die Umwandlung kann aufweisen die Bestimmung von Signalwerten, welche mit den Punkten des Panoramabildes PAN1 assoziiert sind, von Signalwerten, welche mit den Punkten des ringförmigen digitalen Bildes DIMG1 assoziiert sind. Das Panoramabild PAN1 kann beispielweise ein Teilbild SUB1 des ersten Objekts O1 und ein Teilbild SUN2 des zweiten Objekts O2 aufweisen. Das Panoramabild PAN1 kann ein oder mehrere Teilbilder von Objekten, die sich in der Sichtregion des Bildaufnahmegeräts 500 aufhalten, aufweisen.
Das vollständige optische Bild IMG1 kann augenblicklich und simultan auf dem Bildsensor DET1 gebildet werden. Demzufolge kann das vollständige digitale Bild DIMG1 ohne Zusammenfügung gebildet werden, beispielweise ohne zwei oder mehr in verschiedenen Richtungen aufgenommene Bilder zu kombinieren. Das Panoramabild PAN1 kann aus dem digitalen Bild DIMG1 ohne Zusammenfügen gebildet werden.
In einem Ausführungsbeispiel kann das Bildaufnahmegerät 500 während der Aufnahme des digitalen Bildes DIMG1 stationär bleiben, beispielsweise ist es nicht notwendig die Orientierung des Bildaufnahmegerätes 500 vor der Aufnahme des gesamten digitalen Bildes DIMG1 zu ändern.
Der Bildsensor DET1 kann eine zweidimensionale rechteckige Reihe von Sensor-Pixeln aufweisen, worin die Position eines jeden Pixels durch Koordinaten (x, y) eines ersten rechtwinkligen Systems (kartesisches System) spezifiziert werden kann. Der Bildsensor DET1 kann ein digitales Bild DIMG1 als eine Gruppe von Pixelwerten bereitstellen, worin die Position eines jeden Pixels durch die Koordinaten spezifiziert werden kann. Beispielsweise kann die Position eines Bildpunktes P_k‘ durch Koordinaten x_k, y_k spezifiziert werden (oder durch das Indizieren der korrespondierenden Spalten und der Reihen eines Sensor-Pixels des Bildsensors DET1).
In einem Ausführungsbeispiel können die Positionen von Bildpunkten des digitalen Bildes DIMG1 auch durch die Nutzung von Polarkoordinaten (γ_k, r_k) ausgedrückt werden. Die Positionen der Pixel des Panaromabildes PAN1 können durch die Koordinaten (u, v) eines zweiten rechtwinkligen Systems spezifiziert werden, welches durch Bildrichtungen SU und SV definiert wird. Das Panoramabild PAN1 kann eine Breite u_MAX und eine Höhe v_MAX haben. Die Position eines Bildpunktes des Panoramabild-PAN1 kann durch die Koordinaten u, v in Bezug auf einen Referenzpunkt REFP spezifiziert werden. Ein Bildpunkt P_k‘ des ringförmigen Bildes IMG1 kann Koordinaten Polarkoordinaten (γ_k, r_g) haben und die korrespondierenden Bildpunkte P_k‘ des Panoramabildes PAN1 können rechtwinklige Koordinaten haben.
Das Entzerrungsverfahren kann Aufweisen das Mapping von im Polarkoordinatensystem ausgedrückten Positionen des ringförmigen Bildes DIMG 1 zur im rechtwinkligen Koordinatensystem ausgedrückten Position des Panoramabildes PAN1.
Das Bildaufnahmegerät 500 kann ein kurvenförmiges, das heißt verzerrtes, Bild IMG1 von seiner Umgebung VERG1 bereitstellen. Das Bildaufnahmegerät kann große Feldgrößen und hinreichend Auflösungsvermögen bereitstellen, worin die von dem Bildaufnahmegerät 500 verursachte Bildverzerrung durch digitale Bildbearbeitung korrigiert werden kann.
In einem Ausführungsbeispiel kann das Gerät 500 ein unscharfes optisches Bild auf der zentralen Region CREG1 des Bildsensors DET1 bilden. Das Bildaufnahmegerät 500 kann zum Betrieb derart eingerichtet sein, dass das Panoramabild PAN1 hauptsächlich bestimmt wird durch Bilddaten, welche durch die mit einem inneren Durchmesser d_MIN und einem äußeren Durchmesser d_MAX definierten ringförmige Regionen gewonnen werden.
Das ringförmige Bild IMG1 kann einen inneren Radius r_MIN (= d_MIN/2) und einen äußeren Radius r_MAX (= d_MAX/2) haben. Das Bildaufnahmegerät 500 kann das Licht des eingehenden Strahls B0_k auf den Detektor DET1 derart fokussieren, dass die radiale Koordinate r_k vom Elevationswinkel Θ_k des eingehenden Strahles B0_k abhängen kann.
Bezugnehmend auf 6a kann die Eingangs-Oberfläche SRF1 des Gerätes 500 einen Eingangs-Strahl B0_k von einem beliebigen Punkt P_k eines Objekts O1 erhalten. Der Strahl B0_k kann sich in eine Richtung DIR_k ausbreiten, die durch einen Elevationswinkel Θ_k und durch einen Azimutwinkel φ_k definiert wird. Der Elevationswinkel kann den Winkel zwischen der Richtung DIR_k des Strahls B0_k und der horizontalen Referenzebene REF1 bezeichnen. Die Richtung DIR_k des Stahls B0_k kann eine Projektion DIR_k‘ auf der horizontalen Referenzebene REF1 haben. Der Azimutwinkel φ_k kann den Winkel zwischen der Projektion DIR_k‘ und einer Referenzrichtung bezeichnen. Die Referenzrichtung kann zum Beispiel die Richtung SX sein.
Der Strahl B0_k kann zum Beispiel von einem Punkt P_k des Objekts O1 erhalten werden. Strahlen, welche von einem von der Eintrittspupille EPU_k der Eingangs-Oberfläche entfernten Punkt P_k erhalten werden, können zusammen einen im Wesentlichen kollimierten Strahl B0_k bilden. Der Eingangs-Strahl B0_k kann im Wesentlichen ein kollimierter Strahl sein.
Die Referenzebene REF1 kann senkrecht zur Symmetrieachse AX0 sein. Die Referenzebene REF1 kann senkrecht zur Richtung SY sein. Wenn die Winkel in Grad ausgedrückt werden kann der Winkel zwischen der Richtung SZ und der Richtung DIR1 des Strahls B0_k gleich 90° – Θ_k sein. Der Winkel 90° – Θ_k kann als vertikaler Eingangswinkel bezeichnet werden.
Die Eingangs-Oberfläche SRF1 kann verschiedene Strahlen aus verschiedenen Punkten des Objekts O1 simultan empfangen.
Bezugnehmend auf 6b kann das Bildaufnahmegerät 500 das Licht eines Strahls B0_k auf einen Punkt P_k‘ auf dem Bildsensor DET1 fokussieren. Die Position des Bildpunktes P_k‘ kann beispielsweise durch Polarkoordinaten γ_k, r_k spezifiziert werden. Das ringförmige optische Bild IMG1 kann einen zentralen Punkt CP1 haben. Die Winkelkoordinate γ_k kann die Winkelposition des Bildpunktes P_k‘ in Bezug auf den zentralen Punkt CP1 und in Bezug auf eine Referenzrichtung (zum Beispiel SX) spezifizieren. Die radiale Koordinate r_k kann die Distanz zwischen dem Bildpunkt P_k‘ und dem zentralen Punkt CP1 spezifizieren. Die Winkelkoordinate γ_k des Bildpunktes P_k‘ kann im Wesentlichen gleich dem Azimutwinkel φ_k des Eingangs-Strahls B0_k sein.
Das ringförmige Bild IMG1 kann einen inneren Radius r_MIN und einen äußeren Radius r_MAX haben. Das Bildaufnahmegerät 500 kann das Licht des Eingangs-Strahls B0_k auf den Detektor DET1 derart fokussieren, dass die radiale Koordinate r_k von dem Elevationswinkel Θ_k des besagten Eingangs-Strahls B0_k abhängen kann.
Das Verhältnis vom inneren Radius r_MIN zu dem äußeren Radius r_MAX kann zum Beispiel in dem Bereich von 0,3 bis 0,7 liegen.
Die radiale Position r_k kann von dem Elevationswinkel Θ_k in einem im Wesentlichen linearen Zusammenhang abhängen. Ein Eingangs-Strahl B0_k kann einen Elevationswinkel Θ_k haben und der Eingangs-Strahl B0_k kann über einen Bildpunkt P_k‘ mit einer radialen Position r_k verfügen. Eine Schätzung r_k,est für die radiale Position r_k kann aus dem Elevationswinkel Θ_k bestimmt werden, beispielweise durch die folgende Mappinggleichung: r_k,est = r_MIN + f₁(θ_k – θ_MIN) (1)
f₁ kann die Brennweite des Bildaufnahmegeräts 500 bezeichnen. Die Winkel der Gleichung (1) können im Bogenmaß ausgedrückt werden. Die Brennweite f₁ des Bildaufnahmegeräts kann zum Beispiel in dem Bereich von 0,5 bis 20 mm liegen.
Das Eingangs-Element LNS1 und die optionale modifizierende Einheit 200 können zum Betrieb derart eingerichtet sein, dass der Zwischenstrahl B5_k eine im Wesentlichen planare Wellenfront hat. Die Brennweite f₁ des Bildaufnahmegerät 500 kann im Wesentlichen gleich der Brennweite der Fokussiereinheit 300 sein, wenn der Zwischenstrahl B5_k im Wesentlichen kollimiert ist nachdem er die Aperturblende AS1 passiert hat.
Das Eingangs-Element LNS1 und die die Wellenfront modifizierende Einheit 200 können derart zur Bereitstellung eines Zwischenstrahls B5_k eingerichtet sein, dass der Zwischenstrahl B5_k im Wesentlichen kollimiert ist nachdem er die Aperturblende AS1 passiert hat. Die Fokussiereinheit 300 kann eingerichtet sein, das Licht des Zwischenstrahls B5_k auf die Bildebene PLN1 zu fokussieren. Das Eingangs-Element LMS1 und die optionale modifizierende Einheit 200 können außerdem eingerichtet sein derart zu operieren, dass der Zwischenstrahl B5_k nach der Aperturblende AS1 nicht vollständig kollimiert ist. In diesem Fall kann die Brennweite f₁ des Bildaufnahmegeräts 500 auch von den Eigenschaften des Eingangs-Elements LNS1 und/oder den Eigenschaften der modifizierenden Einheit 200 (wenn das Gerät 500 die Einheit 200 aufweist) abhängen.
Im allgemeinen Fall kann die Brennweite f₁ des Bildaufnahmegeräts 500 der tatsächlichen Mapping-Eigenschaften des Geräts durch Nutzung der Gleichung (2) definierten werden.
Die Winkel der Gleichung (2) können als Bogenmaß ausgedrückt werden. Θ_k bezeichnet den Elevationswinkel eines ersten Eingangs-Strahls B0_k. Θ_k+1 bezeichnet den Elevationswinkel eines zweiten Eingangs-Strahls B0_k+1. Der Winkel Θ_k+1 kann derart ausgesucht werden, dass die Differenz Θ_k+1 – Θ_k zum Beispiel im Bogenmaß-Bereich von 0,001 bis 0,02 liegt. Der erste Eingangs-Strahl B0_k kann einen ersten Bildpunkt P_k‘ auf dem Bildsensor DET1 bilden. R_k bezeichnet die radiale Position des ersten Bildpunktes P_k‘. Der zweite Eingangs-Strahl B0_k+1 kann einen zweiten Bildpunkt P_k+1 auf dem Bildsensor DET1 bilden. R_k bezeichnet die radiale Position des ersten Bildpunktes P_k‘.
Θ_MIN kann den Elevationswinkel bezeichnen, der zu dem inneren Radius r_MIN des ringförmigen Bildes IMG1 korrespondiert. Die Brennweite f₁ des Bildaufnahmegeräts kann zum Beispiels im Bereich von 0,5 bis 20 mm liegen. Insbesondere kann die Brennweite f₁ im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm liegen.
Die Beziehung zwischen dem Elevationswinkel Θ_k des Eingangs-Strahls B0_k und der radialen Position r_k des korrespondierenden Bildpunkt P_k‘ kann durch die Gleichung (1) approximiert werden. Die tatsächliche radiale Position r_k des Bildpunktes P_k‘ kann leicht von dem durch die Gleichung (1) geschätzten Wert r_k,est abweichen. Die relative Abweichung Δr/r_k,est kann durch die folgende Gleichung bestimmt werden:
Die radiale Verzerrung des Bildes IMG1 kann zum Beispiel kleiner als 20% sein. Dies kann heißen, dass die relative Abweichung Δr/r_k,est der radialen Position r_k eines jeden Bildpunktes P_k‘ von einer korrespondieren, geschätzten radialen Position r_k,est kleiner als 20% ist, worin der besagte durch die lineare Mapping-Gleichung (1) geschätzte Wert r_k,est ist.
Die Formen der Oberflächen SRF1, SRF2, SRF3, SRF4 können derart ausgewählt werden, dass die relative Abweichung Δr/r_k,est im Bereich von –20% bis 20% liegt.
Die radiale Verzerrung des optischen Bildes IMG1 kann kleiner als 20% sein, wenn das vertikale Sichtfeld (Θ_MAX – Θ_MIN) durch die Winkel Θ_MIN = 0° und Θ_MAX = +35° definiert wird.
Der Quadratmittelwert der relativen Abweichung Δr/r_k,est kann von der Brennweite f₁ des Bildaufnahmegeräts 500 abhängen. Der quadratische Mittelwert der relativen Abweichung Δr/r_k,est kann zum Beispiel durch die folgende Gleichung kalkuliert werden:
worin r_est = r_MIN + f₁(θ(r) – θ_MIN) (3c)
