DE102024201203A1

DE102024201203A1 - Optical devices and methods for imaging an object area

Info

Publication number: DE102024201203A1
Application number: DE102024201203.3A
Authority: DE
Inventors: Robert Brüning; Martin Hubold
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2024-02-09
Filing date: 2024-02-09
Publication date: 2025-08-14

Abstract

Eine optische Vorrichtung umfasst ein erstes Optikarray zum Abbilden eines Objektbereichs und ein zweites Optikarray sowie eine Objektivoptik. Das zweite Optikarray ist zwischen dem ersten Optikarray und der Objektivoptik angeordnet und ausgebildet, um Aperturen des ersten Optikarrays auf einen gemeinsamen Eintrittspupillenbereich der Objektivoptik abzubilden.An optical device comprises a first optical array for imaging an object region, a second optical array, and an objective optical system. The second optical array is arranged between the first optical array and the objective optical system and is configured to image apertures of the first optical array onto a common entrance pupil region of the objective optical system.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Optische Vorrichtungen und Verfahren zum Abbilden eines Objektbereichs, etwa eine abbildende optische Vorrichtung und einen Projektor. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine inverse plenoptische Anordnung.The present invention relates to optical devices and methods for imaging an object region, such as an imaging optical device and a projector. The present invention further relates to an inverse plenoptic arrangement.

Abbildende Multikanalabbildungssysteme oder Multiapertur-Abbildungsvorrichtungen, etwa Snapshot-fähige Multi-/Hyperspektralkameras, bei denen mehrere einzelne Bilder auf einem gemeinsamen Bildsensor, etwa ein zusammenhängendes 2D-Pixelarray, abgebildet werden, besitzen meistens sehr kurze Brennweiten im unteren Millimeterbereich. Aufgrund des teilweise großen Deckglasabstandes und der Deckglasdicke des Bildsensors zum eigentlichen Focal-Plane-Array (FPA) lassen sich sehr kurze Brennweiten damit nicht oder äußerst schwierig realisieren. Außerdem sinkt der Füllfaktor, das heißt, die ausgeleuchtete oder nutzbare Fläche in Bezug zur gesamten Fläche auf dem Bildsensor, da geeignete Blendenstrukturen zwischen dem mikrooptischen Multikanalabbildungssystem und dem Bildsensor zu realisieren sind, welche das Übersprechen in benachbarte Abbildungskanäle gleichzeitig nur unzureichend gewährleisten können oder aber eine deutliche künstliche Vignettierung in Kauf nehmen.Multi-channel imaging systems or multi-aperture imaging devices, such as snapshot-capable multi-/hyperspectral cameras, in which multiple individual images are imaged on a common image sensor, such as a contiguous 2D pixel array, typically have very short focal lengths in the lower millimeter range. Due to the sometimes large cover glass distance and the cover glass thickness of the image sensor relative to the actual focal plane array (FPA), very short focal lengths are either impossible or extremely difficult to achieve. Furthermore, the fill factor—that is, the illuminated or usable area relative to the total area on the image sensor—decreases because suitable aperture structures must be implemented between the micro-optical multi-channel imaging system and the image sensor. These aperture structures can only inadequately ensure crosstalk into neighboring imaging channels simultaneously or result in significant artificial vignetting.

Darüber hinaus ist es oft erforderlich, bei den Systemen aufgrund der Toleranzen innerhalb des Bildsensors und des Multikanalabbildungssystems eine aktive Justage auszuführen, welche mit hohem Zeitaufwand und Kosten verbunden ist.In addition, due to the tolerances within the image sensor and the multi-channel imaging system, it is often necessary to perform active adjustment of the systems, which is time-consuming and costly.

Prinzipiell existieren zwei Varianten, mit denen das Problem gelöst werden kann. Gemäß einer Variante wird das Deckglas von dem Bildsensor entfernt, um das mikrooptische Kameramodul inklusive der Blendenstrukturen näher vor dem FPA zu platzieren. Diese Variante hat den Nachteil, dass Bonddrähte ungeschützt sind und/oder keine Kühlung mehr gewährleistet werden kann. Bei Bildsensoren für den mittleren Infrarotbereich (mid-wavelength infrared, MWIR) oder den langwelligen Infrarotbereich (engl.: long-wavelength infrared, LWIR) ist es aber zumeist erforderlich, dem Bildaufnehmer Vakuum zu verkapseln, um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten. Für das Handling ist darüber hinaus eine trockene Umgebung oder eine Reinraumumgebung erforderlich, um Staubbelastungen des Bildsensors zu minimieren. Dies macht die erste Variante zusammengenommen äußerst aufwendig und nachteilig.In principle, there are two variants that can solve this problem. According to one variant, the cover glass is removed from the image sensor in order to position the micro-optical camera module, including the aperture structures, closer to the FPA. This variant has the disadvantage that bond wires are unprotected and/or cooling can no longer be guaranteed. However, for image sensors for the mid-wavelength infrared (MWIR) or long-wavelength infrared (LWIR) range, it is usually necessary to vacuum encapsulate the image sensor to ensure a long service life. Furthermore, a dry environment or a clean room is required for handling to minimize dust exposure to the image sensor. This makes the first variant extremely complex and disadvantageous.

Gemäß einer zweiten Variante wird ein optisches System mit Retrofokus-Ansatz, das heißt, eine Negativ-Positiv-Kombination, erweitert, um durch eine lange Gesamtlänge der Komponenten eine kurze Brennweite zu erzielen. Dies erfordert jedoch eine nachteilige aufwendige Korrektur der optischen Komponenten, was sich kostensteigernd auswirkt. Darüber hinaus ist die freie Apertur der optischen Fläche durch den Kanalabstand limitiert und/oder bei freien Aperturen, die größer als der Bildkreis des Bildsensors sind, erfolgt eine Reduktion des Füllfaktors.According to a second variant, an optical system with a retrofocus approach, i.e., a negative-positive combination, is extended to achieve a short focal length through a long overall length of the components. However, this requires a disadvantageous and complex correction of the optical components, which increases costs. Furthermore, the clear aperture of the optical surface is limited by the channel spacing, and/or, with clear apertures larger than the image circle of the image sensor, the fill factor is reduced.

Wünschenswert wären optische Vorrichtungen, bei denen Optiken mit kurzen Brennweiten und gleichzeitig hohem Füllfaktor bezüglich eines Bildsensors oder Bildgebers erhalten werden können.Optical devices that can provide optics with short focal lengths and, at the same time, a high fill factor with respect to an image sensor or image generator would be desirable.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, optische Vorrichtungen und ein Verfahren zum Abbilden eines Objektbereichs bereitzustellen, die eine Verwendung von Optiken mit kurzen Brennweiten ermöglichen und gleichzeitig einen hohen Füllfaktor eines Bildgebers oder Bildsensors bereitstellen.An object of the present invention is therefore to provide optical devices and a method for imaging an object area which enable the use of optics with short focal lengths and at the same time provide a high fill factor of an imager or image sensor.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.This problem is solved by the subject matter of the independent patent claims.

Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass eine Verwendung zweier nacheinander geschalteter Optikarrays für jeweilige Teilbilder eines Objektbereichs mit zusätzlicher Verwendung einer Objektivoptik zum gemeinsamen Beleuchten oder Abbilden der Optikarrays sowohl die Verwendung kurzer Brennweiten als auch einen hohen Füllfaktor ermöglicht.A core idea of the present invention is to have recognized that the use of two optical arrays connected in series for respective partial images of an object area with the additional use of an objective lens for jointly illuminating or imaging the optical arrays enables both the use of short focal lengths and a high fill factor.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine optische Vorrichtung ein erstes Optikarray zum Abbilden eines Objektbereichs und ein zweites Optikarray sowie eine Objektivoptik. Das zweite Optikarray ist zwischen dem ersten Optikarray und der Objektivoptik angeordnet und ausgebildet, um Aperturen des ersten Optikarrays auf einen gemeinsamen Eintrittspupillenbereich der Objektivoptik abzubilden. Dies ermöglicht eine vorteilhafte Abbildung des Objektbereichs auf einen hinter der Objektivoptik angeordneten Bildsensor und darüber hinaus eine vom Bildsensor unabhängige Montage der optischen Vorrichtung, so dass eine Abstandsverkürzung zum Bildsensor zwar möglich, aber nicht mehr notwendig ist.According to one embodiment, an optical device comprises a first optical array for imaging an object region, a second optical array, and an objective lens. The second optical array is arranged between the first optical array and the objective lens and is configured to image apertures of the first optical array onto a common entrance pupil region of the objective lens. This enables advantageous imaging of the object region onto an image sensor arranged behind the objective lens and, moreover, mounting of the optical device independently of the image sensor, so that a shortening of the distance to the image sensor is possible but no longer necessary.

Dieser Ansatz ist ohne weiteres auch für eine umgekehrte Strahlrichtung implementierbar, so dass gemäß einem Ausführungsbeispiel eine optische Vorrichtung bereitgestellt wird, mit einem ersten Optikarray zum Projizieren eines Bildes und einem zweiten Optikarray sowie einer Objektivoptik. Das zweite Optikarray ist zwischen dem ersten Optikarray und der Objektivoptik angeordnet, wobei die Objektivoptik ausgebildet ist, um das Bild auf Aperturen des zweiten Optikarrays als Teilbilder abzubilden und Optiken des ersten Optikarrays ausgebildet sind, um die Teilbilder von dem zweiten Optikarray auf eine Projektionsfläche zu projizieren.This approach can also be readily implemented for a reversed beam direction, so that according to one embodiment, an optical device is provided, comprising a first optical array for projecting an image and a second optical array as well as an objective lens. The second optical array is arranged between the first optical array and the objective lens, wherein the objective lens is designed to project the image onto apertures of the second optical array as partial images and optics of the first optical array are designed to project the partial images from the second optical array onto a projection surface.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Abbilden eines Objektbereichs ein Empfangen von Licht aus dem Objektbereich mit einem ersten Optikarray und ein Abbilden von individuellen Bildern des ersten Optikarrays mit einem zweiten Optikarray. Das Verfahren umfasst ein Abbilden von individuellen Bildern des zweiten Optikarrays mit einer in einem Zwischenbildbereich des zweiten Optikarrays angeordneten gemeinsamen Objektivoptik.According to one embodiment, a method for imaging an object region comprises receiving light from the object region with a first optical array and imaging individual images of the first optical array with a second optical array. The method includes imaging individual images of the second optical array with a common objective lens arranged in an intermediate image region of the second optical array.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind der Gegenstand abhängiger Patentansprüche.Further advantageous embodiments of the present invention are the subject of dependent patent claims.

