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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Kameraanordnung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 199 17 438 A1 ist eine Schaltungsanordnung
bekannt, wobei die Schaltungsanordnung ein Objektiv und eine Leiterplatte
und einen auf dieser angeordneten Bildaufnehmer umfasst. Ferner
wird ein Objektivhalter zur Aufnahme und Befestigung von optischen
Elementen vorgeschlagen. Hinweise auf eine genau einstellbare Kameraanordnung
fehlen in der
DE 199
17 438 A1 .
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Vorteile der
Erfindung
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Die
nachfolgend beschriebene Kameraanordnung, wobei die Objektivaufnahme
und das Objektiv ein Kugelgelenk bilden, hat den Vorteil, dass der
Taumelausgleich der Kameraanordnung einfach durchführbar ist.
Ferner stellt die vorgeschlagene Kameraanordnung einen einfachen
Aufbau bei gleichzeitig hoher Genauigkeit der Kameraanordnung vor. Ungenauigkeiten
im Gehäuse
und/oder in Gehäuseteilen
und/oder in Leiterplatten und/oder in Verbindungen, wie Klebungen
und/oder Gewinden, und/oder toleranzbehaftete Optikeinheiten bewirken eine
lange Toleranzkette mit insgesamt großen Toleranzen. Um diese Toleranzen
klein zu halten ist es denkbar, hohe Genauigkeiten durch einen großen Aufwand
in der Konstruktion und der Herstellung der Komponenten zu erreichen,
indem Bauteile, wie Stifte und/oder Anschlagkanten, mit kleinen
Toleranzen und damit hoher Maßhaltigkeit
verwendet werden. Diese Lösungsmöglichkeiten
sind in Allgemeinen mit erhöhten
Kosten bei der hochgenauen Produktion verbunden. Die nachfolgend
beschriebene Kameraanordnung trägt
zu niedrigen Kosten bei, da die Anforderungen der Komponenten an
die Maßhaltigkeit, also
die Genauigkeit der Maße
der verwendeten Komponenten, klein sind, indem die nachfolgend beschriebene
Kameraanordnung einen fertigungstechnischen Ausgleich der bekannten
Toleranzen ermöglicht.
Ein fertigungstechnischer Ausgleich der bekannten Toleranzen ist
bei hohen Stückzahlen,
wie sie bei Massen – und/oder
Serienproduktionen vorliegen, kostengünstig. Die nachfolgend beschriebene Kameraanordnung
wird aufgrund der kompakten und robusten Bauweise, sowie des niedrigen
Preises in der Serienproduktion besonders vorteilhaft in einem Kraftfahrzeug
eingesetzt. Die nachfolgend beschriebene Kameraanordnung ist insbesondere
als Komponente für
Nachtsichtsysteme und/oder Fahrerassistenzsysteme und/oder Rückfahrsysteme
geeignet.
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Vorteilhaft
ist, dass die Objektivaufnahme als Pfanne des Kugelgelenks und das
Objektiv als Kopf des Kugelgelenks ausgebildet ist.
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Ferner
hat die nachfolgend beschriebenen Kameraanordnung, wobei die Objektivaufnahme
drei oder wenigstens drei ringförmige,
konzentrisch angeordnete Führungsbahnen
mit jeweils einem einzigen Gewindegang aufweist, den Vorteil, dass
die Einstellung der Fokussierung einfach durchführbar ist.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass sich die Führungsbahnen
in Nuten befinden, da hierdurch eine Begrenzung des Kippens des
Objektives in der Objektivaufnahme festgelegt wird.
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Vorteilhaft
ist ferner, dass die Objektivaufnahme Teil des Gehäuses ist,
da hierdurch eine besonders kompakte und leichte Bauform der Kameraanordnung
erreicht wird.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit
Bezug auf die Figuren und aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsformen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine erste Ansicht der
Kameraanordnung des bevorzugten Ausführungsbeispiels,
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2 eine zweite Ansicht der
Kameraanordnung des bevorzugten Ausführungsbeispiels,
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3 eine dritte Ansicht der
Kameraanordnung des bevorzugten Ausführungsbeispiels,
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4 eine Aufsicht der Objektivaufnahme der
Kameraanordnung des bevorzugten Ausführungsbeispiels,
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5 eine erste Zeichnung zur
Verdeutlichung der Auflageflächen
der Objektivaufnahme beim bevorzugten Ausführungsbeispiel,
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6 eine zweite Zeichnung
zur Verdeutlichung der Auflageflächen
der Objektivaufnahme beim bevorzugten Ausführungsbeispiel,
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7 eine Ansicht einer Variante
der Kameraanordnung des bevorzugten Ausführungsbeispiels.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Nachfolgend
wird eine Kameraanordnung, insbesondere zur Verwendung in einem
Kraftfahrzeug, beschrieben. Die Kameraanordnung umfasst eine Objektivaufnahme
und ein Objektiv, die zusammen ein Kugelgelenk bilden. Alternativ
oder zusätzlich
weist die Objektivaufnahme drei ringförmige, konzentrisch angeordnete
Führungsbahnen
mit jeweils einem Gewindegang auf. In den Führungsbahnen liegt jeweils
wenigstens ein Lager des Objektivs auf.
