EP1664882A1 - Optical module comprising a spacer element between the housing of a semiconductor element and a lens unit - Google Patents

Optical module comprising a spacer element between the housing of a semiconductor element and a lens unit

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EP1664882A1
EP1664882A1 EP04766799A EP04766799A EP1664882A1 EP 1664882 A1 EP1664882 A1 EP 1664882A1 EP 04766799 A EP04766799 A EP 04766799A EP 04766799 A EP04766799 A EP 04766799A EP 1664882 A1 EP1664882 A1 EP 1664882A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical module
semiconductor element
spacer
lens
lens unit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04766799A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Danut Timisoara Str. Martir Vasile Balmus BOGDAN
Josef Dirmeyer
Henryk Frenzel
Harald Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1664882A1 publication Critical patent/EP1664882A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02—OPTICS
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    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/02—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses
    • G02B7/021—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses for more than one lens
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
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    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14618—Containers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0203—Containers; Encapsulations, e.g. encapsulation of photodiodes
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L31/02325—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements not being integrated nor being directly associated with the device
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/50—Constructional details
    • H04N23/54—Mounting of pick-up tubes, electronic image sensors, deviation or focusing coils
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/50—Constructional details
    • H04N23/55—Optical parts specially adapted for electronic image sensors; Mounting thereof

Definitions

  • the invention relates to an optical module with a circuit carrier, a packaged semiconductor element arranged on the circuit carrier and a lens unit for processing electromagnetic radiation along an optical axis onto the semiconductor element, the packaged semiconductor element and the lens unit being formed in two pieces ,
  • the invention further relates to an optical system with an optical module designed in this way.
  • optical system with an optical module designed in this way. 15
  • Generic optical modules and systems are used in particular in automotive engineering.
  • the components sensor and optics have to be geometrically coordinated very precisely.
  • the tolerance range for the distance from camera chip to optics in z-Ac se is usually in the range of a few hundredths of a millimeter in order to achieve an optimally sharp image for a certain depth of field. This is particularly problematic for so-called fixed focus systems, since these may have little tolerance during manufacture.
  • An offset from the camera chip to the optics in the x or y axis has the additional consequence that the optical system may squint " ⁇ ", ie the image is cut off at one edge (horizontal or vertical) because of the offset there are no more pixels here and should be provided as a precaution.
  • the image has a blurring gradient in the horizontal or vertical direction. Besides it can result in a "rotation”, ie a rotation around the z-axis from the camera chip to the optics.
  • Cameras for specific low-cost applications such as automotive, industry, digital cameras, cell phones, toys, etc. should, however, be able to be produced from cost and aspects of quality assurance as far as possible without adjustment processes between the optics and the camera chip, i.e. without adjusting the focus on the optical surface of the CMOS - or CCD sensor. This is fundamentally contrary to the requirements mentioned.
  • One possibility of developing a focus-free system is to reduce the sum of the possible tolerances and elements, so that the module or system works, depending on the design, without vJustage at least in a certain distance and temperature range.
  • the present invention when using the invention, for example in the context of an occupant protection system of a motor vehicle, to which the present invention is not limited, it should be possible to guarantee sharp images at distances of, for example, 15 cm to 130 cm and at temperatures of, for example, -40 ° C. to + 105 ° C. , This is all the more realizable, the fewer elements are included in the tolerance chain.
  • the circuit carrier for the camera chip (currently eg CCD or CMOS) has a large share in the tolerance chain.
  • the necessary soldered and possibly adhesive connections or the like between the chip and the circuit carrier have a large proportion in the tolerance chain.
  • the lens holder itself which preferably consists of plastic, can be connected to the lens arrangement in various ways, so that an exact optical alignment of the lens arrangement and the semiconductor element with respect to the lens holder or the lens arrangement can always be ensured.
  • the invention has for its object to provide an optical module and an optical system with a semiconductor element arranged on a circuit carrier, in which possibly remaining tolerances can be compensated in such a way that reliable and simple optical quality without adjustment and in particular focusing effort can be made available and is maintained over the life of the module or system.
  • the invention is based on the generic optical module in that at least one spacer element, which is also referred to as a spacer, is arranged outside the optical axis between the housing of the semiconductor element and the lens unit. In this way, any remaining manufacturing tolerances between the semiconductor housing and the lens unit, for example due to tool-related Wear, or other differences within or between different production lots or manufacturer-specific types of construction or the like can be advantageously compensated for.
  • the spacer element is preferably designed as a film or washer, for example like a washer in the form of an annular washer.
  • Ring disks generally allow the formation of defined, e.g. planer, surfaces, with which a uniform support can be realized, which largely eliminates tilting of the components to one another in an advantageous manner.
  • the spacer element is preferably a stamped part. Particularly in the case of spacer elements with a very small thickness of a few tenths or hundredths of a millimeter, these can advantageously be punched out of a film.
  • the spacer element is designed to be adhesive at least on one side, preferably on both sides.
  • Such spacer elements can easily be made, for example, from a single-sided or double-sided adhesive tape or an adhesive film, preferably punched out.
  • the spacer element is preferably part of a set of elements which preferably comprises two or more spacer elements of differently predefined thickness dimensions or with a uniform basic dimension and each of these nominal dimensions expanded or reduced differently.
  • a typical set of elements would, for example, include elements with nominal size changes from +/- 0.005 mm or +/- 0.01 mm to +/- 0.03 mm or the like. In this way, any remaining tolerance clearances between the semiconductor housing and the lens unit can in principle be advantageously compensated for without great adjustment effort.
  • At least one spacer element according to the invention is preferably designed at the same time as a perforated diaphragm, stray light diaphragm or the like and can thus save on separate diaphragms etc.
  • the spacer element is suitably made from a plastic, for example from a thermoplastic.
  • the invention also consists in an optical system with an optical module of the type mentioned above. In this way, the advantages of the optical module also come into play in the context of an overall system.
  • the invention is based on the knowledge that any remaining manufacturing tolerances, in particular between packaged semiconductor chips and lens units of different series, can be compensated for simply and inexpensively by means of at least one specially designed spacer element.
  • This means that the optical module can be developed without moving parts such as threads or fixing screws, which leads to greater reliability. Due to the small tolerances of the structure, also in the x and y axes, the chip surface does not have to be unnecessarily large, which makes the camera chip cheaper.
  • the structure of such a module can be made very compact, which has the advantage that the camera module can also be used in applications where space is limited.
  • the invention can be used particularly useful in the implementation of video systems, possibly in combination with radar systems, ultrasound systems or the like in the field of motor vehicles.
  • FIG. 1 shows the arrangement of a spacer element according to the invention in a sectional view of an optical module according to the invention with a customer-specific, packaged semiconductor element
  • FIG. 2 shows an enlarged section X of the module according to FIG. 1 ;
  • Fig. 3 a spacer element used according to the invention in isolation /
  • FIG. 4 shows the arrangement of a distance element according to the invention in a sectional view of an optical module according to the invention with a semiconductor element which is housed as standard.
  • FIGS. 1 to 5 show in different sections and perspectives the arrangement of a spacer element 35 according to the invention in an optical module with a circuit carrier 10; a packaged semiconductor element 12 arranged on the circuit carrier 10 and a lens unit 14; 16, 18, 20; 21 for projecting electromagnetic radiation along an optical axis 33 onto the semiconductor element 12.
  • the lens unit 14; 16, 18, 20; 21 comprises a lens holder 14 and a lens arrangement 16, 18, 20; 21 with at least one lens 20 and possibly an aperture 21.
  • the semiconductor element 12 can be arranged in a standard housing (cf. FIG. 4 below) or in a customized SMD housing (cf. FIGS. 1 and 2).
  • the exemplary embodiment according to FIG. 1 is based on a customer-specific SMD housing 13.
  • a support 13a on which the lens unit 14; 16, 18, 20; 21 is arranged supported.
  • the support of the lens unit 14; 16, 18, 20; 21 takes place either via the lens 16, which is preferably designed in the manner of a support lens 16, or via the lens holder 14 (not shown).
  • support lens 16 or lens holder have, at least in sections, a surface section 16a which corresponds to the support 13a and which, for example, is flat and rests on the support 13a formed on the housing 13 of the semiconductor element 12.
