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1. Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Bildaufnahmesystem
und ein dazugehöriges
Verarbeitungssystem.
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Technisches Gebiet
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Optische
Bildaufnahmesysteme, wie beispielsweise herkömmliche Kameras und elektronische
Kameras, sind in vielen verschiedenen Konstruktionen und Größen erhältlich.
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Handkameras
werden üblicherweise
verkleinert, um in einer Tasche oder einem Geldbeutel getragen werden
zu können.
Ein allgemeines Problem derartiger Handkameras ist, dass ihre Größen und
Formen sie unpraktisch und unhandlich machen, um mitgetragen zu
werden, wie dies mit persönlichen
Gegenständen
von Größen wie
beispielsweise einer Kreditkarte oder eines Führerscheins gemacht werden
kann.
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Elektronische
Kameras sind auch in unterschiedlichen Konstruktionen für verschiedene
Anwendungen, wie beispielsweise als eingebaute Kameras in Dauerinstallationen
oder als Handkameras, erhältlich.
Derartige elektronische Kameras werden üblicherweise auf einer oder
mehr Leiterplatten (PCB) konstruiert, für welche eine Mindestabmessung
in die zwei Richtungen der Ebene erforderlich ist. Die Höhe der Kamera
ist üblicherweise
von den Abmessungen des verwendeten Linsensystems abhängig und
sie ist völlig
abhängig von
der Brennweite des Linsensystems.
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Ein
Nachteil dieser Bildaufnahmesysteme ist, dass sie schwer zu verkleinern
sind.
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Linsensysteme
nach dem Stand der Technik für
derartige Kameras werden oft durch die Verwendung einer begrenzten
Anzahl von Linsen verkleinert, so dass die effektive Linsenhöhe davon
auf ungefähr
1-mal die Brennweite des Linsensystems herabgesetzt werden kann.
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Eine
Folge des Verwenden nur weniger, normalerweise nur einer Linse ist,
dass das gebildete Bild eine nicht zufriedenstellende Auflösung und
Leistung aufweist. Um eine angemessene Auflösung zu erreichen, ist es daher
notwendig, die Öffnung
zu verkleinern, wodurch jedoch die Lichtempfindlichkeit verringert
wird.
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Wenn
eine niedrige Höhe
aufrechtzuerhalten ist, kann ferner nur eine kurze Brennweite – und folglich ein
großer
Bildfeldwinkel – verwendet
werden. Eine Zunahme der Brennweite der Linsen führt zu einer Zunahme der Höhe.
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Insbesondere
für elektronische
Kameras ist ein weiterer Nachteil, dass die Übertragung der aufgenommenen
optischen Daten die Verwendung von umständlichen externen Kabeln, welche
die Kamera und das Bildverarbeitungssystem verbinden, erfordert
oder einen auswechselbaren Speicher, wie beispielsweise eine Diskette
oder einen Festkörperspeicher,
erfordert. Für
die beiden letzteren Datenträger
können
die umständlichen
Kabeln vermieden werden, aber sie benötigen die Software zum Steuern
des auf den Datenträger
zu ladenden Bildverarbeitungssystems, welche Platz darauf erfordert.
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Stand der Technik
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JP 01-176 168 offenbart
eine kompakte elektronische Fotokamera, welche einen Kamerahauptkörper in
Form einer Kunstharzkarte mit einer Dicke innerhalb von 10 mm umfasst.
Die Kartenkamera
10 umfasst einen zweidimensionalen CCD-Bildsensor und einen
Halbleiterspeicher zum elektronischen Aufnehmen eines Bildes, sowie
eine Steckverbindung für
den Anschluss des Schaltkreises innerhalb der Kartenkamera an den Schaltkreis
eines Bildwiedergabegeräts
zum Übertragen
der Standbilddaten an dasselbe. Die Kamera ist mit einer auswechselbaren
Linse versehen, welche entfernt werden muss, wenn die Kartenkamera
flach sein muss.
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DE 26 59 729 offenbart eine
einlinsige Reflextaschenkamera mit einer zweimal 90-Grad-gebrochenen optischen
Achse, um eine Zoom-Linse aufzunehmen. Die Kamera empfängt die
optischen Daten durch eine Seite des Kamerakörpers. Ein derartiges System
weist den Nachteil auf, dass der Bildsucher, wenn die Körperhöhe niedrig
ist, nicht richtig gerahmt ist, d. h., es schwierig ist, durch ihn
durchzuschauen und das Objekt zu sehen. Für eine Kamera mit einer sehr
niedrigen Körperhöhe ist es
unmöglich,
durch den Bildsucher zu schauen. Außerdem erfordert das Verkleinern
des offenbarten optischen Systems sehr kleine und dünne Linsen,
welche mit der gegenwärtigen
Technologie schwer innerhalb kleiner Toleranzen herzustellen sind
und welche unpraktisch zu handhaben sind. Für ein Bildaufnahmesystem, das
flach an einer Wand angebracht werden soll, z. B. als Teil eines
Türtelefons,
kann es nicht erlaubt werden, dass die optischen Daten durch eine Seite
des Kamerakörpers
empfangen werden. Eine andere ähnliche
Kamera wird in
DE 42 11 824 offenbart.
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DE 25 53 395 offenbart ein
Endoskopobjektiv, welches ein umgekehrtes Teleobjektiv umfasst,
das mit einem Wellenleiter verbunden ist. Das Endoskop umfasst weder
einen Körper,
der eine Konfiguration mit einer niedrigen Höhe und mit breiten Flächen aufweist,
noch umfasst es ein optisches Bildaufnahmesystem mit einem Bildaufnahmegerät, Bildsucher
und einem Festkörperspeicher.
Weder kann das Endoskopobjektiv im Körper eines Bildaufnahmesystems
mit einem S-Verhältnis,
das kleiner als 1,9 ist, d. h., mit einer großen Diagonale des Bildaufnahmegeräts im Vergleich
zur Höhe
des Körpers
des Bildaufnahmesystems, untergebracht werden noch kann ein Bildaufnahmesystem
mit großem
Auflösungsvermögen basierend
auf dem Endoskopobjektiv in einem derartigen Körper aufgenommen werden, der
eine Größe aufweist,
um in einer Brieftasche oder in Form einer Karte nach PCMCIA Typ
II getragen werden zu können.
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JP 63-199 312 offenbart
eine elektronische Kamera, welche für kleine Bildgrößen und
kurze Brennweiten bestimmt ist. Die Kamera verwendet ein nichtgefaltetes
Linsensystem mit einem langen hinteren Brennpunkt, welcher Platz
lässt,
um ein Unschärfefilter
darin aufzunehmen. Sehr dünne
Linsen sind notwendig, was vom praktischen Gesichtspunkt aus nicht
wünschenswert
ist, da die Linsen sehr anfällig und
empfindlich für Änderungen
in der Linsendicke werden. Es ist unmöglich, die effektive Linsenhöhe wirksam
auf ein Minimum herabzusetzen. Infolgedessen kann keine sehr kompakte
Kamera mit großem
Auflösungsvermögen hergestellt
werden.
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EP 0 676 663 offenbart eine
kompakte Kamera, welche zur Verwendung als eine versteckte oder
offene Kamera geeignet ist. Die Linsensektion ist zusammengesetzt,
um die Dicke der Kamera auf ein Minimum herabzusetzen. In einem
Ausführungsbeispiel
umfasst die Kamera einen flachen Körper mit einer Lochblende, die
darin angeordnet ist, und eine Linse, die auf dem flachen Körper angeordnet
ist. Nur kurze Brennweiten können
akzeptiert werden, um einen flachen Körper aufrechtzuerhalten. Die
Linse ist eine asphärische
Einzelelementlinse, welche zu einer niedrigen Auflösung und
einer begrenzten Geschwindigkeit führt, was für Anwendungen mit hoher Auflösung nicht
akzeptierbar ist. Außerdem
ist der hintere Brennpunkt zu kurz, um genug Platz für Farbfilter
bereitzustellen, welche mehrere doppelbrechende Platten umfassen,
die zwischen der Linse und dem CCD einzufügen sind. Infolgedessen kann
für Anwendungen
mit hoher Auflösung
Aliasing auftreten.
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Dokument
JP 08-130702 offenbart
ein optisches Bildaufnahmesystem, welches mit einer IC-Karte ausgestattet
ist und welches eine erste und eine zweite optische Achse besitzt,
die einen Winkel von 90 Grad bilden.
