DE10220671B4

DE10220671B4 - Optisches System für eine Kamera

Info

Publication number: DE10220671B4
Application number: DE10220671A
Authority: DE
Inventors: Christian Boehlau; Michael Burg; Martin Mühlenberg; Jens Kaphingst
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2022-05-11
Also published as: DE10220671A1

Abstract

Optisches System für eine Kamera bestehend aus mindestens einer Linse (1), einem Bildsensor (4) und einem die Linse und den Bildsensor haltenden Tubus (2), wobei der Bildsensor in der Fokusebene der Linse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
– der Tubus zweiteilig aus einem ersten Tubusteil (2A) und einem zweiten Tubusteil (2B) ausgebildet ist,
– das erste Tubusteil (2A) die Linse (1) hält und das zweite Tubusteil (2B) den Bildsensor (4) hält,
– das erste Tubusteil (2A) einen Außendurchmesser aufweist, der gleich oder geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des zweiten Tubusteils (2B) ist oder vice versa, wobei
– die beiden Tubusteile (2A, 2B) ineinandergeschoben sind,
– die beiden Tubusteile im fokussierten Zustand des optischen Systems miteinander fest verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System für eine Kamera bestehend aus mindestens einer Linse, einem die Linse haltendenden Tubus und einem Bildsensor. Ein derartiges System ist aus der EP 0 807 976 A2 bekannt. Bei diesem System weist der die Linse haltende Tubus eine umlaufende abgeschrägte Fläche zur positionsgenauen Gegenlagerung des Bildsensors auf. Dabei wird der Abstand der sensitiven Fläche zur Linse durch die Auflage des Bildsensors auf der abgeschrägten Fläche des Tubus definiert, wobei eine Korrektur oder Anpassung von den Sollabstand verändernden Fertigungstoleranzen nicht möglich ist.

Ferner ist aus der JP2002-014269A sowie aus der JP11-270248A ein optisches System mit zwei Fassungsteilen bekannt, von denen das eine die Linse und das andere den Bildsensor hält.

Für eine scharfe Abbildung ist es erforderlich, die sensitive Fläche des Bildsensors bis auf + 0,05 mm genau in der Bildebene der Linse zu positionieren. Aufgrund von Fertigungstoleranzen ist eine derart hohe Genauigkeit nur schwer zu erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches System für eine Kamera bestehend aus mindestens einer Linse, einem die Linse haltendenden Tubus und einem Bildsensor zu schaffen, bei dem der Abstand der sensitive Fläche des Bildsensors zur Linse angepasst werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Tubus zweiteilig ausgebildet ist, nämlich bestehend aus einem ersten Tubusteil und einem zweiten Tubusteil, wobei das erste Tubusteil die Linse hält und das zweite Tubusteil den Bildsensor hält. Dabei weist das erste Tubusteil einen Außendurchmesser auf, der gleich oder geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des zweiten Tubusteils ist oder vice versa. Zur Justage (Fokussierung) der beiden Tubusteile werden diese ineinandergeschoben, wodurch der Abstand zwischen der sensitiven Fläche des Bildsensors und der Linse in einfacher Weise geändert werden kann.

In der fokussierten Stellung werden die beiden ineinandergeschoben Tubusteile zur Arretierung unverschiebbar miteinander verbunden. Dies kann durch Schweißen (z.B. Laser- oder Ultraschallschweißen), Kleben oder durch eine Klemmverbindung erfolgen. Für das Laserschweißen muß ein Tubusteil zumindest teilweise lokal für die Laserstrahlung transparent sein.

Zur Beschränkung der einfallenden Lichtmenge sowie zur Korrektur von Abbildungsfehlern der Linse kann es nützlich sein, im Strahlengang des einfallenden Lichts eine Aperturblende anzuordnen. Für diesen Fall ist es vorgesehen, die Aperturblende im Spritzgießverfahren einstöckig mit dem Tubus aus einem nichttransparenten Kunststoffmaterial herzustellen. Damit entfällt die Montage und Zentrierung einer separaten Aperturblende.

