WO2022243228A1 - Optisches system für periskopkameramodul - Google Patents

Optisches system für periskopkameramodul Download PDF

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WO2022243228A1
WO2022243228A1 PCT/EP2022/063150 EP2022063150W WO2022243228A1 WO 2022243228 A1 WO2022243228 A1 WO 2022243228A1 EP 2022063150 W EP2022063150 W EP 2022063150W WO 2022243228 A1 WO2022243228 A1 WO 2022243228A1
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optical
prism
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filter
optical system
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PCT/EP2022/063150
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Ralf BIERTÜMPFEL
Frank-Thomas Lentes
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Schott Ag
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Definitions

  • the present invention relates to an optical system for a camera module, in particular for a periscope camera, comprising an optical arrangement and an image sensor.
  • periscope cameras are sometimes installed in smartphones and include a reflection prism, which captures the image to be photographed through an opening on the back of the smartphone and deflects it by 90°, bundles it and through an optical arrangement to the sensor, which captures the data , continues.
  • the optical arrangement also typically includes an optical lens system (also called an objective) and optionally another prism, which effects a further 90° deflection on the sensor.
  • US 2021/0026117 A1 discloses an optical system comprising a first prism which deflects the incident light by 90°, a lens system and a second prism which leads to a further 90° deflection of the light beam.
  • the light is then passed through an infrared blocking filter - hereinafter referred to as "IR blocking filter” - before it hits the image sensor.
  • periscope cameras Due to their general structure, such periscope cameras include one or two more optical components than conventional smartphone cameras.
  • IR blocking filters are required in both periscope cameras and conventional digital color camera systems.
  • image sensors point is known to typically have the property that the pixels of the sensor are also sensitive in the infrared spectral range.
  • the optics of camera modules, the optical components of which are made of standard glass or plastic, generally still have a certain infrared transmission.
  • infrared light reaching the sensor has adverse effects on the imaging quality, since color and brightness distortions can occur.
  • IR blocking filters are, for example, interference filters or filter glasses that are intended to prevent infrared light from falling on the sensor.
  • Suitable blocking filters have high transmission in a first wavelength range (passband), for example from 430 to about 650 nm, and very low transmission in another wavelength range, e.g. more than 700 nm.
  • filters that have a steep edge, i. H. a rapid drop in transmission to the UV range from less than 400 nm can be used. Blocking the UV range is beneficial here to ensure better color recognition.
  • IR cut filters are typically placed directly in front of the sensor. Due to the ever smaller components for electronic devices, such as smartphone cameras, the need for very thin filters is increasing. Thicknesses of 0.1 to 0.3 mm are common here.
  • the components such as filter glasses, must be colored more strongly with the coloring component (e.g. CuO).
  • the coloring component e.g. CuO
  • such filters can have an adverse signal-to-noise ratio and result in poorer image quality.
  • such very thin filter elements naturally have a comparatively low mechanical stability.
  • the object is therefore to provide an optical system for a camera module which at least partially eliminates the disadvantages of the previous camera modules.
  • an optical system for a camera module comprising an image sensor and an optical arrangement defining a beam path, with the optical components contained in the beam path being arranged in the following order in front of the image sensor:
  • components (e) optionally a second prism, and and wherein at least one of components (a), (b), (d) and (e) comprises at least one absorption filter.
  • the invention further relates to a periscope camera module comprising the optical system according to the invention.
  • T j MIN MIR is the minimum net transmission in the near infrared range (700 nm to 1100 nm)
  • T j maxvis is the maximum internal transmission in the visible (430 nm to 565 nm)
  • DQ is the difference in spectral diabatism as defined in ISO 23364:2021-04 and DIN 58131:2016-11.
  • a blocking filter for example a filter glass
  • a coloring component such as CuO
  • absorption filter e.g. B. filter glasses
  • absorption filters with a significantly higher DQ. Due to the low doping, however, sufficient
  • absorption filters with a large filter thickness, which, however, are not suitable for current smartphone cameras due to their size. It was found that this problem is solved by the optical system according to the invention by dispensing with the use of a necessarily very thin absorption filter directly in front of the image sensor and installing one or more components with a corresponding blocking effect at a different position in the optical arrangement be, which can have a greater thickness due to the space available there.
  • deflection prisms which according to one embodiment of the invention are made from an absorbent filter material such as blue glass, have a significantly longer optical path than the previous absorption filters, which are placed in front of the sensor. While the usual absorption filter is currently only 0.1 mm to 0.3 mm thick, the optical path length through a filtering prism is up to several millimeters long. The same applies to embodiments in which at least one planar optical element is used as a blocking filter, which can have a greater thickness of, for example, at least 0.5 mm due to the selected position. This results in a higher DQ for the components comprising the absorption filter according to the invention, and thus also in an optimized signal/noise ratio.
  • At least one of the optical components (a), (b), (d), and (e) has a DQ of more than 2.0, preferably more than 2.2 and particularly preferably more than 2.4 and also preferably more than 2.5.
  • beam path in the sense of the present invention refers to the sum of all beam paths that reach the image sensor through the optical arrangement and thereby contribute to the generation of the image.
  • the optical components of the optical arrangement according to the invention are arranged in such a way that the light which is guided to the sensor passes through these optical components.
  • the optical system according to the invention comprises at least one first prism, which deflects the incident light to the extent necessary for the optical design, preferably by 90°, and in the direction of the optical lens system. After passing through the lens system, it can be guided through a second prism onto the image sensor, preferably by a further 90°, or it can be guided directly onto it.
  • the first and second prism according to the present invention is a beam redirecting element, preferably a triangular prism or a prism in a shape based on a triangular prism.
  • the prism preferably has the cross section of a triangle, preferably the cross section of an isosceles triangle.
  • the incident light is deflected at one or more boundary surfaces, preferably a boundary surface, back into the interior of the prism.
  • the optical system comprises only a first prism in order to ensure the most compact and space-saving design possible for the camera module.
  • the optical system according to the invention can contain further optical components, in particular a first and/or a second planar optical element, preferably a first or a second planar optical element, particularly preferably a first planar optical element.
  • the first planar optical element is placed in the beam path between the first prism and the lens system
  • the second planar optical element is installed in the beam path between the optical lens system and the optional second prism or alternatively between the optical lens system and the image sensor.
  • the first and/or the second planar optical element comprises at least one absorption filter.
  • the optional second planar optical element preferably comprises at least one absorption filter only in the embodiments in which the second planar optical element is not placed directly in front of the image sensor. Therefore, a further aspect of the present invention relates to an optical system for a camera module (1), comprising an image sensor and an optical arrangement defining a beam path, the optical components contained therein being arranged in the beam path in the following order in front of the image sensor:
  • component (e) optionally a second prism, and and wherein at least one of components (a), (b), (d) and (e) comprises at least one absorption filter, and/or wherein component (d) may comprise at least one absorption filter , provided that the optical system includes component (e).
  • Another aspect of the present invention relates to an optical system for a camera module, comprising an image sensor and an optical arrangement defining a beam path, wherein the optical components contained therein are arranged in the beam path in the following order in front of the image sensor:
  • component (e) optionally a second prism, and and wherein at least one of components (a), (b) and (e) comprises at least one absorption filter and wherein component (d) may comprise at least one absorption filter.
  • the optical arrangement according to the invention comprises only one planar optical element, preferably a first planar optical element.
  • At least one of the optical components (a) first prism, (e) second prism, (b) first planar optical element and (d) second planar optical element comprises at least one absorption filter.
  • two or more, for example two, three or four, of the optical elements (a), (b), (d) and (e) mentioned can also comprise at least one absorption filter.
  • At least one of the optical components (a), (b) and (e) preferably comprises at least one absorption filter.
  • Absorption filters within the meaning of the present invention are optical elements which are arranged in the beam path so that light rays detected by the sensor pass through this element, with the transmission of the optical element being significantly lower with regard to the wavelength that interferes with image generation, than for other wavelengths that should reach the sensor.
  • the at least one absorption filter is preferably an IR blocking filter, preferably an NIR blocking filter and/or a UV blocking filter, particularly preferably an NIR blocking filter.
  • the near infrared preferably designates a wavelength range from 650 to 1200 nm.
  • UV in the context of the present invention preferably designates a wavelength range of less than 400 nm, preferably less than 420 nm.
  • a component coated with an interference filter as a component blocking a certain wavelength range.
  • interference filters use reflection in order to block unwanted radiation, as a result of which ghost images occur, in particular as a result of the reflections.
  • the use of absorption filters with NIR or UV blocking effect is therefore advantageous, as this reduces the risk of ghost images and flare.
  • the length of the beam path through the optical component including at least one absorption filter is preferably greater than 0.5 mm, preferably greater than 0.6 mm, preferably greater than 0.7 mm and particularly preferably greater than 0.8 mm.
  • the beam path through the component in preferred embodiments is more than 1.3 mm, more preferably more than 1.5 mm, more preferably more than 1.8 mm, more preferably greater than 2.0 mm, and also preferably greater than 3.0 mm or greater than 4.0 mm.