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2. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Optisches Bildaufnahmesystem
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In
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es die Aufgabe,
ein optisches Bildaufnahmesystem zum Aufnehmen optischer Daten bereitzustellen,
wobei das System in einer kompakten flachen Bauform untergebracht
werden kann, insbesondere in einer kompakten flachen Kamera, welche
in einer Brieftasche oder einer kleinen Handtasche, die zum Tragen
von Kreditkarten bestimmt sind, getragen werden kann.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein derartiges
optisches Bildaufnahmesystem bereitzustellen, für welches die Geschwindigkeit
und die Auflösung
der optischen Daten im Vergleich zu kompakten Mehrlinsensystemen
in Miniaturausgabe nach dem Stand der Technik im Wesentlichen aufrechterhalten
werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden diese Aufgaben durch Bereitstellen eines optischen
Bildaufnahmesystems, wie in Patentanspruch 1 definiert, und eines
optischen Bildaufnahme- und -verarbeitungssystem, wie in Anspruch
21 definiert, erfüllt,
wobei das System von Anspruch 1 eine kompakte flache Bauform erreicht.
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Insbesondere
kann das optische Bildaufnahmesystem in einer kompakten flachen
Kamera verkörpert werden,
welche in einer Brieftasche oder einer kleinen Handtasche, welche
zum Tragen von Kreditkarten bestimmt ist, getragen wird. Eine derartige
Kamera weist im Vergleich mit den Kameras nach dem Stand der Technik,
z. B. Kartenkameras, den Vorteil auf, dass das Linsensystem nicht
aus dem Körper
entfernt werden muss, bevor sie in eine derartige Brieftasche oder
Handtasche eingeführt
wird.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass die Brennweite des Linsensystems lang
sein kann. Im Gegensatz dazu muss die Brennweite der Verfahren nach
dem Stand der Technik kurz sein, um ein kurzes Objektiv einzukalkulieren,
das nicht zu weit von der Körperfläche vorsteht.
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Ein
Vorteil ist auch, dass das Linsensystem optische Filter, z. B. Unschärfefilter,
insbesondere für
elektronische Kameras mit großem
Auflösungsvermögen, umfassen
kann.
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Linsensystem
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst das Linsensystem eine vordere Linsengruppe mit
einer ersten optischen Achse; eine hintere Linsengruppe bestehend
aus einer oder mehr Linsen mit einer zweiten optischen Achse; und
einem reflektierenden Element, welches die erste optische Achse
in einem Winkel a in die zweite optische Achse faltet, wobei die
vordere Linsengruppe aus einem nicht rotationssymmetrischen vorderen
Linsengruppenelement besteht, so dass der Winkel a höher als
90 Grad ist, wodurch erreicht wird, dass das Linsensystem innerhalb
des Körpers
untergebracht werden kann, so dass die effektive Linsenhöhe niedriger
gehalten werden kann als die für
gefaltete Linsensysteme der kompakten flachen Kameras nach dem Stand
der Technik.
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Ferner
wird erreicht, dass die optischen Daten, welche durch eine der breiten
Flächen
des Körpers empfangen
werden, durch das Linsensystem empfangen und an das Bildaufnahmesystem übertragen
werden, während
Geschwindigkeit und Auflösung
aufrechterhalten werden.
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Die
vordere Linsengruppe und die hintere Linsengruppe können jeweils
negativ und/oder positiv sein.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die vordere Linsengruppe negativ und ist die hintere Linsengruppe
positiv, wodurch eine umgekehrte Fernaufnahmelinse realisiert werden
kann.
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In
einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die vordere Linsengruppe positiv und ist die hintere Linsengruppe
negativ, wodurch eine Fernaufnahmelinse realisiert werden kann.
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Vordere Linsengruppe
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Die
vordere Linsengruppe kann konstruiert sein, wie einem Durchschnittsfachmann
bekannt ist. Der gewünschte
Bildfeldwinkel ist der bestimmende Faktor für die Form und Kompliziertheit
der vorderen Linsengruppe. Für
einen großen
Bildfeldwinkel ist die vordere Linsengruppe negativ und bildet zusammen
mit der hinteren Linsengruppe ein umgekehrtes Fernaufnahmelinsensystem.
Ein derartiges System weist den Vorteil auf, dass es konstruiert
sein kann, um zwischen der vorderen Linsengruppe und der hinteren
Linsengruppe Platz für
ein reflektierendes Element zu lassen. Für eine besonders flache Konstruktion
des Körpers
sollte der Durchmesser der letzten Fläche in der vorderen Linsengruppe
auf ein Minimum herabgesetzt werden, um dadurch zu erlauben, dass
die Größe des reflektierenden
Elements auf ein Minimum herabgesetzt wird. Für große und mittlere Bildfeldwinkel
können
der Durchmesser und die Kompliziertheit der vorderen Gruppe durch Verkleinern
des Bildfeldwinkels verringert werden.
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Eine
Verkleinerung des Bildfeldwinkels erlaubt es, die Anzahl von Linsen
in der vorderen Linsengruppe zu verringern, da ein kleineres Bildfeld
geringere Bildfehler an den Tag legt, wodurch die Linsenhöhe weiter verringert
werden kann.
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Eine
Verringerung der Geschwindigkeit des Linsensystems und/oder eine
Vergrößerung der
Brennweite erlauben es auch, den Durchmesser der ersten Linsengruppe
zu verkleinern, und erlauben dadurch eine Verringerung der Linsenhöhe.
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In
einem konkreten Ausführungsbeispiel
ist die vordere Linsengruppe stark lichtbrechend gemacht, wodurch
ein kleiner Durchmesser der letzten Fläche der vorderen Linsengruppe
und eine kleine Größe des reflektierenden
Elements erlaubt wird. Dies bringt jedoch eine große geometrische
Verzeichnung ein, welche für
ein hochwertiges Linsensystem nicht erwünscht ist. Durch Verwenden
eines Festkörperbildsensors,
wie das Bildaufnahmegerät,
kann die geometrische Verzeichnung des Systems jedoch elektronisch
korrigiert werden. Die vordere Linsengruppe kann eine Linse mit
Gradientenindex (GRIN), insbesondere eine Linse mit radikalem Gradientenindex,
umfassen, wodurch die Linsenhöhe
verringert werden kann oder eine Bild besserer Qualität erreicht
werden kann. Asphärische
Linsen können
ebenfalls verwendet werden.
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Die
vordere Linsengruppe kann positiv oder negativ sein. In einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel besteht
die vordere Linsengruppe aus einer negativen Einzellinse.
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Hintere Linsengruppe
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Gemäß der Erfindung
umfasst das Linsensystem eine hintere Linsengruppe bestehend aus
einer oder mehr Linsen mit einer zweiten optischen Achse; wobei
die Linse oder Linsen das eintreffende Licht durch Brechung, Beugung
oder einer Kombination davon umlenken, wodurch erreicht wird, dass
die optischen Daten, welche durch das reflektierende Element reflektiert
werden, in ein Bild umgeformt werden. Die Anzahl von Linsen und
ihre Konstruktionen werden so gewählt, dass ein scharfes Bild
für ein
Linsensystem mit gewünschtem Bildfeldwinkel,
Linsengeschwindigkeit und Bildqualität gebildet werden kann. Insbesondere
für große Bildwinkel
und hohe Linsengeschwindigkeit ist die Verwendung einer mehrgliedrigen
hinteren Linsengruppe vorzuziehen, wodurch ein scharfes Bild erhalten
werden kann.
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In
einem Ausführungsbeispiel
besteht die hintere Mehrlinsengruppe aus vier Linsen, von welchen
eine achromatisch ist, und einer Öffnungsblende. Die anderen
Linsen sind eine Kondensorlinse, eine Meniskuslinse und eine Konkavlinse.
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Geeignete
hintere Linsengruppen, welche scharfe Bilder bilden, können durch
einen Durchschnittsfachmann unter Verwendung von anderen Linsen
und anderen Kombinationen davon konstruiert werden, und sie können konstruiert
werden, um andere Funktionen, z. B. ein Zoom, zu umfassen.
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Die
Linsen werden aus geeigneten Materialien hergestellt, welche Licht
der gewünschten
Wellenlängen
durchlassen. Die Wellenlängen
sind im Allgemeinen im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums,
aber Wellenlängen
z. B. im Infrarotbereich werden ebenfalls einbezogen. Die geeigneten
Materialien sind einem Durchschnittsfachmann bekannt. Diese Materialien
umfassen lichtdurchlässige
Materialien aus Glas, Kunststoff und Flüssigkeiten. Glas oder Kunststoff
optischen Grades werden bevorzugt.
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Insbesondere
können
Linsen mit axialem Gradientenindex (GRIN) verwendet werden, wodurch
eine vereinfachte Konstruktion oder eine bessere Bildqualität erzielt
werden können.
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Eine
oder mehrere der Linsen können
ein optisches Beugungselement umfassen, wodurch die hintere Linsengruppe
noch weiter vereinfacht werden kann, die Geschwindigkeit erhöht werden
kann oder eine bessere Bildqualität erzielt werden kann.
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Asphärische Linsen
können
genauso gut verwendet werden.
