用于本质安全激光源照明的方法及设备与流程

本发明大体上涉及激光照明系统，且更特定来说，涉及本质安全激光源照明。

背景技术：

交通工具发光系统具有两个基本用途。第一个用途是改进交通工具可见性，使得其它交通工具的其它驾驶员、行人或动物能够更容易地对交通工具的存在及运动有警觉。第二个用途是针对前向光(通常由头灯产生)照明交通工具前方的物体，因此交通工具的驾驶员可意识到所述物体的存在并有机会以避免与其相撞的方式操作交通工具。如果物体可预先在较远的地方被照明，那么可更快地安全驾驶交通工具。

已发现使用激光作为其光源的头灯系统将发光投射到距离最近的竞争技术约两倍远的距离、少消耗30％到50％的电力，并且还发现所述头灯系统更为紧凑。一些汽车制造商(例如，宝马(BMW)及奥迪(Audi))已测试激光源的头灯，并已确认增加的照明距离，这增加了驾驶员安全驾驶交通工具的可能性。由于激光源头灯提供的好处，未来的实施方案对于大量照明应用来说是理想的，例如陆地、海上或空中的头灯及前灯。

尽管激光源头灯的驾驶员可见性优势增强，但由于这些系统中的激光源而引起的安全隐忧仍然是问题。OSHA技术手册第3章第6节(https://www.osha.gov/dts/osta/otm/otm_iii/otm_iii_6.html)识别“高度准直”激光的各种有害效应，特别是引起可从“蓝色激光”发生的生物损伤。为解决这些安全问题，已实施多项工程控制措施，以防止在头灯系统外部暴露激光。常规安全系统经配置以在各种故障模式或操作情况下关闭常规照明系统中的激光源的电源。一些实例包含仅在交通工具速度超过例如40mph时使激光源起作用。此特征是在传统白炽头灯将用于照明高达40mph的速度下的交通工具前方物体的前提下促成的。在40mph以上的速度下，激光源头灯能够比传统头灯照明更远距离的物体。幸运的是，以40mph为特征，常规系统确保站在停放的交通工具旁边的人类或动物观察者无法凝视头灯组合件及将其眼睛暴露于激光。用于激光源照明系统的额外常规安全特征使用传感器或检测器来监测头灯束中的蓝色激光的量。如果检测到激光能量的不规则量，系统将中断激光电力。如果发生例如脱位镜、激光未对准、事故损坏等的故障，那么常规头灯系统可在前灯束中输出激光能量。

在其它常规安全系统中，在发生碰撞的情况下，系统将中断到激光源的电力。这些常规方法中的每一者预期系统中的一些故障，且接着在事后做出动作以中断激光源的电力。然而，安全系统及其组件部分(包含传感器、ECU(电控制单元)及电力中断系统(通常为继电器))被假定处于正常工作状态，并且这些常规安全模式系统提供了额外故障源。在安全系统中的组件中的一者发生故障的情况下，防止激光从头灯源发射的能力将受到怀疑，并且那些可能性继续引起人眼或组织可能暴露于准直激光能量并可能因此受损伤的担忧。此外，在一些系统中，在低速下对非激光头灯的要求导致系统相对昂贵，并且驾驶员的额外可见性的益处限于高速公路或至少相对高速的情况。

如下描述已经测试的现有的激光源头灯的实例。图1描绘常规技术激光源头灯组合件的俯视图。在100中，激光头灯组合件102含有三个蓝色激光二极管源110A、110B、110C。蓝色激光器可发射对于人眼来说是蓝色或紫色的光，例如波长范围为400到450纳米。举例来说，此类半导体二极管激光器被用在称为“蓝光”的光盘系统中。图1中的三个蓝色激光二极管源用于产生聚焦在镜112A、112B、112C上的准直蓝色激光130。来自激光源110A及110C的束经定位以在反射器114下方或上方行进。三个镜112A、112B及112C将激光束反射到位于最终透镜116后部的磷光体涂覆的反射元件118。当激光束照射磷光体元件时，磷光体发出荧光并产生明亮的黄光。蓝色激光束在过程中分散，并且当这些蓝色激光束与黄光组合时，经组合光能呈现为白光。此白光接着由反射器114重定向到前透镜116之外以提供照明。在蓝色激光被分散之后，从系统100发射的激光能量的强度降低到生物损伤的阈值以下，且因此减轻了准直激光的安全问题。

