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Patent Searching and Data


Title:
OBJECTIVE, USE OF AN OBJECTIVE AND MEASUREMENT SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/094314
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a hybrid objective with fixed focal length, which has a total of four lenses. Two lenses consist of glass and two lenses consist of plastic. The objective is suitable for use in a LIDAR measurement system.

Inventors:
HOENLE TOBIAS (DE)
SCHWEITZER HAGEN (DE)
Application Number:
PCT/EP2020/081648
Publication Date:
May 20, 2021
Filing Date:
November 10, 2020
Export Citation:
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Assignee:
JENOPTIK OPTICAL SYS GMBH (DE)
International Classes:
G02B13/00; G01S7/481; G02B9/34; G02B13/04; G02B13/14; G02B13/22
Attorney, Agent or Firm:
WALDAUF, Alexander (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Objektiv (1 ) mit einer festen Brennweite F, umfassend wenigstens eine erste Linse (5) mit einer ersten Brennweite fi aus einem ersten Glas, eine zweite Linse (6) mit einer zweiten Brennweite ^ aus einem ersten Kunststoff, eine dritte Linse (8) mit einer dritten Brennweite f3 aus einem zweiten Glas und eine vierte Linse (12) mit einer vierten Brenn weite f4 aus einem zweiten Kunststoff, wobei die erste Linse (5) als ein Meniskus mit negativer Brechkraft Di=1/fi ausgebildet ist, die dritte Linse (8) eine positive Brechkraft D3=1/f3>0 aufweist, die Summe D3+D4 aus der Brechkraft D3=Vf3 der dritten Linse (8) und der Brechkraft D4=Vf4 der vierten Linse (12) positiv ist, die vierte Linse (12) wenigstens eine asphärische Fläche aufweist, + i , 0,015 und wobei < 0,1 und/oder < - gilt. h F

2. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Linse (5) und/oder die zweite Linse (6) wenigstens eine asphärische Fläche aufweisen.

3. Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang in einer z Richtung nacheinander die erste Linse (5), die zweite Linse (6), die dritte Linse (8) und die vierte Linse (12) angeordnet sind, oder dadurch gekennzeich net, dass im Strahlengang in der -z Richtung nacheinander eine Lichtquelle (20), die vierte Linse (12), die dritte Linse (8), die zweite Linse (6) und die erste Linse (5) ange ordnet sind.

4. Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwi schen der zweiten Linse (6) und der dritten Linse (8) eine Blende (14) angeordnet ist.

5. Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Brennweite F zwischen 2mm und 5mm aufweist und/oder dass die Brennweite der ersten Linse zwischen dem -20 fachen und dem -4 fachen der Brennweite F des Objektivs beträgt und/oder dass Die Brennweite f3 der dritten Linse zwischen dem zweifachen und dem 5 fachen der Brennweite F des Objektivs beträgt und/oder dass die Brennweite f4 der vierten Linse zwischen dem Zweifachen und dem 10 fachen der Brennweite F des Objektivs beträgt und/oder dass die Brennweite f4 der vierten Linse zwischen dem 0,8 fachen und dem 3 fachen der Brennweite fe der dritten Linse beträgt.

6. Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bildseitig annähernd telezentrisch ausgebildet ist, wobei der bildseitige Telezentriefehler weniger als 5° beträgt.

7. Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv eine fotografische Lichtstärke von wenigstens 1:1 ,3 aufweist.

8. Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv ein Bandpassfilter (18) zur Trennung des Signallichtes der Lichtquelle vom Um gebungslicht, insbesondere vom Tageslicht, umfasst oder zusammen mit einem außer halb des Objektivs angeordneten Bandpassfilter betreibbar ist.

9. Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv als Projektionsobjektiv betreibbar ist und/oder dass das Objektiv als Abbil dungsobjektiv betreibbar ist.

10. Verwendung eines Objektivs (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche für ein Mess system (19) zu wenigstens einer Laufzeitdetektion wenigstens eines Lichtstrahls (4).

11. Messsystem (19), umfassend wenigstens ein Objektiv (22, 23) nach einem der vorge nannten Ansprüche, wenigstens eine Lichtquelle (20) und wenigstens einen Mat rixsensor (21).

12. Messsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (20) eine Laserstrahlquelle oder eine LED ist und dass die Lichtquelle ge pulst betrieben wird und dass die Pulslänge zwischen 1ns und 1ms beträgt. 13. Messsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrixsensor (21) ein SPAD Array ist und/oder dass die Lichtquelle (20) ein VCSEL Array oder ein LED Array ist.

Description:
Objektiv, Verwendung eines Objektivs und Messsystem

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Objektiv mit einer festen Brennweite. Ein solches Objektiv ist insbeson dere zur Verwendung in einem Messsystem zu einer Laufzeitdetektion eines Lichtstrahls (Ll- DAR) geeignet. LIDAR ist die Abkürzung für englisch light detection and ranging. LIDAR Objek tive arbeiten meist in einem sehr kleinen Wellenlängenbereich im nahen Infrarot, typischerweise 800-2000nm Wellenlänge. Zur Beleuchtung werden oft Laser verwendet. Die Objektive müssen in diesem Fall die geringe Bandbreite der Laserquelle sowie einen eventuell auftretenden Drift der Wellenlänge mit der Temperatur ausgleichen können.

Stand der Technik

Aus WO 2017/180277 A1 ist ein Sensor mit einem SPAD Array bekannt. Das SPAD Array kann Avelance Photodioden (APD) umfassen sowie Bipolar- oder Feldeffekttransistoren, um zeilen weise eine Vorspannung (Bias) zu aktivieren.

Aus CN 205829628 U ist ein LIDAR- System mit einem VCSEL Array und einem SPAD Array bekannt.

Aus WO 2017/164989 A1 ist ein integriertes Beleuchtungs-und Detektionssystem für eine LI DAR basierte dreidimensionale Bildaufnahme bekannt. Es wird ein Objektiv mit vier Linsen vor geschlagen. Zur Beleuchtung wird eine gepulste Laser- Lichtquelle vorgeschlagen. In einer Ausführungsform wird ein Array von mehreren LIDAR Messgeräten, bestehend aus Laseremit tern und Detektoren, verwendet. Ein solches Vorgehen ist jedoch sehr aufwendig.

Aus WO 2016/204844 A1 ist ein LIDAR System mit elektrisch verstellbaren Lichtdirektionsele menten bekannt.

Aus US 2016/0161600 A1 ist ein LIDAR-System mit einem SPAD-Array als Detektor bekannt. Zur Beleuchtung werden Laserstrahlen verwendet, die mittels integrierter photonischer Schalt kreise unter Verwendung optischer Phasenarrays gesteuert werden. Aus WO 2015/189024 A1 ist ein Fahrzeug- LIDAR System bekannt mit einem Festkörperlaser und einem auslenkbaren Spiegel.

Aus WO 2015/189025 A1 ist ein Fahrzeug- LIDAR System bekannt mit einem Impulslaser und einem auslenkbaren Spiegel und einem CMOS- Bildsensor. Aus WO 2015/126471 A2 ist eine LIDAR Vorrichtung bekannt mit einem Array von Emitter/De tektor-Einheiten.

Aus US 2007/0181810 A1 ist ein Fahrzeug- LIDAR System bekannt mit einem VCSEL Array zur Beleuchtung.

Aus US 2014/0049842 A1 ist ein Abbildungsobjektiv mit vier Linsen bekannt, welches für Kame- ras in Fahrzeugen oder zur Überwachung verwendet werden kann. Nachteilig ist, dass die Ab bildungseigenschaften temperaturabhängig sein können, wenn man zwei der Linsen aus kos tengünstigem Kunststoff ausführt.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines kostengünstigen über einen weiten Tempera turbereich betreibbaren Objektivs mit möglichst guter bildseitiger Telezentrie und geringer F- Theta Verzeichnung.

Insbesondere soll das Objektiv für LIDAR- Systeme mit Detektorarrays, beispielsweise SPAD- Arrays, geeignet sein. Insbesondere soll das Objektiv für LIDAR-Systeme ohne bewegliche Teile geeignet sein. Außerdem kann das Objektiv als Abbildungsobjektiv oder als Projektions objektiv geeignet sein.

Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Objektiv nach Anspruch 1 , eine Verwendung nach Anspruch 10 und ein Messsystem nach Anspruch 11.

Vorteile der Erfindung

Das Objektiv ist kostengünstig herzustellen und besonders geeignet für LIDAR- Anwendungen. Es zeichnet sich durch eine passive Athermalisierung, gute bildseitige Telezentrie und geringe F-Theta Verzeichnung aus. Es kann als Abbildungsobjektiv oder als Projektionsobjektiv auch für andere Anwendungen geeignet sein.

Beschreibung

Ein erfindungsgemäßes Objektiv weist eine feste Brennweite F auf. Es umfasst wenigstens eine erste Linse mit einer ersten Brennweite aus einem ersten Glas, eine zweite Linse mit einer zweiten Brennweite fz aus einem ersten Kunststoff, eine dritte Linse mit einer dritten Brennweite aus einem zweiten Glas und eine vierte Linse mit einer vierten Brennweite aus einem zwei ten Kunststoff. Die Indices der Brennweiten sind entsprechend der Nummer der jeweiligen Linse gewählt. Der Kehrwert einer jeden Brennweite ist bekanntermaßen deren Brechkraft. So mit kann jeder der Linsen eine Brechkraft zugeordnet werden. Erfindungsgemäß ist die erste Linse als ein Meniskus mit negativer Brechkraft ausgebildet, die mit Di=1/fi bezeichnet werden kann. Erfindungsgemäß weist die dritte Linse eine positive Brechkraft Dz=Mh auf, was man aus- drücken kann als Dz>0. Die Summe D3+D4 aus der Brechkraft Dz=Vf3 der dritten Linse und der Brechkraft D 4 =1/f 4 der vierten Linse ist positiv, was man ausdrücken kann als D3+D4 >0. Die vierte Linse weist wenigstens eine asphärische Fläche auf. Erfindungsgemäß sind die Brenn

. 0,015 weiten so gewählt, dass £ + 1 < 0,1 und/oder n < — gilt Die Brennweiten können also so gewählt sein, dass, dass der Betrag des Verhältnisses der zweiten zur vierten Brennweite vermehrt um eins kleiner oder gleich 0,1 ist und/oder dass der Betrag der Summe der Kehrwerte der zweiten und vierten Brennweite kleiner oder gleich dem 0,015 fachen der Brennweite des Objektivs ist. Besonders vorteilhaft kann ein Objektiv sein, wenn beide Bedingungen erfüllt sind.

Besonders vorteilhaft kann das Objektiv sein, wenn die Brennweiten so gewählt werden, dass + i 0,01 < 0,05 - sind. u F

Dann kann eine besonders gute passive Athermalisierung des Objektivs erreicht werden. Das Objektiv kann vorteilhaft eine Brennweite F zwischen 2mm und 5mm aufweisen. Die Brennweite fi der ersten Linse kann vorteilhaft zwischen dem -20 fachen und dem -4 fachen der Brennweite F des Objektivs betragen, besonders vorteilhaft zwischen dem -8 fachen und -6 fachen. Die Brennweite f3 der dritten Linse kann vorteilhaft zwischen dem zweifachen bis 5-fachen der Brennweite F des Objektivs betragen. Die Brennweite f4 der vierten Linse kann vorteilhaft zwi schen dem -zweifachen und dem 10 fachen der Brennweite Fdes Objektivs betragen. Die Brennweite f4 der vierten Linse kann vorteilhaft zwischen dem 0,8 fachen und dem 3 fachen der Brennweite fe der dritten Linse betragen.

Als Brennweite einer Linse kann die Brennweite bezüglich paraxialer (im Sinne von achsenna her) Strahlen in einem äußeren Medium der Brechzahl 1 verstanden werden.

Das erste Glas und das zweite Glas können verschiedene Gläser sein. Das erste und das zweite Glas können sich in der thermischen Ausdehnung und/oder im Brechungsindex und/oder in der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex unterscheiden. Alternativ ist es aber auch möglich, die gleiche Glassorte als erstes und als zweites Glas zu verwenden. Dafür können op tische Gläser wie BK7 oder Borsilikatglas verwendet werden. Besonders geeignet können hoch brechende Gläser, beispielsweise dichte Flintgläser (SF-Gläser), Lathanum-haltige Flint- oder Krongläser (beispielsweise LaF, LaSF oder LaK Gläser) oder Barium-haltige Flint- oder Kron- gläser sein (beispielsweise BaF oder BaSF oder BaK Gläser). Vorteilhaft kann das zweite Glas einen höheren Brechungsindex aufweisen, als das erste Glas. Beispielsweise kann das erste Glas einen Brechungsindex zwischen 1,50 und 1,55 aufweisen. Als zweites Glas kann ein Glas mit einem Brechungsindex von mehr als 1,8 verwendet werden. Das zweite Glas kann ein hochbrechendes Lathanium- Flintglas sein. Der erste Kunststoff und der zweite Kunststoff können verschiedene Kunststoffe sein. Der erste und der zweite Kunststoff können sich in der thermischen Ausdehnung und/oder im Brechungs index und/oder in der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex unterscheiden. Alternativ ist es aber auch möglich und u.U. sogar besonders vorteilhaft, die gleiche Kunststoffsorte als ers ten und als zweiten Kunststoff zu verwenden. Unter einem Kunststoff kann man ein Polymer verstehen. Besonders vorteilhaft kann ein transparentes, d.h. ein durchsichtiges Polymer sein. Besonders geeignet können Polycarbonat, COP, Zeonex, COC (Topas) oder OKP sein. Eben falls geeignet kann PMMA sein.

Das Objektiv kann eine optische Achse aufweisen. Die optische Achse kann als z-Achse be zeichnet werden.

Das erfindungsgemäße Objektiv umfasst vier Linsen. Vorteilhaft kann es genau vier Linsen um fassen. Außerdem kann es weitere Elemente, beispielweise Ringblende, Filter, Polarisator etc. umfassen. Gegenüber Objektiven mit mehr als vier Linsen ist das erfindungsgemäße Objektiv billiger herzustellen. Vorteilhaft können die weiteren Elemente ohne Brechkraft, d.h. ohne Krüm mung der optischen Grenzflächen ausgeführt sein.

Unter einer Meniskuslinse kann man eine konvex-konkave Linse verstehen. Vorteilhaft kann die konkave Seite der ersten Linse stärker gekrümmt sein als die konvexe. Es kann sich um einen Meniskus mit negativer Brechkraft handeln, der auch als negativer Meniskus bezeichnet werden kann. Vorteilhaft kann die erste Linse nach außen, d.h. in eine negative z Richtung, gewölbt sein. Das kann bedeuten, dass die erste Linse eine außenliegende Linse bezüglich des Objek tivs sein kann und dass deren konvexe Fläche bezüglich des Objektivs außen angeordnet sein kann.

Vorteilhaft können die erste Linse und/oder die zweite Linse wenigstens eine asphärische Flä che aufweisen.

Unter einer sphärischen Linse kann man eine Linse verstehen, die zwei gegenüberliegende sphärische optische Flächen ausweist. Eine sphärische Linse kann man auch als bisphärische Linse bezeichnen. Eine der sphärischen Flächen kann eine Planfläche sein. Eine Planfläche kann man als sphärische Fläche mit einem unendlichen Krümmungsradius auffassen. Die zweite Linse kann eine asphärische Linse sein. Unter einer asphärischen Linse kann man eine Linse mit wenigstens einer asphärischen opti schen Fläche bezeichnen. Die zweite Linse kann auch als biasphärische Linse ausgebildet sein. Unter einer biasphärischen Linse kann man eine Linse verstehen, die zwei gegenüberlie gende asphärische optische Flächen ausweist. Die zweite Linse kann wenigstens eine Frei formfläche aufweisen.

Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, wenn die erste Linse und die dritte Linse als sphärische Lin sen, die zweite und die vierte Linse als asphärische Linsen, d.h. mit wenigstens jeweils einer asphärischen Fläche ausgebildet sind. Besonders vorteilhaft kann die zweite Linse als biasphä rische Linse ausgebildet sein. Ganz besonders vorteilhaft können sowohl die zweite Linse als auch die vierte Linse als biasphärische Linsen ausgebildet sein.

Vorteilhaft können im Strahlengang nacheinander in einer z Richtung die erste Linse, die zweite Linse, die dritte Linse und die vierte Linse angeordnet sein. In der z Richtung nach der vierten Linse kann die Bildebene des Objektivs angeordnet sein. Vor der ersten Linse kann eine Ob jektebene angeordnet sein. Dann kann das Objektiv ein Abbildungsobjektiv sein. Ein Bildsensor zur Aufnahme eines Bildes oder ein Matrixsensor zur Laufzeitdetektion von Lichtstrahlen kann im Strahlengang nach der vierten Linse, vorteilhaft in der Bildebene des Objektivs, angeordnet sein. Die Lichtstrahlen können sich vom Objekt zur Bildebene mit einer Komponente in z Rich tung ausbreiten.

Ebenfalls vorteilhaft können im Strahlengang in einer -z Richtung nacheinander eine Licht quelle, die vierte Linse, die dritte Linse, die zweite Linse und in die erste Linse angeordnet sein. Dann kann das Objektiv zum Beleuchten von Objekten oder Szenen verwendet werden, die sich in der-z Richtung von der ersten Linse angeordnet sind. Die Lichtstrahlen können sich von der Lichtquelle mit einer Komponente in -z Richtung zu dem zu beleuchtenden Objekt bzw. der Szene ausbreiten. Unter einer Szene kann man eine Anzahl von Objekten verstehen, die in ei nem bestimmten Raumwinkelbereich detektiert und/oder beleuchtet werden sollen.

Vorteilhaft kann zwischen der zweiten Linse und der dritten Linse eine Blende angeordnet sein. Die Blende kann eine Öffnung in einem Blendenbauteil sein. Das Blendenbauteil kann ringför mig ausgebildet sein. Das Blendenbauteil kann eine erste und/oder eine zweite im Inneren des Blendenbauteils angeordnete Kegelstumpfmantelfläche aufweisen, welche eine Ausnehmung im Blendenbauteil begrenzen. Die Kegelstumpfmantelflächen können rotationssymmetrisch zur optischen Achse angeordnet sein. Die erste Kegelstumpfmantelfläche kann die zur zweiten Linse gelegene, die zweite Kegelstumpfmantelfläche die zur dritten Linse gelegene Kegel stumpfmantelfläche sein. Der kleinste Radius der Kegelstumpfmantelfläche kann die Blende darstellen. Vorteilhaft können sich die erste und die zweite Kegelstumpfmantelfläche schneiden. Dann kann der kleinste Radius beider Kegelstumpfmantelflächen gleich sein und die Blende darstellen. Die Schneide, d.h. die Schnittlinie der Kegelstumpfmantelflächen, kann entgratet o- der angefast sein, um sie reproduzierbar hersteilen zu können. Falls nur eine Kegelstumpfman telfläche vorhanden ist, kann der kleinste Radius derselben am Rand des Blendenbauteils an geordnet sein.

Das Blendenbauteil kann gleichzeitig als Abstandshalter zwischen der zweiten und der dritten Linse ausgebildet sein. Durch diese Wahl der Blendenebene können der Telezentriefehler und/ oder die Verzeichnung verringert werden und/oder die Vignettierung minimiert oder vermieden werden. Die Blendenebene kann sich zwischen der zweiten und der dritten Linse befinden.

Vorteilhaft kann das Objektiv bildseitig annähernd telezentrisch ausgebildet sein. Darunter kann man verstehen, dass der bildseitige Telezentriefehler weniger als 5° beträgt. Diese Ausbildung des Objektivs kann besonders vorteilhaft sein, wenn zwischen der vierten Linse und der Bild ebene ein Filter, beispielsweise ein Bandpassfilter, angeordnet ist. Eine derartige vorteilhafte Anordnung kann außerdem einen Bildsensor zur Bildaufnahme oder ein Matrixsensor zur Lauf zeitdetektion eines Lichtstrahls umfassen, der in der der Bildebene angeordnet sein kann. Bei einer solchen Anordnung von dem Objektiv und dem Filter kann eine Inhomogenität der Aus leuchtung der Bildebene infolge unterschiedlicher Einfallswinkel auf das Filter vermieden wer den. Die Anforderungen an den Winkelakzeptanzbereich des Filters können im Vergleich zu ei nem nicht telezentrischen Objektiv reduziert sein. Dadurch kann das Filter kostengünstiger sein. Unter einem bildseitigen Telezentriefehler kann man die Winkelabweichung zwischen der opti schen Achse und den Hauptstrahlen zwischen der letzten Linse und dem Bildsensor verstehen. Als Hauptstrahlen können dabei die Strahlen bezeichnet werden, die in der Blendenebene ei nen Schnittpunkt mit der optischen Achse haben. Falls keine Blende vorhanden ist, können als Hauptstrahlen die Strahlen mit dem mittleren Winkel bezüglich der jeweils an einem bestimmten Punkt auf die Bildebene treffenden Strahlenbündel angenommen werden Vorteilhaft kann die vierte Linse bikonvex ausgebildet sein. Ebenfalls vorteilhaft kann die vierte Linse als ein Menis kus mit positiver Brechkraft ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft kann die konkave Fläche ei nes solchen Meniskus in positiver z Richtung liegen, d.h. der Bildebene bzw. der Lichtquelle zu gewandt sein, um einen möglichst geringen bildseitigen Telezentriefehler zu erreichen. Das Objektiv kann vorteilhaft eine fotografische Lichtstärke von wenigstens 1:1,3 aufweisen.

Die fotografische Lichtstärke kann als maximales Öffnungsverhältnis des Objektivs bezeichnet werden. Der Kehrwert der fotografischen Lichtstärke kann als Blendenzahl bezeichnet werden. Man kann die Bedingung auch derart ausdrücken, dass die Blendenzahl kleiner als 0,77 sein soll.

Das Objektiv kann vorteilhaft ein Bandpassfilter zur Trennung des Signallichtes der Lichtquelle vom Umgebungslicht, insbesondere vom Tageslicht, umfassen. Ein Bandpassfilter kann aber auch außerhalb des Objektivs im Strahlengang angeordnet sein.

Das Objektiv kann als Projektionsobjektiv betreibbar sein. Es kann aber auch als Abbildungsob jektiv betreibbar sein.

Vorteilhaft kann eine Verwendung des Objektivs für ein Messsystem zu wenigstens einer Lauf zeitdetektion wenigstens eines Lichtstrahls sein. Das Messsystem kann vorteilhaft wenigstens ein Objektiv, wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens einen Matrixsensor umfassen. Die Lichtquelle kann eine Laserstrahlquelle oder eine LED sein. Die Lichtquelle kann gepulst betrie ben werden. Die Pulslänge kann zwischen 1ns und 1ms betragen.

Das Messsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Matrixsensor ein SPAD Array ist und/oder dass die Lichtquelle ein VCSEL Array oder ein LED Array ist.

Vorteilhaft kann die zweite Linse derart ausgebildet sein, dass beide optische Flächen der zwei ten Linse wenigstens in einem zentralen Bereich konkav ausgebildet sind. Unter dem zentralen Bereich kann man einen Bereich in der Nähe der optischen Achse verstehen. Dieser kann dadurch bestimmt sein, dass er alle Punkte innerhalb eines bestimmten Radius um die optische Achse enthält. Die zur ersten Linse gelegene Fläche der zweiten Linse, beim Abbildungsobjek tiv also die gegenstandsseitige Fläche, kann außerdem einen konvex ausgebildeten Bereich aufweisen. Dieser konvexe Bereich kann peripher bezüglich der optischen Achse angeordnet sein. Unter einem peripheren Bereich kann man einen Bereich verstehen, der die Punkte au ßerhalb eines bestimmten Radius um die optische Achse enthält. Dieser Bereich kann ringför mig ausgebildet sein. Die zur dritten Linse gelegene optische Fläche der zweiten Linse, beim Abbildungsobjektiv also die bildseitige optische Fläche, kann überall konkav ausgebildet sein. Das Objektiv kann einen oder mehrere jeweils zwischen zwei Linsen angeordnete Abstandshal ter umfassen. Die Abstandshalter können vorteilhaft aus Polycarbonat oder aus einem glasfa serverstärken Kunststoff hergestellt sein. Er kann alternativ aus einem Metall wie z.B. Alumi nium oder Strahl hergestellt sein.

Das Objektiv kann eine Brennweite, eine Bildpunktgröße, eine Modulations-Transfer-Funktion und eine Verzeichnung in der Bildebene aufweisen. Die Brennweite des Objektivs und/oder we nigstens eine der optischen Eigenschaften Bildpunktgröße, Modulations-Transfer- Funktion, Bildgröße, Verzeichnung in der Bildebene können bei einer ersten Wellenlänge über einen Temperaturbereich ohne den Einsatz von aktiven Komponenten unabhängig von der Tempera tur sein. Das kann als passive Athermalisierung bezeichnet werden.

Die passive Athermalisierung kann durch die o.g. Auswahl der Linsenmaterialien in Verbindung mit den o.g. Einschränkungen der Brennweitenverhältnisse erreicht werden.

Das Objektiv kann für eine einzelne Wellenlänge (Designwellenlänge), beispielsweise die einer bestimmten Laserstrahlung ausgelegt sein, beispielsweise 780nm, 808nm, 880nm, 905nm, 915nm, 940nm, 980nm, 1064 oder 1550nm. Das Objektiv kann aber auch für eine bestimmte Bandbreite, beispielsweise für den sichtbaren Wellenlängenbereich oder den nahen Infrarotbe reich, oder für mehrere diskrete Wellenlängen ausgelegt sein. Die vorgesehene Bandbreite kann auch beispielsweise 20nm bis 50nm betragen, um beispielsweise eine thermische Wellen längendrift eines zur Beleuchtung vorgesehenen Diodenlasers ausgleichen zu können.

Das Objektiv kann als Projektionsobjektiv betrieben werden. Beispielsweise kann damit ein La serstrahl linienförmig oder flächig in einen Raumausschnitt projiziert werden.

Das Objektiv kann als Abbildungsobjektiv betrieben werden. Ein von einem Objekt zurückge worfener Lichtstrahl, beispielsweise ein Laserstrahl, der von einem Punkt des Objekts reflektiert worden ist, kann auf einen Punkt des Detektors projiziert werden. Mit dem Detektor kann die Laufzeit dieses Lichtstrahls detektiert werden.

Das Objektiv kann in einer bevorzugten Ausführung gleichzeitig als Projektionsobjektiv und als Abbildungsobjektiv verwendet werden. Mittels eines im Strahlengang zwischen dem Objektiv und dem Detektor angeordneten Strahlteilers kann der zu projizierende Laserstrahl in den Strahlengang eingekoppelt werden. io

Das Objektiv kann als Weitwinkelobjektiv mit einem Öffnungswinkel (Vollwinkel) von mehr als 160°, besonders vorteilhaft mehr als 170° und ganz besonders vorteilhaft mehr als 175° ausge führt sein.

Vorteilhaft kann die Verwendung eines Objektivs mit einer festen Brennweite F für ein Messsys tem zu wenigstens einer Laufzeitdetektion wenigstens eines Lichtstrahls sein. Der Lichtstrahl kann ein Laserstrahl sein. Der Lichtstrahl kann von einer Lichtquelle ausgesendet werden. Die Lichtquelle kann ein optisch gepumpter Festkörperlaser oder ein elektrisch gepumpter Dioden laser sein. Die Lichtquelle kann zusammen mit dem erfindungsgemäßen Objektiv und einem Detektor an einem Fahrzeug angeordnet sein. Die Lichtquelle kann so ausgeführt sein, dass einzelne Lichtimpulse emittierbar sind. Zur Laufzeitdetektion des Lichtstrahls kann ein Photo elektrischer Detektor vorgesehen sein. Der Detektor kann als Avalanche-Photodiode, beispiels weise als Einzelphoton-Avalanche-Diode (abgekürzt SPAD; englisch single-photon avalanche diode) ausgeführt sein. Der Detektor kann mehrere Avalanche Photodioden umfassen. Diese können als SPAD-Array ausgeführt sein.

Ein erfindungsgemäßes Messsystem umfasst wenigstens ein erfindungsgemäßes Objektiv, we nigstens eine Lichtquelle und wenigstens einen Matrixsensor. Die Lichtquelle kann wenigstens ein Signallicht emittieren. Dieses kann sich in der Wellenlänge vom Umgebungslicht unterschei den. Die Lichtquelle kann vorteilhaft eine Laserlichtquelle sein. Es kann sich um einen Infrarot laser handeln. Alternativ kann die Lichtquelle eine LED sein.

Die Lichtquelle kann gepulst betrieben werden. Die Pulslänge kann zwischen 1ns und 1ms be tragen.

Die Lichtquelle kann in einer weiteren Ausführungsform mehrere lichtemittierende Elemente umfassen, die unabhängig voneinander betreibbar sind. Die Lichtquelle kann als ein VCSEL Ar- ray oder ein LED Array ausgebildet sein. Es kann ein Betrieb der Lichtquelle vorgesehen sein, bei welchem wenigstens zwei der lichtemittierenden Elemente zu verschiedenen Zeitpunkten Lichtpulse aussenden.

Der Matrixsensor kann ein SPAD Array sein.

Die Figuren zeigen Folgendes:

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel. Fig. 2 zeigt den Strahlengang des ersten Ausführungsbeispiels.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel.

Fig. 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Messsystem.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen erläutert.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel. Dargestellt ist ein Objektiv 1 mit einer festen Brenn weite F. Das Objektiv weist eine optische Achse 3 auf. Die optische Achse liegt in z Richtung. In den Figuren ist die Bildebene rechts, d.h. in z Richtung angeordnet, während sich die Gegen standsebene links vom Objektiv befindet. Das Objektiv umfasst eine erste Linse 5 eine zweite Linse 6 und eine dritte Linse 8 und eine vierte Linse 12. Die Linsen sind in z Richtung aufeinan derfolgend in der genannten Reihenfolge angeordnet.

Die erste Linse ist aus einem ersten Glas hergestellt. Die erste Linse ist eine sphärische Menis kuslinse mit negativer Brechkraft, d.h. sie weist zwei gegenüberliegende sphärische optische Flächen auf.

Die zweite Linse 6 ist aus einem ersten Kunststoff hergestellt. Die zweite Linse 6 ist als bias phärische Zerstreuungslinse ausgebildet. Die zweite Linse 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel derart ausgebildet, dass die gegenstandsseitige Fläche 9 (in der Darstellung links) in einem zentralen Bereich 10 (mit einer Klammer in der Figur angezeigt) konkav und in einem periphe ren Bereich 11 konvex ausgebildet ist.

Die dritte Linse 8 ist aus einem zweiten Glas hergestellt. Die dritte Linse 8 ist eine sphärische Sammellinse.

Die vierte Linse 12 ist als biasphärische Sammellinse ausgebildet. Sie ist aus einem zweiten Kunststoff hergestellt. Der zweite Kunststoff ist hier der gleiche wie der erste Kunststoff.

Ein Abstandshalter 13 ist zwischen der zweiten Linse 6 der dritten Linse 8 angeordnet. Der Ab standshalter weist eine Öffnung auf, die als Blende 14 wirkt. Die Öffnung ist aus einer ersten Kegelstumpfmantelfläche 15 und einer zweiten Kegelstumpfmantelfläche 16 gebildet. Die Schnittkante der Kegelstumpfmantelflächen ist eine Schneide 17, welche die Blendenöffnung darstellt. Die Blende ist als Schneide ausgebildet. Die Blende kann in einer nicht figürlich darge stellten Abwandlung des Ausführungsbeispiels auch als Ringblende ausgeführt sein. In einer weiteren nicht figürlich dargestellten Abwandlung des Ausführungsbeispiels ist die Blende in der Ebene einer Anlagefläche 7 der zweiten Linse gewählt. Dann kann man diese Fläche lichtab- sorbierend ausrüsten und als Blende benutzen.

Außerdem ist noch ein Filter 18 vorgesehen, der das Signallicht vom Umgebungslicht trennt

Fig. 2 zeigt den Strahlengang des ersten Ausführungsbeispiels. In dieser Figur sind die Schraf furen der Linsen weggelassen, um die Lichtstrahlen 4 besser darstellen zu können, welche den Strahlengang 2 repräsentieren. In der Bildebene 21 ist ein Bildsensor zur Bildaufnahme oder ein Matrixsensor zur Laufzeitdetektion eines Lichtstrahls angeordnet.

Das optische Design ist gemäß der nachfolgenden Tabelle 1 ausgeführt:

Tabelle 1

Die erste Spalte gibt eine laufende Nummer einer Fläche an und ist von der Objektseite aus durchnummeriert. Der Typ „Standard“ bezeichnet eine ebene oder sphärisch gekrümmte Flä- che. Der Typ „ASPHÄRE“ bezeichnet eine asphärische Fläche. Als Fläche kann eine Grenzflä che oder Linsenoberfläche verstanden werden. Es sei darauf hingewiesen, dass außerdem auch die Gegenstandsebene (Nr. 1), eine Blende (Nr.6) sowie die Bildebene (Nr. 12) als Fläche betrachtet werden. Die Flächen 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9 und 10 sind Linsenflächen. Diese Flächen sind in Fig. 2 mit der jeweiligen Nummer bezeichnet als Surf 2, Surf 3, Surf 4, Surf 5, Surf 7, Surf 8, Surf 9 bzw. Surf 10.

Die Spalte Krümmungsradius KR gibt den Krümmungsradius der jeweiligen Fläche an. Im Falle einer asphärischen Fläche ist darunter der paraxiale Krümmungsradius zu verstehen. In der Ta- belle ist das Vorzeichen eines Krümmungsradius positiv angegeben falls die Form einer Ober fläche zur Objektseite hin konvex ist und das Vorzeichen ist negativ falls die Form einer Ober fläche zur Bildseite hin konvex ist. Die Angabe » in der Spalte Krümmungsradius bedeutet, dass es sich um eine ebene Fläche handelt. In der Spalte „Dicke/Abstand“ ist der Abstand der i- ten Fläche zur (i+1 )-ten Fläche auf der optischen Achse angegeben. Die Angabe °° in dieser Spalte in Nr.1 bedeutet, dass es sich um eine unendliche Gegenstandsweite handelt, d.h. ein auf Unendlich fokussiertes Objektiv. Für die Zeilen 2, 4, 7 und 9 ist in dieser Spalte die Mittendi cke der ersten, zweiten dritten bzw. vierten Linse angegeben. In der Spalte Material ist das Ma terial zwischen den jeweiligen Flächen angegeben mit dem jeweiligen Brechungsindex n. Der Brechungsindex n bezieht sich dabei auf eine Designwellenlänge, für welche das Objektiv aus- gelegt ist. Die Designwellenlänge kann beispielsweise zwischen 700nm und 1100nm oder zwi schen 1400nm und 1600nm liegen, beispielsweise bei 905, 915nm, 940nm, 1064nm oder 1550nm. Die Spalte Radius gibt den Außenradius der jeweiligen Fläche an. Im Falle der Blende (Nr. 6) ist das die Blendenöffnung. Bei den Linsenflächen ist das der nutzbare maximale Ab stand der Lichtstrahlen von der optischen Achse, in der nachfolgenden Gleichung entspricht das dem maximalen Wert h für die jeweilige Fläche.

Nachfolgend sind in den zwei nachfolgenden Tabellen (Tabelle 2, Tabelle 3) die Koeffizienten der asphärischen Flächen zu der jeweiligen Flächen Nr. angegeben.

In den numerischen Werten der asphärischen Daten, bedeutet "E-n" (n: ganzzahlig) "x10 n " und

"E+n" bedeutet "x10 n ". Weiterhin sind die asphärischen Oberflächenkoeffizienten die Koeffizien ten C m mit m = 2..16 in einem asphärischen Ausdruck, der durch die folgende Gleichung darge- stellt wird: wobei

Zd die Tiefe einer asphärischen Oberfläche ist (d.h. die Länge einer Senkrechten von einem Punkt auf der asphärischen Oberfläche mit einer Höhe h zu einer den Scheitel der asphäri schen Oberfläche berührenden und zu einer optischen Achse senkrechten Ebene), h die Höhe (d.h. eine Länge von der optischen Achse zu dem Punkt auf der der asphärischen Fläche), KR der paraxiale Krümmungsradius, und C m die unten angegebenen asphärischen Oberflächenko- effizienten (m = 2 .. 16) sind. Nicht angegebene asphärischen Oberflächenkoeffizienten, hier alle mit ungeradzahligem Index, sind Null anzunehmen. Die Koordinate h ist in Millimeter einzu setzen, ebenso der Krümmungsradius, das Ergebnis Zd wird in Millimetern erhalten. Der Koeffi- zient k ist der Konizitätskoeffizient, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel für alle Flächen Null ist.

Die Brennweite der ersten Linse beträgt fi=- 17,7mm, die der dritten Linse beträgt f 3 =8,7mm. Die Brennweite der zweiten Linse beträgt f 2 =-10,3mm, die der vierten Linse beträgt f4= 9,95mm. Das Objektiv hat eine Brennweite F von 2,78mm. In einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels ist das Objektiv auf eine endliche Gegen standsweite fokussiert. Das kann durch eine Veränderung der Bildweite erfolgen. Dazu kann der Abstand in Zeile Nr. 10 entsprechend erhöht werden. In einerweiteren nicht dargestellten Abwandlung kann das Objektiv als Projektionsobjektiv ver wendet werden. Dazu wird anstelle des Sensors in der Ebene 21 eine Lichtquelle angeordnet. Dann kann eine in negativer z Richtung, die in Fig. 1 als -z Richtung gekennzeichnet ist, vor dem Objektiv befindliche Szene beleuchtet werden. Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel. Dieses wird in den folgenden Absätzen beschrie ben. In dieser Figur sind die Schraffuren der Linsen weggelassen, um die Lichtstrahlen 4 besser darstellen zu können, welche den Strahlengang 2 repräsentieren. Entsprechend der unter dem ersten Ausführungsbeispiel genannten Ausführungen ist das optische Design des zweiten Aus führungsbeispiels nach der nachfolgenden Tabelle 4 ausgeführt: Tabelle 4

Die in den folgenden Tabellen (Tabelle 5, Tabelle 6) angegebenen Koeffizienten der asphäri schen Flächen (Flächen vom Typ Asphäre mit der in der obigen Tabelle 4 jeweils angegebenen Nummer) wurden verwendet:

Nicht angegebene asphärischen Oberflächenkoeffizienten, hier alle mit ungeradzahligem Index, sind Null anzunehmen. Die Konizitätskoeffizienten k aller Flächen sind in diesem Beispiel eben falls gleich Null. Die Brennweite der ersten Linse beträgt fi=- 16,285mm, die der dritten Linse beträgt 3=9, 278mm. Die Brennweite der zweiten Linse beträgt fe— 12,453mm, die der vierten Linse be trägt f 4 =12,307mm. Das Objektiv dieses zweiten Ausführungsbeispiels hat eine Brennweite F von 3,302mm.

Die Blende ist als Schneide ausgebildet. Die Blende kann in einer nicht figürlich dargestellten Abwandlung des Ausführungsbeispiels auch als Ringblende ausgeführt sein. In einer weiteren nicht figürlich dargestellten Abwandlung des Ausführungsbeispiels ist die Blende in der Ebene einer Anlagefläche 7 der zweiten Linse gewählt. Dann kann man diese Fläche lichtabsorbierend ausrüsten und als Blende benutzen.

In einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels ist das Objektiv auf eine endliche Gegen- standsweite fokussiert. Das kann durch eine Veränderung der Bildweite erfolgen. Dazu kann der Abstand in Zeile Nr. 10 entsprechend erhöht werden.

In einerweiteren nicht dargestellten Abwandlung kann das Objektiv als Projektionsobjektiv ver wendet werden. Dazu wird anstelle des Sensors in der Ebene 21 eine Lichtquelle angeordnet. Dann kann eine in negativer z Richtung, die in Fig. 3 als -z Richtung gekennzeichnet ist, vor dem Objektiv befindliche Szene beleuchtet werden.

Die Designwellenlänge des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels ist 905nm. Abwand lungen der Ausführungsbeispiele können auch bei anderen in der Beschreibung aufgeführten Wellenlängen verwendet werden. Fig. 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Messsystem. Das Messsystem 19 umfasst ein Senderob jektiv 22, ein Empfängerobjektiv 23, eine Lichtquelle 20 und einen Matrixsensor 21. Die Licht quelle beleuchtet ein oder mehrere Objekte 24 mit einem Senderlicht 25. Der Matrixsensor de- tektiert die Laufzeit des zurückgeworfenen Lichts 26.

Bezugszeichen

1. Objektiv

2. Linsenanordnung mit Strahlengang

3. Optische Achse

4. Lichtstrahl

5. Erste Linse

6. Zweite Linse

7. Anlagefläche

8. Dritte Linse

9. Gegenstandsseitige Fläche der zweiten Linse

10. zentraler Bereich

11. peripherer Bereich

12. Vierte Linse

13. Abstandshalter (spacer)

14. Blende

15. Erster Kegelstumpfmantel

16. Zweiter Kegelstumpfmantel

17. Schneide, Schnittkante

18. Filter

19. Messsystem

20. Lichtquelle

21. Matrixsensor

22. Senderobjektiv

23. Empfängerobjektiv

24. Objekt

25. Senderlicht

26. Zurückgeworfenes Licht