DE102021112723A1

DE102021112723A1 - Optisches System für Periskopkameramodul

Info

Publication number: DE102021112723A1
Application number: DE102021112723.8A
Authority: DE
Inventors: Ralf Biertümpfel; Frank-Thomas Lentes
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2021-05-17
Filing date: 2021-05-17
Publication date: 2022-11-17
Also published as: WO2022243228A1; CN117242373A; KR20240008907A; US20240085604A1; TW202303196A; DE202022102679U1

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 einen Absorptionsfilter umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System für ein Kameramodul, insbesondere für eine Periskopkamera, umfassend eine optische Anordnung sowie 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 einfängt, weiterführt. Die optische Anordnung umfasst ferner typischerweise ein optisches 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, umfassend ein erstes Prisma, welches das einfallende Licht um 90° ablenkt, ein Linsensystem und ein zweites Prisma, das zu einer weiteren 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 Vergleich zu herkömmlichen Smartphone-Kameras eine bzw. zwei optische Komponenten mehr.
Der Einbau von IR-Sperrfiltern ist sowohl in Periskopkameras als auch in herkömmlichen 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 Kameramodulen, deren optische Komponenten aus gängigen Gläsern oder Kunststoffen gefertigt werden, im Allgemeinen noch eine gewisse Infrarot-Transmission auf. Auf den Sensor gelangendes Infrarotlicht führt jedoch zu nachteiligen Auswirkungen auf die Abbildungsqualität, da es zu Farb- und Helligkeitsverfälschungen kommen kann.
Aus diesem Grund werden Kameramodule typischerweise mit IR-Sperrfiltern ausgestattet, welche insbesondere direkt vor dem Sensor platziert sind. Bei IR-Sperrfiltern handelt es sich beispielsweise um Interferenzfilter oder um Filtergläser, welche das Einfallen von Infrarotlicht auf den Sensor verhindern sollen. Geeignete Sperrfilter weisen eine hohe Transmission in einem ersten Wellenlängenbereich 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, aufweisen, 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 dünnen Filtern. Üblich sind hier Dicken von 0,1 bis 0,3 mm. Um hier dennoch eine ausreichende Filterwirkung zu erreichen, müssen die Komponenten, beispielsweise 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 hohen 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 Filter ein nachteiliges Signal/Rauschverhältnis aufweisen und zu einer schlechteren Bildqualität führen. Ferner weisen derartige sehr dünne Filterelemente naturgemäß eine vergleichsweise geringe mechanische Stabilität auf.
Es ist daher die Aufgabe, ein optisches System für ein Kameramodul bereitzustellen, 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 Kameramodul (1), 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 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

Die Erfindung betrifft ferner ein Periskopkameramodul, umfassend das optische System gemäß der Erfindung.
Es wurde gefunden, dass ein derartiges optisches System die Nachteile der bekannten Systeme überwindet. So kann hier auf die Platzierung eines Absorptionsfilters, wie beispielsweise eines IR-Sperrfilters, direkt vor dem Bildsensor verzichtet werden und eine Komponente mit entsprechender absorbierender Wirkung an einer Position im Kameramodul platziert werden, an der sie größere Dimensionen 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 vorteilhafte Eigenschaften im Hinblick auf das Verhältnis von Blockung zu Transmission aufweist, dem sogenannten Signal/Rausch-Verhältnis.
Um das Verhältnis zwischen Transmission und Blockung beispielsweise für einen IR-Sperrfilter zu beschreiben, wird folgende Differenz definiert: $ΔΘ = l o g_{10} (l o g_{10} (\frac{1}{τ_{i, min NIR}})) - l o g_{10} (l o g_{10} (\frac{1}{τ_{i, max VIS}}))$
wobei
τ_{i,min NIR} ist die minimale Reintransmission im Nahinfrarotbereich (700 nm bis 1100 nm)
τ_i,maxVIS ist die maximale Reintransmission im Sichtbaren (430 nm bis 565 nm) ΔΘ 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 Filterglas sehr stark dotiert werden, beispielsweise mit einer farbgebenden Komponente wie CuO, um eine hohe Blockung der unerwünschten Strahlung zu erreichen. Derartige Filtergläser mit hoher Dotierung weisen jedoch eine vergleichsweise geringes ΔΘ, und damit ein ungünstiges Signal/Rausch-Verhältnis auf.
