Die Erfindung betrifft weiterhin ein optisches System mit ei- nem derartigen optischen Modul.

Gattungsgemäße optische Module und Systeme kommen insbesonde- re in der Kraftfahrzeugtechnik zum Einsatz. Dabei kann mit e- lektromagnetischer Strahlung aus verschiedenen Frequenzberei- chen gearbeitet werden, wobei kumulativ zum sichtbaren Licht, mit welchem typischerweise Anwendungen im Außenraum eines Kraftfahrzeuges wie LDW- (Lane Departure Warning) Fahrspur- verlassenswarnung, BSD- (Blind Spot Detection) Totwinkelde- tektion, oder Rückraumkameras (Rear View Cameras) arbeiten, insbesondere die für Menschen unsichtbare Infrarotstrahlung bei Anwendungen im Innenraum eines Kraftfahrzeuges wie OOP- (Out of Position Detection) Positionverlassensdetektion oder bei zusätzlichen Außenbeleuchtungen eines Nachtsichtsystems (Night Vision Systems) bevorzugt wird.

Bei Anwendungen im Innen-oder Außenbereich eines Fahrzeugs 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 Al- terung zeigen dürfen.

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 Kame- rachip (derzeit CCD-oder CMOS-Sensor) und einer Optik aufzu- bauen.

So ist bei derartigen Systemen, mit denen Bilder oder ähnli- che Informationen aufgenommen werden, es bekanntlich nötig, dass die Optik am Punkt der Umwandlung Licht in Information (z. B. Filmebene, optische Fläche CCD-oder CMOS-Sensor) Ihren genauen Fokus hat. Daher muss der Abstand zwischen dem Kame- rachip und der Optik entweder während der Fertigung einmal grundlegend eingestellt und fixiert werden oder der Focus wird bei jedem Bild neu eingestellt (Scharfstellen auf Ob- jekt, nicht verwaschende Strahlen). Dies führt zu einem er- heblichen Fertigungsaufwand. Ferner besteht hierdurch ein Qualitätsrisiko.

Kameras für spezifische Low Cost Anwendungen wie z. B. Automo- tive, Industrie, Digitalkamera, Handy, Spielzeug etc., sollen jedoch aus Kosten-und Aspekten der Qualitätssicherung mög

lichst 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 Justage zu- mindest in einem bestimmten Entfernungs-und Temperaturbe- reich funktioniert. Bei Verwendung der Erfindung beispiels- weise im Rahmen eines Insassenschutzsystems eines Kraftfahr- zeuges, 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 reali- sierbar, je weniger Elemente in die Toleranzkette mit einge- hen. Einen großen Anteil in der Toleranzkette besitzt der Schaltungsträger für den Kamerachip (z. B. CCD oder CMOS). So wird beispielsweise durch Einsatz von sehr dünnen, sog. fle- xiblen, Leiterplatten versucht, nur eine geringe Dickentole- ranz einzubringen. Darüber hinaus besitzen insb. die notwen- digen Löt-und ggf. Klebeverbindungen oder dergleichen zwi- schen Chip und Schaltungsträger einen großen Anteil in der Toleranzkette.

Bei Verwendung von nur einer Linse wird vermieden, dass zu- sätzliche optische Toleranzen durch einen komplizierten Lin- senaufbau 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.

