红外激光源装置、照明装置和机动车辆的制作方法

1.本实用新型涉及激光源装置的领域，尤其涉及通常用于照明需要由监视摄像机观察的场景的红外激光源装置。这种红外激光源装置对于照亮黑暗或夜间场景特别有效。更具体地，由这样的红外激光源装置提供的光束被定向或可能被取向为朝向人的面部，出于安全或舒适的原因，光束必须不是炫目的或刺眼的。本公开还涉及一种包括这样的红外激光源装置的照明装置，例如用于监视摄像机，以及配备有这种照明装置的车辆，尤其是机动车辆。


背景技术：

2.现今，激光二极管被用在诸如药物、电信和娱乐的各种领域中。然而，本公开涉及的优选应用之一是用于监视目的的光学检测领域。在不同类型的激光源中，存在垂直腔表面发射激光器或vcsel，其为具有与顶部表面垂直的激光束发射的半导体激光二极管的类型，与常规的边缘发射半导体激光器相反。在940nm的发射波长或近红外(nir)中的类似波长的情况下，此类激光源在照明技术的切割边缘处。主要优点是小尺寸、窄的红外(ir)发射带宽，导致高的太阳光抗扰性、高的输出功率和良好的效率。随着价格越来越有吸引力，vcsel被计划用于许多即将到来的驾驶员和车厢内监视摄像机项目。
3.不幸的是，高功率与小尺寸组合，这在发光表面上产生非常高的强度。当从前方观看光源时，这在人眼中产生具有高强度的视网膜投影，导致红外光的可感知性可见为暗红色辉光，而红外光被假定为对于人眼是不可见的。这样的暗红色辉光可以干扰其面部处于照明区域内的驾驶员或使驾驶员感到刺眼。该问题不限于vcsel，也可能在提供nir范围中的光束的其它类型的激光二极管中发生。
4.通常用于监测机动车辆的驾驶员行为的当前激光源设置有单个漫射元件，该单个漫射元件起到最初在单个方向上发射的激光束的光分布元件的作用。微透镜阵列通常用于跨越场景(即，根据前述实例朝向驾驶员的面部)分布激光。
5.文献wo2020184638a1公开了一种光源装置，该光源装置包括多个光发射器和投影光学系统，该投影光学系统被配置为放大在发光区中每单位面积的光发射量。
6.文献wo2019020395a1公开了一种vcsel组件，其包括：以vcsel阵列布置的多个可单独寻址的红外发射vcsel；被布置成对vcsel阵列的各个vcsel进行寻址的控制器；以及以主光学元件阵列布置的多个主光学元件。该组件允许调整相对小的场景区域上的照度，例如，与在这样的场景中的人的手臂和胸部一样小的区域或与眼睛和鼻子一样小的区域。
7.文献ep3598591a1涉及一种激光器布置，其包括激光器阵列，特别是设置有扩散器的垂直腔表面发射激光器(vcsel)阵列、包括激光器或vcsel阵列的照明装置以及包括这种激光器布置的飞行时间摄像机。本文献的主要目标之一是提供具有减小的构建高度的布置。
8.文献ep2478602b1涉及一种具有可配置强度分布的激光装置。该文献中公开的主要目的是提供一种激光装置，其允许在工作平面中产生期望的强度分布，而不需要专门设
计用于该强度分布或光束轮廓的光学器件。
9.任何已知的公开方案都未能克服由上述暗红色辉光导致的问题。因此，需要改进现有的公开方案，以便至少部分地克服上述问题和缺点，尤其是为了提高存在于由红外激光源照明的光场中的任何人的安全性和舒适性。


技术实现要素：

10.为了解决上述问题，本公开提出以下红外激光源装置。
11.由于本公开的红外激光源装置，可以减少在装置的光输出界面处的激光出射表面的辐射，同时保持照明场景的目标表面上的光的期望角度分布和功率。换句话说，如果人眼在红外激光源装置的外部壳体的出射表面处观察，则通过增加人眼可见的发光区域的尺寸来解决由输出界面处的高光强度引起的问题。有利地，本公开不降低由激光源提供到照射场景上的光功率。此外，还可以维持由场景的目标表面上的光的角度出射分布提供的光分布。另外，可以在不显著增加红外激光源装置的外部壳体的高度的情况下获得这些技术效果和前述优点。
12.所述红外激光源装置设置有外部壳体，所述外部壳体包括：光输出界面，所述光输出界面被布置在所述外部壳体的前部中；至少一个红外激光源，所述至少一个红外激光源被布置在所述外部壳体的后部中并且被配置为发射ir激光束，从而在所述光输出界面处提供第一发射区域；以及第一光分布元件，所述第一光分布元件被配置为在所述光输出界面处发散光，其中，所述红外激光源装置还具有与所述第一光分布元件分离的第二光分布元件，从而在所述光输出界面处提供大于所述第一发射区域的第二发射区域。