Besonders bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1a-b schematische Seitenschnittansichten optischer Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen mit einem segmentierten bzw. übereinstimmenden Gesichtsfeld;
2 eine schematische Seitenschnittansicht einer optischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, mit einer mechanischen Schnittstelle zum Koppeln mit einem Bildsensor;
3a eine schematische Seitenschnittdarstellung einer optischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der der Bildsensor Teil der optischen Vorrichtung ist;
3b eine schematische Seitenschnittdarstellung der optischen Vorrichtung in einem Zustand, wo ein Verhältnis von Abständen zwischen Optiken gegenüber der 3a vergrößert ist, um einen Abbildungsmaßstab einer Objektivoptik zu verändern;
4 eine schematische Seitenschnittdarstellung einer optischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, mit einer Sonnenblendenstruktur;
5 eine schematische Darstellung eines Objektkreises einer hierin beschriebenen Objektivoptik gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer Zwischenbildebene;
6 eine zu der 5 vergleichbare Darstellung eines Objektkreises der Objektivoptik, wobei die optischen Kanäle des ersten und/oder zweiten Objektivarrays gemäß einem Ausführungsbeispiel eine polygone Ausgestaltung aufweisen; und
7 eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens zum Abbilden eines Objektbereichs gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Particularly preferred embodiments of the present invention are explained below with reference to the accompanying drawings. They show:

1a -b schematic side sectional views of optical devices according to embodiments with a segmented or matching field of view;
2 a schematic side sectional view of an optical device according to an embodiment, with a mechanical interface for coupling to an image sensor;
3a a schematic side sectional view of an optical device according to an embodiment, in which the image sensor is part of the optical device;
3b a schematic side sectional view of the optical device in a state where a ratio of distances between optics versus the 3a is enlarged in order to change the image scale of a lens optic;
4 a schematic side sectional view of an optical device according to an embodiment, with a sun visor structure;
5 a schematic representation of an object circle of an objective optics described herein according to an embodiment in an intermediate image plane;
6 one to the 5 comparable representation of an object circle of the objective optics, wherein the optical channels of the first and/or second objective array have a polygonal configuration according to one embodiment; and
7 a schematic representation of a flowchart of a method for imaging an object area according to an embodiment.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.Before exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the drawings, it is pointed out that identical, functionally equivalent or equivalent elements, objects and/or structures in the different figures are provided with the same reference numerals, so that the description of these elements shown in different exemplary embodiments is interchangeable or can be applied to one another.

Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele werden im Zusammenhang mit einer Vielzahl von Details beschrieben. Ausführungsbeispiele können jedoch auch ohne diese detaillierten Merkmale implementiert werden. Des Weiteren werden Ausführungsbeispiele der Verständlichkeit wegen unter Verwendung von Blockschaltbildern als Ersatz einer Detaildarstellung beschrieben. Ferner können Details und/oder Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele ohne Weiteres mit einander kombiniert werden, solange es nicht explizit gegenteilig beschrieben ist.The embodiments described below are described in conjunction with numerous details. However, embodiments may also be implemented without these detailed features. Furthermore, for clarity, embodiments are described using block diagrams instead of detailed illustrations. Furthermore, details and/or features of individual embodiments may be readily combined with one another, unless explicitly described otherwise.

Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Optikarrays und eine Verwendung von Optikarrays. Manche der hierin erörterten Optikarrays sind dabei Mikrooptikarrays unter Verwendung von Mikrooptiken. Mikrooptiken können Mikrolinsen, eine Vielzahl von Mikrolinsen, etwa als Linsenstapel oder dergleichen oder andere optische Elemente umfassen, wozu auch strahlumlenkende Elemente, refraktive Elemente, diffraktive Elemente, Linsenausschnitte oder dergleichen gehören können.The exemplary embodiments described below relate to optical arrays and the use of optical arrays. Some of the optical arrays discussed herein are micro-optical arrays using micro-optics. Micro-optics can comprise microlenses, a plurality of microlenses, for example as a lens stack or the like, or other optical elements, which can also include beam-deflecting elements, refractive elements, diffractive elements, lens sections, or the like.

Hierin beschriebene Optikarrays können eindimensional gebildet sein, sind aber nicht hierauf beschränkt und können beispielsweise auch eine zweidimensionale Anordnung von Optiken umfassen. Dies ermöglicht eine entsprechend eindimensionale oder zweidimensionale Segmentierung des Objektbereichs.Optical arrays described herein may be formed in one dimension, but are not limited to this, and may also comprise, for example, a two-dimensional arrangement of optics. This enables a correspondingly one-dimensional or two-dimensional segmentation of the object area.

1a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer optischen Vorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel, die sowohl zum Abbilden eines Objektbereichs 12 genutzt werden kann als auch zum Projizieren eines Bildes. Die optische Vorrichtung 10 umfasst ein erstes Optikarray 14 mit einer Mehrzahl von Optiken 16₁, 16₂, die in einer eindimensionalen oder zweidimensionalen Anordnung angeordnet sein können, wobei eine eindimensionale Anordnung so zu verstehen ist, dass entlang einer Richtung oder Linie Optiken oder optische Zentren hiervon angeordnet sind. 1a shows a schematic side sectional view of an optical device 10 according to an embodiment, which can be used both for imaging an object region 12 and for projecting an image. The optical device 10 comprises a first optical array 14 with a plurality of optics 16 ₁ , 16 ₂ , which can be arranged in a one-dimensional or two-dimensional arrangement, wherein a one-dimensional arrangement is to be understood such that along optics or optical centers thereof are arranged in a direction or line.

Die optische Vorrichtung 10 umfasst ein zweites Optikarray 18, das eine Mehrzahl von Optiken 22₁ und 22₂ aufweist, wobei bevorzugt jede der Optiken 22₁ oder 22₂ einer der Optiken 16₁ bzw. 16₂ zugeordnet ist, wobei auch eine Zuordnung anders herum möglich ist, das heißt, jede der Optiken 16₁ und 16₂ kann einer und insbesondere genau einer Optik 22₁ bzw. 22₂ zugeordnet sein. Wie es vorangehend erläutert ist, kann jede der Optiken 16₁, 16₂, 22₁ und 22₂ individuell betrachtet eine Linse, einen Linsenstapel, eine Metalinse, ein diffraktives Element, ein refraktives Element oder Kombinationen hieraus aufweisen.The optical device 10 comprises a second optical array 18 having a plurality of optics 22 ₁ and 22 ₂ , wherein each of the optics 22 ₁ or 22 ₂ is preferably assigned to one of the optics 16 ₁ or 16 ₂ , respectively, although an assignment the other way around is also possible, i.e., each of the optics 16 ₁ and 16 ₂ can be assigned to one and in particular exactly one optic 22 ₁ or 22 ₂ . As explained above, each of the optics 16 ₁ , 16 ₂ , 22 ₁ and 22 _{2 ,} individually considered, can comprise a lens, a lens stack, a metal lens, a diffractive element, a refractive element, or combinations thereof.

Die optische Vorrichtung 10 umfasst ferner eine Objektivoptik, wobei die Anordnung des ersten Arrays 14, des zweiten Arrays 18 und der Objektivoptik 24 so implementiert ist, dass das zweite Optikarray 18 zwischen dem ersten Optikarray 14 und der Objektivoptik 24 angeordnet ist. Das zweite Optikarray 18 ist ausgebildet, um Aperturen des ersten Optikarrays 14 auf einen gemeinsamen Eintrittspupillenbereich 26 der Objektivoptik 24 abzubilden. Der Eintrittspupillenbereich 26 kann dabei die Eintrittspupille der Objektivoptik 24, das heißt, das Bild einer körperlichen Blende bzw. das Abbildungsvermögen der Objektivoptik 24 umfassen, kann aber auch in einem Toleranzbereich von ±5%, ±3%, bevorzugt weniger, etwa ±2%, bevorzugt weniger hiervon abweichen. Ein hohes Maß an Übereinstimmung führt zur Vermeidung von Nachteilen, die sich durch die Abweichungen ergeben können. Wenn die Eintrittspupille der Objektivoptik 24 überfüllt wird, kann Licht aus dem Objektbereich, das von dem zweiten Optikarray 18 noch abgebildet wird, verloren werden. Wenn die Pupille in einem anderen Fall unterfüllt wird, kann zwar womöglich das gesamte Licht des zweiten Optikarrays 18 abgebildet werden, es die effektive F-Zahl steigt, wodurch das auf dem Bildsensor erhaltene Bild dunkler wird bzw. mit geringerer Intensität abgebildet wird und das Auflösungsvermögen abnimmt, was ebenfalls nachteilig ist.The optical device 10 further comprises an objective lens system, wherein the arrangement of the first array 14, the second array 18, and the objective lens system 24 is implemented such that the second optical array 18 is arranged between the first optical array 14 and the objective lens system 24. The second optical array 18 is designed to image apertures of the first optical array 14 onto a common entrance pupil region 26 of the objective lens system 24. The entrance pupil region 26 can comprise the entrance pupil of the objective lens system 24, i.e., the image of a physical aperture or the imaging power of the objective lens system 24, but can also deviate from this within a tolerance range of ±5%, ±3%, preferably less, approximately ±2%, preferably less. A high degree of agreement leads to the avoidance of disadvantages that may arise from the deviations. If the entrance pupil of the lens optics 24 becomes overfilled, light from the object area still being imaged by the second optical array 18 may be lost. If the pupil is underfilled, in another case, while all of the light from the second optical array 18 may be imaged, the effective F-number increases, causing the image obtained on the image sensor to become darker or to be imaged with lower intensity, and the resolving power to decrease, which is also disadvantageous.

