CN113631979A - 光学元件和具有光学元件的盖片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对预给定区域照明的光学元件（1），其中所述光学元件（1）被构造为使得从至少一个光源（10）入射到所述光学元件中的光束的一部分通过全反射在所述光学元件内的界面（2）处被反射，然后在出射平面（4）中从所述光学元件向优选方向出射，其中所述光学元件在所述出射平面（4）中的横截面（22、24、26）具有两个或更少的对称轴。

Description

光学元件和具有光学元件的盖片

技术领域

本发明涉及一种用于对预给定区域照明的光学元件，以及一种集成有这种光学元件的盖片和一种驾驶员观察系统。

背景技术

存在各种类型的照明光学器件利用光的全反射以便能将具有例如半球形辐射特性的近似点状产生的光均匀地辐射到优选的方向上。通过这种方式可以形成也以TIR透镜（total internal reflection，全内反射）已知并且特别适合作为诸如发光二极管（lightemitting diode，LED）的固态光源的光学器件的光学元件，因为这些固态光源是粗略近似于点状的光源。根据实施方式，在此也可以实现光束的部分或完全准直。

均匀的照射对于许多照明应用而言都是期望的。一个具体的应用领域是与机动车辆中的内部空间观察或驾驶员观察相关的驾驶员辅助系统。在这样的系统中，用来自合适光源的红外光照射驾驶员，并且用对应安装的相机检测反射的光。对相机图像进行评估，以例如监视驾驶员是睁眼还是闭眼，或者驾驶员正在看哪个方向。由此，该系统可以推断出疲倦状态、分心和其他状态，并启动对应的信号或进一步干预驾驶行为。

这样的系统应当随时对驾驶员进行良好的照射，并且还应当以不复杂且不显眼的方式集成到车辆中。

发明内容

根据本发明，提出了一种用于对预给定区域照明的光学元件，其中所述光学元件被构造为使得从至少一个光源入射到所述光学元件中的光束的一部分通过全反射在所述光学元件内的界面处被反射，然后在出射平面中从所述光学元件向优先方向出射，其中所述光学元件在所述出射平面中的横截面具有两个或更少的对称轴。通过这种方式，可以以简单的方式均匀地照射矩形或伸长的区域。

此外，提出了一种盖片单元，其包括具有平坦或弯曲表面的盖片和一体式成型在所述盖片上的光学元件。这种与光学元件组合的盖片允许所述光学元件的简单且成本有利的安装。

有利的设计是从属权利要求和以下描述的主题。

根据示例性实施方式，所述光学元件在所述出射平面中的横截面可以是例如椭圆、矩形或圆角矩形。根据本发明的光学元件的横截面的示例性膨胀比，特别是纵横比可以在1.05:1和4:1之间，优选在1.1:1和3:1之间。利用这种非圆形对称的横截面，获得对应的、同样伸长的照明区域。

可选地，如果期望红外照明，则所述光学元件可以由在可见光范围内至少部分不透明并且在红外范围中透明的材料制成。对于使用其他波长的照明，可以对应地选择其他材料透明度。

例如，所述光学元件可以通过注塑成型或注塑压缩成型制成。这样的方法使得这些光学元件能够成本有利且精确地制造。

在一个实施方式中，所述光学元件可以包括一个或多个输入耦合区域，所述输入耦合区域被构造为使得至少两个单独的光源（例如两个或更多个LED）可以用于将光输入耦合到所述光学元件中。在此，所述输入耦合区域例如可以是在所述光学元件中的对应维度尺寸的凹部，所述光源布置在所述凹部中。

具有如上所述的集成光学元件的盖片可以形成例如用于车辆驾驶舱的区段的覆盖件，例如在仪表板或中控台的区域中，或用于单独安装的驾驶员观察系统的覆盖件。

如同单独的光学元件一样，与所述光学元件共同构造的盖片也可以通过注塑成型或注塑压缩成型制成。

还提出了一种驾驶员观察系统，其包括以下组件：这样的盖片单元、将红外光入射到所述盖片单元的光学元件中的至少一个光源以及检测从由所述光学元件照明的区域反射和/或散射的红外光的相机。所述驾驶员观察系统在此优选地布置在车辆驾驶舱中，例如在乘用车或卡车中，并且用于监视特定驾驶员特性。在此，在这样的系统中所述相机和所述照明元件同样可以布置在所述盖片单元的盖片后面。

