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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen einer optischen Qualität eines Fotomoduls für ein elektronisches Kommunikationsgerät, wobei das Fotomodul ein Objektiv und einen bildseitig des Objektivs auf dessen optischer Achse angeordneten Bildsensor umfasst.
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Stand der Technik
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Moderne Kommunikationsgeräte, wie beispielsweise Mobiltelefone, sind heute durchweg mit einer „Kamera” ausgestattet. Diese besteht aus einem Objektiv, einem elektronischen Bildsensor und einer Ansteuer- und Auswerteelektronik. Den extrem beengten Bauraumverhältnissen in elektronischen Kommunikationsgeräten ist eine extrem kompakte Bauform aller Elemente geschuldet. Insbesondere hat es sich durchgesetzt, das Objektiv und den Bildsensor als sogenanntes Fotomodul, d. h. als eine Baueinheit zu gestalten. Diese wird zu einem gegebenen Zeitpunkt des Fertigungsprozesses des Kommunikationsgerätes als Ganzes eingesetzt. Hiermit sind Qualitätssicherungsprobleme verbunden. Zwar ist es ohne weiteres möglich, vor dem Zusammensetzen des Fotomoduls das Objektiv und den Sensor einzeln zu prüfen. Die Prüfung der Objektivqualität erfolgt typischerweise durch eine Wellenfrontanalyse, bei der eine durch das Objektiv laufende Lichtwellenfront von einem dahinter angeordneten Wellenfrontsensor, typischerweise einem Shack-Hartmann-Sensor analysiert wird. Wesentlichen Einfluss auf die Qualität der Kamera hat die relative Ausrichtung von Objektiv und Sensor. Bei reinen, d. h. nicht in ein Kommunikationsgerät integrierten Kameras, beispielsweise Wechselobjektiv-Spiegelreflexkameras, ist die mechanische Schnittstelle zwischen dem Objektiv und dem den Bildsensor enthaltenden Kameragehäuse in präzisions- und nicht in erster Linie kostenoptimierter Weise gefertigt und daher ohne weiteres reproduzierbar. Eine isolierte Qualitätsmessung des Objektivs ist in diesen Fällen daher hinreichend. Bei Fotomodulen für kleinformatige Kommunikationsgeräte ist die Anbindung des Objektivs an den Bildsensor jedoch eine höchst filigrane und im Serienfertigungsprozess nur bedingt zugängliche Angelegenheit. Dies ist insbesondere bei fokussierbaren Fotomodulen der Fall, wo das Objektiv in einer Tauchspulenanordung vor den Bildsensor positioniert und durch Bestromung der Tauchspule in seiner Entfernung von dem Bildsensor einstellbar ist. Ein solches Fotomodul ist der üblichen Wellenfrontanalyse nicht zugänglich, da an der Stelle, an welcher der Wellenfrontsensor zu positionieren wäre, im fertigen Fotomodul bereits der Bildsensor angeordnet ist.
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Aus der vorgenannten
US 7 697 124 B2 ist ein Verfahren zur Messung der Streulichtanfälligkeit von Fotomodulen bekannt. Hierzu wird Licht einer virtuell unendlich weit entfernten Punktlichtquelle mit dem Fotomodul aufgenommen und im Hinblick auf Streulichteffekte untersucht, wobei der tatsächliche Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Fotomodul mittels eines Shack-Hartmann-Wellenfrontsensors gemessen wird, der durch Verschiebung senkrecht zur optischen Achse zwischen verschieden Messungen an die Stelle des Fotomoduls geschoben wird. Auf diese Weise werden Messreihen unterschiedlicher Abstände durchgeführt. Der Wellenfrontsensor dient dabei allein als Entfernungsmessgerät. Absehen vom filigranen mechanischen Aufbau der eine exakte Reproduzierbarkeit der axialen, identischen Position von Fotomodul und Wellenfrontsensor sicherstellen muss, stellt des Testergebnis, d. h. die Streulichtanfälligkeit des Fotomoduls, lediglich einen kleinen, eher untergeordneten Aspekt der Fotomodulqualität dar.
