Title:
Fresnel-Linse, Objektiv und digitales Kamerasystem
Kind Code:
A1


Abstract:

Zur Verbesserung bekannter Linsen, Objektive oder Kamerasysteme und/oder zur Erweiterung ihrer Einsatzgebiete sieht die Erfindung eine Fresnel-Linse mit wenigstens einem ersten und wenigstens einem zweiten Linsenbereich vor, wobei der erste Linsenbereich einen ersten Teil der Linsenoberfläche umfasst und der zweite Linsenbereich einen zweiten, vom ersten unterschiedlichen Teil der Linsenoberfläche umfasst, und der erste und zweite Linsenbereich jeweils ein unterschiedliches Material mit unterschiedlichen Transmissionseigenschaften für elektromagnetische Strahlung aufweist.
Die Erfindung sieht ferner ein digitales Kamerasystem und ein Objektiv mit jeweils wenigstens einer solchen Fresnel-Linse vor.
Dieses ermöglicht die zeitgleiche Aufnahme von selbst stark unterschiedlichen Wellenlängenbereichen für den gesamten Bildbereich einer einzigen solchen Kamera (und mit dem einzigen verwendeten Objektiv) und damit den exakten geometrischen Bezug der Bildinformationen aus stark unterschiedlichen Wellenlängenbereichen zueinander. embedded image




Inventors:
Witych, Michael, Dr. (53227, Bonn, DE)
Application Number:
DE102016125381A
Publication Date:
06/28/2018
Filing Date:
12/22/2016
Assignee:
Deutsche Telekom AG, 53113 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102016119920A1N/A2018-04-19
DE102013220004A1N/A2015-04-02



Foreign References:
GB655315A1951-07-18
29789561961-04-11
50712071991-12-10
EP14226962004-05-26
EP22568122010-12-01
WO2015144823A12015-10-01
CA2647041A12007-10-04
Attorney, Agent or Firm:
Blumbach Zinngrebe Patent- und Rechtsanwälte PartG mbB, 64283, Darmstadt, DE
Claims:
Fresnel-Linse (210, 220, 230, 240, 250, 260, 260', 260") mit wenigstens einem ersten und wenigstens einem zweiten Linsenbereich, wobei
- der erste Linsenbereich (211-1 - 211-4, 221-1, 221-2a - 221-4a, 221-2b - 221-4b, 231-1- 231-5, 241-1 - 241-3, 251-1, 251-2, 261-1 - 261-7) einen ersten Teil der Linsenoberfläche umfasst und der zweite Linsenbereich (212-1 - 212-3, 222-1a - 222-3a, 222-1b - 222-3b, 232-1, 232-2, 242-1, 242-2, 252-1, 252-2, 262-1 - 262-6) einen zweiten, vom ersten unterschiedlichen Teil der Linsenoberfläche umfasst, und
- der erste und zweite Linsenbereich jeweils ein unterschiedliches Material mit unterschiedlichen Transmissionseigenschaften für elektromagnetische Strahlung aufweist.

Fresnel-Linse nach Anspruch 1, wobei die Linse als refraktive und/oder diffraktive Linse ausgebildet ist.

Fresnel-Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Linsenbereiche als Ringzonen der Fresnel-Linse ausgebildet sind.

Fresnel-Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
- der erste Linsenbereich für eine erste Wellenlänge eine höhere Transmission als der zweite Linsenbereich aufweist, und
- der zweite Linsenbereich für eine zweite, von der ersten unterschiedliche Wellenlänge eine höhere Transmission als der erste Linsenbereich aufweist.

Fresnel-Linse nach Anspruch 3, wobei der erste Linsenbereich elektromagnetische Strahlung der zweiten Wellenlänge und der zweite Linsenbereich elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge im Wesentlichen blockieren.

Fresnel-Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend
- wenigstens einen dritten Linsenbereich (243-1, 243-2, 253-1 - 253-3), welcher einen dritten, vom ersten und zweiten unterschiedlichen Teil der Linsenoberfläche umfasst und ein vom ersten und zweiten Linsenbereich unterschiedliches Material aufweist, wobei
- der dritte Linsenbereich für eine dritte, von der ersten und zweiten unterschiedlichen Wellenlänge eine höhere Transmission aufweist als der erste und zweite Linsenbereich,
- der erste Linsenbereich für die erste Wellenlänge eine höhere Transmission als der dritte Linsenbereich aufweist, und
- der zweite Linsenbereich für die zweite Wellenlänge eine höhere Transmission als der dritte Linsenbereich aufweist.

Fresnel-Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Wellenlänge im sichtbaren Spektrum zwischen 380 nm und 780 nm und die zweite Wellenlänge im infraroten Spektrum zwischen 780 nm und 1 mm, insbesondere zwischen 2 und 15 pm, liegt.

Fresnel-Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Linsenbereich ein optisches Glas und der zweite Linsenbereich reines Germanium umfasst.

Fresnel-Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Linsenbereich, bezogen auf eine vorgegebene Wellenlänge, jeweils eine unterschiedliche Brennweite aufweisen.

Fresnel-Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Linsenbereich, bezogen auf die erste Wellenlänge, und der zweite Linsenbereich, bezogen auf die zweite Wellenlänge, jeweils die gleiche Brennweite (f) aufweisen.

Fresnel-Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche mit mehreren ersten und zweiten Linsenbereichen (211-1 - 211-4, 261-1 - 261-7; 212-1 - 212-3, 262-1 - 262-6), wobei sich die ersten und zweiten Linsenbereiche von der Linsenmitte nach außen abwechseln.

Fresnel-Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche mit mehreren ersten, zweiten und dritten Linsenbereichen (241-1, 241-2, 241-3, 242-1, 242-2, 243-1, 243-2), wobei sich die ersten, zweiten und dritten Linsenbereiche von der Linsenmitte nach außen abwechseln.

Fresnel-Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei angrenzende Linsenbereiche jeweils miteinander verklebt sind.

Fresnel-Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei angrenzende Linsenbereiche mittels flexibler Verbindungselemente miteinander verbunden sind.

Digitales Kamerasystem (400), umfassend
- wenigstens eine Fresnel-Linse (210, 220, 230, 240, 250, 260, 260', 260") mit wenigstens einem ersten und wenigstens einem zweiten Linsenbereich, wobei
- der erste Linsenbereich (211-1 - 211-4, 221-1, 221-2a
- 221-4a, 221-2b - 221-4b, 231-1- 231-5, 241-1 - 241-3, 251-1, 251-2, 261-1 - 261-7) einen ersten Teil der Linsenoberfläche umfasst und der zweite Linsenbereich (212-1 - 212-3, 222-1a - 222-3a, 222-1b - 222-3b, 232-1, 232-2, 242-1, 242-2, 252-1, 252-2, 262-1 - 262-6) einen zweiten, vom ersten unterschiedlichen Teil der Linsenoberfläche umfasst,
- der erste und zweite Linsenbereich jeweils ein unterschiedliches Material mit unterschiedlichen Transmissionseigenschaften für elektromagnetische Strahlung aufweist,
- der erste Linsenbereich für eine erste Wellenlänge eine höhere Transmission als der zweite Linsenbereich aufweist, und
- der zweite Linsenbereich für eine zweite, von der ersten unterschiedliche Wellenlänge eine höhere Transmission als der erste Linsenbereich aufweist, und
- ein Sensor-Bauteil (420), welches erste, für die erste Wellenlänge sensitive Sensorelemente und zweite, für die zweite Wellenlänge sensitive Sensorelemente umfasst.

Objektiv, umfassend wenigstens eine Fresnel-Linse (210, 220, 230, 240, 250, 260, 260', 260") nach einem der Ansprüche 1 bis 14.

Description:

Die Erfindung betrifft allgemein die Abbildung von Objekten in eine Bildebene, und insbesondere eine Fresnel-Linse, ein Objektiv, sowie ein digitales Kamerasystem.

Digitale Kamerasysteme werden heute in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, beispielsweise bei der Überwachung von Objekten oder Prozessen oder in der Video-Telefonie. Auch in Assistenzsystemen der Fahrzeugtechnik werden immer häufiger Kamerasysteme, beispielsweise in Form von Rückfahrkameras oder Kollisions-Warnsystemen, eingesetzt. Da heute typischerweise jedes Smartphone mit einer Digitalkamera ausgestattet ist, trägt jeder Smartphone-Nutzer ein digitales Kamerasystem ständig bei sich.