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Die
Korrektur der verschiedenen Bildfehler der Linsen: sphärische,
Asymmetriefehler, Astigmatismus, Bildfeldkrümmung und Verzeichnung kann
wie für
normale Linsen und Objektive erfolgen, und zwar mit dem Vorteil,
dass dicke Linsen, insbesondere Linsen mit axialem Gradientenindex,
und zahlreiche Linsen ohne oder fast ohne Zunahme der effektiven
Linsenhöhe
verwendet werden können.
Eine derartige Zunahme der effektiven Linsenhöhe hängt vom Faltwinkel zwischen
der vorderen Linsengruppe und der hinteren Linsengruppe ab.
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Die
hintere Linsengruppe kann ein oder mehr Filter umfassen.
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Reflektierendes Element
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Gemäß der Erfindung
umfasst das Linsensystem ein reflektierendes Element, welches die
erste optische Achse in einem Winkel von weniger als 90 Grad in
die zweite optische Achse faltet, wodurch erreicht wird, dass die
optischen Daten (Lichtstrom), welche durch die vordere Linsengruppe
empfangen werden, zur hinteren Linsengruppe umgewandelt werden,
so dass ein Bild auf dem Bildaufnahmegerät gebildet werden kann.
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Das
reflektierende Element kann jedes geeignete reflektierende Element
sein, das dem Durchschnittsfachmann bekannt ist, z. B. ein Prisma
oder ein Spiegel.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
besteht das reflektierende Element aus einem flachen Oberflächenspiegel,
wodurch der Lichtstrom reflektiert wird, ohne durch ein Substrat
durchgehen zu müssen.
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Das
Substrat für
den flachen Oberflächenspiegel
sollte so gewählt
werden, dass es mit der reflektierenden Flache gut arbeitet. Es
kann ein starres Material sein, wie beispielsweise Glas, insbesondere
Floatglas, aber andere Materialien, wie beispielsweise Kunststoff
oder Metalle, wie beispielsweise Aluminium, können ebenfalls verwendet werden.
In einem konkreten Ausführungsbeispiel
besteht das reflektierende Element aus einem Aluminiumsubstrat mit
einer polierten reflektierenden Flache.
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Zusätzliches reflektierendes Element
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In
einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfasst das Linsensystem ein zusätzliches
reflektierendes Element, welches die zweite optische Achse in die
optische Achse des Bildaufnahmegeräts faltet, wodurch eine besonders
kompakte Bauform des Linsensystems erzielt werden kann.
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Das
zusätzliche
reflektierende Element kann gewählte
werden, wie für
das erste reflektierende Element erwähnt.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
besteht das zusätzliche
reflektierende Element aus einem Prisma.
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Öffnungsblende
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Die Öffnungsblende
des Linsensystems kann auf jede geeignete Art und Weise, die dem
Durchschnittsfachmann bekannt ist, konstruiert werden. Vorzugsweise
wird die Öffnungsblende
durch eine Blende definiert, welche hinter dem ersten reflektierenden
Element, insbesondere in der hinteren Linsengruppe, angeordnet wird.
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Faltung und Ausrichtung der
optischen Achsen
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Gemäß der Erfindung
ist das Linsensystem ein gefaltetes Linsensystem, wobei das erste
reflektierende Element die erste optische Achse in einem Winkel
von weniger als 90 Grad in die zweite optische Achse faltet, wodurch
erreicht wird, dass das Linsensystem kompakt gehalten werden kann,
insbesondere viel kompakter als das für nichtgefaltete Linsensysteme
nach dem Stand der Technik.
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Es
wird ferner erreicht, dass verhältnismäßig dicke
Linsen verwendet werden können,
insbesondere in der hinteren Linsengruppe, wodurch Linsen von verhältnismäßig nichtbrüchigen Abmessungen,
z. B. Linsen mit Gradientenindex (GF.IN-Linsen), insbesondere Linsen
mit axialem GRIN, verwendet werden können. Derartige Linsen sind
bei Lightpath Technologies, Tucson, Arizona, USA, erhältlich.
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Es
wird auch erreicht, dass die hintere Linsengruppe aus mehreren Linsen
bestehen kann, wodurch erreicht wird, dass im Vergleich zu einer
hinteren Linsengruppe bestehend aus wenigen Linsen eine bessere Steuerung
von Bildfehlern erzielt werden kann. Dies ist bei der Konstruktion
eines Hochgeschwindigkeitslinsensystems, normalerweise eines Linsensystems
mit einer vorderen Linsengruppe mit einem großen Durchmesser, wichtig.
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Gemäß der Erfindung
bilden die erste optische Achse und die zweite optische Achse einen
Winkel, der kleiner oder gleich 90 Grad ist, wodurch ein besonders
kompaktes Linsensystem erhalten werden kann.
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In
noch einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel bilden die zweite
optische Achse und die optische Achse des Bildaufnahmegeräts einen
Winkel, der kleiner oder gleich 90 Grad ist, wodurch in Abhängigkeit
von der Größe des Bildaufnahmegeräts ein noch
kompakteres Linsensystem erhalten werden kann. Wenn das Bildaufnahmegerät groß ist, was
oft der Fall ist, wird ein kompakteres System erhalten.
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Die
Ausrichtungen der optischen Achsen kann für jeden geeigneten Zweck ausgelegt
werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegen die erste
optische Achse und die optische Achse des Bildaufnahmegeräts im Wesentlichen
in derselben Ebene.
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Ferner
liegen die erste optische Achse und die optische Achse des Bildaufnahmegeräts vorzugsweise im
Wesentlichen parallel zueinander.
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S-Verhältnis
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Gemäß der Erfindung
weist das Linsensystem ein Verhältnis
S der Höhe
H des optischen Systems geteilt durch den Durchmesser D des Umkreises
des gebildeten Bildes auf, das kleiner als 4, vorzugsweise kleiner
oder gleich 2,55, insbesondere kleiner oder gleich 1,7 und am besten
kleiner oder gleich 1,2 ist; wobei die Höhe H des optischen Systems
die maximale projizierte Entfernung auf der ersten optischen Achse
von irgendeinem beliebigen Teil des optischen Systems inklusive
Linsen, Filter, Öffnungsblende,
Bildaufnahmegerät und
des Körpers
davon ist.
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Wie
aus dem Ausdruck hervorgeht, liefert ein kleines S-Verhältnis ein
kompaktes optisches System.
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Ein
besonders bevorzugtes optisches System weist ein Verhältnis S
von 2,55 oder kleiner auf, wodurch erreicht wird, dass das Linsensystem
ein Bild einer Größe bilden
kann, welche z. B. für
ein 1/4''-CCD (1'' = 2,54 cm) mit großem Auflösungsvermögen geeignet ist, und das gesamte
optische System im Körper
des Bildaufnahmegeräts
mit einer Höhe
b, welche mit dem PCMCIA-Standard Typ III übereinstimmt, untergebracht werden
kann.
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Für ein "Hochleistungs"-Ausführungsbeispiel
mit einer erhöhten
Wanddicke und einer größeren paraxialen
Bildhöhe
für leichtere
Ausrichtung wird ein Verhältnis
S von 2,1 oder kleiner bevorzugt.
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Ein
anderes bevorzugtes optisches System weist ein Verhältnis S
von 1,7 oder kleiner auf, wodurch erreicht wird, dass das optische
System mit dem großen
Auflösungsvermögen, welches
ein 1/4''-Bildaufnahmegerät verwendet,
z. B. ein CCD, verwendet, im Körper
des Bildaufnahmesystems mit einer Höhe b von ungefähr 7 mm,
welche zum Tragen des Bildaufnahmegeräts z. B. in einer Brieftasche
oder einer kleinen Tasche zum Tragen von Kreditkarten wünschenswert
ist, untergebracht werden kann.
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Noch
ein anderes bevorzugtes optisches System weist ein Verhältnis S
von 1, 2 oder kleiner auf, wodurch erreicht wird, dass das optische
System mit großem
Auflösungsvermögen, welches
ein 1/4''-Bildaufnahmegerät verwendet,
z. B. ein CCD, im Körper
des Bildaufnahmegeräts
mit einer Höhe
b, welche mit dem PCMCIA-Standard
Typ II. übereinstimmt.
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Für ein "Hochleistungs"-Ausführungsbeispiel
mit einem besseren Schutz der vorderen Linse wird ein S-Verhältnis von
1 oder kleiner bevorzugt.
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Das
S-Verhältnis
ist nicht auf die Anwendungen beschränkt, wie hier gezeigt, wo geeignete
Systeme mit einem S-Verhältnis,
das für
die betreffende Anwendung geeignet ist, konstruiert werden können.
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Höhenverhältnis
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Es
wird besonders bevorzugt, dass das Höhenverhältnis der effektiven Linsenhöhe h und
der effektiven Brennweite f des Linsensystems kleiner als 1,7 und
vorzugsweise kleiner als 1,5 ist, wodurch im Vergleich zu Linsensystemen
mit großem
Auflösungsvermögen nach
dem Stand der Technik besonders kompakte flache Bauformen erhalten
werden können.
