紧凑型照明系统的制作方法

文档序号:11160589
紧凑型照明系统的制造方法与工艺

本发明涉及将用于例如摄影闪光或3D感测应用中的照明系统的领域。更具体地,本发明涉及包括至少一个扫描反射镜组件的照明系统。本发明还涉及制造所述照明系统的相应方法。



背景技术:

基于扫描反射镜的光投射系统在照明系统领域是已知的。US2014/0029282公开了这种系统的示例,其中,光源是激光型光源。围绕两个正交轴可旋转的扫描反射镜被致动并从一次光源处接收光信号以便将图像投射到含磷元件上。由一次光源发射的光(或更具体地其发光强度)例如可以被调整以便将期望的图像投射到含磷元件上。然后,含磷元件被安排成用于执行对从一次光源处接收的光信号的波长转换。因此,充当二次光源的含磷元件重新发射光,所述光当与来自一次光源的光结合时产生在不同方向上的有用白光。在这种系统中,能够获得非常高的总能量效率,因为由含磷元件执行的波长转换比激光光源的电光转换更节能。根据US2014/0029282,替代使用围绕两个正交轴可旋转的一个扫描反射镜,可能相反使用两个反射镜,每个反射镜围绕一个轴可移动,其中两个轴互相正交。

图1示出了包括光源1(如激光光源1)和扫描反射镜组件3的照明系统的简化横截面视图,在此示例中,所述扫描反射镜组件包括被安排成围绕轴7旋转的可移动板5。所述可移动板包括反射镜并通过两个支撑臂(未示出)连接至框架9,沿着相同轴7在所述板的两侧上均对齐。在图1中,由光源1发射的光用A表示,而由反射镜反射的光用B表示。为了节省空间,并且为了获得没有变形的反射图像,光源应当优选地被放在反射镜的正上方,从而使得当静止时,光束A在反射镜表面相对于反射镜的中心点形成接近于90度的入射角。然而,在此方向上,光源将阻挡反射光,由此在光源后方形成遮挡的或未照明的点。为了避免这种遮挡问题,如图1所示,可以通过安排光源从反射镜的中心点的正上方位置轻微地偏移来保证到反射镜中心点正上方的反射光的自由通道。然而,光源仍然阻挡在图1中所示出的位置处的反射光中的一些。此外,就空间使用情况而言,图1的安排也不是最佳的。

图2示出了与图1中类似的安排,但是在这种情况下,光源相对于中心位置仍然具有进一步偏移。现在光源不再阻挡反射信号,但是所述配置具有以下缺陷:其比图1的配置占据更多空间,并且因为到达反射镜表面的光A的较大入射角,所以产生的或反射的图像变得明显变形。还应注意到,以上类型的照明系统的当前制造过程不是最佳的。例如,图1或图2的成一定角度的配置在各个部件(如光源和扫描反射镜组件)的对齐方面需要非常高的精度。这自然增加了制造过程的复杂度。



技术实现要素:

本发明的目标是克服以上标识的关于扫描反射镜照明解决方案的问题。

根据本发明的第一方面,提供了一种照明系统,所述照明系统包括:

·光源,所述光源被安排成用于朝向扫描反射镜组件的反射表面发射非准直光,从而使得所述光源遮挡从所述反射表面反射的所述光的区域;

·所述扫描反射镜组件,所述扫描反射镜组件包括所述反射表面,所述反射表面被安排成围绕至少一个旋转轴旋转地位移;以及

·第一光学元件,所述第一光学元件用于改变所述反射光的传播方向,以便照射所述遮挡区域的至少一部分。

所提出的解决方案提供了一种更紧凑的照明系统,因为光源位于扫描反射镜组件的前方,并且由此从光源到反射表面以及向前到系统的输出孔径的光路长度可以被最小化。借助于被放置为使得其引导反射光进入遮挡区域的光学元件,由光源阻挡反射光引起的阴影或遮挡影响有所缓解。由此,本发明至少部分地克服了已知问题:如果光被朝向光源反射回来,则光源遮挡了反射光。