Absorptionsfilter, z. B. Filtergläser, mit geringerer Dotierung weisen ein deutlich höheres ΔΘ auf. Aufgrund der niedrigen Dotierung ist jedoch für eine ausreichende Blockung der unerwünschten Strahlung die Verwendung von Absorptionsfiltern mit einer großen Filterdicke erforderlich, welche aber aufgrund ihrer Größe für aktuelle Smartphone-Kameras nicht geeignet sind. Es wurde gefunden, dass dieses Problem durch das erfindungsgemäße optische System gelöst wird, indem auf den Einsatz eines zwingend sehr dünnen Absorptionsfilters direkt vor dem Bildsensor verzichtet wird und eine oder mehrere Komponenten mit entsprechender Sperrwirkung an einer anderen Position in der optischen Anordnung eingebaut werden, welche aufgrund des dort zur Verfügung stehenden Platzes eine größere Dicke aufweisen können. So weisen Umlenkprismen, welche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aus einem absorbierenden Filtermaterial wie einem Blauglas hergestellt werden, einen signifikant längeren optischen 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 Millimeter lang. Ähnliches gilt für Ausführungsformen, in denen mindestens ein planes optisches Element als Sperrfilter eingesetzt wird, welches aufgrund der gewählten Position eine größer Dicke von beispielsweise mindestens 0,5 mm aufweisen kann. Daraus ergibt sich für die erfindungsgemäßen Absorptionsfilter-umfassenden Komponenten ein höheres ΔΘ, und damit auch ein optimiertes Signal/Rauschverhältnis.
Vorzugsweise weist daher mindestens eine der optischen Komponenten (a), (b), (d), und (e) ein ΔΘ von mehr als 2,0, bevorzugt mehr als 2,2 und besonders bevorzugt 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 optischen 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 erforderliche Maß, bevorzugt um 90°, ablenkt und in Richtung des optischen Linsensystems ablenkt. Nach dem Durchtritt durch das Linsensystem kann es durch ein zweites Prisma um weitere 90° auf den Bildsensor gelenkt werden oder direkt auf diesen geleitet werden. Bei dem ersten und zweiten Prisma gemäß der vorliegen Erfindung handelt es sich um ein Strahlumlenkungselement, bevorzugt um ein dreieckiges Prisma oder ein Prisma in einer Form, welche auf einem dreieckigen Prisma basiert. In einer vorteilhaften 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 optisches 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 Strahlengang 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.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße optische Anordnung nur ein planes optisches Element, bevorzugt ein erstes planes optisches 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 werden. Diese optischen Probleme können sich ergeben, da diese zusätzlichen optischen 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) erstes Prisma, (e) zweites Prisma, (b) erstes planes optisches Element und (d) zweites planes optisches Element mindestens einen Absorptionsfilter. In manchen vorteilhaften Ausführungsformen können auch zwei oder mehr, beispielsweise zwei, drei oder vier, der genannten optischen Elemente (a), (b), (d) und (e) mindestens einen Absorptionsfilter umfassen.
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 Sensor erreichen sollen.
Bevorzugt handelt es sich bei dem mindestens einem Absorptionsfilter einen IR-Sperrfilter, bevorzugt einen NIR-Sperrfilter und/oder einen UV-Sperrfilter, besonders bevorzugt um einen NIR-Sperrfilter.
Das nahe Infrarot (NIR) bezeichnet in Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt einen Wellenlängenbereich von 650 bis 1200 nm. UV im Sinne der vorliegenden 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 Interferenzfilter 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 umfassend 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 mindestens einen Absorptionsfilter umfassen, ist der Strahlengang durch die Komponente in bevorzugten Ausführungsformen weiterhin größer als 1,3 mm, besonders bevorzugt größer als 1,5 mm, weiterhin bevorzugt größer als 1,8, mm, weiterhin 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 größer 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 n_d von mindestens 1,50 aufweist. Der Brechungsindex n_d ist dem Fachmann bekannt und bezeichnet insbesondere den Brechungsindex bei einer Wellenlänge von etwa 587,6 nm (Wellenlänge der d-Linie von Helium). 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 bevorzugt 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 einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem NIRabsorbierenden Filterglas um ein hochbrechendes mit Cu-Ionen dotiertes Glas mit einem Brechungsindex n_d von mindestens 1,70, bevorzugt um ein CuO-haltiges Glas mit einer Lanthan-Borat-Glasmatrix. Derartige Gläser sind beispielsweise in der WO 2020/006770 A1 beschrieben.
UV-Sperrfilter sind optische Komponenten, welche für einen ersten Wellenlängenbereich 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 Erfindung 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 Gläser, können abhängig von ihren mechanischen und insbesondere optischen Eigenschaften 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 chemische 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 vergleichsweise hochbrechenden Gläser nicht erforderlich. Hier eignen sich beispielsweise CuO-haltige Phosphat- oder Fluorphosphatgläser wie beispielsweise die Blaugläser BG40 oder BG64 der Firma Schott.
