WO2021094318A1 - Objektiv, verwendung eines objektivs und messsystem - Google Patents

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WO2021094318A1
WO2021094318A1 PCT/EP2020/081656 EP2020081656W WO2021094318A1 WO 2021094318 A1 WO2021094318 A1 WO 2021094318A1 EP 2020081656 W EP2020081656 W EP 2020081656W WO 2021094318 A1 WO2021094318 A1 WO 2021094318A1
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lens
objective
focal length
light source
refractive power
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PCT/EP2020/081656
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Inventor
Tobias HOENLE
Hagen SCHWEITZER
Original Assignee
Jenoptik Optical Systems Gmbh
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Publication date
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    • G02B9/56—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having four components only arranged + -- + all components being simple lenses

Definitions

  • the invention relates to an objective with a fixed focal length.
  • Such an objective is particularly suitable for use in a measuring system for the transit time detection of a light beam (LIDAR).
  • LIDAR is the abbreviation for light detection and ranging.
  • LIDAR lenses mostly work in a very small wavelength range in the near infrared, typically 800-2000nm wavelength. Lasers are often used for lighting. In this case, the lenses must be able to compensate for the narrow bandwidth of the laser source and any drift in the wavelength with the temperature.
  • a sensor with a SPAD array is known from WO 2017/180277 A1.
  • the SPAD array can comprise avelance photodiodes (APD) as well as bipolar or field effect transistors in order to activate a bias line by line.
  • APD avelance photodiodes
  • bipolar or field effect transistors in order to activate a bias line by line.
  • An integrated lighting and detection system for an LI DAR-based three-dimensional image recording is known from WO2017 / 164989 A1.
  • a lens with four lenses is proposed.
  • a pulsed laser light source is proposed for illumination.
  • an array of several LIDAR measuring devices, consisting of laser emitters and detectors, is used. However, such a procedure is very complex.
  • a LIDAR system with electrically adjustable Lichtdiretationsele elements is known from WO2016 / 204844 A1.
  • a LIDAR system with a SPAD array as a detector is known from US 2016/0161600 A1.
  • Laser beams are used for lighting, which are controlled by means of integrated photonic circuits using optical phase arrays.
  • a vehicle LIDAR system with a solid-state laser and a deflectable mirror is known from WO2015 / 189024 A1.
  • a vehicle LIDAR system with a pulse laser and a deflectable mirror and a CMOS image sensor is known from WO2015 / 189025 A1.
  • a LIDAR device with an array of emitter / detector units is known from WO 2015/126471 A2.
  • a vehicle LIDAR system with a VCSEL array for lighting is known from US 2007/0181810 A1.
  • the object of the invention is to provide an inexpensive, bright lens which can be operated over a wide temperature range and has the best possible image-side telecentricity and low F-theta distortion.
  • the objective should be suitable for LIDAR systems with detector arrays, for example SPAD arrays.
  • the objective should be suitable for LIDAR systems without moving parts.
  • the lens can be suitable as an imaging lens or as a projection lens.
  • the object is achieved by an objective according to claim 1, a use according to claim 10 and a measuring system according to claim 11.
  • the lens is inexpensive to manufacture and particularly suitable for LIDAR applications. It is characterized by passive athermalization, high light intensity, good image-side telecentricity and low F-theta distortion. It can also be suitable for other applications as an imaging lens or as a projection lens.
  • An objective according to the invention has a fixed focal length F. It comprises at least a first lens (5) with a first focal length fi made of a first plastic, a second lens with a second focal length k made of a second plastic, a third lens with a third focal length fe made of a first glass and a fourth lens with a fourth focal length f4 from a second glass.
  • the indices of the focal lengths are selected according to the number of the respective lens.
  • the reciprocal of each focal length is known to be its refractive power.
  • a refractive power can be assigned to each of the lenses.
  • the focal lengths are chosen so that the amounts of the focal lengths
  • the second condition can be expressed as follows:
  • At least one of these conditions is met.
  • the focal lengths can advantageously be selected in such a way that both conditions are met. A particularly good passive athermalization of the lens can then be achieved.
  • the focal length of a lens can be understood to mean the focal length with respect to paraxial (in the sense of axially oriented) rays in an external medium of the refractive index 1.
  • the first lens and the second lens together have at least two spherical surfaces.
  • the first lens and / or the second lens can advantageously be designed as bias-spherical lenses, particularly advantageously both lenses.
  • An aspherical lens can be a lens with at least one aspherical optical surface.
  • the first lens can also be designed as a biaspherical lens.
  • a biaspherical lens can be understood as a lens that has two opposing aspherical optical surfaces.
  • the first lens can have at least one free-form surface.
  • the third lens and the fourth lens can advantageously be designed as spherical lenses.
  • a spherical lens can be understood as a lens that has two opposing spherical optical surfaces.
  • a spherical lens can also be called a bispherical lens.
  • One of the spherical surfaces can be a plane surface.
  • a plane surface can be understood as a spherical surface with an infinite radius of curvature.
  • the third lens and the fourth lens are designed as spherical lenses, the first and the second lens as aspherical lenses, i.e. each with at least one aspherical surface.
  • the first lens can particularly advantageously be designed as a biasphäri-specific lens.
  • Both the first lens and the second lens can very particularly advantageously be designed as biaspherical lenses.
  • the first lens, the second lens, the third lens and the fourth lens can be arranged one after the other in a z direction in the beam path.
  • the image plane of the objective can be arranged in the z direction after the fourth lens.
  • An object plane can be arranged in front of the first lens.
  • the lens can be an imaging lens.
  • An image sensor for recording an image or a matrix sensor for detecting the transit time of light beams can be arranged in the beam path after the fourth lens, advantageously in the image plane of the objective.
  • the light rays can propagate from the object to the image plane with a component in the z direction.
  • a light source, the fourth lens, the third lens, the second lens and the first lens can also be arranged in the beam path in a -z direction one after the other. Then the lens can be used to illuminate objects or scenes that are located in the -z direction from the first lens.
  • the light rays can propagate from the light source with a component in the -z direction to the object to be illuminated or the scene.
  • a scene can be understood to mean a number of objects that are to be detected and / or illuminated in a specific solid angle range.
  • a diaphragm can advantageously be arranged between the first lens and the second lens.
  • the screen can be an opening in a screen component.
  • the diaphragm component can be formed ringför mig.
  • the diaphragm component can at the same time be designed as a spacer between the second and the third lens. With this choice of the diaphragm plane between the first and the second lens, the telecentricity error and / or the distortion can be reduced and / or the vignetting can be minimized or avoided.
  • one lens can advantageously have a positive refractive power and the other lens can have a negative refractive power.
  • the first lens can particularly advantageously have a negative refractive power and the second lens a positive refractive power.
  • the first lens can advantageously have a concave and a convex optical surface and the concave surface and the convex surface can be arranged one after the other in the z direction.
  • the concave surface can be the surface of the first lens on the object side or the surface of the lens on the light entry side.
