DE10261973B4 - Optical system for a camera and method for its production - Google Patents

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Abstract

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 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,
– wobei 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...Optical system for a camera comprising at least one lens (1), an image sensor (4) and a tube (2),
- wherein the lens (1) and the lens (1) and the image sensor (4) holding the tube (2) are made of plastic,
- wherein the image sensor (4) is arranged in the focal plane of the lens (1),
- Wherein for at least a portion of the tube (2) a material is provided which has a matched to the material of the lens (1) thermal expansion coefficient such that a change in temperature caused by change in the lens focal length by a thermal change in length of the tube (2) to that effect it is compensated for that the image sensor (4) held by the tube (2) is always arranged at least almost in the focal plane within a certain temperature range,
- wherein the lens (1) is indirectly held by a lens holder (6) of the tube (2),
- The material of the tube (2) has a greater coefficient of thermal expansion than ...

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System für eine Kamera bestehend aus mindestens einer Linse und einem die Linse und den Bildsensor haltendenden Tubus. Ein derartiges System ist aus der DE 198 42 828 A1 bekannt.The invention relates to an optical system for a camera comprising at least one lens and a tube holding the lens and the image sensor. Such a system is 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 is pointed to a problem in connection with plastic lenses, which is that the refractive index of plastic lenses compared to glass lenses is much more temperature dependent. This means that also the focal length of a plastic lens changes with temperature, which in turn leads to a blurred image, since then the image sensor is no longer located exactly in the image plane of the lens. This is particularly problematic when the optical system is to be used reliably over a relatively wide temperature range. When used in a motor vehicle, for example, a temperature range of -20 ° C to + 40 ° C or greater cover.

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.In JP 58-7109 A is proposed to solve this problem, to arrange the image sensor on a material that is one on the Material of the lens tuned thermal expansion coefficient has, and so tuned that a change caused by temperature changes the lens focal length by 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 828A1 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 Tubusmaterial 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 828A1 is substantially equal to the lens focal length, such a compensation over a wide temperature range is not always guaranteed due to the limited tube length, especially not if the coefficient of linear expansion of Tubusmaterial is too small to a tube length, which corresponds approximately to the lens focal length, a complete compensation to effect the focal length change.

Darüber hinaus ist es aus dem Stand der Technik ( DE 339895 sowie JP 10133087A ) bekannt, die temperaturabhängige Brennweitenänderung dadurch zu kompensieren, dass für zwei die optischen Komponenten (Linse, Bildsensor) des Systems tragenden Teile Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden.In addition, it is known from the prior art ( DE 339895 such as JP 10133087A ) are known to compensate for the temperature-dependent focal length change by using materials with different thermal expansion coefficients for two parts carrying the optical components (lens, image sensor) of the system.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Kompensation der temperaturabhängigen. Brennweitenänderung optischer Systeme weiterzuentwickeln, so dass eine Kompensation über einen weiten Temperaturbereich möglich ist.task The invention is the compensation of the temperature-dependent. Zooming optical systems, so that a compensation over a wide temperature range possible is.

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 der optischen Systems bewirkt, so daß trotz des vorteilhaft längeren Tubus der Abstand zwischen Linse und Bildsensor wieder der Brennweite entspricht.To For this purpose, it is inventively provided 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 of the tube can then be larger as the focal length of the lens, that is greater than the distance between Lens and image sensor. In this way, the invention is effective Length of the Enlarged tube. This in turn causes a compensation option for larger focal length changes, because the thermal change in length proportional to the thermal expansion coefficient and proportional to the length of the tube itself. For this to work, however, must for the Lens holder can be used a material that differs from the Material of the tube comparatively little thermally expands. With other words will be over the lens holder causes a folding of the optical system, so that despite the advantageous 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.alternative or additionally to the lens holder, the folding of the optical system by a Image sensor holder can be realized, via which the image sensor indirectly connected to the tube and held, so that the image sensor on 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 the same as for the material of the lens holder compared to the tube material.

Als Tubusmaterial sind dabei zum Beispiel besonders Polyamide geeignet, die einen besonders hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 20 × 10-5/K haben.For example, polyamides which have a particularly high coefficient of thermal expansion of about 20 × 10 -5 / K are 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.When Plastic material for the lens is preferably polymethyl methacrylate (PMMA), a PMMA copolymer, a cycloolefin copolymer (COC) and / or polycarbonate (PC) is used. For spraying the tube is-preferably a colored plastic material used.

