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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine optische Einrichtung Optische
Einrichtung mit einem Objektiv, dem eine Fokalebene zugeordnet ist,
wobei das Objektiv in einer Trägeranordnung angeordnet ist,
um die Fokalebene relativ zu einem optischen Bauteil anzuordnen,
wobei sich die Trägeranordnung entlang einer optischen
Achse über dem optischen Bauteil erstreckt.
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Eine
derartige optische Einrichtung kann als Kamerasystem aufgebaut sein,
wobei das Objektiv der Kamera eine Fokalebene aufweist, die zur
Oberfläche des optischen Bauteils ortsfest angeordnet ist, sodass
das System als Fixfokuskamerasystem bezeichnet werden kann. Die
Kamera kann beispielsweise als Bilderfassungskamera in einem Kraftfahrzeug
zum Einsatz kommen. Wird die Kamera im Kraftfahrzeug beispielsweise
im Frontbereich installiert, erfasst diese durch eine elektronisch
gestützte Bildauswertung einzelne Merkmale im erfassten
Bild wie beispielsweise Verkehrszeichen, vorausfahrende Fahrzeuge
und so weiter.
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Wird
die Kamera beispielsweise hinter der Frontscheibe installiert, ergibt
sich eine erhebliche Wärmeeinbringung durch Sonneneinstrahlung.
Ferner kann die Kamera in einem Scheinwerfer des Kraftfahrzeugs
integriert werden, sodass auch in dieser Einbausituation ein erheblicher
Wärmeeintrag in die Kamera festgestellt werden muss.
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Alternativ
kann das optische Bauteil auch als Lichtquelle ausgeführt
sein kann, um über das Objektiv einen kollimierten Lichtstrahl
zu erzeugen, sodass der Aufbau eines Scheinwerfers oder Strahlers
für ein Kraftfahrzeug gebildet wird.
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Durch
die Trägeranordnung der optischen Einrichtung wird das
Objektiv in einem festen Abstand zum optischen Bauteil positioniert,
wobei das Objektiv zur Fokussierung des Strahlenganges dient und
die Fokalebene auf der Ebene des optischen Bauteils liegt. Die Trägeranordnung
kann einteilig mit dem Gehäuse der Kamera ausgeführt
sein oder dieses selber bilden.
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Derartig
eingesetzte optische Einrichtungen weisen den Nachteil auf, dass
durch thermische Einflüsse der Abstand zwischen dem optischen
Bauteil und dem Objektiv beeinflusst werden kann. Bei einer Erwärmung
der optischen Einrichtung dehnt sich das Material der Trägeranordnung
aus, und der Abstand zwischen dem optischen Bauteil und dem Objektiv vergrößert
sich. Das Objektiv kann ein erstes und gegebenenfalls ein zweites
oder mehrere optisches Elemente umfassen, sodass ferner das Problem
auftreten kann, dass das die optischen Elemente aus einem Material
gefertigt ist, dessen Form und insbesondere dessen Brechungsindex
sich bei einer Temperaturänderung ebenfalls verändert,
so dass sich auch ohne eine temperaturbedingte geometrische Änderung
der Trägeranordnung die Anordnung der Fokalebene zum optischen
Bauteil ändert, was zu einer Fehlfunktion der optischen
Einrichtung führen kann.
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Folglich
kann sich selbst bei einer geringen oder nicht vorhandenen Änderung
des Abstandes des Objektives zum optischen Bauteil die Fokalebene
des Strahlenganges relativ zum optischen Bauteil ändern,
so dass sich beispielsweise eine Unschärfe in der Abbildung
ergibt, wenn die optische Einrichtung als Fixfokuskamerasystem ausgeführt
ist.
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Ist
das optische System als ein Projektionsscheinwerfer für
ein Kraftfahrzeug ausgebildet, kann sich beispielsweise die Hell-Dunkel-Grenze
des Abblendlichtes aus der vorgesehenen Lage verändern, wobei
auch Spektraleffekte und eine Unschärfe der Hell-Dunkel-Grenze
unerwünschte Effekte darstellen können, die durch
eine thermische Beeinflussung der optischen Einrichtung entstehen
können.
