DE102006037566A1

DE102006037566A1 - Weitwinkelobjektiv

Info

Publication number: DE102006037566A1
Application number: DE200610037566
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Lang; Klaus Eckerl; Reinhard Thomas
Original assignee: Mekra Lang GmbH and Co KG
Current assignee: Mekra Lang GmbH and Co KG
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2006-08-10
Publication date: 2008-02-14

Abstract

Es wird ein preiswertes Weitwinkelobjektiv sowie eine Weitwinkelkamera mit einem solchen Weitwinkelobjektiv angegeben, dessen Bildfehler die Erkennung von Hindernissen im Bereich um das Fahrzeug nicht über Gebühr beeinträchtigt. Es wurde erkannt, dass ein wesentliches Problem beim Einsatz von Weitwinkelobjektiven im Kraftfahrzeugbereich die mit Weitwinkelobjektiven einhergehende Verzeichnung ist. D. h. insbesondere durch die Verzeichnung wird das einfache und schnelle Erkennen von Hindernissen erschwert. Die Verzeichnung wird daher erfindungsgemäß durch das Weitwinkelobjektiv selbst auf < 5% und vorzugsweise < 3% beschränkt. Obwohl der automotive Einsatzbereich der vorliegenden Erfindung aus Kostengründen den Einsatz von aufwendigen Weitwinkelobjektiven ausschließt, wird dennoch die Korrektur der Verzeichnung durch entsprechende Ausgestaltung des Weitwinkelobjektivs und nicht durch elektronische Nachbearbeitung der aufgenommenen Bilder erreicht. Es hat sich überraschend gezeigt, dass dies mit vertretbarem Kostenaufwand möglich ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Weitwinkelobjektiv gemäß Anspruch 1 sowie eine Weitwinkelkamera nach Anspruch 20.
Bei Kraftfahrzeugen, insbesondere bei Nutzfahrzeugen werden immer mehr Kameras zur Überwachung der unmittelbaren Fahrzeugumgebung eingesetzt. Derartige Überwachungskameras werden üblicherweise starr an dem Fahrzeug montiert, so dass die Kamera ein weites Blickfeld erfassen muss. Hierzu werden üblicherweise Kameras mit vergleichsweise preiswerten Weitwinkelobjektiven eingesetzt.
Diese Weitwinkelobjektive erfassen einen sehr großen Feldwinkel von 100° oder mehr. Jedoch wird dieses große Blickfeld bzw. dieser große Feldwinkel durch eine starke Verzeichnung und durch eine geringere Lichtschwäche im Randbereich des Bildes erkauft. Unter Verzeichnung versteht man, dass gerade Linien im Randbereich gekrümmt abgebildet werden. Man unterscheidet zwischen einer tonnen- und einer kissenförmigen Verzeichnung, wobei bei Weitwinkelobjektiven eine tonnenförmige Verzeichnung bzw. in Prozenten ausgedrückt eine positive Verzeichnung auftritt – siehe 3. Für die Verzeichnung (y'-y)/y' mit y' als Bildhöhe ohne Verzeichnung und mit y als tatsächliche Bildhöhe mit Verzeichnung. In der Regel wird nur die radiale Verzeichnung, d. h. die Längenänderung durch die Abbildung entlang der Speichen eines Rades berücksichtig. In der vorliegenden Anmeldung beziehen sich die %-Angaben zur Verzeichnung auf diese radiale Verzeichnung.
Bei Objektiven also auch bei Weitwinkelobjektiven treten eine Vielzahl von Abbildungsfehlern auf, die so genannten sieben Seidelschen Bildfehler. Die Seidelschen Bildfehler sind in drei Gruppen einzuteilen: Schärfefehler (die sphärische Aberration, Koma, Astigmatismus), Lagefehler (Bildfeldwölbung, Verzeichnung) und Farbfehler (Farblängsfehler und Farbquerfehler). Jede Linse eines Objektives besitzt verschiedene Eigenschaften wie Glassorte, wie Krümmung (Radius der beiden Linsenflächen) und Dicke der Linse. Die Anordnung einer Mehrzahl von Linsen in einem Objektiv wird auch durch die Abstände der einzelnen Linsen voneinander, der Lage der Blende und der Schnittweite, d. h. dem Abstand der letzten Linsenfläche zur Bildebene charakterisiert. Diese Eigenschaften werden Parameter oder Freiheitsgrade genannt. Nach der Theorie kann jede dieser Freiheitsgrade benutzt werden um einen Bildfehler zu korrigieren. Umgekehrt ist auch jeder Freiheitsgrad an allen Bildfehlern beteiligt. Dies bedeutet, dass bei der üblichen Verwendung von Optikrechnern für jede einzelne Fläche die Bildfehler anteilig zuordnen kann.
