(57)【要約】  本発明は、電磁放射線に対する感応面を持つ半導体素子、及び半導体素子の感応面（画像センサ、又はカメラチップ特にＣＣＤ又はＣＭＯＳ）へ電磁放射線を投射するレンズを含む光学モジュールに関する。レンズは、なるべく少なくとも１つのレンズ素子及びレンズ素子保持体を含んでいる。光学モジュールにおいて、レンズと半導体素子の感応面との間の空間又はレンズの個々のレンズ素子の間で光路の全断面に、２つの部分範囲を持つ光学素子が設けられている。光学素子の第１の部分範囲により、半導体素子の感応面の第１の範囲に、第１の距離範囲（近接範囲）が写像され、光学素子の第２の部分範囲により、半導体素子の感応面の第２の範囲に、第２の距離範囲（遠隔範囲）が写像される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射線に対する感応面（１４）を持つ半導体素子（４）、及び半導体素子（４）の感応面（１４）へ電磁放射線を投射するレンズ（１）を含む光学モジュールにおいて、レンズ（１）と半導体素子（４）の感応面（１４）との間の空間又はレンズの個々のレンズ素子の間で光路の全断面に、少なくとも２つの部分範囲（１１ａ，１１ｂ）を持つ光学素子（１１）が設けられ、従って光学素子（１１）の第１の部分範囲（１１ａ）により、半導体素子（４）の感応面（１４）の第１の範囲に、第１の距離範囲（８）が写像され、光学素子（１１）の第２の部分範囲（１１ｂ）により、半導体素子（４）の感応面（１４）の第２の範囲に、第２の距離範囲（９）が写像されることを特徴とする、光学モジュール。
【請求項２】
光学素子（１１）が異なる厚さの少なくとも２つの平行平面の部分範囲（１１ａ，１１ｂ）を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の光学モジュール。
【請求項３】
光学素子（１１）が、異なる屈折率の材料を持つ少なくとも２つの部分範囲を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の光学モジュール。
【請求項４】
光学素子（１１）が、第１の部分範囲（１１ａ）に収束レンズの一部を含み、第２の部分範囲（１１ｂ）に平行平面の板を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の光学モジュール。
【請求項５】
光学素子（１１）の平らな面が半導体素子（４）の感応面を覆っていることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の光学モジュール。
【請求項６】
光学素子（１１）の薄い方の部分範囲（１１ａ）が、半導体素子（４）の感応面（１４）から遠い方の側に設けられ、スペーサ（２４，２４′）が薄い方の部分範囲（１１ａ）の下に設けられることを特徴とする、請求項２に記載の光学モジュール。
【請求項７】
スペーサ（２４）が、薄い方の部分範囲（１１ａ）の外側の下にＵ字状に延びていることを特徴とする、請求項６に記載の光学モジュール。
【請求項８】
光学素子（１１）の薄い方の部分範囲（１１ａ）が、可視範囲の外側で光学素子（１１）の厚い方の部分範囲（１１ｂ）を完全に包囲し、スペーサ（２４，２４′）が感応面と光学素子（１１）との間の範囲を枠状に包囲していることを特徴とする、請求項６に記載の光学モジュール。
【請求項９】
スペーサ（２４′）が半導体素子（４）を密封する封止用コンパウンド用の枠として構成されていることを特徴とする、請求項８に記載の光学モジュール。
【請求項１０】
車両の内部空間内で走行方向において前窓ガラス（５）の後にある光学モジュールが、外部空間を検出するように設けられていることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の光学モジュール。
【請求項１１】
前窓ガラス（５）の外側が、光学素子（１１）の第１の部分範囲（１１ａ）により集束されて半導体素子（４）の感応面（１４）の第１の範囲に写像され、車両の前の範囲が、光学素子（１１）の第２の部分範囲（１１ｂ）により半導体素子（４）の感応面（１４）の第２の範囲に写像されるように、レンズ（１）及び光学素子（１１）が設定されていることを特徴とする、請求項１に記載の車両。
【請求項１２】
画像が半導体素子（４）の感応面の第１の範囲により評価され、前窓ガラス（５）上の雨及び／又は汚物粒子が識別され、出力信号が窓拭き制御装置及び／又は窓浄化制御装置へ与えられることを特徴とする、請求項１１に記載の車両。
【請求項１３】
照明源が設けられて、前窓ガラス（５）を通して視野（１０）の範囲（９）を照らし、この範囲（９）が半導体素子（４）の感応面の第１の範囲に写像されることを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の車両。
【請求項１４】
照明源の光線が可撓導光体を介して前窓ガラス（５）へ導入されることを特徴とする、請求項１３に記載の車両。
【請求項１５】
前窓ガラス（５）を通る視野（１０）の範囲（９）が、赤外線波長範囲の光で照らされ、光学素子（１１）の第２の部分範囲（１１ｂ）が、赤外線波長範囲における透過を抑制するフィルタで被覆されていることを特徴とする、請求項１３又は１４に記載の車両。
【請求項１６】
容量性雨センサが付加的に車両に設けられ、共通な評価装置がカメラに基づく容量性雨センサの信号を評価することを特徴とする、請求項１２〜１５の１つに記載の車両。
【請求項１７】
前窓ガラス（５）と前窓ガラス（５）の外側の写像のレンズ側光路にあるレンズ（１）との間に楔板が設けられていることを特徴とする、請求項１１〜１６の１つに記載の車両。
【請求項１８】
楔板が、特定の波長範囲を抑制するフィルタ被覆で被覆されていることを特徴とする、請求項１７に記載の車両。
【請求項１９】
