Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Kamera-Modul mit umschaltbarer Brennweite zum Abbilden eines Objektes auf einen Bildsensor.

Stand der Technik

Die Tendenz bei der Entwicklung optischer Module, insbesondere für Mobilfunk-Geräte (Handies) , ist zunehmend auf eine möglichst flache Bauweise gerichtet. Dabei steht u. a. auch die Realisierung eines mehrfachen optischen Zooms mehr und mehr im Mittelpunkt der Arbeit der Entwickler. Die ständig steigenden Anforderungen, die an den möglichst flachen Aufbau der Module gestellt sind, setzen jedoch Grenzen für die bisher verwendeten Vorrichtungen und Systeme insbesondere auch in Hinblick auf die Variabilität der Brennweite.

In einem bekannten System der eingangs genannten Art (US 2008/0049334 AI) wird ein optisches System mit Zoom-Funktion beschrieben. Das beschriebene System verfügt über eine erste feste Linsengruppe mit einem total-reflektierenden Prisma, wel- ches die bildseitige optische Achse um 90 Grad in Richtung des Bildsensors ablenkt. Die erste Linsengruppe ist positiv. Hinter dem Prisma auf der optischen Achse in Richtung des Bildsensors sind drei weitere Linsengruppen angeordnet. Die vierte optische Gruppe ist ebenfalls fest. Der Zoom wird mittels der bewegli ^¬ chen zweiten und dritten Linsengruppe realisiert. Die Realisie ^¬ rung einer besonders flachen Bauweise ist bei dieser Anordnung des optischen Systems jedoch begrenzt.

Eine andere Schrift (US 2008/0007623) beschreibt ein Kamera- Modul mit zwei Trägerplatten, die in zwei Ebenen übereinander angeordnet sind. Jede Trägerplatte weist vier symmetrisch ne ^¬ beneinander fix angeordnete Linsen, die miteinander korrespondieren. Über eine Shift-Vorrichtung erfolgt die Fokussierung der vier Strahlengänge auf vier definierte Bereiche eines Bild- sensors. Der Strahlengang verläuft dabei durch verschiedene

Farbfilter, so dass auf die vier Bereiche des Bildsensors nur monochrome Bilder abgebildet werden. Diese vier Bilder werden in einem Signalverarbeitungssystem elektronisch zu einem hoch aufgelösten Farbbild zusammengesetzt.

In der US 7,495,852 B2 wird ein Zoom-Objektiv beschrieben, beispielsweise für ein Mobiltelefon, welches eine Anordnung von mehreren miteinander kombinierbaren Linsen aufweist. Die Linsen können durch eine Bewegung senkrecht zur optischen Achse der Aufnahmevorrichtung (Kamera) in die optische Achse eingefügt bzw. auch wieder aus ihr entfernt werden. Dabei sind vorzugs ^¬ weise einzelne Linsen oder eine Mehrzahl von Linsen fest in Linsenarrays angeordnet, die in mehreren Ebenen parallel zur optischen Achse angeordnet sind. Die verschiedenen Brennweiten des Objektivs werden realisiert, indem gleichzeitig aus einem oder mehreren der übereinander angeordneten Linsenarrays jeweils eine Linse in die optische Achse eingebracht wird. Die Vorrichtung ist derart gestaltet, dass auf diese Weise unter ^¬ schiedliche Linsen-Kombinationen in der optischen Achse reali- siert werden können. Die Fokussierung des Systems erfolgt mit ^¬ tels einer speziellen Linsengruppe, die eine Bewegung entlang der optischen Achse ausführen kann. Detaillierte Angaben zu den optischen Eigenschaften der verwendeten Linsen bzw. der mögli- chen Linsenkombinationen und der damit erzielbaren Brennweiten sind in der o. g. Druckschrift nicht offenbart. Es steht zu vermuten, dass bei Kombination einzelner Linsen zu unterschiedlichen Linsenkombinationen die Abbildungseigenschaften zu wünschen übrig lassen werden. Ferner ist die Baulänge des Objek- tivs relativ lang, weshalb das vorgeschlagene Objektiv für Han ^¬ dys kaum geeignet ist.

Eine Vielzahl von Mobilfunkgeräten mit Foto-Funktion besitzen auch fast ausschließlich Festbrennweiten, da Zoomobjektive mit einem Zoomfaktor größer 2 eine relativ große Bauhöhe auf- weisen. Das "Zoomen" erfolgt bei Foto-Funktion mit Festbrennweite elektronisch, was zu einer sehr starken Verringerung der Abbildungsleistung führt. So wird beispielsweise aus einer 3- Megapixel-Kamera eine Kamera mit VGA-Aufösung, was i. d. R. ei ^¬ ner Auflösung von 640 ^χ 480 Pixeln entspricht. Dabei bezeichnet VGA (Video Graphics Array) einen Computergrafik-Standard, der bestimmte Kombinationen von Bildauflösung und Farbanzahl (Farb- Bit-Tiefe) sowie Wiederholfrequenz definiert, wobei meist eine höhere Pixeltiefe bzw. Farbauflösung (bis 32 Bit) genutzt wird, die ursprünglich nicht zur Verfügung standen.