Ein digitales Kamerasystem dient dazu, statische oder bewegte Bilder mittels eines elektronischen Sensors zu detektieren und aufzuzeichnen oder über eine Schnittstelle bereitzustellen, wobei die Aufzeichnung typischerweise unter Verwendung eines digitalen Speichermediums erfolgt und die Bereitstellung über eine Schnittstelle beispielsweise zur Anzeige auf einem Bildschirm dient.

Bei einem digitalen Kamerasystem wird das Bild in der Regel von einem Objektiv auf eine Bildebene abgebildet, in welcher der elektronische Sensor angeordnet ist. Ein Objektiv ist ein sammelndes optisches System, das eine reelle optische Abbildung eines Objektes in der Bildebene erzeugt. Im einfachsten Fall wird ein Objektiv durch eine einzelne Sammellinse gebildet. Durch die Kombination mehrerer Linsen kann die Abbildungsqualität eines Objektivs erhöht werden, wenn die Linsen und deren Eigenschaften so gewählt werden, dass bestimmte Abbildungsfehler verringert werden. Auch ermöglicht die Verwendung mehrerer Linsen die Bereitstellung von Objektiven mit variabler Brennweite.

Objektive sind in der Regel mit einer Blende ausgestattet, mit deren Hilfe der Lichtdurchlass durch das Objektiv verändert werden kann. Eine Objektivblende ist meist als Lamellenblende ausgebildet, bei der sich kreisförmig angeordnete Lamellen so ineinander verschieben, dass der Lichtdurchlass enger oder weiter und so das einfallende Lichtbündel kleiner oder größer wird. Die Blende ist dabei so im Strahlengang positioniert, dass sie nur als Aperturblende und nicht als Gesichtsfeldblende wirkt.

Als Linsen werden typischerweise transparente Bauelemente bezeichnet, die elektromagnetische Strahlung durch Brechung an ihren Oberflächen ablenken, wobei Linsen im Allgemeinen zwei lichtbrechende Flächen aufweisen, von denen mindestens eine konvex oder konkav gewölbt ist. Man unterscheidet allgemein zwischen Sammellinsen, die paralleles Licht in einem Brennpunkt bündeln, und Zerstreuungslinsen, die paralleles Licht aufweiten.

Es sind auch sogenannte Fresnel-Linsen bekannt. Eine Fresnel-Linse, auch als Fresnelsche Stufenlinse bezeichnet, ist eine Linse, die durch eine Aufteilung in ringförmige Bereiche und eine Verringerung der Dicke der Linse in diesen Bereichen eine Reduzierung des Gewichts und des Volumens der Linse ermöglicht. Das Bauprinzip der Fresnel-Linse nutzt aus, dass die elektromagnetische Strahlung nur beim Passieren der Linsen-Oberflächen gebrochen wird, der Brechungswinkel aber nicht von der Dicke, sondern nur von dem Winkel zwischen den beiden Oberflächen abhängig ist. Dementsprechend führt die Dickenreduzierung in den ringförmigen Bereichen der Fresnel-Linse nicht zu einer Änderung der Brennweite, jedoch verringert sich aufgrund der Stufenstruktur die Abbildungsqualität.

Linsen, deren Abbildungseigenschaften auf der Brechung elektromagnetischer Strahlung, d.h. auf Refraktion, basieren, werden auch als refraktive Linsen bezeichnet.

Am häufigsten werden Linsen im Bereich der klassischen Optik zur Abbildung von Licht eingesetzt. Als Licht wird typischerweise der für das menschliche Auge sichtbare Teil der elektromagnetischen Strahlung bezeichnet, wobei der Bereich des Lichts im elektromagnetischen Spektrum Wellenlängen von etwa 380 nm bis 780 nm umfasst.

Es sind auch Linsen für die Verwendung in anderen Wellenlängenbereichen bekannt. Infrarotlinsen, oder kurz IR-Linsen, für den Einsatz im infraroten Wellenlängenbereich von etwa 780 nm bis 1 mm werden beispielsweise in Wärmebildkameras, Nachtsichtgeräten oder in der Infrarot-Spektroskopie eingesetzt. Ultraviolett-Linsen, oder kurz UV-Linsen, für den Einsatz im ultravioletten Wellenlängenbereich von etwa 1 nm bis 380 nm werden beispielsweise in Laseranwendungen eingesetzt.

Ferner ist bekannt, zur Fokussierung von Röntgenstrahlung mit Wellenlängen im Bereich von etwa 0,01 nm bis 1 nm sogenannte Fresnel-Zonenplatten einzusetzen. Eine Fresnel-Zonenplatte ist typischerweise eine Platte, auf der wechselnde transparente und intransparente konzentrische Ringe angebracht sind, wodurch ringförmige Spalten gebildet werden, an denen elektromagnetische Strahlung gebeugt und durch konstruktive Interferenz in Brennpunkten verstärkt wird. Die auf Beugung basierende Fokussierung wird bei Röntgenstrahlung eingesetzt, da für Röntgenstrahlung der Brechungsindex aller durchstrahlbaren Materialien minimal kleiner als 1 ist, so dass eine Sammellinse nur minimal fokussierend wirkt.

Linsen, deren Abbildungseigenschaften auf der Beugung elektromagnetischer Strahlung, d.h. auf Diffraktion, basieren, werden auch als diffraktive Linsen bezeichnet. Die oben beschriebene Fresnel-Zonenplatte stellt eine diffraktive Linse dar.

Je nachdem, für welchen Wellenlängenbereich eine Linse eingesetzt werden soll, werden Linsenmaterialien mit entsprechenden Transmissionseigenschaften verwendet, d.h. Materialien, die in dem jeweils gewünschten Wellenlängenbereich auch ausreichend transparent sind.

Der Brechungsindex von Linsenmaterialien ist typischerweise wellenlängenabhängig, wobei der Brechungsindex in der Regel mit steigender Wellenlänge abfällt. Da somit elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge unterschiedlich stark gebrochen wird, ergibt sich ein Abbildungsfehler, welcher als chromatische Aberration bezeichnet wird, und der dazu führt, dass eine Linse nur für einen begrenzten Wellenlängenbereich einsetzbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus dem Stand der Technik bekannte Linsen, Objektive oder Kamerasysteme zu verbessern und/oder deren Einsatzgebiet zu erweitern.

Das oben genannte technische Problem wird durch eine Fresnel-Linse gemäß Anspruch 1, ein digitales Kamerasystem gemäß Anspruch 15 und ein Objektiv gemäß Anspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Ein Kerngedanke der Erfindung ist darin zu sehen, eine Fresnel-Linse bereitzustellen, die gleichzeitig für unterschiedliche Wellenlängenbereiche einsetzbar ist. Zu diesem Zweck weist eine erfindungsgemäße Fresnel-Linse wenigstens einen ersten und wenigstens einen zweiten Linsenbereich auf, wobei der erste Linsenbereich einen ersten Teil der Linsenoberfläche umfasst und der zweite Linsenbereich einen zweiten, vom ersten unterschiedlichen Teil der Linsenoberfläche umfasst, und wobei der erste und zweite Linsenbereich jeweils ein unterschiedliches Material mit unterschiedlichen Transmissionseigenschaften für elektromagnetische Strahlung aufweist.

Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine Linse für mehrere ausgewählte Wellenlängenbereiche, bzw. den Aufbau oder die Konstruktion einer solchen Linse, welche ein notwendiges Grundelement in einem Objektiv bildet, welches dazu ausgebildet ist, die Informationen des Objektraumes, die aus stark unterschiedlichen Wellenlängenbereichen kommen, in den Bildraum zeitglich passieren zu lassen, um dort in einer Bildebene detektiert zu werden.

Der Begriff der Bildebene soll vorliegend allgemein eine durch einen Sensor oder ein Sensor-Bauteil vorgegebene Detektionsfläche bezeichnen, wobei diese nicht zwingend tatsächlich eine ebene Fläche sein muss, sondern beispielsweise auch die Form einer Kugelteilfläche oder Kugelkalotte haben kann. Der Begriff der Bildebene wird somit vorliegend allgemein im Sinne eines Bildraums verwendet.

