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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Sensors und einen optischen Sensor zur Erfassung einer Umgebung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Die
DE 10 2013 212 748 A1 offenbart ein Imagermodul für eine Kamera, das mindestens einen Objektivhalter, einen an den Objektivhalter montierten Bildsensor, und ein in einem Tubusbereich des Objektivhalters aufgenommenes Objektiv aufweist, wobei zwischen einer Außenfläche des Objektivs und der Innenfläche des Tubusbereichs des Objektivhalters mehrere Kontaktbereiche durch Reibschluss ausgebildet sind. Hierbei ist vorgesehen, dass in den Tubusbereich eine erste Klemmebene und eine von der ersten Klemmebene entlang einer Längsachse des Tubusbereichs versetzte zweite Klemmebene ausgebildet sind, wobei in der ersten Klemmebene mehrere erste Kontaktbereiche und in der zweiten Klemmebene mehrere zweite Kontaktbereiche ausgebildet und in einer Umfangsrichtung um die Längsachse herum verteilt angeordnet sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines optischen Sensors, insbesondere einer Kamera oder eines LIDAR-Sensors, aufweisend die Schritte: Bereitstellen eines Objektivs aufweisend ein Objektivgehäuse und wenigstens eine optische Linse; Bereitstellen eines Gehäuses des optischen Sensors; Ermitteln von optischen Eigenschaften des Objektivs; Verstemmen einer Verstemmgeometrie des Gehäuses des optischen Sensors mittels eines Stempels in Abhängigkeit der optischen Eigenschaften des Objektivs; Verbinden einer Leiterplattenanordnung mit dem Gehäuse des optischen Sensors; Einführen des Objektivs in das Gehäuse des optischen Sensors; und Fixieren des Objektivs mittels eines Klebematerials in einem Spalt zwischen dem Objektivgehäuse und dem Gehäuse des optischen Sensors.
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Die optischen Eigenschaften des Objektivs sind insbesondere eine Fokuslage und/oder eine Verkippung des Objektivs. Das Ermitteln der optischen Eigenschaften des Objektivs erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform durch ein optisches und/oder geometrisches Vermessen des Objektivs. Das Ermitteln der optischen Eigenschaften des Objektivs erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform durch das Einlesen bereitgestellter Daten. Die bereitgestellten Daten können zum Beispiel Daten aus einem Messprotokoll des Objektivs sein. Das Ermitteln der optischen Eigenschaften des Objektivs erfolgt in einer besonders bevorzugten Ausführungsform durch ein optisches und/oder geometrisches Vermessen des Objektivs und zusätzlich durch das Einlesen bereitgestellter Daten.
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Die Leiterplattenanordnung weist in einer bevorzugten Ausführungsform eine Leiterplatte und einen optischen Empfänger und/oder einen optischen Sender auf.
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Ein optischer Empfänger der Leiterplattenanordnung zum Beispiel weist eine Oberfläche auf, die eine Bildebene darstellt. Ein optischer Empfänger kann beispielsweise ein Bildsensor sein. Eine Objektivachse, d.h. Symmetrieachse des Objektivs, soll für eine ordnungsgemäße Ausrichtung mit einer auf der Oberfläche des Empfängers senkrecht stehenden Flächennormalen der Oberfläche des optischen Empfängers zusammenfallen, so dass die Objektivachse und die Flächennormale die optische Achse des optischen Sensors bilden. Die Fokussierung erfolgt somit entlang der optischen Achse. Winkelverkippungen zwischen der Objektivachse und der Flächennormale führen zum Beispiel zu einem entsprechenden Verlust der Schärfentiefe in aus der idealen Fokussierung herausgeschobenen Sektoren am Rand der Oberfläche des optischen Empfängers und somit auch am Rand des Bildes. Diese Sektoren werden kurz- bzw. weitsichtig. Dies hat eine negative Auswirkung auf die erzielbare Ausbeute in der Produktion, da derartige optische Sensoren unzuverlässig arbeiten und ggf. aussortiert werden.
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Solche Winkelverkippungen der optischen Achse zur Flächennormalen können neben Verbindungs- und Fertigungs-Toleranzen bei der Herstellung des optischen Sensors auch aus einem Kippwinkel des Objektivs resultieren, der beispielsweise durch eine toleranzbedingte Verschiebung oder eine Verkippung einzelner Linsen des Objektivs zueinander verursacht werden kann. Diese Verkippung ist eine ein Objektiv charakterisierende und auch messbare Größe, die durch eine entsprechende Gegenverkippung des Objektivs wieder ausgeglichen werden kann. Die Verkippung kann hierbei als sogenannte Bildschalenverkippung bezeichnet werden, da ein reales Objekt im Allgemeinen auf eine Bildschale (statt der Bildebene des idealen Objektes) abgebildet wird.