Aufgabe

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kamera-Modul mit geringen Abmessungen anzugeben, das eine Mehrzahl von diskret schaltbaren Brennweiten bei guter Abbildungsqualität realisiert. Lösung

Diese Aufgabe wird durch die Erfindungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.

Die Erfindung betrifft ein Kamera-Modul zum Abbilden eines Objektes auf einen Bildsensor, wobei Licht einen Strahlengang zwischen Objekt und Bildsensor durchläuft, wobei das Kamera- Modul folgendes aufweist:

a) mindestens zwei Trägerplatten,

al) wobei die erste Trägerplatte eine Mehrzahl von Grundobjektiven mit einer optischen Achse trägt;

a2) wobei die zweite Trägerplatte eine Mehrzahl von Ob ^¬ jektiv-Nachsätzen trägt;

b) wobei jede Trägerplatte eine Vorzugsebene aufweist, die rechtwinklig zur optischen Achse ausgerichtet ist;

c) wobei die Trägerplatten derart in ihrer Lage veränderbar sind, dass unterschiedliche Grundobjektive bzw. Objektiv- Nachsätze im Strahlengang positioniert werden können;

d) wobei die Trägerplatten im Strahlengang übereinander angeordnet sind;

e) wobei die Grundobjektive und die Objektiv-Nachsätze der- art ausgebildet sind, dass sich durch ein Positionieren unterschiedlicher Linsenkombinationen aus

el) einem Grundobjektiv allein, oder

e2) einem Grundobjektiv mit einem Objektiv-Nachsatz, im Strahlengang sich eine Mehrzahl abbildender optischer Systeme mit unterschiedlichen Brennweiten erzeugen lässt, wobei die optischen Systeme geeignet sind, das Objekt auf den Bild ^¬ sensor abzubilden; und f) wobei die Grundobjektive und die Objektiv-Nachsätze der ^¬ art ausgebildet sind, dass sich auf diese Weise mehr Linsenkom ^¬ binationen mit unterschiedlichen Brennweiten realisieren lassen als die Anzahl an Grundobjektiven oder Objektiv-Nachsätze auf einer der Trägerplatten.

Hierbei ist es beispielsweise sinnvoll, die Mehrzahl von Grundobjektiven, beispielsweise symmetrisch in Reihe zueinander auf einer Trägerplatte anzuordnen, und eine Mehrzahl von Objektiv-Nachsätzen in der gleichen Weise auf einer zweiten Träger- platte.

Die Veränderung der Lage der Trägerplatten erfolgt typischerweise dadurch, dass die Trägerplatten in ihrer Vorzugsebe ^¬ ne verschoben werden, um ein anderes Grundobjektiv bzw. einen anderen Objektiv-Nachsatz im Strahlengang zu platzieren.

Zur Anpassung an die optischen Erfordernisse sind die Grund ^¬ objektive auf einem unterschiedlichen Höhenniveau fix in die Trägerplatte eingefügt. Die Nachsätze sind regelmäßig alle auf dem gleichen Höhenniveau in ihrer Trägerplatte fixiert.

Eine vorteilhafte Ausführung der vorgeschlagenen Lösung mit z. B. sechs Grundobjektiven und vier telenegativen Objektiv- Nachsätzen ermöglicht beispielsweise die Realisierung von 30 diskret schaltbaren unterschiedlichen Brennweiten. Hierdurch wird es möglich, einen quasi-Zoom mit geringen Abmessungen zu erreichen. Das vorgeschlagene System kann herausragende Abbil- dungsleistungen zeigen.

Vorteilhafterweise sollte das Kamera-Modul eine dem Objekt zugewandte Lichteintrittseinrichtung aufweisen, durch welche das vom Objekt kommende Licht in das Kamera-Modul eintritt.

Sinnvoll ist dabei die Ausführung der Lichteintrittseinrichtung als eine optisch neutrale transparente Platte. Das kann eine z. B. ein einfaches Schutzglas sein. In einer vorteilhaften Ausführung kann das Kamera-Modul ein Grundobjektiv aufweisen, welches, von der Objektseite beginnend, also von links nach rechts, aus folgenden Linsen besteht: a) einer ersten plan-konvexen Linse, wobei die plane Ober- fläche der Linse von der Objektseite abgewandt ist;

b) einer zweiten plan-konkaven Linse,

wobei die plane Oberfläche dieser Linse von der Bildseite abgewandt ist;

c) einer Blende ; und

d) einer dritten plan-konvexen Linse, wobei die plane Oberfläche der Linse von der Bildseite abgewandt ist.