Die optischen Komponenten (a), (b), (c), (d), und (e) können ferner zumindest teilweise mit mindestens einer optischen Schicht beschichtet sein. Hierbei versteht es sich von selbst, dass hier eine Beschichtung der Oberflächen der jeweiligen optischen Komponenten gemeint ist. Eine teilweise Beschichtung im Sinne der Erfindung stellt sowohl eine Beschichtung von nur einer von mehreren verschiedene Oberflächen einer optischen Komponente dar als auch nur die teilweise Beschichtung einer oder mehrerer bestimmten Oberflächen einer optischen Komponente.
Bei geeigneten optischen Schichten handelt es sich beispielsweise um Interferenzfilterschichtsysteme, antireflektierenden Schichtsystemen, reflektierende Schichtsystem (beispielsweise metallische Beschichtungen wie AI- oder Ag-Schichten) sowie Schichtsystemen, die die mechanische und/oder chemische Resistenz der jeweiligen Komponente verbessern können. Es ist natürlich auch denkbar, Schichtsysteme aufzubringen, die eine Kombination der vorangehend genannten Schichtsysteme darstellen, beispielsweise eine Interferenzfilterschicht, welche die mechanische oder chemische Resistenz erhöht und/oder antireflektierend wirkt. Derartige Schichten sind dem Fachmann allgemein bekannt.
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 Oberflächen 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 Oberfläche auf der Lichteinfallseite, also auch die Oberfläche auf der Lichtaustrittsfläche sowie auch Oberflächen, welche den einfallenden Lichtstrahl reflektieren, bzw. umlenken umfasst. Die verschiedenen optisch relevanten Oberflächen können - sofern zweckdienlich - natürlich mit unterschiedlichen optischen Beschichtungen versehen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst mindestens eine der Komponenten (a) und (e) mindestens einen Absorptionsfilter. Das heißt das erste Prisma und/oder das optional zweite Prisma enthalten mindestens einen Absorptionsfilter. In Ausführungsformen, die lediglich ein erstes Prisma umfassen, umfasst natürlich 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 Absorptionsfilter 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 zumindest 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 mindestens einen Absorptionsfilter. In Ausführungsformen, umfassend sowohl das erste als auch das zweite plane optische Element, können auch beide plane optische 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 einen NIR-Sperrfilter und das zweite plane optische Element einen UV-Sperrfilter.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die optische Anordnung 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. In anderen Worten umfasst die optische Anordnung gemäß der ersten Ausführungsform nur ein erstes Prisma, ein Linsensystem 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/oder einen UV-Sperrfilter handelt, besonders bevorzugt einen NIR-Sperrfilter. Neben den bereits oben genannten vorteilhaften Effekten, die mit einem längeren Strahlengang durch optische Komponenten umfassend mindestens einen Absorptionsfilter, 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 realisiert werden können. Dadurch wird eine noch kompaktere Bauweise des Kameramoduls 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 planes optisches Element, bevorzugt ein erstes oder ein zweites planes optisches Element, besonders bevorzugt ein erstes planes optisches Element, ein optisches Linsensystem und optional ein zweites Prisma. In dieser Ausführungsform umfasst bevorzugt das erste und/oder das zweite plane optische Element mindestens 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 Linsensystem 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 einem ersten Prisma, einem ersten planen optischen Element, umfassend mindestens einen Absorptionsfilter, bevorzugt einen UV-Sperrfilter, einem optischen Linsensystem und optional einem zweiten Prisma.
In einer dritten bevorzugten Ausführungsform stellt mindestens eine der optischen 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 Verbundkomponenten mindestens einen Absorptionsfilter umfasst. Die einzelnen Verbundkomponenten 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 „Verbundprisma“ bezeichnet. Hier wird beispielsweise eine prismenförmige Verbundkomponente mit einer oder mehr als einer, beispielsweise, zwei oder drei, planen Verbundkomponente, nachfolgende „erste“, bzw. „zweite“, bzw. „dritte plane Verbundkomponente“ genannt, verbunden.
Mindesten eine der Verbundkomponenten umfasst mindestens einen Absorptionsfilter. In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen alle Verbundkomponenten mindestens einen Absorptionsfilter. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform 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 Brechungsindex n_d von 1,6 bis 2,2. Eine so erhaltenen Verbund wird im Sinne der vorliegenden Erfindung weiterhin als „erstes Prisma“ oder „zweites Prisma“ bezeichnet.