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Empfang von optischen Daten
durch eine breite Flache
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Gemäß der Erfindung
empfängt
das Linsensystem die optischen Daten durch eine der breiten Flächen des
Körpers
des optischen Bildaufnahmesystems, wodurch erreicht wird, dass der
Bildsucher richtig gerahmt ist, d. h. es leicht ist, durch den Bildsucher
durchzuschauen und nur das abzubildende Bild zu sehen. Da die Höhe des Körpers sehr
niedrig sein kann, ist es nicht angebracht, die optischen Daten
durch eine Seite des Körpers
zu empfangen.
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Für ein System,
welches die optischen Daten von der Seite empfängt, wäre eine stabile Platzierung des
Bildsuchers vor dem Auge schwer zu erreichen. Außerdem nimmt der Bildsucher
für ein
derartiges System sehr viel Platz ein.
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Im
Gegensatz zu einem derartigen System ist das optische Bildaufnahmesystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung sehr leicht zu halten und zu bedienen. Keine Teile davon
stehen vom Benutzer vor, und es kann mit einer Hand oder zwei Händen ruhig
gehalten werden und erlaubt dadurch die Bedienung davon auf eine
ergonomisch korrekte Weise. Für
flache Bildaufnahmesysteme, welche an der Wand angebracht werden, ist
es unbedingt notwendig, dass die optischen Daten durch eine breite
Fläche
empfangen werden.
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Bildaufnahmegerät
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Gemäß der Erfindung
nimmt der Körper
ein Bildaufnahmegerät
mit einer lichtempfindlichen Zone auf. Bildaufnahmegeräte können aus
jedem geeigneten Gerät
bestehen, welches die optischen Daten, die durch das Linsensystem
in ein Bild umgeformt werden, in Form eines Signals, welches in
einem Bildverarbeitungssystem verarbeitet werden kann, aufnehmen
kann.
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Das
Bildaufnahmegerät
ist vorzugsweise ein lichtempfindliches elektrisches Gerät und insbesondere ein
Festkörperbildsensor,
wie beispielsweise ein ladungsgekoppeltes Gerät (CCD), ein Metalloxid-Halbleiter (MOS)
oder ähnliches.
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Wenn
ein Festkörperbildsensor
verwendet wird, kann die geometrische Verzeichnung des Linsensystems
elektronisch korrigiert werden, wodurch eine große geometrische Verzeichnung
des Linsensystems erlaubt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass
die vordere Linsengruppe stark lichtbrechend gemacht werden kann,
wodurch der Durchmesser der letzten Fläche der vorderen Linsengruppe
und die Größe des ersten
reflektierenden Elements auf ein Minimum herabgesetzt werden können und
folglich die Höhe
des Linsensystems verringert werden kann.
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Das
Seitenverhältnis
des Bildaufnahmegeräts
kann innerhalb weiter Grenzen gewählt werden, vorausgesetzt,
dass der Radius des aktiven Feldes des Bildaufnahmegeräts, gemessen
von der optischen Achse, innerhalb der realen Bildhöhe des Linsensystems liegt.
Wenn der Radius größer ist,
gibt es "tote" Bildelemente, welche
nicht zum gebildeten Bild aufgenommen werden. Normalerweise wird
ein Seitenverhältnis
von 4/3 für einen
Festkörperbildsensor
verwendet, aber es kann auch ein Seitenverhältnis von 16/9 verwendet werden.
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Optisches Filter
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Das
Linsensystem kann ferner ein oder mehr optische Filter umfassen,
welche gemäß dem langen
hinteren Brennpunkt und dem gefalteten Linsensystem der Erfindung
im Körper
aufgenommen werden können, ohne
die effektive Linsenhöhe
zu erhöhen.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfasst das Linsensystem ein Antialiasingfilter, welches zwischen
der letzten Linse in der hinteren Linsengruppe und dem Bildaufnahmegerät eingefügt wird.
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Das
Antialiasingfilter ist vorzugsweise ein Unschärfefilter, welches zwischen
der hinteren Linsengruppe und dem Bildaufnahmegerät angeordnet
wird, wodurch Aliasing, das durch das Bildaufnahmegerät, z. B. ein
CCD, mit einer Farbfilteranordnung auf seiner Fläche und Objekte mit einem hohen
Detailgrad verursacht wird, reduziert werden kann.
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Das
Unschärfefilter
kann hergestellt werden, wie im Fachgebiet bekannt. Es kann aus
einem oder mehr doppelbrechenden kristallinen Quarzplatten bestehen,
welche im Vergleich zur Brennweite des optischen Systems normalerweise
große
Dicken aufweisen. Seine Konstruktion hängt von der Struktur der Bildelemente
und der Farbfilteranordnung des Bildaufnahmegeräts ab.
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Das
Filter weist vorzugsweise eine optische Achse auf, welche parallel
zur zweiten optischen Achse des optischen Systems liegt, wodurch
erreicht wird, dass die effektive Linsenhöhe klein gehalten werden kann, selbst
wenn das Filter im Vergleich zur Brennweite dick ist.
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Die
Filter können
in jeder geeigneten Position angeordnet werden. In einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel,
z. B. in Foren einer elektronischen Kamera, wie zuvor beschrieben,
wird das Filter zwischen dem Linsensystem und dem Bildaufnahmegerät angeordnet.
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Das
Filter kann mehrere Millimeter dick sein. Wenn das Filter jedoch
dick ist und nach dem zusätzlichen
reflektierenden Element positioniert wird, kann eine große effektive
Linsenhöhe
erforderlich sein.
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Wenn
das Filter verhältnismäßig dünn ist,
z. B. nur aus wenigen Elementen besteht, oder wenn der hintere Brennpunkt
sehr lang ist, wird erreicht, dass ein zusätzliches reflektierendes Element
nach der hinteren Linsengruppe, vorzugsweise nach dem Filter, eingefügt werden
kann. Dadurch wird ferner erreicht, dass die zweite optische Achse
in die optische Achse des Bildaufnahmegeräts gefaltet werden kann, wodurch
Bildaufnahmegeräte
in Standardgehäusen
verwendet werden können
und sie z. B. direkt auf einer Leiterplatte angebracht werden können.
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Das
Unschärfefilter
kann mit einem IR-Sperrfilter oder anderen Filtern oder Kombinationen
davon kombiniert werden.
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Für optische
Bildaufnahmesysteme, bei welchen kein Unschärfefilter benötigt wird,
z. B. einem optischen Bildaufnahmesystem mit einer fixen Öffnungsblende
und einem Farbfilteranordnungsmuster, welches rotationssymmetrische
Unschärfe
erlaubt, die durch ein Defokussieren des Linsensystems verursacht
wird, kann das optische Filter aus einem oder mehr Aufdampffilter
bestehen, wodurch erreicht wird, dass nur sehr wenig Platz erforderlich
ist, um das Filter unterzubringen.
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In
diesem Fall kann das optische Filter auf eine Linsenfläche aufgedampft
werden, wobei gebührend darauf
geachtet wird, dass die Spektralcharakteristiken des Filters mit
dem Einfallswinkel variieren. Um diese Wirkung zu reduzieren, wird
das Filter vorzugsweise so angeordnet, dass die Hauptstrahlen normal
auf die Filterfläche
stehen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Aufdampffilter
auf die konkave Flache der ersten Linse aufgetragen.
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Wenn
ein doppelbrechendes Unschärfefilter
verwendet wird, ist es notwendig, die Bildfehler, welche durch das
Filter eingebracht werden, zu korrigieren. Diese Korrekturen sind
dem Durchschnittsfachmann bekannt.
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Körper
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Gemäß der Erfindung
kann der Körper
jeder geeignete Körper
sein, welcher eine Bauform mit niedrigem Gewicht und breiten Flachen
aufweist, wobei durch eine der Flachen die optischen Daten empfangen
werden, der Körper
das optische Bildaufnahmesystem aufnehmen kann und der Körper das
optische Bildaufnahmesystem sowohl mechanisch als auch optisch vor
der äußeren Umgebung
schützen
kann.
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In
einem geeigneten Ausführungsbeispiel
weist der Körper
einen starren Aufbau mit einer dünnen Wand
aus geeignetem Material, wie beispielsweise einem geformten Kunststoff,
einer Leichtmetall-Druckgusslegierung oder einer geformten Metallplatte
auf. Die Wand kann auch aus einem Verbundmaterial, wie beispielsweise
kohlefaserverstärktem
Kunstharz, sein, wodurch ein besonders bevorzugter leichter und
mechanisch starker Körper
erreicht wird.
-
Um
das optische Bildaufnahmesystem vor elektrostatischer Entladung
zu schützen
und elektromagnetische Kompatibilität sicherzustellen, kann der
Körper
ferner aus einem leitfähigen
Material, wie beispielsweise Kohlefasern, hergestellt werden oder
dieses umfassen.