13.根据一个实施例，由红外激光源发射的ir激光束在近红外范围内。例如，ir激光束可以包括940nm的发射波长。
14.根据优选实施例，红外激光源是垂直腔表面发射激光器(vcsel)。
15.在一个实施例中，第一光分布元件和第二光分布元件中的至少一者由微透镜阵列、半透明材料、颗粒表面、自由形式透镜或高级波束成形器中的至少一个制成，其能够在对输出强度分布以及光在空间中的分布路径进行整形的同时对输入光束进行均质化。
16.在另一实施例中，第一光分布元件与第二光分布元件之间的距离由调节部件来改变。
17.根据一个实施例，第二光分布元件位于距第一光分布元件在2mm至5mm之间的距离处。
18.在另一实施例中，红外激光源由单个元件构成，并且第二光分布元件基本上位于红外激光源和第一光分布元件之间的中间处。
19.在不同的实施例中，红外激光源由多个独立的元件构成，并且第二光分布元件由布置在每个所述元件上的微透镜构成。优选地，第二光分布元件位于基本上大于第二光分布元件的分离元件之间的间距的距离处。
20.根据一个实施例，第一光分布元件15进一步加宽离开第二光分布元件的ir激光束和/或校正ir激光束的至少一部分的分布。
21.根据一个实施例，红外激光源和第二光分布元件被布置在位于外部壳体内部的内部壳体内。外部壳体优选地为内部壳体的附加件。
22.在另一实施例中，外部壳体和内部壳体中的至少一者包括半透明材料，优选为塑料或玻璃，用作光输出界面。
23.在另一实施例中，第一光分布元件被集成到外部壳体或被布置成抵靠外部壳体，并且/或者第二光分布元件被集成到内部壳体或被布置成抵靠内部壳体。
24.本实用新型还涉及照明装置，优选用于监视用摄像机的照明装置，其包括根据其实施例中的任一者或根据其实施例的任何可能组合的红外激光源装置。
25.本实用新型还涉及一种车辆，优选包括上述照明装置的机动车辆。
26.下文将在具体实施方式中公开其他实施例和优点。
附图说明
27.本公开中提出的公开内容和实施例应被理解为非限制性示例，并且将参考附图来更好地理解。
28.图1是根据现有技术的激光源装置的示意图；
29.图2是根据本公开的第一主要实施例的红外激光源装置的示意图。
30.图3更具体地显示图2的装置内的ir激光束的示意图，以便更好地说明由本公开提供的技术效果中的一者。
31.图4提供了现有技术(在左侧示出)相对于本公开(在右侧示出)提供的效果的图形比较，在图的上部，是在激光束从装置外部出现在光输出界面上时观察激光束时，其，在图的底部，是在激光束出现在目标表面上时观察激光束。
32.图5是本公开的第二主要实施例的示意图；
33.图6是本公开的第三主要实施例的示意图；
34.图7a至图7c示出了作为本公开的任何实施例的变型的关于外部壳体的前部和/或内部壳体(如果有的话)的细节。
35.图8示意性地描绘了设置有本公开的红外激光源装置的照明装置；以及
36.图9是包括图8的照明装置的机动车辆的示意图。
具体实施方式
37.一般而言，应当注意的是，附图中所示的元件并不遵守尺寸和比率，而是已经被极大地夸大，以便突出装置的操作和装置的布局的一般原理。这就是为什么这些附图主要用作示意图。
38.图1提供了根据现有技术的激光源装置1的示意图。这种装置通常包括可安装到印刷电路板20上的外部壳体11。壳体11在其前部f中包括光输出界面12，光输出界面12可以由布置在壳体11内的透明或半透明部分组成，诸如激光可透过的窗口。
39.外部壳体11在其后部r中还包括能够发射ir激光束b的红外激光源14。在源14的输出部处，激光束b是指向单个方向并由单个波长构成的任何激光束。结果，激光束b最初是如图1中示意性描绘的平行光束。激光束b的尺寸主要取决于红外激光源14的尺寸。实际上，源14可以由例如以阵列布置的多个微激光源构成。由红外激光源14发射的ir激光束b还在光输出界面12处或基本上在光输出界面12处提供第一发射区域c1。
40.最后，图1的外部壳体11还包括光分布元件15，目的是在光输出界面12处发散光。
因此，由发射区域c1朝向壳体11的外部提供的光不再是平行光束，而是例如更适合于照射监测场景内的目标物体、人或表面的发散光束。
