WO2021170417A1 - Kompaktes teleobjektiv mit diffraktivem optischen element - Google Patents

Kompaktes teleobjektiv mit diffraktivem optischen element Download PDF

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WO2021170417A1
WO2021170417A1 PCT/EP2021/053363 EP2021053363W WO2021170417A1 WO 2021170417 A1 WO2021170417 A1 WO 2021170417A1 EP 2021053363 W EP2021053363 W EP 2021053363W WO 2021170417 A1 WO2021170417 A1 WO 2021170417A1
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WO
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diffractive optical
optical element
lens
focal length
objective
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PCT/EP2021/053363
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Friedrich Daniel WERDEHAUSEN
Hans-Jürgen DOBSCHAL
Vladan Blahnik
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Carl Zeiss Ag
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Publication date
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    • G02B27/0056—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration for correction of secondary colour or higher-order chromatic aberrations by using a diffractive optical element

Definitions

  • the present invention relates to a lens for a camera, a camera and a mobile device, for example a smartphone.
  • the overall length of smartphone lenses is very limited.
  • systems with long focal lengths (f) in order to be able to cover a larger zoom range with different camera modules are difficult. This is due, among other things, to the low refractive indices of polymers from which the lenses used are typically made.
  • lenses with focal lengths in the range of the overall length are described, for example, in the documents US 9,223,118 B2, US 10,306,031 B2, US 10,288,845 B2, US 10,261, 288 B2 and US 2019/0056570 A1.
  • photo objectives with efficiency achromatized diffractive optical elements DOEs
  • Diffractive optical elements are used, for example, for the spectral splitting of light and for the deflection of light. Such elements are based on the principle of diffraction of light waves and are designed to deflect light of a certain wavelength in a certain direction with the aid of a diffractive structure, i.e. with the aid of a diffraction grating.
  • the diffraction efficiency of a diffractive optical element is a measure of the proportion of the light transmitted through the grating structure that is diffracted into a certain order of diffraction, i.e. the desired direction.
  • the diffraction efficiency represents the ratio of the energy flow propagating in the desired diffraction order through the entire transmitted energy flow.
  • the so-called design wavelength of the diffractive optical element neglecting shadowing effects, all light with the design wavelength is diffracted in the same order of diffraction and thus deflected in the same direction, so that a diffraction efficiency of 1 ( or 100%) can be achieved (so-called blaze grille or echelette grille).
  • blaze grille or echelette grille the design wavelength of the diffractive optical element
  • Diffractive optical elements have therefore been developed which are able to achieve a high diffraction efficiency in a certain order of diffraction - mostly the first order of diffraction - for all wavelengths from a certain wavelength range.
  • Such diffractive optical elements are called efficiency achromatized diffractive optical elements.
  • Efficiency achromatized diffractive optical elements are accordingly diffractive optical elements in which a high diffraction efficiency is achieved for all wavelengths of a certain wavelength range for a certain diffraction order.
  • US 2004/051949 A1 and US Pat. No. 5,847,887 are also known to adapt the refractive index of one of the layers in multilayer diffractive optical elements in such a way that the dispersion of another layer is canceled.
  • US 2011/090566 A1, US 9,422,414, US 7,031,078, US 7,663,803, US 7,196,132 and US 8,773,783 disclose diffractive optical elements in which materials with abnormal dispersion are used in order to bring about efficiency achromatization.
  • single-layer diffractive optical elements can be designed so that theoretically a diffraction efficiency of 100% for a given design wavelength (Ko) is achieved.
  • Ko design wavelength
  • the diffraction efficiency decreases sharply with increasing deviation from the design wavelength. This leads to undesired scattered light in optical imaging systems and thus prevents the use of such diffractive optical elements in broadband optical systems.
  • This problem can be solved by adding an additional diffractive layer made of a material with a different refractive index, as described, for example, in US Pat. No. 6,873,463 B2, US Pat. No. 9,696,469 B2, US Pat. No.
  • the two layers can have different profile heights, which can be adapted to one another in order to maximize the average diffraction efficiency in the desired wavelength range, as described, for example, by BH Kleemann et al. in “Design-Concepts for broadband high-efficieny DOEs", Journal of the European Optical Society-Rapid publications 3 (2008).
  • the average diffraction efficiency can be maximized in the desired wavelength range with the same profile height of the layers.
  • diffractive optical elements with different profile heights are typically called multilayer DOEs
  • diffractive optical elements with the same profile height of the layers are usually called “common depth DOEs”.
  • material combinations must be selected whose dispersion compensate each other as well as possible.
  • Common depth DOEs are described, for example, in DE 102006 007 432 A1, US 2011/0026118 A1, US 7,663,803, US 6,912,092, US 2012/0597741 A1, US 2004/051949 A1 and US 5,847,877. Both approaches have already been implemented in commercially available camera lenses.
  • Diffractive optical elements can be implemented, for example, with inclined surfaces, as is the case in the aforementioned multilayer DOEs and common depth DOEs.
  • An alternative approach to fusing diffractive optical elements is to periodically vary the index of refraction within the element as a function of location. This gives a so-called gradient index DOE, also known as GRIN DOE for short.
  • gradient index DOE also known as GRIN DOE for short.
  • the diffraction efficiency of a graded index DOE is highly dependent on the wavelength.
  • This problem is known from other single-layer diffractive optical elements and can be circumvented by applying a second GRIN-DOE layer analogously to a multilayer DOE, as is the case, for example, in the publication by B. FH that has already been cited. Kleemann is described.
  • diffractive optical element which increases the number of fleas in the overall system.
  • the use of diffractive optical elements in connection with conventional photo lenses is for example in the documents US 2018/0 373 004 A1, US 7,800,842 B2, US 6,101,035, JP 2016-102852 A (JP 20140239895), JP 2019-028317 A (JP 20170148612) and JP 2018-189878 A (JP 20170093783).
  • Smartphone lenses with diffractive optical elements are described, for example, in DE 10 2005 009 238 A1, DE 10 2005 033 746 A1, US 2010/0188758 A1, US 2009/0002829 A1, US 2010/309367 A1, US 2015/293370 A1 and CN 107894655 A.
  • the first object is achieved by an object for a camera according to patent claim 1.
  • the second object is achieved by a camera according to claim 14 and the third object is achieved by a mobile device according to claim 15.
  • the dependent claims contain further advantageous embodiments of the present invention.
  • the lens according to the invention for a camera comprises an optical axis, a focal length f, with an overall length TL in the direction of the optical axis, a number of refractive optical elements, for example 3 to 5 lenses, an aperture with a maximum diameter D, i.e. a diameter D in completely open state of the diaphragm, and at least one diffractive optical element, for example one or two or at least two diffractive optical elements.
  • the focal length f of the lens is in the range between 10 millimeters (10mm) and 6 millimeters (6mm) (10mm>f> 6mm), for example in the range between 10 mm and 8 mm, in particular in the range between 10 mm and 7 mm.
  • the ratio of the focal length f to the maximum diameter of the diaphragm D is in the range between 2 and 4 (2 ⁇ f / D ⁇ 4).
  • the ratio of the overall length TL to the focal length f is less than 0.9 (TL / f ⁇ 0.9), preferably less than 0.8.
  • the focal length of the at least one diffractive optical element fDOE is greater by a factor of at least 10 than the focal length f of the objective (fDOE> 10 * f).
  • the lens according to the invention has the advantage that it offers a very compact and at the same time powerful telephoto lens.
  • the functionality of a telephoto lens is guaranteed despite the short overall length compared to the focal length.
  • the lens is designed as a telephoto lens.
  • the lens is preferably designed for a camera for a portable mobile device, for example for a smartphone camera or for a camera for a tablet or a smartwatch or data glasses.
  • a telephoto lens for a smartphone camera or a camera for another portable mobile device can be implemented.
  • the at least one diffractive optical element preferably has a focal length in the range between 1000 millimeters and 100 millimeters (1000 mm> fDOE> 100 mm).
  • the focal length of the diffractive optical element is greater by a factor of between 10 and 200, in particular by a factor of between 30 and 100, than the total focal length of the objective.
  • the selection of a suitable diffractive optical element makes it possible to achieve a focal length which is significantly greater than the overall length of the objective.
  • At least one diffractive optical element is arranged in relation to the overall length of the objective starting from an object side in the direction of an image side in the first third of the objective and / or at least one diffractive optical element in the second half, for example in the third third, of the objective.
  • the minimum distance between the sections Amin of the at least one diffractive optical element forming the grating can be between 10 and 500 micrometers (10 pm ⁇ Amin ⁇ 500 pm).
  • a first diffractive optical element can be arranged in the first third of the objective and have a minimum distance between the sections forming the grating of between 30 and 500 micrometers and a second diffractive optical element can be arranged in the second half, for example in the third third, of the objective and have a minimum distance between the sections forming the grating of between 10 and 200 micrometers.
  • Such a configuration achieves focal lengths of the diffractive optical elements which are at least ten times as high as the total focal length of the objective.
  • the lens can have a field of view (FOV) over the full diagonal in the range between 40 degrees and 25 degrees (40 °> FOV> 25 °).
  • the at least one diffractive optical element and / or at least one, preferably all, of the refractive optical elements can comprise a polymer or consist of a polymer.
  • the use of polymers has the advantage that the corresponding components are, on the one hand, designed to be light and robust.
  • compositions for example, can be used as polymers: polymethyl methacrylate (PMMA), cyclo olefin polymer (COP), cyclo olefin copolymer (COC; brand name ZEONEX), polycarbonate (PC), polystyrene (PS) and styrene acrylonitrile (SAN).
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • COP cyclo olefin polymer
  • COC cyclo olefin copolymer
  • PC polycarbonate
  • PS polystyrene
  • SAN styrene acrylonitrile
  • the objective comprises between three and five, for example 3 or 4, refractive optical elements.
  • the refractive optical elements can be lenses, for example.
  • the at least one diffractive optical element can be introduced into at least one of the refractive optical elements, for example a lens, or permanently connected to it.
  • the at least one diffractive optical element can be introduced directly into a surface of the refractive optical element, for example as a gradient index element.
  • the at least one diffractive optical Element be applied to a surface of one of the refractive optical elements, for example glued or cemented onto a refractive optical element as a layer.
  • the at least one diffractive optical element can be arranged in the form of a plate, for example in the form of a free-standing plate. The plate is arranged at a suitable position in the beam path of the objective.
  • the diffractive optical element can be made up of two layers, the first layer having a first refractive index m (A) and the second layer having a second refractive index h2 (l) that differs from the first refractive index m. Additionally or alternatively, the at least one diffractive optical element can be designed as a gradient index element. In the case of an embodiment as a gradient index element, there is a continuous transition from a first refractive index m (A) to a second refractive index h2 (l).
  • the at least one diffractive optical element is preferably designed to be efficiency achromatized. This means that it diffracts at least 95% of the transmitted light for all wavelengths within a specified spectral range, for example within the visible spectral range, into one order of diffraction.
  • the diffractive optical element as already described above, can be made up of two layers and / or designed as a gradient index element.
  • the refractive indices in m (A) and h2 (l) are optimized in such a way that the difference between the two, i.e.
  • Dh (l) hi (l) -h2 (l), depends practically linearly on the wavelength (see the aforementioned publication by BH Kleemann et al. in “Design-Concepts for broadband high-efficiency DOEs”, Journal of the European Optical Society-Rapid publications 3 (2008)).
  • the at least one diffractive optical element may be constructed as a meta-surface, ie from individual ones Elements that are smaller than a certain wavelength.
  • m (A) and h2 (l) represent the effective refractive indices of the waveguides or, in the case of very dense elements, of the averaged medium.
  • the at least one diffractive optical element preferably has a height h of less than 20 micrometers (h ⁇ 20pm), for example a height of less than 10 micrometers (h ⁇ 10pm). This has the advantage that sufficiently high efficiencies can be achieved with inclined incidence of light and small grating periods.
  • the diffractive optical element can have a single, diffractive structure with a spatial variation in the refractive index.
  • the spatial variation in the refractive index forms a sequence of adjoining sections within which the refractive index varies in each case and which form a diffractive structure.
  • the diffractive optical element is thus a GRIN-DOE.
  • the sequence of adjoining sections forms a structure with variable lateral dimensions of the sections, which leads to a diffraction angle that varies in a defined manner depending on the location on the diffractive structure, for example, in addition to the deflecting effect of the structure, for example, a focusing, a defocusing, an aberration compensating effect or to achieve another visual effect.
  • the diffractive structure can have a diffraction efficiency averaged over this spectral range of at least 0.95 over a spectral range extending at least over 300 nm and preferably over at least 350 nm.
  • the spectral range can be a section of the visible spectral range, in particular the spectral range can be the entire visible spectral range, i.e. the spectral range from 400 to 800 nm or, to be more narrowly specified, from 400 to 750 nm.
  • the diffractive optical element can be characterized in that the value optimizes the diffraction efficiency averaged over the spectral range of at least 300 nm of at least 0.95 by a single single-layer diffractive structure with a combination of at least one maximum refractive index n x ma and an optimized minimum refractive index nmin and vmax of at least one optimized high Abbe's number and an optimized low Abbe number vmin within each portion of the sequence of adjacent segments is realized.
  • the diffractive optical element can be produced with a low profile height due to the fact that the diffraction efficiency averaged over the spectral range of at least 0.95 can be achieved by a single single-layer diffractive structure.
  • the lower the profile height of the diffractive structure the lower the shadowing effects caused by the profile height.
  • the lower the shadowing effects the slower the diffraction efficiency drops when the angle of incidence of the light is increased and / or when the lateral extent of the sections of the sequence of adjoining sections is reduced.
  • the diffractive optical element the value of nm over the spectral range of at least 300 average diffraction efficiency of at least 0.95 diffractive by a single-layered structure having at least a combination of an optimized maximum refractive index n ma x at a specific wavelength of the spectral range of at least 300 nm, an optimized minimum refractive index nmin at the specific wavelength of the spectral range of at least 300 nm, an optimized high Abbe number v max and an optimized low Abbe number vmin and optionally an optimized first partial dispersion and an optimized second partial dispersion realized within each section of the sequence of contiguous sections.
  • the refractive index is a variable that depends on the wavelength, the wavelength of which can be described, for example, by the Cauchy equation, particularly in the visible spectral range. Therefore, to describe the wavelength dependency of the optimized maximum refractive index n max and the optimized minimum refractive index nmin, two differently parameterized Cauchy equations are necessary.
