DE10261973A1 - Camera optical system has plastic lens with focal length thermal expansion compensation using longer mounting tube and low expansion holder - Google Patents

Camera optical system has plastic lens with focal length thermal expansion compensation using longer mounting tube and low expansion holder Download PDF

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Abstract

A camera optical system has a plastic lens (1) and an image sensor (4) mounted in a tube (2) that is longer than the focal length by a lower expansion coefficient holder (6) with tube thermal expansion coefficient chosen to compensate the movement of the lens focal plane due to temperature changes of the lens material. A camera optical system has a plastic lens (1) and an image sensor (4) mounted in a tube (2) that is longer than the focal length by a lower expansion coefficient holder (6) with tube thermal expansion coefficient chosen to compensate the movement of the lens focal plane due to temperature changes of the lens material. Includes INDEPENDENT CLAIMs for use of the holder to mount the image sensor and for use of retrofocus lenses.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System für eine Kamera bestehend aus mindestens einer Linse und einem die Linse und den Bildsensor haltenden Tubus. Ein derartiges System ist aus der DE 198 42 828 A1 bekannt.The invention relates to an optical system for a camera consisting of at least one lens and a tube holding the lens and the image sensor. Such a system is known from the DE 198 42 828 A1 known.

In der DE 195 32 133 wird auf ein Problem in Verbindung mit Kunststofflinsen hingewiesen, das darin besteht, daß der Brechungsindex von Kunststofflinsen im Vergleich zu Glaslinsen wesentlich stärker temperaturabhängig ist. Dies bedeutet, daß sich auch die Brennweite einer Kunststofflinse mit der Temperatur ändert, was wiederum zu einer unscharfen Abbildung führt, 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 großen 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.In the DE 195 32 133 attention is drawn to a problem in connection with plastic lenses, which consists in the fact that the refractive index of plastic lenses is much more temperature-dependent than glass lenses. This means that the focal length of a plastic lens also changes with the temperature, which in turn leads to a blurred image, since the image sensor is then no longer arranged exactly in the image plane of the lens. This is particularly problematic when the optical system is to be used reliably over a relatively large temperature range. When used in a motor vehicle, for example, a temperature range from -20 ° C to + 40 ° C or greater is to be covered.

In der Druckschrift JP 58-7109 A wird zur Lösung dieses Problems vorgeschlagen, den Bildsensor auf einem Material anzuordnen, 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 dieses Materials zumindest weitgehend kompensiert wird.JP 58-7109 A becomes the solution of this problem suggested the image sensor on a material to arrange, which has a thermal expansion coefficient matched to the material of the lens has, and tuned such that a change due to temperature changes the lens focal length due to a thermal change in length of this material at least is largely compensated.

Da die zur Kompensation zur Verfügung stehende Tubuslänge bei einer gattungsgemäßen Anordnung gemäß DE 198 42 828 A1 im wesentlichen der Linsenbrennweite entspricht, ist eine derartige Kompensation über einen großen Temperaturbereich aufgrund der begrenzten Tubuslänge nicht immer gewährleistet, insbesondere dann nicht, wenn der Längenausdehnungskoeffizient des Tubusmaterials zu gering ist, um bei einer Tubuslänge, die in etwa der Linsenbrennweite entspricht, eine vollständige Kompensation der Brennweitenänderung zu bewirken.Since the tube length available for compensation in a generic arrangement according to DE 198 42 828 A1 Essentially corresponds to the lens focal length, such compensation over a large temperature range is not always guaranteed due to the limited tube length, especially not if the linear expansion coefficient of the tube material is too small to be completely compensated for a tube length that corresponds approximately to the lens focal length the change in focal length.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, das aus der DE 198 42 828 A1 bekannte optische System so weiterzuentwickeln, daß eine Kompensation der temperaturabhängigen Brennweitenänderung über einen weiten Temperaturbereich möglich ist.The object of the invention is therefore that of DE 198 42 828 A1 Develop known optical system so that compensation of the temperature-dependent change in focal length over a wide temperature range is possible.