  • the concave surface can be the surface of the first lens facing away from the light source or the surface of the lens on the light exit side.
  • the concave surface of the first lens which is external with respect to the objective, can have the advantage that the surface cannot be so easily soiled or scratched in comparison to an external convex surface. It is also easier to clean.
  • the second lens can advantageously have a concave and a convex optical surface and the convex surface and the concave surface can be arranged one after the other in the z direction. In cooperation with the aforementioned design of the first lens, this can be advantageous for the optical quality of the lens.
  • the fourth lens can advantageously have a concave and a convex optical surface.
  • the convex surface and the concave surface can advantageously be arranged one after the other in the z direction.
  • the concave surface can therefore face the image plane in the case of an imaging lens or the light source in the case of a projection lens.
  • the objective can advantageously have a focal length F between 7mm and 20mm.
  • the first glass and the second glass can be different glasses.
  • the first and the second glass can differ in the thermal expansion and / or in the refractive index and / or in the temperature dependence of the refractive index.
  • Optical glasses such as BK7 or borosilicate glass can be used for this.
  • Highly refractive glasses for example dense flint glasses (SF glasses), lathanum-containing flint or crown glasses (for example LaF, LaSF or LaK glasses) or barium-containing flint or crown glasses (for example BaF or BaSF or BaK glasses) are particularly suitable.
  • Both glasses can advantageously have a refractive index of more than 1.8.
  • the first and second glasses can be high refractive index Lathanium flint glasses.
  • the same type of glass can advantageously be used as the first and second glass.
  • the first plastic and the second plastic can be different plastics.
  • the first and the second plastic can differ in the thermal expansion and / or in the refractive index and / or in the temperature dependence of the refractive index.
  • a plastic can be understood as a polymer.
  • a transparent, i.e. transparent, polymer can be particularly advantageous.
  • Polycarbonate, COP, Zeonex, COC (Topas) or OKP can be particularly suitable.
  • PMMA can also be suitable.
  • the objective can have an optical axis.
  • the optical axis can be referred to as the z-axis.
  • the objective according to the invention comprises four lenses. It can advantageously include exactly four lenses.
  • there can be other elements for example ring diaphragm, filter, polarizer, etc. include.
  • the objective according to the invention is cheaper to manufacture.
  • the further elements can advantageously be designed without refractive power, ie without curvature of the optical interfaces.
  • the lens can advantageously be designed to be approximately telecentric on the image side. This can be understood to mean that the image-side telecentricity error is less than 5 °, particularly advantageously less than 3 °, very particularly advantageously less than 1 °. In the ideal case, a telecentricity error of less than 0.7 ° can be achieved.
  • This design of the objective can be particularly advantageous if a filter, for example a bandpass filter, is arranged between the fourth lens and the image plane.
  • a filter for example a bandpass filter
  • Such an advantageous arrangement can also include an image sensor for image recording or a matrix sensor for transit time detection of a light beam, which can be arranged in the image plane.
  • the lens and the filter With such an arrangement of the lens and the filter, an inhomogeneity of the illumination of the image plane as a result of different angles of incidence on the filter can be avoided.
  • the requirements for the angle acceptance range of the filter can be reduced compared to a non-telecentric lens. This allows the filter to be less expensive.
  • Under a telephoto centric error on the image side one can understand the angular deviation between the optical axis and the main rays between the last lens and the image sensor.
  • the rays that have an intersection with the optical axis in the diaphragm plane can be referred to as main rays. If there is no diaphragm, the main rays can be assumed to be the rays with the mean angle with respect to the ray bundles that strike the image plane at a specific point.
  • the objective can advantageously have a photographic light intensity of at least 1: 1.
  • the photographic light intensity can be referred to as the maximum aperture ratio of the lens who the.
  • the reciprocal of the photographic light intensity can be referred to as the f-number.
  • the condition can also be expressed in such a way that the f-number should be less than 1.
  • the lens can advantageously include a bandpass filter for separating the signal light from the light source from ambient light, in particular from daylight.
  • a bandpass filter can, however, also be arranged outside the objective in the beam path.
  • the bandpass filter can advantageously be arranged directly in front of the image sensor or matrix sensor.
  • the lens can be operated as a projection lens. However, it can also be operated as an imaging object.
  • Use of the objective for a measuring system for at least one transit time detection of at least one light beam can be advantageous.
  • the measuring system can advantageously comprise at least one objective, at least one light source and at least one matrix sensor.
  • the light source can be a laser beam source or an LED.
  • the light source can be operated in a pulsed manner. The pulse length can be between 1ns and 1ms.
  • the measuring system can be characterized in that the matrix sensor is a SPAD array and / or that the light source is a VCSEL array or an LED array.
  • the objective can comprise one or more spacers each arranged between two lenses.
  • the spacers can advantageously be made from polycarbonate or from a glass fiber reinforced plastic. Alternatively, it can be made of a metal such as aluminum or beam.
  • the objective can have a focal length, a pixel size, a modulation transfer function and a distortion in the image plane.
  • the focal length of the lens and / or at least one of the optical properties pixel size, modulation transfer function, image size, distortion in the image plane can be independent of the temperature at a first wavelength over a temperature range without the use of active components. This can be referred to as passive athermalization.
  • the passive athermalization can be achieved by the above-mentioned selection of the lens materials in connection with the above-mentioned restrictions of the focal length ratios.
  • the lens can be designed for a single wavelength (design wavelength), for example that of a specific laser radiation, for example 780nm, 808nm, 880nm, 905nm, 915nm, 940nm, 980nm, 1064 or 1550nm.
  • the lens can also be designed for a certain bandwidth, for example for the visible wavelength range or the near infrared region, or for several discrete wavelengths.
  • the bandwidth provided can also be, for example, 20 nm to 50 nm in order to be able to compensate, for example, a thermal wavelength drift of a diode laser provided for illumination.
  • the lens can be operated as a projection lens.
  • a laser beam can be projected linearly or flat into a space.
  • the lens can be operated as an imaging lens.
  • a light beam reflected from an object for example a laser beam which has been reflected from a point on the object, can be projected onto a point on the detector. The transit time of this light beam can be detected with the detector.
  • the objective can be used simultaneously as a projection objective and as an imaging objective.
  • the laser beam to be projected can be coupled into the beam path by means of a beam splitter arranged in the beam path between the objective and the detector.
  • the use of an objective with a fixed focal length F for a measuring system for at least one transit time detection of at least one light beam can be advantageous.
  • the light beam can be a laser beam.
  • the light beam can be emitted from a light source.
  • the light source can be an optically pumped solid-state laser or an electrically pumped diode laser.
  • the light source can be arranged on a vehicle together with the objective according to the invention and a detector.
  • the light source can be designed in such a way that individual light pulses can be emitted.
  • a photoelectric detector can be provided to detect the transit time of the light beam.
  • the detector can be designed as an avalanche photodiode, for example as a single photon avalanche diode (abbreviated to SPAD; English single-photon avalanche diode).
