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Die Erfindung betrifft ein Imagermodul für eine Kamera, eine derartige Kamera, die insbesondere in einem Fahrzeug einsetzbar ist, und ein Verfahren zur Herstellung des Imagermoduls.
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Stand der Technik
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Kameramodule für Fahrzeuge weisen oftmals ein Imagermodul auf, das als eine vormontierte Einheit aufgenommen und kontaktiert wird. Das Imagermodul weist hierzu im Allgemeinen einen Schaltungsträger, auf dem ein Bildsensor montiert ist, eine Objektivaufnahme (lens holder) und ein in der Objektivaufnahme aufgenommenes Objektiv. Die Objektivaufnahme kann z. B. am Schaltungsträger befestigt sein. Der Bildsensor ist über den Schaltungsträger kontaktiert, so dass das Imagermodul über einen Modulanschluss des Schaltungsträgers kontaktiert und ausgelesen werden kann.
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Das Imagermodul kann als separates Bauteil mit festem Fokus hergestellt werden. Hierzu wird im Allgemeinen bei der Herstellung das Objektiv in dem im Wesentlichen tubusförmigen Objektivaufnahme-Bereich (lens holder-Bereich) entlang der optischen Achse verstellt, wobei im Allgemeinen ein Test-Pattern erfasst wird und Bildsignale des Bildsensors ausgewertet werden, um eine Position mit optimalem Kontrast zu ermitteln. Im Allgemeinen wird in einem Abgleichverfahren in der Fertigung der beste Kontrast für eine sog. Hyper-Fokal-Distanz eingestellt, die zwischen unendlich und einem Nahabstand von z. B. 3 m liegt, um einen Tiefenschärfebereich optimal zu justieren. Diese Fokussierung in der Fertigung erfolgt im Allgemeinen bei Raumtemperatur. Durch Fixierung des Objektivs in dem Objektivaufnahme-Bereich wird somit ein Fix-Fokus-Imagermodul ausgebildet, das nachfolgend mit einer Schaltungsträger-Einrichtung, z. B. einer Schaltungsträgerplatte, kontaktiert und in z. B. einem Gehäuseteil einer Kamera aufgenommen wird.
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Derartige Kameras können insbesondere in Fahrerassistenzsystemen eingesetzt werden. Kameras in Fahrzeugen unterliegen jedoch größeren Temperaturschwankungen, z. B. über Betriebstemperaturbereiche zwischen –40°C und 80°C, die die optischen Eigenschaften beeinflussen können. So wirken sich insbesondere temperaturbedingte Änderungen der Brechungseigenschaften und Änderungen aufgrund der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien über den Betriebstemperaturbereich auf die Fokussierung des fertiggestellten Imagermoduls aus. Insbesondere bei Kameras mit einer großen Blendenöffnung, die für Nachtsicht-Fahrerassistenzsysteme eingesetzt werden, kann dies zu einem höheren Verlust der Abbildungsleistung führen.
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Weiterhin sind grundsätzlich MID (Molded Interconnect Devices)-Schaltungsträger bekannt, die eine dreidimensionale Formgebung eines Schaltungsträgers ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Imagermodul weist mindestens ein Heizelement zum Heizen des Objektivaufnahme-Bereichs auf. Dieses Heizelement kann insbesondere durch ein oder mehrere Heiz- Leiterbahnen ausgebildet sein, die vorteilhafterweise an dem im Wesentlichen tubusförmigen Objektivaufnahme-Bereich ausgebildet ist bzw. sind. Die mindestens eine Heiz-Leiterbahn kann insbesondere auf der Außenseite des Objektivaufnahme-Bereichs ausgebildet sein.
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Hierdurch werden bereits einige Vorteile erreicht:
Durch die Beheizung der Objektivaufnahme ist eine Verbesserung der Bildeigenschaften möglich. Es kann im Betrieb ein geeigneter Soll-Betriebstemperatur-Bereich, z. B. bei etwa 40°C, eingestellt werden, so dass die oben beschriebenen Beeinträchtigungen und Fehler der optischen Eigenschaften aufgrund des großen Betriebstemperaturbereichs von z. B. –40° bis +80°C verringert werden können. Die guten Abbildungseigenschaften können somit insbesondere auch bei Betriebsbeginn relativ schnell erreicht werden.