In einer Ausführungsformen der optischen Anordnung können zusätzlich oder alternativ das erste und/oder das zweite plane optische Element als Verbund ausgestaltet werden. Ein derartiger Verbund wird weiterhin als „erstes planes optisches Element“ bzw. „zweites planes optisches Element“ bezeichnet. Hierbei handelt es sich vorteilhafterweise aber um einen Verbund aus zwei Verbundkomponenten, welche unterschiedliche Absorptionsfilter umfassen, beispielsweise 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 Verbunde eine oder mehrere optische Beschichtungen wie oben beschrieben aufweisen.
Bei dem optischen Linsensystem in der erfindungsgemäßen optischen Anordnung kann es sich um eine einzelne optische Linse handeln oder bevorzugt um eine Anordnung, umfassend zwei oder mehr optische Linsen. Durch die Kombination verschiedener einzelnen Linsen im optischen Linsensystem können Farbfehler und Verzerrungen im Bild vermieden werden. Details zu beispielhaften Aufbauten des optischen Linsensystems sind dem Fachmann bekannt und finden sich unter anderem im eingangs genannten Stand der Technik.
Bezugszeichenliste

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 1 bis 3 zeigen verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen optischen Systems.
Die 4a bis 4g zeigen verschiedene Ausführungsformen eines als erfindungsgemäßer Verbund ausgebildeten ersten bzw. zweiten Prismas.
1 bildet eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems ab. Der Strahlengang 9 bezeichnet in den 1 bis 3 lediglich schematisch den Weg des Lichts (Hauptstrahl) entlang der optischen Achse. Es versteht sich, dass hier nicht der Strahlengang eines bestimmten Feldhalbwinkels 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 Strahlengang 9 des Lichts um 90° umlenkt. Das erste Prisma 2 ist in dieser Ausführungsform 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° umgelenkt, so dass es anschließend das optische Linsensystem 4, welches hier lediglich beispielhaft mit drei Linsen dargestellt wird, durchläuft und von dem zweiten 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 optischen Linsensystems 4 umfassen ferner bevorzugt optische Beschichtungen (nicht dargestellt). Diese optischen Beschichtungen befinden sich besonders bevorzugt auf allen optisch relevanten Oberflächen der beschichteten optischen Komponenten.
2 stellt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kameramoduls 1 dar. Sofern nicht anders beschrieben, gelten für die einzelnen Bestandteile und Bezugszeichnungen die im Zusammenhang mit 1 genannten Erläuterungen. Das in 2 gezeigte Kameramodul 1 umfasst im Unterschied zu dem im 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 Anordnung ist durch die Abwesenheit eines zweiten Prismas 2 noch kompakter.
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 1 und 2 genannten Erläuterungen. 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 einer 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 direkt auf den dahinter platzierten Sensor 7. Diese Ausführungsform ist aufgrund der noch kompakteren Bauweise besonders vorteilhaft. In der dargestellten, sowie der genannten alternativen Ausführungsform umfasst die erste plane optische 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 4a bis 4g zeigen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen von als Verbund ausgestaltete erste bzw. zweite Prismen, nachfolgendes erstes Verbundprisma 2a bzw. zweites Verbundprisma 6a genannt. Erstes bzw. zweites Verbundprisma 2a, 6a sind jeweils aus einer prismenförmige Verbundkomponente 10 sowie mindestens einer ersten planen Verbundkomponente 11 und/oder mindestens einer zweiten planen Verbundkomponente 12 aufgebaut. L bezeichnet 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. Beispielhaft kann die Verbundkomponente 10 einen UV-Sperrfilter umfassen, die erste plane Komponente 11 ein hochbrechendes Glas, welches keinen Absorptionsfilter umfasst, und die zweite plane Komponente 12 einen NIR-Sperrfilter umfassen.
4a zeigt ein Verbundprisma 2a, 6a welches eine prismenförmige Verbundkomponente 10 sowie eine auf deren Hypotenuse aufgebrachte erste plane Verbundkomponente 11 umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform wird hier als prismenförmige Verbundkomponente 10 ein NIR-Sperrfilter eingesetzt, welcher mit einer planen Verbundkomponente 11 aus einem hochbrechenden Glas verbunden wird, beispielsweise mit einem Brechungsindex n_d von mindestens 1,6. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die prismenförmige Verbundkomponente 10 einen UV-Sperrfilter und die aufgebrachte ersten plane Verbundkomponente 11 ein hochbrechendes Glas.