激光束光从常规头灯组合件100逸出的机会可能发生在磷光体元件118上的磷光体涂层的部分或全部故障中。在此情况下，激光束中的部分或全部将不分散，并可作为准直激光重新引导出头灯。发射激光能量的另一机会是在反射镜112中的一者离开原位的情况下。在所述情况下，激光束将被向前引导。激光发射的另一机会可能是在磷光体元件离开原位的情况下。在所述情况下，常规头灯的激光束将不具有分散元件并且将指向前方。如果激光源110中的一或多者远离其反射镜112而被重新引导，那么可能发生最后一个实例故障模式，接着其准直激光束将指向头灯的前部。在如图1中的一者的常规头灯系统中，输出光150中的检测器156可用于监测光中激光能量的含量，接着在超过限制时，可中断到激光二极管110的电力。然而，高于生物安全阈值的激光能量将在传感器156检测到之前发射；并且系统100的安全性还取决于传感器的正确操作。举例来说，如果传感器156由于事故而丢失或损坏，那么到激光二极管110A到110C的电力可继续，并且可从头灯发射超过安全限制的准直激光能量。

因此需要对例如在头灯及前灯中的激光源照明装置的安全性进行改进。改进激光源头灯使其本质安全，使得不需要额外传感器系统来停止或减少准直光逸出头灯壳体的机会，这对安全及行业有益并且增加激光源照明技术的社会接受度。

技术实现要素：

在实例布置中，一种用于照明的系统包含：激光照明源，其经配置以发射激光束；分色镜，其与所述激光照明源间隔并且具有经配置以允许所述激光束行进通过所述分色镜的孔，所述分色镜的其余表面经配置以反射所述激光束；磷光体元件，其与所述分色镜间隔并涂覆有在被所述激光束击中时发出荧光的物质，并且经配置以分散所述激光束并输出包含荧光及分散激光束的组合光；及照明输出，其经布置以接收来自所述磷光体元件的所述组合光并输出含有所述荧光及所述分散激光束的照明光。

附图说明

图1描绘常规激光源头灯组合件的俯视图。

图2描绘使用折叠光路径的实例实施例的本质安全激光照明系统的俯视图。

图3A及3B各自描绘用于实例实施例中使用的本质安全激光照明系统的一对激光二极管阵列及分色镜的前视图。

图4描绘具有实例偏移激光二极管阵列故障的图2的本质安全照明系统的另一俯视图。

图5描绘具有缺失的黄色磷光体衬底故障的图2的本质安全照明系统的俯视图。

图6描绘具有实例磷光体元件涂层故障的图2的本质安全照明系统的俯视图。

图7描绘使用线性光路径的实例实施例的本质安全激光照明布置的另一实例的俯视图。

图8A到8B各自描绘用于图7的本质安全激光照明系统布置的激光二极管阵列及分色镜的前视图。

图9描绘具有实例偏移激光二极管阵列故障的图7的本质安全激光照明系统的俯视图。

图10描绘具有实例磷光体涂层故障的图7的本质安全照明系统的另一俯视图。

图11描绘说明创建本质安全照明系统的方法的流程图。

具体实施方式

除非另有指示，否则不同图式中的对应数字及符号通常指代对应部分。图式不一定按比例绘制。

在此描述中，术语“耦合”不限于“连接”或“直接连接”，而是还可包含利用中间元件进行的连接，因此额外元件及各种连接可存在于“耦合”的元件之间。

在本质安全激光照明系统中，不需要隔离或含有从照明系统出射的准直激光的额外控制系统。以下段落将说明安全激光照明系统，其安全操作而不需要额外安全系统。然而，在替代布置中，例如上文关于常规布置描述的传感器可与本质安全激光照明系统结合使用，并且在此替代布置中仍然将获得使用所述布置的益处。