Anhand der beigefügten Zeichnungen soll die Erfindung nachfolgend veranschaulicht werden. Es zeigt:Based the attached Drawings, the invention will be illustrated below. It shows:

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

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

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 7,5mm 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 ± 0,05mm 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. 0,1mm bei einer Temperaturänderung von 60 Kelvin.To the thermally induced focal length change of the lens ( 1 ), it is provided for at least a portion of the tube ( 2 ) to use a material that is sensitive to the material of the lens ( 1 ) matched such that a change in the lens focal length caused by temperature changes by a thermal change in length of the tube ( 2 ) is at least largely compensated, so that the of 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-induced focal length change and its compensation will be explained in a concrete example. In the case of a PMMA lens which is intended to 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 surface of the image sensor to within ± 0.05 mm exactly 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 about 20 × 10 -5 / K results in a length extension of about 0.1 mm at 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 828A1 ) 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 lens focal length, "folded" optical systems are provided according to the invention. DE 198 42 828A1 ) the focal length of the lens ( 1 ), the tube length is longer than the focal length according to the invention in order to be able to effect an increased compensation of the thermal focal length change. In order to still the distance between lens ( 1 ) and image sensor ( 4 ) according to the focal length, is 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 ), the lens ( 1 ) and / or the image sensor ( 4 ) axially inward, spaced from the respective tube end in the tube ( 2 ) are arranged. So that the length expansion of the tube ( 2 ) due to the greater length of the tube ( 2 ) not by a linear expansion of the respective holder ( 6 . 7 ) is counteracted, for the holders ( 6 . 7 ) selected a material that has a substantially smaller thermal expansion coefficient than the material of the tube ( 2 ). The holders ( 6 . 7 ) can also in one-piece injection molding with the tube ( 2 ) or the tube parts ( 2A . 2 B ) getting produced.

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

Claims (2)

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 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, – wobei 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), – wobei die Länge des Tubus (2) größer ist als die Brennweite der Linse (1), – wobei die Linse (1) über den Linsenhalter (6) axial innenliegend, beabstandet vom Tubusende im Tubus (2) angeordnet ist, – wobei die Linse (1) aus Polymethylmethacrylat (PMMA), PMMA-Copolymerisat, Cycloolefin-Copolymer (COC) und/oder Polycarbonat (PC) besteht, – wobei der Tubus (2) aus Polyamid besteht. Optical system for a camera consisting of at least one lens ( 1 ) an image sensor ( 4 ) and a tube ( 2 ), - whereby the lens ( 1 ) and the lens ( 1 ) and the image sensor ( 4 ) holding tube ( 2 ) are made of plastic, - wherein the image sensor ( 4 ) in the focal plane of the lens ( 1 ) is arranged, - for at least a portion of the tube ( 2 ) a material is provided, one on the material of the lens ( 1 ) has a matched coefficient of thermal expansion such that a change in the lens focal length caused by temperature changes is caused by a thermal change in length of the tube ( 2 ) is compensated to the extent that the tube ( 2 ) held image sensor ( 4 ) is always arranged in a certain temperature range at least almost in the focal plane, - wherein the lens ( 1 ) indirectly via a lens holder ( 6 ) of the tube ( 2 ), the material of the tube ( 2 ) has a larger thermal expansion coefficient than the material of the lens holder ( 6 ), - the length of the tube ( 2 ) is greater than the focal length of the lens ( 1 ), - whereby the lens ( 1 ) over the lens holder ( 6 ) axially inside, spaced from the tube end in the tube ( 2 ) is arranged, - wherein the lens ( 1 ) consists of polymethyl methacrylate (PMMA), PMMA copolymer, cycloolefin copolymer (COC) and / or polycarbonate (PC), - wherein the tube ( 2 ) consists of polyamide. 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 Kunststoffhergestellt 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, – wobei 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), – wobei die Länge des Tubus (2) größer ist als die Brennweite der Linse (1), – wobei der Bildsensor (4) über den Bildsensorhalter (7) axial innenliegend, beabstandet vom Tubusende im Tubus (2) angeordnet ist, – wobei die Linse (1) aus Polymethylmethacrylat (PMMA), PMMA-Copolymerisat, Cycloolefin-Copolymer (COC) und/oder Polycarbonat (PC) besteht, – wobei der Tubus (2) aus Polyamid besteht.Optical system for a camera consisting of at least one lens ( 1 ) an image sensor ( 4 ) and a tube ( 2 ), - whereby the lens ( 1 ) and the lens ( 1 ) and the image sensor ( 4 ) holding tube ( 2 ) are made of plastic, and wherein the image sensor ( 4 ) in the focal plane of the lens ( 1 ) is arranged, - for at least a portion of the tube ( 2 ) a material is provided, one on the material of the lens ( 1 ) has a matched coefficient of thermal expansion such that a change in the lens focal length caused by temperature changes is caused by a thermal change in length of the tube ( 2 ) compensated accordingly that the tube of the tube ( 2 ) held image sensor ( 4 ) is always arranged at least almost in the focal plane in a certain temperature range, - wherein the image sensor ( 4 ) indirectly via an image sensor holder ( 7 ) of the tube ( 7 ), the material of the tube ( 2 ) has a larger thermal expansion coefficient than the material of the image sensor holder ( 7 ), - the length of the tube ( 2 ) is greater than the focal length of the lens ( 1 ), - wherein the image sensor ( 4 ) via the image sensor holder ( 7 ) axially inside, spaced from the tube end in the tube ( 2 ) is arranged, - wherein the lens ( 1 ) consists of polymethyl methacrylate (PMMA), PMMA copolymer, cycloolefin copolymer (COC) and / or polycarbonate (PC), - wherein the tube ( 2 ) consists of polyamide.
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