DE102016100070B4

DE102016100070B4 - Temperaturinvariante Linsenkombination, insbesondere für einen Sensor sowie eine Sensoreinheit

Info

Publication number: DE102016100070B4
Application number: DE102016100070.1A
Authority: DE
Inventors: Johannes Eble
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2016-01-04
Filing date: 2016-01-04
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2036-01-05
Also published as: DE102016100070A1

Abstract

Temperaturinvariante Linsenkombination für einen Sensor, umfassend eine konvexe und eine konkave Kunststofflinse (2, 3), wobei die konvexe und die konkave Kunststofflinse (2, 3) abstandslos miteinander verbunden sind, wobei ein Material der konvexen Kunststofflinse (2) einen kleineren Brechungsindex (n) und eine betragsmäßig kleinere Temperaturdispersion dn/dT als ein Material der konkaven Kunststofflinse (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe und die konkave Kunststofflinse (2, 3) miteinander verklebt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine temperaturinvariante Linsenkombination, insbesondere für einen Sensor, umfassend eine konvexe und eine konkave Kunststofflinse, sowie eine Sensoreinheit umfassend eine Linsenkombination.
Aus der US 4 721 373 A ist eine kombinierte konvexe und konkaveVerbundglaslinse bekannt, wobei ein Temperatureinfluss auf die Brennweite minimiert wird. Die konvexe und die konkave Glaslinse sind dabei direkt miteinander verbunden. Glaslinsen sind aber sehr kostenaufwendig.
Aus der US 4 632 520 A ist ein Kunststofflinsensystem bekannt, welches einekonkave und eine konvexe Linse umfasst. Zwischen diesen beiden Kunststofflinsen ist ein großer Luftspalt ausgebildet. Das Verhältnis der beiden Temperaturdispersionen der konkaven bzw. der konvexen Kunststofflinse zueinander (dn/dT) ist kleiner 0,1.
Der Brechungsindex von optischen Kunststoffen ist temperaturabhängig, da die Temperaturdispersion dn/dT ungleich null ist. Damit ändert sich bei einer Kunststofflinse die Brennweite in Abhängigkeit von der Temperatur. Wird beispielsweise paralleles Licht mit einer bestimmten Kunststofflinse bei einer vorgegebenen Temperatur auf einen gewissen Abstand fokussiert, erhält man eine gewisse Lichtfleckgröße auf einem Empfänger. Ändert sich die Temperatur, so ändert sich diese Lichtfleckgröße drastisch, da sich die Brennweite verschiebt, wie in 3 dargestellt.
Viele Anwendungen, beispielsweise in der Sensorik, sind auf eine temperaturinvariante Brennweite oder eine gleichbleibende Lichtfleckgröße angewiesen, wie es beispielsweise bei der Verwendung einer SPAD-Matrix als Empfangselement von Vorteil ist.
Die US 7 158 312 B2 offenbart Objektive aus Kunststofflinsen, wobei optische Veränderungen aufgrund von Temperaturänderungen kompensiert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine temperaturinvariante Linsenkombination anzugeben, die bei kostengünstiger Herstellung eine stabile Lichtfleckgröße bei unterschiedlichen Temperaturen gewährleistet.
Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass die konvexe und die konkave Kunststofflinse abstandslos miteinander verbunden sind, wobei ein Material der konvexen Kunststofflinse einen kleineren Brechungsindex und eine geringere Temperaturdispersion als ein Material der konkaven Kunststofflinse aufweist. Dies hat den Vorteil, dass für eine vorgegebene Wellenlänge die Brennweite der Linsenkombination bzw. die daraus resultierende Lichtfleckgröße temperaturinvariant ist, d.h. sich bei einer Änderung der Temperatur nicht verändert. Da die konvexe Kunststofflinse das Licht für niedrigere Temperaturen stärker fokussiert und die nachfolgende konkave Linse das Licht entsprechend zerstreut, bleibt die Brennweite bei zwei verschiedenen Temperaturen gleich. Daraus folgt, dass die Größe des Lichtflecks auf einem Empfänger unverändert bleibt.