Als Kunststoffmaterial für die Linse wird vorzugsweise Polymethylmethacrylat (PMMA), ein PMMA-Copolymerisat, ein Cycloolefin-Copolymer (COC) und/oder Polycarbonat (PC) verwendet. Da der Brechungsindex von Kunststofflinsen im Vergleich zu Glaslinsen wesentlich stärker temperaturabhängig ist, ändert sich auch die Brennweite einer Kunststofflinse mit der Temperatur, was wiederum zu einer unscharfen Abbildung fuhrt, da dann der Bildsensor nicht mehr exakt in der Bildebene der Linse angeordnet ist. Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn das optische System über einen relativ großer. Temperaturbereich hinweg zuverlässig eingesetzt werden soll. Bei einer Anwendung in einem Kraftfahrzeug ist beispielsweise ein Temperaturbereich von – 20°C bis + 40°C oder größer abzudecken. Dieses Problem wird gelöst, indem für zumindest einen Teilbereich des Tubus ein Material vorgesehen ist, das einen auf das Material der Linse abgestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, und zwar derart abgestimmt, daß eine durch Temperaturänderungen bedingte Änderung der Linsenbrennweite durch eine thermische Längenänderung des Tubus zumindest weitgehend kompensiert wird, so daß der vom Tubus gehaltene Bildsensor in einem bestimmten Temperaturbereich immer zumindest nahezu in der Fokusebene angeordnet ist. Mit anderen Worten wird zum Beispiel bei einem Temperaturanstieg, der eine Zunahme der Brennweite zur Folge hat, der Abstand zwischen Linse und Bildsensor, die beide vom Tubus gehalten werden, aufgrund der thermischen Ausdehnung des Tubus derart automatisch vergrößert, daß der Bildsensor wieder in der Bildebene der Linse angeordnet ist. Als Tubusmaterial sind dabei zum Beispiel besonders Polyamide geeignet, die einen besonders hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 20 × 10^–5/K haben.

Um den chromatischen Fehler der Kunststofflinse zu eliminieren, wird der Fachmann in bekannter Weise im Spritzgießverfahren eine asphärische Linse herstellen, da dem Fachmann die Vorteile einer asphärischen Linse gegenüber einer sphärischen Linse wohl bekannt sind.

Darüber hinaus wird zur Eliminierung des chromatischen Linsenfehlers im Zweikomponenten-Spritzgießverfahren eine Sammellinse aus einem Kunststoffmaterial mit einer hohen Abbezahl und eine damit einstöckig und formschlüssig verbundene Zerstreuungslinse aus einem Kunststoffmaterial mit einer im Vergleich zum Kunststoffmaterial der Sammellinse niedrigeren Abbezahl hergestellt. Damit dies funktioniert, müssen die Materialien von Sammellinse und Zerstreuungslinse zwar unterschiedliche Abbe-Zahlen aufweisen, jedoch müssen die thermischen Ausdehnungskoeffizienten möglichst gleich sein, damit der Formschluß zwischen den beiden Linsen auch bei Temperaturschwankungen erhalten bleibt und es nicht zu Verspannungen innerhalb der Linse kommt. Ein Materialpaar, das diese Voraussetzungen erfüllt, ist beispielsweise PMMA, ein PMMA-Copolymerisat oder COC auf der einen Seite und PC auf der anderen Seite.