  • the first and/or the second prism preferably has a leg length of greater than 1.0 to 10 mm, preferably greater than 1.3 to 7 mm, preferably greater than 1.5 to 6 mm, preferably greater than 1.8 to 5 mm .
  • the first and/or the second planar element preferably has a thickness of greater than 0.5 to 2.5 mm, preferably greater than 0.6 to 2.0 mm, preferably greater than 0.8 to 1.5, preferably of greater than 0.5 to 1.0 mm.
  • the at least one NIR blocking filter is preferably an NIR-absorbing filter glass, particularly preferably at least one glass doped with Cu ions, also referred to below as blue glass, which preferably has a refractive index nd of at least 1 50, more preferably at least 1.55, more preferably not more than 1.7, preferably less than 1.7, more preferably not more than 1.65, more preferably not more than 1.6.
  • the refractive index nd is known to a person skilled in the art and refers in particular to the refractive index at a wavelength of approximately 587.6 nm (wavelength of the d-line of Flelium).
  • the glasses doped with Cu ions according to the invention are CuO-containing phosphate glasses, the CuO content preferably being in the range from 1 to 15% by weight, particularly preferably in the range from 2 to 10% by weight .-%, more preferably in the range of 2.5 to 5 wt .-%, or CuO-containing fluorophosphate glasses, the CuO content preferably in the range of 0.1 to 10 wt .-%, particularly preferably in the range of 0.3 to 6.5% by weight.
  • CuO-containing glasses are described, for example, in US 2018/0312424 A1, US 2012/0165178 A1, US 2006/0111231 A1, US 2016/0363703 A1 and US 2007/0099787 A1
  • the NIR-absorbing filter glass is a high-index glass doped with Cu ions and having a refractive index nd of at least 1.70, preferably a CuO-containing glass with a lanthanum borate glass matrix. Glasses of this type are described, for example, in WO 2020/006770 A1.
  • UV blocking filters are optical components which, for a first wavelength range of up to 400 nm, preferably up to 420 nm, have a significantly lower wavelength Have transmission than for a second wavelength range of 400 nm or preferably 420 to 650 nm.
  • the at least one UV blocking filter is a UV-absorbing glass.
  • UV blocking filters are preferably glasses that have a steep UV edge in the range around 400 nm.
  • Suitable glasses are, for example, GG395, GG400, GG420 and GG435 from Schott.
  • the use of a component designed as a UV blocking filter according to the invention in the optical arrangement can be dispensed with.
  • the optical component which already includes an NIR blocking filter, for example a glass containing CuO, has sufficient blocking in the UV range, or at least one of the optical components (a) to (e) has a UV-blocking or -Reflective coating, in particular an interference coating.
  • the respective absorption filters preferably the NIR and UV-absorbing glasses
  • a glass for the first prism which is in a comparatively exposed position, which is characterized by high mechanical and/or chemical resistance.
  • blue glass or UV-absorbing glass with the highest possible refractive index, in particular for the first prism.
  • the use of comparatively high-index glasses is not required.
  • CuO-containing phosphate or fluorophosphate glasses such as the blue glasses BG40 or BG64 from Schott are suitable.
  • An optical element which comprises at least one absorption filter within the meaning of this invention, is preferably partially or completely formed from this absorption filter.
  • at least one of the optical components (a), (b), (d), and (e), preferably at least one of the optical components (a), (b) and (e), particularly preferably at least one of the optical components (a) and (e) is formed from the corresponding absorption filter or consists of it, in particular of an NIR or UV-absorbing glass.
  • At least one of the optical components (a), (b), (d) and (e), preferably at least one of the optical components (a), (b) and (e), is particularly preferably at least one of the optical components (a) and (e) around a composite comprising two or more optical composite components where at least one of the optical composite components is formed from the corresponding absorption filter or consists of it, in particular an NIR- or UV-absorbing filter Glass.
  • optical components (a), (b), (c), (d), and (e) can also be at least partially coated with at least one optical layer. It goes without saying that a coating of the surfaces of the respective optical components is meant here.
  • a partial coating within the meaning of the invention represents both a coating of only one of several ver different surfaces of an optical component and only the partial coating of one or more specific surfaces of an optical component's.
  • Suitable optical layers are, for example, interference filter layer systems, antireflection layer systems, reflective layer systems (for example metallic coatings such as Al or Ag layers) and layer systems that can improve the mechanical and/or chemical resistance of the respective component.
  • Layer systems within the meaning of the present invention designate both individual layers as also multilayer coatings comprising two or more layers.
  • layer systems that represent a combination of the above-mentioned layer systems, for example an interference filter layer that increases the mechanical or chemical resistance and/or has an anti-reflective effect.
  • Such layers are generally known to those skilled in the art.
  • At least one surface of the first prism and/or the optional second prism is provided with a reflective coating, which is advantageously applied to the boundary surface of the first and/or second prism, which deflects the incident light back into the interior of the respective prism .
  • the respective optical components of the optical arrangement according to the invention have a plurality of surfaces.
  • at least all optically relevant surfaces of a component are at least partially, preferably completely, provided with a suitable optical coating.
  • An optically relevant surface of a component within the meaning of the present invention is any surface that lies in the beam path of the light, which includes both the surface on the light incidence side, i.e. the surface on the light exit surface as well as surfaces that reflect the incident light beam, or to steer includes.
  • the various optically relevant surfaces can of course be provided with different optical coatings - if this is expedient.
  • At least one of components (a) and (e) comprises at least one absorption filter.
  • the first prism and/or the optional second prism contain at least one absorption filter.
  • the first prism naturally comprises at least one absorption filter, preferably one NIR cut filter.
  • both prisms can also comprise at least one absorption filter.
  • the first prism and the second prism comprise different absorption filters, for example the first prism has an NIR blocking filter and the second prism has a UV blocking filter.
  • At least one of components (b) and (d) comprises at least one absorption filter.
  • at least the first planar optical element or the second planar optical element contains at least one absorption filter, preferably an NIR blocking filter.
  • only the existing planar optical element includes at least one absorption filter.
  • both planar optical elements can also comprise at least one absorption filter.
  • the first and the second planar optical element comprise different absorption filters, for example the first planar optical element has an NIR blocking filter and the second planar optical element has a UV blocking filter.
  • the optical arrangement according to the invention comprises a first prism, an optical lens system and optionally a second prism, particularly preferably it consists of the optical components first prism, optical lens system and optionally second prism, more preferably the optical arrangement consists from a first prism and a lens system.
  • the optical arrangement according to the first embodiment comprises only a first prism, a lens system and optionally a second prism, which are arranged in front of the sensor.
  • this embodiment is also advantageous in that one fewer optical component is required compared to conventional (periscope) camera modules. This is because the deflection prism and absorption filter component can be implemented in a single optical component. This enables an even more compact design of the camera module and, moreover, the manufacturing costs can be reduced.
  • the optical arrangement comprises a first prism, a first planar optical element and/or a second planar optical element, preferably a first or a second planar optical element, particularly preferably a first planar optical element, an optical lens system and optionally a second prism.
  • the first and/or the second planar optical element preferably comprises at least one absorption filter, which is preferably an NIR blocking filter and/or a UV blocking filter, particularly preferably an NIR blocking filter.
  • the optical arrangement of this embodiment preferably consists of a first prism, a first planar optical element comprising at least one absorption filter, preferably an NIR blocking filter, an optical lens system and optionally a second prism.
  • the first and/or the second prism may comprise at least one absorption filter, preferably a UV blocking filter, however in a preferred embodiment the first and the optional second prism comprise no absorption filter.
  • the optical arrangement of this embodiment also preferably consists of a first prism, a first planar optical element, comprising at least one absorption filter, preferably a UV blocking filter, an optical lens system and optionally a second prism.
  • the optical arrangement of this embodiment also preferably consists of a first prism, a first planar optical element, comprising at least one absorption filter, preferably an NIR blocking filter, an optical lens system and optionally a second prism.
  • At least one of the optical components (a), (b), (d) and (e) in the optical arrangement according to the invention represents a composite of at least two, for example three or four composite components, with at least one of the composite components comprises at least one absorption filter.
  • the individual composite components can be connected to one another by wringing them on or by using an optical putty or an optically clear adhesive.
  • the first and/or the second prism preferably the first prism, is configured as such a composite, hereinafter referred to as “composite prism”.
  • a prism-shaped composite component is connected to one or more than one, for example two or three, flat composite components, hereinafter referred to as “first”, “second”, or “third flat composite component”.
  • At least one of the composite components includes at least one absorption filter.
  • all composite components include at least one absorption filter.
  • the composite also includes at least one composite component that does not include an absorption filter within the meaning of the present invention.
  • a glass with a high refractive index in particular a glass with a refractive index nd of 1.6 to 2.2.
  • a composite obtained in this way is also referred to as “first prism” or “second prism” within the meaning of the present invention.
  • the first and/or the second planar optical element can additionally or alternatively be designed as a composite.
  • a composite is also referred to as a “first planar optical element” or “second planar optical element”.
