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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Abbildungssystem zum Abbilden eines Objektes auf einen Bildsensor.
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Stand der Technik
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Der Trend bei der Entwicklung optischer Module, insbesondere für Mobilfunk-Geräte (Handys), geht zunehmend in Richtung einer sehr flachen Bauweise. Dabei wird zunehmend ein Aufbau bevorzugt, in dem eine Mehrzahl von optischen Elementen mit ausgewählten refraktiven, diffraktiven, transmissiven oder reflektiven Eigenschaften miteinander kombiniert werden, um den gewünschten Strahlengang zu realisieren und eine Abbildung auf einem Bildsensor zu erzeugen (s.
1; oder z. B.
J. Jahns: "Integrated optical imaging system", Appl. Opt. 29 (1990) 1998)
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Die ständig steigenden Anforderungen, die an den möglichst flachen Aufbau der Module gestellt werden, setzen jedoch Grenzen für die bisher verwendeten Vorrichtungen und Systeme insbesondere auch in Hinblick auf die Variabilität der Brennweite.
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Aufgabe
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Abbildungssystem zum Abbilden eines Objekts auf einen Bildsensor vorzuschlagen, welches eine sehr flache Bauweise in Kombination mit der Realisierung von mindestens zwei unterschiedlichen Brennweiten aufweist.
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Lösung
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Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Die Erfindung umfasst auch alle sinnvollen und insbesondere alle erwähnten Kombinationen von unabhängigen und/oder abhängigen Ansprüchen.
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Im Folgenden wird das Abbildungssystem näher beschrieben.
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Es wird ein Abbildungssystem zum Abbilden eines Objektes auf einen Bildsensor vorgeschlagen. Das Licht durchläuft insgesamt einen Strahlengang zwischen Objekt und Bildsensor durch einen (transparenten) Träger, bestehend aus einem massiven transparenten Material oder aus einer mit Luft gefüllten äußeren Hülle, auf dem ein oder mehrere passive oder/und aktive optische Bauelemente angebracht sind. Diese optischen Bauelemente haben zum Ziel, durch ändern (schalten) des optischen Weges (Verändern der Brennweiten der aktiven Elemente und/oder Verändern der optischen Wehlänge) von der Eintrittslinse zum Sensor die optische Brennweite des Systems kontinuierlich oder diskret verstellen zu können.
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In einem Abbildungssystem wird Licht durch eine räumliche Anordnung von optischen Elementen abgelenkt. Die Ablenkung des Lichts wird durch optische Elemente erzielt, die unterschiedliche optische Effekte nutzen, etwa:
- – Refraktion (Brechung; Richtungsänderung des Lichtes von einem durchsichtigen Medium in eine anderes, sofern es die Grenzfläche zwischen den Medien nicht senkrecht durchdringt);
- – Diffraktion (Beugung); und
- – Reflexion (Spiegelung; Zurückwerfen von Licht bei seinem Auftreffen auf eine Grenzfläche zwischen zwei Medien mit verschiedenen optischen Eigenschaften).
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Die optischen Elemente können Linsen, Spiegel, Gitter, Hologramme sowie andere Elemente mit optischen Eigenschaften sein, die für den gewünschten Strahlgang passend sind.
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Am Ende des Strahlengangs, in der Bildebene, in die das Objekt mit Hilfe der Elemente abgebildet wird, befindet sich der Bildsensor. Dieser ist i. d. R. als Sensor der Typen CCD oder CMOS ausgeführt. Prinzipiell können aber alle denkbaren Sensoren wie Filme, elektronische Bildsensoren, abtastende Photodetektoren etc. verwendet werden.
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Das Abbildungssystem hat eine dem Objekt zugewandte Frontseite und eine vom Objekt abgewandte Rückseite, welche vom Objekt aus betrachtet hinter der Frontseite angeordnet ist.
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An der Frontseite befindet sich eine Frontlinse (oder Kombination mehrerer Linsen), durch welche vom Objekt kommendes. Licht in das Abbildungssystem eintritt. Die Frontlinse kann z. B. als plane oder gekrümmte Fläche oder als Linsensystem ausgebildet sein. Ebenso kann dieses Elemente starr oder veränderlich sein.