Dennoch ist bei Systemen, die weitgehend einen klassischen Aufbau aus Objektiv und Kamerachip aufweisen, wobei der Kame- rachip ungehäust als sog. Flip-Chip auf einem geeigneten Schaltungsträger aufgebracht ist, es schwierig, die genannten Probleme in ihrer Gesamtschau zu umgehen und gleichzeitig die genannten Qualitätsanforderungen zu erfüllen. Das Objektiv selbst muss jedoch zum Kamerachip justiert sein und eine de- finierte Fokussierung aufweisen. Dies erfolgt durch geeignete Feststellmöglichkeiten, beispielsweise durch eine Verschrau- bung, Verklebung oder dergleichen, mittels welcher das Objek- tiv relativ zum Kamerachip an der der Bestückfläche gegenü- berliegenden Seite des Schaltungsträger an diesem letztlich so fixiert wird, dass in die Toleranzkette nachteilig der Schaltungsträger sowie der Klebstoff bzw. die Schraubverbin- dung oder dergleichen mit eingehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Modul und ein optisches System mit einem auf einen starren Schal- tungsträger angeordneten ungehäusten Halbleiterelement zur Verfügung zu stellen, bei dem die Dickentoleranz des notwen- digen Schaltungsträgers und evtl. nötige Klebeverbindungen o- der dergleichen weitgehendst so eliminiert sind, dass bei einfacher und kostengünstiger Montage eine zuverlässige opti- sche Qualität ohne Justier-und insbesondere Fokussieraufwand zur Verfügung gestellt werden kann und über die Lebensdauer des Moduls bzw. Systems gehalten wird.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patent- ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfin- dung, welche einzeln oder in Kombination miteinander einsetz- bar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen optischen Modul dadurch auf, dass zwischen Linsenhalter und Schaltungsträger wenigstens ein dauerelastisches oder federndes Element ange- ordnet ist, welches die Bestückfläche des Schaltungsträgers vom Linsenhalter weg gegen wenigstens ein Anschlagselement presst, welches formschlüssig zur Linseneinheit in Beziehung steht.

Anders als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösun- gen, bei denen der Schaltungsträger gegen einen Linsenhalter gepresst wird, geht die vorliegende Erfindung einen neuen Weg, indem der Schaltungsträger mittels eines dauerelasti- schen Elements in die entgegengesetzte Richtung, d. h. vom Linsenhalter weg, gepresst wird und dort ein Anschlag form- schlüssig zur Optik in Beziehung steht. Dadurch wird die ge- samte Toleranz des Schaltungsträgers und evtl. Klebstoffe nicht weitgehend sondern in vorteilhafter Weise vollständig eliminiert. Somit wird mit vorliegender Erfindung eine Ferti- gungstechnologie mit besonders geringen Toleranzen zwischen einem ungehäusten Halbleiterelement und einer Linseneinheit ermöglicht.

Beispielsweise ist der Formschluss durch eine am Anschlagele- ment ausgebildete Formschlussfläche realisiert. Diese kann in einer ersten Weiterbildung Teil einer Schnappverbindung sein.

Dazu ist das Anschlagselement vorzugsweise durch am Linsen- halter ausgebildete Haken realisiert. Dies macht nicht nur schon die Montage sondern auch ein späteres Recycling, insb. die Trennung von Optik und Elektronik, besonders umwelt- freundlich und einfach.

In einer alternativen Weiterbildung ist das Anschlagelement Teil einer Schraub-oder Nietverbindung oder dergleichen, wo

bei bevorzugt das Anschlagelement durch am Linsenhalter ange- ordnete Abstandsbolzen bzw. Schraublöcher realisiert ist, welche mit einer Schraube, einem z. B. Kunststoff-Niet oder dergleichen zusammenwirken.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist das dauerelastische bzw. fe- dernde Element rechteckförmig, ringförmig oder dergleichen, vorzugsweise als Stanzteil, ausgebildet. Dies erlaubt in vor- teilhafter Weise eine Massenfertigung.

Beispielsweise haben sich dauerelastische bzw. federnde Ele- mente aus thermoplastischer Elastomere (TPE), Silikon oder dergleichen bewährt, welche bevorzugt zugleich die Linsenein- heit, insb. zum Schutz vor Feuchtigkeit und/oder Staub etc., gegen den Schaltungsträger abdichten. In einer besonders vor- teilhafter Weise kann das erfindungsgemäße optische Modul da- durch weitergebildet sein, dass im Verbindungsbereich zwi- schen der starren Leiterplatte und dem dauerelastischen bzw. federnden Element ein Entlüftungskanal vorgesehen ist. Auf diese Weise kann ein abgedichtete Modul, insbesondere bei starken Temperaturschwankungen,"atmen". Bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einem dauerelastischen bzw. flexiblen Element ist es in einfacher Weise möglich, bei- spielsweise in das Element selbst einen Entlüftungskanal ein- zubringen. Soll das optische Modul bei größeren Temperatur- schwankungen eingesetzt werden, kann es sich als sinnvoll er- weisen, eine Klebe-DAE (Druckausgleichselement) bzw. DAE- Folie über eine im flexiblen Element, ggf. auch im Linsenhal- ter selbst, ausgebildete Öffnung zu kleben.