  • SPAD single photon avalanche diode
  • the detector can comprise several avalanche photodiodes. These can be implemented as a SPAD array.
  • a measuring system comprises at least one lens according to the invention, at least one light source and at least one matrix sensor.
  • the light source can emit at least one signal light. This can differ in wavelength from the ambient light.
  • the light source can advantageously be a laser light source. It can be an infrared laser. Alternatively, the light source can be an LED.
  • the light source can be operated in a pulsed manner.
  • the pulse length can be between 1ns and 1ms.
  • the light source can comprise a plurality of light-emitting elements which can be operated independently of one another.
  • the light source can be designed as a VCSEL array or an LED array.
  • the light source can be operated in which at least two of the light-emitting elements emit light pulses at different times. ok
  • the matrix sensor can be a SPAD array.
  • Fig. 1 shows a first embodiment
  • Fig. 2 shows the beam path of the first embodiment.
  • FIG. 3 shows a measuring system according to the invention.
  • Fig. 1 shows a first embodiment.
  • An objective 1 with a fixed focal length F is shown.
  • the objective has an optical axis 3.
  • the optical axis lies in the z direction.
  • the image plane is arranged to the right, i.e. in the z direction, while the object plane is to the left of the lens.
  • the objective comprises a first lens 5, a second lens 8 and a third lens 11 and a fourth lens 12.
  • the lenses are arranged one after the other in the order named in the z direction.
  • the first lens is made from a first plastic.
  • the first lens is an aspherical lens.
  • the second lens 8 is made from a second plastic.
  • the second lens 8 is designed as an aspherical lens.
  • the third lens 11 is made of a first glass.
  • the third lens 11 is a spherical converging lens.
  • the fourth lens 12 is made from a second glass.
  • the second glass here is the same as the first glass.
  • a diaphragm 15 is arranged between the first lens and the second lens.
  • a filter 16 is also provided, which separates the signal light from the ambient light.
  • the first lens has a concave optical surface (6) and a convex optical surface (7), the concave surface (6) and the convex surface (7) being arranged one after the other in the z direction.
  • the second lens has a concave optical surface (10) and a convex one optical surface (9), the convex surface (9) and the concave surface (10) being arranged one after the other in the z direction.
  • the fourth lens has a convex optical surface (13) and a concave optical surface (14), the convex surface (13) and the concave surface (14) being arranged one after the other in the z direction.
  • Fig. 2 shows the beam path of the first embodiment.
  • the hatchings of the lenses are omitted in order to be able to better represent the light beams 4 which represent the beam path 2.
  • An image sensor for image recording or a matrix sensor for the transit time detection of a light beam is arranged in the image plane 19.
  • optical design is carried out according to the following table:
  • the first column gives a consecutive number of an area and is numbered from the object side.
  • the “Standard” type describes a flat or spherically curved surface.
  • the "ASPHERE” type describes an aspherical surface.
  • An interface or lens surface can be understood as a surface.
  • the object plane (no. 1), a diaphragm (no. 4) and the image plane (no. 12) are also considered as a surface.
  • the surfaces 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9 and 10 are lens surfaces. These areas are designated by the respective number in FIG. 2 as Surf 2, Surf 3, Surf 5, Surf 6, Surf 7, Surf 8, Surf 9 or Surf 10.
  • the column curvature radius KR indicates the curvature radius of the respective surface.
  • this column shows the center thickness of the first, second, third and fourth lenses, respectively.
  • the material between the respective surfaces is specified with the respective refractive index n.
  • the refractive index n relates to a design wavelength for which the lens is designed.
  • the design wavelength can for example be between 700 nm and 1100 nm or between 1400 nm and 1600 nm, for example at 905, 915 nm, 940 nm, 1064 nm or 1550 nm.
  • the column Radius indicates the outer radius of the respective surface. In the case of the aperture
  • this is the aperture.
  • this is the maximum usable distance of the light rays from the optical axis; in the following equation, this corresponds to the maximum value h for the respective surface.
  • the coordinate h is to be set in millimeters, as is the radius of curvature, the result Zd is obtained in millimeters.
  • the coefficient k is the conicity coefficient, which in the present exemplary embodiment is specified in the last column.
  • the lens has a focal length F of 13.2mm.
  • the design wavelength of the exemplary embodiment is 905 nm. Modifications of the exemplary embodiment can also be used for other wavelengths listed in the description.
  • the objective is focused on a finite object distance. This can be done by changing the image distance. To do this, the distance in line no. 10 can be increased accordingly.
  • the lens can be used as a projection lens.
  • a light source is arranged in plane 19 instead of the sensor.
  • a scene in the negative z direction, which is identified in the figure as -z direction, in front of the lens can be illuminated.
  • 3 shows a measuring system according to the invention.
  • the measuring system 17 comprises a transmitter objective 20, a receiver objective 21, a light source 18 and a matrix sensor 19.
  • the light source illuminates one or more objects 22 with a transmitter light 23.
  • the matrix sensor detects the transit time of the reflected light 24.

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Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein Hybrid-Objektiv mit fester Brennweite, welches vier Linsen umfasst. Zwei Linsen bestehen aus Glas und zwei Linsen aus Kunststoff. Das Objektiv ist zur Verwendung in einem LI DAR- Messsystem geeignet.

Description

Objektiv, Verwendung eines Objektivs und Messsystem
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Objektiv mit einer festen Brennweite. Ein solches Objektiv ist insbeson dere zur Verwendung in einem Messsystem zu einer Laufzeitdetektion eines Lichtstrahls (Ll- DAR) geeignet. LIDAR ist die Abkürzung für englisch light detection and ranging. LIDAR Objek tive arbeiten meist in einem sehr kleinen Wellenlängenbereich im nahen Infrarot, typischerweise 800-2000nm Wellenlänge. Zur Beleuchtung werden oft Laser verwendet. Die Objektive müssen in diesem Fall die geringe Bandbreite der Laserquelle sowie eine eventuell auftretende Drift der Wellenlänge mit der Temperatur ausgleichen können.
Stand der Technik
Aus WO 2017/180277 A1 ist ein Sensor mit einem SPAD Array bekannt. Das SPAD Array kann Avelance Photodioden (APD) umfassen sowie Bipolar- oder Feldeffekttransistoren, um zeilen weise eine Vorspannung (Bias) zu aktivieren.
Aus CN 205829628 U ist ein LIDAR- System mit einem VCSEL Array und einem SPAD Array bekannt.
Aus WO2017/164989 A1 ist ein integriertes Beleuchtungs-und Detektionssystem für eine LI DAR basierte dreidimensionale Bildaufnahme bekannt. Es wird ein Objektiv mit vier Linsen vor geschlagen. Zur Beleuchtung wird eine gepulste Laser- Lichtquelle vorgeschlagen. In einer Ausführungsform wird ein Array von mehreren LIDAR Messgeräten, bestehend aus Laseremit tern und Detektoren, verwendet. Ein solches Vorgehen ist jedoch sehr aufwendig.
Aus WO2016/204844 A1 ist ein LIDAR System mit elektrisch verstellbaren Lichtdirektionsele menten bekannt.