-
Im
Allgemeinen ist die Höhe
des Körpers
niedriger als 20 mm, wodurch erreicht wird, dass der Körper eine
ausreichend flache Bauform zur Unterbringung in Schlitzen der am
häufigsten
verwendeten Abmessungen in Bildverarbeitungssystemen aufweist. In
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die Höhe niedriger
als oder gleich 10,5 mm, wodurch die Körperhöhe mit dem PCMCIA-Standard
Typ III übereinstimmt.
-
Am
besten ist die Höhe
niedriger als oder gleich 5,0 mm, wodurch die Körperhöhe mit dem PCMCIA-Standard
Typ II übereinstimmt.
-
Zum
Einführen
in eine Brieftasche ist eine Höhe
von höchstens
7 mm erwünscht.
-
Speichern, Übertragen
und Empfangen elektronischer Signale Der Körper des optischen Bildaufnahmesystems
kann ferner mehrere Zubehörteile
zur Fokussierung, Weißabgleichsteuerung,
automatischen Verstärkungsregelung
usw. umfassen. Er kann auch eine Leistungsversorgung, z. B. eine
Batterie, enthalten.
-
In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfasst der Körper
ferner Mittel zum Speichern elektronischer Signale von Steuerdaten
zum Steuern des Betriebs des externen Geräts.
-
In
einem konkreten Ausführungsbeispiel
umfasst der Körper
vorzugsweise Mittel zum Laden der Steuerdaten in das externe Gerät, wodurch
erreicht wird, dass der Betrieb des externen Geräts, z. B. eines Bildverarbeitungssystems,
welches nicht zum Verarbeiten der optischen Bilder des optischen
Bildaufnahmesystems voreingestellt ist, durch die spezifischen Steuerdaten,
welche in das externe Gerät
geladen wurden, gesteuert werden kann.
-
Die
Steuerdaten umfassen Systembetriebssoftware, wie beispielsweise
Software zur Steuerung des Bildverarbeitungssystems und Software
zur Bildverarbeitung.
-
Die Übertragung
der elektronischen Signale kann auf jede geeignete Art und Weise,
welche dem Durchschnittsfachmann bekannt ist, ausgeführt werden,
wie beispielsweise entweder durch direkten Anschluss der elektrischen
Schaltkreise des optischen Bildaufnahmesystems an den des Verarbeitungssystems oder
durch drahtlose Übertragung/Empfang.
-
Wenn
ein direkter Anschluss angewendet wird, wird die Führung des
Anschlusses vorzugsweise gesteuert. Daher umfasst der Körper in
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ferner ein Führungsmittel
zu seiner Führung
in einem Schlitz, Nut oder dergleichen.
-
Es
ist nicht erforderlich, dass der Körper in das Bildverarbeitungssystem,
eingeführt
wird. In einem Ausführungsbeispiel
wird ein Bildschirm an den Körper
des optischen Bildaufnahmesystems angeschlossen. Dieser Anschluss
kann dauerhaft sein oder nicht, und der Bildschirm kann integral
mit dem Körper
verbunden werden.
-
Insbesondere
weist das Ausführungsbeispiel
der drahtlosen Übertragung/Empfangs
den Vorteil des Vermeidens von Sicherheitsmaßnahmen zur Sicherstellung
der Führung
der Verbindung des optischen Bildaufnahmesystems und des Verarbeitungssystems
auf.
-
In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfasst das Mittel zum Übertragen
elektronischer Signale einen drahtlosen Sender für analoge und/oder digitale Übertragung.
-
Auch
die Mittel zum Empfangen elektronischer Signale umfassen einen drahtlosen
Empfänger
für analoge
und/oder digitale Übertragung.
-
Der
drahtlose Sender und Empfänger
kann jedes derartige geeignete Gerät sein, welches dem Durchschnittsfachmann
bekannt ist, z. B. ein Rundfunksender/-empfänger
oder ein optischer Sender/Empfänger.
-
Optisches Bildaufnahme- und -verarbeitungssystem
-
In
einem anderen Aspekt ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein optisches Bildaufnahme- und -verarbeitungssystem bereitzustellen,
für welches
die optischen Daten problemlos vom optischen Bildaufnahmesystem
an das zugehörige
Verarbeitungssystem übertragen
werden können.
-
Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
durch Bereitstellen eines Bildaufnahme- und -verarbeitungssystems zum Aufnehmen
und Verarbeiten elektrischer Signale von optischen Daten und anderen
Daten erfüllt; wobei
das System ein optisches Bildaufnahmesystem gemäß der Erfindung umfasst, wobei
die Mittel zum Übertragen
und Empfangen von elektrischen Signalen aus einem Paar von Anschlussvorrichtungen
mit einer Datenbusschnittstelle bestehen, wobei eine Anschlussvorrichtung
des Paars von Anschlussvorrichtungen im optischen Bildaufnahmesystem
untergebracht ist für
den Direktanschluss an die andere des Paars von Anschlussvorrichtungen,
welche im Bildverarbeitungssystem untergebracht ist.
-
In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird die Anschlussvorrichtung des optischen Bildaufnahmesystems
in der Endfläche
davon untergebracht, wodurch eine besonders einfache Verbindung
mit mehreren Verbindungen hergestellt werden kann und ein paralleler
Datenbus für
rasche Kommunikation bereitgestellt werden kann. Außerdem ist
die Anschlussvorrichtung gegen mechanische Belastung gut geschützt und
stellt einen guten Schutz gegen elektrostatische Entladung (ESD)
bereit.
-
In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
nimmt das Bildverarbeitungssystem die Anschlussvorrichtung in einem
Schlitz auf, wodurch die Unterbringung und der Anschluss des optischen
Bildaufnahmesystems auf eine einfache und sichere Art und Weise
sichergestellt wird, ohne ein umständliches Kabel verwenden zu müssen. Das
optische Bildaufnahmesystem kann teilweise oder vollständig in
den Schlitz eingeführt
werden, um dadurch sicherzustellen, dass empfindliche Teile, z.
B. das Linsensystem, gegen mechanische Einflüsse während der Verbindung mit dem
Bildverarbeitungssystem geschützt
sind.
-
In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfassen das optische Bildaufnahmesystem und der Schlitz des Verarbeitungssystems
Führungsmittel
zum Führen
ihres Anstecken aneinander, wodurch eine sichere Verbindung sichergestellt
wird.
-
Geeignete
Bildverarbeitungssysteme sind im Fachgebiet bekannt. Sie umfassen
Computer, wie beispielsweise Personal Computer und Laptop-Computer;
Telefone, Mobiltelefone und Satellitentelefone; Drucker; Bildschirme
und Videobandeinheiten, sind aber nicht darauf beschränkt.
-
3. KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
-
1A, 1B und 1C stellen
ein optisches Bildaufnahmesystem nach dem Stand der Technik dar;
-
2A, 2B, 4 und 5 stellen
Querschnittansichten und eine Draufsicht von Beispielen von optischen
Bildaufnahmesystemen dar;
-
3A und 3B stellen
Querschnittansichten von optischen Bildaufnahmesystemen der Erfindung dar;
-
6 stellt
eine Strahlenverfolgung des Linsensystems ähnlich dem in 2A dargestellten
ohne Filter 27 dar;
-
7 stellt
ein Punktdiagramm des Linsensystems, das in 6 dargestellt
ist, dar;
-
8 stellt
eine Kontrastübertragungsfunktion
der polychromatischen Beugung (MTF) für das Linsensystem, das in 6 dargestellt
ist, dar;
-
9 stellt
die Feldkrümmung
(A) und geometrische Verzeichnung (B) des Linsensystems, das in 6 dargestellt
ist, dar;
-
10A, 10B und 10C stellen drei Ansichten eines Beispiels eines
Bildaufnahmesystems dar;
-
11 stellt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des optischen Bildaufnahmesystems, das nicht in ein Bildverarbeitungssystem
eingeführt
ist, dar;
-
12 stellt
das in 11 dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel,
das in das ebenfalls in 11 dargestellte
Bildverarbeitungssystem eingeführt
ist, dar;
-
13A und 13B stellen
eine Querschnittansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Bildaufnahmesystems,
das teilweise und vollständig
in ein Bildverarbeitungssystem eingeführt ist, dar;
-
14A, 14B, 14C und 14D stellen
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Führungsmittels
des Bildverarbeitungssystems gemäß der vorliegenden
Erfindung dar; und
-
15 stellt
ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels
des Bildaufnahmesystems und seines Anschlusses an ein Bildverarbeitungssystem
dar.
