WO2011067150A1 - Vorrichtung zur optischen abbildung - Google Patents

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WO2011067150A1
WO2011067150A1 PCT/EP2010/068159 EP2010068159W WO2011067150A1 WO 2011067150 A1 WO2011067150 A1 WO 2011067150A1 EP 2010068159 W EP2010068159 W EP 2010068159W WO 2011067150 A1 WO2011067150 A1 WO 2011067150A1
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WO
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optical channel
lens
imaging lens
field
imaging
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Jacques Duparre
Frank Wippermann
Andreas Brückner
Andreas BRÄUER
Robert Leitel
Reinhard VÖLKEL
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/24—Optical objectives specially designed for the purposes specified below for reproducing or copying at short object distances
    • G02B13/26—Optical objectives specially designed for the purposes specified below for reproducing or copying at short object distances for reproducing with unit magnification
    • G—PHYSICS
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    • G02B21/00—Microscopes
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    • G02B3/00—Simple or compound lenses
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    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
    • G02B3/0062—Stacked lens arrays, i.e. refractive surfaces arranged in at least two planes, without structurally separate optical elements in-between
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/005—Diaphragms

Definitions

  • the present invention relates to a device for optical imaging of an object on a digital image sensor, which can be used for example in digital microscopy or macro photography.
  • Classic microscopes with a purely optical magnification require a large optical lever to achieve large image widths at short object distances. These so-called large optical levers result in large tube lengths and thus large lengths of the microscope.
  • Known conventional microscope assemblies can have heights in the range of 25 to 50 cm. With increasing magnification, the observable object field decreases in classical microscopes.
  • Classic microscopes are still laboriously corrected optical-mechanical precision instruments and therefore expensive to manufacture.
  • variants differ in which several channels contribute to the formation of a pixel, which thus have a higher light intensity, to variants in which only one channel contributes to the formation of a pixel, which have a higher resolution.
  • An object of the present invention is to provide a concept which allows imaging of laterally extended close objects with a better image quality to height ratio.
  • An apparatus according to claim 1 solves this problem.
  • the core idea of the present invention is that in a device for optical imaging of at least one part of an object on an image area of a digital image sensor, which has an optical channel with two imaging lenses and a field lens, a better image quality to height ratio is achieved when the field lens is disposed between the first imaging lens and the second imaging lens such that an axis perpendicular to the lateral extent of the optical channel through a lateral center of the field lens forms an axis of symmetry of the optical channel.
  • the two imaging lenses are thus identical in their shape, but above all in their optical properties or deviate only slightly, for example within the manufacturing tolerances from each other.
  • a first surface of the first imaging lens facing the object thus forms a light entry surface of the optical channel
  • a first surface of the second surface facing the image sensor imaging lens thus forms a light exit surface of the optical channel.
  • the lateral extent of the optical channel thus extends along an axis through the center of the light entrance surface of the optical channel and the center of the light exit surface of the optical channel, which also defines a main beam of the optical channel.
  • An advantage of the present invention is that the symmetrical arrangement of the optical channel enables a one-to-one imaging of part of an object onto a region of an image sensor, resulting in a better image quality to device height ratio.
  • the maximum detectable object area is then no longer dependent on the overall height of the device, but on the size of the optically active surface of the image sensor and scales with it.
  • a plurality of optical channels may be arranged in a hexagonal distribution, wherein the detection areas of the optical channels may partially overlap, for example, in their edges.
  • a further advantage of the present invention is that by imaging only a part of an object onto a region of an image sensor, the maximum object size to be recorded does not scale with the height of the device, but with the number of channels used. An enlargement of the object region to be detected thus leads to an increased number of optical channels and possibly to an enlargement of the optically active surface of the image sensor, but not to an increase in the lateral extent of the optical channels or an increase in the height of the optical imaging device.
  • Fig. Lb are schematic representations of an optical imaging apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2b are sectional views of an imaging lens for use in an embodiment of the present invention.
  • Fig. 3c are sectional views of a field lens for use in an embodiment of the present invention.
  • 4 shows a schematic representation of an apparatus for optical imaging according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 1 a shows a schematic representation of a device 100 for optical imaging according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the schematic representation shows a sectional view of an xz-plane of the device 100.
  • the extension in the y-direction of the device 100 is not shown here.
  • the device 100 comprises an optical channel 110.
  • the optical channel comprises a first imaging lens 120 and a second imaging lens 130, wherein the two imaging lenses 120, 130 are identical in their shape and especially in their optical operation, or only slightly within Manufacturing tolerances differ from each other. Between the first imaging lens 120 and the second imaging lens 130, a field lens 140 is centered.
  • An object to be imaged by the device 100 may, for example, be located in an object plane 150.
  • the image of at least a part of the object, which is also referred to below as an object region to be imaged, in the object plane 150 that is generated by the device 100 can be located, for example, in an image plane 160.
  • the entire apparatus 100 and thus also the optical channel 110 are symmetrical about an axis of symmetry 170 extending through a center of the field lens 140 and perpendicular to the lateral extent in the x-direction of the optical channel 110 in the z-direction.
  • the first imaging lens 120 focuses the incident light, so that in an intermediate image plane 190 which lies parallel to the object plane 150 and the image plane 160 in a yz plane and through the center of the field lens 140, ie the center of the optical channel 110 and the apparatus 100 extends, a reduced intermediate image of the object area to be imaged is created.
  • the resulting in the intermediate image plane 190 Intermediate image is upside down in contrast to the object area to be imaged and is reversed.
  • a strong inter-frame reduction compared to the object area to be imaged is preferred, as this allows the use of apertures with a small aperture diameter, which can lead to an effective suppression of ghost light.
  • the beam path of the incident light from the object plane 150 to the intermediate image plane 190 is mirrored to the beam path of the light from the intermediate image plane 190 to the image plane 160. That of the intermediate image plane 190 Outgoing light strikes the second imaging lens 130 and is scattered onto the image plane 160 from a first surface of the imaging lens 130, which is also a light exit surface 182 of the optical channel 110.
  • the dimensions of the detected image area are identical to the dimensions of the imaged object area due to the symmetry of the device 100 and the optical channel 110, respectively. In other words, a 1: 1 mapping is achieved.
  • a digital image sensor can be arranged.
  • the dimensions of the photoactive surface of the image sensor are equal to the dimensions of the maximum detectable surface of the object region.
  • the optical channel 110 can, for example, image a part of an object to be detected in the object plane 150 onto a region of the image sensor.
  • the device 100 could additionally have further optical channels 110, which are identical or differ slightly within manufacturing tolerances.
  • the optical channels 110 could be arranged in a hexagonal distribution and could partially overlap in their detection areas. The size of the detected object area then does not scale with the lateral extent of the device 100, but with the number of optical channels used and is maximally limited by the optically active area of the image sensor.
  • several image sensors electrically interconnected with one another could be arranged in the image plane 160. This has no influence on the lateral extent of the device 100, ie on the overall height, which can be kept constantly low.
  • FIG. 1b shows values for the individual distances in the x-direction between the lenses, and between the image and object planes, as can be used, for example, in the device 100 shown in FIG.
  • the symmetry of the device 100 is clarified again.
  • the values shown in FIG. 1 b are merely intended to serve as exemplary values; of course, other values are also possible here, taking into account the symmetry of the device 100 about the axis of symmetry 170.
  • the lateral extent of the device 100 in the x-direction L (in FIG. 1b, L approximately 3.9 mm) can be kept constant.
  • the distance a 1 from the object plane 150 to the light entry surface 180 of the optical channel 110, which is also the first surface of the first imaging lens 120 is 1303 ⁇ .
  • the first imaging lens 120 has a lateral dimension LI of 340.9 ⁇ , which is identical to the lateral dimension LI of the second imaging lens 130.
  • a second surface of the first imaging lens 120 is spaced 198.7 ⁇ m (a2) from a first surface of the field line 140.
  • the field line 140 has a lateral dimension L2 of 381.4 ⁇ m, the symmetry axis 170 of the optical channel 110 or the device 100 passing through the center of the field lens 140.
  • the second imaging lens 130 is 198.7 ⁇ (a2) spaced from the field lens 140.
  • the distance a1 between the image plane 160 and the light exit surface 182 of the optical channel 110 is 1303 ⁇ in the concrete exemplary embodiment.
  • FIGs 2a-2b are cross-sectional views of an imaging lens for use in an embodiment of the present invention, which could be, for example, one of the two imaging lenses 120,130 in the apparatus 100 shown in Figure 1a. Since the two imaging lenses 120 and 130 are identical, only the first imaging lens 120 representative of the second imaging lens 130 will be described below.
  • the imaging lens 120 shown in FIG. 2a has a first lens surface 210 with a convex curvature.
  • the first lens surface 210 thus forms the second surface of the first imaging lens 120 described in the preceding exemplary embodiment.
