CN110520776A - 图像传感器模块和集成图像传感器模块的照明器 - Google Patents

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Abstract

提供了非对称透镜，其具有减轻或消除图像传感器模块与集成图像传感器模块的照明器之间的视场失配的设计。简而言之，非对称透镜包括光轴和前表面，前表面包括在垂直于光轴的平面中的第一组法线轴(x，y)和沿着每条法线轴(x，y)的负曲率半径或正曲率半径。非对称透镜还包括后表面，该后表面包括在垂直于光轴的平面中的第二组法线轴(x'，y')和沿着每条法线轴(x'，y')的负曲率半径或正曲率半径，其中非对称透镜在非对称透镜的像平面的x轴和y轴的每一个上具有负屈光力或正屈光力。

Description

图像传感器模块和集成图像传感器模块的照明器
技术领域
本发明涉及图像传感器模块，尤其涉及包括光学协调图像传感器视场和照明器视场的图像传感器模块。
背景技术
图像传感器用于各种设备，包括照相机、卫星、天文成像系统、监视系统、频谱分析设备和电信设备。图像传感器通常包括焦平面阵列和设置阵列视场的相关光学器件。例如，优化光学器件以实现焦平面阵列的整个表面上的视场。因此，图像传感器光学器件很大程度上取决于焦平面阵列几何形状。焦平面阵列最常呈现所需像素数的矩形格式。为了降低成本并提高制造效率，一些商业上可获得的图像传感器具有标准化的焦平面几何形状和提供各种视场选项的相关光学器件。
对于许多应用，商业上可获得的传感器模块的焦平面阵列几何形状和视场与其中包含图像传感器模块的设备的视场不成比例。图1总体上示出了图像传感器模块和集成该模块的设备之间不成比例的视场。如图1所示，图像传感器模块具有在水平、垂直和对角线方向上不同的矩形视场11。设备视场由圆圈表示，并且通常是各向同性的。图1中示出的视场失配呈现了若干问题，包括传感器模块未能对整个设备视场成像以及由一个或多个视场失配区域撞击传感器模块焦平面的杂散或反射光产生的伪像和/或噪声的引入。这些问题可能导致传感器模块丢失重要的检测事件和/或将伪像登记为有意义的检测事件，从而危及成像环境中的设备响应性变化。
发明内容
鉴于这些问题和缺点，提供了非对称透镜，其具有减轻或消除图像传感器模块与包含图像传感器模块的照明器之间的视场失配的设计。在一些实施例中，例如，本文描述的非对称透镜将图像传感器模块的视场改变为小于或等于集成传感器模块的照明器的接收角。简而言之，非对称透镜包括光轴和前表面，前表面包括在垂直于光轴的平面中的第一组法线轴(x，y)和沿着每条法线轴(x，y)的负曲率半径或正曲率半径。非对称透镜还包括后表面，该后表面包括在垂直于光轴的平面中的第二组法线轴(x'，y')和沿着每条法线轴(x'，y')的负曲率半径或正曲率半径，其中非对称透镜在非对称透镜的像平面的x轴和y轴的每一个中具有负屈光力或正屈光力。在一些实施例中，非对称透镜在x轴上具有正屈光力，在像平面的y轴上具有负屈光力。
在另一方面，本文描述了用于与照明器集成的传感器模块。在一些实施例中，传感器模块包括图像传感器和包括光轴和非对称透镜的光学组件。非对称透镜包括前表面，该前表面包括在垂直于光轴的平面中的第一组法线轴(x，y)和沿着每条法线轴(x，y)的负曲率半径或正曲率半径。非对称透镜还包括后表面，该后表面包括在垂直于光轴的平面中的第二组法线轴(x'，y')和沿着每条法线轴(x'，y')的负曲率半径或正曲率半径，其中非对称透镜在非对称透镜的像平面的x轴和y轴的每一个中具有负屈光力或正屈光力。在一些实施例中，非对称透镜将图像传感器的视场改变为小于或等于集成传感器模块的照明器的接收角。
在另一方面，本文描述了集成传感器模块的照明器。照明器包括发光面和与照明器集成的传感器模块。传感器模块包括图像传感器和光学组件，光学组件包括光轴和非对称透镜。非对称透镜包括前表面，该前表面包括在垂直于光轴的平面中的第一组法线轴(x，y)和沿着每条法线轴(x，y)的负曲率半径或正曲率半径。非对称透镜还包括后表面，该后表面包括在垂直于光轴的平面中的第二组法线轴(x'，y')和沿着每条法线轴(x'，y')的负曲率半径或正曲率半径，其中非对称透镜在非对称透镜的像平面的x轴和y轴的每一个中具有负屈光力或正屈光力。如本文进一步描述的，根据照明器的视场要求，非对称透镜的负屈光力和正屈光力可以在像平面的x轴和y轴上独立地变化。
在下面的详细描述中进一步描述了这些和其他实施例。
附图说明
图1示出了在一些实施例中图像传感器模块和集成图像传感器模块的设备之间的视场失配。
图2示出了根据一些实施例的传感器模块的主透镜组件。
图3示出了根据一些实施例的与图像传感器模块的主透镜组件结合的本文描述的非对称透镜。
图4-10示出了根据一些实施例的具有本文描述的特性的各种非对称透镜的俯视平面图、XZ和YZ剖面图和透视图。
图11A一般性地示出了根据一些实施例的与照明器集成的图像传感器。
图11B示出了根据一些实施例的图像传感器视场与照明器接收角之间的失配。
图11C示出了根据一些实施例的图像传感器视场与照明器接收角的协调的正视图。
图11D示出了根据一些实施例的图像传感器视场与照明器接收角的协调的仰视图。
图12示出了一些实施例，其中诸如防眩光罩的外部光学器件设定照明器的接收角(θ)。
图13A示出了根据一些实施例的传感器模块，其中非对称透镜耦合在模块的光学孔上。
图13B示出了图13A的非对称透镜和传感器模块的剖视图。
图14A示出了根据一些实施例的传感器模块，其中非对称透镜耦合在模块的光学孔上。
图14B示出了图14A的非对称透镜和传感器模块的剖视图。
图15A示出了根据一些实施例的传感器模块，其中非对称透镜耦合在模块的光学孔上。
