DE102019131001B3 - Lens, use of a lens and measuring system - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein Hybrid-Objektiv mit fester Brennweite, welches vier Linsen umfasst. Zwei Linsen bestehen aus Glas und zwei Linsen aus Kunststoff. Das Objektiv ist zur Verwendung in einem LIDAR- Messsystem geeignet.The invention includes a hybrid fixed focal length lens comprising four lenses. Two lenses are made of glass and two lenses are made of plastic. The lens is suitable for use in a LIDAR measuring system.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft ein Objektiv mit einer festen Brennweite. Ein solches Objektiv ist insbesondere zur Verwendung in einem Messsystem zu einer Laufzeitdetektion eines Lichtstrahls (LIDAR) geeignet. LIDAR ist die Abkürzung für englisch light detection and ranging. LIDAR Objektive arbeiten meist in einem sehr kleinen Wellenlängenbereich im nahen Infrarot, typischerweise 800-2000nm Wellenlänge. Zur Beleuchtung werden oft Laser verwendet. Die Objektive müssen in diesem Fall die geringe Bandbreite der Laserquelle sowie eine eventuell auftretende Drift der Wellenlänge mit der Temperatur ausgleichen können.The invention relates to an objective with a fixed focal length. Such an objective is particularly suitable for use in a measuring system for transit time detection of a light beam (LIDAR). LIDAR is the abbreviation for light detection and ranging. LIDAR lenses mostly work in a very small wavelength range in the near infrared, typically 800-2000nm wavelength. Lasers are often used for lighting. In this case, the lenses must be able to compensate for the narrow bandwidth of the laser source and any drift in the wavelength with the temperature.

Stand der TechnikState of the art

Aus WO 2017/180277 A1 ist ein Sensor mit einem SPAD Array bekannt. Das SPAD Array kann Avelance Photodioden (APD) umfassen sowie Bipolar- oder Feldeffekttransistoren, um zeilenweise eine Vorspannung (Bias) zu aktivieren.Out WO 2017/180277 A1 a sensor with a SPAD array is known. The SPAD array can comprise avelance photodiodes (APD) as well as bipolar or field effect transistors in order to activate a bias line by line.

Aus CN 205829628 U ist ein LIDAR- System mit einem VCSEL Array und einem SPAD Array bekannt.Out CN 205829628 U a LIDAR system with a VCSEL array and a SPAD array is known.

Aus WO2017/164989 A1 ist ein integriertes Beleuchtungs-und Detektionssystem für eine LIDAR basierte dreidimensionale Bildaufnahme bekannt. Es wird ein Objektiv mit vier Linsen vorgeschlagen. Zur Beleuchtung wird eine gepulste Laser- Lichtquelle vorgeschlagen. In einer Ausführungsform wird ein Array von mehreren LIDAR Messgeräten, bestehend aus Laseremittern und Detektoren, verwendet. Ein solches Vorgehen ist jedoch sehr aufwendig.Out WO2017 / 164989 A1 an integrated lighting and detection system for LIDAR-based three-dimensional image recording is known. An objective with four lenses is proposed. A pulsed laser light source is proposed for illumination. In one embodiment, an array of several LIDAR measuring devices, consisting of laser emitters and detectors, is used. However, such a procedure is very complex.

Aus WO2016/204844 A1 ist ein LIDAR System mit elektrisch verstellbaren Lichtdirektionselementen bekannt.Out WO2016 / 204844 A1 a LIDAR system with electrically adjustable light direction elements is known.

Aus US 2016/0161600 A1 ist ein LIDAR-System mit einem SPAD-Array als Detektor bekannt. Zur Beleuchtung werden Laserstrahlen verwendet, die mittels integrierter photonischer Schaltkreise unter Verwendung optischer Phasenarrays gesteuert werden.Out US 2016/0161600 A1 a LIDAR system with a SPAD array as a detector is known. Laser beams are used for illumination, which are controlled by means of integrated photonic circuits using optical phase arrays.

Aus WO2015/189024 A1 ist ein Fahrzeug- LIDAR System bekannt mit einem Festkörperlaser und einem auslenkbaren Spiegel.Out WO2015 / 189024 A1 a vehicle LIDAR system is known with a solid-state laser and a deflectable mirror.

Aus WO2015/189025 A1 ist ein Fahrzeug- LIDAR System bekannt mit einem Impulslaser und einem auslenkbaren Spiegel und einem CMOS- Bildsensor.Out WO2015 / 189025 A1 a vehicle LIDAR system is known with a pulse laser and a deflectable mirror and a CMOS image sensor.

Aus WO 2015/126471 A2 ist eine LIDAR Vorrichtung bekannt mit einem Array von Emitter/Detektor-Einheiten.Out WO 2015/126471 A2 a LIDAR device is known with an array of emitter / detector units.

Aus US 2007/0181810 A1 ist ein Fahrzeug- LIDAR System bekannt mit einem VCSEL Array zur Beleuchtung.Out US 2007/0181810 A1 a vehicle LIDAR system is known with a VCSEL array for lighting.

Aus US 2014/0049842 A1 ist ein Abbildungsobjektiv mit vier Linsen bekannt, welches für Kameras in Fahrzeugen oder zur Überwachung verwendet werden kann. Nachteilig ist, dass die Abbildungseigenschaften temperaturabhängig sein können, wenn man zwei der Linsen aus kostengünstigem Kunststoff ausführt.Out US 2014/0049842 A1 an imaging objective with four lenses is known which can be used for cameras in vehicles or for surveillance. The disadvantage is that the imaging properties can be temperature-dependent if two of the lenses are made from inexpensive plastic.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines kostengünstigen lichtstarken, über einen weiten Temperaturbereich betreibbaren Objektivs mit möglichst guter bildseitiger Telezentrie und geringer F-Theta Verzeichnung.The object of the invention is to provide an inexpensive, bright lens which can be operated over a wide temperature range and has the best possible image-side telecentricity and low F-theta distortion.

Insbesondere soll das Objektiv für LIDAR- Systeme mit Detektorarrays, beispielsweise SPAD-Arrays, geeignet sein. Insbesondere soll das Objektiv für LIDAR-Systeme ohne bewegliche Teile geeignet sein. Außerdem kann das Objektiv als Abbildungsobjektiv oder als Projektionsobjektiv geeignet sein.In particular, the objective should be suitable for LIDAR systems with detector arrays, for example SPAD arrays. In particular, the objective should be suitable for LIDAR systems without moving parts. In addition, the lens can be suitable as an imaging lens or as a projection lens.

Lösung der AufgabeSolution of the task

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Objektiv nach Anspruch 1, eine Verwendung nach Anspruch 10 und ein Messsystem nach Anspruch 11.The object is achieved by an objective according to claim 1, a use according to claim 10 and a measuring system according to claim 11.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das Objektiv ist kostengünstig herzustellen und besonders geeignet für LIDAR- Anwendungen. Es zeichnet sich durch eine passive Athermalisierung, hohe Lichtstärke, gute bildseitige Telezentrie und geringe F-Theta Verzeichnung aus. Es kann als Abbildungsobjektiv oder als Projektionsobjektiv auch für andere Anwendungen geeignet sein.The lens is inexpensive to manufacture and particularly suitable for LIDAR applications. It is characterized by passive athermalization, high light intensity, good telecentricity on the image side and low F-theta distortion. It can also be suitable for other applications as an imaging lens or as a projection lens.

Beschreibungdescription

Ein erfindungsgemäßes Objektiv weist eine feste Brennweite F auf. Es umfasst wenigstens eine erste Linse (5) mit einer ersten Brennweite f1 aus einem ersten Kunststoff, eine zweite Linse mit einer zweiten Brennweite f2 aus einem zweiten Kunststoff, eine dritte Linse mit einer dritten Brennweite f3 aus einem ersten Glas und eine vierte Linse mit einer vierten Brennweite f4 aus einem zweiten Glas. Die Indices der Brennweiten sind entsprechend der Nummer der jeweiligen Linse gewählt. Der Kehrwert einer jeden Brennweite ist bekanntermaßen deren Brechkraft. Somit kann jeder der Linsen eine Brechkraft zugeordnet werden.An objective according to the invention has a fixed focal length F. It includes at least a first lens ( 5 ) with a first focal length f 1 made of a first plastic, a second lens with a second focal length f 2 made of a second plastic, a third lens with a third focal length f 3 made of a first glass and a fourth lens with a fourth focal length f 4 a second glass. The indices of the focal lengths are selected according to the number of the respective lens. As is known, the reciprocal of each focal length is its refractive power. A refractive power can thus be assigned to each of the lenses.