Was das bedeutet, lässt sich anhand eines Beispiels nachvollziehen. Dieses Beispiel ist sehr wichtig, weil es darstellt, wie ein Entwickler eines Objektives, ein Optikrechner vorgeht und warum die Kreativität noch so eine große und entscheidende Rolle spielt. Man kann also die sieben Aberrationen korrigieren mit minimal acht unabhängigen Systemparametern (Freiheitsgraden). (Die Brennweite ist ebenfalls zu berücksichtigen). Ein Triplet (dreilinsiges Objektiv) könnte im Prinzip genügen. Ein Triplet ist normalerweise aus zwei sammelnden Außengliedern (Kronglas) und einem inneren Zerstreuungsglied (Flintglas) aufgebaut. Das ergibt sechs Radien und zwei Abstände zwischen den einzelnen Linsen. Als Anfang nimmt der Optikrechner Systemparameter wie Glasart, Dicke der Linse, Abstand zwischen den Linsen und Krümmung (Radius) der Glasflächen. Wir haben sechs Linsenflächen und können nun für jede Fläche berechnen, wie groß der Anteil der Bildfehler ist. Als Beispiel könnten wir (sehr vereinfacht) feststellen, dass in diesem Fall die Radien der zweiten Fläche (der ersten Linse) die sphärische Aberration und die chromatischen Fehler erzeugt, und die Radien der dritten Fläche Koma und Astigmatismus.
Der Optikrechner muss nun entscheiden, wie er diese Aberrationen korrigiert. Er könnte versuchen, die Krümmung der ersten Linse so zu ändern, dass die sphärische Aberration berücksichtigt werden kann. Aber die Krümmung bestimmt auch die Brennweite, die soll sich ja nicht ändern. Es kann auch der Fall sein, dass mit der Krümmung zwar der sphärische Fehler verringert wird, jedoch gleichzeitig der Anteil der Koma ansteigt. Er kann sich auch so entscheiden, dass die Korrektion über mehrere Systemparameter verteilt wird, um die Empfindlichkeit zu verringern. Wenn man einem Systemparameter die Aufgabe erteilt, eine Aberration so gut wie möglich zu korrigieren, hat man ein Problem, wenn bei der Fertigung gerade dieser Para meter nicht innerhalb der Toleranz liegt. Oder man kann auch feststellen, dass die Toleranz zu klein ist und in der Fertigung nicht eingehalten werden kann.
Der Optikrechner wird die Systemparameter so lange ändern, bis die Korrektur der sieben Aberrationen so ausgelegt ist, dass die Fehlerreste ganz klein sind. Auch wird er versuchen, jeden Bildfehler mit verschiedenen Freiheitsgraden gleichzeitig zu korrigieren. Die „Last" der Korrektur wird dann über die verschiedenen Flächen verteilt und das ganze System wirkt entspannter. Der Entwickler kann innerhalb bestimmter Grenzen die Glasarten und die Krümmung wählen, aber jede Kombination wird eine andere Art der Gesamtkorrektur hervorrufen. Hat man nun das Triplet so konfiguriert, dass es den Anforderungen ungefähr genügt, wird man zum Beispiel feststellen, dass der Astigmatismus am Rand des Bildes fast verschwunden ist, aber im Feld noch ziemlich kräftig mitspielt. Hier stoßen wir auf ein neues Problem. Die sieben Seidelsche Bildfehler sind leider nicht die einzigen optischen Aberrationen. Man bezeichnet die Seidelsche Aberrationen als Bildfehler der dritten Ordnung. Es gibt logischerweise noch mehr Bildfehler höherer Ordnungen. Die wichtigsten sind die Fehler der fünften und siebten Ordnung. Diesen Fehlergruppen begegnet man nur, wenn die erste Gruppe (dritter Ordnung) gut korrigiert ist.
Theoretisch wird ein sehr kleiner Gegenstandspunkt auch als ein sehr kleiner Bildpunkt dargestellt. In der Praxis stimmt das nicht, weil es diese Aberrationen gibt, die das Spiel verderben. Ein Punkt wird nicht als Punkt, sondern als eine kleine Scheibe mit unterschiedlicher Helligkeitsverteilung abgebildet. Siehe auch die Abbildung: Lichtberg. Sobald diese Scheibe einen bestimmten Durchmesser unterschreitet, werden die Bildfehler höherer Ordnung sichtbar. Das ist eine vereinfachte Darstellung. In Wirklichkeit wirken diese Fehler immer, aber man bemerkt sie nur, wenn der Restfehler der dritten Ordnung klein ist.
Das Triplet-Beispiel, bei dem der Astigmatismus im Feld noch sichtbar ist, zeigt den Effekt dieser Bildfehler höherer Ordnung. Man kann einen bestimmten und ganz gut kontrollierten Rest der Seidelschen Bildfehler benutzen, um diesen Fehler der fünften/siebten Ordnung zu kompensieren. Das geht natürlich nur in beschränktem Maße und ein Triplet hat nur dann eine akzeptable Bildqualität, wenn der Feldwinkel und/oder die Blende klein sind.