根据第一方面的变体,所述第一光学元件相对于所述反射表面至少部分地位于所述光源之外。

根据第一方面的另一个变体,所述第一光学元件相对于所述反射表面完全位于所述光源之外。

根据第一方面的另一个变体,所述第一光学元件包括透镜、波长转换元件或衍射光栅。

根据第一方面的另一个变体,所述光源位于第一轴上,所述第一轴从所述反射表面的中点延伸,并且当静止且没有经历旋转位移时与所述反射表面基本上正交。

根据第一方面的另一个变体,所述第一光学元件的横截面形状是平凸的、双凸的、平凹的、双凹的、柱面的、球面的或非球面的。

根据第一方面的另一个变体,所述第一光学元件包括透镜阵列。

根据第一方面的另一个变体,所述系统进一步包括在所述光源与所述第一光学元件之间的支撑元件,并且所述支撑元件被安排成用于将所述光源和所述第一光学元件支撑在它们相对于所述反射表面的所述旋转轴的相对位置中。

根据第一方面的另一个变体,所述系统进一步包括第二光学元件,所述第二光学元件用于在由所述光源发射的光到达所述反射表面之前使所述光成形。

根据第一方面的另一个变体,所述第一光学元件包括透镜,并且所述系统进一步包括波长转换元件。

根据第一方面的另一个变体,所述波长转换元件位于所述第一光学元件与所述扫描反射镜组件之间。

根据第一方面的另一个变体,所述波长转换元件相对于所述反射表面位于所述光源之外。

根据第一方面的另一个变体,所述光源与反射表面分隔开等于第一光学元件的焦距的一半的距离。

根据本发明第二方面,提供了一种制造照明系统的方法,所述方法包括:

·提供第一基板和第二基板;

·在所述第一基板上提供光源,所述光源被安排成用于发射非准直光;

·在所述第二基板上提供扫描反射镜组件,所述扫描反射镜组件包括反射表面,所述反射表面被安排成围绕至少一个旋转轴旋转地位移并且反射由所述光源发射的所述光;

·在所述第一基板上提供第一光学元件,所述第一光学元件用于改变从所述反射表面反射的所述光的所述传播方向;

·提供间隔元件,所述间隔元件用于使所述第一和第二基板与彼此保持预定分隔距离;以及

·堆叠所述第一基板和所述第二基板。

所提出的制造过程提供了适合于以低成本进行非常大批量生产的优点。制造过程的另一个优点是可获得的制造工艺产量很高。这例如因为每照明系统非常少量的光学部件。在其最简单的形式中,仅需要三个光学部件,即光源、光学元件和反射表面。而且,光源与反射镜反射表面的预期正交安排可能失准,并且系统将仍然很好的执行。另一个优点是光路中的反射次数被最小化,由此还使得光损失最小化,因为每个反射产生一些光损失,并且然后生成一些可以损害产生的照明轮廓的“杂散光”。

根据第二方面的变体,所述方法进一步包括在第二基板上提供一个或多个光传感器。

根据第二方面的另一个变体,提供一个或多个光传感器,从而使得它们通过实质上非透明的分隔器与扫描反射镜组件分隔开。

根据第二方面的另一个变体,在所述第一基板上提供至少两个光学元件和光源,并且在所述第二基板上提供至少两个扫描反射镜组件,并且其中,所述方法进一步包括切割所述堆叠的基板结构来形成至少两个照明系统模块。

根据第二方面的另一个变体,通过以下方式来提供所述第一光学元件:在所述第一基板上提供可模制透明基板,并使用模具对此可模制透明基板进行图案化以形成所述第一光学元件。

根据第二方面的另一个变体,在所述第一基板的第一表面上提供光源,并且其中,在所述第一基板的与所述第一侧相反的第二表面上提供第一光学元件。

根据第二方面的另一个变体,在所述第一基板上提供所述光源,从而使得所述光源被安排成用于朝向所述反射表面发射非准直光,所述光源被定位为使得其遮挡从所述反射表面反射的所述光的区域,并且所述第一光学元件被安排成用于改变所述反射光的传播方向以便照射所述被遮挡区域的至少一部分。

附图说明

通过参照附图,本发明的其他特征和优点将据以下对非限制的示范实施例的描述而变得明显,其中:

·图1是根据现有技术的照明系统的简化横截面视图;

·图2是根据现有技术的另一个照明系统的简化横截面视图;

·图3是根据本发明的示例的照明系统的简化横截面视图;

·图4是图3的照明系统的简化横截面视图,但是其中,光源与反射表面之间的距离对应于系统中所使用的光学元件的焦距的一半;

·图5是流程图,展示了图3的照明系统的示例性制造过程;并且

·图6a至图6k示意性地展示了制造过程的各个步骤。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述本发明的实施例。附图中出现的相同或相应的功能和结构元件分配有相同的参考号。