散乱光抑制のため、楔板の上側が黒くされていることを特徴とする、請求項１７又は１８に記載の車両。
【請求項２０】
導入される電磁放射線を遮断する遮断素子が前窓ガラス（５）に固定的に接触して設けられて、電磁放射線が半導体素子（４）の感応面の第１の範囲に写像されるようにしていることを特徴とする、請求項４〜１９の１つに記載の車両。
【請求項２１】
遮断素子が、特定の波長範囲を抑制するフィルタ被覆で被覆されていることを特徴とする、請求項２０に記載の車両。
【請求項２２】
遮断素子が、レンズ（１）に近い方の側に曇った表面を持っていることを特徴とする、請求項２０又は２１に記載の車両。
【請求項２３】
遮断素子が、近接範囲写像（９）により検出される前窓ガラス（５）の視野の部分範囲を覆っていることを特徴とする、請求項２０〜２２の１つに記載の車両。
【請求項２４】
少なくとも２つの部分範囲（１１ａ，１１ｂ）を持つ特定数の同種の光学素子（１１）の製造方法であって、第１の厚さの第１のガラス薄片（３０）が特定数の切欠き（２９）を持ち、第１のガラス薄片（３０）が第２の厚さの第２のガラス薄片（３１）で覆われ、かつこれに結合され、
組合わされる薄片の鋸引き（３２）により、異なる厚さの少なくとも２つの平行平面の部分範囲（１１ａ，１１ｂ）を持つ特定数の個々の光学素子（１１）が生じる
方法。
【請求項２５】
電磁放射線に対する感応面（１４）を持つ半導体素子（４）を支持体（２０）に結合し、接着剤（１７）による２焦点写像のため少なくとも２つの部分範囲（１１ａ，１１ｂ）を持つ光学素子（１１）を、半導体素子（４）上に取付け、
例えば封止用コンパウンド（１８）により、支持体（２０）、半導体素子（４）、接着剤（１７）及び光学素子（１１）の結合範囲を密封し、
レンズ（１）のレンズハウジング（２７）の下側又は支持体（２０）上に接着剤（２５）を取付け、
レンズ（１）を支持体（２０）上に乗せ、配置を調節して、電磁放射線がレンズ（１）及び光学素子（１１）を通って半導体素子（４）の感応面（１４）へ達するようにし、
レンズ（１）及び支持体（２０）の調節された配置において接着剤（２５）を硬化する段階を含む、光学モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】    本発明は、車両におけるカメラシステムとしてかつ運転者援助システム用周辺センサとして使用できる光学モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】  知的運転者援助システムは、例えば交通事件において種々の物体を確認するため、周辺センサとしてカメラシステムをしばしば使用する。カメラシステムはしばしば車両の前窓ガラスの後ろに設けられ、これを通して見る。その例は、車道標識、夜でも見えるカメラ、又は光学間隔センサとしてのステレオカメラである。これらすべての光学センサは、誤差のある測定信号を避けるため、特に前窓ガラスを通して明確に見ることを必要とする。カメラシステムの画像データの評価によって実現される機能の数及び質は、近年高められた。現在の運転者援助システムは、知的光制御、速度制限用交通標識の確認及び車線維持援助を組合わせる車両において使用され、周辺センサとして１つの共通なカメラが使用される。【０００３】  ドイツ連邦共和国特許第１０２００４０３７８７１号明細書は、自動車の走行方向において前の外部空間を検出するカメラシステムを示している。車両カメラのレンズ前の部分視野に補助レンズを設けることによって、遠隔範囲（道路光景）及び近接範囲（前窓ガラス）が１つの画像センサに写像される。近接範囲は、部分補助レンズ又は部分近接レンズにより、場合によってはビームスプリッタ又は半透明の鏡によっても写像可能である。１つの画像センサを、外部空間援助機能及び雨機能のために交通に使用することも提案される。このカメラシステムの欠点は、付加的な補助レンズ及び場合によっては用いられるビームスプリッタ又は半透明の鏡が高価であり、他の光学部品へ正確に合わせることを要求することである。これによりカメラシステム全体の安定性が低下する可能性がある。補助レンズの位置ぎめが、カメラ画像における強いぼやけを生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  本発明の課題は、カメラセンサ用の安価で安定な信頼できるレンズを提示することである。本発明の別の課題は、同時にカメラシステムにより検出される画像データの信頼性を高めるか又は保証し、１つのカメラシステムによりそれ以外の援助機能を実現又は可能にすることである。
【課第を解決するための手段】
【０００５】  本発明による光学モジュールは、電磁放射線に対する感応面を持つ半導体素子、及び半導体素子の感応面へ電磁放射線を投射するレンズを含む。従って半導体素子は画像センサ又は特にＣＣＤ又はＣＭＯＳとしてのカメラチップであり、印刷配線板上に設けることができる。レンズはなるべく少なくとも１つのレンズ素子及びレンズ保持体を含んでいる。光学モジュールには、レンズと半導体素子の感応面との間の空間又はレンズの個々のレンズ素子の間で光路の全断面に、少なくとも２つの部分範囲を持つ光学素子が設けられている。半導体素子の感応面に達するすべての電磁放射線が光学素子を通る。光学素子の第１の部分範囲により、半導体素子の感応面の第１の範囲に、第１の距離範囲（例えば近接範囲）が写像され、光学素子の第２の部分範囲により、半導体素子の感応面の第２の範囲に、第２の距離範囲（遠隔範囲）が写像される。
【０００６】  換言すれば、電磁放射線に対する感応面を持つ半導体素子、及び電磁放射線を半導体素子の感応面へ投射するレンズを持つ光学装置が提示され、レンズと半導体素子の感応面との間又はレンズの個々のレンズ素子の間に光学素子が設けられ、光学素子が２つの部分範囲を持ち、製造の際これらの部分範囲の光学特性が、第２の部分範囲の透過後半導体素子の感応面に２つの独立した集束範囲を鮮明に写像できるように、設定可能である。光学素子が直接画像センサ上に設けられているので、光学素子は画像センサの全光学範囲にわたって延び、レンズ及び画像センサにより２焦点又は多焦点画像を可能にする。