Es ist möglich, dass bei einer hierin beschriebenen optischen Vorrichtung ein Effekt vorliegt, dass ein innerer oder zentraler Kanal, etwa umfassend Optiken 16₂ und 52₂ der optischen Vorrichtung 20 in 2, das volle Licht durchlässt bzw. umlenkt und die Randkanäle, etwa umfassend Optiken 16₁/22₁ und 16₃/22₃ eine Vignettierung erfahren. In einem Fall, in welchem die Pupillenposition aufgrund der beschriebenen Abweichung nicht getroffen wird, werden größere Feldwinkel stärker vignettiert und es kann ein nachteiliger Verlust an Ortsinformation auftreten.It is possible that in an optical device described herein there is an effect that an inner or central channel, such as comprising optics 16 ₂ and 52 ₂ of the optical device 20 in 2 , which transmits or deflects all the light, and the peripheral channels, such as optics 16 ₁ /22 ₁ and 16 ₃ /22 _3, experience vignetting. In a case where the pupil position is not achieved due to the described deviation, larger field angles are more strongly vignetting, and a detrimental loss of spatial information may occur.

Bei einem Einhalten der Abweichung innerhalb des Toleranzbereichs von ± 5% oder weniger kann dieser Effekt gut tolerierbar sein. Sollte der beschriebene Lichtverlust aber nicht stören, kann auch eine größere Abweichung implementiert werden, was bspw. eine einfachere Fertigung erlauben kann. Die angegebenen Werte können abhängig von der Position und/oder der Größe der Objektivoptik abweichen, etwa dahingehend, dass für Objektivoptiken größerer Größen, etwa Durchmesser, geringere relative Toleranzen vorteilhaft sind.If the deviation is kept within the tolerance range of ± 5% or less, this effect can be easily tolerated. However, if the described light loss is not problematic, a larger deviation can also be implemented, which can, for example, allow for easier manufacturing. The specified values may vary depending on the position and/or size of the lens optics; for example, smaller relative tolerances are advantageous for lens optics with larger dimensions, such as diameters.

Hierin beschriebene Optiken 16 und/oder 22 sind dabei insbesondere Mikrooptiken, die Optiken mit Durchmessern im Bereich von einigen 100 nm bis hin zu Millimetern aufweisen können. Eine Skalierung hin zu Makrooptiken ist dabei ohne weiteres möglich. Die Objektivoptik 24 kann auch bei einer Implementierung der Optiken 16 und/oder 22 als Mikrooptiken als Makrooptik ausgeführt sein, wenngleich alternativ auch eine Mikrooptik eingesetzt werden kann.The optics 16 and/or 22 described herein are, in particular, micro-optics, which can have optics with diameters ranging from a few hundred nm to millimeters. Scaling up to macro-optics is readily possible. The objective optics 24 can also be designed as a macro-optic system when the optics 16 and/or 22 are implemented as micro-optics, although a micro-optic system can also be used alternatively.

Durch die dargestellte Anordnung können Teilbereiche 28₁ und 28₂ des Objektbereichs 12 in Teilbilder 32₁ und 32₂ überführt werden, wobei ein zum Empfangen der Teilbilder 32₁ und 32₂ verwendeter Bildsensor nicht dargestellt ist. Der Bildsensor kann Teil einer weiteren Vorrichtung sein, mit der die optische Vorrichtung 10, etwa mittels einer mechanischen Schnittstelle, gekoppelt wird oder kann auch Teil der optischen Vorrichtung 10 sein. Durch die Anordnung der Optikarrays 14 und 18 jenseits der Objektivoptik 24 bezogen auf den Bildsensor ist es möglich, große Brennweiten der Optiken 16₁, 16₂, 22₁ und 22₂ zu verwenden, da der Abstand der Optiken zueinander und auch zur Objektivoptik 24 nahezu beliebig einstellbar ist, ohne in die Struktur des Bildsensors eingreifen zu müssen oder andere nachteilige Konzepte anzuwenden.By means of the arrangement shown, partial regions 28 ₁ and 28 ₂ of the object region 12 can be converted into partial images 32 ₁ and 32 ₂ , wherein an image sensor used to receive the partial images 32 ₁ and 32 ₂ is not shown. The image sensor can be part of a further device to which the optical device 10 is coupled, for example by means of a mechanical interface, or can also be part of the optical device 10. By arranging the optical arrays 14 and 18 beyond the objective optics 24 relative to the image sensor, it is possible to use large focal lengths of the optics 16 ₁ , 16 ₂ , 22 ₁ and 22 ₂ , since the distance of the optics from one another and also from the objective optics 24 can be adjusted almost arbitrarily without having to intervene in the structure of the image sensor or employing other disadvantageous concepts.

Die optische Vorrichtung 10 kann ohne weiteres auch als Projektor eingesetzt werden. Vereinfacht ausgedrückt könnten die Teilbilder 32₁ und 32₂ unter Verwendung der Optikarrays 14 und 18 sowie der Objektivoptik 24 auch in den Objektbereich 12 bzw. an eine Projektionsfläche projiziert werden. In dieser Ausgestaltung ist das erste Optikarray 14 zum Projizieren eines Bildes benachbart zu dem zweiten Optikarray 18 angeordnet. Ferner ist die Objektivoptik 24 vorgesehen und das zweite Optikarray 18 zwischen dem ersten Optikarray 14 und der Objektivoptik 24 angeordnet. Die Objektivoptik 24 ist ausgebildet, um das Bild 32₁, 32₂ auf Aperturen des zweiten Optikarrays 18, das heißt, der Optiken 22₁ und 22₂ als Teilbilder abzubilden. Optiken 16₁ und 16₂ des ersten Optikarrays 14 sind ausgebildet, um die Teilbilder von dem zweiten Optikarray 18 an eine nicht dargestellte Projektionsfläche zu projizieren.The optical device 10 can also be readily used as a projector. In simple terms, the partial images 32 ₁ and 32 ₂ could also be projected into the object area 12 or onto a projection surface using the optical arrays 14 and 18 and the objective optical system 24. In this embodiment, the first optical array 14 is arranged adjacent to the second optical array 18 for projecting an image. Furthermore, the objective optical system 24 is provided, and the second optical array 18 is arranged between the first optical array 14 and the objective optical system 24. The objective optical system 24 is designed to image the image 32 ₁ , 32 ₂ onto apertures of the second optical array 18, i.e., the optical systems 22 ₁ and 22 _2, as partial images. Optics 16 ₁ and 16 ₂ of the first optical array 14 are designed to project the partial images from the second optical array 18 onto a projection surface not shown.

1b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer optischen Vorrichtung 10' gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Teilbereiche 28₁ und 28₂ der optischen Vorrichtung 10 überlappen bzw. einen nahezu vollständigen oder vollständigen Überlapp aufweisen, so dass die Teilbilder 32₁ und 32₂ einen übereinstimmenden Bildinhalt aufweisen können, was bspw. von Vorteil ist, wenn unterschiedliche optische Kanäle zum Erfassen unterschiedlicher Teilbilder 32₁ und 32₂ bzgl. unterschiedlicher spektraler Eigenschaften angepasst sind, um etwa eine multispektrale Betrachtung des Objektbereichs 12 zu erhalten. 1b shows a schematic side sectional view of an optical device 10' according to an embodiment in which the partial regions 28 ₁ and 28 ₂ of the optical device 10 overlap or have a nearly complete or complete overlap, so that the partial images 32 ₁ and 32 ₂ can have a matching image content, which is advantageous, for example, if different optical channels are adapted to capture different partial images 32 ₁ and 32 ₂ with regard to different spectral properties in order to obtain, for example, a multispectral view of the object region 12.

2 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer optischen Vorrichtung 20, die sowohl zum Abbilden eines Objektbereichs als auch zum Projizieren von Bildern verwendet werden kann. 2 shows a schematic side sectional view of an optical device 20 which can be used both for imaging an object area and for projecting images.

In der Darstellung der 2 umfasst das erste Optikarray 14 beispielsweise die Optiken 16₁-16₃, wobei bevorzugt eine zweidimensionale Anordnung von Optiken ausgeführt ist. Der Optik 16₁ ist die Optik 22₁ des zweiten Optikarrays 18 zugeordnet. Korrespondierend hiermit ist der Optik 16₂ die Optik 22₂ des zweiten Optikarrays 18 zugeordnet und die Optik 16₃ einer Optik 22₃ des zweiten Optikarrays 18. Basierend auf einer derartigen Zuordnung können optische Kanäle gebildet werden, die die Optiken 16₁ und 22₁; 16₂ und 22₂; und 16₃ sowie 22₃ umfassen können und sich beispielsweise in der Objektivoptik 24 treffen können bzw. dort einen überschneidenden Verlauf aufweisen können. Insbesondere Optiken 22₁ und 22₃ abseits einer Hauptblickrichtung 56 der optischen Vorrichtung 20 können dabei dezentrierte Linsen oder Linsenausschnitte umfassen, um die entsprechende Ablenkung der Strahlengänge zu bewirken. Eine Ausgestaltung von einer oder mehrerer Optiken des ersten Optikarrays 14, des zweiten Optikarrays 18 und/oder der Objektivoptik als dezentrierte Linsenelemente oder dezentrierte Optiken ist Gegenstand hierin von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.In the presentation of the 2 _The first optical array 14 comprises, for example, the optics 16 ₁ -16 ₃ , wherein a two-dimensional arrangement of optics is preferably implemented. The optics 16 ₁ is assigned to the optics 22 ₁ of the second optical array 18. Correspondingly, the optics 22 ₂ of the second optical array 18 is assigned to the optics 16 2, and the optics 16 ₃ is assigned to an optic 22 ₃ of the second optical array 18. Based on such an assignment, optical channels can be formed which can comprise the optics 16 ₁ and 22 ₁ ; 16 ₂ and 22 ₂ ; and 16 ₃ and 22 ₃ and can meet, for example, in the objective optics 24 or can have an overlapping course there. In particular, optics 22 ₁ and 22 ₃ located away from a main viewing direction 56 of the optical device 20 can comprise decentered lenses or lens sections to effect the corresponding deflection of the beam paths. A configuration of one or more optics of the first optics array 14, the second optics array 18, and/or the objective optics as decentered lens elements or decentered optics is the subject of exemplary embodiments of the present invention.