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Kameraanordnungen,
die für
den automobilen Einsatz vorgesehen sind, müssen einerseits sehr robust,
zugleich aber auch sehr genau sein. Gleichzeitig ist ein weiteres
Kriterium, dass die Kameraanordnungen preiswert sind. Bei Kameraanordnungen ist
neben der notwendigen lateralen Ausrichtung des Photodiodenfeldes
(Imagerchip, Bildsensorchip) zur Optik (Optikeinheit) die orthogonale
Ausrichtung des Imagerchips zum Objektiv der Optikeinheit erforderlich.
Der Schärfentiefenbereich
in dem sich das Photodiodenfeld befindet hat eine Ausdehnung von
etwa 20 μm,
wobei dieser Schärfentiefenbereich
von der Brennweite und/oder der Blende abhängt. Die optimale Ebene für den Imagerchip
ist demnach die Schnittfläche
des Schärfentiefenbereiches.
Diese Einstellung findet vorzugsweise bei Raumtemperatur 20°C statt,
so dass der durch Materialausdehnung erzeugte Hub bei Temperaturschwankungen
zwischen –40°C und + 85°C den Schärfentiefenbereich nicht
verlässt.
Ferner ist ein Ausgleich einer von der Imager-Normalen abweichenden optischen Achse erforderlich.
Dieser Ausgleich wird als Taumelausgleich bezeichnet.
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Die
Ausrichtung und/oder Justierung in Bezug auf Bildschärfe und/oder
Verkippen der optischen Achse (Taumelausgleich) wird durch eine Rückkopplung
mit dem Bildsensor durchgeführt.
Die Rückkopplung
ergibt sich durch den Betrieb des Bildsensors durch ein aufgenommenes
und übertragenes
Bild, das in einer nachfolgenden Verarbeitungseinheit und/oder einem
Rechner ausgewertet wird. Dieser Fertigungsschritt befindet sich
am Ende der Montagelinie zur Herstellung der Kameraanordnung.
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Durch
die nachfolgend vorgeschlagene Gestaltung der Objektivaufnahme wird
durch Kippen und Drehen des Objektivs in der Objektivaufnahme das
Taumeln ausgeglichen und/oder die Fokussierung vorgenommen.
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1 zeigt als erste Ansicht
der Kameraanordnung des bevorzugten Ausführungsbeispiels einen Querschnitt
der Kameraanordnung, bestehend aus einem Objektiv 17 und
einer Objektivaufnahme 4. Ferner besteht die Kameraanordnung
aus einer Bildsensoreinheit. Die Bildsensoreinheit setzt sich aus
der Leiterplatte 5 und einem Imager 8 (Bildsensor)
zusammen. Der Imager 8 umfasst wiederum einen Imagerchip 2 und
eine Schutzabdeckung 7. Auf der Leiterplatte 5 befindet
sich ferner die funktionsfähige
Elektronik und eine Buchse zur Übertragung
von Daten, beispielsweise Bilddaten, und Energie. Der Imager 8 enthält den Imagerchip 2 mit
dem lichtempfindlichen Silizium. Auf dem Imagerchip 2 ist
eine lichtdurchlässige
Schutzabdeckung 7 angebracht, die planparallel zum Imagerchip 2 ist.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiels
ist die Objektivaufnahme 4 auf der Leiterplatte 5 befestigt,
insbesondere geklebt. Zur maßgenauen
Positionierung der Optik 1 zum Imagerchip 2 weist
das Objektiv 17 eine Kegelform mit halbkugelförmiger Unterseite 3,
in Form einer Kugelkappe, auf. Die Objektivaufnahme 4 für das Objektiv 17 ist
in Bezug zu der halbkugelförmigen
Unterseite 3 des Objektivs 17 der Negativabdruck,
also eine umgekehrte Kugelkappe. Im bevorzugten Ausführungsbeispiels
ist das Objektiv 17 mit dem Gehäuse 6 verbunden, insbesondere
durch eine Klebeverbindung 11. Zusätzlich oder alternativ ist
zwischen dem Objektiv 17 und dem Gehäuse 6 eine Dichtung 10 angebracht.
