照明设备和包括这样的照明设备的成像设备的制作方法

1.本发明涉及成像技术领域，尤其涉及利用照明器进行图像采集。
2.更具体地，本发明涉及一种照明设备和包括这种设备的成像设备，例如，其适用于但不限于在机动车辆的乘客舱中捕捉图像。


背景技术：

3.术语成像器在本文中被理解为是指允许捕获图像的任何设备，这些图像可以是二维图像，例如照片或视频，或者是三维图像，例如由实施被称为飞行时间测量技术的技术的成像器捕获的图像。
4.已知的是，成像器与照明设备耦合，以便独立于环境亮度保持足够的亮度，或者甚至以便生成实施飞行时间测量技术所必需的光脉冲。
5.为了避免干扰成像器附近的人，已知使用发射人眼不可见的光束的红外光源。然而，在某些情况下，一旦红外光源的强度变得过高，红外光源可能会对人眼造成危险，特别是由于它们不会触发受红外照明影响的人的保护反射。。
6.传统上，用于成像器的照明设备的光源，特别是红外光源，与扩散器耦合，对由光源发射并通过扩散器的光束提供增加角扩散和减少光强度的双重功能。因此，在照明设备中，值得将光源配置成使其产生具有高强度的光束，以便相对于光束的传播方向在扩散器的下游保持足够的光强度。
7.一旦扩散器有缺陷，例如不存在或损坏，就会对人眼造成危险。
8.现有的应对扩散器故障风险的解决方案包括牢固地固定扩散器，例如，通过专用底盘，使用外壳保护它，和/或使用扩散器的存在检测器，如果没有检测到扩散器，则允许切断光源。
9.然而，这些解决方案不允许防止扩散器遭受的某些类型的损坏，例如热损坏，例如暴露在极端的热量下，这可以改变其内部结构，从而改变其扩散和减少光强度的功能，而不改变其外部结构。
10.此外，这样的解决方案需要使用笨重的装置，这与当前成像设备小型化的趋势相反。
11.因此，存在对一种节省空间和对人眼安全的照明设备的要求。


技术实现要素：

12.根据一个方面，提出了一种照明设备，包括照明模块，该照明模块包括光学输出，所述光学输出配置为发射具有角扩散的光束，该照明模块包括光源和光学扩散器，该光源配置为产生所述光束，该光学扩散器被布置为接收光束并将其向光学输出扩散，以便角扩散在相对于光束的传播方向的扩散器的下游具有的下游值大于角扩散在扩散器上游的上游值。
13.根据该方面的一般特征，该设备包括控制模块，该控制模块配置为当由光学输出
发射的光束的角扩散值低于第一预定阈值时传送具有警报值的控制信号，该控制模块包括与光学输出光学耦合并配置为测量光强度的感光器，控制模块配置为在光强度值小于或等于第二预定阈值时传送具有警报值的控制信号，该设备进一步包括控制电路，该控制电路配置为在收到具有警报值的控制信号时停用光源。
14.在这种情况下，以及在整个说明书的其余部分中，光束的角扩散被理解为指光束相对于其传播轴的发散角，即在这种情况下，相对于扩散器的法线方向的发散角。
15.因此，通过检测从扩散器输出的光束的角扩散的减少，扩散器故障的后果被检测出来，而不论故障的原因是什么。因此，对故障的检测是可靠的，该设备因此比现有技术的设备更安全。
16.根据一个实施方案，控制模块包括波导，该波导具有与光束横向的传播方向，并配置为将光学输出和感光器的光学耦合。
17.因此，较小的角扩散将导致光线在波导壁上的入射角较小，因此，在波导中的反射次数较多。因此，波导中由于连续反射造成的损失会更大，光输入的光强度会更低。因此，可以很容易和可靠地检测到扩散器的故障。此外，使用波导可以使部分控制模块与光束分开，因此可以避免控制模块对光束的过度阻挡。
18.根据该实施例的一种生产可能性，该设备包括配置为被光束穿过的保护窗，该波导包括保护窗的至少一个部分。波导包括，例如，保护窗的两个相对的部分反射壁。应当注意的是，保护窗的所述部分的故障可以由该设备检测出来。
19.因此，免去了使用波导和单独的保护窗。因此，该设备有利地不那么笨重。此外，免去单独的波导可以避免波导对光束的额外阻挡。
20.控制电路可以配置为提供呈现第一状态或第二状态的控制脉冲信号，光源配置为在控制脉冲信号呈现第一状态时产生光束，并且在控制脉冲信号呈现第二状态时停用。
