WO2011107071A1

WO2011107071A1 - Optische vorrichtung und verfahren zur ausrichtung und fixierung der optischen vorrichtung

Info

Publication number: WO2011107071A1
Application number: PCT/DE2011/000174
Authority: WO
Inventors: Andreas Gruber
Original assignee: Conti Temic Microelectronic Gmbh
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2011-09-09
Also published as: DE102010010405A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung für eine Halbleiterkamera und ein Verfahren zur Ausrichtung und Fixierung einer optischen Vorrichtung für eine Halbleiterkamera. Eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung weist einen Träger mit mindestens einer rotationssymmetrischen Öffnung und mindestens einem Kameramodul auf. Das Kameramodul umfasst einen Bildsensor, mindestens eine Linse und ein Modulgehäuse mit einer Gehäuseöffnung, durch die elektromagnetische Strahlung auf den Bildsensor gelangen kann, wobei das Modulgehäuse zumindest in einem Bereich zwischen der Gehäuseöffnung und dem Bildsensor rotationssymmetrisch aufgebaut ist, so dass das Kameramodul in der Öffnung des Trägers gelagert werden kann.

Description

Conti Temic microelectronic GmbH

Sieboldstr. 19, 90411 Nürnberg

Optische Vorrichtung und Verfahren zur Ausrichtung und Fi- xierung der optischen Vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung und ein Verfahren zur Ausrichtung und Fixierung der optischen Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Kameras mit einem lichtempfindlichen Chip als bildgebende Einheit, z.B. einem CMOS- oder CCD-Chip, werden unter ande- rem in Fahrzeugen bei Fahrerassistenzsystemen eingesetzt. Diese Kameras dienen dazu das Umfeld eines Fahrzeugs aufzunehmen und auswertbare Bilder weiterzugeben. Der Fahrer kann beispielsweise bei einem Notbremsassistenten durch das Fahrerassistenzsystem bei Vorliegen einer Gefahrensituation gewarnt werden oder Sicherheitssysteme können ausgelöst werden. Speziell für den Einsatz solcher Kameras bei Fahrerassistenzsystemen ist die Güte der Kameras entscheidend. Die Güte hängt dabei u.a. von kameraintrinsischen Toleranzen, Einbautoleranzen und Fahrzeugtoleranzen ab. Einen Ein- fluss auf die Funktionsqualität der Kamera haben neben der Lage- und Positionstoleranz insbesondere der Roll-, Gier- und Nickwinkel. Da sich die Fahrzeugtoleranzen im Allgemeinen nicht wesentlich beeinflussen lassen, muss zur Optimierung der Güte der Kamera in erster Linie auf die kamerain- trinsischen Toleranzen geachtet werden. Häufig werden Kameras aus fertigungstechnischen Gründen so aufgebaut, dass ein fokussiertes Modul in einen Träger, der z.B. als Gehäuse ausgestaltet ist, montiert wird. Während des Fokussiervorgangs kann beispielsweise für das Kameramodul der optische Nick- und/oder Gierwinkel bezüglich mechanischer Referenzmerkmale¹ ausgerichtet werden. Dabei erfolgt der Nick- bzw. Gierwinkelausgleich durch laterale Bewegung des Brennpunkts der Kameraoptik bezüglich des Bild- sensors und einem nachfolgenden oder gleichzeitigen Schwenken der Kameraoptik um die Hoch- bzw. Querachse. Um einen Rollwinkelfehler auszugleichen, bedarf es wegen der Rotationssymmetrie des Kameraoptik bzw. des Objektivs eines Drehens des Bildsensors oder der gesamten Kameraanordnung um die Längsachse.

Die DE 103 48 777 AI beschreibt ein Verfahren für eine Justage eines optischen Moduls und ein optisches Modul. Der Ausgleich von Nick-, Gier- und Rollwinkel, der häufig auch als Wankwinkel bezeichnet wird, erfolgt dabei über die Bearbeitung einer Grundplatte, auf der das optische Modul über Schrauben befestigt ist, sowie über die Schrauben selbst . Nachteilig bei den bekannten Vorrichtungen zur Ausrichtung einer Kamera ist auf der einen Seite der komplexe Kameraaufbau und auf der anderen Seite die Notwendigkeit, zur