  • the wavelength dependence of the Cauchy equation is a sufficient approximation partial partial dispersion can be determined by the value of the refractive index at a particular wavelength, along with the value of the Abbe number and the value of this configuration, the optimization of the wavelength-dependent maximum refractive index n ma x and the wavelength-dependent minimum refractive index n m m permitted by optimizing six parameters, namely the maximum refractive index n m ax at the particular wavelength of the minimum refractive index nmin at the particular wavelength of the high Abbe number vmax, low Abbe number vmin, the first partial partial dispersion and the second partial partial partial dispersion.
  • partial partial dispersions can each be kept at a given value without varying them in the optimization.
  • the difference Dh (l) n max (A) ⁇ n m m (A) as a function of the wavelength A is largely linear over the spectral range of at least 300 nm.
  • the optimized high Abbe number vmax is preferably in the area with the optimized maximum refractive index nmax and the optimized low Abbe number vmin is preferably in the area with the optimized minimum refractive index n m m. This is contrary to the trend of optical materials to have a lower Abbe number with increasing refractive index and is made possible, for example, by the use of doped or mixed optical materials.
  • the Abbe number difference Dn between the optimized high Abbe number vmax and the optimized low Abbe number vmin has at least a value of 8, in particular at least a value 15 and preferably at least a value 30.
  • At least two maxima of the spectral diffraction efficiency can be present in the spectral range extending at least over 300 nm, preferably over at least 350 nm. While the diffraction efficiency averaged over the spectral range of at least 300 nm represents a value for the diffraction efficiency averaged over the spectral range, the spectral diffraction efficiency represents the diffraction efficiency as a function of the wavelength of the diffracted light.
  • the spectral diffraction efficiency has at least two maxima, a uniform course of the spectral diffraction efficiency over the spectral range can be achieved for a certain value of the diffraction efficiency averaged over the spectral range of at least 300 nm, in particular if the wavelengths differ in the case of two maxima of the spectral diffraction efficiency , at which the maxima lie, differ from one another by at least 150 nm, preferably by at least 200 nm. In the case of more than two maxima, in particular when the wavelengths at which the two outer maxima are located differ from one another by at least 150 nm, preferably by at least 200 nm.
  • the diffractive structure of the diffractive optical element can consist of a doped material or a material mixed from at least two materials with different refractive indices.
  • the spatial variation in the refractive index is then based on a variation in the doping or a variation in the mixing ratio.
  • the production of the diffractive structure can then take place relatively easily by introducing spatially varying doping or by 3D printing with a mixing ratio of the mixed material that is fed in that varies over time. If a printer with several print nozzles is used, instead of a mixing ratio that varies over time, a mixing ratio that varies over the nozzles can also be used.
  • the described variants of an embodiment of the at least one diffractive optical element make it possible to achieve a particularly large focal length compared to the overall length of the objective with simultaneous correction of various aberrations, for example a chromatic aberration, and other imaging errors.
  • various aberrations for example a chromatic aberration, and other imaging errors.
  • a very high quality and at the same time very compact telephoto lens is thus made available with regard to the image quality.
  • the camera according to the invention comprises a previously described lens according to the invention.
  • the mobile device according to the invention comprises a camera as described above.
  • the mobile device is preferably a smartphone or a tablet or a smartwatch or data glasses.
  • the camera according to the invention and the mobile device according to the invention, in particular the smartphone, have the same properties and advantages as the lens according to the invention already described.
  • the present invention has the following advantages overall: A compact telephone lens for smartphones, in particular with a focal length which is greater than the overall length (f> TL), is made available.
  • the objective can be constructed at least partially from polymers, which means that it has a low weight.
  • less refractive optical elements, in particular lenses, are required within the scope of the objective according to the invention in order to realize a powerful objective.
  • the complexity of the aspheres is reduced, making them less sensitive to manufacturing tolerances.
  • compositions when used in a series of two or more items, means that any of the listed items can be used alone, or any combination of two or more of the listed items can be used. For example, if a composition is described that it contains components A, B and / or C, the composition A alone; B alone; C alone; A and B in combination; A and C in combination; B and C in combination; or A, B, and C in combination.
  • Fig. 1 shows schematically a first variant of an inventive
  • Fig. 2 shows schematically a second variant of an objective according to the invention.
  • FIG 3 shows schematically a third variant of an objective according to the invention.
  • Fig. 4 shows schematically a fourth variant of an inventive
  • Lens. 5 schematically shows a fifth variant of an objective according to the invention.
  • FIG. 6 schematically shows a sixth variant of an objective according to the invention.
  • Fig. 7 shows schematically a seventh variant of an objective according to the invention.
  • FIG 8 shows a first exemplary embodiment for a diffractive optical element.
  • FIG. 9 shows, in a schematic representation, a lens with an integrated diffractive optical element.
  • FIG. 10 shows a second exemplary embodiment for a diffractive optical element.
  • 11 shows a third exemplary embodiment for a diffractive optical element.
  • 12 shows a fourth exemplary embodiment for a diffractive optical element.
  • FIG. 13 schematically shows a camera according to the invention.
  • FIGS. 1 to 7 various exemplary embodiments for objectives 1 according to the invention are described with reference to FIGS. 1 to 7.
  • the objectives in FIGS. 1 to 7 are shown enlarged to scale.
  • the beam path is shown for different angles of incidence, i.e. field points, and is identified in all figures with the reference number 10.
  • All of the lenses 1 shown each have an optical axis 2, a focal length f and an overall length TL along the optical axis 2.
  • the objectives 1 also comprise a diaphragm 3, three or four refractive optical elements 11-14 in the form of lenses and at least one diffractive optical element 4, 7.
  • the objectives 1 shown comprise an image plane 5 and a plane-parallel plate 6 arranged in the beam path in the direction from an object plane to the image plane 5 directly in front of the image plane 5.
  • the diaphragm 3 a first lens 11, a second lens 12 and a third lens 13 and, in FIGS plane-parallel plate 6 and the image plane 5 arranged.
  • the lenses 11-14 shown are preferably shaped aspherically.
  • the refractive optical elements or lenses can basically be convex, concave, spherical or aspherical or any combination thereof. Free-form lenses or Fresnel lenses can also be used.
  • refractive and / or diffractive optical elements constructed from polymers can in principle be used.
  • the objectives 1 shown in FIGS. 1, 2 and 6 have a first lens 11 with a convex front side 8 and a concave rear side 9.
  • the objectives 1 shown in FIGS. 3 to 5 and 7 have a first lens 11 with a convex front 8 and a convex rear 9.
  • the second to fourth lenses 12-14 are shaped aspherically in FIGS.
  • the objective 1 shown in FIG. 2 has four lenses.
  • the second lens 12 and the third lens 13 can be configured as a composite lens or can be glued to one another.
  • a diffractive optical element 4 with a minimum distance between the sections forming the grating of more than 40 micrometers is arranged in the first third of the beam path in relation to the overall length starting from the diaphragm 3 in the direction of the image plane 5, for example on the rear side 9 of the first Lens 11 or integrated into the first lens 11. Variants for a configuration of the diffractive optical element 4 are explained in more detail below with reference to FIGS. 7 to 12.
  • a diffractive optical element 4 is arranged with a minimum distance between the sections forming the grating of more than 90 micrometers in the first third of the overall length starting from the aperture 3 in the direction of the image plane 5, for example on the rear side 9 of the first lens 11 or integrated into the first lens 11.
  • a diffractive optical element 4 is arranged with a minimum distance between the sections forming the grating of more than 15 micrometers in the second half of the beam path in relation to the overall length starting from the diaphragm 3 in the direction of the image plane 5 , for example on the back 9 of the third lens 13 or integrated into it.
  • Figure 5 shows an embodiment with 4 lenses and two diffractive optical elements, of which a first diffractive optical element 4 with a minimum distance between the sections forming the grating of more than 100 micrometers in the first third of the beam path in relation to the overall length, for example the rear 9 of the first lens 11, and a second diffractive optical element 7 with a minimum distance between the sections forming the grating of more than 35 micrometers in the second half of the beam path in relation to the overall length, for example on the rear 9 of the third lens 13, is arranged.
  • the objective 1 shown in FIG. 7 comprises 5 lenses, the fifth lens being identified by the reference number 15.
  • a first diffractive optical element 4 with a minimum distance between the sections forming the grating of more than 70 micrometers is arranged in the first third of the beam path in relation to the overall length, for example on the rear side 9 of the first lens 11.
  • a second diffractive optical element 7 with a minimum distance between the sections forming the grating of more than 42 micrometers is arranged in the second half of the beam path in relation to the overall length, for example on the rear side 9 of the fourth lens 14.
  • the at least one diffractive optical element 4, 7 can either be placed on or placed on a surface of one of the lenses, preferably the first lens 11, cemented on as an additional layer or placed as a free-standing plate in the beam path.
  • a gradient index DOE GRIN-DOE
  • the diffractive optical element 4 has a focal length ⁇ oe which is very much larger, for example by a factor between 10 and 200, preferably by a factor between 30 and 100, than the focal length f of the entire objective.
  • the focal length is preferably the diffractive optical element 4 as a single element I ⁇ OE in the range between 1000 mm and 100 mm.
  • the at least one diffractive optical element 4, 7 in the objective 1 is preferably efficiency achromatized. This means that it diffracts at least 95% of the transmitted light for all wavelengths within a specified spectral range, for example within the visible spectral range, for example between 400 pm and 800 pm, into a diffraction order.
  • a specified spectral range for example within the visible spectral range, for example between 400 pm and 800 pm
  • it can be made up of two layers.
  • a first layer has a first refractive index m (A) and a second layer has a second refractive index h2 (l).
  • m (A) first refractive index
  • h2 second refractive index
  • the diffractive optical element as a metasurface, ie from individual elements that are smaller than a certain wavelength, for example smaller than the smallest wavelength used for which the objective is designed, for example the smallest wavelength of visible light .
  • the refractive indices m (A) and h2 (l) represent the effective refractive indices of the waveguides or, in the case of very dense elements, of the averaged medium pm and particularly preferably less than 10 pm.
  • FIG. 8 shows a section from a diffractive optical element 4, 7 which has a diffractive structure 33 which is formed from a sequence of mutually adjacent sections 33A to 33D.
  • the diffractive structure 33 - and thus the optical element - has a profile height h which is not more than 20 ⁇ m, in particular not more than 50 ⁇ m and preferably not more than 10 ⁇ m.
  • the diffractive structure has a spatial variation in the refractive index, by which the sections 33A to 33D are defined.
  • the refractive index takes from a region 25 shown with a low point density, which represents a region with a minimum refractive index nmin (Ao) based on a specific wavelength lo of the diffractive structure, to a region 27 shown with a high point density, which is a region with a based on the specific wavelength lo represents the maximum refractive index n max (Ao), towards continuously.
  • Such a diffractive structure is called a gradient index DOE or GRIN DOE for short.
  • a grating can be designed in such a way that its spectral diffraction efficiency h (l) theoretically reaches the value 1 or 100% for a specific wavelength Ades, the so-called design wavelength.
  • the design wavelength Ades does not need to agree with the specific wavelength Ao, but a match between specific wavelength Ao and design wavelength Ades is can simplify the design of the diffractive structure if a high diffraction efficiency is achieved over the entire visible spectral range with a simultaneously low profile height of the diffractive structure target.
  • the continuous increase is the refractive index n (Ao) at the particular wavelength Ao by a linear increase of the present is in the range 25 minimum refractive index nmin (Ao) at the particular wavelength Ao to the present in the range 27 maximum refractive index n ma x (Ao) at the specific wavelength Ao.
  • the minimum refractive index n m m (Ao) and the maximum refractive index n max (Ao) at the specific wavelength Ao of the diffractive structure 33 are chosen so that light with the design wavelength Ades is transmitted through the area with the maximum refractive index n max ( Ao) experiences a phase shift of jx 2p compared to a transmission through the area with the minimum refractive index nmin (Ao), where j represents the diffraction order.
  • the minimum refractive index nmin (Ao) and the maximum refractive index nmax (Ao) wherein the particular wavelength Ao have such values that the maximum refractive index n ma x (Ao) at the particular wavelength of one of at least 0.005, in particular at least 0.01 and preferably at least 0.015 higher than the minimum refractive index n m m (Ao) at the particular wavelength.
  • the specific wavelength Ao is equal to the design wavelength Ades of the diffractive structure and has the value 587.56 nm. It thus corresponds to the d-line of helium. In principle, however, any other wavelength than the specific wavelength Ao can also be used, for example the wavelength of the e-line of mercury (546.07 nm), provided this is in the wavelength range for which efficiency achromatization of the diffractive structure is to take place.
  • this wavelength range is the visible wavelength range, that is to say the wavelength range between 400 and 800 nm or, to be more narrowly specified, from 400 to 750 nm
  • the wavelength lo, at 587.56 nm, is therefore more or less in the center of the visible wavelength range.
  • n ma x an Abbe number vmax of 50 and in the areas 25 with the low refractive index n m m (Ao) an Abbe number v min before 42 so that a Abbe number difference Dn with the value 8 is present.
  • n max (Ao) and vmax the values for nmin (Ao) and vmin can alternatively also be recorded.
  • n max (Ao) the maximum refractive index
  • nmin (Ao) and vmin can alternatively also be recorded.
  • optimizing the values for the maximum refractive index n max (Ao), the minimum refractive index nmin (Ao), the Abbe number vmax and the Abbe number vmin so that none of these values are recorded.
  • a quantity that can be used to specify the level of the diffraction efficiency averaged over a spectral range - and thus the degree of efficiency achromatization of the diffractive structure - is the polychromatic integral diffraction efficiency HPIDE (PIDE: Polychromatic Integral Diffraction Efficiency), which has a specific Spectral range - in the present exemplary embodiment over the visible spectral range - is the mean spectral diffraction efficiency h (l) and that according to the equation can be calculated where the spectral diffraction efficiency h (l) is given by the equation is given, provided that shadowing effects can be neglected. In the j-th order of diffraction, the "-1" would have to be replaced by "- j".
  • the coefficients a, b and c can be used according to and with the Abbe number vd and the partial partial dispersion P g, F can be expressed by the refractive index nd at the d-line of helium (587.56 nm).
  • the Abbe number is a dimensionless quantity that describes the dispersive properties of an optical material.
  • the following definition of the Abbe number is used
  • Vd where the subscript “d” means that the d-line of helium is used to define the Abbe number.
  • nd stands for the refractive index at the wavelength of the d-line of helium (587.56 nm)
  • nF for the refractive index at the wavelength of the F-line of hydrogen (486.13 nm)
  • nc for the refractive index at the Wavelength of the C-line of hydrogen (656.27 nm). Definitions of the Abbe number other than vd can also be used in the context of the present invention, for example v e.
  • the refractive index n e instead of the refractive index nd at the wavelength of d-line of helium, the refractive index n e at a wavelength of e-line of mercury (546.07 nm), instead of the refractive index nF at the wavelength of the F line of hydrogen the refractive index nF at the wavelength of the F 'line of cadmium (479.99 nm) and instead of the refractive index nc at the wavelength of the C line of hydrogen the refractive index nc at the wavelength of the C' - Line of cadmium (643.85 nm) usage.
