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Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur Bilderfassung, umfassend wenigstens ein Bildaufnahmeelement, mit einer für elektromagnetische Strahlung sensitiven Fläche, und wenigstens ein Abbildungssystem, zur Projektion von elektromagnetischer Strahlung auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements.
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Für optische Vorrichtungen zur Bilderfassung, insbesondere Fahrzeugkameras, wird in der Regel ein Aufbau verwendet, umfassend ein Bildaufnahmeelement und ein Abbildungssystem. Das Abbildungssystem dient dabei zur Projektion von elektromagnetischer Strahlung aus einem Beobachtungsraum bzw. Objektraum auf das Bildaufnahmeelement. Das Bildaufnahmeelement dient zur Erfassung der von dem Abbildungssystem projizierten elektromagnetischen Strahlung und zur Erzeugung von Bildsignalen in Abhängigkeit der erfassten Strahlung.
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Bei der Herstellung derartiger optischer Vorrichtungen bzw. bei der Herstellung von Kameras, welche derartige optische Vorrichtungen umfassen, wird in der Fertigung ein Großteil der Durchlaufzeit für die Ausrichtung des Abbildungssystems zum Bildaufnahmeelement beansprucht, d.h. für die Positionierung und Ausrichtung des Abbildungssystems relativ zum Bildaufnahmeelement, insbesondere bezüglich eines oder mehrerer Freiheitsgrade im dreidimensionalen Raum, d.h. bezüglich der X-, Y- und/oder Z-Position und/oder bezüglich des Neigungs-, Gier- und/oder Rollwinkels (Drehung um die jeweilige Achse).
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Zudem sind die Werkzeuge und Maschinen, die zur Ausrichtung vom Abbildungssystem zum Bildaufnahmeelement eingesetzt werden, oftmals mit hohen Anschaffungs-, Betriebs- und Instandhaltungskosten verbunden.
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Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, den aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau von optischen Vorrichtungen zu verbessern. Es soll dabei insbesondere eine optische Vorrichtung angegeben werden, mittels derer der Ausrichtungs- bzw. Positionierungsaufwand von Abbildungssystem und Bildaufnahmeelement zueinander reduziert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine optische Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung dient zur Bilderfassung, insbesondere mit einer festen und/oder definierten Gegenstands- bzw. Objektweite, und umfasst wenigstens ein Bildaufnahmeelement, mit einer für elektromagnetische Strahlung sensitiven Fläche, und wenigstens ein Abbildungssystem, zur Projektion von elektromagnetischer Strahlung auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements.
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Bei dem Bildaufnahmeelement kann es sich beispielsweise um einen CCD- oder CMOS-Bildsensor handeln, welche üblicherweise eine sensitive Sensorfläche mit einer Vielzahl von Bildpunkte/Pixel bildenden Sensoren aufweisen, die spalten- und zeilenweise in Form einer Matrix angeordnet sind.
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Bei dem Abbildungssystem kann es sich beispielsweise um eine einzelnes Strahlformungs-/Strahllenkungselement handeln, insbesondere eine Linse, oder beispielsweise um ein Objektiv, insbesondere ein Gehäuse bzw. ein zylindrischer Gehäusekörper mit einem oder mehreren Strahlformungs-/Strahllenkungselementen, vorzugsweise mit wenigstens einer Linse oder einem Linsensystem.
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Das Abbildungssystem und das Bildaufnahmeelement sind bevorzugt in einer festen Ausrichtung zueinander angeordnet, insbesondere in einem definierten Abstand entlang einer gemeinsamen optischen Achse. Dabei ist das Abbildungssystem vorzugsweise in einer Fokusposition zum Abbildungssystem angeordnet, wobei es sich insbesondere um einen definierten Abstand von Abbildungssystem und Bildaufnahmeelement zueinander handelt, bei welchem durch das Abbildungssystem eine definierte Gegenstandsweite bildscharf auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements projiziert wird. Diese Fokusposition zwischen Abbildungssystem und Bildaufnahmeelement kann dabei mittels geeigneter Berechnung, beispielsweise anhand von Linsengleichungen, definiert sein.
