DE102006008230B4

DE102006008230B4 - Bildaufnahmesystem

Info

Publication number: DE102006008230B4
Application number: DE102006008230.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Loewe; Marc Luther
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2016-05-12
Anticipated expiration: 2026-02-23
Also published as: DE102006008230A1

Abstract

Bildaufnahmesystem, das aufweist: ein Substrat (2), einen Bildsensor (3, 4), der auf dem Substrat (2) befestigt ist, eine vor dem Bildsensor (3, 4) angeordnete Optikeinheit (10), und einen mit dem Substrat (2) verbundenen Optikhalter (8), in dem die Optikeinheit (10) aufgenommen ist, wobei durch das Substrat (2) eine elastische Vorspannung ausgebildet wird, die den Bildsensor (3, 4) gegen die Optikeinheit (10) drückt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bildaufnahmesystem, das insbesondere im Automotive-Bereich einsetzbar ist.
Stand der Technik
Die WO 2005/015897 A1 zeigt ein Bildaufnahmesystem, das ein Gehäuse, eine in dem Gehäuse befestigte Platine sowie einen auf der Platine befestigten Bildsensor aufweist, der ein Bildsensorgehäuse und einen Sensorchip bzw. Imager aufweist. Auf dem Bildsensor ist eine lichtdurchlässige Schutzabdeckung parallel zum Imager angebracht, auf der drei Abstandshalter positioniert sind, die an der Innenseite des Gehäuses befestigt sind. Eine zylinderförmige Optikeinheit ist mittels eines Gewindes in das Gehäuse geschraubt. Die Hauptachse der Optikeinheit kann über die Abstandshalter gegenüber der Hauptachse des Bildsensors ausgerichtet werden.
Ein derartiges Bildaufnahmesystem ermöglicht zwar eine genaue Positionierung und Ausrichtung der optischen Achsen. An den mechanischen Übergangsstellen entstehen jedoch produktionsbedingte Toleranzen, so dass keine genau parallele Ausrichtung zwischen der Optikeinheit und dem Bildsensor gewährleistet ist. Dies kann zu partiell unscharfen Bildern führen.
Weiterhin ergibt sich durch den verketteten bzw. mehrteilig hintereinander angeordneten Aufbau grundsätzlich eine Aufaddierung der Einzeltoleranzen der Übergangstellen. Dies erfordert eine sehr genau senkrechte Justage des Bildsensors zur optischen Achse des Gehäuses, die im Herstellungsprozess zeit- und kostenaufwändig ist. Auch sind zusätzliche Maßnahmen zur Langzeitstabilisierung vorzunehmen.
Weiterhin ist die Optikeinheit zur Längseinstellung in den Optikhalter aufwändig ein- oder auszuschrauben, wobei wiederum Maßnahmen zur Langzeitstabilisierung erforderlich sind. Die Führung der Optik innerhalb der Optikaufnahme durch das Gewinde ist hierbei nachteilhaft, da selbst bei toleranzarmen Gewinden immer mit einer Verkippung der Optikeinheit relativ zum Optikhalter zu rechnen ist. Bei zusätzlichen Maßnahmen gegen die Verkippung, z. B. Passungen im Optikhalter, sind hohe Fertigungsgenauigkeiten der Bauteile erforderlich.
Weiterhin kann die durch das Gewinde geführte, von außen zugängliche Optik absichtlich oder versehentlich verstellt werden, wodurch die Systemleistung beeinträchtigt wird. Auch führt das Andrücken des Bildsensors an die Optikeinheit mittels einer zwischen dem Optikhalter und dem Bildsensor vorgesehenen Feder zu einer Haftreibung. Dieser Kraftschluss kann in Verbindung mit der kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Platine bei unterschiedlichen Ausdehnungen zur Ausbildung erheblicher Kräfte auf die Verbindung zwischen dem Bildsensor und der Platine führen.