图3是示意横截面视图,展示了根据本发明的实施例的示例性照明或灯光系统或设备。这种安排可用于例如摄影闪光应用或3D感测解决方案,所述3D感测解决方案可用于例如手势感测应用和/或物体或环境的三维测绘。图1示出了光源1。可以使用各种类型的光源和包装;光源1可以是例如边射型激光二极管、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、发光二极管(LED)、共振腔LED、微型LED或这些光源的阵列。光源可以是单色激光光源。如果照明系统用于智能闪光应用,则发射光通常为或者紫外线(UV)或近紫外线光,或者可见光,所述紫外线(UV)或近紫外线光一旦作为系统的一部分由波长转换元件重新发射,则具有360nm至480nm的波长,所述可见光例如通过使用三个光源(即红、绿和蓝)来获得,所述三个光源一旦彼此结合则能够生成白光束或其他颜色的光束。然而,对于其他应用来说,可以使用其他波长,从UV光通过可见光到红外光。光源1通常发射非准直光,即光线不平行的光。如图1中可见的,光源位于扫描反射镜系统3的前方,并且更具体地,位于在可移动板5上形成的反射镜的前方。在此示例中,扫描反射镜系统是MEMS(微电子机械系统)扫描反射镜。可移动板5被安排成用于绕轴7旋转。可移动板5通过两个支撑臂(未示出)连接至框架9,与沿着相同轴7的板的两侧对齐。在此示例中,反射镜绕一个轴旋转,但是其还可以绕两个互相正交的轴旋转。扫描系统的优点是可以投射实像,允许局部控制所投射的图像的亮度(例如在像素级),从而使得产生的投射和反射光束可以具有局部亮度调整和/或对非照明像素与照明像素之间的对比度的控制。

扫描系统3被安排成用于使跟随各种类型的图案(如利萨如图案或光栅图案(交织的或非交织的))之后的光转向。在光栅图案投射内,还可以在所谓的回扫扫描图案(在典型的光栅扫描显示中,MEMS反射镜仅在反射镜的一面或控制图像刷新率的反射镜轴(即一旦使用2D MEMS反射镜就在其共振频率外致动的反射镜轴,所述反射镜轴具有绕两个互相正交的轴旋转的可移动板5)中显示图像,然而,在回扫选项中,可以在反射镜的另一面上显示相同或另一个图案)或可能使用的其他图案期间显示图像,其中,可以转换扫描图案的方向(例如,垂直扫描替代水平扫描,由此,图像作为垂直线而不是从左向右被形成,或反之亦然),或者其中,使用任何类型的空间填充曲线(例如,Peano、Hilbert或其他分形或L系统曲线)来扫描屏幕。

例如,可以使用磁的、静电的、热的、压电的、液压的、气动的、化学的或声学的方式来致动扫描反射镜系统3。如果板5被磁性地致动,则扫描反射镜系统的按钮和/或侧部分可以包括用于生成磁场来移动包括反射镜的板的磁铁11。在此示例中,当静止(静止位置为图3中所示出的)或位于所谓的中立位置时,光源位于反射镜的前方从反射镜的中心点画出的虚线上,并且具有相对于反射镜表面90度的角度。由此,反射镜具有光源面侧和板面侧。

在此示例中,还示出了光学元件13,本文中指第二光学元件。第二光学元件是可选的,并且其目的是进行一些光束成形,例如修改光束的足迹轮廓和/或使光束分散或集中、或在由光源发射的光束A到达反射镜之前校准所述光束A。例如,没有第二光学元件13,光束在反射镜表面平面中将具有椭圆足迹轮廓是可能的。然而,第二光学元件13可以被配置成用于改变光束的足迹,并使其成为例如圆形。例如,第二光学元件可以简单地为透镜,其形式根据期望的光束形成类型来选择。

在支撑物或基板17上提供另一个光学元件15,所述另一个光学元件在本文中指第一光学元件。在此示例中,第一光学元件15和支撑物放在光源1后面(当从板5处观察时)。第一光学元件可以包括透镜、微透镜阵列或波长转换元件(如含磷元件)、或以上元件的组合。第一光学元件还可以或可替代地包括衍射光栅。第一光学元件可以是玻璃或透明塑料。第一光学元件15的目的是改变从反射镜反射的光B的传播方向,并且由此,至少部分地将反射光重新引导至由光源自身的存在导致的被遮挡区域。由于由第一光学元件15对反射光进行的重新引导,因此放在图3中示出的第一光学元件后面的位置处的传感器19(例如,人类的眼睛)检测反射光的图像图案,好像传感器没有被光源遮挡一样,或者至少遮挡的影响相比于第一光学元件15不存在的情况大大地降低了。以此方式,通过将光学器件放在光源后面,并且通过仔细设计光学器件来补偿遮挡,由光源1引起的光阻挡的负面影响可以大大地减少或甚至实质上被消除。

