CN113391419A - 光学装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及光学装置及其制造方法。一种光学装置(1)包括容纳一个或更多个透镜元件(11)并包括第一联接结构(9)的镜筒部分(2)。提供了支承部分(3)，该支承部分包括与第一联接结构(9)机械配合的第二联接结构(8)，以将镜筒部分(2)支承在光学传感器(5)的前面。第一联接结构(9)和第二联接结构(8)在连接平面(10)处配合。镜筒部分(2)的至少后部(2a)按照使得至少一个透镜元件(11)位于连接平面(10)与光学传感器(5)之间的方式从连接平面(10)向后延伸。连接平面(10)的由支承部分(3)的热膨胀引起的向前移动由后部(2a)的向后热膨胀补偿，以保持像平面与感光平面(7)大致重合。

Description

光学装置及其制造方法

技术领域

本公开涉及一种光学装置，诸如透镜保持件(lens holder)或包含透镜保持件的摄像头模块。本公开特别适用于汽车行业的摄像头模块。

背景技术

汽车摄像头模块暴露于在很大的范围(通常为-40℃至+105℃)内变化的温度，并且需要在整个工作温度范围内具有出色的成像性能。为此，透镜保持件组件的部件的材料、形状和相对位置被设计成在整个工作温度范围内将由透镜组(stack)的后焦距限定的透镜像平面(lens image plane)保持在成像器的感光平面中或尽可能靠近成像器的感光平面。

保持透镜像平面位置的困难在于透镜保持件支承件、镜筒、光学透镜元件以及组件内的胶和垫片都会随着温度的变化而膨胀和收缩。这样，透镜像平面与位于PCB上的成像器之间的距离沿着光学轴线增大或减小，从而导致摄像头性能下降。

与上述同时，汽车领域的需求也意味着对具有更高像质量、更大视野和更大景深的摄像头的需求在不断增长。然而，为了满足这些要求，需要在摄像头模块的整个工作温度范围内，透镜像平面与成像器感光平面之间的距离变化不得超过几微米。这样，提供将确保在较大温度范围内稳定聚焦的可靠的解决方案仍然是汽车领域的主要挑战。

各种常规装置已经尝试解决上述问题。例如，EP3042229和DE102008047277均公开了如下装置，在该装置中，透镜保持件远离成像器的向前膨胀由沿相反方向膨胀的补偿元件补偿。然而，这样的设计明显更复杂并且引入了额外的制造成本。例如，对准和胶合补偿部件所需的额外步骤意味着这种透镜组件对于商业应用而言已经是过分昂贵的。

发明内容

因此，本公开涉及一种简单的摄像头模块，该摄像头模块可以在较宽的工作温度范围内实现精确且准确的聚焦。

根据第一方面，提供了一种光学装置，该光学装置包括：镜筒部分，该镜筒部分容纳沿着光学轴线布置的用于将图像聚焦到像平面上的一个或更多个透镜元件，该镜筒部分包括第一联接结构；以及支承部分，该支承部分包括与第一联接结构机械配合的第二联接结构，用于将镜筒部分支承在具有垂直于光学轴线的感光平面的光学传感器的前面，第一联接结构和第二联接结构在平行于感光平面的连接平面处机械配合，其中，镜筒部分的至少后部按照使得至少一个透镜元件位于连接平面与光学传感器之间的方式从连接平面向后延伸，并且其中，连接平面的由支承部分的热膨胀引起的向前移动由镜筒部分的后部的向后热膨胀补偿，以保持像平面与感光平面大致重合。

以这种方式，提供了一种光学装置，在该光学装置中，镜筒的后部本身能够补偿支承部分的热膨胀。即，随着支承部分因热而膨胀，支承部分与镜筒连接的连接平面远离后方的光学传感器向远侧前进。否则，这将使像平面沿着光学轴线向前移动对应距离，使得图像将被聚焦在位于光学传感器的感光平面前面的平面中。然而，在实施方式中，这可以通过容纳在镜筒部分的后部内的至少最后面(rearmost)的透镜元件的向后移动来补偿。在实施方式中，透镜元件中的一个或更多个透镜元件的光学特性还可以被配置为与镜筒部分的后部的向后移动结合，以补偿支承部分的膨胀。

重要的是，在实施方式中，通过镜筒部分而非提供单独的补偿部件来实现热补偿。因此，在制造期间不需要进行单独的胶合和对准操作以便定位和固定这些部件。即，实施方式可以提供与一体式透镜保持件(unibody lens holder)设计相同的优点，其中仅需要单个胶合和对准步骤，该步骤发生在将支承部分固定至PCB的阶段。同时，由于像平面保持与感光平面大致重合，因此可以提供跨较宽工作温度范围的具有高光学性能的摄像头模块。即，例如，像平面可以跨整个工作温度范围保持在感光平面的10微米内。