  • the first lens surface 210 has a radius of 241.3 ⁇ , a k parameter (Konik). of 0, an arrowhead of 38.0 ⁇ and a base parameter of 43.9 ⁇ on.
  • Adjacent to the first lens Surface 210 is a second lens surface 220 arranged with a convex curvature.
  • the second lens surface 220 has a radius of 152.5 ⁇ , a k-parameter (Konik) of 0, an arrowhead of 72.8 ⁇ and a base parameter of 14.3 ⁇ .
  • a lens body 230 Adjacent to the second lens surface 220, a lens body 230 is disposed. In the specific exemplary embodiment shown in FIG. 2 a, the lens body 230 has a lateral extent t 1 of 228.2 ⁇ m.
  • a third lens surface 240 is disposed, in which a convex curvature opposite to the convex curvature of the first lens surface 210 and the second lens surface 220 is formed. The third lens surface 240 thus forms the first surface of the first imaging lens 120 and thus the light entry surface 180 of the optical channel 110 and also the first surface of the second imaging lens 130 and thus the light exit surface 182 of FIG optical channel 110.
  • the third lens surface 240 has a radius of 343.2 ⁇ m, a k parameter (Konik) of -8.28, an arrow height of 20.3 ⁇ m and a basic parameter of 14.5 ⁇ on.
  • the imaging lens 120 may preferably be a cylindrical body having a diameter R of 260 ⁇ m in the specific embodiment shown in FIG. 2 a.
  • the two superimposed lens surfaces 210 and 220 form an achromatic lens due to the use of two different materials with different dispersion properties, which allows
  • the diaphragm arrangement shown in FIG. 2b comprises a first diaphragm 260, which is at a distance t12 (see FIG. 2a) of 9.1 ⁇ m from the second lens surface 220 is spaced and is disposed in the lens body 320, and a second aperture 250, which at a distance tl2 (see Fig. 2a) of 9.1 ⁇ from the third lens surface 240 is spaced and disposed in the lens body 320.
  • the two panels 250 and 260 are identical in their dimensions. In the specific embodiment shown in Fig. 2b, the two apertures 250 and 260 have an opening diameter dl of 232 ⁇ .
  • the apertures 250, 260 may serve to suppress stray light in an optical channel 110 in which the imaging lens 120 is used.
  • FIGS. 3 a to 3 c show sectional views of a field lens 140 for use in one embodiment of the present invention, which could be, for example, the field lens 140 in the device 100 described in FIG. 1a.
  • the field lens 140 shown in Fig. 3a has a first lens surface 310 with a convex curvature. Adjacent to the first lens surface 310, a lens body 320 is disposed. Adjacent to the lens body 320, a second lens surface 330 is arranged, which is identical to the first lens surface 310 and one, the convex curvature of the first lens surface 310 has opposite convex curvature.
  • the first lens surface 310 and the second lens surface 330 have in the concrete embodiment shown in Fig. 3a a radius of 270.9 ⁇ , a k-parameter (Konik) of 0, an arrow height of 19.1 ⁇ and a basic parameter of 30, 1 ⁇ on.
  • the field lens 140 is preferably a cylindrical body, which in the concrete exemplary embodiment shown in FIG. 3 a has a diameter D 2 of 200 ⁇ m.
  • the field lens 140 is symmetrical about an axis of symmetry 340, in the z-direction, which runs through a lateral center of the field lens 140 and is perpendicular to a rotation axis 350 in the x-direction through the lateral center of the field lens 140.
  • FIG. 3b shows the field lens 140 described in FIG. 3a.
  • FIG. 3c shows the field lens 140 described in FIGS.
  • the diaphragm arrangement comprises a first diaphragm 360, a second diaphragm 370 and a third diaphragm 380. Due to the symmetry of the field lens 140, the first diaphragm 360 and the third diaphragm 380 are at the same distance t2 of 145 ⁇ m from the axis of symmetry 340 in the lens body 320 and disposed adjacent to the first lens surface 310 and in the lens body 320 and adjacent to the second lens surface 330.
  • the second diaphragm 370 is arranged in the lateral center of the field lens 140, that is to say runs on the axis of symmetry 340.
  • the second diaphragm 370 when using the field lens 140 in one exemplary embodiment of the present invention, can determine the maximum intermediate image size of an optical channel 110.
  • the first diaphragm 360 and the third diaphragm 380 have an aperture diameter d 21 of 144 ⁇ m.
  • the third diaphragm 370 which for example specifies the aperture of the field lens 140, preferably has a hexagonal opening.
  • the outer circle diameter d22 of the aperture of the aperture 370 may be, for example, 84.5 ⁇ , 83.5 ⁇ or 85.5 ⁇ in the specific embodiment shown in FIG. 3 c.
  • the aperture 370 can, for example, represent a field stop or aperture stop of the optical channel 110 in which it is used and can thus define the detected area of the object field of the optical channel 110.
  • the first diaphragm 360 and the third diaphragm 380 could, for example, be formed of a black, absorbent polymer material in the concrete embodiment shown in FIG. 3 c.
  • the second diaphragm 370 could be formed in the exemplary embodiment shown in Fig. 3c, for example, made of metal.
  • FIG. 4a shows a device 400 according to an embodiment of the present invention.
  • the device 400 comprises a lighting device 410, for example an LED backlight. Adjacent to a light-emitting surface of the illumination device 410, a test pattern 420 is arranged. At a distance a1 of 1.3 mm, a microlens field 120 'adjoins the test pattern.
  • the microlens array 120 ' comprises a plurality of first imaging lenses 120, for example as described in FIGS. 2a to 2b. At a distance a2 of about 200 ⁇ to the first microlens array 120 ', a second microlens array 140' is arranged.
  • the second microlens Senfeld 140 ' includes a plurality of field lenses 140, as described for example in Figs. 3a to 3c.
  • a third microlens array 130' is arranged at a distance a2 of about 200 ⁇ to the second microlens array 140 '.
  • the third microlens array 130 ' comprises a plurality of second imaging lenses 130, as described for example in FIGS. 2a to 2b.
  • the microlens array 130 ' is thus identical to the microlens array 120', but arranged reversely in its orientation in the x-direction.
  • a digital image sensor 430 Adjacent to the third microlens array 130 ', a digital image sensor 430 is arranged at a distance al of approximately 1.3 mm from the third microlens array 130'.
  • the digital image sensor 430 may have a cover glass for protecting the digital image sensor 430 on a surface facing the third microlens field 130 '.
  • the first microlens array 120 ', the second microlens array 140' and the third microlens array 130 ' are arranged so that an imaging lens 120 of the first microlens array 120' is provided with a field lens 140 of the second microlens array 140 'and an imaging lens 130 of the third microlens array 130'. each form an optical channel 110.
  • the device 400 or the optical channels 110 are symmetrical about an axis of symmetry 170 of the device 400 or of the optical channels 110.
  • the image sensor 430 with an extension of, for example, 6.55 mm ⁇ 4.92 mm is in communication with the optical channels 110 the dimensions of the maximum imageable object area.
  • the image sensor 430 also has individual pixels with a diameter of 3.2 ⁇ , for example, which corresponds to the smallest possible representable detail of the object field. Due to the symmetry of the device 400, the test pattern 420 or, at least part of it, is mapped 1: 1 to the image sensor 430, that is, neither enlargement nor reduction of the test pattern 420 takes place.
  • the illumination device 410 serves to illuminate the test pattern 420.
  • the optics in embodiments may be symmetrical unlike usual.
  • the absolute symmetry around the intermediate image plane is fully exploited in the design and is preferred, regardless of how the distribution of the lenses and apertures is to any substrates and air gaps, allowing for intrinsic correction of coma, distortion and lateral chromatic aberrations. It should be noted that an intrinsic correction so far only for the symmetry around the system aperture of an optical device was known. Embodiments of the present invention, however, can achieve similar positive effects with a symmetry about the intermediate image plane. By using thin substrates, a low astigmatism can be achieved.
  • Further exemplary embodiments may include aspheres for correcting spherical aberrations. That is, at least one of the two imaging lenses or the field lens is formed as an aspherical lens. Furthermore, a correction of the longitudinal chromatic aberration can be achieved by the combination of materials of different dispersion properties for the realization of achromatic lenses, as shown in FIGS. 2a to b with reference to the imaging lens 120.
  • a plurality of optical channels may be arranged in a hexagonal arrangement with hexagonal shape of the field stops in the intermediate image plane and thus achieve a maximized fill factor and thus a maximum light intensity.
  • the distances of the lenses and planes constant and thus the lateral extent of the embodiments was constant, so other embodiments of the invention may have variable distances. This can be achieved, for example, by introducing actuators into all or some specific air distances. In other words, the distances between, for example, the object plane and the first imaging lens, between the first imaging lens and the field lens, between the field lens and the second imaging lens and between the second imaging lens and the image plane can be varied. This makes it possible to record height profiles or topological profiles (so-called "z-scan").