  • the partial partial dispersion describes a difference between the refractive indices of two specific wavelengths based on a reference wavelength interval and represents a measure of the strength of the dispersion in the spectral range between these two wavelengths.
  • the two wavelengths are the wavelength of the g-line of Mercury (435.83 nm) and the wavelength of the F line of hydrogen (486.13 nm), so that the partial partial dispersion P g , F in the present exemplary embodiment is given, where nF and nc are the same as for vd.
  • Another definition can also be used in the case of partial partial dispersion, in which, for example, the F and C lines of hydrogen are replaced by the F 'and C' lines of cadmium.
  • the refractive index nd which is directly included in the coefficients of the Cauchy equation, at the wavelength of the d-line of Flelium, can also be replaced by a refractive index at a different wavelength, provided that the other wavelength lies within the spectral range for which the efficiency achromatization is to take place.
  • the equations for the coefficients a, b and c would have to be adapted to the refractive index at the other wavelength.
  • the optimization described above can thus be used with a view to achieving a predetermined minimum value of the polychromatic integral Diffraction efficiency HPIDE or with a view to achieving a maximum of the polychromatic integral diffraction efficiency HPIDE.
  • the influence of the partial partial dispersion P g , F on the polychromatic integral diffraction efficiency HPIDE is significantly smaller than the influence of the Abbe number v, so that one can for the polychromatic integral diffraction efficiency HPIDE for a wide range of values of the partial partial dispersion P g , F with the aid of an optimization of Dh (lo) and Dn and an optimization of n ma x (Ao), n m m (Ao), vmax vmin achieve higher and a value of 0.95 or can.
  • n ma x (Ao), nmin (Ao), vmax and vmin or optimized values for Dh (lo) and Dn
  • n ma x (Ao) to be optimized nmin (Ao), Vmax and Vmin or Dh (lo), and Dn are obtained two maxima in the spectral diffraction efficiency h (l).
  • P g , F, i and P g , F, 2 are both optimized, three maxima are obtained in the spectral diffraction efficiency h (l), provided that the difference between P g , F, i and P g , F, 2 is sufficient becomes large, ie P g , F, i is sufficiently large and P g , F, 2 is sufficiently small.
  • the diffractive structure 33 in the diffractive optical element 4, 7 has such a variation that in the center of the diffractive structure 33 two horizontally mirrored diffractive structures 33, 33 ′ adjoin one another. Decrease with increasing distance from the center of the diffractive structure 33, the lateral dimensions of the portions 33A to 33D or 33A 'to 33D', in which the refractive indices of each of the minimum refractive index n m m (Ao) to the maximum refractive index n ma x (Ao ) vary.
  • the minimum refractive index nmin (Ao) and the maximum refractive index nmax (Ao) are so at the design wavelength Ades of the diffractive structure 33 selected so that light at the design wavelength Ades at a transmission through the area with the maximum refractive index n ma x (Ao) to a transmission through the area with the minimum refractive index nmin (Ao) a phase shift of jx 2p learns where j is the order of diffraction represents .
  • a diffractive optical element 10, as shown in FIG. 8, can for example be integrated into a lens 15, as shown schematically in FIG to create focus points based on the diffractive optical element 10.
  • the lens or the refractive optical element 15 can be used as one of the lenses 11 to 14 shown in FIGS.
  • the diffractive optical element can be designed in such a way that its wavelength dependency compensates for the refractive wavelength dependency of the lens and thus corrects the color error of the lens.
  • FIG. 10 schematically shows multi-layer diffractive optical element 4, 7 with the same profile height h, which comprises areas 30 lined up in a lateral direction to the profile height.
  • a first material 31 and a second material 32 are arranged one above the other in a “sawtooth shape”.
  • the height of the second material 32 rises linearly within a region 30 in the lateral direction to the profile height and the height of the first material 31 falls correspondingly continuously and linearly.
  • Figure 11 shows an embodiment of a diffractive optical element 4, 7, which is designed as a meta surface.
  • the meta-surface consists of individual elements, the dimensions of which are smaller than a certain specified wavelength.
  • Adjacent elements consist of materials that differ in their refractive index, for example materials 31 and 32, as in FIG Connection with the exemplary embodiment described in FIG.
  • the dimensions of the second material 32 decrease from left to right within a region 30 and the dimensions of the individual elements of the material 31 increase from left to right.
  • the individual areas 30 are shown with the same lateral dimensions of the areas adjacent to one another. In order to achieve a focusing effect, however, the dimensions must vary, for example as explained above in connection with FIG.
  • FIG. 12 shows schematically an efficiency achromatized diffractive optical element 4, 7 in the form of a diffractive lens.
  • the shown diffractive lens has a profile height h of slightly less than 4 ⁇ m in the z direction. Starting from a center, in particular a center axis, the diffractive lens is constructed symmetrically in the x direction. In the figure, starting from the central axis 29, the radial distance r in millimeters is plotted on an x-axis. The dimensions of the individual subregions decrease as the distance r from the central axis 29 increases. As already described in connection with FIG.
  • the diffractive lens is made up of two layers, namely a first layer 31 with a refractive index m (A) and a second layer 32 with a refractive index h2 (l).
  • the boundary between the two layers in particular the boundary line shown in FIG. 12 between the first layer 31 and the second layer 32, have a parabolic or parabolic shape in the first subregions or sections starting from the central axis 29.
  • the respective position in the z direction is characterized by a parabola as a function of the distance r from the central axis, that is to say z (r) is proportional to r 2 .
  • the two layers mentioned are applied to a substrate 28.
  • FIG. 13 schematically shows a camera according to the invention, for example a camera for a mobile device, for example a smartphone.
  • the Camera 40 comprises an objective 1 according to the invention, for example an objective explained in connection with FIGS. 1 to 7.
  • FIG. 14 schematically shows a mobile device 41, which can be a smartphone, for example.
  • the mobile device 41 comprises a camera 40 according to the invention.

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Abstract

Es wird ein Objektiv (1) für eine Kamera (40) beschrieben, welches eine optische Achse (2), eine Brennweite (f), eine Baulänge (TL) in Richtung der optischen Achse (2), eine Anzahl an refraktiven optischen Elementen (11-15), eine Blende (3) mit einem maximalen Durchmesser (D) und mindestens ein diffraktives optisches Element (4, 7) umfasst. Die Brennweite (f) des Objektivs (1) liegt im Bereich zwischen 10 Millimetern und 6 Millimetern (10mm ≥ f ≥ 6mm) und das Verhältnis der Brennweite (f) zum maximalen Durchmesser der Blende (D) liegt im Bereich zwischen 2 und 4 (2 ≤ f/D ≤ 4). Das Verhältnis der Baulänge (TL) zur Brennweite (f) ist kleiner als 0,9 (TL/f < 0,9) und die Brennweite des mindestens einen diffraktiven optischen Elements (fDOE) ist um einen Faktor von mindestens 10 größer als die Brennweite (f) des Objektivs (fDOE ≥ 10*f).

Description

Kompaktes Teleobjektiv mit diffraktivem optischen Element
Das Projekt, das zu dieser Patentanmeldung geführt hat, hat im Rahmen der Marie Sklodowska-Curie-Fördervereinbarung Nr. 675745 eine Finanzierung durch das Florizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union erhalten.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Objektiv für eine Kamera, eine Kamera und ein mobiles Gerät, zum Beispiel ein Smartphone. Zahlreiche mobile Geräte, insbesondere Smartphones, weisen typischerweise eine Kamera auf. Dabei ist überwiegend eine qualitativ hochwertige Kamera erwünscht. Zudem besteht ein Bedarf an Kameras mit einem möglichst großen Zoombereich. Die Baulänge von Smartphone-Objektiven ist jedoch stark begrenzt. Gleichzeitig besteht allerdings ein Bedarf an Systemen mit langen Brennweiten (f), um einen größeren Zoombereich mit verschiedenen Kameramodulen abdecken zu können. Die dafür erforderliche Erhöhung der Brennweite bei gleichbleibender Baulänge (L), insbesondere die Realisierung von Brennweiten, welche größer sind als die Baulänge, ist jedoch schwierig. Dies liegt unter anderem an den geringen Brechungsindizes von Polymeren aus denen typischerweise die verwendeten Linsen hergestellt werden. Beispiele für Objektive mit Brennweiten im Bereich der Baulänge werden zum Beispiel in den Dokumenten US 9,223,118 B2, US 10,306,031 B2, US 10.288,845 B2, US 10,261 ,288 B2 und US 2019/0056570 A1 beschrieben. Allgemein sind Fotoobjektive mit effizienzachromatisierten diffraktiven optischen Elementen (DOEs) bekannt. Dabei dienen die effizienzachromatisierten diffraktiven optischen Elemente dazu, die chromatische Aberration zu reduzieren.
Diffraktive optische Elemente werden beispielsweise zum spektralen Aufspalten von Licht und zum Ablenken von Licht verwendet. Derartige Elemente beruhen auf dem Prinzip der Beugung von Lichtwellen und sind dazu ausgelegt, mithilfe einer diffraktiven Struktur, d.h. mit Hilfe eines Beugungsgitters, Licht einer bestimmten Wellenlänge in eine bestimmte Richtung abzulenken. Ein Maß dafür, welcher Anteil des durch die Gitterstruktur transmittierten Lichtes in eine bestimmte Beugungsordnung, d.h. die gewünschte Richtung, gebeugt wird, ist die Beugungseffizienz eines diffraktiven optischen Elementes. Die Beugungseffizienz stellt dabei das Verhältnis des in der gewünschten Beugungsordnung propagierenden Energieflusses durch den gesamten transmittierten Energiefluss da. Grundsätzlich lässt sich für eine bestimmte Wellenlänge, der sogenannten Designwellenlänge des diffraktiven optischen Elementes, erreichen, dass unter Vernachlässigung von Abschattungseffekten alles Licht mit der Designwellenlänge in dieselbe Beugungsordnung gebeugt und somit in dieselbe Richtung abgelenkt wird, so dass für die Designwellenlänge eine Beugungseffizienz von 1 (oder 100%) erreicht werden kann (sog. Blazegitter oder Echelettegitter). Für von der Designwellenlänge abweichende Wellenlängen gilt dies jedoch nicht. Licht mit einer von der Designwellenlänge abweichenden Wellenlänge wird in verschiedene Beugungsmaxima abgelenkt und damit in verschiedene Richtungen. Dies führt im Falle der Beugung von polychromatischem Licht zu Streulicht außerhalb der Beugungsordnung und damit zu Auflösungsverlust.
Es sind daher diffraktive optische Elemente entwickelt worden, die in der Lage sind, eine hohe Beugungseffizienz in eine bestimmte Beugungsordnung - zumeist die erste Beugungsordnung - für alle Wellenlängen aus einem bestimmten Wellenlängenbereich zu erzielen. Derartige diffraktive optische Elemente werden effizienzachromatisierte diffraktive optische Elemente genannt. Effizienzachromatisierte diffraktive optische Elemente sind demnach diffraktive optische Elemente, bei denen für alle Wellenlängen eines bestimmten Wellenlängenbereiches für eine bestimmte Beugungsordnung eine hohe Beugungseffizienz erzielt wird.
Es bestehen verschiedene Ansätze zur Herstellung effizienzachromatisierter diffraktiver optischer Elemente. Beispielsweise wird in US 6,873,463, US 9,696,469, US 2001/013975 und US 5,487,877 die Verwendung mehrschichtiger diffraktiver optischer Elemente vorgeschlagen, um eine Effizienzachromatisierung herbeizuführen. Aus DE 10 2006 007 432 A1 , US 2011/026118 A1 , US 7,663,803, US 6,912,092, US2013/057956 A1 ,
US 2004/051949 A1 und US 5,847,887 ist zudem bekannt, in mehrschichtigen diffraktiven optische Elementen den Brechungsindex einer der Schichten so anzupassen, dass die Dispersion einer anderen Schicht aufgehoben wird. Aus US 2011/090566 A1 , US 9,422,414, US 7,031 ,078, US 7,663,803, US 7,196,132 und US 8,773,783 sind diffraktive optische Elemente bekannt, in denen Materialien mit anormaler Dispersion zum Einsatz kommen, um eine Effizienzachromatisierung herbeizuführen.
Bei diffraktiven optischen Elementen mit Perioden, die sehr groß gegenüber der Wellenlänge des zu beugenden Lichtes sind, können einschichtige diffraktive optische Elemente so ausgelegt werden, dass theoretisch eine Beugungseffizienz von 100% für eine vorgegebene Design-Wellenlänge {Ko) erreicht wird. Weicht die Wellenlänge jedoch von dieser Design-Wellenlänge ab, so nimmt die Beugungseffizienz mit zunehmender Abweichung von der Design-Wellenlänge stark ab. Dies führt in optischen Abbildungssystemen zu unerwünschtem Streulicht und verhindert dadurch den Einsatz solcher diffraktiver optischer Elemente in breitbandigen optischen Systemen. Dieses Problem kann gelöst werden, indem eine zusätzliche diffraktive Schicht aus einem Material mit einem anderen Brechungsindex hinzugefügt wird, wie dies beispielsweise in US 6,873,463 B2, US 9,696,469 B2, US 5,847,877 und US 2001/0013975 A1 , sowie D. Werdehausen et al. „Dispersion-engineered nanocomposites enable achromatic diffractive optical elements“, OSA Publishing, Optica, Volume 6, Issue 8, Seite 1031-1038 (2019)
(https://doi.Org/10.1364/OPTICA.6.001031 ) und D. Werdehausen et al. „General design formalism for highly efficient flat optics for broadband applications” OSA Publishing, Optics Express, Volume 28, Issue 5, Seite 6452-6468 (2020) (https://doi.org/10.1364/OE.386573) beschrieben ist. Dabei können die beiden Schichten unterschiedliche Profilhöhen aufweisen, welche aneinander angepasst werden können, um die durchschnittliche Beugungseffizienz in dem gewünschten Wellenlängenbereich zu maximieren, wie dies beispielsweise von B.H. Kleemann et al. in „Design-Concepts for broadband high-efficieny DOEs“, Journal of the European Optical Society- Rapid publications 3 (2008) beschrieben ist. Andererseits kann aber auch durch geeignete Wahl des zweiten Materials die durchschnitte Beugungseffizienz in dem gewünschten Wellenlängenbereich bei gleicher Profilhöhe der Schichten maximiert werden. Während diffraktive optische Elemente mit unterschiedlichen Profilhöhen typischerweise Multilayer DOEs genannt werden, werden diffraktive optische Elemente mit gleicher Profilhöhe der Schichten üblicherweise „Common Depth DOEs“ genannt. Um ein Common Depth DOE zu realisieren, müssen Materialkombinationen gewählt werden, deren Dispersion sich gegenseitig möglichst gut kompensieren. Common Depth DOEs sind beispielsweise in DE 102006 007 432 A1 , US 2011/0026118 A1 , US 7,663,803, US 6,912,092, US 2012/0597741 A1 , US 2004/051949 A1 und US 5,847,877 beschrieben. Beide Ansätze sind bereits in kommerziell verfügbaren Fotoobjektiven umgesetzt.