图2描绘使用折叠光路径的本质安全激光照明系统200的俯视图。在图2中，激光照明前灯202含有激光器阵列210，其激光束230被引导通过分色镜212中的孔并且通过聚焦及准直透镜组214，以聚焦在反射黄色磷光体元件218上。来自磷光体衬底的光返回行进通过透镜组214并反射离开分色镜212，并且如光线250所描绘那样从前灯或照明系统202反射出来。透镜组214可含有一或多个透镜以实现其准直激光束并将激光束聚焦在反射性磷光体衬底上的用途。分色镜212以角度232安装到激光二极管阵列212。在一个实例布置中，镜的近似角度将为45度，但镜212可以其它角度布置，使得以在激光器阵列210及分色镜212变得不对准的情况下将激光束230反射到安全位置为目的而实现所描绘的光路径，如下文进一步描述。分色镜212在前及后表面上反射黄光及蓝光。例外的是孔区域与激光二极管阵列210对准，这仍然反射黄光，但允许蓝色激光束230在任一方向上穿过镜。

图3A到3B各自在实例实施例的方面描绘用于本质安全激光照明系统的激光二极管阵列及分色镜的一对布置的前视图。图3A说明激光器阵列310，其在至少一个实例中含有以正方形图案布置的八个激光二极管源312。元件320是具有矩形孔324的分色镜。分色镜320经设计以在前及后表面上反射蓝光及黄光。例外的是孔区域324，其将允许蓝光在任一方向上穿过。孔324的大小及定位将与激光器阵列310一致，使得当镜320对准时，在实例布置中以与阵列成约45度的角度说明特征，镜孔324将允许蓝色激光束穿过镜320。激光器阵列310被描绘为具有呈正方形图案的激光源312，所述正方形图案对应于镜320中的镜孔324，当从所说明的正面直接观察时镜孔324为矩形，但不一定按比例绘制。

图3B描绘具有激光器阵列316的第二实例布置，其中激光二极管源318以圆形图案布置。元件330是具有椭圆孔334的另一分色镜。此镜330经设计以在前及后表面上反射蓝光及黄光。例外的是孔区域334，其将允许蓝光在任一方向上穿过。用呈圆形图案的激光源318描绘的激光器阵列316对应于镜330中的镜孔334，当从所说明的正面直接观察时，镜孔334为椭圆形，但不一定按比例绘制。额外激光二极管布局图案及对应分色镜布置是可能的，这将允许激光穿过镜中的一或多个孔，同时在镜的其它区域中反射光。一些实例布置在镜中具有带有对应激光布局的多个孔。

在图3A及图3B中所展示的两个实例布置中，镜孔是对称的以允许激光束从后往前通过镜，并且还允许激光束从前往后通过镜。在并入图3A或3B的镜的系统中的磷光体涂层发生部分或全部故障的情况下，激光束将反射离开磷光体的衬底表面，并且接着将被返回引导通过镜的对称孔，从而防止准直激光从头灯系统中出射。下文实例根据不同的可能故障机制说明此照明系统的本质安全性质。

图4描绘具有偏移激光二极管阵列故障的图2的本质安全照明系统的俯视图。在400中描绘的是类似于图2中描绘的202的本质安全照明头灯或前灯组合件402，保留数字指定，只是现在使用400系列。组合件402包含激光源410、激光束430、分色镜412、磷光体元件418及光输出450。在此说明中，展示的激光器阵列410相对于分色镜412在位置上偏移或旋转，使得激光束430现在不与分色镜412中的孔对准。

在此实例中，激光束430被反射远离照明系统的正常输出方向450并且不离开照明系统。这是此布置的本质安全特征，并且不需要任何检测器、ECU或电力中断系统来约束激光束。在此实例故障中，由于在输出450处没有激光能量从组合件402出射，所以可保持激光二极管410的电力而不会危及人类或动物观察者。

图5在另一个实例中描绘具有缺失黄色磷光体衬底故障的图2的本质安全照明系统。图5中描绘的是例如在图2中描绘为202的本质安全照明布置502，保留数字指定，只是使用500系列。组合件502包含激光源510、激光束530、分色镜512、透镜组514、磷光体元件518及光输出550。