  • a variation of the distance of the lenses or planes to each other can be achieved, for example, by piezo or MEMS elements placed in the air spaces.
  • a variant of a concrete exemplary embodiment, as shown in FIG. 4, with the distribution of the lenses on only four substrates or three elements, can represent the minimum technical outlay for the optical correction state achieved, of course, a larger number of lenses and / or Substrates are used taking into account the symmetry of the entire device or the optical channels.
  • a field approach that is, a use of microlens fields, as shown in Fig. 4, and a Waferlevel-manufacturing technology can be achieved in exemplary embodiments of the present invention, an almost arbitrary lateral scalability.
  • One goal is therefore to achieve at least one object field connection, at best with simultaneous image field connection, which, however, makes it difficult to meet the manufacturing and assembly tolerances since sharp images must always be required simultaneously within the individual channel.
  • various digital image sensors may be arranged in the image plane, such as CCD, CMOS, image sensors or even polymer photodiode arrays, which are actually planar.
  • Embodiments of the present invention may extend in size to a complete wafer, for example, 4 inches, 6 inches, or 8 inches.
  • polymer photodiode arrays can further reduce the fabrication of devices according to embodiments of the present invention, as the use of CMOS and CCD is currently still costly.
  • the size of the image area by a 1: 1 image is therefore no longer a problem in the long term using polymer photodiode arrays.
  • Further exemplary embodiments of the present invention can, for example, carry out a brightness correction (so-called "shading correction”) in order to calibrate brightness modulations as artifacts of the field geometry by software, for example by means of a table (so-called "look-up table").
  • movement of the optics by at least one channel period, or preferably several, during the exposure time or preferably much more often, can be used to correct artefacts resulting from the field geometry of the array or channel defects without image processing ("shading-correction") or motion interference objects for object points that are transmitted simultaneously by two adjacent channels, this movement can be carried out, for example, with piezo-benders, piezo-stacks, a mechanically translated piezo stack, a coil or even an electrical actuator.
  • Digital image sensors used in embodiments of the present invention may preferably have a resolution better than 200 ... 300 line pairs per mm, which corresponds to a pixel size of 2.5 ... 1.67 ⁇ .
  • Embodiments of the present invention are characterized by an extremely short length, for example, the distance between object and image can be much smaller than 1 cm, further scaled the inspectable object surface with the image sensor surface or with the number of channels used in the optical field, resulting in an area of much larger than 1 cm 2 or even greater than 7 cm 2 can drive, further minimally inspected objects are partly only limited by the pixel size of the digital image sensor used, which, for example, much smaller than 5 ⁇ or even less than 2 ⁇ may be
  • a high resolution is made possible.
  • polymers in exemplary embodiments such as, for example, the ORJV10OCER-on-glass technology makes it possible to produce on the basis of reflow soldering and is very well suited for aperture fields on the glass substrates and for overmoulding already molded structures for achromatization, such as, for example 2a to 2b has been described with reference to the imaging lens 120.
  • At least some embodiments of the present invention can also be produced inexpensively, since they can be assembled at the wafer level. Furthermore, it should be mentioned that exemplary embodiments of the present invention can be produced as a unit in fields and not as individual lateral components, whereby a subsequent complex assembly of the individual components is omitted.
  • Exemplary embodiments can be used, for example, in digital microscopy, in macro photography, in medical technology, in fluorescence microscopy or else in incubator monitoring ("incubator monitoring").

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Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zur optischen Abbildung zumindest eines Teils eines Objekts auf einen Bereich eines digitalen Bildsensors mit einem optischen Kanal (110). Der optische Kanal (110) umfasst eine auf einem ersten Substrat angeordnete erste abbildende Linse (120), eine auf einem zweiten Substrat angeordnete zweite abbildende Linse (130) und eine auf einem dritten Substrat angeordnete Feldlinse (140). Die erste abbildende Linse (120) und die zweite abbildende Linse (130) sind identisch und so angeordnet, dass eine erste Oberfläche der ersten abbildenden Linse (120) eine Lichteintrittsfläche (180) des optischen Kanals (110) ist und eine erste Oberfläche der zweiten abbildenden Linse (130) eine Lichtaustrittsfläche (182) des optischen Kanals (110) ist. Die Feldlinse (140) ist so zwischen der ersten abbildenden Linse (120) und der zweiten abbildenden Linse (130) angeordnet, dass eine senkrecht zur lateralen Ausdehnung des optischen Kanals (110) durch einen lateralen Mittelpunkt der Feldlinse (140) verlaufende Achse eine Symmetrieachse (170) des optischen Kanals (110) bildet.

Description

Vorrichtung zur optischen Abbildung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur optischen Abbildung eines Objektes auf einen digitalen Bildsensor, welche beispielsweise in der digitalen Mikroskopie bzw. der Makrophotographie zum Einsatz kommen kann. Klassische Mikroskope mit einer rein optischen Vergrößerung benötigen einen großen optischen Hebel zur Erzielung großer Bildweiten bei kurzen Objektabständen. Diese sogenannten großen optischen Hebel resultieren in großen Tubuslängen und damit großen Baulängen der Mikroskope. Bekannte, konventionelle Mikroskopaufbauten können Höhen im Bereich von 25 bis 50 cm aufweisen. Mit einer wachsenden Vergrößerung sinkt bei den klassischen Mikroskopen das beobachtbare Objektfeld. Klassische Mikroskope sind nach wie vor aufwändig korrigierte optisch-mechanische Präzisionsinstrumente und damit teuer in der Herstellung.
Neue digitale Bildsensoren erlauben aufgrund ihrer kleinen Pixelgrößen nun erstmals die Aufnahme kleiner Objektdetails, abhängig von der Pixelgröße bei einer optischen 1 : 1 Abbildung, also Bildfeld = Objektfeld oder einer nur sehr geringen optischen Vergrößerung, diese Technik wird als digitale Makrophotographie bezeichnet. Ein Nachteil dieser Technik ist, dass bei einer Reduzierung der Baulänge eines entsprechenden Objektivs bei großer Objektausdehnung ein schiefer Durchgang des Lichts am Bildfeldrand durch das Makroobjektiv bzw. den einen Linsenkanal entsteht und damit extrem starke Aberrationen am Bildfeldrand (sog. Off-Axis-Aberrationen) entstehen, wodurch die Bildqualität stark beeinflusst wird oder eine aufwändige Korrektur notwendig wird.
Zur Erreichung geringer Bauhöhen digitaler Abbildungssysteme existiert weiterhin ein Konzept der Nutzung mehrerer optischer Kanäle. Dieser sog. Feldansatz bzw. Arrayansatz ermöglicht eine parallele Übertragung benachbarter Objektteile in benachbarte Bildteile durch periodisch nebeneinander angeordnete, identische und sich einander nicht oder nur wenig beeinflussende Objektive bzw. Abbildungskanäle. Dadurch geschieht die Bildübertragung im Wesentlichen wieder senkrecht (bis auf die geringen Feldwinkel innerhalb der einzelnen Kanäle), das heißt es entsteht im Gegensatz zu Ein-Kanal- Varianten kein schiefer Durchgang des Lichts am Bildfeldrand, wobei das Objektfeld mit der Bildsensorgröße bzw. der Zahl der verwendeten Kanäle skaliert und die Baulänge davon unabhängig ist. Ein Nachteil dieses Feldansatzes ist, dass aufgrund der Feldgeometrie der Anordnung unter Umständen Artefakte im Bild resultieren können. Diese Artefakte können sich beispielsweise in einer Modulation der Auflösung, Helligkeit oder auch der Vergrößerung abhängig von der Periode des Feldes widerspiegeln. Ein weiteres Problem ist, das optische Übersprechen zwischen den verschiedenen Kanälen, dessen Verhinderung kritisch ist. Aufgrund der Nutzung mehrerer Kanäle werden sowohl das Objektfeld, als auch das Bildfeld in mehrere, entsprechend der Anzahl der Kanäle Teilobjektfelder und Teilbildfelder aufgeteilt. Dazu existieren bei dem beschriebenen Feldansatz verschiedene Varianten der Kombination von Objektfeldanschluss und Bildfeldanschluss, also des Zusammensetzens der Teilobjektfelder und Teilbildfelder.
