-
Die vorliegende Erfindung betrifft
eine optische Vorrichtung mit Absorptionsgradient, die dazu bestimmt
ist, eine homogene Illumination in der Bildebene eines Objektivs
sicherzustellen. Die Erfindung betrifft außerdem eine solche optische
Vorrichtung, die ein Spektralfilter bildet, das dazu bestimmt ist, Spektralbereiche
in selektiver Weise aus dem gesamten Lichtspektrum, das die optische
Vorrichtung durchquert, auszufiltern. Die Erfindung betrifft ferner ein
Objektiv sowie eine Bildaufnahmevorrichtung, die mit einer optischen
Vorrichtung des oben erwähnten Typs
ausgestattet ist.
-
Die Herstellung eines Objektivs hoher
Qualität
für eine
digitale Bildaufnahmevorrichtung erfordert den Einbau eines Spektralfilters,
um das Rot und das Infrarot, gegen die die optischen Sensoren des
Halbleitertyps, mit denen diese Vorrichtungen ausgerüstet sind,
sehr empfindlich sind. Sie erfordert außerdem den Einbau eines Filters
mit Absorptionsgradient, um die Illumination in der Bildebene des
Objektivs zu homogenisieren. Tatsächlich weisen die Objektive
für gegenwärtig auf
dem Markt erhältliche
Bildaufnahmevorrichtungen das Problem einer Ungleichmäßigkeit
der Illumination in der Bildebene auf, die sich durch eine starke
Abnahme der Illumination von der Mitte der Bildebene zu deren Rändern äußert. Dieses Problem
hängt damit
zusammen, dass die Linsen, aus denen sich diese Objektive zusammensetzen, meistens
sphärische
Linsen sind. Solche Linsen werden auf Grund ihrer einfachen Herstellung
durch Schleifen und Polieren mit Hilfe von Schleifpulvern häufig verwendet.
Leider sind diese Linsen vom Gesichtspunkt der Illumination am ungünstigsten,
wie mit Bezug auf 1,
die der vorliegenden Anmeldung beigefügt ist, erläutert wird.
-
In der oben erwähnten 1 sind zwei Punkte gezeigt, die mit den
alphabetischen Bezugszeichen A bzw. B bezeichnet sind. Diese beiden Punkte
A und B liegen in der Bildebene 1 einer sphärischen
Linse 2. Wie aus 1 hervorgeht,
liegt der Punkt A auf der optischen Achse 4 der Linse 2,
während
sich der Punkt B in einem Abstand von dieser Achse 4 befindet.
Der Projektionsfaktor oder die nutzbare Öffnung der Linse 2 für die Punkte
A und B wird α bzw. β genannt.
Wie erkennbar ist, wird die nutzbare Öffnung für einen Punkt, der sich nicht
auf der Achse befindet, kleiner, oder anders gesagt, wird β < α. Folglich
nimmt die Illumination, d. h. die Energie pro Flächeneinheit für einen
nicht auf der Achse liegenden Punkt ab. Dies wird dadurch bestätigt, dass
sich die Illumination E nach der Beziehung E = E0cos4ω ändert, wobei
E0 die einfallende Strahlung ist und ω der Winkel
zwischen der optischen Achse und der Gerade, die einen Punkt der
Bildebene mit dem Mittelpunkt der Linse verbindet, ist. Somit ergibt
sich für einen
auf der Achse liegenden Punkt, dass ω = 0 und E = E0 maximal
ist. Umgekehrt ergibt sich für
einen nicht auf der Achse liegenden Punkt, dass der Winkel ω zunimmt
und die sich ergebende Illumination E abnimmt.
-
Wenn versucht wird, die vom Gesichtspunkt der
Illumination nachteiligen Auswirkungen der sphärischen Linsen zu kompensieren,
kommen mehrere Lösungen
in Betracht. Eine dieser Lösungen
besteht darin, asphärische
Linsen oder Kombinationen aus einer großen Anzahl von sphärischen
Linsen zu verwenden. Eine andere bekannte Lösung besteht darin, ein Filter
mit Absorptionsgradient zu verwenden. Ein solches Filter weist im
Allgemeinen die Form eines im Wesentlichen ebenen Substrats auf,
das in der Bildebene oder genauer in der Nähe dieser Bildebene oder einer
Zwischenbildebene angeordnet ist. Gemäß einer ersten Ausführungsvariante
ist eine der Seiten des Substrats mit einer dünnen Schicht aus einem reflektierenden
Material wie etwa Aluminium überzogen.