Diffraktive optische Elemente können bspw. mit geneigten Flächen realisiert werden, wie dies in den zuvor erwähnten Multilayer DOEs und Common Depth DOEs der Fall ist. Ein alternativer Ansatz zum Fierstellen diffraktiver optischer Elemente besteht darin, den Brechungsindex innerhalb des Elements als Funktion des Ortes periodisch zu variieren. Dadurch erhält man ein sogenanntes Gradientenindex-DOE, auch kurz GRIN-DOE genannt. Die Beugungseffizienz eines Gradientenindex-DOE hängt jedoch stark von der Wellenlänge ab. Dieses Problem ist von anderen einschichtigen diffraktiven optischen Elementen bekannt und kann umgangen werden, indem analog zu einem Multilayer-DOE eine zweite GRIN-DOE-Schicht aufgebracht wird, wie dies beispielsweise in der bereits zitierten Veröffentlichung von B. FH. Kleemann beschrieben ist. Dadurch erhält man aber wiederum ein zweischichtiges diffraktives optisches Element, wodurch die Flöhe des Gesamtsystems zunimmt. Die Verwendung diffraktiver optischer Elemente im Zusammenhang mit gewöhnlichen Fotoobjektiven ist zum Beispiel in den Dokumenten US 2018/0 373 004 A1 , US 7,800,842 B2, US 6,101 ,035, JP 2016-102852 A (JP 20140239895), JP 2019-028317 A (JP 20170148612) und JP 2018- 189878 A (JP 20170093783) beschrieben. Smartphone-Objektive mit diffraktiven optischen Elementen werden beispielsweise in DE 10 2005 009 238 A1 , DE 10 2005 033 746 A1 , US 2010/0188758 A1 , US 2009/0002829 A1 , US 2010/309367 A1 , US 2015/293370 A1 und CN 107894655 A beschrieben.
Vor dem beschriebenen Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes kompaktes Objektiv für eine Kamera zur Verfügung zu stellen, welches sich insbesondere für mobile Geräte wie zum Beispiel Smartphones eignet und als Teleobjektiv ausgelegt ist. Weitere Aufgaben bestehen darin eine vorteilhafte Kamera und vorteilhaftes mobiles Gerät zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch ein Objekt für eine Kamera gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch eine Kamera gemäß Patentanspruch 14 gelöst und die dritte Aufgabe wird durch ein mobiles Gerät gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung.
Das erfindungsgemäße Objektiv für eine Kamera umfasst eine optische Achse, eine Brennweite f, bei Baulänge TL in Richtung der optischen Achse, eine Anzahl an refraktiven optischen Elementen, beispielsweise 3 bis 5 Linsen, eine Blende mit einem maximalen Durchmesser D, also einem Durchmesser D in vollständig geöffnetem Zustand der Blende, und mindestens ein diffraktives optisches Element, zum Beispiel ein oder zwei oder mindestens zwei diffraktive optische Elemente. Die Brennweite f des Objektivs liegt im Bereich zwischen 10 Millimetern (10mm) und 6 Millimetern (6mm) (10mm > f > 6mm), beispielsweise im Bereich zwischen 10 mm und 8 mm, insbesondere im Bereich zwischen 10 mm und 7 mm. Das Verhältnis der Brennweite f zum maximalen Durchmesser der Blende D liegt im Bereich zwischen 2 und 4 liegt (2 < f/D < 4). Das Verhältnis der Baulänge TL zur Brennweite f ist kleiner als 0,9 (TL/f < 0,9), vorzugsweise kleiner als 0,8. Die Brennweite des mindestens einen diffraktiven optischen Elements fDOE ist um einen Faktor von mindestens 10 größer ist als die Brennweite f des Objektivs (fDOE > 10*f).
Das erfindungsgemäße Objektiv hat den Vorteil, dass es ein sehr kompaktes und gleichzeitig leistungsstarkes Teleobjektiv bietet. Dabei ist trotz einer geringen Baulänge im Vergleich zur Brennweite die Funktionalität eines Teleobjektives gewährleistet. Mit anderen Worten ist das Objektiv als Teleobjektiv ausgestaltet. Das Objektiv ist bevorzugt für eine Kamera für ein tragbares mobiles Gerät ausgelegt, zum Beispiel für eine Smartphone-Kamera oder für eine Kamera für ein Tablet oder eine Smartwatch oder eine Datenbrille ausgelegt. In diesem Zusammenhang kann insbesondere ein Teleobjektiv für eine Smartphone-Kamera oder eine Kamera für ein anderes tragbares mobiles Gerät realisiert werden.
Das mindestens eine diffraktive optische Element weist bevorzugt eine Brennweite im Bereich zwischen 1000 Millimetern und 100 Millimetern (1000 mm > fDOE > 100 mm) auf. In einer vorteilhaften Variante ist die Brennweite des diffraktiven optischen Elements um einen Faktor zwischen 10 und 200, insbesondere um einen Faktor zwischen 30 und 100 größer als die Gesamtbrennweite des Objektivs. Die Auswahl eines entsprechenden diffraktiven optischen Elements ermöglicht es eine Brennweite, welche deutlich größer ist als die Baulänge des Objektivs, zu erzielen.
Vorteilhafterweise ist mindestens ein diffraktives optisches Element in Bezug auf die Baulänge des Objektivs ausgehend von einer Objektseite in Richtung einer Bildseite im ersten Drittel des Objektivs und/oder mindestens ein diffraktives optisches Element in der zweiten Hälfte, zum Beispiel im dritten Drittel, des Objektivs angeordnet. In einerweiteren Variante kann der minimale Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte Amin des mindestens einen diffraktiven optischen Elements zwischen 10 und 500 Mikrometern liegen (10pm < Amin < 500pm). Im Falle von mindestens zwei diffraktiven optischen Elementen kann zum Beispiel ein erstes diffraktives optisches Element im ersten Drittel des Objektivs angeordnet sein und einen minimalen Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte zwischen 30 und 500 Mikrometern aufweisen und ein zweites diffraktives optisches Element in der zweiten Hälfte, zum Beispiel im dritten Drittel, des Objektivs angeordnet sein und einen minimalen Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte zwischen 10 und 200 Mikrometern aufweisen. Durch eine solche Ausgestaltung werden Brennweiten der diffraktiven optischen Elemente erreicht, welche mindestens zehnmal so hoch sind wie die Gesamtbrennweite des Objektivs.
Weiterhin kann das Objektiv ein Sichtfeld (FOV - Field of View) über die volle Diagonale im Bereich zwischen 40 Grad und 25 Grad (40° > FOV > 25°) aufweisen. Das mindestens eine diffraktive optische Element und/oder mindestens eines, vorzugsweise alle, der refraktiven optischen Elemente können ein Polymer umfassen oder aus einem Polymer bestehen. Die Verwendung von Polymeren hat den Vorteil, dass die entsprechenden Bauelemente einerseits leicht und robust ausgestaltet sind. Als Polymere können beispielsweise die folgenden Zusammensetzungen verwendet werden: Polymethylmethacrylate (PMMA), Cyclo Olefin Polymer (COP), Cyclo Olefin Copolymer (COC; Markenname ZEONEX), Polycarbonate (PC), Polystyrene (PS) und Styrene Acrylonitrile (SAN).
Die genannten Eigenschaften ermöglichen eine kompakte und leichte Bauweise eines gleichzeitig leistungsstarken Teleobjektivs.
In einer vorteilhaften Variante umfasst das Objektiv zwischen drei und fünf, zum Beispiel 3 oder 4, refraktive optische Elemente. Bei den refraktiven optischen Elementen kann es sich beispielsweise um Linsen handeln. Durch die Kombination mindestens eines diffraktiven optischen Elements mit maximal fünf, vier oder drei Linsen wird ein besonders kleines, vergleichsweise einfach aufgebautes Objektiv mit einem geringen Gewicht zur Verfügung gestellt.
Das mindestens eine diffraktive optische Element kann in mindestens eines der refraktiven optischen Elemente, beispielsweise eine Linse, eingebracht oder mit dieser fest verbunden sein. Dabei kann das mindestens eine diffraktive optische Element unmittelbar in einer Oberfläche des refraktiven optischen Elements eingebracht sein, zum Beispiel als Gradienten-Index- Element. Alternativ dazu kann das mindestens eine diffraktive optische Element auf einer Oberfläche eines der refraktiven optischen Elemente aufgebracht sein, beispielsweise auf ein refraktives optisches Element als Schicht aufgeklebt oder aufgekittet sein. In einer weiteren Alternative kann das mindestens eine diffraktive optische Element in Form einer Platte, beispielsweise in Form einer freistehenden Platte, angeordnet sein. Dabei erfolgt die Anordnung der Platte an einer geeigneten Position im Strahlengang des Objektivs.
Das diffraktive optische Element kann aus zwei Schichten aufgebaut sein, wobei die erste Schicht einen ersten Brechungsindex m(A) aufweist und die zweite Schicht einen sich von dem ersten Brechungsindex m unterscheidenden zweiten Brechungsindex h2(l) aufweist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das mindestens eine diffraktive optische Element als Gradienten-Index-Element ausgestaltet sein. Im Falle einer Ausgestaltung als Gradienten-Index-Element findet ein kontinuierlicher Übergang von einem ersten Brechungsindex m(A) zu einem zweiten Brechungsindex h2(l) statt.
Vorzugsweise ist das mindestens eine diffraktive optische Element effizienzachromatisiert ausgestaltet. Das bedeutet, es beugt mindestens 95% des transmittierten Lichts für alle Wellenlängen innerhalb eines festgelegten Spektralbereichs, zum Beispiel innerhalb des sichtbaren Spektralbereichs, in eine Beugungsordnung. Um eine Effizienzachromatisierung zu erreichen, kann das diffraktive optische Element, wie zuvor bereits beschrieben, aus zwei Schichten aufgebaut sein und/oder als Gradienten-Index-Element ausgestaltet sein. In den genannten Fällen sind vorzugsweise die Brechungsindizes in m(A) und h2(l) so optimiert, dass die Differenz aus beiden, also Dh(l) = hi(l)-h2(l) praktisch linear von der Wellenlänge abhängt (siehe dazu die eingangs bereits erwähnte Veröffentlichung von B.H. Kleemann et al. in „Design-Concepts for broadband high-efficieny DOEs“, Journal of the European Optical Society-Rapid publications 3 (2008)). Dazu muss m(A) einen höheren Brechungsindex bei der d-Linie (nd = n(587,56nm)) und eine höhere Abbezahl (vd) als h2(l) aufweisen.
Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass das mindestens eine diffraktive optische Element als Metaoberfläche aufgebaut ist, d.h. aus einzelnen Elementen, die kleiner als eine bestimmte Wellenlänge sind. In diesem Fall stellen m(A) und h2(l) die effektiven Brechungsindizes der Wellenleiter, oder bei sehr dicht stehenden Elementen des gemittelten Mediums dar.
Das mindestens eine diffraktive optische Element weist vorzugsweise eine Höhe h von weniger als 20 Mikrometern (h < 20pm), beispielsweise eine Höhe von weniger als 10 Mikrometern (h < 10pm) auf. Dies hat den Vorteil, dass ausreichend hohe Effizienzen bei schrägem Lichteinfall und kleinen Gitterperioden erreicht werden.
Das diffraktive optische Element (DOE) kann eine einzige, diffraktive Struktur mit einer räumlichen Variation im Brechungsindex aufweisen. Durch die räumliche Variation im Brechungsindex ist eine Folge aneinandergrenzender Abschnitte gebildet, innerhalb derer der Brechungsindex jeweils variiert und die eine diffraktive Struktur bilden. Das diffraktive optische Element ist somit ein GRIN-DOE. Die Folge aneinandergrenzender Abschnitte bildet eine Struktur mit variablen lateralen Abmessungen der Abschnitte, die zu einem definiert variierenden Beugungswinkel in Abhängigkeit vom Ort auf der diffraktiven Struktur führt, bspw. um zusätzlich zur ablenkenden Wirkung der Struktur beispielsweise eine fokussierende, eine defokussierende, eine Abbildungsfehler ausgleichende Wirkung oder eine andere optische Wirkung zu erzielen.
Die diffraktive Struktur kann über einen sich wenigstens über 300 nm und vorzugsweise einen sich über mindestens 350 nm erstreckenden Spektralbereich, eine über diesen Spektralbereich gemittelte Beugungseffizienz von mindestens 0,95 aufweisen. Der Spektralbereich kann dabei ein Ausschnitt aus dem sichtbaren Spektralbereich sein, insbesondere kann der Spektralbereich der gesamte sichtbare Spektralbereich sein, also der Spektralbereich von 400 bis 800 nm oder, etwas enger spezifiziert, von 400 bis 750 nm.
Das diffraktive optische Element kann sich dadurch auszeichnen, dass der Wert die über den Spektralbereich von wenigstens 300 nm gemittelte Beugungseffizienz von mindestens 0,95 durch eine einzige einschichtige diffraktive Struktur mit einer Kombination aus wenigstens einem optimierten maximalen Brechungsindex nmax und einem optimierten minimalen Brechungsindex nmin sowie wenigstens einer optimierten hohen Abbe-Zahl vmax und einer optimierten niedrigen Abbe-Zahl vmin innerhalb jedes Abschnittes der Folge aneinandergrenzender Abschnitte realisiert ist.
Das diffraktive optische Element kann auf Grund der Tatsache, dass die über den Spektralbereich gemittelte Beugungseffizienz von mindestens 0,95 durch eine einzige einschichtige diffraktive Struktur realisiert sein kann, mit einer geringen Profilhöhe hergestellt werden. Je geringer die Profilhöhe der diffraktiven Struktur ist, desto geringer sind die durch die Profilhöhe verursachten Abschattungseffekte. Je geringer die Abschattungseffekte sind, desto langsamer fällt die Beugungseffizienz bei einer Vergrößerung des Einfallswinkels des Lichtes und/oder bei einer Verringerung der lateralen Ausdehnung der Abschnitte der Folge aneinandergrenzender Abschnitte ab.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des diffraktiven optischen Elements ist der Wert der über den Spektralbereich von wenigstens 300 nm gemittelten Beugungseffizienz von mindestens 0,95 durch eine einzige einschichtige diffraktive Struktur mit wenigstens einer Kombination aus einem optimierten maximalen Brechungsindex nmax bei einer bestimmten Wellenlänge des Spektralbereichs von mindestens 300 nm, einem optimierten minimalen Brechungsindex nmin bei der bestimmten Wellenlänge des Spektralbereichs von mindestens 300 nm, einer optimierten hohen Abbe-Zahl vmax und einer optimierten niedrigen Abbe-Zahl vmin sowie optional einer optimierten ersten partiellen Teildispersion und einer optimierten zweiten partiellen Teildispersion innerhalb jedes Abschnittes der Folge aneinandergrenzender Abschnitte realisiert.