图15B示出了图14A的非对称透镜和传感器模块的剖视图。
图16示出了根据一些实施例的具有图8中提供的设计与主透镜组件结合的非对称透镜的光线轨迹。
图17示出了根据一些实施例的具有图9中提供的设计与主透镜组件结合的非对称透镜的光线轨迹。
图18示出了根据一些实施例的具有图10中提供的设计与主透镜组件结合的非对称透镜的光线轨迹。
图19示出了根据一个实施例的集成防眩光罩的照明器的正视图。
图20示出了图19的照明器的仰视图。
图21示出了根据一些实施例的照明器的发光二极管(LED)组件。
图22示出了根据一些实施例的直接与驱动器组件连接的传感器模块的透视图。
图23示出了根据一些实施例的直接与驱动器组件连接的传感器模块的透视图。
图24提供了根据一些实施例的经由端板耦合到驱动器组件的传感器组件的正视图。
图25示出了根据一些实施例的基于CMOS的图像传感器和相关处理的细节。
图26示出了根据一些实施例的采用包括图像传感器的传感器模块的照明器的电气框图。
具体实施方式
通过参考以下详细描述和实施例及其之前和之后的描述，可以更容易地理解本文所述的实施例。然而，本文描述的元件、设备和方法不限于详细描述和实施例中呈现的具体实施例。应该认识到，这些实施例仅仅是对本发明原理的说明。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，对于本领域技术人员来说，许多修改和调整是显而易见的。
应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，第一元件可以称为第二元件，并且类似地，第二元件可以称为第一元件，而不脱离本公开的范围。如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
应当理解，当诸如层、区域或基板的元件称为在“上”或“延伸”到另一元件上时，它可以直接在另一元件上或直接延伸到另一元件上，或者也可以具有中间元件。相反，当元件称为“直接在......上”或“直接”延伸到另一元件上时，不存在中间元件。同样地，应当理解，当诸如层、区域或基板的元件称为在另一元件“上方”或“在上方”延伸时，它可以直接在另一元件上方或直接延伸，或也可以存在中间元件。相反，当一个元件称为“直接在另一个元件上”或“直接在另一个元件上”延伸时，不存在中间元件。还应该理解，当一个元件称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，不存在中间元件。
这里可以使用诸如“下方”或“上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”的相对术语来描述一个元件、层或区域与另一个元件、层或如图所示的区域之间的关系。应当理解，除了图中所示的方向之外，这些术语和上面讨论的那些术语旨在包括设备的不同方向。
这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本公开。如这里所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解，术语“包括”、“包含”、“包括”和/或“包括”(comprises,comprising,includes,including)在本文中使用时指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。
除非另外定义，否则这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。将进一步理解的是，本文使用的术语应解释为具有与其在本说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且除非在本文中明确如此定义，否则将不以理想化或过于正式的含义解释。
I.非对称透镜
提供非对称透镜用于减轻或校正图像传感器模块与集成模块的照明器之间的视场失配。本文描述的非对称透镜包括光轴和前表面，前表面包括在垂直于光轴的平面中的第一组法线轴(x，y)和沿着每个法线轴(x，y)的负曲率半径或正曲率半径。非对称透镜还包括后表面，该后表面包括在垂直于光轴的平面中的第二组法线轴(x'，y')和沿着每条法线轴(x'，y')的负曲率半径或正曲率半径，其中非对称透镜在非对称透镜的像平面的x轴和y轴的每一个中具有负屈光力或正屈光力。
在一些实施例中，非对称透镜在像平面的x轴和y轴上都具有负屈光力。例如，前透镜表面沿着第一组法线轴(x，y)中的每一个包括负曲率半径，并且后表面包括沿着第二组法线轴(x'，y')中的每一个的负曲率半径。负曲率半径可以在第一组法线轴(x，y)之间不同。类似地，负曲率半径可以在第二组法线轴(x'，y')之间不同。此外，像平面的x轴和y轴的负屈光力范围可以是-3000<fx/F<-8、-1000<fy/F<-5，其中fx和fy是非对称透镜分别在像平面的x轴和y轴上的焦距，F是图像传感器模块的主透镜组件的焦距。因此，负屈光力在像平面的x轴和y轴上的值可以相同或变化。如本文进一步描述的，主透镜组件可包括两个或更多个旋转对称透镜。图2示出了根据一些实施例的传感器模块的主透镜组件。如图2所示，主透镜组件20包括多个旋转对称透镜21，用于设置图像传感器视场。