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Aus der
JP 2006-078 849 A1 ist ein Verfahren zur korrekten Justierung der optischen Achse eines Linsensystems mit einem Lichtstrahl für unterschiedliche Sichtwinkel bekannt. Hierzu wird die Position einer Reihe von Lichtpunkten auf einem Bildsensor ausgelesen. Anhand dieser Information ist es dann möglich das Linsensystem entsprechend zu justieren. Der Bildsensor kann parallel mehrere Lichtpunkte detektieren, da das Licht einer virtuell unendlich weit entfernten Lichtquelle gleichzeitig unter verschiedenen Winkeln in das Linsensystem eintritt. Zusätzlich werden mehrere Objekte simultan auf dem Bildsensor abgebildet. Dies gelingt durch Einsatz einer mit Beugungselementen und Kreutz-Schlitzen versehenden Lochplatte, die in den parallelen Lichtstrahl eingebracht wird. Das Verfahren evaluiert die Abbildungsqualität der Objekte durch Ermittlung der Modulationsübertragungsfunktion (MTF). Der Wellenfrontverlauf des Lichtes wird in diesem Verfahren jedoch nicht bestimmt.
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Aus der
EP 1 708 136 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der optischen Übertragungsfunktion (OTF) eines Linsensystems beschrieben, die insbesondere zu einer nachträglichen Korrektur des Bildes eines Objektes verwendet werden kann. Die Information über den Wellenfrontverlauf des Lichtes spielt für dieses Verfahren allerdings keine Rolle.
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Aus der
KR 100,808,019 B1 ist ein Verfahren bekannt, in dem die Punktspreizfunktion (PSF) als Parameter für die Qualitätsbeurteilung eines Linsensystems ermittelt wird. Die Information über den Wellenfrontverlauf des Lichtes ist für dieses Verfahren jedoch ebenfalls unerheblich.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Qualitätsprüfungsverfahren für Fotomodule für Kommunikationsgeräte zur Verfügung zu stellen, mit welchem sich insbesondere ähnlich umfassende Qualitätsaussagen machen lassen, wie dies mit bekannten Wellenfrontmessverfahren für Objektive möglich ist.
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Darlegung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Bildsensor als Wellenfrontsensor verwendet wird, mittels dessen ein Wellenfrontverlauf des von der Lichtquelle durch das Objektiv fallenden Lichtes bestimmt wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Wesentliches Element der Erfindung ist die Verwendung des Bildsensors als Wellenfrontsensor. Dies erscheint zunächst erstaunlich, da typische Wellenfrontsensoren, wie beispielsweise der Shack-Hartmann-Wellenfrontsensor als Bildsensor nicht geeignet sind. Allerdings sind dem Fachmann aus der Astronomie durchaus Verfahren bekannt, bei denen herkömmliche Bilddetektoren, beispielsweise ein CCD-, ein CID- oder ein CMOS-Sensor bei geeigneter Ansteuerung als Wellenfrontsensoren genutzt werden können. Beispielhaft sei hier das Prinzip des sogenannten „Curvature Wavefront Sensing” (CWS) genannt, welches auch bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens angewendet wird. Das CWS-Verfahren ist beispielsweise bei Manuel, A. M. et al.: „Curvature Wavefront Sensing: Performance Evaluation for active Correction of the large Synoptic Survey Telescope (LSST)” Optics Express, Band 18, Nr. 2, Seite 1528 ff. (2010) ausführlich beschrieben.