本发明的其他优点和设计从说明书和附图中得出。

本发明基于在附图中的实施例示意性地示出并且在下面参照附图加以描述。

附图说明

图1示出了并非本发明主题的具有全反射的光学元件；

图2示出了光学元件在出射平面中的三个根据本发明的示例性横截面；

图3示出了根据本发明的示例性光学元件的横截面，其中图3a示出了具有模拟的光束路径的第一元件在X-Z平面中的横截面，图3b示出了具有模拟的光束路径的第一元件在Y-Z平面中的横截面，图3c示出了第二元件在X-Y平面中的俯视图；

图4示出了根据本发明成型到盖片上的示例性光学元件的三维示意图，其中图4a示出了图3a和图3b中的第一元件，而图4b示出了图3c的第二元件；

图5a以草图示出了根据本发明具有盖片的光学元件在车辆驾驶舱中的布置；

图5b示出了具有相机和盖片的光学元件的放大图；以及

图5c示出了图5b的元件的详细俯视图。

具体实施方式

图1示出了并非本发明主题的常规全反射或TIR（全内反射）元件的示例。这些光学器件利用了以下事实，即从光学较密介质入射到与光学较薄介质的界面上的光束由于光学原理而以折射角折射，该折射角大于入射角。因此，如果所述入射角超过特定边界角，则在界面处发生全反射。

在此，在实心设计的TIR元件1中，光首先从诸如发光二极管的光源10输入耦合到光学元件1的主体中。这些光源向许多方向辐射，大致呈半球形。TIR元件然后在相关的侧界面2处成形，使得侧向辐射的光束6被反射并向优先方向偏转，而已经例如向优先方向发射的光束8不再或仅略微通过光学元件1偏转。侧面2在此可以被实施为倾斜的或弯曲的，从而形成杯状形状；取决于实施方式，整个出射面4也可以形成为平面的、近似平面的或倾斜的或弯曲的，而在光源10上方的元件中心通常将凹部12设置在光学元件1的主体中，因为这个方向上的光应当基本上不变地继续被引导。然而，取决于材料和波长，所述凹部也可以不存在并且此时所述光学元件的主体可以是构造为直到出射面为止都是实心的，或者也可以包括凸起的凸面。另外，通常在输入耦合侧形成凹部14，光源10可以匹配地或有距离地插入所述凹部中。

从而所产生的总光强的最大份额基本上偏转到所述优先方向，其中所达到的辐射角和准直度取决于所述光学元件的准确设计。在任何情况下，通过这种方式可以在期望的有限照明区域内实现良好的亮度输出，而不会在此过程中损失太多光到周围区域中。可以在光的输入耦合面和光的出射面上形成透镜状特性14、18，并且可以设置诸如菲涅耳元件或微观表面设计的其他特殊形状以进一步影响光束整形。这种TIR元件的横截面和照明区域是圆形的，从而所述照明区域也是圆形的。

现在有利地改变TIR元件，使得实现具有均匀照射的伸长照明区域。为此，在保持如上所述的基本特性的条件下改变所述光学元件在出射平面4中的横截面，使得该横截面仅具有两个、一个或没有对称轴。图2示出了横截面的多个替代选项。例如，可以设置具有不同边长的矩形横截面26，或者椭圆形或近似椭圆形的横截面22。同样可以想到圆角矩形24，即所谓的“跑道”横截面，或者带有附加半圆的矩形（未示出）。一般来说应当理解，这些不一定是纯椭圆或纯矩形，而是可以进行变形以与应用区域相适配。这些可能性在出射平面的横截面中分别具有两个对称轴，在图2中水平和垂直延伸。

然而，原则上同样可以想到具有少于两个对称轴的横截面，例如类似于图2中设计的仍然具有镜像轴但是设计为沿着第二轴具有不同宽度的横截面，例如具有恒定增加或减小的宽度。对于实施为近似轴对称的元件，原则上也可以具有一定的对称性偏差，只要该偏差不干扰均匀照射即可。完全不规则的、在横截面中不再具有对称轴的伸长元件也是可能的，这取决于期望的照射区域。