Erfindungsgemäß sind die Brechkraft D3=1/f3 der dritten Linse positiv und die Brechkraft D4=1/f4 der vierten Linse ebenfalls positiv.According to the invention, the refractive power D 3 = 1 / f 3 of the third lens is positive and the refractive power D 4 = 1 / f 4 of the fourth lens is also positive.

Erfindungsgemäß sind die Brennweiten so gewählt, dass die Beträge der Brennweiten |f1| der ersten Linse und |f2| der zweiten Linse mehr als das 7 fache der Brennweite F des Objektivs betragen und/oder der Betrag der Summe der Brechkräfte |D1+D2| aus der Brechkraft D1=1/f1 der ersten Linse und der Brechkraft D2=1/f2 der zweiten Linse weniger als das 0,125 fache der Brechkraft D=1/Fdes Objektivs beträgt. Erstere Bedingung kann man folgendermaßen ausdrücken: |f1|>7F und |f2|>7F. Zweitere Bedingung kann man folgendermaßen ausdrücken: |1/f1+1/f2|<0,125/F. Erfindungsgemäß ist wenigstens eine dieser Bedingungen erfüllt. Vorteilhaft können die Brennweiten so gewählt werden, dass beide Bedingungen erfüllt sind. Dann kann eine besonders gute passive Athermalisierung des Objektivs erreicht werden.According to the invention, the focal lengths are chosen such that the magnitudes of the focal lengths | f 1 | of the first lens and | f 2 | of the second lens are more than 7 times the focal length F of the lens and / or the amount of the sum of the refractive powers | D 1+ D 2 | from the refractive power D 1 = 1 / f 1 of the first lens and the refractive power D 2 = 1 / f 2 of the second lens is less than 0.125 times the refractive power D = 1 / F of the objective. The first condition can be expressed as follows: | f 1 |> 7F and | f 2 |> 7F. The second condition can be expressed as follows: | 1 / f 1 + 1 / f 2 | <0.125 / F. According to the invention, at least one of these conditions is met. The focal lengths can advantageously be chosen so that both conditions are met. A particularly good passive athermalization of the lens can then be achieved.

Als Brennweite einer Linse kann die Brennweite bezüglich paraxialer (im Sinne von achsennaher) Strahlen in einem äußeren Medium der Brechzahl 1 verstanden werden.The focal length of a lens can be the focal length with respect to paraxial (in the sense of on-axis) rays in an external medium of the refractive index 1 be understood.

Erfindungsgemäß weisen die erste Linse und die zweite Linse zusammen wenigstens zwei asphärische Flächen auf. Vorteilhaft können die erste Linse und/oder die zweite Linse als biasphärische Linsen ausgebildet sein, besonders vorteilhaft beide genannte Linsen.According to the invention, the first lens and the second lens together have at least two aspherical surfaces. The first lens and / or the second lens can advantageously be designed as biaspherical lenses, particularly advantageously both of the lenses mentioned.

Unter einer asphärischen Linse kann man eine Linse mit wenigstens einer asphärischen optischen Fläche bezeichnen. Die erste Linse kann auch als biasphärische Linse ausgebildet sein. Unter einer biasphärischen Linse kann man eine Linse verstehen, die zwei gegenüberliegende asphärische optische Flächen ausweist. Die erste Linse kann wenigstens eine Freiformfläche aufweisen.An aspherical lens can be a lens with at least one aspherical optical surface. The first lens can also be designed as a biaspherical lens. A biaspherical lens can be understood as a lens that has two opposing aspherical optical surfaces. The first lens can have at least one free-form surface.

Vorteilhaft können die dritte Linse und die vierte Linse als sphärische Linsen ausgebildet sein. Unter einer sphärischen Linse kann man eine Linse verstehen, die zwei gegenüberliegende sphärische optische Flächen ausweisen. Eine sphärische Linse kann man auch als bisphärische Linse bezeichnen. Eine der sphärischen Flächen kann eine Planfläche sein. Eine Planfläche kann man als sphärische Fläche mit einem unendlichen Krümmungsradius auffassen.The third lens and the fourth lens can advantageously be designed as spherical lenses. A spherical lens can be understood to be a lens that has two opposing spherical optical surfaces. A spherical lens can also be called a bispherical lens. One of the spherical surfaces can be a plane surface. A plane surface can be understood as a spherical surface with an infinite radius of curvature.

Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, wenn die dritte Linse und die vierte Linse als sphärische Linsen, die erste und die zweite Linse als asphärische Linsen, d.h. mit wenigstens jeweils einer asphärischen Fläche ausgebildet sind. Besonders vorteilhaft kann die erste Linse als biasphärische Linse ausgebildet sein. Ganz besonders vorteilhaft können sowohl die erste Linse als auch die zweite Linse als biasphärische Linsen ausgebildet sein.It can also be advantageous if the third lens and the fourth lens are spherical lenses, and the first and second lenses are aspherical lenses, i. are each formed with at least one aspherical surface. The first lens can particularly advantageously be designed as a biaspherical lens. Both the first lens and the second lens can very particularly advantageously be designed as biaspherical lenses.

Vorteilhaft können im Strahlengang nacheinander in einer z Richtung die erste Linse, die zweite Linse, die dritte Linse und die vierte Linse angeordnet sein. In der z Richtung nach der vierten Linse kann die Bildebene des Objektivs angeordnet sein. Vor der ersten Linse kann eine Objektebene angeordnet sein. Dann kann das Objektiv ein Abbildungsobjektiv sein. Ein Bildsensor zur Aufnahme eines Bildes oder ein Matrixsensor zur Laufzeitdetektion von Lichtstrahlen kann im Strahlengang nach der vierten Linse, vorteilhaft in der Bildebene des Objektivs, angeordnet sein. Die Lichtstrahlen können sich vom Objekt zur Bildebene mit einer Komponente in z Richtung ausbreiten.The first lens, the second lens, the third lens and the fourth lens can advantageously be arranged one after the other in a z direction in the beam path. The image plane of the objective can be arranged in the z direction after the fourth lens. An object plane can be arranged in front of the first lens. Then it can Lens be an imaging lens. An image sensor for recording an image or a matrix sensor for detecting the transit time of light beams can be arranged in the beam path after the fourth lens, advantageously in the image plane of the objective. The light rays can propagate from the object to the image plane with a component in the z direction.

Ebenfalls vorteilhaft können im Strahlengang in einer -z Richtung nacheinander eine Lichtquelle, die vierte Linse, die dritte Linse, die zweite Linse und in die erste Linse angeordnet sein. Dann kann das Objektiv zum Beleuchten von Objekten oder Szenen verwendet werden, die sich in der -z Richtung von der ersten Linse angeordnet sind. Die Lichtstrahlen können sich von der Lichtquelle mit einer Komponente in -z Richtung zu dem zu beleuchtenden Objekt bzw. der Szene ausbreiten. Unter einer Szene kann man eine Anzahl von Objekten verstehen, die in einem bestimmten Raumwinkelbereich detektiert und/oder beleuchtet werden sollen.A light source, the fourth lens, the third lens, the second lens and in the first lens can likewise advantageously be arranged one after the other in a -z direction in the beam path. Then the lens can be used to illuminate objects or scenes that are located in the -z direction from the first lens. The light rays can propagate from the light source with a component in the -z direction to the object to be illuminated or the scene. A scene can be understood as a number of objects that are to be detected and / or illuminated in a specific solid angle range.

