照相机系统的制作方法

文档序号:13685230
照相机系统的制作方法

本发明涉及用于测量应用的照相机系统。



背景技术:

照相机系统如这里理解的包括:物镜;物镜保持器,该物镜保持器具有插入物镜的容纳开口;图像传感器,该图像传感器还被称为照相机芯片,其中,图像传感器和物镜可以相对于彼此设置,或者可以以图像可焦点对准地在图像传感器上成像的方式相对于彼此设置;进一步地,印刷电路板,该印刷电路板还被称为电路板或PCB,图像传感器以导电方式接触到印刷电路板,使得由入射光在图像传感器中产生的电信号被传递到印刷电路板。该电信号然后可以由评价电子器件来处理,评估电子器件位于印刷电路板上或者构成电连接到印刷电路板的单元或借助于其他信号传递装置连接的单元。进一步地,术语物镜在这里用于在这被理解为一个或更多个物镜透镜或另外通常被具体实施为设置了物镜透镜的镜筒的中空体的含义之内。这里,聚焦可以通过重新定位透镜或通过在物镜保持器中拧动或移位在内部其中设置了透镜的镜筒来进行。以下可以用作照相机或照相机芯片:CMOS、CCD、距离成像照相机(深度以飞行时间来测量)、光电二极管阵列、焦平面阵列、热照相机(thermocam)、多光谱传感器。依赖于要求,还可以在照相机系统的光路中设置特殊滤光片(即,例如,附接在镜筒中或照相机芯片上)。照相机系统可以被设计为对可见范围内的波长成像,以及对近和远红外波长范围内的波长成像。

图1示出了根据现有技术的照相机系统10的典型示例。在这里所示的示例中,照相机系统10的物镜12设置有外螺纹14,在该外螺纹的帮助下,物镜12旋入到物镜保持器16的容纳开口17的内螺纹中。容纳开口17连续且在物镜12的光轴13的延伸中形成凹部25,图像传感器22在组装状态下设置在所述凹部中。这里,图像传感器22的传感器平面被设置为尽可能与物镜12的光轴13正交,并且传感器平面的中心尽可能与光轴13齐平。

图像传感器22直接固定到印刷电路板20,固定24例如由熔接(welded)连接或焊接(soldered)连接来实现,使得图像传感器22以导电方式连接到印刷电路板20,并且由入射光在图像传感器22中产生的电信号可以为了处理目的而传输到印刷电路板20。球栅阵列形式的焊接连接被发现特别容易产生且被发现为图像传感器22与印刷电路板20之间特别稳定、导电、直接的连接24。

在组装期间,上面固定有图像传感器22的印刷电路板20以以下方式在位于与物镜12相对的、物镜保持器16的该侧上紧固到物镜保持器16:首先,由印刷电路板20密封物镜保持器16中的连续开口17,因此,凹部25出现;其次,然后如上所述的将图像传感器22相对于光轴13尽可能垂直且尽可能中心地置于凹部25中。为此,物镜保持器16具有用于容纳螺钉31的螺纹孔18。印刷电路板20具有以以下方式设置的连续附接开口21:当固定到印刷电路板20的图像传感器22以其传感器平面近似垂直于光轴13地齐平且以其中心与物镜16的光轴13近似齐平时,这些附接开口位于与物镜保持器16的螺纹孔18齐平。然后,印刷电路板20在螺钉31的帮助下在该位置以可拆卸但牢固方式连接到物镜保持器16,螺钉穿过印刷电路板20的附接开口21,并且拧入螺纹孔18中。如可以从图1看出的,如果螺钉31尚未被完全拧紧,物镜12和图像传感器22,在横向位置相对于彼此可调节至少相对于近似垂直于物镜的光轴13对齐的平面可调节,并且所述物镜和图像传感器可以通过拧紧螺钉来固定在该所调节位置。另选地,可以实现定义的横向位置规定,代替横向可调节性,例如用机械定位装置来实现,诸如例如,设置在物镜保持器中的定位销,所述机械定位装置啮合到以镜面翻转方式具体实施的印刷电路板的定位凹部中,反之亦然。还可以确保另外的附接,例如通过粘合剂或漆点。

在这里所示的示例中,为了聚焦可以调节物镜12与图像传感器22之间的距离,例如凭借物镜,通过物镜的物镜螺纹14更深地旋入物镜保持器16的容纳开口17中或更远地旋出所述容纳开口。这样,可以以以下方式沿着光轴相对于彼此设置图像传感器22和物镜12:经由物镜12投影到图像传感器22上的图像焦点对准地成像在图像传感器22上。

上述类型的照相机系统通常是较高质量照相机的构成部分,于是通常还具有可变焦距。在这种照相机系统的简单实施方式中,聚焦装置保证聚焦。这里,物镜螺纹以马达驱动方式来致动,这致使该螺纹可以对应地通过在物镜保持器中拧动物镜来如上所述地可变地设置图像传感器与物镜之间的距离,使得可以在宽范围内在图像传感器上产生锐利图像。关于在这种照片照相机中使用的照相机系统的校准能力的要求或关于准确性或可容许的像差(例如可能来自震颤或温度变化)的要求使用当前可用的结构和技术部件通常可以良好地满足。然而,如果这涉及最高精度的图像拍摄,则这种聚焦装置通常由于它们的许多零件相对于是彼此可移动的而充当误差源。

由此,预定要去经常不能由上面提及的照相机系统(在它们是精确测量应用的构成部分时)来满足。即使是在照相机系统中可以去掉聚焦装置且因此去掉了误差源中的一个(参见上述)的测量器具中(例如,因为该照相机系统需要捕获的距离变化较是小的),通过这种照相机系统仍然经常观察像差,其通常难以或根本不可预测,特别是量化地预测。除了突然发生的像差之外,例如,在震颤、震动或突然的温度变化之后,这些尤其还包括测量值漂移和/或滞后效应。由于可预测性的缺乏,借助于软件或另外适当校准进行的对这种偏差的补偿经常是在很大困难下才可能或根本不可能,或者必须非常频繁地进行校准。