  • first planar optical element or “second planar optical element”.
  • this is advantageously a combination of two combination components that include different absorption filters, for example a combination of a first planar component that includes a UV blocking filter and a second planar component that includes an NIR blocking filter.
  • composites of this type can also have one or more optical coatings as described above.
  • the optical lens system in the optical arrangement according to the invention can be a single optical lens or preferably an arrangement comprising two or more optical lenses. By combining different individual lenses in the optical lens system, color errors and distortions in the image can be avoided. Details on exemplary structures of the optical lens system are known to the person skilled in the art and can be found, inter alia, in the prior art mentioned at the outset.
  • FIGS. 1 to 3 show different embodiments of the optical system according to the invention.
  • FIGS. 4a to 4g show different embodiments of a first or second prism designed as a composite according to the invention.
  • the beam path 9 only schematically designates the path of the light (principal ray) along the optical axis. It goes without saying that the beam path of a specific field half-angle or a specific wavelength is not shown here. Shown is the path of the incident light through the protective window 8 in the optical arrangement of the camera module 1 first to a first prism 2, which the beam path 9 deflects the light by 90 °.
  • the first prism 2 is designed as an absorption filter, preferably a blue glass, which acts as an NIR filter. Accordingly, at least part of the NIR radiation contained in the incident light is absorbed on the path of the light through the first prism 2 .
  • the light is turned by 90° by the first prism 2 steered, so that it then passes through the optical lens system 4, which is only shown here as an example with three lenses, and is deflected by the second prism 6 by a further 90°, as a result of which the light falls on the sensor 7.
  • the second prism 6 can also include an absorption filter here, for example an NIR filter or a UV blocking filter. If the second prism 6 includes an absorption filter, it is preferably a UV blocking filter. In particularly preferred embodiments, however, the second prism 6 does not include any absorption filters.
  • Both the first prism 2 and the second prism 6 as well as one or more individual lenses of the optical lens system 4 also preferably comprise optical coatings (not shown). These optical coatings are particularly preferably located on all optically relevant surfaces of the coated optical components.
  • the camera module 1 shown in FIG. 2 comprises only a first prism 2 but no second prism 6; the light is thus only deflected by 90° and, after passing through the optical lens system 4, hits it directly on the sensor 7. This optical arrangement is even more compact due to the absence of a second prism 2.
  • FIG. 3 shows a third embodiment of the camera module 1 according to the invention.
  • the optical arrangement shown comprises a first prism 2 and a first planar optical element 3, as well as a lens system 4 followed by a second prism 6 and the image sensor 7.
  • the second prism 6 can be dispensed with.
  • the light is post-impact the passage through the optical lens system 4 without further deflection directly onto the sensor 7 placed behind it.
  • the first planar optical component includes an absorption filter, in particular an NIR blocking filter.
  • the prisms 2 and/or 6 can also comprise an absorption filter, but this is preferably not the case.
  • FIGS. 4a to 4g show various exemplary embodiments of first or second prisms configured as a composite, referred to below as first composite prism 2a or second composite prism 6a.
  • the first and second compound prism 2a, 6a are each composed of a prism-shaped compound component 10 and at least one first planar compound component 11 and/or the at least one second planar compound component 12.
  • L denotes the light incident on the prism 2a or 6a.
  • the prism-shaped composite component 10, the first planar composite component 11 and the second planar composite component 12 are different from each other.
  • the composite component 10 may include a UV blocking filter
  • the first planar component 11 may include a high refractive index glass that does not include an absorption filter
  • the second planar component 12 may include an NIR blocking filter.
  • FIG. 4a shows a composite prism 2b, 6b which comprises a prism-shaped composite component 10 and a first planar composite component 11 applied to its hypotenuse.
  • an NIR blocking filter is used here as the prism-shaped composite component 10, which is connected to a planar composite component 11 made of a high-index glass, for example with a refractive index nd of at least 1.6.
  • the prismatic composite component 10 comprises a UV blocking filter and the applied first planar composite component 11 comprises a high refractive index glass.
  • the prismatic composite component 10 comprises an NIR blocking filter
  • the first planar composite component 11 comprises a high-index glass
  • the second planar composite component 12 comprises a UV blocking filter
  • the prismatic composite component 10 comprises a UV blocking filter
  • the first planar composite component 11 comprises a high-index glass
  • the second planar composite component 12 comprises an NIR blocking filter.
  • 4c forms a composite prism 2b, 6b, which differs from that shown in FIG. 4b in that the second planar composite component 12 is applied to the other cathetus, called cathetus 2 below.
  • the preferred embodiments for the composite components 10, 11 and 12 correspond to those mentioned in connection with FIG. 4b.
  • Fig. 4d shows another embodiment of a compound prism 2b, 6b, wel che the basic structure of the composite prism shown in Fig. 4b is similar.
  • a second planar composite component 12 is applied to both cathetus 1 and cathetus 2.
  • the preferred embodiments for the composite components 10, 11 and 12 correspond to those mentioned in connection with FIGS. 4b and 4c.
  • a composite prism 2b, 6b which comprises a prism-shaped composite component 10, a second planar composite component, which is applied to cathetus 1.
  • the preferred embodiments for the composite components 10 and 12 correspond to those mentioned in connection with FIG. 4b and FIG. 4c.
  • FIG. 4f shows another composite prism 2b, 6b, which differs from that shown in FIG. 4e in that a second planar composite component 12 is also applied to leg 2.
  • FIG. The preferred embodiments for the composite components 10 and 12 correspond to those mentioned in connection with FIGS. 4b and 4c.
  • FIG. 4g shows another composite prism 2b, 6b, which differs from that shown in FIG. 4f in that a second planar composite component 12 is applied only to leg 2.
  • FIG. The preferred embodiments for the composite components 10 and 12 correspond to those mentioned in connection with FIG. 4b and FIG. 4c. This embodiment is particularly advantageous with regard to the space requirement in camera modules, since a second planar composite component 12 on cathetus 1 is dispensed with.

Abstract

Ein optisches System für ein Kameramodul (1), umfassend einen Bildsensor (7) und eine optische Anordnung definierend einen Strahlengang (9), wobei im Strahlengang (9) die darin enthaltenen optischen Komponenten in der folgenden Reihenfolge vor dem Bildsensor (7) angeordnet sind: (a) ein erstes Prisma (2), (b) optional ein erstes planes optisches Element (3), (c) ein optisches Linsensystem (4), (d) optional ein zweites planes optisches Element (5), (e) optional ein zweites Prisma (6), und und wobei mindestens eine der Komponenten (a), (b), (d) und (e) mindestens ei-nen Absorptionsfilter umfasst.

Description

Optisches System für Periskopkameramodul
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System für ein Kameramodul, insbesondere für eine Periskopkamera, umfassend eine optische Anordnung so wie einen Bildsensor.
Sogenannte Periskopkameras werden teilweise in Smartphones verbaut und umfassen ein Reflexionsprisma, welches das Bild, das abfotografiert werden soll, an der Smartphone-Rückseite durch eine Öffnung einfängt und um 90° ablenkt, bündelt und durch eine optische Anordnung zum Sensor, welcher die Daten ein fängt, weiterführt. Die optische Anordnung umfasst ferner typischerweise ein op tisches Linsensystem (auch Objektiv genannt) und optional ein weiteres Prisma, welches eine weitere 90°-Ablenkung auf den Sensor bewirkt.
Der allgemeine Aufbau von optischen Systemen derartiger Periskopkameras wird beispielsweise detailliert in der US 10,908,387 B2 und US 2021/0124145 A1 US beschrieben. US 2021/0026117 A1 offenbart ein optisches System, umfas send ein erstes Prisma, welches das einfallende Licht um 90° ablenkt, ein Lin sensystem und ein zweites Prisma, das zu einerweiteren 90°-Ablenkung des Lichtstrahls führt. Anschließend wird das Licht durch einen Infrarot-Sperrfilter - im Folgenden „IR-Sperrfilter“ genannt - geführt, bevor es auf den Bildsensor trifft.
Derartige Periskopkameras umfassen durch ihren generellen Aufbau im Ver gleich zu herkömmlichen Smartphone-Kameras eine bzw. zwei optische Kompo nenten mehr.
Der Einbau von IR-Sperrfiltern ist sowohl in Periskopkameras als auch in her kömmlichen digitalen Farbkamerasystemen erforderlich. Bildsensoren weisen bekanntlich typischerweise die Eigenschaft auf, dass die Pixel des Sensors auch im Infrarot-Spektralbereich empfindlich sind. Auch weist die Optik von Kame ramodulen, deren optische Komponenten aus gängigen Gläsern oder Kunststof fen gefertigt werden, im Allgemeinen noch eine gewisse Infrarot-Transmission auf. Auf den Sensor gelangendes Infrarotlicht führt jedoch zu nachteiligen Aus wirkungen auf die Abbildungsqualität, da es zu Färb- und Helligkeitsverfälschun gen kommen kann.