Ein wesentlicher Grundgedanke ist darin zu sehen, in einer Linse wenigstens zwei unterschiedliche Materialien zu kombinieren, wobei insbesondere wenigstens zwei unterschiedliche Substrate mit unterschiedlichen Transmissionseigenschaften in einer gemeinsamen Linse kombiniert werden. Denkbar ist aber auch, dass der erste und/oder zweite Linsenbereich durch eine Beschichtung der Fresnel-Linse gebildet wird. Beispielsweise könnte ein Substratmaterial verwendet werden, welches für die erste und zweite Wellenlänge transparent ist, wobei der erste und zweite Linsenbereich jeweils durch eine Beschichtung mit unterschiedlichen Materialien gebildet wird, wobei die Materialschichten jeweils nur für die erste bzw. zweite Wellenlänge transparent sind. Der Einsatz von Beschichtungen kann bei der Linsenherstellung vorteilhaft sein.

Vorteilhaft weist der erste Linsenbereich für eine erste Wellenlänge eine höhere Transmission als der zweite Linsenbereich und der zweite Linsenbereich für eine zweite Wellenlänge, die sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet, eine höhere Transmission als der erste Linsenbereich auf.

Mit besonderem Vorteil weist der erste Linsenbereich für einen ersten Wellenlängenbereich eine höhere Transmission als der zweite Linsenbereich und der zweite Linsenbereich für einen zweiten Wellenlängenbereich, der sich von dem ersten Wellenlängenbereich unterscheidet, eine höhere Transmission als der erste Linsenbereich auf. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten und zweiten Wellenlängenbereich um nicht überlappende Wellenlängenbereiche. Der erste und/oder zweite Wellenlängenbereich kann jeweils als ein zusammenhängendes Wellenlängenband ausgebildet sein oder durch wenigstens zwei nicht zusammenhängende Wellenlängenbänder gebildet sein.

Besonders vorteilhaft blockiert der erste Linsenbereich im Wesentlichen elektromagnetische Strahlung der zweiten Wellenlänge und der zweite Linsenbereich blockiert im Wesentlichen elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge. Auf diese Weise wirkt der erste Linsenbereich vorzugsweise abbildend nur für elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge bzw. des ersten Wellenlängenbereichs und somit als Blende für elektromagnetische Strahlung der zweiten Wellenlänge bzw. des zweiten Wellenlängenbereichs, während der zweite Linsenbereich vorzugsweise abbildend für elektromagnetische Strahlung der zweiten Wellenlänge bzw. des zweiten Wellenlängenbereichs und als Blende für elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge bzw. des ersten Wellenlängenbereichs wirkt.

Die Fresnel-Linse ist somit vorteilhaft gleichzeitig für zwei unterschiedliche Wellenlängenbereiche einsetzbar, wobei elektromagnetische Strahlung dieser zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereiche vorzugsweise gleichzeitig in eine gemeinsame Bildebene abgebildet werden kann.

Die Abbildung kann jeweils refraktiv oder diffraktiv erfolgen. Dementsprechend ist die Fresnel-Linse vorteilhaft als refraktive und/oder diffraktive Linse ausgebildet.

Erfolgt die Abbildung aufgrund von Diffraktion, so ist der jeweilige Linsenbereich vorteilhaft derart ausgebildet, dass eine diffraktive Fresnel-Zonenlinse gebildet wird.

Eine Fresnel-Linse weist typischerweise ringförmige Bereiche auf, die im Folgenden auch als Ringzonen bezeichnet werden. Erfolgt die Abbildung aufgrund von Refraktion, so ist der jeweilige Linsenbereich vorteilhaft als Ringzone der Fresnel-Linse ausgebildet.

In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Fresnel-Linse ferner wenigstens einen dritten Linsenbereich, welcher einen dritten, vom ersten und zweiten unterschiedlichen Teil der Linsenoberfläche umfasst und ein vom ersten und zweiten Linsenbereich unterschiedliches Material aufweist, wobei der dritte Linsenbereich für eine dritte, von der ersten und zweiten unterschiedliche Wellenlänge eine höhere Transmission aufweist als der erste und zweite Linsenbereich, der erste Linsenbereich für die erste Wellenlänge eine höhere Transmission als der dritte Linsenbereich aufweist, und der zweite Linsenbereich für die zweite Wellenlänge eine höhere Transmission als der dritte Linsenbereich aufweist.

Zweckmäßigerweise kann auch in dieser Ausführungsform vorgesehen sein, dass der erste Linsenbereich für einen ersten Wellenlängenbereich eine höhere Transmission als der zweite Linsenbereich und der zweite Linsenbereich für einen zweiten Wellenlängenbereich, die sich vom ersten Wellenlängenbereich unterscheidet, eine höhere Transmission als der erste Linsenbereich aufweist. In diesem Fall ist vorzugsweise vorgesehen, dass der dritte Linsenbereich für einen dritten, von dem ersten und zweiten unterschiedlichen Wellenlängenbereich eine höhere Transmission aufweist als der erste und zweite Linsenbereich, der erste Linsenbereich für den ersten Wellenlängenbereich eine höhere Transmission als der dritte Linsenbereich aufweist, und der zweite Linsenbereich für den zweiten Wellenlängenbereich eine höhere Transmission als der dritte Linsenbereich aufweist.

Bei Vorsehen wenigstens eines ersten, zweiten und dritten Linsenbereiches ist die Fresnel-Linse vorteilhaft gleichzeitig für drei unterschiedliche Wellenlängenbereiche einsetzbar, wobei elektromagnetische Strahlung dieser drei unterschiedlichen Wellenlängenbereiche vorzugsweise gleichzeitig in eine gemeinsame Bildebene abgebildet werden kann. Durch das Vorsehen weiterer Linsenbereiche, d.h. wenigstens eines vierten, fünften, etc. Linsenbereiches, die jeweils ein unterschiedliches Material mit unterschiedlichen Transmissionseigenschaften für elektromagnetische Strahlung als die übrigen Linsenbereiche aufweisen, kann eine Fresnel-Linse bereitgestellt werden, die gleichzeitig für eine vorgegebene Anzahl unterschiedlicher Wellenlängenbereiche einsetzbar ist, wobei elektromagnetische Strahlung aller vorgegebenen unterschiedlichen Wellenlängenbereiche vorzugsweise gleichzeitig in eine gemeinsame Bildebene abgebildet werden kann.

Auch die Abbildung durch den dritten Linsenbereich oder weitere Linsenbereiche kann jeweils refraktiv oder diffraktiv erfolgen, wobei der jeweilige Linsenbereich bei Abbildung aufgrund von Diffraktion vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass eine diffraktive Fresnel-Zonenlinse gebildet wird, und bei Abbildung aufgrund von Refraktion vorzugsweise als Ringzone der Fresnel-Linse ausgebildet ist.

Die erste und zweite, sowie gegebenenfalls die dritte Wellenlänge und weitere Wellenlängen bzw. der erste und zweite, sowie gegebenenfalls der dritte Wellenlängenbereich und weitere Wellenlängenbereiche können je nach Einsatzzweck beliebig gewählt werden, soweit Materialien mit geeigneten Transmissionseigenschaften zur Verfügung stehen.

Die erste Wellenlänge bzw. der erste Wellenlängenbereich liegt vorzugsweise im sichtbaren Spektrum zwischen 380 nm und 780 nm und die zweite Wellenlänge bzw. der zweite Wellenlängenbereich liegt vorzugsweise im infraroten Spektrum zwischen 780 nm und 1 mm, insbesondere zwischen 2 µm und 15 µm. In dieser Ausführungsform umfasst der erste Linsenbereich vorteilhaft ein optisches Glas und der zweite Linsenbereich umfasst vorteilhaft Germanium, insbesondere reines Germanium. Das für den ersten Linsenbereich gewählte optische Glas hat vorzugsweise eine geringe Transmission zumindest in Teilen des infraroten Spektrums.

Beispielsweise kann als optisches Glas für den ersten Linsenbereich ein Borosilikat-Kronglas eingesetzt werden, welches elektromagnetische Strahlung im infraroten Spektrum ab einer Wellenlänge von etwa 2 µm im Wesentlichen blockiert. Der Transmissionsbereich von Germanium reicht etwa von 2 µm bis 16 µm, so dass der erste Linsenbereich gerade elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen durchlässt, die vom zweiten Linsenbereich blockiert werden und der zweite Linsenbereich elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen durchlässt, die vom zweiten Linsenbereich blockiert werden.