Die optische Vorrichtung 20 kann eine Schnittstelle 34 umfassen, die eine mechanische Kopplung mit einer Koppelvorrichtung 25 ermöglichen kann, welche einen Bildsensor 36 aufweisen kann, auf den die Objektivoptik 24 Teilbilder 32₁-32₃ des Objektbereichs 12 abbilden kann. Anders als in der 1a dargestellt, können die Teilbilder 32₁-32₃ basierend auf einer Strahlführung der optischen Kanäle auch, etwa in Übereinstimmung mit der 1b auf ein selbes Objekt 38 in dem Objektbereich 12 gerichtet sein. Der Bildsensor 36 kann einen beliebig ausgestalteten Bildsensor umfassen, bspw. einen komplementären Metalloxidhalbleiter (engl: complementary metal oxide semiconductir, CMOS) Sensor, einen ladungsgekoppelten (engl.: charge-coupled device, CCD) Bildsensor, einen InGaAs Bildsensor, einen Bildsensor mit kolloidalen Quantenpunkten (Colloidal Quantum Dots - CQDs) oder ein Sensor für anderweitige Bildgebung, etwa ein bolometrischer Sensor und/oder ein Array von photoakustischen Sensoren.The optical device 20 may comprise an interface 34 that may enable a mechanical coupling with a coupling device 25, which may have an image sensor 36 onto which the objective optics 24 may image partial images 32 ₁ -32 ₃ of the object area 12. Unlike in the 1a As shown, the partial images 32 ₁ -32 ₃ can also be generated based on a beam guidance of the optical channels, for example in accordance with the 1b be directed at the same object 38 in the object region 12. The image sensor 36 can comprise any desired image sensor, for example a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) sensor, a charge-coupled device (CCD) image sensor, an InGaAs image sensor, an image sensor with colloidal quantum dots (CQDs), or a sensor for other imaging, such as a bolometric sensor and/or an array of photoacoustic sensors.

Die mechanische Schnittstelle 34 kann zum Koppeln der optischen Vorrichtung 20 mit dem Bildsensor 36, das heißt, einer Bildsensoranordnung, ausgebildet sein. Alternativ ist es möglich, dass die Bildsensoranordnung, das heißt, ein oder mehrere Bildsensoren Teile der optischen Vorrichtung 20 sind. In diesem Fall umfasst die optische Vorrichtung 20 eine Bildsensoranordnung, wobei die Objektivoptik 24 ausgebildet ist, um den Objektbereich 12 auf die Bildsensoranordnung abzubilden.The mechanical interface 34 can be configured to couple the optical device 20 to the image sensor 36, i.e., an image sensor array. Alternatively, it is possible for the image sensor array, i.e., one or more image sensors, to be part of the optical device 20. In this case, the optical device 20 comprises an image sensor array, with the objective optics 24 configured to image the object region 12 onto the image sensor array.

In einer Ausgestaltung hierin beschriebener optischer Vorrichtungen umfasst diese eine für das zweite Optikarray 18 wirkende Blendenstruktur 42, die benachbart zu dem zweiten Optikarray 18 angeordnet ist. Diese kann dazu verwendet werden, um das Sichtfeld der optischen Vorrichtung 20 und/oder einen mit der optischen Vorrichtung 20 beleuchteten Projektionsbereich zu begrenzen und kann eine Falschlichtunterdrückung bereitstellen.In one embodiment of the optical devices described herein, the device comprises a diaphragm structure 42 acting on the second optical array 18, which is arranged adjacent to the second optical array 18. This diaphragm structure can be used to limit the field of view of the optical device 20 and/or a projection area illuminated by the optical device 20 and can provide stray light suppression.

Unabhängig von der Blendenstruktur 42 kann zur Unterdrückung von Falschlicht eine falschlichtunterdrückende Struktur 44 als Teil der optischen Vorrichtung 20 angeordnet werden. Die falschlichtunterdrückende Struktur 44 kann zwischen dem ersten Optikarray 14 und dem zweiten Optikarray 18 sowie zwischen Optiken 16₁-16₃ des ersten Optikarrays 14 angeordnet sein und ausgebildet sein, um ein Übersprechen von Falschlicht zwischen benachbarten optischen Kanälen benachbarter Optiken 16₁-16₃ des ersten Optikarrays 14 zu unterdrücken. Die Wirkung kann ebenso für die Optiken 22₁-22₃ des zweiten Optikarrays 18 erhalten werden. Die falschlichtunterdrückende Struktur 44 kann zumindest im für den Bildsensor 36 relevanten Wellenlängenbereich teilweise opak oder absorbierend gebildet sein, wozu sich beispielsweise Keramikmaterialien oder Polymermaterialien und beschichtete Metalllegierungen eignen können. Die falschlichtunterdrückende Struktur 44 kann eine ebene oder bevorzugt aufgerauhte Oberfläche aufweisen, die zur Streuung und/oder Unterstützung einer Absorption von Strahlung eingerichtet ist, was mit dem englischen Begriff Baffle-Struktur bezeichnet werden kann.Independently of the aperture structure 42, a stray light-suppressing structure 44 can be arranged as part of the optical device 20 to suppress stray light. The stray light-suppressing structure 44 can be arranged between the first optical array 14 and the second optical array 18, as well as between optics 16 ₁ -16 ₃ of the first optical array 14, and can be designed to suppress crosstalk of stray light between adjacent optical channels of adjacent optics 16 ₁ -16 ₃ of the first optical array 14. The effect can also be achieved for the optics 22 ₁ -22 ₃ of the second optical array 18. The stray light-suppressing structure 44 can be partially opaque or absorbent, at least in the wavelength range relevant to the image sensor 36, for which purpose, for example, ceramic materials or polymer materials and coated metal alloys can be suitable. The stray light suppressing structure 44 may have a flat or preferably roughened surface which is configured to scatter and/or assist absorption of radiation, which may be referred to by the English term baffle structure.

Die Objektivoptik 24 kann eine Blendenstruktur 46 umfassen, wobei die Blendenstruktur 46 ohne weiteres auch als zur Objektivoptik 24 individuelles Element ausgeführt sein kann, um die Abbildungsqualität der optischen Vorrichtung 20 weiter zu verbessern. Insofern handelt es sich bei der Blendenstruktur 46 um eine vorteilhafte Ausgestaltung hierin beschriebener Ausführungsbeispiele, die aber optional ist. In 2 ist ferner ersichtlich, dass in einer optionalen Ausgestaltung die Objektivoptik 24 zwei oder mehrere Linsen 48₁ und 48₂ aufweisen kann, die beispielsweise einen Linsenstapel bilden. Damit ist eine präzise Anpassung der optischen Vorrichtung 20 möglich, insbesondere an unterschiedliche Arten, Typen oder Größen von Bildsensoren 36, etwa durch eine veränderte Position oder eine veränderte Ausgestaltung der Objektivoptik 24 relativ zu den Optikarrays 14 und/oder 16 bzw. der mechanischen Schnittstelle 34.The objective optics 24 may comprise a diaphragm structure 46, wherein the diaphragm structure 46 may also be designed as an individual element for the objective optics 24 in order to further improve the imaging quality of the optical device 20. In this respect, the diaphragm structure 46 is an advantageous embodiment herein. described embodiments, which is optional. In 2 It is further apparent that, in an optional embodiment, the objective optics 24 may comprise two or more lenses 48 ₁ and 48 ₂ , which, for example, form a lens stack. This allows for precise adaptation of the optical device 20, in particular to different types, types, or sizes of image sensors 36, for example, by changing the position or design of the objective optics 24 relative to the optical arrays 14 and/or 16 or the mechanical interface 34.

Durch die mechanische Schnittstelle 34 kann ermöglicht werden, dass die Objektivoptik 24 als eine handelsübliche Optik ausgeführt sein kann, anders ausgedrückt, eine Optik aus dem Katalog. Die Verbesserung der Abbildungseigenschaften kann durch die optische Vorrichtung 20 erhalten werden, welche einfach vermittels der mechanischen Schnittstelle 34 mit der Objektivoptik 24 gekoppelt werden kann, welche in üblicher Weise ohne unnötige Zusatzaufwände bezüglich des Bildsensors ausgerichtet sein kann.The mechanical interface 34 allows the lens optics 24 to be designed as a commercially available optic—in other words, an optic from a catalog. The improved imaging properties can be achieved by the optical device 20, which can be easily coupled to the lens optics 24 via the mechanical interface 34, which can be aligned with the image sensor in the usual way without unnecessary additional effort.

In 2 ist anhand der ₁, 52₂ und 52₃, die durch die Optiken 16₁, 16₂ bzw. 16₃ für den Objektbereich 12 erhalten werden, dargestellt, dass in einer bevorzugten Ausgestaltung einer optischen Vorrichtung das zweite Optikarray 18 in einem Zwischenbildbereich des ersten Optikarrays 14 angeordnet ist. Dies ermöglicht insbesondere eine besonders nahe Anordnung der Optikarrays 14 und 18 zueinander.In 2 is based on the ₁ , 52 ₂ and 52 ₃ , which are obtained by the optics 16 ₁ , 16 ₂ and 16 ₃ for the object region 12, respectively, show that in a preferred embodiment of an optical device, the second optics array 18 is arranged in an intermediate image region of the first optics array 14. This enables, in particular, a particularly close arrangement of the optics arrays 14 and 18 to one another.

