CN210323605U - 包括led和光栅的照明设备、电子设备以及载体 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及包括LED和光栅的照明设备、电子设备和载体。提供能够提供用于在3D成像中照射物体的光图案的照明设备、其中该照明设备制造简单且成本有效、同时照明设备可以附加地具有非常小的形状因子的目的被利用一种照明设备解决，该照明设备包括：至少一个LED（4），用于朝向光发射侧（6）发射光；具有规则间距的第一光栅（8），该第一光栅（8）具有光阻挡部分（10）和光透过部分（12）；其中第一光栅（8）被布置在光发射侧（6）上以在光阻挡部分（10）处阻挡光的通过，使得通过光透过部分（12）的光能够以线图案照射物体。本实用新型还对应于用于制造照明设备（2）的方法和照明设备（2）的用途。
Description
技术领域
本公开涉及包括发光二极管（LED）的照明设备，特别是在用于3D成像目的的图案发光器的领域中。
背景技术
涉及3D成像的应用已经变得越来越重要。这样的应用还在诸如移动设备的消费电子产品中提供，从而产生对于具有非常小的形状因子的3D成像设备的需求。特别是在发射方向上的装置的可用高度是有限的。
在3D成像中获取物体的3D表示的基本方法是基于对物体的有效光照，其中利用特定构造的光图案照射物体。诸如相机的光学传感器被用来获得由光图案照射的物体的2D图像。物体的形状使观察到的光图案变形，使得可以从2D图像导出物体的3D表示。
用于在3D成像中对物体的光照的典型光图案是点图案，其可以是比如规则的、伪随机的或随机的点图案。这样的图案可以通过激光器（例如通过边缘发射器或垂直腔面发射激光器（VCSEL阵列））产生。虽然这样的用于3D成像中的光照的照明设备原则上可以具有小的形状因子并且可以被包括在移动设备中，但是这些照明设备通常是复杂的并且难以制造，因此增加了生产成本。
可以用于3D成像中的光照的其他类型的光图案包括十字形、网格和线。然而，这样的光图案通常也借助于激光器设备获得，并且因此对应的照明设备可能是成本密集的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种照明设备，该照明设备能够提供用于在3D成像中照射物体的光图案，其中该照明设备制造简单且成本有效，同时照明设备可以附加地具有非常小的形状因子，特别是在发射方向上的小的装置高度。本发明还涉及一种用于制造这种照明设备的方法以及基于上述目的这种照明设备的用途。
根据本发明的第一方面，提供了一种照明设备，包括：至少一个发光二极管（LED），用于朝向光发射侧发射光；具有规则间距的第一光栅，该第一光栅具有光阻挡部分和光透过部分；其中第一光栅被布置在光发射侧上以在光阻挡部分处阻挡光的通过，使得通过光透过部分的光能够以线图案照射物体。第一光栅被配置为使得某些角度的光线被阻挡，而其他角度的光线可以穿过光透过部分通过第一光栅，以产生阴影效应。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于制造照明设备的方法，该方法包括：提供至少一个LED，用于朝向至少一个光发射侧发射光；
提供具有规则间距的第一光栅，该第一光栅具有光阻挡部分和光透过部分；并且将第一光栅布置在光发射侧上，使得在光阻挡部分处的光的通过被阻挡，并且通过光透过部分的光能够以线图案照射物体。第一光栅被配置为使得某些角度的光线被阻挡，而其他角度的光线可以穿过光透过部分通过第一光栅，以产生阴影效应。
根据本发明的第三方面，提供了根据第一方面的照明设备的用途，以在物体的3D成像中提供光图案。
本发明的第一、第二和第三方面的示例性实施例可以具有下面描述的属性中的一个或多个。
至少一个LED可以包括至少一个半导体元件，诸如p-n结、二极管和/或晶体管。比如，至少一个LED可以至少部分地布置在衬底上。至少一个LED被配置为朝向照明设备的光发射侧发射光。光发射侧可以表示照明设备的一个或多个区域或围绕照明设备的一个或多个区域，其中待被照明设备照射的物体可以被带到光发射侧以进行照射。
第一光栅具有规则的间距，其中间距可以被理解为光栅的周期，即单个光阻挡部分的宽度和单个光透过部分的宽度的总和。光阻挡部分和光透过部分可以被认为形成光栅的“线”，因为光阻挡部分和光透过部分具有有着最大尺寸的纵向方向。光阻挡部分和光透过部分的宽度可以被理解为垂直于纵向方向和在光栅内的尺寸。特别地，第一光栅可以具有平面形状。根据莫尔阴影的原理，足够宽的光透过部分与光阻挡部分相组合，将产生阴影效应。替代地，窄的光透过部分将导致衍射图案。衍射图案需要高的制造准确性，并且具有依赖于波长并且因此依赖于光源的缺点。中间宽度的光透过部分将产生具有叠加的衍射图案的主要的阴影效应（Talbot效应）。本发明的第一光栅被配置为产生具有可能叠加的较低强度的较小衍射图案的主要的阴影效应。随着光透过部分的宽度的减小，阴影对比度将提高。