¹ Das kann so gemacht werden, muss aber nicht Sinnvoller ist es eigentlich die Optik nicht bezüglich mechanischer Referenzen sondern wie im nächsten Satz (Zeile 7ff) beschrieben bezüglich des Bildsensors auszugleichen Rollwinkeljustage die gesamte Kameraanordnung um die Längsachse zu verdrehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine optische Vor- richtung anzugeben, bei der ein einfacher Rollwinkelausgleich vorgenommen werden kann, sowie ein Verfahren zum Ausgleichen eines Rollwinkelfehlers.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen An- sprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sind aus den Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind. Eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung umfasst einen Träger mit mindestens einer rotationssymmetrischen Öffnung und mindestens ein Kameramodul . Der Träger kann Bestandteil des äußeren Gehäuses der Kamera sein. Das Kameramodul umfasst einen Bildsensor, mindestens eine Linse und ein Mo- dulgehäuse mit einer Gehäuseöffnung, durch die elektromagnetische Strahlung auf den Bildsensor gelangen kann. Das Modulgehäuse kann identisch mit dem Objektivgehäuse sein. Im Sinne der Erfindung kann mit dem Modulgehäuse auch nur das Objektivgehäuse gemeint sein, wenn das Kameramodul ohne vollständiges Modulgehäuse ausgebildet ist. Das Modulgehäuse bzw. Objektivgehäuse ist zumindest in einem Bereich zwischen der Gehäuseöffnung und dem Bildsensor rotationssymmetrisch aufgebaut, so dass das Kameramodul in der rotationssymmetrische Öffnung des Trägers gelagert werden kann. Hierbei entsteht eine Lager-Welle-Verbindung. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ein Rollwinkel - fehler durch das Verdrehen des Kameramoduls in der Gehäuseöffnung auf einfache Art und Weise erfolgen. Zudem ist es nicht notwendig den Bildsensor bzw. die Leiterplatte, auf der der Bildsensor aufgebracht ist, separat zu verdrehen. Eine solche Ausführung erweist sich darüber hinaus als kostengünstig, da nur die Schnittstelle zwischen Kameramodul und Träger gleich ausgeführt werden muss .

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die beiden rotationssymmetrischen Bereiche der Trägeröffnung und des Modulgehäuses konusförmig ausgestaltet. Durch die Konusform wird eine schnelle Fixierung während des Fertigungsprozes- ses erreicht. Dabei wird das bezüglich Nick- und/oder Gierwinkel sowie dem Abstand zwischen Bildsensor und Linse (n) ausgerichtete Kameramodul durch Einpressen in Richtung der optischen Achse im Träger geklemmt. Diese Klemmung kann als Vorfixierung dienen, um anschließend weitere Be- festigungsmaßnahmen zu ermöglichen.

Bevorzugt sind nur Teilbereiche der beiden rotationssymmetrischen Bereiche der Trägeröffnung und des Modulgehäuses konusförmig ausgeführt. Die Ausgestaltung des Modulgehäuses kann dabei in anderen Bereichen eine beliebige Form aufweisen. Ebenso kann die rotationssymmetrische Trägeröffnung nur in einem Teilbereich konusförmig ausgestaltet sein, in anderen Bereichen jedoch eine andere Form aufweisen. Hierbei ist es auch möglich, das ausgerichtete Kameramodul im Träger für weitere Bearbeitungsschritte zumindest vorzufixieren .

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind der Träger und das Kameramodul aneinander fixiert, so dass eine bestimmte Ausrichtung des Trägers und des Kameramoduls gewährleistet wird. Hierzu können der Träger und das Kameramodul bevorzugt durch Verkleben, Klemmen, Schweißen oder Aufschrumpfen aneinander fixiert sein.

Bevorzugt können der Träger und das Kameramodul in den beiden rotationssymmetrischen Bereichen der Trägeröffnung und des Modulgehäuses aneinander fixiert sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Träger zwei Öffnungen zur Aufnahme von zwei Kameramodulen auf, so dass die optische Vorrichtung als Stereokamera betrieben werden kann. Bei dieser Ausführung kann die Parallaxe der beiden Kameramodule bei ausreichender Länge des Lagerungs- bzw. Passungssystems klein gehalten werden und die Bildsensoren der jeweiligen Kameramodule können dennoch optimal durch Drehen zueinander rektifiziert werden.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung wird in einem Träger mindestens eine rotationssymmetrische Öffnung hergestellt, z.B. gebohrt, gefräst oder gerieben'. Mindestens ein Kameramodul mit einem zumindest teilweise rotationssymmetrisch aufgebauten Modul - gehäuse wird in der mindestens eine Trägeröffnung bis zum Anschlag eingeschoben. Anschließend wird eine Justierung des Rollwinkels des Kameramoduls durch Drehung um die optische Achse des Kameramoduls in der Trägeröffnung durchgeführt. Anschließend werden Kameramodul und Träger aneinander fixiert .

Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispiele und Zeichnungen näher erläutert .

Es zeigen

Figur la : ein Träger mit einer rotationssymmetrischen Öffnung .

Figur lb : ein Kameramodul mit einem Bildsensor.

Figur lc : eine optische Vorrichtung mit einem in einem Träger angeordnetem Kameramodul .

Figur 2 : eine optische Vorrichtung mit einem in einem Trä- ger angeordneten Kameramodul mit konusförmigen rotationssymmetrischen Bereichen.

Figur 3 : eine weitere optische Vorrichtung mit einem in einem Träger angeordneten Kameramodul mit teilweise konusformig ausgestalteten rotationssymmetrischen Bereichen. In Fig. la ist ein Träger (2) zur Aufnahme eines Kameramoduls (4) dargestellt. Der Träger (2) weist eine rotationssymmetrische Öffnung (3) auf. Innerhalb der rotationssymmetrischen Öffnung (3) befinden sich die Fügebereiche (11) , an denen das Kameramodul (4) mit dem Träger (2) verbunden wird. Ein Kameramodul (4) wird bis zu den Anschlagflächen (10) des Trägers (2) so weit eingeschoben, dass das Modulgehäuse (7) , wie in Fig. lc gezeigt, an den Anschlagflächen (10) des Trägers (2) anliegt. Fig. lb zeigt ein Kameramodul (4) . Das Kameramodul (4) hat ein Modulgehäuse (7), das eine Gehäuseöffnung (8) aufweist, durch die elektromagnetische Strahlung über ein nicht dargestelltes Linsenpaket mit mindestens einer Linse auf einen Bildsensor (5) gelangt. Der Bildsensor ist auf einer Trä- gerplatte (9) angebracht. Die Trägerplatte (9) ist mit dem Modulgehäuse (7) verbunden.

Fig. lc zeigt im Querschnitt eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung (1) mit einem Träger (2) und einem Kameramodul (4) (vgl. Fig. la und lb) . Der Träger (2) weist eine rotationssymmetrische Öffnung (3) auf, in der das Kameramodul (4) angeordnet ist. Das Kamerämodul (4) weist in seinem Modulgehäuse (7) eine Gehäuseöffnung (8) auf, durch die elektromagnetische Strahlung über ein Linsenpaket mit min- destens einer Linse, das in Fig. lc nicht dargestellt ist, auf einen Bildsensor (5) gelangt. Der Bildsensor (5) ist auf einer Trägerplatte (9) angeordnet, z.B. eine Leiterplatte oder eine Aluminiumplatte mit Flex-Leiterplatte oder ein Keramiksubstrat, und über nicht dargestellte elektri- sehe Kontakte mit der Trägerplatte (9) verbunden.

Das Kameramodul (4) kann auch mehrteilig ausgestaltet sein, bzw. eine andere Form als in Fig. lb bzw. lc dargestellt aufweisen. Z.B. kann der Bildsensor (5) auch direkt mit dem Kameramodul (4) bzw. dem Modulgehäuse (7) des Kameramoduls (4) verbunden sein. Entscheidend ist bei der Gestaltung des Kameramoduls (4) und der rotationssymmetrischen Öffnung (3) des Trägers (2) , dass das Modulgehäuse (7) zumindest in einem Bereich derart ausgestaltet ist, dass es in der rotati- onssymmetrische Öffnung (3) des Trägers (2) gelagert werden kann .

Der Bereich des Modulgehäuses (7) , der in der rotationssym- metrische Öffnung (3) des Trägers (2) gelagert wird, sowie die rotationssymmetrische Öffnung (3) selbst können auch unterbrochen rotationssymmetrisch ausgestaltet sein. D.h. dass die rotationssymmetrische Öffnung (3) des Trägers (2) und der Bereich des Modulgehäuses (7) , der in der rotationssymmetrische Öffnung (3) des Trägers (2) gelagert wird, eine quer zum Umfang der rotationssymmetrischen Bereiche verlaufende Nut oder Bohrung aufweisen können, die fertigungstechnischer Natur sein können.

Das Kameramodul (4) und der Träger (2) sind über das Modul - gehäuse (7) des Kameramoduls (4) und der rotationssymmetrischen Öffnung (3) des Trägers (2) in einem Fügebereich (11) miteinander verbunden. Das Modulgehäuse (7) des Kameramoduls (4) ist bis zu einer Anschlagfläche (10) im Träger (2) eingebracht, so dass der Teil des Kameramoduls (4), in dem sich der Bildsensor (5) und die Trägerplatte (9) befinden, auf einer Innenseite des Trägers (2) , der ein Kameragehäuse der optischen Vorrichtung (1) sein kann, ist.