  • the lens 16 or the lens holder has, at least in sections, a collar 16b, which essentially corresponds to a contact surface 13b formed on the support 13a is formed.
  • the support 13a is therefore preferably designed in the form of an annular collar 13a.
  • the system pool 13b of the ring collar 13a is preferably conical when viewed in the direction of the optical axis 33 of the module, so that a type of self-centering of adjacent components, in the present case of lens 16 and support 13a, is easier, not only for automated production.
  • the optical quality can be improved by a lens with a plurality of lenses, which is also possible within the scope of the present invention, in particular since it is possible to work with small tolerances.
  • fluctuations in the lens arrangement 16, 18, 20; 21 in the Z direction ie practically excluded in the direction in which the lenses follow one another.
  • the tolerances are only from the lens arrangement 16, 18, 20; 21 dependent.
  • the relative positions of the lenses to one another are determined by the geometry of the lenses 16, 18, 20 and, if appropriate, diaphragms 21 themselves.
  • the arrangement of the lenses can also be determined in the XY direction by the lenses themselves, in that contact surfaces of the lenses or diaphragms are designed accordingly.
  • the lenses 16, 18, 20 or diaphragms 21 held in the lens holder 14 are therefore preferably shaped such that they assume a defined position within the lens holder 14 relative to one another. Furthermore, at least one of the lenses 20 is designed such that it coincides with the lens holder 14. acts and thus also occupies a defined position with respect to the semiconductor element 12. In this way, all lenses 16, 18, 20 are adjusted with respect to the semiconductor element 12.
  • the lens holder 14 is connected to the circuit carrier 10, for example via a screw connection 23.
  • the packaged semiconductor element 12 is arranged on the circuit carrier 10 via lead frames 30.
  • an adhesive connection 22 or other known connection techniques can be provided.
  • the lens holder (not shown). Since the lenses determine their relative positions with one another, it is sufficient to fix exactly one lens or diaphragm with the lens holder. In this way, the entire lens arrangement is aligned with respect to the semiconductor element, as a result of which the advantageous optical quality can ultimately be ensured.
  • the exactly one lens is connected to the lens holder in a watertight and dustproof manner.
  • the foremost lens is advantageously selected as the lens which interacts with the lens holder for sealing. This can be done, for example, in such a way that the exactly one lens is connected to the lens holder by ultrasound, laser welding and / or adhesive methods, optionally alternatively or cumulatively using screws and / or putty.
  • the lens arrangement is snapped into the area holding the lenses via latching means 32 (cf. FIG. 4). This can also be an exact Positioning can be ensured. It should also be emphasized that this makes it easier to separate the lenses from the other components, in particular the expensive semiconductor element.
  • the sealing effect is provided in a particularly advantageous manner, in particular in connection with snap mounting, in that the lenses have a hard and a soft component, the soft component being arranged on the circumference of the lenses for sealing (not shown).
  • the soft component also supports the general requirement that care should be taken when snapping, no stresses in the lenses 16, 18, 20; 21 to introduce; Tensions would always have a negative impact on the optical properties.
  • the lens arrangement 16, 18, 20; 21 is held in the lens holder 14 via a holding element 15 (molded ring).
  • the holding element 15 preferably has a hard 15a and at least in sections a permanently elastic component 15b.
  • a permanently elastic component 15b which is preferably circumferentially formed, can also be used, in particular, to seal the lens arrangement 16, 18, 20; 21 serve against moisture and dirt - in addition to their own balancing function of any mechanical and / or thermal stresses that may occur.
  • the permanently elastic component 15b is preferably formed on the circumference adjacent to the lens 20.
  • the holding element 15 is arranged on the area 14 holding the lenses, for example ultrasonically or laser-welded, glued, riveted, molded or by means of another similarly easily automated connection method. Screw and snap connections are also conceivable.
  • the hard component 15a of the retaining ring 15 contains a thermal plastic material.
  • a permanently elastic component 15b which preferably contains thermoplastic elastomers (TPE) or silicone or the like, has proven itself.
  • the permanently elastic component 15b is preferably molded onto the hard component 15a, for example after a two-component injection molding process, or vice versa.
  • the module can be connected to a rigid circuit board via a flat cable or, in particular, if a flexible printed circuit board is used as the circuit carrier (the latter are also referred to as rigid-flex systems), in particular (for example by means of strap soldering) , In terms of angle and position, etc., this is a particularly flexible solution for connecting the circuit carrier 10 or the module to a controller or circuit board (not shown).
  • the spacer lies between the support 13a and the lens 16 or the lens holder 1.
  • FIG. 3 shows a spacer element 35 used according to the invention in isolation.
  • the spacer 35 is punched out of a film.
  • Disc-shaped spacer elements 35 are also conceivable, for example in FIG.
  • the spacer element 35 is preferably part of a set of elements a, b, c with at least two or more spacer elements 35a, 35b, 35c of uniformly predefined thickness basic dimensions and each of these nominally expanding or reducing nominal dimensions.
  • the element set a, b, c can comprise spacer elements 35 with nominal size changes from 4 - / - 0.005 mm or +/- 0.01 mm to +/- 0.03 mm or the like.
  • the spacer element 35 can preferably also be designed as a perforated diaphragm, a scattering diaphragm or the like, which, depending on the structure of the end, can advantageously advantageously reduce parts.
  • FIG. 4 shows the arrangement of a spacer element 35 according to the invention in a sectional view of an optical module according to the invention with a semiconductor element 12 housed as standard.
  • the spacer element or spacer 35 rests on a transparent glass cover 36, which in particular has the sensitive surface 34 of the semiconductor chip 12 Protects dust etc.
  • the spacer 35 can of course also be arranged directly on the chip housing 13.
  • any manufacturing tolerances e.g. supports 13a of a custom chip package 13 or inexpensive lens units 14; 16, 18, 20; 21 or the like in an advantageous manner by means of easily manageable spacer elements 35, which are preferably in the form of a set of elements a, b, c, ... for typical thickness dimensions for series of different manufacturing quality.
  • spacer elements 35 which are preferably in the form of a set of elements a, b, c, ... for typical thickness dimensions for series of different manufacturing quality.
  • the use of at least one compensating element 35 proposed according to the invention advantageously enables the construction of reliable camera modules, in which any mechanical focus adjustment can still be dispensed with.
  • the optical module can be installed without moving parts such as threads or fixing screws.
  • the chip surface 34 does not have to be unnecessarily large, which makes the camera chip cheaper.
  • the structure of such a module can be made relatively compact, which has the advantage that the camera module can also be used in applications where space is limited. Furthermore, the structure described offers the possibility of designing a hermetically sealed module that is well protected against environmental influences such as moisture or dust.

Abstract

The invention relates to an optical module comprising a circuit carrier (10), a housed semiconductor element (12) that is arranged on the circuit carrier (10), and a lens unit (14; 16, 18, 20; 21) for projecting electromagnetic radiation along an optical axis (33) towards the semiconductor element (12), the housed semiconductor element (12) and the lens unit (14; 16, 18, 20; 21) being embodied as two components. According to the invention, at least one spacer element (35) is arranged outside the optical axis (33), between the housing (13) of the semiconductor element (12) and the lens unit (14; 16, 18, 20; 21). Due to the addition of a low-cost spacer element (35), the invention enables the simple compensation of possible remaining work tolerances, for example between client-specific semiconductor housings (13) and lens units (14; 16, 18, 20; 21) selected from lines of products of different production quality. While tolerance-exceeding lines of products have not had any use until now as rejects, reliable camera modules can advantageously be assembled using a compensation element (35) according to the invention, and in principle, any mechanical adjustment of the focal point can also be dispensed with. Such camera modules can especially be applied inside a motor vehicle or to the outside of the same.