Dieser Satz ist sehr wichtig. Ein bestimmtes optisches System (Anzahl und Konfiguration der Linsen) hat eine beschränkte Möglichkeit für die Korrektion der Bildfehler. Das bedeutet im Klartext, dass der Optikrechner nur mit viel Erfahrung und Kenntnis die richtige Wahl treffen kann, wenn eine neue Rechnung gefragt ist.
Computer und numerischer Methoden werden eingesetzt, um die wichtigen Abbildungsfehler besser zu kontrollieren und sie werden auch verwendet, um ein optisches System zu optimieren. Dieser Reichtum an Information kann aber auch seine eigenen Probleme herbeiführen. Dennoch ist die Aufgabe des Designers oder Optikrechners nicht unbedingt einfacher geworden. Mit Hilfe von Computern kann er lediglich mehr Parameter berücksichtigen und schneller und genauer rechnen.
Es besteht ein gewisses Verhältnis zwischen der Anzahl von Objektivparametern (Linsenkrümmung, Linsendicke, Abstand, Brechungsindex usw.), sprich Freiheitsgraden, und dem Grad der Korrektur eines optischen Systems. Mit mehr Freiheitsgraden hat der optische Rechner entsprechend mehr Möglichkeiten, ein System zu korrigieren. Wenn ein Rechner mehr optische Elemente einsetzt, könnte eine bessere Korrektur erreicht werden. Das hat aber erhebliche Kostensteigerungen zur Folge, noch dazu könnte das System stark auf Fertigungstoleranzen oder Gewichtssteigerungen reagieren.
Der Entwickler muss dann ein sehr gutes Verständnis der grundsätzlichen optischen Möglichkeiten einer bestimmten Konstruktion erarbeiten. Alle Konstruktionen benötigen eine Optimierung nach einer anfänglich viel versprechenden Skizze. Wenn eine Konstruktion nicht für einen Feinabgleich geeignet ist, kann der Entwickler nur ein minderwertiges Produkt erreichen.
Ein sechslinsiges Objektiv hat 10 freie Linsenflächen (Radien), sechs Linsendicken (eine pro Linse) und vier Abstände zwischen Linsen. Zusätzlich hat jeder Glastyp einen Brechungsindex und eine Dispersionsnummer. Auch muss die genaue Lage der Blende bestimmt werden. Mit diesen 36 Parametern (oder Freiheitsgraden) muss der Entwickler mehr als 60 (!) verschiedene Abbildungsfehler korrigieren. Jeder Parameter kann ungefähr 10.000 einzelne Werte betragen und wir müssen mehr als 6.000 verschiedene Strahlengänge für jede Änderung eines Parameters berechnen.
Die 36 Freiheitsgrade sind auch nicht ganz unabhängig. Einige müssen kombiniert werden, andere sind stark von anderen Parametern eingeschränkt. Demzufolge sind die 36 Freiheitsgrade auf ungefähr 20 reduziert, wodurch die Aufgabe noch komplizierter wird. Angesichts der gegebenen Bedingungen und Überlegungen ist es nicht überraschend, dass hunderte, wenn nicht tausende von Konstruktionen erarbeitet werden können, welche alle der gewünschten Lösung sehr nahe liegen. Es ist geschätzt worden, dass eine komplette Bewertung eines sechslinsigen Objektivs unter Einsatz sehr schneller Computer, die Strahlengänge mit einer Geschwindigkeit von 100.000 Oberflächen pro Sekunde berechnen können, 10 Jahre beanspruchen würde.
Das ist selbstverständlich nicht möglich. Um die beste Lösung aus dieser unendlichen Auswahl zu ermitteln, muss der Optikrechner eine gründliche Kenntnis der Effekte aller Abbildungsfehler auf die Bildqualität besitzen. Zusätzlich muss er fähig sein, diejenigen Faktoren der Bildqualität zu erkennen, welche die gewünschten Merkmale des optischen Systems herbeiführen können.
Bei dem Einsatz von Weitwinkelobjektiven zur Überwachung der unmittelbaren Umgebung um ein Fahrzeug soll einerseits ein möglichstes großes Bildfeld erfasst werden, da die Kameras üblicherweise starr am Fahrzeug montiert werden, und zum anderen sollen die zwangsläufig auftretenden Bildfehler das Erkennen von Hindernissen mit diesem Weitwinkelobjektiv nicht über Gebühr beeinträchtigen. Darüber hinaus darf das Weitwinkelobjektiv nicht zu konstruktiv aufwendig werden, da es dann für Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich zu teuer werden würde.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein preiswertes Weitwinkelobjektiv anzugeben, dessen Bildfehler die Erkennung von Hindernissen im Bereich um das Fahrzeuge nicht über Gebühr beeinträchtigt. Weiter ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine entsprechende Weitwinkelkamera anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 20.