或者，非对称透镜的屈光力在像平面的x轴和y轴上不同。如本文进一步讨论的，基于照明器相对于图像传感器视场的接收角，图像平面的x轴和y轴上的屈光力可以独立地选择为正或负。在一些实施例中，非对称透镜在x轴上具有负屈光力，在像平面的y轴上具有正屈光力。在其他实施例中，非对称透镜在x轴上具有正屈光力，在像平面的y轴上具有负屈光力。在这样的实施例中，非对称透镜的前表面可以包括垂直于沿着第一组法线轴(x，y)的正曲率半径的负曲率半径。正曲率半径可以沿着x轴，而负曲率半径可以沿着y轴，反之亦然。类似地，后表面还可以包括垂直于沿着第二组法线轴(x'，y')的正曲率半径的负曲率半径。正曲率半径可以沿着x'轴，而负曲率半径可以沿着y'轴，反之亦然。另外，像平面的x轴的正屈光力可以是100<fx/F<5000，并且像平面的y轴的负屈光力范围可以是-1000<fy/F<-5，其中fx和fy分别是非对称透镜在像平面的x轴和y轴上的焦距，F是传感器模块的主透镜组件的焦距。
除了本文所述的正曲率半径和负曲率半径之外，非对称透镜的前表面和后表面包括在垂直方向上不同的圆锥常数。前表面可包括在垂直方向上不同的圆锥常数，其中圆锥常数的各个值在-1到1之间变化。后表面还包括在垂直方向上不同的圆锥常数，其中圆锥常数的各个值可以在-1到1之间变化。
在一些实施例中，具有任何前述表面特性和屈光力的非对称透镜具有满足0.007<d1/L<0.2的标准的透镜中心厚度(d1)，其中L是非对称透镜和图像传感器模块的主透镜组件的总轨迹长度。图3示出了根据一些实施例的与图像传感器模块的主透镜组件结合的本文描述的非对称透镜。如图3所示，非对称透镜31位于主透镜组件32的前面，其中传感器模块的总轨迹长度33从非对称透镜31的前表面31'的中心延伸到图像传感器34。主透镜组件32包括几个旋转对称透镜32'。另外，非对称透镜可以与主透镜组件具有任何间距，而不与本发明的目的相矛盾。在一些实施例中，例如，非对称透镜和主透镜组件的间隔范围是0.003<d2/L<0.3，其中d2是从非对称透镜的后表面到主透镜组件的前表面的距离，L是由非对称透镜和主透镜组件提供的总轨迹长度。更多地，图4-10示出了根据一些实施例的具有本文描述的特性的各种非对称透镜的俯视平面图、XZ和YZ剖面图和透视图。
本文描述的非对称透镜可以由与本发明的目的不相矛盾的任何材料制成。在一些实施例中，非对称透镜由玻璃或辐射透射聚合物材料形成。合适的辐射透射聚合物材料包括丙烯酸树脂或聚碳酸酯。
II.照明器传感器模块
在另一方面，本文描述了用于与照明器集成的传感器模块。在一些实施例中，传感器模块包括图像传感器和包括光轴和非对称透镜的光学组件。非对称透镜包括前表面，该前表面包括在垂直于光轴的平面中的第一组法线轴(x，y)和沿着每条法线轴(x，y)的负曲率半径或正曲率半径。非对称透镜还包括后表面，该后表面包括在垂直于光轴的平面中的第二组法线轴(x'，y')和沿着每条法线轴(x'，y')的负曲率半径或正曲率半径，其中非对称透镜在非对称透镜的像平面的x轴和y轴的每一个中具有负屈光力或正屈光力。
基于照明器相对于由主透镜组件提供的图像传感器视场的接收角，图像平面的x和y轴上的屈光力可以独立地选择为正或负。在一些实施例中，非对称透镜将图像传感器的视场改变为小于或等于集成传感器模块的照明器的接收角。图11A一般性地示出了与照明器集成的图像传感器90。虚线箭头对应于水平(h)和垂直(v)方向上的图像传感器90视场。图像传感器90视场通常由图2提供的主透镜组件设定。实线箭头对应于图像传感器90定位在其中的照明器或照明器材的接收角。在图11A实施例中，接收角(θ)由圆形防眩光罩或圆形外反射和/或折射光学器件设定。图12示出了一个实施例，其中外部光学器件120(例如圆形防眩光罩)设定照明器100的接收角(θ)。图12还示出了图像传感器模块105在接收角的顶点处的中心定位。采用圆形光学器件可以提供各向同性的接收，如图11B。图11B还示出了图像传感器相对于器具接收角的矩形视场。图11B中看到图像传感器视场与由照明器接收角建立的视场之间的失配。在对角线(d)和水平(h)尺寸中，照明器接收角限制图像传感器视场。在这样的布置中，图像传感器可以检测从设置接收角的防眩光罩或光学器件反射的杂散光和/或其他伪影。这种噪声可能引起错误的感测事件，从而导致不正确的照明器功能。例如，图像传感器可能接收杂散光，使得照明设备开启或改变照明强度和颜色中的一个或多个。
再次参考图11B所示，图像传感器视场和照明器接收角在垂直方向上也是失配的。特别地，照明器接收角在垂直尺寸上延伸超出图像传感器视场。在这种情况下，图像传感器可能错过落在照明器的接收角内的感测事件。未能检测到此类事件可能会损害照明器响应照明环境变化的能力。例如，照明器可能不响应照明环境中的占用变化，从而当检测到占用时防止照明器开启和/或当不再检测到占用时防止照明器关闭。
如图11A和11B所示的失配，非对称透镜可以与传感器模块的光学组件一起使用。例如，非对称透镜可以与传感器模块的主透镜组件一起使用。非对称透镜将图像传感器视场改变为小于或等于集成传感器模块的照明器的接收角。非对称透镜可具有本文I部分中描述的任何特性和/或特征。图11C和11D示出了图像传感器视场与照明器的接收角的协调。图像传感器视场95现在是各向同性的，以匹配由照明器的防眩光罩或外部光学器件设定的各向同性的接收角(θ)。如图11D所示，非对称透镜汇聚沿x轴的图像传感器视场和沿y轴的扩展图像传感器视场，以基本上匹配照明器的接收角。例如，非对称透镜可以包括上述曲率半径和圆锥常数，以在像平面的x轴上具有正屈光力和在像平面的y轴上具有负屈光力。