21.光源的脉冲控制特别适用于实现飞行时间测量技术。
22.感光器可以包括配置为传送代表光强度的测量信号的信号终端，控制模块包括比较器，该比较器包括第一比较器输入、第二比较器输入和比较器输出，第一比较器输入电耦合到信号终端、第二比较器输入配置为接收参考信号，参考信号的值代表第二阈值，比较器输出配置为在第一比较器输入上的信号值小于或等于第二比较器输入上的信号值时传送具有警报值的控制信号。
23.信号终端可以通过记忆电路耦合到第一比较器输入，该记忆电路配置为在控制脉冲信号的第一状态的两次连续呈现之间保持测量信号的值。
24.因此，当光源不产生光束时，测量信号的值被排除在检测之外。因此，检测更准确，设备更可靠。
25.信号终端可以通过配置为向第一比较器输入提供差分信号的减法器耦合到第一比较器输入，差分信号的值等于控制脉冲信号呈现第一状态时的测量信号的值与控制脉冲信号呈现第二状态时的测量信号的值之间的差。
26.因此，进行了时间过滤操作，有利地允许排除代表环境光的信号成分的检测。因此，该设备更加可靠。
27.可以在感光器和光学输出之间插入带通滤波器。
28.光学带通滤波器是进行过滤并使设备更可靠的简单手段。
29.控制模块可以包括至少一个不透明的隔离隔板，保护其不受环境光的影响。
30.光源可以包括至少一个垂直腔面发射激光二极管。
31.垂直腔面发射激光二极管(本领域技术人员通常使用缩写vcsel(vertical cavity surface emitting laser))具有非常低的温度漂移，并且允许在非常窄的波长带中产生光束，特别是当控制模块包括窄带通滤波器时，允许良好地排除环境光的影响。
32.此外，vcsel二极管产生短脉冲的能力允许增加脉冲的峰值功率，因此允许增加信噪比，这对于实施飞行时间方法特别有利。
33.根据另一个方面，提出了一种成像系统，包括根据本发明的图像捕获设备和照明设备。
34.本发明的各种特征、替代实施方案和实施例可以根据各种组合相互关联，只要它们不是相互不兼容或相互排斥的。
附图说明
35.此外，本发明的各种其他特征从参照附图提供的附图描述中变得显而易见，附图示出了本发明的非限制性实施例，其中：
36.[图1]图1是根据本发明的一个实施例的照明设备的结构视角的示意图；
[0037]
[图2]图2是图1的照明设备的示意图，其中照明模块的扩散器有缺陷；
[0038]
[图3]图3是根据本发明的另一实施例的照明设备的结构视角的示意图，其中控制模块不包括波导；
[0039]
[图4]图4是根据本发明的一个实施例的成像系统的结构视角的示意图；
[0040]
[图5]图5是根据本发明的照明设备的另一替代实施例的结构视角的示意图，其中控制模块被不透明的隔板保护；
[0041]
[图6]图6是根据本发明的照明设备的另一替代实施例的结构视角的示意图，其中控制模块包括光学带通滤波器；
[0042]
[图7]图7是根据本发明的照明设备的电气视角的示意图；以及
[0043]
[图8]图8是根据本发明的一个实施例的照明设备的电气视角的示意图。
[0044]
应当注意的是，在这些图中，各种替代实施例所共有的结构和/或功能元素可以具有相同的附图标记。
具体实施方式
[0045]
根据本发明的照明设备，如图1中示意性地所示，并作为一个整体指定为附图标记1，包括照明模块2、与照明模块光学耦合的控制模块3以及与照明模块2和控制模块3电耦合的控制电路4。
[0046]
照明模块2包括一个配置为传送光束5的光学输出22、一个光源20和一个扩散器21。光源20配置为产生光束5，扩散器21被布置为接收光束并将其输送到光学输出22。在这种情况下，照明模块2的这些元件被安置在壳体bt中。
[0047]
在这种情况下，壳体bt包括一个孔口，扩散器21被安置在该孔口中。因此，光学输出22由扩散器21的一个面形成。作为另一个实施方案，扩散器可以相对于光束5的传播方向设置在光学输出的上游。在这种情况下，壳体bt的孔口充当光学输出。
[0048]