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Aus
der
DE 33 98 95 ist eine
optische Einrichtung mit einem Objektiv bekannt, das ein erstes optisches
Element und ein zweites optisches Element aufweist, wobei das erste
optische Element in einer Trägeranordnung und das zweite
optische Element in einem Aufnahmekörper aufgenommen ist. Der
Aufnahmekörper ist als Rohrabschnitt ausgeführt und
konzentrisch innerhalb der Trägeranordnung eingebracht.
Die Materialien des Aufnahmekörpers sowie der Trägeranordnung
sind derart verschieden gewählt, dass bei einer Änderung
der Temperatur der optischen Einrichtung der Abstand zwischen dem ersten
und dem zweiten optischen Element geändert wird, in dem
die temperaturbedingte Längenänderung des Aufnahmekörpers
einen anderen Wert aufweist als die temperaturbedingte Längenänderung der
Trägeranordnung.
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Nachteilhaft
ist jedoch, dass der Aufnahmekörper des zweiten optischen
Elementes vollständig innerhalb der Trägeranordnung
angeordnet ist und folglich eine Änderung der Temperatur
auf die außenseitig angeordnete Trägeranordnung
einen stärkeren Einfluss hat als auf den Aufnahmekörper,
der sich innerhalb der Trägeranordnung befindet. Folglich
ist die gezeigte Kompensationsanordnung thermisch träge,
wobei durch die konzentrische Anordnung des Aufnahmekörpers
mit der Trägeranordnung ein komplizierter Aufbau entsteht
und ein erheblicher Bauraum erforderlich ist.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische
Einrichtung mit einer Thermokompensation zu schaffen, die Nachteile
des vorgenannten Standes der Technik überwindet, eine wirkungsvolle
Kompensation einer thermisch bedingten Veränderung der
Fokallage ermöglicht einen einfachen Aufbau aufweist.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einer optischen Einrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass ein Kompensationskörper
vorgesehen ist, über den das Objektiv in der Trägeranordnung
aufgenommen ist, wobei das Objektiv in einem ersten Abschnitt des
Kompensationskörpers an diesem angeordnet ist, wobei sich
der Kompensationskörper entlang der optischen Achse erstreckt
und wobei der Kompensationskörper in einem zweiten fern
von der Anordnung des Objektives vorhandenen Abschnitt mit der Trägeranordnung
verbunden ist, wobei der Kompensationskörper ein Material
mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten (αk) aufweist,
der derart bemessen ist, dass eine temperaturbedingte Änderung
der Anordnung der Fokalebene zum optischen Bauteil ausgleichbar
ist.
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Die
Erfindung geht von dem Gedanken aus, in der Aufnahme für
das gesamte Objektiv einen Kompensationskörper vorzusehen,
der zugleich einen einfachen Aufbau bildet. Der Kompensationskörper
besteht dabei aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten,
der sich insofern von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Materials der Trägeranordnung unterscheidet, als dass
dieser thermisch bedingte Längenänderungen der
Trägeranordnung ausgleichen kann. Dabei ist die Trägeranordnung
größer als der Kompensationskörper, wobei durch
einen entsprechend gewählten Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Kompensationskörpers trotz der kleineren geometrischen
Abmessungen des Kompensationskörpers Wegänderungen
in der Trägeranordnung vollständig ausgeglichen
werden können.
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Ein
zusätzlicher Kompensationseffekt kann dann erreicht werden,
wenn der Kompensationskörper thermisch bedingte Änderungen
der optischen Eigenschaften der optischen Elemente ausgleichen kann. Ändert
sich die Temperatur des ersten und/oder des zweiten optischen Elementes,
so kann sich beispielsweise der Brechungsindex des Materials des
optischen Elementes ändern. Folglich kann sich die Fokalebene
im Abstand zu den optischen Elementen des Objektivs ändern,
wobei die Änderung ebenfalls durch den Kompensationskörper
in der Struktur der optischen Einrichtung ausgeglichen werden kann.
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Vorteilhafterweise
ist die Trägeranordnung aus einem Material mit einem definierten
Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet. Das Verhältnis des
Wärmeausdehnungskoeffizienten der Trägeranordnung
zum Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kompensationskörpers
kann dem Längenverhältnis der Trägeranordnung
relativ zum Kompensationskörper entsprechen. Die in das
Verhältnis gesetzten Längenmaße entsprechen
den Hauptmaßen der Trägeranordnung und des Kompensationskörpers
in der Richtung des Ausgleichs der thermischen Verlagerung des Objektivs
relativ zum optischen Bauteil, sofern eine zusätzliche,
thermisch bedingte Änderung eines Brechungsindices nicht
auch noch ausgeglichen werden muss.