Eine Fresnel-Linse, die zur gleichzeitigen Abbildung elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren und infraroten Spektrum ausgebildet ist, kann vorteilhaft beispielsweise in einem Fahrzeug eingesetzt werden, beispielsweise in einem Rückfahrkamera-System oder einem anderen Fahrer-Assistenzsystem, da dann eine einzige Kamera mit geringem Volumen und Gewicht bzgl. des Objektives gleichzeitig Informationen aus unterschiedlichen Wellenlängenbereichen liefern kann und insbesondere für den IR-Bereich auch bei Dunkelheit im sichtbaren Licht keine aktive Beleuchtung des Objektes benötigt wird.

Die erste, zweite oder dritte Wellenlänge bzw. der erste, zweite oder dritte Wellenlängenbereich kann auch außerhalb des sichtbaren und infraroten Spektrums, beispielsweise im ultravioletten Spektrum zwischen 1 nm und 380 n oder sogar im Röntgenspektrum zwischen 0,01 nm und 1 nm liegen.

Um den Einsatz der Fresnel-Linse für ausgewählte Wellenlängenbereiche zu ermöglichen, können gewünschte Transmissionseigenschaften eines Linsenbereiches, insbesondere Bandpass-Eigenschaften, auch beispielsweise durch eine geeignete Beschichtung des entsprechenden Linsenbereiches erreicht werden.

Vorzugsweise weisen der erste und der zweite Linsenbereich, bezogen auf eine vorgegebene Wellenlänge, jeweils eine unterschiedliche Brennweite auf.

Besonders vorteilhaft weist der erste Linsenbereich, bezogen auf die erste Wellenlänge, für die der erste Linsenbereich transparent ist, und der zweite Linsenbereich, bezogen auf die zweite Wellenlänge, für die der zweite Linsenbereich transparent ist, jeweils die gleiche Brennweite auf.

Auf diese Weise wird ermöglicht, dass elektromagnetische Strahlung der ersten und zweiten Wellenlänge bzw. des ersten und zweiten Wellenlängenbereiches im Wesentlichen in eine gemeinsame Bildebene abgebildet wird.

Entsprechendes gilt, wenn ein dritter Linsenbereich oder weitere Linsenbereiche vorgesehen sind, d.h. vorteilhaft weist jeder Linsenbereich, bezogen auf die dem jeweiligen Linsenbereich zugeordnete Wellenlänge jeweils die gleiche Brennweite auf, so dass vorteilhaft elektromagnetische Strahlung der ersten, zweiten, dritten und gegebenenfalls weiteren Wellenlänge bzw. der entsprechenden Wellenlängenbereiche, für welche die jeweiligen unterschiedlichen Linsenbereiche transparent sind, im Wesentlichen in eine gemeinsame Bildebene abgebildet wird.

Besonders vorteilhaft sind mehrere erste und zweite Linsenbereiche vorgesehen, wobei sich die ersten und zweiten Linsenbereiche vorzugsweise von der Linsenmitte nach außen abwechseln.

Bei Vorsehen von drei unterschiedlichen Linsenbereichen sind vorteilhaft mehrere erste, zweite und dritte Linsenbereiche vorgesehen, wobei sich die ersten, zweiten und dritten Linsenbereiche von der Linsenmitte nach außen abwechseln. Entsprechendes gilt bei Vorsehen weiterer Linsenbereiche, d.h. vierter, fünfter etc. Linsenbereiche.

Bei refraktiver Abbildung durch die ersten Linsenbereiche bildet jeder der mehreren ersten Linsenbereiche vorteilhaft jeweils eine Ringzone der Fresnel-Linse. Entsprechendes gilt für die zweiten Linsenbereiche, sowie gegebenenfalls für die dritten und weiteren Linsenbereiche.

Jeweils angrenzende Linsenbereiche sind vorzugsweise miteinander verklebt oder mittels flexibler Verbindungselemente miteinander verbunden.

Ein erfindungsgemäßes digitales Kamerasystem umfasst wenigstens eine Fresnel-Linse wie oben beschrieben, sowie ein Sensor-Bauteil, welches zumindest erste, für die erste Wellenlänge sensitive Sensorelemente und zweite, für die zweite Wellenlänge sensitive Sensorelemente umfasst.

Bei Abbildung von elektromagnetischer Strahlung eines ersten und zweiten Wellenlängenbereiches sind die ersten und zweiten Sensorelemente vorzugsweise für im Wesentlichen alle Wellenlängen in dem jeweiligen Wellenlängenbereich sensitiv.

Als Sensorelemente können beispielsweise Fotodioden eingesetzt werden, wobei das Sensor-Bauteil als CCD-Sensor oder CMOS-Sensor ausgebildet sein kann. Um gezielt die gewünschten Wellenlängen zu detektieren, kann das Sensor-Bauteil entsprechende Filter vorsehen.

Ein Sensor, der zum Einsatz als Sensor-Bauteil geeignet ist, wird auch in der Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Titel „Verfahren zum Bestimmen der Position und/oder Orientierung durch gleichzeitige Aufnahme von Objektrauminformation aus erheblich unterschiedlichen Wellenlängenbereichen in einem Bild, digitales Kamerasystem und mobile elektronische Einrichtung“ beschrieben, welche am gleichen Tag wie die vorliegende Patentanmeldung eingereicht wurde. Der Inhalt dieser Patentanmeldung wird vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung inkorporiert.

Ein erfindungsgemäßes Objektiv umfasst wenigstens eine Fresnel-Linse wie oben beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen gleiche oder ähnliche Teile.

Es zeigen:

  • 1: schematisch die Abbildung eines parallelen Strahlenbündels mit einer halbkonvexen Linse,
  • 2: schematisch die Abbildung eines parallelen Strahlenbündels mit einer halbkonvexen Fresnel-Linse, welche die gleiche Brennweite aufweist wie die in 1 dargestellte Linse,
  • 3: eine schematische Schrägansicht der in 2 dargestellten Fresnel-Linse,
  • 4: schematisch den Querschnitt einer bikonvexen Linse und einer entsprechenden bikonvexen Fresnel-Linse,
  • 5: schematisch eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Fresnel-Linse mit mehreren ersten und zweiten Linsenbereichen,
  • 6: schematisch die Abbildung eines parallelen Strahlenbündels mit der in 5 dargestellten Fresnel-Linse,
  • 6a: schematisch die Erzeugung eines reellen Bildes mit der in 5 dargestellten Fresnel-Linse,
  • 7: schematisch eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Fresnel-Linse mit mehreren ersten und zweiten Linsenbereichen, welche als Rechtecklinse ausgebildet ist,
  • 8: eine schematische Schrägansicht der in 7 dargestellten Fresnel-Linse,
  • 9: schematisch eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer Fresnel-Linse mit mehreren ersten und zweiten Linsenbereichen,
  • 10: schematisch ein digitales Kamerasystem, welches eine erfindungsgemäße Fresnel-Linse umfasst,
  • 11: schematisch eine vierte bevorzugte Ausführungsform einer Fresnel-Linse mit mehreren ersten, zweiten und dritten Linsenbereichen,
  • 12: schematisch eine fünfte bevorzugte Ausführungsform einer Fresnel-Linse mit mehreren ersten, zweiten und dritten Linsenbereichen,
  • 13: schematisch eine sechste bevorzugte Ausführungsform einer Fresnel-Linse mit mehreren ersten und zweiten Linsenbereichen, wobei die ersten Linsenbereiche diffraktiv und die zweiten Linsenbereiche refraktiv wirken,
  • 14: eine schematische Schrägansicht der in 13 dargestellten Fresnel-Linse,
  • 15: schematisch eine Variante der in 13 dargestellten Fresnel-Linse, wobei die ersten Linsenbereiche eine Beschichtung umfassen,
  • 16: schematisch eine weitere Variante der in 13 dargestellten Fresnel-Linse, wobei die ersten Linsenbereiche eine Beschichtung umfassen, und
  • 17: schematisch ein Fahrzeug, welches wenigstens ein in 10 dargestelltes digitales Kamerasystem als Teil einer Rückfahrkamera oder eines Fahrer-Assistenzsystems umfasst.

In den 1 bis 4 sind aus dem Stand der Technik bekannte Linsen dargestellt.