然而,即使如上所述未设置聚焦装置,也因为如上所述物镜与印刷电路板上的图像传感器之间的连接通常以由物镜保持器实现的螺钉连接的形式来具体实施,所以物镜与物镜保持器之间的连接在许多情况下仍然为误差源。

高精度应用中的另外的误差源可能存在于物镜内不同的热膨胀系数,即一方面物镜透镜以及另一方面承载透镜的镜筒,以及在于物镜与物镜保持器之间的不同热膨胀系数。通常,物镜透镜由玻璃制成,因此具有在aG1=0.5*10-6K-1到9*10-6K-1区域中的较小的热膨胀系数aG1。相比之下,镜筒或物镜保持器经常由铝或铝合金制成,因此其热膨胀系数aOb位于aOb=22*10-6K-1到24*10-6K-1的区域中。

图像传感器在印刷电路板上的连接或附接也可能构成关于使用照相机系统进行的精确测量的另外误差源。如上面已经提及的,对于该附接已知有非常不同的选项,诸如焊接和熔接,以及作为具有用于插入式连接THT连接技术的连接针脚的SMD芯片的图像传感器的实施方式。可能为已知连接中最机械刚性的在图像传感器与印刷电路板之间的直接连接的选项是借助于球栅阵列(BGA)进行的连接。在球栅阵列中,设置在网格中的焊珠由回流焊(即,由焊接炉中的加热)来熔化,使得随后,熔化且重新固化的焊接材料将图像传感器的接触盘与印刷电路板的接触盘牢固连接。

在这种照相机系统用于高度精确测量的测量器具中时出现的另外误差源还由传统使用的印刷电路板形成,该印刷电路板通常由具有铜导体轨迹的FR4制成。FR4是由低可燃和阻燃环氧树脂和玻璃纤维组织制成的复合材料,该复合材料具有通常为ax=14*10-6K-1、ay=18*10-6K-1、az=60*10-6K-1(下标x、y、z表示笛卡尔方向)各向异性即依赖于方向的的热膨胀系数。用于设立了针脚的照相机芯片或用于定位可以直接焊接在上面的用于SMD照相机芯片的辅助件的狭槽以及连续附接开口无法以满足这种测量器具的要求的准确性来制造在印刷电路板中,印刷电路板借助于连续附接开口连接到物镜保持器和位于物镜保持器内的物镜,经常在螺钉的帮助下连接。这就是为什么照相机芯片在印刷电路板上的位置、印刷电路板相对于物镜保持器的位置且因此照相机芯片相对于物镜的位置无法以其相对于彼此(例如在震颤或温度变化等导致的情况下)的变化的足够准确性或位置来设置。

因此,CN202004864U提出了一种铝模板形式的定位辅助件,该定位辅助件即使在定位之后也保留在照相机系统中。该铝模板具有用于照相机芯片的精确限定的狭槽,并且连同照相机芯片一起熔接到印刷电路板上。铝模板仅稍大于照相机芯片且具有到照相机芯片的侧面的通过开口,所述通过开口在与被熔接上的状态下与印刷电路板的附接开口齐平。因为根据本文献中进行的断定,具有其用于照相机芯片的狭槽和其通过开口的铝模板可以比印刷电路板精确地被操作,所以在铝模板的帮助下在组装期间可以实现独立部件相对于彼此的较大程度准确的定位。

在其他已知的照相机系统中,具体由印刷电路板的附接开口的制造公差引起的误差要由基于玻璃的连接结构来避免。这里,图像传感器的背侧以传统方式连接到印刷电路板;相比之下,图像传感器的正面粘合地结合到载体玻璃。载体玻璃突出超过图像传感器的边缘。载体玻璃的该突出边缘例如借助于温度稳定粘合结合牢固地连接到物镜保持器,物镜在其侧面背离图像传感器的情况下旋入物镜保持器中。这样,印刷电路板仅经由图像传感器连接到物镜保持器。已经由该结构去除可能由于将图像传感器经由印刷电路板和螺钉连接到物镜保持器而产生的所有误差源。相比之下,将一方面用于图像传感器的附接且另一方面用于玻璃板在物镜保持器上的附接的定位辅助件高精度地引入到玻璃板中看起来是容易的。然而,该结构在其生产方面非常复杂,并且印刷电路板仅借助于到图像传感器的传统接头连接到照相机系统,使得在震颤或震动的情况下,图像传感器-印刷电路板连接的稳定性必须仅由接头来保证。



技术实现要素:

本发明的目的是提供一种照相机系统,该照相机系统在其生产方面简单且划算,并且仍然减少或避免了前面提及的、具体用于精确测量器具中的严重缺点中的至少一些,诸如测量值漂移、滞后效应以及难以预测误差。

这些目的至少部分由根据权利要求1的照相机系统或由如从属权利要求中再现的发展来实现。

这种照相机系统包括:物镜,该物镜具有镜筒且具有设置在镜筒中的至少一个物镜透镜;物镜保持器,该物镜保持器承载物镜;图像传感器;以及印刷电路板。印刷电路板和图像传感器以导电方式彼此连接,使得可以由穿过透镜撞击在图像传感器上的光来传输的电子信号为了处理目的而到达印刷电路板的电路。图像传感器和物镜可以以下方式相对于彼此设置:用物镜投影到图像传感器的图像可焦点对准地在图像传感器中成像。这里,物镜保持器和印刷电路板由热膨胀系数彼此偏差少于30%的材料制成。