在此实例中，黄色磷光体衬底518不位于其正确位置中。激光器阵列510供应与分色镜512对准的激光束530。激光束穿过透镜组514，但不激励脱位的黄色磷光体衬底518。在不击中衬底518(其现在脱离设计位置)的情况下，激光束交叉并且不被反射，因此被约束在照明系统内。在此实例中，激光束经约束而远离照明系统500的正常输出方向550，并且不会离开照明系统。系统500因此是本质安全的。安全功能不需要任何检测器、ECU或电力中断系统来约束激光束。电力可保持在激光二极管阵列510上，而没有从组合件502出射任何激光能量的风险。

在另一实例中，图6描绘说明黄色磷光体涂层故障的实例的本质安全激光照明系统600(例如图2的本质安全激光照明系统)的俯视图。图6中描绘的是如图2中描绘的本质安全照明组合件602，保留数字指定，只是现仅使用600系列的数字。图6的布置602包含激光源610、激光束630、分色镜612、透镜组614、磷光体元件618并且具有光输出650。

在此实例说明中，元件618上的磷光体涂层完全或部分地剥落从而暴露磷光体元件618的反射衬底的全部或部分。在图6的实例中，激光器阵列610产生穿过分色镜612中的孔的激光束630。激光束接着穿过透镜组614并聚焦在黄色磷光体元件618上。在此故障实例中，激光束的全部或部分将由磷光体元件618的反射性衬底反射。由于激光器阵列610的对称性质及分色镜612上的孔的对称性质，束的非分散部分被简单地反射离开衬底并返回到原始激光二极管，如由双端束箭头630所展示。在不具有磷光体涂层的情况下，束被简单地反射并被约束在照明系统外壳内。这是此布置的本质安全特征，并且不需要任何检测器、ECU或电力中断系统来约束激光束。

图7描绘使用线性光路径的本质安全激光照明系统700的另一实例布置的俯视图。图7中所说明的是本质安全照明组合件702的俯视图，其含有通过分色镜712耦合到聚光透镜系统714的激光光源710。聚焦透镜将光能引导到光分散元件718。在分散元件718之后是准直透镜组716，其通过第二分色镜722将光能750引导出照明组合件702。

在此实例布置中，具有以对称图案布置的激光二极管的激光光源710被对准，使得激光束730穿过经制造使激光通过的分色镜中的孔。激光束730接着被聚光透镜组714聚焦并被引导到黄色磷光体涂覆元件718。当激光730照射元件718时，黄色磷光体发荧光，从而发射明亮的分散光。所述光由黄光及蓝光组成，并呈现为白光。元件718之后是准直透镜组716，其收集发射的光并通过第二分色镜722将其引导出灯系统的前部，如由束750所描绘。为了更好的解释，在图8A到8B中也详细描述图7的激光二极管阵列及分色镜。

图8A到8B各自描绘可用于例如图7的本质安全激光照明系统的布置中的一对激光二极管阵列及一对分色镜的前视图。图8A描绘激光器阵列810，在此实例中，激光器阵列810含有以对称图案布置为正方形或矩形的八个激光二极管源812。可使用更多或更少的激光二极管源来形成替代布置。元件820是具有正方形孔824的分色镜。分色镜820经设计以在除了区域824之外的前及后表面上反射蓝光及黄光，在区域824中蓝光可在任一方向上穿过分色镜。孔824的大小将以此方式与激光器阵列810对应，使得当反射镜垂直于激光器阵列对准时，反射镜的孔824将允许蓝色激光束穿过镜。元件822是具有正方形孔826的第二分色镜。分色镜822经设计以在正方形区域826中反射蓝光并在所有其它区域中使光通过。反射区域826的大小将与激光器阵列810对应。

图8B描绘可与图7中的激光照明系统一起使用的激光二极管光源816及镜830及832的另一实例。在此实例中，激光源816经说明具有布置成对称圆形图案的六个激光二极管源818。分色镜830具有圆形孔834。镜830在除了孔区域834之外的两个表面上反射蓝光及黄光，在孔区域834中允许蓝光在任一方向上穿过镜。孔834经设计及定大小使得在镜830垂直于激光源816定位时，激光源818以其光穿过孔的方式与孔对准。分色镜832具有圆形区域834。镜832在圆形区域836中反射蓝光及黄光并且在所有其它区域中使光通过。反射区域836的大小将与激光器阵列816对应。