【０００７】  好ましい実施形態では、光学素子が異なる厚さの少なくとも２つの平行平面の部分範囲を含んでいる。この場合光学素子は段付けされている。
【０００８】  有利な構成によれば、光学モジュールの光学素子が、異なる屈折率の材料を持つ少なくとも２つの部分範囲を含んでいる。この場合モジュールの部分範囲の厚さを段付けする代わりに、光学素子例えば平行平面の透明な板内の材料変化により部分範囲が実現される。
【０００９】  両方の変形例において、少なくとも２つの異なる焦点深度範囲がカメラ画像において可能にされる。光学素子は、素子の異なる特徴の部分範囲により、平行でない光路の異なる軸線方向ずれを生じる特性を持っている。
【００１０】  光学素子はなるべく１つの部分から作られているが、少なくとも２つの個別素子から組合される素子であってもよく、これらの個別素子が光学素子の部分範囲を規定する。光学素子が１つの平行下面の板又は互いに結合される２つの平行平面の板（異なる厚さ）であるのがよい。
【００１１】  別の実施形態では、光学モジュールの光学素子が、第１の部分範囲に収束レンズの一部を含み、第２の部分範囲に平行平面の板を含んでいる。両方の部分範囲の結合線は遠隔範囲写像及び近接範囲写像の限界を表す。湾曲した表面を持つ光学素子の第１の部分範囲により、近接範囲写像光路が、付加的に視準される。第２の部分範囲にある平行平面の板により、遠隔範囲写像光路が、付加的に発散される。こうして近接範囲及び遠隔範囲の鮮明な写像が同じ写像面で行われる。
【００１２】  光学素子の平らな面が半導体素子の感応面を覆っているように、光学モジュールの光学素子が設けられているのがよい。段付けされる光学素子の場合、段付け部が半導体素子から遠い方の側にある。これにより例えば半導体素子又は印刷配線板又は支持体への光学素子の安定な取付けが可能になる。光学素子は、従来のカメラシステムにおいて行われるように、覆いガラスの機能も引受ける。
【００１３】  前述した構成の代わりに、段付けされる光学素子において、光学素子の薄い方の部分範囲が、半導体素子の感応面から遠い方の側に設けられている。この場合スペーサが薄い方の部分範囲の下に設けられる。この薄い方の部分範囲が画像センサの視野外に設けられ、光学素子の安定な取付けを可能にする。こうして光学素子は連続面を半導体素子の方へ向けられて、光学素子にある幾何学的移行部の前にある連続面を電磁放射線が通過し、システムの写像光路が光軸上の位置にある縁へ達し、この位置は、写像の質及び移行区域の広さに対して、逆の場合（写像光路の直径が小さい）におけるより有利である。
【００１４】  有利な構成では、スペーサが、光学素子の薄い方の部分範囲の外側の下にＵ字状に延びている。スペーサは、半導体素子及び光学素子を密封する封止用コンパウンドが半導体素子と薄い方の部分範囲との間へ侵入するのを防止するのに役立つ。
【００１５】  光学モジュールの好ましい実施形態では、光学素子の薄い方の部分範囲が、可視範囲の外側で光学素子の厚い方の部分範囲を完全に包囲するように構成されている。スペーサが感応面と光学素子との間の範囲を枠状に包囲している。
【００１６】  有利な展開では、スペーサが半導体素子を密封する封止用コンパウンド用の枠として構成されている。それにより封止用コンパウンドの広がりが空間的に限定されている。
【００１７】  本発明は、本発明による光学モジュールを持つ車両に関し、車両の内部空間内で走行方向において前窓ガラスの後にある光学モジュールが、外部空間を検出するように設けられている。
【００１８】  好ましい実施形態では、前窓ガラスの外側が、光学素子の第１の部分範囲により集束されて半導体素子の感応面の第１の範囲に写像され、車両の前の範囲が、光学素子の第２の部分範囲により半導体素子の感応面の第２の範囲に写像されるように、レンズ及び光学素子が設定されている。
【００１９】  好ましい展開では、カメラに基づく雨センサが車両に設けられている。画像が半導体素子の感応面の第１の範囲により評価され、前窓ガラス上の雨及び／又は汚物粒子が識別される。活動のための出力信号が窓拭き制御装置及び／又は窓浄化制御装置へ与えられる。それ以外の有利な機能がカメラに基づく両センサによって可能である。特に速度制限がしばしば“雨では”のような付加符号を持っている。カメラに基づく交通標識を認識できるが、さしあたって雨が降っているか否か、及びその場合どれ位の強さであるかについての情報は存在しない。本発明による雨センサはこれらの情報を供給することができ、本発明による光学素子に基いて、同じカメラ又は同じ光学モジュールで、交通標識確認のように動作する。両方の援助機能の間のデータ交換も問題なく有利に行われる。
【００２０】  好ましい構成では、照明源が設けられて、前窓ガラスを通して視野の範囲を照らし、この範囲により近接範囲の写像が行われ、即ちこの範囲が半導体素子の感応面の第１の範囲に写像される。近接範囲を赤外線光で照らすと有利である。照明源がシャッタにより有利に制御され、特に半導体素子の全感応面の可変照明時間で、又は特に近接範囲の写像が行われる有効面の部分範囲のために制御される。
【００２１】  照明源の光線が特に可撓導光体を介して前窓ガラスへ導入される。適当な可撓導光体は例えば透明なシリコーンである。部分放射エネルギは、ガラスに取付けられる吸収素子を介して熱に変換され、この熱が前窓ガラス部分面の加熱に用いられる。吸収素子として使用される加熱線は、同時に自動車の走行方向へ放射される光の遮断素子として役立つ。