在第一实施方式中,印刷电路板被制造为具有在aL=12*10-6/K到14*10-6/K区域中的在xy平面中的热膨胀系数的FR4板,并且物镜保持器由热膨胀系数类似地位于aO=10*10-6/K到16*10-6/K区域中的不锈钢生产,诸如例如在20℃-100℃下具有aO=10.5*10-6/K的铬钢1.4034(X46Cr13)。

在另一个实施方式中,印刷电路板包括上面设置有至少一个电路层的印刷电路板基板。电路层大体包括由电绝缘材料(诸如PA或FR4)制成的层和优选地由铜制成的印刷电路板的预定电路。印刷电路板基板由热膨胀系数aL与制造物镜保持器的材料的热膨胀系数aO偏差不超过30%(更佳地不超过25%,进一步更佳地不超过20%)的材料制成。这里,应理解的是,热膨胀系数aL、aO涉及近似-5℃至+90℃的温度范围。这里,而且,具有良好导电性的、用于印刷电路板基板的材料是特别优选的,诸如例如,铜或铝及其合金。

如果印刷电路板的热膨胀系数aL和物镜保持器的热膨胀系数aO彼此相差不超过30%(更佳地为不超过20%至25%),则可以避免印刷电路板与物镜保持器之间的热张力,所述张力会导致误差,具体地导致测量值漂移。如果如从现有技术已知的,物镜保持器和印刷电路板借助于旋入式连接来彼此连接,则这还可以抵消旋入式连接的松动。

当然,如果热膨胀系数aL(印刷电路板)与aO(物镜保持器)之间的差Δa小于10%甚至尽可能小,则更佳。如果热膨胀系数aL(印刷电路板)和aO(物镜保持器)相等(Δa=0),则是特别有利的;当然,实现这一点最容易的方式是通过将相同的材料用于印刷电路板基板和物镜保持器。换言之:印刷电路板基板的热膨胀系数aL与物镜保持器的热膨胀系数aO之间的差Δa应在于0≤Δa≤30%的区域内。

如果镜筒、物镜保持器以及印刷电路板基板各由热膨胀系数与至少一个物镜透镜的热膨胀系数偏差不超过30%(更佳地为不超过25%)的材料制成,则具体对于高度稳定的照相机系统是特别有利的。用示例的方式,如果至少一个物镜透镜由具有近似a=7*10-6/K的热膨胀系数的BK7制成,那么镜筒、物镜保持器以及印刷电路板基板例如可以由钛制成,因为钛具有近似a=8*10-6/K至9*10-6/K的热膨胀系数。

在另一个实施方式中,关注点被置于照相机芯片(=图像传感器)和印刷电路板基板的热适应。在该示例中,印刷电路板基板由热膨胀系数与图像传感器/照相机芯片的热膨胀系数偏差至多25%至30%的材料制成。通常,照相机芯片由具有热膨胀系数aB=2*10-6/K至3*10-6/K的硅制成。用于印刷电路板基板的合适材料的选择也满足对热稳定性的最高需求,诸如具有热膨胀系数aL=1*10-6/K至2*10-6/K的殷钢。在这种情况下,陶瓷和玻璃陶瓷是用于印刷电路板基板的其他可能材料。其中,膨胀系数通常由混合物组分的选择来独立设置。

前面提及的照相机系统的部件(即,物镜保持器;物镜透镜和镜筒(还被总称为物镜);印刷电路板基板和电路层(还被总成为印刷电路板))在组装状态下可以借助于下面更详细描述的连接类型彼此连接,或者它们仅用热稳定粘合连接的方式彼此连接,或者除了下面更详细描述的连接类型之外,它们还可以用热粘合结合到彼此的方式来彼此连接。为此,所采用的粘合剂具有与制造要连接的部件的材料的膨胀系数偏差不超过25%至30%的热膨胀系数,和/或粘合剂以以下方式来选择:它可以吸收由于要连接的部件的不同热膨胀系数而出现的热张力,因此尽管不同膨胀,部件也相对于彼此不移动,或者仅最小地移动。用示例的方式,这种粘合剂具有在aK=22*10-6/K到25*10-6/K区域中的热膨胀系数,并且优选地具有在75至95邵氏D的区域中的硬度。

有利地,生产物镜保持器或印刷电路板基板的材料是从以下的材料组选择的材料:Cu合金,诸如黄铜和青铜;不锈钢,具体为低合金不锈钢;镁合金;铝;铝合金,具体为锻造(wrought)铝合金,诸如例如EN AW-6061;另选地,还可以利用需要较复杂生产、由玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷制成的印刷电路板基板;这里,材料以以下方式来选择:以下适用于印刷电路板基板的材料的热膨胀系数aL与物镜保持器的材料的热膨胀系数aO的偏差ΔaL:0%≤ΔaL≤30%,更佳地为0%≤ΔaL≤20%,进一步更佳地为0%≤ΔaL≤10%。

如果印刷电路板基板由金属制成,则另外的效果是良好地耗散热量,这同样抵消热张力,因此抵消了热致误差。

如果另外可以良好地处理对于印刷电路板基板或物镜保持器选的材料,则也可以保持制造公差低,例如,适应具有小于10微米的公差范围的孔,这同样防止测量误差,而且抵消旋入式连接的松动。这里,良好处理具体地意指材料可以通过切割或机加工来良好地处理(即,例如,材料形成连续切屑或机加工处理(诸如车削、铣削、钻孔、抛光)期间可获得良好的表面质量或材料展示高边缘保持特性(边缘保持特性,参见例如DIN 6583))。

如果物镜保持器和印刷电路板借助于连接元件(螺钉、夹具、螺栓)彼此连接,则如果连接元件由热膨胀系数aV相对于物镜保持器的膨胀系数存在于0%≤Δa≤30%(更佳地为0%≤Δa≤20%,进一步更佳地为0%≤Δa≤10%)的区域中的材料生产,那么是同样有利的。