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Ferner
ist eine Aufnahmeeinrichtung vorgesehen, die als Bestandteil der
optischen Einrichtung im Wesentlichen plan ausgeführt ist.
Auf der Aufnahmeeinrichtung kann sowohl die Trägeranordnung
als auch das optische Bauteil aufgenommen sein. Die Trägeranordnung
kann dabei eine tubusartige oder eine topfartige Gestalt aufweisen,
wobei das optische Bauteil derart auf der Aufnahmeeinrichtung aufgenommen
ist, dass die Trägeranordnung das optische Bauteil radial
umschließt, um nach Art eines Gehäuses einen Schutz
des optischen Bauteils vor Umwelteinflüssen zu schaffen.
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Die
topfartige Trägeranordnung ist mit der Öffnungsseite
angrenzend auf der Aufnahmeeinrichtung aufgesetzt, so dass das mittig
angeordnete optische Bauteil durch die Trägeranordnung
umschlossen wird. Die Trägeranordnung dichtet folglich
das optische Bauteil nach außen ab, wobei die optischen Elemente
als Sammellinsen ausgeführt sein können, wobei
ferner vorzugsweise zwei Sammellinsen vorgesehen sind, um das Objektiv
der optischen Einrichtung zu bilden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Kompensationskörper
aus einem Rohrabschnitt mit einem ersten Ende und einem gegenüberliegenden
zweiten Ende gebildet. Ferner ist ein Fassungskörper vorgesehen,
in dem wenigstens das erste optische Element und das zweite optische Element
gemeinsam eingefasst sind. Der Fassungskörper kann mit
dem ersten optischen Element und mit dem zweiten optischen Element
innenseitig im ersten Ende des Rohrabschnittes eingefasst sein. Der
Kompensationskörper kann ferner über das gegenüberliegende
zweite Ende in der Trägeranordnung eingebracht sein, so
dass sich zwischen dem Objektiv und der Verbindung des Kompensationskörpers
zur Trägeranordnung eine freie Länge des Rohrabschnittes
ergibt, wobei sich der Kompensationskörper in einer in
die Trägeranordnung hinein gestülpten Anordnung
befindet.
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Die
Trägeranordnung und der Kompensationskörper sind
konzentrisch ineinander gesetzt, um mittig innerhalb des Kompensationskörpers
das Objektiv aufzunehmen. Erfährt beispielsweise die optische
Einrichtung eine Temperaturerhöhung, so dehnt sich die
Trägeranordnung in der Länge aus. Der Kompensationskörper
erfährt ohne we sentlichen zeitlichen Versatz die gleiche
Temperaturänderung, wobei durch den größeren
Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kompensationskörpers
die gleiche Längenzunahme des Kompensationskörpers
erfolgt. Folglich kann der insgesamt kürzer ausgeführte Kompensationskörper
die gleiche Längenänderung erfahren wie die geometrisch
länger ausgeführte Trägeranordnung. Im
Ergebnis bleibt der Abstand des Objektivs gegenüber dem
optischen Bauteil im Wesentlichen konstant.
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Die
optische Einrichtung kann rotationssymmetrisch ausgeführt
sein, wobei die Rotationsachse durch eine optische Achse darstellbar
ist, und wobei das Objektiv entlang der optischen Achse die Fokalebene
aufweist, die sich auf oder äquidistant zur Oberfläche
des optischen Bauteiles erstreckt. Bei einer rotationssymmetrischen
Ausführung der optischen Einrichtung erstrecken sich die
Trägeranordnung, das Objektiv mit dem ersten optischen
Element und dem zweiten optischen Element und/oder der Fassungskörper
um die optische Achse herum. Alternativ können die Trägeranordnung
und/oder der Kompensationskörper eckig ausgeführt
sein, wodurch das Prinzip der thermischen Kompensation der Änderungen
der Abstände nicht negativ beeinflusst wird.