Typischerweise sind die ersten beiden Linsen miteinander verkittet . Von Vorteil ist es, dass die Realisierung des beschriebenen optischen Moduls, unter Beibehaltung der angestrebten Kompaktheit, nur einen Aufbau mit möglichst wenigen Linsen erfordert. Das konnte durch die Auswahl von hochbrechenden Materialien (n _e > 1,65) für das erste Kittglied des Grundobjektivs erreicht werden. Des Weiteren gelang es, durch die Einführung von Planflächen in das Grundobjektiv die Kosten zu optimieren und Toleranzen zu entschärfen.

Von Vorteil ist es auch, wenn der Objektiv-Nachsatz telene gative optische Eigenschaften aufweist. Allgemein ist ein Tele Negativ eine einem Grundobjektiv nachgestellte Baugruppe nega ^¬ tiver Brechkraft zur Verlängerung der Brennweite des Grundob ^¬ jektivs .

Eine vorteilhafte Ausführung eines telenegativen Objektiv Nachsatzes besteht, von der Objektseite beginnend, also von links nach rechts, aus folgenden Linsen:

a) einer ersten bi-konkaven Linse, und b) einer zweiten Meniskuslinse, die in der Regel positiv ist,

wobei die konkave Oberfläche der Meniskuslinse von der Ob ^¬ jektseite abgewandt ist.

Die Telenegativ-Nachsätze bestehen vorteilhafter Weise nur aus einem Kittglied, dessen Abbe-Zahlen einen möglichst großen Unterschied aufweisen sollten. Vorzugsweise sollten die Abbe- Zahlen der ersten bi-konkaven Linse und der zweiten Meniskus- linse sich um mindestens einen Faktor 1,5 unterscheiden. Dadurch kann der Radius der verkitteten Fläche groß gehalten werden. Mit anderen Worten: die verkittete Fläche ist nur wenig gekrümmt. Dies hat wiederum den Vorteil, dass die zweite, posi ^¬ tive Linse auch am Rand noch eine ausreichende Dicke hat.

Günstig ist es, wenn die Trägerplatte in einer Draufsicht insbesondere eine rechteckige Form oder eine Kreisform aufweist und wenn die Lageveränderung der Trägerplatte durch ein lineares Verschieben und / oder durch eine Rotationsbewegung in der Ebene der Trägerplatte erfolgt. D. h. die Trägerplatten können rechteckig, aber z. B. auch als kreisrunde Scheibe ausgestaltet sein. Bei der Ausgestaltung einer Trägerplatte als kreisrunde Scheibe erfolgt das Einfügen einer gewünschten Linsenkombinati ^¬ onen (Grundobjektiv oder Objektiv-Nachsätzen) in den Strahlen- gang mittels einer gesteuerten Rotationsbewegung der entsprechenden Trägerplatte.

Beide Trägerplatten sind in unterschiedlichen Ebenen, d. h. oben die Grundobjektive und darunter die Trägerplatte mit den Objektiv-Nachsätzen, angeordnet. Jede der Trägerplatten ist rechtwinklig zur optischen Achse bewegbar bzw. verschiebbar.

Die Bewegungsmöglichkeiten der Trägerplatten zueinander sind so gestaltet, dass es möglich ist, jedes der Grundobjektive allein oder in Kombination mit einem der Objektiv-Nachsätze in den Strahlengang einzubringen.

Das Einfügen nur eines Grundobjektivs allein, ohne Nachsatz, in den Strahlengang kann derart erfolgen, dass entweder die Trägerplatte mit den Objektiv-Nachsätzen vollständig aus dem Strahlengang heraus bewegt wird. Oder in der zweiten Trägerplatte ist eine Leerstelle (z. B. Bohrung) ausgebildet, die ei ^¬ nen hindernisfreien optisch neutralen Durchgang der Strahlen durch die Trägerlatte ermöglicht.

Besonders einfach ist es auch, wenn eine Fokussierung des Abbildungssystems mittels einer Lageveränderungdes Bildsensors entlang der optischen Achse ermöglicht wird. Eine solche Funk ^¬ tionalität ist in vielen Handys heutzutage bereits vorhanden.

Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle - nicht genannten - Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.

Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Dabei sind u. a. Linsenkombinationen von zwei

Grundobjektiven bzw. Linsenkombinationen dieser zwei Grundobjektive mit je einem Telenegativ-Nachsatz schematisch dargestellt. Für weitere Linsenkombinationen bzw. Telenegativ- Nachsätze sind jeweils nur die optischen Daten tabellarisch er- fasst. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführung eines Kamera-Moduls mit einem Linsen-Array aus sechs Grundobjektiven und einem Linsen-Array aus vier Telenegativ-Nachsätzen, angeordnet in zwei Ebenen; Fig. 2 eine schematische Darstellung der Linsenanordnung eines 8mm-Grundobj ektivs ;

Fig. 3 die relative Beleuchtungsstärke des Grundobjektivs ge ^¬ mäß Fig. 2 ;