Die EP 860 990 A2 zeigt eine Anbringungsstruktur für ein Bildaufnahmeelement einer Videokamera mit einer Bildaufnahmeelement-Baugruppe, an deren Hauptfläche eine lichtempfindliche Fläche des Bildaufnahmelementes angeordnet ist, deren seitliche Flächen zwei Normalflächen umfassen, die in einem vorgegebenen Winkel aufeinandertreffen. Eine Mitte der lichtempfindlichen Fläche des Bildaufnahmeelementes ist als ein Punkt ausgebildet ist, der um ein erstes Maß gegenüber einer der Normalflächen und um ein zweites Maß gegenüber der anderen der Normalflächen versetzt
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird der mindestens eine Bildsensor mittels einer Kraft gegen die Optikeinheit oder den Optikhalter gedrückt, die durch das Substrat selbst ausgeübt wird. Das Substrat kann hierbei insbesondere eine Platine bzw. Leiterplatte sein.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Substrat elastische Bereiche auf, die die Kraft bzw. Vorspannkraft ausüben. Diese elastischen Bereiche können insbesondere durch eine Ausdünnung, z. B. Schlitze bzw. Kerben oder auch eine großflächigere Ausdünnung, ausgebildet werden. Weiterhin können Ausnehmungen, z. B. Ausfräsungen, in dem Substrat ausgebildet werden, so dass von diesen Richtungen her keine oder nur geringe Querkräfte auf den Bildsensor einwirken und andere Substratbereiche durch ihre schmalere, z. B. zungenartige Ausbildung, eine größere elastische Wirkung aufbringen können. Die Ausnehmungen können insbesondere direkt an den Bildsensor angrenzen, z. B. zu zwei Seiten an, so dass die anderen beiden Seiten als zungenartige elastische Bereiche wirken, die gegebenenfalls zusätzlich ausgedünnt sind.
Das Substrat kann insbesondere eine mehrschichtige Platine sein, z. B. eine Starflex-Platine, mit einer oder mehreren Trägerfolien, die freigelegt als elastische Bereiche dienen können und auf denen Leiterbahnen zur Kontaktierung des Bildsensors ausgebildet sein können. Das Substrat kann auch in einen inneren Substratbereich mit dem Bildsensor und einen äußeren Substratbereich unterteilt sein, die über den elastischen Bereich verbunden sind.
Das erfindungsgemäße Bildaufnahmesystem bietet hierbei noch weitere Vorteile
Der Bildsensor kann an die Optikeinheit ganz oder weitgehend justagefrei adaptiert werden, so dass eine hohe Genauigkeit in der Ausrichtung der optischen Achsen bei geringen Herstellungskosten und geringem Zeitaufwand möglich ist. Es treten keine partiellen Bildunschärfen durch Schieflagen des Bildsensors auf. Weiterhin tritt allenfalls eine geringe temperaturbedingte Dejustage des Systems auf, da lediglich eine geringe Anzahl von Übergangsstellen vorgesehen ist, insbesondere lediglich die Anbindung des Optikhalters an dem Substrat. Das ausgebildete System ist somit robust und gewährleistet weiterhin eine mechanische Kraftentkopplung zwischen der Optikeinheit und dem Bildsensor, so dass zwischen dem Bildsensor und dem Substrat keine Verspannungen auftreten.
Weiterhin ist erfindungsgemäß keine kostenintensive Längsausrichtung der Optikeinheit mit Hilfe z. B. eines Gewindes, wie es in der WO 2005/015897 A1 vorgesehen ist, erforderlich. Der Bildsensor ist durch die Ausdünnung des Substrates gegenüber anderen auf dem Substrat befindlichen Wärmequellen thermisch besser entkoppelt. Weiterhin entfällt eine als zusätzliches Bauteil herzustellende und anzubringende Andruckfeder.
Als Optikhalter kann insbesondere das Gehäuse des Bildaufnahmesystems ausgebildet sein, wobei durch dieses Gehäuse und das Substrat eine vollständige Abdeckung des inneren Bildsensors sowie der Optikeinheit ermöglicht wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Optikeinheit selbstzentrierend in dem Gehäuse aufgenommen; hierzu kann die Optikeinheit nach unten verjüngend, z. B. kegelförmig ausgebildet und in eine geeignet, z. B. sphärische Dichtung aufgenommen werden. Hierbei können zwischen dem Bildsensor und der Optikeinheit wiederum Abstandshalter zur genauen Positionierung und exakten Ausrichtung der optischen Achsen des Bildsensors und der Optikeinheit vorgesehen sein, so dass eine aufwändige Längsjustage der Optik entfällt.