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Indem das mindestens eine Heizelement als Heiz-Leiterbahnen ausgebildet ist, kann es gemeinsam mit zur Kontaktierung des Bildsensors vorgesehenen Kontaktierungs-Leiterbahnen und gegebenenfalls weiteren Kontaktierungs- Leiterbahnen für weitere elektrische Komponenten kontaktiert werden. Es können somit Leiterbahnen mit unterschiedlichen Funktionen ausgebildet und z. B. gemeinsam zu einem Anschlussbereich des Imagermoduls geführt werden. Eine derartige Ausbildung der Leiterbahnen kann besonders bevorzugt bei Einsatz eines einstückigen Schaltungsträgers für sowohl den Sensor-Aufnahmebereich als auch den Objektivaufnahme-Bereich erreicht werden, so dass die Ausbildung der Heiz-Leiterbahnen zu keinem relevanten Mehraufwand führt. Hierbei ist der Einsatz der MID-Technik zur Ausbildung des Sensorträgers besonders vorteilhaft, da hierdurch die einstückige Ausbildung und die Ausbildung von Heiz-Leiterbahnen gemeinsam mit Kontaktierungs-Leiterbahnen mit geringem Aufwand ermöglicht wird.
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Eine thermische Belastung des Bildsensors, insbesondere auch ein unerwünschtes Aufheizen des Bildsensors, das zu einer Erhöhung des thermischen Rauschen des Bildsensors führen kann, so wie auch eine thermische Belastung weiterer elektronischer Komponenten, kann erfindungsgemäß durch die lokale Beheizung des Objektivaufnahme-Bereichs weitgehend verhindert oder zumindest sehr gering gehalten werden; anders als z. B. an der gesamten Kamera vorgesehene Heizelemente kann die eingebrachte Heizleistung insgesamt gering und weiterhin lokal begrenzt gehalten werden. Auch die elektrische Verlustleistung ist somit sehr gering. Für den Fall, dass sich das Fahrzeug während des Parkens deutlich über 40°C aufgeheizt hat, ist durch den Betrieb der Klimaanlage und die Krümmung der Frontscheibe durch den Fahrtwind innerhalb von 10 Minuten eine ausreichenden Annäherung auf die Betriebstemperatur von z. B. etwa 40° C möglich.
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Weitere Vorteile werden durch Einsatz eines Temperaturfühlers und vorzugsweise eines Temperaturreglers erreicht:
Hierdurch kann die Temperatur des Objektivaufnahme-Bereichs auf den geeigneten Soll-Betriebstemperatur-Bereich eingestellt bzw. eingeregelt werden, so dass einerseits die optischen Eigenschaften sicher festgelegt werden und andererseits die thermische Belastung gering gehalten werden kann.
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Der mindestens eine Temperaturfühler kann zum Beispiel direkt an dem Objektivaufnahme-Bereich (Lensholder) vorgesehen sein. Auf das Temperatur-Messsignal des Temperaturfühlers hin kann die Heiz-Leiterbahn am Objektivaufnahme-Bereich ein- und ausgeschaltet werden. Die Temperaturregelung kann hierbei intern im Imagermodul erfolgen, indem ein Temperatur-Regler, z. B. als ASIC, vorgesehen ist. Grundsätzlich kann die Regelung jedoch auch von außen erfolgen, d. h. über eine Schaltungsträgerplatte der Kamera.
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Somit ist der Mehraufwand für die Temperaturregelung gering.
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Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist vorgesehen, das Heizelement auch während der Fokussierung zu verwenden, d.h. bereits vor der Fixierung der Längsposition des Objektivs in der Objektivaufnahme.
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Auch durch das Herstellungsverfahren werden einige Vorteile erreicht:
Indem bei der Fokussierung der Soll-Betriebstemperatur-Bereich eingestellt wird, der vorzugsweise den realistischen Bedingungen während des Betriebes entspricht oder nahe kommt, können die eingangs genannten Änderungen der Fokuslage aufgrund eines Temperaturunterschieds bei einerseits der Herstellung und andererseist des Einsatzes gering gehalten werden und ein hiermit verbundener Bildqualitätsverlust zumindest deutlich reduziert werden.