在实施方式中，第一联接结构和第二联接结构中的一者包括突起，并且第一联接结构和第二联接结构中的另一者包括用于容纳突起的凹部。这样，第一联接结构和第二联接结构彼此机械地相互接合，以连接支承部分和镜筒部分，从而提供稳定的连接。

在实施方式中，第一联接结构包括突起，并且第二联接结构包括凹部。

在实施方式中，第一联接结构和第二联接结构中的包括突起的一者包括从光学轴线侧向延伸的两个或更多个突起，并且第一联接结构和第二联接结构中的包括凹部的另一者包括分别用于容纳两个或更多个突起的两个或更多个槽。以这种方式，可以通过减小设有突起和对应凹部的周向区域来提供甚至更紧凑的光学装置组件。即，联接结构不需要围绕镜筒的整个圆周延伸。在实施方式中，提供了两个或三个突起和对应槽。

在实施方式中，镜筒部分由第一聚合物材料形成，并且支承部分由不同的第二聚合物材料形成。以这种方式，可以选择组成透镜保持件的这两个部分的成分，以避免彼此粘合。这样，尽管第一联接结构和第二联接结构机械地配合以形成牢固的连接，但是可能彼此抵接的镜筒和支承部分的其它表面仍然能够相对于彼此滑动。有利地，这可以允许镜筒和支承部分中的一者围绕另一者形成，同时减轻仅彼此接触的表面之间的不希望的结合的风险。

在实施方式中，镜筒部分与支承部分中的孔同轴，并且其中，镜筒的后部的热膨胀在该孔内是向后的。

在实施方式中，光学装置还包括光学传感器，其中，光学传感器是设置在印刷电路板PCB上的成像器，并且支承部分被安装至PCB。

在实施方式中，一个或更多个透镜元件包括多个透镜元件。以这种方式，可以将透镜元件设置在透镜组中。

在实施方式中，镜筒部分的前部从连接平面向前延伸，并且其中，镜筒部分的后部的向后热膨胀还补偿容纳在该前部内的多个透镜中的任何透镜的向前移动。以这种方式，可以容纳一定范围的透镜组，以实现各种光学特性，同时仍然允许热膨胀补偿。

在实施方式中，镜筒部分和支承部分中的一者包括前置通道(front facingchannel)，该前置通道与位于镜筒部分的前面的窗口相邻地定位。以这种方式，摄像头模块的正面可以包括防串扰装置，以防止来自相邻照明源的反射光损害所感测的摄像头图像。例如，窗口可以是红外窗口。

在实施方式中，前置通道包括垂直于来自窗口的反射光的表面。以这种方式，垂直表面可以吸收反射光或将光反射回窗口中，以防止向前传输至光学传感器。在实施方式中，前置通道可以是V形通道。

在实施方式中，镜筒部分由具有第一热膨胀系数的材料形成，并且支承部分由具有不同的第二热膨胀系数的第二材料形成。以这种方式，可以通过选择具有合适的热膨胀系数的材料来补偿所述部分的相对尺寸的差异。在实施方式中，用于镜筒部分的材料的热膨胀系数可以高于用于支承部分的材料的热膨胀系数。

根据第二方面，提供了一种制造光学装置的方法，该方法包括以下步骤：注塑成型镜筒部分，该镜筒部分包括第一联接结构，该镜筒部分用于容纳沿着光学轴线布置的用于将图像聚焦到像平面上的一个或更多个透镜元件；在镜筒部分在原位的情况下按照使得在支承部分中形成与所述第一联接结构机械配合的第二联接结构的方式注塑成型所述支承部分；以及将支承部分安装在具有垂直于光学轴线的感光平面的光学传感器的前面，其中，第一联接结构和第二联接结构在平行于像平面的连接平面处机械配合，并且镜筒部分的至少后部按照使得至少一个透镜元件位于连接平面与光学传感器之间的方式从连接平面向后延伸，并且其中，连接平面的由支承部分的热膨胀引起的向前移动由镜筒部分的后部的向后热膨胀补偿，以保持像平面与感光平面大致重合。

以这种方式，可以按照两步制造工艺来形成光学装置，而无需将镜筒部分胶合和对准至支承部分。这样，这些部件可以以预先对准的方式形成，使得尽管提供了两个部分但它们仍起到一体式设计的作用。此外，以这种方式，可以在这些部分之间实现高度的尺寸准确度，从而使灰尘或其它颗粒物干扰部件之间的联接的风险最小化。