Vorteilhaft kann zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse eine Blende angeordnet sein. Die Blende kann eine Öffnung in einem Blendenbauteil sein. Das Blendenbauteil kann ringförmig ausgebildet sein. Das Blendenbauteil kann gleichzeitig als Abstandshalter zwischen der zweiten und der dritten Linse ausgebildet sein. Durch diese Wahl der Blendenebene zwischen der ersten und der zweiten Linse können der Telezentriefehler und/ oder die Verzeichnung verringert werden und/oder die Vignettierung minimiert oder vermieden werden.
Vorteilhaft kann von der ersten Linse und der zweiten Linse eine Linse eine positive Brechkraft und die andere Linse eine negative Brechkraft aufweisen. Besonders vorteilhaft kann die erste Linse eine negative Brechkraft und die zweite Linse eine positive Brechkraft aufweisen.
A diaphragm can advantageously be arranged between the first lens and the second lens. The screen can be an opening in a screen component. The screen component can be designed in an annular manner. The screen component can simultaneously be designed as a spacer between the second and the third lens. Through this choice of the diaphragm plane between the first and the second lens, the telecentricity error and / or the distortion can be reduced and / or the vignetting can be minimized or avoided.
Of the first lens and the second lens, one lens can advantageously have a positive refractive power and the other lens can have a negative refractive power. The first lens can particularly advantageously have a negative refractive power and the second lens a positive refractive power.

Vorteilhaft kann die erste Linse eine konkave und eine konvexe optische Fläche aufweisen und in die z Richtung können nacheinander die konkave Fläche und die konvexe Fläche angeordnet sein. Im Falle eines Abbildungsobjektivs kann also die konkave Fläche die objektseitige Fläche der ersten Linse sein bzw. die lichteintrittsseitige Fläche des Objektivs. Im Falle eines Projektionsobjektivs kann also die konkave Fläche die der Lichtquelle abgewandte Fläche der ersten Linse sein bzw. die lichtaustrittsseitige Fläche des Objektivs. Die konkave, bezüglich des Objektivs außenliegende, Fläche der ersten Linse kann den Vorteil haben, dass die Fläche nicht so leicht verschmutzt oder zerkratzt werden kann im Vergleich zu einer außenliegenden konvexen Fläche. Außerdem lässt sie sich leichter putzen.The first lens can advantageously have a concave and a convex optical surface, and the concave surface and the convex surface can be arranged one after the other in the z direction. In the case of an imaging lens, the concave surface can be the surface of the first lens on the object side or the surface of the lens on the light entry side. In the case of a projection lens, the concave surface can be the surface of the first lens facing away from the light source or the surface of the lens on the light exit side. The concave surface of the first lens which is on the outside with respect to the objective can have the advantage that the surface cannot be so easily soiled or scratched in comparison to an outside convex surface. It is also easier to clean.

Vorteilhaft kann die zweite Linse eine konkave und eine konvexe optische Fläche aufweisen und in z Richtung nacheinander die konvexe Fläche und die konkave Fläche angeordnet sein. The second lens can advantageously have a concave and a convex optical surface and the convex surface and the concave surface can be arranged one after the other in the z direction.

Im Zusammenwirken mit der vorgenannten Ausbildung der ersten Linse kann das für die optische Qualität des Objektivs von Vorteil sein.In cooperation with the aforementioned design of the first lens, this can be advantageous for the optical quality of the lens.

Vorteilhaft kann die vierte Linse eine konkave und eine konvexe optische Fläche aufweisen. Vorteilhaft können in der z Richtung nacheinander die konvexe Fläche und die konkave Fläche angeordnet sein. Die konkave Fläche kann also der Bildebene im Falle eines Abbildungsobjektivs oder der Lichtquelle im Falle eines Projektionsobjektivs zugewandt sein.The fourth lens can advantageously have a concave and a convex optical surface. The convex surface and the concave surface can advantageously be arranged one after the other in the z direction. The concave surface can therefore face the image plane in the case of an imaging lens or the light source in the case of a projection lens.

Das Objektiv kann vorteilhaft eine Brennweite F zwischen 7mm und 20mm aufweisen.The objective can advantageously have a focal length F between 7 mm and 20 mm.

Das erste Glas und das zweite Glas können verschiedene Gläser sein. Das erste und das zweite Glas können sich in der thermischen Ausdehnung und/oder im Brechungsindex und/oder in der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex unterscheiden. Alternativ ist es aber auch vorteilhaft möglich, die gleiche Glassorte als erstes und als zweites Glas zu verwenden. Dafür können optische Gläser wie BK7 oder Borsilikatglas verwendet werden. Besonders geeignet können hochbrechende Gläser, beispielsweise dichte Flintgläser (SF-Gläser), Lathanum-haltige Flint- oder Krongläser (beispielsweise LaF, LaSF oder LaK Gläser) oder Barium-haltige Flint- oder Krongläser sein (beispielsweise BaF oder BaSF oder BaK Gläser). Vorteilhaft können für beide Gläser einen Brechungsindex von mehr als 1,8 aufweisen. Das erste und zweite Glas können hochbrechende Lathanium- Flintgläser sein. Vorteilhaft kann die gleiche Glassorte als erstes und zweites Glas verwendet werden.The first glass and the second glass can be different glasses. The first and the second glass can differ in the thermal expansion and / or in the refractive index and / or in the temperature dependence of the refractive index. Alternatively, however, it is also advantageously possible to use the same type of glass as the first and second glass. Optical glasses such as BK7 or borosilicate glass can be used for this. Highly refractive glasses, for example dense flint glasses (SF glasses), lathanum-containing flint or crown glasses (for example LaF, LaSF or LaK glasses) or barium-containing flint or crown glasses (for example BaF or BaSF or BaK glasses) can be particularly suitable. Both glasses can advantageously have a refractive index of more than 1.8. The first and second glasses can be high index Lathanium flint glasses. The same type of glass can advantageously be used as the first and second glass.

Der erste Kunststoff und der zweite Kunststoff können verschiedene Kunststoffe sein. Der erste und der zweite Kunststoff können sich in der thermischen Ausdehnung und/oder im Brechungsindex und/oder in der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex unterscheiden. Alternativ ist es aber auch möglich und u.U. sogar besonders vorteilhaft, die gleiche Kunststoffsorte als ersten und als zweiten Kunststoff zu verwenden. Unter einem Kunststoff kann man ein Polymer verstehen. Besonders vorteilhaft kann ein transparentes, d.h. ein durchsichtiges Polymer sein. Besonders geeignet können Polycarbonat, COP, Zeonex, COC (Topas) oder OKP sein. Ebenfalls geeignet kann PMMA sein.The first plastic and the second plastic can be different plastics. The first and the second plastic can differ in the thermal expansion and / or in the refractive index and / or in the temperature dependence of the refractive index. Alternatively, however, it is also possible, and in some cases even particularly advantageous, to use the same type of plastic as the first and second plastic. A plastic can be understood as a polymer. A transparent, ie be a clear polymer. Polycarbonate, COP, Zeonex, COC (Topas) or OKP can be particularly suitable. PMMA can also be suitable.

Das Objektiv kann eine optische Achse aufweisen. Die optische Achse kann als z-Achse bezeichnet werden.The objective can have an optical axis. The optical axis can be referred to as the z-axis.

Das erfindungsgemäße Objektiv umfasst vier Linsen. Vorteilhaft kann es genau vier Linsen umfassen. Außerdem kann es weitere Elemente, beispielweise Ringblende, Filter, Polarisator etc. umfassen. Gegenüber Objektiven mit mehr als vier Linsen ist das erfindungsgemäße Objektiv billiger herzustellen. Vorteilhaft können die weiteren Elemente ohne Brechkraft, d.h. ohne Krümmung der optischen Grenzflächen ausgeführt sein.The objective according to the invention comprises four lenses. It can advantageously include exactly four lenses. In addition, it can comprise further elements, for example a ring diaphragm, filter, polarizer, etc. The objective according to the invention is cheaper to manufacture compared to objectives with more than four lenses. The further elements can advantageously be used without refractive power, i. E. be designed without curvature of the optical interfaces.