41.如在图1以及在一些其他附图中示意性地描绘的，光输出界面12可以优选地被认为包括光分布元件15，假定该元件的厚度远小于由附图提供的示意图中所描绘的厚度。此外，还应注意，在光分布元件15的厚度的中间，示意性地表示发射区域c1，以便符合示出由光分布元件15引起的激光束b内的横截面积变化的光学方案。然而，由于光分布元件15抵靠外部壳体11的前部f定位，或者甚至集成在其中，并且由于光学元件的厚度远小于图中所示的厚度，因此可以认为发射区域c1对应于由激光束b在壳体11的外表面上提供的覆盖区，就如同人从前部观看红外激光源装置1时看起来那样。
42.图1的激光源装置1的主要问题在于以下事实：从前部观看红外激光源装置1的人可能被ir激光束b的辐射引起的暗红色辉光干扰或刺眼。实际上，由于红外激光源14的高光功率和由发光区域c1在光输出界面12处提供的小覆盖区，ir光对于人眼是可见的，尤其是在近红外(nir)光谱内，而红外光(包括nir光)被认为对于人眼是不可见的。因此，眼睛安全限制的防护或眼睛模糊难以达到所需的系统性能，特别是在照明装置(诸如图1的照明装置)用于监视人类行为(例如，使用指向人面部的舱内监视摄像机)的情况下。
43.本公开旨在通过抑制或至少显著降低前述红辉光效应来解决这种问题。为此，图2示出了作为本公开的第一实施例的具有外部壳体11的红外激光源装置10。外部壳体11基本上包括与结合图1描述的元件相同的元件，即：
[0044]-光输出界面12，其布置在外部壳体的前部f中；
[0045]-设置在外部壳体11的后部r中的至少一个红外激光源14，红外激光源14能够发射ir激光束b，ir激光束b在光输出界面12处提供第一发射区域c1，以及
[0046]-在光输出界面12处发散光的第一光分布元件15。
[0047]
与图1相反，本公开的红外激光源装置10还包括第二光分布元件16，第二光分布元件与第一光分布元件15分开并且在光输出界面12处提供大于第一发射区域c1的第二发射区域c2。
[0048]
由于红外激光源装置10，如同人观看时看起来那样，由于第二光分布元件16，发光表面c2相对于第一发射区域c1增大。该效果在图3中示意性地示出，图3示出了从红外激光源14发出的ir激光束b被第一和第二光分布元件15、16连续放大，以便分别提供第一和第二发射区域c1、c2。第二发射区域c2明显大于第一发射区域c1。因此，有利地减少了第二发射区域c2的辐射，同时保持激光束b的其它主要参数，即，光的功率和目标表面上的期望角度分布。
[0049]
图4是显示由本公开(在图的右侧)相对于所显示的现有技术(在图的左侧部分)提供的益处的图案比较。该图的上部示出了两个黑色正方形区，每个区域的侧边稍大于8mm。在这些黑色正方形区域中的每一个区域内表示光输出界面12处的发射区域，如同看起来那样，一方面对于现有技术的激光源装置1(在左侧)，以及另一方面对于本公开的红外激光源装置10(在右侧)。每个发射区域c2位于相关激光源装置1、10的外部壳体11的出射表面处。因此，出射表面已经通过示出打开窗口的象形图示意性地标记。可以注意到，现有技术的发射区域非常小(图案约为2
×
2mm)，因此提供集中辐射，而本公开的发射区域(其对应于第二发射区域c2)大得多(图案为约5
×
4mm)，因此提供减小的辐射。
[0050]
相同的功率已被用于激励提供ir激光束b的红外激光源14。因此，可以注意到，用于照亮较大表面的相同功率导致亮度降低。因此，观看由红外激光源装置10提供的第二发射区域c2的任何人将不再受到暗红色辉光的干扰或干扰小得多。因此，本公开提供了关键优点，包括放松的眼睛安全状况、ir光的无感知或非常低的感知性以及不再有或减少的激光斑点(即，小的斑点或颜色的分块)。
[0051]
在图4的底部，两个下方正方形表示由目标表面上的对应发射区域提供的光分布。因此，通过表示目标的象形图示意性地标记了下方一行正方形。可以看到，目标表面上的光分布，对于现有技术的装置1与本公开的装置10而言，是相同的或基本相同的。更具体地，由激光束b覆盖的目标表面具有在水平轴和竖直轴上的约60
°
的孔径，并且目标表面内的光的亮度对于现有技术的装置1与本公开的装置而言是相同的或几乎相同的。这意味着在现有技术的装置1以及本公开的装置10上出现的出射表面的发射区域在所监视的目标上提供了相同的光分布。然而，图2的红外激光源装置10的优点是，在光输出界面12处的发射表面c2上提供了非常低的辐射。
