用于机动车的摄像模块和预对焦透镜架中透镜物镜的方法与流程

本申请是申请号为“201510229535.0”，申请日为“2015年5月7日”，申请人为“维宁尔瑞典公司”的、发明创造名称为“用于机动车的摄像模块和预对焦透镜架中透镜物镜的方法”的发明专利申请的分案申请。

本发明涉及车用摄像模块，包括透镜物镜、支承所述透镜物镜的透镜架、以及与所述透镜架连接的背板，该背板将图像传感器支承在透镜物镜的像平面内或附近。本发明还涉及预对焦透镜架中透镜物镜的方法。

背景技术：

自动摄像模块暴露于大范围变化的温度，并且要求在实际出现的整个温度范围内具有卓越的成像性能。在很多固定焦距自动摄像模块中，主要的挑战是在温度范围t内保持焦距。对于低f/#透镜，图像和传感器之间的距离必须控制在微米量级。然而，随着温度上升透镜架膨胀，并且因此透镜物镜和图像传感器之间的距离沿着光轴随着温度上升而增加，从而导致传感器从透镜物镜的像平面中移出和图像质量恶化。

de102008047277a1公开了一种摄像模块，该摄像模块在透镜架和透镜筒之间设置有补偿管。补偿体可以具有内螺纹，透镜筒可以旋入内螺纹中。

de10261973a1公开了一种摄像模块，该摄像模块通过截头圆锥透镜固定元件利用套管间接固定透镜，截头圆锥透镜固定元件的热膨胀系数大大小于套管的热膨胀系数。

de102008047277a1和de10261973a1的摄像模块通过补偿元件为透镜架的热膨胀提供了补偿，然而，补偿元件构成了附加部件并且使得摄像模块的安装更加费力。

构成本发明的问题是提供一种能够简单安装并且获得对温度具有高精度焦距稳定性的简单的摄像模块。

技术实现要素：

本发明利用独立权利要求中的特征解决这个目标。根据本发明，透镜物镜，尤其是透镜物镜的组件的材料、形状和/或相对位置设计成在摄像模块的工作温度范围内随着温度上升增加像平面和透镜物镜之间的距离。由于随着温度上升透镜架在透镜物镜限定的光轴方向上膨胀，并且因此透镜物镜和图像传感器之间的距离随着温度上升而增加，透镜物镜设计成使得透镜物镜和像平面之间的距离也随着温度上升而增加。采用这种方式，根据本发明，随着温度上升透镜架热膨胀，并且因此像平面移出图像传感器的感应平面的移动以及相应的图像质量的恶化能被抵消。

优选地，透镜物镜设计成在摄像模块的工作温度范围内将像平面保持在图像传感器的感应平面内或附近。换句话说，后焦距的变化，即，透镜物镜和它的像平面之间的距离，优选地随着温度的变化由透镜架的热膨胀进行平衡。因此，图像传感器可以在机动车应用中发生的大温度范围内检测到清晰的图像。更具体地说，由于透镜物镜中的机械位移，透镜物镜中的光学元件或透镜的折射率改变，透镜物镜中的尺寸变化等，将随着温度变化的透镜物镜和像平面之间的距离被设计成随着温度补偿透镜物镜和图像传感器之间的距离。

优选地，透镜物镜设计成使得△d2/△t＝hh·ch,其中△d2/△t是由透镜物镜及其内部的变化引起的透镜物镜和像平面之间的距离随着温度的变化，ch和hh分别是透镜架的热膨胀系数和自由高度。高度hh指的是由透镜物镜限定的光轴方向上的长度。此外，透镜架的高度hh是透镜架的有效或自由高度，即，透镜架在与背板的连接以及与能够自由移动的透镜物镜的连接之间的部分。

本发明有利地通过使用由不同材料，尤其是玻璃和塑料，制成的多个透镜、和/或凹凸透镜实现。

优选地，透镜物镜的透镜筒和/或透镜间隔件由金属，优选地，由铜制成。金属，尤其是铜，作为透镜物镜的基座材质具有优选的温度变化敏感度属性。采用上述材料制成的透镜物镜允许提高摄像单元对温度变化的低敏感度。