如果连接元件是夹具、铆钉、螺钉、双头螺栓、螺母等,并且如果这些元件如之前段落中描述的来具体实施,则如果垫圈和/或螺钉固定元件(诸如弹簧垫圈、史诺(Schnorr)垫圈等)由热膨胀系数相对于物镜保持器的膨胀系数存在于0%≤Δa≤30%的区域中的材料制成,则也是有利的。

如从现有技术已知的,图像传感器可以熔接或焊接到印刷电路板或其电路层上,或者借助于球栅阵列焊接到上面。然而,除了被实现为熔接连接之外,同样想得到任何其他类型的导电连接,诸如例如,导电粘合剂、导电橡胶、弹簧触点、柔性印刷电路板、接合线或插入式连接(THT)等、或其组合。

在照相机系统特别有利的变型例中,图像传感器借助于导电连接沿着其边缘连接到印刷电路板的电路层,其中电路层在图像传感器下方的区域中具有孔,并且该孔被位于边缘附近的导电连接包围。图像传感器借助于支撑元件穿过该孔固定连接到印刷电路板基板。这允许,实现图像传感器相对于印刷电路板的较稳定定位,并且与图像传感器仅借助于焊接连接等连接到印刷电路板的电路层的情况相比,并且通过印刷电路板,允许物镜保持器且据此相对于物镜精确地较稳定。

如果支撑元件由热膨胀系数相对于印刷电路板基板的热膨胀系数存在于0%≤Δa≤30%(更佳地为0%≤Δa≤20%至25%)的区域中的材料制成,则进一步使热效应最小化。如果支撑元件由与印刷电路板基板相同的材料制成,并且具体地如果它具有与印刷电路板基板一体的实施方式,则甚至进一步地使热效应最小化。

而且,如果印刷电路板基板和支撑元件由具有与物镜保持器大致相同(或实际上相同)的热膨胀系数的材料制成,但在任何情况下具有在0%≤Δa≤30%区域中的差Δa,则大致完全可以消除热致测量误差。

如果图像传感器借助于支撑元件连接到印刷电路板基板,则如上所述,图像传感器与支撑元件之间的连接有利地由焊接、熔接、胶合或热稳定粘合结合来实现。

特别有利的是将图像传感器以浮动方式安装在印刷电路板基板上,因为这具有关于热和机械应力的补偿效果。在这里被称为“浮动底座”的在两个部件之间(具体为图像传感器与印刷电路板基板之间)的连接的情况下,图像传感器借助于至多三个硬粘合剂点(更佳地仅借助于一个硬粘合剂点)牢固地连接到印刷电路板基板。可选地,而且,图像传感器可以借助于另外的软粘合剂点连接到印刷电路板基板。硬粘合剂点的数量以及在这种浮动底座的情况下是否使用软粘合剂点和使用多少软粘合剂点依赖于图像传感器的尺寸和制造图像传感器和印刷电路板基板的材料。这里,硬粘合剂点被理解为意指粘合剂点至少与软粘合剂点相比在固化状态下具有较高抗剪刚性的粘合剂点。

在这里被称为“浮动底座”的在两个部件之间的连接的特性通过选择粘合剂来确定,而且由粘合结合的几何结构来确定,例如由粘合剂间隙厚度、粘合剂点的数量和分布以及粘合结合和非结合的区域的比来确定。

依赖于预期印刷电路板满足的哪些,可以方便的设置仅在印刷电路板基板的一侧上具有电路层的印刷电路板或在印刷电路板基板朝着图像传感器的一侧和背离图像传感器的一侧都具有电路层的印刷电路板。还想得到具有一个或更多个印刷电路板基板且因此具有直接设置在彼此上方的多个电路层或具有至少部分由印刷电路板基板彼此分离的电路层的多层印刷电路板。

具有对称设计的印刷电路板是有利的,即,该印刷电路板具有例如由铝或铝合金或另一种金属制成或另外由陶瓷、玻璃、玻璃陶瓷制成的印刷电路板基板和在印刷电路板基板两侧中的每一个上设置到彼此上方的相等数量的电路层,其中,电路层包括优选地由具有0.035mm至0.02mm厚度的铜和具有例如0.05mm至0.8mm、具体为0.3mm、的较低厚度的电介质制成的电路。电介质优选地仅具有很少的没有纤维增强,并且例如是PA或FR4。用示例的方式,这种电路层中的5至8个甚至更多个可以在印刷电路板基板的各侧上设置到彼此上方。电路层被按压且粘合地结合在它们的整个区域上方。作为具有由此产生的抗剪刚性的复合材料的结果且作为电路层相对于印刷电路板基板的较低刚性的结果,电路层大致跟随印刷电路板基板的膨胀。

在另外有利的实施方式中,物镜保持器在用于容纳连接元件的附接凹部的区域中设置有定位凸缘,所述定位凸缘沿印刷电路板要被组装的方向突出且优选地以齐平方式延长附接凹部。印刷电路板中的附接开口以它们有利地以很少或无间隙(像例如具有H7/g6间隙配合)或通过压配合来容纳物镜保持器的凸缘的方式来构造。这里,还可以以部分压配合设置不同的几何,诸如例如,在具有适当匹配到彼此的直径或边缘长度的圆形附接开口中的正方形定位凸缘等。另选地或另外的,物镜保持器的定位凸缘可以粘合地结合到印刷电路板的附接开口中。这样,进一步改进了印刷电路板(具体地为印刷电路板基板)与物镜保持器之间的连接。

在另外的实施方式中,物镜保持器与印刷电路板基板均具有螺纹,通过螺纹它们可以旋入到彼此中。作为将这两个元件直接旋入到彼此的可能性而不是用螺钉和螺母的方式的结果,可以去除另外的误差源。