Description

Beschreibung description
OPTISCHES MODUL MIT DISTANZELEMENT ZWISCHEN DEM GEHÄUSE EINES HALBLEITERELEMENTS UND EINER LINSENEINHEITOPTICAL MODULE WITH DISTANCE ELEMENT BETWEEN THE HOUSING OF A SEMICONDUCTOR ELEMENT AND A LENS UNIT
5 Die Erfindung betrifft ein optisches Modul mit einem Schaltungsträger, einem auf dem Schaltungsträger angeordneten ge- häusten Halbleiterelement und einer Linseneinheit zum Pro i- zieren von elektromagnetischer Strahlung entlang einer optischen Achse auf das Halbleiterelement, wobei das gehäuste 10 Halbleiterelement und die Linseneinheit zweistückig ausgebildet sind.The invention relates to an optical module with a circuit carrier, a packaged semiconductor element arranged on the circuit carrier and a lens unit for processing electromagnetic radiation along an optical axis onto the semiconductor element, the packaged semiconductor element and the lens unit being formed in two pieces ,
Die Erfindung betrifft weiterhin ein optisches System mit einem derartig ausgebildeten optischen Modul . 15 Gattungsgemäße optische Module und Systeme kommen insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik zum Einsatz .The invention further relates to an optical system with an optical module designed in this way. 15 Generic optical modules and systems are used in particular in automotive engineering.
Dabei kann mit elektromagnetischer Strahlung aus verschiede- 20 nen Frequenzbereichen gearbeitet werden, wobei kumulativ zum sichtbaren Licht, mit welchem typischerweise Anwendungen im Außenraum eines Kraftfahrzeuges wie Lane Departure Warning (LDW) , Blind Spot Detection (BSD) oder Rear View Cameras arbeiten, insbesondere die für Menschen unsichtbare Infrarot- 25 Strahlung bei Anwendungen im Innenraum eines Kraftf hrzeuges wie Out of Position Detection (OOP) oder bei zusätzlichen Außenbeleuchtungen eines Night Vision Systems bevorzugt wird.It is possible to work with electromagnetic radiation from different frequency ranges, with cumulative to the visible light with which typically applications in the exterior of a motor vehicle such as lane departure warning (LDW), blind spot detection (BSD) or rear view cameras work, in particular those infrared radiation that is invisible to humans is preferred for applications in the interior of a motor vehicle such as out of position detection (OOP) or for additional exterior lighting of a night vision system.
Bei Anwendungen im Innen- oder Außenbereich eines Fahrzeugs 30 bestehen hohe Anforderungen aufgrund von äußeren Einflüssen wie Temperatur, Feuchtigkeit, Verschmutzung und Vibration. Die typische Lebensdauer für Systeme im Fahrzeug liegt bei 10 bis 15 Jahren, wobei nur extrem geringe Ausfallraten tole- riert werden, so dass auch die Komponenten eines optischen Systems der eingangs genannten Art eine nur sehr langsame Alterung zeigen dürfen.For applications in the interior or exterior of a vehicle 30, there are high requirements due to external influences such as temperature, moisture, pollution and vibration. The typical lifespan for systems in the vehicle is 10 to 15 years, with only extremely low failure rates be so that the components of an optical system of the type mentioned at the outset are only allowed to show very slow aging.
Da in vielen Fällen der Einbauraum von optischen Modulen bzw. optischen Systemen sehr begrenzt ist, existieren zusätzliche Schwierigkeiten bei der Realisierung der optischen Systeme. Mit herkömmlichen Mitteln ist es daher extrem schwierig, eine hermetisch abgedichtete zuverlässige Einheit aus einem Ka e- rachip (CCD- oder CMOS-Sensor) und einer Optik aufzubauen.Since the installation space of optical modules or optical systems is very limited in many cases, there are additional difficulties in realizing the optical systems. With conventional means, it is extremely difficult to build a hermetically sealed, reliable unit from a Ka-chip (CCD or CMOS sensor) and optics.
Um für ein Kamerasystem, bestehend aus einem Bildsensor (derzeit CCD oder CMOS) und einem Linsensystem ausreichende Bildschärfe zu erreichen, müssen die Komponenten Sensor und Optik geometrisch sehr genau aufeinander abgestimmt werden. Der Toleranzbereich für den Abstand von Kamerachip zur Optik in z- Ac se liegt üblicherweise im Bereich von wenigen hundertstel Millimetern, um für einen bestimmten Tiefenschärfebereich ein optimal scharfes Bild zu erreichen. Dies ist vor allem für so genannte Fixfokussysteme problematisch, da diese bei der Fertigung allenfalls gering Toleranz behaftet sein dürfen. Ein Versatz von Kamerachip zur Optik in x- bzw. y-Achse hat zusätzlich zur Folge, dass das optische System unter Umständen Λλschielt", d.h. an jeweils einer Kante (horizontal oder ver- tikal) das Bild abgeschnitten wird, da durch den Versatz hier keine Pixel mehr vorhanden sind und vorsorglich bereitgestellt werden müssten.In order to achieve sufficient image sharpness for a camera system consisting of an image sensor (currently CCD or CMOS) and a lens system, the components sensor and optics have to be geometrically coordinated very precisely. The tolerance range for the distance from camera chip to optics in z-Ac se is usually in the range of a few hundredths of a millimeter in order to achieve an optimally sharp image for a certain depth of field. This is particularly problematic for so-called fixed focus systems, since these may have little tolerance during manufacture. An offset from the camera chip to the optics in the x or y axis has the additional consequence that the optical system may squint " λλ ", ie the image is cut off at one edge (horizontal or vertical) because of the offset there are no more pixels here and should be provided as a precaution.
Ein weiteres Problem stellt der sog. "Tut" dar, d.h. eine Verkippung des Kamerachips um die x- bzw. y-Achse, was zuAnother problem is the so-called "doing", i.e. a tilt of the camera chip around the x or y axis, which leads to
Folge hat, dass das Bild einen Unscharfegradienten in horizontaler bzw. vertikaler Richtung aufweist. Daneben kann es noch eine "Rotation" ergeben, d.h. eine Verdrehung um die z- Achse von Kamerachip zur Optik.As a result, the image has a blurring gradient in the horizontal or vertical direction. Besides it can result in a "rotation", ie a rotation around the z-axis from the camera chip to the optics.
Nahezu alle bisher auf den Markt befindlichen Kamerasysteme, die mit einer festen Fokuseinstellung ausgeliefert werden, benötigen während der Fertigung einen zusätzlichen Abglei- chungsschritt, bei welchem der Abstand von Kamerachip zur Optik entlang der z-Achse eingestellt und auf diesem Wert fixiert wird. Dies geschieht beispielsweise durch ein Gewinde und eine entsprechende Feststellschraube oder eine Klebeverbindung. Auch für den , x-y-Versatz kann ein Abgleichsschritt notwenig sein oder, wenn dieser nicht erfolgt, ein entsprechend größerer Sensor vorgesehen werden, der die Toleranzen durch ein Mehr an Pixel ausgleicht. Es ist auch bekannt, die ""Rotation" per Software herauszurechnen bzw. zu kalibrieren. Da ansonsten scharfe Bildinformation vorliegen, müssen die Pixel nur in einer Art "Eichvorgang" neu zugewiesen werden. Allerdings können an den Rändern bzw. Ecken gerade keine Informationen mehr vorliegen, weil diese abgeschnitten sind. Eine rein mechanische Reduzierung schließlich von "Tilt" und ""Rotation" zwischen Chip und Optik lässt sich bei üblichen Systemen in der Regel nur durch hochpräzise Fertigung und Montage bzw. durch einen Abgleich der Komponenten erreichen.Almost all camera systems previously on the market that are supplied with a fixed focus setting require an additional adjustment step during production, in which the distance from the camera chip to the optics is set along the z-axis and fixed at this value. This is done, for example, by means of a thread and a corresponding locking screw or an adhesive connection. An adjustment step may also be necessary for the x-y offset or, if this does not take place, a correspondingly larger sensor can be provided which compensates for the tolerances by adding more pixels. It is also known to use software to calculate or calibrate the “rotation.” Since otherwise sharp image information is available, the pixels only have to be reassigned in a type of “calibration process.” However, no information can be found at the edges or corners Finally, a purely mechanical reduction of "tilt" and "" rotation "between the chip and the optics can usually only be achieved in conventional systems by high-precision production and assembly or by comparing the components.