Weiterhin unterscheiden sich Varianten, bei denen mehrere Kanäle zur Entstehung eines Bildpunktes beitragen, welche damit eine höhere Lichtstärke aufweisen, zu Varianten, bei denen nur ein Kanal zur Entstehung eines Bildpunktes beiträgt, welche eine höhere Auflösung aufweisen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass im bekannten Stand der Technik kein Konzept existiert, welches eine Abbildung lateral ausgedehnter naher Objekte, also mit einem geringen Abstand des Objekts zu einem Abbildungssystem, bei einer hohen Bildqualität mit einer geringen Bauhöhe des Abbildungssystems vereint.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es damit, ein Konzept zu schaffen, welches eine Abbildung lateral ausgedehnter naher Objekte mit einem besseren Verhältnis von Bildqualität zu Bauhöhe ermöglicht. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 löst diese Aufgabe.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass bei einer Vorrichtung zur optischen Abbildung zumindest eines Teils eines Objekts auf einen Bildbereich eines digitalen Bildsensors, die einen optischen Kanal mit zwei abbildenden Linsen und einer Feld- linse aufweist, ein besseres Verhältnis von Bildqualität zu Bauhöhe erzielt werden kann, wenn die Feldlinse so zwischen der ersten abbildenden Linse und der zweiten abbildenden Linse angeordnet ist, dass eine senkrecht zur lateralen Ausdehnung des optischen Kanals durch einen lateralen Mittelpunkt der Feldlinse verlaufende Achse eine Symmetrieachse des optischen Kanals bildet. Die zwei abbildenden Linsen sind damit in ihrer Form, aber vor allem in ihren optischen Eigenschaften identisch oder weichen nur geringfügig, beispielsweise innerhalb der Fertigungstoleranzen voneinander ab. Eine dem Objekt zugewandte erste Oberfläche der ersten abbildenden Linse bildet damit eine Lichteintrittsfläche des optischen Kanals, und eine dem Bildsensor zugewandte erste Oberfläche der zweiten abbildenden Linse bildet damit eine Lichtaustrittsfläche des optischen Kanals. Die laterale Ausdehnung des optischen Kanals verläuft damit entlang einer Achse durch den Mittelpunkt der Lichteintrittsfläche des optischen Kanals und den Mittelpunkt der Lichtaustrittsfläche des optischen Kanals, welche auch einen Hauptstrahl des optischen Kanals definiert.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist damit, dass durch die symmetrische Anordnung des optischen Kanals eine 1 : 1 Abbildung eines Teils eines Objektes auf einen Bereich eines Bildsensors ermöglicht wird, was zu einem besseren Verhältnis von Bildqualität zu Bauhöhe der Vorrichtung führt. Der maximal erfassbare Objektbereich ist dann nicht mehr abhängig von der Bauhöhe der Vorrichtung, sondern von der Größe der optisch aktiven Fläche des Bildsensors und skaliert mit dieser.
Bei Ausfuhrungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, können mehrere optische Kanäle in einer hexagonalen Verteilung angeordnet sein, wobei sich die Erfassungsbereiche der optischen Kanäle beispielsweise in ihren Rändern teilweise überlappen können.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist damit, dass durch die Abbildung nur eines Teils eines Objekts auf einen Bereich eines Bildsensors die maximal aufzunehmende Objektgröße nicht mit der Bauhöhe der Vorrichtung, sondern mit der Anzahl der verwen- deten Kanäle skaliert. Eine Vergrößerung des zu erfassenden Objektbereiches fuhrt damit zu einer erhöhten Anzahl optischer Kanäle und eventuell zu einer Vergrößerung der optisch aktiven Fläche des Bildsensors, aber nicht zu einer Erhöhung der lateralen Ausdehnung der optischen Kanäle bzw. einer Bauhöhenvergrößerung der Vorrichtung zur optischen Abbildung.
Bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. la und
Fig. lb schematische Darstellungen einer Vorrichtung zur optischen Abbildung gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2a bis
Fig. 2b Schnittansichten einer abbildenden Linse zur Verwendung in einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 3 a bis
Fig. 3 c Schnittansichten einer Feldlinse zur Verwendung in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur optischen Abbildung gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Bevor im Folgenden die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert wird, wird darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente in den Figuren mit den gleichen oder den ähnlichen Bezugszeichen versehen sind und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
Fig. la zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zur optischen Abbil- dung gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die schematische Darstellung zeigt eine Schnittansicht einer xz-Ebene der Vorrichtung 100. Die Ausdehnung in y-Richtung der Vorrichtung 100 ist hier nicht dargestellt. Die Vorrichtung 100 umfasst einen optischen Kanal 110. Der optische Kanal umfasst eine erste abbildende Linse 120 und eine zweite abbildende Linse 130, wobei die beiden abbildenden Linsen 120, 130 in ihrer Form und vor allem in ihrer optischen Funktionsweise identisch sind oder nur geringfügig innerhalb von Fertigungstoleranzen voneinander abweichen. Zwischen der ersten abbildenden Linse 120 und der zweiten abbildenden Linse 130 ist eine Feldlinse 140 mittig angeordnet. Ein von der Vorrichtung 100 abzubildendes Objekt kann sich beispielsweise in einer Objektebene 150 befinden. Die von der Vorrichtung 100 erzeugte Abbil- dung zumindest eines Teils des Objektes, welcher im Folgenden auch als abzubildender Objektbereich bezeichnet wird, in der Objektebene 150 kann sich beispielsweise in einer Bildebene 160 befinden. Die gesamte Vorrichtung 100 und damit auch der optische Kanal 110 sind symmetrisch um eine durch einen Mittelpunkt der Feldlinse 140 und senkrecht zur lateralen Ausdehnung in x-Richtung des optischen Kanals 110, in z-Richtung, verlau- fende Symmetrieachse 170.
Von der Objektebene 150 einfallendes Licht trifft auf eine erste Oberfläche der ersten abbildenden Linse 120, welche auch eine Lichteintrittsfläche 180 des optischen Kanals 110 ist. Die erste abbildende Linse 120 fokussiert das einfallende Licht, so dass in einer Zwi- schenbildebene 190, welche parallel zur Objektebene 150 und zur Bildebene 160 in einer yz-Ebene liegt und durch den Mittelpunkt der Feldlinse 140, also den Mittelpunkt des optischen Kanals 110 und der Vorrichtung 100 verläuft, ein verkleinertes Zwischenbild des abzubildenden Objektbereichs entsteht. Das in der Zwischenbildebene 190 entstehende Zwischenbild steht im Gegensatz zu dem abzubildenden Objektbereich kopfüber und ist seitenverkehrt. Eine starke Zwischenbildverkleinerung im Vergleich zu dem abzubildenden Objektbereich ist bevorzugt, da dies die Nutzung von Blenden mit geringem Blendendurchmesser ermöglicht, was zu einer effektiven Unterdrückung von Geisterlicht führen kann. Aufgrund der symmetrischen Anordnung der Vorrichtung 100 bzw. des optischen Kanals 110 um die Symmetrieachse 170, ist der Strahlengang des einfallenden Lichtes von der Objektebene 150 zur Zwischenbildebene 190 gespiegelt zu dem Strahlengang des Lichtes von der Zwischenbildebene 190 zur Bildebene 160. Das von der Zwischenbildebene 190 ausgehende Licht trifft auf die zweite abbildende Linse 130 und wird von einer ersten Oberfläche der abbildenden Linse 130, welche auch eine Lichtaustrittsfläche 182 des optischen Kanals 110 ist, auf die Bildebene 160 gestreut. Die Abmessungen des erfass- ten Bildbereichs sind aufgrund der Symmetrie der Vorrichtung 100 bzw. des optischen Kanals 110 identisch den Abmessungen des abgebildeten Objektbereichs. Mit anderen Worten wird eine 1 : 1 Abbildung erreicht. In der Bildebene 160 kann beispielsweise ein digitaler Bildsensor angeordnet sein. Aufgrund der Symmetrie der Vorrichtung 100 bzw. des optischen Kanals 110 und der daraus resultierenden 1 : 1 Abbildung entsprechen die Abmessungen der photoaktiven Fläche des Bildsensors gleich den Abmessungen der maximal erfassbaren Fläche des Objektbereichs. Der optische Kanal 110 kann dabei beispielsweise einen Teil eines zu erfassenden Objekts in der Objektebene 150 auf einen Be- reich des Bildsensors abbilden.
In weiteren Ausfuhrungsbeispielen könnte die Vorrichtung 100 zusätzlich weitere optische Kanäle 110 aufweisen, welche identisch sind oder innerhalb von Fertigungstoleranzen geringfügig voneinander abweichen. Die optischen Kanäle 110 könnten beispielsweise in einer hexagonalen Verteilung angeordnet sein und könnten sich in ihren Erfassungsbereichen teilweise überlappen. Die Größe des erfassten Objektbereichs skaliert dann nicht mit der lateralen Ausdehnung der Vorrichtung 100, sondern mit der Anzahl der verwendeten optischen Kanäle und ist maximal begrenzt durch die optisch aktive Fläche des Bildsensors. Um ein größeres Objektfeld abzubilden, könnten bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung in der Bildebene 160 mehrere miteinander elektrisch verschaltete Bildsensoren angeordnet sein. Dies hat keinen Einfluss auf die laterale Ausdehnung der Vorrichtung 100, also auf die Bauhöhe, welche konstant gering gehalten werden kann.