-
4. AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
-
Stand der Technik
-
1A stellt
eine schematische Draufsicht einer breiten Fläche eines optischen Bildaufnahmesystems
nach dem Stand der Technik dar. Das Bildaufnahmesystem umfasst einen
flachen Körper 10 mit
breiten Flächen;
ein Linsensystem 11, wobei die Linsen auswechselbar sind,
wie in 1B und 1C, welche
Endansichten von der Linie A-A darstellen, veranschaulicht wird;
ein zweidimensionales Bildaufnahmegerät 12 und eine Anschlussvorrichtung 13.
-
Die
optischen Daten werden durch das Linsensystem 11 empfangen
und in ein Bild umgewandelt. Das zweidimensionale Bildaufnahmegerät 12 wandelt
die optischen Daten in elektrische Daten um, welche in einem Halbleiterspeicher
verarbeitet und gespeichert werden können.
-
Vom
Halbleiterspeicher können
die elektrischen Daten durch die Anschlussvorrichtung 13 an
ein Bildverarbeitungssystem übertragen
werden.
-
In 1B sind
die effektive Linsenhöhe
h, die Höhe
H des optischen Systems und die Körperhöhe b dargestellt.
-
Um
zu bewirken, dass das gesamte Bildaufnahmesystem eine flache Bauform
aufweist, ist es notwendig, das Linsensystem auszubauen, wie in 1C veranschaulicht.
-
Bevorzugtes Ausführungsbeispiel
gemäß der Erfindung
-
2A stellt
eine Querschnittansicht und 2B stellt
eine Draufsicht eines Beispiels, eines optischen Bildaufnahmesystems,
welches nicht von der vorliegenden Erfindung umfasst ist. Es umfasst
ein Linsensystem, welches eine vordere Linsengruppe 21;
eine hintere Linsengruppe 22; ein reflektierendes Element 23;
ein zusätzliches
reflektierendes Element 24; eine Öffnungsblende 26 und
ein optisches Filter 27 umfasst. Das optische Bild 28,
welches einen Umkreis von einem Durchmesser D aufweist, wird durch
das Linsensystem gebildet und durch das Bildaufnahmegerät 25 in
elektrische Signale umgewandelt.
-
Das
optische Bildaufnahmesystem umfasst ferner einen Körper 20 mit
breiten Flächen 201 und 202 und
einer niedrigen Höhe
b, wobei der Körper
das Linsensystem und das Bildaufnahmegerät beherbergt.
-
Im
Gegensatz zu 1, dem Stand der Technik,
wird das Linsensystem im Körper 20 untergebracht, wodurch
das optische Bildaufnahmesystem jederzeit eine niedrige Höhe b und
eine robuste Struktur aufweist. Die Höhe H des optischen Systems,
sowie die effektive Linsenhöhe
sind niedriger als die Körperhöhe b.
-
Die
optischen Daten werden durch die vordere Linsengruppe 21 mit
der optischen Achse 211 empfangen und werden dann durch
das reflektierende Element 23 in einem Winkel a in die
optische Achse 221 der hinteren Linsengruppe 22 reflektiert.
Das zusätzliche
reflektierende Element 24 reflektiert das nichtfokussierte Bild
auf die lichtempfindliche Flache des Bildaufnahmegeräts 25 mit
einer optischen Achse 251.
-
In
dem Beispiel ist der halbe Bildwinkel 33 Grad – ein verhältnismäßig großes Feld.
Um genug Platz für
das reflektierende Element 23 zwischen der vorderen Linsengruppe 21 und
der hinteren Linsengruppe 22 bereitzustellen, wird ein
Prinzip der Umkehrfernfotografie gewählt. Das Prinzip der Umkehrfernfotografie
weist ferner den Vorteil auf, dass es einen guten Standard von Gleichmäßigkeit
der Bildbeleuchtung und -definition liefert. Es stellt auch Platz
für optische
Filter bereit.
-
Die
vordere Linsengruppe 21 besteht nur aus einer Linse, wobei
die Linse stark streuend ist. Dadurch, dass nur eine Linse in der
vorderen Linsengruppe 21 vorhanden ist und zugelassen wird,
dass diese Linse stark streuend ist, werden die Höhe der vorderen
Linsengruppe und der Durchmesser der letzten Fläche der vorderen Linsengruppe 21 auf
ein Minimum herabgesetzt. Dadurch wird die Höhe des reflektierenden Elements 23 auf
ein Minimum herabgesetzt und werden folglich die Höhe H des
optischen Systems und die Höhe b
des Körpers 20 auf
ein Minimum herabgesetzt.
-
In
diesem Beispiel besteht die erste Linse in der vorderen Linsengruppe 21 aus
BAK50, das eine harte streckfeste Glasart mit guter chemischer und
klimatischer Beständigkeit
ist.
-
Andere
Glasarten oder zum Beispiel Kunststoffe können für das Linsensystem verwendet
werden, aber es sollte beachtet werden, dass dies einen Einfluss
auf die Leistung haben kann. Alle vorgeschriebenen Glasarten, welche
im bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind bei Schott Glaswerke,
Hatterbergstraße
10, D-6500 Mainz, Deutschland, erhältlich.
-
Die
hintere Linsengruppe 22 ist eine Sammellinse, welche aus
vier Elementen besteht, wobei eines achromatisch ist. Da die optischen
Daten, welche durch die vordere Linsengruppe 21 empfangen
werden, in einem Winkel von weniger als 180 Grad durch das reflektierende
Element 23 reflektiert werden, hat die hintere Linsengruppe 22 keinen
oder nur leichten Einfluss auf die Höhe b des Körpers 20. Es ist also
möglich,
eine Mehrzahl von Linsen in der hinteren Linsengruppe 22 und
eine große
relative Öffnung
zu haben und ein gutes scharfes Bild zu erhalten. Außerdem ist
es möglich,
von verhältnismäßig dicken
Linsen und achromatischen Linsen, wie zum Beispiel die erste Linse
und die achromatische Linse in der hinteren Linsengruppe 22,
Gebrauch zu machen.
-
Die
Daten des Linsensystems, das in
6 gezeigt
wird, sind in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1
| Fläche | Radius | Dicke | Glas | Durchmesser |
| Objekt | Unendlichkeit | 1031 | | 1268,761 |
| 1 | 69,82798 | 0,62491 | BAK50 | 5.5685 |
| 2 | 3,08561 | 279169 | | 4,4154 |
| 3
coordbrk | | 0 | | 0 |
| 4 | Unendlichkeit | 0 | Spiegel | 5,3371 |
| 5
coordbrk | | –2,79169 | | 0 |
| 6 | –14,03706 | –2,20607 | BAFN6 | 3,7858 |
| 7 | 5,85567 | –0,27864 | | 3,5009 |
| 8 | –2,89064 | –0,67185 | BALF5 | 2,8786 |
| 9 | –20,0553 | –0,05665 | | 2,6079 |
| 10
Blende | Unendlichkeit | –0,17353 | | 2,5891 |
| 11 | 16,94942 | –0.62243 | F6 | 2,5588 |
| 12 | –2,89336 | –0,19691 | | 2,4885 |
| 13 | –9,22677 | –1,10781 | SF4 | 2.4885 |
| 14 | –2,99430 | –0.77470 | LAKN7 | 2,6708 |
| 15 | 7,23099 | –3,65 | | 2,8492 |
| 16
coordbrk | | 0 | | 0 |
| 17 | Unendlichkeit | 0 | Spiegel | 5,1239 |
| 18
coordbrk | | 1,95296 | | 0 |
| Bild | Unendlichkeit | 0 | | 4,6059 |
- Einheiten: mm
- Effektive Brennweite f: 3,98
- Öffnung:
F#2,8
-
Das
Linsensystem weist ein S-Verhältnis
von 1,2 auf, wodurch es ideal für
eine "Hochleistungs"-"Brieftaschenkamera" ist, und durch ungefähr 13%iges
Verkleinern ist es ideal für
ein Bildaufnahmesystem mit einem Körper, der eine Höhe b aufweist,
welche mit dem PCMCIA-Standard Typ II übereinstimmt.
-
Ein
Durchschnittsfachmann kann die Daten, Materialien der verschiedenen
Linsenelemente und andere Komponenten, welche für alternative Konstruktionen
geeignet sind, unter Berücksichtigung
von Änderungen
in den Leistungen auswählen.
-
Die
reflektierenden Elemente 23 und 24 sind Oberflächenspiegel.
Sie können
durch Prismen ersetzt werden.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
mit einer SLR(einäugigen
Reflexkamera)-Funktion kann das zusätzliche reflektierende Element
durch einen Strahlenteiler ersetzt werden, welcher das Bild 28,
das durch das Linsensystem gebildet wird, in zwei Bilder teilt:
eines, das auf das Bildaufnahmegerät fokussiert wird, und das
andere, das in einen Viewer umgewandelt wird, wie im Fachgebiet
bekannt ist. Auf diese Weise kann eine Zoom-Funktion in einer sehr
flachen Konstruktion hergestellt werden.