Aus diesem Grund werden Kameramodule typischerweise mit I R-S perrf i Itern ausgestattet, welche insbesondere direkt vor dem Sensor platziert sind. Bei IR- Sperrfiltern handelt es sich beispielsweise um Interferenzfilter oder um Filterglä ser, welche das Einfallen von Infrarotlicht auf den Sensor verhindern sollen. Ge eignete Sperrfilter weisen eine hohe Transmission in einem ersten Wellenlän genbereich auf (Durchlassbereich), beispielsweise von 430 bis ca. 650 nm sowie eine sehr geringe Transmission in einem anderen Wellenlängenbereich, z.B. von mehr als 700 nm auf. Ferner können auch Filter, welche eine steile Kante, d. h. einen schnellen Abfall der Transmission zum UV-Bereich ab kleiner 400 nm, auf weisen, eingesetzt werden. Eine Blockung des UV-Bereichs ist hier vorteilhaft, um eine bessere Farberkennung zu gewährleisten.
Wie oben dargelegt, werden IR-Sperrfilter typischerweise direkt vor dem Sensor platziert. Aufgrund der immer kleiner werdenden Komponenten für elektronische Geräte, wie beispielsweise Smartphone-Kameras, steigt der Bedarf an sehr dün nen Filtern. Üblich sind hier Dicken von 0,1 bis 0,3 mm. Um hier dennoch eine ausreichende Filterwirkung zu erreichen, müssen die Komponenten, beispiels weise Filtergläser, stärker mit der färbenden Komponente (z. B. CuO), eingefärbt werden. Hiermit können verschiedenen Nachteile verbunden sein. Zu nennen sind hier unter anderem Probleme bei der Herstellung von Gläsern mit einem ho hen CuO-Anteil, da CuO in diesem Fall nicht nur als farbgebende Komponente wirkt, sondern auch als Glasbestandteil Auswirkungen auf das Glasgefüge und andere physikalische Eigenschaften des Glases hat. Ferner können derartige Fil ter ein nachteiliges Signal/Rauschverhältnis aufweisen und zu einer schlechteren Bildqualität führen. Ferner weisen derartige sehr dünne Filterelemente naturge mäß eine vergleichsweise geringe mechanische Stabilität auf.
Es ist daher die Aufgabe, ein optisches System für ein Kameramodul bereitzu stellen, welches die Nachteile der bisherigen Kameramodule zumindest teilweise behebt.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der Patentansprüche gelöst.
Die Lösung gelingt insbesondere durch ein optisches System für ein Kameramo dul, umfassend einen Bildsensor und eine optische Anordnung definierend einen Strahlengang, wobei im Strahlengang die darin enthaltenen optischen Kompo nenten in der folgenden Reihenfolge vor dem Bildsensor angeordnet sind:
(a) ein erstes Prisma,
(b) optional ein erstes planes optisches Element,
(c) ein optisches Linsensystem,
(d) optional ein zweites planes optisches Element,
(e) optional ein zweites Prisma, und und wobei mindestens eine der Komponenten (a), (b), (d) und (e) mindestens ei nen Absorptionsfilter umfasst.
Die Erfindung betrifft ferner ein Periskopkameramodul, umfassend das optische System gemäß der Erfindung.
Es wurde gefunden, dass ein derartiges optisches System die Nachteile der be kannten Systeme überwindet. So kann hier auf die Platzierung eines Absorpti- onsfilters, wie beispielsweise eines IR-Sperrfilters, direkt vor dem Bildsensor ver zichtet werden und eine Komponente mit entsprechender absorbierender Wir kung an einer Position im Kameramodul platziert werden, an der sie größere Di mensionen aufweisen kann. Hierdurch ergibt sich ein längerer Strahlengang durch diese absorbierende Komponente als durch konventionelle, sehr dünn ausgebildete Filter. Dies ermöglicht die Verwendung eines Filters, welche vorteil hafte Eigenschaften im Hinblick auf das Verhältnis von Blockung zu Transmis sion aufweist, dem sogenannten Signal/Rausch-Verhältnis.
Um das Verhältnis zwischen Transmission und Blockung beispielsweise für ei nen IR-Sperrfilter zu beschreiben, wird folgende Differenz definiert:
Figure imgf000005_0001
wobei
Tj MIN MIR ist die minimale Reintransmission im Nahinfrarotbereich (700 nm bis 1100 nm)
Tj maxvis ist die maximale Reintransmission im Sichtbaren (430 nm bis 565 nm) DQ ist die Differenz der spektralen Diabatie, wie sie in ISO 23364:2021-04 und DIN 58131:2016-11 definiert ist.
Bei sehr dünnen Absorptionsfiltern muss ein Sperrfilter, beispielsweise ein Filter glas sehr stark dotiert werden, beispielsweise mit einer farbgebenden Kompo nente wie CuO, um eine hohe Blockung der unerwünschten Strahlung zu errei chen. Derartige Filtergläser mit hoher Dotierung weisen jedoch eine vergleichs weise geringes DQ, und damit ein ungünstiges Signal/Rausch-Verhältnis auf.
Absorptionsfilter, z. B. Filtergläser, mit geringerer Dotierung weisen ein deutlich höheres DQ auf. Aufgrund der niedrigen Dotierung ist jedoch für eine ausrei- chende Blockung der unerwünschten Strahlung die Verwendung von Absorpti onsfiltern mit einer großen Filterdicke erforderlich, welche aber aufgrund ihrer Größe für aktuelle Smartphone-Kameras nicht geeignet sind. Es wurde gefun den, dass dieses Problem durch das erfindungsgemäße optische System gelöst wird, indem auf den Einsatz eines zwingend sehr dünnen Absorptionsfilters di rekt vor dem Bildsensor verzichtet wird und eine oder mehrere Komponenten mit entsprechender Sperrwirkung an einer anderen Position in der optischen Anord nung eingebaut werden, welche aufgrund des dort zur Verfügung stehenden Platzes eine größere Dicke aufweisen können. So weisen Umlenkprismen, wel che gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aus einem absorbierenden Fil termaterial wie einem Blauglas hergestellt werden, einen signifikant längeren op tischen Weg als die bisherigen Absorptionsfilter, der vor dem Sensor platziert wird, auf. Während derzeit übliche Absorptionsfilter nur 0,1 mm bis 0,3 mm dick ist, ist die optische Weglänge durch ein filterndes Prisma bis zu mehrere Millime ter lang. Ähnliches gilt für Ausführungsformen, in denen mindestens ein planes optisches Element als Sperrfilter eingesetzt wird, welches aufgrund der gewähl ten Position eine größer Dicke von beispielsweise mindestens 0,5 mm aufweisen kann. Daraus ergibt sich für die erfindungsgemäßen Absorptionsfilter-umfassen den Komponenten ein höheres DQ, und damit auch ein optimiertes Sig nal/Rauschverhältnis.
Vorzugsweise weist daher mindestens eine der optischen Komponenten (a), (b), (d), und (e) ein DQ von mehr als 2,0, bevorzugt mehr als 2,2 und besonders be vorzugt mehr als 2,4 und ebenfalls bevorzugt mehr als 2,5 auf.
Der Ausdruck „Strahlengang“ im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet die Summe aller Strahlengänge, welche durch die optische Anordnung zum Bildsensor gelangen und dabei zu der Generierung des Bildes beitragen. Die op tischen Komponenten der erfindungsgemäßen optischen Anordnung sind derart angeordnet, dass das Licht welches zum Sensor geleitet wird, diese optischen Komponenten durchläuft. Das optische System gemäß der Erfindung umfasst mindestens ein erstes Prisma, welches das einfallende Licht in dem für das optische Design erforderli che Maß, bevorzugt um 90°, und in Richtung des optischen Linsensystems ab lenkt. Nach dem Durchtritt durch das Linsensystem kann es durch ein zweites Prisma auf den Bildsensor, bevorzugt um weitere 90° gelenkt werden oder direkt auf diesen geleitet werden. Bei dem ersten und zweiten Prisma gemäß der vor liegen Erfindung handelt es sich um ein Strahlumlenkungselement, bevorzugt um ein dreieckiges Prisma oder ein Prisma in einer Form, welche auf einem drei eckigen Prisma basiert. In Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet das, dass das Prisma bevorzugt den Querschnitt eines Dreiecks aufweist, bevorzugt den Querschnitt eines gleichschenkligen Dreiecks. Vorzugsweise erfolgt die Ablen kung des einfallenden Lichts an einer oder mehreren, Begrenzungsflächen, be vorzugt einer Begrenzungsfläche in das Innere des Prismas zurück. In einer vor teilhaften Ausführungsform umfasst das optische System nur ein erstes Prisma um eine möglichst kompakte und platzsparende Bauweise des Kameramoduls zu gewährleisten. Ferner kann das erfindungsgemäße optische System weitere optische Komponenten enthalten, insbesondere ein erstes und/oder ein zweites planes optisches Element, bevorzugt ein erstes oder ein zweites planes opti sches Element, besonders bevorzugt ein erstes planes optisches Element. Das erste plane optische Element wird im Strahlengang zwischen erstem Prisma und dem Linsensystem platziert, das zweite plane optische Element wird im Strahlen gang zwischen dem optischen Linsensystem und dem optionalen zweiten Prisma oder alternativ zwischen dem optischen Linsensystem und dem Bildsensor eingebaut. In diesen Ausführungsformen umfasst das erste und/oder das zweite plane optische Element mindestens einen Absorptionsfilter.