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Erfindungsgemäß wird hierbei erkannt, dass die bei der üblichen Fokussierung der Imagermodule vorgesehene Raumtemperatur im Wesentlichen in der Mitte des Betriebstemperaturbereichs von –40°C bis +80°C liegt. Die zu erwartende typische Betriebstemperatur liegt jedoch eher bei höheren Werten als der Raumtemperatur, z. B. bei etwa 40°C, da der Einbauort der Kamera zum einen durch Sonneneinstrahlung aufgeheizt werden kann und zum anderen mehrere verlustleistungsbehaftete Geräte in der Nachbarschaft angeordnet sind, sodass eine deutlich über der vom Fahrer gewählten Fahrzeuginnentemperatur liegende Umgebungstemperatur und die eigene Wärme der Kamera zu berücksichtigen sind.
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Erfindungsgemäß wird auch erkannt, dass das gesamte Imagermodul insgesamt nur eine geringe Masse von z. B. weniger als 10g aufweist und somit eine geringe thermische Kapazität besitzt. Das Objektiv und der Objektivaufnahme-Bereich (lens holder) sind die beiden wesentlichen Komponenten, die infolge der Temperaturänderung zu der Änderung der Fokuslage beitragen. Indem erfindungsgemäß eine Heizleistung lokal eingebracht wird, vorteilhafterweise begrenzt über den Objektivaufnahme-Bereich (Lensholder) und das Objektiv, kann mit vertretbarem Aufwand und mit vernachlässigbarer zusätzlicher Verlustleistung eine Temperatureinstellung, vorzugsweise eine Regelung, realisiert werden, die eine deutliche Verbesserung der Stabilisierung der Fokuslage ermöglicht, ohne relevante Beeinträchtigung des Bildsensors.
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Der Mehraufwand für derartige elektrische Elemente ist gering; grundsätzlich ist bekannt, in MID-Technologie Komponenten aufzubringen, insbesondere auch z. B. passive Komponenten zur Signalkonditionierung.
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Durch die Beheizung können weiterhin auch Niederschlag bzw. Betauung des Objektivs verringert werden. Das Heizelement dient bei der erfindungsgemäßen Ausbildung jedoch insbesondere auch direkt zur Temperatureinstellung des Objektivsaufnahmebereichs und des Objektivs, und nicht nur allgemein zu einem Schutz gegen Betauung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein Imagermodul gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in teilweise geschnittener Darstellung;
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2 zeigt eine Kamera mit dem Imagermodul aus 1, und
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3 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
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Beschreibung der Ausführungsform
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Ein Imagermodul 1 dient zum Einbau in einer 2 detaillierter gezeigte Kamera 2 und weist einen MID-Schaltungsträger 3 (Molded Interconnect Devices, spritzgegossener Schaltungsträger) auf, der in MID-Technik einteilig spritzgegossen ist und auf seiner Außenseite nachfolgend beschriebene Leiterbahnen 6 und 10 aufweist. Der MID-Schaltungsträger 3 weist einen Sensor-Aufnahmebereich 3a mit einer Aussparung 4 auf, wobei der Sensor-Aufnahmebereich 3a im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist und in lateraler Richtung in einen Anschlussbereich 3b übergeht. Weiterhin weist der MID-Schaltungsträger 3 einen Objektivaufnahme-Bereich 3c auf, der im Wesentlichen tubusförmig ausgebildet ist und an den Sensor-Aufnahmebereich 3a anschließt. In den Objektivaufnahme-Bereich 3c ist ein Objektiv 5 eingesetzt. Das Objektiv 5 weist eine Linsenfassung 5a und mindestens eine Linse 5b – im Allgemeinen mehrere Linsen 5b – auf und ist in dem Objektivaufnahme-Bereich 3c zur Fokussierung längsverstellbar.