这种光学元件1的横截面的高度和宽度(或反过来)被确定为使得彼此的膨胀比在1.05:1和4:1之间的范围内，优选地在1.1:1和3:1之间的范围内，而诸如2:1的其他膨胀比也是可能的。例如，如果使用具有以4:3格式设计的检测区域的相机，则有意义的可以是将为此设置的照明集中到具有类似膨胀比（即例如介于1.3:1和1.5:1之间）的区域上。

也可以根据所述光学元件中光源的数量和布置来设计所述膨胀比。作为膨胀比，在矩形或椭圆的情况下定义沿着对称轴的长度，即矩形24、26的两条边长或椭圆22的主轴和短轴的长度；对于具有对称轴的元件而言，膨胀比应当描述沿着对称轴的横截面长度和沿着具有最大伸展的垂直于对称轴的轴的横截面长度，并且对于无对称轴的非对称元件而言，膨胀比应当描述沿着面的最大伸展的长度和与该面垂直的元件宽度。

图3示出了以这种方式设计的根据本发明的在出射平面中具有椭圆形横截表面的TIR元件的横截面。可以看出，光束并未完全准直，而是向近似垂直于出射面的优先方向充分偏转。在图3a中示出了第一示例性光学元件在X-Z平面中的光束路径的模拟，而图3b示出了Y-Z平面中的光束路径的对应模拟。在光学元件1中又插入光源10，所述光源例如半球形地辐射，使得光束的一部分在所述光学元件的侧面2上被全反射。图3a和3b中模拟的示例性光学元件具有1.14:1的膨胀比。

图3c示出了另一示例性光学元件的俯视图（X-Y平面），这里在具有近似椭圆形横截面和1.48:1的膨胀比的实施中。从那里可以看出，所述光学元件在输入耦合侧的中间凹部可以被设计为其可以容纳多于一个的光源或LED。从而例如如图所示，两个LED 10a和10b可以直接并排或相隔特定距离地安装，这两个LED确保了对期望区域的均匀照射。光学元件1的位于光源10a、10b上方的中间区域于是可以具有连续的凹部或凹陷，即，在从光源发出的光束应当基本上不变地通过的区域中。替代地，取决于光源的位置，例如还可以形成中间脊，以确保来自两个光源的光尽可能强平行地定向。也可以布置三个或甚至更多光源以将光输入耦合到所述光学元件中。总之，随着膨胀比的增加，所使用的光源的数量也优选地增加。对应地，不仅出射平面的横截表面，而且输入耦合侧和出射侧上的光源区域中凹部的与出射平面的横截表面平行的横截表面都具有适配的横截面，该适配的横截面同样可以具有大于1的膨胀比。这些凹部的横截面的形状可以对应于出射面的横截面，如在图3c的示例中，但也可以与出射面的横截面不同。

所述光学元件的所有光学活性面都可以单独成型。例如，在输入耦合区域中，输入耦合面可以被构造为对应地与条件相适配的自由形状透镜。同样，如上所述，光学相关面可以配备有其他特征，例如菲涅耳元件、表面的微结构化或使得光以期望的方式输入耦合到所述光学元件中或从所述光学元件耦合输出的其他特征。

所述光学元件可以部分或完全由在特定波长范围内透明但相反在其他波长范围内不透明的材料制成。如果例如期望在红外波长范围内的照明，则可以使用在红外范围内透明而在可见光范围内不透明的材料，即呈现为黑色的材料。从而所述光学元件可以被设计为不显眼并集成到其他组件中，因为其后面的发光LED以及供电电路板或其他元件对用户来说不可见地隐藏了。作为材料例如提供本领域已知其特性和加工方式的聚碳酸酯（PC）或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。这些材料可以例如通过注塑成型加工为根据本发明的元件，这使得可以在一个步骤中集成地制造所述光学元件和可能的其他组件。对于光学面的精确构造，优选也使用注塑压缩成型，其中在固化期间在形状的封闭压力下压印出最终形状。在此，原则上也可以由不同的材料形成一体式构造的元件，例如通过多组件注塑方法。

