JP4891771B2 - 光学モジュールおよび光学システム - Google Patents

Description

本発明は、光学モジュールであって、装着面を有するリジッドな回路支持体が設けられており；フリップチップ技術によって装着面に配置されたパッケージングされていない半導体素子が設けられており；回路支持体の、装着面と反対の側に配置されたレンズユニットが設けられており；回路支持体が、開口を有しており、該開口を通して、電磁放射線が、レンズユニットから半導体素子に投射されるようになっており；レンズユニットが、レンズホルダと、少なくとも１つのレンズを備えたレンズアッセンブリとを有している形式のものに関する。冒頭で述べた形式の光学モジュールは、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６５１２６０号明細書に基づき公知である。

さらに、本発明は、このような形式の光学モジュールを備えた光学システムに関する。

冒頭で述べた形式の光学モジュールおよび光学システムは、特に自動車技術に使用される。この場合、異なる周波数範囲からの電磁放射線によって作業することができる。この場合、自動車のアウタスペースでの一般的な使用事例、たとえばＬＤＷ（Ｌａｎｅ Ｄｅｐａｒｔｕｒｅ Ｗａｒｎｉｎｇ）車線逸脱警報、ＢＳＤ（Ｂｌｉｎｄ Ｓｐｏｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）死角検知またはリヤビューカメラ（Ｒｅａｒ Ｖｉｅｗ Ｃａｍｅｒａｓ）が作業する可視光に対して累積的に、特に人間にとって不可視の赤外線が、自動車のインナスペースでの使用事例、たとえばＯＯＰ（Ｏｕｔ ｏｆ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）位置逸脱検知またはナイトビジョンシステム（Ｎｉｇｈｔ Ｖｉｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ）の付加的な外部照明では優遇される。

車両の内側領域または外側領域での使用時には、外的な影響、たとえば温度、湿度、汚物および振動に基づき高い要求が課せられる。車両に設けられたシステムに対する一般的な寿命は１０〜１５年である。この場合、極端に僅かな故障率しか許容されず、これによって、冒頭で述べた形式の光学システムの構成要素も、極めて緩速の経年変化しか示してはならない。

多くの事例では、光学モジュールもしくは光学システムの組付けスペースが極めて制限されているので、この光学システムの実現には付加的な難点がある。したがって、慣用の手段では、カメラチップ（現在ではＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサ）と光学系とから成る、気密にシールされた信頼性の高いユニットを形成することが極端に困難となる。

したがって、画像またはこれに類する情報が記録されるこのような形式のシステムでは、周知の通り、光学系がその正確な焦点を情報への光の変換の点（たとえばフィルム平面、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサの光学面）に有していることが必要となる。したがって、カメラチップと光学系との間の間隔が、製造の間に１回基本的に調整されて決定されなければならないかまたは焦点が、各画像において新規に調整される（対象物に対する鮮鋭化、ぼけていない光線）。これによって、著しい製造手間が生ぜしめられる。さらに、これによって、品質リスクが存在する。

しかし、特有の低コスト使用事例、たとえば自動車、工業、デジタルカメラ、携帯電話、玩具等に用いられるカメラは、コストおよび品質安全性の観点から可能な限り光学系とカメラチップとの間の位置調整過程なしに、すなわち、ＣＭＯＳセンサまたはＣＣＤセンサの光学面に対する焦点の調整なしに製作可能であることが望ましい。このことは、前述した要求に基本的に背いている。