Erfindungsgemäß wird durch die feste Verbindung zwischen dem Substrat und dem Gehäuse eine hohe Stabilität bei hoher elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) gewährleistet. Es wird weiterhin eine gute Abdichtung der Optikeinheit nach außen erreicht, wobei die Beeinflussung der Optikeinheit von außen, insbesondere durch eine unbeabsichtigte Verstellung, verhindert werden kann.
Das Gehäuse kann grundsätzlich mit größeren Toleranzen gefertigt werden, da eine selbstzentrierende Montage ermöglicht ist.
Das erfindungsgemäße Bildaufnahmesystem kann insbesondere als Videosystem zum Insassenschutz, als Fahrerassistenzsystem oder in der Sicherheitstechnik vorgesehen sein. Weiterhin kann es auch in anderen Bereichen der industriellen Bildverarbeitung, insbesondere der Robotik eingesetzt werden.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:
1 einen Vertikalschnitt durch ein Bildaufnahmesystem gemäß einer ersten Ausführungsform mit von dem gesamten Substrat ausgeübter Federkraft;
2 eine weitere Ausführungsform mit gekerbter bzw. ausgedünnter Platine als Substrat;
3 eine Aufsicht auf die Platine von 2 mit Ausfräsungen;
4 eine Aufsicht auf ein weiteres Substrat mit Bildsensor;
5 ein Bildaufnahmesystem mit sebstzentrierender Optikeinheit.
Ein Bildaufnahmesystem 1 weist eine als Substrat dienende Platine 2, einen auf der Platine 2 montierten Bildsensor 3 oder 4, einen auf der Platine 2 befestigten Optikhalter 8 und eine in dem Optikhalter 8 aufgenommene Optikeinheit 10 auf. Der Bildsensor kann gemäß 1 bis 4 ein Sensorchip 3 oder gemäß der Ausführungsform der 5 ein Sensorchipmodul 4 sein, dass einen Sensorchip 3 in einem Chipgehäuse 5 aufweist. Die Optikeinheit 10 kann vorzugsweise durch ein oder mehrere Linsen aus Glas oder transparentem Kunststoff gebildet sein. Der Optikhalter 8 ist in Verbindungsstellen 7 mit der Platine 2 verbunden und bildet bei den gezeigten Ausführungsformen direkt das Gehäuse des Bildaufnahmesystems 1.
Erfindungsgemäß wird durch die Platine 2 eine Federkraft bzw. elastische Vorspannkraft ausgeübt, die den Bildsensor 3 oder 4 gegen die Optikeinheit 10 drückt. Gemäß den Ausführungsformen der 1 bis 4 wird der Bildsensor 3 bzw. 4 direkt gegen die Optikeinheit 10 gedrückt.
1 zeigt eine allgemeine Ausführungsform, bei der die Federkraft durch eine entsprechende Durchbiegung der Platine 2 ausgebildet ist.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsformen der 2 bis 5 wird die elastische Federkraft durch elastische Bereiche 12, 16 der Platine 2 ausgeübt. Vorteilhafterweise wird hierbei die elastische Federkraft vollständig durch die elastischen Bereiche 12, 16 ausgeübt, so dass die Platine 2 unterhalb des Bildsensors 3 bzw. 4 und an den Verbindungsstellen 7 nicht verspannt ist.
Gemäß 2, 3 können die elastischen Bereiche 12 durch Ausdünnungen 12 gebildet werden, die sich über einen breiteren Bereich erstrecken. Hierbei sind vorteilhafterweise ergänzend Ausnehmungen 14 in der Platine 2 vorgesehen. Gemäß der Aufsicht der 3 können die elastischen Bereiche 12 zu zwei Seiten des Bildsensors 3 angrenzen und sich an den anderen beiden Seiten des Bildsensors 3 die Ausnehmungen 14 erstrecken, so dass die Platine 2 in einen inneren, den Bildsensor 3 aufnehmenden Platinenbereich 2.1 und einen zur Ausbildung der Verbindungsstellen 7 dienenden äußeren Platinenbereich 2.2 unterteilt wird, die durch die elastischen Bereiche 12 verbunden sind; somit wird der innere Substratbereich 2.1 mit dem Bildsensor 3 in einer elastischen Brücke 12, 12 aufgenommen.