在实施方式中，注塑成型镜筒部分的步骤包括注塑成型第一聚合物材料，并且其中，注塑成型支承部分的步骤包括注塑成型不同的第二聚合物材料。这样，减轻了镜筒和支承部分的表面之间结合的风险。

根据第三方面，提供了一种光学装置，该光学装置包括：印刷电路板PCB，该印刷电路板包括具有感光平面的光学传感器；镜筒部分，该镜筒部分容纳沿着光学轴线布置的用于将图像聚焦到像平面上的一个或更多个透镜元件；以及支承部分，该支承部分用于将镜筒部分支承在光学传感器的前面，其中，支承部分的后部焊接至PCB，并且镜筒部分在平行于像平面的连接平面处被胶合至支承部分的前部，其中，镜筒部分的至少后部按照使得至少一个透镜元件位于连接平面与光学传感器之间的方式从连接平面向后延伸，并且其中，连接平面的由支承部分的热膨胀引起的向前移动由镜筒部分的后部的向后热膨胀补偿，以保持像平面与感光平面大致重合。

以这种方式，提供了一种另选解决方案，在该另选解决方案中，焊接的支承部分提供了可以固定镜筒部分的预先对准的基座。这样，对准镜筒部分仅需要单个胶合和对准步骤，这简化了制造，同时由于镜筒部分提供的温度补偿，仍可以在较大温度工作范围上实现高光学性能。

附图说明

现在将参照附图描述例示性实施方式，在附图中：

图1示出了常规的一体式摄像头模块；以及

图2示出了根据第一实施方式的光学装置的等距截面图；

图3示出了穿过根据第二实施方式的光学装置的示意性垂直截面图；

图4a和图4b示出了穿过透镜保持件的另选构造的垂直截面图；

图5示出了穿过根据另外的实施方式的连接结构的水平截面；

图6a和图6b示出了穿过透镜保持件的另外的另选构造的垂直截面图；以及

图7示出了相关的光学装置，该相关的光学装置为上述问题提供了另选解决方案。

具体实施方式

当前，存在两种类型的常规定焦摄像头模块可用于机动车辆。一种设计包括被设置为两个单独的部分的镜筒和透镜保持件支承件，该镜筒和透镜保持件支承件通常使用紫外线固化胶胶合在一起。如图1所示，另一设计采用一体式构造，在该一体式构造中，支承部分3被集成到镜筒2中并构成一个整体件。在这两种设计中，支承部分3通过胶4固定至印刷电路板(PCB)6上，并且发挥作用以将镜筒2保持在设置在摄像头模块后部的成像器5的前面。成像器5具有用于检测聚焦图像的光学传感器阵列，成像器的峰值灵敏度跨感光平面7出现。通常，镜筒2和支承件3由具有低热膨胀系数的金属或塑料材料制成。在采用单独部件的设计中，当将支承件3固定至PCB时，必须将其预先与成像器5对准。然后，还必须在将镜筒2固定至透镜保持件时使镜筒2对准，使得由镜筒2的后焦距限定的像平面与成像器的感光平面7重合。在一体式透镜保持件设计的情况下，包括光学透镜组(stack)的整个组件的像平面与成像器的感光平面7对准。因此，这是有利的，因为仅需要一个对准和胶合步骤。

图2示出了根据第一实施方式的光学装置1的等距截面图。在该实施方式中，光学装置1被提供为摄像头模块，摄像头模块的后部在底部，并且摄像头模块的前部在顶部，从而是面向上的。在图2中，为简单起见，示出了镜筒2不具有光学元件的透镜组，但是将理解，光进入摄像头模块1的前部，从该前部穿过镜筒2并聚焦在成像器5上。

镜筒2按照被保持在成像器5上方的方式被支承在支承件3或载体的中心孔内。支承件3的基座经由UV固化胶4固定至PCB。镜筒2设有从筒2的侧表面径向向外延伸的周向突起9。突起9被容纳在凹入支承件3的孔的相对面中的对应周向槽8中。为了确保这些部分之间的精准配合，可以通过首先注塑成型(injection moulding)镜筒2然后在镜筒结构周围注塑成型支承件3来制造组件。在其它实施方式中，可以首先注塑成型支承件3。选择聚合物材料以在该处理期间使这些部分的彼此结合的表面最小化。这样，在最终得到的组件中，尽管突起9和槽8接合形成机械连接，但是两个部分的其它接触表面能够相对于彼此移动。