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Auch weist das Abbildungssystem mindestens ein optisches Element auf, welches an der Rückseite oder Frontseite angeordnet ist und den Strahlengang innerhalb des Abbildungssystems derart beeinflussen kann, dass sich ein gefalteter Strahlengang zwischen Frontlinse und Bildsensor ergibt, und dass ein reelles Bild des Objekts auf dem Bildsensor entsteht. Frontseite und Rückseite zusammen mit dem gefalteten Strahlengang bilden ein planares optisches System.
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Das mindestens eine optische Element ist derart ausgebildet, dass durch eine elektrische Ansteuerung des mindestens einen optischen Elements die Brennweite des Abbildungssystems veränderbar ist.
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Dadurch sind für das Abbildungssystem je nach elektrischem Schaltungszustand des mindestens einen optischen Elements mindestens ein erster Wert der Brennweite und ein zweiter, vom ersten unterschiedlicher Wert der Brennweite einstellbar.
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Die Einstellung der unterschiedlichen Brennweiten erfolgt durch die Änderung (Ablenkung) des Strahlengangs beim Passieren des mindestens einen optischen Elements. Es können aber auch zwei, drei oder mehr elektrisch ansteuerbare optische Elemente im Strahlengang angeordnet sein.
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Der konkrete Strahlengang innerhalb des Systems bis zum Bildsensor ist abhängig davon, wie viele elektrisch ansteuerbare optische Elemente im Strahlengang angeordnet sind und, wird durch deren spezifische optische Eigenschaften beeinflusst. Die Spezifikationen dieser optischen Elemente sind durch die gewünschte Form der Abbildung(en) des Objekts auf den Bildsensor bestimmt, insbesondere durch die gewünschte Vergrößerung bzw. Brennweite.
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Durch eine Mehrzahl von optischen Elementen, auch an der Frontseite, kann die Abbildungsqualität beeinflusst bzw. verbessert werden. Die Strahlen durchlaufen entlang des Strahlengangs verschiedene optische Elemente. Die Strahlen werden dabei i. d. R. abwechselnd an Front- und Rückseite reflektiert, wodurch eine ”Faltung” des Strahlengangs realisiert wird.
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Durch das vorgeschlagene System lassen sich sowohl Zoom-Objektive als auch Objektive mit variabler Brennweite realisieren. Unter einem Zoom-Objektiv wird ein Objektiv mit in einem bestimmten Bereich kontinuierlich veränderlicher Brennweite verstanden. Unter variabler Brennweite wird eine Veränderung der Brennweite in diskreten Schnitten verstanden.
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Eine vorteilhafte Ausführung der vorgeschlagenen Lösung ermöglicht es auch, dass die Brennweite des Abbildungssystems durch eine elektrische Ansteuerung des mindestens einen optischen Elements kontinuierlich einstellbar ist.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführung des Abbildungssystems kann mindestens eine optische Eigenschaft mindestens eines optischen Elements durch eine elektrische Ansteuerung geändert werden. Beispielhaft erwähnt seien Linsen mit steuerbarer Brennweite, wie z. B.
- – Membranlinsen, bei denen die Membran reflektierend ausgebildet ist und durch eine mechanische oder elektrische Ansteuerung die Brennweite verändert werden kann;
- – Linsen mit variablen Brennweiten auf Basis von Flüssig kristallen und elektrooptischen Materialien, oder
- – Flüssigkeitslinsen, hierbei u. a. die bekannten „Electrowetting Lens Systems”.
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Diese vorteilhaften Beispiele seien im Folgenden näher erläutert.
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Z. B. weist das optische Element ein elastisches Material auf. Die Änderung der mindestens einen optischen Eigenschaft des mindestens einen optischen Elements wird in dieser vorteilhaften Ausführung durch ein Ändern seiner geometrischen Form erreicht.
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Das optische Element ist hierbei beispielsweise eine Linse aus einem transparenten, elastischen Material. Insbesondere betrifft diese Änderung der geometrischen Form die Krümmungsradien der Linsenoberflächen.
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Von Vorteil ist es auch, wenn diese elektrisch schaltbare Änderung der geometrischen Form des mindestens einen optischen Elementes durch eine piezoelektrische Krafteinwirkung bewirkt wird. Dabei wirkt das piezoelektrische Element beim Einschalten einer Steuerspannung auf die elastische Krümmungsoberfläche der Linse und verändert deren Radius. Im Resultat dessen werden die optischen Eigenschaften der Linse geändert und eine geänderter Wert der Brennweite eingestellt. Wird die an den Piezo-Aktuator angelegte Steuerspannung wieder ausgeschaltet, dann wird wieder die ursprüngliche geometrische Form der Linse hergestellt und somit der ursprüngliche Wert der Brennweite eingestellt.