在另外的实施方式中,物镜保持器和印刷电路板基板熔接、焊接或粘合地结合到彼此。虽然不再可以以无损方式将元件彼此分离,但该连接的稳定性(还具体是连接的热稳定性)优秀。

如果物镜保持器和印刷电路板基板以一体方式来具体实施,则获得进一步更佳的结果。

将物镜粘合结合到物镜保持器的容纳开口中类似地具有误差减轻效果。

用示例的方式,具有在1.2W/mK至1.6W/mK区域中的良好热导率和在20*10-6K-1至27*10-6K-1区域中的热膨胀系数的、形式稳定的、双组分环氧粘合剂适于上面提出的各种粘合结合。依赖于期望的使用位置,有利的是使用在固化状态下相当软或硬的双组分粘合剂。对于物镜保持器与印刷电路板之间或物镜的镜筒与物镜保持器之间的粘合连接,可以利用具有在75至95邵氏D区域中硬度的那些粘合剂,进一步更佳地在80至85邵氏D区域中的硬度的那些粘合剂。

附图说明

下面基于在附图中描绘的示例性实施方式更详细地描述根据本发明的照相机系统。附图不是真比例,并且独立元件可以为了说明目的以夸大方式来描绘。在各种附图中,相同的部件由相同的附图标记来表示。说明仅是用示例的方式来进行,并且不具有限制效果。纯示意性地,在附图中:

图1示出了根据现有技术的照相机系统的截面图;

图2示出了根据本发明的照相机系统的第一实施方式的截面图;

图3同样在截面图中示出了图2所描绘的照相机系统的实施方式的变型例;

图4示出了图2所描绘的照相机系统的实施方式的另外变型例;

图5a、图5b在截面图中示出了印刷电路板基板的示例,其具有以浮动方式在上面安装的电路层或以浮动方式安装的图像传感器;

图6a、图6b在截面图中示出了两侧具有电路层的印刷电路板基板的示例;

图7同样在截面图中示出了照相机系统的另外实施方式;

图8基于如图2至图7描绘的照相机系统的截面图示出了根据本发明的另外措施;

图9基于如图5所描绘的照相机系统的截面图示出了根据本发明的还另外的措施;

图10至图12在截面图中示出了三个不同变型例中的照相机系统的另外实施方式;

图13a、图13b在截面图中示出了照相机系统的另外实施方式的两个变型例;以及

图14至图15在截面图中示出了两个不同变型例中的照相机系统的另外实施方式。

具体实施方式

图2描绘了根据本发明的照相机系统10的第一实施方式。该照相机系统包括设置有外螺纹14的物镜12。物镜12包括镜筒和设置在镜筒中的至少一个透镜,还被称为物镜透镜。透镜由玻璃或匹配预期使用照相机系统的测量器具的要求的任意其他光学透明介质制成。进一步地,照相机系统10包括具有用于容纳物镜12的容纳开口17的物镜保持器16,该容纳开口17在该示例中具有连续构造。容纳开口17设置有内螺纹,内螺纹不是必须为连续的,但可以为连续的。内螺纹和在内螺纹的区域中的容纳开口17的直径与物镜的外螺纹14的区域中的物镜12的外径匹配,使得物镜12可以在物镜螺纹14的帮助下旋入到物镜保持器16中。这里,经常利用具体具有很小螺纹间隙或优选地根本没有螺纹间隙的细牙螺纹。当物镜12旋入时,连续的容纳开口17连同物镜12的一部分形成在旋入物镜12的光轴13的方向上的、物镜保持器16中的凹部25,所述凹部可从位于与物镜12相对的侧接近,并且用来容纳图像传感器22。图像传感器22借助于导电连接24(具体借助于稳定焊接连接(诸如例如,借助于球栅阵列))连接到印刷电路板20。

在组装期间,上面固定有图像传感器22的印刷电路板20在位于物镜保持器16的与物镜12相反的一侧紧固到物镜保持器16,使得在在技术上可能的程度,紧固到印刷电路板20的图像传感器22优选地被设置为以其中心齐平,并且优选地垂直于光轴13地被设置为以其传感器平面对齐在凹部25中。为此,物镜保持器16在该示例中具有紧固凹部19,所述紧固凹部19在所示示例中被具体实施为螺纹孔18。印刷电路板20设置有连续附接开口21,连续附接开口21以以下方式设置:当以图像传感器22的中心固定到印刷电路板20的所述图像传感器被对齐为与物镜的光轴13齐平时,附接开口与物镜保持器16的附接凹部19齐平。印刷电路板20以及和它一起的图像传感器22在连接元件30’的帮助下在所述位置可拆卸地牢固连接到物镜保持器16。在这里所述的实施方式中,连接元件30’被具体实施为与螺纹孔18相互作用且由任意适宜材料制成的螺钉32’。可以如在图2的左手侧上描绘的用垫圈/螺钉固定元件50’(诸如对开垫圈、卡环、史诺(Schnorr)垫圈等)或如在图2的右手侧描绘的、略不那么方便地没有垫圈和/或没有螺钉固定元件(对开垫圈、史诺垫圈等)来实现借助于螺钉32’进行的附接。垫圈/螺钉固定元件50’在该示例中也由任意适宜材料来制成。

印刷电路板20有利地包括印刷电路板基板40和在其朝着图像传感器22的一侧上的电路层42,图像传感器22以导电方式连接在电路层。如在图2的左手侧上描绘的,电路层42在组装期间可以夹在印刷电路板基板40与物镜保持器16之间,或者电路层42如在图2的右手侧上描绘的可以具有此区域中的凹部48,使得物镜保持器16和印刷电路板基板40在该区域中接触彼此。