Es versteht sich, dass das optionale zweite plane optische Element bevorzugt nur in den Ausführungsformen mindestens einen Absorptionsfilter umfasst, in de nen das zweite plane optische Element nicht direkt vor dem Bildsensor platziert ist. Daher betrifft ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ein optisches Sys tem für ein Kameramodul (1), umfassend einen Bildsensor und eine optische An ordnung definierend einen Strahlengang, wobei im Strahlengang die darin ent haltenen optischen Komponenten in der folgenden Reihenfolge vor dem Bildsensor angeordnet sind:
(a) ein erstes Prisma,
(b) optional ein erstes planes optisches Element,
(c) ein optisches Linsensystem,
(d) optional ein zweites planes optisches Element,
(e) optional ein zweites Prisma, und und wobei mindestens eine der Komponenten (a), (b), (d) und (e) mindestens ei nen Absorptionsfilter umfasst, und/oder wobei die Komponente (d) mindestens einen Absorptionsfilter umfassen kann, sofern das optische System die Kompo nente (e) umfasst.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein optisches System für ein Kameramodul, umfassend einen Bildsensor und eine optische Anordnung definierend einen Strahlengang, wobei im Strahlengang die darin enthaltenen optischen Komponenten in der folgenden Reihenfolge vor dem Bildsensor ange ordnet sind:
(a) ein erstes Prisma,
(b) optional ein erstes planes optisches Element,
(c) ein optisches Linsensystem,
(d) optional ein zweites planes optisches Element,
(e) optional ein zweites Prisma, und und wobei mindestens eine der Komponenten (a), (b) und (e) mindestens einen Absorptionsfilter umfasst und wobei die Komponente (d) mindestens einen Ab sorptionsfilter umfassen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße optische Anordnung nur ein planes optisches Element, bevorzugt ein erstes planes opti sches Element. Damit sind mehrere Vorteile verbunden. Zum einen wird das Platzerfordernis des Kameramoduls verkleinert, ferner sind die Herstellkosten gegenüber einer Anordnung mit zwei planen Komponenten verringert. Auch könnten optische Probleme vermieden werden, welche entstehen können, wenn optische Elemente in den Anordnungen nach dem Linsensystem eingebaut wer den. Diese optischen Probleme können sich ergeben, da diese zusätzlichen opti schen Komponenten bei Design des optischen Linsensystems berücksichtigt werden müssen. Dies gilt in entsprechender Weise analog für das optionale zweite Prisma.
Erfindungsgemäß umfasst mindestens eine der optischen Komponenten (a) ers tes Prisma, (e) zweites Prisma, (b) erstes planes optisches Element und (d) zweites planes optisches Element mindestens einen Absorptionsfilter. In man chen vorteilhaften Ausführungsformen können auch zwei oder mehr, beispiels weise zwei, drei oder vier, der genannten optischen Elemente (a), (b), (d) und (e) mindestens einen Absorptionsfilter umfassen.
Vorzugsweise umfasst mindestens eine der optischen Komponenten (a), (b) und (e) mindestens einen Absorptionsfilter.
Absorptionsfilter im Sinne der vorliegenden Erfindung sind optische Elemente, welche im Strahlengang angeordnet sind, so dass Lichtstrahlen, die vom Sensor detektiert werden, durch dieses Element hindurchtreten, wobei die Transmission des optischen Elementes im Hinblick auf die bei der Bilderzeugung störende Wellenlänge signifikant niedriger ist, als für andere Wellenlängen, die den Sen sor erreichen sollen. Bevorzugt handelt es sich bei dem mindestens einem Absorptionsfilter einen IR- Sperrfilter, bevorzugt einen NIR-Sperrfilter und/oder einen UV-Sperrfilter, beson ders bevorzugt um einen NIR-Sperrfilter.
Das nahe Infrarot (NIR) bezeichnet in Sinne der vorliegenden Erfindung bevor zugt einen Wellenlängenbereich von 650 bis 1200 nm. UV im Sinne der vorlie genden Erfindung bezeichnet bevorzugt einen Wellenlängenbereich von kleiner als 400 nm, bevorzugt kleiner als 420 nm. Grundsätzlich ist es denkbar, als eine einen bestimmten Wellenlängenbereich blockende Komponente eine mit einem Interferenzfilter beschichtete Komponente zu verwenden. Derartige Interferenzfil ter nutzen aber Reflektion, um unerwünschte Strahlung zu blocken, wodurch es insbesondere durch die Reflektionen zu Geisterbildern kommen. Für hochwertige digitale Farbkameras ist daher die Verwendung von Absorptionsfiltern mit NIR- oder UV-Sperrwirkung vorteilhaft, da dies die Gefahr von Geisterbildern und Streulicht reduziert.
Bevorzugt ist die Länge des Strahlengangs durch die optische Komponente um fassend mindestens einen Absorptionsfilter größer als 0,5 mm, bevorzugt größer als 0,6 mm, bevorzugt größer als 0,7 mm und besonders bevorzugt größer als 0,8 mm. In Ausführungsformen, in denen das erste und/oder zweite Prisma min destens einen Absorptionsfilter umfassen, ist der Strahlengang durch die Kom ponente in bevorzugten Ausführungsformen weiterhin größer als 1,3 mm, beson ders bevorzugt größer als 1 ,5 mm, weiterhin bevorzugt größer als 1 ,8, mm, wei terhin bevorzugt größer als 2,0 mm, und ebenfalls bevorzugt größer als 3,0 mm oder größer als 4,0 mm.
Bevorzugt weist das erste und/oder das zweite Prisma eine Kathetenlänge von größer 1,0 bis 10 mm, bevorzugt von größer 1,3 bis 7 mm, bevorzugt größer 1,5 bis 6 mm, bevorzugt größer 1 ,8 bis 5 mm, auf. Bevorzugt weist das erste und/oder das zweite plane Element eine Dicke von größer 0,5 bis 2,5 mm, bevorzugt von größer 0,6 bis 2,0 mm, bevorzugt von grö ßer 0,8 bis 1 ,5, bevorzugt von größer 0,5 bis 1 ,0 mm auf.
In dem optischen System gemäß der Erfindung handelt es bei dem mindestens einen NIR-Sperrfilter bevorzugt um ein NIR-absorbierendes Filterglas, besonders bevorzugt um mindestens ein mit Cu-Ionen dotiertes Glas, im Folgenden auch Blauglas genannt, welches bevorzugt einen Brechungsindex nd von mindestens 1,50, weiterhin bevorzugt von mindestens 1,55, weiterhin bevorzugt von nicht mehr als 1 ,7, bevorzugt weniger als 1 ,7, weiterhin bevorzugt von nicht mehr als 1 ,65, weiterhin bevorzugt von nicht mehr als 1 ,6 aufweist. Der Brechungsindex nd ist dem Fachmann bekannt und bezeichnet insbesondere den Brechungsin dex bei einer Wellenlänge von etwa 587,6 nm (Wellenlänge der d-Linie von Fle- lium). Bei den mit Cu-Ionen dotierten Gläsern gemäß der Erfindung handelt es sich einer bevorzugten Ausführungsform um CuO-haltige Phosphatgläser, wobei der CuO-Gehalt bevorzugt im Bereich von 1 bis 15 Gew.-%, besonders bevor zugt im Bereich von 2 bis 10 Gew.-%, weiterhin bevorzugt im Bereich von 2,5 bis 5 Gew.-% liegt, oder CuO-haltige Fluorphosphatgläser, wobei der CuO-Gehalt bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich von 0,3 bis 6,5 Gew.-% liegt. Derartige CuO-haltige Gläser sind beispielsweise in der US 2018/0312424 A1 , US 2012/0165178 A1 , US 2006/0111231 A1 , US 2016/0363703 A1 und US 2007/0099787 A1 beschrieben
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem NIR- absorbierenden Filterglas um ein hochbrechendes mit Cu-Ionen dotiertes Glas mit einem Brechungsindex nd von mindestens 1,70, bevorzugt um ein CuO-halti- ges Glas mit einer Lanthan-Borat-Glasmatrix. Derartige Gläser sind beispiels weise in der WO 2020/006770 A1 beschrieben.
UV-Sperrfilter sind optische Komponenten, welche für einen ersten Wellenlän genbereich von bis 400 nm, bevorzugt bis 420 nm, eine signifikant geringere Transmission aufweisen, als für einen zweiten Wellenlängenbereich von 400 nm oder bevorzugt 420 bis 650 nm. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin dung handelt es sich bei dem mindestens einen UV-Sperrfilter um ein UV- absorbierendes Glas.