在该上下文中，“规则”间距可以被理解为光栅的每线的间距在光栅的制造精度内是相等的。光栅的规则间距具有以下优点：由照明设备产生的线图案也可以是具有暗线和亮线的规则间距的（近似）规则线图案，其出于物体的3D成像的目的可以更容易检测和分析。
第一光栅被布置在光发射侧上，以在光阻挡部分处部分地阻挡光的通过，使得穿过光透过部分的光能够以线图案照射物体。
第一光栅的光阻挡部分被认为对撞击在第一光栅上的光产生阴影效应，使得例如某些角度的光线被阻挡，而其他角度的光线可以穿过光透过部分通过第一光栅。撞击在第一光栅上的光可以由LED直接发射，或者可以重定向到第一光栅。因此，可以认为第一光栅形成光线的（规则）扇形，其中暗线在某些角度下发生。
第一光栅可以被布置在至少一个LED的“远场”中，即至少一个LED和第一光栅的距离足够大，使得由LED发射的光线作为（基本上）平行的光线到达第一光栅。优选地，LED可以被认为是相对于第一光栅的点光源。然后还可以认为第一光栅的光阻挡部分对撞击在第一光栅上的光产生阴影效应，使得产生基本上平行光线的（规则）阵列，其中出现暗线。优选地，LED的尺寸可能比第一光栅的尺寸更小。
因此，根据第一方面的照明设备依赖于简单且广泛可用的元件（诸如LED和光栅）来提供线图案，显著降低了生产成本。特别地，LED和对应的光栅可以被提供有非常小的尺寸，使得可以显著减小照明设备的形状因子。在光发射路径中不需要其他复杂且占用空间的光学元件来获得基本平行光线的规则阵列。然而，可以提供这样的光学元件，以便改善由阴影效应引起的线图案的强度和对比度。
在本发明的示例性实施例中，照明设备还包括至少一个光学元件，该至少一个光学元件被布置成朝向第一光栅折射和/或反射光。利用至少一个光学元件，否则将错过第一光栅的光线可以朝向第一光栅被重定向，因此增强了通过第一光栅的光的强度，并且改善了利用线图案对物体的光照的强度。由至少一个光学元件重定向的光可以包括由LED在与第一光栅的位置不对应的方向上发射的光。由至少一个光学元件重定向的光还可以包括在第一光栅上反射（例如，由第一光栅的光阻挡部分阻挡）、或者被照明设备的其他元件反射的光。总之，可以增强穿过第一光栅的光线的可能性，因为至少一个光学元件可以将光线朝向第一光栅重定向，其中光线否则将不通过第一光栅。
另外，可以认为至少一个光学元件提供光学投影，诸如指向第一光栅的光线或通过第一光栅的光线的准直。比如，诸如反射镜元件的反射元件或诸如透镜的折射元件可以形成指向第一光栅的基本上平行的光束，使得第一光栅接收来自至少一个LED的“远场”发射，同时可以减小该至少一个LED和第一光栅之间的距离。比如，诸如反射镜元件的反射元件或折射元件也可以被布置在第一光栅背向至少一个LED的一侧上，使得穿过第一光栅的光可以投射在物体上。
在本发明的示例性实施例中，至少一个光学元件被配置为用于至少一个LED的反射器杯、白色LED封装、TIR透镜和/或菲涅耳透镜。
反射器杯可以有效地将从LED发射的光朝向光发射侧和第一光栅反射。反射器杯可以被配置为具有高（镜面和/或漫射）反射率的元件，其至少在一侧上围绕至少一个LED。反射器杯可以具有适于至少一个LED的光发射的空间分布的几何形状的形状，使得朝向第一光栅重定向的光的量被进一步优化。反射器杯可以比如被配置为在第一光栅上提供基本平行的光束。可以认为LED和反射器一起构成相对于第一光栅的点光源。在实施例中，反射器杯还可以用作第一光栅的支撑，使得照明设备可以以非常紧凑的方式布置。
至少一个光学元件可以被配置为用于至少一个LED的白色LED封装，其中白色LED封装比如包括用高反射材料封装至少一个LED的“白色”壁。白色LED封装可以包括用于至少一个LED的侧壁，并且特别地包括涂覆有高反射材料的、用于至少一个LED的引线框架。作为反射材料，可以使用作为例如硅树脂的聚合物材料，其中诸如TiOx颗粒的反射颗粒嵌入在聚合物材料中。白色LED封装可以形成LED的高反射环境并且封装LED，其中光基本上仅可以朝向第一光栅射出。
用于LED的透镜，优选地全内反射（TIR）透镜和/或菲涅耳透镜，可以提供由LED发射并在照明设备内反射的光的光学投影。比如，TIR透镜或菲涅耳透镜可以提供朝向第一光栅的光的准直，以改善线图案的对比度和强度。特别地，TIR透镜和菲涅耳透镜允许减小照明设备的形状因子。