突起9和槽8跨垂直于光学轴线的连接平面10来联接镜筒部分2和支承件部分3。这样，支承件3的膨胀和收缩起作用以使连接平面10沿着光学轴线分别向前和向后移动。

镜筒2的主体在连接平面10的任一侧延伸，后部2a朝向成像器5延伸，并且前部2b朝向摄像头模块的前方延伸。因此，镜筒2的膨胀和收缩使后部2a向后远离突起9移动，并且使前部2b向前远离突起9移动。

在使用中，当环境温度升高时，随着连接平面10自身向前移动，容纳在镜筒2的后部2a内的透镜元件由此相对于连接平面10向后(图2中是向下)移动。相反地，当环境温度降低时，随着连接平面10自身向后移动，容纳在镜筒2的后部2a内的透镜元件由此移动得更靠近连接平面10。因此，随着工作温度变化，最后面的透镜元件相对于成像器5的绝对位置可以保持恒定。在后焦距固定的实施方式中，这由此允许像平面保持与成像器5的感光平面大致重合(coincident)，以优化图像质量。

图3示出了穿过根据第二实施方式的光学装置的示意性垂直截面图。该实施方式类似于第一实施方式，并且因此相同的附图标记用于相同的部件。在该实施方式中，在图3中被示出为位于透镜组的底部的最后面的透镜元件11的移动既补偿了连接平面10沿着光学轴线的移动又补偿了透镜元件在连接平面10之前的移动。这是因为该实施方式并入有镜筒2的较长前部2b。因此，后焦距可以随着镜筒2内的透镜元件的间距的改变而改变。然而，后焦距的任何变化都可以在补偿连接平面10的向前移动的同时通过后部2a的移动来补偿。此外，在该实施方式中，在后部2a与支承部分3的相对面之间设有间隙，以允许这些部件之间的相对移动。

图4a和图4b示出了穿过透镜保持件的另选构造的垂直截面图，其中提供了较长(图4a)和较短(图4b)的支承部分3。这允许设计灵活性，而用于温度补偿的控制因子由连接平面10限定，该连接平面由突起9和槽8的轴向位置确定。

图5示出了穿过根据另外的实施方式的连接结构的水平截面。在该实施方式中，镜筒2包括两个突起9，所述两个突起9从光学轴线侧向延伸以形成两个凸缘。支承结构3设有两个对应槽8，以容纳突起9。有利地，该装置通过不将这些部分围绕它们的整个周向联接而允许紧凑的设计占地面积。此外，通过减少该部分之间的接触点，可以使部件之间的接触粘附最小化。

图6a和图6b示出了穿过透镜保持件的另外的另选构造的垂直截面图，在该透镜保持件中设有防串扰结构13。具体地，这样的摄像头模块通常邻近光源设置，该光源用于照亮摄像头模块的目标。然而，这种光源的接近会导致与摄像头传感器的串扰，其中所述模块被窗口14(诸如红外窗口)覆盖。为了减轻串扰问题，可以例如如图6a所示在支承元件3的延伸的前面或如图6b所示在镜筒2的前面提供防串扰结构13。在这两种情况下，防串扰结构13可以被设置为V形通道，使得通道13的侧面垂直于入射进来的来自相邻光源的反射光线，该反射光线已被窗口14反射。这样，该光被吸收或反射回红外窗口，以防止向前传输至光学传感器。

图7示出了相关的光学装置，该光学装置为上述问题提供了另选解决方案。在该实施方式中，支承部分3被提供为焊接15到PCB 6上的金属腿。然后，镜筒部分2被胶合4到设置在支承腿3的远端处的座上。这样，连接平面10被设置在胶合接头4处。与上述实施方式一样，镜筒部分2的后部2a从连接平面10向后延伸。这样，支承腿3的热膨胀可以通过镜筒部分2的后部2a的向后热膨胀来补偿。这样，像平面可以与成像器5的感光平面大致保持重合。

如将理解的，上述装置、热补偿可以通过镜筒部分来实现，而不需要提供单独的补偿部件。因此，这避免了需要单独的胶合和对准操作。同时，可以提供紧凑的光学装置组件，其可以跨较宽的工作温度范围实现高光学性能。

将理解，上述例示的实施方式仅出于例示的目的示出了应用。实际上，实施方式可以应用于许多不同构造，详细的实施方式对于本领域技术人员而言是容易实现的。

Claims (15)