如可以从图2看出的,上面固定有图像传感器22的印刷电路板20在该示例中以以下方式连接到物镜保持器16:连续开口17或凹部25被印刷电路板20封锁。有利地,凹部25由此是防灰且防尘的,进一步更佳地关于水分紧紧密封。为此,还可以例如用密封橡胶、硅密封物、迷宫密封件(labyrinth seal)等进行提供适当密封。然而,还想得到的是凹部在组装之后不被印刷电路板密封,甚至以物镜保持器的小间隔固定在印刷电路板处,这在对应的要求下例如关于部件的可接近性是有利的。同样,电路层在这种情况下不受挤压,或者可以免除电路层中的对应凹部。

有利地,如图2所示,印刷电路板20具有电路层42,该电路层由电绝缘材料制成,该电路层具有印刷电路板的预定电路和可能另外的电气部件;和印刷电路板基板40,该印刷电路板基板由热膨胀系数aL与物镜保持器16的热膨胀系数aO偏差不超过25%至30%的材料制成。因此,避免了印刷电路板20与物镜保持器16之间的热张力,所述张力会导致误差,特别是导致测量值漂移。如果热膨胀系数aL(印刷电路板)与aO(物镜保持器)之间的差小于20%进一步更佳地小于10%或甚至尽可能小,则更佳。如果印刷电路板基板40由与物镜保持器16相同的材料制成,则是特别有利的。旋入式连接的松动也由该材料选择来抵消。

前面提及的测量误差还可以如例如图3所示的凭借选择由热膨胀系数aV也与物镜保持器的热膨胀系数aO尽可能类似的材料制成的连接元件30来抵消。这里同样,至多25%至30%(更佳地为至多10%)的膨胀系数差是方便的。就其本身而言,这已经是抵消旋入式连接的松动且因此抵消测量误差的方便措施。代替以螺钉32形式实现连接元件30(左手侧上的图3描绘),还想得到的是以螺纹栓33和螺母34(图3中右手侧的描绘)或贯穿螺栓和螺母、铆钉等的形式实现这些连接元件。然后,附接凹部19被对应地构造为依赖于要求设置有或未设置有或仅部分设置有螺纹的连续凹部19’(右手侧)。如果工作以螺纹栓33和螺母34或贯穿螺栓和螺母进行,则还可以在印刷电路板基板40设置螺纹31(参见图3中的右手侧、右下角)。再次,可以实现具有或没有垫圈/螺钉固定元件50的连接。这里,具有适应的热膨胀系数的适当材料选择对于垫圈/螺钉固定元件50也是有益的。

图4中描绘了如基于图2和图3描述的照相机系统10的发展。为了不仅抵消根源在于印刷电路板20与物镜保持器16之间的连接的测量误差(比较图2和图3的实施方式),图4所示的变型例中的图像传感器20再次被具体实施为SMD芯片,然而,该SMD芯片在这种情况下仅以导电方式沿着所述芯片的边缘连接到印刷电路板20的电路层42。电路层42在图像传感器22的下方具有孔28。图像传感器22借助于支撑元件43、44穿过该孔28来牢固连接到印刷电路板基板40,支撑元件43、44优选地由与印刷电路板基板40相同的材料制成,或者另外至少由具有与之非常类似的热膨胀系数的材料制成。支撑元件43、44被具体实施为优选地由焊接、熔接或粘合结合牢固连接到印刷电路板基板40的单独部件43(图4中的左手侧上描绘的),或者进一步更佳地,支撑元件具有与印刷电路板基板40一体的实施方式(支撑元件44,图4中的右手侧上描绘)。图像传感器22优选地同样由焊接、熔接或粘合结合连接到支撑元件43、44。作为图像传感器22到具有与物镜保持器16的材料非常类似(否则甚至相同)的热膨胀系数的材料的该直接连接的结果,可以进一步减轻热致测量误差。

如图3和图4所指示的,在这种情况下当然还可以用旋入、铆钉或螺栓连接的方式实现印刷电路板20与物镜保持器16之间的连接,其中,螺钉32’或螺栓和螺母由任何适宜材料制成(图4中的右手侧),或者其中,螺钉32或螺栓和螺母由具有与印刷电路板基板40的物镜保持器16的材料类似的膨胀系数的材料制成(图4中的左手侧)。可以再次用或不用垫圈/螺钉固定元件50来实现两个变型例。

如上面已经进一步描述的,图4还在右手侧上例示了电路层42在印刷电路板20与物镜保持器16之间的连接区域中具有凹部48。然而,在该示例中,物镜保持器16和印刷电路板基板40如在图2中的顶部中的不接触,但它们通过压阻间隔件46彼此分开并且保持距离,该距离在这种情况下近似对应于电路层的厚度。这样,可以防止电路层在印刷电路板连接到物镜保持器16时被挤压。然而,间隔件48当然还可以以以下方式来选择:垫片保持印刷电路板20和物镜保持器16彼此间隔更大的距离,使得例如图像传感器22可保持更佳地接近。

图5a示出了借助于浮动底座41连接到印刷电路板基板40的电路层42。以浮动方式安装意指电路层42借助于多达三个硬粘合剂点34(这里仅描绘在中心设置的硬粘合剂点34(这是优选变型例))牢固连接到印刷电路板基板40。图5a同样描绘了借助于软粘合剂点36进行的、在电路层42与印刷电路板基板40之间的可选可能另外连接。依赖于电路层42的尺寸且依赖于电路层42和印刷电路板基板40的材料,需要超过一个硬粘合剂点34且不需要软粘合剂点36、仅一些软粘合剂点36或许多软粘合剂点36。将电路层42紧固到印刷电路板基板40上的该方式减轻可能由于热张力引起的误差,并且该紧固方式对于这些文献中描述的所有印刷电路板是可以的。印刷电路板40与电路层42之间差不多整个区域的粘合结合同样对于这里描述的所有印刷电路板是可以的。

