TWI577924B - 照明配置 - Google Patents

Description

照明配置

本發明相關於使用在，例如，汽車頭燈或照相機閃光燈中之照明系統的領域。更具體地說，本揭示發明相關於提供可控制照射圖案的照明系統。本發明也相關於對應照射方法及反射器元件的製造方法。

基於光投影系統的掃描鏡在照射系統的領域中已為人所知。US2014/0029282揭示此種系統的範例，其中該光源係雷射型光源。使用雷射光源的優點係雷射為基的照射系統能如稍後解釋地產生非常純粹的白光。將可繞著二垂直軸旋轉的掃描鏡致動並接收來自初級光源的光信號以將影像投影至磷元件上。能調變由初級光源放射的該光，或更具體地說其強度，例如，以投影期望影像至該磷元件上。然後將該等磷元件配置成實施從該初級光源接收之該光信號的波長轉換。因此作用為次級光源的該磷元件在不同方向上重新發射有用的白光。在此種系統中，能得到該雷射照射及該磷材料之非常高的電-光轉換效率。取代使 用可繞著二垂直軸旋轉的一面掃描鏡，可能替代地使用各反射鏡可繞著二垂直軸之一軸移動的二面反射鏡。該照明系統能使用在，例如，車輛頭燈中。

然而，難以最佳地將由該磷元件重新發射的該光塑形，使得最大光強度在期望方向上發射。US2014/0029282揭示使用在該磷元件之後的簡單反射器。此解決方案的優點係在待受照射的物件所在之期望方向上行進的光量相較於不具有此反射器的解決方案增加。然而，問題現在成為該光在所有方向上從該反射器反射。此再度意謂著難以重新塑形該反射光以使其像能用於照射期望物件的普通光似地出現。

本發明的目標係克服與光束的塑形及/或在期望方向上引導光束有關之於上文鑑定的問題。

根據本發明的第一樣態，提供一種雷射為基的照明系統，包含：˙雷射光源，用於放射光；˙掃描鏡配置，配置成可繞著二實質垂直軸旋轉，用於接收由該光源放射的該光，及用於反射該已接收光至波長轉換元件；˙該波長轉換元件，用於接收由該掃描鏡配置反射的該光及用於重新發射多頻譜光；˙反射器元件，用於將從該波長轉換元件接收的該光 朝向該照明系統的脫離孔徑反射，其中該反射器元件包含反射表面及微型圖案化表面，該微型圖案化表面包含微焦點元件的陣列，該等微焦點元件係組態成集中或發散來自該波長轉換元件的入射光。

根據第一樣態的變化，該光源係位於該波長轉換元件的第一側上，其中該反射光係配置成脫離該照明系統，且該反射器元件係位於該波長轉換元件的第二側上，該第二側係與該第一側相對。

根據第一樣態的另一變化，該等微焦點元件係微透鏡或微反射器。

根據第一樣態的另一變化，該等微焦點元件具有在1微米及5毫米之間的最大尺寸。

根據第一樣態的另一變化，該陣列包含10000個及2250000個之間的微焦點元件。該陣列可包含至少二種不同類型的微焦點元件。一種類型的微焦點元件係由其焦距、形狀、及/或尺寸所界定。

根據第一樣態的另一變化，該等微焦點元件的至少一者具有球面形狀。

根據第一樣態的另一變化，該等微焦點元件的至少一者具有柱狀形狀。

根據第一樣態的另一變化，該等微焦點元件的至少一者具有非球面形狀。

根據第一樣態的另一變化，該陣列具有凸起形狀。

根據第一樣態的另一變化，該陣列具有凹陷形狀。該 照明系統可更包含位於該反射表面及該微型圖案化表面之間的透明層。

根據第一樣態的另一變化，從該反射器元件反射的該光係配置成朝向該脫離孔徑通過該波長轉換元件。

根據第一樣態的另一變化，該反射器元件係定向成使得從該反射器元件反射的該光脫離該照明系統而不被進一步反射。

根據第一樣態的另一變化，該波長轉換元件包含磷層。

根據本發明的第二樣態，提供一種用於照明系統的照射方法，包含：˙雷射光源，放射光至配置成可繞著二實質垂直軸旋轉的掃描鏡配置；˙該掃描鏡配置，將接收來自該雷射光源的該光反射至波長轉換元件；˙該波長轉換元件重新發射寬頻譜光；˙反射器元件，將來自該波長轉換元件的該光朝向該照明系統的脫離孔徑反射，其中該反射器元件包含反射表面及微型圖案化表面，該微型圖案化表面包含微焦點元件的陣列，該等微焦點元件係組態成集中或發散來自該波長轉換元件的入射光。

根據本發明的第三樣態，提供一種製造用於照明系統之反射器元件的方法，該方法包含：˙藉由熱壓紋、衝壓、或受壓使用塑形遮罩將透明基 板圖案化以產生微型圖案化表面；˙將包含該微型圖案化表面的該基板固化；及˙將反射層沈積在該基板上以產生該反射器元件。

根據第三樣態的變化，該方法更包含將磷層沈積至該反射器元件上。

根據第三樣態的另一變化，該遮罩係在滾筒上，且該圖案化係藉由在將該基板推抵該滾筒並移動該基板的同時將該滾筒繞著該滾筒的旋轉軸旋轉以允許該基板的不同區域被圖案化而完成。