【００２２】  好ましい実施形態では、光学素子の第２の部分範囲の少なくとも片側のフィルタ被覆が設けられ、その波長フィルタが近接範囲を照明する照明源により使用される。前窓ガラスを通る視野の範囲が、赤外線波長範囲の光で照らされ、光学素子の第２の部分範囲が、赤外線波長範囲における透過を抑制するフィルタで被覆されている。この波長範囲は運転者及び他の道路使用者によっては認められない。半導体素子の感応面は同時に赤外線範囲に対して非常に高い感度を持ち、それにより比較的小さい赤外線強さで近接範囲の照明が可能である。照明源の取付けは複数の範囲において可能である。照明は連続的に又は周期的に行うことができる。正弦波状の強度推移を持つ周期的照明又はパルス状照明は、遠隔範囲の画像における外乱の影響を回避するため又は緩和するために好ましい。
【００２３】  カメラに基づく両センサに加えて、有利な構成では、容量性雨センサが付加的に車両に設けられる。容量性雨センサ及びカメラに基く両センサの信号は共通な評価装置により評価される。両方のセンサ形式は非常によく補足し合い、組合わせにおいてすぐれた識別特性を与える。容量性雨センサは透明な膜又はシリコーンクッション中の導体条片として構成され、電子装置はカメラに基く雨センサ用の照明モジュールに統合される。
【００２４】  カメラに基く雨センサは例えば微細な霧雨において利点を持ち、容量性雨センサは変化する容量による信号変化を殆ど受けない。これに反し容量性雨センサは例えば前窓ガラス上の全面水膜の場合利点を持ち、強い容量変化のため雨を確実に検出でき、一方カメラに基く雨センサは画像にある僅かな縁を発見し、それから雨滴を推論する。
【００２５】  本発明の有利な構成では、前窓ガラスと前窓ガラスの外側の写像のレンズ側光路にあるレンズとの間に楔板が設けられている。楔板は、電磁放射線を、遠隔範囲写像の視野により透過される前窓ガラスの範囲から、近接範囲の視野へ偏向する。楔板は、２つの平面又は１つの平面及び非平面により、又は２つの非平面により規定される。非平面は球面、非球面又は微細構造化面を意味する。楔板は特に透明なプラスチックから成っていてもよい。楔板は、厚い端部が上にあり、薄い端部が下にあるように、設けられている。それにより近接範囲写像の光路が上方へ偏向される。楔板は、遠隔範囲写像の光路の下部範囲又はその下に有利に設けられている。
【００２６】  楔板が、特定の波長範囲例えば可視波長範囲を抑制するフィルタ被覆で被覆されていると有利である。散乱光抑制のため、楔板の上側が黒くされていると有利である。楔板を使用する場合の利点は、前窓ガラスの必要な黒印刷部分が小さく、また光学モジュール又はカメラシステムの寸法が小さいことである。
【００２７】  好ましい実施形態では、車両が照明源を含み、この照明源の電磁放射線が導入素子（例えば可撓導光体）を経て前窓ガラスへ導入される。遮断素子が設けられて、接着又は押付けにより前窓ガラスに固定的に接触している。前窓ガラスに水滴がないと、導入される電磁放射線が前窓ガラス内で全反射される。遮断素子により、放射線が光学モジュールの方向に遮断され、近接範囲写像の範囲（雨識別用部分範囲）において画像センサへ写像される。水滴が前窓ガラス上にあると、導入される電磁放射線の一部が水滴により遮断され、もはや遮断素子へ全反射されない。従って前窓ガラス上における水滴の存在及び雨量が、湿った前窓ガラスと比較して乾いた前窓ガラスにおいて遮断される強度の信号差として求められる。
【００２８】  遮断素子が、特定の波長範囲例えば可視波長範囲を抑制する特別のフィルタ被覆で被覆されているのがよい。
【００２９】  遮断素子が、レンズに近い方の側を適当な表面処理により曇りガラスとして構成されているのが有利であり、曇りガラス板面が近接範囲写像の物体面に位置ぎめされている。
【００３０】  遮断素子が、近接範囲写像により検出される前窓ガラスの視野の所定の部分範囲のみを覆っている。それにより雨滴により遮断される信号の差測定も、他の部分範囲においてレンズにある滴により散乱される信号成分も測定することができる。両方の測定方法は、組合わせてガラスの濡れの正確な測定を可能にする。
【００３１】  本発明は、更に異なる厚さを持つそれぞれ少なくとも２つの平行平面の部分範囲を持つ複数の本発明による光学素子の製造方法に関する。第１の厚さの第１のガラス薄片又は透明な材料から成る第１の板が、適当な複数の切欠きを持っている。この場合製造すべき各光学素子のために、少なくとも１つの切欠きを生じることが意図されている。第１のガラス薄片が、第２の厚さの第２のガラス薄片又は透明な材料から成る第２の板により覆われかつ結合される。こうして両方の薄片又は板が互いに合わされ、かつ例えば互いに接着される。組合わされた薄片の鋸引き縁に沿う鋸引きにより、異なる厚さの少なくとも２つの平行平面の部分範囲が生じる。この製造方法は、半導体製造又は微小光学素子製造から公知の標準方法に頼る。
【００３２】  両方のガラス薄片の鋸引きの前に、適当な複数の半導体素子を含む第３のガラス薄片を両方のガラス薄片と共に方向づけし、隣接するガラス薄片に結合することができる。個々の半導体素子は、付加的な基板なしに、信号のもつれ除去が半導体素子の裏側でいわゆる信号層において行われ、ろう粒が半導体素子の裏側へ直接塗布されるように、個々の半導体素子が有利に構成されている。この場合上側にある電磁放射線に対する感応面から下側にあるもつれ除去への結合が、典型的に半導体素子を通る貫通接触を介して行われる。この製造方法の利点は、光学素子の切欠きの縁の正確な位置ぎめが薄片毎に１回だけで行われることである。半導体素子の感応面の行に対する光学素子の縁の平行な方向づけが著しく簡単にされる。多数の光学部品に対して薄片相互の１回しか必要でない方向づけは、製造過程の費用を節約する。