Es wurde erkannt, dass ein wesentliches Problem beim Einsatz von Weitwinkelobjektiven im Kraftfahrzeugbereich die mit Weitwinkelobjektiven einhergehende Verzeichnung ist. D. h. insbesondere durch die Verzeichnung wird das einfache und schnelle Erkennen von Hindernissen erschwert. Die Verzeichnung wird daher erfindungsgemäß durch das Weitwinkelobjektiv selbst auf < 5% und vorzugsweise < 3% beschränkt. Obwohl der automotive Einsatzbereich der vorliegenden Erfindung aus Kostengründen den Einsatz von aufwendigen Weitwinkelobjektiven ausschließt, wird dennoch die Korrektur der Verzeichnung durch entsprechende Ausgestaltung des Weitwinkelobjektivs und nicht durch elektronische Nachbearbeitung der aufgenommenen Bilder erreicht. Es hat sich überraschend gezeigt, dass dies mit vertretbarem Kostenaufwand möglich ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt diese Reduzierung der Verzeichnung vor allem durch eine aspärische Linse. Diese asphärische Linse ist vorzugsweise eine konkav-konvexe Biasphäre und ist die letzte Linse in dem Weitwinkelobjektiv vor dem Bildsensor bzw. vor der Bildebene.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die optische Baulänge des Objektivs auf 18 mm ± 5 mm beschränkt. Dies erzwingt zum einen eine einfache Konstruktion und zum anderen ergibt sich ein Weitwinkelobjektiv, das für den Einsatz im Kraftfahrzeug klein genug ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält das Weitwinkelobjektiv maximal fünf Linsen, wobei die erste Linsengruppe maximal drei und die zweite Linsengruppe maximal zwei Linsen enthält. Diese Linsenzahl bietet einen guten Kompromiss zwischen Komplexität des Objek tives und damit dem Preis und der Möglichkeit Bildfehler ausreichend zu korrigieren.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die optische Blende vom Eintrittsfenster aus betrachtet im Bereich um die 60% ± 10% der optischen Baulänge angeordnet. Es hat sich gezeigt, dass die Anordnung der Blende an dieser Stelle bzw. in diesem Bereich besonders geeignet ist, bei der geringen Anzahl der verwendeten Linsen die Linsenfehler und insbesondere die Verzeichnung zu reduzieren.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Linsen der ersten und der zweiten Linsengruppe in direktem Kontakt zueinander ohne Abstandselemente angeordnet. Auf diese Weise wird eine besonders geringe optische Baulänge ermöglicht. Auch Toleranzen lassen sich dadurch besser einhalten, da die Abstandselemente fehlen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die optische Blende 1,26 mm ± 0,5 mm. Durch diese Dimensionierung wird die gewünschte Reduzierung der Verzeichnung besonders begünstigt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die erste Linsengruppe drei Linsen und die zweite Linsengruppe zwei Linsen. Diese Kombination von einzelnen Linsen, ihre Anordnung und Dimensionierung bewirkt ein sehr großes Bildfeld und eine sehr kleine Verzeichnung. Auch die übrigen Bildfehler halten sich in tolerierbaren Grenzen.
Die Dimensionierung der fünf Linsen gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 12 mit den dort angegebenen Toleranzen liefern zufrieden stellende Resultate hinsichtlich der Reduzierung der Verzeichnung und der sonstigen optischen Eigenschaften des Weitwinkelobjektivs gemäß der vorliegenden Erfindung
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 19 wird die Blende durch eine kreisrunde Öffnung in einer zylindrischen Bohrung realisiert. Durch diese Maßnahme werden störende Reflexionen durch streifenden Lichteinfall wie bei einer üblicherweise verwendeten konischen Bohrung verhindert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine planparallelen Platte anstelle der üblicherweise für solche Kameras verwendeten sphärischen oder dome-förmigen Abdeckungen vorgesehen. Dies bedingt zwar, dass die optischen Eigenschaften der Platte bei der Berechnung des Weitwinkelobjektives mit berücksichtigt werden müssen, dieser zusätzliche Aufwand wird aber durch die wesentlich geringeren Kosten der planparallelen Platte im Vergleich zu einer sphärischen Abdeckung mehr als wett gemacht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Linse der zweiten Linsengruppe besonders zur Korrektur der Bildfeldwölbung ausgelegt. Durch diese Korrektur wird die räumlich gekrümmte Bildfläche des Weitwinkelobjektivs auf die plane Sensorfläche des Bildsensor angepasst bzw. es werden daraus resultierende Bildfehler korrigiert und verringert.