Fig. 4 die Verzeichnung des Grundobjektivs gemäß Fig. 2 ;

Fig. 5 die Transmission des Grundobjektivs gemäß Fig. 2:

Fig. 6 die Modulation des Grundobjektivs gemäß Fig. 2 ;

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Linsenanordnung des

8mm-Grundobj ektivs gem. Fig. 2 mit einem ersten Tele- negativ-Nachsatz (TN1);

Fig. 8 die relative Beleuchtungsstärke der Linsenanordnung gemäß Fig. 7 ;

Fig. 9 die Verzeichnung der Linsenanordnung gemäß Fig. 7 ;

Fig. 10 die Transmission der Linsenanordnung gemäß Fig. 7 ;

Fig. 11 die Modulation der Linsenanordnung gemäß Fig. 7 ;

Fig. 12 eine schematische Darstellung der Linsenanordnung eines 12mm-Grundobj ektivs ;

Fig. 13 die relative Beleuchtungsstärke des Grundobjektivs ge ^¬ mäß Fig. 12;

Fig. 14 die Verzeichnung des Grundobjektivs gemäß Fig. 12; Fig. 15 die Transmission des Grundobjektivs gemäß Fig. 12; Fig. 16 die Modulation des Grundobjektivs gemäß Fig. 12;

Fig. 17 eine schematische Darstellung der Linsenanordnung des

12mm-Grundobj ektivs gem. Fig. 12 mit einem zweiten Te- lenegativ-Nachsatz (TN2);

Fig. 18 die relative Beleuchtungsstärke der Linsenanordnung gemäß Fig. 17;

Fig. 19 die Verzeichnung der Linsenanordnung gemäß Fig. 17; Fig. 20 die Transmission der Linsenanordnung gemäß Fig. 17; und

Fig. 21 die Modulation der Linsenanordnung gemäß Fig. 17. Die technischen Daten der Linsenkombinationen von sechs vorgeschlagenen Grundobjektiven und vier Telenegativ-Nachsätzen TN1 bis TN4 sind in den Tabellen 2 bis IIA aufgelistet. Im Einzelnen zeigt:

Tab. 1 eine Liste der mit den Grundobjektiven bzw. den Kombi- nationen aus Grundobjektiv und Objektiv-Nachsatz realisierbaren Brennweiten;

Tab. 1A eine Liste der Luftabstände zwischen der letzten Oberfläche der Grundobjektive und der ersten Oberfläche der Objektiv-Nachsätze;

Tab. 2 eine Liste der Radien, der Dicken bzw. Luftabstände, der Brechzahlen und der Abbe-Zahlen der Linsenkombination eines 6mm-Grundobj ektivs ;

Tab. 2A eine Liste der Asphärendaten des 6mm-Grundobj ektivs ;

Tab. 3 eine Liste der Radien, der Dicken bzw. Luftabstände, der Brechzahlen und der Abbe-Zahlen der Linsenkombination eines 7mm-Grundobj ektivs ;

Tab. 3A eine Liste der Asphärendaten des 7mm-Grundobj ektivs ;

Tab. 4 eine Liste der Radien, der Dicken bzw. Luftabstände, der Brechzahlen und der Abbe-Zahlen der Linsenkombina- tion eines 8mm-Grundobj ektivs ;

Tab. 4A eine Liste der Asphärendaten des 8mm-Grundobj ektivs ;

Tab. 5 eine Liste der Radien, der Dicken bzw. Luftabstände, der Brechzahlen und der Abbe-Zahlen der Linsenkombination eines 1 Omm-Grundobj ektivs ;

Tab. 5A eine Liste der Asphärendaten des 1 Omm-Grundobj ektivs ;

Tab. 6 eine Liste der Radien, der Dicken bzw. Luftabstände, der Brechzahlen und der Abbe-Zahlen der Linsenkombination eines 12mm-Grundobj ektivs ; Tab. 6A eine Liste der Asphärendaten des 12mm-Grundobj ektivs ;

Tab. 7 eine Liste der Radien, der Dicken bzw. Luftabstände, der Brechzahlen und der Abbe-Zahlen der Linsenkombination eines 15mm-Grundobj ektivs ;

Tab. 7A eine Liste der Asphärenkoeffizienten des 15mm- Grundobj ektivs ;

Tab. 8 eine Liste der Radien, der Dicken bzw. Luftabstände, der Brechzahlen und der Abbe-Zahlen der Linsenkombination eines ersten Telenegativ-Nachsatzes TN1; Tab. 8A eine Liste der Asphärendaten des ersten Telenegativ- Nachsatzes TN1;

Tab. 9 eine Liste der Radien, der Dicken bzw. Luftabstände, der Brechzahlen und der Abbe-Zahlen der Linsenkombination eines zweiten Telenegativ-Nachsatzes TN2 Tab. 9A eine Liste der Asphärendaten des zweiten Telenegativ- Nachsatzes TN2 ;

Tab. 10 eine Liste der Radien, der Dicken bzw. Luftabstände, der Brechzahlen und der Abbe-Zahlen der Linsenkombination eines dritten Telenegativ-Nachsatzes TN3;

Tab. 10A eine Liste der Asphärendaten des dritten Telenegativ- Nachsatzes TN3 ;

Tab. 11 eine Liste der Radien, der Dicken bzw. Luftabstände, der Brechzahlen und der Abbe-Zahlen der Linsenkombination eines vierten Telenegativ-Nachsatzes TN4; und Tab. IIA eine Liste der Asphärendaten des vierten Telenegativ- Nachsatzes TN4.