【００３３】  本発明は更に光学モジュールの製造方法に関する。この方法は後述する段階を含んでいる。半導体素子の電磁放射線に対して感応する面が、支持体特に印刷配線板に電気的及び機械的に結合される。半導体素子の感応面に２焦点で写像するため少なくとも２つの部分範囲を持つ光学素子が、接着剤により半導体素子又は支持体上に取付けられる。例えば封止用コンパウンドにより、支持体、半導体素子、接着剤及び光学素子の結合範囲が密封される。接着剤がレンズのレンズハウジングの下側又は支持体に設けられる。レンズが支持体に載せられ、続いて配置が調節されるので、電磁放射線がレンズ及び光学素子を通って半導体素子の感応面へ達し、そこに所望の範囲が写像される。レンズ及び支持体の調節された配置で、接着剤が硬化する。
【００３４】  実施例及び図面により本発明が以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】  自動車にあってレンズと半導体素子の感応面の間に段付けされた光学素子を持つ光学モジュールの写像特性を示す。
【図２】  ａ及びｂは、半導体素子の感応面の方へ光学素子の連続面を向けられた異なる厚さの部分範囲を持つ光学素子を示す。
【図３】  基板上の半導体素子の上にある段付けされた光学素子の配置を示す。
【図４】  ａ及びｂは、半導体素子から遠い方の側へ光学素子の連続面を向けられた、基板上の半導体素子の上にある段付けされた光学素子の配置を断面図及び平面図で示す。
【図５】  ａ及びｂは支持体上の段付けされた光学素子を持つ画像センサ構成要素の構造を示す。
【図６】  ａ及びｂは光学素子用の枠状スペーサを平面図で示す。
【図７】  レンズ及び画像センサ構成要素を持つ光学モジュールの構造を示す。
【図８】  ａ及びｂは２つの層及び部分素子から構成される光学素子を持つ光学モジュールを示す。
【図９】  ａ〜ｃは本発明による光学素子の製造方法の概略図を示す。
【図１０】  薄片から製造される半導体素子を持つ光学部材を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３６】  図１には、レンズ１、２つの部分範囲を持つ光学素子１１、及び電磁放射線を検出する半導体素子４を有する光学モジュールの写像特性が概略的に示されている。図示された光学モジュールは、傾斜した窓ガラス例えば車両の前窓ガラス５の下に設けられている。破線１０内に光学モジュールの可視範囲があり、可視範囲は散乱光遮光装置７により区画されている。図示した光学素子１１は、薄い方の第１の部分範囲（上）及び厚い方の第２の部分範囲（下）を持っている。各部分範囲は平行平面の板に相当している。
【００３７】  この２焦点光学系の原理は、屈折する板面の平行でない光路の軸線方向ずれに基いている。レンズ１は、光学素子１１の厚い方の部分範囲のみによって遠隔範囲８が半導体素子４の感応面に鮮明に写像され、近接範囲９が薄い方の部分範囲によって写像されるように、集束されている。レンズ１の主面２は適当に規定される。近接範囲９は前窓ガラス５の外側へ集束され、そこにある雨滴又は汚物粒子がカメラ画像の適当な部分において検出可能である。遠隔範囲８は、カメラに基く援助機能例えば車線確認、交流標識確認、自動光制御等のために評価される。
【００３８】  光学モジュールの光学素子１１は、図示したように写像光学系１（従ってレンズ）と画像センサ４との間にあって、センサの感応面を完全に覆うことができるか、又は中間写像を持つ光学系において中間写像の写像面例えばレンズ１の２つのレンズ素子の間にある（図示せず）。
【００３９】  図２ａ及びｂにおいて、光学素子１１が、画像センサ又は半導体素子４の方へ連続面を向けられて、段付けされて構成されている。光学素子１１は、近接範囲写像用光路が通る第１の部分範囲１１ａと、遠隔範囲写像用光路が通る第２の部分範囲１１ｂとを持っている。図２において厚い方の部分範囲１１ｂは一定の厚さを持っているが、薄い方の部分範囲１１ａの厚さは製造の際変化された。
【００４０】  厚い方の範囲１１ｂの一定の厚さは、遠隔範囲の不変な物体距離を生じる。薄い方の範囲１１ａの厚さ変化により、近接範囲における集束を合わせることができる。集束は、平行でない光路における軸線方向ずれの変化によって生じる。近接範囲への集束の適合は、異なる組込み状態を覆うため、従って例えば異なる車両形式で起こるように近接範囲における異なる物体距離を覆うために利用することができる。
【００４１】  光学素子１１の薄い方の部分範囲１１ａを一層厚く設計すると、軸線方向ずれが増大し、従って近接範囲写像の焦点深度範囲が物体側でレンズから離れるように移動し、即ち物体距離が大きくなる（図２ａ参照）。薄い方の部分範囲１１ａを一層薄く設計すると、図２ｂに従って、軸線方向ずれが減少し、従って近接範囲写像の焦点深度範囲が物体側でレンズの方へ移動し、即ち物体距離が小さくなる。
【００４２】  光学装置を変化する物体距離に合わせると、近接範囲写像の光路が通る光学素子１１の薄い方の部分範囲１１ａのみが修正される。これは次の重要な利点を持っている。即ち本発明の好ましい構成において安全上重要な運転者援助機能のためにも使用される遠隔範囲写像が、厚い方の部分範囲（１１ｂ）における不変な光学構成要素のため、単一の光路によって影響されない。光学素子１１により異なる組込み状態への適合は、光学素子１１と画像センサ４又は画像センサ４の付加的なカバーガラスとの間に平らに塗布される接着剤の厚さの変化によっても行うことができる。なぜならば、接着剤も平行でない光路における軸線方向ずれを生じるからである。
【００４３】  図２ａ及びｂに示す光学モジュールの実施例では、更に光学素子１１により半導体素子４の感応面を環境の影響に対して遮蔽することができる。