在图8A及8B中描绘的两个实例布置中，区域824、826是对称的，以允许激光束在两个方向上穿过镜。关于以下图式论述布置的本质安全特征。除了这些实例布置之外，可使用许多其它激光二极管图案，并且可在分色镜上形成对应形状，如实例中所展示。如上所展示，可通过使用激光二极管及镜的各种图案形成替代布置。

图9描绘具有实例偏移激光二极管阵列故障的本质安全照明系统900的俯视图。图9中描绘的是对应于来自图7的组合件702的本质安全照明组合件902。在图9中，保留图7的数字指定，只是现在使用900系列。组合件902包含激光源910、分色镜912、聚光透镜组914、分散元件918、准直透镜组916、第二分色镜922及最终光输出950。在用于说明本质安全特征的此实例中，激光光源910被描绘为相对于分色镜912偏移，使得激光930不再与分色镜912中的孔对准。因为分色镜912在其中没有孔的区域中反射蓝光及黄光两者，所以激光被反射回到照明系统的后部，其中激光不会离开灯系统。因为激光不会离开组合件902，所以这是此布置的本质安全特征，并且与常规方法形成鲜明对比，实例实施例的本质安全布置不需要任何传感器、检测器、ECU或电力中断系统来约束激光束。

图10在另一个实例1000中描绘具有失效的磷光体涂层故障的图7的本质安全照明系统。图10中描绘的是例如来自图7的702的本质安全激光照明系统1002。在图10中，保留图7的数字指定，只是使用1000系列。组合件1002包含激光源1010、分色镜1012、聚光透镜组1014、分散元件1018、准直透镜组1016、第二分色镜1022及最终光输出1050。在用于说明本质安全特征的此实例中，黄色磷光体元件1018已离开原位，已从其原始位置1018a移动到实例位置1018。激光1030保持其准直组成，因为磷光体元件不再位于合适位置。准直激光1030被认为是危险的，并且其不应离开照明系统。在此故障实例中，第二分色镜1022上的反射区域的对称孔性质简单地将激光反射回到透镜组1016中，且接着到1014中，在1014中其穿过分色镜1012，其中其被约束在照明系统1002内。激光不会离开组合件1002。这是实例实施例的本质安全特征，并且与常规方法不同，不需要任何检测器、ECU或电力中断系统来约束激光束。因此，实例实施例提供本质安全激光照明系统。

图11是说明创建本质安全照明系统的实例方法的流程图。在图11中，在框1101、1105、1107、1109、1111a或1111b、1113及1115中说明七个循序步骤。步骤1101通过以提供产生激光束的对称激光源(例如源自蓝色激光二极管)的图案布置多个激光源开始方法1100。在步骤1105处，分色镜具有对应于激光源的图案的孔。在步骤1107处，定位磷光体元件以通过分色镜中的孔接收来自激光源的激光束。在步骤1107处，从磷光体输出包括荧光及分散激光的光以形成组合光。在步骤1111a处，在例如图2中所说明的实例布置中，组合光从分色镜反射，但在具有与磷光体一致的输出的一些布置中，例如图7中所展示，步骤1111b展示光将穿过第二分色镜。在步骤1113中，从系统输出照明光。

本文描述的布置可并入激光源照明头灯或前灯中。这些头灯或前灯可用于各种交通工具，其包含汽车及卡车应用、船舶应用、休闲应用(例如雪地机动车、越野摩托车)、全地形交通工具、飞机及航空航天应用。使用激光照明源提供的强光不限于交通工具应用，并且也可应用于室外照明、便携式照明、聚光灯、闪光灯以及各种其它发光环境。发光的额外应用可从实例实施例的使用中受益。

实例实施例的各种布置使用激光照明源提供本质安全照明。在实例实施例的方面中，激光照明源布置有磷光体元件及镜设备，使得在若干可能故障中的一者的情况下，激光能量不会离开照明系统。此外，安全特征出乎意料地实现而不需要额外检测器或传感器，并且对布置来说是固有的。即使激光照明源在故障后保持供电，激光能量也不会离开系统，因此系统的安全性比常规方法大大增强。