Aus US 2016/0161600 A1 ist ein LIDAR-System mit einem SPAD-Array als Detektor bekannt. Zur Beleuchtung werden Laserstrahlen verwendet, die mittels integrierter photonischer Schalt kreise unter Verwendung optischer Phasenarrays gesteuert werden. Aus WO2015/189024 A1 ist ein Fahrzeug- LIDAR System bekannt mit einem Festkörperlaser und einem auslenkbaren Spiegel.
Aus WO2015/189025 A1 ist ein Fahrzeug- LIDAR System bekannt mit einem Impulslaser und einem auslenkbaren Spiegel und einem CMOS- Bildsensor. Aus WO 2015/126471 A2 ist eine LIDAR Vorrichtung bekannt mit einem Array von Emitter/De tektor-Einheiten.
Aus US 2007/0181810 A1 ist ein Fahrzeug- LIDAR System bekannt mit einem VCSEL Array zur Beleuchtung.
Aus US 2014/0049842 A1 ist ein Abbildungsobjektiv mit vier Linsen bekannt, welches für Kame- ras in Fahrzeugen oder zur Überwachung verwendet werden kann. Nachteilig ist, dass die Ab bildungseigenschaften temperaturabhängig sein können, wenn man zwei der Linsen aus kos tengünstigem Kunststoff ausführt.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines kostengünstigen lichtstarken, über einen wei ten Temperaturbereich betreibbaren Objektivs mit möglichst guter bildseitiger Telezentrie und geringer F-Theta Verzeichnung.
Insbesondere soll das Objektiv für LIDAR- Systeme mit Detektorarrays, beispielsweise SPAD- Arrays, geeignet sein. Insbesondere soll das Objektiv für LIDAR-Systeme ohne bewegliche Teile geeignet sein. Außerdem kann das Objektiv als Abbildungsobjektiv oder als Projektions objektiv geeignet sein.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Objektiv nach Anspruch 1 , eine Verwendung nach Anspruch 10 und ein Messsystem nach Anspruch 11.
Vorteile der Erfindung
Das Objektiv ist kostengünstig herzustellen und besonders geeignet für LIDAR- Anwendungen. Es zeichnet sich durch eine passive Athermalisierung, hohe Lichtstärke, gute bildseitige Tele zentrie und geringe F-Theta Verzeichnung aus. Es kann als Abbildungsobjektiv oder als Projek tionsobjektiv auch für andere Anwendungen geeignet sein.
Beschreibung
Ein erfindungsgemäßes Objektiv weist eine feste Brennweite Fauf. Es umfasst wenigstens eine erste Linse (5) mit einer ersten Brennweite fi aus einem ersten Kunststoff, eine zweite Linse mit einer zweiten Brennweite k aus einem zweiten Kunststoff, eine dritte Linse mit einer dritten Brennweite fe aus einem ersten Glas und eine vierte Linse mit einer vierten Brennweite f4 aus einem zweiten Glas. Die Indices der Brennweiten sind entsprechend der Nummer der jeweiligen Linse gewählt. Der Kehrwert einer jeden Brennweite ist bekanntermaßen deren Brechkraft. So mit kann jeder der Linsen eine Brechkraft zugeordnet werden.
Erfindungsgemäß sind die Brechkraft D3=Vf3 der dritten Linse positiv und die Brechkraft D4=Mf4 der vierten Linse ebenfalls positiv.
Erfindungsgemäß sind die Brennweiten so gewählt, dass die Beträge der Brennweiten | | der ersten Linse und \f2\ der zweiten Linse mehr als das 7 fache der Brennweite Fdes Objektivs be tragen und/oder der Betrag der Summe der Brechkräfte \DI+D2\ aus der Brechkraft Di=Mfi der ersten Linse und der Brechkraft D2=Vf2 der zweiten Linse weniger als das 0,125 fache der Brechkraft D=1/Fdes Objektivs beträgt Erstere Bedingung kann man folgendermaßen ausdrü- cken: \fi |>7 F und \f2\>7F. Zweitere Bedingung kann man folgendermaßen ausdrücken:
\Vfi+Vf2 |<0,125/F. Erfindungsgemäß ist wenigstens eine dieser Bedingungen erfüllt. Vorteilhaft können die Brennweiten so gewählt werden, dass beide Bedingungen erfüllt sind. Dann kann eine besonders gute passive Athermalisierung des Objektivs erreicht werden.
Als Brennweite einer Linse kann die Brennweite bezüglich paraxialer (im Sinne von achsenna her) Strahlen in einem äußeren Medium der Brechzahl 1 verstanden werden.
Erfindungsgemäß weisen die erste Linse und die zweite Linse zusammen wenigstens zwei as phärische Flächen auf. Vorteilhaft können die erste Linse und/oder die zweite Linse als bias phärische Linsen ausgebildet sein, besonders vorteilhaft beide genannte Linsen.
Unter einer asphärischen Linse kann man eine Linse mit wenigstens einer asphärischen opti schen Fläche bezeichnen. Die erste Linse kann auch als biasphärische Linse ausgebildet sein. Unter einer biasphärischen Linse kann man eine Linse verstehen, die zwei gegenüberliegende asphärische optische Flächen ausweist. Die erste Linse kann wenigstens eine Freiformfläche aufweisen.
Vorteilhaft können die dritte Linse und die vierte Linse als sphärische Linsen ausgebildet sein. Unter einer sphärischen Linse kann man eine Linse verstehen, die zwei gegenüberliegende sphärische optische Flächen ausweisen. Eine sphärische Linse kann man auch als bisphäri- sche Linse bezeichnen. Eine der sphärischen Flächen kann eine Planfläche sein. Eine Planflä che kann man als sphärische Fläche mit einem unendlichen Krümmungsradius auffassen.
Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, wenn die dritte Linse und die vierte Linse als sphärische Lin sen, die erste und die zweite Linse als asphärische Linsen, d.h. mit wenigstens jeweils einer as phärischen Fläche ausgebildet sind. Besonders vorteilhaft kann die erste Linse als biasphäri sche Linse ausgebildet sein. Ganz besonders vorteilhaft können sowohl die erste Linse als auch die zweite Linse als biasphärische Linsen ausgebildet sein.
Vorteilhaft können im Strahlengang nacheinander in einer z Richtung die erste Linse, die zweite Linse, die dritte Linse und die vierte Linse angeordnet sein. In der z Richtung nach der vierten Linse kann die Bildebene des Objektivs angeordnet sein. Vor der ersten Linse kann eine Ob jektebene angeordnet sein. Dann kann das Objektiv ein Abbildungsobjektiv sein. Ein Bildsensor zur Aufnahme eines Bildes oder ein Matrixsensor zur Laufzeitdetektion von Lichtstrahlen kann im Strahlengang nach der vierten Linse, vorteilhaft in der Bildebene des Objektivs, angeordnet sein. Die Lichtstrahlen können sich vom Objekt zur Bildebene mit einer Komponente in z Rich tung ausbreiten.