【００４４】  図示したように段付けされる光学素子１１の代わりに、異なる材料を持つ２つの部分範囲を含み（１つの部分又は２つの部分から組合され）かつ画像センサ全体にわたって延びる１つの光学素子を使用することができる。異なる屈折率を持つ材料がこのために適している。この場合部分範囲１１ａ，１１ｂの適した材料により、屈折率従って近接範囲集束を変化することができる。
【００４５】  第１の部分範囲１１ａに大きい方の屈折率を使用すると、軸線方向ずれが増大し、従って近接範囲の焦点深度範囲がレンズ１から離れるように移動する。これに反し第１の部分範囲１１ａに小さい方の屈折率を使用すると、軸線方向ずれが減少し、従って近接範囲写像の焦点深度範囲がレンズ１の方へ移動する。物体間隔は小さくなる。
【００４６】  光学素子１１の部分範囲１１ａ，１１ｂにおける厚さ及び屈折率の変化の組合わせも実現可能である。
【００４７】  図３には、光学モジュールにおいて環境の影響に対する半導体素子４の感応面１４の遮蔽が示されている。光学素子１１は図のａ及びｂに従って方向づけられ、感応面１４外の接着剤１７により半導体素子４に取付けられている。半導体素子４は基板１５上に設けられ、基板の下にろう粒１６が設けられている。基板１５は、例えば印刷配線板であって、半導体素子の微細に構造化された電気接続部をほどいて基板１５の下側のろう粒１６に変換するのに用いられる。半導体素子４は典型的には基板１５に接着され、ボンド結合部を介して基板１５上の電子構造に結合されている。
【００４８】  例えば封止用コンパウンドによる密封１８は、基板１５、半導体素子４、接着剤１７及び光学素子１１を覆う。それにより表面における光の反射が抑制される。半導体素子４の感応面は環境の影響に対して保護されている。
【００４９】  図４ａによる光学モジュールの別の実施例では、薄い方の部分範囲１１ａが半導体素子４の感応面１４から遠い方の側にあるように、光学素子１１を設けることができる。それにより画像センサ装置４，１４，１１の上部外側が透明な連続板面である。光学モジュールのこの構造でも、光学素子１１の縁の密封１８を行って、環境の影響及び散乱光に対して半導体素子４の感応面１４を保護することができる。光学素子１１の縁には、薄い方の部分範囲１１ａの下に間隙１９がある。この範囲は感応面１４に写像されないので、安定化のためここにスペーサ２４が挿入されて、密封を行う封止用コンパウンド１８の侵入も防止する。その代わりに、半導体素子４の感応面上へ流れない十分粘度のある封止コンパウンドを使用し、スペーサをなくすこともできるであろう。
【００５０】  光学素子１１のこの向き及び配置は、図１〜３に示すものに比べて、両方の部分範囲１１ａ，１１ｂの間の縁が半導体素子４の感応面１４の近くにある、という利点を与える。それによりモジュールの光学特性の著しい改善が行われる。それ以外の利点は、光学素子１１の段付けされた外面を著しくよく浄化できることである。
【００５１】  図４ｂの平面図は、薄い方の部分範囲１１ａの下で半導体素子の感応面１４外にある光学素子１１に縁に沿って延びるｕ字状スペーサ２４を示す。光学素子１１の縁範囲は半導体素子の感応面の上にはない。
【００５２】  図５のａには、支持体２０上の段付けされた光学素子１１を持つ画像センサ構成要素の構造が示されている。支持体２０への基板１５の拡張部は、例えば別の電子装置構成要素又はレンズのために提供される。段付けされた光学素子１１は、図４のａ及びｂに示されるものに対して、厚い方の部分範囲１１ｂが薄い方の部分範囲１１ａにより完全に包囲されているように、変化されている。光学素子１１の縁範囲は半導体素子４の感応面１４上にないので、この変化が光学素子１１の光学特性に影響を及ぼすことはない。包囲する薄い方の部分範囲の下に、光学素子１１を保持又は支持するために、枠状スペーサ２４，２４′を使用することができる。光学素子１１、枠状スペーサ２４及び半導体素子４の感応面１４の平面図を図６のａが示している。
【００５３】  使用されるスペーサ２４，２４′は異なるように形成でき、光学モジュールの製造の際異なる時点に挿入することができる。スペーサ２４，２４′は光学素子１１の構成部分であっても別個に存在してもよい。スペーサ２４，２４′は基板１５上又は半導体素子４上に載っていてもよい。更にスペーサ２４，２４′は、それが半導体素子４から突出し、レンズ１の結合のために利用可能である。
【００５４】  光学素子１１、スペーサ２４，２４′及び半導体素子４の密封１８が行われている。支持体２０は可撓接続接触部２１を備えている。それにより光学モジュールの空間的調節が保証される。適当な接続接触部２１は、例えばボンド結合部又は可撓ケーブル又はポリアミドから成る印刷配線板である。可撓印刷配線板（例えば可撓ＰＣＢ）は同時に基板１５としても役立つ。
【００５５】  支持体２０の表面に、例えばろう結合部２２により、画像処理用チップのような別の電子部品（ＳＭＤ構成要素）を取付けることができる。
【００５６】  図５のｂには画像センサ構成要素の別の構造が示されている。ここでは支持体２０が下側にＳＭＤ構造要素２３を備え、即ち両側に備えている。この実施例では、スペーサ２４′が特別な機能を果たす。即ちスペーサは、半導体素子４、光学素子１１及び支持体２０を密封する封止用コンパウンド１８用の枠としても用いられ、封止用コンパウンド１８が流れこむ範囲を外方に対して制限する。この枠状スペーサ２４′の平面図を図６のｂが示す。
【００５７】  レンズ１及び画像センサ構成要素を持つ光学モジュールの構造が図７に示されている。支持体モジュール（図５のａ又はｂ）から始まって、少なくとも１つのレンズ素子２８を持つレンズ１が、レンズハウジング２７の下側を支持体２０上に接着２５されるので、電磁放射線はレンズ１及び光学素子１１を通って半導体素子４の感応面１４へ達する。接着剤２５の塗布後、半導体素子４の感応面１４に対してレンズ１を調節することができる。接着剤２５の硬化後、光学モジュールを挿入又は組込むことができる。