1.一种光学装置，所述光学装置包括：

镜筒部分，所述镜筒部分容纳沿着光学轴线布置的用于将图像聚焦到像平面上的一个或更多个透镜元件，所述镜筒部分包括第一联接结构；以及

支承部分，所述支承部分包括与所述第一联接结构机械配合的第二联接结构，用于将所述镜筒部分支承在具有垂直于所述光学轴线的感光平面的光学传感器的前面，所述第一联接结构和所述第二联接结构在平行于所述感光平面的连接平面处机械配合，

其中，所述镜筒部分的至少后部按照使得至少一个透镜元件位于所述连接平面与所述光学传感器之间的方式从所述连接平面向后延伸，并且

其中，所述连接平面的由所述支承部分的热膨胀引起的向前移动由所述镜筒部分的所述后部的向后热膨胀补偿，以保持所述像平面与所述感光平面大致重合。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述第一联接结构和所述第二联接结构中的一者包括突起，并且所述第一联接结构和所述第二联接结构中的另一者包括用于容纳所述突起的凹部。

3.根据权利要求2所述的光学装置，其中，所述第一联接结构包括所述突起，并且所述第二联接结构包括所述凹部。

4.根据权利要求2或3所述的光学装置，其中，所述第一联接结构和所述第二联接结构中的包括所述突起的所述一者包括从所述光学轴线侧向延伸的两个或更多个突起，并且所述第一联接结构和所述第二联接结构中的包括所述凹部的所述另一者包括分别用于容纳所述两个或更多个突起的两个或更多个槽。

5.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中，所述镜筒部分由第一聚合物材料形成，并且所述支承部分由不同的第二聚合物材料形成。

6.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中，所述镜筒部分与所述支承部分中的孔同轴，并且其中，所述镜筒的所述后部的热膨胀在所述孔内是向后的。

7.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，所述光学装置还包括所述光学传感器，其中，所述光学传感器是设置在印刷电路板上的成像器，并且所述支承部分安装至所述印刷电路板。

8.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中，所述一个或更多个透镜元件包括多个透镜元件。

9.根据权利要求8所述的光学装置，其中，所述镜筒部分的前部从所述连接平面向前延伸，并且

其中，所述镜筒部分的所述后部的所述向后热膨胀还补偿容纳在所述前部内的所述多个透镜中的任何透镜的所述向前移动。

10.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中，所述镜筒部分和所述支承部分中的一者包括前置通道，所述前置通道与位于所述镜筒部分的前面的窗口相邻地定位。

11.根据权利要求10所述的光学装置，其中，所述前置通道包括垂直于来自所述窗口的反射光的表面。

12.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中，所述镜筒部分由具有第一热膨胀系数的材料形成，并且所述支承部分由具有不同的第二热膨胀系数的第二材料形成。

13.一种制造光学装置的方法，所述方法包括以下步骤：

注塑成型镜筒部分，所述镜筒部分包括第一联接结构，所述镜筒部分容纳沿着光学轴线布置的用于将图像聚焦到像平面上的一个或更多个透镜元件；

在所述镜筒部分在原位的情况下按照使得在支承部分中形成与所述第一联接结构机械配合的第二联接结构的方式注塑成型所述支承部分；以及

将所述支承部分安装在具有垂直于所述光学轴线的感光平面的光学传感器的前面，

其中，所述第一联接结构和所述第二联接结构在平行于所述感光平面的连接平面处机械配合，并且所述镜筒部分的至少后部按照使得至少一个透镜元件位于所述连接平面与所述光学传感器之间的方式从所述连接平面向后延伸，并且

其中，所述连接平面的由所述支承部分的热膨胀引起的向前移动由所述镜筒部分的所述后部的向后热膨胀补偿，以保持所述像平面与所述感光平面大致重合。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，注塑成型所述镜筒部分的步骤包括注塑成型第一聚合物材料，并且

其中，注塑成型所述支承部分的步骤包括注塑成型不同的第二聚合物材料。

15.一种光学装置，所述光学装置包括：

印刷电路板，所述印刷电路板包括具有感光平面的光学传感器；

镜筒部分，所述镜筒部分容纳沿着光学轴线布置的用于将图像聚焦到像平面上的一个或更多个透镜元件；以及

支承部分，所述支承部分将所述镜筒部分支承在所述光学传感器的前面，

其中，所述支承部分的后部焊接至所述印刷电路板，并且所述镜筒部分在平行于所述感光平面的连接平面处被胶合至所述支承部分的前部，其中，所述镜筒部分的至少后部按照使得至少一个透镜元件位于所述连接平面与所述光学传感器之间的方式从所述连接平面向后延伸，并且

其中，所述连接平面的由所述支承部分的热膨胀引起的向前移动由所述镜筒部分的所述后部的向后热膨胀补偿，以保持所述像平面与所述感光平面大致重合。

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