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Soll mittels des Abbildungssystems eine große bzw. sehr weit entfernte Gegenstandsweite (Gegenstandsweite gegen unendlich) auf dem Bildaufnahmeelement abgebildet werden, dann sind das Abbildungssystem und das Bildaufnahmeelement vorzugweise derart zueinander positioniert, dass sich das Bildaufnahmeelement in einem Abstand bzw. in einer Bildweite zum Abbildungssystem befindet, welche der Brennweite des Abbildungssystems entspricht.
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Das Bildaufnahmeelement ist vorzugsweise auf einem Schaltungsträger angeordnet, beispielsweise auf einer starren oder flexiblen Leiterplatte.
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Das Abbildungssystem kann entweder ebenfalls direkt auf der Leiterplatte angeordnet sein, vorzugsweise oberhalb des Bildaufnahmeelements, sowie vorzugsweise mittels geeigneter Haltevorrichtungen bzw. Abstandshalter. Alternativ kann der Schaltungsträger mit dem Bildaufnahmeelement auch in einem Gehäuse angeordnet sein, beispielsweise ein Kameragehäuse, wobei das Gehäuse eine Aufnahme bzw. Haltevorrichtung für das Abbildungssystem aufweist. Im Rahmen der Erfindung sind aber grundsätzlich auch andere konstruktive Ausgestaltungen des optischen Systems bzw. andere mechanische Verbindungen zwischen Abbildungssystem und Bildaufnahmeelement denkbar und mit umfasst.
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Erfindungsgemäß sind das Abbildungssystem und das Bildaufnahmeelement derart ausgelegt, dass in einer Fokusposition des Abbildungssystems zum Bildaufnahmeelement, insbesondere in der vorangehend beschriebenen definierten Positionierung von Bildaufnahmeelement und Abbildungssystem zueinander, wenigstens eine Größe der Projektionsfläche des Abbildungssystems kleiner ist als wenigstens eine Größe der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements. Bei der Projektionsfläche des Abbildungssystems handelt es sich insbesondere um diejenige vom Abbildungssystem erzeugte Projektionsfläche, in dem Abstand im Bildraum, in welchem das Abbildungssystem in der definierten Fokusposition zum Bildaufnahmeelement angeordnet ist, insbesondere in der von der abzubildenden Gegenstandsweite definierten bzw. festgelegten Bildweite.
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Die Fokusposition ist im Wesentlichen abhängig von den Eigenschaften des Abbildungssystems und von der durch die optische Vorrichtung, insbesondere bildscharf, abzubildenden Gegenstandsweite. Bei optischen Vorrichtungen, die eine feste bzw. eine definierte Gegenstandsweite abbilden sollen, was insbesondere bei Kameras der Fall ist, die im Rahmen von Fahrerassistenzsystem in Fahrzeugen eingesetzt werden, lässt sich das erfindungsgemäße Größenverhältnis zwischen Projektionsfläche und sensitiver Fläche somit insbesondere durch eine Anpassung der Eigenschaften des Abbildungssystems und/oder durch eine Anpassung bzw. durch eine entsprechende Wahl der Größe der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements erreichen.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten optischen Systemen wird bislang immer eine vollständige bzw. möglichst vollständige Ausnutzung der sensitiven Flächen der Bildaufnahmeelemente angestrebt, insbesondere bei Vorrichtungen mit fester bzw. definierter Gegenstandsweite, so dass bei den bekannten optischen Vorrichtungen das Bildaufnahmeelement und das Abbildungssystem derart ausgelegt sind, dass in der Fokusposition des Abbildungssystems zum Bildaufnahmeelement die Größe der Projektionsfläche des Abbildungssystems möglichst weitgehend der Größe der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements entspricht. Eine solche, möglichst 100%-ige Ausnutzung der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements, bedingt jedoch, dass Toleranzen, insbesondere Toleranzen bei der Ausrichtung bzw. Positionierung von Bildaufnahmeelement und Abbildungssystem zueinander, aber beispielsweise auch Toleranzen zwischen Bildaufnahmeelement und Leiterplatte, dazu führen, dass ein Teil des Bildes nicht auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements projiziert wird, sondern daneben. Dies ist beispielsweise bei einer toleranzbedingten Parallelverschiebung von Abbildungssystem, bzw. dessen Projektionsfläche, und sensitiver Fläche zueinander der Fall.