Bei UV-Sperrfiltern handelt es sich bevorzugt um Gläser, welche eine steile UV- Kante im Bereich um 400 nm aufweisen. Bei geeigneten Gläsern handelt es sich beispielsweise um GG395, GG400, GG420 und GG435 der Firma Schott.
In manchen vorteilhaften Ausführungsformen kann auf die Verwendung einer als UV-Sperrfilter ausgebildeten Komponente gemäß der Erfindung in der optischen Anordnung verzichtet werden. Dies gilt beispielsweise, wenn bereits die optische Komponente umfassend einen NIR-Sperrfilter, beispielsweise ein CuO-haltiges Glas, eine ausreichende Blockung im UV-Bereich aufweist oder mindestens eine der optischen Komponenten (a) bis (e) eine UV-blockende, bzw. -reflektierende Beschichtung, insbesondere eine Interferenzbeschichtung, aufweist.
Die jeweiligen Absorptionsfilter, bevorzugt die NIR- und UV-absorbierenden Glä ser, können abhängig von ihren mechanischen und insbesondere optischen Ei genschaften an der jeweiligen Position in der optischen Anordnung gemäß der Erfindung ausgewählt werden. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, für das erste Prisma, welches sich in vergleichsweise exponierter Position befindet, ein Glas auszuwählen, welches sich durch eine hohe mechanische und/oder chemi sche Resistenz auszeichnet. Auch kann es vorteilhaft sein, insbesondere für das erste Prisma ein möglichst hochbrechendes Blauglas oder UV-absorbierendes Glas zu wählen. In Ausführungsformen, in denen das erste und/oder zweite plane optische Element als NIR-Sperrfilter ausgebildet ist, ist der Einsatz ver gleichsweise hochbrechenden Gläser nicht erforderlich. Hier eignen sich bei spielsweise CuO-haltige Phosphat- oder Fluorphosphatgläser wie beispielsweise die Blaugläser BG40 oder BG64 der Firma Schott. Ein optisches Element, welches mindestens einen Absorptionsfilter in Sinne die ser Erfindung umfasst, ist bevorzugt teilweise oder vollständig aus diesem Ab sorptionsfilter ausgebildet. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens eine der optischen Komponenten (a), (b), (d), und (e), bevorzugt mindestens eine der optischen Komponenten (a), (b) und (e), besonders bevorzugt mindes tens eine der optischen Komponenten (a) und (e) aus dem entsprechenden Ab sorptionsfilter ausgebildet bzw. besteht daraus, insbesondere aus einem NIR- o- der UV-absorbierenden Glas. In einerweiteren vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich ist mindestens eine der optischen Komponenten (a), (b), (d), und (e), bevorzugt mindestens eine der optischen Komponenten (a), (b) und (e), be sonders bevorzugt mindestens eine der optischen Komponenten (a) und (e) um einen Verbund, umfassend zwei oder mehr optische Verbundkomponenten wo bei mindestens eine der optischen Verbundkomponenten aus dem entsprechen den Absorptionsfilter ausgebildet bzw. besteht daraus, insbesondere aus einem NIR- oder UV-absorbierenden Glas.
Die optischen Komponenten (a), (b), (c), (d), und (e) können ferner zumindest teilweise mit mindestens einer optischen Schicht beschichtet sein. Hierbei ver steht es sich von selbst, dass hier eine Beschichtung der Oberflächen der jeweili gen optischen Komponenten gemeint ist. Eine teilweise Beschichtung im Sinne der Erfindung stellt sowohl eine Beschichtung von nur einer von mehreren ver schiedene Oberflächen einer optischen Komponente dar als auch nur die teil weise Beschichtung einer oder mehrerer bestimmten Oberflächen einer opti schen Komponente.
Bei geeigneten optischen Schichten handelt es sich beispielsweise um Interfe renzfilterschichtsysteme, antireflektierenden Schichtsysteme, reflektierende Schichtsysteme (beispielsweise metallische Beschichtungen wie AI- oder Ag- Schichten) sowie Schichtsystemen, die die mechanische und/oder chemische Resistenz der jeweiligen Komponente verbessern können. Schichtsysteme in Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnen sowohl einzelne Schichten als auch mehrlagige Beschichtungen, umfassend zwei oder mehr Schichten. Es ist natürlich auch denkbar, Schichtsysteme aufzubringen, die eine Kombination der vorangehend genannten Schichtsysteme darstellen, beispielsweise eine Interfe renzfilterschicht, welche die mechanische oder chemische Resistenz erhöht und/oder antireflektierend wirkt. Derartige Schichten sind dem Fachmann allge mein bekannt.
In vorteilhaften Ausführungsformen ist mindestens eine Oberfläche des ersten Prismas und/oder des optionalen zweiten Prismas mit einer reflektierenden Be schichtung versehen, welche vorteilhafterweise auf der Begrenzungsfläche des ersten und/oder zweiten Prismas aufgebracht ist, welche das einfallende Licht in das Innere des jeweiligen Prismas zurücklenkt.
Wie oben bereits dargelegt, weisen die jeweiligen optischen Komponenten der erfindungsgemäßen optischen Anordnung mehrerer Oberflächen auf. In einer bevorzugten Ausführungsform sind mindestens alle optische relevanten Oberflä chen einer Komponente mit zumindest teilweise, bevorzugt vollständig mit einer geeigneten optischen Beschichtung versehen. Unter einer optisch relevanten Oberfläche einer Komponente im Sinne der vorliegenden Erfindung versteht man jede Oberfläche welche im Strahlengang des Lichts liegt, was sowohl die Ober fläche auf der Lichteinfallseite, also auch die Oberfläche auf der Lichtaustrittsflä che sowie auch Oberflächen, welche den einfallenden Lichtstrahl reflektieren, bzw. um lenken umfasst. Die verschiedenen optisch relevanten Oberflächen kön nen - sofern zweckdienlich - natürlich mit unterschiedlichen optischen Beschich tungen versehen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst mindestens eine der Komponen ten (a) und (e) mindestens einen Absorptionsfilter. Das heißt das erste Prisma und/oder das optional zweite Prisma enthalten mindestens einen Absorptionsfil ter. In Ausführungsformen, die lediglich ein erstes Prisma umfassen, umfasst na türlich das erste Prisma mindestens einen Absorptionsfilter, bevorzugt einen NIR-Sperrfilter. In Ausführungsformen, umfassend sowohl das erste Prisma als auch das zweite Prisma können auch beide Prismen mindestens einen Absorpti onsfilter umfassen. Hierbei ist jedoch bevorzugt, dass das erste Prisma und das zweite Prisma verschiedene Absorptionsfilter umfassen, beispielsweise das erste Prisma einen NIR-Sperrfilter und das zweite Prisma einen UV-Sperrfilter.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst mindestens eine der Komponenten (b) und (d) mindestens einen Absorptionsfilter. Das heißt zumin dest das erste plane optische Element oder das zweite plane optische Element enthalten mindestens einen Absorptionsfilter, bevorzugt einen NIR-Sperrfilter. In Ausführungsformen, die lediglich ein erstes oder ein zweites planes optisches Element umfassen, umfasst nur das vorhandene plane optische Element min destens einen Absorptionsfilter. In Ausführungsformen, umfassend sowohl das erste als auch das zweite plane optische Element, können auch beide plane opti sche Elemente mindestens einen Absorptionsfilter umfassen. Hierbei ist jedoch bevorzugt, dass das erste und das zweite plane optische Element verschiedene Absorptionsfilter umfassen, beispielsweise das erste plane optische Element ei nen NIR-Sperrfilter und das zweite plane optische Element einen UV-Sperrfilter.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die optische Anord nung gemäß der Erfindung ein erstes Prisma, ein optisches Linsensystem und optional ein zweites Prisma, besonders bevorzugt besteht sie aus den optischen Komponenten erstes Prisma, optisches Linsensystem und optional zweites Prisma, weiterhin bevorzugt besteht die optische Anordnung aus einem ersten Prisma und einem Linsensystem. In anderen Worten umfasst die optische An ordnung gemäß der ersten Ausführungsform nur ein erstes Prisma, ein Linsen system und optional ein zweites Prisma, welche vor dem Sensor angeordnet sind. In dieser Ausführungsform umfasst das erste Prisma und/oder das zweite Prisma - sofern enthalten, besonders bevorzugt das erste Prisma, mindestens einen Absorptionsfilter, wobei es sich bevorzugt um einen NIR-Sperrfilter und/o- der einen UV-Sperrfilter handelt, besonders bevorzugt einen NIR-Sperrfilter. Ne ben den bereits oben genannten vorteilhaften Effekten, die mit einem längeren Strahlengang durch optische Komponenten umfassend mindestens einen Ab sorptionsfilter, genannt wurden, ist in dieser Ausführungsform ferner vorteilhaft, dass im Vergleich zu herkömmlichen (Periskop)Kameramodulen eine optische Komponente weniger erforderlich ist. Das ergibt sich daraus, dass Umlenkprisma und Absorptionsfilterkomponente in einer einzigen optischen Komponente reali siert werden können. Dadurch wird eine noch kompaktere Bauweise des Kame ramoduls ermöglich und darüber hinaus können die Herstellkosten verringert werden.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform umfasst die optische Anordnung ein erstes Prisma, ein erstes planes optisches Element und/oder ein zweites pla nes optisches Element, bevorzugt ein erstes oder ein zweites planes optisches Element, besonders bevorzugt ein erstes planes optisches Element, ein opti sches Linsensystem und optional ein zweites Prisma. In dieser Ausführungsform umfasst bevorzugt das erste und/oder das zweite plane optische Element min destens einen Absorptionsfilter, wobei es sich bevorzugt um einen NIR- Sperrfilter und/oder einen UV-Sperrfilter handelt, besonders bevorzugt einen NIR-Sperrfilter.