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Beim CWS-Verfahren werden, wie bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, wenigstens ein erstes Bild, aufgenommen bei einer ersten Fokaleinstellung, in der die Fokalebene des Objektivs axial vor der Ebene des Bildsensors liegt, und ein zweites Bild, aufgenommen bei einer zweiten Fokaleinstellung, in der die Fokalebene des Objektivs axial hinter der Ebene des Bildsensors liegt, bezüglich ihrer Intensitätsverteilung zur Ermittlung einer Krümmung der Wellenfront verglichen. Mit anderen Worten werden „Bilder” außerhalb der Bildebene des Objektivs aufgenommen, nämlich einerseits vor der eigentlichen Bildebene, und andererseits dahinter. Die Intensitätsunterschiede, die sich bei der „Abbildung” einer (virtuell) unendlich weit entfernten punktförmigen Lichtquelle ergeben, lassen Rückschlüsse zu auf die Abbildungsqualität des Systems und bei geeigneter mathematischer Analyse, beispielsweise einer Beschreibung der Wellenfront durch Zernicke-Polynome, sogar auf konkrete Fehler des Abbildungssystems.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die erforderliche Relativverlagerung von Sensorebene und tatsächlicher Bildebene auf unterschiedliche Weisen realisiert werden. Bei einer ersten Variante ist vorgesehen, dass zur axialen Verlagerung der Fokalebene das Objektiv in axialer Richtung relativ zu dem Bildsensor verschoben wird. Hierzu kann die normale Fokussiervorrichtung des Fotomoduls verwendet werden. Typischerweise beschränkt sich die Fokussiermöglichkeit eines Fotomoduls für ein kompaktes Kommunikationsgerät nämlich auf die axiale Bewegung des gesamten Objektivs, beispielsweise mittels einer Tauchspulenanordung. Eine (tatsächlich oder virtuell) unendlich weit entfernte Punktlichtquelle kann auf diese Weise vor oder hinter der Sensorebene abgebildet werden, was analog einer Verlagerung der Sensorebene hinter bzw. vor die Fokalebene entspricht. Allerdings kann eine mögliche Verkippung der Optik, bedingt durch ungenügende Führungsgenauigkeit des Fokusmechanismus, das Ergebnis der Wellenfrontberechnung verfälschen.
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Zur Realisierung der Lichtquelle ist bevorzugt vorgesehen, dass die Lichtquelle ein Leuchtelement und einen Kollimator aufweist, zwischen denen in der eingangsseitigen Brennebene des Kollimators eine Blendenanordnung positioniert ist. Hierdurch wird eine virtuell unendlich weit entfernte Punktlichtquelle geschaffen, d. h. es wird eine tatsächlich unendlich weit entfernte Punktlichtquelle simuliert.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zur axialen Verlagerung der Fokalebene die Blendenanordnung in axialer Richtung relativ zu dem Kollimator verschoben wird. Auch diese Variante zeitigt das Ergebnis einer Relativverschiebung von Fokalebene und Sensorebene, die zur Durchführung des CWS-Verfahrens erforderlich ist. Allerdings wird durch diese Vorgehensweise die virtuelle Objektentfernung geändert, auch das kann zu einem verfälschten Ergebnis der Wellenfront führen.
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Es ist möglich, beide Ausführungsformen zur Verschiebung der Fokalebene hintereinander in einem Messvorgang durchzuführen. Durch das Gewinnen von solcherart redundanter Information und der Kenntnis des genauen optischen Designs ist eine Minimierung des Fehlers bei der Wellenfrontberechnung realisierbar, zumal beide Verschiebungen sehr klein sind.
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Um eine möglichst umfassende Aussage zur Qualität des Fotomoduls machen zu können, ist bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass eine Mehrzahl von Messungen mit unterschiedlichen Winkeleinstellungen der optischen Achse der Lichtquelle zu der optischen Achse des Fotomoduls durchgeführt werden. Mit anderen Worten wird das Verfahren für unterschiedliche Einfallswinkel des Lichtes durchgeführt, sodass bei geeigneter mathematischer Analyse, beispielsweise mittels der oben genannten Zernicke-Polynorne, und hinreichender Kenntnis des optischen und mechanischen Aufbaus des Fotomoduls Rückschlüsse auf konkrete Fehljustagen gezogen werden können, beispielsweise auf eine Verkippung der Objektivachse zur Sensornormalen oder auf eine Fehljustage von Objektivlinsen zueinander.
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Je nach genauer Ausgestaltung des Fotomoduls kann diese Qualitätsanalyse zu einem Verwerfen der Einheit oder – bei sehr hochwertigen Optiken – gegebenenfalls zu einer Justagekorrektur genutzt werden. Letzteres erscheint insbesondere dann sinnvoll, wenn das Objektiv und/oder das Fotomodul so konstruiert sind, dass sie zentrale Justiermittel aufweisen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und der Zeichnung.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Es zeigt:
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1: eine schematische Darstellung eines Aufbaus zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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1 zeigt in stark schematisierter Darstellung den Aufbau eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Gegenstand der erfindungsgemäßen Qualitätsuntersuchung ist das Fotomodul 10, umfassend ein als einfache Linse dargestelltes Objektiv 101 sowie einen Bildsensor 102, beispielsweise einen CCD-Sensor. Die Sensoroberfläche des Bildsensors 102 ist durch die gestrichelte Linie 103 dargestellt. Sie entspricht derjenigen Ebene, auf die ein Bild eines Objektes zur scharfen Aufnahme fokussiert zu sein hat.