Diese Schicht weist die Besonderheit auf, dass sie in ihrer Mitte
dicker und somit reflektierender als in ihrer Randzone ist. Sie
ermöglicht
so das Homogenisieren der Illumination in der Bildebene des Objektivs,
indem sie die Illumination in der Mitte der Bildebenen reduziert,
während
sie an den Rändern
der Bildebene mehr Licht durchlässt.
Gemäß einer
weiteren Ausführungsvariante
ist das Filter mit Absorptionsgradient aus einem in der Masse getönten Material
hergestellt, dessen optische Dichte von der Mitte zu den Rändern des
Filters abnimmt. Andere, noch komplexere Filter mit Absorptionsgradient
können
ebenfalls verwendet werden.
-
Die soeben beschriebenen Korrekturmaßnahmen
besitzen den Nachteil, dass sie teuer sind. Insbesondere muss der
Einbau des Objektivs in einer sauberen Umgebung wie etwa einem Reinraum
ausgeführt
werden, wobei die Filter eingekapselt sein müssen, um gegen Staub geschützt zu sein,
was hohe Kosten verursacht. Außerdem
verhindert die Integration von zwei Zusatzelementen in den Lichtweg der
Objektive die Herstellung von miniaturisierten und kompakten Objektiven.
Ferner nimmt der Winkel, den das einfallende Licht mit der Oberfläche des
Filters mit Absorptionsgradient bildet, fern von der optischen Achse
des Objektivs zu, was eine Zunahme der von der Oberfläche des
Filters reflektierten Lichtmenge und folglich eine Abnahme an Helligkeit,
die an dem optischen Sensor, mit dem die Bildaufnahmevorrichtungen
versehen sind, ankommt, mit sich bringt.
-
Eine Kompensationsvorrichtung ist
außerdem
aus GB-A-2 099 177 bekannt.
-
Die vorliegende Erfindung hat zum
Ziel, die oben genannten Probleme und Nachteile zu beseitigen, indem
sie eine optische Vorrichtung vorschlägt, die das Kombinieren der
Funktionen eines Spektralfilters und eines Filters mit Absorptionsgradient
in ein- und demselben Element ermöglicht.
-
Dazu betrifft die vorliegende Erfindung
eine optische Vorrichtung zum Homogenisieren der Illumination in
einer Bildebene, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie aus einem
Block aus einem homogenen, transparenten, filtrierenden Material
gebildet ist, wobei dieser Block einen Absorptionskoeffizienten aufweist,
der für
die Gesamtheit der Wellenlängen des
sichtbaren Spektrums, die ihn durchqueren, im Wesentlichen gleichförmig ist,
und eine sich ändernde
Dicke aufweist, die an ein bestimmtes Absorptionsprofil angepasst
ist, wobei das Absorptionsprofil das Homogenisieren der Illumination
der Bildebene ermöglicht.
-
Dank dieser Eigenschaften schafft
die vorliegende Endung eine optische Vorrichtung, deren Dicke, zweckmäßig gewählt, eine
graduelle Absorption bewirkt, durch die eine gleichmäßige Helligkeit
in der Bildebene des Objektivs, mit dem eine solche Vorrichtung
ausgestattet ist, erzielt werden kann. Im Vergleich zu den Filtern
mit Absorptionsgradient des Standes der Technik ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
dank ihrer monolithischen Struktur einfach und kostengünstig herzustellen.
Sie ist ferner Raum sparend, so dass sie ohne weiteres in das Objektiv integriert
werden kann.
-
Gemäß einem zusätzlichen Merkmal der Erfindung
bildet der transparente, filtrierende Materialblock eine Linse.
-
Gemäß einem weiteren Merkmal der
Erfindung weist die optische Vorrichtung einen Absorptionskoeffizienten
höheren
Werts für
die Wellenlängen auf,
die in einem vorgegebenen Spektralbereich enthalten sind.