根据另一实施方式，光学元件，特别是如上所述的那些光学元件，可以与盖片30集成地构造，例如显示器的盖片或车辆驾驶舱中仪表板或中控台中的外壳的盖片，或在车辆中的其他显示区域上。图4a和图4b以斜视图示出了由光学元件1和盖片30组成的这种组合盖片单元。盖片30已经在图3a至图3c中示出。从那里可以看出，盖片30成型在光学元件1的出射平面中或自己形成光学元件1的出射面4。盖片30通常具有明显超过光学元件1的横截面的尺寸，并且还可以具有其他元件、开口、保持装置、紧固区段40等。通过这种方式可以将光学元件安全可靠地安装在正确的位置而在此过程中不会出现错误。此外，还可以成本有利地制造带有光学器件的整个盖片。可以根据应用领域选择具有或不具有根据本发明成型的盖片的光学元件的材料和制造方法。从图4a和图4b都可以看出，所述光学元件朝着远离盖片表面的方向延伸，其中具有侧向反射面2和用于一个或多个光源10a、10b的容纳部14的所述光学元件的主体的基本结构在上面已经描述过。

根据另一实施方式，可以如上所述使用光学元件1来实现车辆内部空间的有效照射。

例如，在使用具有非方形探测器面的相机（例如通常的4:3格式）的驾驶员观察系统中，需要对待检测区域进行均匀照射。同时，为了节省能量和组件，不应对相机检测之外的过大区域进行不必要地照明。图5a示例性地示出了其中可以应用根据本发明的实施方式的车辆内部空间的草图。

因此在该实施例中，根据本发明的光学元件1可以如上所述用于照明。该光学元件的为此所需的横截面的准确尺寸和精确形状再次取决于几何条件，即尤其是取决于元件1到待照明区域（即，这里到驾驶员）的距离，取决于照明角度，取决于所使用的发光装置10的亮度，以及取决于待照明区域的大小和形状。

驾驶员52例如坐在驾驶座上，而在方向盘54后面的挡风玻璃56下方布置了仪表板或显示区域。在该区域中，可以布置用于照射期望区域的光源10，例如红外LED，其借助于集成在盖片30中的光学元件1至少照射以下区域，驾驶员的头部通常位于该区域中。作为波长范围为这种应用例如提供大约800nm和1000nm之间的近红外范围，但也可以使用其他波长范围。相机50同样可以布置在仪表板中的合适位置处并且检测LED 10的反射和散射的光，即由此例如对驾驶员的头部成像。然后可以任意评估这些数据，以例如检测头部位置、观察方向、眼睛闭合时间等。可选地，盖片30的另一区段还作为覆盖件布置在相机50前面。

图5b更详细地示出了光源10的区域。相机50在此被示为紧邻光源10，但原则上也可以位于另外的合适位置。光源10，即例如用于照明的LED，安装到光学元件1中，该光学元件可以优选的是根据本发明的TIR元件。可以看出，光学元件1再次直接集成到盖片30中，盖片30在此也覆盖相机区域50。为了容纳照明装置10和相机50，可以通过还设置其他显示元件或组件来选择仪表板的业已存在的外壳区域，或者也可以构造出单独的外壳元件或外壳区段，其仅为该应用设置并且配备有对应的盖片30。

如图5b中的草图所示，盖片30不一定必须是平面的；同样，也可以想到具有凹形或凸形设计的弯曲盖片。此外，所述盖片可以在各个区域中具有凹部或突出部。图5c以俯视图示出了具有盖片30的照明/相机区域的俯视图。所述盖片适当地用在外壳58中或外壳58上并且可以通过任意方式固定在那里，理想地以可拆卸的方式固定，以更换或维修盖片30后面的组件。为了连接所述盖片可以考虑所有常规可能性，例如夹式或卡入式连接、粘合剂连接、螺钉等。对应的保持元件或凹部可以直接与盖片和/或外壳一起成型。在所示的示例中，外壳58具有保持突出部59，盖片30可以搁置在该保持突出部上。

此外，在图5c中可以清楚地看见与盖片30一体式实施的光学元件1。在光学元件的凹部14中布置有LED形式的光源10，该光源安装在电路板或印刷电路板66上并被接触，使得该光源可以用作光学元件中的光源1。如上所述，集成的光学元件1应当在其横截面和尺寸方面被设计为使得尽可能最佳地照射期望区域，即例如具有预给定膨胀比的矩形区域。