Kameras für spezifische Low Cost Anwendungen wie z.B. Automotive, Industrie, Digitalkamera, Handy, Spielzeug etc., sollen jedoch aus Kosten- und Aspekten der Qualitätssicherung möglichst ohne Justagevorgänge zwischen Optik und Kamerachip herstellbar sein, also ohne Einstellungen des Focus auf die optische Fläche des CMOS- oder CCD-Sensors. Dies steht den genannten Anforderungen grundsätzlich entgegen. Eine Möglichkeit ein fokusfreies System zu entwickeln ist die Summen der möglichen Toleranzen und Elemente zu verkleinern, so dass das Modul bzw. System designbedingt ohne vJustage zumindest in einem bestimmten Entfernungs- und Temperaturbe- reich funktioniert. Bei Verwendung der Erfindung beispielsweise im Rahmen eines Insassenschutzsystems eines Kraftfahrzeuges, auf welches die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, sollten scharfe Bilder bei Entfernungen von z.B. 15 cm bis 130 cm sowie bei Temperaturen von z.B. - 40°C bis + 105 °C gewährleistbar sein. Dies ist um so eher realisierbar, je weniger Elemente in die Toleranzkette mit eingehen. Einen großen Anteil in der Toleranzkette besitzt der Schaltungsträger für den Kamerachip (derzeit z.B. CCD oder CMOS). Bei gehäusten Halbleiterelementen besitzen insb. die notwendigen Löt- und ggf. Klebeverbindungen oder dergleichen zwischen Chip und Schaltungsträger einen großen Anteil in der Toleranzkette .Cameras for specific low-cost applications such as automotive, industry, digital cameras, cell phones, toys, etc. should, however, be able to be produced from cost and aspects of quality assurance as far as possible without adjustment processes between the optics and the camera chip, i.e. without adjusting the focus on the optical surface of the CMOS - or CCD sensor. This is fundamentally contrary to the requirements mentioned. One possibility of developing a focus-free system is to reduce the sum of the possible tolerances and elements, so that the module or system works, depending on the design, without vJustage at least in a certain distance and temperature range. When using the invention, for example in the context of an occupant protection system of a motor vehicle, to which the present invention is not limited, it should be possible to guarantee sharp images at distances of, for example, 15 cm to 130 cm and at temperatures of, for example, -40 ° C. to + 105 ° C. , This is all the more realizable, the fewer elements are included in the tolerance chain. The circuit carrier for the camera chip (currently eg CCD or CMOS) has a large share in the tolerance chain. In the case of packaged semiconductor elements, the necessary soldered and possibly adhesive connections or the like between the chip and the circuit carrier have a large proportion in the tolerance chain.
Bei Verwendung von nur einer Linse wird vermieden, dass zu- sätzliche optische Toleranzen durch einen komplizierten Linsenaufbau bewirkt werden. Der, vorzugsweise aus Kunststoff bestehende, Linsenhalter selbst kann in verschiedener Weise mit der Linsenanordnung verbunden werden, so dass stets eine exakte optische Ausrichtung der Linsenanordnung und des Halb- leiterelementes in Bezug auf den Linsenhalter beziehungsweise die Linsenanordnung sichergestellt werden kann.When using only one lens, it is avoided that additional optical tolerances are caused by a complicated lens structure. The lens holder itself, which preferably consists of plastic, can be connected to the lens arrangement in various ways, so that an exact optical alignment of the lens arrangement and the semiconductor element with respect to the lens holder or the lens arrangement can always be ensured.
Dennoch ist bei Systemen, die weitgehend einen klassischen Aufbau aus Objektiv und Kamerachip aufweisen, wobei der Kame- rachip bzw. das Halbleiterelement in einem Gehäuse auf einem geeigneten Schaltungsträger aufgebracht ist, es schwierig, die genannten Probleme in ihrer Gesamtschau zu umgehen und gleichzeitig die genannten Qualitätsanforderungen zu erfül- len. Zwar sind bei gehäusten Halbleiterchips nur besondere Maßnahmen gegen Fremdlichtstrahlung oder anderer Umwelteinflüsse von vorne zu ergreifen, da das Chipgehäuse einen ausreichenden Schutz von hinten z.B. für das für IR-Strahlung durchlässige Silizium bietet. Das Objektiv selbst muss jedoch zum Kamerachip justiert sein und eine definierte Fokussierung aufweisen. Dies erfolgt gegenwärtig durch toleranzbehaftete Feststellmöglichkeiten, beispielsweise durch eine Verschrau- bung, Verklebung oder dergleichen, mittels welcher das Objek- tiv relativ zum Kamerachip am Schaltungsträger fixiert wird.Nevertheless, in systems which largely have a classic lens and camera chip structure, with the camera chip or the semiconductor element being mounted in a housing on a suitable circuit carrier, it is difficult to avoid the problems mentioned in their entirety and at the same time to avoid the problems mentioned Quality requirements to be met len. In the case of packaged semiconductor chips, only special measures are to be taken against external light radiation or other environmental influences from the front, since the chip housing offers sufficient protection from behind, for example for the silicon which is transparent to IR radiation. However, the lens itself must be adjusted to the camera chip and have a defined focus. This is currently done by means of tolerance-related fixing options, for example by screwing, gluing or the like, by means of which the lens is fixed on the circuit carrier relative to the camera chip.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Modul und ein optisches System mit einem auf einen Schaltungsträger angeordneten gehäusten Halbleiterelement zur Verfügung zu stellen, bei dem möglicherweise verbleibende Toleranzen derart ausgleichbar sind, dass bei einfacher und kostengünstiger Montage eine zuverlässige optische Qualität ohne Justier- und insbesondere Fokussieraufwand zur Verfügung gestellt werden kann und über die Lebensdauer des Moduls bzw. Systems gehal- ten wird.The invention has for its object to provide an optical module and an optical system with a semiconductor element arranged on a circuit carrier, in which possibly remaining tolerances can be compensated in such a way that reliable and simple optical quality without adjustment and in particular focusing effort can be made available and is maintained over the life of the module or system.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche einzeln oder in Kombination miteinander einsetz- bar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved with the features of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention, which can be used individually or in combination with one another, are specified in the dependent claims.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen optischen Modul dadurch auf, dass außerhalb der optischen Achse zwischen dem Gehäuse des Halbleiterelements und der Linseneinheit wenigs- tens ein, Distanzelement angeordnet ist, welches auch als Spacer bezeichnet wird. Auf diese Weise können etwaig verbleibende Fertigungstoleranzen zwischen Halbleitergehäuse und Linseneinheit, beispielsweise aufgrund werkzeugbedingter Abnutzungen, oder sonstiger Unterschiede innerhalb eines oder zwischen verschiedener Fertigungslosen oder herstellerspezifischen Bautypen oder dergleichen vorteilhaft ausgeglichen werden .The invention is based on the generic optical module in that at least one spacer element, which is also referred to as a spacer, is arranged outside the optical axis between the housing of the semiconductor element and the lens unit. In this way, any remaining manufacturing tolerances between the semiconductor housing and the lens unit, for example due to tool-related Wear, or other differences within or between different production lots or manufacturer-specific types of construction or the like can be advantageously compensated for.
Vorzugsweise ist das Distanzelement als Folie oder Scheibe, beispielsweise gleich einer Unterlegscheibe in Gestalt einer Ringscheibe ausgebildet. Ringscheiben erlauben gemeinhin die Ausbildung definierter, z.B. planer, Flächen, womit eine gleichmäßige Auflage realisierbar ist, welche ein Verkippen der Komponenten zueinander in vorteilhafter Weise weitgehend eliminiert.The spacer element is preferably designed as a film or washer, for example like a washer in the form of an annular washer. Ring disks generally allow the formation of defined, e.g. planer, surfaces, with which a uniform support can be realized, which largely eliminates tilting of the components to one another in an advantageous manner.
Zwecks Realisierung einer einfachen industriellen Fertigung ist das Distanzelement bevorzugt ein Stanzteil. Insbesondere bei Distanzelemente mit sehr geringer Dicke von einigen zehntel oder hundertstel Millimetern lassen sich diese vorteilhaft aus einer Folie stanzen.For the purpose of realizing simple industrial production, the spacer element is preferably a stamped part. Particularly in the case of spacer elements with a very small thickness of a few tenths or hundredths of a millimeter, these can advantageously be punched out of a film.