如上面I部分中所述，像平面中的正屈光力和负屈光力由非对称透镜的前表面和后表面的曲率和几何形状控制。非对称透镜可以基于图像传感器视场与照明器的接收角之间的失配而具有变化的设计。图11A-11D示出了矩形图像传感器的实施例，其具有由照明器的圆形防眩光罩或外部光学器件建立的各向同性的接收角。然而，本文描述的用于将图像传感器的视场改变为小于或等于照明器的接收角的非对称透镜和原理，可以应用于变化的或非各向同性几何形状的图像传感器以及由不同几何形状的防眩光罩和/或外部光学器件建立的接收角。在一些实施例中，模块的图像传感器可以是正方形或其他多边形形状。例如，方形图像传感器可以与圆形防眩光罩或圆形外部光学器件一起使用。在这样的实施例中，耦合到传感器模块的非对称透镜可以沿着正方形的对称轴呈现对称形状的曲率。可以以对称方式调整沿方形图像传感器的x轴和y轴的视场。对于方形图像传感器的拐角，非对称透镜可包括对应于传感器的点的自由形状表面。
在一些实施例中，建立照明设器接收角的防眩光罩或外部光学器件是椭圆形或多边形的。在这样的实施例中，取决于防眩光罩或外部光学器件的特定几何形状，照明器可包括两个或更多个接收角。非对称透镜可以将图像传感器视场改变为小于或等于由防眩光罩或外部光学器件设定的一个或多个接收角。在一些实施例中，非对称透镜将图像传感器视场改变为小于或等于由防眩光罩或外部光学器件设定的所有接收角。在一些实施例中，传感器模块包括矩形图像传感器，例如图11B示的矩形图像传感器。集成传感器模块的照明器可包括具有椭圆形剖面几何形状的防眩光罩或外部光学器件。非对称透镜可以与传感器模块的光学组件结合使用，以将图像传感器视场改变为小于或等于由椭圆形防眩光罩或外部光学器件设定的接收角。例如，如果椭圆形防眩光罩的长轴平行于矩形图像传感器的长轴，则非对称透镜的曲率可以沿x轴和y轴平滑地变化或圆对称，这取决于椭圆形和矩形图像传感器的消光比。或者，如果椭圆形防眩光罩或外部光学器件的细长轴垂直于矩形图像传感器的长轴，则非对称透镜的曲率半径需要显著的修改。透镜的水平曲率将减小，而透镜的垂直曲率将增加，以匹配图像传感器的视场与椭圆形防眩光罩或外部光学器件。对于矩形传感器的拐角，通过具有自由形状的轨迹跟踪来调整对应于独立场的透镜表面，同时保持针对水平和垂直方向确定的曲率。
在一些实施例中，防眩光罩或外部光学器件可以是多边形的，诸如正方形、矩形、六边形或八边形。非对称透镜可以与传感器模块的光学组件结合使用，以将图像传感器视场改变为小于或等于由多边形防眩光罩或外部光学器件设定的接收角。可以如本文所述调节非对称透镜的表面和相关的正和/或负屈光力，以使图像传感器视场与防眩光罩或外部光学器件的一个或多个接收角度相协调。
在一些实施例中，除了或者独立于照明器的防眩光罩或外部光学器件之外，还可以通过光学器件建立接收角。在一些实施例中，驻留在照明器的防眩光罩或外部光学器件内的一个或多个光学器件可参与设定照明器接收角。例如，圆形、椭圆形或多边形剖面几何形状的内部光学器件可以限制超过防眩光罩或外部反射和/或折射光学器件的接收角。上述非对称透镜设计结构和原理可用于将图像传感器视场改变为小于或等于由一个或多个内部光学器件设定的接收角。
如本文所述，非对称透镜可以与主透镜组件结合工作，以使图像传感器视场与照明器的一个或多个接收角相协调。在一些实施例中，非对称透镜可以定位在传感器模块的主透镜组件的前面。将非对称透镜放置在主透镜组件的前面可以有助于修改市售的传感器模块以满足各种照明器结构的接收角规格。图13A示出了根据一些实施例的传感器模块130，其中非对称透镜131耦合在模块130的光学孔132上。图13B示出了图13A的非对称透镜和传感器模块的剖视图。如图13B所示，非对称透镜131位于主透镜组件133上方。类似地，图14A、14B、15A和15B示出了根据一些实施例的包括不对称透镜141、151的传感器模块140、150，所述非对称透镜141、151具有位于主透镜组件143、153上方的不同表面曲率。
图16示出了根据一些实施例的具有图8提供的设计与主透镜组件结合的非对称透镜的光线轨迹。如图16所示，提供了用于非对称透镜160的YZ和XZ视图的光线轨迹。YZ和XZ视图还示出了主透镜组件161的透镜的旋转对称性。类似地，图17示出了根据一些实施例的具有图9提供的设计与主透镜组件结合的非对称透镜的光线轨迹。图18示出了根据一些实施例的具有图10提供的设计与主透镜组件结合的非对称透镜的光线轨迹。参照图16，非对称透镜170、180的YZ和XZ视图与主透镜组件171、181一起提供。
本文描述的传感器模块的图像传感器或焦平面阵列可以具有与本发明的目的不矛盾的任何构造。在一些实施例中，图像传感器或焦平面阵列包括互补金属氧化物半导体(CMOS)构造。或者，图像传感器可以包括电荷耦合设备(CCD)架构。适当的图像传感器可以包括由Aptina division of On Semiconductor、Ominivsion或其他制造的图像传感器。如本文所述，图像传感器可具有任何期望的形状，包括但不限于矩形、正方形或其他多边形形状。图像传感器还可以具有任何期望数量的像素。可以根据几个考虑因素选择像素数，包括传感器尺寸、形状和所需分辨率。图像传感器可以对电磁频谱的任何期望区域中的光敏感。例如，图像传感器可以对可见光、红外光、紫外光及其任何组合敏感。在一个实施例中，例如，图像传感器可以在电磁频谱的可见和近红外区域中成像。基于CMOS的图像传感器的细节在图25的非限制性实施例中示出。
III.集成传感器模块的照明器
在另一方面，本文描述了集成传感器模块的照明器。照明器包括发光面和与照明器集成的传感器模块。传感器模块包括图像传感器和光学组件，光学组件包括光轴和非对称透镜。非对称透镜包括前表面，该前表面包括在垂直于光轴的平面中的第一组法线轴(x，y)和沿着每条法线轴(x，y)的负曲率半径或正曲率半径。非对称透镜还包括后表面，该后表面包括在垂直于光轴的平面中的第二组法线轴(x'，y')和沿着每条法线轴(x'，y')的负曲率半径或正曲率半径，其中非对称透镜在非对称透镜的像平面的x轴和y轴的每一个中具有负屈光力或正屈光力。如本文所述，根据照明器的视场要求，非对称透镜的负屈光力和正屈光力可以在像平面的x轴和y轴上独立地变化。在一些实施例中，本文描述的照明器具有在2016年2月8日由Bendtsen等人提交的美国专利申请15/018,606(Cree DocketNo.P2532US1)或由Bendtsen等人于2016年6月13日提交的美国专利申请15/181,065(CreeDocket No.P2532US2)公开的特性和架构，其公开内容在此引入作为参考。