扩散器21配置为增加光束的角扩散的值并降低其强度。因此，相对于光束5的传播方向，在扩散器的上游，光束5具有的角扩散具有上游值θ1，在此情况下等于10
°
。在扩散器的下游，光束5具有的角扩散具有大于上游值θ1的下游值θ2，在此情况下下游值θ2等于50
°
。
[0049]
这种情况下的光源20是在印刷电路板上生产的发光二极管的矩阵阵列的形式。这种情况下的发光二极管是vcsel二极管，配置为在800纳米和1000纳米之间的光谱带内产生光束5。
[0050]
这种情况下的控制模块3配置为向控制电路传输控制信号ctrl，所述控制信号ctrl具有中性值，例如，低状态，或警报值，例如，高状态，并检测光束5的角扩散的异常减少，即低于角扩散值的第一预定阈值的通过。在检测到的情况下，控制模块3产生具有警报值的控制信号ctrl；否则，控制模块3产生具有中性值的控制信号ctrl。
[0051]
为此，控制模块3包括与光学输出22光学耦合的感光器30，并配置为测量光强度。在这种情况下，控制模块3配置为当由感光器30测量的光强度值超过第二预定阈值时产生具有警报值的控制信号。在这种情况下，光强度的第二预定阈值代表角扩散的第一预定阈值的值，即，它与该值直接相关，这将在下文中看到。
[0052]
在本实施例中，感光器30通过波导6与光学输出22光学耦合，波导6具有与光束5横向的传播方向dp，特别是在本实施例中，传播方向dp与光束5的传播方向df正交。在这种情况下，第一不透明隔板cl1位于感光器30和照明模块2之间，以便感光器30仅通过波导6与照明模块2光学耦合。
[0053]
在这种情况下，波导6由位于照明模块2的下游(在光束5的路径上)的保护窗形成，以便被光束5穿过。保护窗还延伸到感光器30的上方，使得照明模块2和感光器30位于保护窗的同一侧，并受到保护窗的保护。
[0054]
波导6由第一部分反射壁60和第二部分反射壁61形成，这些壁划定了保护窗6的范围。未通过部分反射壁60和61的光束5的一部分光线被连续反射到壁60和61上，以便在传播方向dp上传播。
[0055]
作为例子，示出了位于光束5外围的光束5的第一外围光线50的路径。第一外围光线50从光学输出22通过波导6被引导到感光器30。因此，第一外围光线50两次穿过第一部分反射壁60，但从未完全穿过第二部分反射壁61。
[0056]
在这种情况下应该注意到，由于壁60和61是部分反射的，每次对壁的反射都会导致通过相应壁的光学损失，并且对等地每次穿过壁时都会通过反射导致光学损失。
[0057]
此外，由于第一外围光线50位于光束5的边缘，它具有相对于光束5传播方向的最大发散角，因此在部分反射壁60和61上具有最大入射角。因此，对于在波导6中走过的一定距离，第一外围光线50将比相对于光束5的传播方向具有较小发散角的光线经历更少的反射。在这种情况下，第一外围光线50经历三次反射，其中只有一次是在第一外围壁60上。
[0058]
由于在部分反射壁60和61上的每次反射导致通过所述壁的光学损失，由感光器30测量的光强度与外围光线50经历的反射的数量成正比，因此与光束5的角扩散成正比。因此，光束5的角扩散越低，感光器30测量的光强度就越低。
[0059]
因此，如上所述，测量的光强度的值代表角扩散的值，并且光强度的第二预定阈值的值代表角扩散的第一预定阈值。
[0060]
在这种情况下，控制模块3配置为当光强度的值小于第二预定阈值时产生具有警
报值的控制信号ctrl。
[0061]
控制电路4配置为在收到具有警报值的控制信号ctrl时停用光源。例如，控制电路4可以配置为将光源20从其电力供应中断开，这将在下文中看到。
[0062]
图2示出了设备1的配置，其中扩散器21是有缺陷的，在这种情况下是没有扩散器。因此，在这种情况下，即使在光学输出22，角扩散也呈现上游值。
[0063]
显示了从具有上游角扩散值的光束5的边缘出发的第二外围光线51的路径。该光线以较小的入射角反射到部分反射壁60和61上，因此经历了更多的反射，在此情况下是19次反射，因此有更大的光学损失。因此，第二外围光线50到达感光器30时，其光强度低于第二预定阈值。因此，控制模块将具有警报值的控制信号ctrl传送到控制电路4，然后该控制电路停用光源20。