相机元件50同样可以布置在盖片30后面的同一印刷电路板66上，或者替代地也可以构造为单独的元件。相机元件50尤其包括用于对期望的观察区域成像的一个或多个透镜62，所述透镜被相应地确定维度尺寸和取向，相机元件还包括诸如CCD元件的相机传感器64，该相机传感器在期望的波长范围内是灵敏的。当然，例如还可以存在其他光学元件，如用于过滤环境光的过滤器元件等，和/或可以使用多个相机50，这些相机例如安装在不同的地点并且因此允许从多个位置进行观察并且可选地可以将这些观察相互组合。当然，该系统还包括其他合适的电路元件、电流源和连接，它们使得能够运行和控制相机和光源并且这里未示出。

从这里可以看出，盖片30可以例如在光学元件1的区域中略微偏离其其他形状；在这里可以在图5c中看到凸起的凸面，该凸面可以形成例如透镜效应，这取决于期望的光束整形。然而，光学出射面在此同样可以与盖片30的其他表面完全均匀地构造，其方式是适配所述光学元件的其余维度尺寸。盖片也不一定要在整体上和/或特别是在所述光学元件的区域中是平坦的或抛光的，而是通过对应地适配所述光学元件的光学特性，也可以实现无光泽的盖片和弯曲的盖片。

虽然盖片和光学元件的集成构造提供的优点是不需要单独的元件来用于安装和制造，并且可以确保照明元件和可选相机的取向和安装是正确的，但是根据上述实施方式，本发明的光学元件原则上也可以实施为模块化元件，然后将该模块化元件插入对应的凹部或保持器中。同样地，光学元件1可以仅与盖片的一部分一起构造，然后所述盖片的一部分在安装期间与盖片的另一部分组合。

可以理解，对于光学元件的详细设计已经描述的所有示例性实施方式都可以与用于将光学元件集成到覆盖件或盖片中的实施方式任意组合，特别是还与所描述的用于观察驾驶员的实施方式任意组合。然而，另外的或其他光学元件也可以通过这种方式集成到盖片中，特别是用于车辆显示器。

Claims (11)

1.一种用于对预给定区域照明的光学元件（1），其中所述光学元件（1）被构造为使得从至少一个光源（10）入射到所述光学元件中的光束的一部分通过全反射在所述光学元件内的界面（2）处被反射，然后在出射平面（4）中从所述光学元件向优先方向出射，

其中所述光学元件在所述出射平面（4）中的横截面（22、24、26）具有两个或更少的对称轴。

2.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述光学元件在所述出射平面中的横截面是以下之一：椭圆（22）、矩形（24）或圆角矩形（26）。

3.根据权利要求1或2所述的光学元件，其中所述光学元件在所述输出平面中的横截面（22、24、26）具有在1.05:1和4:1之间，优选在1.1:1和3:1之间的膨胀比。

4.根据前述权利要求中任一项所述的光学元件，所述光学元件由在可见光范围内至少部分不透明并且在红外范围中透明的材料制成。

5.根据前述权利要求中任一项所述的光学元件，所述光学元件通过注塑成型或注塑压缩成型制成。

6.根据前述权利要求中任一项所述的光学元件，所述光学元件包括一个或多个输入耦合区域（14），所述输入耦合区域被构造为使得至少两个单独的光源（10a、10b）能够用于将光输入耦合到所述光学元件（1）中。

7.一种盖片单元，包括具有平面或弯曲表面的盖片（30）和一体式成型在所述片上的根据前述权利要求中任一项所述的光学元件（1）。

8.根据权利要求7所述的盖片单元，其中所述盖片（30）形成用于车辆驾驶舱的区段的覆盖件。

9.根据权利要求7或8所述的盖片单元，其中具有所述光学元件（1）的所述盖片（30）通过注塑成型或注塑压缩成型制成。

10.一种驾驶员观察系统，包括：

根据权利要求7至9中任一项所述的盖片单元，

至少一个光源（10），其将红外光入射到所述盖片的光学元件中；

以及相机（50），其检测从由所述光学元件照明的区域反射和/或散射的红外光，其中所述驾驶员观察系统布置在车辆驾驶舱中。

11.根据权利要求10所述的驾驶员观察系统，其中所述相机（50）布置在所述盖片单元的盖片（30）后面。

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