Ferner ist in 1 die
optische Achse 20 eingezeichnet, die im wesentlichen durch
die Symmetrieachse der Optik 1 festgelegt ist. Die Objektivaufnahme 4 und
das Objektiv 17 bilden ein Kugelgelenk, wobei im bevorzugten
Ausführungsbeispiel
die Objektivaufnahme 4 als Pfanne des Kugelgelenks und
das Objektiv 17 als Kopf des Kugelgelenks ausgebildet sind.
In der halbkugelartigen, also kugelkappenartigen, Verbindung zwischen
Objektiv 17 und Objektivaufnahme 4 befinden sich
im bevorzugten Ausführungsbeispiel
drei konzentrische Führungsbahnen 12 als
Auflage. Dabei ist jeder Abschnitt Teil der Kugelform. Im bevorzugten
Ausführungsbeispiel
befinden sich die Führungsbahnen 12 in
Nuten 16 mit dazwischenliegenden Stegen 14. Das Objektiv 17 bewegt
sich beim Verdrehung um die optische Achse 20 auf dem durch
die Führungsbahnen 12 festgelegten
Schnecken- bzw. Gewindegang nach oben, wobei die Fokussierung durchführbar ist.
Die Verdrehung kann konstruktionsbedingt nur bis 360° erfolgen,
da dann der Anfangszustand wieder eingenommen wird und das Objektiv 17 über die
in 3 dargestellten Absätze 13 um
die Gewindehöhe
nach unten sackt. Der Gewindegang muss in der Größenordnung des Toleranzbereichs
liegen, um die Fokussierung durchführen zu können. Bei der Durchführung der
Fokussierung wird vorzugsweise am unteren Ende des Toleranzbereiches
begonnen und es wird in den optimalen Fokus gedreht. Ferner wird
im bevorzugten Ausführungsbeispiel
der laterale Versatz der optischen Achse 20 zum Zentrum
der Bildfläche
des Imagerchips 2 durch Verschieben der Objektivaufnahme 4 auf
der Leiterplatte 5 vorgenommen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird das ausgerichtet Objektiv 17 mit der Optik 1 über eine Klebeverbindung
mit dem Gehäuse 6 verklebt
und damit fixiert. Zur vorherigen Fixierung vor dem endgültigen Aushärten wird
ein UV-empfindlicher Klebstoff, also ein Klebstoff der mittels Ultravioletter Strahlung
aushärtet,
verwendet. Hierbei wird, wie aus 1 ersichtlich,
die Bildsensoreinheit und die Objektivaufnahme 4 nach dem
Aushärten
im Gehäuse 6 lediglich über das
Objektiv 17 gehalten. Zur Herstellung der Kameraanordnung
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
nach 1 wird die Objektivaufnahme 4 mit
Klebstoff auf die Leiterplatte 5 aufgesetzt. Anschließend wird
das Objektiv 17 mit Klebstoff in die Objektivaufnahme 4 eingesetzt.
Durch Drehen und/oder Kippen und/oder Verschieben werden die beiden
Teile Objektiv 17 mit Objektivaufnahme 4 mit Hilfe
eines in einer Verarbeitungseinheit ablaufenden Einstellalgorithmus
ausgerichtet. Im folgenden Verfahrensschritt wird der Klebstoff
mittels Bestrahlung mit Ultravioletter Strahlung, einem UV-Flash,
fixiert und ausgehärtet.
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2 zeigt als zweite Ansicht
der Kameraanordnung des bevorzugten Ausführungsbeispiels die Verbindung
zwischen Objektiv 17 und Objektivaufnahme 4. Die
Lager 15, die in den Führungsbahnen 12 aufliegen,
sind derart ausgebildet, dass eine Verschwenkbewegung 23,
entsprechend der Funktion eines Kugelgelenks, der optischen Achse 20 des
Objektivs 17 relativ zur Objektivaufnahme 4 durchführbar ist.
Ferner ist in 2 dargestellt,
dass sich die Führungsbahnen 12 in
Nuten 16 befinden, wobei die Nuten 16 durch Stege 14 begrenzt
sind. Die Differenz der Breite der Nuten 16 zur Breite
der Lager 15 legt die maximal mögliche Verschwenkbewegung 23 fest. Damit
bestimmt diese Steg-Nut-Verbindung die Verkippung des Kugelgelenks
und damit den möglichen Taumelausgleich.