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Die Funktionsweise eines Piezo-Aktuators beruht auf der Piezoelektrizität (auch piezoelektrischer Effekt genannt). Die Piezoelektrizität beschreibt die Änderung der elektrischen Polarisation und somit das Auftreten einer elektrischen Spannung an gewissen Festkörpern, wenn sie elastisch verformt werden (direkter Piezoeffekt). Umgekehrt verformen sich gewisse Materialien bei Anlegen einer elektrischen Spannung (inverser Piezoeffekt). Durch die gerichtete Verformung eines piezoelektrischen Materials bilden sich mikroskopische Dipole innerhalb der Elementarzellen. Die Aufsummierung über das damit verbundene elektrische Feld in allen Elementarzellen des Kristalls fuhrt zu einer makroskopisch messbaren elektrischen Spannung. Umgekehrt kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine Verformung eines Bauteils aus Piezokeramik erreicht werden.
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Ein weiteres der erwähnten vorteilhaften Beispiele betrifft Flüssiglinsen. Bei diesem Beispiel weist das mindestens eine optische Element eine Flüssig-Linse auf. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an das optische Element ist mindestens eine optische Eigenschaft der Flüssig-Linse veränderbar.
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Eine Flüssig-Linse besteht i. d. R. aus einer Wässrigen Lösung und einem Öl. Die beiden Flüssigkeiten haben unterschiedliche Brechungsindizes und vermischen sich nicht. Eine Flüsiglinse kann beispielsweise derart aufgebaut sein, dass die beiden Flüssigkeiten sich in einem kurzen röhrenförmigen Behälter befinden, an dessen Enden transparenten Endkappen angeordnet sind. Eine der Endkappen und die Wandinnenflächen des röhrenförmigen Behältnisses sind mit einer wasserabweisenden Beschichtung versehen. Dadurch wird bewirkt, dass sich die wässrige Lösung am nicht beschichteten Ende der Röhre sammelt und sich dort zu einer halbkugelförmigen Masse sammelt. Diese halbkugelförmige Masse bildet einen linsenförmigen Körper, der auch die optischen Eigenschaften einer Linse aufweist, beispielsweise einer Konvex-Linse.
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Mit Hilfe eines elektrischen Feldes, welches an der Flüssiglinse erzeugt wird, kann innerhalb weniger Millisekunden eine Veränderung der geometrischen Form (z. B. des Krümmungsradius). der Oberfläche des linsenförmigen Flüssigkeitstropfens realisiert werden.
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Somit kann die Linsenform elektrisch gesteuert werden. Das angelegte elektrische Feld verringert die wasserabweisende Wirkung der Beschichtung. Dadurch benetzt die wässrige Lösung die Seitenwände des röhrenförmigen Behältnisses starker und der Krümmungsradius der gewölbten Oberfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten und die Brennweite der Linse ändern sich beim Ein- bzw. Ausschalten der Spannung an den Elektroden der Flüssiglinse. Durch die Änderung (Verstärkung oder Verringerung) kann sogar eine Veränderung der Linsenform von konvex bis plan oder konkav erzielt werden.
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Möglich ist auch die vorteilhafte Ausführung des Abbildungssystems derart, dass das mindestens eine optische Element ein Flüssigkristall-Element und eine Fresnel-Linse aufweist.
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Auch bei dieser vorteilhaften Anordnung ist durch Anlegen einer elektrischen Spannung an das optische Element mindestens eine optische Eigenschaft des optischen Elementes veränderbar.
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Ein Flüssigkristall ist eine Substanz, die einerseits flüssig ist wie eine Flüssigkeit, andererseits aber auch richtungsabhängige (anisotrope) physikalische Eigenschaften aufweist, wie ein Kristall. Diese besondere Kombination aus Fluidität und Anisotropie macht Flüssigkristalle technologisch interessant, vor allem für Flüssigkristall-Bildschirme, aber auch zunehmend für die Verwendung in optischen Elementen, z. B. in Flüssigkristall-Linsen. Flüssigkristalle entfalten ihre Eigenschaften i. d. R. gelöst in einem geeigneten Lösungsmittel, oft z. B. Wasser. Die meisten Flüssigkristalle sind optisch doppelbrechend.