Ebenfalls vorteilhaft können im Strahlengang in einer -z Richtung nacheinander eine Licht quelle, die vierte Linse, die dritte Linse, die zweite Linse und in die erste Linse angeordnet sein. Dann kann das Objektiv zum Beleuchten von Objekten oder Szenen verwendet werden, die sich in der-z Richtung von der ersten Linse angeordnet sind. Die Lichtstrahlen können sich von der Lichtquelle mit einer Komponente in -z Richtung zu dem zu beleuchtenden Objekt bzw. der Szene ausbreiten. Unter einer Szene kann man eine Anzahl von Objekten verstehen, die in ei nem bestimmten Raumwinkelbereich detektiert und/oder beleuchtet werden sollen.
Vorteilhaft kann zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse eine Blende angeordnet sein. Die Blende kann eine Öffnung in einem Blendenbauteil sein. Das Blendenbauteil kann ringför mig ausgebildet sein. Das Blendenbauteil kann gleichzeitig als Abstandshalter zwischen der zweiten und der dritten Linse ausgebildet sein. Durch diese Wahl der Blendenebene zwischen der ersten und der zweiten Linse können der Telezentriefehler und/ oder die Verzeichnung ver ringert werden und/oder die Vignettierung minimiert oder vermieden werden.
Vorteilhaft kann von der ersten Linse und der zweiten Linse eine Linse eine positive Brechkraft und die andere Linse eine negative Brechkraft aufweisen. Besonders vorteilhaft kann die erste Linse eine negative Brechkraft und die zweite Linse eine positive Brechkraft aufweisen.
Vorteilhaft kann die erste Linse eine konkave und eine konvexe optische Fläche aufweisen und in die z Richtung können nacheinander die konkave Fläche und die konvexe Fläche angeordnet sein. Im Falle eines Abbildungsobjektivs kann also die konkave Fläche die objektseitige Fläche der ersten Linse sein bzw. die lichteintrittsseitige Fläche des Objektivs. Im Falle eines Projekti onsobjektivs kann also die konkave Fläche die der Lichtquelle abgewandte Fläche der ersten Linse sein bzw. die lichtaustrittsseitige Fläche des Objektivs. Die konkave, bezüglich des Objek tivs außenliegende, Fläche der ersten Linse kann den Vorteil haben, dass die Fläche nicht so leicht verschmutzt oder zerkratzt werden kann im Vergleich zu einer außenliegenden konvexen Fläche. Außerdem lässt sie sich leichter putzen.
Vorteilhaft kann die zweite Linse eine konkave und eine konvexe optische Fläche aufweisen und in z Richtung nacheinander die konvexe Fläche und die konkave Fläche angeordnet sein. Im Zusammenwirken mit der vorgenannten Ausbildung der ersten Linse kann das für die opti sche Qualität des Objektivs von Vorteil sein.
Vorteilhaft kann die vierte Linse eine konkave und eine konvexe optische Fläche aufweisen. Vorteilhaft können in der z Richtung nacheinander die konvexe Fläche und die konkave Fläche angeordnet sein. Die konkave Fläche kann also der Bildebene im Falle eines Abbildungsobjek tivs oder der Lichtquelle im Falle eines Projektionsobjektivs zugewandt sein.
Das Objektiv kann vorteilhaft eine Brennweite F zwischen 7mm und 20mm aufweisen.
Das erste Glas und das zweite Glas können verschiedene Gläser sein. Das erste und das zweite Glas können sich in der thermischen Ausdehnung und/oder im Brechungsindex und/oder in der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex unterscheiden. Alternativ ist es aber auch vorteilhaft möglich, die gleiche Glassorte als erstes und als zweites Glas zu verwenden. Dafür können optische Gläser wie BK7 oder Borsilikatglas verwendet werden. Besonders geeignet können hochbrechende Gläser, beispielsweise dichte Flintgläser (SF-Gläser), Lathanum-haltige Flint- oder Krongläser (beispielsweise LaF, LaSF oder LaK Gläser) oder Barium-haltige Flint oder Krongläser sein (beispielsweise BaF oder BaSF oder BaK Gläser). Vorteilhaft können für beide Gläser einen Brechungsindex von mehr als 1 ,8 aufweisen. Das erste und zweite Glas können hochbrechende Lathanium- Flintgläser sein. Vorteilhaft kann die gleiche Glassorte als erstes und zweites Glas verwendet werden.
Der erste Kunststoff und der zweite Kunststoff können verschiedene Kunststoffe sein. Der erste und der zweite Kunststoff können sich in der thermischen Ausdehnung und/oder im Brechungs index und/oder in der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex unterscheiden. Alternativ ist es aber auch möglich und u.U. sogar besonders vorteilhaft, die gleiche Kunststoffsorte als ers ten und als zweiten Kunststoff zu verwenden. Unter einem Kunststoff kann man ein Polymer verstehen. Besonders vorteilhaft kann ein transparentes, d.h. ein durchsichtiges Polymer sein. Besonders geeignet können Polycarbonat, COP, Zeonex, COC (Topas) oder OKP sein. Eben falls geeignet kann PMMA sein.
Das Objektiv kann eine optische Achse aufweisen. Die optische Achse kann als z-Achse be zeichnet werden.
Das erfindungsgemäße Objektiv umfasst vier Linsen. Vorteilhaft kann es genau vier Linsen um fassen. Außerdem kann es weitere Elemente, beispielweise Ringblende, Filter, Polarisator etc. umfassen. Gegenüber Objektiven mit mehr als vier Linsen ist das erfindungsgemäße Objektiv billiger herzustellen. Vorteilhaft können die weiteren Elemente ohne Brechkraft, d.h. ohne Krüm mung der optischen Grenzflächen ausgeführt sein.
Vorteilhaft kann das Objektiv bildseitig annähernd telezentrisch ausgebildet sein. Darunter kann man verstehen, dass der bildseitige Telezentriefehler weniger als 5° beträgt, besonders vorteil haft weniger als 3°, ganz besonders vorteilhaft weniger als 1°. Im Idealfall kann man einen Tele zentriefehler von weniger als 0,7° erreichen. Diese Ausbildung des Objektivs kann besonders vorteilhaft sein, wenn zwischen der vierten Linse und der Bildebene ein Filter, beispielsweise ein Bandpassfilter, angeordnet ist. Eine derartige vorteilhafte Anordnung kann außerdem einen Bildsensor zur Bildaufnahme oder ein Matrixsensor zur Laufzeitdetektion eines Lichtstrahls um fassen, der in der der Bildebene angeordnet sein kann. Bei einer solchen Anordnung von dem Objektiv und dem Filter kann eine Inhomogenität der Ausleuchtung der Bildebene infolge unter schiedlicher Einfallswinkel auf das Filter vermieden werden. Die Anforderungen an den Win kelakzeptanzbereich des Filters können im Vergleich zu einem nicht telezentrischen Objektiv reduziert sein. Dadurch kann das Filter kostengünstiger sein. Unter einem bildseitigen Tele zentriefehler kann man die Winkelabweichung zwischen der optischen Achse und den Haupt strahlen zwischen der letzten Linse und dem Bildsensor verstehen. Als Hauptstrahlen können dabei die Strahlen bezeichnet werden, die in der Blendenebene einen Schnittpunkt mit der opti schen Achse haben. Falls keine Blende vorhanden ist, können als Hauptstrahlen die Strahlen mit dem mittleren Winkel bezüglich der jeweils an einem bestimmten Punkt auf die Bildebene treffenden Strahlenbündel angenommen werden.