焦点なしのシステムを開発する可能性は、あり得る誤差の総和とエレメントとを減少させることであり、これによって、モジュールもしくはシステムは、デザインにより位置調整なしに、少なくとも規定された距離・温度範囲内で機能する。たとえば自動車（ただし、本発明はこれに限定されていない）の乗員保護システムの枠内での本発明の使用時には、たとえば１５ｃｍ〜１３０ｃｍの距離ならびに、たとえば−４０℃〜＋１０５℃の温度で鮮鋭な画像が保証可能であることが望ましい。このことが、早く実現可能であればあるほど、エレメントが誤差連鎖に影響する程度はますます少なくなる。この誤差連鎖における大きな割合を、カメラチップ（たとえばＣＣＤまたはＣＭＯＳ）のための回路支持体が有している。したがって、たとえば極めて薄い、いわゆる「フレキシブル」なプリント配線板の使用によって、僅かな厚さ誤差しか生ぜしめられない。さらに、特にチップと回路支持体との間の所要のはんだ付け結合部および場合により接着結合部またはこれに類するものが、誤差連鎖における大きな割合を有している。

ただ１つのレンズの使用時には、付加的な光学的な誤差が複雑なレンズ構造によって生ぜしめられることが回避される。有利にはプラスチックからなるレンズホルダ自体は、種々異なる形式でレンズアッセンブリに結合することができ、これによって、常にレンズホルダもしくはレンズアッセンブリに対するレンズアッセンブリと半導体素子との正確な光学的な位置決めを確保することができる。

にもかかわらず、主として、対物レンズと、パッケージングされずに、いわゆる「フリップチップ」として適切な回路支持体に被着されたカメラチップとから成る古典的な構造を有するシステムでは、前述した問題をその全観点で回避すると同時に前述した品質要求を満たすことが困難である。しかし、対物レンズ自体はカメラチップに対して位置調整されていなければならず、規定された焦点調節を有していなければならない。このことは、適切な位置固定可能性、たとえばねじ締結、接着またはこれに類するものによって行われる。この位置固定可能性によって、対物レンズがカメラチップに対して相対的に回路支持体の、装着面と反対の側に位置する面で回路支持体に最終的に位置固定され、これによって、回路支持体と、接着材もしくはねじ締結部またはこれに類するものとが誤差連鎖に不利に影響する。

本発明の課題は、必要となる回路支持体の厚さ誤差と、場合により必要となる接着結合部またはこれに類するものとが十分に排除されており、これによって、簡単なかつ廉価な組付けで、信頼性の高い光学的な品質が位置調整手間および特に焦点調節手間なしに提供され、モジュールもしくはシステムの寿命にわたって保たれる、リジッドな回路支持体に配置されたパッケージングされていない半導体素子を備えた光学モジュールおよび光学システムを提供することである。

この課題は、独立請求項の特徴によって解決される。個々にまたは互いに組み合わせて使用可能である本発明の有利な構成は、従属請求項に記載してある。

本発明は、レンズホルダと回路支持体との間に少なくとも１つの永久弾性的なもしくはばね弾性的なエレメントが配置されており、該エレメントが、回路支持体の装着面をレンズホルダから離れる方向で少なくとも１つのストッパエレメントに向かって押圧するようになっており、該ストッパエレメントが、形状接続的にレンズユニットに関連しているによって、冒頭で述べた形式の光学モジュールに基づいている。

回路支持体がレンズホルダに向かって押圧される公知先行技術に基づき公知の解決手段と異なり、本発明は、回路支持体が永久弾性的なエレメントによって逆方向、すなわち、レンズホルダから離れる方向に押圧され、そこで、１つのストッパが形状接続的に光学系に関連していることによって新機軸を打ち出している。これによって、回路支持体の全誤差および場合により接着材が十分にではなく、有利には完全に排除される。したがって、本発明によって、パッケージングされていない半導体素子と、レンズユニットとの間の特に僅かな誤差を伴った製造テクノロジが可能になる。

たとえば、形状接続は、当接エレメントに形成された形状接続面によって実現されている。この形状接続面は、第１の改良形では、スナップ結合部の一部であってよい。このためには、ストッパエレメントが、有利には、レンズホルダに形成されたフックによって実現されている。このことは、すでに組付けだけでなく、のちのリサイクリング、特に光学系と電子装置との分離も特に環境に易しくしかつ簡単にする。