Zu diesem Zweck ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Linse indirekt über einen Linsenhalter von dem Tubus gehalten wird, so daß die Linse über den Linsenhalter axial innenliegend, beabstandet vom Tubusende im Tubus angeordnet ist. Die Länge des Tubus kann dann größer sein als die Brennweite der Linse, also größer als der Abstand zwischen Linse und Bildsensor. Auf diese Weise wird die erfindungsgemäß wirksame Länge des Tubus vergrößert. Dies bewirkt nun wiederum eine Kompensationsmöglichkeit für größere Brennweitenänderungen; da die thermische Längenänderung proportional zum thermischen Ausdehnungskoeffizienten und proportional zur Länge des Tubus selbst ist. Damit dies funktioniert, muß jedoch für den Linsenhalter ein Material verwendet werden, das sich im Vergleich zum Material des Tubus vergleichsweise wenig thermisch ausdehnt. Mit anderen Worten wird über den Linsenhalter eine Faltung des optischen Systems bewirkt, so daß trotz des vorteilhaft längeren Tubus der Abstand zwischen Linse und Bildsensor wieder der Brennweite entspricht.For this purpose, the invention provides that the Lens indirectly via a lens holder is held by the tube so that the lens over the Lens holder axially inside, spaced from the tube end in the tube is arranged. The length the tube can then be larger than the focal length of the lens, i.e. larger than the distance between Lens and image sensor. In this way, the effective according to the invention Length of Tube enlarged. This now in turn causes a compensation possibility for larger focal length changes; because the thermal change in length proportional to the coefficient of thermal expansion and proportional to length of the tube itself. For this to work, however for the Lens holder a material can be used, which is compared to the Comparatively little thermal expansion of the tube material. With other words is about causes the lens holder to fold the optical system, so that despite of the advantageously longer Tube the distance between lens and image sensor again the focal length equivalent.

Alternativ oder zusätzlich zum Linsenhalter kann die Faltung des optischen Systems auch durch einen Bildsensorhalter realisiert werden, über den der Bildsensor indirekt mit dem Tubus verbunden und gehalten ist, so daß der Bildsensor über den Bildsensorhalter axial innenliegend, beabstandet vom Tubusende im Tubus angeordnet ist. Dabei gilt für das Material des Bildsensorhalters im Vergleich zum Tubusmaterial das gleiche wie für das Material des Linsenhalters.Alternatively or in addition to Lens holder can also fold the optical system through a Image sensor holder can be realized via which the image sensor indirectly is connected to the tube and held so that the image sensor over the Image sensor holder axially inside, spaced from the tube end in Tube is arranged. The same applies to the material of the image sensor holder compared to the tube material the same as for the material of the lens holder.

Eine Verlängerung der für die Temperaturkompensation zur Verfügung stehenden Tubuslänge kann auch durch Verwendung einer Linse mit Retrofokus erreicht werden. Bei einer Linse oder einem Linsensystem mit Retrofokus ist der Abstand der letzten oder der einzigen Linse zum Bildsensor größer als die Brennweite der Linse. Auf diese Weise kann ebenfalls eine Vergrößerung der Tubuslänge erreicht werden, wodurch die für die Temperaturkompensation der Brennweitenänderung verfügbare Länge positiv vergrößert wird.An extension for temperature compensation to disposal standing tube length can can also be achieved by using a lens with retrofocus. In the case of a lens or a lens system with retrofocus, the distance is the last or the only lens to the image sensor larger than the focal length of the lens. In this way, an increase in the Tube length can be achieved, making the for the temperature compensation of the change in focal length available length positive is enlarged.

Als Tubusmaterial sind dabei zum Beispiel besonders Polyamide geeignet, die einen besonders hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 20 × 10–5/K haben.Polyamides which have a particularly high coefficient of thermal expansion of approximately 20 × 10 -5 / K are particularly suitable as tube material.