Das Objektiv kann vorteilhaft eine fotografische Lichtstärke von wenigstens 1:1 aufweisen. Die fotografische Lichtstärke kann als maximales Öffnungsverhältnis des Objektivs bezeichnet wer den. Der Kehrwert der fotografischen Lichtstärke kann als Blendenzahl bezeichnet werden. Man kann die Bedingung auch derart ausdrücken, dass die Blendenzahl kleiner als 1 sein soll.
Das Objektiv kann vorteilhaft ein Bandpassfilter zur Trennung des Signallichtes der Lichtquelle vom Umgebungslicht, insbesondere vom Tageslicht, umfassen. Ein Bandpassfilter kann aber auch außerhalb des Objektivs im Strahlengang angeordnet sein. Vorteilhaft kann das Band passfilter unmittelbar vor dem Bildsensor bzw. Matrixsensor angeordnet sein.
Das Objektiv kann als Projektionsobjektiv betreibbar sein. Es kann aber auch als Abbildungsob jektiv betreibbar sein. Vorteilhaft kann eine Verwendung des Objektivs für ein Messsystem zu wenigstens einer Lauf zeitdetektion wenigstens eines Lichtstrahls sein. Das Messsystem kann vorteilhaft wenigstens ein Objektiv, wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens einen Matrixsensor umfassen. Die Lichtquelle kann eine Laserstrahlquelle oder eine LED sein. Die Lichtquelle kann gepulst betrie ben werden. Die Pulslänge kann zwischen 1ns und 1ms betragen.
Das Messsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Matrixsensor ein SPAD Array ist und/oder dass die Lichtquelle ein VCSEL Array oder ein LED Array ist.
Das Objektiv kann einen oder mehrere jeweils zwischen zwei Linsen angeordnete Abstandshal ter umfassen. Die Abstandshalter können vorteilhaft aus Polycarbonat oder aus einem glasfa serverstärken Kunststoff hergestellt sein. Er kann alternativ aus einem Metall wie z.B. Alumi nium oder Strahl hergestellt sein.
Das Objektiv kann eine Brennweite, eine Bildpunktgröße, eine Modulations-Transfer-Funktion und eine Verzeichnung in der Bildebene aufweisen. Die Brennweite des Objektivs und/oder we nigstens eine der optischen Eigenschaften Bildpunktgröße, Modulations-Transfer- Funktion, Bildgröße, Verzeichnung in der Bildebene können bei einer ersten Wellenlänge über einen Temperaturbereich ohne den Einsatz von aktiven Komponenten unabhängig von der Tempera tur sein. Das kann als passive Athermalisierung bezeichnet werden.
Die passive Athermalisierung kann durch die o.g. Auswahl der Linsenmaterialien in Verbindung mit den o.g. Einschränkungen der Brennweitenverhältnisse erreicht werden.
Das Objektiv kann für eine einzelne Wellenlänge (Designwellenlänge), beispielsweise die einer bestimmten Laserstrahlung ausgelegt sein, beispielsweise 780nm, 808nm, 880nm, 905nm, 915nm, 940nm, 980nm, 1064 oder 1550nm. Das Objektiv kann aber auch für eine bestimmte Bandbreite, beispielsweise für den sichtbaren Wellenlängenbereich oder den nahen Infrarotbe reich, oder für mehrere diskrete Wellenlängen ausgelegt sein. Die vorgesehene Bandbreite kann auch beispielsweise 20nm bis 50nm betragen, um beispielsweise einen thermischen Wel lenlängendrift eines zur Beleuchtung vorgesehenen Diodenlasers ausgleichen zu können.
Das Objektiv kann als Projektionsobjektiv betrieben werden. Beispielsweise kann damit ein La serstrahl linienförmig oder flächig in einen Raumausschnitt projiziert werden. Das Objektiv kann als Abbildungsobjektiv betrieben werden. Ein von einem Objekt zurückge worfener Lichtstrahl, beispielsweise ein Laserstrahl, der von einem Punkt des Objekts reflektiert worden ist, kann auf einen Punkt des Detektors projiziert werden. Mit dem Detektor kann die Laufzeit dieses Lichtstrahls detektiert werden.
Das Objektiv kann in einer bevorzugten Ausführung gleichzeitig als Projektionsobjektiv und als Abbildungsobjektiv verwendet werden. Mittels eines im Strahlengang zwischen dem Objektiv und dem Detektor angeordneten Strahlteilers kann der zu projizierende Laserstrahl in den Strahlengang eingekoppelt werden.
Vorteilhaft kann die Verwendung eines Objektivs mit einer festen Brennweite F für ein Messsys tem zu wenigstens einer Laufzeitdetektion wenigstens eines Lichtstrahls sein. Der Lichtstrahl kann ein Laserstrahl sein. Der Lichtstrahl kann von einer Lichtquelle ausgesendet werden. Die Lichtquelle kann ein optisch gepumpter Festkörperlaser oder ein elektrisch gepumpter Dioden laser sein. Die Lichtquelle kann zusammen mit dem erfindungsgemäßen Objektiv und einem Detektor an einem Fahrzeug angeordnet sein. Die Lichtquelle kann so ausgeführt sein, dass einzelne Lichtimpulse emittierbar sind. Zur Laufzeitdetektion des Lichtstrahls kann ein Photo elektrischer Detektor vorgesehen sein. Der Detektor kann als Avalanche-Photodiode, beispiels weise als Einzelphoton-Avalanche-Diode (abgekürzt SPAD; englisch single-photon avalanche diode) ausgeführt sein. Der Detektor kann mehrere Avalanche Photodioden umfassen. Diese können als SPAD-Array ausgeführt sein.
Ein erfindungsgemäßes Messsystem umfasst wenigstens ein erfindungsgemäßes Objektiv, we nigstens eine Lichtquelle und wenigstens einen Matrixsensor. Die Lichtquelle kann wenigstens ein Signallicht emittieren. Dieses kann sich in der Wellenlänge vom Umgebungslicht unterschei den. Die Lichtquelle kann vorteilhaft eine Laserlichtquelle sein. Es kann sich um einen Infrarot laser handeln. Alternativ kann die Lichtquelle eine LED sein.
Die Lichtquelle kann gepulst betrieben werden. Die Pulslänge kann zwischen 1ns und 1ms be tragen.