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Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung hat demgegenüber den wesentlichen Vorteil, dass aufgrund des erfindungsgemäßen Größenverhältnisses zwischen der Projektionsfläche des Abbildungssystems und der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements, Toleranzen weigehend kompensiert werden können, insbesondere bei der Positionierung und Ausrichtung des Abbildungssystems in der Fokusposition zum Bildaufnahmeelement, sowie insbesondere betreffend eine toleranzbedingte Parallelverschiebung von Projektionsfläche zu sensitiver Fläche und/oder betreffend Toleranzen bezüglich der Neigungs-, Roll- und Gierwinkel von Abbildungssystem und Bildaufnahmeelement.
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Da bei der erfindungsgemäßen Lösung wenigstens eine Größe der Projektionsfläche kleiner ausgelegt ist als wenigstens eine Größe der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements, insbesondere kleiner als eine bezüglich der Raumrichtung korrespondierende Größe, wird auch bei einer vorangehend beschriebenen toleranzbedingten Abweichung das Bild, bezüglich der entsprechenden Raumrichtung, in der Regel noch vollständig, oder zumindest zu einem größeren Anteil, auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements projiziert. Daraus ergeben sich größere Toleranzbereiche sowie weniger Ausschuss bei der Fertigung, wodurch Durchlaufzeiten reduziert und Fertigungskosten gesenkt werden können.
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Sofern im Rahmen der Offenbarung der vorliegenden Erfindung nur von einer Ausrichtung, Positionierung oder Fokusposition des Abbildungssystems zum Bildaufnahmeelement oder umgekehrt, nur von einer Ausrichtung, Positionierung oder Fokusposition des Bildaufnahmeelements zum Abbildungssystem die Rede ist, ist für den Fachmann jeweils der umgekehrte Fall mit umfasst, da klar ist, dass es im Endeffekt um die Ausrichtung beider Komponenten zueinander geht.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die wenigstens eine Größe der Projektionsfläche und die wenigstens eine Größe der sensitiven Fläche bevorzugt derart ausgelegt, dass zumindest eine durch Ausrichtungstoleranzen bedingte Parallelverschiebung der Projektionsfläche zur sensitiven Fläche ausgeglichen wird, insbesondere bezüglich der entsprechenden Raumrichtung sowie vorzugsweise derart, dass auch im maximalen Toleranzbereich, d.h. bei maximaler Toleranz zwischen Ist-Position und Soll-Position, immer noch eine vollständige Abbildung der Projektionsfläche auf der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements erreicht wird, zumindest bezüglich der betroffenen Raumrichtung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Bildaufnahmeelement eine rechteckige sensitive Fläche und das Abbildungssystem eine kreisförmige Projektionsfläch auf, wobei es sich bei der wenigstens einen Größe der sensitiven Fläche um die kürzere oder längere Seitenlänge der sensitiven Fläche und bei der wenigstens einen Größe der Projektionsfläche um den Durchmesser der Projektionsfläche handelt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Bildaufnahmeelement eine quadratische sensitive Fläche und das Abbildungssystem eine kreisförmige Projektionsfläche auf, wobei es sich bei der wenigstens einen Größe der sensitiven Fläche um die Seitenlänge der sensitiven Fläche und bei der wenigstens einen Größe der Projektionsfläche um den Durchmesser der Projektionsfläche handelt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Bildaufnahmeelement eine rechteckige sensitive Fläche und das Abbildungssystem eine ellipsenförmige Projektionsfläche auf, wobei es sich bei der wenigstens einen Größe der sensitiven Fläche um die kürzere und/oder die längere Seitenlänge der sensitiven Fläche und bei der wenigstens einen Größe der Projektionsfläche um den kleinsten und/oder größten Durchmesser der Projektionsfläche handelt, wobei der größte Durchmesser der Projektionsfläche kleiner ist als die längere Seitenlänge der sensitiven Fläche und/oder wobei der kleinste Durchmesser der Projektionsfläche kleiner ist als die kürzere Seitenlänge der sensitiven Fläche.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich bei der wenigstens einen Größe der Projektionsfläche um den Flächeninhalt der Projektionsfläche und bei der wenigstens einen Größe der sensitiven Fläche um den Flächeninhalt der sensitiven Fläche.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die wenigstens eine Größe der Projektionsfläche mindestens 5%, 10%, 15% oder 25% kleiner ausgelegt, als die wenigstens eine Größe der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements, insbesondere betreffend die bezüglich der Raumrichtung korrespondierende Größe.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kamera, die eine optische Vorrichtung nach einer der vorangegangenen Ausgestaltungen umfasst, ein Fahrerassistenzsystem, umfassend die erfindungsgemäße optische Vorrichtung oder die erfindungsgemäße Kamera, sowie ein Fahrzeug, umfassend die erfindungsgemäße Kamera oder das erfindungsgemäße Fahrerassistenzsystem.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie anhand von schematischen Figuren näher erläutert.