在本发明的另一示例性实施例中，照明设备还包括具有规则间距的至少一个第二光栅，该第二光栅具有光阻挡部分和光透过部分；其中至少一个第二光栅被布置在至少一个LED和第一光栅之间。利用至少一个第二光栅，可以进一步减小至少一个LED和第一光栅之间的距离。第二光栅的光透过部分各自用作第一光栅的点光源，并且因此不需要LED和第一光栅之间的大距离。此外，这克服了单个光栅对于由LED发射的光线必须作为（基本上）平行光线到达第一光栅的需求。因此，与第二光栅相组合，还可以使用LED的阵列或矩阵。特别地，可以认为至少一个第二光栅的光阻挡部分对撞击在至少一个第二光栅上的光产生阴影效应，使得某些角度的光线被阻挡，而其他角度的光线可以通过至少第二光栅到达第一光栅。第一光栅如上面描述的那样产生阴影效应。因此，至少一个第二光栅和第一光栅相互作用，以选择通过光栅的光线的某些角度，而在其他角度下，光线在至少一个第二光栅或第一光栅处被阻挡。特别地，将第一光栅与至少一个第二光栅相组合对于非平行光线也可以产生线图案，使得光栅可以非常靠近LED，以进一步减小照明设备的形状因子，同时可以产生具有足够对比度的线图案。特别地，至少一个第二光栅具有与第一光栅相同的间距。
照明设备可以包括在LED的光发射侧上的至少一个透明载体。比如，至少一个透明载体可以包括玻璃和/或透明塑料材料或由玻璃和/或透明塑料材料组成。在本发明的示例性实施例中，第一光栅和/或至少一个第二光栅可以设置在至少一个透明载体的表面上。因此，至少一个透明载体可以用作第一光栅和/或至少一个第二光栅的支撑。比如，第一光栅和/或至少一个第二光栅可以形成在至少一个透明载体上，特别是通过在至少一个透明载体的表面上对于条的应用，其中各条形成第一光栅和/或至少一个第二光栅的光阻挡部分。特别地，金属条可以应用到至少一个透明载体。比如，金、银、铝、铜和/或它们的合金可以用作金属条的材料。第一光栅和/或至少一个第二光栅可以通过诸如溅射和/或蒸发的涂覆工艺形成在至少一个透明载体上。第一光栅和/或至少一个第二光栅可以比如具有100 nm至500 nm、特别是150 nm至250 nm的垂直于透明载体的表面的厚度。
在涉及至少一个第二光栅的本发明的示例性实施例中，第一光栅和至少一个第二光栅设置在至少一个透明载体的相对侧上，比如在玻璃载体和/或透明塑料载体的相对侧上。因此，第一光栅和至少一个光栅可以被提供在单个元件中并且可以以简单的方式制造。比如，光栅由至少一个透明载体的相对侧上的表面上的（金属）条形成。
可以将保护涂层应用到透明载体，特别是在第一光栅和/或至少第二光栅设置在其上的透明载体的一侧上，其中保护涂层可以覆盖和/或嵌入第一和/或至少第二个光栅。保护涂层可以比如包括SiO2和/或Si3N4或由SiO2和/或Si3N4组成。保护涂层垂直于透明载体的表面的厚度可以比（多个）光栅的厚度大至少一个数量级。比如，光栅可以具有150 nm至250 nm、特别是200 nm的厚度，并且透明载体和光栅覆盖有具有1 µm的厚度的保护涂层，其中光栅完全位于保护涂层内。
如上面已经指示的那样，在本发明的一些实施例中，第一光栅和/或至少一个第二光栅的光阻挡部分的至少一部分对于由LED发射的光是反射的，特别是镜面反射。比如，光阻挡部分可以由反射的金属条形成。第一光栅和/或至少一个第二光栅的反射属性可以导致线图案的强度的增加，因为光从（多个）光栅的光阻挡部分反射和重定向，并且因此可以在反射之后穿过第一光栅。特别地，将（多个）光栅的反射光阻挡部分与诸如反射器杯或白色LED封装的至少一个光学元件相组合可以显著增加照明设备的强度输出，因为由LED发射的光的大部分被反射直到光通过第一光栅以产生线图案。
在铝被用作金属条的材料的情况下，其中特别地，铝被蒸发在至少一个透明载体上，与至少一个透明载体接触的金属条的一侧可以具有基本上镜面反射属性，而背向至少一个透明载体的金属条的一侧可能经受表面氧化并且因此具有无光泽表面，不太镜面反射并且具有至少部分漫反射属性。因此，取决于选择第一光栅的哪一侧，第一光栅面向LED的一侧将具有镜面反射属性或部分漫反射属性。在第一光栅和至少一个第二光栅设置在至少一个透明载体的相对侧上的情况下，第二光栅面向LED的一侧具有部分漫反射属性。这可能是有利的，因为被金属条阻挡的光至少部分地以漫射方式（即，具有不同反射角度的分布）被反射，并且可以例如通过诸如反射器杯或白色LED封装的光学元件在照明设备中再次被反射。第二光栅面向至少一个透明载体的一侧是镜面反射的，使得光朝向第一光栅被反射回。
在一些实施例中，可以选择第一和至少一个第二光栅的反射表面的以下组合：至少一个第二光栅的光阻挡部分的面向LED的表面可以具有比至少一个第二光栅的光阻挡部分的面向光发射侧的表面更高的反射率。利用这一点，来自LED的、由至少一个第二光栅阻挡的光被反射回到照明设备中，并且可以在另一反射之后通过第一光栅。至少一个第二光栅的面向LED的高反射表面因此提高了效率。然而，撞击在至少一个第二光栅的面向光发射侧（即，背向LED的一侧上）的光阻挡部分上的光已经从第一光栅反射，并且可以被认为具有与第一光栅并且因此线图案不匹配的传播方向。因此，当至少一个第二光栅的光阻挡部分的面向光发射侧的表面具有较低的反射率时是有益的。