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Zum Einstellen einer solchen Gegenverkippung ist es bekannt, im Produktionsprozess eine aktive Ausrichtung („active alignment“) durchzuführen, bei der z.B. Bilder des optischen Empfängers von Messobjekten ausgelesen und deren Schärfe bewertet wird. Das Objektiv wird dann z.B. relativ zum optischen Empfänger in seiner Winkellage gekippt, bis die Objektivachse im Wesentlichen wieder auf der Flächennormalen des optischen Empfängers liegt und das aufgenommene Bild auch in den Randbereichen scharf gestellt ist, woraufhin die Anordnung dann durch z. B. das Klebematerial fixiert wird. Während der aktiven Ausrichtung kann außerdem die Fokusebene eingestellt werden. Durch eine Anpassung des Abstands des Objektivs zum optischen Empfänger kann sichergestellt werden, dass das aufgenommene Bild scharf auf dem optischen Empfänger abgebildet wird.
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Optische Sensoren mit axialem Design für das Klebematerial müssen alle Toleranzen aus dem Design in dieser einen Klebestelle ausgleichen. Dies führt bei optischen Sensoren mit sehr geringer Abbildungstiefe zu großen Veränderungen der optischen Eigenschaften des optischen Sensors bei Temperatur- und/oder Feuchtigkeitsschwankungen.
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Der Vorteil der Erfindung besteht nun darin, dass durch das Verstemmen das Gehäuse derart angepasst werden kann, dass das Klebematerial umlaufend um das Objektiv sehr dünn und sehr homogen ausgebildet sein kann. Der Spalt zwischen dem Objektivgehäuse und dem Gehäuse des optischen Sensors, in dem das Klebematerial angeordnet ist, kann umlaufend sehr klein, sprich mit einem kleinen Abstand zwischen Objektivgehäuse und dem Gehäuse des optischen Sensors, und sehr homogen ausgebildet sein. Hierdurch entstehen umlaufend nur sehr geringe Unterschiede zum Beispiel in der Dicke des Klebematerials. Hierdurch wiederum sind wenige Anpassungen beim aktiven Ausrichten nötig und es entstehen wenige Unterschiede bei einem Aushärten des Klebematerials. Auch bei der Herstellung mehrerer optischer Sensoren kann eine umlaufend homogenere Dicke des Klebematerials über alle optischen Sensoren hinweg realisiert werden. Dies führt in vorteilhafter Weise dazu, dass das Klebematerial bei Temperatur-, Feuchtigkeitsveränderungen und/oder über eine Lebensdauer des optischen Sensors eine gleichmäßige Ausdehnung und/oder eine gleichmäßige Schrumpfung erfährt. Hierdurch kann ein Temperatur- und/oder feuchtigkeitsbedingte Veränderung des Fokus des Objektivs auch über die Lebensdauer minimiert werden. Somit können optische Sensoren, insbesondere Kameras, mit sehr hohen Anforderungen an die Abbildungstiefe mit Klebematerial zum Toleranzausgleich hergestellt werden. Ein stabileres Verhalten der optischen Eigenschaften des optischen Sensors über Temperatur, Feuchtigkeit und Lebensdauer kann realisiert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Schritt des Verstemmens mittels des Stempels ein gleichmäßiger Druck auf die Verstemmgeometrie ausgeübt wird oder wobei unterschiedliche Drücke auf verschiedene Bereiche der Verstemmgeometrie ausgeübt werden. Ein gleichmäßiger Druck kann hierbei insbesondere durch einen Stempel realisiert werden, dessen Stempelfläche beim Verstemmen orthogonal zur optischen Achse des optischen Sensors auf die Verstemmgeometrie drückt. Die unterschiedlichen Drücke können hierbei insbesondere durch einen Stempel realisiert werden, dessen Stempelfläche beim Verstemmen in einem von 90° verschiedenen Winkel zur optischen Achse des optischen Sensors auf die Verstemmgeometrie drückt.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass auf einfache Art und Weise die optischen Eigenschaften des Objektivs berücksichtigt werden können. Mittels eines gleichmäßigen Drucks kann zum Beispiel eine gleichmäßige Veränderung des Gehäuses entlang der optischen Achse des optischen Sensors bewirkt werden. Sind hingegen die optischen Eigenschaften des Objektivs der Art, dass auch eine Veränderung des Gehäuses entlang einer ersten und einer zweiten Rotationsachse vorteilhaft ist, so kann dies durch die unterschiedlichen Drücke auf die verschiedenen Bereiche der Verstemmgeometrie realisiert werden. So kann beispielsweise einen ersten Bereich der Verstemmgeometrie mit einem höheren Druck auf die Verstemmgeometrie gedrückt werden als auf einen zweiten, gegenüberliegend angeordneten Bereich. Das Klebematerial kann umlaufend eine noch geringere Dicke haben und noch homogener ausgebildet sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren den weiteren