照明器的接收角可以由诸如防眩光罩或折射和/或反射外部光学元件的光学元件限定。图19示出了根据一个实施例的集成防眩光罩的照明器的正视图。图19的实施例中的防眩光罩221包括上段222和下段223。上段222可以是透明的或略微漫射的，而下段223是严重漫射的或不透明的。此外，下段223可以在与上段222的界面处包括反射架，用于向上重定向一部分光。上段和下段可由任何所需材料形成，包括透明或半透明聚合物材料，例如丙烯酸或聚碳酸酯。防眩光罩的不透明段可由不透明的聚合物材料或金属(例如铝)制成。在一些实施例中，上段222和下段223由相同材料形成。在其他实施例中，上段222和下段223段由不同材料形成。上段222和下段223也可以具有相同的剖面形状或不同的剖面形状。例如，上段222可以是大致多边形的，例如正方形，而下段223是圆形或椭圆形。
图20示出了图19的照明器的仰视图。如图20所示，防眩光罩的上段222是方形的并且过渡成圆形底部段223。方形上段222接合LED组件51和/或LED散热器53的顶点。在一些实施例中，在防眩光罩和LED组件51之间形成一个或多个间隙225，允许空气流入LED散热器53的周边区域。根据传感器模块在照明器中的定位，防眩光罩221的上多边形段222或下圆形或椭圆形段223可设定照明器的接收角。
传感器模块可以集成在照明器中的任何位置，而不与本发明的目的相矛盾。传感器模块例如可以在至少部分地与发光面重叠的位置集成到照明器中。在一些实施例中，传感器模块定位在发光二极管组件的孔中。再次参照图20，传感器模块可以定位在LED组件51的中心孔51'中。LED组件51可包括LED66的阵列63，如图21所示。中心孔51'可以与用于LED组件51的散热器53对准，如图20和21所示。在一些实施例中，传感器模块耦合到照明器的驱动器组件。图22示出了根据一些实施例的直接与驱动器组件连接的传感器模块的透视图。如图22所示，传感器模块240可以联接到驱动器组件11的端板38。端板38还可以用作来自驱动器散热器31的支座并且将传感器模块240与驱动器组件11热隔离。端板38可包括支座或支脚241，支座或支脚241如果在组装照明器或其他应用期间放置在硬表面上，则可防止传感器模块240损坏。在图22的实施例中，非对称透镜248定位在传感器模块240的主透镜组件上方。图23提供了直接与驱动器组件11耦合的传感器模块240的另一透视图。在图25的实施例中，辐射透射圆顶结构246定位在传感器模块240的非对称透镜248上作为保护性覆盖物。如本文进一步描述的，圆顶结构246位于图像传感器的聚焦范围之外。图24提供了传感器组件240的正视图，传感器组件240经由端板38联接到驱动器组件11。如图24所示，支座或支脚241延伸超过传感器模块240和保护性圆顶结构246，以防止在照明器或其他应用的组装期间放置在硬表面上时损坏传感器模块240和/或LED阵列63。
在一些实施例中，本文描述的照明器的LEDs可包括封装的LED芯片或未封装的LED芯片。面板的LEDs元件或模块可以使用相同或不同类型和/或配置的LED。LED可以包括单个或多个磷光体转换的白色和/或彩色LED、和/或裸LED芯片，其单独安装或一起安装在单个基板或封装上，该单个基板或封装包括例如至少一个涂有磷光体的LED芯片，其单独设置或与至少一个彩色LED芯片组合，例如绿色LED、黄色LED、红色LED等。LED模块可包括磷光体转换的白色或彩色LED芯片和/或裸LED芯片(它们具有相同或不同的颜色，且直接安装在印刷电路板(例如，板上芯片))和/或安装在印刷电路板(例如金属芯印刷电路板或FR4板)上的封装的磷光体转换的白色或彩色LED。在一些实施例中，LED可以直接安装到散热器或其他类型的板或基板。根据实施例，如本领域普通技术人员将理解的，照明设备可以采用使用远程磷光体技术的LED布置或照明布置，并且在转让给本发明的受让人的美国专利No.7,614,759中描述了远程磷光体技术的示例，该专利在此引入作为参考。
在要产生具有改善的显色性的软白色照明的情况下，每个LED元件或模块或多个这样的元件或模块可包括一个或多个蓝变黄LED和一个或多个红色或红色/橙色LED，如美国专利No.7,213,940所述，该专利已转让给本发明的受让人，该专利在此引入作为参考。LED可以根据需要以不同的配置和/或布局布置，例如利用单串或多串LED，其中每串LED包括串联和/或并联的LED芯片。使用封装成分立封装的单个和/或多个LED芯片的其他LED组合和/或直接安装到印刷电路板上作为芯片上板布置，可以产生不同的色温和外观。在一个实施例中，光源包括任何LED，例如，结合 LED技术的XP-Q LED或由Lowes等人于2012年10月10日提交的题为“LED Package with Multiple Element Light Source”的美国专利申请13/649,067(Cree Docket No.P1912US1-7)中公开的LED，其公开内容在此引入作为参考，由本申请的受让人Cree,Inc.开发和制造。如果需要，可以采用其他LED布置。在一些实施例中，LED串、组或单独的LED可以包括不同的照明特性，并且通过独立地控制LED串、组或单独的LED，可以控制设备的整体光输出的特性。
