用于機(jī)動(dòng)車的攝像模塊和預(yù)對(duì)焦透鏡架中透鏡物鏡的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及車用攝像模塊，包括透鏡物鏡、支承所述透鏡物鏡的透鏡架、以及與所述透鏡架連接的背板，該背板將圖像傳感器支承在透鏡物鏡的像平面內(nèi)或附近。本發(fā)明還涉及預(yù)對(duì)焦透鏡架中透鏡物鏡的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自動(dòng)攝像模塊暴露于大范圍變化的溫度，并且要求在實(shí)際出現(xiàn)的整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有卓越的成像性能。在很多固定焦距自動(dòng)攝像模塊中，主要的挑戰(zhàn)是在溫度范圍T內(nèi)保持焦距。對(duì)于低f/#透鏡，圖像和傳感器之間的距離必須控制在微米量級(jí)。然而，隨著溫度上升透鏡架膨脹，并且因此透鏡物鏡和圖像傳感器之間的距離沿著光軸隨著溫度上升而增加，從而導(dǎo)致傳感器從透鏡物鏡的像平面中移出和圖像質(zhì)量惡化。
[0003]DE102008047277A1公開了一種攝像模塊，該攝像模塊在透鏡架和透鏡筒之間設(shè)置有補(bǔ)償管。補(bǔ)償體可以具有內(nèi)螺紋，透鏡筒可以旋入內(nèi)螺紋中。
[0004]DE10261973A1公開了一種攝像模塊，該攝像模塊通過(guò)截頭圓錐透鏡固定元件利用套管間接固定透鏡，截頭圓錐透鏡固定元件的熱膨脹系數(shù)大大小于套管的熱膨脹系數(shù)。
[0005]DE102008047277A1和DE10261973A1的攝像模塊通過(guò)補(bǔ)償元件為透鏡架的熱膨脹提供了補(bǔ)償，然而，補(bǔ)償元件構(gòu)成了附加部件并且使得攝像模塊的安裝更加費(fèi)力。
[0006]構(gòu)成本發(fā)明的問(wèn)題是提供一種能夠簡(jiǎn)單安裝并且獲得對(duì)溫度具有高精度焦距穩(wěn)定性的簡(jiǎn)單的攝像模塊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明利用獨(dú)立權(quán)利要求中的特征解決這個(gè)目標(biāo)。根據(jù)本發(fā)明，透鏡物鏡，尤其是透鏡物鏡的組件的材料、形狀和/或相對(duì)位置設(shè)計(jì)成在攝像模塊的工作溫度范圍內(nèi)隨著溫度上升增加像平面和透鏡物鏡之間的距離。由于隨著溫度上升透鏡架在透鏡物鏡限定的光軸方向上膨脹，并且因此透鏡物鏡和圖像傳感器之間的距離隨著溫度上升而增加，透鏡物鏡設(shè)計(jì)成使得透鏡物鏡和像平面之間的距離也隨著溫度上升而增加。采用這種方式，根據(jù)本發(fā)明，隨著溫度上升透鏡架熱膨脹，并且因此像平面移出圖像傳感器的感應(yīng)平面的移動(dòng)以及相應(yīng)的圖像質(zhì)量的惡化能被抵消。
[0008]優(yōu)選地，透鏡物鏡設(shè)計(jì)成在攝像模塊的工作溫度范圍內(nèi)將像平面保持在圖像傳感器的感應(yīng)平面內(nèi)或附近。換句話說(shuō)，后焦距的變化，即，透鏡物鏡和它的像平面之間的距離，優(yōu)選地隨著溫度的變化由透鏡架的熱膨脹進(jìn)行平衡。因此，圖像傳感器可以在機(jī)動(dòng)車應(yīng)用中發(fā)生的大溫度范圍內(nèi)檢測(cè)到清晰的圖像。更具體地說(shuō)，由于透鏡物鏡中的機(jī)械位移，透鏡物鏡中的光學(xué)元件或透鏡的折射率改變，透鏡物鏡中的尺寸變化等，將隨著溫度變化的透鏡物鏡和像平面之間的距離被設(shè)計(jì)成隨著溫度補(bǔ)償透鏡物鏡和圖像傳感器之間的距離。
[0009]優(yōu)選地，透鏡物鏡設(shè)計(jì)成使得Λ d2/ Δ T = hH.Ch,其中Λ d2/ Δ T是由透鏡物鏡及其內(nèi)部的變化引起的透鏡物鏡和像平面之間的距離隨著溫度的變化，Ch和hH分別是透鏡架的熱膨脹系數(shù)和自由高度。高度hH指的是由透鏡物鏡限定的光軸方向上的長(zhǎng)度。此外，透鏡架的高度hH是透鏡架的有效或自由高度，即，透鏡架在與背板的連接以及與能夠自由移動(dòng)的透鏡物鏡的連接之間的部分。
[0010]本發(fā)明有利地通過(guò)使用由不同材料，尤其是玻璃和塑料，制成的多個(gè)透鏡、和/或凹凸透鏡實(shí)現(xiàn)。
