CN112113184A - 一种具有探测功能的照明系统 - Google Patents

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Abstract

本发明保护一种具有探测功能的照明系统，包括：照明光源，用于发出照明光，照明光经照明光路出射；第一探测光源，用于发出第一探测光，第一探测光经第一探测光路出射；光调制装置，设置在照明光路和第一探测光路上，用于调制照明光和第一探测光的空间分布，使得在至少部分时段，照明光与第一探测光同时出射，并在光调制装置的出射侧形成互补图案。该技术方案确保了对非照明区域的实施探测监控，并通过同一光调制装置的调制实现了照明与探测互补图案的精确匹配，提高了安全性，同时降低了总体成本。

Description

一种具有探测功能的照明系统
技术领域
本发明涉及照明技术领域，特别是涉及一种具有探测功能的照明系统。
背景技术
汽车大灯光源经历了从卤素灯，氙气灯到LED大灯的升级，目前LED汽车大灯已经开始在汽车市场普及。激光光源较其他光源具有的高亮度、高能效、高寿命、小体积、方向性好和启动速度快等技术先进性，使激光大灯成为LED大灯之后新的发展趋势，并已开始用在部分高端汽车市场。
由于激光的发散角小，容易控制方向，德州仪器和奥迪等公司相继提出基于数字微镜阵列(如DMD，Digital Micromirro Device)的激光大灯概念产品，该激光大灯可由智能控制器控制光束的颜色及光强，根据对面来车方位自动关闭部分镜面，变换照射区域，减少对迎面车辆的眩光影响，实现像素化车灯照明。
然而，交通环境瞬息变化，当车灯的数字微镜部分处于关闭状态时，该部分数字微镜对应的路面照明区域无车灯光线直接照射，驾驶员无法通过车灯照明得知该区域的交通状况变化，从而可能导致交通事故的发生。因此，需要对车灯动态关闭的照明区域实施实时监控，确保交通信息采集的准确性和智能驾驶判断的准确性。但是，增加额外独立的探测系统又会提高成本和整体系统冗余度，而且，若探测系统与照明系统相互独立，难以实现对车灯动态关闭的照明区域的精准探测。
发明内容
针对上述现有技术的照明系统难以实现对非照明区域的实时监控的技术问题，本发明提供了一种具有探测功能的照明系统，包括：照明光源，用于发出照明光，照明光经照明光路出射；第一探测光源，用于发出第一探测光，第一探测光经第一探测光路出射；光调制装置，设置在照明光路和第一探测光路上，用于调制照明光和第一探测光的空间分布，使得在至少部分时段，照明光与第一探测光同时出射，并在光调制装置的出射侧形成互补图案。
在一个实施方式中，光调制装置包括照明时序和探测时序，在照明时序内，照明光源和第一探测光源同时开启，在探测时序内，照明光源关闭。增加探测时序可以进一步增加探测精度。
在一个实施方式中，光调制装置包括包含多个微反射镜的微镜阵列，微反射镜至少包括设置角度不同的第一状态和第二状态，照明光与第一探测光分别从不同的方向入射至光调制装置，并分别经处于第一状态与第二状态的微反射镜反射后沿相同方向出射。
在一个实施方式中，光调制装置包括液晶调制器，还包括设置在液晶调制器出射端的偏振滤光片，照明光与第一探测光分别以相互正交的第一偏振态和第二偏振态入射至液晶调制器的入射端。
在一个实施方式中，在探测时序内，当各微反射镜均处于第一状态与第二状态之间的中间状态时，第一探测光源脉冲发射第一探测光，且脉冲宽度远小于中间状态的持续时间。
在一个实施方式中，在探测时序，当第一探测光源处于打开状态时，各微反射镜均处于第二状态；或者，在探测时序，当第一探测光源处于打开状态时，一部分微反射镜处于第二状态，且连续的两个探测时序中，各微反射镜所处的状态相反。
在一个实施方式中，还包括接收系统，接收系统包括第一传感器和第二传感器，第一传感器对照明光的光谱响应，第二传感器对第一探测光的光谱响应，结合第一探测光的光谱响应及照明光的光谱响应得到环境探测信息。
在一个实施方式中，包括第二探测光源，用于发出第二探测光，第二探测光经第二探测光路出射，还包括合光装置，合光装置设置于照明光源和光调制装置之间，用于将照明光和第二探测光合光。增加第二探测光源可以进一步增加探测精度。
在一个实施方式中，第一探测光源和第二探测光源为红外光源，照明光源包括半导体光源。
在一个实施方式中，第一探测光源为红外光源，照明光源包括半导体光源。
在一个实施方式中，包括激发光源和波长转换装置，波长转换装置至少包括第一波长转换材料和第二波长转换材料，第一波长转换材料和第二波长转换材料重叠设置，激发光源激发所述第一波长转换材料后产生所述照明光，激发光源激发所述第二波长转换材料后产生第一探测光或第二探测光。