在一些实施例中，每个LED元件或模块可包括设置在耦合腔内的一个或多个LED，其中气隙设置在LED元件或模块与光输入表面之间。在本文公开的任何实施例中，如果必要或期望的话，尽管每个可以具有定向发射分布(例如，侧面发射分布)，每个LED元件或模块仍可以具有不同或相同的光分布。更一般地，可以使用任何朗伯、对称、广角、优先侧或非对称光束图案LED元件或模块作为光源。
如本文所述，非对称透镜将图像传感器模块视场改变为小于或等于集成传感器模块的照明器的接收角。在一些实施例中，成像视场可能经历失真和/或其他伪影。在信号和图像处理期间可以去除这种失真和/或伪像。在图25的非限制性实施例中示出了基于CMOS的图像传感器和相关处理的细节。虽然示出了基于CMOS的图像传感器270，但是本领域技术人员将理解，可以采用其他类型的图像传感器，例如基于CCD的传感器。图像传感器270通常包括像素阵列271、模拟处理电路272、模数转换器(ADC)273、数字处理电路274和传感器控制电路275。在操作中，像素阵列271将在每个像素处检测到的光变换为模拟信号，并将阵列271的每个像素的模拟信号传递到模拟处理电路272。模拟处理电路272将对模拟信号进行滤波和放大以产生放大的信号，该放大的信号由ADC 273转换成数字信号。数字信号由数字处理电路274处理，以产生对应于捕获图像的图像数据。
传感器控制电路275将使像素阵列271响应于例如来自控制系统的指令捕获图像。传感器控制电路275控制由模拟处理电路272、ADC 273和数字处理电路274提供的图像处理的定时。传感器控制电路275还设置图像传感器的处理参数，例如由模拟处理电路272提供的滤波的增益和性质以及由数字处理电路274提供的图像处理的类型。
图26示出了根据一些实施例的采用包括图像传感器281的传感器模块280的照明器的电气框图。传感器模块280还包括图像处理电路282，图像处理电路282又包括多个寄存器283、可选的补充图像数据处理电路284、控制系统285和LED阵列14。传感器模块280可以是片上系统(SoC)，其中图像传感器281和处理电路282集成在单个芯片上。补充图像处理电路284可以与传感器模块280一起提供或分开提供。补充图像数据处理电路284可用于卸载与图像数据和/或不能由图像处理电路282处理的导出图像数据有关的计算。
在操作中，图像传感器281配置为如上所述捕获图像。将来自这些图像的数据发送到图像处理电路282。在图28实施例中，图像数据通过高速总线286发送。图像处理电路282可以对成像数据执行多个操作，包括过滤和调整图像数据。在一些实施例中，图像处理电路可以处理由从照明器的一个或多个光学器件反射的光产生的信号和/或由其他环境伪影产生的信号。例如，图像处理电路可以移除或排除由照明器架构中采用的防眩光罩反射的光所产生的信号。图像处理还可以去除由非对称透镜引入的任何图像失真。
此外，图像处理电路282可以从图像数据确定导出的图像数据。通常，导出的图像数据是图像数据的下采样形式。可以在传感器模块280的正常操作过程中提供导出的图像数据。补充图像数据处理电路284可以对导出的图像数据执行一个或多个计算，以确定环境光水平和/或占用事件。然而，这些计算也可以由控制系统285直接执行。使用导出的图像数据可以允许补充图像数据处理电路使用第一低速总线287与图像处理电路282通信。类似地，它还可以使控制系统能够利用第二低速总线288与补充图像数据处理电路284通信和/或直接与图像处理电路282通信。这是因为当与实际图像数据相比时，导出的图像数据被下采样，因此，与实际图像数据相比，可以快速传送导出的图像数据。在导出的图像数据不足以精确地表征照明器周围区域的情况下，可以通过第二高速总线289将完整图像数据从图像处理电路282传送到补充图像数据处理电路284以供进一步检查。然后，图像数据可以由补充图像数据处理电路284处理，并且通过第二低速总线288发送到控制系统285的必要数据或发送到控制系统285的完整图像数据，可能直接从图像处理电路282经由第三高速总线290发送或间接地从补充图像数据处理电路284经由第三高速总线290发送。
第一高速总线286、第二高速总线289和第三高速总线290可以是通用串行总线(USB)、外围设备互连(PCI)、外部串行高级附件(eSATA)总线之类的。第一低速总线287和第二低速总线288可以是本领域中已知的任何数量的低速总线。例如，第一低速总线287和第二低速总线288可以是RS-232总线、串行外设接口(SPI)、12C总线等。
控制系统285可以使用图像数据和/或导出的图像数据来调整LED阵列14的一个或多个光输出特性。例如，控制系统285可以使用图像数据和/或导出的图像数据来调整LED阵列14输出的光的色温、光强度、颜色、鲜艳度等。交流(AC)电源291可以为控制系统285和LED阵列14提供电力。包括图像传感器和相关图像处理的传感器模块的附加特征在2015年11月5日的名称为“Lighting Fixture with Image Sensor Module”(Cree docketno.P2524US1)的美国专利申请序列号14/928,592中进一步描述，其通过引用整体并入本文。
