DE102019131001B3

DE102019131001B3 - Objektiv, Verwendung eines Objektivs und Messsystem

Info

Publication number: DE102019131001B3
Application number: DE102019131001.6A
Authority: DE
Inventors: Tobias Hönle; Hagen Schweitzer
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2020-10-08
Anticipated expiration: 2039-11-16
Also published as: WO2021094318A1

Abstract

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

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Objektiv mit einer festen Brennweite. Ein solches Objektiv ist insbesondere zur Verwendung in einem Messsystem zu einer Laufzeitdetektion eines Lichtstrahls (LIDAR) geeignet. LIDAR ist die Abkürzung für englisch light detection and ranging. LIDAR Objektive arbeiten meist in einem sehr kleinen Wellenlängenbereich im nahen Infrarot, typischerweise 800-2000nm Wellenlänge. Zur Beleuchtung werden oft Laser verwendet. Die Objektive müssen in diesem Fall die geringe Bandbreite der Laserquelle sowie eine eventuell auftretende Drift der Wellenlänge mit der Temperatur ausgleichen können.
Stand der Technik
Aus WO 2017/180277 A1 ist ein Sensor mit einem SPAD Array bekannt. Das SPAD Array kann Avelance Photodioden (APD) umfassen sowie Bipolar- oder Feldeffekttransistoren, um zeilenweise eine Vorspannung (Bias) zu aktivieren.
Aus CN 205829628 U ist ein LIDAR- System mit einem VCSEL Array und einem SPAD Array bekannt.
Aus WO2017/164989 A1 ist ein integriertes Beleuchtungs-und Detektionssystem für eine LIDAR basierte dreidimensionale Bildaufnahme bekannt. Es wird ein Objektiv mit vier Linsen vorgeschlagen. Zur Beleuchtung wird eine gepulste Laser- Lichtquelle vorgeschlagen. In einer Ausführungsform wird ein Array von mehreren LIDAR Messgeräten, bestehend aus Laseremittern und Detektoren, verwendet. Ein solches Vorgehen ist jedoch sehr aufwendig.
Aus WO2016/204844 A1 ist ein LIDAR System mit elektrisch verstellbaren Lichtdirektionselementen bekannt.
Aus US 2016/0161600 A1 ist ein LIDAR-System mit einem SPAD-Array als Detektor bekannt. Zur Beleuchtung werden Laserstrahlen verwendet, die mittels integrierter photonischer Schaltkreise unter Verwendung optischer Phasenarrays gesteuert werden.
Aus WO2015/189024 A1 ist ein Fahrzeug- LIDAR System bekannt mit einem Festkörperlaser und einem auslenkbaren Spiegel.
Aus WO2015/189025 A1 ist ein Fahrzeug- LIDAR System bekannt mit einem Impulslaser und einem auslenkbaren Spiegel und einem CMOS- Bildsensor.
Aus WO 2015/126471 A2 ist eine LIDAR Vorrichtung bekannt mit einem Array von Emitter/Detektor-Einheiten.
Aus US 2007/0181810 A1 ist ein Fahrzeug- LIDAR System bekannt mit einem VCSEL Array zur Beleuchtung.
Aus US 2014/0049842 A1 ist ein Abbildungsobjektiv mit vier Linsen bekannt, welches für Kameras in Fahrzeugen oder zur Überwachung verwendet werden kann. Nachteilig ist, dass die Abbildungseigenschaften temperaturabhängig sein können, wenn man zwei der Linsen aus kostengünstigem Kunststoff ausführt.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines kostengünstigen lichtstarken, über einen weiten Temperaturbereich betreibbaren Objektivs mit möglichst guter bildseitiger Telezentrie und geringer F-Theta Verzeichnung.
Insbesondere soll das Objektiv für LIDAR- Systeme mit Detektorarrays, beispielsweise SPAD-Arrays, geeignet sein. Insbesondere soll das Objektiv für LIDAR-Systeme ohne bewegliche Teile geeignet sein. Außerdem kann das Objektiv als Abbildungsobjektiv oder als Projektionsobjektiv geeignet sein.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Objektiv nach Anspruch 1, eine Verwendung nach Anspruch 10 und ein Messsystem nach Anspruch 11.
Vorteile der Erfindung
Das Objektiv ist kostengünstig herzustellen und besonders geeignet für LIDAR- Anwendungen. Es zeichnet sich durch eine passive Athermalisierung, hohe Lichtstärke, gute bildseitige Telezentrie und geringe F-Theta Verzeichnung aus. Es kann als Abbildungsobjektiv oder als Projektionsobjektiv auch für andere Anwendungen geeignet sein.
Beschreibung
Ein erfindungsgemäßes Objektiv weist eine feste Brennweite F auf. Es umfasst wenigstens eine erste Linse (5) mit einer ersten Brennweite f₁ aus einem ersten Kunststoff, eine zweite Linse mit einer zweiten Brennweite f₂ aus einem zweiten Kunststoff, eine dritte Linse mit einer dritten Brennweite f₃ aus einem ersten Glas und eine vierte Linse mit einer vierten Brennweite f₄ aus einem zweiten Glas. Die Indices der Brennweiten sind entsprechend der Nummer der jeweiligen Linse gewählt. Der Kehrwert einer jeden Brennweite ist bekanntermaßen deren Brechkraft. Somit kann jeder der Linsen eine Brechkraft zugeordnet werden.
Erfindungsgemäß sind die Brechkraft D₃₌1/f₃ der dritten Linse positiv und die Brechkraft D₄=1/f₄ der vierten Linse ebenfalls positiv.