Vorteilhaft kann das Objektiv bildseitig annähernd telezentrisch ausgebildet sein. Darunter kann man verstehen, dass der bildseitige Telezentriefehler weniger als 5° beträgt, besonders vorteilhaft weniger als 3°, ganz besonders vorteilhaft weniger als 1°. Im Idealfall kann man einen Telezentriefehler von weniger als 0,7° erreichen. Diese Ausbildung des Objektivs kann besonders vorteilhaft sein, wenn zwischen der vierten Linse und der Bildebene ein Filter, beispielsweise ein Bandpassfilter, angeordnet ist. Eine derartige vorteilhafte Anordnung kann außerdem einen Bildsensor zur Bildaufnahme oder ein Matrixsensor zur Laufzeitdetektion eines Lichtstrahls umfassen, der in der der Bildebene angeordnet sein kann. Bei einer solchen Anordnung von dem Objektiv und dem Filter kann eine Inhomogenität der Ausleuchtung der Bildebene infolge unterschiedlicher Einfallswinkel auf das Filter vermieden werden. Die Anforderungen an den Winkelakzeptanzbereich des Filters können im Vergleich zu einem nicht telezentrischen Objektiv reduziert sein. Dadurch kann das Filter kostengünstiger sein. Unter einem bildseitigen Telezentriefehler kann man die Winkelabweichung zwischen der optischen Achse und den Hauptstrahlen zwischen der letzten Linse und dem Bildsensor verstehen. Als Hauptstrahlen können dabei die Strahlen bezeichnet werden, die in der Blendenebene einen Schnittpunkt mit der optischen Achse haben. Falls keine Blende vorhanden ist, können als Hauptstrahlen die Strahlen mit dem mittleren Winkel bezüglich der jeweils an einem bestimmten Punkt auf die Bildebene treffenden Strahlenbündel angenommen werden.The lens can advantageously be designed to be approximately telecentric on the image side. This can be understood to mean that the image-side telecentricity error is less than 5 °, particularly advantageously less than 3 °, very particularly advantageously less than 1 °. Ideally, a telecentricity error of less than 0.7 ° can be achieved. This design of the objective can be particularly advantageous if a filter, for example a bandpass filter, is arranged between the fourth lens and the image plane. Such an advantageous arrangement can also comprise an image sensor for image recording or a matrix sensor for detection of the transit time of a light beam, which can be arranged in the image plane. With such an arrangement of the objective and the filter, an inhomogeneity of the illumination of the image plane as a result of different angles of incidence on the filter can be avoided. The requirements for the angle acceptance range of the filter can be reduced in comparison to a non-telecentric lens. This can make the filter less expensive. An image-side telecentricity error can be understood as the angular deviation between the optical axis and the main rays between the last lens and the image sensor. The rays that intersect with the optical axis in the diaphragm plane can be referred to as main rays. If there is no diaphragm, the main rays can be assumed to be the rays with the mean angle with respect to the ray bundles that strike the image plane at a specific point.

Das Objektiv kann vorteilhaft eine fotografische Lichtstärke von wenigstens 1:1 aufweisen. Die fotografische Lichtstärke kann als maximales Öffnungsverhältnis des Objektivs bezeichnet werden. Der Kehrwert der fotografischen Lichtstärke kann als Blendenzahl bezeichnet werden. Man kann die Bedingung auch derart ausdrücken, dass die Blendenzahl kleiner als 1 sein soll.The objective can advantageously have a photographic light intensity of at least 1: 1. The photographic light intensity can be described as the maximum aperture ratio of the lens. The reciprocal of the photographic light intensity can be referred to as the f-number. The condition can also be expressed in such a way that the f-number should be less than 1.

Das Objektiv kann vorteilhaft ein Bandpassfilter zur Trennung des Signallichtes der Lichtquelle vom Umgebungslicht, insbesondere vom Tageslicht, umfassen. Ein Bandpassfilter kann aber auch außerhalb des Objektivs im Strahlengang angeordnet sein. Vorteilhaft kann das Bandpassfilter unmittelbar vor dem Bildsensor bzw. Matrixsensor angeordnet sein.The lens can advantageously include a bandpass filter for separating the signal light of the light source from ambient light, in particular from daylight. A bandpass filter can, however, also be arranged outside the objective in the beam path. The bandpass filter can advantageously be arranged directly in front of the image sensor or matrix sensor.

Das Objektiv kann als Projektionsobjektiv betreibbar sein. Es kann aber auch als Abbildungsobjektiv betreibbar sein.The lens can be operated as a projection lens. However, it can also be operated as an imaging lens.

Vorteilhaft kann eine Verwendung des Objektivs für ein Messsystem zu wenigstens einer Laufzeitdetektion wenigstens eines Lichtstrahls sein. Das Messsystem kann vorteilhaft wenigstens ein Objektiv, wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens einen Matrixsensor umfassen. Die Lichtquelle kann eine Laserstrahlquelle oder eine LED sein. Die Lichtquelle kann gepulst betrieben werden. Die Pulslänge kann zwischen 1ns und 1ms betragen.Use of the objective for a measuring system for at least one transit time detection of at least one light beam can be advantageous. The measuring system can advantageously comprise at least one objective, at least one light source and at least one matrix sensor. The light source can be a laser beam source or an LED. The light source can be operated in a pulsed manner. The pulse length can be between 1ns and 1ms.

Das Messsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Matrixsensor ein SPAD Array ist und/oder dass die Lichtquelle ein VCSEL Array oder ein LED Array ist.The measuring system can be characterized in that the matrix sensor is a SPAD array and / or that the light source is a VCSEL array or an LED array.

Das Objektiv kann einen oder mehrere jeweils zwischen zwei Linsen angeordnete Abstandshalter umfassen. Die Abstandshalter können vorteilhaft aus Polycarbonat oder aus einem glasfaserverstärken Kunststoff hergestellt sein. Er kann alternativ aus einem Metall wie z.B. Aluminium oder Strahl hergestellt sein.The objective can comprise one or more spacers each arranged between two lenses. The spacers can advantageously be made from polycarbonate or from a glass fiber reinforced plastic. It can alternatively be made of a metal such as e.g. Be made of aluminum or beam.

Das Objektiv kann eine Brennweite, eine Bildpunktgröße, eine Modulations-Transfer-Funktion und eine Verzeichnung in der Bildebene aufweisen. Die Brennweite des Objektivs und/oder wenigstens eine der optischen Eigenschaften Bildpunktgröße, Modulations-Transfer- Funktion, Bildgröße, Verzeichnung in der Bildebene können bei einer ersten Wellenlänge über einen Temperaturbereich ohne den Einsatz von aktiven Komponenten unabhängig von der Temperatur sein. Das kann als passive Athermalisierung bezeichnet werden.The objective can have a focal length, a pixel size, a modulation transfer function and a distortion in the image plane. The focal length of the lens and / or at least one of the optical properties image point size, modulation transfer function, image size, distortion in the image plane can be independent of temperature at a first wavelength over a temperature range without the use of active components. This can be referred to as passive athermalization.

Die passive Athermalisierung kann durch die o.g. Auswahl der Linsenmaterialien in Verbindung mit den o.g. Einschränkungen der Brennweitenverhältnisse erreicht werden.The passive athermalization can be achieved by the above-mentioned selection of the lens materials in connection with the above-mentioned restrictions of the focal length ratios.

Das Objektiv kann für eine einzelne Wellenlänge (Designwellenlänge), beispielsweise die einer bestimmten Laserstrahlung ausgelegt sein, beispielsweise 780nm, 808nm, 880nm, 905nm, 915nm, 940nm, 980nm, 1064 oder 1550nm. Das Objektiv kann aber auch für eine bestimmte Bandbreite, beispielsweise für den sichtbaren Wellenlängenbereich oder den nahen Infrarotbereich, oder für mehrere diskrete Wellenlängen ausgelegt sein. Die vorgesehene Bandbreite kann auch beispielsweise 20nm bis 50nm betragen, um beispielsweise einen thermischen Wellenlängendrift eines zur Beleuchtung vorgesehenen Diodenlasers ausgleichen zu können.The lens can be designed for a single wavelength (design wavelength), for example that of a specific laser radiation, for example 780nm, 808nm, 880nm, 905nm, 915nm, 940nm, 980nm, 1064 or 1550nm. However, the objective can also be designed for a certain bandwidth, for example for the visible wavelength range or the near infrared range, or for several discrete wavelengths. The bandwidth provided can also be, for example, 20 nm to 50 nm in order to be able to compensate, for example, a thermal wavelength drift of a diode laser provided for illumination.

Das Objektiv kann als Projektionsobjektiv betrieben werden. Beispielsweise kann damit ein Laserstrahl linienförmig oder flächig in einen Raumausschnitt projiziert werden.The lens can be operated as a projection lens. For example, a laser beam can be projected linearly or flat into a room section.

Das Objektiv kann als Abbildungsobjektiv betrieben werden. Ein von einem Objekt zurückgeworfener Lichtstrahl, beispielsweise ein Laserstrahl, der von einem Punkt des Objekts reflektiert worden ist, kann auf einen Punkt des Detektors projiziert werden. Mit dem Detektor kann die Laufzeit dieses Lichtstrahls detektiert werden.The lens can be operated as an imaging lens. A light beam reflected from an object, for example a laser beam which has been reflected from a point on the object, can be projected onto a point on the detector. The transit time of this light beam can be detected with the detector.

Das Objektiv kann in einer bevorzugten Ausführung gleichzeitig als Projektionsobjektiv und als Abbildungsobjektiv verwendet werden. Mittels eines im Strahlengang zwischen dem Objektiv und dem Detektor angeordneten Strahlteilers kann der zu projizierende Laserstrahl in den Strahlengang eingekoppelt werden.In a preferred embodiment, the objective can be used simultaneously as a projection objective and as an imaging objective. The laser beam to be projected can be coupled into the beam path by means of a beam splitter arranged in the beam path between the objective and the detector.

Vorteilhaft kann die Verwendung eines Objektivs mit einer festen Brennweite F für ein Messsystem zu wenigstens einer Laufzeitdetektion wenigstens eines Lichtstrahls sein. Der Lichtstrahl kann ein Laserstrahl sein. Der Lichtstrahl kann von einer Lichtquelle ausgesendet werden. Die Lichtquelle kann ein optisch gepumpter Festkörperlaser oder ein elektrisch gepumpter Diodenlaser sein. Die Lichtquelle kann zusammen mit dem erfindungsgemäßen Objektiv und einem Detektor an einem Fahrzeug angeordnet sein. Die Lichtquelle kann so ausgeführt sein, dass einzelne Lichtimpulse emittierbar sind. Zur Laufzeitdetektion des Lichtstrahls kann ein Photoelektrischer Detektor vorgesehen sein. Der Detektor kann als Avalanche-Photodiode, beispielsweise als Einzelphoton-Avalanche-Diode (abgekürzt SPAD; englisch single-photon avalanche diode) ausgeführt sein. Der Detektor kann mehrere Avalanche Photodioden umfassen. Diese können als SPAD-Array ausgeführt sein.The use of an objective with a fixed focal length F for a measuring system for at least one transit time detection of at least one light beam can be advantageous. The light beam can be a laser beam. The light beam can be emitted from a light source. The light source can be an optically pumped solid-state laser or an electrically pumped diode laser. The light source can be arranged on a vehicle together with the objective according to the invention and a detector. The light source can be designed such that individual light pulses can be emitted. A photoelectric detector can be provided to detect the transit time of the light beam. The detector can be designed as an avalanche photodiode, for example as a single photon avalanche diode (abbreviated SPAD; English single-photon avalanche diode). The detector can comprise several avalanche photodiodes. These can be implemented as a SPAD array.

Ein erfindungsgemäßes Messsystem umfasst wenigstens ein erfindungsgemäßes Objektiv, wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens einen Matrixsensor. Die Lichtquelle kann wenigstens ein Signallicht emittieren. Dieses kann sich in der Wellenlänge vom Umgebungslicht unterscheiden. Die Lichtquelle kann vorteilhaft eine Laserlichtquelle sein. Es kann sich um einen Infrarotlaser handeln. Alternativ kann die Lichtquelle eine LED sein.A measuring system according to the invention comprises at least one lens according to the invention, at least one light source and at least one matrix sensor. The light source can emit at least one signal light. This can differ in wavelength from the ambient light. The light source can advantageously be a laser light source. It can be an infrared laser. Alternatively, the light source can be an LED.

Die Lichtquelle kann gepulst betrieben werden. Die Pulslänge kann zwischen 1ns und 1ms betragen.The light source can be operated in a pulsed manner. The pulse length can be between 1ns and 1ms.

Die Lichtquelle kann in einer weiteren Ausführungsform mehrere lichtemittierende Elemente umfassen, die unabhängig voneinander betreibbar sind. Die Lichtquelle kann als ein VCSEL Array oder ein LED Array ausgebildet sein. Es kann ein Betrieb der Lichtquelle vorgesehen sein, bei welchem wenigstens zwei der lichtemittierenden Elemente zu verschiedenen Zeitpunkten Lichtpulse aussenden.In a further embodiment, the light source can comprise a plurality of light-emitting elements which can be operated independently of one another. The light source can be designed as a VCSEL array or an LED array. The light source can be operated in which at least two of the light-emitting elements emit light pulses at different times.

Der Matrixsensor kann ein SPAD Array sein.The matrix sensor can be a SPAD array.

Die Figuren zeigen Folgendes:

  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel.
  • 2 zeigt den Strahlengang des ersten Ausführungsbeispiels.
  • 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Messsystem.
The figures show the following:
  • 1 shows a first embodiment.
  • 2 shows the beam path of the first embodiment.
  • 3 shows a measuring system according to the invention.

AusführungsbeispieleEmbodiments

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen erläutert.The invention is explained below using exemplary embodiments.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel. Dargestellt ist ein Objektiv 1 mit einer festen Brennweite F. Das Objektiv weist eine optische Achse 3 auf. Die optische Achse liegt in z Richtung. In den Figuren ist die Bildebene rechts, d.h. in z Richtung angeordnet, während sich die Gegenstandsebene links vom Objektiv befindet. Das Objektiv umfasst eine erste Linse 5 eine zweite Linse 8 und eine dritte Linse 11 und eine vierte Linse 12. Die Linsen sind in z Richtung aufeinanderfolgend in der genannten Reihenfolge angeordnet. 1 shows a first embodiment. A lens is shown 1 with a fixed focal length F. The lens has an optical axis 3 on. The optical axis lies in the z direction. In the figures is the image plane on the right, ie arranged in the z direction, while the object plane is to the left of the lens. The objective includes a first lens 5 a second lens 8th and a third lens 11 and a fourth lens 12 . The lenses are arranged one after the other in the specified order in the z direction.

Die erste Linse ist aus einem ersten Kunststoff hergestellt. Die erste Linse ist eine asphärische Linse.The first lens is made from a first plastic. The first lens is an aspherical lens.

Die zweite Linse 8 ist aus einem zweiten Kunststoff hergestellt. Die zweite Linse 8 ist als asphärische Linse ausgebildet.The second lens 8th is made from a second plastic. The second lens 8th is designed as an aspherical lens.

Die dritte Linse 11 ist aus einem ersten Glas hergestellt. Die dritte Linse 11 ist eine sphärische Sammellinse.The third lens 11 is made from a first glass. The third lens 11 is a spherical converging lens.

Die vierte Linse 12 ist aus einem zweiten Glas hergestellt. Das zweite Glas ist hier das gleiche wie das erste Glas.The fourth lens 12 is made from a second glass. The second glass here is the same as the first glass.

Eine Blende 15 ist zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse angeordnet.An aperture 15th is arranged between the first lens and the second lens.

Außerdem ist noch ein Filter 16 vorgesehen, der das Signallicht vom Umgebungslicht trennt.There is also a filter 16 provided that separates the signal light from the ambient light.