在一些实施例中，传感器模块还可以包括射频(rf)通信设备。例如，照明器可以是无线分布式照明网络的一部分。例如，网络的照明器可以通过电气和电子工程师协会标准802.15或其一些变型彼此通信。使用无线网状网络在照明器之间通信可以增加其可靠性并且允许无线照明网络跨越大的区域。采用rf通信的照明器和无线网络架构的例子在上面引用的题为Distributed Lighting Network(Cree docket no.P2592US1)的美国专利申请序列号62/292,528中提供。当rf通信设备包括在传感器模块中时，射频透射材料可用于照明器部件的构造，以便不干扰rf传输或接收。例如，一个或多个照明器光学器件由rf透射材料构成。在一些实施例中，防眩光罩可以完全或部分地由射频透射材料构成，例如聚合物材料。图19示出了一个实施例，其中防眩罩罩设置为上段222和下段223。根据rf通信设备在照明器的发光面中的位置，防眩光罩的一个或两个段222、223可由合适的rf透射材料形成。在一些实施例中，rf透射窗口设置在照明器光学器件中，例如防眩光罩。在另外的实施例中，防眩光罩的一段可以由金属构成，其中金属段用作用于将rf信号传播到射频通信模块和/或从rf通信模块传播rf信号的天线。
在本文所述的各种实施例中，各种智能技术可以结合在照射器中，如以下申请：2011年11月14日提交的“Solid State Lighting Switches and Fixtures ProvidingSelectively Linked Dimming and Color Control and Methods of Operating”，申请号为13/295,609，其全部内容通过引用并入本文；2013年3月1日提交的“Master/SlaveArrangement for Lighting Fixture Modules”，申请号为13/782,096，其全部内容通过引用并入本文；2013年3月1日提交的“Lighting Fixture for Automated Grouping”，申请号为13/782,022，其全部内容通过引用结合于此；2013年3月1日提交的“Multi-AgentIntelligent Lighting System”，申请号为13/782,040，其全部内容通过引用并入本文；2013年3月1日提交的“Routing Table Improvements for Wireless LightingNetworks”，申请号为13/782,053，其全部内容通过引用并入本文；2013年3月1日提交的“Commissioning Device for Multi-Node Sensor and Control Networks”，申请号为13/782,068，其全部内容通过引用并入本文；2013年3月1日提交的“Wireless NetworkInitialization for Lighting Systems”，申请号为13/782,078，其全部内容通过引用并入本文；2013年3月1日提交的“Commissioning for a Lighting Network”，申请号为13/782,131，其全部内容通过引用并入本文；2013年3月15日提交的“Ambient LightMonitoring in a Lighting Fixture”，申请号为13/838,398，其全部内容通过引用并入本文；2013年10月10日提交的“System,Devices and Methods for Controlling One orMore Lights”，申请号为14/052,336，其全部内容通过引用并入本文；2014年1月27日提交的“Enhanced Network Lighting”，申请号为61/932,058，其全部内容通过引用并入本文。
另外，本文描述的任何照明器实施例可以包括在2016年2月8日同时提交的题为“Distributed Lighting Network”(Cree docket no.P2592US1)的美国专利申请(其序列号为62/292,528)中公开的智能照明控制技术，其受让人与本申请的受让人相同，该申请的全部内容通过引用并入本文。
本文公开的任何实施例可以用在具有形成光控电路的一部分的一个或多个通信部件(例如感测RF能量的RF天线)的照明器中。可以包括通信部件，例如，以允许照明器与其它照明器和/或与外部无线控制器通信，例如在2013年3月1日提交的题为“LightingFixture for Distributed Control”的美国专利申请No.13/782,040或2014年1月27日提交的名为”Enhanced Network Lighting”的美国临时申请No.61/932,058公开的，均由本申请的受让人拥有，并且其公开内容通过引用并入本文。更一般地，控制电路可以包括网络部件、RF部件，控制部件和一个或多个传感器中的至少一个。诸如旋钮形传感器的传感器可以提供房间或照明区域内的环境照明水平和/或占用的指示。

Claims (38)

1.一种图像传感器模块的非对称透镜，包括：
光轴；
前表面，其包括在垂直于光轴的平面中的第一组法线轴(x，y)和沿每个法线轴(x，y)的负曲率半径或正曲率半径；和
后表面，其包括在垂直于光轴的平面中的第二组法线轴(x'，y')和沿着每个法线轴(x'，y')的负曲率半径或正曲率半径，其中，非对称透镜在非对称透镜的像平面的x轴和y轴的每一个中具有负屈光力或正屈光力。
2.根据权利要求1的非对称透镜，其在像平面的x轴和y轴上都具有负屈光力。
3.根据权利要求2所述的非对称透镜，其中所述前表面包括沿着所述第一组法线轴(x，y)中的每一个法线轴的负曲率半径，并且所述后表面包括沿着所述第二组法线轴(x'，y')中的每一个法线轴的负曲率半径。
4.根据权利要求3所述的非对称透镜，其中，在所述第一组法线轴(x，y)之间，负曲率半径不同。
5.根据权利要求4所述的非对称透镜，其中，在所述第二组法线轴(x'，y')之间，负曲率半径不同。
6.根据权利要求1所述的非对称透镜，其中，所述像平面的x轴和y轴上的屈光力不同。