In Weiterbildung der Erfindung weisen die Oberflächen der Linsen eine torodiale Form auf. Dadurch kann die Linsenkombination in den zwei senkrecht zueinander stehenden Ebenen, welche senkrecht zur Hauptebene der Linse stehen, unterschiedliche Brennpunkte besitzen. Durch geeignete Wahl der torodialen Oberflächen können beide Brennweiten bei Temperaturänderungen konstant gehalten werden.
Vorteilhafterweise entspricht ein Krümmungsradius einer ersten Oberfläche der konkaven Kunststofflinse einem Krümmungsradius der zweiten Oberfläche der konvexen Kunststofflinse. Damit wird sichergestellt, dass beide sehr gut aneinander anliegen, wodurch beim Zusammenfügen der beiden Kunststofflinsen kein Zwischenraum auftritt.
Vorteilhafterweise sind die konvexe und die konkave Kunststofflinse miteinander verklebt, vorteilhafterweise verkittet. Durch die Verklebung der beiden Kunststofflinsen existieren optisch betrachtet drei lichtbrechende Oberflächen der Linsenkombination, die aber bei einer Temperaturänderung keinen Einfluss auf die Größe des resultierenden Lichtflecks haben. Die Oberflächen haben zwar einen Einfluss auf die Lichtfleckgröße, jedoch sind die Oberflächen derart ausgebildet, dass eine Temperaturänderung keinen Einfluss auf die Größe des Lichtflecks hat. Mittels der Verkittung erfolgt eine zuverlässige Verbindung der beiden Kunststofflinsen miteinander.
In einer Variante ist ein Verhältnis der Temperaturdispersion der konvexen Kunststofflinse zur Temperaturdispersion der konkaven Kunststofflinse größer 0,1. Mittels diesem Verhältnis wird sichergestellt, dass bei zwei unterschiedlichen Temperaturen keine Veränderung der Lichtfleckgröße bei einer vorgegebenen Wellenlänge auftritt.
Um eine optimale Anpassung der Oberflächen der konvexen und der konkaven Kunststofflinsen aneinander zu gewährleisten, sind die Krümmungsradien der konvexen und der konkaven Kunststofflinse mittels einer Software, insbesondere einer Optiksimulationssoftware einstellbar bzw. optimiert. Um die Größe des Lichtflecks konstant zu halten bei einer Temperaturänderung, können die Oberflächen mittels einer Software, insbesondere einer Optiksimulationssoftware optimiert werden.
In einer Variante ist die Linsenkombination zum Empfang oder Aussenden von Licht verwendbar. Diese Möglichkeit erlaubt einen vielseitigen Einsatz dieser Linsenkombination.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Sensoreinheit, umfassend eine Linsenkombination. Bei einer Sensoreinheit ist die Linsenkombination nach mindestens einem in dieser Schutzrechtsanmeldung dargestellten Merkmal ausgebildet.
Vorteilhafterweise ist die Linsenkombination auf einem, einen spezifischen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisenden Linsenträger in einem bestimmten Abstand zu einem Empfangselement positioniert. Da sich der Abstand des Linsenträgers zum Empfangselement auf Grund des Material des Linsenträgers infolge des spezifischen Wärmeausdehnungskoeffizienten ändert, hat die Linsenkombination je nach Temperatur einen anderen Abstand zum Empfangselement, wodurch sich die Lichtfleckgröße auf dem Empfangselement ändert. Unter Einbeziehung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Linsenträgermaterials und des Abstandes der Linse zum Empfangselement kann die Linsenkombination derart designed werden, dass die Lichtfleckgröße auch bei Ausdehnung des Linsenträgers auf dem Empfangselement konstant bleibt.
In einer Ausführungsform weist der Linsenträger eine mechanische Aufnahme für die Linsenkombination auf und ist über mindestens ein mechanisches Verbindungselement mit einer, das Empfangselement tragenden Leiterplatte verbunden. Somit entsteht eine sehr kompakte Sensoreinheit, die insbesondere für den Einsatz in industriellen Anwendungen geeignet ist.
In einer Variante ist das Empfangselement als SPAD-Matrix ausgebildet.
In einer Ausgestaltung ist der Linsenträger als Tubus ausgebildet. In einem solchen Tubus lassen sich sehr einfach die Linsenkombination sowie die Elektronik zum Empfang des Lichtes in einer stabilen Position anordnen.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 ein Ausführungsbeispiel einer Kunststofflinse mit Strahlengängen bei unterschiedlichen Temperaturen.