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3 zeigt als dritte Ansicht
der Kameraanordnung des bevorzugten Ausführungsbeispiels eine schematische
Aufsicht der Objektivaufnahme 4, wobei lediglich die Führungsbahnen 12 ohne
die Nuten und Stege dargestellt sind. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist die Objektivaufnahme 4 drei ringförmige, konzentrisch angeordnete
Führungsbahnen 12 mit
jeweils einem einzigen Gewindegang auf. Da jeder Ring einen Gewindegang
darstellt, befindet sich an einer Stelle jeder Führungsbahn 12 ein
Absatz 13, der gerade die Höhe des Gewindeganges hat. Im
bevorzugten Ausführungsbeispiels
sind die Absätze 13 um
120° auf
dem Umfang versetzt angeordnet. Ferner ist die Höhe des Gewindeganges und somit
auch die Höhe
der Absätze 13 bei
allen drei Führungsbahnen 12 gleich.
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4 zeigt als vierte Ansicht
der Kameraanordnung des bevorzugten Ausführungsbeispiels eine Aufsicht
der Objektivaufnahme mit den drei ringförmig, konzentrisch um die optische
Achse 20 angeordneten Führungsbahnen 12 mit
den Absätzen 13.
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5 zeigt eine erste Zeichnung
zur Verdeutlichung der Auflageflächen 18 der
Objektivaufnahme beim bevorzugten Ausführungsbeispiel. Im bevorzugten
Ausführungsbeispiel
sind die Lager des Objektivs im wesentlichen der Negativabdruck
der Führungsbahnen 12 der
Objektivaufnahme, gleichwohl die Lager in der Breite kleiner als
die Führungsbahnen
sind, um ein genügend
großes
Spiel in den Nuten zu haben. Bei einer Umdrehung um 180° liegen 50%
der Flächen
eines Lagers des Objektivs auf. Die Auflageflächen 18 auf jeder
Führungsbahn 12, sowie
die optische Achse 20 sind in 5 eingetragen.
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6 zeigt eine zweite Zeichnung
zur Verdeutlichung der Auflageflächen 18 der
Objektivaufnahme beim bevorzugten Ausführungsbeispiel. Durch den Versatz
ergibt sich bei 350° eine
Auflage nach Art eines Dreibeins 19. Die Auflageflächen nach Art
des Dreibeins 18 auf jeder Führungsbahn 12, sowie
die optische Achse 20 sind in 6 eingetragen.
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7 zeigt eine Ansicht einer
Variante der Kameraanordnung des bevorzugten Ausführungsbeispiels,
bestehend aus einem Objektiv 17 und einer Objektivaufnahme 4.
In dieser Variante ist die Objektivaufnahme 4 Bestandteil
des Gehäuses 6.
Auch in dieser Variante besteht die Kameraanordnung ferner aus einer
Bildsensoreinheit. Die Bildsensoreinheit setzt sich aus der Leiterplatte 5 und
einem Imagerchip 2 zusammen. Der Imagerchip 2 ist über Bonddrähte mit
der Leiterplatte 5 verbunden. Auf der Leiterplatte 5 befindet
sich ferner die funktionsfähige Elektronik
und eine Buchse zur Übertragung
von Daten, beispielsweise Bilddaten, und Energie. Die Leiterplatte 5 wird über eine
Schraubverbindung mittels Schrauben 21 an Abstandsbolzen 22 des
Gehäuses 6 befestigt.
In dieser Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels wird das ausgerichtet
Objektiv 17 mit der Optik 1 über eine Klebeverbindung 11 mit dem
Gehäuse 6 verklebt
und damit fixiert. Zur vorherigen Fixierung vor dem endgültigen Aushärten wird ein
UV-empfindlicher
Klebstoff verwendet. Zur maßgenauen
Positionierung der Optik 1 zum Imagerchip 2 weist
das Objektiv 17 auch in dieser Variante des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
eine Kegelform mit halbkugelförmiger
Unterseite 3, in Form einer Kugelkappe, auf. Die Objektivaufnahme 4 weist
die oben beschriebenen ringförmigen,
konzentrische angeordneten Führungsbahnen
auf. Ferner ist in 7 die
optische Achse 20 eingetragen.
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In
einer Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels werden die
Lager durch standbeinartige Flächen
gebildet, die derart gestaltet sind, dass die Lager auf den Führungsbahnen
gleiten können.
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Die
beschriebene Kameraanordnung ist für CCD-Bildsensoren und/oder
CMOS-Bildsensor
als Imager geeignet.
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Das
vorgeschlagene Kugelgelenk und die wenigstens drei ringförmig angeordneten
Führungsbahnen
mit jeweils einem Gewindegang werden in weiteren Varianten des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
einzeln eingesetzt.