7.根据权利要求6所述的非对称透镜，其在像平面的x轴上具有正屈光力，而在像平面的y轴上具有负屈光力。
8.根据权利要求7所述的非对称透镜，其中所述前表面包括垂直于沿着所述第一组法线轴(x，y)的正曲率半径的负曲率半径，并且所述后表面包括垂直于沿着所述第二组法线轴(x'，y')的正曲率半径的负曲率半径。
9.根据权利要求6所述的非对称透镜，其在像平面的x轴和y轴上都具有正屈光力。
10.根据权利要求2所述的非对称透镜，其中所述像平面的x轴和y轴的负屈光力范围都是-3000<fx/F<-8、-1000<fy/F<-5，其中fx和fy分别是非对称透镜在像平面的x轴和y轴上的焦距，而F是图像传感器模块的主透镜组件的焦距。
11.根据权利要求10所述的非对称透镜，其中，所述主透镜组件包括两个或更多个旋转对称透镜。
12.根据权利要求7所述的非对称透镜，其中，所述像平面的x轴上的正屈光力范围为100<fx/F<5000，并且所述像平面的y轴上的负屈光力范围为-1000<fy/F<-5，其中fx和fy分别是非对称透镜在像平面的x轴和y轴上的焦距，而F是图像传感器模块的主透镜组件的焦距。
13.如权利要求1所述的非对称透镜，其包括0.007<d1/L<0.2的透镜中心厚度，其中d1是非对称透镜的中心厚度，L是图像传感器模块的非对称透镜和主透镜组件的总轨迹长度。
14.根据权利要求1所述的非对称透镜，其中所述非对称透镜的前表面包括在垂直方向上不同的圆锥常数。
15.根据权利要求14所述的非对称透镜，其中所述圆锥常数各自具有-1至1的值。
16.根据权利要求1所述的非对称透镜，其中所述非对称透镜的后表面包括在垂直方向上不同的圆锥常数。
17.根据权利要求16所述的非对称透镜，其中，所述圆锥常数各自具有-1至1的值。
18.一种用于与照明器操作的传感器模块，包括：
图像传感器；和
光学组件，其包括非对称透镜，所述非对称透镜包括前表面和后表面，所述前表面包括在垂直于光轴的平面中的第一组法线轴(x，y)和沿着每个法线轴(x，y)的负曲率半径或正曲率半径，所述后表面包括在垂直于光轴的平面中的第二组法线轴(x'，y')和沿着每个法线轴(x'，y')的负曲率半径或正曲率半径，其中非对称透镜在非对称透镜的像平面的x轴和y轴的每一个轴中具有负屈光力或正屈光力。
19.根据权利要求18所述的传感器模块，其中，所述像平面的x轴和y轴上的屈光力不同。
20.根据权利要求19所述的传感器模块，其中，所述非对称透镜将所述图像传感器的视场改变为小于或等于集成所述传感器模块的照明器的接收角。
21.根据权利要求20所述的传感器模块，其中，所述图像传感器的改变的视场是各向同性的。
22.根据权利要求20所述的传感器模块，其中，所述接收角由所述照明器的光学元件限定，其中所述传感器模块是凹入的。
23.根据权利要求19所述的传感器模块，其在像平面的x轴上具有正屈光力，在像平面的y轴上具有负屈光力。
24.根据权利要求23所述的传感器模块，其中所述前表面包括垂直于沿着第一组法线轴(x，y)的正曲率半径的负曲率半径，并且所述后表面包括垂直于沿着第二组法线轴(x'，y')的正曲率半径的负曲率半径。
25.根据权利要求23所述的传感器模块，其中，所述像平面的x轴上的正屈光力范围为100<fx/F<5000，并且所述像平面的y轴上的负屈光力范围为-1000<fy/F<-5，其中fx和fy分别是非对称透镜在像平面的x轴和y轴上的焦距，而F是图像传感器模块的主透镜组件的焦距。
26.根据权利要求18所述的传感器模块，其中，主透镜组件位于非对称透镜和图像传感器之间。
27.根据权利要求26所述的传感器模块，其中，非对称透镜包括0.007<d1/L<0.2的中心厚度，其中d1是非对称透镜的中心厚度，L是非对称透镜和主透镜组件的总轨迹长度。
28.根据权利要求26所述的传感器模块，其中间距范围是0.003<d2/L<0.3，其中d2是从非对称透镜的后表面到主透镜组件的前表面的距离，并且L是由非对称透镜和主透镜组件提供的总轨迹长度。
29.一种照明器，包括：
发光面；和
与所述照明器集成的传感器模块，所述传感器模块包括图像传感器和光学组件，所述光学组件包括非对称透镜，所述非对称透镜包括前表面和后表面，所述前表面包括在垂直于所述光轴的像平面中的第一组法线轴(x，y)和沿着每个法线轴(x，y)的负曲率半径或正曲率半径，所述后表面包括在垂直于光轴的像平面中的第二组法线轴(x'，y')和沿着每个法线轴(x'，y')的负曲率半径或正曲率半径，其中非对称透镜在非对称透镜的像平面的x轴和y轴的每一个轴中具有负屈光力或正屈光力。
30.根据权利要求29所述的照明器，其中，所述像平面的x轴上和y轴上的屈光力不同。
31.根据权利要求30所述的照明器，其中，所述非对称透镜将所述图像传感器的视场改变为小于或等于集成所述传感器模块的所述照明器的接收角。
32.根据权利要求31所述的照明器，其中所述图像传感器的改变的视场是各向同性的。
33.根据权利要求31所述的照明器，其中所述接收角由所述照明器的光学元件限定，其中所述传感器模块是凹入的。
34.根据权利要求29所述的照明器，其中主透镜组件位于所述非对称透镜和所述图像传感器之间。
35.根据权利要求33所述的照明器，其中所述光学元件是护罩或防眩光罩。
36.根据权利要求29所述的照明器，其中所述传感器模块在至少部分地与所述发光面重叠的位置处集成到所述照明器中。
37.根据权利要求36所述的照明器，其中所述传感器模块的位置在发光二极管组件的孔中。
38.根据权利要求35所述的照明器，其中所述孔位于所述发光面的中心区域中。
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