Die erste Linse weist eine konkave optische Fläche (6) und eine konvexe optische Fläche (7) auf, wobei in der z Richtung nacheinander die konkave Fläche (6) und die konvexe Fläche (7) angeordnet sind. Die zweite Linse weist eine konkave optische Fläche (10) und eine konvexe optische Fläche (9) auf, wobei in die z Richtung nacheinander die konvexe Fläche (9) und die konkave Fläche (10) angeordnet sind. Die vierte Linse weist eine konvexe optische Fläche (13) und eine konkave optische Fläche (14) auf, wobei in die z Richtung nacheinander die konvexe Fläche (13) und die konkave Fläche (14) angeordnet sind.The first lens has a concave optical surface ( 6th ) and a convex optical surface ( 7th ), where in the z direction the concave surface ( 6th ) and the convex surface ( 7th ) are arranged. The second lens has a concave optical surface ( 10 ) and a convex optical surface ( 9 ), with the convex surface ( 9 ) and the concave surface ( 10 ) are arranged. The fourth lens has a convex optical surface ( 13 ) and a concave optical surface ( 14th ), with the convex surface ( 13 ) and the concave surface ( 14th ) are arranged.

2 zeigt den Strahlengang des ersten Ausführungsbeispiels. In dieser Figur sind die Schraffuren der Linsen weggelassen, um die Lichtstrahlen 4 besser darstellen zu können, welche den Strahlengang 2 repräsentieren. In der Bildebene 19 ist ein Bildsensor zur Bildaufnahme oder ein Matrixsensor zur Laufzeitdetektion eines Lichtstrahls angeordnet. 2 shows the beam path of the first embodiment. In this figure the hatching of the lenses is omitted to show the light rays 4th to be able to better represent which is the beam path 2 represent. In the image plane 19th an image sensor for image recording or a matrix sensor for transit time detection of a light beam is arranged.

Das optische Design ist gemäß der nachfolgenden Tabelle ausgeführt: Nr. Typ Kommentar Krümmungsradius KR in mm Dicke /Abstand in mm Material Radius in mm 1 STANDARD Objekt Luft 0,000000 2 ASPHÄRE Linse 1 -6.899608 5.738520 Polymer 1 (n= 1,5300) 9.000000 3 ASPHÄRE -7.963824 0.100000 Luft 9.291035 4 STANDARD Blende 0.100000 Luft 8.600000 5 ASPHÄRE Linse 2 8.37E+00 5.010700 Polymer 2 (n= 1,5300) 9.435361 6 ASPHÄRE 6.383210 5.953286 Luft 9.341767 7 STANDARD Linse 3 -1306.627331 7.063166 Glas 1 (n= 1.846) 9.923505 8 STANDARD -20.064594 0.100000 Luft 10.500000 9 STANDARD Linse 4 16.610978 6.000000 Glas 2 (n= 1.846) 10.250027 10 STANDARD 3.65E+01 7.347295 Luft 8.922798 11 STANDARD Filter 1.500000 n=1,5000 7.000000 12 STANDARD Bild 0.000000 7.000000 The optical design is carried out according to the following table: No. Type comment Radius of curvature KR in mm Thickness / distance in mm material Radius in mm 1 DEFAULT object air 0.000000 2 ASPHERE Lens 1 -6.899608 5.738520 Polymer 1 (n = 1.5300) 9.000000 3 ASPHERE -7.963824 0.100000 air 9.291035 4th DEFAULT cover 0.100000 air 8,600,000 5 ASPHERE Lens 2 8.37E + 00 5.010700 Polymer 2 (n = 1.5300) 9.435361 6th ASPHERE 6.383210 5.953286 air 9.341767 7th DEFAULT Lens 3 -1306.627331 7.063166 Glass 1 (n = 1,846) 9.923505 8th DEFAULT -20.064594 0.100000 air 10,500,000 9 DEFAULT Lens 4 16.610978 6.000000 Glass 2 (n = 1,846) 10.250027 10 DEFAULT 3.65E + 01 7.347295 air 8.922798 11 DEFAULT filter 1,500,000 n = 1.5000 7.000000 12 DEFAULT image 0.000000 7.000000

Die erste Spalte gibt eine laufende Nummer einer Fläche an und ist von der Objektseite aus durchnummeriert. Der Typ „Standard“ bezeichnet eine ebene oder sphärisch gekrümmte Fläche. Der Typ „ASPHÄRE“ bezeichnet eine asphärische Fläche. Als Fläche kann eine Grenzfläche oder Linsenoberfläche verstanden werden. Es sei darauf hingewiesen, dass außerdem auch die Gegenstandsebene (Nr. 1), eine Blende (Nr.4) sowie die Bildebene (Nr. 12) als Fläche betrachtet werden. Die Flächen 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9 und 10 sind Linsenflächen. Diese Flächen sind in 2 mit der jeweiligen Nummer bezeichnet als Surf 2, Surf 3, Surf 5, Surf 6, Surf 7, Surf 8, Surf 9 bzw. Surf 10.The first column gives a consecutive number of an area and is numbered from the object side. The “Standard” type describes a flat or spherically curved surface. The "ASPHERE" type describes an aspherical surface. An interface or lens surface can be understood as a surface. It should be noted that the object plane (no. 1), a diaphragm (no. 4) and the image plane (no. 12) are also considered as a surface. The surfaces 2 , 3 , 5 , 6th , 7th , 8th , 9 and 10 are Lens surfaces. These areas are in 2 with the respective number designated as Surf 2 , Surf 3 , Surf 5 , Surf 6th , Surf 7th , Surf 8th , Surf 9 or Surf 10 .

Die Spalte Krümmungsradius KR gibt den Krümmungsradius der jeweiligen Fläche an. Im Falle einer asphärischen Fläche ist darunter der paraxiale Krümmungsradius zu verstehen. In der Tabelle ist das Vorzeichen eines Krümmungsradius positiv angegeben falls die Form einer Oberfläche zur Objektseite hin konvex ist und das Vorzeichen ist negativ falls die Form einer Oberfläche zur Bildseite hin konvex ist. Die Angabe ∞ in der Spalte Krümmungsradius bedeutet, dass es sich um eine ebene Fläche handelt. In der Spalte „Dicke/Abstand“ ist der Abstand der i-ten Fläche zur (i+1)-ten Fläche auf der optischen Achse angegeben. Die Angabe ∞ in dieser Spalte in Nr.1 bedeutet, dass es sich um eine unendliche Gegenstandsweite handelt, d.h. ein auf Unendlich fokussiertes Objektiv. Für die Zeilen 2, 5, 7 und 9 ist in dieser Spalte die Mittendicke der ersten, zweiten dritten bzw. vierten Linse angegeben. In der Spalte Material ist das Material zwischen den jeweiligen Flächen angegeben mit dem jeweiligen Brechungsindex n. Der Brechungsindex n bezieht sich dabei auf eine Designwellenlänge, für welche das Objektiv ausgelegt ist. Die Designwellenlänge kann beispielsweise zwischen 700nm und 1100nm oder zwischen 1400nm und 1600nm liegen, beispielsweise bei 905, 915nm, 940nm, 1064nm oder 1550nm. Die Spalte Radius gibt den Außenradius der jeweiligen Fläche an. Im Falle der Blende (Nr. 4) ist das die Blendenöffnung. Bei den Linsenflächen ist das der nutzbare maximale Abstand der Lichtstrahlen von der optischen Achse, in der nachfolgenden Gleichung entspricht das dem maximalen Wert h für die jeweilige Fläche.The column radius of curvature KR indicates the radius of curvature of the respective surface. In the case of an aspherical surface, this is to be understood as the paraxial radius of curvature. In the table, the sign of a radius of curvature is given as positive if the shape of a surface is convex towards the object side and the sign is negative if the shape of a surface is convex towards the image side. The specification ∞ in the column radius of curvature means that it is a flat surface. The “Thickness / Distance” column shows the distance between the i-th surface and the (i + 1) -th surface on the optical axis. The indication ∞ in this column in number 1 means that it is an infinite object distance, ie a lens focused on infinity. For the lines 2 , 5 , 7th and 9 this column indicates the center thickness of the first, second, third and fourth lenses. In the Material column, the material between the respective surfaces is specified with the respective refractive index n. The refractive index n relates to a design wavelength for which the lens is designed. The design wavelength can for example be between 700 nm and 1100 nm or between 1400 nm and 1600 nm, for example at 905, 915 nm, 940 nm, 1064 nm or 1550 nm. The column Radius indicates the outer radius of the respective surface. In the case of the aperture (No. 4), this is the aperture. In the case of lens surfaces, this is the maximum usable distance between the light rays and the optical axis; in the following equation, this corresponds to the maximum value h for the respective surface.