Bevorzugt besteht die optische Anordnung dieser Ausführungsform aus einem ersten Prisma, einem ersten planen optischen Element, umfassend mindestens einen Absorptionsfilter, bevorzugt einen NIR-Sperrfilter, einem optischen Linsen system und optional einem zweiten Prisma. In einer Ausführungsform kann das erste und/oder das zweite Prisma mindesten einen Absorptionsfilter, bevorzugt einen UV-Sperrfilter, umfassen, in einer bevorzugten Ausführungsform jedoch umfassen das erste und das optionale zweite Prisma keinen Absorptionsfilter. Auch bevorzugt besteht die optische Anordnung dieser Ausführungsform aus ei nem ersten Prisma, einem ersten planen optischen Element, umfassend mindes tens einen Absorptionsfilter, bevorzugt einen UV-Sperrfilter, einem optischen Lin sensystem und optional einem zweiten Prisma.
Auch bevorzugt besteht die optische Anordnung dieser Ausführungsform aus ei nem ersten Prisma, einem ersten planen optischen Element, umfassend mindes tens einen Absorptionsfilter, bevorzugt einen NIR-Sperrfilter, einem optischen Linsensystem und optional einem zweiten Prisma.
In einer dritten bevorzugten Ausführungsform stellt mindestens eine der opti schen Komponenten (a), (b), (d) und (e) in der optischen Anordnung gemäß der Erfindung einen Verbund aus mindestens zwei, beispielsweise auch drei oder vier Verbundkomponenten dar, wobei mindestens eine der Verbundkomponen ten mindestens einen Absorptionsfilter umfasst. Die einzelnen Verbundkompo nenten können mittels Ansprengen oder durch einen optischen Kitt bzw. einen optisch klaren Klebstoff miteinander verbunden werden.
In einer Ausführungsform wird das erste und/oder das zweite Prisma, bevorzugt das erste Prisma, als derartiger Verbund ausgestaltet, nachfolgend als „Ver bundprisma“ bezeichnet. Hier wird beispielsweise eine prismenförmige Verbund komponente mit einer oder mehr als einer, beispielsweise, zwei oder drei, planen Verbundkomponente, nachfolgende „erste“, bzw. „zweite“, bzw. „dritte plane Ver bundkomponente“ genannt, verbunden.
Mindesten eine der Verbundkomponenten umfasst mindestens einen Absorpti onsfilter. In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen alle Verbundkompo nenten mindestens einen Absorptionsfilter. In einer anderen bevorzugten Aus führungsform umfasst der Verbund ferner mindestens eine Verbundkomponente, welche keinen Absorptionsfilter im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst, beispielsweise ein hochbrechendes Glas, insbesondere ein Glas mit einem Bre chungsindex nd von 1 ,6 bis 2,2. Eine so erhaltenen Verbund wird im Sinne der vorliegenden Erfindung weiterhin als „erstes Prisma“ oder „zweites Prisma“ be zeichnet.
In einer Ausführungsformen der optischen Anordnung können zusätzlich oder al ternativ das erste und/oder das zweite plane optische Element als Verbund aus gestaltet werden. Ein derartiger Verbund wird weiterhin als „erstes planes opti sches Element“ bzw. „zweites planes optisches Element“ bezeichnet. Hierbei handelt es sich vorteilhafterweise aber um einen Verbund aus zwei Verbund komponenten, welche unterschiedliche Absorptionsfilter umfassen, beispiels weise ein Verbund einer ersten planen Komponente, welche einen UV-Sperrfilter umfasst, und einer zweiter planen Komponente, welche einen NIR-Sperrfilter umfasst.
Natürlich können auch derartige Verbünde eine oder mehrere optische Be schichtungen wie oben beschrieben aufweisen.
Bei dem optischen Linsensystem in der erfindungsgemäßen optischen Anord nung kann es sich um eine einzelne optische Linse handeln oder bevorzugt um eine Anordnung, umfassend zwei oder mehr optische Linsen. Durch die Kombi nation verschiedener einzelnen Linsen im optischen Linsensystem können Farb fehler und Verzerrungen im Bild vermieden werden. Details zu beispielhaften Aufbauten des optischen Linsensystems sind dem Fachmann bekannt und fin den sich unter anderem im eingangs genannten Stand der Technik.
Liste der Bezugszeichen
1 Kameramodul
2 erstes Prisma
2b erstes Verbundprisma 3 erstes planes optisches Element
4 optisches Linsensystem
5 zweites planes optisches Element
6 zweites Prisma
6b zweites Verbundprisma
7 Sensor
8 Schutzfenster
9 Strahlengang
10 prismenförmige Verbundkomponente
11 erste plane Verbundkomponente
12 zweite plane Verbundkomponente
Die Figuren 1 bis 3 zeigen verschiedene Ausführungsformen des erfindungsge mäßen optischen Systems.
Die Figuren 4a bis 4g zeigen verschiedene Ausführungsformen eines als erfin dungsgemäßer Verbund ausgebildeten ersten bzw. zweiten Prismas.
Fig. 1 bildet eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen opti schen Systems ab. Der Strahlengang 9 bezeichnet in den Figuren 1 bis 3 ledig lich schematisch den Weg des Lichts (Hauptstrahl) entlang der optischen Achse. Es versteht sich, dass hier nicht der Strahlengang eines bestimmten Feldhalb winkels oder einer bestimmten Wellenlänge dargestellt ist. Gezeigt ist der Weg des einfallenden Lichts durch das Schutzfenster 8 in die optische Anordnung des Kameramoduls 1 zunächst zu dem ein ersten Prisma 2, welches den Strahlen gang 9 des Lichts um 90° umlenkt. Das erste Prisma 2 ist in dieser Ausführungs form als Absorptionsfilter ausgebildet, bevorzugt ein Blauglas, welches als NIR- Filter wirkt. Dementsprechend wird auf dem Weg des Lichts durch das erste Prisma 2 zumindest ein Teil des im einfallenden Licht enthaltene NIR-Strahlung absorbiert. Wie beschrieben wird das Licht durch das erste Prisma 2 um 90° um- gelenkt, so dass es anschließend das optische Linsensystem 4, welches hier le diglich beispielhaft mit drei Linsen dargestellt wird, durchläuft und von dem zwei ten Prisma 6 um weitere 90° umgelenkt wird, wodurch das Licht auf den Sensor 7 fällt. Das zweite Prisma 6 kann hier ebenfalls einen Absorptionsfilter umfassen, beispielsweise einen NIR-Filter oder einen UV-Sperrfilter. Sofern das zweite Prisma 6 einen Absorptionsfilter umfasst, handelt es sich bevorzugt um einen UV-Sperrfilter. In besonders bevorzugten Ausführungsformen umfasst das zweite Prisma 6 jedoch keine Absorptionsfilter. Sowohl das erste Prisma 2 als auch zweite Prisma 6 sowie auch eine oder mehrerer einzelnen Linsen des opti schen Linsensystems 4 umfassen ferner bevorzugt optische Beschichtungen (nicht dargestellt). Diese optischen Beschichtungen befinden sich besonders be vorzugt auf allen optisch relevanten Oberflächen der beschichteten optischen Komponenten.
Fig. 2 stellt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kameramo duls 1 dar. Sofern nicht anders beschrieben, gelten für die einzelnen Bestand teile und Bezugszeichnungen die im Zusammenhang mit Fig. 1 genannten Erläu terungen. Das in Fig. 2 gezeigte Kameramodul 1 umfasst im Unterschied zu dem im Fig. 1 beschriebenen Modul nur ein erstes Prisma 2, aber kein zweites Prisma 6, das Licht erfährt so nur eine 90° Ablenkung und trifft nach dem Durchgang des optischen Linsensystems 4 direkt auf den Sensor 7. Diese optische Anord nung ist durch die Abwesenheit eines zweiten Prismas 2 noch kompakter.