Erfindungsgemäß sind die Brennweiten so gewählt, dass die Beträge der Brennweiten |f₁| der ersten Linse und |f₂| der zweiten Linse mehr als das 7 fache der Brennweite F des Objektivs betragen und/oder der Betrag der Summe der Brechkräfte |D₁₊D₂| aus der Brechkraft D₁=1/f₁ der ersten Linse und der Brechkraft D₂=1/f₂ der zweiten Linse weniger als das 0,125 fache der Brechkraft D=1/Fdes Objektivs beträgt. Erstere Bedingung kann man folgendermaßen ausdrücken: |f₁|>7F und |f₂|>7F. Zweitere Bedingung kann man folgendermaßen ausdrücken: |1/f₁+1/f₂|<0,125/F. Erfindungsgemäß ist wenigstens eine dieser Bedingungen erfüllt. Vorteilhaft können die Brennweiten so gewählt werden, dass beide Bedingungen erfüllt sind. Dann kann eine besonders gute passive Athermalisierung des Objektivs erreicht werden.
Als Brennweite einer Linse kann die Brennweite bezüglich paraxialer (im Sinne von achsennaher) Strahlen in einem äußeren Medium der Brechzahl 1 verstanden werden.
Erfindungsgemäß weisen die erste Linse und die zweite Linse zusammen wenigstens zwei asphärische Flächen auf. Vorteilhaft können die erste Linse und/oder die zweite Linse als biasphärische Linsen ausgebildet sein, besonders vorteilhaft beide genannte Linsen.
Unter einer asphärischen Linse kann man eine Linse mit wenigstens einer asphärischen optischen Fläche bezeichnen. Die erste Linse kann auch als biasphärische Linse ausgebildet sein. Unter einer biasphärischen Linse kann man eine Linse verstehen, die zwei gegenüberliegende asphärische optische Flächen ausweist. Die erste Linse kann wenigstens eine Freiformfläche aufweisen.
Vorteilhaft können die dritte Linse und die vierte Linse als sphärische Linsen ausgebildet sein. Unter einer sphärischen Linse kann man eine Linse verstehen, die zwei gegenüberliegende sphärische optische Flächen ausweisen. Eine sphärische Linse kann man auch als bisphärische Linse bezeichnen. Eine der sphärischen Flächen kann eine Planfläche sein. Eine Planfläche kann man als sphärische Fläche mit einem unendlichen Krümmungsradius auffassen.
Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, wenn die dritte Linse und die vierte Linse als sphärische Linsen, die erste und die zweite Linse als asphärische Linsen, d.h. mit wenigstens jeweils einer asphärischen Fläche ausgebildet sind. Besonders vorteilhaft kann die erste Linse als biasphärische Linse ausgebildet sein. Ganz besonders vorteilhaft können sowohl die erste Linse als auch die zweite Linse als biasphärische Linsen ausgebildet sein.
Vorteilhaft können im Strahlengang nacheinander in einer z Richtung die erste Linse, die zweite Linse, die dritte Linse und die vierte Linse angeordnet sein. In der z Richtung nach der vierten Linse kann die Bildebene des Objektivs angeordnet sein. Vor der ersten Linse kann eine Objektebene angeordnet sein. Dann kann das Objektiv ein Abbildungsobjektiv sein. Ein Bildsensor zur Aufnahme eines Bildes oder ein Matrixsensor zur Laufzeitdetektion von Lichtstrahlen kann im Strahlengang nach der vierten Linse, vorteilhaft in der Bildebene des Objektivs, angeordnet sein. Die Lichtstrahlen können sich vom Objekt zur Bildebene mit einer Komponente in z Richtung ausbreiten.
Ebenfalls vorteilhaft können im Strahlengang in einer -z Richtung nacheinander eine Lichtquelle, die vierte Linse, die dritte Linse, die zweite Linse und in die erste Linse angeordnet sein. Dann kann das Objektiv zum Beleuchten von Objekten oder Szenen verwendet werden, die sich in der -z Richtung von der ersten Linse angeordnet sind. Die Lichtstrahlen können sich von der Lichtquelle mit einer Komponente in -z Richtung zu dem zu beleuchtenden Objekt bzw. der Szene ausbreiten. Unter einer Szene kann man eine Anzahl von Objekten verstehen, die in einem bestimmten Raumwinkelbereich detektiert und/oder beleuchtet werden sollen.
Vorteilhaft kann zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse eine Blende angeordnet sein. Die Blende kann eine Öffnung in einem Blendenbauteil sein. Das Blendenbauteil kann ringförmig ausgebildet sein. Das Blendenbauteil kann gleichzeitig als Abstandshalter zwischen der zweiten und der dritten Linse ausgebildet sein. Durch diese Wahl der Blendenebene zwischen der ersten und der zweiten Linse können der Telezentriefehler und/ oder die Verzeichnung verringert werden und/oder die Vignettierung minimiert oder vermieden werden.
Vorteilhaft kann von der ersten Linse und der zweiten Linse eine Linse eine positive Brechkraft und die andere Linse eine negative Brechkraft aufweisen. Besonders vorteilhaft kann die erste Linse eine negative Brechkraft und die zweite Linse eine positive Brechkraft aufweisen.
Vorteilhaft kann die erste Linse eine konkave und eine konvexe optische Fläche aufweisen und in die z Richtung können nacheinander die konkave Fläche und die konvexe Fläche angeordnet sein. Im Falle eines Abbildungsobjektivs kann also die konkave Fläche die objektseitige Fläche der ersten Linse sein bzw. die lichteintrittsseitige Fläche des Objektivs. Im Falle eines Projektionsobjektivs kann also die konkave Fläche die der Lichtquelle abgewandte Fläche der ersten Linse sein bzw. die lichtaustrittsseitige Fläche des Objektivs. Die konkave, bezüglich des Objektivs außenliegende, Fläche der ersten Linse kann den Vorteil haben, dass die Fläche nicht so leicht verschmutzt oder zerkratzt werden kann im Vergleich zu einer außenliegenden konvexen Fläche. Außerdem lässt sie sich leichter putzen.