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In der Optik werden üblicherweise thermotrope Flüssigkris tafle eingesetzt. Diese treten beim Erwärmen von bestimmten Substanzen beim Schmelzen als Zwischenphase (Mesophase) zwischen der festen und der flüssigen Phase auf. Derartige Substanzen können mit zunehmender Temperatur nacheinander mehrere unterschiedliche flüssigkristalline Phasen ausbilden, die sich durch ihre mikroskopische Struktur und ihr makroskopisches Erscheinen deutlich voneinander unterscheiden, so z. B.
- – die nematische Phasen,
- – die smektische Phasen,
- – die kolumnare Phasen.
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Die nematische Phase ist der einfachste Typ flüssigkristalliner Phasen. Die nematische Phase wird i. d. R. aus einem System mit langgestreckten, zigarrenförmigen Molekülen gebildet. In ihr weisen diese Moleküle eine Orientierungsordnung bezüglich eines so genannten Direktors, dem Einheitsvektor der Richtung, auf. Die daraus folgende Vorzugsorientierung ist in der Regel nur für kleine Volumina konstant. Die Vorzugsorientierungen der kleinen Volumina sind statistisch verteilt. Es tritt keinerlei Fernordnung auf Auf einer makroskopischen Skala scheint eine isotrope Verteilung vorzuliegen.
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Allgemein nehmen der Ordnungsgrad der Flüssigkristall-Moleküle und die damit verbundene Orientierungsfernordnung mit zunehmender Temperatur ab. Entsprechend sind die physikalischen Eigenschaften, wie z. B. der Brechungsindex von der Temperatur abhängig.
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Die Moleküle einer nematischen Phase lassen sich allerdings durch ein elektrisches Feld ausrichten. Dadurch werden die Vorzugsrichtungen in den kleinen Volumina in der gleichen Richtung ausgerichtet, wodurch eine makroskopisch, anisotrope Ordnung entsteht. Diese Feld-induzierte Ausrichtung erfolgt ohne Temperatur-Änderungen, d. h. innerhalb der nematischen Phase, ohne einen temperatur-induzierten Phasenübergang.
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In der makroskopisch geordneten Phase ist der Brechungsindex für die Polarisationsrichtung parallel zur Orientierung der Moleküle des Flüssigkristalls erhöht. Senkrecht zur Ausrichtung polarisiertes Licht wird blockiert bzw. stark absorbiert.
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Die gezielte Ausrichtung der Flüssigkristall-Moleküle durch eine elektrische Schaltungsanordnung erfolgt durch die Anbringung von Elektroden an das Flüssigkristall-Element. Diese Elektroden sind mit einer oder mehreren Spannungsquellen verbunden, die unabhängig voneinander ein bzw. ausgeschaltet werden können.
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Die Elektroden sind, entsprechend der gewünschten Funktion strukturiert, an dem optischen Element bzw. Flüssigkristall-Element angebracht. Beim Einschalten der Spannung wird über die Elektroden an dem Flüssigkristall-Element ein elektrisches Feld erzeugt, welches eine bereichsweise geänderte Ausrichtung der vororientierten Flüssigkristall-Moleküle hervorruft. Somit entstehen in dem Flüssigkristall-Element Bereiche mit einem unterschiedlichen Brechungsindex. Der Brechungsindex ist dabei in den Bereichen mit Orientierung der Flüssigkristall-Moleküle durch das elektrische Feld für eine geeignete Polarisationsrichtung erhöht.
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Eine Fresnel-Linse oder genauer eine Fresnelsche Stufenlinse ist eine optische Linse, bei der Gewicht und Volumen gegenüber einer üblichen optischen Linse bei gleichem Durchmesser und gleicher Brennweite verkleinert sind. Dies wirkt sich besonders bei Linsen mit kurzer Brennweite aus, die in normaler Form sehr dick und schwer sind. Die Verringerung des Volumens geschieht bei Fresnel-Linsen durch eine Aufteilung in ringförmige Bereiche. In jedem dieser Bereiche wird die Dicke verringert, sodass die Linse eine Reihe ringförmiger Stufen erhält. Da Licht nur beim Passieren der Linsen-Oberflächen gebrochen wird, ist der Brechungswinkel nicht von der Dicke, sondern nur vom Winkel zwischen den beiden Oberflächen abhängig. Die Linse behält ihre Brennweite bei, aber die Abbildungsqualität wird durch die Stufenstruktur verschlechtert. Fresnel-Linsen werden i. d. R. dort eingesetzt, wo das Gewicht der Linsen ausschlaggebend und die Abbildungsqualität zweitrangig ist.