Θ(r) den Elevationswinkel eines Eingangs-Strahls bezeichnet, welcher einen Bildpunkt an einer radialen Position r in Bezug auf den zentralen Punkt CP1 produziert. Die Winkel der Gleichung (3c) können im Bogenmaß ausgedrückt werden. Die Brennweite f₁ des Bildaufnahmegeräts 500 kann durch die Gleichung (3b) bestimmt werden, indem der Wert der Brennweite f₁ bestimmt wird, welcher den quadratischen Mittelwert der relativen Abweichung über dem Bereich von r_MIN bis r_MAX minimiert. Der Brennweitenwert, der den minimalen quadratischen Mittelwert in Bezug auf die Abweichung bietet kann als Brennweite für das Bildaufnahmegerät 500 genutzt werden. Die Brennweite des Bildaufnahmegeräts 500 kann als Brennweitenwert f₁ definiert werden, welcher den geringsten quadratischen Mittelwert relativ zur Abweichung bietet.
Die radiale Verzerrung kann kompensiert werden wenn das Panoramabild PAN1 aus dem Bild IMG1 gebildet wird. Jedoch können die Pixel des Bildsensors DET1 im optimalen Maße genutzt werden, wenn die radiale Verzerrung klein ist um eine hinreichende Auflösung aller Teile des Panoramabildes PAN1 bereitzustellen.
Das Bildaufnahmegerät 500 kann eine Vielzahl von Eingangs-Strahlen aus verschiedenen Punkten des Objektes O1 erhalten und das Licht eines jeden Eingangs-Strahls kann auf verschiedene Punkte des Bildsensors DET1 fokussiert werden, um das Teilbild SUB1 des Objektes O1 zu bilden.
Bezugnehmend auf die 7a bis 7c kann der Eingangs-Strahl B0_k zu dem Eingangs-Element LNS1 via eines Teils EPU_k der Eingangs-Oberfläche SRF1 gekoppelt werden. Der Teil EPU_k kann als Eintrittspupille EPU_k bezeichnet werden. Der Eingangs-Strahl B0_k kann zum Beispiel periphere Strahlen B0a_k, B0b_k, B0d_k, B0e_k und einen zentralen Strahl B0c_k aufweisen. Die Aperturblende AS1 kann die Eintrittspupille EPU_k durch das Verhindern der Ausbreitung von Randstrahlen definieren.
Die Eintrittspupille EKU_k kann eine Breite W_k und eine Höhe Δh_k haben. Die Position der Eintrittspupille EPU_k kann zum Beispiel durch die vertikale Position z_k des Zentrums der Eintrittspupille EPU_k und durch den Polarkoordinatenwinkel w_k des Zentrums der Eintrittspupille EPU_k spezifiziert werden. Die Polarkoordinate w_k kann die Position des Zentrums der Eintrittspupille EPU_k in Bezug auf die Achse AX0 spezifizieren, indem sie die Richtung SX als Referenzrichtung nutzt. Der Winkel w_k kann im Wesentlichen gleich dem Winkel φ_k + 180° sein. Der Eingangs-Strahl B0_k kann im Wesentlichen kollimiert sein und die Strahlen B0a_k, B0b_k, B0c_k, B0d_k, B0e_k können im Wesentlichen parallel zur Richtung DIR_k des Eingangs-Strahls B0_k sein. Die Aperturblende AS1 kann die Position und die Dimensionen w_k, Δh_k der Eintrittspupille EPU_k entsprechend der Richtung DIR_k des Eingangs-Strahls B0_k derart definieren, dass die Position und die Dimensionen w_k, Δh_k der Eintrittspupille EPU_k von der Richtung DIR_k des Eingangs-Strahls B0_k abhängen. Die Dimensionen w_k, Δh_k der Eintrittspupille EPU_k können von der Richtung DIR_k des Eingangs-Strahls B0_k abhängen. Die Position des Zentrums der Eintrittspupille EPU_k kann von der Richtung DIR_k des Eingangs-Strahls B0_k abhängen. Die Eintrittspupille EPU_k kann als Eintrittspupille des Bildaufnahmegeräts 500 für in Richtung DIR_k ausbreitende Strahlen bezeichnet werden. Das Gerät 500 kann simultan mehrere verschiedene Eintrittspupillen für im Wesentlichen kollimierte Eingangs-Strahlen, die von verschiedenen Richtungen erhalten wurden, haben.
Das Bildaufnahmegerät 500 kann eingerichtet sein das Licht des Eingangs-Strahls B0_k via der Aperturblende AS1 zu einem Bildpunkt P_k‘ auf dem Bildsensor DET1 zu fokussieren. Die Aperturblende AS1 kann eingerichtet sein die Ausbreitung solcher Strahlen zu verhindern, die zu einem Verschwimmen des optischen Bildes IMG1 führen würden. Die Aperturblende AS1 kann eingerichtet sein die Dimensionen w_k, Δh_k der Eintrittspupille zu definieren. Darüber hinaus kann die Aperturblende AS1 eingerichtet sein die Position der Eintrittspupille zu definieren.
Beispielsweise kann ein sich in die Richtung DIR_k ausbreitender Strahl LB0o_k außerhalb der Eintrittspupille EPU_k auf die Eingangs-Oberfläche SRF1 treffen. Die Aperturblende AS1 kann die Eintrittspupille EPU_k so definieren, dass das Licht des Strahls LB0o_k nicht zur Bildung des Bildpunktes P_k' beisteuert. Die Aperturblende AS1 kann die Eintrittspupille EPU_k so definieren, dass das Licht von Randstrahlen sich nicht auf den Bildsensor DET1 ausbreitet, worin die besagten Randstrahlen sich in die Richtung DIR_k ausbreiten und auf die Eingangs-Oberfläche SRF1 außerhalb der Eintrittspupille EPU_k treffen.
Die Strahlen B0a_k, B0b_k, B0c_k, B0d_k, B0e_k, welche sich in Richtung DIR_k ausbreiten und auf die Eintrittspupille EPU_k auftreffen, können zur Bildung des Bildpunktes P_k' beitragen. Strahlen, welche sich in eine andere Richtung als die Richtung DIR_k ausbreiten, können zur Bildung eines anderen Bildpunktes beitragen, welcher sich vom Bildpunkt P_k' unterscheidet. Sich in eine anderer Richtung DIR_k ausbreitende Strahle tragen nicht zur Bildung des Bildpunktes P_k' bei.
Verschiedene Bildpunkte P_k' können mit verschiedenen Eintrittspupillen EPU_k korrespondieren. Ein erster Bildpunkt kann von einem ersten von der Eintrittspupille erhaltenen Licht und ein zweiter Bildpunkt von einem zweiten anderen von der Eintrittspupille erhaltenen Licht gebildet werden. Das Bildaufnahmegerät 500 kann einen ersten Zwischenstrahl aus dem ersten Licht bilden und das Bildaufnahmegerät 500 kann einen zweiten Zwischenstrahl aus dem zweiten Licht bilden, so dass der erste Zwischenstrahl und der zweite Zwischenstrahl durch die gemeinsame Aperturblende AS1 passieren.
Das Eingangs-Element LNS1 und die Fokussiereinheit 300 können eingerichtet sein ein ringförmiges optisches Bild IMG1 auf dem Bildsensor DET1 zu bilden, so dass die Aperturblende AS1 eine Eintrittspupille EPU_k auf dem Bildaufnahmegerät 500 definiert, das Verhältnis f₁/W_k der Brennweite f₁ der Fokussiereinheit 300 zu der Breite W_k der Eintrittspupille EPU_k im Bereich von 1.0 bis 5.6 liegt und das Verhältnis f₁/Δh_k der Brennweite f₁ zur Höhe Δh_k der besagten Eintrittspupille EPU_k im Bereich von 1.0 bis 5.6 liegt.
Bezugnehmend auf 8a bis 8c kann die Aperturblende AS1 die Dimensionen und Position der Eintrittspupille EPU_k durch Verhinderung der Ausbreitung von Randstrahlen definieren. Die Aperturblende AS1 kann im Wesentlichen kreisförmig sein. Die Aperturblende AS1 kann z.B. durch ein Loch definiert werden, welches einen Durchmesser d_AS1 hat. Zum Beispiel hat ein Element 150 ein Loch, welches durch die Aperturblende AS1 gebildet wird. Das Element 150 kann z.B. eine Metall-, Keramik- oder Kunststoff-Scheibe aufweisen, welche ein Loch hat. Der Durchmesser d_AS1 der im Wesentlichen kreisförmigen Aperturblende AS1 kann fixiert sein oder anpassbar. Das Element 150 kann eine Mehrzahl von beweglichen Lamellen zur Ausbildung einer im Wesentlichen kreisförmigen Aperturblende AS1 aufweisen, welche einen anpassbaren Durchmesser d_AS1 hat.
Der Eingangs-Strahl B0_k kann sich in Richtung DIR_k ausbreitende Strahlen B0a_k, B0b_k, B0c_k, B0d_k, B0e_k aufweisen.
Das Gerät 500 kann einen peripheren Strahl B5a_k durch Brechen und Reflektieren des Lichts B0a_k bilden. Ein peripherer Strahl B5b_k kann aus dem Strahl B0b_k gebildet werden. Ein peripherer Strahl B5d_k kann aus dem Strahl B0d_k gebildet werden. Ein peripherer Strahl B5e_k kann aus dem Strahl B0e_k gebildet werden. Ein zentraler Strahl B5c_k kann aus dem Strahl B0c_k gebildet werden.
Die horizontale Distanz zwischen den Strahlen B0a_k, B0b_k kann gleich der Dimension W_k der Eintrittspupille EPU_k sein. Die vertikale Distanz zwischen den Strahlen B0d_k, B0e_k kann gleich der Höhe Δh_k der Eintrittspupille EPU_k sein.
Ein Randstrahl B0o_k kann sich so in die Richtung DIR_k ausbreiten, dass so der Randstrahl B0o_k nicht auf die Eintrittspupille EPU_k trifft. Die Aperturblende AS1 kann eingerichtet sein, den Randstrahl B0o_k zu blockieren, so dass Licht des besagten Randstrahls B0o_k nicht zur Bildung des optischen Bildes IMG1 beiträgt. Das Gerät 500 kann einen Randstrahl B5o_k durch Brechen und Reflektierten des Lichts des Randstrahls B0o_k bilden. Die Aperturblende AS1 kann eingerichtet sein die Ausbreitung des Strahls B5o_k zu vermeiden, so dass das Licht des Strahls B5o_k nicht zur Bildung des Bildpunktes P_k' beiträgt. Die Aperturblende AS1 kann eingerichtet sein die Ausbreitung des Lichts des Strahls B5o_k zu vermeiden, so dass das Licht des Strahls B5o_k nicht zur Bildung des Bildpunktes P_k' beiträgt.
Ein Teil des Strahls B5_k kann sich durch die Aperturblende AS1 ausbreiten. Der besagte Teil kann z.B. als gekürzter Strahl B5_k bezeichnet werden. Die Aperturblende AS1 kann eingerichtet sein einen Strahl B5_k durch Vermeidung der Ausbreitung der Randstrahlen B5o_k zu bilden. Die Aperturblende AS1 kann eingerichtet sein die Eintrittspupille EPU_k durch das Vermeiden der Verbreitung von Randstrahlen B5o_k auszubilden.
Das Bildaufnahmegerät 500 kann eingerichtet seinen einen Zwischenstrahl B5_k durch Brechen und Reflektieren des Lichts des Eingangs-Strahls B0_k zu bilden. Der Zwischenstrahl B5_k kann die Strahlen B0a_k, B0b_k, B0c_k, B0d_k, B0e_k umfassen. Die Richtung des zentralen Strahls B5c_k kann beispielsweise durch einen Winkel ϕ_ck definiert sein. Die Richtung des zentralen Strahls B5c_k kann vom Elevationswinkel θ_k des Eingangs-Strahls B0_k abhängen.
8d zeigt die Ausbreitung der peripheren Strahlen im Bildaufnahmegerät 500 in Sicht aus der Richtung, welche parallel zu der projizierten Richtung DIR_k' des Eingangs-Strahls B0_k ist (die projizierte Richtung DIR_k' kann beispielsweise zu der Richtung SX parallel sein). 8d zeigt die Ausbreitung peripherer Strahlen der Oberfläche SRF3 zum Bildsensor DET1. Die Oberfläche SRF3 kann periphere Strahlen B3d_k, B3e_k durch Reflektion des Lichts des Strahls B2_k bilden. Die Oberfläche SRF4 kann periphere Strahlen B4d_k, B4e_k durch Brechen des Lichts der Strahlen B3d_k, B3e_k bilden. Die modifizierende Einheit 200 kann periphere Strahlen B5d_k, B5e_k aus dem Licht der Strahlen B3d_k, B3e_k bilden. Die Fokussiereinheit 300 kann fokussierte Strahlen B6d_k, B6e_k durch Fokussieren des Lichts der Strahlen B5d_k, B5e_k bilden.
8e zeigt eine Ausbreitung von Strahlen im Bildaufnahmegerät 500 in Sicht von oben. 8e zeigt die Ausbreitung des Lichts von der Eingangsfläche SRF1 zu der Aperturblende AP1. Die Eingangsfläche SRF1 kann einen gebrochenen Strahl B1_k durch Brechen des Lichts der Eingangs-Strahlen B0c_k, B0d_k, B0e_k bilden. Die Oberfläche SRF2 kann einen reflektierten Strahl B2_k durch Reflektierten des Lichts des gebrochenen Strahls B1_k bilden. Die Oberfläche SRF3 kann einen reflektierten Strahl B3_k durch Reflektion des Lichts des reflektierten Strahls B2_k bilden. Die Oberfläche SRF4 kann einen gebrochenen Strahl B4_k durch Brechen des Lichts des reflektierten Strahls B3_k. Die modifizierte Einheit 200 kann einen Zwischenstrahl B5_k aus dem gebrochenen Strahl B4_k bilden. Der Strahl B5_k kann durch die Aperturblende AP1 passieren um die Ausbreitung von Randstrahlen zu vermeiden.