在一个实施方式中，还包括分光装置，设置于所述波长转换装置之后，将照明光、第一探测光分光并分别引导至照明光路、第一探测光路。
在一个实施方式中，还包括分光装置，设置于波长转换装置之后，将照明光、第一探测光、第二探测光分光并分别引导至照明光路、第一探测光路、第二探测光路。
与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：通过将光调制装置设置在照明光源发出的照明光与第一探测光源发出的第一探测光的光路上，使得在至少部分时段，当照明光与第一探测光同时出射时，光调制装置对照明光和第一探测光进行空间分布调制，形成照明光与第一探测光的互补图案，利用第一探测光的补充探测，实现了非照明区域的实时监控，从而解决了经光调制装置调制后的照明光无法照射到的区域的监控问题，极大的提高了安全性。另一方面，该技术方案利用同一个光调制装置对照明光与第一探测光进行调制，无需使用两个光调制装置进行同步操作，实现了互补图案的精确匹配，并通过光调制装置的复用降低了总体的成本。
附图说明
图1为本发明的实施例一的照明系统的结构示意图；
图2为本发明的照明系统的光调制装置的结构示意图；
图3为本发明的照明系统的光调制装置的微反射镜的结构示意图；
图4为本发明照明系统照明光和第一探测光在光调制装置出射侧形成的图案的示意图；
图5为本发明的实施例二的照明系统的结构示意图；
图6为本发明第三实施例的照明光源、第一探测光源和一微反射镜的时序示意图；
图7为本发明的实施例三的照明系统的光调制装置调制第一探测光时的结构示意图；
图8为本发明的第四实施例的照明系统的结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明实施例进行详细说明。请参见图1，为本发明实施例一的照明系统的结构示意图。
照明系统10包括照明光源101、第一探测光源102、光调制装置120、第一传感器121和第二传感器122。
照明光源101发出照明光111，照明光111经照明光路途经光调制装置120出射，光调制装置120调制照明光111的空间分布，获得精细化明暗分布的照明分布，照明光111照射在目标物体11上，而后，被目标物体11反射的光回到照明系统10，并被第一传感器121接收。照明光源101可以包括半导体光源，如LED光源或激光二极管光源，该类光源具有响应速度快、能够实现电流调制的特点。
第一探测光源102发出第一探测光112，第一探测光112途经光调制装置120出射，照射在目标物体11上，而后，被目标物体11反射的光回到照明系统10，并被第二传感器122接收。第一探测光112由第一探测光源102最终到达第二传感器122的光路称为第一探测光路。第一探测光源102可以为红外光源，红外光源为非可见光且在自然环境中含量较少，因此使用红外光源作为探测光源可以减少噪音，提高探测精度。
光调制装置120，设置在照明光路和第一探测光路上，用于调制照明光111和第一探测光112的空间分布。如图2所示，本发明中，光调制装置120包括包含多个微反射镜的微镜阵列，图中示例性的给出了30×16微镜阵列矩阵，可以理解，本发明不限制微镜阵列所含的微反射镜数量，可以远远多于图中的数量。具体地，光调制装置120可以例如是DMD(Digital Micromirror Device，数字微镜器件)。微反射镜至少包括设置角度不同的第一状态和第二状态，如图3所示，示例性的给出了光调制装置120包含的两个微反射镜，该图为微反射镜的侧视图，从左到右，依次为微反射镜的第一状态和第二状态。照明光111与第一探测光112分别从不同的方向入射至光调制装置120，并分别经处于第一状态与第二状态的微反射镜反射后沿相同方向出射。光调制装置120用于调制照明光111和第一探测光112的空间分布，使得在至少部分时段，照明光与第一探测光同时出射，并在光调制装置120的出射侧形成互补图案。如图4所示，图4示例性的给出了某一时刻，照明光111在光调制装置120出射侧形成的图案(图4a)和第一探测光112在光调制装置出射侧形成的图案(图4b)，上述的两个图案为互补图案，具体的，图4a中白色块为微反射镜处于第一状态时照明光111形成的图案且灰色块为微反射镜处于第二状态时照明光111形成的图案，图4b中白色块为微反射镜处于第二状态时第一探测光112形成的图案且灰色块为微反射镜处于第一状态时第一探测光112形成的图案。举例仅为说明方便，本发明不限制经光调制装置120调制后照明光111和第一探测光112的具体图案，根据探测信号对照明光的图案进行智能调制，如：避免照明光对交通造成干扰(如避免眩光)。