优选地，第一光栅（和至少一个第二光栅）的光阻挡部分的面向LED的表面可以具有镜面反射率。因为在通过第二光栅之后被第一光栅阻挡的光可以被认为具有与线图案不匹配的传播方向，所以将该光通过至少一个第二光栅反射回到照明设备中是有益的，使得它再次被反射（例如在光学元件处）并且可以改变其传播方向。在第一光栅的光阻挡部分的面向LED的表面是镜面反射的情况下，光再次通过至少第二光栅而不被阻挡的可能性增加，从而提高了照明设备的效率。
根据本发明的另一示例性实施例，第一光栅的至少一个表面和/或至少一个第二光栅的至少一个表面可以具有光重定向结构。特别地，第一光栅和/或至少一个第二光栅的面向至少一个LED的表面可以具有光重定向结构，特别是除了诸如镜面反射属性的反射属性之外。由于至少一个LED本身可以具有光吸收属性，所以有益的是，在第一光栅和/或至少一个第二光栅上被阻挡的光不朝向它可能被吸收的LED重定向，而是朝向照明设备的光的反射的可能性更高的其他部分重定向，例如朝向诸如反射器杯或白色LED封装的至少一个光学元件重定向。
在一些实施例中，第一光栅和/或至少一个第二光栅的表面可以成形为光重定向结构，即光重定向结构由光栅本身的表面形成。比如，光栅的表面可以成形为弯曲或成角度的表面。在一些实施例中，至少一个光重定向元件可以被使用，并且可以特别地设置在第一光栅和/或至少一个第二光栅的表面上，特别是设置在第一光栅和/或至少一个第二光栅的平坦和（镜面）反射表面上。光重定向元件可以是折射元件（诸如具有三角形或（半）圆形截面的透明元件），其例如将在光栅的表面处反射的光朝向更接近平行于光栅的方向的方向重定向。特别地，光重定向元件的形状被配置为将光远离至少一个LED重定向。光重定向结构还可以在光栅的区域内变化，例如，光重定向结构可以在光栅的中心处（此处光栅直接与LED相对）与光栅的周边处（此处光栅与光学元件相对）不同。
虽然有可能的是选择第一和/或至少一个第二光栅的间距使得衍射效应较小，但是优选地选择第一和/或至少一个第二光栅的间距使得衍射光栅效应在由至少一个LED发射的光的波长处是适中的。例如，在没有衍射效应的情况下线图案中的80 %的对比度（即，最大和最小强度之间的相对差异）可以由于单缝衍射减小到大约50 %。
根据本发明的另一示例性实施例，第一光栅被配置为对穿过第一光栅的光的强度产生衍射图案，该衍射图案包括具有强度最大值和强度最小值的透射角度；并且其中第一光栅和至少一个第二光栅被布置成使得线图案的强度最大值与衍射图案的最大值一致和/或线图案的强度最小值与衍射图案的最小值一致。特别地，也可以选择第一和/或至少一个第二光栅的间距和/或距离，使得衍射光栅效应增强照射的线图案，例如线图案的对比度。可以选择第一和/或至少一个第二光栅的光透过部分的宽度，使得单缝衍射效应增强照射的线图案，并且比如增强线图案中的照射的线和暗线之间的对比度。
比如，第一光栅的光透过部分被配置为对穿过第一光栅的光的强度产生衍射光栅图案，该衍射光栅图案包括具有强度最大值和强度最小值的透射角度；并且其中第一光栅和至少一个第二光栅被布置成使得线图案的强度最大值与衍射光栅图案的最大值一致和/或线图案的强度最小值与衍射光栅图案的最小值一致。比如，选择第一和至少一个第二光栅之间的距离和/或至少一个第二光栅的间距，使得具有衍射光栅图案的强度最大值的透射角度与至少一个第二光栅的光透过部分和第一光栅的光透过部分之间的连接角度一致。比如，连接角度与强度最大值中的全部或一些（诸如每第n个最大值）相等。
比如，第一光栅的光透过部分被配置为对穿过第一光栅的光的强度产生单缝衍射图案，该单缝衍射图案包括具有强度最大值和强度最小值的透射角度；并且其中第一光栅和至少一个第二光栅被布置成使得线图案的强度最大值与单缝衍射图案的最大值一致和/或线图案的强度最小值与单缝衍射图案的最小值一致。比如，选择第一和至少一个第二光栅之间的距离和/或至少一个第二光栅的光阻挡部分的宽度，使得具有单缝衍射图案的强度最大值的透射角度与至少一个第二光栅的光透过部分和第一光栅的光透过部分之间的连接角度一致。比如，连接角度与强度最大值中的全部或一些（诸如每第n个最大值）相等。
将由衍射效应引起的强度最大值的透射角度与光透过部分之间的连接角度相匹配可以增加照射的线图案的对比度和强度。特别地，减少了被第一光栅的光阻挡部分阻挡的光的量。
在一些实施例中，第一光栅的间距和/或至少一个第二光栅的间距为从1 µm到200µm。在其他实施例中，第一光栅的间距和/或至少一个第二光栅的间距为从5 µm到50 µm。这些间距尺寸允许获得图案中的大量线，并且因此获得3D成像中的高分辨率，还具有照明设备的小尺寸。另外，间距尺寸可以仅对例如可见和/或近红外范围内的光导致适度的衍射效应。
在一些实施例中，第一光栅和/或至少一个第二光栅具有25 %到75 %的光阻挡部分的覆盖率。也就是说，光栅的面积的25 %到75 %由光阻挡部分形成。特别地，覆盖率可以是30 %到70 %或40 %到60 %。在一些实施例中，覆盖率为50 %，即光栅的一半具有光阻挡属性。