9a zeigt Strahlen, die auf den Bildsensor DET1treffen, um einen Bildpunkt P_k' zu bilden. Die Fokussiereinheit 300 kann so angeordnet sein, dass sie den Bildpunkt P_k' dadurch bildet, dass sie das Licht des Zwischenstrahls B5_k fokussiert. Der Zwischenstrahl B5_k kann beispielsweise periphere Strahlen B5a_k, B5b_k, B5d_k, B5e_k und einen zentralen Strahl B5c_k aufweisen. Die Fokussiereinheit 300 kann angeordnet sein zum Erzeugen eines fokussierten Strahl B6_k, indem sie das Licht des Zwischenstrahls B5_k fokussiert. Der fokussierte Strahl B6_k kann beispielsweise Strahlen B6a_k, B6b_k, B6c_k, B6d_k, B6e_k umfassen. Die Fokussiereinheit 300 kann einen peripheren Strahl B6a_k dadurch bilden, dass Licht des Strahls B5a_k gebrochen und reflektiert wird. Ein peripherer Strahl B6b_k kann aus dem Strahl B5b_k gebildet werden. Ein peripherer Strahl B6d_k kann aus dem Strahl B5d_k gebildet werden. Ein peripherer Strahl B6e_k kann aus dem Strahl B6e_k gebildet werden. Ein zentraler Strahl B6c_k kann aus dem Strahl B6c_k gebildet werden.
Die Richtung des peripheren Strahls B6a_k kann durch einen Winkel ϕ_ak definiert werden, den dieser mit der Achse AX0 einschließt. Die Richtung des peripheren Strahls B6b_k kann durch einen Winkel ϕ_bk definiert werden, den dieser mit der Achse AX0 einschließt. Die Richtung des zentralen Strahls B6c_k kann definiert werden durch einen Winkel ϕ_ck, den dieser mit der Achse AX0 einschließt. Die Strahlen B6a_k, B6b_k, B6c_k können in einer ersten vertikal verlaufenden Ebene verlaufen, die die Achse AX0 beinhaltet. Die erste vertikal verlaufende Ebene kann zudem also die Richtung DIR_k des einfallenden Strahls B0_k beinhalten.
Δϕ_ak kann den Winkel zwischen der Richtung des Strahls B6a_k und der Richtung des zentralen Strahls B6c_k bezeichnen. Δϕ_bk kann den Winkel zwischen der Richtung des Strahls B6b_k und der Richtung des zentralen Strahls B6c_k bezeichnen. Die Summe Δϕ_ak + Δϕ_bk kann den Winkel zwischen den peripheren Strahlen B6a_k und B6b_k bezeichnen. Die Summe Δϕ_ak + Δϕ_bk kann dem Kegelwinkel des fokussierten Strahls B6_k in der radialen Richtung des ringförmigen optisches Bilds IMG1 entsprechen.
Die Richtung des peripheren Strahl B6d_k kann durch einen Winkel Δβ_dk bezüglich der Richtung des zentralen Strahls B6c_k definiert werden. Der zentrale Strahl B6c_k kann sich in einer ersten vertikal verlaufenden Ebene, die zudem die Achse AX0 beinhaltet, ausbreiten. Die Richtung des peripheren Strahls B6e_k kann durch einen Winkel Δβ_ek zur Richtung des zentralen Strahls B6c_k definiert sein. Δβ_dk kann den Winkel zwischen der Richtung des Strahls B6d_k und der Richtung des zentralen Strahls B6c_k bezeichnen. Δβ_ek kann den Winkel zwischen der Richtung des Strahls B6e_k und der Richtung des zentralen Strahls B6c_k bezeichnen. Die Summe Δβ_dk + Δβ_ek kann den Winkel zwischen den peripheren Strahlen B6d_k und B6e_k bezeichnen. Die Summe Δβ_dk + Δβ_ek kann dem Kegelwinkel des fokussierten Strahls B6_k in der tangentialen Richtung des ringförmigen optischen Bilds IMG1 entsprechen. Der Kegelwinkel kann auch als Spitzenwinkel oder als voller Kegelwinkel bezeichnet werden. Der halbe Kegelwinkel des fokussierten Strahls B6_k kann Δβ_dk entsprechen, wenn Δβ_dk = Δβ_ek gilt.
Die Summe Δϕ_ak + Δϕ_bk kann von den Abmessungen der Aperturblende AS1 und von der Brennweite der Fokussiereinheit 300 abhängen. Insbesondere kann die Summe Δϕ_ak + Δϕ_bk von dem Durchmesser d_AS1 der Aperturblende AS1 abhängen. Der Durchmesser d_AS1 der Aperturblende AS1 und die Brennweite der Fokussiereinheit 300 können so ausgewählt sein, dass die Summe Δϕ_ak + Δϕ_bk beispielsweise größer als 9° ist.
Die Summe Δβ_dk + Δβ_ek kann abhängen von dem Durchmesser der Aperturblende AS1 und von der Brennweite der Fokussiereinheit 300. Insbesondere kann die Summe Δβ_dk + Δβ_ek von dem Durchmesser d_AS1 der Aperturblende AS1 abhängen. Der Durchmesser d_AS1 der Aperturblende AS1 und die Brennweite der Aperturblende AS1 können so gewählt sein, dass die Summe Δβ_dk + Δβ_ek beispielsweise größer ist als 9°.
Die Abmessungen (d_AS1) der Aperturblende AS1 können so gewählt sein, dass der Quotient (Δϕ_ak + Δϕ_bk)/(Δβ_d1 + Δβ_e1) im Intervall von 0,7 bis 1,3 liegt, so dass eine hinreichende Bildqualität erreicht wird. Insbesondere kann der Quotient (Δϕ_ak + Δϕ_bk)/(Δβ_d1 + Δβ_e1) im Intervall von 0,9 bis 1,1 liegen, um die räumliche Auflösung in der radialen Richtung des Bilds IMG1 und in der tangentialen Richtung des Bilds IMG1 zu optimieren. Der Kegelwinkel (Δϕ_ak + Δϕ_bk) kann einen Einfluss auf die räumliche Auflösung in radialer Richtung (DIR_k') haben und der Kegelwinkel (Δβ_d1 + Δβ_e1) kann einen Einfluss auf die räumliche Auflösung in tangentialer Richtung (die tangentiale Richtung verläuft senkrecht zur Richtung DIR_k') haben.
Das Licht eines einfallenden Strahls B0_k mit dem Elevationswinkel θ_k kann fokussiert werden, um einen fokussierten Strahl B6_k zu erzeugen, der auf den Bildsensor DET1 im Bildpunkt P_k' auftrifft. Die F-Zahl F(θ_k) des Bildaufnahmegeräts 500 für den Elevationswinkel θ_k kann durch die folgende Gleichung definiert werden:
Darin bezeichnet NA_IMG,k die numerische Apertur des fokussierten Strahls B6_k. Die numerische Apertur NA_IMG,k kann unter Verwendung des Winkels Δϕ_ak und Δϕ_bk berechnet werden:
n_IMG bezeichnet den Brechungsindex des lichtdurchlässigen Mediums unmittelbar oberhalb des Bildsensors DET1. Die Winkel Δϕ_ak und Δϕ_bk können von dem Elevationswinkel θ_k abhängen. Die F-Zahl F(θ_k) des fokussierten Strahls B6_k kann von dem Elevationswinkel θ_k des zugehörigen einfallenden Strahls B0_k abhängen.
Ein minimaler Wert für F_MIN kann den minimalen Wert der Funktion F(θ_k) bezeichnen, wenn der Elevationswinkel θ_k von seiner unteren Grenze θ_MIN bis zur oberen Grenze θ_MAX variiert wird. Die effektive F-Zahl des Bildaufnahmegeräts 500 kann so bestimmt werden, dass sie dem minimalen Wert F_MIN entspricht.
Das lichtdurchlässige Medium unmittelbar oberhalb des Bildsensors DET1 kann beispielsweise ein Gas sein, und dessen Brechungsindex kann im Wesentlichen gleich 1 sein. Das lichtdurchlässige Medium kann beispielsweise ein (schützendes) lichtdurchlässiges Polymer sein und der Brechungsindex kann im Wesentlichen größer als 1 sein.
Die Modulationsübertragungs-Funktion MTF des Bildaufnahmegeräts 500 kann beispielsweise mittels eines Objekts O1gemessen oder kontrolliert werden, das ein Streifenmuster aufweist. Das Bild IMG1 kann ein Teilbild des Streifenmusters aufweisen, sodass das Teilbild eine vorgegebene Modulationstiefe hat. Die Modulationsübertragungs-Funktion MTF entspricht dem Quotienten aus Bildmodulation und Objektmodulation. Die Modulationsübertragungs-Funktion MTF kann beispielsweise mittels eines Objekts O1 gemessen werden, das ein Testmuster aus parallelen Linien aufweist, indem die Modulationstiefe des zugehörigen Bilds IMG1 gemessen wird. Die Modulationsübertragungs-Funktion MTF kann normiert werden, sodass sie eins ist bei einer räumlichen Frequenz von null. In anderen Worten kann die Modulationsübertragungs-Funktion 100% entsprechen, wenn die räumliche Frequenz 0 Linienpaare/mm beträgt. Die räumliche Frequenz kann bestimmt werden in der Bildebene PLN1, das heißt auf der Oberfläche des Bildsensors DET1.
Die untere Grenze der Modulationsübertragungs-Funktion MTF dann beschränkt sein durch die optische Aberration der Vorrichtung 500 und die obere Grenze der Modulationsübertragungs-Funktion MTF durch Brechung beschränkt sein.
9c zeigt exemplarisch die Modulationsübertragungs-Funktion MTF eines Bildaufnahmegeräts 500 für drei verschiedene Elevationswinkel θ_k = 0°, θ_k = 20° und θ_k = 35°. Die durchgezogene Linie zeigt die Modulationsübertragungs-Funktion, wenn die Testlinien, die im Bild IMG1 erscheinen, tangential relativ zum Mittelpunkt CP1 ausgerichtet sind. Die gestrichelte Kurve zeigt die Modulationsübertragungs-Funktion, wenn die Testlinien, die im Bild IMG1 erscheinen, in radialer Richtung relativ zum Mittelpunkt CP1 orientiert sind. 9c zeigt Kurven der Modulationsübertragungs-Funktionen des Bildaufnahmegeräts 500, die in den Tabellen 1.1 bis 1.3 dargelegt sind.
Jede Kurve in 9c stellt den Mittelwert der Modulationsübertragungs-Funktion MTF dar, der bei den Wellenlängen 486 nm, 587 nm ja 656 nm bestimmt wurde.
Der äußere Durchmesser d_MAX des ringförmigen Bilds IMG1 und die Modulationsübertragungs-Funktion MTF der Vorrichtung 500 können von der Brennweite f₁ der Vorrichtung 500 abhängen. Im Fall von 9c beträgt die Brennweite f₁ 1,26 mm und der äußere Durchmesser d_MAX des ringförmigen Bilds IMG1 beträgt 3,5 mm.
Beispielsweise kann die Modulationsübertragungs-Funktion MTF bei einer räumlichen Frequenz von 90 Linienpaaren/mm im Wesentlichen gleich 54% betragen. Beispielsweise kann die Modulationsübertragungs-Funktion MTF bei einer räumlichen Frequenz von 90 Linienpaaren/mm mehr als 50% für das gesamte vertikale Sichtsfeld von 0° bis +35° betragen. Die gesamte Breite (d_MAX) des ringförmigen Bilds IMG1 kann ungefähr 300 Linienpaare aufweisen, wenn die räumliche Frequenz 90 Linienpaare/mm beträgt und der äußere Durchmesser d_MAX des ringförmigen Bilds IMG1 gleich 3,5 mm (35 mm·90 Linienpaaren/mm = 315 Linienpaare) ist.
Die Modulationsübertragungs-Funktion MTF des Bildaufnahmegeräts 500 kann bei einer ersten räumlichen Frequenz ν₁ für jeden Elevationswinkel θ_k der im vertikalen Sichtfeld von θ_MAX bis θ_MIN größer sein als 50%, wobei die erste räumliche Frequenz ν₁ gleich 300 Linienpaare geteilt durch den äußeren äußeren Durchmesser d_MAX des ringförmigen optischen Bilds IMG1 ist und wobei die effektive F-Zahl F_eff der Vorrichtung 500 beispielsweise im Bereich von 1,0 bis 5,6 liegen kann.
Die Form der optischen Oberflächen des Eingangs-Elements LNS1 und der Durchmesser d_AS1 der Aperturblende AS1 können so gewählt sein, dass die Modulationsübertragungs-Funktion MTF des Bildaufnahmegeräts 500 bei einer ersten räumlichen Frequenz ν₁ für zumindest einen Elevationswinkel θ_k, der im Bereich von 0° bis +35° liegt, größer ist als 50%, wobei die erste räumliche Frequenz ν₁ 300 Linienpaare geteilt durch den äußeren Durchmesser d_MAX des ringförmigen optischen Bilds IMG1 beträgt und wobei die effektive F-Zahl F_eff der Vorrichtung 500 beispielsweise im Bereich von 1,0 bis 5,6 liegen kann. Die Modulationsübertragungs-Funktion kann bei der ersten räumlichen Frequenz ν₁ und bei dem zumindest einen Elevationswinkel θ_k in radialer Richtung und in tangentialer Richtung des optischen Bild IMG1 größer als 50% sein.
Die Form der optischen Oberfläche des Eingangs-Elements LNS1 und der Durchmesser d_AS1 der Aperturblende AS1 können so gewählt sein, dass die Modulationsübertragungs-Funktion MTF des Bildaufnahmegeräts 500 bei einer ersten räumlichen Frequenz ν₁ für jeden Elevationswinkel θ_k, der im Bereich von 0° bis +35° liegt, größer ist als 50% wobei die erste räumliche Frequenz ν₁ 300 Linienpaare geteilt durch den äußeren Durchmesser d_MAX des ringförmigen optischen Bilds IMG1 beträgt und wobei die effektive F-Zahl F_eff der Vorrichtung 500 beispielsweise im Bereich von 1,0 bis 5,6 liegt. Die Modulationsübertragungs-Funktion bei der ersten räumlichen Frequenz ν₁ und bei dem angegebenen Elevationswinkels θ_k kann in radialer Richtung und in tangentialer Richtung des optischen Bilds IMG1 größer sein als 50%.
Die Breite W_DET1 der aktiven Fläche des Bildsensors DET1 kann größer sein als der äußere Durchmesser d_MAX des ringförmigen Bilds IMG1 oder diesem entsprechen.