Vorteilhaft kann die zweite Linse eine konkave und eine konvexe optische Fläche aufweisen und in z Richtung nacheinander die konvexe Fläche und die konkave Fläche angeordnet sein.
Im Zusammenwirken mit der vorgenannten Ausbildung der ersten Linse kann das für die optische Qualität des Objektivs von Vorteil sein.
Vorteilhaft kann die vierte Linse eine konkave und eine konvexe optische Fläche aufweisen. Vorteilhaft können in der z Richtung nacheinander die konvexe Fläche und die konkave Fläche angeordnet sein. Die konkave Fläche kann also der Bildebene im Falle eines Abbildungsobjektivs oder der Lichtquelle im Falle eines Projektionsobjektivs zugewandt sein.
Das Objektiv kann vorteilhaft eine Brennweite F zwischen 7mm und 20mm aufweisen.
Das erste Glas und das zweite Glas können verschiedene Gläser sein. Das erste und das zweite Glas können sich in der thermischen Ausdehnung und/oder im Brechungsindex und/oder in der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex unterscheiden. Alternativ ist es aber auch vorteilhaft möglich, die gleiche Glassorte als erstes und als zweites Glas zu verwenden. Dafür können optische Gläser wie BK7 oder Borsilikatglas verwendet werden. Besonders geeignet können hochbrechende Gläser, beispielsweise dichte Flintgläser (SF-Gläser), Lathanum-haltige Flint- oder Krongläser (beispielsweise LaF, LaSF oder LaK Gläser) oder Barium-haltige Flint- oder Krongläser sein (beispielsweise BaF oder BaSF oder BaK Gläser). Vorteilhaft können für beide Gläser einen Brechungsindex von mehr als 1,8 aufweisen. Das erste und zweite Glas können hochbrechende Lathanium- Flintgläser sein. Vorteilhaft kann die gleiche Glassorte als erstes und zweites Glas verwendet werden.
Der erste Kunststoff und der zweite Kunststoff können verschiedene Kunststoffe sein. Der erste und der zweite Kunststoff können sich in der thermischen Ausdehnung und/oder im Brechungsindex und/oder in der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex unterscheiden. Alternativ ist es aber auch möglich und u.U. sogar besonders vorteilhaft, die gleiche Kunststoffsorte als ersten und als zweiten Kunststoff zu verwenden. Unter einem Kunststoff kann man ein Polymer verstehen. Besonders vorteilhaft kann ein transparentes, d.h. ein durchsichtiges Polymer sein. Besonders geeignet können Polycarbonat, COP, Zeonex, COC (Topas) oder OKP sein. Ebenfalls geeignet kann PMMA sein.
Das Objektiv kann eine optische Achse aufweisen. Die optische Achse kann als z-Achse bezeichnet werden.
Das erfindungsgemäße Objektiv umfasst vier Linsen. Vorteilhaft kann es genau vier Linsen umfassen. Außerdem kann es weitere Elemente, beispielweise Ringblende, Filter, Polarisator etc. umfassen. Gegenüber Objektiven mit mehr als vier Linsen ist das erfindungsgemäße Objektiv billiger herzustellen. Vorteilhaft können die weiteren Elemente ohne Brechkraft, d.h. ohne Krümmung der optischen Grenzflächen ausgeführt sein.
Vorteilhaft kann das Objektiv bildseitig annähernd telezentrisch ausgebildet sein. Darunter kann man verstehen, dass der bildseitige Telezentriefehler weniger als 5° beträgt, besonders vorteilhaft weniger als 3°, ganz besonders vorteilhaft weniger als 1°. Im Idealfall kann man einen Telezentriefehler von weniger als 0,7° erreichen. Diese Ausbildung des Objektivs kann besonders vorteilhaft sein, wenn zwischen der vierten Linse und der Bildebene ein Filter, beispielsweise ein Bandpassfilter, angeordnet ist. Eine derartige vorteilhafte Anordnung kann außerdem einen Bildsensor zur Bildaufnahme oder ein Matrixsensor zur Laufzeitdetektion eines Lichtstrahls umfassen, der in der der Bildebene angeordnet sein kann. Bei einer solchen Anordnung von dem Objektiv und dem Filter kann eine Inhomogenität der Ausleuchtung der Bildebene infolge unterschiedlicher Einfallswinkel auf das Filter vermieden werden. Die Anforderungen an den Winkelakzeptanzbereich des Filters können im Vergleich zu einem nicht telezentrischen Objektiv reduziert sein. Dadurch kann das Filter kostengünstiger sein. Unter einem bildseitigen Telezentriefehler kann man die Winkelabweichung zwischen der optischen Achse und den Hauptstrahlen zwischen der letzten Linse und dem Bildsensor verstehen. Als Hauptstrahlen können dabei die Strahlen bezeichnet werden, die in der Blendenebene einen Schnittpunkt mit der optischen Achse haben. Falls keine Blende vorhanden ist, können als Hauptstrahlen die Strahlen mit dem mittleren Winkel bezüglich der jeweils an einem bestimmten Punkt auf die Bildebene treffenden Strahlenbündel angenommen werden.
Das Objektiv kann vorteilhaft eine fotografische Lichtstärke von wenigstens 1:1 aufweisen. Die fotografische Lichtstärke kann als maximales Öffnungsverhältnis des Objektivs bezeichnet werden. Der Kehrwert der fotografischen Lichtstärke kann als Blendenzahl bezeichnet werden. Man kann die Bedingung auch derart ausdrücken, dass die Blendenzahl kleiner als 1 sein soll.
Das Objektiv kann vorteilhaft ein Bandpassfilter zur Trennung des Signallichtes der Lichtquelle vom Umgebungslicht, insbesondere vom Tageslicht, umfassen. Ein Bandpassfilter kann aber auch außerhalb des Objektivs im Strahlengang angeordnet sein. Vorteilhaft kann das Bandpassfilter unmittelbar vor dem Bildsensor bzw. Matrixsensor angeordnet sein.