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Bedeckt man eine Fresnel-Linse mit einem Flüssigkristall, so kann der Brechungsindex des Flüssigkristalls elektrisch geschaltet werden. Er kann z. B. so geschaltet werden, dass in einem Schaltungszustand ein Brechungsindex-Sprung zwischen dem Material der Fresnel-Linse und dem Flüssigkristall vorhanden ist, wodurch die Fresnel-Linse wirkt. Im anderen Schaltungszustand kann der Brechungsindex-Unterschied verschwinden, so dass die Fresnel-Linse nicht wirkt. Auf diese Weise kann die Wirkung der Fresnel-Linse ein- und ausgeschaltet werden.
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Denkbar ist auch, dass in dem Abbildungssystem nur ein veränderbares optisches Element vorhanden ist. Dabei kann das optische Element derart gestaltet sein, dass es durch elektrische Ansteuerung sowohl in seiner Lage entlang einer Achse verschiebbar ist, als auch seine geometrische Form (z. B. die Krümmung der Linsenoberflächen) veränderbar ist, und somit durch diese Kombination der veränderbaren Eigenschaften eine Änderung der Brennweite bewirkt wird.
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Brechung in einer Linse oder einem Prisma führt immer zu einer Dispersion, also Farbaufspaltung. Im Objektivbau wird die Dispersion durch Verwendung von Gläsern mit verschiedenem Brechungsindex und/oder andern Maßnahmen minimiert (farbkorrigiert). Im vorliegenden planaren Aufbau ist eine Dispersion solange nicht vorhanden, als der Strahlengang über Reflexion an den optischen Oberflächen zustande kommt. Linsen oder Prismen in Transmission führen zu einer störenden Dispersion, können jedoch durch geeignete Kombination oder mit Hilfe diffraktiver Elemente minimiert werden.
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Daher wird das Abbildungssystem vorzugsweise als katadioptrisches System ausgebildet, also als Spiegellinsen-System, bei dem alle optischen Elemente jenseits der Frontlinse (gewölbte) Spiegel sind.
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Das optische Element ist in dieser Ausgestaltung besonders geeignet, den Stahlengang für polychromatisches Licht zu beeinflussen. Als polychromatisches Licht (griechisch: polychromos, so viel wie ”vielfarbig”) bzw. Weißlicht wird Licht bezeichnet, welches aus einer Mischung unterschiedlicher Farben besteht. Polychromatisches Licht ist ein Gemisch aus vielen Wellenlängen.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines planaren Abbildungssystems gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine schematische Darstellung eines planaren Abbildungssystems mit variabler Brennweite;
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3 eine schematische Darstellung eines optischen Elements mit Mitteln zur Formveränderung durch ein elektrisch schaltbares Piezo-Element (Piezo-Aktuator);
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4 eine schematische Darstellung einer elektrisch schaltbaren Flüssig-Linse; und
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5 eine schematische Darstellung einer elektrisch schaltbaren Flüssigkristall-Elementes in Kombination mit einer Fresnel-Linse.
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1 zeigt schematisch ein Abbildungssystem 100 entsprechend dem Stand der Technik. Das gezeigte System 100 hat eine Frontseite 102 und eine Rückseite 104. An der Frontseite 102 befinden sich eine Frontlinse 106, zwei optische Elemente 108, 110, sowie ein Bildsensor 112. Gegenüber, an der Rückseite 104 des gezeigten Systems 100, sind das optische Element 114, das optische Element 116 und das optische Element 118 angeordnet. Die optischen Elemente 108, 110, 114, 116 und 118 können refraktive oder diffraktive, transmissive oder reflektive optische Eigenschaften haben.
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Der Strahlengang 120 verläuft vom Objekt (nicht dargestellt) durch die Frontlinse 106 zum ersten optischen Element 114, weiter über das zweite optische Element 108, das dritte optische Element 116, das vierte optische Element 110 und das fünfte optische Element 118 zum Bildsensor 112, auf welchem das Objekt abgebildet wird.
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In 2 ist schematisch eine beispielhafte Ausführungsform des vorgeschlagenen Abbildungssystems 100 (z. B. eines Kamera-Moduls) mit variabler Brennweite dargestellt.