-
In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist das Bildaufnahmegerät 25 ein
zweidimensionaler CCD(ladungsgekoppeltes Gerät)-Feldbildsensor. Das optische Bild 28,
welches durch das Linsensystem gebildet wird, wird durch das Bildaufnahmegerät 25 in
elektrische Signale umgewandelt. Diese elektrischen Signale können in
einem Datenspeichergerät,
normalerweise einem Halbleiterspeicher, verarbeitet und gespeichert
werden.
-
3A und 3B stellen
das Linsensystem und das optische Bildaufnahmegerät 25 in
dem Ausführungsbeispiel
mit einem nichtrotationssymmetrischen vorderen Linsengruppenelement
und einem verkleinerten Winkel a dar. Da der aktive Teil des Bildaufnahmegeräts 25 im
Ausführungsbeispiel
rechteckig ist, brauchen die von der Öffnungsblende 26 entfernten
Linsen nicht rotationssymmetrisch zu sein. In 3A wird
dieses Merkmal verwendet, um den Winkel a zu verkleinern, wodurch
erreicht wird, dass die effektive Linsenhöhe h des Linsensystems verringert
werden kann oder dass die Länge
der optischen Achse 251 vom reflektierenden Element 24 zum
Bildaufnahmegerät 25 vergrößert werden
kann, ohne die effektive Linsehöhe
h zu erhöhen.
Dies ist wichtig, wenn ein CCD (oder eine andere Art von optischem
Bildaufnahmegerät)
in einem Gehäuse 31 mit
Wänden,
welche auf einem höheren
Niveau als der aktive Teil des CCDs liegen, verwendet wird. Dies wird
in 3A veranschaulicht. Indem die effektive Linsenhöhe h beträchtlich
niedriger als die Gesamthöhe
H des optischen Systems gemacht wird, ist es möglich, das CCD 25 direkt
auf einer Leiterplatte 32 anzubringen, wodurch der elektronische
Teil des optischen Bildaufnahmesystems vereinfacht werden und kompakter
gemacht werden kann, da nur eine Leiterplatte erforderlich ist.
Ferner können
die Komponenten 33 gemäß dem allgemeinen
Prinzip der "Chips-on-board"-Technik auf beiden
Seiten der Leiterplatte 32 positioniert werden, ohne die
Gesamthöhe
H des optischen Systems und dadurch die Höhe b des optischen Bildaufnahmegeräts zu erhöhen. Dies
wird in 3B veranschaulicht.
-
4 stellt
das Linsensystem und das Bildaufnahmegerät in einem Beispiel mit einer
U-förmigen Bahn
von der vorderen Linsengruppe 21 zum Bildaufnahmegerät 25 dar.
Wie in 2 und 3 werden
die optischen Daten, welche durch die vordere Linsengruppe 21 empfangen
werden, durch das reflektierende Element 23 zur hinteren
Linsengruppe 22 reflektiert. Das Bild, das durch das Linsensystem
gebildet wird, wird dann durch das reflektierende Element 24 zum
Bildaufnahmegerät 25 reflektiert.
-
Das
Beispiel, welches in 4 dargestellt ist, ist bei Anwendungen,
bei welchen die effektive Linsenhöhe h sehr klein sein muss,
und bei Anwendungen mit mehr als einer Linse in der vorderen Linsengruppe 21 besonders
nützlich.
-
Wenn
die Länge
der optischen Achse 211 vom vorderen Punkt des ersten optischen
Elements mit der optischen Achse 211 als seine optische
Achse zum reflektierenden Element 23 verhältnismäßig groß ist (infolge
einer großen
vorderen Linsengruppe), kann das Beispiel, welches in 4 dargestellt
ist, verwendet werden, um die Gesamthöhe H auf ein Minimum herabzusetzen
oder um es möglich
zu machen, ein CCD in einem Standardgehäuse zu verwenden. Außerdem kann
ein Filter, z. B. ein Unschärfefilter,
zwischen dem reflektierenden Element 24 und dem Bildaufnahmegerät 25 eingefügt werden.
-
5 stellt
das Linsensystem und das Bildaufnahmegerät 25 in einem Beispiel
mit nur einem reflektierenden Element 23 dar. In diesem
Beispiel wurde das zweite reflektierende Element 24 weggelassen,
wodurch die Anzahl von Komponenten verringert ist und das Linsensystem
vereinfacht ist.
-
Dieses
Beispiel erlaubt es, dass das Bildaufnahmegerät 25 in der Richtung
der optischen Achse 221 dick ist. Für Anwendungen, bei welchen
eine gute Kühlung
des Bildaufnahmegeräts 25 wünschenswert
ist, z. B. unter Bedingungen schwacher Beleuchtung, welche ein hohes
Signal-Rausch-Verhältnis
erfordern, kann das Ausführungsbeispiel
verwendet werden, das in 5 dargestellt ist. Es schafft
auf der Rückseite
des Bildaufnahmegeräts 25 Platz
für Anordnungen
von ein oder mehr Kühlgeräten, wie
beispielsweise Kühlkörpern, Kühlgebläsen oder
Peltierelementen. Auf Grund des langen hinteren Brennpunkts und
des Weglassens des zweiten reflektierenden Elements 24 schafft
das Beispiel ferner Platz für
optische Filter 27 einer beträchtlichen Dicke zwischen der
letzten Linse in der hinteren Linsengruppe 22 und dem optischen
Bildaufnahmegerät 25. In
Abhängigkeit
vom Bildaufnahmegerät 25 liefert
ein doppelbrechendes Unschärfefilter üblicherweise
eine bessere Bildqualität.
Dieses Beispiel schafft Platz für
ein Unschärfefilter
mit mehrfachen Platten für
verbesserte Bildqualität.
Infolge einer Wahl eines Faltwinkels a kann die Entfernung in der
Richtung der optischen Achse 211 von der äußeren Fläche 201 des
Körpers 20 zur
Mitte des Bildaufnahmegeräts 25 so
gewählt
werden, dass sie beinahe die Hälfte
der Körperhöhe b des
Körpers 20 ist.
Auf diese Weise kann das Bildaufnahmegerät 25 die gesamte verfügbare Höhe innerhalb
des Körpers 20 verwenden
und kann infolgedessen die Größe des Bildaufnahmegeräts 25 maximiert
werden, wodurch optimale Auflösung
und Empfindlichkeit sichergestellt werden.
-
6 stellt
eine Strahlenverfolgung des Linsensystems dar. Die Strahlenverfolgung
wird mit den optischen Achsen 211, 221 und 251 in
der Papierebene und einer Öffnung
F#: 2,8 dargestellt.
-
7 zeigt
ein Punktdiagramm des Linsensystems der Beispiele, das in
6 dargestellt
ist. Vier Felder sind dargestellt: A, B, C und D. Die Daten für die vier
Felder sind wie in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2
| Feld | A | B | C | D |
| Objekt
(deg. = Grad) | 0,00
0,00 | 13,09
10,06 | 26,18
20,12 | –26,18
–20,12 |
| Bild
(mm) | 0,00
0,00 | 0,90
0,69 | 1,76
1,31 | –1,76
–1,31 |
| RMS-Radius
(Mikrometer) | 1,268 | 1,815 | 1,462 | 1,454 |
| Geometrischer
Radius (Mikrometer) | 2,934 | 4,676 | 5,182 | 4,066 |
- Bezugspunkt: Hauptstrahl.
-
Die
Länge L
der Skalenlinie betragt 20 Mikrometer.
-
Der
RMS-Radius ist der quadratische Mittelwertradius des Punkts. In
diesen Berechnungen ist keine Beugung berücksichtigt. Die Analyse erfolgte
unter Verwendung des optischen Berechnungsprogramms Zemax v.2.8
und v.4.0 der Focus Software Inc., P.O.Box 18228, Tucson, AZ 85731,
USA.
-
8 stellt
eine Kontrastübertragungsfunktion
der polychromatischen Beugung (MTF) für das Linsensystem des in 6 dargestellten
Beispiels bei voller Öffnung
dar. Die Felder sind dieselben wie in 7. DL ist
die Beugungsgrenze. Die Y-Achse ist der Kontrast eines Bildes eines
sinusförmigen
Gitterobjekts. Die X-Achse ist die Raumfrequenz in Zyklen pro Millimeter
im abgebildeten Gitter.
-
9 stellt
die Feldkrümmung
(A) und die geometrische Verzeichnung (B) des Linsensystems des Beispiels,
das in 6 dargestellt ist, dar. Das Feldkrümmungsdiagramm
stellt die Entfernung von der tatsächlichen Bildebene zur paraxialen
Bildebene als eine Funktion des Feldwinkels dar. Die X-Achse ist
die Feldkrümmung
in Millimetern. Die ganze Y-Achse entspricht 63 Grad des ganzen
Bildfeldes. Die tangentiale (T) und sagittale (S) Brennlinie sind
für drei
Wellenlängen
dargestellt: 0,486 Mikrometer, 0,588 Mikrometer und 0,656 Mikrometer.