Fig. 3 stellt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kameramoduls 1 dar. Sofern nicht anders beschrieben, gelten für die einzelnen Bestandteile und Bezugszeichnungen die im Zusammenhang mit Fig. 1 und Fig. 2 genannten Er läuterungen. Die abgebildete optische Anordnung umfasst ein erstes Prisma 2 und ein erstes planes optisches Element 3, sowie ein Linsensystem 4 gefolgt von einem zweiten Prisma 6 und dem Bildsensor 7. Alternativ hierzu kann in ei ner bevorzugten Ausführungsform auf das zweite Prisma 6 verzichtet werden. Dementsprechend trifft in dieser alternativen Ausführungsform das Licht nach dem Durchgang durch das optische Linsensystem 4 ohne weitere Ablenkung di rekt auf den dahinter platzierten Sensor 7. Diese Ausführungsform ist aufgrund der noch kompakteren Bauweise besonders vorteilhaft. In der dargestellten, so wie der genannten alternativen Ausführungsform umfasst die erste plane opti sche Komponente einen Absorptionsfilter, insbesondere einen NIR-Sperrfilter.
Die Prismen 2 und/der 6 können in manchen Ausführungsformen ebenfalls einen Absorptionsfilter umfassen, bevorzugt ist dies aber nicht der Fall.
Die Figuren 4a bis 4g zeigen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen von als Verbund ausgestaltete erste bzw. zweite Prismen, nachfolgendes erstes Ver bundprisma 2a bzw. zweites Verbundprisma 6a genannt. Erstes bzw. zweites Verbundprisma 2a, 6a sind jeweils aus einer prismenförmige Verbundkompo nente 10 sowie mindestens einer ersten planen Verbundkomponente 11 und/o der mindestens einer zweiten planen Verbundkomponente 12 aufgebaut. L be zeichnet das auf das Prisma 2a bzw. 6a einfallenden Lichts. Bevorzugt sind die prismenförmige Verbundkomponente 10, die erste plane Verbundkomponente 11 und die zweite plane Verbundkomponente 12 voneinander verschieden. Bei spielhaft kann die Verbundkomponente 10 einen UV-Sperrfilter umfassen, die erste plane Komponente 11 ein hochbrechendes Glas, welches keinen Absorpti onsfilter umfasst, und die zweite plane Komponente 12 einen NIR-Sperrfilter um fassen.
Fig. 4a zeigt ein Verbundprisma 2b, 6b welches eine prismenförmige Verbund komponente 10 sowie eine auf deren Hypotenuse aufgebrachte erste plane Ver bundkomponente 11 umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform wird hier als prismenförmige Verbundkomponente 10 ein NIR-Sperrfilter eingesetzt, wel cher mit einer planen Verbundkomponente 11 aus einem hochbrechenden Glas verbunden wird, beispielsweise mit einem Brechungsindex nd von mindestens 1,6. In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die prismenförmige Verbundkomponente 10 einen UV-Sperrfilter und die aufgebrachte ersten plane Verbundkomponente 11 ein hochbrechendes Glas. Fig. 4b bildet ein Verbundprisma 2b, 6b ab, welches eine prismenförmige Ver bundkomponente 10, eine auf deren Hypotenuse aufgebrachten ersten planen Verbundkomponente 11 sowie eine ersten planen Verbundkomponente 12 um fasst, welche auf der dem einfallenden Licht zugewandten Oberfläche aufge bracht ist, im Folgenden Kathete 1 genannt. In einer vorteilhaften Ausführungs form umfasst die prismenförmige Verbundkomponente 10 einen NIR-Sperrfilter, die erste plane Verbundkomponente 11 ein hochbrechendes Glas und die zweite plane Verbundkomponente 12 einen UV-Sperrfilter. In einer anderen vorteilhaf ten Ausführungsform umfasst die prismenförmige Verbundkomponente 10 einen UV-Sperrfilter, die erste plane Verbundkomponente 11 ein hochbrechendes Glas und die zweite plane Verbundkomponente 12 einen NIR-Sperrfilter.
Fig. 4c bildet eine Verbundprisma 2b, 6b, welches sich von dem in Fig. 4b ge zeigten darin unterscheidet, dass die zweite plane Verbundkomponente 12 auf der anderen Kathete, nachfolgend Kathete 2 genannt, aufgebracht ist. Die bevor zugten Ausführungsformen für die Verbundkomponenten 10, 11 und 12 entspre chen denen im Zusammenhang mit Fig. 4 b genannten.
Fig. 4d zeigt eine weitere Ausführungsform eines Verbundprismas 2b, 6b, wel che den Grundaufbau des in Fig. 4b abgebildeten Verbundprismas ähnelt. Aller dings ist im vorliegenden Fall sowohl auf Kathete 1 als auch auf Kathete 2 je weils eine zweite plane Verbundkomponente 12 aufgebracht. Die bevorzugten Ausführungsformen für die Verbundkomponenten 10, 11 und 12 entsprechen de nen im Zusammenhang mit Fig. 4 b und Fig. 4c genannten.
In Fig. 4e ist ein Verbundprisma 2b, 6b dargestellt, welches neben einen pris menförmige Verbundkomponente 10 eine zweite plane Verbundkomponente umfasst, welche auf Kathete 1 aufgebracht ist. Die bevorzugten Ausführungsfor men für die Verbundkomponenten 10 und 12 entsprechen denen im Zusammen hang mit Fig. 4 b und Fig. 4c genannten. In Fig. 4f ist ein weiteres Verbundprisma 2b, 6b dargestellt, welches sich von dem in Fig. 4e gezeigten darin unterscheidet, dass auf Kathete 2 ebenfalls eine zweite plane Verbundkomponente 12 aufgebracht ist. Die bevorzugten Ausfüh rungsformen für die Verbundkomponenten 10 und 12 entsprechen denen im Zu sammenhang mit Fig. 4 b und Fig. 4c genannten.
In Fig. 4g ist ein weiteres Verbundprisma 2b, 6b dargestellt, welches sich von dem in Fig. 4f gezeigten darin unterscheidet, dass nur auf Kathete 2 eine zweite plane Verbundkomponente 12 aufgebracht ist. Die bevorzugten Ausführungsfor men für die Verbundkomponenten 10 und 12 entsprechen denen im Zusammen hang mit Fig. 4 b und Fig. 4c genannten. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft in Bezug auf das Platzerfordernis in Kameramodulen, da auf eine zweite plane Verbundkomponente 12 auf Kathete 1 verzichtet wird.

Claims

Patentansprüche
1. Ein optisches System für ein Kameramodul (1 ), umfassend einen Bildsensor (7) und eine optische Anordnung definierend einen Strahlen gang (9), wobei im Strahlengang (9) die darin enthaltenen optischen Kom ponenten in der folgenden Reihenfolge vor dem Bildsensor (7) angeordnet sind:
(a) ein erstes Prisma (2),
(b) optional ein erstes planes optisches Element (3),
(c) ein optisches Linsensystem (4),
(d) optional ein zweites planes optisches Element (5),
(e) optional ein zweites Prisma (6), und und wobei mindestens eine der Komponenten (a), (b), (d) und (e) mindes tens einen Absorptionsfilter umfasst.
2. Optisches System gemäß Anspruch 1 , wobei der mindestens eine Ab sorptionsfilter einen NIR-Sperrfilter und/oder einen UV-Sperrfilter umfasst.
3. Optisches System gemäß Anspruch 2, wobei der mindestens eine NIR- Sperrfilter ein NIR-absorbierendes Filterglas, besonders bevorzugt min destens ein Blauglas umfasst.
4. Optisches System gemäß Anspruch 3, wobei das mindestens eine Blau glas einen Brechungsindex von mindestens 1,50 aufweist.
5. Optisches System gemäß Anspruch 2, wobei der UV-Sperrfilter ein UV- absorbierendes Glas umfasst.
6. Optisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mindes tens eine der optischen Komponenten (a) bis (e) zumindest teilweise mit mindestens einer optischen Schicht beschichtet ist.
7. Optisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Ober fläche mindestens einer der optischen Komponenten (a) oder (e) zumin dest teilweise mit mindestens einer reflektierenden Schicht beschichtet ist.
8. Optisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei mindes tens eine der Komponenten (a) und (e) mindestens einen Absorptionsfilter umfasst.
9. Optisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Sys tem die Komponenten (a), (c) und optional (e) umfasst, bevorzugt daraus besteht, und mindesten eine der Komponenten (a) und (e) mindestens ei nen Absorptionsfilter aufweist und der einfallende optische Strahl auf dem Weg zum Bildsensor (5) die optischen Komponenten (a), (c) und optional (e) durchdringt.
10. Optisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine der Komponenten (a) und (e), bevorzugt Komponente (a) mindestens einen Absorptionsfilter aufweist, bevorzugt einen NIR-Sperrfilter.
11. Optisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei mindes tens eine der Komponenten (b) und (d), bevorzugt (b), mindestens einen Absorptionsfilter umfasst, bevorzugt einen NIR-Sperrfilter.
12. Optisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei mindes tens eine der optischen Komponenten (a), (b), (d) und (e), bevorzugt (a) und/oder (e), einen Verbund aus mindestens zwei Verbundkomponenten darstellt, wobei mindestens einen der Verbundkomponenten mindestens einen Absorptionsfilter umfasst.
13. Periskopkameramodul, umfassend das optische System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.
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