Ebenso ist in der 2 dargestellt, dass in einer bevorzugten Ausgestaltung die Objektivoptik 24 in einem Zwischenbildbereich des zweiten Optikarrays 18 angeordnet ist, was ebenfalls einen geringen Abstand zwischen dem zweiten Optikarray 18 und der Objektivoptik 24 ermöglicht.Likewise, in the 2 shown that in a preferred embodiment the objective optics 24 is arranged in an intermediate image region of the second optical array 18, which also enables a small distance between the second optical array 18 and the objective optics 24.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung hierin beschriebener Ausführungsbeispiele weist eine Positionierung der Elemente dahingehend auf, dass eine Größe eines Zwischenbildes des zweiten Optikarrays 18, welches von der Blendenstruktur 46 bestimmt sein kann, in dem Zwischenbildbereich im Wesentlichen mit einer Größe eines Objektfeldes der Objektivoptik 24 übereinstimmt. Wie es anhand der Strahlengänge dargestellt ist, wird bevorzugt der gesamte Bereich 54 zwischen Elementen der Blendenstruktur 46 ausgenutzt, um den Objektbereich 12 abzubilden.A particularly preferred embodiment of the exemplary embodiments described herein includes positioning the elements such that a size of an intermediate image of the second optical array 18, which may be determined by the aperture structure 46, in the intermediate image region substantially corresponds to a size of an object field of the objective optics 24. As illustrated by the beam paths, the entire region 54 between elements of the aperture structure 46 is preferably utilized to image the object region 12.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die optische Vorrichtung so ausgestaltet sein, dass ein Bildfeld des ersten Optikarrays 14 mit einem Objektfeld der Objektivoptik 24 im Wesentlichen übereinstimmt, wobei Abweichungen zwischen Bildfeld und Objektfeld von ±10%, ±5% oder ±2% möglich sind, ohne auf wesentliche Vorteile der hierin beschriebenen Konfiguration zu verzichten. Abweichungen hiervon können abhängig davon, ob das Bildfeld größer als das Objektfeld ist oder andersherum zu einer zusätzlichen Totzone auf dem Bildsensor oder der Abbildung lediglich eines Ausschnitts aus dem Objektbereich führen.According to a preferred embodiment, the optical device can be configured such that an image field of the first optical array 14 substantially coincides with an object field of the objective optics 24, whereby deviations between the image field and the object field of ±10%, ±5%, or ±2% are possible without sacrificing significant advantages of the configuration described herein. Deviations from this can lead to an additional dead zone on the image sensor or the imaging of only a section of the object area, depending on whether the image field is larger than the object field or vice versa.

In anderen Worten kann durch das Multiapertur-Abbildungssystem 14 ein Array aus Zwischenbildern auf oder in der Nähe des Feldlinsenarrays 18 erzeugt werden. Zur Unterdrückung von Übersprechen ist eine beispielsweise als 3D-Baffle-Struktur implementierte falschlichtunterdrückende Struktur 44 vorgesehen, welche auch vor dem Multiapertur-Abbildungssystem als Alternative oder zusätzlich platziert werden kann, siehe 4, und dort als Sonnenblende eingesetzt werden kann. In der Zwischenbildebene ist eine globale Blende 42 angeordnet. Das Zwischenbild wird durch das Objektiv 24 in einem Maßstab von beispielsweise 1:1 auf einen zu koppelnden Bildsensor 36 abgebildet und überträgt das Array aus Teilbildern. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die optische Vorrichtung 20 an die Koppelvorrichtung 25 entsprechend angepasst ist, etwa in Kenntnis des oder der verwendeten Bildsensoren sowie der Geometrien und Abstände, wie es beispielsweise für bekannte einkanalige Objektive üblich ist. Eine Wahl des Verhältnisses von Abständen s zwischen dem zweiten Optikarray 18 und der Optik 24 einerseits und einem Abstand s' zwischen der Optik 24 und dem Bildsensor 36 kann dabei zur Einstellung des Maßstabes genutzt werden. Ein Modul, welches beispielsweise die Optikarrays 14 und 18 sowie die falschlichtunterdrückende Struktur 44 und die Blende 42 umfasst, kann als ein Element gebildet werden und vor dem Objektiv 24 platziert werden und auch ausgetauscht werden, etwa gegen ein anderes Multiapertur-Abbildungssystem mit anderen optischen Eigenschaften. Ein derartiges Modul 58 kann ebenfalls eine mechanische Schnittstelle aufweisen, die zur Kopplung mit dem Objektiv 24 eingerichtet ist und einen Austausch des Moduls 58 gegenüber dem Objektiv 24 oder des Objektivs 24 gegenüber dem Modul 58 ermöglicht. In einer weiteren Ausgestaltung kann die mechanische Schnittstelle 34 auch Teil des Moduls 58 sein, etwa indem die Koppelvorrichtung 25 so ausgestaltet ist, dass auch das Objektiv 24 Teil der Koppelvorrichtung 25 ist. Bei einer weiteren Ausgestaltung können das Modul 58, die Objektivoptik 24 und die Koppelvorrichtung 25 drei miteinander zu koppelnde Elemente oder Einrichtungen darstellen, die individuell miteinander verbunden werden können.In other words, the multi-aperture imaging system 14 can generate an array of intermediate images on or near the field lens array 18. To suppress crosstalk, a stray light suppressing structure 44 is provided, implemented, for example, as a 3D baffle structure, which can also be placed in front of the multi-aperture imaging system as an alternative or in addition, see 4 , and can be used there as a sun visor. A global aperture 42 is arranged in the intermediate image plane. The intermediate image is imaged by the lens 24 at a scale of, for example, 1:1 onto an image sensor 36 to be coupled and transmits the array of partial images. This can be achieved, for example, by the optical device 20 being appropriately adapted to the coupling device 25, for example with knowledge of the image sensor(s) used as well as the geometries and distances, as is usual, for example, for known single-channel lenses. A selection of the ratio of distances s between the second optical array 18 and the optics 24 on the one hand and a distance s' between the optics 24 and the image sensor 36 can be used to adjust the scale. A module, which, for example, comprises the optical arrays 14 and 18 as well as the stray light-suppressing structure 44 and the aperture 42, can be formed as a single element and placed in front of the objective 24 and can also be replaced, for example, with another multi-aperture imaging system with different optical properties. Such a module 58 can also have a mechanical interface that is configured for coupling to the objective 24 and enables the module 58 to be replaced with the objective 24 or the objective 24 with the module 58. In a further embodiment, the mechanical interface 34 can also be part of the module 58, for example, by designing the coupling device 25 such that the objective 24 is also part of the coupling device 25. In a further embodiment, the module 58, the objective optics 24, and the coupling device 25 can represent three elements or devices that can be coupled to one another and can be individually connected to one another.

3a zeigt eine schematische Seitenschnittdarstellung einer optischen Vorrichtung 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der anders als in der optischen Vorrichtung 20 der Bildsensor 36 Teil der optischen Vorrichtung ist. Optische Kanäle 62₁-62₃, die jeweils eine dem optischen Kanal 62 zugeordnete Optik 16 des ersten Optikarrays 14 und eine dem optischen Kanal zugeordnete Optik 22 des zweiten Optikarrays 18 umfassen, können so ausgerichtet sein, dass die Objektivoptik 24 eine kanalglobale, das heißt, für eine Mehrzahl, aber bevorzugt für alle optischen Kanäle wirkende Linse oder Optik 24 für die Vielzahl optischer Kanäle 62₁-62₃ umfasst. 3a shows a schematic side sectional view of an optical device 30 according to an embodiment, in which, unlike in the optical device 20, the image sensor 36 is part of the optical device. Optical channels 62 ₁ -62 ₃ , each comprising an optic 16 of the first optic array 14 assigned to the optical channel 62 and an optic 22 of the second optic array 18 assigned to the optical channel, can be aligned such that the objective optic 24 comprises a channel-global lens or optic 24 for the plurality of optical channels 62 ₁ -62 ₃ , i.e., a lens acting for a plurality, but preferably for all, optical channels.

Durch eine Veränderung eines Verhältnisses der Abstände s zu s' kann der Maßstab, mit dem das Zwischenbild der Objektivoptik 24 auf den Bildsensor 36 abgebildet wird, eingestellt werden. Gemäß Ausführungsbeispielen ist es bevorzugt, dass die Objektivoptik einen Abbildungsmaßstab von zumindest 1:0,9 und höchstens 1:4, bevorzugt von zumindest 1:1 und höchstens 1:3 und besonders bevorzugt von zumindest 1:1 und höchstens 1:2 aufweist.By changing the ratio of the distances s to s', the scale with which the intermediate image of the objective optics 24 is imaged onto the image sensor 36 can be adjusted. According to exemplary embodiments, it is preferred that the objective optics have an image scale of at least 1:0.9 and at most 1:4, preferably of at least 1:1 and at most 1:3, and particularly preferably of at least 1:1 and at most 1:2.

3b zeigt eine schematische Seitenschnittdarstellung der optischen Vorrichtung 30 in einem Zustand, wo das Verhältnis der Abstände s:s' vergrößert ist. Der Abbildungsmaßstab der Objektivoptik 24 hier beispielsweise als 1:2 gewählt. Derartige Werte eines Verhältnisses und/oder oder Abstandsänderungen können ohne Weiteres anders gewählt werden. Unter Verweis auf die optische Vorrichtung 20 kann dies beispielsweise durch eine veränderte Koppelvorrichtung 25 erfolgen und/oder durch die Verwendung einer Fokussiereinrichtung, die ausgebildet sein kann, um eine Position der Objektivoptik 64 entlang der Hauptblickrichtung 56 anzupassen oder einzustellen. Dies kann beispielsweise dafür genutzt werden, um kleinere Teilbilder 32'₁-32'₃ auf einen gleich großen oder verkleinerten Bildsensor 36 zu projizieren. Diese Konfiguration im Hinblick auf die veränderte Positionierung der Objektivoptik 24 kann ohne weiteres auch in der optischen Vorrichtung 10 und/oder 20 implementiert werden. 3b shows a schematic side sectional view of the optical device 30 in a state where the ratio of the distances s:s' is increased. The image scale of the objective optics 24 is selected here, for example, as 1:2. Such values of a ratio and/or distance changes can easily be selected differently. With reference to the optical device 20, this can be achieved, for example, by a modified coupling device 25 and/or by using a focusing device that can be configured to adapt or adjust a position of the objective optics 64 along the main viewing direction 56. This can be used, for example, to project smaller partial images 32' ₁ -32' ₃ onto an image sensor 36 of the same size or a smaller size. This configuration with regard to the modified positioning of the objective optics 24 can also easily be implemented in the optical device 10 and/or 20.