1 zeigt schematisch im Querschnitt eine übliche halbkonvexe sphärische Linse 10 mit der Brennweite f, bei der in bekannter Weise ein parallel einfallendes Strahlenbündel im Fokus F fokussiert wird. 2 zeigt schematisch im Querschnitt eine zu der in 1 gezeigten Linse korrespondierende Fresnel-Linse 20 mit gleicher Brennweite f, welche ein parallel einfallendes Strahlenbündel in gleicher Weise im Fokus F fokussiert. Die Form der in 2 dargestellten Fresnel-Linse 20 kann in bekannter Weise aus der Form der in 1 dargestellten Linse gebildet werden, indem die Dicke der Linse abschnittsweise unter Beibehaltung der Oberflächenkrümmung reduziert wird, wobei bei einer kreisförmigen Linse durch die Abschnitte insbesondere Ringzonen der Fresnel-Linse 20 gebildet werden. Dies ist schematisch in der in 3 dargestellten Schrägansicht der Fresnel-Linse 20 veranschaulicht. In den 1 und 2 ist beispielhaft eine Blende 30 dargestellt, wobei bei der dargestellten Einstellung der Blende 30 die äußerste Ringzone 21 der Fresnel-Linse 20 abgedeckt ist und somit nicht zur Abbildung beiträgt.

In den im Folgenden dargestellten Ausführungsformen werden hinsichtlich Refraktion halbkonvexe Linsen betrachtet. Die Ausführungen können jedoch auch auf andere Linsenarten übertragen werden, wie beispielsweise auf bikonvexe Linsen. Aus dem Stand der Technik bekannte bikonvexe Linsen sind beispielhaft in 4 dargestellt, wobei 4 a) eine bikonvexe sphärische Linse 12 und 4 b) eine korrespondierende bikonvexe Fresnel-Linse 22 zeigt.

In 5 ist schematisch eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Fresnel-Linse 210 dargestellt, wobei 5 a) eine Querschnittsansicht und 5 b) eine Aufsicht der Fresnel-Linse 210 zeigt. Die Fresnel-Linse 210 weist wenigstens einen ersten und wenigstens einen zweiten Linsenbereich auf, wobei der erste Linsenbereich einen ersten Teil der Linsenoberfläche umfasst und der zweite Linsenbereich einen zweiten, vom ersten unterschiedlichen Teil der Linsenoberfläche umfasst, und wobei der erste und zweite Linsenbereich jeweils ein unterschiedliches Material mit unterschiedlichen Transmissionseigenschaften für elektromagnetische Strahlung aufweist.

In dem in 5 dargestellten Beispiel weist die Fresnel-Linse 210 mehrere erste Linsenbereiche 211-1, 211-2, 211-3 und 211-4 aus einem ersten Material und mehrere zweite Linsenbereiche 212-1, 212-2 und 212-3 aus einem zweiten Material auf.

Wie in 5 b) erkennbar ist, handelt es sich bei der Fresnel-Linse 210 um eine kreisförmige Linse, wobei die Linsenbereiche 211-1, 211-2, 211-3, 211-4, 212-1, 212-2 und 212-3 jeweils als Ringzonen der Fresnel-Linse ausgebildet sind.

Vorteilhaft weisen die ersten Linsenbereiche 211-1, 211-2, 211-3 und 211-4 für eine erste Wellenlänge eine höhere Transmission als die zweiten Linsenbereiche 212-1, 212-2 und 212-3 und die zweiten Linsenbereiche 212-1, 212-2 und 212-3 für eine zweite, von der ersten Wellenlänge unterschiedliche Wellenlänge eine höhere Transmission als die ersten Linsenbereiche 211-1, 211-2, 211-3 und 211-4 auf.

Mit besonderem Vorteil blockieren die ersten Linsenbereiche 211-1, 211-2, 211-3 und 211-4 im Wesentlichen elektromagnetische Strahlung der zweiten Wellenlänge und die zweiten Linsenbereiche 212-1, 212-2 und 212-3 elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge. Eine elektromagnetische Strahlung wird vorzugsweise dann im Wesentlichen blockiert, wenn der Transmissionsgrad für die jeweilige Wellenlänge unter 25%, insbesondere unter 10%, insbesondere unter 5%, insbesondere unter 1% liegt.

Mit anderen Worten sind die ersten Linsenbereiche für die erste Wellenlänge im Wesentlichen transparent und wirken für die zweite Wellenlänge im Wesentlichen als Blende, während die zweiten Linsenbereiche für die zweite Wellenlänge im Wesentlichen transparent sind und für die erste Wellenlänge im Wesentlichen als Blende wirken.

Vorzugsweise trifft dies nicht nur für eine erste und eine zweite Wellenlänge, sondern für einen ersten und einen zweiten Wellenlängenbereich zu, wobei es sich bei dem ersten und zweiten Wellenlängenbereich vorteilhaft um nicht überlappende Wellenlängenbereiche handelt, und wobei der erste und/oder zweite Wellenlängenbereich jeweils als ein zusammenhängendes Wellenlängenband ausgebildet oder durch wenigstens zwei nicht zusammenhängende Wellenlängenbänder gebildet sein kann.

Bevorzugt liegt die erste Wellenlänge bzw. der erste Wellenlängenbereich im sichtbaren Spektrum zwischen 380 nm und 780 nm und die zweite Wellenlänge bzw. der zweite Wellenlängenbereich liegt bevorzugt im infraroten Spektrum zwischen 780 nm und 1 mm, insbesondere zwischen 2 µm und 15 µm.

Dementsprechend umfassen die ersten Linsenbereiche 211-1, 211-2, 211-3 und 211-4 der in 5 dargestellten Fresnel-Linse 210 vorteilhaft ein optisches Glas, wobei bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel das Volumen der ersten Linsenbereiche 211-1, 211-2, 211-3 und 211-4 jeweils vollständig durch das optische Glas gebildet ist. Um eine Transparenz im infraroten Spektrum, nicht aber im sichtbaren Spektrum zu erreichen, umfassen die zweiten Linsenbereiche 212-1, 212-2 und 212-3 der in 5 dargestellten Fresnel-Linse 210 vorteilhaft zum Beispiel Germanium, insbesondere reines Germanium, wobei bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel das Volumen der zweiten Linsenbereiche 212-1, 212-2 und 212-3 jeweils vollständig durch Germanium gebildet ist.

Als optisches Glas kann beispielsweise ein Borosilikat-Kronglas eingesetzt werden, welches über das gesamte sichtbare Spektrum und bis ins nahe Infrarot transparent ist, aber elektromagnetische Strahlung im ultravioletten Spektrum, sowie im infraroten Spektrum ab einer Wellenlänge von etwa 2 µm im Wesentlichen blockiert. Der Transmissionsbereich von Germanium reicht etwa von 2 µm bis 16 pm, so dass sich die Transmissionsbereiche der ersten und zweiten Linsenbereiche im dargestellten Beispiel nicht überlappen. Es können aber für die ersten und zweiten Linsenbereiche auch andere Materialien mit geeigneten Transmissionseigenschaften gewählt werden.

Das jeweilige Substratmaterial der ersten und/oder zweiten Linsenbereiche der in 5 dargestellten Fresnel-Linse, d.h. das optische Glas und/oder das Germanium kann mit Vorteil an der Linsenoberfläche zusätzlich beschichtet sein, beispielsweise mit einer Antireflexbeschichtung. Die Beschichtung ist dabei jedoch insbesondere derart ausgebildet, dass diese für den jeweils gewünschten Wellenlängenbereich transparent ist.

Die ersten Linsenbereiche 211-1, 211-2, 211-3 und 211-4 sind vorteilhaft derart ausgebildet, dass diese refraktiv wirken und elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im ersten Wellenlängenbereich, d.h. im dargestellten Beispiel im sichtbaren Spektrum, mit einer vorgegebenen ersten Brennweite abbilden. Im dargestellten Beispiel entsprechen somit die ersten Linsenbereiche 211-1, 211-2, 211-3 und 211-4 entsprechenden Ringzonen einer aus dem Stand der Technik an sich bekannten Fresnel-Linse. Die zweiten Linsenbereiche 212-1, 212-2 und 212-3 sind vorteilhaft derart ausgebildet, dass diese refraktiv wirken und elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im zweiten Wellenlängenbereich, d.h. im dargestellten Beispiel im infraroten Spektrum, mit einer vorgegebenen zweiten Brennweite abbilden.