本发明一方面涉及主动预聚焦步骤，该步骤有利地由透镜物镜制造商使用预先安装的图像传感器执行。预聚焦步骤有利地包括步骤：提供透镜物镜、透镜架和预先安装的图像传感器；将胶应用到透镜物镜和/或透镜架；将透镜物镜和背板相对于彼此放置和将预先安装的图像传感器距离透镜架一设定距离放置；获取参考图像；沿着光轴相对于透镜架移动透镜物镜直到由预先安装的图像传感器确定的图像质量变成最佳；以及当透镜物镜和透镜架保持在最佳相对位置时硬化胶。采用上述预先安装步骤，在透镜物镜制造厂就能够实现透镜物镜和像平面之间的希望的高精度的设定距离。在摄像模块的最后安装期间不需要不希望的透镜物镜和图像传感器之间的距离的大的校正。预聚焦步骤有利地最小化胶接厚度的铺开。

在将透镜物镜安装到透镜架中的可选择的方法中，在透镜物镜和透镜架之间设置有止挡元件，其中，透镜物镜和透镜架沿着光学z轴相对于彼此移动直到止挡元件结束该运动，然后硬化胶。

附图说明

下面将参照附图，基于优选的实施例描述本发明，其中：

图1示出了视觉系统的示意图；

图2示出了摄像模块的截面图；

图3示出了摄像模块的一些光学参数的示意图；

图4示出了透镜架的截面图；

图5示出了透镜架的侧视图；

图6示出了透镜物镜的示意性截面图；以及

图7示出了透镜架单元的预先安装步骤。

具体实施方式

视觉系统10安装在机动车上，其包括用于获得机动车周围区域(例如，机动车前面的区域)的图像的成像装置11。优选地成像装置11包括一个或多个光成像设备12，特别是摄像模块，特别是在可见光波长范围内运行的摄像模块。然而，也可以是红外覆盖波长低于5微米的近红外和/或波长大于5微米的远红外的红外摄像机。特别地在一些实施例中成像装置11包括多个成像设备12，从而形成立体成像装置11。在其它实施例中可以只使用一个成像设备12，形成单成像装置11。每个摄像模块12具有一个光路，因此摄像模块12也被称为摄像机取景孔。

成像装置11可以与图1中未示出的图像预处理器联结，图像预处理器适于控制成像装置11对图像的捕捉，接收包括来自成像装置11的图像信息的电信号，将左/右图像对扭曲对齐和/或建立视差图像，本领域已经理解这些技术的本质。图像预处理器可以通过专用硬件电路，尤其通过现场可编程门阵列(fpga)实现。可选择地，预处理器，或它的部分功能能够在电子处理装置14中实现。在只使用一个摄像机12的单成像装置11的例子中，不需要预处理器。

将图像数据提供给电子处理装置14，在电子处理器装置14中图像和数据处理进一步被相应的软件实现。特别地，处理装置14中的图像和数量处理包括以下功能：对机动车周围的可能目标进行识别和分类，例如，行人、其它机动车、骑自行车的人或大型动物；随时间推移跟踪识别的目标候选者在记载的图像上的位置；评估机动车和检测到的目标之间的碰撞的可能性；和/或根据所述碰撞可能性评估结果，激活或控制至少一个驾驶员辅助装置18。特别地，驾驶员辅助装置18可以包括用于显示检测到的目标的相关信息的显示装置。然而，本发明不限制于显示装置。驾驶员辅助装置18可以另外地或可选择地包括报警装置，其适于通过合适的视觉、听觉和/或触觉警告信号向驾驶员提供碰撞警告；一个或多个约束系统，例如乘员安全气囊或安全带张紧装置、行人安全气囊、引擎罩升降机，诸如此类；和/或动态机动车控制系统，例如刹车或转向装置。处理装置14方便地访问存储器装置25。

优选地电子处理装置14被编程或是可编程的，并且方便地包括微处理器或微控制器。优选地在数字信号处理器(dsp)中实现电子处理装置14。优选地在车载电子控制单元(ecu)中实现电子处理装置14和存储器装置25，并且通过单独电缆或机动车数据总线将电子处理装置14和存储器装置25连接到成像装置11。在其它实施例中ecu以及一个或多个成像设备12能够集成到单一单元，其中，包括ecu和所有成像设备12的一体化解决方案是优选的。在驾驶期间实时自动连续执行从成像、图像处理到驾驶员辅助装置18的激活或控制的所有步骤。