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Zur
weiteren Vereinfachung des Aufbaus der optischen Einrichtung kann
der Kompensationskörper den Fassungskörper bilden
oder mit diesem einteilig ausgeführt sein. Der Kompensationskörper kann
dabei jede mögliche geometrische Gestalt annehmen, so dass
dieser nicht zwingend die Form eines Rohrabschnittes wiedergeben
muss. Folglich kann sowohl das erste als auch das zweite optische Element
an einem ersten Ende des Kompensationskörpers direkt in
diesem eingefasst sein.
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Ist
durch den Kompensationskörper die Änderung der
Fokalebene relativ zum Objektiv auszugleichen, so können
die optischen Elemente in einem gegebenen Abstand innerhalb des
Kompensationskörpers aufgenommen sein, so dass sich bei
einer Temperaturänderung der Abstand der optischen Elemente
ebenfalls ändert.
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Die Änderung
des Abstandes der optischen Elemente kann derart bemessen sein,
dass eine Änderung der Fokalebene durch die Änderung
der Temperatur der optischen Elemente ebenfalls ausgeglichen werden
kann.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend
gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es
zeigt:
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1 eine
optische Einrichtung gemäß dem Stand der Technik,
wobei ein Objektiv vorgesehen ist, das durch eine Trägeranordnung
in einem Abstand zu einem optischen Bauteil angeordnet ist und
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2 ein
Ausführungsbeispiel einer optischen Einrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung mit einem Kompensationskörper.
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1 zeigt
eine mögliche Ausführungsform einer optischen
Einrichtung 1 gemäß dem Stand der Technik.
Diese besitzt ein Objektiv 2, das beispielhaft wenigstens
ein erstes optisches Element 3 und ein zweites optisches
Element 4 aufweist, wobei das Objektiv 2 auch
aus einem oder aus mehr als zwei optischen Elementen 3 und 4 aufgebaut
sein kann. Das Objektiv 2 umfasst ferner einen Fassungskörper 9 zur
Aufnahme der optischen Elemente 3 und 4. Ferner
dient der Fassungskörper 9 dazu, das Objektiv 2 in
einer Trägeranordnung 5 aufzunehmen. Die Trägeranordnung 5 kann
topfartig oder tubusartig ausgeführt sein, so dass sowohl
das Objektiv 2 mit dem Fassungskörper 9 und
der Trägeranordnung 5 um eine Rotationsachse ausgebildet
ist, die als optische Achse 10 bezeichnet ist.
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Durch
die Trägeranordnung 5 wird das Objektiv 2 in
einem gegeben Abstand über einem optischen Bauteil 6 gehalten.
Das optische Bauteil 6 kann beispielsweise einen CCD-Chip
darstellen, der zur Bilderfassung dienen kann. Folglich ist ein
Strahlengang 12 vorhanden, der durch das Objektiv 2 in
einer Fokalebene 11 fokussiert wird. Um eine störungsfreie
Funktion der optischen Einrichtung 1 zu gewährleisten,
muss sich die Fokalebene 11 auf der Oberfläche
oder äquidistant zum optischen Bauteil 6 befinden.
Dieser Abstand darf sich auch bei einer Änderung der Temperatur
der optischen Einrichtung 1 nicht ändern.
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Jedoch
kann sich durch eine Temperaturänderung der Trägeranordnung 5 der
Abstand zwischen dem Objektiv 2 und dem optischen Bauteil 6 ändern,
so dass die Fokalebene 11 aus der Oberfläche des
optischen Bauteils 6 herauswandert. Hierzu ist aus dem
Stand der Technik keine einfach ausgebildete Kompensationsmöglichkeit
bekannt, die eine thermisch bedingte Änderung des Abstandes
des Objektivs zum optischen Bauteil 6 ausgleichen kann. Ferner
kann die Fokalebene 11 die Oberfläche des optischen
Bauteils 6 dadurch verlassen, dass sich die Temperatur
der optischen Elemente 3 und 4 derart ändert,
dass durch die Veränderung des Brechungsindizes die Fokalebene 11 in
ihrem Abstand zum Objektiv 2 verändert werden
kann.
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Diese Änderung
des Abstandes kann sich mit der Änderung des Abstandes
durch eine Ländendehnung der Trägeranordnung 5 überlagern,
so dass der auszugleichende Abstand zwischen der Fokalebene 11 und
dem optischen Bauteil 6 überwunden werden muss.