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Die Erfindung ist dabei nicht auf das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können hieraus auch andere Varianten der Erfindung vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Es zeigen
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1 eine bevorzugte Ausgestaltung der erfin dungsgemäßen optischen Vorrichtung; und
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2a und 2b das Bildaufnahmeelement der optischen Vorrichtung aus 1 in der Draufsicht, mit dessen sensitiver Fläche und der Projektionsfläche des Abbildungssystems.
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1, sowie die 2a und 2b, zeigen schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Bildaufnahmeelement 2, das auf einer Leiterplatte 3 angeordnet ist und mit einer für elektromagnetische Strahlung sensitiven Fläche 4 (gestrichelt) ausgebildet ist. Die Vorrichtung 1 umfasst weiterhin ein Abbildungssystem 5 mit einer optischen Achse 9, bei dem es sich im dargestellten Fall um ein Objektiv handelt, und das zur Projektion 6 von elektromagnetischer Strahlung auf die sensitive Fläche 4 des Bildaufnahmeelements 2 dient.
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Die Leiterplatte 3 mit dem Bildaufnahmeelement 2 ist in einem Gehäuse 7 der optischen Vorrichtung 1 angeordnet. Das Gehäuse 7 umfasst eine Aufnahme, in der das Abbildungssystem 5 angeordnet ist. Die Aufnahme ist dabei in 1 vereinfacht als Öffnung im Gehäuse 7 dargestellt. Das Abbildungssystem 5 ist derart ausgebildet, insbesondere mit geeigneten Strahlformungs-/Strahllenkungselementen, wie beispielsweise Linsen, sowie derart in der Aufnahme positioniert und gegenüber dem Bildaufnahmeelement 2 bzw. dessen sensitiver Fläche 4 ausgerichtet, so dass eine definierte Gegenstandsweite bildscharf auf die sensitive Fläche 4 des Bildaufnahmeelements 2 projiziert wird. Die Position bzw. Ausrichtung des Abbildungssystems gegenüber dem Bildaufnahmeelement 2 ist vorzugsweise vorab definiert, insbesondere in Abhängigkeit der auf dem Bildaufnahmeelement 2 abzubildenden Gegenstandsweite sowie in Abhängigkeit der optischen Eigenschaften des Abbildungssystems 5. Bei der vorab definierten Position bzw. Ausrichtung handelt es sich im Rahmen der Erfindung insbesondere um eine definierte Fokusposition.
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Bei der Positionierung und Ausrichtung des Abbildungssystems 5 gegenüber dem Bildaufnahmeelement, insbesondere in der definierten Fokusposition, existieren gewisse Ausrichtungstoleranzen, insbesondere bezüglich mehrerer Freiheitsgrade. Bei diesen Freiheitsgraden kann es sich um eine Verschiebung in X-, Y- und/oder Z-Richtung gegenüber der definierten Fokusposition, sowie alternativ oder zusätzlich um eine Drehung um die X, Y und/oder Z-Achse handeln, d.h. um eine Roll-, Gier- und Neigungswinkelabweichung gegenüber der definierten Fokusposition.
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Gemäß den 2a und 2b, welche das Bildaufnahmeelement 2 aus 1 in der vertikalen Draufsicht (Z-Richtung) zeigen, weist das Bildaufnahmeelement 2 eine rechteckige sensitive Fläche 4 auf, beispielsweise im Format 4:3 oder 16:9. Wie ebenfalls dargestellt, erzeugt das Abbildungssystem 5 eine kreisförmige Projektionsfläche 8.