Nachfolgend sind die Koeffizienten der asphärischen Flächen angegeben. Nr. C2 in mm-1 C4 in mm-3 C6 in mm-5 C8 in mm-7 2 0.000000E+00 1.984885E-05 -1.703411E-06 6.554599E-08 3 0.000000E+00 6.508143E-04 -7.942826E-06 2.300400E-07 5 0.000000E+00 4.784978E-04 -1.372895E-05 2.832933E-07 6 0.000000E+00 1.836502E-04 -2.472992E-06 1.930275E-08 Nr. C10 in mm-9 C12 in mm-11 C14 in mm-13 C16 in mm-15 k 2 -1.122241E-09 1.154834E-11 -6.624874E-14 1.588935E-16 -3.111840 3 -4.741868E-09 6.725617E-11 -5.270632E-13 1.793910E-15 -0.397414 5 -4.007099E-09 3.429747E-11 -1.591803E-13 3.052884E-16 -4.355210 6 -1.732452E-10 1.343126E-12 -6.083887E-15 1.131555E-17 -3.869062 The coefficients of the aspherical surfaces are given below. No. C 2 in mm -1 C 4 in mm -3 C 6 in mm -5 C 8 in mm -7 2 0.000000E + 00 1.984885E-05 -1.703411E-06 6.554599E-08 3 0.000000E + 00 6.508143E-04 -7.942826E-06 2.300400E-07 5 0.000000E + 00 4.784978E-04 -1.372895E-05 2.832933E-07 6th 0.000000E + 00 1.836502E-04 -2.472992E-06 1.930275E-08 No. C 10 in mm -9 C 12 in mm -11 C 14 in mm -13 C 16 in mm -15 k 2 -1.122241E-09 1.154834E-11 -6.624874E-14 1.588935E-16 -3.111840 3 -4.741868E-09 6.725617E-11 -5.270632E-13 1.793910E-15 -0.397414 5 -4.007099E-09 3.429747E-11 -1.591803E-13 3.052884E-16 -4.355210 6th -1.732452E-10 1.343126E-12 -6.083887E-15 1.131555E-17 -3.869062

In den numerischen Werten der asphärischen Daten, bedeutet „E-n“ (n: ganzzahlig) „x10-n“ und „E+n“ bedeutet „x10n“. Weiterhin sind die asphärischen Oberflächenkoeffizienten die Koeffizienten Cm mit m = 2..16 in einem asphärischen Ausdruck, der durch die folgende Gleichung dargestellt wird: Z d = h 2 K R + K R 2 ( 1 + k ) h 2 + m = 2 16 C m h m , w o b e i

Figure DE102019131001B3_0001
In the numerical values of the aspherical data, “En” (n: integer) means “x10 -n ” and “E + n” means “x10 n ”. Furthermore, the aspherical surface coefficients are the coefficients C m with m = 2..16 in an aspherical expression that is represented by the following equation: Z d = H 2 K R. + K R. 2 - ( 1 + k ) H 2 + m = 2 16 C. m H m , w O b e i
Figure DE102019131001B3_0001

Zd die Tiefe einer asphärischen Oberfläche ist (d.h. die Länge einer Senkrechten von einem Punkt auf der asphärischen Oberfläche mit einer Höhe h zu einer den Scheitel der asphärischen Oberfläche berührenden und zu einer optischen Achse senkrechten Ebene), h die Höhe (d.h. eine Länge von der optischen Achse zu dem Punkt auf der der asphärischen Fläche), KR der paraxiale Krümmungsradius, und Cm die unten angegebenen asphärischen Oberflächenkoeffizienten (m = 2 .. 16) sind. Nicht angegebene asphärischen Oberflächenkoeffizienten, hier alle mit ungeradzahligem Index, sind Null anzunehmen. Die Koordinate h ist in Millimeter einzusetzen, ebenso der Krümmungsradius, das Ergebnis Zdwird in Millimetern erhalten. Der Koeffizient k ist der Konizitätskoeffizient, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel in der letzten Spalte angegeben ist.Zd is the depth of an aspherical surface (i.e. the length of a perpendicular from a point on the aspherical surface with a height h to a plane touching the apex of the aspherical surface and perpendicular to an optical axis), h is the height (i.e. a length from the optical axis to the point on that of the aspherical surface), KR is the paraxial radius of curvature, and C m are the aspherical surface coefficients given below (m = 2 .. 16). Aspherical surface coefficients not specified, here all with an odd index, are assumed to be zero. The coordinate h is to be entered in millimeters, as is the radius of curvature, the result Zd is obtained in millimeters. The coefficient k is the conicity coefficient, which in the present exemplary embodiment is specified in the last column.

Die Brennweite der ersten Linse beträgt f1=-389mm, die der zweiten Linse beträgt f3=115mm. Die Brennweite der dritten Linse beträgt f2=24,8mm, die der vierten Linse beträgt f4=32,8mm. Das Objektiv hat eine Brennweite F von 13,2mm. Die Designwellenlänge des Ausführungsbeispiels ist 905nm. Abwandlungen des Ausführungsbeispiels können auch bei anderen in der Beschreibung aufgeführten Wellenlängen verwendet werden.The focal length of the first lens is f 1 = -389mm, that of the second lens is f 3 = 115mm. The focal length of the third lens is f 2 = 24.8 mm, that of the fourth lens is f 4 = 32.8 mm. The lens has a focal length F of 13.2mm. The design wavelength of the exemplary embodiment is 905 nm. Modifications of the exemplary embodiment can also be used for other wavelengths listed in the description.

In einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels ist das Objektiv auf eine endliche Gegenstandsweite fokussiert. Das kann durch eine Veränderung der Bildweite erfolgen. Dazu kann der Abstand in Zeile Nr. 10 entsprechend erhöht werden.In a modification of this exemplary embodiment, the objective is focused on a finite object distance. This can be done by changing the image distance. To do this, the distance in line no. 10 can be increased accordingly.

In einer weiteren nicht dargestellten Abwandlung kann das Objektiv als Projektionsobjektiv verwendet werden. Dazu wird anstelle des Sensors in der Ebene 19 eine Lichtquelle angeordnet. Dann kann eine in negativer z Richtung, die in der Figur als -z Richtung gekennzeichnet ist, vor dem Objektiv befindliche Szene beleuchtet werden.In a further modification, not shown, the objective can be used as a projection objective. Instead of the sensor in the plane 19th arranged a light source. Then a scene located in front of the lens in the negative z direction, which is identified in the figure as -z direction, can be illuminated.

3 zeigt ein erfindungsgemäßes Messsystem. Das Messsystem 17 umfasst ein Senderobjektiv 20, ein Empfängerobjektiv 21, eine Lichtquelle 18 und einen Matrixsensor 19. Die Lichtquelle beleuchtet ein oder mehrere Objekte 22 mit einem Senderlicht 23. Der Matrixsensor detektiert die Laufzeit des zurückgeworfenen Lichts 24. 3 shows a measuring system according to the invention. The measuring system 17th includes a transmitter lens 20th , a receiver lens 21st , a light source 18th and a matrix sensor 19th . The light source illuminates one or more objects 22nd with a transmitter light 23 . The matrix sensor detects the transit time of the reflected light 24 .