Die Lichtquelle kann in einer weiteren Ausführungsform mehrere lichtemittierende Elemente umfassen, die unabhängig voneinander betreibbar sind. Die Lichtquelle kann als ein VCSEL Ar- ray oder ein LED Array ausgebildet sein. Es kann ein Betrieb der Lichtquelle vorgesehen sein, bei welchem wenigstens zwei der lichtemittierenden Elemente zu verschiedenen Zeitpunkten Lichtpulse aussenden. io
Der Matrixsensor kann ein SPAD Array sein.
Die Figuren zeigen Folgendes:
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel.
Fig. 2 zeigt den Strahlengang des ersten Ausführungsbeispiels.
Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Messsystem.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen erläutert.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel. Dargestellt ist ein Objektiv 1 mit einer festen Brenn weite F. Das Objektiv weist eine optische Achse 3 auf. Die optische Achse liegt in z Richtung. In den Figuren ist die Bildebene rechts, d.h. in z Richtung angeordnet, während sich die Gegen standsebene links vom Objektiv befindet. Das Objektiv umfasst eine erste Linse 5 eine zweite Linse 8 und eine dritte Linse 11 und eine vierte Linse 12. Die Linsen sind in z Richtung aufei nanderfolgend in der genannten Reihenfolge angeordnet.
Die erste Linse ist aus einem ersten Kunststoff hergestellt. Die erste Linse ist eine asphärische Linse.
Die zweite Linse 8 ist aus einem zweiten Kunststoff hergestellt. Die zweite Linse 8 ist als asphä rische Linse ausgebildet.
Die dritte Linse 11 ist aus einem ersten Glas hergestellt. Die dritte Linse 11 ist eine sphärische Sammellinse.
Die vierte Linse 12 ist aus einem zweiten Glas hergestellt. Das zweite Glas ist hier das gleiche wie das erste Glas.
Eine Blende 15 ist zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse angeordnet.
Außerdem ist noch ein Filter 16 vorgesehen, der das Signallicht vom Umgebungslicht trennt.
Die erste Linse weist eine konkave optische Fläche (6) und eine konvexe optische Fläche (7) auf, wobei in der z Richtung nacheinander die konkave Fläche (6) und die konvexe Fläche (7) angeordnet sind. Die zweite Linse weist eine konkave optische Fläche (10) und eine konvexe optische Fläche (9) auf, wobei in die z Richtung nacheinander die konvexe Fläche (9) und die konkave Fläche (10) angeordnet sind. Die vierte Linse weist eine konvexe optische Fläche (13) und eine konkave optische Fläche (14) auf, wobei in die z Richtung nacheinander die konvexe Fläche (13) und die konkave Fläche (14) angeordnet sind. Fig. 2 zeigt den Strahlengang des ersten Ausführungsbeispiels. In dieser Figur sind die Schraf furen der Linsen weggelassen, um die Lichtstrahlen 4 besser darstellen zu können, welche den Strahlengang 2 repräsentieren. In der Bildebene 19 ist ein Bildsensor zur Bildaufnahme oder ein Matrixsensor zur Laufzeitdetektion eines Lichtstrahls angeordnet.
Das optische Design ist gemäß der nachfolgenden Tabelle ausgeführt:
Figure imgf000012_0001
Die erste Spalte gibt eine laufende Nummer einer Fläche an und ist von der Objektseite aus durchnummeriert. Der Typ „Standard“ bezeichnet eine ebene oder sphärisch gekrümmte Flä che. Der Typ „ASPHÄRE“ bezeichnet eine asphärische Fläche. Als Fläche kann eine Grenzflä che oder Linsenoberfläche verstanden werden. Es sei darauf hingewiesen, dass außerdem auch die Gegenstandsebene (Nr. 1), eine Blende (Nr.4) sowie die Bildebene (Nr. 12) als Fläche betrachtet werden. Die Flächen 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9 und 10 sind Linsenflächen. Diese Flächen sind in Fig. 2 mit der jeweiligen Nummer bezeichnet als Surf 2, Surf 3, Surf 5, Surf 6, Surf 7, Surf 8, Surf 9 bzw. Surf 10. Die Spalte Krümmungsradius KR gibt den Krümmungsradius der jeweiligen Fläche an. Im Falle einer asphärischen Fläche ist darunter der paraxiale Krümmungsradius zu verstehen. In der Ta belle ist das Vorzeichen eines Krümmungsradius positiv angegeben falls die Form einer Ober fläche zur Objektseite hin konvex ist und das Vorzeichen ist negativ falls die Form einer Ober- fläche zur Bildseite hin konvex ist. Die Angabe » in der Spalte Krümmungsradius bedeutet, dass es sich um eine ebene Fläche handelt. In der Spalte „Dicke/Abstand“ ist der Abstand der i- ten Fläche zur (i+1 )-ten Fläche auf der optischen Achse angegeben. Die Angabe « in dieser Spalte in Nr.1 bedeutet, dass es sich um eine unendliche Gegenstandsweite handelt, d.h. ein auf Unendlich fokussiertes Objektiv. Für die Zeilen 2, 5, 7 und 9 ist in dieser Spalte die Mittendi- cke der ersten, zweiten dritten bzw. vierten Linse angegeben. In der Spalte Material ist das Ma terial zwischen den jeweiligen Flächen angegeben mit dem jeweiligen Brechungsindex n. Der Brechungsindex n bezieht sich dabei auf eine Designwellenlänge, für welche das Objektiv aus gelegt ist. Die Designwellenlänge kann beispielsweise zwischen 700nm und 1100nm oder zwi schen 1400nm und 1600nm liegen, beispielsweise bei 905, 915nm, 940nm, 1064nm oder 1550nm. Die Spalte Radius gibt den Außenradius der jeweiligen Fläche an. Im Falle der Blende
(Nr. 4) ist das die Blendenöffnung. Bei den Linsenflächen ist das der nutzbare maximale Ab stand der Lichtstrahlen von der optischen Achse, in der nachfolgenden Gleichung entspricht das dem maximalen Wert h für die jeweilige Fläche.
Nachfolgend sind die Koeffizienten der asphärischen Flächen angegeben.
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000013_0002
In den numerischen Werten der asphärischen Daten, bedeutet "E-n" (n: ganzzahlig) "x10 n" und
"E+n" bedeutet "x10n". Weiterhin sind die asphärischen Oberflächenkoeffizienten die Koeffizien ten Cm mit m = 2..16 in einem asphärischen Ausdruck, der durch die folgende Gleichung darge stellt wird: wobei
Figure imgf000014_0001
Zd die Tiefe einer asphärischen Oberfläche ist (d.h. die Länge einer Senkrechten von einem Punkt auf der asphärischen Oberfläche mit einer Höhe h zu einer den Scheitel der asphäri schen Oberfläche berührenden und zu einer optischen Achse senkrechten Ebene), h die Höhe (d.h. eine Länge von der optischen Achse zu dem Punkt auf der der asphärischen Fläche), KR der paraxiale Krümmungsradius, und Cm die unten angegebenen asphärischen Oberflächenko effizienten (m = 2 .. 16) sind. Nicht angegebene asphärischen Oberflächenkoeffizienten, hier alle mit ungeradzahligem Index, sind Null anzunehmen. Die Koordinate h ist in Millimeter einzu setzen, ebenso der Krümmungsradius, das Ergebnis Zd wird in Millimetern erhalten. Der Koeffi zient k ist der Konizitätskoeffizient, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel in der letzten Spalte angegeben ist.