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Das Objektiv 101 ist ohne jegliche Fokussiervorrichtungen dargestellt. Allerdings wird weiter unten auf die Möglichkeit einer Verstellung eingegangen, wobei von einer axialen Komplettverschiebung des Objektivs relativ zum Sensor ausgegangen wird, wie es beispielsweise durch eine übliche Tauchspulenanordung erreichbar ist.
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Als virtuell unendlich entfernte Lichtquelle 12 dient eine Anordnung aus einem Leuchtelement 121, beispielsweise einer Leuchtdiode, einem Kollimator 122 und einer kleinformatigen Aperturblende 123, einen so genannten „Pinhole”, welche in der eingangsseitigen Brennebene des Kollimators 122 angeordnet ist.
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Bei der dargestellten Ausführungsform ist zwischen der Blende 123 und dem Leuchtelement 121 eine Farbfilteranordnung 14 vorgesehen. Diese kann bei Verwendung eines polychromatischen Leuchtelementes zur Farbauswahl und somit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei unterschiedlichen, ausgewählten Wellenlängen genutzt werden. Einen vergleichbaren Effekt erzielt man durch Verwendung mehrerer, jeweils monochromatischer Leuchtelemente oder durch Verwendung eines einstellbaren Leuchtelementes. Um zu verhindern, dass Einzelheiten eines Farbfilters 141 abgebildet werden, ist dieser innerhalb eines parallelen Strahlengangabschnittes angeordnet, dessen Ein- und Ausgangslinsen 142, 143 hier mit zur Farbfilteranordnung 14 gezählt werden.
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Das kollimierte Licht der virtuell unendlich entfernten Lichtquelle 12 wird von dem Objektiv 101 in dessen Fokalebene abgebildet. In 1 sind punktiert zwei unterschiedliche Lagen 104 der Fokalebene eingezeichnet, die abhängig von der aktuellen Axialstellung des Objektivs 101 sind, welche, wie durch den Einstellungspfeil 16 angedeutet, beispielsweise mittels einer Tauchspuleneinrichtung einstellbar ist. Bei jeder der nicht maßstabsgetreu dargestellten Fokaleinstellungen wird mittels des Bildsensors 102 ein „Bild” der Lichtquelle 12 aufgenommen und an eine angeschlossene Auswerteeinheit 18 geleitet. In dieser Auswerteeinheit 18 werden die zur CWS-Auswertung erforderlichen, dem Fachmann grundsätzlich bekannten Algorithmen durchgeführt. Die Auswerteeinheit kann ein gesonderter Rechner sein oder – hinreichende Kapazität vorausgesetzt – auch der Mikroprozessor der elektronischen Kommunikationseinheit selbst.
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Der Verstellpfeil 20 deutet die Alternativmethode an, wobei die Verschiebung der Fokalebene relativ zur Sensorfläche 103 durch Axialverschiebung der Blendenanordnung 123 erfolgt.
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In 1 sind zwei Lichtquellen dargestellt, deren Licht in unterschiedlichen Einfallswinkeln auf das Fotomodul 10 fällt. Hierdurch soll angedeutet werden, dass die Lichtquelle 12 bevorzugt schwenkbar angeordnet ist, sodass das erfindungsgemäße Verfahren unter unterschiedlichen Einfallswinkeln durchgeführt werden kann, um ein möglichst umfassendes Bild der Fotomodulqualität zu liefern. Selbstverständlich wäre auch die Anordnung mehrerer starrer Lichtquellen unter unterschiedlichen Einfallswinkeln denkbar.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fotomodul
- 101
- Objektiv
- 102
- Bildsensor
- 103
- Sensorebene
- 104
- tatsächliche Lagen der Fokalebene
- 12
- Lichtquelle
- 121
- Leuchtelement
- 122
- Kollimator
- 123
- Pinhole
- 14
- Farbfiltereinrichtung
- 141
- Farbfilter
- 142
- Eingangslinse von 14
- 143
- Ausgangslinse von 14
- 16
- Einstellpfeil
- 18
- Auswerteeinheit
- 20
- Einstellpfeil