这种架构还使能制造过程,并且将大大简化这种光学系统的微型化。此外,因为光源被放在反射镜的正上方或前方,所以由反射镜投射所产生的图像很少受变形的影响。如果第一光学元件包括透镜,则当反射光穿过透镜时,所述反射光将保留其光学特性中的至少一些。例如,如果到达第一光学元件的光束是连贯的,则重新引导的光束也将是连贯的。关于对光束的引导的特性和光束的形状可以由透镜有目的地改变。

在说明性示例中,第一光学元件包括平凸透镜,所述平凸透镜被安排成用于汇聚穿过其的光束,并且特别用于提供邻近反射光B的遮挡发生的区域的更大的汇聚。然而,其他形式也是可能的,取决于实施细节。还可以使用的各种光学元件形状的示例是双凸的、平凹的(分散通过的光束)、双凹的、半月的、柱面的、球面的或非球面的。透镜还可以是菲涅尔透镜,所述菲涅尔透镜具有比球面、非球面或柱面透镜更薄的优点,由此使更小的照明系统成为可能。第一光学元件还可以是透镜阵列、或者具有平坦或凹凸表面的含磷元件、或者透镜或微透镜阵列与放在透镜或微透镜阵列顶部或放在元件17与透镜或微透镜阵列之间的含磷元件的组合。

如果图3中所展示的照明系统用于距离测量(3D测绘)应用,则第一光学元件可以包括透镜或透镜阵列,并且可能不需要波长转换元件。然而,如果照明系统用于智能闪光应用,则系统优选地包括波长转换元件。在这种情况下,光学元件15可以包括波长转换元件。可替代地,第一光学元件可以包括透镜,并且单独的波长转换元件可以被提供为单独元件。此波长转换元件可以放在例如支撑物17与第一光学元件15之间,或者波长转换元件可以放在第一光学元件15的另一侧上(如从板5所观察到的)。波长转换元件可以直接与第一光学元件接触,或者其可以放在离第一光学元件预定距离的地方。可以通过将波长转换元件放在离第一光学元件一段距离的地方来最大化光学地改变光束的可能性。波长转换元件可以包括磷光体薄膜或已经放置有磷光体的优选地连续且均匀层的板。波长转换元件上从扫描系统接收光束A的每个点(通常为单色的)吸收光功率,并且然后重新发射一个或多个不同波长的光B。产生的组合光可以被认为是“白色的”,因为其包含在约400nm与800nm之间(即在可见光谱内)的多个波长。

如果扫描反射镜反射表面放在离透镜15等于透镜焦距(f/2)的一半的位置处,或更精确地,如果从透镜到反射镜的总距离加上从反射镜到光源发射点的距离等于透镜的焦距,则所产生的光线通过所述透镜可以变为准直的。这具有以下优点:投射光可以在多个投射距离上大体地保持其形状和强度分布。可替代地,如果透镜放在离反射镜的反射表面比f/2更近或更远的位置处,则产生的投射光将被分散,由此使照明系统能够覆盖更大的照明区域。

参照图5的流程图和图6a至图6k来解释上述照明系统的下一个制造过程。在步骤41中,提供或制造第一基板17(还被称为光源基板)(图6a)和第二基板19(还被称为反射镜基板)(图6a)。光源基板17是透明的且可以是晶片,并且通常由玻璃、塑料或硅胶制成(如果使用红外激光)。反射镜基板19可以是由硅胶或玻璃或电子印刷电路板(PCB)以及例如由FR4材料(具有环氧树脂粘接剂的编织玻璃纤维布)制成的晶片。在步骤43中,如图6b和图6c中所示出的,在基板上提供电触点元件21。这些触点21可以例如是传导铟锡氧化物(ITO)或掺锡氧化铟层。这些触点几乎是透明的。当提到光源基板17时,此透明性能具有可以最小化对通过基板的光的阻挡的优点。这些触点可以简单地是金属触点元件。这些触点可以被放置在基板的表面上,并且然后被图案化。如可以看出的,在说明性示例中,触点元件可以被成对提供,然而,其他安排是可能的,并且触点的数量取决于制造过程中需要的接线。为简单起见,说明性示例仅示出了光源基板上的两行中的四个触点对,而反射镜基板上提供了两行中的八个触点对。然而,应注意的是,在实际实施方式中,每个基板可以包含透镜、成百上千或更多个触点。还可以在基板的相反侧上提供接触垫23。在步骤43中,还可以在基板中提供孔洞或过孔25,以便使能够从基板的一侧连接到另一侧。所述孔洞或过孔可以在基板上的触点元件形成之前存在于基板中。