Bei der Herstellung einer optischen Vorrichtung (1) wird in einen Träger (2) eine rotationssymmetrische Öffnung (3) ge- bohrt und in diese rotationssymmetrische Öffnung (3) des Trägers (3) wird ein zumindest teilweise rotationssymmetrisch aufgebautes Kameramodul (4) bis zum Anschlag eingeschoben. AnschlieiSend erfolgt eine Justierung des Kameramo- duls (4) durch Verdrehen des Kameramoduls (4) um die optische Achse in der rotationssymmetrischen Öffnung (3) des Trägers (2) . Dabei wird in verschiedenen Positionen des Kameramoduls (4) der Rollwinkelfehler bestimmt und das Kameramodul (4) solange verdreht bis der Rollwinkelfehler aus- geglichen und eine optimale Position für das Kameramodul (4) bestimmt ist. Nachdem die optimale Position des Kameramoduls (4) gefunden und das Kameramodul (4) in diese Position gebracht wurde, werden das Kameramodul (4) und der Träger (2) aneinander fixiert. Die Fixierung erfolgt wie in den Figuren 1 bis 3 dargestellt bevorzugt in den Fügebereichen (11, 12, 13) .

Das Modulgehäuse (7) des Kameramoduls (4) und der Träger (2) können auch an der Anschlagfläche (10) miteinander ver- bunden werden. Dabei können der Träger (2) und das Kamera- modul (4) vorzugsweise mittels Verkleben, Klemmen, Schweißen oder Aufschrumpfen aneinander fixiert werden. Denkbar wäre es aber auch, die Fixierung mit anderen Mitteln und Verfahren sowie an anderen Bereichen des Trägers (2) und des Kameramoduls (4) bzw. des Modulgehäuses (7) zu realisieren .

In Fig. 2 ist eine optische Vorrichtung (1) mit einem Träger (2) und einem Kameramodul (4) dargestellt. Der Aufbau des Kameramoduls (4) aus Fig. 2 entspricht in weiten Teilen der Beschreibung des Kameramoduls (4) aus Fig. Ib. Die rotationssymmetrische Öffnung (3) des Trägers (2) ist hingegen in Fig. 2 konusförmig ausgestaltet und weist in diesem Bereich, mit dem der Träger (2) über das odulgehäuse (7) mit dem Kameramodul (4) verbunden ist, einen konischen Fügebereich (12) auf. Das Modulgehäuse (7) des Kameramoduls (4) ist in dem Bereich, in dem das Kameramodul (4) im Träger (2) angeordnet ist, ebenfalls konusförmig ausgestaltet. Bei einer konusförmigen Ausgestaltung der rotationssymmet- rischen Öffnung (3) des Trägers (2) und eines Bereichs des Modulgehäuses (7) des Kameramoduls (4) kann das Kameramodul (4) bis zum Anschlag in den Träger (2) eingeschoben und dort auch vorfixiert werden. Im Anschluss kann eine Justierung des Kameramoduls (4) und eine Fixierung des Kameramo- duls (4) erfolgen. Die Verbindung zwischen dem Bereich des Kameramoduls (4) über das Modulgehäuse (7) und der rotationssymmetrischen Öffnung (3) des Trägers (2) kann auch durch eine Steckverbindung erfolgen. Hierbei können beide Teile so ausgestaltet sein, dass ein Verklipsen des Kamera- moduls (4) über das Modulgehäuse (7) in der rotationssymmetrischen Öffnung (3) möglich ist. Ebenso kann das Kameramodul (4) so weit eingeschoben bzw. eingepresst werden, dass das Kameramodul (4) fest in der rotationssymmetrischen Öffnung (3) des Trägers (2) sitzt.

Der konische bzw. teilweise konische Bereich der rotationssymmetrischen Öffnung (3) des Trägers (2) und des Modulgehäuses (7) des Kameramoduls (4) kann auch derart gestaltet sein, dass der größere Durchmesser der konischen Öffnung auf der dem Bildsensor (5) zu- oder abgewandten Seite liegt .

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungs- gemäßen optischen Vorrichtung (1) mit einem Träger (2) und einem Kameramodul (4) . Der Aufbau des Kameramoduls (4) aus Fig. 3 entspricht in weiten Teilen der Beschreibung des Kameramoduls (4) aus Fig. 2. Die rotationssymmetrische Öffnung (3) des Trägers (2) ist hier hingegen nur teilweise konusförmig ausgestaltet. Ebenso ist das Modulgehäuse (7) des Kameramoduls (4) nur teilweise konusförmig ausgestaltet .