Schritt des Bereitstellens von wenigstens einer Eigenschaft des Gehäuses des optischen Sensors und/oder von wenigstens einer Eigenschaft der Leiterplattenanordnung, insbesondere von einer Eigenschaft eines auf der Leiterplattenanordnung angeordneten optischen Empfängers und/oder optischen Sensors, aufweist, und wobei das Verstemmen zusätzlich in Abhängigkeit der wenigstens einen bereitgestellten Eigenschaft erfolgt. Eine bereitgestellte Eigenschaft ist insbesondere eine Längentoleranz des Gehäuses, ein Parallelitätsfehler des Gehäuses, eine Höhentoleranz des optischen Empfängers oder des optischen Senders, und/oder eine Verkippung des optischen Empfängers oder des optischen Senders in Bezug auf eine Leiterplatte der Leiterplattenanordnung.
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Das Bereitstellen der wenigstens einen Eigenschaft des Gehäuses des optischen Sensors erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform durch ein geometrisches Vermessen des Gehäuses. Das Bereitstellen der wenigstens einen Eigenschaft der Leiterplattenanordnung erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform durch ein optisches und/oder geometrisches Vermessen der Leiterplattenanordnung.
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Das Bereitstellen der Eigenschaften des Gehäuses und/oder der Leiterplattenanordnung erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform durch das Einlesen bereitgestellter Daten. Die bereitgestellten Daten können zum Beispiel Daten aus einem Datenblatt des Gehäuses und/oder der Leiterplattenanordnung sein. Das Bereitstellen der Eigenschaften des Gehäuses und/oder der Leiterplattenanordnung erfolgt in einer besonders bevorzugten Ausführungsform durch ein optisches und/oder geometrisches Vermessen des Gehäuses und/oder der Leiterplattenanordnung und zusätzlich durch das Einlesen bereitgestellter Daten.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass der Spalt zwischen dem Objektivgehäuse und dem Gehäuse des optischen Sensors, in dem das Klebematerial angeordnet ist, umlaufend noch kleiner und noch homogener ausgebildet sein kann. Hierdurch entstehen umlaufend nur marginale Unterschiede zum Beispiel in der Dicke des Klebematerials.
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Die Erfindung geht weiterhin aus von einem optischen Sensor zur Erfassung einer Umgebung. Der optische Sensor umfasst ein Gehäuse; eine mit dem Gehäuse verbundene Leiterplattenanordnung; und ein Objektiv aufweisend ein Objektivgehäuse und wenigstens eine optische Linse. Hierbei ist das objektiv in das Gehäuse des optischen Sensors eingeführt. Und das objektiv ist mittels eines Klebematerials in einem Spalt zwischen dem Objektivgehäuse und dem Gehäuse des optischen Sensors fixiert. Erfindungsgemäß weist das Gehäuse eine verstemmbare oder verstemmte Verstemmgeometrie auf. Der optische Sensor ist insbesondere nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die verstemmbare oder verstemmte Verstemmgeometrie an einer zum Objektiv hin ausgerichteten Seite des Gehäuses, an einer zur Leiterplattenanordnung hin ausgerichteten Seite des Gehäuses oder in einem Mittelteil des Gehäuses angeordnet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass ein Verfahren zur Herstellung des optischen Sensors flexibel gestaltet werden kann. Je nachdem wie es für den Herstellungsprozess günstiger oder besser zu handhaben ist, kann die Verstemmgeometrie an entsprechender Stelle des Gehäuses angeordnet sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verstemmgeometrie als T-Profil, als L-Profil oder als LS-Profil ausgebildet ist. Insbesondere die verstemmbare Verstemmgeometrie ist als T-Profil, als L-Profil oder als LS-Profil ausgebildet. Nach dem Verstemmen können das Profil der verstemmten Verstemmgeometrie vom T-Profil, L-Profil oder LS-Profil abweichen. Derartige Profile ermöglichen ein einfaches und zugleich präzises Verstemmen der Verstemmgeometrie.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente. Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors mit einer Verstemmgeometrie;
- 2 Verstemmgeometrie beispielhaft als T-Profil;
- 3 Verstemmgeometrie beispielhaft als L-Profil;
- 4 Verstemmgeometrie beispielhaft als LS-Profil;
- 5 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines optischen Sensors;
- 6 Schritt des Verstemmens einer Verstemmgeometrie beispielhaft mit gleichmäßigem Druck;
- 7 eine Variante des Schritts des Verstemmens einer Verstemmgeometrie mit unterschiedlichem Druck;
- 8 eine weitere Variante des Schritts des Verstemmens einer Verstemmgeometrie mit unterschiedlichem Druck.