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung ermöglichen damit eine Abbildung lateral ausgedehn- ter naher Objekte, beispielsweise mit einem Abstand von einer Objektebene 150 zu einer Lichteintrittsfläche 180 eines optischen Kanals 110 von weniger als 10mm, mit einem besseren Verhältnis von Bildqualität zu Bauhöhe gegenüber bereits bekannten Abbildungssystemen. Fig. Ib zeigt beispielhaft Werte für die einzelnen Abstände in x-Richtung zwischen den Linsen, sowie zwischen der Bild- und Objektebene, wie sie beispielsweise bei der in Fig. la gezeigten Vorrichtung 100 verwendet werden können. Weiterhin wird die Symmetrie der Vorrichtung 100 erneut verdeutlicht. Die in Fig. Ib gezeigten Werte sollen lediglich als beispielhafte Werte dienen, natürlich sind hier auch andere Werte, unter Beachtung der Symmetrie der Vorrichtung 100 um die Symmetrieachse 170 möglich. Es sei hier nochmals erwähnt, dass bei der in Fig. Ib gezeigten Vorrichtung 100 eine Vergrößerung des zu betrachtenden Objektfeldes in der Objektebene 150 durch eine Erhöhung der Anzahl der optischen Kanäle 110 und eine Vergrößerung der optisch aktiven Fläche eines in der Bildebene 160 befindlichen Bildsensors herbeigeführt werden kann, dabei aber die laterale Ausdehnung der Vorrichtung 100 in x-Richtung L (in Fig. Ib ist L rund 3,9 mm) konstant gehalten werden kann. Indem in Fig. Ib gezeigten konkreten Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand al von der Objektebene 150 zu der Lichteintrittsfläche 180 des optischen Ka- nals 110, welche auch die erste Oberfläche der ersten abbildenden Linse 120 ist, 1303 μπι. Die erste abbildende Linse 120 weist eine laterale Abmessung LI von 340,9 μιη auf, welche identisch der lateralen Abmessung LI der zweiten abbildenden Linse 130 ist. Eine zweite Oberfläche der ersten abbildenden Linse 120 ist mit 198,7 μιη (a2) von einer ersten Oberfläche der Feldlinie 140 beabstandet. Die Feldlinie 140 weist eine laterale Abmessung L2 von 381,4 μηι auf, wobei durch die Mitte der Feldlinse 140 die Symmetrieachse 170 des optischen Kanals 110 bzw. der Vorrichtung 100 verläuft. Die zweite abbildende Linse 130 ist 198,7 μπι (a2) von der Feldlinse 140 beabstandet. Der Abstand al zwischen der Bildebene 160 und der Lichtaustrittsfläche 182 des optischen Kanals 110 beträgt im konkreten Ausfuhrungsbeispiel 1303 μηι.
Die Figuren 2a-2b zeigen Schnittansichten einer abbildenden Linse zur Verwendung in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welche beispielsweise eine der beiden abbildenden Linsen 120,130, in der in Fig. la gezeigten Vorrichtung 100 sein könnte. Da die beiden abbildenden Linsen 120 und 130 identisch sind, wird im Folgenden nur die erste abbildende Linse 120, stellvertretend für die zweite abbildende Linse 130 beschrieben.
Die in Fig. 2a gezeigte abbildende Linse 120 weist eine erste Linsenoberfläche 210 mit einer konvexen Wölbung auf. Die erste Linsenoberfläche 210 bildet damit die in dem vor- herigen Ausführungsbeispiel beschriebene zweite Oberfläche der ersten abbildenden Linse 120. Indem in Fig. 2a gezeigten konkreten Ausführungsbeispiel weist die erste Linsenoberfläche 210 einen Radius von 241,3 μιη, einen k-Parameter (Konik) von 0, eine Pfeilhöhe von 38.0 μηι und einen Basisparameter von 43,9 μηι auf. Angrenzend an die erste Linsen- Oberfläche 210 ist eine zweite Linsenoberfläche 220 mit einer konvexen Wölbung angeordnet. Indem in Fig. 2a gezeigten konkreten Ausführungsbeispiel weist die zweite Linsenoberfläche 220 einen Radius von 152,5 μιη, einen k-Parameter (Konik) von 0, eine Pfeilhöhe von 72,8 μιη und einen Basisparameter von 14,3 μηι auf. Angrenzend an die zweite Linsenoberfläche 220 ist ein Linsenkörper 230 angeordnet. In dem in Fig. 2a gezeigten konkreten Ausführungsbeispiel weist der Linsenkörper 230 eine laterale Ausdehnung tl l von 228.2 μηι auf. Angrenzend an den Linsenkörper 230 ist eine dritte Linsenoberfläche 240 angeordnet, bei welcher eine konvexe Wölbung entgegengesetzt der konvexen Wölbung der ersten Linsenoberfläche 210 und der zweiten Linsenoberfläche 220 ausgebildet ist. Die dritte Linsenoberfläche 240 bildet damit bei dem in den Fig.la und lb gezeigten Ausführungsbeispiel die erste Oberfläche der ersten abbildenden Linse 120 und damit die Lichteintrittsfläche 180 des optischen Kanals 110 und weiterhin die erste Oberfläche der zweiten abbildenden Linse 130 und damit die Lichtaustrittsfläche 182 des optischen Kanals 110.
Indem in Fig. 2a gezeigten konkreten Ausfuhrungsbeispiel weist die dritte Linsenoberflä- che 240 einen Radius von 343,2 μηι, einen k-Parameter (Konik) von -8,28, eine Pfeilhöhe von 20,3 μπι und einen Basisparameter von 14,5 μηι auf. Die abbildende Linse 120 kann bevorzugt ein zylindrischer Körper sein, welcher indem in Fig. 2a gezeigten konkreten Ausführungsbeispiel einen Durchmesser R von 260 μηι aufweist.
Indem in Fig. 2a gezeigten konkreten Ausführungsbeispiel der Linse 120 ist die erste Lin- senoberfläche 210 aus einem Polymermaterial mit hohem Brechungsindex (n - 1.63 bei einer Wellenlänge von 588 nm) und niedriger Abbezahl (V=26 bei einer Wellenlänge von 588 nm) die zweite Linsenoberfläche 220 aus einem Polymermaterial mit niedrigem Brechungsindex (n = 1.52 bei einer Wellenlänge von 588 nm) und hoher Abbezahl (V=52 bei einer Wellenlänge von 588 nm), der Linsenkörper 230 aus einem Glasmaterial mit einem Brechungsindex von n = 1.52 und einer Abbezahl von V=56 (bei einer Wellenlänge von 588 nm) und die dritte Linsenoberfläche 240 aus einem Polymermaterial mit niedrigem Brechungsindex (n = 1.52 bei einer Wellenlänge von 588 nm), und hoher Abbezahl (V=52 bei einer Wellenlänge von 588 nm). Die beiden übereinander angeordneten Linsenoberflächen 210 und 220 bilden aufgrund der Verwendung zweier verschiedener Materialien mit verschiedenen Dispersionseigenschaften eine achromatische Linse, welche eine Korrektur des Farblängsfehlers ermöglicht. Fig. 2b zeigt eine mögliche Blendenanordnung für die in Fig. 2a beschriebene abbildende Linse 120. Die in Fig.2b gezeigte Blendenanordnung umfasst eine erste Blende 260, welche in einem Abstand tl2 (vgl. Fig. 2a) von 9.1 ηι von der zweiten Linsenoberfläche 220 beabstandet ist und in dem Linsenkörper 320 angeordnet ist, sowie eine zweite Blende 250, welche in einem Abstand tl2 (vgl. Fig. 2a) von 9.1μπι von der dritten Linsenoberfläche 240 beabstandet ist und in dem Linsenkörper 320 angeordnet ist. Die beiden Blenden 250 und 260 sind in ihren Abmessungen identisch. In dem in Fig. 2b gezeigten konkreten Ausführungsbeispiel weisen die beiden Blenden 250 und 260 einen Öffnungsdurchmesser dl von 232 μιη auf.
Die Blenden 250, 260 können beispielsweise zur Unterdrückung von Falschlicht in einem optischen Kanals 110 in welchem die abbildende Linse 120 verwendet wird, dienen.
Die Figuren 3 a bis 3 c zeigen Schnittansichten einer Feldlinse 140 zur Verwendung in ei- nem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welche beispielsweise die Feldlinse 140 in der in Fig. la beschriebenen Vorrichtung 100 sein könnte.