In 1 ist eine Linsenkombination 1 dargestellt, welche aus einer konvexen Kunststofflinse 2 besteht, an welcher eine konkave Kunststofflinse 3 befestigt ist. Die konvexe und die konkave Kunststofflinse 2, 3 sind dabei miteinander verkittet. Das Kunststoffmaterial der konvexen Linse 2 ist beispielsweise Polymethylmethacryl (PMMA), während das Kunststoffmaterial für die konkave Linse Polystyrol oder Polycarbonat ist. Der Krümmungsradius der ersten Oberfläche der konkaven Linse 3 entspricht dem Krümmungsradius der zweiten Oberfläche der konvexen Linse 2, wodurch die Linsen 2, 3 gut aufeinander aufliegen. Durch die Verklebung entstehen optisch betrachtet drei lichtbrechende Oberflächen der Linsenkombination 1.
Das Kunststoffmaterial der konvexen Linse 2 weist einen kleineren Brechungsindex n und eine geringere, bzw. betragsmäßig kleinere Temperaturdispersion dn/dT als das Kunststoffmaterial der konkaven Linse 3 auf. Wie aus 1 hervorgeht, wird ein paralleler Lichtstrahl 4 auf die Linsenkombination 1 ausgegeben, welcher auf die Oberfläche der konvexen Linse 2 auftrifft. Der Strahlengang ist für drei unterschiedliche Temperaturen T1<T2<T3 dargestellt, wobei T1 gestrichelt, T2 gepunktet und T3 durchgezogen ist. Aufgrund der verwendeten Linsenkombination 1 fällt die Brennweite und somit der daraus auf dem Empfänger resultierende Lichtfleck für alle drei Temperaturen zusammen und bleibt in seiner Größe unverändert, unabhängig welche Temperatur bei der vorgegebenen Wellenlänge auftritt. Dies erfolgt, da die konvexe Linse 2 das Licht für niedrige Temperaturen stärker fokussiert und die nachfolgende konkave Linse 3 das Licht entsprechend zerstreut, so dass die Brennweite bei zwei verschiedenen Temperaturen gleich bleibt. Dadurch ergibt sich, dass die Größe des Lichtflecks temperaturinvariant bleibt.
Die Temperaturdispersion dn/dT muss für die Kunststoffmaterialien der konvexen und der konkaven Linse 2, 3 kleiner 0 sein. Das Verhältnis der zwei Temperaturdispersionen ist somit größer 0,1. $\frac{\frac{d n}{d T} (k o n v e x e_L i n s e)}{\frac{d n}{d T} (k o n k a v e_L i n s e)} > 0,1$
Die Optimierung der Krümmungsradien der Linsenkombination 1 erfolgt durch eine Optiksimulationssoftware. Die Startwerte für die Krümmungsradien der beiden Kunststofflinsen 2, 3, die bei der Optiksimulationssoftware zugrunde gelegt werden, werden wie folgt ermittelt:

Damit die Brennweite f der Linsenkombination 1 für die beiden Temperaturen T1 und T2 gleich sind, gilt $\frac{ρ_{1}}{ρ_{2}} = - \frac{n_{2 T 1} - n_{2 T 2}}{n_{1 T 1} - n_{1 T 2}}$
mit $ρ_{i} = \frac{R_{i 2} - R_{i 1}}{R_{i 2} * R_{i 1}}$
und den Krümmungsradien R_i1 , R_i2 von Vorder- bzw. Rückseite der i-ten Linse.