Mit besonderem Vorteil sind die erste und zweite Brennweite im Wesentlichen identisch, so dass durch die Fresnel-Linse 210 elektromagnetische Strahlung des sichtbaren Spektrums und des infraroten Spektrums in eine gemeinsame Bildebene abgebildet wird. Eine ausreichende Angleichung oder Gleichheit der zwei Brennweiten wird durch eine unterschiedliche Oberflächenkrümmung der ersten und zweiten Linsenbereiche erreicht, wobei die unterschiedlichen Oberflächenkrümmungen in den Figuren nicht explizit wiedergegeben sind.

Eine Situation mit im Wesentlichen identischen Brennweiten ist schematisch in 6 dargestellt. 6 zeigt die Fresnel-Linse 210 und ein einfallendes paralleles Strahlenbündel, welches zumindest Strahlen im sichtbaren und im infraroten Spektrum umfasst, die schematisch und beispielhaft als Linien dargestellt sind. Strahlen mit Wellenlängen im sichtbaren Spektrum sind als durchgezogene Linien 311 dargestellt und Strahlen mit Wellenlängen im infraroten Spektrum als gestrichelte Linien 312. Die Strahlen beider Wellenlängenbereiche werden im Wesentlichen im Fokus F fokussiert. Aufgrund der chromatischen Aberration fällt der Fokus typischerweise bei nicht korrigierter Oberflächenkrümmung nur für eine ausgewählte Wellenlänge des ersten Wellenlängenbereiches und eine ausgewählte Wellenlänge des zweiten Wellenlängenbereiches genau zusammen. Diese kann je nach Einsatzzweck geeignet gewählt werden. Beispielsweise kann die mittlere Wellenlänge eines gewünschten Wellenlängenbereiches gewählt werden oder die Wellenlänge, welche der Mittenfrequenz eines gewünschten Wellenlängenbereiches entspricht. Auch kann eine Wellenlänge gewählt werden, bei der ein Maximum der abzubildenden Strahlung erwartet wird.

6a zeigt beispielhaft ein mit der Linse 210 erzeugtes reelles Bild P' eines Gegenstands P. Strahlen mit Wellenlängen im sichtbaren Spektrum sind wieder als durchgezogene Linien dargestellt und Strahlen mit Wellenlängen im infraroten Spektrum wieder als gestrichelte Linien. Wie aus der 6a ersichtlich, tragen sowohl Strahlen mit Wellenlängen im sichtbaren Spektrum als auch Strahlen mit Wellenlängen im infraroten Spektrum zur Abbildung des Gegenstands P bei. Dies trifft natürlich nur dann zu, wenn der Gegenstand P Strahlung in beiden Wellenlängenbereichen abgibt.

Der Brechungsindex des optischen Glases des ersten Linsenbereiches liegt für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektrum beispielsweise bei etwa 1,5, während der Brechungsindex des Germaniums des zweiten Linsenbereiches für elektromagnetische Strahlung im infraroten Spektrum bei etwa 4 liegt. Da sich der Brechungsindex des optischen Glases der ersten Linsenbereiche für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektrum von dem Brechungsindex des Germaniums der zweiten Linsenbereiche für elektromagnetische Strahlung im infraroten Spektrum unterscheidet, weisen die ersten Linsenbereiche vorzugsweise eine unterschiedliche Oberflächenkrümmung als die zweiten Linsenbereiche auf, um identische Brennweiten zu erzeugen.

Es sei angemerkt, dass dies im dargestellten Beispiel nicht zu einer doppelten Abbildung führt, da eine vorgegebene Wellenlänge nur entweder die ersten oder die zweiten Linsenbereiche passieren kann.

Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform werden die Linsenbereiche durch konzentrisch angeordnete Ringzonen gebildet, wobei sich das Material der Ringzonen unterscheidet.

Jede Ringzone könnte aus einem anderen Material bestehen, wobei das spezielle Material der jeweiligen Ringzone insbesondere bei der Herstellung der Linse festgelegt wird.

Da die Ringzonen in einer Reihenfolge von innen, d.h. von der Linsenmitte, nach außen angeordnet sind, kann eine Ringzone durch eine Information (i;k) definiert werden, wobei der Wert i die Position in der Reihenfolge von innen nach außen und k das jeweilige Material der Ringzone angibt. Um eine Ringzone eindeutig festzulegen, werden vorzugsweise zusätzlich die Breite der Ringzone in Richtung von der Linsenmitte nach außen, sowie die Brennweite bezüglich einer vorgegebene Wellenlänge definiert.

Mögliche Materialien wurden oben bereits beispielhaft beschrieben. Es sei angemerkt, dass es sich bei einem Material k einer Ringzone nicht homogen um ein einziges Material handeln muss, sondern das Material k auch eine Materialmischung aus mehreren Materialien sein kann, das zum Beispiel einen speziellen Wellenlängenbereich besonders gut durchlässt und für einen anderen Wellenlängenbereich als Komplettblende wirkt oder diesen anderen Wellenlängenbereich nur mit geringerer Intensität durchlässt. Auch können die gewünschten Transmissionseigenschaften des jeweiligen Materials durch eine geeignete Beschichtung erreicht werden.

Eine mögliche Fresnel-Ringkombination ist eine strikte Abwechslung erster und zweiter Linsenbereiche, wie in 5 dargestellt, um für zwei Wellenlängenbereiche und ihre korrespondierenden Materialien a und b auch gleichberechtigt die qualitativ guten Bereiche der Linse zu nutzen: (1;a) (2;b) (3;a) (4;b) (5;a) (6;b) (7;a). Diese Abfolge könnte entsprechend fortgesetzt werden.

Die in den dargestellten Ausführungsformen vorgesehene Anzahl der Ringzonen ist nur beispielhaft und könnte auch deutlich höher liegen. So könnten beispielsweise mehr als 10, mehr als 100 oder auch mehr als 1000 Ringzonen vorgesehen sein.

Es wäre auch denkbar, Materialien für die ersten bzw. zweiten Linsenbereiche zu wählen, die in einem spektralen Überlappungsbereich beide transparent sind. Bei einer solchen Ausführung weisen die ersten Linsenbereiche vorzugsweise eine Brennweite für eine erste Wellenlänge auf, die außerhalb des Überlappungsbereiches liegt, und die zweiten Linsenbereiche die gleiche Brennweite für eine zweite, von der ersten unterschiedliche Wellenlänge, die ebenfalls außerhalb des Überlappungsbereiches liegt, wobei die erste Wellenlänge vorzugsweise unterhalb des Überlappungsbereiches und die zweite Wellenlänge vorzugsweise oberhalb des Überlappungsbereiches liegt.

Wird beispielsweise bei dem in 5 dargestellten Beispiel statt des optischen Glases als Material Saphir verwendet, welches einen Transmissionsbereich von etwa 0,3 µm bis etwa 6 µm aufweist, so ergibt sich ein Überlappungsbereich von etwa 2 µm bis etwa 6 µm, in welchem beide Materialien transparent sind.

Die Geometrie der ersten und zweiten Linsenbereiche könnte dann beispielsweise so ausgebildet sein, dass die Brennweite der ersten Linsenbereiche für eine Wellenlänge von 670 nm mit der Brennweite der zweiten Linsenbereiche für eine Wellenlänge im langwelligen Infrarot von beispielsweise 10 µm übereinstimmt.

Bezogen auf eine vorgegebene Wellenlänge im Überlappungsbereich weisen der erste und der zweite Linsenbereich dann vorzugsweise jeweils eine unterschiedliche Brennweite auf.

Da bei einer solchen Ausführung elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen, die im Überlappungsbereich liegen, nicht im Fokus F fokussiert wird und zudem durch die ersten und zweiten Linsenbereiche unterschiedlich abgebildet wird, ergibt sich eine reduzierte Abbildungsqualität. Eine solche Ausführung ist daher nur dann vorteilhaft, wenn für die gewünschten Wellenlängenbereiche keine Materialen mit geeigneten Transmissionseigenschaften zur Verfügung stehen.

Statt einer kreisförmigen Fresnel-Linse 210, wie sie in 5 dargestellt ist, liegen selbstverständlich auch andere Linsenformen im Rahmen der Erfindung. Die 7 und 8 zeigen beispielsweise eine Fresnel-Linse 220 in Rechteckform.