在一些实施例中，第一光栅和/或至少一个第二光栅可以具有光阻挡部分的不同的覆盖率。特别地，至少一个第二光栅可以具有比第一光栅更小的覆盖率。比如，至少一个第二光栅的覆盖率为30 %，而第一光栅的覆盖率为70 %。然而，优选地，第一光栅和/或至少一个第二光栅具有相同的覆盖率，特别地，具有从40 %到60 %或50 %的覆盖率。
根据本发明的另一示例性实施例，第一和至少一个第二光栅之间的距离为从0.2mm到2 mm，特别是从0.5 mm到1.0 mm。这些距离允许线图案中的高对比度，同时仍然提供具有小尺寸的照明设备。
根据本发明的另一示例性实施例，照明设备还包括用于至少一个LED的衬底，其中衬底、至少一个光学元件形成集成部件。可选地，集成部件也可以由第一光栅和/或至少一个第二光栅形成。以这种方式，可以生产非常紧凑且稳定的设备。特别地，至少一个光学元件被配置为白色LED封装，其可以例如通过胶粘或包覆成型与衬底集成形成。衬底可以被配置为LED引线框架，与至少一个光学元件形成包覆成型或胶粘的引线框架。另外，至少一个透明载体也可以集成在包括至少一个第二光栅和/或第一光栅的部件中。衬底（例如，引线框架）可以涂覆有高反射材料，诸如具有嵌入的反射颗粒（例如TiOx颗粒）的聚合物材料（例如硅树脂）。
根据本发明的另一示例性实施例，照明设备还包括在LED的光发射侧上的用于电子设备的外壳；其中第一光栅形成在外壳的孔中。外壳可以被配置为包围电子设备，比如相机、计算机、瘦客户端和/或便携式计算机（移动设备），诸如膝上型计算机、平板计算机、可穿戴设备、个人数字助理或智能电话。外壳还可以被配置为包围照明设备。例如通过外壳的材料中的开口或狭缝在外壳中形成孔。电子设备的外壳还可以包括诸如透明塑料材料的透明材料，并且可以涂覆有光阻挡涂层（诸如用于装饰或功能目的的涂料）。涂层可以形成第一光栅的光阻挡部分，而外壳的部分未涂覆以形成第一光栅的光透过部分。
通过将第一光栅集成在外壳中，可以进一步减小照明设备的尺寸和生产成本。当使用至少一个第二光栅时，该至少一个第二光栅可以设置在透明载体上，该透明载体可以如上面描述的那样与至少一个LED形成集成部件，而第一光栅形成在外壳的孔中。
原则上，对于由至少一个LED发射并且被用来产生线图案的光，各种波长范围是可能的。在一些实施例中，至少一个LED被配置为发射包括UV范围、可见范围和/或近红外范围内的波长的光。UV范围可以特别地对应于315和380 nm的波长。可见范围可以特别地对应于380 nm到750 nm的波长，并且近红外范围对应于750 nm到1100 nm的波长。特别地，可以使用315 nm到1100 nm的波长。
在具有第一和第二光栅的特定配置中，其中光栅间距p=12.9μm，第一和第二光栅之间的距离d=1.0mm，并且第一和第二光栅之间的材料的折射率n=1.51，对于具有λ=950nm、50nm的光谱宽度和朗伯发射轮廓的LED光源，阴影图案的连续峰之间的角度距离为1.11°（αs=nc*tan-1(p/d)=1.11°）。衍射图案的连续峰之间的角度距离为4.18°（αd=sin-1(λ/p)。阴影图案明显强于衍射图案。
根据本发明的第一方面，还提供了一种电子设备，包括根据第一方面的照明设备，特别地，其中该电子设备被配置用于基于具有由照明设备产生的线图案的光照来进行物体的3D成像。在这种意义上，电子设备可以是相机、计算机、瘦客户端和/或移动设备，诸如例如膝上型计算机、平板计算机、可穿戴设备、个人数字助理或智能电话。
特别地，电子设备包括能够获得利用线图案照射的物体的2D图像的光学传感器。电子设备还可以包括能够从2D图像获得物体的表面的3D数据的数据处理装置。
上面描述的本发明的特征和示例实施例可以同样地适用于根据本发明的不同方面。特别地，通过公开与根据第一方面的照明设备有关的特征，还公开了与根据第二方面的制造方法和根据第三方面的用途有关的对应特征。
应理解，本部分中的本发明的实施例的呈现仅是示例性的并且是非限制性的。
从以下结合附图而考虑的详细描述中，本发明的其他特征将变得清楚明白。然而，应理解，附图仅仅被设计用于说明的目的，而不是作为对本发明的限制的定义，本发明的限制应该参考所附权利要求。应该进一步理解，附图未按比例绘制，并且它们仅意图概念性地图示出本文描述的结构和过程。
附图说明
现在将参考附图详细地描述本发明的示例，在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的第一实施例的照明设备的元件；
图2示意性地示出了根据本发明的第一实施例的照明设备；
图3描绘了由根据图2中示出的实施例的照明设备获得的线图案和强度分布；