Die Form der optischen Oberfläche des Eingangs-Elements LNS1 und der Durchmesser d_AS1 der Aperturblende AS1 können so gewählt sein, dass die Modulationsübertragungs-Funktion MTF des Bildaufnahmegeräts 500 bei einer ersten räumlichen Frequenz ν₁ für jeden Elevationswinkel θ_k im Bereich von 0° bis +35° zumindest 50% beträgt, wobei die erste räumliche Frequenz ν₁ 300 Linienpaare geteilt durch die Breite W_DET1 der aktiven Fläche des Bildsensors DET1 beträgt und wobei die effektive F-Zahl F_eff der Vorrichtung 500 beispielsweise im Bereich von 1,0 bis 5,6 liegt. Die Modulationsübertragungs-Funktion bei der ersten räumlichen Frequenz ν₁ und bei jedem solchen Elevationswinkels θ_k kann in radialer Richtung und in tangentialer Richtung des optischen Bilds IMG1 zumindest 50% betragen.
10 zeigt Funktionseinheiten des Bildaufnahmegeräts 500. Das Bildaufnahmegerät 500 kann eine Steuereinheit CNT1, einen Speicher MEM1, einen Speicher MEM2 und einen Speicher MEM3 aufweisen. Das Bildaufnahmegerät 500 kann optional eine Benutzerschnittstelle UIF1 und/oder eine Kommunikationseinheit RXTX1 aufweisen.
Das Eingangs-Element LNS1 und die Fokussiereinheit 300 können zum Abbilden eines optischen Bilds IMG1 auf dem Bildsensor DET1 angeordnet sein. Der Bildsensor DET1 kann das Bild DIMG1 aufnehmen. Der Bildsensor DET1 kann das optische Bild IMG1 in ein digitales Bild DIMG1 konvertieren, das im Arbeitsspeicher MEM1 gespeichert werden kann. Der Bildsensor DET1 kann das digitale Bild DIMG1 des optischen Bilds IMG1 liefern.
Die Steuereinheit CNT1 kann ausgebildet sein zum Erzeugen eines Panorama-Bilds PAN1 aus dem digitalen Bild DIMG1. Das Panorama-Bild PAN1 kann beispielsweise im Speicher MEM2 gespeichert werden.
Die Steuereinheit CNT1 kann einen oder mehrere Datenprozessoren aufweisen. Die Steuereinheit CNT1 kann ausgebildet sein zum Steuern des Bildaufnahmegeräts 500 und/oder die Steuereinheit CNT1 kann ausgebildet sein zum Verarbeiten von Bilddaten. Der Speicher MEM3 kann ein Rechnerprogramm PROG1 aufweisen. Der Rechnerprogrammcode PROG1 kann so ausgebildet sein, dass, wenn er auf zumindest einem Prozessor CNT1 ausgeführt wird, das Bildaufnahmegerät 500 das ringförmige Bild DIMG1 aufnimmt und/oder das ringförmige Bild DIMG1 in ein Panorama-Bild PAN1 umwandelt.
Die Vorrichtung 500 kann ausgebildet sein zum Erfassen von Benutzereingaben eines Nutzers mittels der Benutzerschnittstelle UIF1. Die Vorrichtung 500 kann ausgebildet sein zum Anzeigen von einem oder mehreren Bildern DIMG, PAN1 für einen Benutzer mittels der Benutzerschnittstelle UIF1. Die Benutzerschnittstelle UIF1 kann beispielsweise einen Bildschirm, einen Touchscreen, eine Tastatur und/oder einen Joystick aufweisen.
Die Vorrichtung 500 kann ausgebildet sein zum Senden der Bilder DIMG und/oder PAN1 mittels der Kommunikationseinheit RXTX1. COM1 bezeichnet ein Kommunikationssignal. Die Vorrichtung 500 kann ausgebildet sein zum Senden der Bilder DIMG und/oder PAN1 beispielsweise an eine beabstandete Vorrichtung oder an einen Internetserver. Die Kommunikationseinheit RXTX1 kann ausgebildet sein zum Kommunizieren beispielsweise über ein mobiles Kommunikations-Netzwerk, über ein Funknetzwerk (wireless local area network, WLAN) und/oder über das Internet. Die Vorrichtung 500 kann mit einem Mobilkommunikations-Netzwerk verbunden sein, wie beispielsweise dem GSM-Netz (Global System for Mobile communications), einem 3G-Netzwerk (3rd Generation, 3G), 3,5G-Netzwerk, 4G-Netzwerk, Funknetzwerke (Wireless Local Area Network WLAN), einem Bluetooth^®-Netzwerk oder einem anderen bekannten oder in Zukunft entwickelten Netzwerk.
Die Vorrichtung 500 kann verteilt implementiert sein. Beispielsweise kann das digitale Bild DIMG an einen (entfernten) Server übermittelt werden und das Erstellen des Panorama-Bilds PAN1 aus dem digitalen Bild DIMG kann von diesem Server durchgeführt werden.
Das Bildaufnahmegerät 500 kann ausgebildet sein zum Erzeugen einer Videosequenz, die ein oder mehrere Panorama-Bilder PAN1 enthält, die aus den digitalen Bildern DIMG1 erstellt wurden. Die Videosequenz kann gespeichert werden und/oder unter Verwendung eines Datenkompressionsverfahrens, beispielsweise gemäß einem der Standards MPEG-4 Part 2, H.264/MPEG-4 AVC, H.265, Windows Media Video (WMV), DivX Pro oder einem zukünftigen Kompressionsverfahren (beispielsweise High Efficiency Video Coding, HEVC, H.265), übermittelt werden. Die Videosequenz kann beispielsweise unter Verwendung eines Standards nach MPEG-4 Part 2, H.264/MPEG-4 AVC, H.265, Windows Media Video (WMV), DivX Pro oder einem zukünftigen Standard (beispielsweise High Efficiency Video Coding, HEVC, H.265) kodiert und/oder dekodiert werden. Die Videodaten können zudem unter Verwendung eines verlustfreien Standards kodiert und/oder dekodiert werden.
Die Bilder PAN1 können an einen entfernten Bildschirm oder Projektor übermittelt werden, sodass die Bilder PAN1 direkt auf dem besagten entfernten Bildschirm (oder Projektor) dargestellt werden. Die Videosequenz mit den Bildern PAN1 kann an einen beabstandeten Bildschirm oder Projektor übermittelt werden.
Das Eingangs-Element LNS1 kann beispielsweise durch Gießen, Drehen (mit einer Drehmaschine), Fräsen und/oder Schleifen hergestellt sein, das Eingangs-Element LNS1 kann beispielsweise durch Spritzgießen unter Verwendung einer Spritzgussform hergestellt sein. Die Spritzgussform zum Herstellen des Eingangs-Elements LNS1 kann beispielsweise durch Drehen, Fräsen, Schleifen oder per 3D-Druck hergestellt sein. Die Spritzgussform kann unter Verwendung eines Modells hergestellt sein. Das Modell zum Herstellen der Spritzgussform kann durch Drehen, Fräsen, Schleifen oder per 3D-Druck hergestellt sein. Das Drehen oder Fräsen kann unter Verwendung eines Diamantwerkzeugs erfolgen. Die Oberflächen können, sofern notwendig, beispielsweise mittels Flammpolieren, und/oder mittels spanender Verfahren poliert sein.
Das Eingangs-Element LNS1 kann ein massiver Körper aus transparentem Material sein. Das Material kann beispielsweise Kunststoff, Glas, Quarzglas oder Saphir sein.
Insbesondere kann das Eingangs-Element LNS1 ein einstückiges Kunststoffstück sein, das aus nur einem Stück Kunststoff besteht und das mittels Spritzgießen hergestellt sein kann. Dieses einstückige Teil aus Kunststoff kann beschichtet oder unbeschichtet sein. Es ist daher möglich, große Mengen an Eingangs-Elementen LNS1 zu geringen Herstellungskosten zu produzieren.
Die Form der Oberfläche SRF1 kann so gewählt sein, dass das Eingangs-Element LNS1 einfach aus der Form entnehmbar ist.
Die Dicke des Eingangs-Elements LNS1 kann von der radialen Position abhängen. Das Eingangs-Element LNS1 kann eine maximale Dicke an einer ersten radialen Position und eine minimale Dicke an einer zweiten radialen Position haben (Die zweite radiale Position kann beispielsweise kleiner als 90% des äußeren Radius des Eingangs-Element LNS1 sein). Der Quotient aus der minimalen Dicke und der maximalen Dicke kann beispielsweise größer oder gleich 0,5 sein, um das Spritzgießen zu erleichtern.
Die optischen Schnittstellen des optischen Elements können optional mit einer Anti-Reflexionsbeschichtung versehen sein.
Die reflektierenden Oberflächen SRF2, SRF3 des Eingangs-Elements LNS1 können ausgebildet sein, um Licht total zu reflektieren. Die Orientierungen der reflektierenden Oberflächen SRF2, SRF3 und der Brechungsindex des Materials des Eingangs-Elements LNS1 können so ausgewählt sein, dass Totalreflexion eintritt.
In einer Ausführungsform kann das Bildaufnahmegerät 500 ausgebildet sein zum Erzeugen des optischen Bilds IMG1 aus Infrarotlicht. Das Eingangs-Element LNS1 kann beispielsweise Silizium oder Germanium zum Brechen und Transmittieren des Infrarotlichts aufweisen.
Der Bildsensor DET1 kann ein zweidimensionales Array aus lichtempfindlichen Pixeln aufweisen. Das zweidimensionale Array aus lichtempfindlichen Pixeln kann auch Detektorarray genannt werden. Der Bildsensor DET1 kann beispielsweise ein CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)-Bildsensor oder ein CCD(Charge Coupled Device)-Bildsensor sein. Die aktive Fläche des Bildsensors DET1 kann im Wesentlichen parallel zu einer Ebene verlaufen, die durch die Richtungen SX und SY definiert ist.
Die Auflösung des Bildsensors DET1 kann beispielsweise aus der folgenden Liste ausgewählt sein: 800 × 600 Pixel (SVGA), 1024 × 600 Pixel (WSVGA), 1024 × 768 Pixel (XGA), 1280 × 720 Pixel (WXGA), 1280 × 800 Pixel (WXGA), 1280 × 960 Pixel (SXGA), 1360 × 768 Pixel (HD), 1400 × 1050 Pixel (SXGA+), (1440 × 900 Pixel (WXGA+), 1600 × 900 Pixel (HD+), 1600 × 1200 Pixel (UXGA), 1680 × 1050 Pixel (WSXGA+), 1920 × 1080 Pixel (full HD), 1920 × 1200 Pixel (WUXGA), 2048 × 1152 Pixel (QWXGA), 2560 × 1440 Pixel (WQHD), 2560 × 1600 Pixel (WQXGA), 3840 × 2160 Pixel (UHD-1), 5120 × 2160 Pixel (UHD), 5120 × 3200 Pixel (WHXGA), 4096 × 2160 Pixel (4K), 4096 × 1716 Pixel (DCI 4K), 4096 × 2160 (DCI 4K), 7680 × 4320 Pixel (UHD-2).
In einer Ausführungsform, kann der Bildsensor DET1 zudem ein Aspektverhältnis von 1:1 haben, um die Zahl der inaktiven Sensor-Pixel zu minimieren.
In einer Ausführungsform muss das Bildaufnahmegerät 500 nicht vollständig symmetrisch bezüglich der Achse AX0 sein. Beispielsweise kann der Bildsensor DET1 nur die Hälfte des optischen Bilds IMG1 abdecken, um eine 180°-Sicht zu liefern. Das kann ein detaillierteres Bild der 180°-Sicht liefern.
In einer Ausführungsform können ein oder mehrere Sektoren vom Eingangs-Element LNS1 beabstandet sein, um einen Sichtbereich zu ergeben, der kleiner ist als 360°.
In einer Ausführungsform kann Eingangs-Element LNS1 ein oder mehrere Löcher aufweisen, beispielsweise um das Eingangs-Element LNS1 an einer oder mehr Komponenten zu befestigen. Insbesondere kann das Eingangs-Element LNS1 ein zentrales Loch aufweisen. Das Eingangs-Element LNS1 kann einen oder mehrere Vorsprünge aufweisen, beispielsweise zum Befestigen des Eingangs-Element LNS1 an einer oder mehr Komponenten.
Die Richtung SY kann beispielsweise die vertikale Richtung genannt werden und die Richtungen SX und SY können beispielsweise die horizontalen Richtungen genannt werden. Die Richtung SY kann parallel zur Achse AX0 verlaufen. Die Richtung nach unten kann im Wesentlichen parallel zur Achse AX0 verlaufen. Die Richtung nach unten kann aber beliebig in Bezug zur Achse AX0 verlaufen. Das Bildaufnahmegerät 500 kann jegliche Orientierung relativ zu seiner Umgebung haben.
11 zeigt die radialen Abmessungen und die vertikalen Positionen des Eingangs-Elements LNS1. Die Eingangs-Oberfläche SRF1 kann eine untere Begrenzung haben, die einen Halb-Durchmesser r_SRF1B aufweist. Die untere Begrenzung kann eine Bezugsebene REF0 definieren. Die Eingangs-Oberfläche SRF1 kann eine obere Begrenzung aufweisen, die einen Halb-Durchmesser r_SRF1A hat. Die obere Begrenzung kann in einer vertikalen Position h_SRF1A relativ zur Bezugsebene REF0 angeordnet sein. Die Oberfläche SRF2 kann eine untere Begrenzung aufweisen, die einen Halb-Durchmesser r_SRF2B hat. Die Oberfläche SRF2 kann eine obere Begrenzung aufweisen, die einen Halb-Durchmesser r_SRF2A und eine vertikale Position h_SRF2A hat. Die Oberfläche SRF3 kann eine Begrenzung aufweisen, die einen Halb-Durchmesser r_SRF3 und eine vertikale Position h_SRF3 hat. Die Oberfläche SRF4 kann eine Begrenzung aufweisen, die einen Halb-Durchmesser r_SRF4 und eine vertikale Position h_SRF4 hat.
Beispielsweise kann die vertikale Position h_SRF4 der Begrenzung der brechenden Ausgangs-Oberfläche SRF4 höher liegen als die vertikale Position h_SRF2A der oberen Begrenzung der reflektierenden Oberfläche SRF2. Beispielsweise kann die vertikale Position h_SRF3 der Begrenzung der brechenden Ausgangs-Oberfläche SRF3 höher liegen als die vertikale Position h_SRF1A der oberen Begrenzung der Eingangs-Oberfläche SRF1.