Mit Gleichung (2), einer zu erzielenden Brennweite f und $\frac{1}{f} = (n_{1} - 1) ρ_{1} + (n_{2} - 1) ρ_{2}$
ergeben sich ρ₁ und ρ₂ und damit die Krümmungsradien der äußeren Fläche der Linsen 2, 3.
Mit der Optiksimulationssoftware wird ausgehend von diesen ermittelten Krümmungsradien weiter optimiert, indem beispielsweise zusätzliche Asphären-Parameter und Linsendicken in die Optimierung mit einfließen.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Sensoreinheit dargestellt, welche die Linsenkombination 1 verwendet. Ein als Linsenträger 5 ausgebildeter Tubus weist an einer offenen Seite eine Aufnahme 6 zum Tragen der Linsenkombination 1 auf. Der Linsenträger 5 weist außerdem mechanische Verbindungselemente 7 zu einer Leiterplatte 8 auf, auf welcher ein Empfangselement 9 zur Auswertung der von der Linsenkombination 1 fokussierten Lichtflecke positioniert ist.
Das Material des Linsenträgers 5 besitzt einen spezifischen Wärmeausdehnungskoeffizienten α. Infolge dessen ändert der Linsenträger 5 in Abhängigkeit von der Temperatur seine Ausdehnung. Daher hat die Linsenkombination 1 je nach Temperatur einen anderen Abstand zum Empfangselement 9, wodurch sich die Lichtfleckgröße auf dem Empfangselement 9 ändert. Bei einer vorgegebenen Temperatur ist ein fester Abstand I_Ti zwischen Linsenkombination 1 und Leiterplatte 8 dargestellt. Bei einer Temperaturänderung verändert sich der Abstand von Linsenkombination 1 zur Leiterplatte 8 um den Betrag Δ1_T . Die Fokussierung der Brennweite f erfolgt in Abhängigkeit der Temperatur entweder auf der Leiterplatte 8 oder auf der Leiterplatte 8a, womit der unterschiedliche Abstand des Linsenträgers 5 zur Leiterplatte verdeutlicht werden soll. Bei dieser Darstellung ist T1 < T2, wobei T1 gestrichelt dargestellt ist, während T2 durchgezogen ist.
Unter Einbeziehung des Wärmeausdehnungskoeffizienten α des Linsenträgermaterials und des Abstandes der Linsenkombination 1 zum Empfangselement 9 kann die Linsenkombination 1 derart designed werden, dass die Lichtfleckgröße auf dem Empfangselement 9 konstant bleibt.
Die Optimierung der Linsenkombination 1 mit Einfluss des Linsenträgers 5 erfolgt ebenfalls über die Optiksimulationssoftware, wobei Startwerte für die Krümmungsradien wie folgt ermittelt werden:
Brennweite der Linsenkombination : $f = \frac{1}{(n_{1} - 1) ρ_{1} + (n_{2} - 1) ρ_{2}}$
$f_{T 1} = \frac{1}{(n_{1 T 1} - 1) ρ_{1} + (n_{2 T 1} - 1) ρ_{2}}$
$F_{T 2} = \frac{1}{(n_{1 T 2} - 1) ρ_{1} + (n_{2 T 2} - 1) ρ_{2}}$
unter der Bedingung $\begin{matrix} f_{T 1} + Δ 1_{T 2} = f_{T 2} & mit Δ 1_{T} = 1_{T 1} \end{matrix} * α * (T_{2} - T_{1}) .$
Nach Wahl von I_T1 , α, T₁ , T₂ und f_T1 und passenden Kunststoffen ergeben sich f_T2, n_1T1, n_2T1, n_1T2 und n_2T2. Mit den Gleichungen (3) und (4) werden ρ₁ und ρ₂ und somit die Krümmungsradien ermittelt.
Diese Anwendung eignet sich insbesondere für Empfangselemente 9, die als SPAD-Matrix ausgebildet sind. Dabei handelt es sich um eine Matrix aus Einzelphotonenlawinendioden. Die Einzelphotonenlawinendioden werden auch synonym als „Single Photon Avalanche Diode (SPAD)“ bezeichnet. Andere Bezeichnungen sind „Silicon Photomultiplier (SiPM)“, „Geigermode Avalanche Photon Diode“ oder „Single Photon Counting Diode“.
Einzelphotonenlawinendioden sind in Standard CMOS-Technologie realisierbare photoempfindliche Detektoren, die einfallende Photonen in Strompulse konvertieren. Einzelphotonenlawinendioden werden über eine Durchbruchspannung betrieben. Damit löst bereits ein einzelnes einfallendes Photon einen Lawineneffekt aus, der als Stromimpuls detektiert werden kann. Verstärkungsfaktoren von 10⁵ bis 10⁶ ermöglichen eine hohe Sensitivität und damit die Detektion einzelner Photonen.
Durch die gleichbleibende Lichtfleckgröße wird eine konstante Anzahl der Zellen der SPAD-Matrix und somit ein Teilbereich der gesamten SPAD-Matrix ausgeleuchtet. Dadurch können SPAD-Bereiche, die nicht vom Nutzlicht getroffen werden, ausgeblendet werden. Dadurch wird das System widerstandsfähiger gegen Fremdlicht und Dunkelrauschen der SPAD-Zellen. Gleichzeitig wird die Dynamik des Systems verbessert.