In 7 ist die Fresnel-Linse 220 schematisch dargestellt, wobei 7 a) eine Querschnittsansicht und 7 b) eine Aufsicht der Fresnel-Linse 220 zeigt. In dem in 7 dargestellten Beispiel weist die Fresnel-Linse 220 mehrere erste Linsenbereiche 221-1, sowie 221-2a, 221-3a, 221-4a, 221-2b, 221-3b und 221-4b aus einem ersten Material und mehrere zweite Linsenbereiche 222-1a, 222-2a, 222-3a, 222-1b, 222-2b und 222-3b aus einem zweiten Material auf. Die Materialien können wie bei in 5 dargestellten Fresnel-Linse 210 gewählt sein.

Die in 7 dargestellte Fresnel-Linse 220 bildet im Grunde einen rechteckförmigen Ausschnitt der in 5 dargestellten Fresnel-Linse 210.

Zur weiteren Veranschaulichung ist in 8 schematisch eine Schrägansicht der in 7 dargestellten Fresnel-Linse 220 dargestellt. Da 8 lediglich zur Veranschaulichung der Linsenform dient, wurde auf eine Kennzeichnung der unterschiedlichen Materialien verzichtet.

Statt einer strikten Abwechslung zweier Materialien könnte auch eine beliebige andere vorgegebene Anordnung der Ringzonen zweier Materialien vorgesehen sein, wie zum Beispiel (1;a) (2;a) (3;b) (4;a) (5;a) (6;b) (7;a). Diese Abfolge könnte entsprechend fortgesetzt werden.

Dies ist schematisch in 9 gezeigt. Die dort gezeigte weitere bevorzugte Ausführungsform einer Fresnel-Linse 230 umfasst mehrere erste Linsenbereiche 231-1, 231-2, 231-3, 231-4 und 231-5 und mehrere zweite Linsenbereiche 232-1 und 232-2 entsprechend obiger Fresnel-Ringkombination.

10 zeigt schematisch ein digitales Kamerasystem 400, welches eine Fresnel-Linse 410 umfasst, die im dargestellten Beispiel der oben beschriebenen Fresnel-Linse 210 entspricht. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das digitale Kamerasystem 400 ein Gehäuse 440, in dem die Fresnel-Linse 410 sowie ein Sensor-Bauteil 420 angeordnet sind, wobei das Sensor-Bauteil 420 in der Bildebene angeordnet ist. Zur Fokussierung kann die Fresnel-Linse 410 und/oder das Sensor-Bauteil 420 beweglich ausgebildet sein. Im dargestellten Beispiel umfasst das Sensor-Bauteil 420 zumindest erste, für die erste Wellenlänge sensitive Sensorelemente und zweite, für die zweite Wellenlänge sensitive Sensorelemente, wobei auch spezielle kombinierte Sensorelemente verwendet werden können, die für beide Wellenlängen zugleich sensitiv sind.

Für andere Ausführungsformen von Fresnel-Linsen für mehr als zwei Wellenlängenbereiche umfasst das Sensor-Bauteil 420 vorzugsweise weitere Sensorelemente, welche für eine dritte bzw. weitere Wellenlängen sensitiv sind oder spezielle kombinierte Sensorelemente, die für alle relevanten Wellenlängen zugleich sensitiv sind.

Vorteilhaft sind alle Sensorelemente des Sensor-Bauteils 420 in einer gemeinsamen Bildebene angeordnet, wobei die Sensorelemente beispielsweise als Fotodioden ausgebildet sein können und gegebenenfalls ein vorgeschaltetes Filter vorgesehen sein kann, welches nur die Wellenlängen zum jeweiligen Sensorelement durchlässt, die von dem jeweiligen Sensorelement detektiert werden sollen.

Eine kombinierte Fotodiode in der Bildebene könnte bekannter Weise aber auch nacheinander senkrecht zur Bildebene sensitiv sein für unterschiedliche Wellenlängen und somit eine hohe Packungsdichte von Dioden in der Bildebene ermöglichen, um möglichst hohe Auflösungen in der Bildebene zu erzielen.

In dem in 10 dargestellten Beispiel weist das digitale Kamerasystem ferner eine mit dem Sensor-Bauteil 420 verbundene Schnittstelle 430 auf, beispielsweise zum Anschließen einer Anzeigevorrichtung oder zum Verbinden mit einer Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, aufgenommene Bilder einem Speicher zuzuführen und dort zu speichern.

Ein digitales Kamerasystem könnte auch mehrere Linsen umfassen, von denen eine oder mehrere erfindungsgemäß ausgeführt sein können. Bei Einsatz mehrerer Linsen können eine oder mehrere von diesen zur Fokussierung beweglich ausgeführt sein. Mehrere Linsen, von denen eine oder mehrere erfindungsgemäß ausgeführt sind, können vorteilhaft auch ein erfindungsgemäßes Objektiv bilden. Die Kombination von Linsen zu Objektiven wird nicht näher betrachtet, da sie weitestgehend den bekannten Regeln handelsüblicher Objektive folgt.

In 11 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Fresnel-Linse 240 dargestellt, welche mehrere erste Linsenbereiche 241-1, 241-2 und 241-3, mehrere zweite Linsenbereiche 242-1 und 242-2, sowie mehrere dritte Linsenbereiche 243-1 und 243-2 umfasst, wobei 11 a) eine Querschnittsansicht und 11 b) eine Aufsicht der Fresnel-Linse 240 zeigt.

Die ersten Linsenebereiche 241-1, 241-2 und 241-3 umfassen vorzugsweise einen ersten Teil der Linsenoberfläche, die zweiten Linsenbereiche 242-1 und 242-2 umfassen vorzugsweise einen zweiten, vom ersten unterschiedlichen Teil der Linsenoberfläche, und die dritten Linsenbereiche 243-1 und 243-2 umfassen vorzugsweise einen dritten, vom ersten und zweiten unterschiedlichen Teil der Linsenoberfläche. Vorteilhaft weisen die ersten Linsenbereiche für eine erste Wellenlänge eine höhere Transmission als die zweiten und dritten Linsenbereiche auf, und die zweiten Linsenbereiche weisen für eine zweite Wellenlänge eine höhere Transmission als die ersten und dritten Linsenbereiche auf, und die dritten Linsenbereiche weisen für eine dritte Wellenlänge eine höhere Transmission als die ersten und zweiten Linsenbereiche auf.

Ferner blockieren die ersten Linsenbereiche vorteilhaft elektromagnetische Strahlung der zweiten und dritten Wellenlänge, während die zweiten Linsenbereiche vorteilhaft elektromagnetische Strahlung der ersten und dritten Wellenlänge blockieren und die dritten Linsenbereiche vorteilhaft elektromagnetische Strahlung der ersten und zweiten Wellenlänge blockieren.

Zu diesem Zweck weisen vorteilhaft die ersten, zweiten und dritten Linsenbereiche jeweils unterschiedliche Materialien auf.

Die in 11 dargestellte Kombination von Ringzonen entspricht einer strikten Abwechslung unterschiedlicher Materialien, um für drei Wellenlängenbereiche und ihre korrespondierenden Materialien a, b und c auch gleichberechtigt die qualitativ guten Bereiche der Linse zu nutzen: (1;a) (2;b) (3;c) (4;a) (5;b) (6;c) (7;a). Diese Abfolge könnte entsprechend fortgesetzt werden.

In 12 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Fresnel-Linse 250 dargestellt, welche mehrere erste Linsenbereiche 251-1 und 251-2, mehrere zweite Linsenbereiche 252-1 und 252-2, sowie mehrere dritte Linsenbereiche 253-1, 253-2 und 253-3 umfasst, wobei 12 a) eine Querschnittsansicht und 12 b) eine Aufsicht der Fresnel-Linse 250 zeigt.

In 13 ist eine nochmals weitere bevorzugte Ausführungsform einer Fresnel-Linse 260 dargestellt, welche mehrere erste Linsenbereiche 261-1 bis 261-7 und mehrere zweite Linsenbereiche 262-1 bis 262-6 umfasst, wobei 13 a) eine Querschnittsansicht und 13 b) eine Aufsicht der Fresnel-Linse 260 zeigt.

Bei dieser Ausführungsform wirken die ersten Linsenbereiche 261-1 bis 261-7 diffraktiv, d.h. diese führen zu einer Beugung analog einer Fresnel-Zonenplatte und sind aus einem Material, welches transparent für eine erste Wellenlänge und im Wesentlichen intransparent für eine zweite Wellenlänge ist. Die zweiten Linsenbereiche 262-1 bis 262-6 hingegen wirken refraktiv und bilden elektromagnetische Strahlung einer zweiten Wellenlänge auf die Bildebene ab, wobei die zweiten Linsenbereiche 262-1 bis 262-6 aus einem Material gebildet sind, welches transparent für die zweite Wellenlänge und im Wesentlichen intransparent für die erste Wellenlänge ist.