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Das dargestellte System 100 hat eine Frontseite 102 und eine Rückseite 104. Der Raum 201 zwischen der Frontseite 102 und der Rückseite 104 kann sowohl mit Luft angefüllt sein, aber auch als transparentes Trägermaterial ausgeführt sein. An der Frontseite 102 befinden sich eine Frontlinse 106, ein optisches Elemente 108 sowie der Bildsensor 112. Gegenüber an der Rückseite 104 des gezeigten Abbildungssystems 100 sind zwei optische Elemente 114, 200 angeordnet. Das optische Element 114 kann refraktive oder diffraktive, transmissive oder reflektive optische Eigenschaften aufweisen.
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Der Strahlengang 120 verläuft vom Objekt (nicht dargestellt) durch die Frontlinse 106 über die optischen Elemente 114, 108 und 200 zum Bildsensor 112, auf welchem das Objekt abgebildet wird. Dieser ist durch eine bestimmte erste Brennweite definiert.
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Durch eine elektrisch schaltbare Ansteuerung der optischen Elemente 108 und 200 kann eine Änderung der Brennweite auf einen Wert, unterschiedlich zur ersten Brennweite, eingestellt werden und damit das reelle Bild des auf dem Bildsensor 112 abgebildeten Objektes variiert werden, wodurch die angestrebte Zoom-Eigenschaft des vorgeschlagenen Abbildungssystems 100 realisiert wird.
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Die Realisierung der Brennweitenänderung des Abbildungssystems 100 erfolgt dabei durch eine elektrisch schaltbare Änderung der optischen Eigenschaften (z. B. der Radien der Krümmungsoberflächen) der optischen Elemente 108 und 200 bzw. durch eine Veränderung ihrer Lage innerhalb des Strahlenganges 120. Z. B. ergibt sich für das optische Element 108 eine neue Lage 202 der Oberfläche. Ähnlich ergibt sich für das optische Element 200 eine neue Lage 204 der Oberfläche. Resultierend daraus ergibt sich ein veränderter Strahlengang 206 des Abbildungssystems 100.
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Somit kann durch diese Umschaltung zwischen zwei unterschiedlichen Brennweiten innerhalb des beschriebenen Abbildungssystems 100 beispielsweise ein Abbildungssystem 100 mit mindestens zwei diskret umschaltbaren unterschiedlichen Brennweiten realisiert werden. In Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung des elektrischen Umschaltmechanismus könne auch mehrere unterschiedliche Brennweiten erzielt werden.
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Ein Beispiel einer vorteilhaften Ausführung des optischen Elementes 200 zur Realisierung eines Zoom innerhalb des Abbildungssystems 100 wird in 3 gezeigt.
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Das optische Element 200 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Linse aus einem elastischen Material. An einen Piezo-Aktuator (nicht dargestellt) wird eine elektrische Spannung angelegt. Der Piezo-Aktuator ist so angeordnet, dass er beim Anlegen der Spannung ähnlich einem Kolben auf die elastische Linse einwirkt (Shift 400) und dadurch eine Änderung der ursprünglichen Linsenform (Linsenkrümung) 404 bewirkt. Ebenso kann die Änderung der Linsenform durch eine Änderung des Radius (Shift 401) des Linsenhalters 403 erreicht werden. Aus der veränderten Linsenform 406 resultiert eine Änderung ihrer optischen Eigenschaften, nämlich der Brennweite. Dadurch beeinflusst das optische Element 200 die Brennweite der Linse 200. Somit wird der ursprüngliche Strahlengang 120 der Lichtstrahlen verändert und ein veränderter Strahlengang 206 erzeugt. Im Resultat dessen wird der Wert der Brennweite in Abhängigkeit von der an den Piezo-Aktuator angelegten Spannung verändert und somit ein Zoom realisiert.
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Eine andere vorteilhafte Ausführung des optischen Elementes 200 wird schematisch in 4 gezeigt. In diesem Beispiel weist das optische Element 200 eine Flüssig-Linse 500 auf. Die Flüssig-Linse 500 besteht aus der eigentlichen Linsen Flüssigkeit 502 und einer diese umgebenden Flüssigkeit 504. An der Unterseite der Flüssig-Linse ist ein reflektives Material 506 angeordnet.
