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