Der Brechungsindex ist eine von der Wellenlänge abhängige Größe, deren Wellenlängenabhängigkeit insbesondere im sichtbaren Spektralbereich sich bspw. durch die Cauchy-Gleichung beschreiben lässt. Daher sind zur Beschreibung der Wellenlängenabhängigkeit der des optimierten maximalen Brechungsindex nmax und des optimierten minimalen Brechungsindex nmin zwei unterschiedlich parametrisierte Cauchy-Gleichungen nötig. Da die Wellenlängenabhängigkeit der Cauchy-Gleichung in hinreichender Näherung durch den Wert des Brechungsindex bei einer bestimmten Wellenlänge zusammen mit dem Wert der Abbe-Zahl und dem Wert der partiellen Teildispersion festgelegt werden kann, erlaubt diese Ausgestaltung, die Optimierung des wellenlängenabhängigen maximalen Brechungsindex nmax sowie des wellenlängenabhängigen minimalen Brechungsindex nmm durch Optimieren von sechs Parametern, nämlich des maximalen Brechungsindex nmax bei der bestimmten Wellenlänge, des minimalen Brechungsindex nmin bei der bestimmten Wellenlänge, der hohen Abbe-Zahl vmax, der niedrigen Abbe- Zahl vmin, der ersten partiellen Teildispersion und der zweiten partiellen Teildispersion. Da sich die Abhängigkeit der Cauchy-Gleichung von der partiellen Teildispersion weniger auf den Wert der über den Spektralbereich von wenigstens 300 nm gemittelten Beugungseffizienz auswirkt, können partiellen Teildispersionen jeweils auf einem vorgegebene Wert festgehalten werden, ohne sie in der Optimierung zu variieren.
Mit den optimierten Werten für den maximalen Brechungsindex nmax bei der bestimmten Wellenlänge des Spektralbereichs, für den minimalen Brechungsindex nmin bei der bestimmten Wellenlänge des Spektralbereichs, für die hohe Abbe-Zahl vmax und für die niedrige Abbe-Zahl vmin sowie optional für die erste partielle Teildispersion und für die zweiten partielle Teildispersion verläuft die Differenz Dh(l) = nmax(A) - nmm(A) als Funktion der Wellenlänge A über den Spektralbereich von wenigstens 300 nm weitestgehend linear.
In dem diffraktiven optischen Element liegt die optimierte hohe Abbe-Zahl vmax vorzugsweise in dem Bereich mit dem optimierten maximalen Brechungsindex nmax und die optimierte niedrige Abbe-Zahl vmin vorzugsweise in dem Bereich mit dem optimierten minimalen Brechungsindex nmm vor. Dies ist entgegen dem Trend von optischen Materialien, mit zunehmendem Brechungsindex eine niedrigere Abbe-Zahl aufzuweisen und wird bspw. durch die Verwendung dotierter oder gemischter optischer Materialien ermöglicht.
Es vorteilhaft, wenn die Brechungsindexdifferenz An zwischen dem optimierten maximalen Brechungsindex nmax und dem optimierten minimalen Brechungsindex nmm zumindest bei der bestimmten Wellenlänge mindestens einen Wert von 0,005, insbesondere mindestens einen Wert von 0,01 und vorzugsweise mindestens einen Wert von 0,015, aufweist, da die Profilhöhe der diffraktiven Struktur umso geringer gehalten werden kann, je größer die Brechungsindexdifferenz Dh ist.
Es ist zudem vorteilhaft, wenn die Abbe-Zahl-Differenz Dn zwischen der optimierten hohen Abbe-Zahl vmax und der optimierten niedrigen Abbe-Zahl vmin mindestens einen Wert von 8, insbesondere mindestens einen Wert 15 und vorzugsweise mindestens einen Wert 30 aufweist. Je höher die Abbe- Zahl-Differenz Dn ist, desto höher kann die Brechungsindexdifferenz Dh sein, mit der sich die über den Spektralbereich gemittelten Beugungseffizienz von mindestens 0,95 erreichen lässt, was es wiederum ermöglicht, geringere Profilhöhen der diffraktiven Struktur zu realisieren.
In dem diffraktiven optischen Element können in dem sich wenigstens über 300 nm, vorzugsweise über mindestens 350 nm erstreckenden Spektralbereich wenigstens zwei Maxima der spektralen Beugungseffizienz vorhanden sein. Während die über den Spektralbereich von wenigstens 300 nm gemittelte Beugungseffizienz einen über den Spektralbereich gemittelten Wert für die Beugungseffizienz repräsentiert, repräsentiert die spektrale Beugungseffizienz die Beugungseffizienz als Funktion der Wellenlänge des gebeugten Lichtes. Wenn die spektrale Beugungseffizienz wenigstens zwei Maxima aufweist, kann für einen bestimmten Wert der über den Spektralbereich von wenigstens 300 nm gemittelten Beugungseffizienz ein gleichmäßiger Verlauf der spektralen Beugungseffizienz über den Spektralbereich erzielt werden, insbesondere dann, wenn sich im Falle zweier Maxima der spektralen Beugungseffizienz die Wellenlängen, bei denen die Maxima liegen, um mindestens 150 nm, vorzugsweise um mindestens 200 nm voneinander unterscheiden. Im Falle von mehr als zwei Maxima insbesondere dann, wenn sich die Wellenlängen, bei denen die äußeren beiden Maxima liegen, um mindestens 150 nm, vorzugsweise um mindestens 200 nm, voneinander unterscheiden.
Die diffraktive Struktur des diffraktiven optischen Elements kann aus einem dotierten Material oder einem aus wenigstens zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindices gemischten Material bestehen. Die räumliche Variation im Brechungsindex beruht dann auf einer Variation der Dotierung bzw. einer Variation des Mischungsverhältnisses. Das Herstellen der diffraktiven Struktur kann dann relativ einfach durch Einbringen einer räumlich variierenden Dotierung bzw. durch einen 3D-Druck mit zeitlich variierendem Mischungsverhältnis des zugeführten gemischten Materials erfolgen. Im Falle der Verwendung eines Druckers mit mehreren Druckdüsen kann statt eines über der Zeit variierenden Mischungsverhältnisses auch ein über die Düsen variierendes Mischungsverhältnis zur Anwendung kommen.
Die beschriebenen Varianten einer Ausgestaltung des mindestens einen diffraktiven optischen Elements ermöglichen die Erzielung einer besonders großen Brennweite im Vergleich zur Baulänge des Objektives bei einer gleichzeitigen Korrektur verschiedener Aberrationen, beispielsweise einer chromatischen Aberration, und anderer Abbildungsfehler. Es wird somit ein im Hinblick auf die Abbildungsqualität sehr hochwertiges und gleichzeitig sehr kompaktes Teleobjektiv zur Verfügung gestellt.
Die erfindungsgemäße Kamera umfasst ein zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes Objektiv. Das erfindungsgemäße mobile Gerät umfasst eine zuvor beschriebene Kamera. Vorzugsweise handelt es sich bei dem mobilen Gerät um ein Smartphone oder ein Tablet oder eine Smartwatch oder eine Datenbrille. Die erfindungsgemäße Kamera und das erfindungsgemäße mobile Gerät, insbesondere das Smartphone, haben dieselben Eigenschaften und Vorteile wie das bereits beschriebene erfindungsgemäße Objektiv.
Die vorliegende Erfindung hat insgesamt die folgenden Vorteile: Es wird ein kompaktes Telefonobjektiv für Smartphones, insbesondere mit einer Brennweite, welche größer ist als die Baulänge (f > TL) zur Verfügung gestellt. Das Objektiv kann zumindest teilweise aus Polymeren aufgebaut sein, wodurch es ein geringes Gewicht aufweist. Weiterhin werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Objektives weniger refraktive optische Elemente, insbesondere Linsen, benötigt um ein leistungsstarkes Objektiv zu realisieren. Darüber hinaus wird die Komplexität der Asphären verringert womit diese unempfindlicher gegenüber Fertigungstoleranzen sind. Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elementen verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, dass sie die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Variante eines erfindungsgemäßen
Objektivs.
Fig. 2 zeigt schematisch eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Objektivs.
Fig. 3 zeigt schematisch eine dritte Variante eines erfindungsgemäßen Objektivs.
Fig. 4 zeigt schematisch eine vierte Variante eines erfindungsgemäßen
Objektivs. Fig. 5 zeigt schematisch eine fünfte Variante eines erfindungsgemäßen Objektivs.
Fig. 6 zeigt schematisch eine sechste Variante eines erfindungsgemäßen Objektivs. Fig. 7 zeigt schematisch eine siebente Variante eines erfindungsgemäßen Objektivs.
Fig. 8 zeigt ein erstes exemplarisches Ausführungsbeispiel für ein diffraktives optisches Element.
Fig. 9 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Linse mit einem integrierten diffraktiven optischen Element.
Fig. 10 zeigt ein zweites exemplarisches Ausführungsbeispiel für ein diffraktives optisches Element.
Fig. 11 zeigt ein drittes exemplarisches Ausführungsbeispiel für ein diffraktives optisches Element. Fig. 12 zeigt ein viertes exemplarisches Ausführungsbeispiel für ein diffraktives optisches Element.
Fig. 13 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Kamera.
Fig. 14 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes mobiles Gerät.
Im Folgenden werden anhand der Figuren 1 bis 7 verschiedene Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Objektive 1 beschrieben. Dabei sind die Objektive in den Figuren 1 bis 7 maßstabsgerecht vergrößert gezeigt. Zudem ist der Strahlengang für verschiedene Einfallswinkel, d.h. Feldpunkte, gezeigt und in allen Figuren mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet.
Alle gezeigten Objektive 1 weisen jeweils eine optische Achse 2, Brennweite f und eine Baulänge TL entlang der optischen Achse 2 auf. Die Objektive 1 umfassen zudem eine Blende 3, drei oder vier refraktive optische Elemente 11-14 in Form von Linsen und mindestens ein diffraktives optisches Element 4, 7. Darüber hinaus umfassen die gezeigten Objektive 1 eine Bildebene 5 und eine im Strahlengang in Richtung von einer Objektebene zur Bildebene 5 unmittelbar vor der Bildebene 5 angeordnete planparallele Platte 6. Die refraktiven optischen Elemente 11-14 weisen jeweils eine zur Objektebene oder zur Blende 3 zeigenden Vorderseite 8 und eine zur Bildebene 5 zeigende Rückseite 9 auf.
In Richtung des Strahlengangs von der Objektebene zur Bildebene sind in der in der Figur 1 gezeigten Variante die Blende 3, eine erste Linse 11 , eine zweite Linse 12 und eine dritte Linse 13 und in den Figuren 2 bis 6 zusätzlich eine vierte Linse 14 vor der planparallelen Platte 6 und der Bildebene 5 angeordnet. Die gezeigten Linsen 11-14 sind vorzugsweise asphärisch geformt. Die refraktiven optischen Elemente bzw. Linsen können grundsätzlich konvex, konkav, sphärisch oder asphärisch oder beliebig daraus kombiniert geformt sein. Es können auch Freiformlinsen oder Fresnel-Linsen verwendet werden.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Objektivs 1 können grundsätzlich aus Polymeren aufgebaute refraktive und/oder diffraktive optische Elemente verwendet werden.
Die in den Figuren 1 , 2 und 6 gezeigten Objektive 1 weisen eine erste Linse 11 mit einer konvexen Vorderseite 8 und einer konkaven Rückseite 9 auf. Die in den Figuren 3 bis 5 und 7 gezeigten Objektive 1 weisen eine erste Linse 11 mit einer konvexen Vorderseite 8 und einer konvexen Rückseite 9 auf. Die zweiten bis vierten Linsen 12-14 sind in den Figuren 1 bis 6 asphärisch geformt.
Die in den Figuren 1 und 2 schematisch gezeigten erfindungsgemäßen Objektive 1 weisen eine Baulänge von 6 Millimetern (TL=6mm), eine Brennweite f von 7 Millimetern (f=7,0mm), ein Verhältnis der Brennweite f zum maximalen Durchmesser D der Blende von 2,8 (f/D=2,8) und ein Sichtfeld von 36 Grad auf. Das in der Figur 2 gezeigte Objektiv 1 weist im Unterschied zu dem in der Figur 1 gezeigten Objektiv 1 vier Linsen auf. Die zweite Linse 12 und die dritte Linse 13 können als Verbundlinse ausgestaltet sein oder miteinander verklebt sein. Ein diffraktives optisches Element 4 mit einem minimalen Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte von mehr als 40 Mikrometern ist im ersten Drittel des Strahlengangs in Bezug auf die Baulänge ausgehend von der Blende 3 in Richtung der Bildebene 5 angeordnet, zum Beispiel an der Rückseite 9 der ersten Linse 11 oder in die erste Linse 11 integriert. Varianten für eine Ausgestaltung des diffraktiven optischen Elements 4 werden weiter unten anhand der Figuren 7 bis 12 näher erläutert.
Die in den Figuren 3 und 4 schematisch gezeigten erfindungsgemäßen Objektive 1 weisen 4 Linsen, eine Baulänge von 6 Millimetern (TL=6mm), eine Brennweite f von 8 Millimetern (f=8,0mm), ein Verhältnis der Brennweite f zum maximalen Durchmesser D der Blende von 2,8 (f/D=2,8) und ein Sichtfeld von 31 ,5 Grad auf. In dem in der Figur 3 gezeigten Beispiel ist ein diffraktives optisches Element 4 mit einem minimalen Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte von mehr als 90 Mikrometern im ersten Drittel der Baulänge ausgehend von der Blende 3 in Richtung der Bildebene 5 angeordnet, zum Beispiel an der Rückseite 9 der ersten Linse 11 oder in die erste Linse 11 integriert. In dem in der Figur 4 gezeigten Beispiel ist ein diffraktives optisches Element 4 mit einem minimalen Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte von mehr als 15 Mikrometern in der zweiten Hälfte des Strahlengangs in Bezug auf die Baulänge ausgehend von der Blende 3 in Richtung der Bildebene 5 angeordnet, zum Beispiel an der Rückseite 9 der dritten Linse 13 oder in diese integriert.