Die Tabellen 1.1 bis 1.3 zeigen Parameter, Koeffizienten und weitere Daten für das Bildaufnahmegerät gemäß Beispiel 1. Tabelle 1.1. Allgemeine Parameter des Bildaufnahmegeräts 500 von Beispiel 1.

Effektive F-Zahl F_eff	1:2,0
Obere Grenze θ_MAX für den Elevationswinkel	+38°
Untere Grenze θ_MIN für den Elevationswinkel	–2°
Brennweite f₁	1,4 mm
Abstand zwischen SRF3 und dem Bildsensor DET1	26 mm
Äußerer Durchmesser des Eingangs-Elements LNS1	28 mm
Äußerer Radius r_MAX des Bilds IMG1	1,75 mm
Innerer Radius r_MIN des Bilds IMG1	0,95 mm

Tabelle 1.2. Charakteristische Parameter der Oberflächen von Beispiel 1.

Oberfläche	Type	Radius (mm)	Dicke (mm)	Brechungsindex	Abbe Vd	Durchmesser (mm)
1 (SRF1)	Toroidal	–29,2	12,3	1,531	56	unzutreffend
2	Koordinatenumbruch		1
3 (SRF2)	Ungeradzahlige Asphäre	unendlich	–5	1,531	56	26
4 (SRF3)	Geradzahlige Asphäre	184,9	5,4	1,531	56	12
5 (SRF4)	Geradzahlige Asphäre	4,08	6	LUFT	LUFT	7,2
6	Geradzahlige Asphäre	–23	2	1,531	56	6,4
7	Geradzahlige Asphäre	–9,251	5	LUFT	LUFT	6,4
8	Aperturblende		0,27	LUFT	LUFT	2,6
9	Standard	3,17	1,436	1,587	59,6	3,4
10	Standard	–3,55	0,62	1,689	31,2	3,4
11	Standard	10,12	1,47	LUFT	LUFT	3,8
12	Geradzahlige Asphäre	–3,3	0,9	1,531	56	3,4
13	Geradzahlige Asphäre	–2,51	0	LUFT	LUFT	4
14	Geradzahlige Asphäre	3,61	1,07	1,531	56	4,6
15	Geradzahlige Asphäre	3,08	1,4	LUFT	LUFT	4,6
16	Ebene	unendlich	0,5	1,517	64,2	6,2
SRF17	Ebene	unendlich	1,5	LUFT	LUFT	6,2
SRF18	Bild					3,5