Die Brennweite der ersten Linse beträgt fi=- 389mm, die der zweiten Linse beträgt fs=115mm. Die Brennweite der dritten Linse beträgt f2=24,8mm, die der vierten Linse beträgt f4= 32,8mm. Das Objektiv hat eine Brennweite F von 13,2mm. Die Designwellenlänge des Ausführungsbei spiels ist 905nm. Abwandlungen des Ausführungsbeispiels können auch bei anderen in der Be schreibung aufgeführten Wellenlängen verwendet werden.
In einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels ist das Objektiv auf eine endliche Gegen standsweite fokussiert. Das kann durch eine Veränderung der Bildweite erfolgen. Dazu kann der Abstand in Zeile Nr. 10 entsprechend erhöht werden.
In einer weiteren nicht dargestellten Abwandlung kann das Objektiv als Projektionsobjektiv ver wendet werden. Dazu wird anstelle des Sensors in der Ebene 19 eine Lichtquelle angeordnet. Dann kann eine in negativer z Richtung, die in der Figur als -z Richtung gekennzeichnet ist, vor dem Objektiv befindliche Szene beleuchtet werden. Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Messsystem. Das Messsystem 17 umfasst ein Senderob jektiv 20, ein Empfängerobjektiv 21, eine Lichtquelle 18 und einen Matrixsensor 19. Die Licht quelle beleuchtet ein oder mehrere Objekte 22 mit einem Senderlicht 23. Der Matrixsensor de- tektiert die Laufzeit des zurückgeworfenen Lichts 24.
Bezugszeichen
1. Objektiv
2. Linsenanordnung mit Strahlengang
3. Optische Achse
4. Lichtstrahl
5. Erste Linse
6. Konkave Fläche der ersten Linse
7. Konvexe Fläche der ersten Linse
8. Zweite Linse
9. Konvexe Fläche der zweiten Linse
10. Konkave Fläche der zweiten Linse
11. Dritte Linse
12. Vierte Linse
13. Konvexe Fläche der vierten Linse
14. Konkave Fläche der vierten Linse
15. Blende
16. Filter
17. Messsystem
18. Lichtquelle
19. Matrixsensor
20. Senderobjektiv
21. Empfängerobjektiv
22. Objekt
23. Senderlicht
24. Zurückgeworfenes Licht

Claims

Patentansprüche
1. Objektiv (1 ) mit einer festen Brennweite F, umfassend wenigstens eine erste Linse (5) mit einer ersten Brennweite fi aus einem ersten Kunststoff, eine zweite Linse (8) mit ei ner zweiten Brennweite f2 aus einem zweiten Kunststoff, eine dritte Linse (11 ) mit einer dritten Brennweite f3 aus einem ersten Glas und eine vierte Linse (12) mit einer vierten Brennweite f4 aus einem zweiten Glas, wobei der Brechkraft D3=Vf3 der dritten Linse (11 ) positiv ist und die Brechkraft D4=1/f4 der vierten Linse (12) positiv ist und die erste Linse (5) und die zweite Linse (8) zusammen wenigstens zwei asphärische Flä chen aufweisen, wobei außerdem die Beträge der Brennweiten F der ersten Linse und f2 der zweiten Linse mehr als das 7 fache der Brennweite F des Objektivs betragen und/oder der Be trag der Summe der Brechkräfte \DI+Ü2\ aus der Brechkraft Di=Vfi der ersten Linse und der Brechkraft D2=Vf2 der zweiten Linse weniger als das 0,125 fache der Brechkraft D=1/Fdes Objektivs beträgt.
2. Objektiv nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Linse (5) und/oder die zweite Linse (8) als biasphärische Linsen ausgebildet ist.
3. Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang nacheinander in einer z Richtung die erste Linse (5), die zweite Linse (8), die dritte Linse (11) und die vierte Linse (12) angeordnet sind, oder dadurch gekenn zeichnet, dass im Strahlengang nacheinander in der-z Richtung eine Lichtquelle (18), die vierte Linse (12), die dritte Linse (11), die zweite Linse (8) und die erste Linse (5) an geordnet sind.
4. Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwi schen der ersten Linse (5) und der zweiten Linse (8) eine Blende (15) angeordnet ist.
5. Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Brennweite F zwischen 7mm und 20mm aufweist und/oder dass von der ersten Linse (5) und der zweiten Linse (8) eine Linse eine posi tive Brechkraft und die andere eine negative Brechkraft aufweist und/oder dass die erste Linse eine konkave optische Fläche (6) und eine konvexe opti sche Fläche (7) aufweist und in der z Richtung nacheinander die konkave Fläche (6) und die konvexe Fläche (7) angeordnet sind und/oder dass die zweite Linse eine konkave optische Fläche (10) und eine konvexe op tische Fläche (9) aufweist und in die z Richtung nacheinander die konvexe Fläche (9) und die konkave Fläche (10) angeordnet sind. und/oder dass die vierte Linse eine konvexe optische Fläche (13) und eine konkave opti sche Fläche (14) aufweist und in die z Richtung nacheinander die konvexe Fläche (13) und die konkave Fläche (14) angeordnet sind.
6. Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bildseitig annähernd telezentrisch ausgebildet ist, wobei der bildseitige Telezentriefehler weniger als 5° beträgt.
7. Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv eine fotografische Lichtstärke von wenigstens 1 :1 aufweist.
8. Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv ein Bandpassfilter (16) zur Trennung des Signallichtes der Lichtquelle vom Um gebungslicht, insbesondere vom Tageslicht, umfasst oder zusammen mit einem außer halb des Objektivs angeordneten Bandpassfilter betreibbar ist.
9. Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv als Projektionsobjektiv betreibbar ist und/oder dass das Objektiv als Abbil dungsobjektiv betreibbar ist.
10. Verwendung eines Objektivs (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche für ein Mess system (17) zu wenigstens einer Laufzeitdetektion wenigstens eines Lichtstrahls (4).
11. Messsystem (17), umfassend wenigstens ein Objektiv (20, 21) nach einem der vorge nannten Ansprüche, wenigstens eine Lichtquelle (18) und wenigstens einen Mat rixsensor (19).
12. Messsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (18) eine Laserstrahlquelle oder eine LED ist und dass die Lichtquelle ge pulst betrieben wird und dass die Pulslänge zwischen 1ns und 1ms beträgt.
13. Messsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrixsensor (19) ein SPAD Array ist und/oder dass die Lichtquelle (18) ein VCSEL Array oder ein LED Array ist.
PCT/EP2020/081656 2019-11-15 2020-11-10 Objektiv, verwendung eines objektivs und messsystem WO2021094318A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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