Alternativ oder kumulativ hierzu sind porös, insbesondere moosgummiartig, ausgebildete dauerelastische bzw. federnde E

lemente von Vorteil, mittels welchen ein"atmen"des Objek- tivs realisierbar ist.

Die Erfindung besteht schließlich 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.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass entgegen den bisherigen Lösungsansätzen es möglich ist, den Schal- tungsträger mittels eines dauerelastischen oder federnden E- lements so in die entgegengesetzte Richtung, d. h. vom Linsen- halter weg, gegen einen ein Anschlag, welcher formschlüssig zur Optik in Beziehung steht, zu pressen, dass eine kompakte hochintegrierte Modullösung mit geringen Abmaßen zur Verfü- gung zu steht, die gleichermaßen einfach zu montieren sowie zu demontieren und hierdurch besonders kostengünstig ist.

Das optische Modul und das optische System sind praktisch wartungsfrei. Besonders im Sinne der Kosteneinsparung ist auch, dass keine optische Justierung des optischen Moduls er- forderlich ist, da diese durch die geometrische Gestaltung der Anschlagselemente ohnehin vorliegt, wobei die Toleranz- kette durch Eliminierung der Schaltungsträger-und Klebstoff- toleranz um ein weitere Maße verkürzt ist. Allein die Tole- ranz des Anschlagselements verbleibt in der Toleranzkette.

Dieses Maß ist aber werkzeuggebunden. Das erfindungsgemäße optische Modul bzw. optische System ist somit deutlich tole- ranzgünstiger als bisher bekannte.

Die Erfindung lässt sich besonders nützlich bei der Realisie- rung von Videosystemen, ggf. in Kombination mit Radarsyste

men, Ultraschallsystemen oder dergleichen im Kraftfahrzeugbe- reich verwenden.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeich- nungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft er- läutert.

Es zeigen schematisch : Fig. 1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Dar- stellung eines erfindungsgemäßen optischen Moduls ; Fig. 2 das erfindungsgemäße optische Modul nach Fig. 1 in einer Schnittansicht ; Fig. 3 den Linsenhalter eines optischen Moduls nach der Erfindung mit Schraublöchern ; Fig. 4 den Linsenhalter nach Fig. 3 mit aufgelegten bzw. angeformten dauerelastischen bzw. federnden Ring- element ; Fig. 5 den Linsenhalter nach Fig. 3 bzw. 4 mit einem vor- positionierten Schaltungsträger ; Fig. 6 den Linsenhalter nach Fig. 5 mit einem fixierten Schaltungsträger ; Fig. 7 eine durch die optische Achse geschnittene Darstel- lung eines optischen Moduls nach der Erfindung ; und Fig. 8 eine durch die Fixierung geschnitten Darstellung eines optischen Moduls nach der Erfindung.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausfüh- rungsformen der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Be- zugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.

In dem in Fig. 1 und 2 dargestellten zusammengebauten Zustand des optischen Moduls sind eine Linseneinheit 14 ; 16,18, 20 ; 21 und eine starre Leiterplatte 10, umfassend eine Bestück- fläche 10a, erkennbar. Die vorliegend starr ausgebildete Lei- terplatte 10 bildet den Schaltungsträger 10 für ein auf e- lektromagnetische Strahlung empfindliches ungehäusten Halb- leiterelement 12, das hier als sog. Flip-Chip 12 aufgebracht ist, was den Vorteil hat, dass keine zusätzlichen Toleranzen innerhalb des Sensors bzw. Bauelements (z. B. Träger Chip, Klebstoff, etc. ) dazu kommen. Die vorliegend starr ausgebil- dete Leiterplatte 10 steht mit einem Flachbandkabel oder ei- ner flexiblen Leiterplatte 27 in Wirkkontakt, an dessen ent- gegengesetztem Ende dieses mit Lötpads 28 versehen ist, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen dem optischen Modul und einer Schaltungsplatine (nicht dargestellt), beispiels- weise durch Bügellöten unter Verwendung der Lötpads 28, her- gestellt werden kann.