在步骤45中,在如图6d和图6e中所示出的对应基板上提供或形成如光源1和扫描反射镜系统3等各种部件(包括所需要的连接线27)。例如,可以通过使用标准拾放机器、借助于拾放(Pick-and-Place)来完成这一点。在此示例中,也在反射镜基板19上提供或形成光源29,从而使得对每一个扫描反射镜系统提供光传感器,并且在反射镜基板19上以交替顺序提供这些元件。此步骤还可以包括通过例如焊接来将连接线27添加到并将线连接至对应部件。在步骤47中,如在图6f中所示出的,光学元件基板31被放置在光源基板17上与接触垫23相同的侧上。在步骤49中,如在图6g中所展示的,主基板33、掩模或模具被图案化有与第一光学元件的期望形式翻转或相反的图案。例如,主基板可由玻璃、聚合物、硅胶、如铜等金属或镍材料等制成。在步骤51中,如在图6h中所示出的,通过使用主基板33来在光源基板表面上生成期望的第一光学元件15从而对光学元件基板进行图案化。可以例如通过热压印、冲压、和/或通过向光学元件固化(在光学元件分别由可热固化材料或如可UV固化的聚合物等可UV固化材料或两者的混合制成的情况下,通过热固化或UV固化来完成光学元件固化)的最终固化或硬化共同地或单独地施加压力来完成图案化操作。

在步骤53中,如在图6i中所示出的,在反射镜基板19上提供间隔元件35。可以通过例如对聚合物材料的沉积和图案化或者通过使用具有孔洞的完整间隔晶片来实现这一点。间隔35优选地具有用于避免由光源1所发射的且由扫描系统3反射的任何杂散光束照亮光传感器29的非透明表面。例如,间隔可由硅胶、或非透明或不透明塑料或聚合物材料、或非透明或不透明玻璃制成。在步骤55中,如在图6j中所示出的,光源基板17被堆叠在反射镜基板19上,从而使得光源基板由间隔支撑。在步骤57中,对堆叠的基板进行切分或切割,以便形成最终的完整系统模块。在此示例中,每个最终模块包括靠近传感器模块的一个照明系统模块。在另一种安排中,模块可以包括一个照明系统模块和多个传感器模块。因为两个或更多个传感器将能够感测到由被照亮物体所反射的光,并且然后算法可能能够对所获得的信息进行比较,并且然后使更强的系统冗余(以及因此,稳健性)成为可能,所以可以完成这一点,例如以便创建所感测的光的冗余。可以采用与立体视觉和/或三角测量兼容的方式来使用相同的模块,其中,通过计算放置在不同位置处的两个传感器所检测到的光信息来导出距离信息。例如,这种类型的完整模块可以用于距离测量并且由此适合于3D感测。例如,如果这种模块用于摄影闪光应用,则传感器模块可以被安排成用于测量环境光。可替代地,根据特定应用,可能根本不需要传感器模块。通过包括许多(通常,几百或更多)光源,扫描反射镜组件和光学元件连同在两个基板上提供的其他所需部件,可以在基板级装配期间实施制作过程中的更多部分,而不是依赖于单独的部件装配步骤。

可以采用各种方式来调整上述示例性制造过程。例如,可以改变以上步骤的顺序。例如,可以在反射镜基板上提供必要部件之前或者在与其他部件相同的时间在所述基板上提供间隔。还将有可能在光源基板上提供间隔,而不是在反射镜基板上提供间隔。

尽管在附图和以上描述中已经详细地展示和描述本发明,但是这种展示和描述应被视为说明性的或示例性的且非限制性的,本发明不限于所公开的实施例。在实施所要求保护的发明时,本领域的技术人员可以基于对附图、本公开和所附权利要求书的研究来理解和(可以)实现其他实施例和变体。

在权利要求书中,词语“包括”不排除其他元件或步骤,而不定冠词“一个”不排除复数。不同的特征在相互不同的从属权利要求中被引用这个单纯的事实并不指示不能有利地使用这些特征的组合。

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