Tabelle 1.3. Koeffizienten und Zusatzdaten zum Bestimmen der Form der Oberflächen von Beispiel 1.

Oberfläche	α1	α₂	α₃	α₄	Radius der Rotation	Apertur Dezentrirung y
1 (SRF1)	–0,034	4,467E–04	–3,61E–06	0	12,3	3,5
	Dezentrirung x	Dezentrirung y	Neigung x	Neigung y
2	0	0	–90	0
	α₁	α₂	α₃	α₄	Apertur r_min	Apertur r_max
3 (SRF2)	0,452	0	0	0	5,0	13,0
	β₁	β₂	β₃	β₄
4 (SRF3)	–1,194E–03	–3,232E–04	1,195E–06	0
	α₁	α₂	α₃	α₄
5 (SRF4)	0,12	–0,016	6,701E–04	–2,588E–05
	α₁	α₂	α₃	α₄
6	0,047	–5,632E–03	–2,841E–05	–1,655E–05
	α₁	α₂	α₃	α₄
7	–2,536E–03	–3,215E–03	–5,943E–05	–5,695E–07
	α₁	α₂	α₃	α₄	α₅
12	–3,833E–03	–5,141E–04	1,714E–03	–4,360E–04	1,309E–04
	α₁	α₂	α₃	α₄	α₅
13	–0,088	9,328E–03	7,336E–03	–1,670E–03	3,009E–04
	α₁	α₂	α₃	α₄	α₅
14	0,065	–0,031	–4,011E–04	–2,644E–04	6,290E–05
	α₁	α₂	α₃	α₄	α₅
15	0,168	–0,075	3,363E–04	6,978E–04	–6,253E–05

Die Standard-Oberfläche kann eine sphärische Oberfläche sein, die zentrisch auf der optischen Achse AX0 liegt, wobei die Spitze an der jeweiligen Achsposition liegt. Eine Ebene kann als Spezialfall einer sphärischen Oberfläche mit unendlichem Krümmungsradius angesehen werden. Die z-Koordinate einer Standard-Oberfläche kann gegeben sein durch:
r bezeichnet den Radius, also den horizontalen Abstand eines Punkts von der Achse AX0. Die z-Koordinate bezeichnet den vertikalen Abstand dieses Punkts vom Scheitel der Standard-Oberfläche. Die z-Koordinate kann ebenso als Durchhang bezeichnet werden. c bezeichnet die Krümmung der Oberfläche (das heißt den Kehrwert des Radius). K bezeichnet die Kegelkonstante. Die Kegelkonstante K ist für einen Hyperboloiden kleiner als –1. Die Kegelkonstante K ist für eine paraboloide Oberfläche gleich –1. Die Kegelkonstante K liegt im Bereich von –1 bis 0 für eine ellipsoide Oberfläche. Die Kegelkonstante K ist 0 für eine sphärische Oberfläche. Die Kegelkonstante K ist für eine abgeplattete ellipsoide Oberfläche größer als 0.
Eine toroidale Oberfläche kann dadurch gebildet sein, dass eine Kurve in der SY-SZ-Ebene gebildet ist, die um die Achse AX0 rotiert ist. Die toroidale Oberfläche kann durch einen Basis-Krümmungsradius in der SY-SZ-Ebene als auch eine Kegelkonstante K und polynomiale Asphären-Konstanten definiert werden. Die Kurve in der SY-SZ-Ebene kann definiert werden durch:
α₁, α₂, α₃, α₄, α₅, ... bezeichnen dabei polynomiale Asphären-Konstanten. y bezeichnet den horizontalen Abstand eines Punkts von der Achse AX0. Die z-Koordinate bezeichnet den vertikalen Abstand dieses Punkts vom Scheitel der Oberfläche. c bezeichnet die Krümmung und K bezeichnet die Kegelkonstante. Die Kurve nach Gleichung (5) wird dann um die Achse AX0 in einem Abstand R vom Scheitel rotiert, um die toroidale Oberfläche zu definieren. Der Abstand R kann beispielsweise als Radius der Rotation bezeichnet werden.
Eine geradzahlige Asphären-Oberfläche kann definiert werden durch:
α₁, α₂, α₃, α₄, α₅, ... bezeichnen dabei polynomiale Asphären-Konstanten. r bezeichnet den Radius, das heißt den horizontalen Abstand eines Punkts von der Achse AX0. Die z-Koordinate bezeichnet den vertikalen Abstand dieses Punkts vom Scheitel der Oberfläche. c bezeichnet die Krümmung, und K bezeichnet die Kegelkonstante.
Eine ungeradzahlige Asphären-Oberfläche kann definiert werden durch:
β₁, β₂, β₃, β₄, β₅, ... bezeichnen dabei polynomiale Asphären-Konstanten. r bezeichnet den Radius, das heißt den horizontalen Abstand eines Punkts von der Achse AX0. Die z-Koordinate bezeichnet den vertikalen Abstand dieses Punkts vom Scheitel der Oberfläche. c bezeichnet die Krümmung, und K bezeichnet die Kegelkonstante.
Der Wert einer Asphären-Konstante kann null sein, sofern nicht ein von null verschiedener Wert angegeben ist.
Im Fall einer ungeradzahligen Asphäre weicht der Koeffizient (β₁, β₂, β₃, β₄, β₅) in zumindest einer ungeraden Potenz (beispielsweise r¹, r³, r⁵) von null ab. Im Fall einer geradzahligen Asphäre sind die Koeffizienten (β₁, β₂, β₃, β₄, β₅) ungeradzahliger Potenzen (beispielsweise r¹, r³, r⁵) null. Die Werte, die in den Tabellen gezeigt sind, sind in dem Koordinatensystem angegeben, das in dem Handbuch der Zemax-Software (ZEMAX Optical Design Program, User's Manual, October 8, 2013) verwendet wird. Das Handbuch wird von der Radiant Zemax, LLC, Redmond USA vertrieben.

12 zeigt ein Beispiel, bei dem das Bildaufnahmegerät 500 keine den Strahl modifizierende Einheit 200 zwischen dem Eingangs-Element LNS1 und der Aperturblende AS1 aufweisen muss. In diesem Fall kann das Eingangs-Element LNS1 den Zwischenstrahl B5_k direkt erzeugen. Die Tabellen 2.1 bis 2.3 zeigen Parameter für ein Beispiel 2, bei dem der Ausgangs-Strahl des Eingangs-Elements LNS1 direkt mittels der Aperturblende AS1 geleitet wird. Tabelle 2.1. Allgemeine Parameter des Bildaufnahmegeräts 500 nach Beispiel 2.

Effektive F-Zahl F_eff	1:3.8
Obergrenze θ_MAX des Elevationswinkels	+11°
Untergrenze θ_MIN des Elevationswinkels	–11°
Brennweite f₁	1,26 mm
Absolute Systemhöhe	20 mm
Äußerer Durchmesser des Eingangs-Elements LNS1	24 mm
Äußerer Radius der Bildscheibe r_MAX	1,6 mm
Innerer Radius der Bildscheibe r_MIN	0,55 mm

Tabelle 2.2. Charakteristische Parameter der Oberflächen vom Beispiel 2.