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1.1.
Objektivlens
2.2.
Linsenanordnung mit StrahlengangLens arrangement with beam path
3.3.
Optische AchseOptical axis
4.4th
LichtstrahlBeam of light
5.5.
Erste LinseFirst lens
6.6th
Konkave Fläche der ersten LinseConcave surface of the first lens
7.7th
Konvexe Fläche der ersten LinseConvex surface of the first lens
8.8th.
Zweite LinseSecond lens
9.9.
Konvexe Fläche der zweiten LinseConvex surface of the second lens
10.10.
Konkave Fläche der zweiten LinseConcave surface of the second lens
11.11.
Dritte LinseThird lens
12.12.
Vierte LinseFourth lens
13.13.
Konvexe Fläche der vierten LinseConvex surface of the fourth lens
14.14th
Konkave Fläche der vierten LinseConcave surface of the fourth lens
15.15th
Blendecover
16.16.
Filterfilter
17.17th
MesssystemMeasuring system
18.18th
LichtquelleLight source
19.19th
MatrixsensorMatrix sensor
20.20th
SenderobjektivTransmitter lens
21.21st
EmpfängerobjektivReceiver lens
22.22nd
Objektobject
23.23.
SenderlichtTransmitter light
24.24.
Zurückgeworfenes LichtReflected light

Claims (13)

Objektiv (1) mit einer festen Brennweite F, umfassend wenigstens eine erste Linse (5) mit einer ersten Brennweite f1 aus einem ersten Kunststoff, eine zweite Linse (8) mit einer zweiten Brennweite f2 aus einem zweiten Kunststoff, eine dritte Linse (11) mit einer dritten Brennweite f3 aus einem ersten Glas und eine vierte Linse (12) mit einer vierten Brennweite f4 aus einem zweiten Glas, wobei der Brechkraft D3=1/f3 der dritten Linse (11) positiv ist und die Brechkraft D4=1/f4 der vierten Linse (12) positiv ist und die erste Linse (5) und die zweite Linse (8) zusammen wenigstens zwei asphärische Flächen aufweisen, wobei außerdem die Beträge der Brennweiten f1 der ersten Linse und f2 der zweiten Linse mehr als das 7 fache der Brennweite F des Objektivs betragen und/oder der Betrag der Summe der Brechkräfte |D1+D2| aus der Brechkraft D1=1/f1 der ersten Linse und der Brechkraft D2=1/f2 der zweiten Linse weniger als das 0,125 fache der Brechkraft D=1/F des Objektivs beträgt.Objective (1) with a fixed focal length F, comprising at least one first lens (5) with a first focal length f 1 made of a first plastic, a second lens (8) with a second focal length f 2 made of a second plastic, a third lens (11) with a third focal length f 3 made of a first glass and a fourth lens (12) with a fourth focal length f 4 made of a second glass, the refractive power D 3 = 1 / f 3 of the third lens (11) is positive and the refractive power D 4 = 1 / f 4 of the fourth lens (12) is positive and the first lens (5) and the second lens (8) together have at least two aspherical surfaces, with the amounts of the focal lengths f 1 of the first lens and f 2 of the second lens are more than 7 times the focal length F of the objective and / or the amount of the sum of the refractive powers | D 1 + D 2 | from the refractive power D 1 = 1 / f 1 of the first lens and the refractive power D 2 = 1 / f 2 of the second lens is less than 0.125 times the refractive power D = 1 / F of the objective. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Linse (5) und/oder die zweite Linse (8) als biasphärische Linsen ausgebildet ist.Objectively after Claim 1 , characterized in that the first lens (5) and / or the second lens (8) is designed as biaspherical lenses. Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang nacheinander in einer z Richtung die erste Linse (5), die zweite Linse (8), die dritte Linse (11) und die vierte Linse (12) angeordnet sind, oder dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang nacheinander in der -z Richtung eine Lichtquelle (18), die vierte Linse (12), die dritte Linse (11), die zweite Linse (8) und die erste Linse (5) angeordnet sind.Objective according to one of the preceding claims, characterized in that the first lens (5), the second lens (8), the third lens (11) and the fourth lens (12) are arranged one after the other in a z direction in the beam path , or thereby characterized in that a light source (18), the fourth lens (12), the third lens (11), the second lens (8) and the first lens (5) are arranged one after the other in the -z direction in the beam path . Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Linse (5) und der zweiten Linse (8) eine Blende (15) angeordnet ist.Objective according to one of the preceding claims, characterized in that a diaphragm (15) is arranged between the first lens (5) and the second lens (8). Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Brennweite F zwischen 7mm und 20mm aufweist und/oder dass von der ersten Linse (5) und der zweiten Linse (8) eine Linse eine positive Brechkraft und die andere eine negative Brechkraft aufweist und/oder dass die erste Linse eine konkave optische Fläche (6) und eine konvexe optische Fläche (7) aufweist und in der z Richtung nacheinander die konkave Fläche (6) und die konvexe Fläche (7) angeordnet sind und/oder dass die zweite Linse eine konkave optische Fläche (10) und eine konvexe optische Fläche (9) aufweist und in die z Richtung nacheinander die konvexe Fläche (9) und die konkave Fläche (10) angeordnet sind. und/oder dass die vierte Linse eine konvexe optische Fläche (13) und eine konkave optische Fläche (14) aufweist und in die z Richtung nacheinander die konvexe Fläche (13) und die konkave Fläche (14) angeordnet sind.Objective according to one of the preceding claims, characterized in that it has a focal length F between 7mm and 20mm and / or that of the first lens (5) and the second lens (8) one lens has a positive refractive power and the other has a negative refractive power and / or that the first lens has a concave optical surface (6) and a convex optical surface (7) and the concave surface (6) and the convex surface (7) are arranged one after the other in the z direction and / or that the second Lens has a concave optical surface (10) and a convex optical surface (9) and the convex surface (9) and the concave surface (10) are arranged one after the other in the z direction. and / or that the fourth lens has a convex optical surface (13) and a concave optical surface (14) and the convex surface (13) and the concave surface (14) are arranged one after the other in the z direction. Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bildseitig annähernd telezentrisch ausgebildet ist, wobei der bildseitige Telezentriefehler weniger als 5° beträgt.Objective according to one of the preceding claims, characterized in that it is designed to be approximately telecentric on the image side, the telecentricity error on the image side being less than 5 °. Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv eine fotografische Lichtstärke von wenigstens 1:1 aufweist.Objective according to one of the preceding claims, characterized in that the objective has a photographic light intensity of at least 1: 1. Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv ein Bandpassfilter (16) zur Trennung des Signallichtes der Lichtquelle vom Umgebungslicht, insbesondere vom Tageslicht, umfasst oder zusammen mit einem außerhalb des Objektivs angeordneten Bandpassfilter betreibbar ist.Objective according to one of the preceding claims, characterized in that the objective comprises a bandpass filter (16) for separating the signal light of the light source from ambient light, in particular from daylight, or can be operated together with a bandpass filter arranged outside the objective. Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv als Projektionsobjektiv betreibbar ist und/oder dass das Objektiv als Abbildungsobjektiv betreibbar ist.Lens according to one of the preceding claims, characterized in that the lens can be operated as a projection lens and / or that the lens can be operated as an imaging lens. Verwendung eines Objektivs (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche für ein Messsystem (17) zu wenigstens einer Laufzeitdetektion wenigstens eines Lichtstrahls (4).Use of an objective (1) according to one of the preceding claims for a measuring system (17) for at least one transit time detection of at least one light beam (4). Messsystem (17), umfassend wenigstens ein Objektiv (20, 21) nach einem der vorgenannten Ansprüche, wenigstens eine Lichtquelle (18) und wenigstens einen Matrixsensor (19).Measuring system (17) comprising at least one objective (20, 21) according to one of the preceding claims, at least one light source (18) and at least one matrix sensor (19). Messsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (18) eine Laserstrahlquelle oder eine LED ist und dass die Lichtquelle gepulst betrieben wird und dass die Pulslänge zwischen 1ns und 1ms beträgt.Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the light source (18) is a laser beam source or an LED and that the light source is operated in a pulsed manner and that the pulse length is between 1ns and 1ms. Messsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrixsensor (19) ein SPAD Array ist und/oder dass die Lichtquelle (18) ein VCSEL Array oder ein LED Array ist.Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the matrix sensor (19) is a SPAD array and / or that the light source (18) is a VCSEL array or an LED array.
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