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Auf der Rückseite 3d des Sensor-Aufnahmebereichs 3a und des Anschluss-Bereichs 3b sind Kontaktierungs-Leiterbahnen 6 ausgebildet. Ein Bildsensor 8 ist auf der Rückseite 3d des MID-Schaltungsträgers 3 montiert; der Bildsensor 8 ist hierbei über z. B. Stud-Bumps 9 mit den Leiterbahnen 6 kontaktiert, wobei die Leiterbahnen 6 sich über den Anschlussbereich 3b z. B. bis zu einer Unterkante erstrecken. Bei dieser Montage des Bildsensors 8 in Flip-Chip-Technik ist dessen sensitive Fläche 8a durch die Aussparung 4 zu dem Objektiv 5 gerichtet. Eine optische Achse A wird definiert durch den Bildsensor 8 und das Objektiv 5. Somit liegt die optische Achse A im Wesentlichen zentrisch in der Mitte des tubusförmigen Objektivaufnahme-Bereichs 3c. Ergänzend können Führungsstege 3e zur Führung des Objektivs 5 bei dessen Längsverstellung ausgebildet sein.
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Auf einer Außenfläche 3f des Objektivaufnahme-Bereichs 3c sind Heiz-Leiterbahnen 10 ausgebildet. Die Heiz-Leiterbahnen 10 erstrecken sich vorteilhafterweise zusammen mit den Kontaktierungs-Leiterbahnen 6 zu dem Anschluss-Bereich 3b des MID-Schaltungsträgers 3. Dies ist insbesondere bei einer Ausbildung vorteilhaft, bei der die Leiterbahnen 6, 10 in oder auf dem Schaltungsträger durch Strukturierung leitfähiger Schichten ausgebildet sind. Weiterhin können die Heiz-Leiterbahnen 10 jedoch auch zusätzlich aufgebracht werden und mit weiteren Leiterbahnen kontaktiert werden, die zu dem Anschluss-Bereich 3b geführt werden.
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Auf den Kontaktierungs-Leiterbahnen 6 können weiterhin passive Komponenten 12, z. B. zur Signalkonditionierung der Bildsensor-Signale, kontaktiert sein.
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Gemäß der Ausführungsform der 1 sind ein oder mehrere Temperaturfühler 14 auf dem MID-Schaltungsträger 3 montiert und über Kontaktierungs-Leiterbahnen 6 kontaktiert. Der Temperaturfühler 14 ist vorzugsweise auf dem tubusförmigen Objektivaufnahme-Bereich 3c montiert, so dass auch auf dem Objektivaufnahme-Bereich 3c Kontaktierungs-Leiterbahnen 6 ausgebildet sind. Der Temperaturfühler 14 kann grundsätzlich jedoch auch an einer anderen Stelle vorgesehen sein. Der Temperaturfühler 14 kann grundsätzlich über den Anschlussbereich 3c ausgelesen werden; vorteilhafterweise ist jedoch vorgesehen, dass auf dem MID-Schaltungsträger 3 bereits ein Temperaturregler 16, z. B. ein ASIC, als Schaltungsbaustein montiert und mit dem Temperaturfühler 14 über die Kontaktierungs-Leiterbahnen 6 kontaktiert ist, so dass eine selbsttätige Temperaturregelung über den mindestens einen Temperaturfühler 14 oder die mehreren Temperaturfühler 14 und den Temperaturregler 16 erfolgen kann.
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Somit wird der tubusförmige Objektivaufnahme-Bereich 3c über seine Außenseite 3f durch Bestromen der Heiz-Leiterbahnen 10 geheizt, und über den Temperaturfühler 14 und den Temperaturregler 16 auf einen gewünschten Soll-Betriebstemperatur-Bereich, insbesondere 30°–50°C, z. B. bei etwa 40°C, eingestellt.
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Vorteilhafterweise wird die mindestens eine Heiz-Leiterbahn 10 auch während der Fertigung des Imagermoduls 1 eingesetzt. Somit kann während der Herstellung eine Temperatur-Einstellung bzw. eine Temperatursituation geschaffen werden, die einer späteren Betriebstemperatur entspricht oder zumindest nahekommt. Somit kann bei der Fertigung insbesondere die Soll-Betriebstemperatur von z. B. etwa 40°C eingestellt werden, die später auch im Betrieb einzuregeln ist und somit höher ist als die übliche Temperatur (20–30°C) bei Fertigungen.