Sowohl die Trägeranordnung 5 als auch das optische
Bauteil 6 sind auf einer Aufnahmeeinrichtung 8 aufgenommen,
die plan ausgeführt ist und eine mechanische Kopplung des
optischen Bauteils 6 mit der Trägeranordnung 5 bildet.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer optischen Einrichtung 1 mit
einer Thermokompensation gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der Aufbau zur Aufnahme des Objektives 2 ist
mit einem Kompensationskörper 7 versehen, über
den das Objektiv 2 mit den optischen Elementen 3 und 4 in
der Trägeranordnung 5 aufgenommen ist. Der Kompensationskörper 7 kann
dabei ein Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten αK
aufweisen, der derart bemessen ist, dass eine temperaturbedingte Änderung
des Abstandes zwischen dem Objektiv 2 und dem optischen
Bauteil 6 ausgleichbar ist. Der Ausdehnungskoeffizient αK
des Kompensationskörpers 7 ist dabei größer
als der Wärmeausdehnungskoeffizient αT der Trägeranordnung 5,
da der Kompensationskörper 7 eine geringere Länge
besitzt als die Trägeranordnung 5.
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Folglich
kann die Trägeranordnung 5 länger ausgeführt
sein als der Kompensationskörper 7, so dass aufgrund
des größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten αK
der Kompensationskörper 7 dennoch die gesamte
Längenänderung der Trägeranordnung 5 ausgleichen
kann. Im Ergebnis bleibt die Fokalebene 11 des Strahlenganges 12 in
der Ebene des optischen Bauteiles 6 bzw. äquidistant
zu diesem erhalten.
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Gemäß der
Darstellung ist erkennbar, dass das Objektiv 2 einen Fassungskörper 9 besitzt, über den
das Objektiv 2 im Kompensationskörper 7 an
einem ersten unteren Ende aufgenommen ist. Hingegen ist der Kompensationskörper 7 über
das zweite, gegenüberliegende Ende im oberen Bereich der
Trägeranordnung 5 eingefasst, so dass sich die
Längenänderung des Kompensationskörpers 7 als
Abstandsänderung zwischen dem Objektiv 2 und der Aufnahmestelle
des Kompensationskörpers 7 in der Trägeranordnung 5 bemerkbar
macht. Nimmt die Länge der Trägeranordnung 5 in
Richtung zur optischen Achse 10 zu, so würde sich
zunächst der Abstand des Objektivs 2 über
dem optischen Bauteil 6 vergrößern. Aufgrund
der Vergrößerung der Länge des Kompensationskörpers 7 bei
gleicher Temperaturänderung wird jedoch der Abstand zwischen
dem Objektiv 2 und dem optischen Bauteil wieder kleiner. Durch
die Überlagerung beider Längeänderungen
ergibt sich bei korrekter Wahl der Materialien und folglich der
Wärmeausdehnungskoeffizienten αT und αK keine Änderung
des Abstandes des Objektives 2 relativ zum optischen Bauteil 6.
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Die
Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung
nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung
auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen
Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen,
der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder
Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten, räumliche Anordnungen
und Verfahrensschritte, können sowohl für sich
als auch in verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Insbesondere kann der radiale Abstand zwischen dem Kompensationskörper 7 und
der Trägeranordnung 5 sehr gering oder fast Null
sein, so dass eine bauliche Einheit entsteht und beide Bauteile
in erster Näherung einen einzigen Tubus darstellen. Die
Verbindung zwischen der Trägeranordnung 5 und
dem Kompensationskörper 7 kann eine Schweiß-,
Löt-, Klebe- oder Krimpverbindung sein, wobei der Kompensationskörper 7 ein
Innengewinde besitzen kann, in das der Fassungskörper 9 des
Objektives 2 einschraubbar ist.
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- 1
- optische
Einrichtung
- 2
- Objektiv
- 3
- erstes
optisches Element
- 4
- zweites
optisches Element
- 5
- Trägeranordnung
- 6
- optisches
Bauteil
- 7
- Kompensationskörper
- 8
- Aufnahmeeinrichtung
- 9
- Fassungskörper
- 10
- optische
Achse
- 11
- Fokalebene
- 12
- Strahlengang
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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