Die Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit 4 Linsen und zwei diffraktiven optischen Elementen, wovon ein erstes diffraktives optisches Element 4 mit einem minimalen Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte von mehr als 100 Mikrometern im ersten Drittel des Strahlengangs in Bezug auf die Baulänge, zum Beispiel an der Rückseite 9 der ersten Linse 11 , und ein zweites diffraktives optisches Element 7 mit einem minimalen Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte von mehr als 35 Mikrometern in der zweiten Hälfte des Strahlengangs in Bezug auf die Baulänge, zum Beispiel an der Rückseite 9 der dritten Linse 13, angeordnet ist. Das in der Figur 5 gezeigte Objektiv 1 weist eine Brennweite von 8 Millimetern (f=8 mm), eine Baulänge von 6 Millimetern (TL=6 mm), ein Verhältnis der Brennweite zur maximalen Blendenöffnung von 2,8 (f/D= 2,8) und ein Sichtfeld von 31 ,5 Grad (FOV=31 ,5°) auf. Das in der Figur 6 gezeigte Objektiv 1 mit einem diffraktiven optischen Element 4 im ersten Drittel des Strahlengangs in Bezug auf die Baulänge weist eine Brennweite von 9 Millimetern (f=9 mm), eine Baulänge von 6 Millimetern (TL=6 mm), ein Verhältnis der Brennweite zur maximalen Blendenöffnung von 3,6 (f/D = 3,6) und ein Sichtfeld von 28 Grad (FOV = 28°) auf.
Das in der Figur 7 gezeigte Objektiv 1 umfasst 5 Linsen, wobei die fünfte Linse mit der Bezugsziffer 15 gekennzeichnet ist. Das Objektiv 1 weist eine Brennweite von 8 Millimetern (f=8 mm), eine Baulänge von 6 Millimetern (TL=6 mm), ein Verhältnis der Brennweite zur maximalen Blendenöffnung von 2,5 (f/D= 2,5) und ein Sichtfeld von 31 ,4 Grad (FOV=31 ,4°) auf. Ein erstes diffraktives optisches Element 4 mit einem minimalen Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte von mehr als 70 Mikrometern ist im ersten Drittel des Strahlengangs in Bezug auf die Baulänge angeordnet, zum Beispiel an der Rückseite 9 der ersten Linse 11. Ein zweites diffraktives optisches Element 7 mit einem minimalen Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte von mehr als 42 Mikrometern ist in der zweiten Hälfte des Strahlengangs in Bezug auf die Baulänge angeordnet, zum Beispiel an der Rückseite 9 der vierten Linse 14.
Prinzipiell kann das mindestens eine diffraktive optische Element 4, 7 entweder auf eine Oberfläche einer der Linsen, vorzugsweise der ersten Linse 11 , auf oder eingebracht werden, als zusätzliche Schicht aufgekittet oder als freistehende Platte im Strahlengang platziert werden. Alternativ ist es auch denkbar, dass diffraktive optische Element als Gradienten-Index-DOE (GRIN- DOE) in eine Linse einzubringen. Dies wird weiter unten erläutert. Das diffraktive optische Element 4 hat dabei in allen Fällen eine Brennweite ίϋoe, die sehr viel größer ist, beispielsweise um einen Faktor zwischen 10 und 200, vorzugsweise um einen Faktor zwischen 30 und 100, als die Brennweite f des gesamten Objektivs. Vorzugsweise liegt die Brennweite des diffraktiven optischen Elements 4 als Einzelelement IΌOE im Bereich zwischen 1000 mm und 100 mm.
Das mindestens eine diffraktive optische Element 4, 7 in dem Objektiv 1 ist vorzugsweise effizienzachromatisiert. Das heißt, es beugt mindestens 95% des transmittierten Lichts für alle Wellenlängen innerhalb eines festgelegten Spektralbereichs, beispielsweise innerhalb des sichtbaren Spektralbereichs, z.B. zwischen 400 pm und 800 pm in eine Beugungsordnung. Dazu kann es aus zwei Schichten aufgebaut sein. Dabei weist eine erste Schicht einen ersten Brechungsindex m(A) und eine zweite Schicht einen zweiten Brechungsindex h2(l) auf. Eine solche Ausgestaltung ist schematisch in der Figur 10 gezeigt. Im Falle eines GRIN-DOEs findet dagegen ein kontinuierlicher Übergang von m(A) zu h2(l) statt. In allen Fällen müssen m(A) und h2(l) so optimiert werden, dass Dh(l)= m(A) - h2(l), also die Differenz der Brechungsindizes, praktisch linear von der Wellenlänge abhängt.
Alternativ ist es auch möglich, das diffraktive optische Element als Metaoberfläche (metasurface) aufzubauen, d.h. aus einzelnen Elementen die kleiner als eine bestimmte Wellenlänge, beispielsweise kleiner als die kleinste verwendete Wellenlänge, für die das Objektiv ausgelegt ist, beispielsweise die kleinste Wellenlänge des sichtbaren Lichtes. Ein Beispiel hierfür wird anhand der Figur 11 näher erläutert. In diesem Fall stellen die Brechungsindizes m(A) und h2(l) die effektiven Brechungsindizes der Wellenleiter, oder bei sehr dicht stehenden Elementen des gemittelten Mediums dar. Die Gesamthöhe h, auch Profilhöhe genannt, des diffraktiven optischen Elements ist dabei vorzugsweise kleiner als 20 pm und besonders bevorzugt kleiner als 10 pm.
Die Figur 8 zeigt einen Ausschnitt aus einem diffraktiven optischen Element 4, 7, welches eine diffraktive Struktur 33 aufweist, die aus einer Folge aneinander angrenzender Abschnitten 33A bis 33D gebildet ist. Die diffraktive Struktur 33 - und damit das optische Element - besitzt eine Profilhöhe h, die nicht mehr als 20 pm, insbesondere nicht mehr als 50 pm und vorzugsweise nicht mehr als 10 pm beträgt. In einer Richtung senkrecht zur Profilhöhe weist die diffraktive Struktur eine räumliche Variation im Brechungsindex auf, durch die die Abschnitte 33A bis 33D definiert werden. Innerhalb jedes Abschnittes 33A bis 33D nimmt der Brechungsindex von einem mit geringer Punktdichte dargestellten Bereich 25, der einen Bereich mit einem bezogen auf eine bestimmte Wellenlänge lo der diffraktiven Struktur minimalen Brechungsindex nmin(Ao) repräsentiert, zu einem mit hoher Punktdichte dargestellten Bereich 27, der einen Bereich mit einem bezogen auf die bestimmte Wellenlänge lo maximalen Brechungsindex nmax(Ao) repräsentiert, hin kontinuierlich zu.
Eine derartige diffraktive Struktur wird Gradientenindex-DOE oder kurz GRIN- DOE genannt. Ein derartiges Gitter kann derart ausgelegt werden, dass seine spektrale Beugungseffizienz h(l) für eine spezifische Wellenlänge Ades, die sogenannte Designwellenlänge, theoretisch den Wert 1 oder 100% erreicht. Die Designwellenlänge Ades braucht dabei nicht mit der bestimmten Wellenlänge Ao übereinzustimmen, eine Übereinstimmung von bestimmter Wellenlänge Ao und Designwellenlänge Ades ist kann jedoch das Entwerfen der diffraktiven Struktur vereinfachen, wenn über den gesamten sichtbaren Spektralbereich eine hohe Beugungseffizienz bei gleichzeitig geringer Profilhöhe der diffraktiven Struktur erreicht werden soll.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die kontinuierliche Zunahme des Brechungsindex n(Ao) bei der bestimmten Wellenlänge Ao durch eine lineare Zunahme von dem im Bereich 25 vorliegenden minimalen Brechungsindex nmin(Ao) bei der bestimmten Wellenlänge Ao zu dem im Bereich 27 vorliegenden maximalen Brechungsindex nmax(Ao) bei der bestimmten Wellenlänge Ao charakterisiert. Der minimale Brechungsindex nmm(Ao) und der maximale Brechungsindex nmax(Ao) bei der bestimmten Wellenlänge Ao der diffraktiven Struktur 33 sind so gewählt, dass Licht mit der Designwellenlänge Ades bei einer Transmission durch den Bereich mit dem maximalen Brechungsindex nmax(Ao) gegenüber einer Transmission durch den Bereich mit dem minimalen Brechungsindex nmin(Ao) eine Phasenverschiebung von j x 2p erfährt, wobei j die Beugungsordnung repräsentiert. In den vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispielen ist j = 1 , gewählt, so dass das Licht in die erste Beugungsordnung abgelenkt wird. Es ist jedoch auch möglich j > 1 - und damit eine höhere Beugungsordnung - oder j < 0 - und damit eine negative Beugungsordnung - zu wählen. Bei einer negativen Beugungsordnung würde im Bereich 25 der maximale Brechungsindex nmax(Ao) und im Bereich 27 der minimale Brechungsindex nmin(Ao) vorliegen.
Der minimale Brechungsindex nmin(Ao) und der maximale Brechungsindex nmax(Ao) bei der der bestimmten Wellenlänge Ao haben derartige Werte, dass der maximale Brechungsindex nmax(Ao) bei der bestimmten Wellenlänge einen um mindestens 0,005, insbesondere mindestens 0,01 und vorzugsweise mindestens 0,015 höheren Wert als der minimale Brechungsindex nmm(Ao) bei der bestimmten Wellenlänge aufweist. Wenn die bestimmte Wellenlänge Ao gleichzeitig die Designwellenlänge Ades der diffraktiven Struktur ist, bestimmt die Brechungsindexdifferenz An(Ades) = nmax(Ades) - nmin(Ades) zwischen dem maximalen Brechungsindex und dem minimalen Brechungsindex die Profilhöhe h der diffraktiven optischen Struktur gemäß der nachfolgenden Gleichung (in der ersten Beugungsordnung): h = Ades / Än(Ades).
In der j-ten Beugungsordnung wäre die Profilhöhe h entsprechend durch h = j Ades / Än(Ades). gegen. Wenn die bestimmte Wellenlänge Ao von der Designwellenlänge Ades der diffraktiven Struktur abweicht, müssen die Brechungsindices nmax(Ao) und nmin(Ao) bei der bestimmten Wellenlänge zuerst in die Brechungsindices nmax(Ades) und nmin(Ades) bei der Designwellenlänge Ades umgerechnet werden, um die Profilhöhe der diffraktiven Struktur berechnen zu können.
Die bestimmte Wellenlänge Ao ist im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel gleich der Designwellenlänge Ades der diffraktiven Struktur und hat den Wert 587,56 nm. Sie entspricht damit der d-Linie von Helium. Grundsätzlich kann jedoch auch jede andere Wellenlänge als die bestimmte Wellenlänge Ao Verwendung finden, bspw. die Wellenlänge der e- Linie von Quecksilber (546,07 nm), sofern diese in demjenigen Wellenbereich liegt, für den eine Effizienzachromatisierung der diffraktiven Struktur erfolgen soll. Dieser Wellenlängenbereich ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel der sichtbare Wellenlängenbereich, also der Wellenlängenbereich zwischen 400 und 800 nm oder, etwas enger spezifiziert, von 400 bis 750 nm. Die bestimmte Wellenlänge lo liegt daher mit 587,56 nm im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel mehr oder weniger im Zentrum des sichtbaren Wellenlängenbereichs.
Um die Effizienzachromatisierung der diffraktiven Struktur 33 im sichtbaren Spektralbereich zu erreichen, weist das Material, aus dem sie hergestellt ist, im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel einen maximalen Brechungsindex nmax(Ao) von 1 ,700 und einen minimalen Brechungsindex nmin(Ao) von 1 ,695 auf, so dass eine Brechungsindexdifferenz Dh(lo) = nmax(Ao) - nmm(Ao) von 0,005 vorliegt. Zudem liegt in den Bereichen 27 mit dem maximale Brechungsindex nmax(Ao) eine Abbe-Zahl vmax von 50 und in den Bereichen 25 mit dem niedrigem Brechungsindex nmm(Ao) eine Abbe-Zahl vmin von 42 vor, so dass eine Abbe-Zahl-Differenz Dn mit dem Wert 8 vorliegt. Diese Werte entstammen einer Optimierung, in der die Wertekombination (nmax(Ao) = 1 ,7000; vmax = 50) festgehalten wurde und die Werte für nmin(Ao) sowie für vmin, und damit die Brechungsindexdifferenz Dh(lo) sowie die Abbe- Zahl-Differenz Dn, im Hinblick auf eine hohe über den sichtbaren Spektralbereich gemittelte Beugungseffizienz optimiert wurden. Statt der Werte für nmax(Ao), und vmax können alternativ aber auch die Werte für nmin(Ao) und vmin festgehalten werden. Zudem besteht auch die Möglichkeit, die Werte für den maximalen Brechungsindex nmax(Ao), den minimalen Brechungsindex nmin(Ao), die Abbe-Zahl vmax und die Abbe-Zahl vmin zu optimieren, so dass keiner dieser Werte festgehalten wird.
Eine Größe, die die zum Angeben der Höhe der über einen Spektralbereich gemittelten Beugungseffizienz - und damit den Grad an Effizienzachromatisierung der diffraktiven Struktur- Verwendung finden kann, ist die polychromatische integrale Beugungseffizienz HPIDE (PIDE: Polychromatic Integral Diffraction Efficiency), die eine über einen bestimmten Spektralbereich - im vorliegenden Ausführungsbeispiel über den sichtbaren Spektralbereich - gemittelte spektrale Beugungseffizienz h(l) ist und die gemäß der Gleichung
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berechnet werden kann, wobei die spektrale Beugungseffizienz h(l) durch die Gleichung
Figure imgf000025_0002
gegeben ist, sofern Abschattungseffekte vernachlässigt werden können. In der j-ten Beugungsordnung wäre die „-1“ durch ,,-j“ zu ersetzen. Dabei stehen sine für den Sinus cardinalis, h für die Profilhöhe der diffraktiven Struktur, Dh(l) = m(A) - h2(l) für die wellenlängenabhängige Brechungsindexdifferenz und A für die Wellenlänge, wobei m(Ao) = nmax(Ao) und h2(lo) = nmm(Ao) gilt. Der wellenlängenabhängige Verlauf des Brechungsindex n(A) kann mit Hilfe der Abbe-Zahl und der partiellen Teildispersion durch die Cauchy-Gleichung
Figure imgf000025_0003
insbesondere im sichtbaren Spektralbereich sehr gut angenähert werden. Dabei können die Koeffizienten a, b und c gemäß
Figure imgf000025_0004
und
Figure imgf000025_0005
mit
Figure imgf000026_0001
durch den Brechungsindex nd bei der d-Linie von Helium (587,56 nm) die Abbe-Zahl vd und die partielle Teildispersion Pg,F ausgedrückt werden.