[0064]
本文参照图1和2描述的设备包括由vcsel二极管的矩阵阵列组成的光源。然而，光源的这一实施方案不是限制性的，光源可以是不同的。特别是，该光源可以只包括一个二极管。光源尤其可以是不同的类型，例如，包括一个或多个不属于vcsel类型的激光源，例如边缘发射激光二极管、法布里-珀罗型激光二极管、分布式回馈(dfb)激光器，或者甚至一个或多个不属于发光二极管的光源，例如灯丝灯、放电灯，甚至荧光灯管。
[0065]
特别是，该光源可以配置为提供具有不同于上述上游值的光束。例如，角扩散的上游值可以在1
°
和20
°
之间。
[0066]
下游角扩散值，取决于扩散器的配置和上游角扩散值，可以在30
°
和100
°
之间。
[0067]
上述设备包括由部分透明保护窗形成的波导，这有利地使设备的体积减小。然而，可以考虑本发明的替代实施方案，其中包括与保护窗不同的波导，例如，光纤。特别是，本发明涵盖了没有保护窗的设备的替代实施方案。
[0068]
图3说明了本发明的另一实施方案，其中控制模块3不包括波导，并且其中感光器30直接光学耦合到光学输出22。在这种情况下，感光器30被放置在光束5的外围。
[0069]
因此，在角扩散减少的情况下，即在扩散器21失效的情况下，感光器30不再被具有上游发散值的光束5照亮，并且它接收的光强度值低于第二阈值。然后控制电路4停用该光源。
[0070]
根据该实施例的设备包括不作为波导而只用于保护设备1的保护窗65，。
[0071]
根据本发明的成像系统在图4中示出，并作为一个整体指定为附图标记7。在这种情况下，成像系统7包括图像捕获设备70，在这种情况下是由底盘71支撑的照相机，以及如上文参考图1和2所述的照明设备1。照明设备1配置为照亮要捕获的场景，例如，在这种情况下，车辆的乘客舱，而照相机70配置为捕获被照亮的场景。例如，由相机70捕获的图像由图像处理电路(未示出)处理，以用于驾驶辅助目的。
[0072]
作为另一个实施方案，作为成像设备，成像设备7可以包括的用于捕捉三维图像的系统，然后照明设备配置为以脉冲方式发射光束，以捕捉三维图像，特别是通过实施被称为飞行时间测量技术的技术。
[0073]
图5示出了本发明的另一个实施例，其中上述参照图1和2描述的照明设备进一步包括第二不透明隔板cl2，以保护控制模块3免受环境光的影响。第二不透明隔板cl2布置在保护窗的一部分上，与感光器30相对。
[0074]
例如，在这种情况下，第一不透明隔板cl1和第二不透明隔板cl2形成壳体的壁，该
壳体将感光器30与环境光隔离，并且该壳体具有由保护窗，即由波导6穿过的开口36。
[0075]
根据图6所示的另一个实施方案，在感光器30和光学输出22之间插有一个带通滤波器37。在这种情况下，带通滤波器37配置为允许波长位于光源的发射光谱中的光线通过，并反射或吸收该值范围之外的光线，光源的发射光谱需要考虑与该光源相关的所有变化(制造公差、温度变化、入射角的变化)。在这种情况下，带通滤波器37与这种情况下的光源20(vcsel型激光器)相结合，配置为允许在vcsel中心波长周围50纳米至20纳米的范围内的光线通过。在这种情况下，带通滤波器37是由玻璃支架上的具有可变折射率的材料的连续薄层产生的。
[0076]
图7从电气角度示意性地说明了根据本发明的设备1，特别是照明模块2、控制模块3和控制电路4。
[0077]
在此情况下，光源20被象征性地示出为发光二极管，该发光二极管耦合在配置为接收电源电压(例如，在此情况下为几伏的电压)的电源端子bv和参考端子gnd(例如，在此情况下为地)之间。
[0078]
在这种情况下，感光器30被象征性地表示为光电二极管，其阴极被耦合到电源终端bv，其阳极形成信号终端bs，信号终端bs配置为传送代表由感光器30测量的光强度的测量信号sm。在光电二极管30的阳极和阴极之间耦合了一个保护电阻rp。
[0079]