Bei einer nur teilweise konusförmigen Ausgestaltung der ro- tationssymmetrischen Öffnung (3) des Trägers (2) und eines Bereichs des Modulgehäuses (7) des Kameramoduls (4) kann das Kameramodul (4) auch soweit eingeschoben werden, dass dieses fest in der rotationssymmetrischen Öffnung (3) des Trägers (2) sitzt. Ebenso ist es möglich eine Steckverbin- dung, wie unter Fig. 2 beschrieben, zwischen dem Modulgehäuse (7) des Kameramoduls (4) und der rotationssymmetrischen Öffnung (3) des Trägers (2) zu realisieren.

Der teilweise konische Bereich der rotationssymmetrischen Öffnung (3) des Trägers (2) und des Modulgehäuses (7) des Kameramoduls (4) kann auch derart gestaltet sein, dass der größere Durchmesser der konischen Öffnung entweder auf der dem Bildsensor (5) zu- oder abgewandten Seite liegt. Liegt der kleinere Durchmesser der konusförmigen rotationssymmet - rischen Öffnung (3) auf der dem Bildsensor (5) zugewandten Seite, ist dies bei einem kleinen Unterschied zwischen dem größeren und dem kleineren Durchmesser der rotationssymmet- rischen Öffnung (3) des Trägers (2) und einem kleinen Unterschied des größeren zu dem kleineren Durchmesser im konusförmigen Bereich des Modulgehäuses (7) des Kameramoduls (4) sinnvoll, da durch das Einpressen des Kameramoduls (4) in die rotationssymmetrische Öffnung (3) , das Kameramodul (4) fest bzw. verdrehsicher im Träger (2) sitzt. Bei dieser Ausführung kann vorteilhafter Weise auf eine zusätz- liehe Fixierung des Kameramoduls (4) im Träger (2) wie z.B. Schweißen oder Verkleben verzichtet werden.

Bezugszeichenliste optische Vorrichtung

Träger

rotationssymmetrische Öffnung

Kameramodul

Bildsensor

Modulgehäuse

Gehäuseöffnung

Trägerplatte

Anschlagfläche

Fügebereich

konischer Fügebereich

teilweise konischer Fügebereich

Claims

Patentansprüche

1. Optische Vorrichtung (1) umfassend einen Träger (2) mit mindestens einer rotationssymmetrischen Öffnung (3) und mindestens einem Kameramodul (4) , das einen Bildsensor (5) , mindestens eine Linse und ein Modulgehäuse (7) mit einer Gehäuseöffnung (8) , durch die elektromagnetische Strahlung auf den Bildsensor (5) gelangen kann, umfasst, wobei das Modulgehäuse (7) zumindest in einem Bereich zwischen der Gehäuseöffnung (8) und dem Bildsensor (5) rotationssymmetrisch aufgebaut ist, so dass das Kameramodul (4) in der Öffnung (3) des Trägers (2) gelagert werden kann.

2. Optische Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die beiden rotationssymmetrischen Bereiche der Trägeröffnung und des Modulgehäuses (7) konusformig ausgestaltet sind.

3. Optische Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die beiden rotationssymmetrischen Bereiche der Trägeröffnung und des Modulgehäuses (7) in einem Teilbereich konusformig ausgestaltet sind.

4. Optische Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei der Träger (2) und das Kameramodul (4) aneinander fixiert sind. Optische Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei der Träger (2) und das Kameramodul (4) durch Verkleben, Klemmen, Schweißen oder Aufschrumpfen aneinander fixiert sind.

Optische Vorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Fixierung in den beiden rotationssymmetrischen Bereichen der Trägeröffnung und des Modul - gehäuses (7) erfolgt ist.

Optische Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei zwei Öffnungen im Träger (2) zur Aufnahme von zwei Kameramodulen (4) vorgesehen sind, so dass die optische Vorrichtung (1) als Stereokamera betrieben werden kann.

Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung (1), wobei in einen Träger (2) mindestens eine rotationssymmetrische Öffnung (3) hergestellt wird, mindestens ein Kameramodul (4) mit einem zumindest teilweise rotationssymmetrisch aufgebauten Modulgehäuse (7) in die mindestens eine Trägeröffnung bis zum Anschlag eingeschoben wird, anschließend eine Justierung des Kameramoduls (4) durch Drehung um die optische Achse des Kameramoduls (4) in der Trägeröffnung durchgeführt wird, und anschließend Kameramodul (4) und Träger (2) aneinander fixiert werden.