択一的な改良形では、当接エレメントが、ねじ締結部またはリベット締め部またはこれに類するものの一部である。この場合、有利には、当接エレメントは、レンズホルダに配置された、ねじ、たとえばプラスチックリベットまたはこれに類するものと協働するスペーサピンもしくはねじ締結孔によって実現されている。

本発明によれば、有利には、永久弾性的なもしくはばね弾性的なエレメントが、方形、環状またはこれに類する形に、有利には打抜き部材として形成されている。これによって、有利には大量生産が可能となる。

たとえば、熱可塑性のエラストマ（ＴＰＥ）、シリコーンまたはこれに類するものから成る永久弾性的なもしくはばね弾性的なエレメントが有利であると分かった。これらの材料は、有利には同時にレンズユニットを、特に湿分および／またはダスト等に対する防護のために、回路支持体に対してシールする。特に有利には、本発明による光学モジュールは、リジッドなプリント配線板と永久弾性的なもしくはばね弾性的なエレメントとの間の結合領域に空気抜き通路が設けられていることによって改良されていてよい。こうして、シールされたモジュールが、特に激しい温度変動時に「呼吸する」ことができる。１つの永久弾性的なもしくはフレキシブルなエレメントを備えた本発明の構成では、たとえばエレメント自体に空気抜き通路を加工することが簡単に可能である。光学モジュールを、より大きな温度変動時に使用したい場合には、接着材ＤＡＥ（圧力補償エレメント）もしくはＤＡＥシートを、フレキシブルなエレメントに形成された開口、場合によりレンズホルダ自体に形成された開口にわたって接着することが有利であると分かった。

これに対して択一的または累積的には、多孔質に、特にスポンジゴム状に形成された永久弾性的なもしくはばね弾性的なエレメントが有利である。このエレメントによって、対物レンズの「呼吸」が実現可能となる。

さらに、本発明は、前述した形式の光学モジュールを備えた光学システムにある。こうして、光学モジュールの利点が、全システムの枠内にも適用される。

本発明は、従来の解決手段に対して、回路支持体を永久弾性的なもしくはばね弾性的なエレメントによって逆方向、すなわち、レンズホルダから離れる方向で、形状接続的に光学系に関連する１つのストッパに向かって押圧し、これによって、僅かな寸法を備えた高集積されたコンパクトなモジュール解決手段が提供され、一様に簡単に組み付けられ、取り外され、これによって、特に廉価であるという認識に根底を成している。

光学モジュールおよび光学システムは実際にメンテナンスフリーである。特にコスト節約の意味では、光学モジュールの光学的な位置調整も不要である。なぜならば、この位置調整が、いずれにせよ、ストッパエレメントの幾何学的な構成によって付与されているからである。この場合、誤差連鎖は、回路支持体誤差および接着材誤差の除去によって十分に短縮されている。ストッパエレメントの誤差しか誤差連鎖に残されない。しかし、この量は工具に関連している。したがって、本発明による光学モジュールもしくは光学システムは、従来公知のものよりも誤差の点で著しく有利である。

本発明は、場合によりレーダシステム、超音波システムまたはこれに類するものに組み合わせた、自動車分野におけるビデオシステムの実現に特に有利に使用することができる。

ここで、本発明の有利な構成を図面につき詳しく説明する。

本発明の有利な構成の以下の説明では、同じ符号が、同じ構成要素または比較可能な構成要素を示している。

図１および図２に示した、光学モジュールの組み立てられた状態では、レンズユニット１４；１６，１８，２０；２１と、装着面１０ａを有するリジッドなプリント配線板１０とを認めることができる。図示のようにリジッドに形成されたプリント配線板１０は、電磁放射線に対して敏感なパッケージングされていない半導体素子１２のための回路支持体１０を形成している。半導体素子１２は、ここでは、いわゆる「フリップチップ１２」として被着されている。このことは、センサもしくは構成エレメント（たとえばキャリヤチップ、接着材等）の内部に付加的な誤差が生ぜしめられないという利点を有している。図示のようにリジッドに形成されたプリント配線板１０は、平形ケーブルまたはフレキシブルなプリント配線板２７に作用接触している。この平形ケーブルは反対側の端部にはんだパッド２８を備えており、これによって、光学モジュールと回路ボード（図示せず）との間の電気的なコンタクトを、たとえばはんだパッド２８の使用下でのホットバーはんだ付けによって製作することができる。