-
Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung im
Gegensatz zum Stand der Technik, in dem die Herstellung eines Objektivs
hoher Qualität
für eine
digitale Bildaufnahmevorrichtung den Einbau eines Filters mit Absorptionsgradient,
eines Spektralfilters und einer Linse in den Lichtweg des Objektivs
erfordert, das Verei nigen der Funktionen dieser beiden Filter und
der Linse in ein- und demselben Element. Dadurch können die
Gestehungskosten des Objektivs begrenzt werden, weil zum einen die
Anzahl von bei seinem Einbau erforderlichen Teilen reduziert ist und
zum anderen die Herstellung vereinfacht ist, da lediglich der Raum,
der die erfindungsgemäße optische
Vorrichtung von dem Bildsensor trennt, eingekapselt werden muss,
um einen wirksamen Schutz gegen Staub zu garantieren.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
außerdem ein
Photoobjektiv, das eine optische Vorrichtung des oben erwähnten Typs
umfasst, sowie eine Bildaufnahmevorrichtung, die mit einem solchen
Objektiv ausgestattet ist.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden deutlicher beim Lesen der folgenden
genauen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung,
wobei dieses Beispiel rein veranschaulichend und nicht einschränkend sowie
in Verbindung mit der beigefügten
Zeichnung angegeben wird, worin:
-
1,
die bereits beschrieben worden ist, eine schematische Darstellung
einer sphärischen Linse
und ihrer zugehörigen
Bildebene ist;
-
2 eine
schematische Ansicht der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung ist;
-
3 eine
graphische Darstellung des Lichtdurchlassgrads eines neutralen,
filtrierenden Materials ist;
-
4 eine
graphische Darstellung des Lichtdurchlassgrads eines Infrarot stark
absorbierenden Materials ist; und
-
5 eine
graphische Darstellung des Lichtdurchlassgrads eines Ultraviolett
stark absorbierenden Materials ist.
-
Ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel
der erfindungsgemäßen optischen
Vorrichtung bezieht sich auf digitale Photoapparate. Dank der vorliegenden Erfindung
ist es möglich,
dem Benutzer ein preiswertes und Raum sparendes Objektiv anzubieten,
das dennoch eine homogene Illumination in der Bildebene des Objektivs
sowie eine selektive spektrale Filterung, die das Aussondern von
in dem infraroten Spektralbereich liegenden Wellenlängen, gegen
die die optischen Halbleitersensoren, mit denen dieser Typ von Photoapparaten
ausgestattet ist, sehr empfindlich sind, garantiert. Es versteht
sich von selbst, dass die vorliegende Erfindung in analoger Weise
auf jedes andere optische System wie beispielsweise einen herkömmlichen,
mit einem lichtempfindlichen Film versehenen Photoapparat, bei dem
es ebenfalls erforderlich ist, die Illumination zu homogenisieren, und bei
dem gegebenenfalls vorgesehen werden kann, die Ultraviolettstrahlen,
gegen die sich der lichtempfindliche Film ebenfalls als empfindlich
erweisen könnte,
zu unterdrücken,
angewandt werden könnte.
-
Wie aus 2 hervorgeht, ist die erfindungsgemäße optische
Vorrichtung, die insgesamt mit dem allgemeinen numerischen Bezugszeichen 6 bezeichnet
ist, in den Lichtweg eines Photoobjektivs 8, das vor der
Eingangsseite 10 eines optischen Halbleitersensors 12 angeordnet
ist, integriert. Mit diesem optischen Sensor 12 ist beispielsweise
eine in den Figuren nicht gezeigte digitale Bildaufnahmevorrichtung ausgestattet.
-
Das Photoobjektiv 8 umfasst
neben der erfindungsgemäßen optischen
Vorrichtung 6 drei Linsen, die von der Eingangsseite 20 des
sich in der Nähe des
zu photographierenden Objekts her nacheinander mit den Bezugszeichen 14, 16 und 18 bezeichnet sind.
In dem in 2 gezeigten
Beispiel sind die drei Linsen 14, 16 und 18 sphärische Linsen.
Genauer, die Linse 14 ist eine plankonvexe Linse, während die Linse 16 eine
bikonkave Linse ist und die Linse 18 eine bikonvexe Linse
ist.