Das Objektiv kann als Projektionsobjektiv betreibbar sein. Es kann aber auch als Abbildungsobjektiv betreibbar sein.
Vorteilhaft kann eine Verwendung des Objektivs für ein Messsystem zu wenigstens einer Laufzeitdetektion wenigstens eines Lichtstrahls sein. Das Messsystem kann vorteilhaft wenigstens ein Objektiv, wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens einen Matrixsensor umfassen. Die Lichtquelle kann eine Laserstrahlquelle oder eine LED sein. Die Lichtquelle kann gepulst betrieben werden. Die Pulslänge kann zwischen 1ns und 1ms betragen.
Das Messsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Matrixsensor ein SPAD Array ist und/oder dass die Lichtquelle ein VCSEL Array oder ein LED Array ist.
Das Objektiv kann einen oder mehrere jeweils zwischen zwei Linsen angeordnete Abstandshalter umfassen. Die Abstandshalter können vorteilhaft aus Polycarbonat oder aus einem glasfaserverstärken Kunststoff hergestellt sein. Er kann alternativ aus einem Metall wie z.B. Aluminium oder Strahl hergestellt sein.
Das Objektiv kann eine Brennweite, eine Bildpunktgröße, eine Modulations-Transfer-Funktion und eine Verzeichnung in der Bildebene aufweisen. Die Brennweite des Objektivs und/oder wenigstens eine der optischen Eigenschaften Bildpunktgröße, Modulations-Transfer- Funktion, Bildgröße, Verzeichnung in der Bildebene können bei einer ersten Wellenlänge über einen Temperaturbereich ohne den Einsatz von aktiven Komponenten unabhängig von der Temperatur sein. Das kann als passive Athermalisierung bezeichnet werden.
Die passive Athermalisierung kann durch die o.g. Auswahl der Linsenmaterialien in Verbindung mit den o.g. Einschränkungen der Brennweitenverhältnisse erreicht werden.
Das Objektiv kann für eine einzelne Wellenlänge (Designwellenlänge), beispielsweise die einer bestimmten Laserstrahlung ausgelegt sein, beispielsweise 780nm, 808nm, 880nm, 905nm, 915nm, 940nm, 980nm, 1064 oder 1550nm. Das Objektiv kann aber auch für eine bestimmte Bandbreite, beispielsweise für den sichtbaren Wellenlängenbereich oder den nahen Infrarotbereich, oder für mehrere diskrete Wellenlängen ausgelegt sein. Die vorgesehene Bandbreite kann auch beispielsweise 20nm bis 50nm betragen, um beispielsweise einen thermischen Wellenlängendrift eines zur Beleuchtung vorgesehenen Diodenlasers ausgleichen zu können.
Das Objektiv kann als Projektionsobjektiv betrieben werden. Beispielsweise kann damit ein Laserstrahl linienförmig oder flächig in einen Raumausschnitt projiziert werden.
Das Objektiv kann als Abbildungsobjektiv betrieben werden. Ein von einem Objekt zurückgeworfener Lichtstrahl, beispielsweise ein Laserstrahl, der von einem Punkt des Objekts reflektiert worden ist, kann auf einen Punkt des Detektors projiziert werden. Mit dem Detektor kann die Laufzeit dieses Lichtstrahls detektiert werden.
Das Objektiv kann in einer bevorzugten Ausführung gleichzeitig als Projektionsobjektiv und als Abbildungsobjektiv verwendet werden. Mittels eines im Strahlengang zwischen dem Objektiv und dem Detektor angeordneten Strahlteilers kann der zu projizierende Laserstrahl in den Strahlengang eingekoppelt werden.
Vorteilhaft kann die Verwendung eines Objektivs mit einer festen Brennweite F für ein Messsystem zu wenigstens einer Laufzeitdetektion wenigstens eines Lichtstrahls sein. Der Lichtstrahl kann ein Laserstrahl sein. Der Lichtstrahl kann von einer Lichtquelle ausgesendet werden. Die Lichtquelle kann ein optisch gepumpter Festkörperlaser oder ein elektrisch gepumpter Diodenlaser sein. Die Lichtquelle kann zusammen mit dem erfindungsgemäßen Objektiv und einem Detektor an einem Fahrzeug angeordnet sein. Die Lichtquelle kann so ausgeführt sein, dass einzelne Lichtimpulse emittierbar sind. Zur Laufzeitdetektion des Lichtstrahls kann ein Photoelektrischer Detektor vorgesehen sein. Der Detektor kann als Avalanche-Photodiode, beispielsweise als Einzelphoton-Avalanche-Diode (abgekürzt SPAD; englisch single-photon avalanche diode) ausgeführt sein. Der Detektor kann mehrere Avalanche Photodioden umfassen. Diese können als SPAD-Array ausgeführt sein.
Ein erfindungsgemäßes Messsystem umfasst wenigstens ein erfindungsgemäßes Objektiv, wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens einen Matrixsensor. Die Lichtquelle kann wenigstens ein Signallicht emittieren. Dieses kann sich in der Wellenlänge vom Umgebungslicht unterscheiden. Die Lichtquelle kann vorteilhaft eine Laserlichtquelle sein. Es kann sich um einen Infrarotlaser handeln. Alternativ kann die Lichtquelle eine LED sein.
Die Lichtquelle kann gepulst betrieben werden. Die Pulslänge kann zwischen 1ns und 1ms betragen.
Die Lichtquelle kann in einer weiteren Ausführungsform mehrere lichtemittierende Elemente umfassen, die unabhängig voneinander betreibbar sind. Die Lichtquelle kann als ein VCSEL Array oder ein LED Array ausgebildet sein. Es kann ein Betrieb der Lichtquelle vorgesehen sein, bei welchem wenigstens zwei der lichtemittierenden Elemente zu verschiedenen Zeitpunkten Lichtpulse aussenden.
Der Matrixsensor kann ein SPAD Array sein.
Die Figuren zeigen Folgendes:

