DE10261973B4

DE10261973B4 - Optisches System für eine Kamera sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10261973B4
Application number: DE10261973A
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: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2022-05-11
Also published as: DE10261973A1; DE10261974A1

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...

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.

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 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.

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.

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.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Kompensation der temperaturabhängigen. Brennweitenänderung optischer Systeme weiterzuentwickeln, so dass eine Kompensation über einen weiten Temperaturbereich möglich ist.

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.

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.

Als Tubusmaterial sind dabei zum Beispiel besonders Polyamide geeignet, die einen besonders hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 20 × 10^-5/K haben.

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.

Anhand der beigefügten Zeichnungen soll die Erfindung nachfolgend veranschaulicht werden. Es zeigt:
1 einen Schnitt durch den Tubus mit „eingefalteter" Linse,
2 einen Schnitt durch den Tubus mit „eingefaltetem" Bildsensor,
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.
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.

1: Linse
2: Tubus
3: Aperturblende
4: Bildsensor
5: Leiterplatte für den Bildsensor
6: Linsenhalter
7: Bildsensorhalter
8: Optische Achse

Claims

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.
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.