图2-图6中示出的优选实施例中，摄像模块12包括透镜物镜20、支承透镜物镜20的透镜架53、图像传感器24和支承图像传感器24的背板32。透镜架53通过胶接80的方式与背板32连接，胶接80可以是环状的或由多个胶点组成。优选地，胶80是紫外光固化胶。透镜架53、背板32和胶接80形成了壳体22，除了入射光开口28，壳体22连同透镜物镜20以不透光的方式大体上封闭。关于热稳定性，优选地透镜架53由金属制成，例如锌合金。

透镜架53包括管状部件54和底座部件55。管状部件54优选地为圆筒形并且平行于透镜物镜20的光轴延伸，底座部件55用于利用胶接80将透镜架53连接到背板32。透镜架53的管状部件54和透镜物镜20布置成与透镜物镜20的光轴同轴。优选地透镜架53包括设置在透镜架53的底座部件55的顶侧上的外部特征94或位置限定装置(参见图5)，通过外部特征94或位置限定装置，摄像模块12能够在固定方向上紧固至成像装置11的外部摄像机壳体部件96。

透镜物镜20同轴地支承在透镜架53的管状部件54中，并且通过螺纹连接与管状部件54连接。更具体地，透镜架53优选地包括在透镜架53的管状部件54的下部区域延伸的内螺纹58(参照图4)，并且透镜物镜20包括适于与透镜架53的螺纹58接合的相应的外螺纹72，优选地，外螺纹在管状部件54的整个长度上延伸。因此，透镜物镜20能够旋入透镜架53中。当安装摄像模块12时，螺纹58和螺纹72轴向接合长度优选地大大小于透镜物镜20沿着光轴的长度，特别地，小于透镜物镜20长度的一半。

透镜物镜20和透镜架54之间的连接是通过胶81固定的，优选地，胶81在螺纹58、72之间应用，其中胶的高度hg与例如螺纹58的轴向长度相对应。胶81设置在透镜架53的下部区域中，特别地设置在管状部件54的下半部。如图2所示，透镜物镜20优选地伸出超过透镜架53的顶端，从而确保摄像模块12的紧凑设计。

机动车周围的物体发出的入射光穿过开口28，并且被透镜物镜20聚焦到透镜物镜20的像平面a中。透镜物镜20和图像传感器24的感应平面a设置成以预定距离d1彼此分隔开(图3)，理想地，d1与透镜物镜20的后焦距相对应，从而图像焦距位于图像传感器24的感应平面中。优选地图像传感器24是二维图像传感器，尤其是在可见波长区域中具有最大敏感度的光传感器，并且图像传感器24适于将入射光转换成包含将被检测到的物体的图像信息的电信号。例如，图像传感器24可以是ccd传感器或cmos传感器。

优选地，刚性背板32由金属制成，尤其由钢制成。优选地，印制电路板83是设置在背板32具有传感器的一侧的柔性印刷电路板。透镜架53在没有被印制电路板83覆盖的空白区域部位直接附接至背板32。

图像和图像传感器24之间的温度依赖距离a(t)由两个参数确定，参见图3。第一参数是透镜物镜20和图像传感器24之间的依赖温度距离d1(t)。在此之上，由于透镜物镜20中的机械位移，透镜物镜20中的光学元件或透镜的折射率的改变，透镜物镜20中的尺寸变化等，透镜物镜20和像平面a之间的距离d2(t)将随着温度变化。那么相对于图像传感器24的成像位置a通过a(t)＝d1(t)-d2(t)确定。

理论上，图像应该总是位于传感24的感应平面内，即，a(t)＝0，从而d1(t)＝d2(t)。为了实现这个目标，透镜物镜20设计成使得d2(t)随着增加的温度t而增加，即，△d2/△t是正的。随着温度升高，透镜架53的管状部件54膨胀，即，透镜架53的沿着光轴的高度hh(t)增加，并且因此d1(t)也增加。由于△d2/△t是正的，因此能够抵消d1(t)的增加。这对将像平面a保持在图像传感器24的感应平面内起作用。理论上，透镜物镜20设计成使满足方程hh·ch＝△d2/△t，其中，ch代表透镜架53的热膨胀系数。热膨胀系数ch通过△hh＝h·ch·△t定义成线性热膨胀系数。此外，透镜架53的高度hh被理解成表示透镜架53的自由高度，即，透镜架53在与背板32的连接以及与能够自由移动的透镜物镜20的连接之间的部分。透镜架53的自由或有效长度hh能够大大小于透镜架53的实际长度。特别地，通过在透镜架53的下部区域提供胶81，尤其在管状部件54的下半部提供胶81，能够将透镜架53的有效长度hh做小，这使得通过对d2(t)仔细设计更容易对温度进行补偿。