Die Abbe-Zahl ist eine dimensionslose Größe, welche die dispersiven Eigenschaften eines optischen Materials beschreibt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel findet folgende Definition der Abbe-Zahl Verwendung
Vd =
Figure imgf000026_0002
wobei das tiefgestellte „d“ bedeutet, dass zur Definition der Abbe-Zahl die d- Line von Helium herangezogen wird. In dieser Definition stehen nd für den Brechungsindex bei der Wellenlänge der d-Linie von Helium (587,56 nm), nF für den Brechungsindex bei der Wellenlänge der F-Linie von Wasserstoff (486,13 nm) und nc für den Brechungsindex bei der Wellenlänge der C-Linie von Wasserstoff (656,27 nm). Andere Definitionen der Abbe-Zahl als vd können im Rahmen der vorliegenden Erfindung aber ebenfalls Verwendung finden, bspw. ve. Im Falle von ve finden in der obigen Gleichung statt des Brechungsindex nd bei der Wellenlänge der d-Line von Helium der Brechungsindex ne bei der Wellenlänge der e-Linie von Quecksilber (546,07 nm), statt des Brechungsindex nF bei der Wellenlänge der F-Linie von Wasserstoff der Brechungsindex nF· bei der Wellenlänge der F‘-Linie von Cadmium (479,99 nm) und statt des Brechungsindex nc bei der Wellenlänge der C-Linie von Wasserstoff der Brechungsindex nc· bei der Wellenlänge der C‘-Linie von Cadmium (643,85 nm) Verwendung. Da die vorliegende Erfindung nicht von der gewählten Definition der Abbe-Zahl abhängt, wird diese in der vorliegenden Beschreibung lediglich mit v ohne einen Index bezeichnet. Bei einem anderen Spektralbereich als dem sichtbaren Spektralbereich sind statt der Brechungsindices bei den oben beschriebenen Wellenlängen Brechungsindices bei anderen Wellenlängen zu wählen, die innerhalb des Spektralbereichs, für den die Effizienzachromatisierung erfolgen soll, liegen. Dabei braucht keine der gewählten Wellenlängen mit der Designwellenlänge der diffraktiven Struktur übereinzustimmen.
Die partielle Teildispersion beschreibt eine Differenz zwischen den Brechungsindices zweier bestimmter Wellenlängen bezogen auf ein Referenz- Wellenlängenintervall und stellt ein Maß für die Stärke der Dispersion in dem Spektralbereich zwischen diesen beiden Wellenlängen dar. Die beiden Wellenlängen sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Wellenlänge der g-Linie von Quecksilber (435,83 nm) und die Wellenlänge der F-Linie von Wasserstoff (486,13 nm), so dass die partielle Teildispersion Pg,F im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch
Figure imgf000027_0001
gegeben ist, wobei nF und nc dieselben sind wie bei vd. Auch bei der partiellen Teildispersion kann eine andere Definition Verwendung finden, in der bspw. die F- und C-Linien von Wasserstoff durch die F‘- und C‘-Linien von Cadmium ersetzt sind.
Der in die Koeffizienten der Cauchy-Gleichung unmittelbar eingehende Brechungsindex nd bei der Wellenlänge der d-Line von Flelium kann ebenfalls durch einen Brechungsindex bei einer anderen Wellenlänge ersetzt werden, sofern die andere Wellenlänge innerhalb des Spektralbereiches liegt, für den die Effizienzachromatisierung erfolgen soll. Allerdings müssten die Gleichungen für die Koeffizienten a, b und c an den Brechungsindex bei der anderen Wellenlänge angepasst werden.
Die oben beschriebe Optimierung kann damit im Hinblick auf das Erreichen eines vorgegebenen Mindestwertes der polychromatischen integralen Beugungseffizienz HPIDE oder im Hinblick auf das Erreichen eines Maximums der polychromatischen integralen Beugungseffizienz HPIDE erfolgen. Dabei zeigt sich, dass der Einfluss der partiellen Teildispersion Pg,F auf die polychromatische integrale Beugungseffizienz HPIDE deutlich geringer ist als der Einfluss der Abbe-Zahl v, so dass man für die polychromatische integrale Beugungseffizienz HPIDE für einen breiten Wertebereich der partiellen Teildispersion Pg,F mit Hilfe einer Optimierung von Dh(lo) und Dn bzw. einer Optimierung von nmax(Ao), nmm(Ao), vmax und vmin einen Wert von 0,95 oder höher erzielen kann. Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, statt optimierter Werte für nmax(Ao), nmin(Ao), vmax und vmin oder optimierter Werte für Dh(lo) und Dn optimierte Werte für nmax(Ao), nmin(Ao), vmax, vmin, Pg,F,i und Pg,F,2 zu ermitteln, wobei Pg,F,i nmax(Ao) und vmax zugeordnet ist und Pg,F,2 nmin(Ao) und vmin zugeordnet ist. Wenn lediglich nmax(Ao), nmin(Ao), vmax und vmin oder Dh(lo) und Dn optimiert werden, erhält man zwei Maxima in der spektralen Beugungseffizienz h(l). Wenn zudem Pg,F,i und Pg,F,2 sowohl optimiert werden, erhält man drei Maxima in der spektralen Beugungseffizienz h(l), sofern die Differenz von Pg,F,i und Pg,F,2 ausreichend groß wird, d.h. Pg,F,i ausreichend groß und Pg,F,2 ausreichend klein ist.
Die diffraktive Struktur 33 im diffraktiven optischen Element 4, 7 weist eine derartige Variation auf, dass im Zentrum der diffraktiven Struktur 33 zwei horizontal gespiegelte diffraktive Strukturen 33, 33' aneinandergrenzen. Mit zunehmenden Abstand vom Zentrum der diffraktiven Struktur 33 verringern sich die lateralen Abmessungen der Abschnitte 33A bis 33D bzw. 33A' bis 33D‘, in denen die Brechungsindices jeweils von dem minimalen Brechungsindex nmm (Ao) zum maximalen Brechungsindex nmax(Ao) variieren. Dadurch wird es möglich, das diffraktive optische Element 4, 7 bspw. als Beugungslinse auszugestalten, wobei die Art und Weise, wie sich die lateralen Abmessungen mit zunehmenden Abstand vom Zentrum der diffraktiven Struktur 33 verringern unter anderem davon abhängt, welche Fokuslage erzielt werden soll.
Der minimale Brechungsindex nmin(Ao) und der maximale Brechungsindex nmax(Ao) sind bei der Designwellenlänge Ades der diffraktiven Struktur 33 so gewählt, dass Licht mit der Designwellenlänge Ades bei einer Transmission durch den Bereich mit dem maximalen Brechungsindex nmax(Ao) gegenüber einer Transmission durch den Bereich mit dem minimalen Brechungsindex nmin(Ao) eine Phasenverschiebung von j x 2p erfährt, wobei j die Beugungsordnung repräsentiert. Für Abschnitte 33D, 33D' mit geringer Breite bedeutet dies, dass der Verlauf des Brechungsindex von dem Bereich 27D, 27D' mit dem maximalen Brechungsindex nmax(Ao) zu dem Bereich 25D, 25D' mit dem minimalen Brechungsindex nmin (Ao) steiler sein muss als bspw. bei den Abschnitten 33B, 33B' mit größerer Breite.
Ein diffraktives optisches Element 10, wie es in der Figur 8 dargestellt ist, kann beispielsweise in eine Linse 15 integriert werden, wie dies schematisch in Figur 9 dargestellt ist, insbesondere um dadurch zusätzlich zu dem auf der Refraktion der Linse 15 beruhenden Fokuspunkt auf der Beugung durch das diffraktive optische Element 10 beruhende Fokuspunkte zu schaffen. Die Linse bzw. das refraktive optische Element 15 kann als eine der in den Figuren 1 bis gezeigten Linsen 11 bis 14 verwendet werden. Das diffraktive optische Element kann derart ausgebildet werden, dass seine Wellenlängenabhängigkeit die refraktive Wellenlängenabhängigkeit der Linse ausgleicht und so den Farbfehler der Linse korrigiert.
Die Figur 10 zeigt schematisch mehrschichtiges diffraktives optisches Element 4, 7 mit gleicher Profilhöhe h, welches in lateraler Richtung zur Profilhöhe aneinandergereihte Bereiche 30 umfasst. In der gezeigten Variante sind ein erstes Material 31 und ein zweites Material 32 „sägezahnförmig“ übereinander angeordnet. Dabei steigt jeweils in lateraler Richtung zur Profilhöhe die Höhe des zweiten Materials 32 innerhalb eines Bereichs 30 linear an und die Höhe des ersten Materials 31 fällt entsprechend kontinuierlich linear ab.
Die Abbildung 11 zeigt eine Ausführungsvariante eines diffraktiven optischen Elements 4, 7, welches als Metaoberfläche ausgebildet ist. Die Metaoberfläche besteht aus einzelnen Elementen, deren Abmessungen kleiner sind als eine bestimmte festgelegte Wellenlänge. Einander benachbarte Elemente bestehen dabei aus sich in ihrem Brechungsindex unterscheidende Materialien, beispielsweise Materialien 31 und 32, wie im Zusammenhang mit dem in der Figur 10 beschriebenen Ausführungsbeispiel. In der in der Figur 11 gezeigten Variante nehmen die Abmessungen des zweiten Materials 32 innerhalb eines Bereichs 30 von links nach rechts ab und die Abmessungen der einzelnen Elemente des Materials 31 von links nach rechts zu.
In den Figuren 10 und 11 sind die einzelnen Bereiche 30 zur Vereinfachung mit gleichen lateralen Abmessungen der einander benachbarten Bereiche gezeigt. Um eine fokussierende Wirkung zu erzielen müssen die Abmessungen jedoch variieren, beispielsweise wie im Zusammenhang mit der Figur 8 oben erläutert.
Die Figur 12 zeigt schematisch ein effizienzachromatisiertes diffraktives optisches Element 4, 7 in Form einer diffraktiven Linse. Die gezeigte diffraktive Linse weist in z-Richtung eine Profilhöhe h von etwas weniger als 4 pm auf. Die diffraktive Linse ist ausgehend von einer Mitte, insbesondere einer Mittelachse, in x-Richtung symmetrisch aufgebaut. In der Figur ist ausgehend von der Mittelachse 29 der radiale Abstand r in Millimetern auf einer x-Achse aufgetragen. Die Abmessungen der einzelnen Teilbereiche nehmen mit zunehmendem Abstand r von der Mittelachse 29 ab. Wie bereits im Zusammenhang mit der Figur 10 beschrieben, ist die diffraktive Linse aus zwei Schichten aufgebaut, nämlich einer ersten Schicht 31 mit einem Brechungsindex m(A) und einer zweiten Schicht 32 mit einem Brechungsindex h2(l). Die Grenze zwischen den beiden Schichten, insbesondere die in der Figur 12 gezeigte Grenzlinie zwischen der ersten Schicht 31 und der zweiten Schicht 32 weisen in den ausgehend von der Mittelachse 29 ersten Teilbereichen bzw. Abschnitten eine parabelförmige bzw. parabolische Form auf. Mit anderen Worten ist für Übergangspunkte zwischen den beiden Schichten die jeweilige Position in z-Richtung in Abhängigkeit von dem Abstand r von der Mittelachse durch eine Parabel gekennzeichnet, also z (r) ist proportional r2. In der in der Figur 12 gezeigten Variante sind die beiden genannten Schichten auf ein Substrat 28 aufgebracht.
Die Figur 13 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Kamera, beispielsweise eine Kamera für ein mobiles Gerät, z.B. ein Smartphone. Die Kamera 40 umfasst ein erfindungsgemäßes Objektiv 1 , beispielsweise ein im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 7 erläutertes Objektiv.
Die Figur 14 zeigt schematisch ein mobiles Gerät 41 , bei welchem es sich zum Beispiel um ein Smartphone handeln kann. Das mobile Gerät 41 umfasst eine erfindungsgemäße Kamera 40.
Bezuqszeichenliste
1 Objektiv
2 optische Achse 3 Blende
4 diffraktives optisches Element
5 Bildebene
6 planparallele Platte
7 diffraktives optisches Element 8 Vorderseite
9 Rückseite
10 Strahlengang
11 erstes refraktives optisches Element
12 zweites refraktives optisches Element 13 drittes refraktives optisches Element
14 viertes refraktives optisches Element
15 refraktives optisches Element, Linse
16 fünftes refraktives optisches Element
23 diffraktive Struktur 25 Bereich mit niedrigem Brechungsindex
27 Bereich mit hohem Brechungsindex
28 Substrat
29 Mittelachse
30 Bereich 31 erstes Material, Element
32 zweites Material, Element
33 diffraktive Struktur
40 Kamera
41 mobiles Gerät f Brennweite fDOE Brennweite des diffraktiven optischen Elements h Profilhöhe
TL Baulänge
D maximaler Durchmesser der Blende

Claims

Patentansprüche
1. Objektiv (1 ) für eine Kamera (40), welches eine optische Achse (2), eine Brennweite (f), eine Baulänge (TL) in Richtung der optischen Achse (2), eine Anzahl an refraktiven optischen Elementen (11-15), eine Blende (3) mit einem maximalen Durchmesser (D) und mindestens ein diffraktives optisches Element (4, 7) umfasst, wobei die Brennweite (f) des Objektivs (1 ) im Bereich zwischen 10 Millimetern und 6 Millimetern liegt (10mm > f > 6mm) und das Verhältnis der Brennweite (f) zum maximalen Durchmesser der Blende (D) im Bereich zwischen 2 und 4 liegt (2 < f/D < 4), dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Baulänge (TL) zur Brennweite (f) kleiner ist als 0,9 (TL/f < 0,9) und die Brennweite des mindestens einen diffraktiven optischen Elements (ίϋoe) um einen Faktor von mindestens 10 größer ist als die Brennweite (f) des Objektivs (fDOE > 10*f).
2. Objektiv (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine diffraktive optische Element (4, 7) eine Brennweite im Bereich zwischen 1000 Millimetern und 100 Millimetern (1000 mm > fDOE > 100 mm) aufweist.
3. Objektiv (1 ) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweite des mindestens einen diffraktiven optischen Elements (4, 7) um einen Faktor zwischen 10 und 200 (30 und 100) größer ist als die Brennweite des Objektivs.
4. Objektiv (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein diffraktives optisches Element (4, 7) in Bezug auf die Baulänge des Objektivs (1 ) ausgehend von einer Objektseite in Richtung einer Bildseite im ersten Drittel des Objektivs (1 ) und/oder mindestens ein diffraktives optisches Element (4, 7) in der zweiten Hälfte des Objektivs (1 ) angeordnet ist.