如图5a中对于电路层42描绘并说明的、具有硬和软粘合剂点34/36的浮动底座41还可类似有利地用于图像传感器22与印刷电路板基板40之间的连接(参见图5b)。

图6a描绘了具有以对称方式在两侧上设置有电路层42、42’的印刷电路板基板40的印刷电路板20。然而,如图6b描绘的,还可以在各侧上设置两个或更多个电路层24a、24b、24c、24d......;24'a、24'b、24'c、24'd.......,电路层的数量有利地在两侧上相同。这样,可以避免例如如从双金属材料已知的、可能导致印刷电路板20的机械弯曲的热张力。为此,如这里图6a和图6b所示的印刷电路板20还优选地用于这里讨论的照相机系统10。图7和图9中也描绘了这一点的示例。通常,电路层差不多在整个区域上粘合地结合和/或压到彼此。然而,如在图6a/图6b的右手侧上分别描绘的、与印刷电路板基板40紧邻的、电路层42/42’或42a、42’a的印刷电路板基板40上的浮动底座41在这里同样是可以的。

如刚刚说明的,在图7描绘的实施方式中,印刷电路板基板40在其朝着图像传感器22的一侧上具有电路层42,并且在其背离图像传感器22的一侧上具有另外的电路层42’。这依赖于应由印刷电路板20满足的要求可以是方便的,正如多层印刷电路板(这里未描绘,参见上面描述)。图像传感器22与朝着它的电路层42的导电连接如同来自图2和图3的示例地实施(参见图7,左手侧),但该连接在这里还可以再次联系图像传感器22借助于支撑元件43/44借助电路层42的孔28附接在印刷电路板20的印刷电路板基板40上(参见图7,右手侧)。物镜保持器16与印刷电路板20之间的连接再次由螺钉32来实现,其中,要么再次挤压电路层42、42’(参见图7的左手侧上的例示),或者另外在图像传感器22的一侧上由凹部48中的间隔件46且在相对侧上凭借设置在附接开口周围的凹部48’避免挤压(如图7的右手侧上描绘的),例如具有匹配厚度的间隔件/螺钉剪切50、50’嵌入到凹部48’中且由此同时也能够充当垫片。

图9以放大图描绘了照相机系统10的另外变型例的一部分。这里,印刷电路板20被描绘为具有印刷电路板基板40和两个互相相对的电路层42、42’的印刷电路板20,其中,图像传感器22以导电方式借助于球栅阵列连接到印刷电路板20朝着它的电路层42。然而,理解,可以实现上面列出的、印刷电路板以及印刷电路板20与图像传感器22之间的附接或电连接24的所有变型例,包括具有支撑元件43、44的变型例。同样,可以实现印刷电路板20与物镜保持器16之间的连接的所有上述变型例。

这里示出的、特定于印刷电路板20与物镜保持器16之间的连接的是物镜保持器16在用于容纳连接元件30、30’的附接凹部19、19’的区域中具有定位凸缘15,所述定位凸缘15在组装印刷电路板20的方向上从实际的物镜保持器突出,并且优选地包围凹部19、19’,或者在组装印刷电路板的方向上齐平地延长凹部。印刷电路板中的附接开口21如在图9中的左手侧上例示的以以下方式来构造:它们以非常小的公差例如H7/h6来容纳这些定位凸缘15,或者进一步更佳地以压配合的形式来容纳这些凸缘。这里还想得到具有已定义变形区域的几何,因此,例如,圆柱体被压到矩形孔中,因此,所需施加的力对于该部分按压比对于正常压配合低。具体对于激光准直仪,对于更佳的公差平衡还想得到具有星形形状压花的孔。这样,进一步改进印刷电路板20(具体地为印刷电路板基板40)与物镜保持器16之间的连接。

图9的右手侧上描绘了另外的选项(在该选项中,附接开口21和定位凸缘15的制造公差可能稍高)。这里,定位凸缘15的外侧和/或附接开口21的内侧设置有缓慢固化的粘合剂58。如果连接借助于连接元件30、30’来建立且粘合剂58固化,则印刷电路板20和物镜保持器16粘合地结合到彼此,并且大致排除印刷电路板20相对于物镜保持器16的位移。

发现与由铝或铝合金制成的物镜保持器和同样由尽可能近似的铝和铝合金制成的印刷电路板基板具有关于热稳定性的非常方便的连接,这些元件借助于具有与铝或铝合金的热膨胀系数尽可能类似的热膨胀系数的粘合剂来连接。

用于避免测量误差的又一个措施可以在必须由照相机系统10捕获的距离变化较小的测量器具中实现。物镜14粘合地结合到物镜保持器16中,确切地讲,使用照相机系统10的另外变型例的部分如图8所示的在所需成像距离处在图像传感器22上产生锐利图像的位置处粘合地结合到物镜保持器。为此,例如,向物镜保持器16的容纳开口17的内螺纹和/或向物镜12的外螺纹14涂敷缓慢固化的粘合剂60。物镜14在以下位置处旋入到物镜保持器16中:在所需成像距离处在图像传感器22上产生锐利图像,并且物镜被留下为安置在那里直到粘合剂60固化为止。当然,如果物镜插入到物镜保持器的滑合座中而不是旋入到物镜保持器中,则物镜还可以如为本领域技术人员已知的以类似方式粘合地结合,并且进入聚焦位置。

有利地,对于前面提及的所有粘合结合,在各情况下使用粘合剂58/60,该粘合剂能够吸收由于彼此邻接的材料之间的热膨胀的差异而产生的张力,使得所述粘合剂能够补偿这些材料的不同膨胀。