Zwecks erleichterter Fixierung der Distanzelemente an den benachbarten Bauteilen und/oder untereinander ist das Distanzelement wenigstens einseitig, vorzugsweise beidseitig, klebend ausgebildet. Derartige Distanzelemente können einfach beispielsweise aus einem einseitig oder beidseitig klebenden Klebeband oder einer Klebefolie gefertigt, vorzugsweise ausgestanzt, werden.To facilitate fixing of the spacer elements to the adjacent components and / or to one another, the spacer element is designed to be adhesive at least on one side, preferably on both sides. Such spacer elements can easily be made, for example, from a single-sided or double-sided adhesive tape or an adhesive film, preferably punched out.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist das Distanzelement Teil eines Elementesatzes, welcher vorzugsweise zwei oder mehr Distanz- elemente unterschiedlich vordefinierter Dickenmaße bzw. mit einem einheitlichen Dickengrundmaß und dieses jeweils unterschiedlich erweiterten bzw. verminderten Nennmaßen umfasst. Ein typischer Elementesatz würde beispielsweise Distanzele- mente mit Nennmaßänderungen ab +/- 0,005 mm oder +/- 0,01 mm bis +/- 0,03 mm oder dergleichen umfassen. Auf diese Weise können etwaig verbleibende Toleranzspiele zwischen Halbleitergehäuse und Linseneinheit prinzipiell ohne großen Justage- aufwand vorteilhaft ausgeglichen werden.According to the invention, the spacer element is preferably part of a set of elements which preferably comprises two or more spacer elements of differently predefined thickness dimensions or with a uniform basic dimension and each of these nominal dimensions expanded or reduced differently. A typical set of elements would, for example, include elements with nominal size changes from +/- 0.005 mm or +/- 0.01 mm to +/- 0.03 mm or the like. In this way, any remaining tolerance clearances between the semiconductor housing and the lens unit can in principle be advantageously compensated for without great adjustment effort.
Zur Verbesserung der optischen Eigenschaf en des Moduls ist wenigstens ein Distanzelement erfindungsgemäß bevorzugt zugleich als Lochblende, Streulichtblende oder dergleichen ausgebildet und kann so gesonderte Blenden etc. einsparen helfen.In order to improve the optical properties of the module, at least one spacer element according to the invention is preferably designed at the same time as a perforated diaphragm, stray light diaphragm or the like and can thus save on separate diaphragms etc.
Geeigneter Weise ist das Distanzelement aus einem Kunststoff, beispielsweise aus einem Thermoplasten, gefertigt.The spacer element is suitably made from a plastic, for example from a thermoplastic.
Die Erfindung besteht weiterhin in einem optischen System mit einem optischen Modul der vorstehend genannten Art. Auf diese Weise kommen die Vorteile des optischen Moduls auch im Rahmen eines Gesamtsystems zur Geltung.The invention also consists in an optical system with an optical module of the type mentioned above. In this way, the advantages of the optical module also come into play in the context of an overall system.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass etwaig verbleibende Fertigungstoleranzen, insbesondere zwischen gehäusten Halbleiterchips und Linseneinheiten verschiedener Baureihen, einfach und preiswert mittels wenigstens einem speziell ausgebildeten Distanzelement ausgleichen lassen. Damit kann das optische Modul ohne bewegte Teile wie Gewinde oder Fixierschrauben entwickelt werden, was zu einer höheren Zuverlässigkeit führt. Durch die geringen Toleranzen des Aufbaus auch in x- und y-Achse muss die Chipoberfläche nicht un- nötig groß sein, was den Kamerachip billiger macht. Der Aufbau eines solchen Moduls lässt sich sehr kompakt gestalten was den Vorteil hat, dass sich das Kameramodul auch in Anwendungen bei begrenzten Platzverhältnissen einsetzen lässt. Die Erfindung lässt sich besonders nützlich bei der Realisierung von Videosystemen, ggf. in Kombination mit Radarsystemen, Ultraschallsystemen oder dergleichen im Kraftf hrzeugbe- reich verwenden .The invention is based on the knowledge that any remaining manufacturing tolerances, in particular between packaged semiconductor chips and lens units of different series, can be compensated for simply and inexpensively by means of at least one specially designed spacer element. This means that the optical module can be developed without moving parts such as threads or fixing screws, which leads to greater reliability. Due to the small tolerances of the structure, also in the x and y axes, the chip surface does not have to be unnecessarily large, which makes the camera chip cheaper. The structure of such a module can be made very compact, which has the advantage that the camera module can also be used in applications where space is limited. The invention can be used particularly useful in the implementation of video systems, possibly in combination with radar systems, ultrasound systems or the like in the field of motor vehicles.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert .The invention will now be explained by way of example with reference to the accompanying drawings using preferred embodiments.
Es zeigen schematisch:They show schematically:
Fig. 1 die Anordnung eines erfindungsgemäßen Distanzelements in einer Schnittansicht eines erfindungsgemä- ßen optischen Moduls mit einem kundenspezifisch ausgebildeten gehäusten Halbleiterelement;1 shows the arrangement of a spacer element according to the invention in a sectional view of an optical module according to the invention with a customer-specific, packaged semiconductor element;
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt X des Moduls nach Fig . 1 ;2 shows an enlarged section X of the module according to FIG. 1 ;
Fig. 3 ein erfindungsgemäß verwendetes Distanzelement in Alleinstellung/ undFig. 3 a spacer element used according to the invention in isolation / and
Fig. 4 die Anordnung eines erfindungsgemäßen Distanzele- ents in einer Schnittansieht eines erfindungsgemäßen optischen Moduls mit einem standardgemäß gehäusten Halbleiterelement.4 shows the arrangement of a distance element according to the invention in a sectional view of an optical module according to the invention with a semiconductor element which is housed as standard.
Bei der nach olgenden Beschreibung der bevorzugten Ausfüh- rungsformen der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. Figuren 1 bis 5 zeigen in unterschiedlichen Ausschnitten und Perspektiven die Anordnung eines erfindungsgemäßen Distanzelements 35 in einem optischen Modul mit einem Schaltungsträ- ger 10; einem auf dem Schaltungsträger 10 angeordneten gehäusten Halbleiterelement 12 und einer Linseneinheit 14; 16, 18, 20; 21 zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung entlang einer optischen Achse 33 auf das Halbleiterelement 12. Die zum gehäusten Halbleiterelement 12 separat ausgebil- dete Linseneinheit 14; 16, 18, 20; 21 umfasst einen Linsenhalter 14 und eine Linsenanordnung 16, 18, 20; 21 mit mindestens einer Linse 20 und ggf. einer Blende 21.In the following description of the preferred embodiments of the present invention, the same reference numerals designate the same or comparable components. FIGS. 1 to 5 show in different sections and perspectives the arrangement of a spacer element 35 according to the invention in an optical module with a circuit carrier 10; a packaged semiconductor element 12 arranged on the circuit carrier 10 and a lens unit 14; 16, 18, 20; 21 for projecting electromagnetic radiation along an optical axis 33 onto the semiconductor element 12. The lens unit 14; 16, 18, 20; 21 comprises a lens holder 14 and a lens arrangement 16, 18, 20; 21 with at least one lens 20 and possibly an aperture 21.
Das Halbleiterelement 12 kann in einem Standardgehäuse (vgl . dazu unten Fig. 4) oder in einem kundenspezifisch angepassten SMD-Gehäuse (vgl. Fig. 1 und 2) angeordnet sein.The semiconductor element 12 can be arranged in a standard housing (cf. FIG. 4 below) or in a customized SMD housing (cf. FIGS. 1 and 2).
Dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 liegt ein kundenspezifisches SMD-Gehäuse 13 zugrunde. An diesem 13 ist beispielswei- se wenigstens abschnittsweise eine Abstützung 13a ausgebildet, auf welcher die Linseneinheit 14; 16, 18, 20; 21 abgestützt angeordnet ist. Die Abstützung der Linseneinheit 14; 16, 18, 20; 21 erfolgt entweder über die Linse 16, welche bevorzugt in Art einer Stützlinse 16 ausgebildet ist, oder über den Linsenhalter 14 (nicht dargestellt) . Stützlinse 16 bzw. Linsenhalter weisen diesbezüglich wenigstens abschnittsweise einen zur Abstützung 13a korrespondierend ausgebildeten Flächenabschnitt 16a auf, welcher beispielsweise plan ausgebildet ist und auf der am Gehäuse 13 des Halbleiterelements 12 ausgebildeten Abstützung 13a aufliegt. Zudem weist die Linse 16 bzw. der Linsenhalter wenigstens abschnittsweise einen Kragen 16b auf, welcher zu einer an der Abstützung 13a ausgebildeten Anlagefläche 13b im Wesentlichen korrespondierend gebildet ist. Die Abstützung 13a ist daher vorzugsweise in Gestalt eines Ringkragens 13a ausgebildet. Die Anlage lache 13b des Ringkragens 13a ist in Richtung der optischen Achse 33 des Moduls betrachtet bevorzugt konisch ausgebildet, so dass nicht nur für automatisierte Fertigungen vorteilhaft eine Art SelbstZentrierung benachbarter Komponenten, vorliegend von Linse 16 und Abstützung 13a, leichter ermöglicht ist.The exemplary embodiment according to FIG. 1 is based on a customer-specific SMD housing 13. A support 13a, on which the lens unit 14; 16, 18, 20; 21 is arranged supported. The support of the lens unit 14; 16, 18, 20; 21 takes place either via the lens 16, which is preferably designed in the manner of a support lens 16, or via the lens holder 14 (not shown). In this regard, support lens 16 or lens holder have, at least in sections, a surface section 16a which corresponds to the support 13a and which, for example, is flat and rests on the support 13a formed on the housing 13 of the semiconductor element 12. In addition, the lens 16 or the lens holder has, at least in sections, a collar 16b, which essentially corresponds to a contact surface 13b formed on the support 13a is formed. The support 13a is therefore preferably designed in the form of an annular collar 13a. The system pool 13b of the ring collar 13a is preferably conical when viewed in the direction of the optical axis 33 of the module, so that a type of self-centering of adjacent components, in the present case of lens 16 and support 13a, is easier, not only for automated production.
Vorzugsweise ist eine Linsenanordnung 14; 16, 18, 20; 21 mit mehreren Linsen 16, 18, 20 und ggf. wenigstens einer Blende 21 in Form eines Pakets vorgesehen. Die optische Qualität kann durch ein Objektiv mit mehreren Linsen verbessert werden, was auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich ist, insbesondere da mit geringen Toleranzen gearbeitet wer- den kann. In diesem Zusammenhang ist es auch besonders vorteilhaft, dass die Linsen 16, 18, 20 und ggf. die Blende 21 in direktem Kontakt zueinander stehen. Hierdurch werden Schwankungen der Linsenanordnung 16, 18, 20; 21 in Z-Rich- tung, das heißt in der Richtung, in der die Linsen aufeinan- der folgen, praktisch ausgeschlossen. Die Toleranzen sind nur noch von der Linsenanordnung 16, 18, 20; 21 selbst abhängig. Ebenso ist es besonders nützlich, dass die relativen Positionen der Linsen zueinander durch die Geometrie der Linsen 16, 18, 20 und ggf. Blenden 21 selbst bestimmt sind. Auch in XY- Richtung kann die Anordnung der Linsen durch die Linsen selbst bestimmt werden, indem nämlich Anlageflächen der Linsen bzw. Blenden entsprechend ausgestaltet sind.A lens arrangement 14; 16, 18, 20; 21 with a plurality of lenses 16, 18, 20 and possibly at least one diaphragm 21 in the form of a package. The optical quality can be improved by a lens with a plurality of lenses, which is also possible within the scope of the present invention, in particular since it is possible to work with small tolerances. In this context, it is also particularly advantageous that the lenses 16, 18, 20 and possibly the diaphragm 21 are in direct contact with one another. As a result, fluctuations in the lens arrangement 16, 18, 20; 21 in the Z direction, ie practically excluded in the direction in which the lenses follow one another. The tolerances are only from the lens arrangement 16, 18, 20; 21 dependent. It is also particularly useful that the relative positions of the lenses to one another are determined by the geometry of the lenses 16, 18, 20 and, if appropriate, diaphragms 21 themselves. The arrangement of the lenses can also be determined in the XY direction by the lenses themselves, in that contact surfaces of the lenses or diaphragms are designed accordingly.
Die im Linsenhalter 14 gehalterten Linsen 16, 18, 20 bzw. Blenden 21 sind vorzugsweise also so geformt, dass sie relativ zueinander eine definierte Lage innerhalb des Linsenhalters 14 annehmen. Weiterhin ist mindestens eine der Linsen 20 so ausgestaltet, dass sie mit dem Linsenhalter 14 zusammen- wirkt und so auch eine definierte Lage bezüglich des Halbleiterelements 12 einnimmt. Auf diese Weise sind alle Linsen 16, 18, 20 bezüglich des Halbleiterelementes 12 justiert.The lenses 16, 18, 20 or diaphragms 21 held in the lens holder 14 are therefore preferably shaped such that they assume a defined position within the lens holder 14 relative to one another. Furthermore, at least one of the lenses 20 is designed such that it coincides with the lens holder 14. acts and thus also occupies a defined position with respect to the semiconductor element 12. In this way, all lenses 16, 18, 20 are adjusted with respect to the semiconductor element 12.
Diese Justierung wird auch nicht dadurch in Frage gestellt, dass der Linsenhalter 14 beispielsweise über eine Schraubverbindung 23 mit dem Schaltungsträger 10 verbunden ist. Auf dem Schaltungsträger 10 ist über Leadframes 30 das gehäuste Halbleiterelement 12 angeordnet. Zusätzlich können eine Klebever- bindung 22 oder andere bekannte Verbindungstechniken vorgesehen sein.This adjustment is also not called into question by the fact that the lens holder 14 is connected to the circuit carrier 10, for example via a screw connection 23. The packaged semiconductor element 12 is arranged on the circuit carrier 10 via lead frames 30. In addition, an adhesive connection 22 or other known connection techniques can be provided.
Besonders nützlich ist es, dass genau eine der Linsen bzw. Blenden mit dem Linsenhalter in direktem Kontakt stehen (nicht dargestellt) . Da die Linsen untereinander ihre relativen Positionen festlegen, reicht es aus, genau eine Linse bzw. Blende mit dem Linsenhalter zu fixieren. Auf diese Weise wird die gesamte Linsenanordnung in Bezug auf das Halbleiterelement ausgerichtet, wodurch letztlich die vorteilhafte op- tische Qualität sichergestellt werden kann. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, dass die genau eine Linse wasserdicht und staubdicht mit dem Linsenhalter verbunden ist. Vorteilhafterweise wird die vorderste Linse hierfür als diejenige Linse ausgewählt, die mit dem Linsenhalter zur Abdichtung zusammenwirkt. Dies kann beispielsweise so erfolgen, dass die genau eine Linse durch Ultraschall-, Laserschweiß- und/oder Klebeverfahren mit dem Linsenhalter verbunden ist, ggf. alternativ oder kumulativ unter Verwendung von Schrauben und/oder Kitt.It is particularly useful that exactly one of the lenses or diaphragms is in direct contact with the lens holder (not shown). Since the lenses determine their relative positions with one another, it is sufficient to fix exactly one lens or diaphragm with the lens holder. In this way, the entire lens arrangement is aligned with respect to the semiconductor element, as a result of which the advantageous optical quality can ultimately be ensured. In this context, it is particularly advantageous that the exactly one lens is connected to the lens holder in a watertight and dustproof manner. For this purpose, the foremost lens is advantageously selected as the lens which interacts with the lens holder for sealing. This can be done, for example, in such a way that the exactly one lens is connected to the lens holder by ultrasound, laser welding and / or adhesive methods, optionally alternatively or cumulatively using screws and / or putty.
Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Linsenanordnung in den die Linsen halternden Bereich über Rastmittel 32 eingeschnappt ist (vgl. Fig. 4) . Auch hierdurch kann eine exakte Positionierung sichergestellt werden. Weiterhin ist zu betonen, dass auf diese Weise eine erleichterte Trennmöglichkeit zwischen den Linsen und den restlichen Bauteilen, insb. dem teuren Halbleiterelement, sichergestellt werden kann. Die ab- dichtende Wirkung wird insbesondere im Zusammenhang mit einer Schnappmontage in besonders vorteilhafter Weise dadurch bereitgestellt, dass die Linsen eine harte und eine weiche Komponente aufweisen, wobei die weiche Komponente zum Abdichten am Umfang der Linsen angeordnet ist (nicht dargestellt) . Die Weichkomponente unterstützt auch die allgemeine Anforderung, dass beim Schnappen darauf zu achten ist, keine Spannungen in die Linsen 16, 18, 20; 21 einzubringen; Spannungen würden stets eine negative Beeinflussung der optischen Eigenschaften bewirken.It can also be provided that the lens arrangement is snapped into the area holding the lenses via latching means 32 (cf. FIG. 4). This can also be an exact Positioning can be ensured. It should also be emphasized that this makes it easier to separate the lenses from the other components, in particular the expensive semiconductor element. The sealing effect is provided in a particularly advantageous manner, in particular in connection with snap mounting, in that the lenses have a hard and a soft component, the soft component being arranged on the circumference of the lenses for sealing (not shown). The soft component also supports the general requirement that care should be taken when snapping, no stresses in the lenses 16, 18, 20; 21 to introduce; Tensions would always have a negative impact on the optical properties.
Vorzugsweise ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 die Linsenanordnung 16, 18, 20; 21 über ein Halteelement 15 (moulded ring) im Linsenhalter 14 gehaltert. Das Halteelement 15 weist vorzugsweise eine harte 15a und wenigstens abschnittsweise eine dauerelastische Komponente 15b auf. Eine vorzugsweise umlaufend ausgebildete dauerelastische Komponente 15b kann zugleich insb. zum Abdichten der Linsenanordnung 16, 18, 20; 21 gegen Feuchtigkeit und Schmutz dienen - neben ihrer eigenen Ausgleichfunktion etwaig auftretender mechanisch und/oder thermisch bedingter Spannungen. Die dauerelastische Komponente 15b ist bevorzugt an dem der Linse 20 anliegenden Umfang ausgebildet. Im Bereich der härteren Komponente 15a wird das Halteelement 15 an dem die Linsen halternden Bereich 14 angeordnet, beispielsweise Ultraschall- bzw. laserverschweißt, geklebt, vernietet, angeformt oder mittels eines anderen ähnlich gut automatisierbaren Verbindungsverfahren. Auch Schraub- und Schnappverbindungen sind denkbar. Vorzugsweise enthält die harte Komponente 15a des Halterings 15 ein ther- moplastisches Material. Dementsprechend hat sich eine dauerelastische Komponente 15b bewährt, die vorzugsweise thermoplastische Elastomere (TPE) oder Silikon oder dergleichen enthält. Zwecks Bereitstellung eines einheitlich und einfach handhabbaren Bauteils 15 ist bevorzugt die dauerelastische Komponente 15b z.B. nach einem Zweikomponenten- Spritzverfahren an der harten Komponente 15a oder umgekehrt angeformt .In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the lens arrangement 16, 18, 20; 21 is held in the lens holder 14 via a holding element 15 (molded ring). The holding element 15 preferably has a hard 15a and at least in sections a permanently elastic component 15b. A permanently elastic component 15b, which is preferably circumferentially formed, can also be used, in particular, to seal the lens arrangement 16, 18, 20; 21 serve against moisture and dirt - in addition to their own balancing function of any mechanical and / or thermal stresses that may occur. The permanently elastic component 15b is preferably formed on the circumference adjacent to the lens 20. In the area of the harder component 15a, the holding element 15 is arranged on the area 14 holding the lenses, for example ultrasonically or laser-welded, glued, riveted, molded or by means of another similarly easily automated connection method. Screw and snap connections are also conceivable. Preferably, the hard component 15a of the retaining ring 15 contains a thermal plastic material. Accordingly, a permanently elastic component 15b, which preferably contains thermoplastic elastomers (TPE) or silicone or the like, has proven itself. In order to provide a uniform and easy-to-use component 15, the permanently elastic component 15b is preferably molded onto the hard component 15a, for example after a two-component injection molding process, or vice versa.
Es kann weiterhin besonders vorteilhaft sein, dass unerwünschte optische Effekte insbesondere aufgrund von seitlichem Lichteinfall durch Schwärzung und/oder Mattierung oder unter Ausnutzung von Totalreflexion verhindert werden (nicht dargestellt) . Dabei handelt es sich um Beispiele geeigneter Maßnahmen.It can furthermore be particularly advantageous that undesired optical effects, in particular due to the incidence of light from the side, are prevented by blackening and / or matting or by using total reflection (not shown). These are examples of suitable measures.
Nützlicherweise schließlich ist vorgesehen, dass das Modul über ein Flachkabel oder insb. bei Einsatz einer flexiblen Leiterplatte als Schaltungsträger mittels dieser mit einer starren Schaltungsplatine verbindbar (letztere werden auch als Starr-Flex-Systeme bezeichnet) , insbesondere (beispielsweise mittels Bügellöten) auflötbar, ist. Dies ist in Hinblick auf Winkel und Position etc. eine besonders flexible Lösung zur Verbindung des Schaltungsträgers 10 bzw. des Mo- duls mit einer Steuerung oder Schaltungsplatine (nicht dargestellt) .Finally, it is useful that the module can be connected to a rigid circuit board via a flat cable or, in particular, if a flexible printed circuit board is used as the circuit carrier (the latter are also referred to as rigid-flex systems), in particular (for example by means of strap soldering) , In terms of angle and position, etc., this is a particularly flexible solution for connecting the circuit carrier 10 or the module to a controller or circuit board (not shown).
Zwecks Ausgleich etwaiger Fertigungstoleranzen von Halbleiterchip 12 und/oder der Linseneinheit 14; 16, 18, 20; 21, ist erfindungsgemäß außerhalb der optischen Achse 33 zwischen dem Gehäuse 13 des Halbleiterelements 12 und der Linseneinheit 14; 16, 18, 20; 21 wenigstens ein Distanzelement 35 angeordnet, welches den Hauptstrahlengang 33 nicht beeinträchtigt und im Übrigen auch als Spacer bezeichnet wird. Im Ausfüh- rungsbeispiel nach Fig. 1 bzw. 2, also einem kundenspezifisch angepasst gehäusten Halbleiterelement 12 liegt das Distanzelement zwischen Abstützung 13a und der Linse 16 bzw. dem Linsenhalter 1 .To compensate for any manufacturing tolerances of the semiconductor chip 12 and / or the lens unit 14; 16, 18, 20; 21, according to the invention, is outside the optical axis 33 between the housing 13 of the semiconductor element 12 and the lens unit 14; 16, 18, 20; 21 at least one spacer element 35 is arranged, which does not impair the main beam path 33 and is also referred to as a spacer. In the exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2, ie a customized semiconductor element 12, the spacer lies between the support 13a and the lens 16 or the lens holder 1.
Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäß verwendetes Distanzelement 35 in Alleinstellung. Beispielsweise ist das Distanzelement 35 aus einer Folie ausgestanzt. Denkbar sind auch sσheiben- förmig ausgebildete Distanzelemente 35, beispielsweise in3 shows a spacer element 35 used according to the invention in isolation. For example, the spacer 35 is punched out of a film. Disc-shaped spacer elements 35 are also conceivable, for example in FIG
Gestalt einer Ringscheibe. Jedenfalls haben sich selbstklebende Distanzelemente 35 in Fertigung und Montage bewährt. Erfindungsgemäß bevorzugt ist das Distanzelement 35 Teil eines Elementesatzes a, b, c, mit wenigstens zwei oder mehr Distanzelementen 35a, 35b, 35c einheitlich vordefinierter Di- ckengrundmaße und dieses jeweils unterschiedlich erweiternden bzw. vermindernden Nennmaßen. Beispielweise kann der Elementesatz a, b, c, Distanzelemente 35 mit Nennmaßänderungen ab 4-/- 0,005 mm oder +/- 0,01 mm bis +/- 0,03 mm oder derglei- chen umfassen. In einer vorteilhaften Weiterbildung der optischen Eigenschaften des Moduls kann das Distanzelement 35 bevorzugt zugleich als Lochblende, Streuliσhtblende oder dergleichen mehr ausgebildet sein, was je nach An endungsaufbau mitunter vorteilhaft eine Teilereduktion gestattet.Shape of a ring disc. In any case, self-adhesive spacers 35 have proven their worth in production and assembly. According to the invention, the spacer element 35 is preferably part of a set of elements a, b, c with at least two or more spacer elements 35a, 35b, 35c of uniformly predefined thickness basic dimensions and each of these nominally expanding or reducing nominal dimensions. For example, the element set a, b, c can comprise spacer elements 35 with nominal size changes from 4 - / - 0.005 mm or +/- 0.01 mm to +/- 0.03 mm or the like. In an advantageous development of the optical properties of the module, the spacer element 35 can preferably also be designed as a perforated diaphragm, a scattering diaphragm or the like, which, depending on the structure of the end, can advantageously advantageously reduce parts.