4 zeigt eine schematische Seitenschnittdarstellung einer optischen Vorrichtung 40 gemäß einem Ausführungsbeispiel, die die Optikarrays 14 und 18 sowie die Objektivoptik 24 umfassen kann, wie sie im Zusammenhang mit der optischen Vorrichtung 20 und 30 beschrieben sind. Der Bildsensor 36 kann Teil der optischen Vorrichtung 40 sein, kann aber auch, wie es im Zusammenhang mit der optischen Vorrichtung 20 beschrieben ist, eine externe Komponente bilden. Die jeweils optionalen Ausgestaltungen der Blendenstrukturen 42 und 46 ebenso wie die optionale Anordnung der falschlichtunterdrückenden Strukturen 44 ist beispielhaft gezeigt. 4 shows a schematic side sectional view of an optical device 40 according to an exemplary embodiment, which may include the optical arrays 14 and 18 and the objective optics 24, as described in connection with the optical device 20 and 30. The image sensor 36 may be part of the optical device 40, but may also form an external component, as described in connection with the optical device 20. The respective optional configurations of the aperture structures 42 and 46, as well as the optional arrangement of the stray light-suppressing structures 44, are shown by way of example.

Die optische Vorrichtung 40 kann eine Blendenstruktur 46 aufweisen, die gleich oder ähnlich zu der falschlichtunterdrückenden Struktur 44 gebildet sein kann, aber auf einer der Objektivoptik 24 abgewandten Seite der Optiken 16₁-16₃ des ersten Optikarrays 14 angeordnet ist, um beispielsweise als Sonnenblende zu dienen und einen Eintritt entsprechenden Falschlichts zu reduzieren oder zu verhindern.The optical device 40 may have a diaphragm structure 46, which may be formed identically or similarly to the stray light suppressing structure 44, but is arranged on a side of the optics 16 ₁ -16 ₃ of the first optics array 14 facing away from the objective optics 24, for example to serve as a sun visor and to reduce or prevent the entry of corresponding stray light.

5 zeigt eine schematische Darstellung eines Objektkreises 66 einer hierin beschriebenen Objektivoptik 24 in der Zwischenbildebene. Ferner sind Zwischenbildkreise 68₁-68₁₀ dargestellt, die den optischen Kanälen des Multiapertur-Abbildungssystems der optischen Vorrichtung 50 zugeordnet sind. Es ist erkennbar, dass die zweidimensionale Anordnung optischer Kanäle beispielsweise in einem hexagonalen Muster womöglich rund gebildeter Optiken erfolgt. Die Zwischenbildkreise 68₁-68₁₀ werden global von der Objektivoptik 24 abgebildet, wie es durch den Objektkreis 66 dargestellt ist. Die Objektivoptik 24 bewirkt eine Übertragung auf den Bildsensor 36 mit seiner Begrenzung 72 der womöglich rechteckigen Pixelfläche, wobei diese auch beliebig abweichen kann. Dargestellt ist beispielsweise ein Abbildungsmaßstab von 1:2, wie er für die optische Vorrichtung 30 in der 3b beschrieben ist. Ein Bildkreis 74 des Objektivs 24 kann zur Abbildung auf dem Bildsensor 36 angeordnet sein. Jeweils einem der Zwischenbildkreise 68₁-68₁₀ zugeordnete Bildkreise 76₁-76₁₀, die auf den Bildsensor 36 abgebildet werden, sind in der 5 ebenfalls erkennbar. 5 shows a schematic representation of an object circle 66 of an objective optics 24 described herein in the intermediate image plane. Furthermore, intermediate image circles 68 ₁ -68 ₁₀ are shown, which are assigned to the optical channels of the multi-aperture imaging system of the optical device 50. It can be seen that the two-dimensional arrangement of optical channels occurs, for example, in a hexagonal pattern of possibly round optics. The intermediate image circles 68 ₁ -68 ₁₀ are imaged globally by the objective optics 24, as shown by the object circle 66. The objective optics 24 effects a transmission to the image sensor 36 with its boundary 72 of the possibly rectangular pixel area, which can also deviate arbitrarily. For example, an image scale of 1:2 is shown, as is the case for the optical device 30 in the 3b An image circle 74 of the lens 24 can be arranged for imaging on the image sensor 36. Image circles 76 ₁ -76 ₁₀ assigned to each of the intermediate image circles 68 ₁ -68 ₁₀ , which are imaged on the image sensor 36, are shown in the 5 also recognizable.

Beispielsweise kann der Objektkreis 66 vollständig oder nahezu vollständig abgebildet werden, etwa mit einem Abbildungsmaßstab verkleinert abgebildet werden.For example, the object circle 66 can be imaged completely or almost completely, for example, reduced in size using an image scale.

6 zeigt eine zu der 5 vergleichbare Darstellung eines Objektkreises 66 der Objektivoptik 24, wobei die optischen Kanäle des ersten und/oder zweiten Objektivarrays 14 bzw. 18 beispielsweise eine polygone, insbesondere rechteckige und besonders bevorzugt quadratische, Ausgestaltung aufweisen, was eine hohe Fülldichte und/oder ein geringes Maß an ungenutzten Totzonen ermöglicht. Diese sind beispielsweise in einem 3x3-Array in einem zweidimensionalen Muster angeordnet, was sich in einer korrespondierenden Anordnung der Zwischenbildkreise 68₁-68₉ äußern kann. 6 shows one to the 5 Comparable representation of an object circle 66 of the objective optics 24, wherein the optical channels of the first and/or second objective arrays 14 and 18, respectively, have, for example, a polygonal, in particular rectangular and particularly preferably square, configuration, which enables a high fill density and/or a low degree of unused dead zones. These are arranged, for example, in a 3x3 array in a two-dimensional pattern, which can be expressed in a corresponding arrangement of the intermediate image circles 68 ₁ -68 ₉ .

Wie es in der 6 ebenfalls dargestellt ist, kann hierdurch eine besonders gute Anpassung der Anordnung der Bildkreise 76₁-76₉ an die Begrenzung 72 des Bildsensors 36 erfolgen und dieser im besonders hohen Maße genutzt werden, ohne dass Teile von optischen Kanälen durch den Bildsensor 36 nicht erfasst werden oder Teile des Bildsensors unbeleuchtet bleiben, wie es in der 5 der Fall ist.As it is in the 6 As is also shown, this allows a particularly good adaptation of the arrangement of the image circles 76 ₁ -76 ₉ to the boundary 72 of the image sensor 36 and this can be used to a particularly high degree without parts of optical channels not being detected by the image sensor 36 or parts of the image sensor remaining unlit, as is the case in the 5 is the case.

In anderen Worten zeigt die 6 eine Darstellung des Objektkreises 66 des Objektivs in der Zwischenbildebene mit den einzelnen z. B. rechteckig angeordneten Zwischenbildflächen 68₁-68₉ des Multiapertur-Abbildungssystems. Anschließend erfolgt die Übertragung auf den Bildsensor 36 mit seiner Begrenzung 72 der rechteckigen Pixelfläche in einem Abbildungsmaßstab von beispielhaft 1:2. Der Bildkreis 74 des Objektivs bildet auf den Bildsensor 36 ab. Die rechteckigen Teilbilder 76₁-76₉ auf dem Bildsensor sind dargestellt.In other words, the 6 a representation of the object circle 66 of the lens in the Intermediate image plane with the individual, for example, rectangularly arranged intermediate image areas 68 ₁ -68 ₉ of the multi-aperture imaging system. This is then transferred to the image sensor 36 with its boundary 72 of the rectangular pixel area at an image scale of, for example, 1:2. The image circle 74 of the lens forms an image onto the image sensor 36. The rectangular partial images 76 ₁ -76 ₉ on the image sensor are shown.

Wie es im Zusammenhang mit 5 beschrieben ist, kann der Objektkreis 66 vollständig oder nahezu vollständig abgebildet werden, etwa mit einem Abbildungsmaßstab verkleinert abgebildet werden.As it is related to 5 As described, the object circle 66 can be imaged completely or almost completely, for example, reduced in size using an image scale.

Die beschriebene zweidimensionale Anordnung von Optiken der Optikarrays 14 und/oder 18 kann sich dabei auf eine Ebene senkrecht zu einer Hauptblickrichtung oder optischen Achse der optischen Vorrichtung beziehen, etwa der Hauptblickrichtung 56, die im Zusammenhang mit den optischen Vorrichtungen 20, 30 und 40 beschrieben ist. Die entsprechende Ebene kann beispielsweise gegenüber dem Bildsensor 36 geneigt sein, was dennoch den Erhalt eines zweidimensionalen Musters in der virtuellen Projektionsebene ermöglicht.The described two-dimensional arrangement of optics of the optical arrays 14 and/or 18 can refer to a plane perpendicular to a main viewing direction or optical axis of the optical device, such as the main viewing direction 56 described in connection with the optical devices 20, 30, and 40. The corresponding plane can, for example, be inclined relative to the image sensor 36, which nevertheless allows the preservation of a two-dimensional pattern in the virtual projection plane.

In Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können die optischen Kanäle individuell, einzeln oder gruppenweise aber auch global eine dem optischen Kanal zugeordnete Optik des Optikarrays 14 und eine dem optischen Kanal zugeordnete Optik des Optikarrays 18 aufweisen. Die optische Vorrichtung kann eine Filterstrukturanordnung umfassen, die für ein Filtern von Licht zumindest eines optischen Kanals eingerichtet ist. Dies ermöglicht eine weitere Verbesserung der Abbildungsqualität.In embodiments of the present invention, the optical channels can be individually, individually or in groups, but also globally, with an optical system of the optical array 14 assigned to the optical channel and an optical system of the optical array 18 assigned to the optical channel. The optical device can comprise a filter structure arrangement configured to filter light from at least one optical channel. This enables a further improvement in imaging quality.

Hierin beschriebene optische Vorrichtungen 10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60 können ohne weiteres auch für eine Projektion von Bildern verwendet werden.Optical devices 10, 20, 30, 40, 50 and/or 60 described herein can also be readily used for projecting images.

7 zeigt eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens 700 zum Abbilden eines Objektbereichs, etwa unter Verwendung einer hierin beschriebenen optischen Vorrichtung. Ein Schritt 710 des Verfahrens 700 umfasst ein Empfangen von Licht aus dem Objektbereich mit einem ersten Optikarray. Ein Schritt 720 umfasst ein Abbilden von individuellen Bildern des ersten Optikarrays mit einem zweiten Optikarray. Ein Schritt 730 umfasst ein Abbilden von individuellen Bildern des zweiten Optikarrays mit einer in einem Zwischenbildbereich des zweiten Objektarrays angeordneten gemeinsamen Objektivoptik. 7 shows a schematic representation of a flowchart of a method 700 for imaging an object region, for example using an optical device described herein. A step 710 of the method 700 comprises receiving light from the object region with a first optical array. A step 720 comprises imaging individual images of the first optical array with a second optical array. A step 730 comprises imaging individual images of the second optical array with a common objective lens arranged in an intermediate image region of the second object array.

In einer optionalen aber vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens 700 ist das zweite Optikarray zwischen dem ersten Optikarray und der Objektivoptik angeordnet und bildet Aperturen des ersten Optikarrays auf einen gemeinsamen Eintrittspupillenbereich der Objektivoptik ab.In an optional but advantageous embodiment of the method 700, the second optics array is arranged between the first optics array and the objective optics and images apertures of the first optics array onto a common entrance pupil region of the objective optics.

Hierin beschriebene Ausführungsbeispiele ermöglichen in besonders vorteilhafter Weise Abbildungen oder Projektionen unter Verwendung von Multiapertur-Arrays. Während in DE 10 2011 114 325 A1 eine plenoptische Kamera genutzt wird, welche ein Bild auf einer Projektionsfläche abbildet und durch ein Linsensystem/Objektiv betrachtet wird, birgt dies den Nachteil, dass Vignettierungseffekte zum Rand der Projektionsfläche auftreten, da das Konvergieren der Lichtbündel des Linsenarrays in der Projektionsfläche nicht mit dem Akzeptanzwinkel des Objektivs übereinstimmt. Zusätzlich kann diese Projektionsebene negative Bildartefakte gegenüber einem Luftbild erzeugen.Embodiments described herein enable imaging or projection using multi-aperture arrays in a particularly advantageous manner. While in DE 10 2011 114 325 A1 If a plenoptic camera is used, which projects an image onto a projection surface and is viewed through a lens system/lens, this has the disadvantage of vignetting effects occurring towards the edge of the projection surface, since the convergence of the light beams of the lens array in the projection surface does not match the acceptance angle of the lens. In addition, this projection plane can produce negative image artifacts compared to an aerial image.

Auch gegenüber der US 2007/023094 A1 weisen hierin beschriebene Ausführungsbeispiele Vorteile auf. In der genannten Schrift wird vor einem Hauptobjektiv ein Array aus Linsen (Zerstreuungslinsen) und Prismen genutzt, um das Objekt aus verschiedenen Winkein zu betrachten, welche dann durch das Hauptobjektiv in unterschiedlichen Ansichten auf dem Fotodetektorarray abbildet werden. In diesem Fall wird kein Zwischenbild erzeugt. Es werden deshalb große makroskopische Linsenarrays und Prismenarrays benötigt, welche aufwendig in der Fertigung sind und das Gesichtsfeld der Kamera abdecken müssen, da ansonsten ein großes Maß an Bildsensorfläche verschwendet wird bzw. ungenutzt bleibt. Die dabei erzeugten verschiedenen Ansätze sind für multi-modale Ansätze ungeeignet, da sich die Bildinformationen zwischen den Kanälen deutlich unterscheiden.Also towards the US 2007/023094 A1 The embodiments described herein have advantages. In the cited document, an array of lenses (diverging lenses) and prisms is used in front of a main lens to view the object from different angles, which are then imaged by the main lens in different views on the photodetector array. In this case, no intermediate image is generated. Large macroscopic lens arrays and prism arrays are therefore required, which are complex to manufacture and must cover the camera's field of view, otherwise a large amount of image sensor area is wasted or remains unused. The various approaches generated in this way are unsuitable for multi-modal approaches, since the image information differs significantly between the channels.

Demgegenüber ermöglichen es Ausführungsbeispiele ein zweistufiges Abbildungsverfahren zu nutzen. Ein Multikanalabbildungssystem erzeugt ein Zwischenbild (Luftbild) in einer Zwischenbildebene. Dieses Zwischenbild wird durch ein Objektiv 24, etwa in einem Abbildungsmaßstab von ca. 1:1 bis 1:3, auf einen Bildsensor abgebildet und kann dabei einen Standard-Mountanschluss, etwa F-/C-Mount oder dergleichen, als eine mechanische Schnittstelle 34 aufweisen. Zusätzlich befindet sich in bzw. in der Nähe des Zwischenbildes ein Mikrolinsenarray, etwa in Form von Freiform-Mikrolinsen, welches die Apertur des ersten Multikanalabbildungssystems auf die Eintrittspupille des nachgelagerten Objektivs abbildet, um Vignettierungsverluste zu vermeiden. Durch eine nachgeschaltete Abbildung mittels Objektivs wird das Multikanalbild scharf und mit großem Füllfaktor auf dem Bildsensor abgebildet.In contrast, embodiments enable the use of a two-stage imaging method. A multi-channel imaging system generates an intermediate image (aerial image) in an intermediate image plane. This intermediate image is imaged onto an image sensor by a lens 24, for example at an image scale of approximately 1:1 to 1:3, and can have a standard mount connection, such as an F/C mount or the like, as a mechanical interface 34. Additionally, a microlens array, such as freeform microlenses, is located in or near the intermediate image. This array images the aperture of the first multi-channel imaging system onto the entrance pupil of the downstream lens in order to avoid vignetting losses. Through downstream imaging using a lens, the multi-channel image is imaged sharply and with a high fill factor onto the image sensor.

Ausführungsbeispiele ermöglichen eine passive Montage des Multikanalabbildungssystems vor dem Objektiv. Ausführungsbeispiele ermöglichen es, lediglich das Bildfeld des Multikanalabbildungssystems mit dem Objektfeld des Makroobjektivs 24 in Übereinstimmung zu bringen, so dass das Bildfeld des Multikanalabbildungssystems mit dem Objektfeld des Makroobjektivs übereinstimmt, um unnötigen Bildverlust oder ungenutzte Bildsensorfläche zu vermeiden. Eine Feinjustage durch Fokussierung der Makroobjektive bleibt dabei möglich.Embodiments allow for passive mounting of the multi-channel imaging system in front of the lens. Embodiments allow only the image field of the multi-channel imaging system to be aligned with the object field of the macro lens 24, so that the image field of the multi-channel imaging system matches the object field of the macro lens, thus avoiding unnecessary image loss or unused image sensor area. Fine adjustment by focusing the macro lenses remains possible.

Die Wirkung eines in anderen Vorrichtungen möglicherweise aufwändig eingesetzten bildseitigen 3D-Blendenarrays kann unter Implementierung hierin beschriebener Ausführungsbeispiele in der Zwischenbildebene beidseitig integriert werden, um das FPA ohne Abstand zur Bildebene zu integrieren und/oder um eine stärkere Unterdrückung von Streulicht durch die Möglichkeit einer 3D-Blende vor und/oder nach der Zwischenbildebene zu integrieren. The effect of an image-side 3D aperture array, which may be used in other devices with considerable effort, can be integrated on both sides of the intermediate image plane by implementing embodiments described herein in order to integrate the FPA without a distance to the image plane and/or to integrate a stronger suppression of stray light through the possibility of a 3D aperture before and/or after the intermediate image plane.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können ein miniaturisiertes Multikanalabbildungssystem 14 und zusätzliche 3D-Blendenstrukturen 44 umfassen. In der Zwischenbildebene ist ein Array aus Feldlinsen 22 z. B. in Form eines Freiform-Mikrolinsenarrays und einer zusätzlichen globalen Feldblende 42 angeordnet. Eine Objektivoptik weist einen Abbildungsmaßstab von ca. 1:0,9 bis 1:4 oder 1:1 bis 1:3 auf. Ein Bildaufnehmer kann beispielsweise als CMOS/CCD-Bildsensor ausgebildet sein, kann aber auch andere Elemente aufweisen, beispielsweise ein Bolometerarray oder dergleichen und kann Teil der optischen Vorrichtung sein oder mit dieser koppelbar sein.Embodiments of the present invention may include a miniaturized multi-channel imaging system 14 and additional 3D aperture structures 44. An array of field lenses 22, e.g., in the form of a freeform microlens array, and an additional global field stop 42 are arranged in the intermediate image plane. An objective lens system has an image scale of approximately 1:0.9 to 1:4 or 1:1 to 1:3. An image sensor may, for example, be configured as a CMOS/CCD image sensor, but may also comprise other elements, such as a bolometer array or the like, and may be part of the optical device or may be coupled to it.