图4示意性地示出了根据本发明的第二实施例的照明设备的元件；
图5示意性地示出了根据本发明的第二实施例的照明设备；
图6描绘了由根据图5中示出的实施例的照明设备获得的线图案和强度分布；
图7示意性地示出了根据本发明的第三实施例的照明设备；
图8示意性地示出了根据本发明的第四实施例的照明设备；并且
图9示意性地示出了具有衍射效应的角度强度分布。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的第一实施例的照明设备的元件。LED封装4包括至少一个LED并且设置衬底18上，该衬底18包括印刷电路板（PCB）以为LED封装4提供接触。另外，提供了光学元件16，诸如用于LED封装4的反射器杯。作为照明设备的另一元件，图1示出了设置在透明载体14的表面上的第一光栅8，该透明载体14比如是玻璃载体。第一光栅8和透明载体14可以涂覆有保护涂层（未示出）。第一光栅8具有规则间距p，其由第一光栅8的光阻挡部分10和光透过部分12的宽度的总和指示。
图2示意性地示出了根据本发明的第一实施例的照明设备2，其包括图1中描绘的元件。光学元件16被布置成朝向第一光栅8反射光，该光学元件16设置在衬底18上并且围绕LED封装4，使得从LED封装4发射的光朝向第一光栅8反射，同时还提供对于朝向第一光栅8的光的准直。
第一光栅8被布置成在光阻挡部分10处部分地阻挡光的通过。这在图2中被图示出，其中虚线表示被光阻挡部分10阻挡的光路径。在该实施例中，光阻挡部分10由光吸收材料制成，使得对应的光线被吸收。当光线通过光透过部分12时（其光路径由图2中的实线图示出），在光阻挡部分10处的光的部分吸收导致阴影效应。也就是说，具有特定角度的光线可以通过第一光栅8，而具有其他角度的光线被阻挡。照明设备2能够以线图案照射物体。
这在图3中展示出，图3示出了根据观察角度的通过光栅8到光发射侧6的光强度的模型计算的结果，其中零角度对应于垂直于第一光栅8的平面的观察方向。对于计算，已经假设光栅间距为p = 50 µm、光学元件的宽度为d = 3 mm和光学元件的高度为h = 2 mm、以及LED 4的衬底18到透明载体14和第一光栅8之间的距离为d = 10 mm。
如可以在图3中看出的，获得了在明和暗条纹之间具有高对比度和近似规则的角度间距的线图案。根据角度的强度分别绘制在图3的右手侧（垂直于第一光栅8的线，其中另一角度为零）和底部上（平行于第一光栅8的线，其中另一角度为零）。
在该实施例中，体现为反射器杯的光学元件16有效地将从LED 4发射的光朝向光发射侧6和第一光栅8反射。光学元件16还将光投射到第一光栅8上，同时LED 4的辐照度平坦度可以通过光学元件16增加。利用这一点，可以改善线图案的整体强度以及对比度，尤其是在线图案的中心处。
图4示意性地示出了根据本发明的第二实施例的照明设备的元件。LED封装4包括至少一个LED并且设置在衬底18上，该衬底18包括印刷电路板（PCB）。另外，提供了配置为用于LED封装4的反射器杯的光学元件16。第一光栅8以及第二光栅20设置在透明载体14的相应表面上，该透明载体14比如是玻璃载体。第一光栅8和第二光栅20设置在透明载体14的相对侧上。透明载体14可以例如在两侧上涂覆有保护涂层（未示出），覆盖第一光栅8和第二光栅20。
图5示意性地示出了根据本发明的第二实施例的照明设备2，其包括图4中描绘的元件。配置为反射器杯的光学元件16被布置成朝向第一光栅8反射光。
第二光栅20具有规则间距，其具有光阻挡部分22和光透过部分24。第二光栅20被布置在LED 4和第一光栅8之间。
第一光栅8和第二光栅20可以比如由金属条（诸如透明载体14的表面上的铝条）形成，使得第一光栅8和第二光栅20的光阻挡部分10、22对于由LED 4发射的光是反射的。特别地，如在由铝形成的金属条的情况下，光阻挡部分10、22的面向透明载体14的一侧是镜面反射的，而另一侧可以具有部分漫反射属性。第二光栅20具有与第一光栅8相同的间距。
利用第二光栅20，可以减小LED 4和第一光栅8之间的距离以改善形状因子，同时可以增强光图案的对比度。第二光栅20的光阻挡部分22对光产生阴影效应，使得仅某些光路径可以传递到第一光栅8，如由图2中描绘为实线的光路径所图示出的那样。因此，第二光栅20和第一光栅8相互作用以产生线图案。在该实施例中，第一光栅8和第二光栅20具有40%至 60 %、特别是50 %的光阻挡部分10、22的相同的覆盖率。
另外，由于第一光栅8、第二光栅20以及光学元件16的反射性质，在从LED 4发射之后不直接通过第一光栅8的光被反射并且可以在反射之后通过第一光栅8。这种光路径由图5中的虚线图示出。特别地，在反射的第一光栅8、第二光栅20以及光学元件16的组合的情况下，可以显著增强线图案的总强度。