-
Für die geometrische
Verzeichnung entspricht eine ganze Y-Achse 63 Grad des
ganzen Bildfeldes. Die Einheiten auf der X-Achse sind in Prozent.
-
10A, 10B und 10C stellen drei Ansichten eines Beispiels eines
Bildaufnahmesystems dar. In diesem Beispiel ist der Körper 20 kartenförmig, wodurch
er in einer Brieftasche oder einer kleinen Handtasche zum Tragen
von Kreditkarten getragen werden kann. Außerdem umfasst er eine Anschlussvorrichtung 1001 mit
Anschlussstiften 1003, und der Körper 20 ist mit einem
Führungsmittel 1004 versehen,
wodurch es möglich
ist, das optische Bildaufnahmesystem in den Schlitz eines Bildverarbeitungssystems
einzufügen
und daran anzuschließen.
Die optischen Daten werden durch das Linsensystem empfangen und
in ein Bild umgeformt, wie für
das Beispiel, das in 2A und 2B dargestellt
ist, beschrieben. Das Bildaufnahmegerät 25 wandelt die optischen
Daten in elektrische Daten um, welche im Festkörperspeicher 1002 gespeichert
werden. Im Beispiel ist dieser Speicher auswechselbar und ersetzbar.
Der Festkörperspeicher
ist ein Flash-Speicher, wie er im Fachgebiet bekannt ist. Andere
Arten von Speichervorrichtungen können ebenso verwendet werden. Die
breiten Flachen 201 und 202 machen es möglich, eine
oder mehr PCBs (Leiterplatten) zum Anbringen der elektronischen
Schaltkreise und Komponenten, welche zum Steuern des Bildaufnahmegeräts 25 und
zum Verarbeiten der elektrischen Daten vom Bildaufnahmegerät 25 erforderlich
sind. Außerdem
machen es die breiten Flachen 201 und 202 möglich, das
optische Bildaufnahmesystem mit einem effektiven und "bedienungsfreundlichen" Viewer 1006 zum
Anvisieren des Objekts, das aufgenommen werden soll, zu versehen.
Das optische Bildaufnahmesystem umfasst auch einen Verschluss 1007 zum
Aktivieren des Bildaufnahmesystems. Durch Verwenden der Polarisationsknöpfe 1005 wird
erreicht, dass das Bildaufnahmesystem nicht umgeschaltet wird, wenn
es in ein Bildverarbeitungssystem eingeführt wird. Die Polarisationsknöpfe ermöglichen
es auch, sicherzustellen, dass das Bildaufnahmesystem nur in Bildverarbeitungssysteme
und Ladegeräte
mit der richtigen Spannung und Stiftkonfiguration eingeführt werden
kann. Das Führungsmittel 1004 hilft
beim Einführen des
Bildaufnahmesystems in das passende Bildverarbeitungssystem, Ladegerät oder dergleichen.
Es bedeutet auch, dass der Körper 20 viele
verschiedene Konstruktionen, Größen und
Formen aufweisen kann und trotzdem problemlos in die passende Einheit
eingeführt
werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, Merkmale hinzuzufügen oder
wegzunehmen und eine flexible Konstruktionsplattform innerhalb desselben "Rahmens", welcher durch das
Führungsmittel 1004 bereitgestellt
wird, zu erhalten. Die Anschlussstifte 1003 der Anschlussvorrichtung 1001 sind
innerhalb des Gehäuses
der Anschlussvorrichtung 1001 untergebracht. Sie werden
hierdurch gegen mechanische und elektrische Belastung, wie beispielsweise
elektrostatische Entladung, geschützt, welche anderweitig die
empfindlichen Elektronikelemente innerhalb des optischen Bildaufnahmesystems
beschädigen
kann.
-
11 zeigt
das optische Bildaufnahmesystem 1000, das nicht in das
Bildverarbeitungssystem 1100 eingeführt ist. Das Führungsmittel 1004 (die
schraffierten Teile) des Bildaufnahmesystems 1000 passen
mit dem Führungsmittel 1101 des
Bildverarbeitungssystems 1100 zusammen und stellen eine
sichere und problemlose Verbindung der beiden Systeme sicher.
-
12 zeigt
das optische Bildaufnahmesystem 1000, das in das Bildverarbeitungssystem
eingeführt ist.
Wenn die beiden Systeme verbunden sind, erscheinen sie im bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung als eine einzige Einheit.
-
13A und 13B zeigen
eine Querschnittansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Bildaufnahmegeräts 1000,
das teilweise und vollständig
in das Bildverarbeitungssystem 110 eingeführt ist.
Das Bildverarbeitungssystem 1100 umfasst eine Steckverbindung 1301 und
Polarisationsknöpfe 1320,
welche mit der Steckverbindung 1001 und den Polarisationsknöpfen 1005 des
Bildaufnahmesystems 1000 zusammenpassen.
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14A, 14B, 14C und 14D stellen
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Führungsmittels 1004 des
Bildverarbeitungssystems gemäß der vorliegenden
Erfindung dar. Die schraffierten Teile auf dem Körper 20 sind das bevorzugte
Ausführungsbeispiel
des Führungsmittels 1004.
Es erstreckt sich entlang der Seite des Körpers 20, wodurch
eine gute Führung
in der gesamten Länge
des Körpers 20 des
Bildaufnahmesystems erzielt wird. Außerdem wird insbesondere um
die Anschlussvorrichtung 1001 eine gute Führung erzielt.
Auf diese Weise ist es in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel möglich, kleine
und feine Anschlussstifte in den Anschlussvorrichtungen 1001 und 1301 zu
verwenden. Infolgedessen kann eine große Anzahl von Anschlussstiften
verwendet werden und kann ein schneller paralleler Datenbus gebildet
werden.
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15 stellt
ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels
des Bildaufnahmegeräts
und seines Anschlusses an ein Bildverarbeitungssystem dar. Die optischen
Daten werden durch die Linse 1501 empfangen und in ein
Bild umgeformt, welches durch das Bildaufnahmegerät 25 aufgenommen
wird. Die elektrischen Daten werden dann an eine CCD-Treibersektion 1502 und
eine Signalverarbeitungssektion 1503 weitergegeben, wie
im Fachgebiet bekannt ist. Das Ausgangssignal wird über einen
A/D(Analog/Digital)-Umsetzer 1504 in Digitalform umgewandelt.
Der Datenbus 1505 tauscht die Daten zwischen jeder Sektion
des Bildaufnahmesystems aus. Die Bildverarbeitungssoftware für das Bildverarbeitungssystem 1100 ist
im Speicher 1506 gespeichert und kann an das Bildverarbeitungssystem 1100 übertragen
werden, wenn das Bildaufnahmesystem 1000 entweder durch
Draht oder drahtlos daran angeschlossen wird. Auf diese Weise wird
erreicht, dass die Daten vom Bildaufnahmesystem auf jedem Bildverarbeitungssystem
verarbeitet werden können,
vorausgesetzt, dass das Bildverarbeitungssystem eine passende Anschlussvorrichtung
und/oder eine Empfangs-/Sendevorrichtung umfasst, sowie ein Betriebssystem,
das die Software, welche durch das Bildaufnahmesystem bereitgestellt
wird, handhaben kann.
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Außerdem können Signalverarbeitung
und die Korrektur von geometrischer Verzeichnung, welche durch das
Linsensystem 1501 eingebracht werden, im Verarbeitungsblock 1508 erfolgen,
wonach die Daten im Datenverdichter 1509 verdichtet werden.
Die Daten können
dann im Speicher 1002 gespeichert werden. Ein wahlweiser
Pufferspeicher 1507 stellt sicher, dass die Daten vom A/D-Umsetzer 1504 vorübergehend
gespeichert werden können,
bevor sie in 1508 verarbeitet und in 1509 datenverdichtet
werden.
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Die
Daten, welche im Speicher 1002 gespeichert sind, können über die
Datenbussteuerung 1505 und die Anschlussvorrichtungen 1001 und 1301 an
das Bildverarbeitungssystem 1100 übertragen werden. Die Daten
werden im Bild- und Datenverarbeitungsgerät 1510 verarbeitet.
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Infolgedessen
muss Verarbeiten, welches Korrektur von geometrischer Verzeichnung umfasst,
nicht im Bildaufnahmesystem 1000 stattfinden, sondern kann
sehr gut im Bildverarbeitungssystem 1100 erfolgen.
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Die
Struktur des Bildaufnahmesystems und des Bildverarbeitungssystems
kann verändert
werden und verschieden von dem, was im Fachgebiet bekannt ist, konstruiert
werden, ebenso wie ein Strahlenteilerprisma zwischen der Linse 1501 und
dem Bildaufnahmegerät 25 eingefügt werden
kann, wodurch drei getrennte Bildwandler R (Rot), G (Grün) und B
(Blau) verwendet werden können.