Als Kunststoffmaterial für die Linse wird vorzugsweise Polymethylmethacrylat (PMMA), ein PMMA-Copolymerisat, ein Cycloolefin-Copolymer (COC) und/oder Polycarbonat (PC) verwendet. Zum Abspritzen des Tubus wird vorzugsweise ein eingefärbtes Kunststoffmaterial verwendet.As a plastic material for the lens is preferably polymethyl methacrylate (PMMA), a PMMA copolymer, a cycloolefin copolymer (COC) and / or polycarbonate (PC) used. A colored plastic material is preferably used to spray the tube used.

Anhand der beigefügten Zeichnungen soll die Erfindung nachfolgend veranschaulicht werden. Es zeigt:The invention is based on the accompanying drawings are illustrated below. It shows:

1 einen Schnitt durch den Tubus mit „eingefalteter" Linse, 1 a section through the tube with the lens "folded",

2 einen Schnitt durch den Tubus mit „eingefaltetem" Bildsensor, 2 a section through the tube with "folded" image sensor,

3 einen Schnitt durch einen Tubus mit einer Linse, die einen Retrofokus aufweist. 3 a section through a tube with a lens that has a retrofocus.

Um die thermisch bedingte Brennweitenänderung der Linse (1) zu kompensieren, ist es vorgesehen, für zumindest einen Teilbereich des Tubus (2) 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 7,5 mm 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 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.In order to change the focal length of the lens ( 1 ) to compensate, it is provided for at least a partial area of the tube ( 2 ) use a material that matches the material of the lens ( 1 ) has coordinated thermal expansion coefficients, specifically in such a way that a change in the focal length of the lens due to temperature changes due to a thermal change in length of the tube ( 2 ) is at least largely compensated so that the tube ( 2 ) held image sensor ( 4 ) is always arranged at least almost in the focal plane in a certain temperature range. The influence of the temperature-related change in focal length and its compensation will be explained using a concrete example. In the case of a lens made of PMMA, which should have a focal length of, for example, 7.5 mm, the change in the focal length over the temperature range of 60 Kelvin relevant in the motor vehicle is approximately 0.15 mm. For a sharp image, however, it is necessary to position the sensitive area of the image sensor with an accuracy of ± 0.05 mm in the image plane of the lens. The expandable tube length corresponds approximately to the focal length. When using polyamide with a thermal expansion coefficient of approx. 20 × 10 -5 / K, there is a linear expansion of approx. 0.1 mm with a temperature change of 60 Kelvin.

Um die temperaturabhängige Änderung der Linsenbrennweite stärker kompensieren zu können, sind erfindungsgemäß „gefaltete" optische Systeme vorgesehen. Während die Tubuslänge gemäß dem Stand der Technik ( DE 198 42 828 A1 ) der Brennweite der Linse (1) entspricht, ist die Tubuslänge erfindungsgemäß länger als die Brennweite, um eine verstärkte Kompensation der thermischen Brennweitenänderung bewirken zu können. Um dabei dennoch den Abstand zwischen Linse (1) und Bildsensor (4) entsprechend der Brennweite einzustellen, ist die Linse (1) und/oder der Bildsensor (4) über einen Linsenhalter (6) – vgl. 1 – oder einen Bildsensorhalter (7) – vgl. 2 – indirekt mit dem Tubus (2) verbunden, wobei die Linse (1) und/oder der Bildsensor (4) axial innenliegend, beabstandet zum jeweiligen Tubusende im Tubus (2) angeordnet sind. Damit die Längenausdehnung des Tubus (2) aufgrund der größeren Länge des Tubus (2) nicht durch eine Längenausdehnung des jeweiligen Halters (6, 7) konterkariert wird, wird für die Halter (6, 7) ein Material gewählt, daß einen wesentlichen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Tubus (2). Die Halter (6, 7) können ebenfalls im Mehrkomponenten-Spritzgießverfahren einstückig mit dem Tubus (2) bzw. den Tubusteilen (2A, 2B) hergestellt werden.In order to be able to compensate more strongly for the temperature-dependent change in the focal length of the lens, "folded" optical systems are provided according to the invention. While the tube length according to the prior art ( DE 198 42 828 A1 ) the focal length of the lens ( 1 ) corresponds, the tube length according to the invention is longer than the focal length in order to be able to effect an increased compensation of the thermal focal length change. In order to ensure that the distance between lens 1 ) and image sensor ( 4 ) according to the focal length, the lens ( 1 ) and / or the image sensor ( 4 ) via a lens holder ( 6 ) - see. 1 - or an image sensor holder ( 7 ) - see. 2 - indirectly with the tube ( 2 ) connected, the lens ( 1 ) and / or the image sensor ( 4 ) axially inside, spaced from the respective tube end in the tube ( 2 ) are arranged. So that the length of the tube ( 2 ) due to the longer length of the tube ( 2 ) not by lengthening the respective holder ( 6 . 7 ) is counteracted, for the holder ( 6 . 7 ) selected a material that has a significantly smaller coefficient of thermal expansion than the material of the tube ( 2 ). The holder ( 6 . 7 ) can also be made in one piece with the tube using the multi-component injection molding process ( 2 ) or the tube parts ( 2A . 2 B ) getting produced.