第二光栅20的光阻挡部分22的面向LED的表面可以具有比面向光发射侧6的表面更高的反射率。另外，第一光栅8的光阻挡部分10的面向第二光栅20的表面可以具有镜面反射率，使得光再次通过第二光栅20而不被阻挡的可能性增加。
另外，如图5中的放大视图中示出的，第二光栅20的面向LED封装4的表面具有光重定向结构25。具有三角形截面的光重定向透明元件设置在光阻挡部分22的反射表面上，使得来自光阻挡部分22的光远离朝向LED封装4的方向被重定向，其可以具有部分光吸收属性。因此，光不在LED封装4处被吸收，而是被光学元件16再次反射。
在图6中描绘了可以由图5中示出的照明设备2的实施例产生的线图案以及空间强度分布图。图6示出了LED封装4的模型计算的结果，其中光学元件16具有3.0 mm×3.0 mm的尺寸、由N-BK7玻璃制成的透明载体14具有1.0 mm的厚度、并且第一光栅8和第二光栅20都具有间距p = 50 μm。通过具有σ = 0.5°的高斯透射轮廓模拟了衍射效应。LED封装4被认为发射近红外范围内的光。
图6示出了屏幕上的线图案的强度，该屏幕到照明设备2具有200 mm的距离。根据屏幕的位置以mm绘制强度，其中（0,0）对应于屏幕的中心。如可以从图6看出的，获得了具有高对比度和近似规则间距的线图案。对于屏幕和照明设备2的若干距离（诸如400 mm和600mm）也可以观察到这种光图案。
图7示意性地示出了根据本发明的第三实施例的照明设备2。照明设备2的该实施例与图5中示出的照明设备2相似，并且使用了对应的附图标记。衬底18与光学元件16集成在一起并且被配置为引线框架，其可以例如被包覆成型或胶粘。白色LED封装包括由高反射材料制成的壁26。衬底18的表面部分地覆盖有由具有TiOx颗粒的硅树脂制成的反射涂层28。在衬底18、壁26和透明载体14之间的空间可以完全或部分地填充有透明材料（例如硅树脂）。衬底18和光学元件16与透明载体14、第一光栅8和第二光栅20一起形成集成部件。
图7还图示了在由LED封装4发射之后通过第一光栅8的光的光路径（实线）和在通过第一光栅8之前在照明设备2内反射的光的光路径（虚线）。由于白色LED封装基本上提供封装LED封装4的高反射环境（其中光仅可以朝向光发射侧6射出照明设备2），所以改善了线图案的整体强度。
图8示意性地示出了根据本发明的第四实施例的照明设备2。该照明设备2包括衬底18和被配置为白色LED封装的光学元件16。衬底18、LED封装4和光学元件16之间的空间部分地填充有透明硅树脂29。
衬底18、光学元件16和透明载体14与第二光栅20形成集成部件，如参考图7中示出的实施例已经描述的那样。然而，第一光栅8形成在用于电子设备的外壳30的孔中。外壳30包括光透过主体32，其涂覆有光阻挡涂料34。第一光栅8形成在外壳30的孔中，其中光透过主体32的一部分未涂覆，以提供光透过部分12。通过将第一光栅8集成在外壳30中，可以简化照明设备2的生产。在这样的实施例中，可以使用第一光栅8和第二光栅20的100 µm至200µm的更大的光栅间距。利用该实施例，第一光栅8和第二光栅20之间的距离可以很大，使得线图案中的角度特征更小并且可以改善3D成像中的分辨率。
在根据本发明的照明设备的一些实施例中，衍射效应可以被用来改善线图案的对比度。在这方面，图9示意性地示出了作为角度的函数的强度分布I。曲线36指示在没有衍射效应的情况下，由于第一光栅处的阴影效应产生的强度分布。
例如，第一光栅可以被配置为对穿过第一光栅的光的强度产生衍射图案，其中衍射图案包括具有强度最大值和最小值的透射角度，如曲线38中所示出的。衍射图案可以例如基于衍射光栅效应和/或单缝衍射效应。
第一光栅和第二光栅可以被布置成使得比如线图案的强度最小值与衍射图案的最小值一致。因此，得到的线图案的总强度具有更高的对比度，如借助于图9中的曲线40所图示的那样。
应当理解，所有呈现的实施例仅是示例性的，并且针对特定示例性实施例呈现的任何特征可以单独地、或与针对相同或另一特定示例性实施例呈现的任何特征相组合地和/或与未提及的任何其他特征相组合地与本发明的任何方面一起使用。将进一步理解的是，针对特定类别中的示例实施例呈现的任何特征也可以以对应的方式用在任何其他类别的示例实施例中。
Claims (25)
1.一种照明设备，用来在物体的3D成像中提供光图案，其中所述照明设备包括：
- 至少一个LED（4），用于朝向光发射侧（6）发射光；
- 具有规则间距的第一光栅（8），所述第一光栅（8）具有光阻挡部分（10）和光透过部分（12）；
- 其中所述第一光栅（8）被布置在所述光发射侧（6）上以在所述光阻挡部分（10）处阻挡光的通过，使得通过所述光透过部分（12）的光能够以线图案照射物体，
- 其中所述第一光栅（8）被配置为使得某些角度的光线被阻挡，而其他角度的光线可以穿过所述光透过部分（12）通过所述第一光栅（8），以产生阴影效应。