Durch derartige Ausdünnungen wird der aus 1 ersichtliche Nachteil vermieden, dass die gesamte Platine 2 verspannt wird, was zu Schäden an der Platine 2 und/oder an den ihr aufgenommenen Bauteilen, auch z. B. an dem Bildsensor 3, sowie an Bauteil-Platinen-Verbindungen führen kann. Bei einem mehrschichtigen Aufbau der Platine 2 mit einer flexiblen Trägerfolie, z. B. als Starflex-Platine, können die elastischen Bereiche 12 insbesondere durch Freilegen der Trägerfolie ausgebildet werden. Der Vorteil einer derartigen Ausführungsform liegt darin, dass in den flexiblen, elastischen Bereichen 12 Leiterbahnen 19 zur Kontaktierung geführt werden können und diese Bereiche stärkeren, wiederholten Gegenbeanspruchungen standhalten. Durch die hohe Flexibilität der Trägerfolie kann bei entsprechender Ausgestaltung der Bildsensor 3 bzw. 4 weitgehend verspannungsfrei an die Optikeinheit 10 gepresst werden.
4 zeigt eine Ausführungsform, bei der die elastischen Bereiche als Schlitze 16 (bzw. Einkerbungen) ausgebildet sind. Die Schlitze 16 können insbesondere eine längliche, schmale, z. B. mäanderartige Verbindung 18 in der Platine 2 ausbilden, die den inneren Platinenbereich 2.1 mit dem Platinenbereich 2.2 verbindet. Hierzu können die Schlitze 16 z. B. zwei sich parallel zueinander erstreckende Schlitzbereiche 16.1 und von jedem der Schlitzbereiche 16.1 orthogonal abstehende weitere Schlitzbereiche 16.2 aufweisen, die sich nicht treffen und die dünne, mäanderartige Verbindung 18 in der Platine 2 ausbilden. Ergänzend können entsprechend noch weitere Schlitzbereiche 16.2 vorgesehen sein und als Verzahnung jeweils zwischen entsprechende andere Schlitzbereiche 16.2 greifen. Die zur Kontaktierung des Bildsensors 3 bzw. 4 dienenden, in 4 schematisch eingezeichneten Leiterbahnen 19 verlaufen hierbei durch die dünne, mäanderartige Verbindung 18 in der Platine 2.
Bei den gezeigten Ausführungsformen wird zum einen eine gute mechanische Entkopplung und zum anderen eine thermische Trennung bzw. Isolierung zwischen dem inneren Platinenbereich 2.1 und dem äußeren Platinenbereich 2.2 erreicht, so dass die auf dem äußeren Platinenbereich 2.2 entstehende Wärme nicht direkt bzw. in allzu großem Umfang z. B. über großflächige Leiterbahnen in den Bildsensor 3 bzw. 4 eingeleitet wird.
5 zeigt eine mögliche Aufnahme der Optikeinheit 10 in dem Bildaufnahmesystem 1. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Optikeinheit 10 oben z. B. mit einem kugelförmigen Endbereich 10.1 und unten, d. h. an ihrem zu dem Bildsensor 4 gerichteten Ende, mit einem selbstzentrierenden, z. B. kegelförmigen oder in anderer Weise spitz zulaufenden Endbereich 10.2 ausgebildet.
Der Optikhalter 8 bildet hierbei auch das Gehäuse 8 des Bildaufnahmesystems 1, das nach unten z. B. direkt durch die Platine 2 begrenzt sein kann. Zwischen dem Optikhalter 8 und der Optikeinheit 10 ist eine z. B. ebenfalls kugelförmige bzw. ringförmige Dichtung 20 vorgesehen. Zwischen dem Bildsensor 4 und der Optikeinheit 10 ist ein Abstandshalter 22 vorgesehen, der zur exakten Ausrichtung des Bildsensors 4 zur Optikeinheit 10 dient. Hierbei kann bei entsprechender Auslegung der Optikeinheit 10 erreicht werden, dass der Abstand zwischen dem Bildsensor 4 und der Optikeinheit 10 derartig genau festgelegt ist, dass eine Längsjustage der Optikeinheit 10 nicht erforderlich ist. Der Bildsensor 4 wird hierbei durch die erfindungsgemäß vorgespannte Platine 2 mit den elastischen Bereichen 12 an den Abstandshalter 22 gepresst.