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel.
2 zeigt den Strahlengang des ersten Ausführungsbeispiels.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Messsystem.

Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen erläutert.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel. Dargestellt ist ein Objektiv 1 mit einer festen Brennweite F. Das Objektiv weist eine optische Achse 3 auf. Die optische Achse liegt in z Richtung. In den Figuren ist die Bildebene rechts, d.h. in z Richtung angeordnet, während sich die Gegenstandsebene links vom Objektiv befindet. Das Objektiv umfasst eine erste Linse 5 eine zweite Linse 8 und eine dritte Linse 11 und eine vierte Linse 12. Die Linsen sind in z Richtung aufeinanderfolgend in der genannten Reihenfolge angeordnet.
Die erste Linse ist aus einem ersten Kunststoff hergestellt. Die erste Linse ist eine asphärische Linse.
Die zweite Linse 8 ist aus einem zweiten Kunststoff hergestellt. Die zweite Linse 8 ist als asphärische Linse ausgebildet.
Die dritte Linse 11 ist aus einem ersten Glas hergestellt. Die dritte Linse 11 ist eine sphärische Sammellinse.
Die vierte Linse 12 ist aus einem zweiten Glas hergestellt. Das zweite Glas ist hier das gleiche wie das erste Glas.
Eine Blende 15 ist zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse angeordnet.
Außerdem ist noch ein Filter 16 vorgesehen, der das Signallicht vom Umgebungslicht trennt.
Die erste Linse weist eine konkave optische Fläche (6) und eine konvexe optische Fläche (7) auf, wobei in der z Richtung nacheinander die konkave Fläche (6) und die konvexe Fläche (7) angeordnet sind. Die zweite Linse weist eine konkave optische Fläche (10) und eine konvexe optische Fläche (9) auf, wobei in die z Richtung nacheinander die konvexe Fläche (9) und die konkave Fläche (10) angeordnet sind. Die vierte Linse weist eine konvexe optische Fläche (13) und eine konkave optische Fläche (14) auf, wobei in die z Richtung nacheinander die konvexe Fläche (13) und die konkave Fläche (14) angeordnet sind.
2 zeigt den Strahlengang des ersten Ausführungsbeispiels. In dieser Figur sind die Schraffuren der Linsen weggelassen, um die Lichtstrahlen 4 besser darstellen zu können, welche den Strahlengang 2 repräsentieren. In der Bildebene 19 ist ein Bildsensor zur Bildaufnahme oder ein Matrixsensor zur Laufzeitdetektion eines Lichtstrahls angeordnet.