Eine vorteilhafte Ausführung der vorgeschlagenen Lösung mit sechs Grundobjektiven und vier telenegativen Objektiv-Nachsätzen ermöglicht beispielsweise die Realisierung von 30 diskret schaltbaren unterschiedlichen Brennweiten im Bereich von 5, 99 mm bis 21,012 mm. Hierdurch wird es möglich, einen quasi 3,5- fachen Zoom für 1/3" Bildsensoren (entsprechend einer Diagonale des Bildsensors von 6 mm) mit einer Scheitelhöhe von bis zu 19 mm zu erreichen. D. h. der Abstand vom ersten Linsenscheitel bis zum Aufnahmemedium (Bildsensor) beträgt max . 19 mm. Der Durchmesser Linsen beträgt max. 6 mm.

Hierzu ist in der Tabelle 1 aufgeführt, welche konkreten

Brennweiten mit diesen als Ausführungsbeispiele genannten sechs Grundobjektiven bzw. Kombinationen dieser Grundobjektive mit vier beispielhaften telenegativen Objektiv-Nachsätzen realisierbar sind.

Alle Grundobjektive haben die maximale Blendenzahl 3,5. Bei den Kombinationen eines Grundobjektivs mit einem Objektiv- Nachsatz errechnet sich die maximale Blendenzahl aus dem Pro ^¬ dukt der Blendenzahl 3,5 und dem Verlängerungsfaktor, der durch die Kombination mit dem jeweiligen Objektiv-Nachsatz realisiert wird.

Beispielsweise bei der Kombination des 8mm-Grundobj ektivs mit dem Telenegativ-Nachsatz TN1 ergibt sich Folgendes:

Brennweite des 8mm-Grundobj ektivs : 8,022 mm

Brennweite bei Kombination mit TN1 : 8,516 mm

Verlängerungsfaktor: 8,516/8,022 = 1,06

resultierende Blendenzahl: 1,06 x 3,5 = 3,71

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Kamera-Modul 100 weist eine Lichteintrittseinrichtung 102, bestehend aus einer optisch neutralen transparenten Platte, ein Linsen-Array, welches aus einem rechteckigen plattenförmigen Trägerelement (Trägerplatte) 104 mit sechs Grundobjektiven 106 besteht, und einen Bildsensor 108 (i. d. R. einen CMOS- oder CCD-Sensor) auf. Die sechs Grundobjektive 106 verfügen über unterschiedliche Brenn ^¬ weiten und sind linear in einer Reihe in die Trägerplatte 104 fix eingefügt. Zwischen den Linsen 106 existiert jeweils ein definierter Abstand, wobei diese Abstände i. d. R. gleich groß sind. Die Trägerplatte 104 mit den Grundobjektiven 106 weist eine hori ^¬ zontale Shift-Funktion 110 (1D-Shift) auf und kann in Längs- richtung des Kamera-Moduls 100 (senkrecht zur optischen Achse 118) verschoben werden. Die Verschiebung erfolgt derart, dass jeweils eines der sechs unterschiedlichen Grundobjektive 106 in den LuftZwischenraum zwischen der Lichteintrittseinrichtung 102 und Bildsensor 108 des Kamera-Moduls 100 eingebracht wird.

Weiterhin weist das Kamera-Modul 100 eine zweite Trägerplat ^¬ te 112 auf, in der vier Telenegativ-Nachsätze 114 angeordnet sind. Die vier Telenegativ-Nachsätze 114 verfügen ebenfalls über unterschiedliche optische Eigenschaften und sind linear in einer Reihe in die Trägerplatte 112 fix eingefügt. Alle vier Telenegativ-Nachsätze 114 sind auf der Trägerplatte in einer Ebene linear in Reihe auf gleicher Höhe fest angeordnet. Die Trägerplatte 112 mit den vier Telenegativ-Nachsätze 114 weist eine horizontale Shift-Funktion 116 (1D-Shift) auf und kann in Längsrichtung des Kamera-Moduls 100 verschoben werden. Die Ver- Schiebung erfolgt derart, dass jeweils einer der vier unter ^¬ schiedlichen Telenegativ-Nachsätze 114 in die optische Achse 118 zwischen dem aktiv verwendeten Grundobjektiv 106 und dem Bildsensor 108 des Kamera-Moduls 100 eingefügt wird. Die Shift- Funktionen 110, 116 der Trägerplatten 104, 112 sind derart ges- taltet, dass jedes Grundobjektiv 106 der Trägerplatte 104 mit jedem Telenegativ-Nachsätz 114 der Trägerplatte 112 kombiniert werden kann bzw. dass jedes Grundobjektiv 106 ohne Einfügung eines Telenegativ-Nachsätzes 114 in die optische Achse 118 zum Abbilden eines Objektes auf dem Bildsensor 108 verwendet werden kann.