[0011 ] 優(yōu)選地，透鏡物鏡的透鏡筒和/或透鏡間隔件由金屬，優(yōu)選地，由銅制成。金屬，尤其是銅，作為透鏡物鏡的基座材質(zhì)具有優(yōu)選的溫度變化敏感度屬性。采用上述材料制成的透鏡物鏡允許提高攝像單元對(duì)溫度變化的低敏感度。
[0012]本發(fā)明一方面涉及主動(dòng)預(yù)聚焦步驟，該步驟有利地由透鏡物鏡制造商使用預(yù)先安裝的圖像傳感器執(zhí)行。預(yù)聚焦步驟有利地包括步驟:提供透鏡物鏡、透鏡架和預(yù)先安裝的圖像傳感器；將膠應(yīng)用到透鏡物鏡和/或透鏡架；將透鏡物鏡和背板相對(duì)于彼此放置和將預(yù)先安裝的圖像傳感器距離透鏡架一設(shè)定距離放置；獲取參考圖像；沿著光軸相對(duì)于透鏡架移動(dòng)透鏡物鏡直到由預(yù)先安裝的圖像傳感器確定的圖像質(zhì)量變成最佳；以及當(dāng)透鏡物鏡和透鏡架保持在最佳相對(duì)位置時(shí)硬化膠。采用上述預(yù)先安裝步驟，在透鏡物鏡制造廠就能夠?qū)崿F(xiàn)透鏡物鏡和像平面之間的希望的高精度的設(shè)定距離。在攝像模塊的最后安裝期間不需要不希望的透鏡物鏡和圖像傳感器之間的距離的大的校正。預(yù)聚焦步驟有利地最小化膠接厚度的鋪開。
[0013]在將透鏡物鏡安裝到透鏡架中的可選擇的方法中，在透鏡物鏡和透鏡架之間設(shè)置有止擋元件，其中，透鏡物鏡和透鏡架沿著光學(xué)z軸相對(duì)于彼此移動(dòng)直到止擋元件結(jié)束該運(yùn)動(dòng)，然后硬化膠。
【附圖說(shuō)明】
[0014]下面將參照附圖，基于優(yōu)選的實(shí)施例描述本發(fā)明，其中:
[0015]圖1示出了視覺系統(tǒng)的示意圖；
[0016]圖2不出了攝像I旲塊的截面圖；
[0017]圖3示出了攝像模塊的一些光學(xué)參數(shù)的示意圖；
[0018]圖4示出了透鏡架的截面圖；
[0019]圖5示出了透鏡架的側(cè)視圖；
[0020]圖6示出了透鏡物鏡的示意性截面圖；以及
[0021]圖7示出了透鏡架單元的預(yù)先安裝步驟。
【具體實(shí)施方式】
[0022]視覺系統(tǒng)10安裝在機(jī)動(dòng)車上，其包括用于獲得機(jī)動(dòng)車周圍區(qū)域(例如，機(jī)動(dòng)車前面的區(qū)域)的圖像的成像裝置11。優(yōu)選地成像裝置11包括一個(gè)或多個(gè)光成像設(shè)備12，特別是攝像模塊，特別是在可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)運(yùn)行的攝像模塊。然而，也可以是紅外覆蓋波長(zhǎng)低于5微米的近紅外和/或波長(zhǎng)大于5微米的遠(yuǎn)紅外的紅外攝像機(jī)。特別地在一些實(shí)施例中成像裝置11包括多個(gè)成像設(shè)備12，從而形成立體成像裝置11。在其它實(shí)施例中可以只使用一個(gè)成像設(shè)備12，形成單成像裝置11。每個(gè)攝像模塊12具有一個(gè)光路，因此攝像模塊12也被稱為攝像機(jī)取景孔。
[0023]成像裝置11可以與圖1中未示出的圖像預(yù)處理器聯(lián)結(jié)，圖像預(yù)處理器適于控制成像裝置11對(duì)圖像的捕捉，接收包括來(lái)自成像裝置11的圖像信息的電信號(hào)，將左/右圖像對(duì)扭曲對(duì)齊和/或建立視差圖像，本領(lǐng)域已經(jīng)理解這些技術(shù)的本質(zhì)。圖像預(yù)處理器可以通過(guò)專用硬件電路，尤其通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)實(shí)現(xiàn)?？蛇x擇地，預(yù)處理器，或它的部分功能能夠在電子處理裝置14中實(shí)現(xiàn)。在只使用一個(gè)攝像機(jī)12的單成像裝置11的例子中，不需要預(yù)處理器。
[0024]將圖像數(shù)據(jù)提供給電子處理裝置14，在電子處理器裝置14中圖像和數(shù)據(jù)處理進(jìn)一步被相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)。特別地，處理裝置14中的圖像和數(shù)量處理包括以下功能:對(duì)機(jī)動(dòng)車周圍的可能目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和分類，例如，行人、其它機(jī)動(dòng)車、騎自行車的人或大型動(dòng)物；隨時(shí)間推移跟蹤識(shí)別的目標(biāo)候選者在記載的圖像上的位置；評(píng)估機(jī)動(dòng)車和檢測(cè)到的目標(biāo)之間的碰撞的可能性；和/或根據(jù)所述碰撞可能性評(píng)估結(jié)果，激活或控制至少一個(gè)駕駛員輔助裝置18。