【００５８】  図８のａは、光学モジュールを図４ａ又は図５ｂに示すものと対比可能に示す。図８ａでは、段付けされる光学素子１１が上下に取付けられる２つの部分素子１１′，１１″から構成されている。第１の部分素子１１′は連続しており、例えば連続的なガラス板であり、光学素子１１の薄い方の部分範囲１１ａの厚さを規定する第１の厚さを持っている。第２の部分素子１１″は少なくとも１つの切欠き２９を持っている。第１及び第２の部分素子１１′，１１″は互いに結合され、例えば接着されている。光学素子１１の厚い方の部分範囲１１ｂの厚さは、結合される両方の部分素子１１′，１１″の全厚さに等しい。図８のｂは概略平面図を示す。即ち切欠き２９は第２の部分素子１１″により完全に包囲されているので、第２の部分素子はさらにスペーサ２４の機能を果たす。
【００５９】  図９は、本発明による光学素子の製造方法を概略的に示す。第１の厚さの第１のガラス薄片３０が適当な複数の切欠き２９を設けられる（図９ａ）。第１のガラス薄片３０が、第２の厚さの第２の連続的なガラス薄片３１で覆われ、これと結合される（図９ｂ）。
【００６０】  組合わされた図９ｂの薄片を鋸引き縁２９に沿って鋸引きすることによって、図９ｃに示すように、図８に例示されているように、異なる厚さの少なくとも２つの平行平面の部分範囲１１ａ，１１ｂを持つ個々の光学素子１１が生じる。この製造方法は、集積回路（ＩＣ）及びウエーハレベルカメラ又は微小光学素子の製造から公知の標準方法に従う。
【００６１】  ３つの薄片から製造される部品が図１０に示されている。即ち両方のガラス薄片３０，３１の鋸引きの前に適当な複数の半導体素子４を含む第３の薄片が、両方のガラス薄片３０，３１と共に整列され、隣接する第１のガラス薄片３０に結合され、図１０では結合が接着剤１７を介して行われている。感応面１４を持つ個々の半導体素子４は、付加的な基板なしに信号のほどきが、半導体素子４の裏側でいわゆる信号層３４において直接行われるように、構成されている。ろう粒１６は半導体素子４の裏側へ直接設けられる。上側にあって電磁放射線に対する感応面１４から下側にある信号層３４への接続は、この場合押圧接触部３３を介して、半導体素子４を通して行われる。光学素子１１にある隅３５と半導体素子４の感応面１４の行との平行な整列は、この製造方法では著しく簡単化される。結合された３つの薄片をの鋸引きで微細化する共通な鋸引き縁３２は、図示された光学部品の寸法を規定する。
【符号の説明】
【００６２】  １              レンズ
２              レンズの主面
４              半導体素子
５              前窓ガラス
６              雨滴
７              散乱光遮光装置
８              遠隔範囲
９              近接範囲
１０            可視範囲
１１            ２つの部分範囲を持つ光学素子
１１ａ，１１ｂ  １１の第１及び第２の部分範囲
１１′，１１″  １１の連続的及び中断された部分
１４            半導体素子の感応面
１５            基板
１６            ろう粒
１７            接着剤
１８            密封／封止用コンパウンド
１９            間隙
２０            支持体
２１            可撓接続接触部
２２            ろう結合部
２３            ＳＭＤ構成要素
２４，２４′    スペーサ
２５            接着剤
２７            レンズハウジング
２８            レンズ素子
２９            切欠き
３０            切欠きを持つ第１のガラス薄片
３１            第２の連続的なガラス薄片
３２            鋸引き縁
３３            押圧接触部
３４            信号層
３５            光学素子１１の隅
【図１】
2012532356.tif 000003
【図２ａ】
2012532356.tif 000004
【図２ｂ】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
2012532356.tif 000009
【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８ａ】
2012532356.tif 000014
【図８ｂ】
2012532356.tif 000015
【図９ａ】
2012532356.tif 000016
【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年5月5日(2011.5.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射線に対する感応面（１４）を持つ半導体素子（４）、及び半導体素子（４）の感応面（１４）へ電磁放射線を投射するレンズ（１）を含む光学モジュールにおいて、レンズ（１）と半導体素子（４）の感応面（１４）との間の空間又はレンズの個々のレンズ素子の間で光路の全断面に、異なる厚さの少なくとも２つの平行平面の部分範囲（１１ａ，１１ｂ）を持つ光学素子（１１）が設けられ、従って光学素子（１１）の第１の部分範囲（１１ａ）により、半導体素子（４）の感応面（１４）の第１の範囲に、第１の距離範囲（８）が写像され、光学素子（１１）の第２の部分範囲（１１ｂ）により、半導体素子（４）の感応面（１４）の第２の範囲に、第２の距離範囲（９）が写像されることを特徴とする、光学モジュール。
【請求項２】