Im Gegensatz zu den vier Telenegativ-Nachsätzen 114 sind die sechs Grundobjektive 106 in die Trägerplatte 104 derart einge ^¬ fügt, dass sie zur Realisierung der optischen Erfordernisse hinsichtlich der Kombination mit den vier Telenegativ- Nachsätzen 114 auf unterschiedlicher Höhe (entlang der optischen Achse 118) fixiert sind.

Zur Fokussierung der jeweilig aktiven Linsenkombination ist der Bildsensor 108 mit einer Shift-Funktion 120 ausgestattet, die seine Bewegung entlang der optischen Achse 118 ermöglicht.

Auf der Grundlage der beschriebenen Ausgestaltung des Kamera-Moduls 100 ist es möglich, 30 unterschiedliche Brennweiten (s. Tabelle 1) zu realisieren und somit einen diskret schaltba- ren Zoom in unterschiedlich großen Schritten zu erzeugen. Das Betätigen der Shift-Funktionen 110, 116, 118 erfolgt dabei in der Regel elektronisch, aber auch eine mechanische Betätigung ist denkbar. Die Fig. 2, 7, 12 und 17 zeigen die Linsenkombinationen zweier Ausführungsbeispiele ( 8mm-Grundobj ektiv und 12mm- Grundobj ektiv) jeweils ohne bzw. in Kombination mit einem Tele- negativ-Nachsatz (TN1 bzw. TN2), die u. a. durch die Shift- Funktionen des vorgeschlagenen Kamera-Moduls realisierbar sind. Die in diesen Figuren dargestellten Linsenkombinationen stellen Beispiele mit gleichem grundlegenden Aufbau dar, die sich jedoch hinsichtlich der mit ihnen zu erzielenden Brennweite unterscheiden. Diesen gleichen grundlegenden Aufbau haben auch alle weiteren Linsenkombinationen, deren optische Daten in den in den Tabellen 1 bis IIA aufgeführt sind.

Die hier und in den Tabellen geschilderten Beispiele für Grundobjektive und Telenegativ-Nachsätze sind nur Beispiele. Es können - mit den gleichen Grundprinzipien - auch Kamera-Module mit anderen Brennweiten und anderen quasi-Zoom-Werten reali- siert werden. Alle Maßangaben, z. B. über Brennweiten oder Radien in den Tabellen, sind grundsätzlich skalierbar für unterschiedliche Anwendungen. In den schematischen Darstellungen gemäß den Fig. 2, 7, 12 und 17 befindet sich das Objekt (nicht dargestellt) jeweils links und der Bildsensor 108 (nicht dargestellt) rechts.

In diesen vier Ausführungsbeispielen besteht die Linsenkom- bination des einfügbaren Grundobjektivs 106 des Kamera-Moduls 100, in der Reihenfolge von der Objektseite zum Bildsensor 108, also von links nach rechts, jeweils aus folgenden Elementen: a) einer ersten plan-konvexen Linse 202,

wobei die plane Oberfläche 204 der Linse 202 von der Objekt- seite abgewandt ist;

b) einer zweiten plan-konkaven Linse 206,

wobei die plane Oberfläche 204 der Linse von der Bildseite abgewandt ist;

c) einer Blende 212; und

d) einer dritten plan-konvexen Linse 216, wobei die plane

Oberfläche 214 der Linse 216 von der Bildseite abgewandt ist.

Unmittelbar vor dem Bildsensor ist jeweils eine transparente Platte 222 angeordnet, die die Funktion eines IR-Cut-Filters oder eines Low-Pass-Filters oder beides erfüllt.

Die in den Figuren 7 und 17 eingefügten Objektiv-Nachsätze 114 verfügen über telenegative optische Eigenschaften und bestehen, von der Objektseite beginnend, also von links nach rechts, jeweils aus folgenden Linsen:

a) einer ersten bi-konkaven Linse 702, und

b) einer zweiten Meniskuslinse 706,

wobei die konkave Oberfläche 708 der Meniskuslinse 706 von der Objektseite abgewandt ist.

Die Luftabstände zwischen der letzten Oberfläche der Nach- sätze und der dahinter angeordneten transparenten Platte 222 betragen häufig 1 mm.