本发明还包括接收系统，接收系统包括第一传感器121和第二传感器122，照明光111和第一探测光112照射在目标物体11上，由于照明光111和第一探测光112在光调制装置120出射侧形成互补图案，因此照明光111和第一探测光112大致分离并照射在目标物体11的不同位置，特别地，照明光111照射在目标物体11的一部分11-1(图中未示出)，第一探测光112照射在物体的另一部分11-2(图中未示出)。其中，目标物体的一部分11-1在照明光111的照明区域内，可被驾驶人员直接观察，而目标物体的另一部分11-2处于非照明区域，可能因未被观察而造成危险，而本发明通过第一探测光112探测目标物体的另一部分11-2来减少危险的发生。照明光111被目标物体的一部分11-1反射回到照明系统，第一探测光112被目标物体的另一部分11-2反射回到照明系统，通过波长分光装置(未示出)后，照明光111投射至第一传感器121，第一传感器121对照明光111的光谱响应，第一探测光112投射至第二传感器122，第二传感器122对第一探测光112的光谱响应，具体地，第一传感器121可以为可见光探测器，如可见光相机，第二传感器122可以为红外探测器。通过第一探测光112可以实现对非直接观察区域的探测，减少危险发生的可能性，而通过结合第一传感器121对照明光111的光谱响应，可进一步提高环境探测信息的准确性。
通过将光调制装置120设置在照明光源101发出的照明光111与第一探测光源102发出的第一探测光112的光路上，使得在至少部分时段，当照明光111与第一探测光112同时出射时，光调制装置120对照明光111和第一探测光112进行空间分布调制，形成照明光111与第一探测光112的互补图案，利用第一探测光112的补充探测，实现了非照明区域的实时监控，从而解决了经光调制装置120调制后的照明光111无法照射到的区域的监控问题，极大的提高了安全性。另一方面，该技术方案利用同一个光调制装置120对照明光111与第一探测光112进行调制，无需使用两个光调制装置进行同步操作，实现了互补图案的精确匹配，并通过光调制装置的复用降低了总体的成本。
在本发明实施例一的一个变形实施例中，光调制装置120包括液晶调制器，还包括设置在液晶调制器出射端的偏振滤光片，照明光111与第一探测光112分别以相互正交的第一偏振态和第二偏振态入射至液晶调制器的入射端。通过控制其施加在液晶单元上的电压，决定液晶分子的取向，从而控制该液晶单元的出射光的偏振态，再通过偏振滤光片的滤光，决定通过该液晶单元的光的透过率。
举例说明，对于同一个液晶调制像素，不考虑光的透射损失等因素，以100％P偏振光入射的照明光，到达偏振滤光片的光包括N％的P照明光和(100-N)％的S照明光。若偏振滤光片透P光反S光，则出射光为N％的P照明光。同时，100％S偏振光的第一探测光入射，经液晶调制后，形成N％的S第一探测光和(100-N)％的P第一探测光，再经过偏振滤光片后以(100-N)％的P第一探测光出射。那么，最终N％的照明光和(100-N)％的第一探测光一同出射，在液晶调制器出射侧形成互补图案。以此类推到包含多个液晶调制像素的整个液晶调制器，照明光图案和第一探测光图案形成整体的互补图案。
本变形实施例采用液晶调制器进行调制，可以在对光的偏振透过率进行控制，可以在一定时间内保持该透过率，相对于DMD的时间占空比的调制，有利于调制的稳定，但同时相应地，调制速率会相对低一些。
请参见图5，图5为本发明的实施例二的照明系统的结构示意图。照明系统20包括激发光源200、波长转换装置240、光调制装置220、第一传感器221和第二传感器222。其中，波长转换装置240包括第一波长转换材料241和第二波长转换材料242，第一波长转换材料241和所述第二波长转换材料242重叠设置。其中，第一波长转换材料241和第二波长转换材料242既可以分别位于相叠置的两个层内，也可以混合在一个层内。激发光源200激发第一波长转换材料241后产生照明光211，即激发光源200与第一波长转换材料共同构成了照明光源；激发光源200激发第二波长转换材料242后产生第一探测光212，即激发光源200与第二波长转换材料242共同构成了第一探测光源。