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Somit werden bei der erfindungsgemäßen Herstellung gemäß dem Flussdiagramm von 3 nach dem Start in Schritt St0 zunächst in Schritt St1 die relevanten Komponenten bereitgestellt oder ausgebildet, es wird somit der MID-Schaltungsträger 3 spritzgusstechnisch ausgebildet, wobei gemäß den Darstellungen erkennbar ist, dass hier eine Spritzgussrichtung im Wesentlichen entlang der optischen Achse A vorteilhaft und unproblematisch ist. Weiterhin werden an dem Schaltungsträger die mindestens eine Leiterschicht ausgebildet und strukturiert, um die Heiz-Leiterbahn 10 und Kontaktierungs-Leiterbahnen 6 zur Kontaktierung des Bildsensors 8 und weiterer Komponenten, insbesondere passiven Komponenten 12 und ggf. des Temperaturfühlers 14 und des Temperaturreglers 16 auszubilden. Alternativ hierzu können die Heiz-Leiterbahnen 10 auch zusätzlich aufgebracht werden. Nachfolgend wird der Bildsensor 8 über ein oder mehrere Stud-Bumps 9 kontaktiert, und der MID-Schaltungsträger 3 über seinen Anschluss-Bereich 3b derartig angeschlossen, dass an einer Testvorrichtung die Bildsignale des Bildsensors 8 ausgelesen werden können und eine Beheizung der mindestens einen Heiz-Leiterbahn 10 ermöglicht ist. Das Objektiv 5 kann hierbei bereits in den Objektivaufnahme-Bereich 3c eingeführt sein.
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Dann wird vor Einstellung der Fokussierung zunächst in Schritt St2 die mindestens eine Heiz-Leiterbahn 10 bestromt und somit der Objektivaufnahme-Bereich 3c beheizt, vorzugsweise als Temperturregelung auf die Betriebstemperatur von 40°C. Es werden somit genau die Temperatur-Bedigungen geschaffen, die später während des Betriebs eingestellt werden, mit entsprechenden Temperturgradienten und dem thermischen Verhalten der einzelnen Komponenten. Während des Beheizens bzw. der Temperaturregelung erfolgt in Schritt St3 die Fokussierung, wobei z. B. ein Testpattern in einem vorgegebenen Abstand erfasst wird, und das Objektiv 5 entlang der optischen Achse A in dem Objektivaufnahme-Bereich 3c längsverstellt wird, unter Auswertung der Bildsignale des Bildsensors 8, um eine geeignete Längsposition des Objektivs 5 im Objektivaufnahme-Bereich 3c zu ermitteln, woraufhin das Objektiv 5 in dieser Position dann in Schritt St4 fixiert werden kann, z. B. durch einen Kleber, z. B. UV-aushärtenden Kleber zwischen dem Objektiv 5 und dem Objektivaufnahme-Bereich 3c, oder auch zusätzliche Befestigungsmittel. Die Beheizung kann auch noch während des Schrittes St4 erfolgen.
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Wie aus dem unteren Teil der 1 ersichtlich, kann mindestens eine Heiz-Leiterbahn 10 z. B. mäanderartig geführt sein, d. h. einen größeren Flächenbereich des Objektivaufnahme-Bereichs 3c abdecken, damit hier nicht eine zu punktuelle Wärmeeinleitung erfolgt, sondern ein relevanter Teil des Objektivaufnahme-Bereichs möglichst gleichmäßig erwärmt wird.
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2 zeigt die gesamte Kamera 2; das Imagermodul 1 ist z. B. in einem Gehäuseteil 18 aufgenommen, das z. B. den Objektivaufnahme-Bereich 3c außerhalb der Heiz-Leiterbahn 10 und des Temperaturfühlers 14 aufnimmt. Weiterhin ist das Imagermodul 1 über seinen Anschlussbereich 3b kontaktiert, z. B. wie gezeigt über Drahtbonds 18, oder auch z. B. über ein Flexcable. Die Kontaktierung erfolgt mit einer Schaltungsträger-Platte 20, auf der vorteilhafterweise weitere Komponenten 22 montiert sind. Die gesamte Kamera 2 dient zur Anbringung in einem Fahrzeug 24, hier unter Darstellung der Fahrzeug-Scheibe 25.