Das optische Design ist gemäß der nachfolgenden Tabelle ausgeführt:

Nr.	Typ	Kommentar	Krümmungsradius KR in mm	Dicke /Abstand in mm	Material	Radius in mm

1	STANDARD	Objekt	∞	∞	Luft	0,000000
2	ASPHÄRE	Linse 1	-6.899608	5.738520	Polymer 1 (n= 1,5300)	9.000000
3	ASPHÄRE		-7.963824	0.100000	Luft	9.291035
4	STANDARD	Blende	∞	0.100000	Luft	8.600000
5	ASPHÄRE	Linse 2	8.37E+00	5.010700	Polymer 2 (n= 1,5300)	9.435361
6	ASPHÄRE		6.383210	5.953286	Luft	9.341767
7	STANDARD	Linse 3	-1306.627331	7.063166	Glas 1 (n= 1.846)	9.923505
8	STANDARD		-20.064594	0.100000	Luft	10.500000
9	STANDARD	Linse 4	16.610978	6.000000	Glas 2 (n= 1.846)	10.250027
10	STANDARD		3.65E+01	7.347295	Luft	8.922798
11	STANDARD	Filter	∞	1.500000	n=1,5000	7.000000
12	STANDARD	Bild	∞	0.000000		7.000000

Die erste Spalte gibt eine laufende Nummer einer Fläche an und ist von der Objektseite aus durchnummeriert. Der Typ „Standard“ bezeichnet eine ebene oder sphärisch gekrümmte Fläche. Der Typ „ASPHÄRE“ bezeichnet eine asphärische Fläche. Als Fläche kann eine Grenzfläche oder Linsenoberfläche verstanden werden. Es sei darauf hingewiesen, dass außerdem auch die Gegenstandsebene (Nr. 1), eine Blende (Nr.4) sowie die Bildebene (Nr. 12) als Fläche betrachtet werden. Die Flächen 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9 und 10 sind Linsenflächen. Diese Flächen sind in 2 mit der jeweiligen Nummer bezeichnet als Surf 2, Surf 3, Surf 5, Surf 6, Surf 7, Surf 8, Surf 9 bzw. Surf 10.
Die Spalte Krümmungsradius KR gibt den Krümmungsradius der jeweiligen Fläche an. Im Falle einer asphärischen Fläche ist darunter der paraxiale Krümmungsradius zu verstehen. In der Tabelle ist das Vorzeichen eines Krümmungsradius positiv angegeben falls die Form einer Oberfläche zur Objektseite hin konvex ist und das Vorzeichen ist negativ falls die Form einer Oberfläche zur Bildseite hin konvex ist. Die Angabe ∞ in der Spalte Krümmungsradius bedeutet, dass es sich um eine ebene Fläche handelt. In der Spalte „Dicke/Abstand“ ist der Abstand der i-ten Fläche zur (i+1)-ten Fläche auf der optischen Achse angegeben. Die Angabe ∞ in dieser Spalte in Nr.1 bedeutet, dass es sich um eine unendliche Gegenstandsweite handelt, d.h. ein auf Unendlich fokussiertes Objektiv. Für die Zeilen 2, 5, 7 und 9 ist in dieser Spalte die Mittendicke der ersten, zweiten dritten bzw. vierten Linse angegeben. In der Spalte Material ist das Material zwischen den jeweiligen Flächen angegeben mit dem jeweiligen Brechungsindex n. Der Brechungsindex n bezieht sich dabei auf eine Designwellenlänge, für welche das Objektiv ausgelegt ist. Die Designwellenlänge kann beispielsweise zwischen 700nm und 1100nm oder zwischen 1400nm und 1600nm liegen, beispielsweise bei 905, 915nm, 940nm, 1064nm oder 1550nm. Die Spalte Radius gibt den Außenradius der jeweiligen Fläche an. Im Falle der Blende (Nr. 4) ist das die Blendenöffnung. Bei den Linsenflächen ist das der nutzbare maximale Abstand der Lichtstrahlen von der optischen Achse, in der nachfolgenden Gleichung entspricht das dem maximalen Wert h für die jeweilige Fläche.