关于图6，透镜物镜20包括透镜筒63和一个或多个透镜64-69，透镜64-69容纳在透镜筒63中，并且使用环状间隔件70相互隔开。透镜64-69中的每个透镜可以是球形的或非球形的。优选地，透镜筒63和间隔装置70由金属制成，特别地由铜制成。透镜物镜20设计成使△d2/△t是正的，优选地，在摄像模块12运行时发生的温度范围内使hh·ch＝△d2/△t能够利用不同方法实现。特别地，透镜物镜20可以包括由不同材料(例如玻璃和塑料)制成的透镜64-69。在图6的实施例中，例如，透镜65和69可以由塑料制成，其它透镜64、66、68可以由玻璃制成。此外，透镜64-69可以包括正透镜65、66、68、69和负透镜64、67。同样，透镜64-69和透镜间隔件70的尺寸和布置也可以不同和特别设计。例如，一些透镜可以不使用透镜间隔件70而处于接触状态。

透镜筒63或透镜物镜20的外部形状大体上呈圆柱体形，并且能够与管状部件54或透镜架53的内部圆柱体形状紧密地配合，从而透镜物镜20紧密地导入透镜架53中。特别地，与管状部件54在其整个长度上的壁厚相比，透镜物镜20和透镜架53之间的缝隙较小。

下面参照图7，说明将透镜物镜20安装到透镜架53中的预聚焦步骤。

在这个预聚焦步骤中，通过将透镜物镜20连接到透镜架53安装透镜架单元86。该预聚焦步骤，例如，可以在透镜组件20的制造厂处完成。这里，胶81应用到透镜架53，特别地，应用到螺纹58的区域，或应用到透镜物镜20，特别地，应用到螺纹72的下部区域，与最终的摄像单元12中的胶81的高度对应的区域hg。然后将透镜物镜20旋入透镜架86，直到到达与透镜物镜20在透镜架86中的最终位置大体上对应的位置。

预先安装的图像传感器87不必与最终的图像传感器24相同，放置在与最终的摄像模块12中的图像传感器24的位置相对应的相对于透镜架53的设置位置上。预先安装的图像传感器87与信号处理器88(例如可在电脑中实现)连接。操纵器89可以由信号处理器88控制，或手动调节以在z方向上相对于透镜架53的位置调节透镜物镜20的位置，这里通过绕着光轴旋转透镜物镜20以将透镜物镜20旋入或旋出透镜架53。优选地，手动完成这个步骤，其中，操作人员旋转透镜直到例如质量度量、图像清晰度的表示最优化。

当透镜物镜20和透镜架53由操作器沿着光z轴相对移动或运动时，通过利用预先安装的图像传感器87连续获取图10中未示出的参考物体的参考图像，应用透镜物镜20和透镜架53在z方向上的相对位置的主动预聚焦调节。在透镜物镜20和透镜架53的每个相对位置，信号处理器88评估图像质量，并且评估的图像质量用来作为用于控制操作器89的反馈，以调节透镜物镜20。当由预先安装的图像传感器87确定的图像质量变为最佳，胶81特别地通过热固化变硬(而透镜物镜20和透镜架53通过摩擦保持在最佳相对位置)。当胶81变硬，预先安装的透镜架单元86能够例如运到视觉系统10的供应商。上述预聚焦步骤有利地最小化胶接80的厚度的铺开。

对于上述预聚焦步骤可选择地，在透镜物镜20和透镜架53之间设置止挡元件，止挡元件在明确的位置上限制透镜物镜20相对于透镜架53沿着z方向的运动。

通过利用紫外线固化胶80将包括背板32、传感器24和印制电路板83的安装好的背板单元连接到安装好的透镜架单元86上，例如，由视觉系统10的供应商最终完成摄像模块12安装。