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Die Flüssiglinse ist in einem mit Elektroden versehenen Linsenhalter (z. B. ITO Elektroden; nicht dargestellt) angeordnet. An die Elektroden kann eine Spannung angelegt werden, wodurch zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld erzeugt wird. Beim Einschalten der Spannung werden die optischen Eigenschaften der Flüssig-Linse gezielt variiert, indem die Oberflächenspannung zwischen den beiden Flüssigkeiten sich wandelt, wodurch sich der Krümmungsradius der Grenzfläche ändert. Diese Veränderung der optischen Eigenschaften der Flüssiglinse bewirkt eine Veränderung der Brennweite der Flüssiglinse und somit einen veränderten Strahlengang 206. Daraus resultiert, dass beim Einschalten der Spannung an den Elektroden ein geänderter Wert der Brennweite des Abbildungssystems und somit ein Zoom realisiert wird.
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Das in 5 schematisch dargestellte optische Element 200 ist eine Kombination aus einem Flüssigkristall 602 und einer Fresnel-Linse 600. An der dem objektseitig einfallenden Licht 120 abgewandten Seite des optischen Elementes 200 ist ein reflektierendes Material 604 angeordnet, so dass der Strahlengang 120 in Richtung des Bildsensors rekflektiert wird. Die Fresnel-Linse 600 ist aus einem dielektrischen Material, beispielsweise aus Kunststoff, gefertigt.
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Der Strahlengang 120 der objektseitig eintretenden Lichtstrahlung wird sowohl durch die optischen Eigenschaften des Flüssigkristalls 602 als auch der Fresnel-Linse 600 bestimmt. An dem optischen Element 200 sind Elektroden (nicht dargestellt) angeordnet, die über Leiterbahnen mit einer Spannungsquelle verbunden sind.
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Die optischen Eigenschaften (Brechungsindex) des Flüssigkristalls 602 werden elektronisch durch Ein- bzw. Ausschalten der Spannungsquelle verändert, wodurch die Elektroden aktiviert bzw. deaktiviert werden. Dadurch kann elektronisch der Strahlengang der austretenden Lichtstrahlung 206, d. h. der Ablenkwinkel geändert werden. Die Änderung der optischen Eigenschaften des Flüssigkristalls 602 durch das Aktivieren bzw. Deaktivieren der Elektroden erfolgt sinngemäß wie oben bereits beschrieben.
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Bei ausgeschalteter Spannungsquelle hat der Flüssigkristall 602 des optischen Elementes 200 eine isotrope Verteilung der Vorzugsrichtungen.
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Durch das Einschalten der Spannung an den Elektroden kommt es zu einer veränderte Ausrichtung des Flüssigkristalls 602 entlang der Ausbreitungsrichtung 120 des Lichts und für beide Polarisationsrichtungen zu einer Änderung des Brechungsindex. Dies bewirkt zusammen mit der speziell geformten Kunststoff Oberfläche der Fresnel-Linse 600 eine Ablenkung des Strahls 206, dar das optische Element 200 passiert.
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Der Grad der Ausrichtung des Flüssigkristalls 602 hängt von der Höhe der angelegten Spannung ab. Der Grad der Ausrichtung bestimmt aber auch die Stärke der Änderung des Brechnungsindex. Dies beeinflusst die Brennweite. Daher ist die Brennweite über die angelegte Spannung steuerbar. Dies eröffnet die Möglichkeit, weitere Brennweiten zu realisieren.
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zitierte Literatur
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Abbildungssystem
- 102
- Frontseite
- 104
- Rückseite
- 106
- Frontlinse
- 108
- optisches Element
- 110
- optisches Element
- 112
- Bildsensor
- 114
- optisches Element
- 116
- optisches Element
- 118
- optisches Element
- 120
- ursprünglicher Strahlengang
- 200
- optisches Element
- 201
- luftgefüllter Raum bzw. Trägermaterial zwischen Vorder- und Rückseite des optischen Elements
- 202
- neue Lage der Oberfläche des optischen Elements 108
- 204
- neue Lage der Oberfläche des optischen Elements 200
- 206
- veränderter Strahlengang
- 400
- Shift
- 404
- Krümmungsradius
- 406
- veränderter Krümmungsradius
- 401
- Shift
- 403
- Linsenetinfassung mit variablem Radius (Shift)
- 500
- Flüssig-Linse
- 502
- Linsen-Flüssigkeit
- 504
- umgebende Flüssigkeit
- 506
- reflektives Material
- 600
- Fresnel-Linse
- 602
- Flüssigkristall
- 604
- reflektierendes Material
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- J. Jahns: ”Integrated optical imaging system”, Appl. Opt. 29 (1990) 1998 [0002]