2.根据权利要求1所述的照明设备，还包括至少一个光学元件（16），所述光学元件（16）被布置成朝向所述第一光栅（8）折射和/或反射光。
3.根据权利要求2所述的照明设备，其中所述至少一个光学元件（16）被配置为用于所述至少一个LED（4）的反射器杯、白色LED封装、TIR透镜和/或菲涅耳透镜。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的照明设备，其中所述第一光栅（8）的所述光阻挡部分（10）的至少一部分对于由所述LED（4）发射的光是反射的。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的照明设备，其中所述第一光栅（8）的所述光阻挡部分（10）的至少一部分对于由所述LED（4）发射的光是镜面反射的。
6.根据权利要求1所述的照明设备，还包括具有规则间距的至少一个第二光栅（20），所述第二光栅（20）具有光阻挡部分（22）和光透过部分（24）；
- 其中所述至少一个第二光栅（20）被布置在所述至少一个LED（4）和所述第一光栅（8）之间；并且
- 其中特别地，所述至少一个第二光栅（20）具有与所述第一光栅（8）相同的间距。
7.根据权利要求6所述的照明设备，还包括在所述LED（4）的所述光发射侧（6）上的至少一个透明载体（14）；
- 其中所述第一光栅（8）设置在所述至少一个透明载体（14）的一侧上。
8.根据权利要求7所述的照明设备，还包括所述至少一个第二光栅；
- 其中所述第一光栅（8）和所述至少一个第二光栅（20）设置在所述至少一个透明载体（14）的相对侧上。
9.根据权利要求6或8所述的照明设备，其中所述至少一个第二光栅（20）的所述光阻挡部分（22）的至少一部分对于由所述LED（4）发射的光是反射的。
10.根据权利要求6或8所述的照明设备，其中所述至少一个第二光栅（20）的所述光阻挡部分（22）的至少一部分对于由所述LED（4）发射的光是镜面反射的。
11.根据权利要求6-8中任一项所述的照明设备，其中所述第一光栅（8）的至少一个表面和/或至少一个第二光栅（20）的至少一个表面可以具有至少一个光重定向结构（25）。
12.根据权利要求6-8中任一项所述的照明设备，其中所述第一光栅（8）的至少一个表面和/或至少一个第二光栅（20）的至少一个表面可以具有至少一个光重定向元件。
13.根据权利要求6-8中任一项所述的照明设备，其中所述第一光栅（8）被配置为对穿过所述第一光栅（8）的光的强度产生衍射图案，所述衍射图案包括具有强度最大值和强度最小值的透射角度；并且
其中所述第一光栅（8）和所述至少一个第二光栅（20）被布置成使得阴影线图案的强度最大值与所述衍射图案的最大值一致和/或所述阴影线图案的强度最小值与所述衍射图案的最小值一致。
14.根据权利要求6-8中任一项所述的照明设备，其中所述第一光栅（8）的间距和/或所述至少一个第二光栅（20）的间距为从1 µm到200 µm。
15.根据权利要求6-8中任一项所述的照明设备，其中所述第一光栅（8）的间距和/或所述至少一个第二光栅（20）的间距为从5 µm到50 µm。
16.根据权利要求6-8中任一项所述的照明设备，其中所述第一光栅（8）与所述至少一个第二光栅（20）之间的距离为从0.2 mm到2 mm。
17.根据权利要求6-8中任一项所述的照明设备，其中所述第一光栅（8）与所述至少一个第二光栅（20）之间的距离为从0.5 mm到1.0 mm。
18.根据权利要求2或3所述的照明设备，还包括用于所述至少一个LED（4）的衬底（18），其中所述衬底（18）和所述至少一个光学元件（16）形成集成部件。
19.根据权利要求1-3或6-8中任一项所述的照明设备，还包括在所述LED（4）的所述光发射侧（6）上的用于电子设备的外壳（30）；
- 其中所述第一光栅（8）形成在所述外壳（30）的孔中。
20.根据权利要求1-3或6-8中任一项所述的照明设备，其中所述至少一个LED（4）被配置为发射包括UV范围、可见范围和/或近红外范围内的波长的光。
21.一种电子设备，包括根据权利要求1-20中的任一项所述的照明设备（2）。
22.根据权利要求21所述的电子设备，其中所述电子设备被配置用于基于具有由所述照明设备（2）产生的线图案的光照来进行对于物体的3D成像。
23.一种载体，适合用于权利要求1-20中的任一项所述的照明设备中，其中所述载体是透明的并且被提供有第一光栅。
24.根据权利要求23所述的载体，其被提供有第二光栅，其中所述第一光栅和所述第二光栅被提供在所述载体的相对侧上。
25.根据权利要求23或24所述的载体，其中所述载体由玻璃或塑料组成。
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