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1 zeigt beispielhaft ein Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors 100. Der optische Sensor 100 kann beispielsweise, wie hier gezeigt eine Kamera oder alternativ ein LIDAR-Sensors sein. Der optische Sensor umfasst ein Gehäuse 104, eine mit dem Gehäuse 104 verbundene Leiterplattenanordnung 105 und ein Objektiv 101, welches ein Objektivgehäuse 102 und wenigstens eine optische Linse 103 aufweist. Die Leiterplattenanordnung 105 weist im hier gezeigten Beispiel die Leiterplatte 106 und den optischen Empfänger 107 auf. Der optische Empfänger 107 kann insbesondere ein Bildsensor der Kamera 100 sein. Die Leiterplattenanordnung 105 ist im hier gezeigten Beispiel mittels der Schrauben 108 mit dem Gehäuse 104 verbunden. Alternativ können die Leiterplattenanordnung 105 und das Gehäuse 104 auch mittels einer Niet-, Klebe- oder Schweißverbindung miteinander verbunden sein. Das Objektiv 101 ist in das Gehäuse 104 des optischen Sensors 100 eingeführt. Das Objektiv 101 ist mittels eines Klebermaterials 109 in einem Spalt 110 zwischen dem Objektivgehäuse 102 und dem Gehäuse 104 des optischen Sensors 100 fixiert. Mit anderen Worten ist das Klebematerial 109 in einem Spalt 110 zwischen dem Objektivgehäuse 102 und dem Gehäuse 104 des optischen Sensors 100 angeordnet. Das Gehäuse 104 weist eine verstemmbare oder verstemmte Verstemmgeometrie 111 auf. Im hier gezeigten Beispiel ist die Verstemmgeometrie 111 an einer zum Objektiv 101 hin ausgerichteten Seite des Gehäuses 104 angeordnet. Alternativ kann die Verstemmgeometrie 111 auch an einer zur Leiterplattenanordnung hin ausgerichteten Seite des Gehäuses 104 oder in einem Mittelteil des Gehäuses 104 angeordnet sein.
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Die Verstemmgeometrie 111 kann unterschiedlich ausgebildet sein. So sind beispielsweise in den nachfolgenden Figuren beispielhaft gezeigten Profile möglich.
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In 2 ist ein Gehäuse 104 eines oben beispielhaft beschriebenen optischen Sensors 100 gezeigt, bei dem die Verstemmgeometrie 111 als T-Profil 201 ausgebildet ist. Der im linken Teil der 2 eingekreiste Bereich ist hierbei im rechten Teil der 2 vergrößert dargestellt.
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In 3 ist ein Gehäuse 104 eines oben beispielhaft beschriebenen optischen Sensors 100 gezeigt, bei dem die Verstemmgeometrie 111 als L-Profil 301 ausgebildet ist. Der im linken Teil der 3 eingekreiste Bereich ist hierbei im rechten Teil der 3 vergrößert dargestellt.
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In 4 ist ein Gehäuse 104 eines oben beispielhaft beschriebenen optischen Sensors 100 gezeigt, bei dem die Verstemmgeometrie 111 als LS-Profil 401 ausgebildet ist. Der im linken Teil der 4 eingekreiste Bereich ist hierbei im rechten Teil der 4 vergrößert dargestellt.