-
Die drei Linsen 14, 16 und 18 sind
aus Glas, Kunststoff oder aus einem anderen transparenten optischen
Material gefertigt. Selbstverständlich
ist die oben beschriebene Ausführungsform
des Photoobjektivs 8 nur zur Veranschaulichung und nicht
zur Einschränkung
angegeben, wobei das Objektiv 8 je nach Komplexität der Optik
dieses Objektivs 8 eine Kombination aus einer mehr oder
weniger großen
Anzahl von sphärischen
und/oder asphärischen
Linsen umfassen kann.
-
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße optische
Vorrichtung 6 näher
betrachtet. Gemäß einem
ersten Merkmal der Erfindung besitzt die optische Vorrichtung 6 die
Form eines Blocks, der aus einem homogenen, transparenten, filtrierenden
Material hergestellt ist. Im Sinne der Erfindung wird unter filtrierendem
Material ein Material verstanden, das einen Absorptionskoeffizienten
besitzt, der für
die Gesamtheit der Wellenlängen
des sichtbaren Spektrums, die ihn durchqueren, im Wesentlichen gleich ist.
Ein solches Material wird auch als neutrales filtrierendes Material
bezeichnet. Beispiele von neutralen filtrierenden Materialien sind
in 3 gezeigt, die den
in Prozent ausgedrückten
Lichtdurchlassgrad T als Funktion der in Nanometer ausgedrückten Lichtwellenlänge λ, die das
filtrierende Material durchquert, darstellt. Die Kurve 22 repräsentiert
ein Material, das 3 filtriert. Anders ausgedrückt, es werden 97% des Lichts
durchgelassen. Die Kurve 24 repräsentiert ihrerseits ein Material,
das 20% filtriert, d. h., das 20% der Licht energie absorbiert und
80% durchlässt.
Wie in 3 erkennbar ist,
sind die Kurven 22 und 24 horizontale gerade Linien,
was bedeutet, dass die Absorption für das gesamte sichtbare Spektrum, das
das filtrierende Material durchquert, im Wesentlichen gleichförmig ist.
-
Somit kann durch Wahl eines geeigneten Werts
für den
Absorptionskoeffizienten und Variation der Dicke des Blocks aus
filtrierendem Material in Abhängigkeit
von dem Abstand zur optischen Achse des Objektivs 8 ein
bestimmtes graduelles Absorptionsprofil erreicht werden, das das
Erhalten einer homogenen Illumination in der Bildebene des Objektivs, das
mit einem solchen Block aus filtrierendem Material versehen ist,
ermöglicht.
Zu diesem Zweck und gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung ist die Absorption in einer Randzone
des Blocks aus filtrierendem Material geringer als die Absorption
in einem Mittelbereich desselben Blocks. In dieser Weise reduziert
der Block aus homogenem, transparentem, filtrierendem Material die
Illumination in der Mitte der Bildebene des Objektivs, während er
an den Rändern der
Bildebene mehr Licht durchlässt.
-
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen optischen
Vorrichtung 6 beruht auf ihrer homogenen Struktur. Tatsächlich besitzen
die Filter des Standes der Technik, wie in dem einleitenden Teil
der vorliegenden Anmeldung beschrieben worden ist, im Allgemeinen
eine heterogene Struktur, die entweder eine auf die Oberfläche eines
Substrats aufgetragene dünne
Schicht, deren Dicke, die sich von der Mitte zu den Rändern des
Substrats verändert,
genau gesteuert werden muss, oder eine Änderung der optischen Dichte,
die stets schwierig zu beherrschen ist, aufweist. Im Gegensatz dazu
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 6 dank
ihrer monolithischen Struktur sehr einfach zu bearbeiten und ermöglicht somit
große
Einsparungen bei der Fertigung.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante
der Erfindung tritt die optische Vorrichtung 6 in Form
einer Linse 26 auf, die in ihrer Mitte dicker als zu ihren
Rändern
hin ist, derart, dass sie ein angepasstes Absorptionsprofil aufweist,
durch das eine homogene Illumination in einer Bildebene 28 des
Objektivs 8 erzielt werden kann. Wie in 2 gezeigt ist, ist die Linse 26 eine
sphärische,
plankonvexe Linse, deren Krümmung
an den Brennpunktsabstand des Objektivs 8 angepasst ist.