光学素子（１１）が段付けされて形成され、かつ光学素子（１１）の連続面が半導体素子（４）の感応面（１４）の方へ向くように設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の光学モジュール。
【請求項３】
光学素子（１１）が、段付けされて形成され、かつ両方の部分範囲（１１ａ，１１ｂ）の間の縁が半導体素子（４）の感応面（１４）の近くにあり、かつ光学素子（１１）の連続面が外面であるように、光学素子（１１）が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の光学モジュール。
【請求項４】
スペーサ（２４）が、薄い方の部分範囲（１１ａ）の外側の下にＵ字状に延びていることを特徴とする、請求項３に記載の光学モジュール。
【請求項５】
光学素子（１１）の薄い方の部分範囲（１１ａ）が、厚い方の部分範囲（１１ｂ）を完全に包囲し、スペーサ（２４，２４′）が感応面と光学素子（１１）との間の範囲を枠状に包囲していることを特徴とする、請求項３に記載の光学モジュール。
【請求項６】
半導体素子（４）を環境の影響及び散乱光に対して保護するため、スペーサ（２４′）が半導体素子（４）を密封する封止用コンパウンド用の枠として構成されていることを特徴とする、請求項５に記載の光学モジュール。
【請求項７】
車両の内部空間内で走行方向において前窓ガラス（５）の後にある光学モジュールが、外部空間を検出するように設けられていることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の光学モジュール。
【請求項８】
前窓ガラス（５）の外側が、光学素子（１１）の第１の部分範囲（１１ａ）により集束されて半導体素子（４）の感応面（１４）の第１の範囲に写像され、車両の前の範囲が、光学素子（１１）の第２の部分範囲（１１ｂ）により半導体素子（４）の感応面（１４）の第２の範囲に写像されるように、レンズ（１）及び光学素子（１１）が設定されていることを特徴とする、請求項７に記載の光学モジュール。
【請求項９】
前窓ガラス（５）の外側にある雨滴（６）及び／又は汚物粒子が、半導体素子（４）の感応面（１４）の第１の範囲で検出可能であり、出力信号が窓拭き制御装置及び／又は窓浄化制御装置へ送出可能であることを特徴とする、請求項８に記載の光学モジュール。
【請求項１０】
照明源が設けられて、前窓ガラス（５）を通して視野（１０）の範囲（９）を照らし、この範囲（９）が半導体素子（４）の感応面の第１の範囲に写像されることを特徴とする、請求項８又は９に記載の光学モジュール。
【請求項１１】
照明源の光線が可撓導光体を介して前窓ガラス（５）へ導入されることを特徴とする、請求項１０に記載の車両。
【請求項１２】
前窓ガラス（５）を通る視野（１０）の範囲（９）が、赤外線波長範囲の光で照らされ、光学素子（１１）の第２の部分範囲（１１ｂ）が、赤外線波長範囲における透過を抑制するフィルタで被覆されていることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の光学モジュール。
【請求項１３】
容量性雨センサが付加的に車両に設けられ、共通な評価装置がカメラに基づく容量性雨センサの信号を評価することを特徴とする、請求項９〜１２の１つに記載の光学モジュール。
【請求項１４】
前窓ガラス（５）と前窓ガラス（５）の外側の写像の視野にあるレンズ（１）との間に楔板が設けられていることを特徴とする、請求項８〜１３の１つに記載の光学モジュール。
【請求項１５】
導入される電磁放射線を遮断する遮断素子が前窓ガラス（５）に固定的に接触して設けられて、電磁放射線が半導体素子（４）の感応面の第１の範囲に写像されるようにしていることを特徴とする、請求項１１〜１４の１つに記載の光学モジュール。
【請求項１６】
遮断素子が、近接範囲写像（９）により検出される前窓ガラス（５）の視野の部分範囲を覆っていることを特徴とする、請求項１５に記載の光学モジュール。
【請求項１７】
少なくとも２つの部分範囲（１１ａ，１１ｂ）を持つ特定数の同種の光学素子（１１）の製造方法であって、
第１の厚さの第１のガラス薄片（３０）が特定数の切欠き（２９）を持ち、
第１のガラス薄片（３０）が第２の厚さの第２のガラス薄片（３１）で覆われ、かつこれに結合され、
組合わされる薄片の鋸引き（３２）により、異なる厚さの少なくとも２つの平行平面の部分範囲（１１ａ，１１ｂ）を持つ特定数の個々の光学素子（１１）が生じる
方法。
【請求項１８】
電磁放射線に対する感応面（１４）を持つ半導体素子（４）を支持体（２０）に結合し、接着剤（１７）による２焦点写像のため少なくとも２つの部分範囲（１１ａ，１１ｂ）を持つ光学素子（１１）を、半導体素子（４）上に取付け、
例えば封止用コンパウンド（１８）により、支持体（２０）、半導体素子（４）、接着剤（１７）及び光学素子（１１）の結合範囲を密封し、
レンズ（１）のレンズハウジング（２７）の下側又は支持体（２０）上に接着剤（２５）を取付け、
レンズ（１）を支持体（２０）上に乗せ、配置を調節して、電磁放射線がレンズ（１）及び光学素子（１１）を通って半導体素子（４）の感応面（１４）へ達するようにし、
レンズ（１）及び支持体（２０）の調節された配置において接着剤（２５）を硬化する段階を含む、請求項１〜１６の１つに記載の光学モジュールの製造方法。
【国際調査報告】
2012532356.tif 000020
2012532356.tif 000021
2012532356.tif 000022
2012532356.tif 000023
2012532356.tif 000024
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2012532356.tif 000028
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