具体地，激发光源200可以选择蓝色激光光源，如蓝光激光二极管光源，第一波长转换材料241可以选择黄色荧光材料，如Ce:YAG，通过蓝光激发黄色荧光材料，使得产生的黄光与未被吸收完的蓝光混合，得到白光用于照明。第二波长转换材料242可以选择红外荧光粉材料，吸收蓝光并发出红外光。进一步地，由于荧光光谱普遍较宽，为了提高探测信号的精度，需要在红外荧光的路径上设置滤光片，以获得窄光谱红外荧光。或者，在另一个实施方式中，第二波长转换材料242选用红外量子点材料，该材料发射光谱窄，能够很好的满足探测光的波长需求。
本实施例二中，照明系统20还包括二向色片250、第一反射镜251第一反射镜252、第一反射镜253，二向色片250透过蓝光和黄光且反射红外光，第一反射镜251第一反射镜252、第一反射镜253引导红外光以某一角度入射光调制装置220，使得白光和红外光通过光调制装置220调制后同时出射并在光调制装置220的出射侧形成互补图案。
本发明实施例三中，仍可以参照图1的照明系统结构将光调制装置120的调制时序分为照明时序和探测时序，在照明时序内，照明光源101和第一探测光源102同时开启，在探测时序内，照明光源101关闭。本实施例三相比实施例一增加了独立的探测时序，进一步增加了探测精度。
进一步的，如图6所示，图6为本发明第三实施例的照明光源、第一探测光源和一微反射镜的时序示意图。在探测时序内，当各微反射镜均处于第一状态与第二状态之间的中间状态时，第一探测光源102脉冲发射第一探测光112，且脉冲宽度远小于中间状态的持续时间。探测光源在微反射镜处于非稳态时发射，发射角度不再像稳态时那样只有两种可能性。
具体地，第一探测光的脉冲宽度至少比中间状态的持续时间小两个数量级。脉冲宽度时长可以为几个纳秒，而中间状态的持续时间大约为几个微秒。因此，对于脉冲第一探测光来说，微反射镜在任意时刻实际是静止在某个确定的角度。
在本实施例中，利用闪耀光栅(Blazed Gratings)的原理对入射的探测光脉冲进行偏折来实现扫描探测。光栅形成的方法是让每个微反射镜都在切换状态下以相同的某个角度偏转，形成由微镜阵列组成的光栅，对光的相位调制而实现对光的偏折。
在本发明实施例三的另一实施例中，在探测时序，当第一探测光源102处于打开状态时，各微反射镜均处于第二状态。
相对于均匀的探测光场，具有一定图案分布的探测光场通过携带更多的探测信息，提高了探测精度。但是由于其照射区域不连续，可能漏掉尺寸较小或形状奇特的物体，从而影响安全问题。为了进一步解决该问题，在实施例三的基础上，进一步地，其变形实施例利用连续的两个探测时序，使两个探测时序的各微反射镜所处的状态相反，从而使得两个探测时序出射的探测光的出射图案为互补图案。例如，在第一探测时序，光调制装置的微镜阵列的分布如图7所示，在第二探测时序，将图7中白色和斜线表示的微反射镜的状态互换。图中白色表示的微反射镜处于第一状态，斜线表示的微反射镜处于第二状态。该技术方案弥补了只使用单一图案时可能存在的信息遗漏问题。
可以理解，本发明中，调制探测光的图案不限于列举的横纹栅格分布，也可以是其他图案，而且也不限于固定图案，也可以是多种图案交替。
请参考图8，图8为本发明的第四实施例的照明系统的结构示意图。本发明实施例四与实施例一相比增加了第二探测光源，通过增加第二探测光源以提高探测精度。照明系统40包括照明光源401、第一探测光源402、第二探测光源403，光调制装置420和第一传感器421、第二传感器402。照明光源401发出照明光411，照明光411经照明光路途经光调制装置420出射，光调制装置420调制照明光411的空间分布，获得精细化明暗分布的照明分布。第一探测光源402发出第一探测光412，第一探测光412途经光调制装置420出射，照射在目标物体41上，而后，被目标物体41反射的光回到照明系统40，最终到达第二传感器422上。第二探测光源403发出第二探测光413，第二探测光413途经光调制装置420出射，照射在目标物体41上，而后，被目标物体41反射的光回到照明系统40，最终到达第二传感器422上。
本发明增加第二探测光源，第二探测光源发出的光与第一探测光源发出的光经过光调制后形成互补图案。虽第二探测光与照明光源经光调制装置后形成相同图案，但由于自然光中与照明光波长重叠的部分较多，因此第一传感器接收的照明光噪音较大。本发明实施例四通过增加第二探测光源提高探测的信噪比。