Beim Einbau des Objektivs 8 wird nur der Raum zwischen
der Linse 26 und dem optischen Sensor 12 verschlossen,
um das Eindringen von Staub zu verhindern. Dieser Einkapselungsvorgang
wird dadurch erleichtert, dass sich die Hinterseite 30 der
Linse 26, die sich gegenüber der Eingangsseite 10 des
opti schen Sensors 12 befindet, plan ist. Das Objektiv 8 ist
somit aus vier Linsen 14, 16, 18 und 26 zusammengesetzt,
die in der Weise angeordnet sind, dass die Bildebene 28 des
Objektivs 8 in der photosensiblen Ebene des optischen Sensors 12 liegt.
-
Gemäß einem weiteren Merkmal der
Erfindung weist der Block aus filtrierendem Material ferner einen
Absorptionskoeffizienten höheren
Werts für Wellenlängen auf,
die in einem bestimmten Spektralbereich liegen. Somit können dank
der vorliegenden Endung die Funktionen eines Filters mit Absorptionsgradient
und eines Spektralfilters in ein- und demselben optischen Element
vereinigt werden. Diese besonders vorteilhafte Anordnung der Erfindung
ermöglicht
das Begrenzen der Gestehungskosten des Objektivs 8, weil
die Anzahl von bei seinem Einbau erforderlichen Elementen reduziert
ist. Sie ermöglicht außerdem das
Schaffen eines Objektivs 8, das wesentlich Raum sparender
und viel kompakter ist, da nur der Block aus filtrierendem Material
in den Lichtweg des Objektivs 8 integriert werden muss.
Beispielhalber betragen die Werte der Abstände zwischen den verschiedenen
optischen Elementen:
- – 0,6 mm zwischen der Linse 14 und
der Öffnung der
Blende 21;
- – 0,29
mm zwischen der Öffnung
der Blende 21 und der Linse 16;
- – 0,56
mm zwischen der Linse 16 und der Linse 18; bzw.
- – 01
mm zwischen der Linse 18 und der erfindungsgemäßen Linse 26.
-
Ferner ist der Durchmesser des Objektivs 8 kleiner
als die Diagonale der aktiven Oberfläche des optischen Sensors 12.
Eine so kompakte Konstruktion wird dank der vorliegenden Erfindung,
die das Kombinieren von drei verschiedenen optischen Elementen in
einem Teil erlaubt, möglich
gemacht.
-
Im Fall einer digitalen Bildaufnahmevorrichtung
muss der Block aus filtrierendem Material die Infrarotstrahlung,
gegen die der optische Halbleitersensor 12 sehr empfindlich
ist, stark absorbieren. Dazu könnte
der Block aus filtrierendem Material beispielsweise aus einem Glas
hergestellt sein, das von der Firma Schott unter dem Zeichen BG39
vertrieben wird. Das Durchlassprofil dieses Materials für das Lichtspektrum
ist in 4 schematisch
gezeigt. Die Kurven 32 und 34 entsprechen zwei
unterschiedlichen Dicken e1 und e2 des BG39-Glases in der Größenordnung
von 1 mm bzw. 2 mm. Der Durchlassgrad T beträgt etwa 80% für die Kurve 32 und
70% für die
Kurve 23. Es ist somit erkennbar, dass die Absorption des
BG39-Glases im Bereich des sichtbaren Spektrums im Wesentlichen
konstant ist und im Bereich des Infrarots stark zunimmt (starke
Verkleinerung des Durch lassgrads T). Es sei angemerkt, dass die
Dicke des Blocks aus filtrierendem Material ausreicht, um jegliches
störendes
Infrarotlicht durch Absorption zu beseitigen.
-
Umgekehrt wird im Fall eines mit
einem lichtempfindlichen Film versehenen Photoapparats ein Material
gewählt,
das einen Absorptionsgrad aufweist, der im Bereich des sichtbaren
Spektrums im Wesentlichen konstant ist und im Bereich des Ultravioletts
stark abnimmt (siehe Kurve 36, 5).
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
außerdem ein
Objektiv, das mit einer optischen Vorrichtung 6 des oben
erwähnten
Typs ausgestattet ist, sowie eine mit einem solchen Objektiv ausgerüstete Bildaufnahmevorrichtung.
-
Es versteht sich von selbst, dass
verschiedene einfache Abänderungen
und Abwandlungen im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen.