DE102004060786A1

DE102004060786A1 - Autofokussierendes optisches System für eine Kamereinheit

Info

Publication number: DE102004060786A1
Application number: DE102004060786A
Authority: DE
Inventors: Tae Young Kim; Young Jun Kim; Young Joo Jo
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2004-09-01
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2006-03-16
Also published as: CN100437330C; CN1743939A; US20060056042A1; KR20060020980A; KR100616616B1; US7142368B2; JP2006072295A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein autofokussierendes optisches System, insbesondere ein autofokussierendes optisches System für ein Kameramodul, das in der Lage ist, eine hohe Auflösung trotz kleiner Größe durch Verwendung einer Flüssigkeitslinse (120) zu erzielen, deren Krümmung in Abhängigkeit von einer angelegten Spannung veränderbar ist. In dem autofokussierenden optischen System umfasst eine erste Linsengruppe (LG1) eine Flüssigkeitslinse (120), deren Krümmung veränderbar ist und die eine positive Brechkraft hat, eine zweite Linsengruppe (LG2) hat eine positive Brechkraft und eine dritte Linsengruppe (LG3) hat eine negative Brechkraft. Dank eines autofokussierenden optischen Systems, das eine Flüssigkeitslinse (120) gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, ist nicht nur eine Herstellung in kleiner Größe möglich, sondern auch eine hohe Auflösung und ein niedriger Leistungsverbrauch.

Description

Die vorliegende Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität der koreanischen Patentanmeldung Nr. 2004-0069726, eingereicht am 01. September 2004, deren Offenbarung in ihrer Gesamtheit hiermit durch Bezugnahme enthalten ist.
Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein autofokussierendes optisches System, genauer, ein autofokussierendes optisches System für eine Kameraeinheit, das in der Lage ist, trotz kleiner Größe eine hohe Auflösung zu erzielen, wobei eine Flüssigkeitslinse verwendet wird, deren Krümmung in Abhängigkeit von einer angelegten Spannung veränderbar ist.

Im Allgemeinen hat eine Kamera eine Mehrzahl von Linsen und ist dazu eingerichtet, die optische Brennweite durch Bewegung jeder Linse anzupassen, wobei der relative Abstand zwischen den Linsen verändert wird. In letzter Zeit kamen Mobiltelefone mit eingebauten Kameras auf und es ist daher möglich geworden, ein unbewegtes Bild oder einen Film mit dem Mobiltelefon aufzunehmen. Weiterhin gibt es den Trend, dass die Leistung einer Kamera im Hinblick auf hochauflösende Fotografie und Qualität schrittweise verbessert wird.

1 zeigt eine Perspektivansicht einer herkömmlichen Kameraeinheit, die keine Fokussierungsfunktion hat.

Wie in 1 dargestellt enthält die herkömmliche Kameraeinheit einen Bildsensor 54, einen Filter, der auf der Unterseite eines Gehäuses 51 angebracht ist und eine Mehrzahl von Linsen, die im Inneren eines Linsenzylinders 52 befestigt sind.

Der Linsenzylinder 52 wird mit Hilfe von Epoxidharz an dem Gehäuse 51 befestigt, nachdem die Brennweite der Linsenanordnung 53 unter Benutzung von Schraubengewinden, die auf dem inneren Umfang des Gehäuses 51 und dem äußerem Umfang des Linsenzylinders 52 ausgebildet sind, auf den Bildsensor 54, angepasst wurde.

Dennoch ist die Schärfe der Bildqualität begrenzt, da es unmöglich ist, in solch einer Einrichtung mit fester Brennweite auf eine bestimmte Distanz zu fokussieren.

Daher ist eine Fokussierfunktion für eine Kameraeinheit unentbehrlich, die eine Auflösung im Megapixelbereich hat.

Also besteht Bedarf an einer Kameraeinheit, die eine Autofokussiereinheit, eine Nahaufnahmeneinheit und eine optische Zoomeinheit umfasst, für ein Mobiltelefon, aber es ist schwierig, eine entsprechend dem Stand der Technik angefertigte Kameraeinheit in einem kleinen Mobiltelefon anzubringen.

Eine Kameraeinheit gemäß dem Stand der Technik benutzt einen Gleichstrommotor als Betriebsquelle, um einen Fokussier- und/oder Zoomvorgang durch Verändern des relativen Abstandes zwischen einem Bildsensor und einer Linse durchzuführen. Da bei der Kameraeinheit des Standes der Technik eine Mehrzahl von Reduziergetrieben miteinander verbunden sind, sodass der relative Abstand zwischen Linsen verändert werden kann, ist es dennoch aufgrund der Verminderung der Antwortzeit und der Abweichung der Drehgeschwindigkeit schwierig, die Position einer Linse zur präzisen Durchführung eines Fokussierungsvorgangs exakt zu steuern. Da die Kameraeinheit weiterhin einen großen Raum beansprucht und kompliziert in ihrem Aufbau ist, ist es schwierig, eine autofokussierende Funktion auf extrem begrenztem Raum im Inneren eines kleinen optischen Gerätes wie einem Mobiltelefon zu ermöglichen.

Da eine Mehrzahl von Linsen zum Erreichen einer hohen Auflösung genutzt wird, erhöhen sich die Herstellungskosten und es wird ein mechanischer Betrieb benötigt, der den Stromverbrauch erhöht.

In der internationalen PCT-Veröffentlichung Nr. WO 03/069380 wird eine Linse mit veränderlichem Brennpunkt offenbart.

2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Linse mit veränderbarem Brennpunkt, die als ein Ausführungsbeispiel von der WO 03/069380 vorgeschlagen wurde.

Wie in 2 dargestellt, umfasst die Linse mit veränderbarem Brennpunkt: eine zylinderförmige Flüssigkeitskammer 65, die eine Zylinderwand hat und eine erste und eine zweite Flüssigkeit A und B mit unterschiedlichen Brechungsindizer enthält, in welchem die ersten und zweiten Flüssigkeiten A und B nicht miteinander vermischt sind und durch einen Meniskus 74 miteinander in Kontakt stehen; eine Flüssigkeitskontaktschicht 70, die auf einer Innenseite der Zylinderwand angebracht ist; eine erste Elektrode 62, die von den ersten und zweiten Flüssigkeiten A und B durch die Flüssigkeitskontaktschicht 70 getrennt ist; und eine zweite Elektrode 62 zum Aktivieren der zweiten Flüssigkeit B.

Hier ist die erste Elektrode 62 zylinderförmig, von einer Isolierschicht 68 eingefasst und aus metallischem Material hergestellt, und die zweite Elektrode 72 ist an einer Seite der Flüssigkeitskammer 65 angebracht.

Desweiteren bilden ein transparentes Vorderelement 64 und ein transparentes Rückelement 66 ein Abdeckungsteil der Flüssigkeitskammer 65 zum Aufbewahren der zwei Flüssigkeiten.

Der Betrieb der Linse mit veränderbarem Brennpunkt, aufgebaut wie oben beschrieben, wird nun im Folgenden beschrieben.

Wenn keine Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 62 und 72 angelegt ist, besitzt die Flüssigkeitskontaktschicht 70 eine hohe Benetzbarkeit im Bezug auf die erste Flüssigkeit A und eine niedrigere Benetzbarkeit im Bezug auf die zweite Flüssigkeit B.

Wenn eine Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 62 bzw. 72 angelegt wird, ändert sich die Benetzbarkeit im Bezug auf die zweite Flüssigkeit B aufgrund von Elektrowetting und die Kontaktwinkel Q1, Q2, Q3 des Meniskus 74 verändern sich wie in 2 dargestellt.

Daher ändert sich die Form des Meniskus in Abhängigkeit von der angelegten Spannung und ein Fokussierungsvorgang wird aufgrund der Änderung der Form des Meniskus durchgeführt.

Das heißt, wie in 2A, 2B und 2C dargestellt, dass der Winkel zwischen dem Meniskus 74 und der Flüssigkeitskontaktschicht 70, gemessen von der ersten Flüssigkeit A, sich zu etwa 140°, 100°, 60° abhängig von der Intensität der angelegten Spannung, verändert.

Die 2A, 2B, 2C zeigen jeweils Anordnungen im Falle einer hohen negativen Brechkraft, einer niedrigen negativen Brechkraft und einer positiven Brechkraft.

Wie oben beschrieben hat die Linse mit veränderbarem Brennpunkt, die die Flüssigkeiten benutzt (im Folgenden als „Flüssigkeitslinse" bezeichnet), den Vorteil, dass ein verglichen mit dem Stand der Technik kleines Produkt, in welchem ein Fokussiervorgang mit Hilfe des mechanischen Betriebes einer Linse durchgeführt wird, hergestellt wird.

Da jedoch die Auflösung auf ungefähr 300.000 Pixel bei ausschließlicher Benutzung einer Flüssigkeitslinse beschränkt ist und eine hohe Auflösung nicht erreicht werden kann, gibt es Beschränkungen in der Anwendung der Flüssigkeitslinse bei derzeit gebräuchlichen Kameraeinheiten der Megapixelklasse.

Um solche Probleme zu lösen, wird ein autofokussierendes optisches System, das in einer kleinen Größe hergestellt werden kann, benötigt.

Zusammenfassung der Erfindung

Dementsprechend bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein autofokussierendes optisches System für eine Kameraeinheit ausgerichtet, das ein oder mehrere Probleme in Bezug auf Einschränkungen und Nachteile des Standes der Technik löst.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein autofokussierendes optisches System für eine Kameraeinheit zu schaffen, das in kleiner Größe hergestellt werden kann und eine hohe Auflösung erreicht.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein autofokussierendes optisches System für eine Kameraeinheit zu schaffen, das durch Konzentrieren der Leistung einer sehr kleinen Kameraeinheit wie dem Kameratelefon (Fotohandy) die Effizienz des optischen Systems maximiert und die Größe oder Länge des gesamten optischen Systems verkürzt.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein autofokussierendes optisches System zu schaffen, das sehr stromsparend ist.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung erläutert oder sie ergeben sich für den Fachmann bei der Durchführung der Erfindung. Die Ziele und andere Vorteile der Erfindung können durch die Figurenbeschreibung und die Ansprüche wie auch durch die beiliegenden Zeichnungen erfasst werden.

Um diese Ziele und andere Vorteile zu erreichen und in Übereinstimmung mit dem Zweck der Erfindung, wie er hierin beschrieben ist, umfasst ein autofokussierendes optisches System, in der Reihenfolge aus der Blickrichtung eines abzubildenden Objektes: eine erste Linsengruppe mit positiver Brechkraft, wobei die erste Linsengruppe eine Flüssigkeitslinse enthält, in welcher die Krümmung einer Grenzfläche zwischen unterschiedlichen Flüssigkeiten, die in einem Innenraum enthalten sind, abhängig von einer angelegten Spannung veränderbar ist, sodass die Grenzfläche die Wirkung einer Linsenoberfläche hat, und eine asphärische Linse, an der eine asphärische Oberfläche auf mindestens einer ihrer lichtbrechenden Oberflächen ausgebildet ist, enthält; eine zweite Linsengruppe mit positiver Brechkraft, die eine asphärische Linse, an der eine asphärische Oberfläche auf mindestens einer ihrer lichtbrechenden Oberflächen ausgebildet ist, enthält; eine dritte Linsengruppe mit negativer Brechkraft, die eine asphärische Linse, an der eine asphärische Oberfläche auf mindestens einer ihrer lichtbrechenden Oberflächen ausgebildet ist, und wobei die Krümmung der Grenzfläche der Flüssigkeitslinse veränderbar ist, sodass eine Autofokussierung durchführbar ist.

In dem autofokussierenden optischen System erfüllt die Brechkraft der Flüssigkeitslinse die folgende Gleichung 1: –7 < D < 35 Gleichung 1,worin D die Brechkraft der Oberfläche der Flüssigkeitslinse, deren Krümmung veränderbar ist, ist (Einheit: Dioptrien).

Weiterhin erfüllt ein optisches Axialrichtungsmaß der gesamten Linsengruppe im autofokussierenden optischen System die folgende Gleichung 2: oal/f < 2,0 Gleichung 2,worin oal der Abstand zwischen einer Öffnungsblende und einer Bildebene ist und f die zusammengesetzte Brennweite der gesamten Linse.

In dem autofokussierenden optischen System erfüllt die Brennweite der ersten Linsengruppe die folgende Gleichung 3: 0,85 < f1/f < 1,5 Gleichung 3, worin f1 die zusammengesetzte Brennweite der ersten Linsengruppe ist.

In dem autofokussierenden optischen System erfüllt des weiteren die Brennweite der dritten Linsengruppe die folgende Gleichung 4: 2,0 < |f3/f| < 5,5 Gleichung 4,worin f3 die zusammengesetzte Brennweite der dritten Linsengruppe ist.

Weiterhin umfasst die erste Linsengruppe, in Reihenfolge aus der Blickrichtung eines abzubildenden Objektes: eine erste Linse, die einer Abdeckungsoberfläche der Flüssigkeitslinse entspricht, eine zweite Linse, die die Flüssigkeitslinse enthält; und eine dritte Linse, die einer oberen Abdeckungsoberfläche der Flüssigkeitslinse entspricht. In dem autofokussierenden optischen System kann die Öffnungsblende dem abzubildenden Objekt am nähesten angeordnet sein.

Es sollte klar sein, dass sowohl die vorangehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung beispielhaft und erläuternd sind und beabsichtigen, die Erfindung wie beansprucht weiter zu erklären.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die beiliegenden Zeichnungen, die beigefügt wurden, um ein weitergehendes Verständnis der Erfindung zu ermöglichen und die sowohl in dieser Anmeldung enthalten sind als auch einen Teil dieser Anmeldung darstellen, illustrieren Ausführungsbeispiele der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erklärung des Prinzips der Erfindung. In den Zeichnungen:

1 zeigt eine Perspektivansicht einer herkömmlichen Kameraeinheit, die keine Funktion zum Anpassen des Brennpunktes hat;

2A, 2B und 2C zeigen schematische Querschnittsansichten einer Linse mit veränderbarem Brennpunkt gemäß dem Stande der Technik;

3A und 3B zeigen Graphen, die die MTF-Charakteristiken für einen weiten Abstand und einen nahen Abstand in einem optischen System gemäß dem Stande der Technik darstellen;

4 zeigt eine Ansicht, die eine Kombination von Linsen in einem optischen System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;

5 zeigt einen Graph, der Charakteristiken der sphärischen Abweichung, des Astigmatismus und der Verzerrung eines optischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt; und

6A und 6B zeigen Graphen, die MTF-Charakteristiken für ein langen Abstand und einen kurzen Abstand in einem optischen System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Es wird im Detail Bezug genommen auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, von welchen Beispiele in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind.
4 zeigt eine Kombination von Linsen in einem optischen System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Dicke, Größe und Form der in 4 dargestellten Linsen wurden zum Zweck einer einfacheren Erklärbarkeit übertrieben gezeichnet und insbesondere die in 4 dargestellten sphäri schen und asphärischen Formen wurden speziell für das Ausführungsbeispiel angegeben und sind daher nicht auf diese spezielle Form beschränkt.
Wie in 4 dargestellt, umfasst ein autofokussierendes optisches System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Reihenfolge aus der Blickrichtung eines abzubildenden Objekts: eine Öffnungsblende 1, die am nächsten zu dem abzubildenden Objekt angeordnet ist, um unnötigen Lichteinfall zu verhindern; eine erste Linsengruppe (LG1) mit positiver Brechkraft, die eine Flüssigkeitslinse und eine asphärische Linse, an der mindestens eine asphärische lichtbrechende Oberfläche ausgebildet ist, umfasst; eine zweite Linsengruppe (LG2) mit positiver Brechkraft, die eine asphärische Linse, an der mindestens eine asphärische lichtbrechende Oberfläche ausgebildet ist, umfasst; und eine dritte Linsengruppe (LG3) mit negativer Brechkraft, die eine asphärische Linse, an der mindestens eine asphärische lichtbrechende Oberfläche ausgebildet ist, umfasst.
Indem die Blende 1 des optischen Systems vor der erste Linsengruppe LG1, in der die Veränderung der Krümmung auftritt, angeordnet ist, sodass die Veränderung der Krümmung im Inneren der ersten Linsengruppe LG1 zur Durchführung des Autofokussierens aufgrund des Positionswechsels eines abzubildenden Objektes das gesamte Feld beeinflusst, kann ein defokussierender Anteil minimiert werden.
In der Reihenfolge aus der Blickrichtung eines abzubildenden Objektes enthält die erste Linsengruppe LG1: eine erste Linse 110 mit positiver Brechkraft, die eine konvexe Oberfläche 2 auf der Seite des abzubildenden Objektes und eine flache Bildebene 3 umfasst; eine zweite Linse 120, die eine flache Oberfläche 3 auf der Seite des abzubildenden Objektes, eine flache Bildebene 5 und eine Oberfläche 4, die zwischen den Oberflächen 3 und 5 angeordnet ist und eine veränderbare Krümmung besitzt, umfasst; und eine dritte Linse 130 mit negativer Brechkraft, die eine flache Oberfläche 5 auf der Seite des abzubildenden Objektes und eine konkave Bildebene 6 umfasst.
Die zweite Linse 120 ist eine Flüssigkeitslinse, in der die Krümmung der Grenzfläche 4 zwischen zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten, die in einem Innenraum enthalten sind, abhängig von einer angelegten Spannung verändert werden kann, sodass die Grenzfläche 4 wie eine Linsenoberfläche wirkt.
Das bedeutet, dass die zweite Linse 120, die die Flüssigkeitslinse enthält, in zwei Linsen 120A und 120B aufgeteilt ist, wobei die Grenzfläche 4 die gemeinsame Oberfläche darstellt, und dass die Krümmung der Grenzfläche 4 abhängig von der angelegten Spannung verändert wird, sodass eine Autofokussierung durchgeführt wird, wie in 2 gezeigt.
Die erste Linse 110 und die dritte Linse 130 können einen Teil der Abdeckung der zweiten Linse 120 bilden.
Durch die Benutzung der zweiten Linse 120, die eine Flüssigkeitslinse ist, ist es möglich, eine Autofokussierung abhängig von der angelegten Spannung durchzuführen.
Daher ist es möglich, die Brechkraft des optischen Systems zu maximieren und die Länge des gesamten optischen Systems zu verkürzen, indem die Flüssigkeitslinse zu der ersten Linsengruppe LG1 hinzugefügt wird und die Brechkraft der ersten Linsengruppe wie unten beschrieben erhöht wird. Somit kann eine Autofokussierung in einem kleinen Kameramodul erreicht werden.
Weiterhin enthält die zweite Linsengruppe LG2 eine fünfte Linse 210 mit positiver Brechkraft, deren Bildebene konvex ist und die dritte Linsengruppe LG3 eine sechste Linse 310 mit negativer Brechkraft, deren Bildebene 10 konkav ist.
Hinter den Linsen ist ein festes Fotografieelement (fotoelektrisches Wandlungselement) angeordnet, das einen Glasblock 400, der als optischer Tiefpassfilter wirkt, einen Farbfilter, eine Planscheibe (Schirmplatte) und eine lichtempfindliche Oberfläche 500 umfasst, die einen CCD (charge coupled device)-Sensor oder ei nen CMOS (complementary metal oxide semiconductor)-Sensor zum Aufnehmen eines von den Linsen geformten Bildes beinhaltet.
Das optische System gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit den oben beschriebenen Eigenschaften erfüllt die folgende Gleichung 1: –7 < D < 35 Gleichung 1,worin D die Brechkraft der Oberfläche 4, deren Krümmung automatisch verändert wird, darstellt. Die Einheit ist Dioptrien.
Die obige Gleichung 1 ist eine Formel für die Brechkraft des optischen Systems.
Wenn das optische System die Gleichung 1 nicht erfüllt und über die obere Grenze hinausgeht, wird die Brechkraftanordnung der zweiten Linsengruppe LG2 und der dritten Linsengruppe LG3 geändert und die Aberrationseigenschaften für eine Nahaufnahme sind verschlechtert. oal/f < 2,0 Gleichung 2
Hierin ist oal die komplette Länge von der Blendenöffnung 1 bis zur Bildebene 13 und f ist die Brennweite des gesamten optischen Systems.
Gleichung 2 gibt die Länge der gesamten Linse (Länge des gesamten optischen Systems) vor und ist eine Gleichung zur Herstellung in einer kleinen Größe.
Wenn das optische System die obere Grenze der Gleichung 2 überschreitet, ist das vorteilhaft im Hinblick auf die Aberrationskorrekturen, aber die Länge des optischen Systems wird zu lang und das optische System kann somit nicht auf einem kleinen optischen Gerät wie einem Mobiltelefon mit Kamera oder einem PDA (personal digital assistant) angebracht werden. 0,85 < f1/f < 1,5 Gleichung 3
Hierin ist f1 die Brennweite der ersten Linsengruppe LG1 und f die Brennweite des gesamten optischen Systems.
Die Gleichung 3 ist eine Formel für die Brechkraft der ersten Linsengruppe LG1. Gemäß Gleichung 3 wird die Brechkraft der ersten Linsengruppe LG1, die die Linse mit veränderlicher Krümmung enthält, an die gesamte Brechkraft angepasst, sodass eine asphärische Aberration wirksam korrigiert werden kann.
Wenn f1/f durch Überschreitung der oberen Grenze zu groß wird, wird die Brechkraft der zweiten und der dritten Linsengruppen LG2 und LG3 unausweichlich groß und somit wird die chromatische Aberration ebenso groß. Wenn im Gegenteil f1/f so klein wird, dass es die untere Grenze unterschreitet, wird die Brechkraft der ersten Linsengruppe LG1 riesig und die sphärische Aberration und die komatische Aberration werden groß. Desweiteren wird der Krümmungsradius der Linsenoberfläche, die die erste Linsengruppe LG1 ausmacht, klein, was die Verarbeitung erschwert. 2,0 < |f3/f| < 5,5 Gleichung 4
Hierin ist f3 die Brennweite der dritten Linsengruppe LG3 und f die Brennweite der gesamten Linsenanordnung.
Die Gleichung 4 ist eine Formel für die Brennkraft der dritten Linsengruppe LG3. Da die erste Linsengruppe LG1 und die zweite Linsengruppe LG2 eine positive Brechkraft haben, erhält die dritte Linsengruppe LG3 eine negative Brechkraft, sodass der Winkel eines auf die Bildebene gerichteten Strahls klein wird.
Wenn der Wert die obere Grenze überschreitet und die Brechkraft klein wird, verschlechtert sich das Telebildverhältnis (telephoto ratio) der Gesamtlinse und eine Herstellung in einer kleinen Größe wird schwierig, und wenn der Wert die untere Grenze unterschreitet, ist das zwar vorteilhaft für die Herstellung in kleiner Größe aber es ist nachteilig im Hinblick auf die Telezentrizität in der Umgebung und die Verzerrungsaberration.
Es ist wie oben beschrieben möglich, die Effizienz des optischen Systems zu maximieren und die Länge des gesamten optischen Systems zu verkürzen, indem de Flüssigkeitslinse zu der ersten Linsengruppe LG1 hinzugefügt wird und die Brechkraft der ersten Linsengruppe erhöht wird. Daher kann das optische System leicht auf ein sehr kleines Kameramodul wie zum Beispiel ein Mobiltelefon mit Kamera angewandt werden.
Eine Formel für den Krümmungsradius jeder Linsengruppe ist in der folgenden Gleichung 5 gegeben: 0,3 < r2/f < 0,8 Gleichung 5,wobei r2 der Krümmungsradius der zweiten Oberfläche und f die Brennweite des gesamten optischen Systems ist.
Die Gleichung 5 hat Einfluss auf die Bestimmung der Form der ersten Linsengruppe LG1 und korrigiert im Grunde die sphärische Aberration und die komatische Aberration. Wenn der Wert die untere oder obere Grenze überschreitet, verschlechtern sich die sphärischen Aberrationseigenschaften und die Verzerrungsaberrationseigenschaften des optischen Systems, sodass eine Korrektur in der zweiten Linsengruppe LG2 und der dritten Linsengruppe LG3 nicht durchgeführt werden kann. 1,0 < |r6/f| < 0,8 Gleichung 6
Hierin ist f6 der Krümmungsradius der sechsten Oberfläche und f ist die Brennweite des gesamten optischen Systems.
Die Gleichung 6 hat ebenso Einfluss auf die Bestimmung der Form der Linse. Wenn der Wert die obere oder untere Grenze überschreitet, verschlechtern sich die sphärischen Aberrationseigenschaften und die Astigmatismuseigenschaften des optischen Systems, sodass eine Korrektur in der zweiten Linsengruppe LG2 und der dritten Linsengruppe LG3 nicht durchgeführt werden kann. 0,15 < |r7/f| < 1,0 Gleichung 7
Hierin ist r7 der Krümmungsradius der siebten Oberfläche und f ist die Brennweite des gesamten optischen Systems.
Die Gleichung 7 hat Einfluss auf die Bestimmung der Form der zweiten Linsengruppe LG2. Wenn der Wert die untere oder obere Grenze überschreitet, verschlechtern sich die sphärischen Aberrationseigenschaften und die Verzerrungsaberrationseigenschaften des optischen Systems.
Wenn der Wert die obere Grenze überschreitet, wird des weiteren der Winkel von Hauptstrahlen abseits der optischen Achse zu klein und kann nicht durch die dritte Linsengruppe LG3 korrigiert werden, sodass sich die Telezentrizität verschlechtert. Wenn der Wert die untere Grenze unterschreitet, ist dies vorteilhaft im Hinblick auf die Telezentrizität, aber der Komaschweif (coma flare) abseits der optischen Achse nimmt in starkem Maße zu und die optische Leistungsfähigkeit verschlechtert sich. 0,4 < |r10/f| < 3,0 Gleichung 8
Hierin ist r10 der Krümmungsradius der zehnten Oberfläche und f ist die Brennweite des gesamten optischen Systems.
Die Gleichung 8 ist eine Formel zur Bestimmung der Form eines Bereichs in der Umgebung des axialen Lichtbündels der dritten Linsengruppe LG3 und sagt aus, dass der hinteren Seite eine negative Brechkraft gegeben wird.
Wenn der Wert die obere Grenze in der Gleichung 8 überschreitet, wird die negative Brechkraft an der hinteren Seite klein und eine Herstellung in einer kleinen Größe wird schwierig. Wenn im Gegenteil der Wert die untere Grenze unterschreitet, wird der Formunterschied in der Umgebung groß und der Leistungsunterschied zwischen der Mitte und der Nachbarschaft wird ebenso groß. Dadurch wird ungünstigerweise auch der Einfallswinkel auf die Fotografieoberfläche groß.
Wenn der Wert die obere und die untere Schranke überschreitet, werden weiterhin die Verzerrungsaberrationseigenschaften und die Astigmatismuseigenschaften verschlechtert, sodass keine Korrektur durchgeführt werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, dass die oben beschriebenen Bedingungen und Gleichungen 1 bis 8 erfüllt, wird nun im Folgenden beschrieben.
Die Blendenzahl (f-Zahl, FNO) einer Autofokussierungslinse gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist 2,6, die Brennweite ist 4,7 mm und der Feldwinkel (2ω) ist 64°.
Die verwendeten Werte jeder Linse, die einen Teil einer Linse gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bildet, sind in Tabelle 1 beschrieben.
Hierin ist f die Brennweite, r der Krümmungsradius einer Linsenoberfläche, d die Dicke einer Linse oder der Abstand zwischen Linsenoberflächen und nd ein Brechungsindex. Die Längeneinheit ist Millimeter.
Tabelle 1
In Tabelle 1 bezeichnet ♦ eine Oberfläche, deren Krümmung verändert wird und Krümmungsradien der vierten Oberfläche je nach dem Abstand eines abzubildenden Objektes sind in Tabelle 2 wie folgt angegeben.
Tabelle 2
Da eine Autofokussierung durch die Veränderung des Krümmungsradius einer Flüssigkeitslinse im Falle der Verwendung einer Flüssigkeitslinse durchgeführt wird, ist, wie in Tabelle 2 dargestellt, eine extreme Nahaufnahme möglich. Vorteilhafterweise kann also ein Fingerabdruck oder ein Zeichen unter Verwendung des Kameramoduls, angebracht auf einem Mobiltelefon, erkannt werden.
Das bedeutet, dass Codierungsdienstleistungen (Dienste, bei welchen, falls ein strichcodeähnliches spezielles Zeichen auf einer Zeitung oder Zeitschrift von der Kamera eines Mobiltelefons gelesen wird, zugehörige Information auf dem Mobiltelefon angezeigt wird) noch weiter entwickelt werden könnten und des weiteren eine Scanfunktion verwirklicht werden kann.
* bezeichnet eine asphärische Oberfläche und die Formel für den asphärischen Koeffizienten ist durch Formel 1 wie folgt gegeben:

Z:: Abstand vom Scheitelpunkt der Linse zur optischen Achse
Y:: Abstand zur optischen Achse in vertikaler Richtung
c:: der Kehrwert des Krümmungsradius am Scheitelpunkt der Linse (1/R)
K:: Kegelkonstante
A, B, C, D, E, F:: asphärische Koeffizienten

Jeder asphärische Koeffizient gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, berechnet durch Formel 1, ist in Tabelle 3 angegeben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel, dargestellt in 4, sind die asphärischen Oberflächen die Oberfläche 2 auf der Seite des abzubildenden Objektes der ersten Linse 110 der ersten Linsengruppe LG1, die Bildebene 6 der dritten Linse 130 der ersten Linsengruppe LG1, die Oberfläche 7 auf der Seite des abzubildenden Objektes und die Bildebene 8 der vierten Linse 210 der zweiten Linsengruppe LG2 und die Oberfläche 9 auf der Seite eines abzubildenden Objektes und die Bildebene 10 der fünften Linse 310 der dritten Linsengruppe LG3.
Tabelle 3A
Tabelle 3B
5 stellt sphärische Aberrationseigenschaften, Astigmatismuseigenschaften und Verzerrungseigenschaften gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit verwendeten Werten dar.
Daneben stellt 6 MTF (modulation transfer function)-Eigenschaften des optischen Systems gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit verwendeten Werten dar. Die 6A und 6B stellen jeweils MTF-Eigenschaften für einen großen Abstand und einen kleinen Abstand dar.
In 6A und 6B ist f0 die MTF-Änderung der Raumfrequenz pro Millimeter in dem Fall, dass der Abstand von der Mitte einer Linse Null ist, und f1, f2, f3, f4 sind MTF-Veränderungen der Raumfrequenz pro Millimeter im Falle von 0,6, 0,8, 1,0, 1,0-Feldern. T und R sind MTFs auf jeweils einem Tangentialkreis und einem Radialkreis.
Hier hängt die MTF von der Raumfrequenz in Zyklen pro Millimeter ab und ist zwischen Maximal- und Minimalintensitäten eines Strahls durch Formel 2 wie folgt definiert:
Das bedeutet, dass, wenn die MTF 1 ist, die Auflösung ideal ist und schlechter wird, wenn die MTF kleiner wird.
3A und 3B zeigen Graphen, die die MTF-Eigenschaften für jeweils einen großen Abstand und einen kleinen Abstand darstellen, wenn eine Flüssigkeitslinse in der zweiten oder dritten Linsengruppe angebracht wird.
In 3A und 3B ist h0 eine MTF-Veränderung der Raumfrequenz pro Millimeter in dem Fall, dass der Abstand von der Mitte einer Linse Null ist und, h1, h2, h3 sind MTF-Veränderungen der Raumfrequenz pro Millimeter für den Fall von 0,6, 0,8, 1,0-Feldern. Im Ganzen betrachtet ist die MTF am höchsten, wenn der Abstand von der Mitte der Linse Null ist (h0), und die MTF ist an niedrigsten im Falle eines 1,0-Feldes (h3) unabhängig von Veränderungen in der Raumfrequenz.
Die Analyse des MTF-Graphen in 3 zeigt, dass die MTF drastisch abfällt, wenn die Raumfrequenz zunimmt, und wenn ein MTF-Wert kleiner wird, wird die Auflösung eines Bildes einer optischen Projektionseinrichtung schlechter.
Genauer gesagt, wie in dem MTF-Graphen für einen kleinen Abstand in 3D im Falle eines 1,0-Feldes dargestellt, nimmt der MTF-Wert auf dem Tangentialkreis drastisch ab und die Auflösung verschlechtert sich stark.
Zur Lösung eines solchen Problems kann eine Flüssigkeitslinse 120 in der ersten Linsengruppe eingeführt werden, um zu verhindern, dass der MTF-Wert bei einem 1,0-Feld auf dem Tangentialkreis drastisch abfällt, wie in 6B gezeigt.
Das bedeutet, dass im Falle der Anbringung einer Flüssigkeitslinse in der dritten oder zweiten Linsengruppe, wie in 3 gezeigt, die Auflösung drastisch in der Nähe eines 1,0-Feldes abnimmt. Um ein solches Problem zu lösen, kann die Flüssigkeitslinse in der ersten Linsengruppe angebracht werden.
Dadurch kann ein autofokussierendes optisches System gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein hohes Kontrastverhältnis und eine hohe Auflösung erreichen.
Wie oben beschrieben kann dank eines autofokussierenden optischen Systems, das eine Flüssigkeitslinse gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, nicht nur eine Herstellung in kleiner Größe ermöglicht werden, sondern auch eine hohe Auflösung erhalten werden.
Genauer gesagt ist es möglich, die Effizienz eines optischen Systems zu maximieren und die Länge des gesamten optischen Systems zu verkürzen, indem die Flüssigkeitslinse zu der ersten Linsengruppe LG1 hinzugefügt wird und die Brechkraft der ersten Linsengruppe erhöht wird. Daher kann das optische System leicht in einem sehr kleinen Kameramodul wie einem Mobiltelefon mit Kamera angewandt werden.
Da die vorliegende Erfindung eine Flüssigkeitslinse nutzt, ist weiterhin der Energieverbrauch klein im Vergleich mit einer mechanischen Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik. Da eine Nahaufnahme möglich ist, ist die vorliegende Erfindung auch vorteilhaft für Codierungsdienste und kann für eine Scanfunktion angewandt werden.
Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass eine Vielzahl von Abwandlungen und Veränderungen in der vorliegenden Erfindung gemacht werden können. Daher ist es beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung die Abwandlungen und Veränderungen dieser Erfindung mit abdeckt.
Obwohl die vorliegende Erfindung zum größten Teil für den Fall eines autofokussierenden optischen Systems beschrieben wurde, kann sie ebenso leicht auf ein optisches System angewandt werden, das ein Kameramodul mit optischer Zoomfunktion enthält.

Claims

Autofokussierendes optisches System, umfassend, in der Reihenfolge aus der Blickrichtung eines abzubildenden Objektes: eine erste Linsengruppe (LG1) mit positiver Brechkraft, wobei die erste Linsengruppe (LG1) eine Flüssigkeitslinse (120), in welcher die Krümmung einer Grenzfläche (4) zwischen unterschiedlichen Flüssigkeiten, die in einem Innenraum enthalten sind, abhängig von einer angelegten Spannung veränderbar ist, sodass die Grenzfläche (4) die Wirkweise einer Linsenoberfläche hat, und eine asphärische Linse (120, 130), an der eine asphärische Oberfläche (2, 6) auf mindestens einer ihrer lichtbrechenden Oberflächen ausgebildet ist, enthält; eine zweite Linsengruppe (LG2) mit positiver Brechkraft, die eine asphärische Linse (210), an der eine asphärische Oberfläche (7, 8) auf mindestens einer ihrer lichtbrechenden Oberflächen ausgebildet ist, enthält; eine dritte Linsengruppe (LG3) mit negativer Brechkraft, die eine asphärische Linse (310), an der eine asphärische Oberfläche (3, 10) auf mindestens einer ihrer lichtbrechenden Oberflächen ausgebildet ist, enthält; und wobei die Krümmung der Grenzfläche (4) der Flüssigkeitslinse (120) veränderbar ist, sodass eine Autofokussierung durchführbar ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechkraft der Flüssigkeitslinse (120) die folgende Gleichung erfüllt: –7 < D < 35worin D die Brechkraft einer Oberfläche (4) der Flüssigkeitslinse (120), deren Krümmung veränderbar ist, in der Einheit Dioptrien ist.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Axialrichtungsmaß der gesamten Linsengruppe die folgende Gleichung erfüllt: oal/f < 2.0worin oal der Abstand zwischen einer Öffnungsblende (1) und einer Bildebene (13) ist und f die zusammengesetzte Brennweite der gesamten Linse.
System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechkraft der ersten Linsengruppe (LG1) die folgende Gleichung erfüllt: 0.85 < f1/f < 1.5worin f1 die zusammengesetzte Brennweite der ersten Linsengruppe (LG1) ist.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraft der dritten Linsengruppe (LG3) die folgende Gleichung erfüllt: 0 < |f3/f| < 4.4worin f3 die zusammengesetzte Brennweite der dritten Linsengruppe (LG3) ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Linsengruppe (LG1) umfasst, in der Reihenfolge aus der Blickrichtung eines abzubildenden Objektes: eine erste Linse (110), die einer Abdeckungsoberfläche der Flüssigkeitslinse (120) entspricht; eine zweite Linse (120), die die Flüssigkeitslinse (120) enthält; und eine dritte Linse (130), die einer oberen Abdeckungsoberfläche der Flüssigkeitslinse (120) entspricht.
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin eine Öffnungsblende (1) umfasst, die dem abzubildenden Objekt am Nähesten angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin eine Öffnungsblende (1) umfasst, die dem abzubildenden Objekt am Nähesten angeordnet ist.