回路支持体１０には、はんだバンプ３０を介して半導体素子１２が配置されている。この半導体素子１２はフリップチップ技術によって回路支持体１０に配置される。電磁放射線が、回路支持体１０の装着面１０ａに対して反対の側１０ｂに配置されたレンズアッセンブリ１６，１８，２０；２１から半導体素子１２に到達することができるように、リジッドな回路支持体１０は開口２４を有している。また、レンズホルダ１４と回路支持体１０もしくは回路支持体１０の第２の面１０ｂとの間に配置された永久弾性的なもしくはばね弾性的なエレメント２２も開口３２を有している。これらの開口を通して、電磁放射線が、半導体素子１２の、電磁放射線に対して敏感な面３４に到達することができる。

半導体素子１２は、現状によれば、たとえばＣＭＯＳまたはＣＣＤとして設計されていてよい。付加的にまたははんだ付け結合部３０のほかに接着結合部が設けられていてもよい。補強のためには、アンダフィル（図示せず）が塗布されてよい。高価な半導体素子１２を背後からの外部光線および／または環境影響に対して防護するためには、グローブトップ２６が設けられる。特に激しい温度変動時に光学モジュールの空気抜きを許容するためには、たとえばフレキシブルなエレメント２２に空気抜きのための溝（図示せず）が設けられていてよい。また、接着材ＤＡＥ（接着材圧力補償エレメント）を、フレキシブルなエレメント２２またはレンズホルダ１４に設けられた開口（図示せず）に配置することも可能である。

有利には、複数のレンズ１６，１８，２０と、場合によりセットの形の少なくとも１つの絞り２１とを備えたレンズアッセンブリ１４；１６，１８，２０；２１が設けられている。光学品質は、複数のレンズを備えた対物レンズによって改善することができる。このことは、本発明の枠内でも可能である。なぜならば、特に僅かな誤差で作業することができるからである。レンズ１６，１８，２０と絞り２１とは、互いに相対的に、規定された位置をレンズホルダ１４の内部にとるように成形されている。さらに、少なくとも１つのレンズ２０は、たとえば図７および図８に示したように、係止手段３８を介してレンズホルダ１４と協働し、したがって、このレンズホルダ１４に対する規定された位置も、最終的に半導体素子１２に対する規定された位置もとるように形成されている。こうして、全てのレンズ１６，１８，２０もしくは絞り２１が半導体素子１２に対して位置調整されている。

回路支持体１０とレンズユニット１４；１６，１８，２０；２１との位置調整は、本発明によれば、レンズホルダ１４と回路支持体１０との間に配置された少なくとも１つの永久弾性的なまたはばね弾性的なエレメント２２を介して行われる。このエレメント２２は回路支持体１０の装着面１０ａをレンズホルダ１４から離れる方向で少なくとも１つのストッパエレメント１３；３５に向かって押圧する。このストッパエレメント１３；３５は、形状接続的にレンズユニット１４；１６，１８，２０；２１に関連している。有利には、このために、当接エレメント３３；３５に形状接続面３７が形成されている。

図１および図２に示した実施例では、当接エレメント１３が、たとえばスナップ結合部の一部である。この部分は、レンズホルダ１４に配置されたフックによって実現されている。このフック１３には、前述した形状接続面３７が形成されており、これによって、装着面１０ａが形状接続面３７に載置するようになっている。