Fig. 4 zeigt die Anordnung eines erfindungsgemäßen Distanzelements 35 in einer Schnittansicht eines erfindungsgemäßen optischen Moduls mit einem standardgemäß gehäusten Halbleiterelement 12. Dabei liegt das Distanzelement bzw. der Spacer 35 an einer transparenten Glasabdeckung 36 auf, welche die sensitive Fläche 34 des Halbleiterchips 12 insbesondere vor Staub etc. schützt. Bei Standardchips ohne Abdeckungen (nicht dargestellt) lässt sich das Distanzelement 35 freilich auch unmittelbar auf dem Chipgehäuse 13 anordnen.4 shows the arrangement of a spacer element 35 according to the invention in a sectional view of an optical module according to the invention with a semiconductor element 12 housed as standard. The spacer element or spacer 35 rests on a transparent glass cover 36, which in particular has the sensitive surface 34 of the semiconductor chip 12 Protects dust etc. With standard chips without covers (not shown), the spacer 35 can of course also be arranged directly on the chip housing 13.
Mit vorliegender Erfindung lassen sich etwaige Fertigungsto- leranzen z.B. der Abstützungen 13a eines kundenspezifischen Chipgehäuses 13 oder preiswerter Linseneinheiten 14; 16, 18, 20; 21 oder dergleichen in vorteilhafter Weise durch einfach handhabbare Distanzelemente 35 ausgleichen, welche vorzugsweise in Gestalt eines Elementesatzes a, b, c, ... für typi- sehe Dickenmaße für Baureihen unterschiedlicher Fertigungsqualität vorliegen. Während bislang toleranzüberschreitende Baureihen als Ausschuss keinerlei Verwendung zugeführt werden konnten, ist mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verwendung wenigstens eines Ausgleichselements 35 in vorteilhafter Weise der Aufbau zuverlässiger Kameramoduln ermöglicht, bei dem auch weiterhin grundsätzlich auf jegliche mechanische Fokuseinstellung verzichtet werden kann. Insbesondere kann das optische Modul ohne bewegte Teile wie Gewinde oder Fixierschrauben montiert werden. Durch die ansonsten geringen Tole- ranzen des Aufbaus auch in x- und y-Achse muss die Chipoberfläche 34 nicht unnötig groß sein, was den Kamerachip billiger macht. Der Aufbau eines solchen Moduls lässt sich verhältnismäßig kompakt gestalten was den Vorteil hat, dass sich das Kameramodul auch in Anwendungen bei begrenzten Platzver- hältnissen einsetzen lässt. Des weiteren bietet der beschriebene Aufbau die Möglichkeit ein hermetisch abgedichtetes Modul zu entwerfen, welches gegen Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit oder Staub gut geschützt ist.With the present invention, any manufacturing tolerances, e.g. supports 13a of a custom chip package 13 or inexpensive lens units 14; 16, 18, 20; 21 or the like in an advantageous manner by means of easily manageable spacer elements 35, which are preferably in the form of a set of elements a, b, c, ... for typical thickness dimensions for series of different manufacturing quality. While previously no tolerance ranges could be used as rejects, the use of at least one compensating element 35 proposed according to the invention advantageously enables the construction of reliable camera modules, in which any mechanical focus adjustment can still be dispensed with. In particular, the optical module can be installed without moving parts such as threads or fixing screws. Due to the otherwise small tolerances of the structure, also in the x and y axes, the chip surface 34 does not have to be unnecessarily large, which makes the camera chip cheaper. The structure of such a module can be made relatively compact, which has the advantage that the camera module can also be used in applications where space is limited. Furthermore, the structure described offers the possibility of designing a hermetically sealed module that is well protected against environmental influences such as moisture or dust.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein. Sie eignet sich insbesondere bei Anwendungen im Innen- und/oder Außenbereich eines Kraftfahrzeugs. The features of the invention disclosed in the above description, in the drawings and in the claims can be essential both individually and in any combination for realizing the invention. It is suitable in particular for applications in the interior and / or exterior of a motor vehicle.

Claims

Patentansprüche claims
1. Optisches Modul mit einem Schaltungsträger (10); - einem auf dem Schaltungsträger (10) angeordneten gehäusten Halbleiterelement (12) ; und einer Linseneinheit (14; 16, 18, 20; 21) zum Proji- zieren von elektromagnetischer Strahlung entlang einer optischen Achse (33) auf das Halbleiterele- ent (12) ; wobei das gehäuste Halbleiterelement (12) und die Linseneinheit (14; 16, 18, 20; 21) zweistückig ausgebildet sind; d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , - dass außerhalb der optischen Achse (33) zwischen dem Gehäuse (13) des Halbleiterelements (12) und der Linseneinheit (14; 16, 18, 20; 21) wenigstens ein Distanzelement (35) angeordnet ist.1. Optical module with a circuit carrier (10); - A housed semiconductor element (12) arranged on the circuit carrier (10); and a lens unit (14; 16, 18, 20; 21) for projecting electromagnetic radiation along an optical axis (33) onto the semiconductor element (12); wherein the packaged semiconductor element (12) and the lens unit (14; 16, 18, 20; 21) are formed in two pieces; That is, that at least one spacer element (35) is arranged outside the optical axis (33) between the housing (13) of the semiconductor element (12) and the lens unit (14; 16, 18, 20; 21).
2. Optisches Modul nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Distanzelement (35) als Folie oder Scheibe, beispielsweise in Gestalt einer Ringscheibe, ausgebildet ist.2. Optical module according to claim 1, so that the spacing element (35) is designed as a film or disk, for example in the form of an annular disk.
3. Optisches Modul nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Distanzelement (35) ein Stanzteil ist.3. Optical module according to claim 1 or 2, so that the spacing element (35) is a stamped part.
4. Optisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Distanzelement (35) wenigstens einseitig, vorzugsweise beidseitig, klebend ausgebildet ist . 4. Optical module according to one of claims 1 to 3, characterized in that the spacer element (35) is adhesive at least on one side, preferably on both sides.
5. Optisches Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Distanzelement (35) Teil eines Elementesatzes (a, b, c, ... ) ist.5. Optical module according to one of the preceding claims, that the spacer element (35) is part of a set of elements (a, b, c, ...).
6. Optisches Modul nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Elementesatz (a, b, c, ...) zwei oder mehr Distanzelemente (35a, 35b, 35c, ...) mit einem einheitlichen Dickengrundmaß und dieses jeweils unterschiedlich erweiternden bzw. vermindernden Nennmaßen umfasst.6. Optical module according to claim 5, characterized in that the element set (a, b, c, ...) two or more spacer elements (35a, 35b, 35c, ...) with a uniform basic thickness and each differently expanding or reducing nominal dimensions.
7. Optisches Modul nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Elementesatz (a, b, c, ... ) Distanzelemente mit Nennmaßänderungen ab +/- 0,005 mm oder +/- 0,01 rαm bis +/- 0,03 mm umfasst.7. Optical module according to claim 5 or 6, characterized in that the element set (a, b, c, ...) spacer elements with nominal size changes from +/- 0.005 mm or +/- 0.01 rαm to +/- 0.03 mm includes.
8. Optisches Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass wenigstens ein Distanzelement (35) zugleich als Lochblende oder Streulichtblende ausgebildet ist.8. Optical module according to one of the preceding claims, that a at least one spacer element (35) is at the same time designed as a pinhole or a lens hood.
9. Optisches Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Distanzelement (35) aus einem Kunststoff, beipsielsweise aus einem thermoplastischen Material, gefertig ist.9. Optical module according to one of the preceding claims, that the spacer element (35) is made from a plastic, for example from a thermoplastic material.
10. Optisches System mit einem optischen Modul nach einem der vorherigen Ansprüche. 10. Optical system with an optical module according to one of the preceding claims.
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