Die erste und zweite Linse eines jeden Grundobjektivs 106 sind miteinander verkittet und bilden eine Dublette. Ebenfalls eine Dublette bilden die beiden Linsen 702, 706 des jeweiligen telenegativen Objektiv-Nachsatzes 114.

Die Durchmesser der Linsen der Objektiv-Nachsätze 114 betra ^¬ gen maximal 6 mm.

Die Oberflächen 208 und 218 der zweiten und dritten Linse jedes Grundobjektivs 106 haben eine asphärische Oberfläche.

Gleiches gilt für die Oberfläche 700 der ersten Linse 702 jedes Telenegativ-Nachsatzes .

Die genauen Angaben zu den einzelnen Oberflächen der Linsen der Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 2, 7, 12 und 17 finden sich in den Tabellen 4, 6, 8 und 9, jeweils mit den zugehörigen Bezugs ziffern .

In den Figuren 3 bis 6 sind einige charakteristische Kenn- großen eines 8mm-Grundobj ektivs gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 graphisch dargestellt.

Fig. 3 zeigt die relative Beleuchtungsstärke des Bildes ver ^¬ glichen mit dem Zentrum für das 8mm-Grundobj ektiv gemäß Fig. 2. Die x-Achse gibt die relative Abweichung vom Zentrum des zu vergrößernden Bildes bei einer Blendenzahl von 3,5 an.

Fig. 4 zeigt die Verzeichnung für das Grundobjektiv gemäß Ausführungsbeispiel der Fig. 2 in Prozent (%) der Abweichung von der idealen Bildgröße. Die positiven Werte charakterisieren eine kissenförmige Verzeichnung, während die negativen Werte eine tonnenförmige Verzeichnung betreffen. Die x-Achse gibt die relative Abweichung vom Zentrum des zu vergrößernden Bildes bei einer Blendenzahl von 3,5 an. Fig. 5 zeigt graphisch den Verlauf des Transmissionsgrads in

Prozent (%) für das Grundobjektiv gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 in Abhängigkeit von der Wellenlänge. In Fig. 6 ist die Auflösung (Modulation) des Projektionsobjektivs der Fig. 2 als Funktion der relativen Bildgröße dargestellt. Die x-Achse gibt die relative Abweichung vom Zentrum des Bildes bei einer Blendenzahl von 3,5 an. Es wurde folgende Gewichtung der Wellenlängen verwendet: 555 nm mit 19,8%, 655 nm mit 23,7%, 605 nm mit 22,2%, 505 nm mit 15,7%, 455 nm mit 12,1% und 405 nm mit 6,7%. Gerechnet wurde mit den Ortsfrequenzen von 25, 50 und 100 Linienpaaren pro mm (LP / mm) . Die durchgezogene Linie zeigt jeweils die Auflösung von radial verlaufenden Linienpaaren und die gestrichelte Linie die Auflösung von tangential verlaufenden Linienpaaren. Auf der y-Achse ist die Modula- tionsübertragungsfunktion bei einer Blendenzahl k von 3,5 dargestellt.

Sinngemäß gelten die vorgenannten Darlegungen hinsichtlich der Figuren 3 bis 6 auch für die Figuren 8 bis 11, die Figuren 13 bis 16 sowie für die Figuren 18 bis 21, wobei die max . Blen ^¬ denzahlen für die Figuren 8 bis 11 bzw. für die Figuren 18 bis 21 auf dem entsprechenden Verlängerungsfaktor (s. oben) basieren .

Wie die Fig. 3 bis 6 zeigen, hat das vorgeschlagene Grundob ^¬ jektiv ausgezeichnete Abbildungseigenschaften.

In Tabelle 1 ist aufgeführt, welche Brennweiten mit den als Ausführungsbeispiele genannten 6 Grundobjektiven bzw. Kombina ^¬ tionen dieser Grundobjektive mit vier beispielhaften telenega- tiven Objektiv-Nachsätzen realisierbar sind. Die Blendenzahl beträgt hierbei 3,5.

In den Tabellen 2 bis IIA sind die Radien, die Dicken bzw Luftabstände, die Brechzahlen und die Abbe-Zahlen aller 6

Grundobjektive bzw. aller vier Objektiv-Nachsätze aufgelistet Ebenso finden sich in diesen Tabellen deren Asphärendaten. Die Oberfläche einer asphärischen Linse kann allgemein mit der folgenden Formel beschrieben werden: wobei

z die Pfeilhöhe (in mm) in Bezug auf die achsensenkrechte Ebene angibt, also die Richtung der Abweichung von der E- bene senkrecht zur optischen Achse, d. h. in Richtung der optischen Achse.

C die sogenannte Scheitelkrümmung angibt. Sie dient zur Beschreibung der Krümmung einer konvexen oder konkaven Linsenoberfläche und errechnet sich aus dem Kehrwert des Radius .

y den Abstand von der optischen Achse (in mm) angibt, y ist eine Radialkoordinate.