控制模块3进一步包括比较器32，其包括第一比较器输入ec1、第二比较器输入ec2和比较器输出sc，比较器输出sc配置为传送控制信号ctrl。
[0080]
在这种情况下，信号终端bs通过第一存储电路33耦合到第一比较器输入ec1。在此情况下，第一存储电路是由第一电阻r1(耦合在信号终端bs和第一比较器输入ec1之间)和第一电容c1(耦合在第一比较器输入ec1和参考终端gnd之间)组成的电路rc。本领域的技术人员将选择电阻r1和电容c1的值，以便形成一个适合照明器的调制或激活频率的低通滤波器。例如，对于25兆赫的tof(飞行时间)型传感器的调制，将选择一个5兆赫的截止频率。这是为了防止比较器32的输出sc因每个光脉冲而改变状态。
[0081]
第二比较器输入配置为接收代表第二预定阈值的参考信号srf，并且比较器32配置为当第一比较器输入ec1上的信号值大于参考信号srf的值时传送具有中性值的控制信号ctrl，并且当第一比较器输入ec1上的信号值小于或等于参考信号srf的值时传送具有警报值的控制信号ctrl。
[0082]
控制电路4配置为产生控制信号cmd，该控制信号cmd可呈现第一状态，在此情况下为高电平状态(例如，几伏)，或第二状态，例如，在此情况下为对应于0伏值的低电平状态。
[0083]
光源20通过由控制信号cmd电压控制的第一开关int1耦合到参考端子gnd。第一开关int1配置为在控制信号cmd呈现第一状态时关闭，在控制信号cmd呈现第二状态时打开。因此，光源20的电力供应以及光束5的发射都由控制信号cmd控制。
[0084]
信号端子bs通过第二压控开关int2耦合到第一存储电路33，并且配置为当控制信号cmd呈现第一状态时关闭，并且当控制信号呈现第二状态时打开。因此，控制电路4配置为在光源20不发射光束5时停用光电检测。
[0085]
在图示的实施例中，控制信号cmd是一个脉冲信号，例如，具有等于50％的占空比。因此，光束5以脉冲方式发射，照明设备1特别适合于通过实施飞行时间方法来捕获图像。
[0086]
此外，存储电路33配置为在控制信号cmd的高电平状态的两次连续呈现之间保持
测量信号sm的值。在这个例子中，第一存储电路33的第一电路rc的时间常数至少等于控制脉冲信号cmd周期的5倍，并且测量信号sm的值以小于1％的公差保持。
[0087]
控制电路4配置为当控制信号具有警报值时，连续输送呈现第二状态的控制信号cmd。
[0088]
图8示出了如上文参照图7描述的设备的另一实施例，其中控制模块进一步包括减法器34和第二存储电路35。
[0089]
减法器包括第一减法器输入es1、第二减法器输入es2和减法器输出ss，该减法器输出ss配置为传送差分信号，其值等于第一减法器输入es1上的信号值与第二减法器输入es2上的信号值的差。
[0090]
第一减法器输入es1通过第二存储电路35耦合到信号终端bs。第二记忆电路35包括第二电路rc，其第二电阻r2耦合在信号端子bs和第一减法器输入es1之间，其第二电容c2耦合在第一减法器输入es1和参考端子gnd之间。本领域技术人员将选择电阻r2和电容c2的值，以便相对于照明器的调制或激活频率形成一个低通滤波器，其方式与电阻r1和电容c1相同。例如，对于25mhz的tof型传感器的调制，将选择5mhz的截止频率。
[0091]
信号终端bs通过第三压控开关int3耦合到第二存储电路35，该第三压控开关配置为在控制信号cmd呈现第一状态时打开，并且在控制信号cmd呈现第二状态时关闭。例如，在这种情况下，第三开关int3配置为通过门反相器inv接收控制信号。
[0092]
因此，减法器输出ss配置为向第一比较器输入输送差分信号，差分信号的值等于控制脉冲信号呈现第一状态时的测量信号的值与控制脉冲信号呈现第二状态时的测量信号的值之间的差，即，代表环境光的成分已被消除的信号。
[0093]
在所附权利要求的范围内，可以对本发明进行各种其他修改。例如，即使图7和图8的实施方案是由模拟电路说明的，但本发明与数字技术完全兼容，例如，涉及集成电子电路。