Oberfläche	Typ	Radius	Dicke	Index n	Abbe Vd	Durchmesser
1 (SRF1)	toroidal	–41,27	12	1,531	56	N/A
2	Koordinatenbruch		2
3 (SRF2)	Ungeradzahlige Asphäre	unendlich	–4,5	1,531	56	21,4
4 (SRF3)	Geradzahlige Asphäre	–11,19	6,85	1,531	56	8
5 (SRF4)	Geradzahlige Asphäre	–6,33	4,04	LUFT	LUFT	5,4
6	Aperturblende		0,5	LUFT	LUFT	0,92
7	Standard	–3,056	0,81	1,689	31,3	1,6
8	Standard	–2,923	1,21	1,678	54,9	2,4
9	Standard	–3,551	0	LUFT	LUFT	3,2
10	Geradzahlige Asphäre	3,132	2,62	1,531	56	3,6
11	Geradzahlige Asphäre	–3,103	0,11	LUFT	LUFT	3,6
12	Geradzahlige Asphäre	13,4	0,87	1,531	56	3,2
13	Geradzahlige Asphäre	5,705	1,26	LUFT	LUFT	2,6
16	Standard	unendlich	0,5	1,517	64,2	3
17	Standard	unendlich	0,5	LUFT	LUFT	3
18	Bild					3,5

Tabelle 2.3. Koeffizienten und Zusatzdaten zum Definieren der Form der Oberflächen von Beispiel 2

Oberfläche	α₁	α₂	α₃	α₄	Rotationsradius	Apertur Dezentrirung y
1 (SRF1)	6,087E–03	2,066–06	0	0	12	6
	Dezentrirung x	Dezentrirung y	Neigung x	Neigung y
2	0	0	–90	0
	β₁	β₂	β₃	β₄	Apertur r_min	Apertur r_max
3 (SRF2)	0,643	0	0	0	3,0	10,7
	α₁	α₂	α₃	α₄
4 (SRF3)	9,698E–04	–5,275E–06	1,786E–08	0
	α₁	α₂	α₃	α₄
5 (SRF4)	–2,118E–04	2,360E–04	3,933E–06	0
	α₁	α₂	α₃	α₄
10	0	–1,085E–03	–1,871E–03	6,426E–04
	α₁	α₂	α₃	α₄
11	0	–3,378E–03	–7,316E–04	7,510E–04
	α₁	α₂	α₃	α₄	α₅
12	0	–3,026E–03	–3,976E–03	–4,296E–03	0,000E+00
	α₁	α₂	α₃	α₄	α₅
13	0	0,095	–0,018	–1,125E–03	0,000E+00

Die Notation E-03 bedeutet 10^–3, E-04 bedeutet 10^–4, E-05 bedeutet 10^–5, E-06 bedeutet 10^–6, E-07 bedeutet 10^–7, und E-08 bedeutet 10^–8.
Die Vorrichtung 500 aus Beispiel 1 (spezifiziert in den Tabellen 1.1, 1.2, 1.3) und/oder die Vorrichtung aus Beispiel 2 (spezifiziert in den Tabellen 2.1, 2.2, 3.2) kann beispielsweise verwendet werden, wenn die Wellenlänge des Eingangs-Strahls B0_k im Bereich von 450 nm bis 650 nm liegt. Die Vorrichtung 500 aus Beispiel 1 (Tabellen 1.1, 1.2, 1.3) und/oder die Vorrichtung gemäß Beispiel 2 (Tabellen 2.1, 2.2, 3.2) erreichen eine hohe Leistungsfähigkeit für den gesamten Wellenlängenbereich von 450 nm bis 650 nm. Die Vorrichtung 500 nach Beispiel 1 oder 2 kann verwendet werden, beispielsweise um ein Farbbild IMG1 durch Aufnehmen von sichtbarem Eingangs-Licht aufzunehmen.
Die Vorrichtung 500 nach Beispiel 1 oder 2 kann zudem beispielsweise entsprechend der Größe des Bildsensors DET1 herauf- oder herunterskaliert werden. Die optischen Elemente der Vorrichtung 500 können so ausgewählt sein, dass die Größe des optischen Bilds IMG1 mit der Größe des Bildsensors DET1 übereinstimmt. Ein Bildaufnahmegerät kann solche Abmessungen haben, die beispielsweise dadurch bestimmt werden, dass die Abmessungen gemäß Beispiel 1 oder 2 mit einer Konstanten multipliziert werden. Diese Konstante kann beispielsweise als Heraufskalierungsfaktor oder als Herabskalierungsfaktor bezeichnet werden.
Mit Bezug zu 13 kann der Bildsensor DET1 eine Mehrzahl an Sensor-Pixeln PIX aufweisen. Die Sensor-Pixel PIX können in einem zweidimensionalen rechteckigen Array angeordnet sein. Ein individuelles Pixel PIX kann eine Breite W_PIX haben. Das Sensor-Pixel des Sensors DET1 kann eine Breite W_PIX haben. Die Pixel-Breite W_PIX kann beispielsweise im Bereich von 1 μm bis 10 μm liegen. Die höchste räumliche Frequenz ν_CUT1, die vom Bildsensor DET1 detektiert werden kann, kann als räumliche Grenz-Frequenz ν_CUT1 des Bildsensors DET1 bezeichnet werden. Die höchste räumliche Frequenz ν_CUT1, die vom Bildsensor DET1 detektiert werden kann, kann gleich 0.5/W_PIX (= 0.5 Linienpaare / W_PIX) sein. Beispielsweise kann die Grenz-Frequenz ν_CUT1 71 Linienpaare / mm betragen, wenn die Pixel-Breite W_PIX gleich 7 μm ist.
In einer Ausführungsform können die Form der optischen Oberfläche des Eingangs-Elements LNS1 und der Durchmesser d_AS1 der Aperturblende AS1 so gewählt sein, dass die Modulationsübertragungs-Funktion MTF des Bildaufnahmegeräts 500 bei der räumliche Grenz-Frequenz ν_CUT1 für alle Elevationswinkel θ_k im Bereich von 0° bis +35° größer ist als 50%, wobei die Grenz-Frequenz ν_CUT1 gleich 0.5/W_PIX ist und wobei die effektive F-Zahl F_eff der Vorrichtung 500 beispielsweise im Bereich von 1,0 bis 5.6 liegen kann. Die Modulationsübertragungs-Funktion kann bei der ersten räumlichen Frequenz ν₁ und für jeden der genannten Elevationswinkel θ_k in radialer Richtung und in tangentialer Richtung des optischen Bilds IMG1 größer als 50% sein.
In einer Ausführungsform kann die Leistungsfähigkeit der Abbildungsoptik 500 auch auf Basis der Größe des Bildsensors DET1 evaluiert werden. Der Bildsensor DET1 kann ein Diagonalmaß S_DET1 haben. Eine räumliche Referenz-Frequenz ν_REF kann gemäß der folgenden Gleichung bestimmt werden:
Die Form der optischen Oberfläche des Eingangs-Elements LNS1 und der Durchmesser d_AS1 der Aperturblende AS1 können so gewählt sein, dass die Modulationsübertragungs-Funktion MTF des Bildaufnahmegeräts 500 bei der räumlichen Referenz-Frequenz ν_REF für alle Elevationswinkel θ_k im Bereich von 0° bis +35° größer ist als 40%, wobei die räumliche Referenz-Frequenz ν_REF gemäß Gleichung (8) bestimmt wird und die effektive F-Zahl F_eff der Vorrichtung 500 beispielsweise im Bereich von 1,0 to 5,6 liegt. Die Modulationsübertragungs-Funktion bei der räumlichen Referenz-Frequenz ν_REF und bei jedem der genannten Elevationswinkels θ_k kann in radialer Richtung und in tangentialer Richtung des optischen Bilds IMG1 größer sein als 40%.
Beispielsweise kann das Diagonalmaß S_DET1 des Sensors im Wesentlichen gleich 5,8 mm sein. Die räumliche Referenz-Frequenz ν_REF, die aus dem Diagonalmaß von 5,8 mm anhand von Gleichung (8) berechnet ist, kann im Wesentlichen gleich 74 Linienpaare / mm sein. Die Kurven in 9c zeigen, dass die Modulationsübertragungs-Funktion MTF des Bildaufnahmegeräts 500 gemäß Beispiel 1 die Bedingung erfüllt, dass die Modulationsübertragungs-Funktion MTF bei der räumlichen Referenz-Frequenz ν_REF = 74 Linienpaare / mm für die Elevationswinkel θ_k = 0°, θ_k = 20° und θ_k = 35° sowie in radialer Richtung, und in tangentialer Richtung des optischen Bilds größer ist als 50%.
Alternativ kann die räumliche Referenz-Frequenz ν_REF auch gemäß der folgenden Gleichung bestimmt werden:
wobei d_MAX den äußeren Durchmesser des Bilds IMG1 bezeichnet. Typischwerweise muss die räumliche Auflösung des optischen Bilds IMG1 nicht größer als die Größe der Sensor-Pixel sein. Die räumliche Referenz-Frequenz ν_REF kann anhand von Gleichung (9) bestimmt werden, sodass die Anforderungen für die räumliche Auflösung sehr kleiner Bilder weniger streng sein können als im Fall größerer Bilder. Beispielsweise kann die räumliche Referenz-Frequenz ν_REF, die für den äußeren Durchmesser d_MAX = 2 mm unter Verwendung von Gleichung (9) berechnet wurde, im Wesentlichen gleich 71 Linienpaare / mm sein. Die räumliche Referenz-Frequenz ν_REF, die einem äußeren Durchmesser von d_MAX = 3,5 mm entspricht, kann im Wesentlichen gleich 53 Linienpaare / mm sein. Die räumliche Referenz-Frequenz ν_REF, die einem äußeren Durchmesser von d_MAX = 10 mm entspricht, kann im Wesentlichen 32 Linienpaare / mm betragen.
Die Modulationsübertragungs-Funktion MTF des Bildaufnahmegeräts 500 bei der räumlichen Referenz-Frequenz ν_REF kann für jeden Elevationswinkel θ_k im Bereich von 0° bis +35° größer sein als 40% und die räumliche Referenz-Frequenz ν_REF kann 100 Linienpaare / mm geteilt durch die Quadratwurzel aus dem dimensionslosen äußeren Durchmesser d_MAX/mm des ringförmigen optischen Bilds IMG1 sein. Der dimensionslose äußere Durchmesser d_MAX/mm wird durch Teilen des äußeren Durchmessers d_MAX des ringförmigen optischen Bilds IMG1 durch einen Millimeter berechnet.
Die Form der optischen Oberfläche des Eingangs-Elements LNS1 und der Durchmesser d_AS1 der Aperturblende AS1 können so gewählt sein, dass die Modulationsübertragungs-Funktion MTF des Bildaufnahmegeräts 500 bei der räumlichen Referenz-Frequenz ν_REF für jeden Elevationswinkel θ_k im Bereich von 0° bis +35° größer sein kann als 40%, wobei die räumliche Referenz-Frequenz ν_REF anhand von Gleichung (9) berechnet wird und die effektive F-Zahl F_eff der Vorrichtung 500 beispielsweise im Bereich von 1,0 bis 5,6 liegt. Die Modulationsübertragungs-Funktion bei der räumlichen Referenz-Frequenz ν_REF und bei jedem der genannten Elevationswinkels θ_k kann in radialer Richtung und in tangentialer Richtung des optischen Bilds IMG1 größer als 40% sein.
Das Symbol mm bedeutet Millimeter, das heißt 10^–3 Meter.
Für den Durchschnittsfachmann ist klar, dass Modifikationen und Abwandlungen der Vorrichtungen und der Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung möglich sind. Die Figuren sind Schemazeichnungen. Die oben mit Bezug auf die Zeichnungen beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele sind nur erläuternd und sollen nicht dazu dienen, den Umfang der Erfindung zu begrenzen, die in den folgenden Ansprüchen beschrieben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