在本发明实施例四的一个变形实施例中，照明光、第一探测光、第二探测光由激发光源激发波长转换装置中第一波长转换材料和第二波长转换材料得到，第一波长转换材料和第二波长转换材料重叠设置，激发光源激发第一波长转换材料后产生照明光，激发光源激发第二波长转换材料后产生第一探测光或第二探测光。照明系统还包括分光装置，设置于波长转换装置之后，将照明光、第一探测光、第二探测光分光并分别引导至照明光路、第一探测光路、第二探测光路。照明光、第一探测光、第二探测光通过光调制装置后被物体反射进入第一传感器和第二传感器的过程参照上述各实施例，此处不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (13)

1.一种具有探测功能的照明系统，其特征在于，包括：
照明光源，用于发出照明光，所述照明光经照明光路出射；
第一探测光源，用于发出第一探测光，所述第一探测光经第一探测光路出射；
光调制装置，设置在所述照明光路和所述第一探测光路上，用于调制所述照明光和所述第一探测光的空间分布，使得在至少部分时段，所述照明光与所述第一探测光同时出射，并在所述光调制装置的出射侧形成互补图案。
2.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述光调制装置包括照明时序和探测时序，在所述照明时序内，所述照明光源和所述第一探测光源同时开启，在所述探测时序内，所述照明光源关闭。
3.根据权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于，所述光调制装置包括包含多个微反射镜的微镜阵列，所述微反射镜至少包括设置角度不同的第一状态和第二状态，所述照明光与所述第一探测光分别从不同的方向入射至所述光调制装置，并分别经处于第一状态与第二状态的所述微反射镜反射后沿相同方向出射。
4.根据权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于，所述光调制装置包括液晶调制器，还包括设置在所述液晶调制器出射端的偏振滤光片，所述照明光与所述第一探测光分别以相互正交的第一偏振态和第二偏振态入射至所述液晶调制器的入射端。
5.根据权利要求3所述的照明系统，其特征在于，在所述探测时序内，当各所述微反射镜均处于所述第一状态与所述第二状态之间的中间状态时，所述第一探测光源脉冲发射所述第一探测光，且脉冲宽度远小于所述中间状态的持续时间。
6.根据权利要求3所述的照明系统，其特征在于，在所述探测时序，当所述第一探测光源处于打开状态时，各所述微反射镜均处于第二状态；或者，在所述探测时序，当所述第一探测光源处于打开状态时，一部分所述微反射镜处于第二状态，且连续的两个探测时序中，各所述微反射镜所处的状态相反。
7.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，还包括接收系统，所述接收系统包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器对所述照明光的光谱响应，所述第二传感器对所述第一探测光的光谱响应，结合所述第一探测光的光谱响应及所述照明光的光谱响应得到环境探测信息。
8.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，包括第二探测光源，用于发出第二探测光，所述第二探测光经第二探测光路出射，还包括合光装置，所述合光装置设置于所述照明光源和所述光调制装置之间，用于将所述照明光和所述第二探测光合光。
9.根据权利要求8所述的照明系统，其特征在于，所述第一探测光源和所述第二探测光源为红外光源，所述照明光源包括半导体光源。
10.根据权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于，所述第一探测光源为红外光源，所述照明光源包括半导体光源。
11.根据权利要求1、2或8中任一项所述的照明系统，其特征在于，包括激发光源和波长转换装置，所述波长转换装置至少包括第一波长转换材料和第二波长转换材料，所述第一波长转换材料和所述第二波长转换材料重叠设置，所述激发光源激发所述第一波长转换材料后产生所述照明光，所述激发光源激发所述第二波长转换材料后产生所述第一探测光或第二探测光。
12.根据权利要求11所述的照明系统，其特征在于，还包括分光装置，设置于所述波长转换装置之后，将所述照明光、所述第一探测光分光并分别引导至所述照明光路、所述第一探测光路。
13.根据权利要求11所述的照明系统，其特征在于，还包括分光装置，设置于所述波长转换装置之后，将所述照明光、所述第一探测光、所述第二探测光分光并分别引导至所述照明光路、所述第一探测光路、所述第二探测光路。
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