Anhand der beigefügten Zeichnungen soll die Erfindung nachfolgend veranschaulicht werden. Es zeigt:
1 einen Schnitt durch den zweiteiligen Tubus mit Linse und Bildsensor, 2 einen Schnitt durch den zweiteiligen Tubus mit einer Linse aus zwei Komponenten,
3 den Strahlengang durch die Linse aus 4,
4 einen Schnitt durch den zweiteiligen Tubus mit einer Linse, die einen Retrofokus aufweist.
1 zeigt einen Schnitt durch den Tubus (2, 2A, 2B), die von diesem gehaltene Linse (1) und den ebenfalls vom Tubus (2) gehaltenen Bildsensor (4), der auf einer mit dem Tubus (2) verbundenen Leiterplatte (5) angeordnet ist. Linse (1) und Tubus (2) sind dabei einstückig im Zweikomponenten-Spritzgießverfahren aus Kunststoff hergestellt, wobei die Linse (1) aus einem transparenten Kunststoff hergestellt wird, während der Tubus (2) zur Abschattung von Streulicht aus einem nichttransparenten Kunststoff hergestellt wird. Zum Abspritzen des Tubus (2) wird vorzugsweise ein eingefärbtes Kunststoffmaterial verwendet. Ein derartiges schwarz eingefärbtes Kunststoffmaterial ist beispielsweise von der Firma Bayer unter der Bezeichnung Makrolon^® 2405-91/004 im Handel erhältlich.
Der Bildsensor (4) ist im Abstand der Brennweite zur Linse (1) angeordnet, so daß die sensitive Fläche des Bildsensors (4) innerhalb der Bildebene der Linse (1) liegt. Die optische Achse (8) des Systems entspricht der Symmetrieachse des Tubus (2). Die Linse (1) hat die Gestalt einer asphärischen konkavkonvex Linse. Die Leiterplatte (5), auf der der Bildsensor (4) angeordnet ist, kann zum Beispiel beim Spritzgießen des Tubus (2) mit umspritzt und so verankert werden.
Im Strahlgang des einfallenden Lichts zwischen Linse (1) und Bildsensor (4) befindet sich eine Aperturblende (3), welche als Lochblende ausgebildet ist, die einstückig mit dem Tubus (2) aus einem nichttransparenten Kunststoffmaterial im Spritzgießverfahren hergestellt wird. Der Abstand der Aperturblende (3) zur Linse (1) sollte nicht größer sein als die halbe Brennweite. In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist es vorgesehen, die Aperturblende im Strahlengang vor der Linse anzuordnen.
Um die thermisch bedingte Brennweitenänderung der Linse (1) zu kompensieren, ist es vorgesehen, für zumindest einen Teilbereich des Tubus (2) oder für ein oder beide Tubusteile (2A, 2B) ein Material zu verwenden, das einen auf das Material der Linse (1) abgestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, und zwar derart abgestimmt, daß eine durch Temperaturänderungen bedingte Änderung der Linsenbrennweite durch eine thermische Längenänderung des Tubus (2) zumindest weitgehend kompensiert wird, so daß der vom Tubus (2) gehaltene Bildsensor (4) in einem bestimmten Temperaturbereich immer zumindest nahezu in der Fokusebene angeordnet ist. Der Einfluß der temperaturbedingten Brennweitenänderung und dessen Kompensation soll an einem konkreten Beispiel erläutert werden Bei einer Linse aus PMMA, die eine Brennweite von zum Beispiel 7,5mm aufweisen soll, beträgt die Änderung der Brennweite über den im Kraftfahrzeug relevanten Temperaturbereich von 60 Kelvin ca. 0,15 mm. Für eine scharfe Abbildung ist es jedoch erforderlich, die sensitive Fläche des Bildsensors bis auf ±0,05 mm genau in der Bildebene der Linse zu positionieren. Die ausdehnbare Tubuslänge entspricht dabei in etwa der Brennweite. Bei Verwendung von Polyamid als Tubusmaterial mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 20 × 10^–5/K ergibt sich eine Längenausdehnung von ca. 0,1 mm bei einer Temperaturänderung von 60 Kelvin. Damit wird die thermisch bedingte Brennweitenänderung weitgehend kompensiert.
Wie zu erkennen ist, besteht der Tubus (2) erfindungsgemäß aus zwei Teilen, nämlich einem ersten Tubusteil (2A), das die Linse (1) hält, und einem zweiten Tubusteil (2B), das den Bildsensor (4) hält. Dabei weist das erste Tubusteil (2A) einen Außendurchmesser aufweist, der gleich oder geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des zweiten Tubusteils (2B) ist, so daß die beiden Tubusteile zur Justage/Fokussierung des optischen Systems ineinandergeschoben geschoben werden können. Anschließend werden die beiden Teile (2A, 2B) verschiebe- und verdrehgesichert gegeneinander fixiert.
3 zeigt einen Tubus (2) mit einer achromatischen Kunststofflinse, welche aus einer Sammellinse und einer Zerstreuungslinse besteht. Beide Linsen (1A, 1B) werden ohne einen dazwischen liegenden Luftspalt im Zweikomponenten-Spritzgießverfahren einstöckig hergestellt und formschlüssig miteinander verbunden werden. Dabei wird für die Sammellinse (1A) ein Kunststoffmaterial mit einer hohen Abbezahl verwendet, während für die Zerstreuungslinse (1B) ein Kunststoffmaterial mit einer im Vergleich zum Kunststoffmaterial der Sammellinse niedrigeren Abbezahl verwendet wird. Damit dies funktioniert, müssen die Materialien von Sammellinse und Zerstreuungslinse zwar unterschiedliche Abbe-Zahlen aufweisen, jedoch müssen die thermischen Ausdehnungskoeffizienten möglichst gleich sein, damit der Formschluß zwischen den beiden Linsen auch bei Temperaturschwankungen erhalten bleibt und es nicht zu Verspannungen innerhalb der Linse kommt. Ein Materialpaar, das diese Voraussetzungen erfüllt, ist beispielsweise Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polycarbonat (PC). Die Abbe-Zahl von PMMA beträgt ca. 57, während die Abbe-Zahl von PC ca. 30 beträgt. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind nahezu gleich und betragen 6 × 10^–5/K (PMMA) bzw. 6,7 × 10^–5/K (PC).
Die Wirkungsweise der achromatischen Kunststofflinse zeigt 4. Wie zu erkennen ist, wird durch die Kombination der asphärischen Sammellinse (1A) aus PMMA mit der Zerstreuungslinse (1B) aus PC bewirkt, daß infrarotes Licht (λ = 950nm) und blaues Licht (λ = 435 nm) in einem Brennpunkt fokussiert wird. Durch die formschlüssige Verbindung der beiden Linsen (1A,1B) in Spritzgießtechnik entfallen aufwendige Fertigungsmethoden, wie z.B. Verkittung. Durch die Formschlüssigkeit entfallen zwei Linse-Luft-Grenzflächen, wodurch Transmissionsverluste oder aufwendige Antireflexschichten entfallen.
Darüber hinaus kann das Zweier-Linsensystem durch die Formschlüssigkeit wie eine einzige Linse behandelt werden, wodurch die Montage und die Handhabung des optischen Systems vereinfacht wird.
In 5 ist ein Tubus (2) mit einer Linse (1) gezeigt, die einen sogenannten Retrofokus aufweist. Die konkave Seite der Linse (1) ist dabei dem Objektraum zugewandt. In diesem Fall befindet sich die einstöckig mit dem Tubus hergestellte Aperturblende vor der Linse. Bei einer Linse oder einem Linsensystem mit Retrofokus ist der Abstand der letzten oder der einzigen Linse (1) zum Bildsensor (4) größer als die Brennweite der Linse. Auf diese Weise kann eine Vergrößerung der Tubuslänge erreicht werden, wodurch die für die Temperaturkompensation der Brennweitenänderung verfügbare Länge positiv vergrößert wird.