Auf dem Schaltungsträger 10 ist über Löt-Bumps 30 das Halb- leiterelement 12 angeordnet. Das Halbleiterelement 12 wird durch Flip-Chip-Technik auf dem Schaltungsträger 10 angeord- net. Damit elektromagnetische Strahlung von der auf der zur Bestückfläche 10a des Schaltungsträgers 10 abgewandten Seite 10b angeordneten Linsenanordnung 16,18, 20 ; 21 zum Halblei- terelement 12 gelangen kann, weist der starre Schaltungsträ- ger 10 eine Öffnung 24 auf. Ebenfalls hat das zwischen Lin- senhalter 14 und Schaltungsträger 10 bzw. dessen zweiten Flä

che 10b angeordnete dauerelastische bzw. federnde Element 22 eine Öffnung 32. Durch diese Öffnungen kann elektromagneti- sche Strahlung zu einer auf elektromagnetische Strahlung emp- findlichen Fläche 34 des Halbleiterelementes 12 gelangen.

Das Halbleiterelement 12 kann nach heutigem Stand z. B. als CMOS oder CCD ausgelegt sein. Es kann zusätzlich oder neben der Lötverbindung 30 auch eine Klebeverbindung vorgesehen sein. Zur Verstärkung kann ein Underfill (nicht dargestellt) appliziert werden. Um das teure Halbleiterelement 12 gegen Fremdlichtstrahlung und/oder Umwelteinflüsse von hinten zu schützen, wird ein Globtop 26 vorgesehen. Um bei, insbesonde- re starken, Temperaturschwankungen eine Entlüftung des opti- schen Moduls zu gestatten, kann beispielsweise in dem flexib- len Element 22 eine Nut zum Entlüften (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Ebenfalls ist es möglich, ein Klebe-DAE (Klebe-Druckausgleichselement) auf einer Öffnung (nicht dar- gestellt) im flexiblen Element 22 oder im Linsenhalter 14 an- zuordnen.

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 wer- den, was auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich ist, insbesondere da mit geringen Toleranzen gearbeitet wer- den kann. Die Linsen 16,18, 20 sowie die Blende 21 sind so geformt, dass sie relativ zueinander eine definierte Lage in- nerhalb des Linsenhalters 14 annehmen. Weiterhin ist mindes- tens eine der Linsen 20 so ausgestaltet, dass diese 20 (bei- spielweise wie in Fig. 7 und 8 dargestellt über Rastmittel 38 mit dem Linsenhalter 14 zusammenwirkt und so auch eine defi- nierte Lage bezüglich des Linsenhalters 14 und letztlich be

züglich des Halbleiterelementes 12 einnimmt. Auf diese Weise sind alle Linsen 16,18, 20 bzw. Blenden 21 bezüglich des Halbleiterelementes 12 justiert.

Die Justierung von Schaltungsträger 10 und Linseneinheit 14 ; 16,18, 20 ; 21 erfolgt erfindungsgemäß über das wenigstens eine zwischen Linsenhalter 14 und Schaltungsträger 10 ange- ordnete dauerelastische oder federnde Element 22, welches die Bestückfläche 10a des Schaltungsträgers 10 vom Linsenhalter 14 weg gegen wenigstens ein Anschlagselement 13 ; 35 presst, welches formschlüssig zur Linseneinheit 14 ; 16,18, 20 ; 21 in Beziehung steht. Vorzugsweise ist dazu am Anschlagelement 33 ; 35 eine Formschlussfläche 37 ausgebildet.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 ist das An- schlagelement 13 beispielsweise Teil einer Schnappverbindung, welches durch am Linsenhalter 14 angeordnete Haken realisiert ist. An den Haken 13 ist besagte Formschlussfläche 37 derge- stalt ausgebildet, dass die Bestückfläche 10a auf dieser 37 anfliegt.

Fig. 3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel nach der Erfindung. Hierbei ist das Anschlagselement 35 Teil einer Schraub-oder Nietverbindung, wobei am Linsenhalter 14 als Schraubloch 35 ausgebildete Abstandselemente 35 angeordnet sind.