Das Multikanalabbildungssystem kann folgende Eigenschaften aufweisen: Es kann eine Anzahl von n>2 Kanälen aufweisen, die in einer 1D-Anordnung oder 2D-Anordnung, etwa rektangulär, hexagonal oder dergleichen verteilt sind. Alternativ oder zusätzlich kann eine Erweiterung der Modalitäten der Bilderfassung durch z. B. spektrale Filter, etwa Verlaufsfilter, Bandpassfilter oder dergleichen, durch Polarisationsfilter oder weitere in dem Multikanalsystem erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann das Multikanalsystem eine Gesichtsfeldaufteilung aufweisen, wie es im Zusammenhang mit der optischen Vorrichtung 10 beschrieben ist und/oder schielende Kanäle aufweisen, wie es beispielsweise für die optischen Vorrichtungen 20, 30 und/oder 40 gezeigt ist. Eine 3D-Blendenstruktur, etwa eine Baffle-Struktur 42, kann Falschlicht oder Übersprechen in benachbarte optische Kanäle verhindern oder zumindest unterdrücken.The multi-channel imaging system can have the following properties: It can have a number of n>2 channels distributed in a 1D or 2D arrangement, such as rectangular, hexagonal, or the like. Alternatively or additionally, the image acquisition modalities can be expanded, for example, by spectral filters, such as graduated filters, bandpass filters, or the like, by polarization filters, or others in the multi-channel system. Alternatively or additionally, the multi-channel system can have a field of view division, as described in connection with the optical device 10, and/or strabismus channels, as shown, for example, for the optical devices 20, 30, and/or 40. A 3D aperture structure, such as a baffle structure 42, can prevent or at least suppress stray light or crosstalk into adjacent optical channels.

Das Feldlinsenarray 18 kann eine Abbildung der jeweiligen Apertur aus dem Multikanalabbildungssystem 14 auf die Eintrittspupille des Objektivs 24 ermöglichen. Eine Gestaltung, etwa als Freiform-Mikrolinsenarray, Phasenplatte, diffraktives Linsenarray oder dergleichen, ist ohne weiteres möglich. Die globale Blende 42 verhindert Streulicht außerhalb des Gesichtsfeldes.The field lens array 18 can enable imaging of the respective aperture from the multi-channel imaging system 14 onto the entrance pupil of the objective 24. A design, such as a freeform microlens array, phase plate, diffractive lens array, or the like, is readily possible. The global aperture 42 prevents stray light outside the field of view.

Das Objektiv 24 kann für eine optimale Ausnutzung der Bildfläche auf dem Bildsensor so ausgestaltet sein, dass die entsprechende Objektfläche in etwa oder exakt genau so groß ist wie das Mehrkanalzwischenbild. Dies kann eine Anpassung einer oder mehrerer Komponenten an den entsprechenden Spektralbereich beinhalten.For optimal utilization of the image area on the image sensor, the lens 24 can be designed such that the corresponding object area is approximately or exactly the same size as the multi-channel intermediate image. This can involve adapting one or more components to the corresponding spectral range.

Ausführungsbeispiele ermöglichen gegenüber bekannten Konzepten mehrere Vorteile:

• ein einfach austauschbares Multikanalabbildungssystem vor dem Objektiv (Modularität, Handling) ohne erneute Justage;
• intrinsische Zoomfunktion durch Fokussierung des Objektivs auf verschiedene Abstände im Zwischenbildbereich;
• Übertragung eines großen Schärfentiefe-Bereichs (engl.: extended Depth-of-Field) des Multikanalsystems, insbesondere bei Nutzung kurzer Brennweiten, mit dem Objektiv auf den Bildaufnehmer, was die Generierung eines All-in-Focus Bildes mit einer Aufnahme ermöglicht;
• gegenüber klassischen plenoptischen Kamerasystemen kann eine bessere Lichtausbeute erhalten werden, da bei der Blendenüberlagerung keine ungenutzten Totzonen entstehen, was neben einer besseren Lichtausbeute auch eine Reduktion von Streulicht ermöglicht;
• es wird eine Realisierung von großen back-focal lengths ermöglicht, wodurch eine Integration an Kamerasysteme mit Standardobjektivanschlüssen vermittels der Schnittstelle 34 ermöglicht wird; ebenso kann eine Integration an Kamerasystemen mit großem Sensor-Deckglasabstand erfolgen;
• durch ein verkleinertes Makroobjektiv lassen sich Arraykameramodule nutzen, die einen vergleichsweise großen Kanalpitch aufweisen, was die Integration von struktur-integrierten Filtern hinsichtlich einer spektralen Filterung oder einer Polarisationsfilterung erleichtert.

Examples of implementation offer several advantages over known concepts:

• an easily exchangeable multi-channel imaging system in front of the lens (modularity, handling) without readjustment;
• intrinsic zoom function by focusing the lens on different distances in the inter-image area;
• Transfer of a large depth of field (extended depth of field) of the multi-channel system, especially when using short focal lengths, with the lens to the image sensor, which enables the generation of an all-in-focus image with a single shot;
• Compared to classic plenoptic camera systems, a better light yield can be achieved, since no unused dead zones are created when the aperture is superimposed, which, in addition to a better light yield, also enables a reduction in stray light;
• it enables the realization of large back-focal lengths, which enables integration into camera systems with standard lens connections via interface 34; integration into camera systems with a large sensor-cover glass distance is also possible;
• A reduced macro lens allows the use of array camera modules that have a comparatively large channel pitch, which facilitates the integration of structurally integrated filters for spectral filtering or polarization filtering.

Ausführungsbeispiele können im Bereich klassischer Multiapertur-Abbildungssysteme verwendet werden und bieten hier eine sehr kompakte Ausführung. Beispiele hierzu sind Multi-/Hyperspektralkameras und Polarisationskameras. Ausführungsbeispiele können im Allgemeinen in einer multi-modalen Bildgebung und/oder bei Kameras mit Gesichtsfeldaufteilung, etwa bei elektronischen Clusteraugen, eingesetzt werden. Ebenso eignen sich hierin beschriebene Ausführungsbeispiele für Mehrkanalkameras zum Erreichen einer Superresolution. Die hierin beschriebenen optischen Systeme können im sichtbaren Wellenlängenbereich ebenso wie, alternativ oder zusätzlich, im Ultraviolett-, (UV)-Bereich bis hin zum LWIR-Bereich eingesetzt werden. Ausführungsbeispiele können bei Snapshot-fähigen bildgebenden multispektralen Gassensoren und/oder Thermalsensoren eingesetzt werden. Embodiments can be used in the field of classic multi-aperture imaging systems and offer a very compact design. Examples include multi-/hyperspectral cameras and polarization cameras. Embodiments can generally be used in multi-modal imaging and/or in cameras with field-of-view splitting, such as electronic cluster eyes. Embodiments described herein are also suitable for Multi-channel cameras for achieving super-resolution. The optical systems described herein can be used in the visible wavelength range as well as, alternatively or additionally, in the ultraviolet (UV) range up to the LWIR range. Embodiments can be used in snapshot-capable imaging multispectral gas sensors and/or thermal sensors.

Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.Although some aspects have been described in connection with a device, it is understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or component of a device can also be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block, detail, or feature of a corresponding device.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.The above-described embodiments are merely illustrative of the principles of the present invention. It is understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will be apparent to others skilled in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the following claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the embodiments herein.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10 2011 114 325 A1 [0057]
US 2007/023094 A1 [0058]

Claims

An optical device comprising: a first optical array for imaging an object region and a second optical array; an objective optical system; wherein the second optical array is arranged between the first optical array and the objective optical system and is configured to image apertures of the first optical array onto a common entrance pupil region of the objective optical system.

Optical device according to Claim 1 , in which the second optical array is arranged in an intermediate image region of the first optical array.

Optical device according to Claim 1 or 2 , in which the objective optics are arranged in an intermediate image region of the second optics array.

Optical device according to Claim 3 , in which a size of an intermediate image in the intermediate image area substantially corresponds to a size of an object field of the objective optics.

Optical device according to one of the preceding claims, wherein a plurality of optical channels comprises an optic of the first optical array associated with the optical channel and an optic of the second optical array associated with the optical channel; wherein the objective optic comprises a channel-global lens for the plurality of optical channels.

Optical device according to one of the preceding claims, wherein the objective optics has an image scale of at least 1:0.9 and at most 1:4.

An optical device according to any one of claims 1 to 6, further comprising a mechanical interface for coupling the optical device to an image sensor array.

Optical device according to one of the Claims 1 until 6 , further comprising an image sensor arrangement, wherein the objective optics are configured to image the object area onto the image sensor arrangement.

Optical device according to one of the preceding claims, wherein an image field of the first optical array substantially coincides with an object field of the objective optics.

Optical device according to one of the preceding claims, comprising a stray light suppressing structure which is arranged between the first optical array and the second optical array and between optics of the first optical array and which is designed to suppress crosstalk of stray light between optical channels of adjacent optics of the first optical array.

Optical device according to one of the preceding claims, comprising a diaphragm structure arranged between the first optical array and the object region and between optics of the first optical array.

Optical device according to one of the preceding claims, comprising a diaphragm structure acting for the second optical array, which is arranged adjacent to the second optical array.

Optical device according to one of the preceding claims, wherein a projection of the optics of the first optics array and the optics of the second optics array into a plane perpendicular to an optical axis between the first optics array and the objective optics results in a two-dimensional pattern.

An optical device according to any one of the preceding claims, wherein a plurality of optical channels comprises an optic of the first optical array associated with the optical channel and an optic of the second optical array associated with the optical channel; wherein the optical device comprises a filter structure arrangement configured to filter light from at least one optical channel.

An optical device comprising: a first optical array for projecting an image and a second optical array; an objective optical system; wherein the second optical array is arranged between the first optical array and the objective optical system, wherein the objective optical system is configured to project the image onto apertures of the second optical array as partial images; and optics of the first optical array are configured to project the partial images from the second optical array onto a projection surface.

A method for imaging an image, comprising the following steps: Receiving light from an object region and using a first optical array to image the object region; Imaging individual images of the first optical array using a second optical array; Imaging individual images of the second optical array using a common objective lens arranged in an intermediate image region of the second optical array.

Procedure according to Claim 16 , which is designed such that the second optical array is arranged between the first optical array and the objective optics and images apertures of the first optical array onto a common entrance pupil area of the objective optics.