K die sogenannte Konuskonstante angibt.

A ₄ , Ä6, As, A10, A12 die sogenannten Asphärenkoeffizienten darstellen, die die Koeffizienten einer Polynomentwicklung der Funktion zur Beschreibung der Oberfläche der Asphäre sind .

Von Vorteil ist es, dass die Realisierung des beschriebenen optischen Moduls, unter Beibehaltung der angestrebten Kompaktheit, nur einen Aufbau mit möglichst wenigen Linsen erfordert. Das konnte durch die Auswahl von hochbrechenden Materialien (n _e > 1,65) für das erste Kittglied des Grundobjektivs erreicht werden. Des Weiteren gelang es, durch die Einführung von Planflächen in das Grundobjektiv die Kosten zu optimieren und Toleranzen zu entschärfen.

Die Telenegativ-Nachsätze bestehen vorteilhafter Weise nur aus einem Kittglied, dessen Abbe-Zahlen einen möglichst großen Unterschied aufweisen sollten. Bezugs zeichen

100 Kamera-Modul

102 Lichteintrittseinrichtung

104 Trägerplatte für Grundobjektive

106 Grundobjektiv

108 Bildsensor

110 Shift-Funktion (horizontal) für Grundobjektive

112 Trägerplatte für Telenegativ-Nachsätze

114 Telenegativ-Nachsätz

116 Shift-Funktion (horizontal) für Telenegativ-Nachsätze

118 optische Achse

120 Shift-Funktion für Bildsensor

200 erste Oberfläche der Linse 202

202 erste Linse des Grundobjektivs

204 zweite Oberfläche der Linse 202/ erste Oberfläche der

Linse 206

206 zweite Linse des Grundobjektivs

208 zweite Oberfläche der Linse 206

212 Blende

214 erste Oberfläche der Linse 216

216 dritte Linse des Grundobjektivs

218 zweite Oberfläche der Linse 216

220 erste Oberfläche der transparenten Platte 222

222 transparente Platte vor dem Bildsensor

224 zweite Oberfläche transparenten Platte 222

700 erste Oberfläche der Linse 702

702 erste Linse des Objektiv-Nachsatzes

704 zweite Oberfläche der Linse 702 / erste Oberfläche der

Linse 706

706 zweite Linse des Objektiv-Nachsatzes

708 zweite Oberfläche der Linse 706 Tab. 1

Tab. 1A

Bezeichnung der Grundobjektive

6 mm 7 mm 8 mm 10 mm 12 mm 15 mm

Luftabstände zwi ^¬ 0,300 1,300 1,300 2,000 2,000 4,000 schen der letzten

Ober-fläche der

Grundobj ektive

und der ersten

Oberfläche der

Nachsätze TN1 bis

TN4

[mm] Tab. 2

Brennweite = 5, 999 mm

* = asphärische Oberfläche Tab. 3

Brennweite = 7,003 mm

* = asphärische Oberfläche Tab. 4

Brennweite = 8,022 mm

* = asphärische Oberfläche

Tab. 4A

Bezugsziffer Asphärendaten

208 C 0, 515464

K 0, 587688

A ₄ 0

A ₆ 0

A ₈ 0

Ai o 0

Al2 0

218 C -0, 179533

K 3, 237013

A ₄ 0

A ₆ 0

A ₈ 0

Ai o 0

Al2 0 Tab. 5

Brennweite = 9,986 mm

* = asphärische Oberfläche

Tab. 5A

Bezugsziffer Asphärendaten

208 C 0,412541

K 0, 587688

A ₄ 0

A ₆ 0

A ₈ 0

Ai o 0

Al2 0

218 C -0,143699

K 3, 237013

A ₄ 0

A ₆ 0

A ₈ 0

Ai o 0

Al2 0 Tab. 6

Brennweite = 11,901

* = asphärische Oberfläche

Tab. 6A

Bezugsziffer Asphärendaten

208 C 0, 343761

K 0, 587688

A ₄ 0

A ₆ 0

A ₈ 0

Ai o 0

Al2 0

218 C -0, 119760

K 3, 237013

A ₄ 0

A ₆ 0

A ₈ 0

Ai o 0

Al2 0 Tab. 7

Brennweite = 14, 934

* = asphärische Oberfläche

Tab. 7A

Bezugsziffer Asphärendaten

208 C 0, 275028

K 0, 587688

A ₄ 0

A ₆ 0

A ₈ 0

Ai o 0

Al2 0

218 C -0, 095804

K 3, 237013

A ₄ 0

A ₆ 0

A ₈ 0

Ai o 0

Al2 0 Tab. 8

TN1

* = asphärische Oberfläche

Tab. 8A

Tab. 9

TN2

* = asphärische Oberfläche

Tab. 9A

Tab. 10

TN3

* = asphärische Oberfläche

Tab. 10A

Tab. 11

TN4

* = asphärische Oberfläche

Tab. IIA