Die in Fig. 3 a gezeigte Feldlinse 140 weist eine erste Linsenoberfläche 310 mit einer konvexen Wölbung auf. Angrenzend an die erste Linsenoberfläche 310 ist ein Linsenkörper 320 angeordnet. Angrenzend an den Linsenkörper 320 ist eine zweite Linsenoberfläche 330 angeordnet, welche identisch zu der ersten Linsenoberfläche 310 ist und eine, der konvexen Wölbung der ersten Linsenoberfläche 310 entgegengesetzte konvexe Wölbung aufweist. Die erste Linsenoberfläche 310 und die zweite Linsenoberfläche 330 weisen in dem in Fig. 3a gezeigten konkreten Ausfuhrungsbeispiel einen Radius von 270,9 μηι, einen k- Parameter (Konik) von 0, eine Pfeilhöhe von 19,1 μηι und einen Basisparameter von 30,1 μπι auf. Die Feldlinse 140 ist bevorzugt ein zylindrischer Körper, welcher in dem in Fig. 3 a gezeigten konkreten Ausfuhrungsbeispiel einen Durchmesser D2 von 200 μιη aufweist. Die Feldlinse 140 ist symmetrisch um eine Symmetrieachse 340, in z-Richtung welche durch einen lateralen Mittelpunkt der Feldlinse 140 verläuft und senkrecht zu einer Rotati- onsachse 350 in x-Richtung durch den lateralen Mittelpunkt der Feldlinse 140 steht.
Fig. 3b zeigt die in Fig. 3a beschriebene Feldlinse 140. Indem in Fig. 3b gezeigten konkreten Ausfuhrungsbeispiel der Feldlinse 140 sind die erste Linsenoberfläche 310 und die zweite Linsenoberfläche 330 aus einem Polymermaterial mit niedrigem Brechungsindex (n = 1.52 bei einer Wellenlänge von 588 nm) und hoher Abbezahl (V=52 bei einer Wellenlänge von 588 nm) und der Linsenkörper 320 aus einem Glasmaterial mit einem Brechungsindex von n = 1.52 und einer Abbezahl von V=56 (bei einer Wellenlänge von 588 nm) hergestellt. Fig. 3c zeigt die in den Fig. 3a und 3b beschriebene Feldlinse 140 mit einer Blendenanordnung, beispielsweise zur Bestimmung der Apertur eines optischen Kanals 110, in welchem die Feldlinse 140 verwendet wird. Die Blendenanordnung umfasst eine erste Blende 360, eine zweite Blende 370 und eine dritte Blende 380. Aufgrund der Symmetrie der Feldlinse 140 sind die erste Blende 360 und die dritte Blende 380 in demselben Abstand t2 von 145 μπι von der Symmetrieachse 340 in dem Linsenkörper 320 und angrenzend an die erste Linsenoberfläche 310 und in dem Linsenkörper 320 und angrenzend an die zweite Linsenoberfläche 330 angeordnet. Die zweite Blende 370 ist in der lateralen Mitte der Feldlin- se 140 angeordnet, verläuft also auf der Symmetrieachse 340. Die zweite Blende 370, kann bei einer Verwendung der Feldlinse 140 in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die maximale Zwischenbildgröße eines optischen Kanals 110 bestimmen. Indem in Fig. 3 c gezeigten konkreten Ausfuhrungsbeispiel der Feldlinse 140 weisen die erste Blende 360 und die dritte Blende 380 einen Öffnungsdurchmesser d21 von 144 μιη auf. Die dritte Blende 370, welche beispielsweise die Apertur der Feldlinse 140 vorgibt, weist bevorzugt eine hexagonale Öffnung auf. Der Außenkreisdurchmesser d22 der Öffnung der Blende 370 kann in dem in der Fig. 3 c gezeigten konkreten Ausführungsbeispiel beispielsweise 84,5 μπι, 83,5 μηι oder 85,5 μη betragen. Die Blende 370 kann bei einer Verwendung der Feldlinse 140 in einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel bei- spielsweise eine Feldblende bzw. eine Aperturblende des optischen Kanals 110 darstellen, in welchem sie verwendet wird und kann damit den erfassten Bereich des Objektfeldes des optischen Kanals 110 definieren.
Die erste Blende 360 und die dritte Blende 380 könnten in dem in Fig. 3 c gezeigten konk- reten Ausführungsbeispiel beispielsweise aus einem schwarzen, absorbierenden Polymer- Material gebildet sein.
Die zweite Blende 370 könnte in dem in Fig. 3c gezeigten Ausfuhrungsbeispiel beispielsweise aus Metall gebildet sein.
Fig. 4a zeigt eine Vorrichtung 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 400 umfasst eine Beleuchtungseinrichtung 410, beispielsweise eine LED-Hintergrundbeleuchtung. Angrenzend an eine lichtemittierende Oberfläche der Beleuchtungseinrichtung 410 ist ein Testmuster 420 angeordnet. In einem Abstand al von 1,3 mm grenzt an das Testmuster ein Mikrolinsenfeld 120' an. Das Mikrolinsenfeld 120' umfasst eine Mehrzahl von ersten abbildenden Linsen 120, beispielsweise wie sie in den Fig. 2a bis 2b beschrieben wurde. In einem Abstand a2 von ca. 200 μηι zu dem ersten Mikrolinsenfeld 120' ist ein zweites Mikrolinsenfeld 140' angeordnet. Das zweite Mikrolin- senfeld 140' umfasst eine Mehrzahl von Feldlinsen 140, wie sie beispielsweise in den Fig. 3a bis 3c beschrieben wurde. In einem Abstand a2 von ca. 200 μηι zu dem zweiten Mikrolinsenfeld 140' ist ein drittes Mikrolinsenfeld 130' angeordnet. Das dritte Mikrolinsenfeld 130' umfasst eine Mehrzahl zweiter abbildender Linsen 130, wie sie beispielsweise in den Fig. 2a bis 2b beschrieben wurde. Das Mikrolinsenfeld 130' ist damit identisch dem Mikrolinsenfeld 120', aber in seiner Orientierung in x-Richtung umgekehrt angeordnet. Angrenzend an das dritte Mikrolinsenfeld 130' ist ein digitaler Bildsensor 430 in einem Abstand al von ca. 1,3 mm zu dem dritten Mikrolinsenfeld 130' angeordnet. Der digitale Bildsensor 430 kann auf einer dem dritten Mikrolinsenfeld 130' zugewandten Oberfläche ein Deckglas zum Schutz des digitalen Bildsensors 430 aufweisen. Das erste Mikrolinsenfeld 120', das zweite Mikrolinsenfeld 140' und das dritte Mikrolinsenfeld 130' sind so angeordnet, dass eine abbildende Linse 120 des ersten Mikrolinsenfeldes 120' mit einer Feldlinse 140 des zweiten Mikrolinsenfeldes 140' und einer abbildenden Linse 130 des dritten Mikrolinsenfeldes 130' jeweils einen optischen Kanal 110 bilden. Die Vorrichtung 400 bzw. die optischen Kanäle 110 sind symmetrisch um eine Symmetrieachse 170 der Vorrichtung 400 bzw. der optischen Kanäle 110. Der Bildsensor 430 mit einer Ausdehnung von beispielsweise 6,55 mm x 4,92 mm gibt in Verbindung mit den optischen Kanälen 110 die Abmessungen des maximal abbildbaren Objektbereichs vor. Der Bildsensor 430 weist darüber hinaus einzelne Pixel mit einem Durchmesser von z.B. 3,2 μιη auf, was damit dem kleinstmöglichen darstellbaren Detail des Objektfeldes entspricht. Aufgrund der Symmetrie der Vorrichtung 400 wird das Testmuster 420 oder, zumindest ein Teil dessen 1 : 1 auf den Bildsensor 430 abgebildet, das heißt es findet weder eine Vergrößerung noch eine Verkleinerung des Testmusters 420 statt. Die Beleuchtungsvorrichtung 410 dient der Ausleuchtung des Testmusters 420.
Es sei erwähnt, dass sämtliche in den vorherigen Ausführungsbeispielen genannten Längenmaße und Materialien, lediglich beispielhafte Werte und Materialien darstellen und daher keinesfalls einschränkend aufzufassen sind.
Aufgrund der Nutzung einer 1 : 1 Abbildung bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, welche eine Symmetrie zwischen Objekt und Bildraum erlaubt, kann die Optik bei Ausführungsbeispielen anders als sonst üblich, symmetrisch sein. Die absolute Symmetrie um die Zwischenbildebene wird im Design uneingeschränkt ausgenutzt und ist be- vorzugt, unabhängig davon, wie die Verteilung der Linsen und Aperturen auf eventuelle Substrate und Luftabstände ist, wodurch eine intrinsische Korrektur von Koma, Verzeichnungen und Farbquerfehlern ermöglicht wird. Es sei erwähnt, dass eine intrinsische Korrektur bisher nur für die Symmetrie um die Systemapertur einer optischen Vorrichtung bekannt war. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung allerdings können mit einer Symmetrie um die Zwischenbildebene ähnlich positive Effekte erzielen. Durch die Nutzung dünner Substrate kann ein geringer Astigmatismus erzielt werden. Weitere Ausführungsbeispiele können zur Korrektur von sphärischen Abberationen Asphä- ren umfassen. Das heißt, dass mindestens eine der beiden abbildenden Linsen oder die Feldlinse als eine asphärische Linse ausgebildet ist. Weiterhin kann durch die Kombination von Materialien unterschiedlicher Dispersionseigenschaften zur Realisierung von achromatischen Linsen, wie dies in den Fig. 2a bis b anhand der abbildenden Linse 120 gezeigt wurde, eine Korrektur des Farblängsfehlers erreicht werden.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können mehrere optische Kanäle in einer hexagonalen Anordnung mit hexagonaler Form der Feldblenden in der Zwischenbildebene angeordnet sein und so einen maximierten Füllfaktor und damit eine maximale Lichtstärke erreichen.