[0052]
作为另一个优点，应当注意的是，在光的双扩散以及图3中所示的情况下，可以获得大的光输出区域，而无需大规模地增加红外激光源装置10的高度。由于这种装置10的尺寸可能是关键的，特别是当它位于诸如监视摄像机的其它装置内部时，重要的是保持具有良好紧凑性的红外激光源装置10。
[0053]
由红外激光源14发射的ir激光束b优选处于近红外范围内。近红外(nir)包括人眼不可见光谱中的辐射，其从780nm扩大至3000nm。在该范围内，激光在人眼的电磁光谱的安全部分中发射辐射，条件是在光输出界面12处的发射区域的辐射足够小。在这样的波长范围和中等辐射中，光主要由角膜和晶状体(lens)吸收，从而防止光到达视网膜。优选地，由红外激光源14发射的ir激光束的nir范围在780-3000nm之间，特别是在780-1300nm之间，并且仍然优选地包括940nm的发射波长。
[0054]
根据优选实施例，红外激光源14是垂直腔表面激光器(vcsel)。vcsel是一种类型的半导体激光二极管，其具有与顶表面垂直的激光束发射，与常规的边缘发射半导体激光器相反，其从通过从晶片切出的单个芯片而形成的表面发射。vcsel管芯的典型尺寸大约为1mm2(1
×
1mm)。vcsel激光二极管或vcsel芯片具有若干优点，尤其是在生产方面，产量可以被控制为更可预测的产出。因此，使用vcsel提供的技术存在显著的益处。
[0055]
回到光分布元件15、16，它们可以被视为扩散元件以扩散由它们中的每一个接收的光。这些元件15、16优选在设计上类似，但不相同。光分布元件15、16中的至少一个由微透镜阵列、半透明材料、颗粒表面、自由形式透镜或高级波束成形器中的至少一个制成，其能够在对输出强度分布以及光在空间中的分布路径进行整形的同时对输入光束进行均质化。
[0056]
应当注意，由光分布元件15、16提供的光孔径不一定是相同的。因此，由一个光分布元件15、16提供的扩散角可以不同于另一个元件的扩散角。此外，任何光分布元件15、16可以提供对称或不对称的光分布。由于不对称的光分布，特别地，如果红外激光源装置10相对于目标表面离轴，则可以优化待被照明的目标表面。
[0057]
根据一个实施例，通过调节部件使第一光分布元件15与第二光分布元件16之间的距离是可变的。这样的调节部件可以是例如调节螺钉或能够使外部壳体11相对于将结合图6公开的内部壳体17滑动的可锁定滑动系统。这样的调节部件的目的可以被认为提供可调
节的红外激光源装置10，优选地调节一次，例如在工厂组装期间。因此，它可以适用于若干要求或需求，尤其是在视场宽度(field width)方面。因此，红外激光源装置10与目标之间的距离有利地变得不太关键。
[0058]
如图2的示例所示，第二光分布元件16位于红外激光源14和第一光分布元件15之间。根据一个实施例，第二光分布元件16基本上位于红外激光源14和第一光分布元件15之间的中间。
[0059]
在另一个实施例中，第二光分布元件16位于距第一光分布元件15在2mm至5mm的距离处。这些值给出了红外激光源装置10的紧凑性的良好构思。两个光分布元件15、16之间的距离可以使得发射区域c1和c2在等于大约10的因子的比率内，优选地在7和15之间。例如，如果第二光分布元件16具有
±
20
°
的扩散，即孔径角为40
°
，则第一光分布元件15和第二光分布元件16之间的距离应为3.5mm。利用这些值，提供1mm2的第一发射区域c1的典型vcsel应当与能够提供12.6mm2的第二发射区域c2的第二光分布元件16一起使用，使得第二发射区域c2可以是相当于3.55
×
3.55mm的正方形区域。
[0060]
图5示出了红外激光源装置10的第二主要实施例。根据该实施例，红外激光源14由多个分离的元件构成。另外，第二光分布元件16优选地由布置在这些元件中的每一个上的微透镜构成。换句话说，微透镜阵列可以集成到红外激光源管芯中。例如，红外激光源14的前述多个元件可以是vcsel管芯，并且第二光分布元件16可以是布置在vcsel管芯上的集成漫射元件。该实施例提供了非常紧凑的结果，其特别适合于实现红外激光源装置10。
[0061]
如图5的实施例中所示，第二光分布元件16位于基本上大于红外激光源14的分离元件之间的间距的距离处。