Die weiteren Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnungen.
Es zeigt:
1 eine Schnittdarstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Weitwinkelkamera mit einer elektronischen Bildaufnahmeeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 ein optisches Funktionsschaltbild der beispielhaften Ausführungsform nach 1 mit einer Darstellung der Strahlengänge aus verschiedenen Feldwinkeln, und
3 eine schematische Darstellung der Verzeichnung als einen der Seidelschen Bildfehler.
Die 1 und 2 zeigen eine beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung. 1 zeigt eine Weitwinkelkamera mit einem Weitwinkelobjektiv gemäß der vorliegenden Erfindung in Längsschnitt entlang der optischen Achse des Objektivs und 2 zeigt die Strahlengänge durch das Weitwinkelobjektiv nach 1 unter verschiedenen Feldwinkeln α.
Licht von einem aufzunehmenden Objekt trifft über den Feldwinkel α auf eine erste Linsengruppe 2, die eine Eintrittsöffnung 4 festlegt. In Richtung des von dem aufzunehmenden Objekt einfallenden Lichtes hinter der ersten Linsengruppe 2 ist eine optische Blende 6 angeordnet. Hinter der optischen Blende 6 ist eine zweite Linsengruppe 8 vorgesehen. Hinter der zweiten Linsengruppe 8 ist eine ebene Bildfläche 10 vorgesehen, in der eine elektronische Bildaufnahmeeinheit in Form eines CCD-Sensors 12 mit einer Mehrzahl von Pixeln angeordnet ist. Zwischen dem CCD-Sensor 12 und der zweiten Linsengruppe 8 ist ein IR-Cut-Filter 14 angeordnet. Durch den IR-Cut-Filter 14 wird IR-Strahlung ausgefiltert, die zu einer Verschlechterung der Bildqualität führen würde. Dies gilt vor allem für die Farbdarstellung bei Farbkameras, da bei höherem IR-Anteil die Farbwirkung beeinträchtigt wird.
Die erste Linsengruppe 2 umfasst eine erste Linse 16-1, eine zweite Linse 16-2 und eine dritte Linse 16-3. Die zweite Linsengruppe 8 umfasst eine vierte Linse 16-4 und eine fünfte Linse 16-5. Die Linsen 16-1, 16-2 und 16-3 der ersten Linsengruppe 2 sind unmittelbar aneinander angeordnet, d.h. es sind keine Abstandselemente dazwischen vorgesehen. Ebenso ist die vierte Linse 16-4 und die fünfte Linse 16-5 unmittelbar aneinander angeordnet. Hierbei ist die größere fünfte Linse 16-6 als Halterung für die kleinere vierte Linse 16-4 ausgebildet. Alle fünf Linsen 16-1 bis 16-5 werden durch eine Linsenhalterung 18 gehalten. Hierbei greift die Linsenhalterung 18 jeweils an den radialen Rändern der fünf Linsen 16-1 bis 16-5 an. Die Öffnung der Linsenhalterung 18 definiert auch die Größe des Eintrittsfensters 4. Bei der beispielhaften Ausführungsform besitzt das kreisrunde Eintrittsfenster 4 einen Durchmesser von 14 mm.
Die optische Blende 6 befindet sich unmittelbar vor der vierten Linse 16-4 und weist einen Durchmesser von 1,26 mm auf. Die Blende 6 ist physisch in der Linsenhalterung 18 ausgebildet, die sich in den Raum zwischen der dritten und der vierten Linse 16-3, 16-4 erstreckt. Die Blende 6 wird durch eine Ausnehmung in einer Sackbohrung 20 definiert, die symmetrisch um die optische Achse des Objektivs in der Linsenhalterung 18 ausgebildet ist. Die Sackbohrung 20 definiert eine kreisförmige Eintrittsöffnung 22 und im Boden der Sackbohrung 20 ist eine kleinere kreisförmige Austrittsöffnung 24 vorgesehen.. Die Austrittsöffnung 24 ist unmittelbar vor der vierten Linse 16-4 angeordnet und ihre Größe bestimmt die Größe der Blende 6. Bei der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung beträgt der Durchmesser der Austrittsöffnung 24 und damit der der optischen Blende 6 1,26 mm. Durch die nicht-trichterförmige Ausgestaltung der Bohrung 20 wird streifender Lichtdurchtritt durch die Blende 6, was zu unerwünschten Reflexionen führt, vermieden.