Zur weiteren Veranschaulichung ist in 14 schematisch eine Schrägansicht eines Ausschnitts der in 13 dargestellten Fresnel-Linse 260 dargestellt. Da 14 lediglich zur Veranschaulichung der Linsenform dient, wurde auf eine Kennzeichnung der unterschiedlichen Materialien verzichtet. Der in 14 gezeigte Ausschnitt umfasst die in 13 gezeigten Linsenbereiche 261-1 bis 261-5 und 262-1 bis 262-4. Wie der 14 zu entnehmen ist, sind in dieser Ausführungsform die zweiten Linsenbereiche 262-1 bis 262-6 entsprechend der Ringzonen einer Fresnel-Linse geformt, während die ersten Linsenbereiche 261-1 bis 261-7 eine im Wesentlichen plane Oberfläche aufweisen.

Die 15 und 16 zeigen schematisch zwei Varianten 260' und 260'' der in 13 dargestellten Fresnel-Linse 260, wobei die ersten Linsenbereiche 261-1 bis 261-7 jeweils eine Beschichtung umfassen, durch welche sich vorteilhaft die gewünschten Transmissionseigenschaften ergeben.

Diffraktiv wirkende erste Linsenbereiche können auch vorteilhaft zur Abbildung elektromagnetischer Strahlung im Röntgenspektrum eingesetzt werden, da der Brechungsindex für Röntgenstrahlung in allen Materialien sehr nahe bei eins liegt und Röntgenstrahlung außerdem in Festkörpern stark absorbiert wird, und somit eine refraktive Abbildung im Röntgenspektrum schwierig ist.

Bei der in 13 gezeigten Linse 260 könnten dementsprechend die ersten Linsenbereiche 261-1 bis 261-7 für Röntgenstrahlung transparent und die zweiten Linsenbereiche 262-1 bis 262-6 für Röntgenstrahlung absorbierend sein.

Für eine konstruktive Interferenz in einem Fokus müssen die Radien der abwechselnd transparenten und absorbierenden Zonen in der quadratischen Näherung folgender Gleichung genügen: rn=nλfgf+gembedded imagewobei

n
die fortlaufende Nummer der Zone,
λ
die Wellenlänge der Strahlung, z. B. 5 nm für Röntgenstrahlung,
f
die Bildweite, also der Abstand vom Zentrum der Linse zum Bild (Fokus), und
g
die Gegenstandsweite bezeichnet.

Für g » f gilt: rn=nλf.embedded image

Für den Einsatz zur Abbildung von Röntgenstrahlung umfasst die Linse dementsprechend eine sehr viel höhere Anzahl an Ringzonen als in 13 gezeigt. Dies ist beispielsweise mit bekannten Methoden der Mikro- oder Nanostrukturierung realisierbar.

Eine zur gleichzeitigen Abbildung beispielsweise im Röntgenspektrum und im sichtbaren Spektrum ausgebildete Linse kann beispielsweise vorteilhaft zu Überwachungszwecken in Kernkraftwerken eingesetzt werden.

Für das Zusammenfügen der ersten, der zweiten und gegebenenfalls der weiteren Linsenbereiche, insbesondere das Zusammenfügen benachbarter Linsenbereiche, welche unterschiedliche Materialien umfassen, können im Übrigen an sich bekannte Fertigungstechniken eingesetzt werden.

Beispielsweise können angrenzende Linsenbereiche jeweils miteinander verklebt werden, oder es können angrenzende Linsenbereiche mittels flexibler Verbindungselemente miteinander verbunden werden. Als flexible Verbindungselemente könnten beispielsweise Gummiringe eingesetzt werden.

Alternativ könnte auch eine Stützkonstruktion vorgesehen sein, beispielsweise aus Kunststoff, in welche Teile der Linse eingesetzt werden können. In dieser Ausführungsform könnte sogar vorgesehen sein, Linsenteile, welche zur Bildung der ersten, zweiten oder weiterer Linsenbereiche dienen, flexibel auszutauschen, um flexibel unterschiedliche Materialen für unterschiedliche Wellenlängenbereiche vorzusehen.

In 17 ist ein vorteilhaftes Einsatzgebiet für eine erfindungsgemäße Fresnel-Linse dargestellt. 17 zeigt ein Fahrzeug 500, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei digitale Kamerasysteme 510 und 520 umfasst, wobei diese jeweils eine oben beschriebene Fresnel-Linse umfassen und jeweils zur gleichzeitigen Abbildung elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren und im infraroten Spektrum ausgebildet sind.

Das Kamerasysteme 510 ist als Rückfahrkamera ausgebildet und mit einer Anzeigeeinrichtung 540 verbunden, wodurch dem Fahrer des Fahrzeugs 500 eine Rücksicht ermöglicht wird, wobei diese vorteilhaft um Informationen im infraroten Spektrum erweitert ist, was beispielsweise nachts von Vorteil sein kann. Zur Sichtbarkeit der im infraroten Wellenlängenbereich unterschiedlichen Rückansicht-Objektraum-Szene benötigt diese Objektraum-Szene der Rückansicht keine gleichzeitige Beleuchtung dieser Szene bei Dunkelheit im sichtbaren Lichtbereich durch einen handelsüblichen Rückscheinwerfer mit sichtbarem Licht.

Das Kamerasystem 520 ist mit einer Steuereinrichtung 530 verbunden und bildet einen Teil eines Fahrer-Assistenzsystems, welches vorteilhaft dazu ausgebildet sein kann, automatisch sich in der Nähe der Fahrbahn befindliches Wild zu erkennen unter Verwendung der zusätzlichen Informationen im infraroten Spektrum, während die Informationen im sichtbaren Spektrum auf herkömmliche Weise beispielsweise zur Spurerkennung eingesetzt werden.

Wird in der Nähe befindliches Wild erkannt, so kann dem Fahrer eine entsprechende Information angezeigt werden. Zu diesem Zweck ist die Steuereinrichtung 530 vorzugsweise mit der Anzeigeeinrichtung 540 verbunden. Die ausschnittsweise Information des erkannten Wildes im Infrarot-Bereich könnte geeignet aufbereitet werden und in der Anzeigeeinrichtung 540 zusätzlich in das Abbild des sichtbaren Bereiches des Lichtes der Kamera 520 projiziert werden, um dem Fahrer die Gefahr durch das Wild besonders kenntlich zu machen und ihm dabei zusätzlich eine gute optische Lageinformation des Wildes zu geben.

Das durch die Erfindung vorgeschlagene neuartige Design von Fresnel Linsen kann in digitalen Kameras mit z.B. CMOS oder CCD Sensoren in der Bildebene eingesetzt werden, wobei dann in der Bildebene in bekannter Weise die unterschiedlichen Wellenlängenbereichsinformationen z.B. durch spezielle Filter vor den einzelnen Dioden getrennt aufgenommen werden können. Die Erfindung liefert ein breiteres Spektrum an Informationen und diese Informationen wurden dann auch zeitgleich erhoben, wodurch die Informationen auch für bewegte Kameras und deren bewegte Aufnahmen und/oder bewegte Objekte vor der Kamera ideal geeignet sind. Beziehen sich diese Information dann noch auf die gleiche Bildebene, somit das gleiche Bild, so kann für dieses Bild und seine Lage und Orientierung im Raum ein einziger Parametersatz genutzt werden, wodurch

  1. a) die Positions- und Orientierungsbestimmung einer digitalen Kamera im Objektraumkoordinatensystem, z.B. WGS84 für GPS oder ein selbstdefiniertes bauwerksfestes System, stark verbessert wird, und wodurch
  2. b) Informationen z.B. eines Punktes des Objektraums oder aus einer Richtung aus dem Objektraum, die in verschiedenen Wellenlängenbereichen vorliegen, einfacher und genauer zueinander zugeordnet werden.

Dies kann besonders vorteilhaft zur Erweiterung des in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2016 119 920.6 beschriebenen Verfahrens eingesetzt werden. Der Inhalt der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2016 119 920.6 wird hiermit vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung inkorporiert.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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.

Zitierte Patentliteratur

  • DE 102016119920 [0120]