4b bildet ein Verbundprisma 2a, 6a ab, welches eine prismenförmige Verbundkomponente 10, eine auf deren Hypotenuse aufgebrachten ersten planen Verbundkomponente 11 sowie eine ersten planen Verbundkomponente 12 umfasst, welche auf der dem einfallenden Licht zugewandten Oberfläche aufgebracht ist, im Folgenden Kathete 1 genannt. In einer vorteilhaften Ausführungsform 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 vorteilhaften 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.
4c bildet eine Verbundprisma 2a, 6a, welches sich von dem in 4b gezeigten darin unterscheidet, dass die zweite plane Verbundkomponente 12 auf der anderen Kathete, nachfolgend Kathete 2 genannt, aufgebracht ist. Die bevorzugten Ausführungsformen für die Verbundkomponenten 10, 11 und 12 entsprechen denen im Zusammenhang mit 4 b genannten.
4d zeigt eine weitere Ausführungsform eines Verbundprismas 2a, 6a, welche den Grundaufbau des in 4b abgebildeten Verbundprismas ähnelt. Allerdings ist im vorliegenden Fall sowohl auf Kathete 1 als auch auf Kathete 2 jeweils eine zweite plane Verbundkomponente 12 aufgebracht. Die bevorzugten Ausführungsformen für die Verbundkomponenten 10, 11 und 12 entsprechen denen im Zusammenhang mit 4 b und 4c genannten.
In 4e ist ein Verbundprisma 2a, 6a dargestellt, welches neben einen prismenförmige Verbundkomponente 10 eine zweite plane Verbundkomponente umfasst, welche auf Kathete 1 aufgebracht ist. Die bevorzugten Ausführungsformen für die Verbundkomponenten 10 und 12 entsprechen denen im Zusammenhang mit 4 b und 4c genannten.
In 4f ist ein weiteres Verbundprisma 2a, 6a dargestellt, welches sich von dem in 4e gezeigten darin unterscheidet, dass auf Kathete 2 ebenfalls eine zweite plane Verbundkomponente 12 aufgebracht ist. Die bevorzugten Ausführungsformen für die Verbundkomponenten 10 und 12 entsprechen denen im Zusammenhang mit 4 b und 4c genannten.
In 4g ist ein weiteres Verbundprisma 2b, 6b dargestellt, welches sich von dem in 4f gezeigten darin unterscheidet, dass nur auf Kathete 2 eine zweite plane Verbundkomponente 12 aufgebracht ist. Die bevorzugten Ausführungsformen für die Verbundkomponenten 10 und 12 entsprechen denen im Zusammenhang mit 4 b und 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 10908387 B2 [0003]
US 2021/0124145 A1 [0003]
US 2021/0026117 A1 [0003]
US 2018/0312424 A1 [0027]
US 2012/0165178 A1 [0027]
US 2006/0111231 A1 [0027]
US 2016/0363703 A1 [0027]
US 2007/0099787 A1 [0027]
WO 2020/006770 A1 [0028]

Claims

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 einen Absorptionsfilter umfasst.
Optisches System gemäß Anspruch 1, wobei der mindestens eine Absorptionsfilter einen NIR-Sperrfilter und/oder einen UV-Sperrfilter umfasst.
Optisches System gemäß Anspruch 2, wobei der mindestens eine NIR-Sperrfilter ein NIR-absorbierendes Filterglas, besonders bevorzugt mindestens ein Blauglas umfasst.
Optisches System gemäß Anspruch 3, wobei das mindestens eine Blauglas einen Brechungsindex von mindestens 1,50 aufweist.
Optisches System gemäß Anspruch 2, wobei der UV-Sperrfilter ein UV-absorbierendes Glas umfasst.
Optisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mindestens eine der optischen Komponenten (a) bis (e) zumindest teilweise mit mindestens einer optischen Schicht beschichtet ist.
Optisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei mindestens eine der Komponenten (a) und (e) mindestens einen Absorptionsfilter umfasst.
Optisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das System die Komponenten (a), (c) und optional (e) umfasst, bevorzugt daraus besteht, und mindesten eine der Komponenten (a) und (e) mindestens einen Absorptionsfilter aufweist und der einfallende optische Strahl auf dem Weg zum Bildsensor (5) die optischen Komponenten (a), (c) und optional (e) durchdringt.
Optisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine der Komponenten (a) und (e), bevorzugt Komponente (a) mindestens einen Absorptionsfilter aufweist, bevorzugt einen NIR-Sperrfilter.
Optisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei mindestens eine der Komponenten (b) und (d), bevorzugt (b), mindestens einen Absorptionsfilter umfasst, bevorzugt einen NIR-Sperrfilter.
Optisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei mindestens 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.
Periskopkameramodul, umfassend das optische System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.