Die erste Linse 16-1 ist konvex-konkav geformt und weist einen Radius R₁₁ und einen zweiten Radius R₁₂ auf die Krümmungsradien der einzelnen Linsen sind aus der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen. Die zweite Linse 16 ist ebenfalls konvex-konkav geformt mit einem ersten Radius R₂₁ und einem zweiten Radius R₂₂. Die dritte Linse ist bikonvex mit einem ersten Radius R₃₁, einem zweiten Radius R₃₂. Die vierte Linse ist bikonvex geformt mit einem ersten Radius R₄₁ und einem zweiten Radius R₄₂. Die fünfte Linse ist eine konkav-konvex asphärische Linse. Die Dicken, Durchmesser Radien und Brechzahlen der fünf Linsen 16-i sowie deren Abstände zueinander sind aus nachfolgenden Tabelle 1 zu ersehen.

		Radien/mm	Dicken/mm	Brechzahl nd/587 nm	Durchmesser/mm
erste Linse	R11	+11,60	1,50	1,79	16,00
16-1	R12	–5,20
Luftabstand			3,00
zweite Linse	R21	+45,20	0,80	1,77	11,00
16-2	R22	–6,10
Luftabstand			1,60
dritte Linse	R31	+44,90	2,90	1,84	9,50
16-3	R32	+10,90
Luftabstand			4,00
Blende			0,04
vierte Linse	R41	+4,30	1,40	1,77	4,00
16-4	R42	+7,80
Luftabstand			0,90	1,53
fünfte Linse	R51	–0,53	1,00		2,40
16-5	R52	+1,10			2,90