1): Linse
1A): Sammellinse
1C): Grenzfläche zwischen den beiden formschlüssig verbundenen Linsen
1B): Zerstreuungslinse
2): Tubus
2A): 1.Tubusteil
2B): 2.Tubusteil
3): Aperturblende
4): Bildsensor
5): Leiterplatte für den Bildsensor
8): Optische Achse

Claims

Optisches System für eine Kamera bestehend aus mindestens einer Linse (1), einem Bildsensor (4) und einem die Linse und den Bildsensor haltenden Tubus (2), wobei der Bildsensor in der Fokusebene der Linse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß – der Tubus zweiteilig aus einem ersten Tubusteil (2A) und einem zweiten Tubusteil (2B) ausgebildet ist, – das erste Tubusteil (2A) die Linse (1) hält und das zweite Tubusteil (2B) den Bildsensor (4) hält, – das erste Tubusteil (2A) einen Außendurchmesser aufweist, der gleich oder geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des zweiten Tubusteils (2B) ist oder vice versa, wobei – die beiden Tubusteile (2A, 2B) ineinandergeschoben sind, – die beiden Tubusteile im fokussierten Zustand des optischen Systems miteinander fest verbunden sind.
Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Tubusteile (2A, 2B) miteinander in der ineinander geschobenen Stellung zur Arretierung verschweißt sind.
Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Tubusteile (2A, 2B) miteinander in der ineinander geschobenen Stellung zur Arretierung verklebt sind.
Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Tubusteile (2A, 2B) untereinander in der ineinander geschobenen Stellung zur Arretierung unter Klemmwirkung gehalten sind.