Fig. 4 zeigt den Linsenhalter 14 gemäß Fig. 3 mit einem auf- gelegten dauerelastischen bzw. federnden Ringelement 22. Je nach Materialwahl kann das Element 22 auch z. B. mittels eines Zweikomponenten-Spritzverfahrens oder dergleichen am Linsen- halter 14 angeformt sein. Deutlich erkennbar ist, wie an dem der Linseneinheit abgewandten Ende der Schraublöcher 35 Form

schlussflächen 37 ausgebildet sind, deren Wirkweise nachfol- gend beschrieben ist.

Fig. 5 zeigt den Linsenhalter 14 nach Fig. 3 bzw. 4 mit einem vorpositionierten starren PCB-Schaltungsträger 10, wobei die- ser 10 noch nicht Flächenschluss mit den Formschlussflächen 37 der Abstandselemente 35 bildet. Mit anderen Worten-der Schaltungsträger 10 ist noch nicht bis über die Anlage an dem dauerelastischen Element 22 nach unten gedrückt.

Fig. 6 zeigt den Linsenhalter 14 nach Fig. 5 mit einem fi- xierten PCB-Schaltungsträger 10. Fixierelemente wie Schrauben 33, Kunststoffniete oder dergleichen Elemente werden soweit in die Abstandselemente 35 eingebracht, bis diese 33 an den Formschlussfläche 37 anliegen. Dadurch ist die Flip-Chip- Fläche bzw. Bestückfläche 10a des PCB-Schaltungsträgers 10 definiert zur Linseneinheit ausgerichtet.

Dies zeigt Fig. 7 in einer durch die optische Achse geschnit- tenen Darstellung und Fig. 8 in einer durch die Fixierung ge- schnitten Darstellung eines optischen Moduls nach der Erfin- dung. Deutlich erkennbar ist, wie das dauerelastische bzw. federnde Element 22 die Bestückfläche 10a des Schaltungsträ- gers 10 gegen die Fixierelemente 33 drückt. Im Stand der Technik wird bislang der Schaltungsträger gegen einen Linsen- halter gepresst. Die vorliegende Erfindung geht nun einen neuen Weg, indem der Schaltungsträger mittels eines dauer- elastischen bzw. federnden Elements 22 in die entgegengesetz- te Richtung, d. h. vom Linsenhalter 14 weg, gepresst wird und dort ein Anschlag 13 ; 33,35 formschlüssig zur Optik in Be- ziehung steht. Dadurch wird die gesamte Toleranz des Schal- tungsträgers 10 und evtl. Klebstoffe vollständig eliminiert.

Die vorliegende Erfindung geht von einem optischen Modul mit einer Linseneinheit aus, welche einen Linsenhalter 14 um- fasst, in welchem eine Linsenanordnung aus beispielsweise drei Linsen 16,18, 20 und einer Blende 21 eingesetzt ist.

Vorzugsweise sind die Linsen 16,18, 20 und die Blende 21 zu- einander und bezüglich des Linsenhalters 14 durch ihre geo- metrische Gestaltung eindeutig ausgerichtet, so dass keine weitere optische Justierung des optischen Moduls erforderlich ist. Der Linsenhalter 14 steht weiterhin über wenigstens ein am Linsenhalter 14 ausgebildetes Anschlagelement 13 ; 35 mit der Bestückfläche 10a einer starr ausgebildeten Leiterplatte 10, welche gleichzeitig als Schaltungsträger für ein auf e- lektromagnetische Strahlung empfindliches ungehäustes Halb- leiterelement 12 dient, so in Verbindung, dass erstmals die Dickentoleranz des Schaltungsträgers 10 und etwaiger Klebver- bindungen vorteilhaft nicht in die Toleranzkette gattungsge- mäßer optischer Moduln bzw. Systeme einfließt. Weil erfin- dungsgemäß das Halbleiterelement 12 an definierter Position bezüglich den anderen optischen Elementen, d. h. insbesondere den Linsen 16,18, 20 bzw. der Blende 21, angeordnet ist, braucht die Art des Schaltungsträgers 10, z. B. FR4, CEM, etc..., wie bislang üblich, nicht mehr festgeschrieben wer- den. Vielmehr können"normale", unkritische und damit kosten- günstigere Schaltungsträger eingesetzt werden.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen so- wie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung kön- nen sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein. Sie eignet sich insbesondere bei Anwendungen im Innen-oder Außenbereich ei- nes Kraftfahrzeugs.