Tabelle 1

Die Asphärenkoeffizienten c_i und die konischen Konstanten K der fünften Linse 16-5 sind aus der nachfolgenden Tabelle 2 zu ersehen.

Asphärenkoeffizienten c2 c4 c6 C8 konische Konstante K

R51 0,65470 0,06311 0,08367 0,03340 –0,84600

R52 0,02660 0,03690 0,01090 0,01770 –0,50240

Tabelle 2
Zu der Darstellung der asphärischen Flächen der fünften Linse 16-5 wird auf das Fachbuch Naumann/Schröder, Bauelement der Optik, Taschenbuch der technischen Optik, 5. Aufl., 1987, S. 145ff verwiesen.
Die fünfte Linse 16-5 besteht aus Kunststoff, ist einstückig ausgebildet und besitzt einen Linsenteil 26 und einen Halteteil 28. Der Linsenteil 26 stellt eine asphärische, konkav-konvexe Linse dar, die die optische Funktion der fünfte Linse 16-5 bereitstellt. Das Halteteil 28 erstreckt sich ringförmig von dem Rand des Linsenteils 26 weg, wobei in Schnittdarstellung – siehe 1 – das Halteteil 28 aus zwei T-förmigen Elementen besteht, die sich nach oben und unten von dem Rand des Linsenteils 26 wegerstrecken. Folglich besteht das Halteteil 28 aus einem kreisringförmigen ersten Abschnitt 28-1 mit rechteckigem Querschnitt, der sich unmittelbar an den Rand des Linsenteils 26 anschließt, und einem kreisringförmigen zweiten Abschnitt 28-2 mit rechteckigem Querschnitt, der sich an den ersten Abschnitt 28-1 anschließt und quer zu diesem angeordnet ist. Der erste Abschnitt 28-1 dient als Anlagefläche für die vierte Linse 16-4, die ohne Abstandselemente direkt an der fünften Linse 16-5, genauer an dem ersten Abschnitt 28-1 des Halteteils 28 anliegt. Durch den die Austrittsöffnung 24 der trichterförmigen Bohrung 20 umgebenden Teil der Linsenhalterung 18 wird die vierte Linse 16-4 gehalten. Der zweite Abschnitt 28-2 des Halteteils 28 stützt sich an der Linsenhalterung 18 ab. Auch die erste, zweite und dritte Linse 16-1, 16-2, 16-3 stützen sich in ihrem Randbereich aneinander ab und werden in radialer Richtung durch die Linsenhalterung 18 gestützt.
Vor der ersten Linse 16-1 ist eine lichtdurchlässige Schutzabdeckung in Form einer planparallelen, transparenten Platte 30 vorgesehen, die das Weitwinkelobjektiv vor Umwelteinflüssen schützt. Das Vorsehen der planparallelen Platte 30 anstelle der üblicherweise für solche Kameras verwendeten sphärischen oder dome-förmigen Abdeckungen bedingt zwar, dass die optischen Eigenschaften der Platte 30 bei der Berechnung des Weitwinkelobjektives mit berücksichtigt werden müssen. Dieser zusätzliche Aufwand wird aber durch die wesentlich geringeren Kosten der planparallelen Platte 30 im Vergleich zu einer spärischen Abdeckung mehr als wett gemacht.
2 stellt das optische Funktionsschaltbild der Ausführungsform nach 1 dar und zeigt die Anordnung der fünf Linsen 16-1 bis 16-5 auf der optischen Achse OA des Weitwinkelobjektives gemäß der vorliegenden Erfindung. In 2 ist auch die optische Baulänge OBL des Objektivs, d. h. der Abstand zwischen der Vorderkante der ersten Linse 16-1 und Bildfläche 10 eingezeichnet. Die optische Baulänge beträgt bei der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung 18 mm. In 2 sind fünf verschieden Strahlengängen 32-1 bis 32-5 aus unterschiedlichen Feldwinkeln α mit Werten für α von 120°, 100°, 80°, 60° und 30° eingezeichnet (in 2 sind jeweils die Werte für α/2, d. h. der Winkel zwischen optischer Achse OA und dem jeweiligen Einstrittsstrahl eingezeichnet). Zusätzlich sind in 2 auch die Dicke und die radiale Ausdehnung der einzelnen Linsen 16-1 bis 16-5 eingezeichnet und angegeben.

α: Feldwinkel
OBL: optische Baulänge
OA: optische Achse
2: erste Linsengruppe
4: Eintrittsfenster
6: optische Blende
8: zweite Linsengruppe
10: Bildfläche
12: Bild-Sensor
14: IR-Cut-Filter
16-1: erste Linse
16-2: zweite Linse
16-3: dritte Linse
16-4: vierte Linse
16-5: fünfte Linse
18: Linsenhalterung
20: Sackbohrung in 18
22: Eintrittsöffnung
24: Austrittsöffnung
26: Linsenteil
28: Halteteil
28-1: erster Abschnitt von 28
28-2: zweiter Abschnitt von 28
30: transparente Schutzabdeckung
32-i: Strahlengänge