In 3 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 einstückig 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 ebenfalls eine Vergrößerung der Tubuslänge erreicht werden, wodurch die für die Temperaturkompensation der Brennweitenänderung verfügbare Länge positiv vergrößert wird.In 3 is a tube ( 2 ) with a lens ( 1 ) shown, which has a so-called retrofocus. The concave side of the lens ( 1 ) faces the object space. In this case, the aperture stop made in one piece with the tube is in front of the lens. In the case of a lens or a lens system with retrofocus, the distance between the last or the only lens ( 1 ) to the image sensor ( 4 ) larger than the focal length of the lens. In this way, an increase in the tube length can also be achieved, as a result of which the length available for temperature compensation of the change in focal length is positively increased.

11
Linselens
22
Tubustube
33
Aperturblendeaperture
44
Bildsensorimage sensor
55
Leiterplatte für den Bildsensorcircuit board for the image sensor
66
Linsenhalterlens holder
77
BildsensorhalterImage sensor holder
88th
Optische Achseoptical axis

Claims (3)

Optisches System für eine Kamera bestehend aus mindestens einer Linse (1) einem Bildsensor (4) und einem Tubus (2), wobei die Linse (1) und der die Linse (1) und den Bildsensor (4) haltende Tubus (2) aus Kunststoff hergestellt sind, und wobei der Bildsensor (4) in der Fokusebene der Linse (1) angeordnet ist, wobei für zumindest einen Teilbereich des Tubus (2) ein Material vorgesehen ist, das einen auf das Material der Linse (1) abgestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten derart aufweist, daß eine durch Temperaturänderungen bedingte Änderung der Linsenbrennweite durch eine thermische Längenänderung des Tubus (2) dahingehend kompensiert wird, daß der vom Tubus (2) gehaltene Bildsensor (4) in einem bestimmten Temperaturbereich immer zumindest nahezu in der Fokusebene angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (1) indirekt über einen Linsenhalter (6) von dem Tubus (2) gehalten wird, wobei das Material des Tubus (2) einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Linsenhalters (6), die Länge des Tubus (2 größer ist als die Brennweite der Linse (1), die Linse (1) über den Linsenhalter (6) axial innenliegend, beabstandet vom Tubusende im Tubus (2) angeordnet ist. Optical system for a camera consisting of at least one lens ( 1 ) an image sensor ( 4 ) and a tube ( 2 ), the lens ( 1 ) and the lens ( 1 ) and the image sensor ( 4 ) holding tube ( 2 ) are made of plastic, and the image sensor ( 4 ) in the focal plane of the lens ( 1 ) is arranged, wherein for at least a partial area of the tube ( 2 ) a material is provided which fits onto the material of the lens ( 1 ) has matched thermal expansion coefficients such that a change in the focal length of the lens due to temperature changes due to a thermal change in the length of the tube ( 2 ) is compensated in that the tube ( 2 ) held image sensor ( 4 ) is always arranged at least almost in the focal plane in a certain temperature range, characterized in that the lens ( 1 ) indirectly via a lens holder ( 6 ) from the tube ( 2 ) is held, the material of the tube ( 2 ) has a larger coefficient of thermal expansion than the material of the lens holder ( 6 ), the length of the tube ( 2 is larger than the focal length of the lens ( 1 ), the Lens ( 1 ) over the lens holder ( 6 ) axially inside, spaced from the tube end in the tube ( 2 ) is arranged. Optisches System für eine Kamera bestehend aus mindestens einer Linse (1) einem Bildsensor (4) und einem Tubus (2), wobei