Claims

Temperaturinvariante Linsenkombination für einen Sensor, umfassend eine konvexe und eine konkave Kunststofflinse (2, 3), wobei die konvexe und die konkave Kunststofflinse (2, 3) abstandslos miteinander verbunden sind, wobei ein Material der konvexen Kunststofflinse (2) einen kleineren Brechungsindex (n) und eine betragsmäßig kleinere Temperaturdispersion dn/dT als ein Material der konkaven Kunststofflinse (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe und die konkave Kunststofflinse (2, 3) miteinander verklebt sind.
Linsenkombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Linsen eine torodiale Form aufweisen.
Linsenkombination nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Krümmungsradius einer ersten Oberfläche der konkaven Kunststofflinse (3) dem Krümmungsradius einer zweiten Oberfläche der konvexen Kunststofflinse (2) entspricht.
Linsenkombination nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe und die konkave Kunststofflinse (2, 3) miteinander verkittet, sind.
Linsenkombination nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der Temperaturdispersionen dn/dT der konvexen Kunststofflinse (2) zur konkaven Kunststofflinse (3) größer 0,1 ist.
Linsenkombination nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungsradien der konvexen und der konkaven Kunststofflinse (2, 3) mittels einer Optiksimulationssoftware optimiert sind.
Linsenkombination nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenkombination (1) zum Empfang oder Aussenden von Licht angeordnet ist.
Sensoreinheit, umfassend eine Linsenkombination (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenkombination (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Sensoreinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenkombination (1) auf einem, einen spezifischen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisenden Linsenträger (5) ortsfest zu einem Empfangselement (9) positioniert ist.
Sensoreinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Linsenträger (5) eine mechanische Aufnahme (6) für die Linsenkombination (1) aufweist und über mindestens ein mechanisches Verbindungselement (7) mit einer das ausgebildete Empfangselement (9) tragenden Leiterplatte (8) verbunden ist.
Sensoreinheit nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangselement (9) als SPAD-Matrix ausgebildet ist, wobei eine SPAD-Matrix eine Matrix aus Einzelphotonenlawinendioden ist.