Claims

Weitwinkelobjektiv, mit einer ersten Linsengruppe (2) mit einer Eintrittsöffnung (4) zur Erfassung von Licht von einem aufzunehmenden Objekt aus einem diagonalen Feldwinkel α von 120° ± 10°, einer der ersten Linsengruppe (2) nach geschalteten optischen Blende (8), und einer zweiten Linsengruppe (6), die der optischen Blende (8) nach geschaltet ist, und das von der ersten Linsengruppe (2) durch die optische Blende (2) hindurchgeleitetet Licht auf eine Bildfläche (10) mit einer Verzeichnung von < 5% und vorzugsweise < 3% projiziert.
Weitwinkelobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Linsengruppe (6) eine asphärische Linse (16-5) zur Korrektur der Verzeichnung enthält.
Weitwinkelobjektiv nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die asphärische Linse (16-5) eine Biasphäre ist.
Weitwinkelobjektiv nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die asphärische ein konkav-konvexe asphärische Linse ist.
Weitwinkelobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Weitwinkelobjektiv maximal fünf Linsen (16-i) enthält.
Weitwinkelobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Linsengruppe (2) maximal drei Linsen (16-1, 16-2, 16-3) enthält.
Weitwinkelobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Linsengruppe (6) maximal zwei Linsen (16-4, 16-5) enthält.
Weitwinkelobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Baulänge (OBL) des Weitwinkelobjektivs 18,0 mm ± 5 mm beträgt.
Weitwinkelobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Blende (8) von dem Eintrittsfenster (4) aus betrachtet bei 60% ± 10% der optischen Baulänge (OBL) angeordnet ist.
Weitwinkelobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (16-1, 16-2, 16-3) innerhalb der ersten Linsengruppe (2) und/oder die Linsen (16-4, 16-5) innerhalb der zweiten Linsengruppe (6) im direkten Kontakt zueinander ohne Abstandselemente dazwischen angeordnet sind.
Weitwinkelobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Blende (8) 1,26 mm ± 0,5 mm beträgt.
Weitwinkelobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Linsengruppe (2) eine erste, zweite und eine dritte Linse (16-1, 16-2, 16-3) und dass die zweite Linsengruppe (6) eine vierte und eine fünfte Linse (16-4, 16-5) enthält, dass die erste Linse (16-1) konvex-konkav mit einem ersten Radius (R₁₁) von 11,6 mm ± δ% und einem zweiten Radius (R₁₂) von –5,2 mm ± δ% ist, dass die zweite Linse (16-2) konvex-konkav mit einem ersten Radius (R₂₁) von 45,2 mm ± δ% einem zweiten Radius (R₂₂) von –6,1 mm ± δ% ist, dass die dritte Linse (16-3) bikonvex mit einem ersten Radius (R₃₁) von 44,9 mm ± δ% einem zweiten Radius (R₃₂) von 10,9 mm ± δ% ist, dass die vierte Linse (16-4) bikonvex mit einem ersten Radius (R₄₁) von 4,3 mm ± δ% einem zweiten Radius (R₄₂) von 7,8 mm ± δ% ist, dass die fünfte Linse (16-5) die konkav-konvexe Biasphäre ist, und das δ% im Bereich zwischen 1% und 15% und vorzugsweise zwischen 1% und 5% liegt.
Weitwinkelobjektiv nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahl der ersten Linse (16-1) 1,79 beträgt.
Weitwinkelobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahl der zweiten Linse (16-2) 1,77 beträgt.
Weitwinkelobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahl der dritten Linse (16-3) 1,84 beträgt.
Weitwinkelobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahl der vierten Linse (16-4) 1,77 beträgt.
Weitwinkelobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahl der fünften Linse (16-5) 1,53 beträgt.
Weitwinkelobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Linse (16-4) insbesondere zur Korrektur der Bildfeldwölbung ausgelegt ist.
Weitwinkelobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Blende (8) durch eine zylindrische Bohrung (20) in einer Linsenhalterung (18) mit einer Blendenöffnung im Boden der zylindrischen Bohrung (20) realisiert ist, und dass der Durchmesser der zylindrischen Bohrung (20) kleiner ist als der Blendendurchmesser.
Weitwinkelkamera zur Überwachung der unmittelbaren Umgebung von Kraft- und Nutzfahrzeugen mit einer elektronischen Bildaufnahmeeinheit (12) vor der ein Weitwinkelobjektiv angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Entzerrung des von der Bildaufnahmeeinheit (12) aufgenommenen Bildes durch das Weitwinkelobjektiv erfolgt.
Weitwinkelkamera nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch ein Weitwinkelobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 19.
Weitwinkelkamera nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Bildaufnahmeeinheit (12) ein IR-Filter (14) angeordnet ist.
Weitwinkelkamera nach einem der vorhergehenden Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Eintrittsfenster (4) eine transparente Schutzabdeckung (30) angeordnet ist.
Weitwinkelkamera nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzabdeckung eine plane Platte (30) ist.