図３には、本発明による択一的な実施例が示してある。この場合、ストッパエレメント３５は、ねじ締結部またはリベット締め部の一部である。この場合、レンズホルダ１４には、ねじ締結孔３５として形成されたスペーサエレメント３５が配置されている。

図４には、載着された永久弾性的なもしくはばね弾性的な環状エレメント２２を備えた図３に示したレンズホルダ１４が示してある。材料選択に応じて、エレメント２２は、たとえば二成分射出成形法またはこれに類する方法によってレンズホルダ１４に一体に固着されていてもよい。ねじ締結孔３５の、レンズユニットと反対の側の端部に形状接続面３７がどのように形成されているのかを明確に認めることができる。この形状接続面３７の作用形式を以下に説明する。

図５には、前位置決めされたリジッドなＰＣＢ回路支持体１０を備えた図３もしくは図４に示したレンズホルダ１４が示してある。この場合、ＰＣＢ回路支持体１０は、スペーサエレメント３５の形状接続面３７との面接続をまだ形成していない。換言すると、回路支持体１０は、永久弾性的なエレメント２２に対する当付けを越えるまで下向きにまだ押圧されていない。

図６には、位置固定されたＰＣＢ回路支持体１０を備えた図５に示したレンズホルダ１４が示してある。位置固定エレメント、たとえばねじ３３、プラスチックリベットまたはこれに類するエレメントは、形状接続面３７に接触するまでスペーサエレメント３５内に挿入される。これによって、フリップチップ面もしくはＰＣＢ回路支持体１０の装着面１０ａが、レンズユニットに対して規定されて位置決めされている。

このことは、図７に本発明による光学モジュールの光軸の断面図で示してあり、図８に本発明による光学モジュールの位置固定部の断面図で示してある。永久弾性的なもしくはばね弾性的なエレメント２２が回路支持体１０の装着面１０ａを位置固定エレメント３３に向かってどのように押圧しているのかを明確に認めることができる。公知先行技術では、これまで、回路支持体はレンズホルダに向かって押圧される。いま、本発明は、回路支持体が永久弾性的なもしくはばね弾性的なエレメント２２によって逆方向、すなわち、レンズホルダ１４から離れる方向に押圧され、そこで、１つのストッパ１３；３３，３５が形状接続的に光学系に関連していることによって、新機軸を打ち出している。これによって、回路支持体１０の全誤差と、場合により接着材とが完全に排除される。

本発明は、レンズユニットを備えた光学モジュールから出発する。レンズユニットはレンズホルダ１４を有している。このレンズホルダ１４内には、たとえば３つのレンズ１６，１８，２０と１つの絞り２１とから成るレンズアッセンブリが挿入されている。有利には、レンズ１６，１８，２０と絞り２１とが互いにかつレンズホルダ１４に対して、これらの幾何学的な構成によって一義的に位置決めされているので、光学モジュールのさらなる光学的な位置調整は不要となる。さらに、レンズホルダ１４は、このレンズホルダ１４に形成された少なくとも１つの当接エレメント１３；３５を介して、電磁放射線に対して敏感なパッケージングされていない半導体素子１２のための回路支持体として同時に働くリジッドに形成されたプリント配線板１０の装着面１０ａに結合されており、これによって、初めて、回路支持体１０と、場合による接着結合部との厚さ誤差が、有利には、冒頭で述べた形式の光学モジュールもしくは光学システムの誤差連鎖に影響しないようになっている。本発明によれば、半導体素子は、別の光学素子、すなわち、特にレンズ１６，１８，２０もしくは絞り２１に対して規定された位置に配置されているので、回路支持体１０の種類、たとえばＦＲ４、ＣＥＭ等が、従来慣用のように、もはや指定される必要はない。むしろ、問題のないひいてはより廉価な「規格通り」の回路支持体を使用することができる。

前記説明、図面の簡単な説明ならびに特許請求の範囲に開示された本発明の特徴は、個々にも、任意に組み合わせても、本発明の実現のために重要となり得る。本発明は、特に自動車の内側領域または外側領域での使用に適している。