[0062]
根据另一实施例，第一光分布元件15进一步加宽离开第二光分布元件16的ir激光束b和/或校正ir激光束b的至少一部分的分布。校正光束b的一部分的分布可能导致得到不对称光束，例如，以获得目标照明的非典型分布。
[0063]
图6示出了另一个主要实施例，其中红外激光源14和第二光分布元件16布置在内部壳体17内，内部壳体17又位于外部壳体11内部。外部壳体11与第一光分布元件15一起可以被认为是将被放置到内部壳体17上或者被设计成围绕内部壳体17的盖。由于该实施例，由于内部壳体17与红外激光源14和第二光分布元件16一起可以对应于图1的红外激光源装置1，所以可以增强现有的激光源装置1，并且由于外部壳体11与第一光分布元件17一起可以被认为是安装在红外激光源装置1上的附加模块。因此，该实施例看起来是特别有成本效益的解决方案。
[0064]
第一光分布元件15和第二光分布元件16之间的距离可以通过调整外部壳体11的高度而被容易地设置。内部和外部壳体17、11可以刚性地附接到彼此，或者可以经由能够调节上述距离的调节部件来结合。优选地，外部壳体11是相对于内部壳体17的附加件。仍然优选地，内部和外部壳体17、11都被固定到印刷电路板20上，如图6所示。在一个实施例中，内部壳体17装配到外部壳体11，并且外部壳体11使用任何紧固手段(包括焊接)安装到印刷电路板20上。
[0065]
根据另一实施例，外部壳体11和内部壳体17中的至少一个包括用作光输出界面12的半透明材料，诸如塑料或玻璃。半透明材料可以是壳体11、17的一部分而被布置在它们的前部f中，或者可以用作整个壳体的基底材料，更具体地，用于这些壳体中的至少一个的整
个。
[0066]
如图7a至图7c所示，优选地，第一光分布元件15和第二光分布元件16中的至少一个被集成到或被布置成分别抵靠外部壳体11、内部壳体17。尽管图7a至图7c示出了外部壳体11的一部分，特别是在光输出界面12处设置有第一光分布元件15的壳体的前部f，但是应当注意，例如可以将相同的布局应用于内部壳体17。根据图7a至图7c，光输出界面12由外部壳体11的半透明材料部分制成。
[0067]
根据图7a中所示的变型，第一光分布元件15被布置成抵靠外部壳体11的前部f，特别是在输出界面12处抵靠外部壳体11的内表面。例如，在图7a的变型中，第一光分布元件15可以是胶合到外部壳体11的半透明窗口的单独部件。
[0068]
根据图7b的变型，第一光分布元件15在光输出界面12处集成在外部壳体11的前部f内，更具体地集成在外部壳体11的厚度内，同时被用作光输出界面12的至少一部分的半透明窗保护。例如，第一光分布元件15可以在外部壳体11的模制过程期间或至少在外部壳体11的窗口模制期间被压印(emboss)。可替代地，外部壳体11的窗口部分可以被机加工以形成凹部，光分布元件15可以胶合到该凹部中。
[0069]
图7c的第三变型示出了另一实施例，其中第一光分布元件15也集成在外部壳体11的厚度内，其可以用作红外激光源装置10的其他元件的盖。在该变型中，半透明材料部分(用作ir激光束b的窗口)和第一光分布元件15在外部壳体11内具有它们自己的凹部。例如，它们中的每一个可以粘合到壳体。
[0070]
如在图8中示意性地描绘的，本公开还涉及用于摄像机40(优选地，监视摄像机)的照明装置30。照明装置30包括根据其任何实施例的红外激光源10或其先前公开的其实施例的任何可能组合。照明装置30可附接到摄像机40，或其可嵌入于摄像机内，如图8中所示。作为变型，本公开还可以涉及摄像机40，优选地为监视摄像机，其包括根据其任何实施例或其实施例的任何可能组合的红外激光源10。例如，监视摄像机可以监视车辆的车厢内。
[0071]
如在图9中示意性地描绘的，本公开还涉及车辆50，优选为机动车辆，包括前述照明装置30或摄像机40，其优选地是如上所述的监视摄像机。
[0072]
本公开还涉及包括根据其任何实施例或其实施例的任何可能组合的红外激光源10的印刷电路板20。
[0073]
尽管已经参考特定示例实施例描述了本发明主题的概述，但是在不脱离本说明书中公开的本公开的实施例的更广泛的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和改变。