在以上系统的一个实例中，激光照明源进一步包含激光二极管。在以上系统中的另一布置中，激光二极管输出蓝色或紫色激光。在另一布置中，在上述系统中，激光二极管输出波长在400与460纳米之间的激光。

在另一布置中，在上述系统中，磷光体元件经配置以在被激光束击中时发出黄色荧光。

在另一布置中，在上述系统中，所述系统进一步包含：分色镜与来自激光二极管的激光束的方向成角度；且磷光体元件将荧光及分散激光反射回到分色镜；其中分色镜将来自磷光体元件的光反射到照明输出。

在另一布置中，在上述系统中，如果磷光体从其原始位置移位，那么激光束不被反射并且没有激光从照明输出输出。在另一布置中，在以上系统中，其中如果磷光体元件上的磷光体涂层脱位，那么磷光体衬底将激光束直接反射回到分色镜中的孔，并且没有激光束在照明输出处输出。

在另一替代布置中，在上述系统中，其中如果激光照明源从原始位置移位，那么来自照明源的激光束击中分色镜的反射表面并且不进入孔。

在另一替代布置中，在上述系统中，系统进一步包含定位在分色镜与磷光体之间的聚光透镜及准直透镜，所述聚光透镜及准直透镜经配置以将激光束聚焦到磷光体元件上。

在另一替代布置中，在上述系统中，系统进一步包含定位在磷光体与照明输出之间的一组透镜，并且所述组透镜经配置以对来自所述磷光体的光进行准直以输出光。

在另一布置中，在上述系统中，如果磷光体失去涂层，那么磷光体元件的衬底经配置以将激光束往回反射通过聚光透镜及准直透镜并通过孔分色镜，使得没有激光从照明输出被输出。

一种实例方法包括：布置与分色镜中的孔对应的多个激光照明源，所述分色镜与所述多个激光照明源间隔，分色镜的表面反射激光；通过分色镜中的孔输出来自激光照明源的激光束；将激光束引导到响应于激光束而发荧光的磷光体上，并且所述磷光体输出包含荧光及分散激光的组合光；以及在照明光输出处输出组合光。

在另一实例布置中，上述方法包含如果激光照明源脱位，那么激光束击中分色镜的反射表面并且被反射，使得没有激光束从照明输出输出。

在另一实例布置中，上述方法进一步包含其中如果磷光体失去其磷光体涂层，那么磷光体的衬底对激光束是反射性的，并且激光束被往回反射通过分色镜中的孔，使得没有激光束在照明输出处输出。

在另一实例布置中，上述方法进一步包含将分色镜定位成与激光束的路径成角度；将来自磷光体的组合光反射到分色镜；以及将来自分色镜的组合光反射到照明输出。

在另一实例中，在上述方法中，所述方法进一步包含：其中如果磷光体变得脱位，那么激光束不被反射回到分色镜，并且没有激光束从照明输出输出。

在另一实例配置中，一种具有激光照明源的头灯，其包含：多个激光二极管，其以图案布置；分色镜，其与激光二极管间隔，并且具有对应于图案放置的孔，分色镜的其余表面对激光束是反射性的；磷光体，其具有涂层，所述涂层经配置以在受到来自激光二极管的激光束的冲击时发荧光，磷光体在与激光二极管相对的一侧上与分色镜间隔，磷光体经配置以在受到所述激光束冲击时输出包含荧光及分散激光的组合光；及所述头灯的输出，其经定位以接收来自磷光体的组合光并输出照明光；其中如果激光二极管及磷光体中的任何者变得脱位，那么激光束被引导，使得没有激光束被传输到输出。

在另一实例布置中，在上述头灯中，其中分色镜相对于来自激光二极管的激光束的方向成角度，并且来自磷光体的组合光被引导回到分色镜且接着从分色镜反射到头灯的输出。

在另一实例布置中，在上述头灯中，其中如果磷光体失去其涂层，那么磷光体衬底将激光束往回反射通过分色镜中的孔，并且没有激光束被传输到头灯的输出。

还可在步骤的顺序及步骤的数目方面进行各种修改以形成并入实例实施例的方面的额外替代布置。

在所描述的实施例中修改是可能的，并且在权利要求书的范围内的其它实施例是可能的。