Nachfolgend sind die Koeffizienten der asphärischen Flächen angegeben.

Nr.	C₂ in mm^-1	C₄ in mm^-3	C₆ in mm^-5	C₈ in mm^-7
2	0.000000E+00	1.984885E-05	-1.703411E-06	6.554599E-08
3	0.000000E+00	6.508143E-04	-7.942826E-06	2.300400E-07
5	0.000000E+00	4.784978E-04	-1.372895E-05	2.832933E-07
6	0.000000E+00	1.836502E-04	-2.472992E-06	1.930275E-08

Nr.	C₁₀ in mm^-9	C₁₂ in mm^-11	C₁₄ in mm^-13	C₁₆ in mm^-15	k
2	-1.122241E-09	1.154834E-11	-6.624874E-14	1.588935E-16	-3.111840
3	-4.741868E-09	6.725617E-11	-5.270632E-13	1.793910E-15	-0.397414
5	-4.007099E-09	3.429747E-11	-1.591803E-13	3.052884E-16	-4.355210
6	-1.732452E-10	1.343126E-12	-6.083887E-15	1.131555E-17	-3.869062

In den numerischen Werten der asphärischen Daten, bedeutet „E-n“ (n: ganzzahlig) „x10^-n“ und „E+n“ bedeutet „x10ⁿ“. Weiterhin sind die asphärischen Oberflächenkoeffizienten die Koeffizienten C_m mit m = 2..16 in einem asphärischen Ausdruck, der durch die folgende Gleichung dargestellt wird: $Z d = \frac{h^{2}}{K R + \sqrt{K R^{2} - (1 + k) h^{2}}} + \sum_{m = 2}^{16} C_{m} \cdot h^{m}, w o b e i$
Zd die Tiefe einer asphärischen Oberfläche ist (d.h. die Länge einer Senkrechten von einem Punkt auf der asphärischen Oberfläche mit einer Höhe h zu einer den Scheitel der asphärischen Oberfläche berührenden und zu einer optischen Achse senkrechten Ebene), h die Höhe (d.h. eine Länge von der optischen Achse zu dem Punkt auf der der asphärischen Fläche), KR der paraxiale Krümmungsradius, und C_m die unten angegebenen asphärischen Oberflächenkoeffizienten (m = 2 .. 16) sind. Nicht angegebene asphärischen Oberflächenkoeffizienten, hier alle mit ungeradzahligem Index, sind Null anzunehmen. Die Koordinate h ist in Millimeter einzusetzen, ebenso der Krümmungsradius, das Ergebnis Zdwird in Millimetern erhalten. Der Koeffizient k ist der Konizitätskoeffizient, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel in der letzten Spalte angegeben ist.
Die Brennweite der ersten Linse beträgt f₁=-389mm, die der zweiten Linse beträgt f₃=115mm. Die Brennweite der dritten Linse beträgt f₂=24,8mm, die der vierten Linse beträgt f₄=32,8mm. Das Objektiv hat eine Brennweite F von 13,2mm. Die Designwellenlänge des Ausführungsbeispiels ist 905nm. Abwandlungen des Ausführungsbeispiels können auch bei anderen in der Beschreibung aufgeführten Wellenlängen verwendet werden.
In einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels ist das Objektiv auf eine endliche Gegenstandsweite fokussiert. Das kann durch eine Veränderung der Bildweite erfolgen. Dazu kann der Abstand in Zeile Nr. 10 entsprechend erhöht werden.
In einer weiteren nicht dargestellten Abwandlung kann das Objektiv als Projektionsobjektiv verwendet werden. Dazu wird anstelle des Sensors in der Ebene 19 eine Lichtquelle angeordnet. Dann kann eine in negativer z Richtung, die in der Figur als -z Richtung gekennzeichnet ist, vor dem Objektiv befindliche Szene beleuchtet werden.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Messsystem. Das Messsystem 17 umfasst ein Senderobjektiv 20, ein Empfängerobjektiv 21, eine Lichtquelle 18 und einen Matrixsensor 19. Die Lichtquelle beleuchtet ein oder mehrere Objekte 22 mit einem Senderlicht 23. Der Matrixsensor detektiert die Laufzeit des zurückgeworfenen Lichts 24.
Bezugszeichenliste