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In 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 500 zur Herstellung eines optischen Sensors gezeigt. Im Schritt 501 wird ein Objektiv aufweisend ein Objektivgehäuse und wenigstens eine optische Linse bereitgestellt. Im Schritt 502 wird ein Gehäuse des optischen Sensors bereitgestellt. Im Schritt 503 werden optische Eigenschaften des Objektivs ermittelt. Im Schritt 505 wird eine Verstemmgeometrie des Gehäuses des optischen Sensors mittels eines Stempels in Abhängigkeit der optischen Eigenschaften des Objektivs verstemmt. Im Schritt 506 wird eine Leiterplattenanordnung mit dem Gehäuse des optischen Sensors verbunden. Im Schritt 507 wird das Objektiv in das Gehäuse des optischen Sensors eingeführt. Und im Schritt 508 wird das Objektiv mittels eines Klebematerials in einem Spalt zwischen dem Objektivgehäuse und dem Gehäuse des optischen Sensors fixiert. Hierbei ist die Reihenfolge, in der die Schritte des Verfahrens angegeben wurden, nicht als feststehend aufzufassen. So kann zum Beipiel zunächst das Objektiv in das Gehäuse des optischen Sensors eingeführt werden (Schritt 507) und erst im Anschluss die Leiterplattenanordnung mit dem Gehäuse des optischen Sensors verbunden werden (Schritt 506). Schritt 508 kann in diesem Beispiel nach Schritt 506 durchgeführt werden, alternativ aber auch vor Schritt 506 folgen. Optional weist das Verfahren den weiteren Schritt 504 auf, in dem wenigstens eine Eigenschaft des Gehäuses des optischen Sensors und/oder von wenigstens eine Eigenschaft der Leiterplattenanordnung, insbesondere eine Eigenschaft eines auf der Leiterplattenanordnung angeordneten optischen Empfängers und/oder optischen Senders, bereitgestellt wird. Wird dieser Schritt 504 ausgeführt, erfolgt das Verstemmen 505 zusätzlich in Abhängigkeit der wenigstens einen bereitgestellten Eigenschaft.
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In den 6 bis 8 wird näher auf den Schritt 505 des Verstemmens der Verstemmgeometrie eingegangen. Der Schritt 505 kann ein Fixieren des Gehäuses 104 des herzustellenden optischen Sensors mittels eines Ambosses 606, 707 umfassen. Das Verstemmen kann unterschiedlich durchgeführt werden.
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So kann, wie beispielhaft in 6 gezeigt, das Verstemmen derart ablaufen, dass mittels eines Stempels 601 ein gleichmäßiger Druck 602 auf die Verstemmgeometrie 111 ausgeübt wird. Dieser gleichmäßige Druck 602 wird in diesem Beispiel durch den Stempel 601 realisiert, dessen Stempelfläche 605 beim Verstemmen 505 orthogonal zur optischen Ache 604 des optischen Sensors auf die Verstemmgeometrie 111 drückt. Der Stempel 601 drückt hierbei insbesondere entlang der Richtung 603.
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Alternativ kann, wie in 7 und 8 beispielhaft gezeigt, das Verstemmen derart ablaufen, dass mittels eines Stempels 701 unterschiedliche Drücke 702 und 703 auf verschiedene Bereiche der Verstemmgeometrie 111 ausgeübt werden. Diese unterschiedlichen Drücke 702 und 703 können hierbei insbesondere durch einen Stempel 701 realisiert werden, dessen Stempelfläche 705 beim Verstemmen in einem von 90° verschiedenen Winkel zur optischen Achse 704 des optischen Sensors auf die Verstemmgeometrie 111 drückt. Der Stempel 701 drückt hierbei insbesondere entlang der Richtung 706. Hierfür kann zum Beispiel wie in 7 gezeigt das Gehäuse 104 bzw. der das Gehäuse 104 fixierende Amboss 707 derart ausgerichtet sein, dass die optische Achse 704 orthogonal zu einer Ebene 708 ausgerichtet sein. Die Ebene kann bspw. durch eine Oberfläche einer Arbeitsplatte aufgespannt sein. In diesem Fall kann der Stempel 701 derart ausgerichtet sein, dass eine Mittelachse 709 des Stempels einen von 90° verschiedenen Winkel zur Ebene 708 aufweist. Alternativ kann wie in 8 gezeigt der Stempel 701 derart ausgerichtet sein, dass eine Mittelachse 709 des Stempels orthogonal zur Ebene 708 ausgerichtet ist. In diesem Fall kann das Gehäuse 104 bzw. der das Gehäuse 104 fixierende Amboss 707 derart ausgerichtet sein, dass die optische Achse 704 einen von 90° verschiedenen Winkel zur Ebene 708 aufweist. Dies kann beispielsweise durch eine keilförmige Auflage 801, auf der das Gehäuse 104 bzw. der das Gehäuse 104 fixierende Amboss 707 angeordnet ist, realisiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013212748 A1 [0002]