Durch die Nutzung zahlreicher Blenden und starker Zwischenbildverkleinerung bei weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung und damit kleiner Blendendurchmesser gegenüber dem Kanalabstand lässt sich eine effektive Unterdrückung von Geister- licht erreichen.
Obwohl in den gezeigten Ausführungsbeispielen die Abstände der Linsen und Ebenen konstant und damit auch die laterale Ausdehnung der Ausführungsbeispiele konstant war, so können weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung variable Abstände aufweisen. Dies kann beispielsweise durch eine Einführung von Aktorik in alle oder einige bestimmte Luftabstände erreicht werden. Mit anderen Worten gesagt, können die Abstände beispielsweise zwischen der Objektebene und der ersten abbildenden Linse, zwischen der ersten abbildenden Linse und der Feldlinse, zwischen der Feldlinse und der zweiten abbildenden Linse und zwischen der zweiten abbildenden Linse und der Bildebene variiert werden. Dies er- möglicht eine Aufnahme von Höhenprofilen bzw. topologischen Profilen (sogenannter„z- Scan"). Wenn F/# klein genug ist, gibt es nur einen eingeschränkten Schärfetiefenbereich, weshalb man aus der Aktorstellung Kenntnis hat, welcher Objektabstand gerade scharf abgebildet wird. Dies ermöglicht die Aufnahme eines 3D-Bildes, welches sich aus der 2D- lateralen Auflösung und der Info, in welcher Höhe sich diese Szene befindet, zusammen- setzt. Um die Symmetrie der Vorrichtung zu erhalten, sollen bevorzugt gleichzeitig Objekt- und Bildabstand variiert werden, sowie die beiden Abstände der ersten und zweiten abbildenden Linse zur und von der Zwischenbildebene. Diese beiden Abstände sollen allerdings nur geringer und gemeinsam in die entgegengesetzte Richtung variiert werden, damit gleichzeitig die Abbildung scharf und der Objekt- bzw. Bildanschluss erhalten bleibt, mit anderen Worten gesagt, nicht nur eine Gesamtfokussierung, sondern auch die des Zwischenbildes soll erhalten bleiben. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können damit also 3D-Mikroskopie ermöglichen.
Eine Variation des Abstandes der Linsen bzw. Ebenen zueinander kann beispielsweise durch in den Lufträumen platzierte Piezo- oder MEMS-Elemente erreicht werden.
Eine Variante eines konkreten Ausführungsbeispiels, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, mit der Verteilung der Linsen auf nur vier Substrate bzw. drei Elemente, kann den minimalen technischen Aufwand für den erreichten optischen Korrekturzustand darstellen, natürlich kann auch eine größere Zahl von Linsen bzw. Substraten unter Beachtung der Symmetrie der gesamten Vorrichtung bzw. der optischen Kanäle genutzt werden. Durch die Nutzung eines Feldansatzes, das heißt eine Nutzung von Mikrolinsenfeldern, wie es in Fig. 4 gezeigt wurde, und eine Waferlevel-Herstellungstechnologie lässt sich bei Ausfuhrungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine nahezu beliebige laterale Skalierbarkeit erreichen.
Weiterhin lässt sich sagen, dass bei Ausführungsbeispielen mit einer Vielzahl optischer Kanäle um einen objekt- und bildweisen Anschluss zu erreichen, eine 1 : 1 Abbildung zu bevorzugen, ist.
Eine Verkleinerung wäre auch verwendbar, während bei einer Vergrößerung Objektdetails bei Abbildung durch die Mikrolinsenfelder verloren gingen, da ein Bild nicht größer als ein Kanalabstand sein kann, ohne Informationen zu verlieren, dies gilt insbesondere für den Fall, dass in der yz-Ebene, also senkrecht zum Strahlengang der Abbildungsvorrichtung nichts bewegt werden soll / kann, also kein Abtasten bzw. Scannen durchgeführt wird. Wird allerdings ein Abtasten in der yz-Ebene durchgeführt, so kann der abgebildete Objektbereich wiederum kleiner als der Kanalabstand sein. Ausführungsbeispiele könnten daher ein Abtasten in der yz-Ebene ermöglichen, um einen Objektbereich, welcher kleiner als der Kanalabstand ist, abzutasten. Mit anderen Worten gesagt können bei Ausführungsbeispielen Abtastlücken durch eine Bewegung in der yz- Ebene vermieden werden. Ein Ziel ist es daher, wenigstens einen Objektfeldanschluss zu erreichen, bestenfalls mit gleichzeitigem Bildfeldanschluss, was aber schwierig zu erfüllende Anforderungen an die Toleranzen der Herstellung und Montage stellt, da immer gleichzeitig innerhalb des Einzelkanals scharfe Abbildungen zu fordern sind. Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, wenn an den Bildanschlussstellen mehrerer optischer Kanäle nur geringste Bereiche existieren, wo zwei benachbarte Kanäle gleichzeitig beitragen, das heißt, dass die optischen Kanäle sich in ihren Erfassungsbereichen nur geringfügig überlappen. Falls ein Anschluss der einzelnen Objektfelder erzielt werden soll, kann eine Redundanz geduldet werden, da diese elektronisch verwertbar bzw. korrigierbar ist, solange keine Abtastlücken vorhanden sind bzw. keine Information aus dem Objektfeld fehlt.
Bei einer etwas verkleinerten Abbildung, also bei einem Nur-Objektfeldanschluss entste- hen voneinander geometrisch isolierte Teilbilder, welche elektronisch zusammengesetzt werden können.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können verschiedene digitale Bildsensoren in der Bildebene angeordnet sein, wie beispielsweise CCD, CMOS, Bildsensoren oder auch Polymerphotodiodenfelder, welche tatsächlich flächig sind. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können sich in ihren Abmessungen auf einen kompletten Wafer, beispielsweise 4 Zoll, 6 Zoll oder 8 Zoll ausdehnen.
Die Nutzung von Polymerphotodiodenfeldern kann die Herstellung von Vorrichtungen gemäß Ausfuhrungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weiter reduzieren, da die Nutzung von CMOS und CCD derzeit noch Kostenprobleme bereitet. Die Größe der Bildfläche durch eine 1 : 1 Abbildung, ist daher langfristig unter Einsatz von Polymerphotodiodenfeldern kein Problem mehr. Weitere Ausfuhrungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können beispielsweise eine Helligkeitskorrektur (sog.„shading-correction") durchfuhren, um Helligkeitsmodulationen als Artefakte der Feldgeometrie softwaremäßig, also beispielsweise per Tabelle (sog.„Look- up-Table") auszukalibrieren. Weiterhin kann bei Ausführungsbeispielen eine Bewegung der Optik um wenigstens eine Kanalperiode oder auch bevorzugt mehrere, während der Belichtungszeit oder bevorzugt deutlich öfter genutzt werden, um Artefakte, die aus der Feldgeometrie der Anordnung resultieren, oder Kanaldefekte ohne Bildverarbeitung („shading-correction") korrigieren zu können, oder Interferenzobjekte für Objektpunkte, die von zwei benachbarten Kanälen gleichzeitig übertragen werden, auszumitteln. Diese Bewegung kann beispielsweise durchgeführt werden mit Piezobiegern, Piezostacks, einem mechanisch übersetzten Piezostack, einer Spule oder auch einem elektrischen Aktor. Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwendete digitale Bildsensoren können bevorzugt eine Auflösung besser als 200...300 Linienpaare pro mm aufweisen, was einer Pixelgröße von 2,5...1,67 μηι entspricht. Für diese Größen dominiert das Beugungslimit und nicht mehr die Pixelgröße oder optische Aberrationen das Auflösungsver- mögen. Durch eine Verringerung der Blendenzahl (F/#) kann dieses sowie die Lichtstärke des Systems weiter verbessert werden, wobei allerdings der Anteil optischer Aberrationen überproportional wächst.
Ausfuhrungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeichnen sich aus durch eine extrem geringe Baulänge, beispielsweise kann der Abstand zwischen Objekt und Bild viel kleiner als 1 cm sein, weiterhin skaliert die inspizierbare Objektfläche mit der Bildsensorfläche bzw. mit der Zahl der im optischen Feld verwendeten Kanäle, was zu einer Fläche von viel größer 1 cm2 oder sogar größer 7 cm2 fuhren kann, weiterhin sind minimal inspizierte Objekte teils nur begrenzt durch die Pixelgröße des eingesetzten digitalen Bildsensors, welche beispielsweise viel kleiner als 5 μηι oder sogar kleiner als 2 μιη sein können, wodurch durch den konsequent abberationsminimierenden optischen Ansatz durch die Nutzung einer Vielzahl von optischen Kanälen, welcher in Ausfuhrungsbeispielen der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann, eine hohe Auflösung ermöglicht wird. Die Nutzung von Polymeren bei Ausfuhrungsbeispielen, wie beispielsweise die ORJvlO- CER-auf-Glas-Technologie ermöglicht die Herstellung auf Basis von Reflow-Lötens und ist sehr gut geeignet für Blendenfelder auf den Glassubstraten und zur Überformung bereits abgeformter Strukturen zur Achromatisierung, wie es beispielsweise in den Fig. 2a bis 2b anhand der abbildenden Linse 120 beschrieben wurde.
Zumindest einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können außerdem kostengünstig herstellbar sein, da sie im Waferlevel assemblierbar sind. Weiterhin ist zu erwähnen, dass Ausfuhrungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Einheit in Feldern hergestellt werden können und nicht als einzelne laterale Komponenten, wodurch ein spä- teres aufwendiges Zusammensetzen der einzelnen Komponenten entfällt.
Ausführungsbeispiele können beispielsweise Verwendung finden in der digitalen Mikroskopie, in der Makrophotographie, in der Medizintechnik, in der Fluoreszenzmikroskopie oder auch in der Inkubatorüberwachung („Inkubator-Monitoring").

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur optischen Abbildung zumindest eines Teils eines Objekts auf einen Bereich eines digitalen Bildsensors, mit: einem optischen Kanal (110) umfassend eine auf einem ersten Substrat angeordnete erste abbildende Linse (120), eine auf einem zweiten Substrat angeordnete zweite abbildende Linse (130) und eine auf einem dritten Substrat angeordnete Feldlinse (140); wobei die erste abbildende Linse (120) und die zweite abbildende Linse (130) identisch sind; wobei die erste abbildende Linse (120) und die zweite abbildende Linse (130) so angeordnet sind, dass eine erste Oberfläche (240) der ersten abbildenden Linse (120) eine Lichteintrittsfläche (180) des optischen Kanals (110) ist, und eine erste Oberfläche (240) der zweiten abbildenden Linse (130) eine Lichtaustrittsfläche (182) des optischen Kanals (110) ist; wobei die Feldlinse (140) so zwischen der ersten abbildenden Linse (120) und der zweiten abbildenden Linse (130) angeordnet ist, dass eine senkrecht zur lateralen Ausdehnung des optischen Kanals (110) durch einen lateralen Mittelpunkt der Feldlinse (140) verlaufende Achse eine Symmetrieachse (170) des optischen Kanals (110) bildet; und wobei mindestens eine der Linsen (120, 130, 140) mindestens eine Blende (250, 260; 360, 370, 380), welche in einem Lmsenkörper (230; 320) der Linse (120, 130, 140) angeordnet ist, aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der abzubildende Teil des Objekts sich in einer Objektebene (150) des optischen Kanals (110) befindet, und der Bereich des digitalen Bildsensors (430) auf den der Teil des Objekts abgebildet wird, sich in einer Bildebene (160) des optischen Kanals (110) befindet; wobei eine Ausdehnung der Objektebene (150) des optischen Kanals (110) identisch zu einer Ausdehnung der Bildebene (160) des optischen Kanals (110) ist.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der eine der Feldlinse (140) zugewandte zweite Oberfläche (210) der ersten abbildenden Linse (120) und eine der Feldlinse (140) zugewandte zweite Oberfläche (210) der zweiten abbildenden Linse (130) als Achromaten ausgebildet sind, um Farblängsfehler zu reduzieren, und/oder asphärisch sind, um sphärische Aberrationen zu reduzieren.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, bei der ein lateraler Abstand von der Objektebene (150) des optischen Kanals (110) zu einer Zwischenbildebene (190) des optischen Kanals (110) variabel ist und bei der ein lateraler Abstand von der Bildebene (160) des optischen Kanals (110) zu der Zwischenbildebene (190) des optischen Kanals (110) variabel ist; und wobei die Zwischenbildebene (190) des optischen Kanals (110) parallel zur Objektebene (150) und parallel zur Bildebene (160) des optischen Kanals (110) durch den lateralen Mittelpunkt der Feldlinie (140) verläuft.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, mit mindestens einem Aktor, welcher ausgebildet ist, um den Abstand der ersten abbildenden Linse (120) zur Zwischenbildebene (190) und den Abstand der zweiten abbildenden Linse (130) zur Zwischenbildebene sowie den Abstand zwischen der zweiten abbildenden Linse (130) und der Bildebene (160) zu verändern, so dass eine Veränderung des Abstandes der Objektebene (150) zur Zwischenbildebene (190) zu einer gleichgerichteten Veränderung des AbStandes der Bildebene (160) zur Zwischenbildebene (190) fuhrt und dabei der Abbildungsmaßstab des optischen Kanals (110) erhalten bleibt.
6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die erste abbildende Linse (120) und die zweite abbildende Linse (130) jeweils zwei Blenden (250, 260) mit lokal variierender Transparenz umfassen; wobei die zwei Blenden (250, 260) der ersten abbildenden Linse (120) lateral hintereinander zwischen der ersten Oberfläche (240) der ersten abbildenden Linse (120) und einer zweiten Oberfläche (210) der ersten abbildenden Linse (120) angeordnet sind; und wobei die zwei Blenden (250, 260) der zweiten abbildenden Linse (130) lateral hintereinander zwischen der ersten Oberfläche (240) der zweiten abbildenden Linse (130) und einer zweiten Oberfläche (210) der zweiten abbildenden Linse (130) angeordnet sind. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Feldlinse (140) eine Blende (370) umfasst, wobei die Blende (370) im lateralen Mittelpunkt der Feldlinse (140) angeordnet ist, und die Symmetrieachse (170) des optischen Kanals (110) eine Symmetrieachse der Feldlinse (140) bildet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der die Blende (370) der Feldlinse (140), eine hexagonale Öffnung aufweist und als eine Aperturblende des optischen Kanals (110) ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, bei der die Feldlinse (140) eine Mehrzahl von Blenden (360, 380) aufweist; wobei eine erste Blende (360) aus der Mehrzahl von Blenden (360, 380) lateral vor der im lateralen Mittelpunkt der Feldlinse (140) angeordneten Blende (370) angeordnet ist; wobei eine zweite Blende (380) aus der Mehrzahl von Blenden (360, 380) lateral hinter der im lateralen Mittelpunkt der Feldlinse (140) angeordneten Blende (370) angeordnet ist; und wobei ein lateraler Abstand der ersten Blende (360) aus der Mehrzahl von Blenden (360, 380) zu der im lateralen Mittelpunkt der Feldlinse (140) angeordneten Blende (370) identisch zu einem lateralen Abstand der zweiten Blende (380) aus der Mehrzahl von Blenden (360, 380) zu der im lateralen Mittelpunkt der Feldlinse (140) angeordneten Blende (370) ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, mit einem digitalen Bildsensor (430), welcher in der Bildebene (160) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 10, mit mindestens einem Aktor, welcher ausgebildet ist, um den optischen Kanal (110) senkrecht zur lateralen Ausdehnung des optischen Kanals (110) zu bewegen, so dass sich der in der Objektebene (150) des optischen Kanals (110) befindende abzubildende Teil des Objektes variiert. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, mit mindestens einem weiteren, dem ersten optischen Kanal (110) identischen optischen Kanal, wobei die optischen Kanäle (110) so in einer hexagonalen Verteilung angeordnet sind, dass sich Erfassungsbereiche der optischen Kanäle (110) teilweise überlappen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, bei der die erste abbildende Linse (120) des ersten optischen Kanals (110) und eine erste abbildende Linse (120) des zumindest einem weiteren optischen Kanals auf einem ersten gemeinsamen Trägersubtrat angeordnet sind und ein Feld (120') erster abbildender Linsen (120) bilden; wobei die zweite abbildende Linse (130) des ersten optischen Kanals (110) und eine zweite abbildende Linse (130) des zumindest einem weiteren optischen Kanals auf einem zweiten gemeinsamen Trägersubtrat angeordnet sind und ein Feld (130') zweiter abbildender Linsen (130) bilden; und wobei die Feldlinse (140) des ersten optischen Kanals (110) und eine Feldlinse (140) des zumindest einem weiteren optischen Kanals auf einem dritten gemeinsamen Trägersubtrat angeordnet sind und ein Feld (140') von Feldlinsen (140) bilden.
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