Die Verbindungsstellen 7 zwischen der Platine 2 bzw. einem anderen Substrat 2 und dem Optikhalter 8 bzw. Gehäuse 8 kann durch Verschraubungen oder auch Klebungen ausgebildet werden.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bildaufnahmesystems 1 werden die elastischen Bereiche 12 oder 16 in dem jeweiligen Substrat 2 ausgebildet und wird der Bildsensor 3 bzw. 4 auf dem jeweiligen Substrat 2 befestigt. Anschließend wird das Substrat 2 an dem jeweiligen Optikhalter 8 derartig befestigt, dass der Bildsensor 3 bzw. 4 gegen die Optikeinheit 10 drückt; bei der Ausführungsform der 5 wird ergänzend der selbstzentrierende Abstandshalter 22 zwischengelegt.
Erfindungsgemäß wird somit eine sehr genaue Ausrichtung der optischen Achse A des Bildsensors 3 bzw. 4 und der Optikeinheit 10 erreicht; es treten in den Bauteilen keine Verspannungen auf, da die Federkraft direkt durch die elastischen Bereiche 12 bzw. 16 des Substrates 2 ausgebildet wird.

Claims

Bildaufnahmesystem, das aufweist: ein Substrat (2), einen Bildsensor (3, 4), der auf dem Substrat (2) befestigt ist, eine vor dem Bildsensor (3, 4) angeordnete Optikeinheit (10), und einen mit dem Substrat (2) verbundenen Optikhalter (8), in dem die Optikeinheit (10) aufgenommen ist, wobei durch das Substrat (2) eine elastische Vorspannung ausgebildet wird, die den Bildsensor (3, 4) gegen die Optikeinheit (10) drückt.
Bildaufnahmesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Substrat (2) mindestens ein elastischer Bereich (12, 16) ausgebildet ist, der die elastische Vorspannung ausübt.
Bildaufnahmesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Bereich (12, 16) als Verdünnung des Substrates (2) ausgebildet ist.
Bildaufnahmesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) mehrschichtig ist und eine elastische, flexible Schicht (12) aufweist, die den mindestens einen elastischen Bereich (12) des Substrates (2) bildet.
Bildaufnahmesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Schicht (12) eine Folie (12) ist.
Bildaufnahmesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Folie (12) Leiterbahnen (19) zur Kontaktierung des Bildsensors (3, 4) ausgebildet sind.
Bildaufnahmesystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elastischer Bereich (16) durch ein oder mehrere Schlitze (16) in dem Substrat (2) ausgebildet ist.
Bildaufnahmesystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Substrat (2) mehrere Schlitze oder Schlitzbereiche (16.1, 16.2) ausgebildet sind, die eine längliche, schmale Verbindung (18) begrenzen.
Bildaufnahmesystem nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) einen inneren Substratbereich (2.1), auf dem der Bildsensor (3, 4) montiert ist, und einen äußeren Substratbereich (2.2), in dem Verbindungsstellen (7) zur Verbindung mit dem Optikhalter (8) ausgebildet sind, aufweist, wobei der mindestens eine als Verdünnung ausgebildete elastische Bereich (12, 16) die Substratbereiche (2.1, 2.2) miteinander verbindet.
Bildaufnahmesystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Substrat (2) Ausnehmungen (14) ausgebildet sind, zwischen denen mindestens ein elastischer Bereich (12) ausgebildet ist.
Bildaufnahmesystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (3, 4) direkt gegen die Optikeinheit (10) gedrückt wird.
Bildaufnahmesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Optikeinheit (10) und dem Bildsensor (3, 4) mindestens ein Abstandshalter (22) vorgesehen ist und der Bildsensor (3, 4) den mindestens einen Abstandshalter (22) gegen die Optikeinheit (10) drückt.
Bildaufnahmesystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter (22) selbstzentrierend gegen die Optikeinheit (10) gedrückt wird.
Bildaufnahmesystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) eine Platine ist.
Bildaufnahmesystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Optikhalter (8) das Gehäuse des Bildaufnahmesystems bildet.