本発明による光学モジュールの斜視的な部分断面図である。 図１に示した本発明による光学モジュールの断面図である。 ねじ締結孔を備えた本発明による光学モジュールのレンズホルダを示す図である。 載着されたかもしくは一体に固着された永久弾性的なもしくはばね弾性的な環状エレメントを備えた図３に示したレンズホルダを示す図である。 前位置決めされた回路支持体を備えた図３もしくは図４に示したレンズホルダを示す図である。 位置固定された回路支持体を備えた図５に示したレンズホルダを示す図である。 本発明による光学モジュールの光軸の断面図である。 本発明による光学モジュールの位置固定部の断面図である。

符号の説明

１０ 回路支持体、 １０ａ 装着面、 １０ｂ 面、 １２ 半導体素子、 １３ ストッパエレメント、 １４ レンズホルダ、 １６，１８，２０ レンズ、 ２１ 絞り、 ２２ エレメント、 ２４ 開口、 ２６ グローブトップ、 ２７ プリント配線板、 ２８ はんだパッド、 ３０ はんだバンプ、 ３２ 開口、 ３３ ねじ、 ３４ 面、 ３５ ストッパエレメント、 ３７ 形状接続面、 ３８ 係止手段

Claims (8)

1. 光学モジュールであって、
   −装着面（１０ａ）を有するリジッドな回路支持体（１０）が設けられており；
   −フリップチップ技術によって装着面（１０ａ）に配置されたパッケージングされていない半導体素子（１２）が設けられており；
   −回路支持体（１０）の、装着面（１０ａ）と反対の側（１０ｂ）に配置されたレンズユニット（１４；１６，１８，２０；２１）が設けられており；
   −回路支持体（１０）が、開口（２４）を有しており、該開口（２４）を通して、電磁放射線が、レンズユニット（１４；１６，１８，２０；２１）から半導体素子（１２）に投射されるようになっており；
   −レンズユニット（１４；１６，１８，２０；２１）が、レンズホルダ（１４）と、少なくとも１つのレンズを備えたレンズアッセンブリ（１６，１８，２０；２１）とを有している形式のものにおいて、
   係合面を有するストッパエレメント（１３）がレンズホルダ（１４）に設けられており、
   レンズホルダ（１４）と回路支持体（１０）との間に少なくとも１つの永久弾性的なもしくはばね弾性的なエレメント（２２）が配置されており、該エレメント（２２）が、回路支持体（１０）の、装着面（１０ａ）と反対の側（１０ｂ）をレンズホルダ（１４）から離れる方向で少なくとも１つのストッパエレメント（１３）の係合面に向かって押圧するようになっており、ストッパエレメント（１３）の係合面が、回路支持体（１０）の装着面（１０ａ）と係合するように形成されていることを特徴とする、光学モジュール。
2. ストッパエレメント（１３）が、スナップ結合部の一部である、請求項１記載の光学モジュール。
3. ストッパエレメント（１３）が、レンズホルダ（１４）に配置されたフック（１３）によって実現されている、請求項２記載の光学モジュール。
4. 永久弾性的なもしくはばね弾性的なエレメント（２２）が、方形にまたは環状に、有利には打抜き部材として形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の光学モジュール。
5. 永久弾性的なもしくはばね弾性的なエレメント（２２）が、熱可塑性のエラストマ（ＴＰＥ）またはシリコーンを含有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の光学モジュール。
6. 永久弾性的なもしくはばね弾性的なエレメント（２２）が、レンズユニット（１４；１６，１８，２０；２１）を回路支持体（１０）に対してシールしている、請求項１から５までのいずれか１項記載の光学モジュール。
7. 永久弾性的なもしくはばね弾性的なエレメント（２２）が、多孔質に、特にスポンジゴム状に形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の光学モジュール。
8. 請求項１から７までのいずれか１項記載の光学モジュールを備えた光学システム。

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