5. Objektiv (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Abstand der das Gitter bildenden Abschnitte Amin des mindestens einen diffraktiven optischen Elements (4, 7) zwischen 10 und 500 Mikrometern liegt (10pm < Amin < 500pm).
6. Objektiv (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (1 ) ein Sichtfeld (FOV - Field of View) im Bereich zwischen 40 Grad und 25 Grad (40° > FOV > 25°) aufweist.
7. Objektiv (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine diffraktive optische Element (4, 7) und/oder mindestens ein refraktives optisches Element (11-15) ein Polymer umfasst.
8. Objektiv (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (1 ) zwischen drei und fünf refraktive optische Elemente (11-15) umfasst.
9. Objektiv (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine diffraktive optische Element (4, 7) in eins der refraktiven optischen Elemente (11-15) eingebracht ist oder auf eine Oberfläche eines der refraktiven optischen Elemente (11-15) aufgebracht ist oder in Form einer Platte ausgestaltet und im Strahlengang angeordnet ist.
10. Objektiv (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine diffraktive optische Element (4, 7) als Gradienten-Index- Element ausgestaltet ist oder aus mindestens zwei Schichten (31 , 32) mit voneinander abweichendem Brechungsindex aufgebaut ist oder aus einzelnen Elementen (31 , 32) mit Abmessungen, die kleiner sind als eine bestimmte Wellenlänge, aufgebaut ist.
11 . Objektiv (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine diffraktive optische Element (4, 7) effizienzachromatisiert ist.
12. Objektiv (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine diffraktive optische Element (4, 7) eine Höhe (h) von weniger als 20 Mikrometern (h < 20pm) aufweist.
13. Objektiv (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (1 ) mindestens zwei diffraktive optische Elemente (4, 7) umfasst.
14. Kamera (40), welche ein Objektiv (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 umfasst.
15. Mobiles Gerät (41 ), welches eine Kamera (40) gemäß Anspruch 14 umfasst.
16. Mobiles Gerät (41 ) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem mobilen Gerät (41 ) um ein Smartphone oder ein Tablet oder eine Smartwatch oder eine Datenbrille handelt.
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WO (1) WO2021170417A1 (de)

Citations (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5487877A (en) 1992-02-01 1996-01-30 Choi; Min K. Restroom organizer and sterilizing apparatus
US5847887A (en) 1995-02-28 1998-12-08 Ohtsuka Patent Office Optical apparatus
US5847877A (en) 1994-09-12 1998-12-08 Olympus Optical Co., Ltd. Diffractive optical element
US6101035A (en) 1996-10-24 2000-08-08 Asahi Kogaku Kogyo Kabushiki Kaisha Triplet lens system with diffractive lens features
US20010013975A1 (en) 1997-07-28 2001-08-16 Takehiko Nakai Diffractive optical element and optical system having the same
US20040051949A1 (en) 2002-08-30 2004-03-18 Canon Kabushiki Kaisha Optical material, and, optical element, optical system and laminated diffractive optical element using it
US6873463B2 (en) 2000-09-27 2005-03-29 Canon Kabushiki Kaisha Diffractive optical element and optical system having the same
DE102005009238A1 (de) 2005-02-25 2006-09-07 Carl Zeiss Ag Linsensystem, insbesondere für tragbare Telefone
DE102005033746A1 (de) 2005-07-15 2007-01-25 Schott Ag Kompaktes Objektiv zur digitalen Bilderfassung sowie Bilderfassungsvorrichtung
US7196132B2 (en) 1999-07-01 2007-03-27 Canon Kabushiki Kaisha Optical material and optical system using it
DE102006007432A1 (de) 2006-02-17 2007-08-23 Carl Zeiss Ag Diffraktives optisches Element für elektromagnetische Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereiches und Verfahren zur Herstellung eines solchen diffraktiven optischen Elementes
US20090002829A1 (en) 2007-06-26 2009-01-01 Yoshikazu Shinohara Imaging device, camera module, and mobile terminal apparatus
US7663803B2 (en) 2007-01-22 2010-02-16 Canon Kabushiki Kaisha Laminated diffraction optical element
US20100188758A1 (en) 2007-03-16 2010-07-29 Panasonic Corporation Photography lens
US20100309367A1 (en) 2008-09-03 2010-12-09 Panasonic Corporation Imaging lens and imaging device using the same
US20110026118A1 (en) 2007-10-31 2011-02-03 Carl Zeiss Ag Diffractive optical element and use of an optical adhesive for producing the same
US20110090566A1 (en) 2009-10-19 2011-04-21 Canon Kabushiki Kaisha Optical material and multilayer diffractive optical element formed with same
US20120059741A1 (en) 2010-08-27 2012-03-08 Mohammad Khan Methods, systems, and computer readable media for detecting customer presence to initiate the ordering and purchase of goods and services
US20120224080A1 (en) * 2009-11-24 2012-09-06 Panasonic Corporation Image pickup lens, image pickup device using same, and portable device equipped with the image pickup device
US20130057956A1 (en) 2011-09-02 2013-03-07 Canon Kabushiki Kaisha Organic-inorganic composite material, optical element, and multilayer diffractive optical element
US20130258500A1 (en) * 2012-03-29 2013-10-03 Kantatsu Co., Ltd. Imaging lens
US8773783B2 (en) 2011-11-30 2014-07-08 Canon Kabushiki Kaisha Optical system and optical apparatus having the same
JP2014239895A (ja) 2014-06-06 2014-12-25 株式会社三洋物産 遊技機
US20150116569A1 (en) * 2013-10-31 2015-04-30 Apple Inc. Small form factor telephoto camera
US20150293370A1 (en) 2014-04-14 2015-10-15 Kantatsu Co., Ltd. Imaging lens
JP2016102852A (ja) 2014-11-27 2016-06-02 キヤノン株式会社 光学系
JP2017093783A (ja) 2015-11-24 2017-06-01 株式会社三共 遊技機
US9696469B2 (en) 2014-09-12 2017-07-04 Canon Kabushiki Kaisha Multilayer diffractive optical element
JP2017148612A (ja) 2012-02-17 2017-08-31 豊丸産業株式会社 パチンコ機
CN107894655A (zh) 2017-11-07 2018-04-10 东莞市美光达光学科技有限公司 一种采用环形孔径衍射光学的手机镜头模组
JP2018189878A (ja) 2017-05-10 2018-11-29 キヤノン株式会社 撮像光学系及びそれを有する撮像装置
US20180373004A1 (en) 2017-06-22 2018-12-27 Canon Kabushiki Kaisha Optical system and image pickup apparatus including the same
US20190056570A1 (en) 2017-08-15 2019-02-21 Largan Precision Co., Ltd. Image system lens assembly, imaging apparatus and electronic device
JP2019028317A (ja) 2017-07-31 2019-02-21 キヤノン株式会社 光学系およびそれを有する撮像装置
US10261288B2 (en) 2016-03-18 2019-04-16 Genius Electronic Optical (Xiamen) Co., Ltd. Optical lens assembly
US10288845B2 (en) 2017-06-14 2019-05-14 Largan Precision Co., Ltd. Image capturing lens system, image capturing unit and electronic device
US10306031B2 (en) 2017-03-15 2019-05-28 Largan Precision Co., Ltd. Optical image capturing assembly, imaging apparatus and electronic device
US20190302423A1 (en) * 2018-03-28 2019-10-03 Largan Precision Co., Ltd. Photographing optical lens system, imaging apparatus and electronic device

Patent Citations (43)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5487877A (en) 1992-02-01 1996-01-30 Choi; Min K. Restroom organizer and sterilizing apparatus
US5847877A (en) 1994-09-12 1998-12-08 Olympus Optical Co., Ltd. Diffractive optical element
US5847887A (en) 1995-02-28 1998-12-08 Ohtsuka Patent Office Optical apparatus
US6101035A (en) 1996-10-24 2000-08-08 Asahi Kogaku Kogyo Kabushiki Kaisha Triplet lens system with diffractive lens features
US20010013975A1 (en) 1997-07-28 2001-08-16 Takehiko Nakai Diffractive optical element and optical system having the same
US7196132B2 (en) 1999-07-01 2007-03-27 Canon Kabushiki Kaisha Optical material and optical system using it
US6873463B2 (en) 2000-09-27 2005-03-29 Canon Kabushiki Kaisha Diffractive optical element and optical system having the same
US20040051949A1 (en) 2002-08-30 2004-03-18 Canon Kabushiki Kaisha Optical material, and, optical element, optical system and laminated diffractive optical element using it
US6912092B2 (en) 2002-08-30 2005-06-28 Canon Kabushiki Kaisha Optical material, and, optical element, optical system and laminated diffractive optical element using it
US7031078B2 (en) 2002-08-30 2006-04-18 Canon Kabushiki Kaisha Laminated diffractive optical element
DE102005009238A1 (de) 2005-02-25 2006-09-07 Carl Zeiss Ag Linsensystem, insbesondere für tragbare Telefone
DE102005033746A1 (de) 2005-07-15 2007-01-25 Schott Ag Kompaktes Objektiv zur digitalen Bilderfassung sowie Bilderfassungsvorrichtung
DE102006007432A1 (de) 2006-02-17 2007-08-23 Carl Zeiss Ag Diffraktives optisches Element für elektromagnetische Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereiches und Verfahren zur Herstellung eines solchen diffraktiven optischen Elementes
US7663803B2 (en) 2007-01-22 2010-02-16 Canon Kabushiki Kaisha Laminated diffraction optical element
US20100188758A1 (en) 2007-03-16 2010-07-29 Panasonic Corporation Photography lens
US7800842B2 (en) 2007-03-16 2010-09-21 Panasonic Corporation Photography lens
US20090002829A1 (en) 2007-06-26 2009-01-01 Yoshikazu Shinohara Imaging device, camera module, and mobile terminal apparatus
US20110026118A1 (en) 2007-10-31 2011-02-03 Carl Zeiss Ag Diffractive optical element and use of an optical adhesive for producing the same
US20100309367A1 (en) 2008-09-03 2010-12-09 Panasonic Corporation Imaging lens and imaging device using the same
US20110090566A1 (en) 2009-10-19 2011-04-21 Canon Kabushiki Kaisha Optical material and multilayer diffractive optical element formed with same
US20120224080A1 (en) * 2009-11-24 2012-09-06 Panasonic Corporation Image pickup lens, image pickup device using same, and portable device equipped with the image pickup device
US20120059741A1 (en) 2010-08-27 2012-03-08 Mohammad Khan Methods, systems, and computer readable media for detecting customer presence to initiate the ordering and purchase of goods and services
US20130057956A1 (en) 2011-09-02 2013-03-07 Canon Kabushiki Kaisha Organic-inorganic composite material, optical element, and multilayer diffractive optical element
US9422414B2 (en) 2011-09-02 2016-08-23 Canon Kabushiki Kaisha Organic-inorganic composite material, optical element, and multilayer diffractive optical element
US8773783B2 (en) 2011-11-30 2014-07-08 Canon Kabushiki Kaisha Optical system and optical apparatus having the same
JP2017148612A (ja) 2012-02-17 2017-08-31 豊丸産業株式会社 パチンコ機
US20130258500A1 (en) * 2012-03-29 2013-10-03 Kantatsu Co., Ltd. Imaging lens
US20150116569A1 (en) * 2013-10-31 2015-04-30 Apple Inc. Small form factor telephoto camera
US9223118B2 (en) 2013-10-31 2015-12-29 Apple Inc. Small form factor telephoto camera
US20150293370A1 (en) 2014-04-14 2015-10-15 Kantatsu Co., Ltd. Imaging lens
JP2014239895A (ja) 2014-06-06 2014-12-25 株式会社三洋物産 遊技機
US9696469B2 (en) 2014-09-12 2017-07-04 Canon Kabushiki Kaisha Multilayer diffractive optical element
JP2016102852A (ja) 2014-11-27 2016-06-02 キヤノン株式会社 光学系
JP2017093783A (ja) 2015-11-24 2017-06-01 株式会社三共 遊技機
US10261288B2 (en) 2016-03-18 2019-04-16 Genius Electronic Optical (Xiamen) Co., Ltd. Optical lens assembly
US10306031B2 (en) 2017-03-15 2019-05-28 Largan Precision Co., Ltd. Optical image capturing assembly, imaging apparatus and electronic device
JP2018189878A (ja) 2017-05-10 2018-11-29 キヤノン株式会社 撮像光学系及びそれを有する撮像装置
US10288845B2 (en) 2017-06-14 2019-05-14 Largan Precision Co., Ltd. Image capturing lens system, image capturing unit and electronic device
US20180373004A1 (en) 2017-06-22 2018-12-27 Canon Kabushiki Kaisha Optical system and image pickup apparatus including the same
JP2019028317A (ja) 2017-07-31 2019-02-21 キヤノン株式会社 光学系およびそれを有する撮像装置
US20190056570A1 (en) 2017-08-15 2019-02-21 Largan Precision Co., Ltd. Image system lens assembly, imaging apparatus and electronic device
CN107894655A (zh) 2017-11-07 2018-04-10 东莞市美光达光学科技有限公司 一种采用环形孔径衍射光学的手机镜头模组
US20190302423A1 (en) * 2018-03-28 2019-10-03 Largan Precision Co., Ltd. Photographing optical lens system, imaging apparatus and electronic device

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
B.H KLEEMANN ET AL: "Design concepts for broadband high--efficiency DOEs", JOURNAL OF THE EUROPEAN OPTICAL SOCIETY: RAPID PUBLICATIONS, 17 April 2008 (2008-04-17), XP055300778, Retrieved from the Internet <URL:http://www.jeos.org/index.php/jeos_rp/article/view/176> [retrieved on 20210602], DOI: 10.2971/jeos.2008.08015 *
B.H. KLEEMANN ET AL.: "Design-Concepts for broadband high-efficieny DOEs", JOURNAL OF THE EUROPEAN OPTICAL SOCIETY-RAPID PUBLICATIONS, vol. 3, 2008
D. WERDEHAUSEN ET AL.: "General design formalism for highly efficient flat optics for broadband applications", OSA PUBLISHING, OPTICS EXPRESS, vol. 28, 2020, pages 6452 - 6468, Retrieved from the Internet <URL:https://doi.org/10.1364/OE.386573>
WERDEHAUSEN ET AL.: "Dispersion-engineered nanocomposites enable achromatic diffractive optical elements", OSA PUBLISHING, vol. 6, 2019, pages 1031 - 1038, Retrieved from the Internet <URL:https://doi.Org/10.1364/OPTICA.6.001031>

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