当然,进一步更佳的是使用具有相同或非常类似的热膨胀系数的材料对,并且借助于具有与这些材料类似的膨胀系数的粘合剂将这些材料对粘合地结合到彼此。由此,例如,如上所述,将非常有利的是由相同的材料(诸如例如,由铝或相同Al合金)制造物镜和物镜保持器,并且使用双组分环氧粘合剂将物镜和物镜保持器粘合地结合到彼此。

图10示出了以下实施方式:物镜保持器16在位于与物镜12相对的端处在其外侧和内侧具有圆柱形实施方式,因此在该圆柱区域具有外螺纹78和内螺纹74。印刷电路板20的印刷电路板基板40具有稍微较厚的实施方式,并且装配有具有内螺纹和外螺纹72、76的对应槽状凹部68,内螺纹和外螺纹具有镜面翻转实施方式,使得物镜保持器16可以旋入到印刷电路板20中,或者印刷电路板20可以旋到物镜保持器16上。还理解,仅内螺纹76或仅外螺纹72可以设置在槽68中,对应的螺纹74、78设置在物镜保持器16处。图像传感器22相对于该旋入连接以本身已知的方式中心地连接到印刷电路板20的电路层42。在该示例中,具有图像传感器22的印刷电路板42借助于借助印刷电路板基板40引导的电连接26在印刷电路板基板40的相对侧上连接到电路层42’。导电连接26经由印刷电路板基板40中的连续开口来实现,借助该开口引导绝缘电缆,或者该开口为了其壁上的已定义电接触的目的而由绝缘漆涂敷且然后用导电材料(诸如导电塑料、导电粘合剂、导电漆、导电焊料)填充。

图11描绘了来自图10的照相机系统10的变型例,印刷电路板20在这种情况下具有外螺纹72在中心的圆柱形模具的类型,所述圆柱形模具承载图像传感器22,并且上面旋有具有内螺纹74的物镜保持器16。此外,在该实施方式中在物镜保持器16的腔25中以示例性方式设置滤光片9,所述滤光片布置在照相机系统的光路中的图像传感器22的上游。用示例的方式,该滤光片9可以为IR滤光片、灰色滤光片或任意其他滤光片等。

图12中描绘了来自图10的照相机系统10的另外变型例,其中,在印刷电路板基板40的该变型例中,内螺纹76位于中心的一种圆柱形凹陷用来容纳具有对应外螺纹78的物镜保持器16。

在图13a和图13b所示的照相机系统10的实施方式中,物镜保持器16和印刷电路板20熔接到彼此。在图13a所示的变型例中,印刷电路板基板40该实施方式中仅在其背离物镜12的一侧上具有电路层42。如已经对于图10描述的,设置在凹部25中的图像传感器22直接固定在印刷电路板基板40上,并且用电连接26的方式连接到该电路层42。图13b中的变型例大致具有相同的实施方式,唯一的不同在于物镜保持器16和印刷电路板基板40在该变型例中粘合剂地粘合到彼此,并且印刷电路板基板40在图像传感器22下方的区域中也具有电路层42’。图像传感器22到印刷电路板20或印刷电路板基板40的附接可以被实现为也为上述“浮动底座”形式的导电粘合结合。然而,依赖于要求,同样想得到的是借助于球栅阵列建立图像传感器22与印刷电路板20之间的连接。在朝着物镜12的一侧上,印刷电路板基板可以具有如之前在图13a、图13b中的左手侧上分别描绘的平坦实施方式,或者它在中心可以具有如在图13a、图13b中的右手侧上分别描绘的、用于容纳图像传感器22的隆起。

在如图14和图15描绘的还另外的实施方式中,物镜保持器16和印刷电路板基板40具有一体的实施方式,图14中的印刷电路板基板40至少在其朝着物镜12的表面上具有电路层42,并且定界凹部25,所述电路层42导电地连接到固定在凹部25中的图像传感器22。作为被引导穿过印刷电路板基板40的导电连接26的结果,设置在图像传感器22下方的该电路层42具有到附接在印刷电路板基板40的相对侧上的另外电路层42’的导电连接。滤光片9在该实施方式中以示例性方式(例如由粘合结合)直接应用于图像传感器22。用示例的方式,该滤光片9可以为IR滤光片、灰色滤光片或任意其他滤光片等。

图15中的变型例具有与图14的实施方式大致相同的实施方式,唯一的不同在于:与图14中不同,没有电路层设置在图像传感器22下方。相反,以类似于图13a的变型例的方式提供到印刷电路板基板40位于与图像传感器22相对的一侧上的电路层42的电连接26。如由附图标记26指示的,该导电连接可以被引导穿过印刷电路板20或至少部分穿过印刷电路板基板40,或者如由虚线26’指示的,导电连接可以被横向地引导穿过物镜保持器16。如在图15的实施方式中指示的,还可以凭借物镜12不借助于螺纹连接到物镜保持器16且然后可能仍然粘合地结合到物镜保持器来实现这种照相机系统10,相反凭借物镜12插入物镜保持器16的滑合座17’来实现这种照相机系统。如果物镜12被设计为也含有透镜和/或另外光学元件(诸如例如,滤光片)的镜筒,则这特别为真。然后,物镜12例如可以由夹紧机构或卡口封闭等来固定在物镜保持器中,并且依赖于对照相机系统的需求,物镜还可以可选地另外粘合地结合。

如从各种例示锐利显现的,基于附图描述的、用于使照相机系统的误差最小化的独立措施可以以非常不同的方式彼此组合。对本领域技术人员清楚的是:所述实施方式或基于示例性实施方式描述的细节可以在由权利要求定义的保护范围内彼此组合以及如何组合。然而,出于空间的原因,无法通过附图来例示和/或详细描述所有可能且有意义的组合。

再多了解一些
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