1.: Objektiv
2.: Linsenanordnung mit Strahlengang
3.: Optische Achse
4.: Lichtstrahl
5.: Erste Linse
6.: Konkave Fläche der ersten Linse
7.: Konvexe Fläche der ersten Linse
8.: Zweite Linse
9.: Konvexe Fläche der zweiten Linse
10.: Konkave Fläche der zweiten Linse
11.: Dritte Linse
12.: Vierte Linse
13.: Konvexe Fläche der vierten Linse
14.: Konkave Fläche der vierten Linse
15.: Blende
16.: Filter
17.: Messsystem
18.: Lichtquelle
19.: Matrixsensor
20.: Senderobjektiv
21.: Empfängerobjektiv
22.: Objekt
23.: Senderlicht
24.: Zurückgeworfenes Licht

Claims

Objektiv (1) mit einer festen Brennweite F, umfassend wenigstens eine erste Linse (5) mit einer ersten Brennweite f₁ aus einem ersten Kunststoff, eine zweite Linse (8) mit einer zweiten Brennweite f₂ aus einem zweiten Kunststoff, eine dritte Linse (11) mit einer dritten Brennweite f₃ aus einem ersten Glas und eine vierte Linse (12) mit einer vierten Brennweite f₄ aus einem zweiten Glas, wobei der Brechkraft D₃=1/f₃ der dritten Linse (11) positiv ist und die Brechkraft D₄=1/f₄ der vierten Linse (12) positiv ist und die erste Linse (5) und die zweite Linse (8) zusammen wenigstens zwei asphärische Flächen aufweisen, wobei außerdem die Beträge der Brennweiten f₁ der ersten Linse und f₂ der zweiten Linse mehr als das 7 fache der Brennweite F des Objektivs betragen und/oder der Betrag der Summe der Brechkräfte |D₁+D₂| aus der Brechkraft D₁=1/f₁ der ersten Linse und der Brechkraft D₂=1/f₂ der zweiten Linse weniger als das 0,125 fache der Brechkraft D=1/F des Objektivs beträgt.
Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Linse (5) und/oder die zweite Linse (8) als biasphärische Linsen ausgebildet ist.
Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang nacheinander in einer z Richtung die erste Linse (5), die zweite Linse (8), die dritte Linse (11) und die vierte Linse (12) angeordnet sind, oder dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang nacheinander in der -z Richtung eine Lichtquelle (18), die vierte Linse (12), die dritte Linse (11), die zweite Linse (8) und die erste Linse (5) angeordnet sind.
Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Linse (5) und der zweiten Linse (8) eine Blende (15) angeordnet ist.
Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Brennweite F zwischen 7mm und 20mm aufweist und/oder dass von der ersten Linse (5) und der zweiten Linse (8) eine Linse eine positive Brechkraft und die andere eine negative Brechkraft aufweist und/oder dass die erste Linse eine konkave optische Fläche (6) und eine konvexe optische Fläche (7) aufweist und in der z Richtung nacheinander die konkave Fläche (6) und die konvexe Fläche (7) angeordnet sind und/oder dass die zweite Linse eine konkave optische Fläche (10) und eine konvexe optische Fläche (9) aufweist und in die z Richtung nacheinander die konvexe Fläche (9) und die konkave Fläche (10) angeordnet sind. und/oder dass die vierte Linse eine konvexe optische Fläche (13) und eine konkave optische Fläche (14) aufweist und in die z Richtung nacheinander die konvexe Fläche (13) und die konkave Fläche (14) angeordnet sind.
Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bildseitig annähernd telezentrisch ausgebildet ist, wobei der bildseitige Telezentriefehler weniger als 5° beträgt.
Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv eine fotografische Lichtstärke von wenigstens 1:1 aufweist.
Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv ein Bandpassfilter (16) zur Trennung des Signallichtes der Lichtquelle vom Umgebungslicht, insbesondere vom Tageslicht, umfasst oder zusammen mit einem außerhalb des Objektivs angeordneten Bandpassfilter betreibbar ist.
Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv als Projektionsobjektiv betreibbar ist und/oder dass das Objektiv als Abbildungsobjektiv betreibbar ist.
Verwendung eines Objektivs (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche für ein Messsystem (17) zu wenigstens einer Laufzeitdetektion wenigstens eines Lichtstrahls (4).
Messsystem (17), umfassend wenigstens ein Objektiv (20, 21) nach einem der vorgenannten Ansprüche, wenigstens eine Lichtquelle (18) und wenigstens einen Matrixsensor (19).
Messsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (18) eine Laserstrahlquelle oder eine LED ist und dass die Lichtquelle gepulst betrieben wird und dass die Pulslänge zwischen 1ns und 1ms beträgt.
Messsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrixsensor (19) ein SPAD Array ist und/oder dass die Lichtquelle (18) ein VCSEL Array oder ein LED Array ist.