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Bei dem in 1, sowie in den 2a und 2b, dargestellten Ausführungsbeispiel, insbesondere um toleranzbedingte Abweichungen zumindest betreffend eine Parallelverschiebung zwischen Abbildungssystem 5 und Bildaufnahmeelement 2 ausgleichen zu können, bzw. eine Parallelverschiebung der Projektionsfläche 8 gegenüber der sensitiven Fläche 4, in dargestellten Fall in Y-Richtung, sind das Abbildungssystem 5 und das Bildaufnahmeelement 2, wie dargestellt, erfindungsgemäß derart ausgelegt, dass in der Fokusposition des Abbildungssystems 5 zum Bildaufnahmeelement 2, wenigstens eine Größe der Projektionsfläche 8 des Abbildungssystems 5 kleiner ist, als wenigstens eine Größe der sensitiven Fläche 4 des Bildaufnahmeelements 2.
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Bei der wenigstens einen Größe der Projektionsfläche 8 des Abbildungssystems handelt es sich im dargestellten Fall um den Durchmesser der Projektionsfläche 8. Bei der wenigstens einen Größe der sensitiven Fläche 4 des Bildaufnahmeelements 2 handelt es sich im dargestellten Fall um die längere Seitenlänge (Länge in Y-Richtung) der sensitiven Fläche 4. Hierdurch kann, wie in 2b dargestellt, eine Parallelverschiebung der Projektionsfläche 8 zur sensitiven Fläche 4 in Y-Richtung ausgeglichen werden. Weiterhin könnte, bei dem dargestellten Fall, insbesondere auch eine Verkippung bzw. Drehung des Abbildungssystems 5 um die X-Achse kompensiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Größenunterschied zwischen der wenigstens einen Größe der Projektionsfläche 8 und der wenigstens einen Größe der sensitiven Fläche 4 des Bildaufnahmeelements 2 in Abhängigkeit bekannter Fertigungstoleranzen ausgestaltet. Handelt es sich bei dem Bildaufnahmeelement 2 beispielsweise um ein 1/2-Zoll CMOS- oder CCD-Sensor, mit einer sensitiven Fläche 4 der Größe 6,4 × 4,8 mm (4:3), und beträgt die Ausrichtungstoleranz in positiver und negativer Y-Richtung (Parallelverschiebung) jeweils 0,5mm, dann wird, bei einer kreisförmigen Projektionsfläche 8 des Abbildungssystems 5, das Abbildungssystem 5 vorzugsweise derart ausgebildet, dass der Durchmesser der Projektionsfläche 8 in der Fokusposition eine Größe von 5,4mm beträgt, so dass der Durchmesser der Projektionsfläche 8 um etwa 15% kleiner ist als die längere Seitenlänge der sensitiven Fläche 4.
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Je nach Ausmaß der Toleranzen bei der Positionierung und Ausrichtung des Abbildungssystems 5 gegenüber dem Bildaufnahmeelement 2 bzw. dessen sensitiver Fläche 4, können bei der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung 1 unterschiedliche Größenverhältnisse zwischen der wenigstens einen Größe der Projektionsfläche 8 und der wenigstens einen Größe der sensitiven Fläche 4 des Bildaufnahmeelements 2 gewählt sein, beispielsweise mit einer Abweichung von 5, 10, 15 oder 25%. Je größer die Abweichung, desto größere Toleranzen lassen sich kompensieren.
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Zudem können je nach Form der Projektionsfläche 8 des Abbildungssystems 5, beispielsweise elliptisch, rechteckig oder quadratisch, und je nach Form der sensitiven Fläche 4 des Bildaufnahmeelements 2, im Rahmen der Erfindung auch mehrere Größen der Projektionsfläche 8, bezogen auf eine definierte Fokusposition, kleiner ausgestaltet sein, als eine oder mehrere Größen der sensitiven Fläche 4 des Bildaufnahmeelements 2, vorzugsweise jeweils bezüglich der Raumrichtung korrespondierende Größen, insbesondere um dadurch möglichst viele Toleranzen bezüglich der verschiedenen Freiheitsgrade bei der Positionierung und Ausrichtung des Abbildungssystems 5 kompensieren zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009056658 A1 [0003]
- DE 102009056659 A1 [0003]
- DE 112010004616 A5 [0003]
- DE 112010005015 A5 [0003]