die Linse (1) und der die Linse (1) und den Bildsensor (4) haltende Tubus (2) aus Kunststoff hergestellt sind, und wobei der Bildsensor (4) in der Fokusebene der Linse (1) angeordnet ist, wobei für zumindest einen Teilbereich des Tubus (2) ein Material vorgesehen ist, das einen auf das Material der Linse (1) abgestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten derart aufweist, daß eine durch Temperaturänderungen bedingte Änderung der Linsenbrennweite durch eine thermische Längenänderung des Tubus (2) dahingehend kompensiert wird, daß der vom Tubus (2) gehaltene Bildsensor (4) in einem bestimmten Temperaturbereich immer zumindest nahezu in der Fokusebene angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildsensor (4) indirekt über einen Bildsensorhalter (7) von dem Tubus (7) gehalten wird, wobei das Material des Tubus (2) einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Bildsensorhalters (7), die Länge des Tubus (2) größer ist als die Brennweite der Linse (1), der Bildsensor (4) über den Bildsensorhalter (7) axial innenliegend, beabstandet vom Tubusende im Tubus (2) angeordnet ist.Optical system for a camera consisting of at least one lens ( 1 ) an image sensor ( 4 ) and a tube ( 2 ), the lens ( 1 ) and the lens ( 1 ) and the image sensor ( 4 ) holding tube ( 2 ) are made of plastic, and the image sensor ( 4 ) in the focal plane of the lens ( 1 ) is arranged, wherein for at least a partial area of the tube ( 2 ) a material is provided which fits onto the material of the lens ( 1 ) has matched thermal expansion coefficients such that a change in the focal length of the lens due to temperature changes due to a thermal change in the length of the tube ( 2 ) compensated for this the tube ( 2 ) held image sensor ( 4 ) is always arranged at least almost in the focal plane in a certain temperature range, characterized in that the image sensor ( 4 ) indirectly via an image sensor holder ( 7 ) from the tube ( 7 ) is held, the material of the tube ( 2 ) has a larger coefficient of thermal expansion than the material of the image sensor holder ( 7 ), the length of the tube ( 2 ) is larger than the focal length of the lens ( 1 ), the image sensor ( 4 ) via the image sensor holder ( 7 ) axially inside, spaced from the tube end in the tube ( 2 ) is arranged. Optisches System für eine Kamera bestehend aus mindestens einer Linse (1) einem Bildsensor (4) und einem Tubus (2), wobei die Linse (1) und der die Linse (1) und den Bildsensor (4) haltende Tubus (2) aus Kunststoff hergestellt sind, wobei für zumindest einen Teilbereich des Tubus (2) ein Material vorgesehen ist, das einen auf das Material der Linse (1) abgestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten derart aufweist, daß eine durch Temperaturänderungen bedingte Änderung der Linsenbrennweite durch eine thermische Längenänderung des Tubus (2, 2A, 2B) kompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Linse (1) mit einem Retrofokus verwendet wird.Optical system for a camera consisting of at least one lens ( 1 ) an image sensor ( 4 ) and a tube ( 2 ), the lens ( 1 ) and the lens ( 1 ) and the image sensor ( 4 ) holding tube ( 2 ) are made of plastic, with at least a partial area of the tube ( 2 ) a material is provided which fits onto the material of the lens ( 1 ) has coordinated thermal expansion coefficients such that a change in the focal length of the lens due to temperature changes due to a thermal change in length of the tube ( 2 . 2A . 2 B ) is compensated, characterized in that a lens ( 1 ) is used with a retrofocus.
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