特別地，駕駛員輔助裝置18可以包括用于顯示檢測(cè)到的目標(biāo)的相關(guān)信息的顯示裝置。然而，本發(fā)明不限制于顯示裝置。駕駛員輔助裝置18可以另外地或可選擇地包括報(bào)警裝置，其適于通過(guò)合適的視覺、聽覺和/或觸覺警告信號(hào)向駕駛員提供碰撞警告；一個(gè)或多個(gè)約束系統(tǒng)，例如乘員安全氣囊或安全帶張緊裝置、行人安全氣囊、引擎罩升降機(jī)，諸如此類；和/或動(dòng)態(tài)機(jī)動(dòng)車控制系統(tǒng)，例如剎車或轉(zhuǎn)向裝置。處理裝置14方便地訪問(wèn)存儲(chǔ)器裝置25。
[0025]優(yōu)選地電子處理裝置14被編程或是可編程的，并且方便地包括微處理器或微控制器。優(yōu)選地在數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)中實(shí)現(xiàn)電子處理裝置14。優(yōu)選地在車載電子控制單元(ECU)中實(shí)現(xiàn)電子處理裝置14和存儲(chǔ)器裝置25，并且通過(guò)單獨(dú)電纜或機(jī)動(dòng)車數(shù)據(jù)總線將電子處理裝置14和存儲(chǔ)器裝置25連接到成像裝置11。在其它實(shí)施例中ECU以及一個(gè)或多個(gè)成像設(shè)備12能夠集成到單一單元，其中，包括ECU和所有成像設(shè)備12的一體化解決方案是優(yōu)選的。在駕駛期間實(shí)時(shí)自動(dòng)連續(xù)執(zhí)行從成像、圖像處理到駕駛員輔助裝置18的激活或控制的所有步驟。
[0026]圖2-圖6中示出的優(yōu)選實(shí)施例中，攝像模塊12包括透鏡物鏡20、支承透鏡物鏡20的透鏡架53、圖像傳感器24和支承圖像傳感器24的背板32。透鏡架53通過(guò)膠接80的方式與背板32連接，膠接80可以是環(huán)狀的或由多個(gè)膠點(diǎn)組成。優(yōu)選地，膠80是紫外光固化膠。透鏡架53、背板32和膠接80形成了殼體22，除了入射光開口 28，殼體22連同透鏡物鏡20以不透光的方式大體上封閉。關(guān)于熱穩(wěn)定性，優(yōu)選地透鏡架53由金屬制成，例如鋅
I=IO
[0027]透鏡架53包括管狀部件54和底座部件55。管狀部件54優(yōu)選地為圓筒形并且平行于透鏡物鏡20的光軸延伸，底座部件55用于利用膠接80將透鏡架53連接到背板32。透鏡架53的管狀部件54和透鏡物鏡20布置成與透鏡物鏡20的光軸同軸。優(yōu)選地透鏡架53包括設(shè)置在透鏡架53的底座部件55的頂側(cè)上的外部特征94或位置限定裝置(參見圖5)，通過(guò)外部特征94或位置限定裝置，攝像模塊12能夠在固定方向上緊固至成像裝置11的外部攝像機(jī)殼體部件96。
[0028]透鏡物鏡20同軸地支承在透鏡架53的管狀部件54中，并且通過(guò)螺紋連接與管狀部件54連接。更具體地，透鏡架53優(yōu)選地包括在透鏡架53的管狀部件54的下部區(qū)域延伸的內(nèi)螺紋58 (參照?qǐng)D4)，并且透鏡物鏡20包括適于與透鏡架53的螺紋58接合的相應(yīng)的外螺紋72，優(yōu)選地，外螺紋在管狀部件54的整個(gè)長(zhǎng)度上延伸。因此，透鏡物鏡20能夠旋入透鏡架53中。當(dāng)安裝攝像模塊12時(shí)，螺紋58和螺紋72軸向接合長(zhǎng)度優(yōu)選地大大小于透鏡物鏡20沿著光軸的長(zhǎng)度，特別地，小于透鏡物鏡20長(zhǎng)度的一半。
[0029]透鏡物鏡20和透鏡架54之間的連接是通過(guò)膠81固定的，優(yōu)選地，膠81在螺紋58,72之間應(yīng)用，其中膠的高度hs與例如螺紋58的軸向長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)。膠81設(shè)置在透鏡架53的下部區(qū)域中，特別地設(shè)置在管狀部件54的下半部。如圖2所示，透鏡物鏡20優(yōu)選地伸出超過(guò)透鏡架53的頂端，從而確保攝像模塊12的緊湊設(shè)計(jì)。
[0030]機(jī)動(dòng)車周圍的物體發(fā)出的入射光穿過(guò)開口 28，并且被透鏡物鏡20聚焦到透鏡物鏡20的像平面A中。透鏡