ZEMAX Optical Design Program, User's Manual, October 8, 2013 [0182]

Claims

Bildaufnahmegerät (500) mit: – einem Eingangs-Element (LNS1), – einer Aperturblende (AS1) und – einer Fokussiereinheit (300), wobei das Eingangs-Element (LNS1) das Folgende aufweist: – eine Eingangs-Oberfläche (SRF1), – eine erste reflektierende Oberfläche (SRF2), – eine zweite reflektierende Oberfläche (SRF3), und – eine Ausgangs-Oberfläche (SRF4), wobei die Eingangs-Oberfläche (SRF1) ausgebildet ist zum Erzeugen eines ersten gebrochenen Strahls (B1_k) durch Brechen von Licht eines Eingangs-Strahls (B0_k), die erste reflektierende Oberfläche (SRF2) ausgebildet ist zum Erzeugen eines ersten reflektierten Strahls (B2_k) durch Reflektieren von Licht des ersten gebrochenen Strahls (B1_k), die zweite reflektierende Oberfläche (SRF3) ausgebildet ist zum Erzeugen eines zweiten reflektierten Strahls (B3_k) durch Reflektieren von Licht des ersten reflektierten Strahls (B2_k), sodass der zweite reflektierte Strahl (B3_k) den ersten gebrochenen Strahl (B1_k) nicht schneidet, die Ausgangs-Oberfläche (SRF4) ausgebildet ist zum Erzeugen eines Ausgangs-Strahls (B4_k) durch Brechen des Lichts des zweiten reflektierten Strahls (B3), das Eingangs-Element (LNS1) und die Fokussiereinheit (300) ausgebildet sind zum Bilden eines ringförmigen optischen Bilds (IMG1) auf einer Bildebene (PLN1), wobei die Aperturblende (AS1) eine Eintrittspupille (EPU_k) des Bildaufnahmegeräts (500) definiert, sodass die effektive F-Zahl (F_eff) des Bildaufnahmegeräts (500) im Bereich von 1,0 bis 5,6 liegt, und der Quotient (f₁/W_k) aus der Brennweite (f₁) der Fokussiereinheit (300) und der Breite (W_k) der Eintrittspupille (EPU_k) im Bereich von 1,0 bis 5,6 liegt, und wobei der Quotient (f₁/Δh_k) der Brennweite (f₁) und der Höhe (Δh_k) der Eintrittspupille (EPU_k) im Bereich von 1,0 bis 5,6 liegt.
Vorrichtung (500) nach Anspruch 1, wobei die Fokussiereinheit (300) ausgebildet ist zum Erzeugen eines fokussierten Strahls (B6_k), der auf einen Bildpunkt (P_k') des ringförmigen optischen Bilds (IMG1) fällt, wobei die Position des Bildpunkts (P_k') einem Elevationswinkel (θ_k) eines Eingangs-Strahls (B0_k) entspricht, und wobei die Abmessungen (d_AS1) der Aperturblende (AS1) und die Brennweite (f₁) der Fokussiereinheit (300) so ausgewählt sind, dass der Kegelwinkel (Δϕ_ak + Δϕ_bk) des fokussierten Strahls (B6_k) für zumindest einen Elevationswinkel (θ_k) im Bereich von 0° bis +35° größer ist als 9°.
Vorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Fokussiereinheit (300) ausgebildet ist zum Erzeugen eines fokussierten Strahls (B6_k), der auf einen Bildpunkt (P_k') des ringförmigen optischen Bilds (IMG1) fällt, wobei die Position des Bildpunkts (P_k') einem Elevationswinkel (θ_k) eines Eingangs-Strahls (B0_k) entspricht, und wobei die Abmessungen (d_AS1) der Aperturblende (AS1) und die Brennweite (f₁) der Fokussiereinheit (300) so ausgewählt sind, dass der Kegelwinkel (Δϕ_ak + Δϕ_bk) des fokussierten Strahls (B6_k) für jeden Elevationswinkel (θ_k) im Bereich von 0° bis +35° größer ist als 9°.
Vorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Fokussiereinheit (300) ausgebildet ist zum Erzeugen eines fokussierten Strahls (B6_k), der auf einen Bildpunkt (P_k') des ringförmigen optischen Bilds (IMG1) fällt, wobei die Position des Bildpunkts (P_k') einem Elevationswinkel (θ_k) eines Eingangs-Strahls (B0_k) entspricht, wobei die Modulationsübertragungs-Funktion (MTF) des Bildaufnahmegeräts (500) bei einer räumlichen Referenz-Frequenz (ν_REF) für jeden Elevationswinkel (θ_k) im Bereich von 0° bis +35° größer ist als 40% und wobei die räumliche Referenz-Frequenz (ν_REF) gleich 100 Linienpaare / mm geteilt durch die Quadratwurzel aus einem dimensionslosen äußeren Durchmesser (d_MAX/mm) ist, wobei dieser dimensionslose äußere Durchmesser (d_MAX/mm) berechnet wird durch Teilen des äußeren Durchmessers (d_MAX) des ringförmigen optischen Bilds (IMG1) durch einen Millimeter (10^–3 Meter).
Vorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Fokussiereinheit (300) ausgebildet ist zum Erzeugen eines fokussierten Strahls (B6_k), der auf einen Bildpunkt (P_k') des ringförmigen optischen Bilds (IMG1) fällt, wobei die Position des Bildpunkts (P_k') einem Elevationswinkel (θ_k) eines Eingangs-Strahls (B0_k) entspricht, wobei die Modulationsübertragungs-Funktion (MTF) des Bildaufnahmegeräts (500) bei einer ersten räumlichen Frequenz (ν₁) für jeden Elevationswinkel (θ_k) im Bereich von 0° bis +35° größer ist als 50%, und wobei die erste räumliche Frequenz (ν₁) gleich 300 Linienpaare geteilt durch den äußeren Durchmesser (d_MAX) des ringförmigen optischen Bilds (IMG1) ist.
Vorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste gebrochene Strahl (B1_k), der erste reflektierte Strahl (B2_k) und der zweite reflektierte Strahl (B3_k) sich in einem im Wesentlichen homogenen Material ausbreiten, ohne sich in einem Gas auszubreiten.
Vorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das optische Bild (IMG1) einen inneren Radius (r_MIN) und einen äußeren Radius (r_MAX) hat und wobei der Quotient des inneren Radius (r_MIN) und des äußeren Radius (r_MAX) im Bereich von 0,3 bis 0,7 liegt.
Vorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das vertikale Sichtfeld (θ_MAX – θ_MIN) des Bildaufnahmegeräts (500) definiert ist durch einen ersten Winkelwert (θ_MIN) und durch einen zweiten Winkelwert (θ_MAX), wobei der erste Winkelwert (θ_MIN) kleiner oder gleich 0° ist und der zweite Winkelwert (θ_MAX) größer oder gleich +35° ist.
Vorrichtung (500) nach Anspruch 8, wobei der erste Winkelwert (θ_MIN) kleiner oder gleich –30° ist und der zweite Winkelwert (θ_MAX) größer oder gleich +45° ist.
Vorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die erste reflektierende Oberfläche (SRF2) des Eingangs-Elements (LNS1) eine im Wesentlichen konische Oberfläche ist.
Vorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die erste reflektierende Oberfläche (SRF2) und die zweite reflektierende Oberfläche (SRF3) des Eingangs-Elements (LNS1) ausgebildet sind zum Reflektieren von Licht mittels Totalreflexion.
Vorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die vertikale Position (h_SRF3) der Begrenzung der zweiten reflektierenden Ausgangs-Oberfläche (SRF3) des Eingangs-Elements (LNS1) höher liegt als die vertikale Position (h_SRF1A) der oberen Begrenzung der Eingangs-Oberfläche (SRF1) des Eingangs-Elements (LNS1).
Vorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Eingangs-Element (LNS1) ein zentrales Loch zum Anbringen des Eingangs-Elements LNS1 an eine oder mehrere andere Komponenten aufweist.
Vorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Vorrichtung (500) ausgebildet ist zum Erzeugen eines Bildpunkts (P_k') des ringförmigen optischen Bilds (IMG1) durch Fokussieren von Licht eines Eingangs-Strahls (B0_k) und wobei die Formen der Oberflächen (SRF1, SRF2, SRF3, SRF4) des Eingangs-Elements (LNS1) so ausgewählt sind, dass die radiale Position (r_k) des Bildpunkts (P_k') auf im Wesentlichen lineare Weise vom Elevationswinkel (θ_k) des Eingangs-Strahls (B0_k) abhängt.
Vorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die radiale Verzerrung des ringförmigen optischen Bilds (IMG1) kleiner ist als 20%, wenn das vertikale Sichtfeld (θ_MAX – θ_MIN) durch die Winkel θ_MIN = 0° und θ_MAX = +35° definiert ist.
Vorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, mit einer Wellenfront-Veränderungseinheit (200), wobei das Eingangs-Element LNS1 und die Wellenfront--Veränderungseinheit (200) ausgebildet sind zum Erzeugen eines Zwischenstrahls (B5_k), sodass der Zwischenstrahl (B5_k) im Wesentlichen kollimiert ist, nachdem er durch die Aperturblende (AS1) getreten ist, und wobei die Fokussiereinheit (300) ausgebildet ist zum Fokussieren von Licht des Zwischenstrahls (B5_k) auf die Bildebene (PLN1).
Vorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Vorrichtung (500) ausgebildet ist zum Erzeugen eines ersten Bildpunkts aus erstem Licht, das mittels einer Eintrittspupille empfangen wurde, und zum Erzeugen eines zweiten Bildpunkts aus zweitem Licht, das mittels einer zweiten, abweichenden Eintrittspupille empfangen wurde, wobei das Bildaufnahmegerät (500) ausgebildet ist zum Erzeugen eines ersten Zwischenstrahls aus dem ersten Licht und zum Erzeugen eines zweiten Zwischenstrahls aus dem zweiten Licht, sodass der erste Zwischenstrahl und der zweite Zwischenstrahl durch die Aperturblende (AS1) treten, und wobei die Aperturblende (AS1) ausgebildet ist zum Bilden der Eintrittspupillen durch ein Verhindern der Ausbreitung von Randstrahlen (B5o_k), sodass das Licht der Randstrahlen (B0o_k) nicht zum Erzeugen des ringförmigen optischen Bilds (IMG1) beiträgt.
Vorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Fokussiereinheit (300) ausgebildet ist zum Erzeugen eines fokussierten Strahls (B6_k) und wobei der Durchmesser (d_AS1) der Aperturblende (AS1) so ausgewählt ist, dass der Quotient aus einer ersten Summe (Δϕ_ak + Δϕ_bk) und einer zweiten Summe (Δβ_d1 + Δβ_e1) im Bereich von 0,7 bis 1,3 liegt, wobei die erste Summe (Δϕ_ak + Δϕ_bk) gleich dem Kegelwinkel des fokussierten Strahls (B6_k) in tangentialer Richtung des ringförmigen optischen Bilds (IMG1) ist, und wobei die zweite Summe (Δβ_d1 + Δβ_e1) gleich dem Kegelwinkel des fokussierten Strahls (B6_k) in radialer Richtung des ringförmigen optischen Bilds (IMG1) ist.