所揭示的新解決方案具有來自該反射器元件的該反射光能精確地塑形並在期望方向上照射的優點。因此，由於組態成集中或發散來自該波長轉換元件之入射光的微焦點元件，該光能非常精準地朝向期望位置照射。事實上，將各微焦點元件配置成精準地重新導向來自該波長轉換元件的該光。因此，塑形該光束能直接在該反射器上完成，或更具體地說，藉由其反射表面或藉由其反射表面及光透明元件的組合完成。因此，沒有光束塑形或僅有最少的光束塑形需要藉由其他元件完成，諸如，該照明系統可位於該處之外殼的內部反射表面。例如，當該外殼的反射表面典型地僅具有平面或彎曲反射表面時，依靠該外殼作光束形成具有某些限制。

根據本發明的第二樣態，提供如申請專利範圍第17項敘述的照射方法。

根據本發明的第三樣態，提供如申請專利範圍第18 項敘述之製造反射器元件的方法。

本發明的其他樣態在隨附至其的依附專利申請項中敘述。

1‧‧‧投影系統

3‧‧‧外殼

5‧‧‧波長轉換元件

7‧‧‧投影及反射光束

9‧‧‧反射器元件

11‧‧‧後部分

13‧‧‧反射表面

14‧‧‧微型圖案化元件

15‧‧‧透鏡

17‧‧‧額外基板

19‧‧‧微型圖案化基板

20‧‧‧主基板

A‧‧‧雷射光束

B‧‧‧光

本發明的其他特性及優點將從參考該等隨附圖式之非限制例示實施例的以下描述變得明顯，其中：˙圖1係根據本發明的一樣態顯示例示照明配置的簡化方塊圖；˙圖2a至2f係根據本發明的各種範例之反射器元件的側視圖；˙圖3係根據本發明的一樣態描繪照射物件之方法的簡化流程圖；˙圖4係根據本發明的一樣態描繪反射器元件之例示製程的流程圖；且˙圖5描繪包含在描述於圖4之流程圖中的製程中的一些元件。

現在將參考該等附圖詳細描述本發明的實施例。將相同參考數字指定給出現在不同圖式中的等同或對應的功能及結構元件。

圖1係根據本發明的實施例以簡化方式描繪照明系統之範例的方塊圖。此配置可使用在，例如，車輛頭燈中， 諸如，汽車，或使用在攝影閃光燈應用中。將投影系統1顯示在能具有反射表面之外殼3的內側。該投影系統不必相關於圖1所示的其他元件位於中心。此範例中的投影系統1係MEMS(微電機系統)掃描鏡為基的投影系統。此投影系統1包含掃描系統，其在此範例中具有配置成繞著二垂直軸旋轉的一面反射鏡。然而，該掃描系統也能具有各者配置成繞著二垂直軸的一者旋轉的二面反射鏡。該掃描鏡可使用磁、靜電、熱、或壓電機構致動。此種光學掃描系統有時稱為「掃描器」。掃描系統的優點係能將實像投影至波長轉換元件5上、允許影像的亮度受局部控制使得當將該照明系統使用在車輛頭燈中時，所產生的投影及反射光束7能如稍後解釋地具有局部亮度調整以避免使對向車輛的駕駛眼花。

投影系統1也包括光源，且更具體地說雷射光源，其在此特定範例中發射具有380nm至460nm之波長的紫外光(UV)或近UV光。然而，能使用任何種類的雷射，從UV光至可見光及紅外光。將該光源配置成發射光至該掃描系統上。由該光源產生的雷射光束因此藉由該掃描系統沿著二方向偏離，且其以截取波長轉換元件5之所有或多數表面的立體角出現，諸如，燐光板或已較佳地將燐光體的連續及均質層沈積於其上的板。接收來自該掃描系統之典型為單色及同調之雷射光束A的波長轉換元件5之燐光板的各點吸收該雷射功率，然後重新發射不同波長的光B。此光能視為係「白光」，因為其包含在約400nm及 800nm之間的複數個波長，亦即，在可見光頻譜中。

將反射器元件9放置在波長轉換元件5之後，並可具有與波長轉換元件5基本相同的表面面積。反射器元件9在此範例中係基本上平行於波長轉換元件5的板。根據本發明，波長轉換元件5及反射器元件9之間的距離典型在0cm至15cm之間。換言之，波長轉換元件可與反射器元件5直接接觸。反射器元件的尺寸典型在1cm×1cm及10cm×10cm之間。如稍後更詳細地解釋地，將反射器元件配置成在期望方向上反射主要由波長轉換元件5發射的光。具有反射器在波長轉換元件5之後側上具有沒有光或僅有非常少的光到達外殼3之後部分11的優點。然而，取代使用平面鏡作為反射器，根據本發明，使用包含微焦點元件的反射陣列。此範例中的微焦點元件係微透鏡或微反射鏡，也稱為微反射器，其直徑可在1μm至5000μm的範圍中，例如，或更明確地說在50μm至1000μm的範圍中。因此，若陣列中的各透鏡與其鄰居接觸，陣列間距也在1μm至5000μm的範圍中，例如，或更明確地說，在50μm至1000μm的範圍中。此等透鏡的反射角，也稱為漫散角，從數度至高達180度。待注意一個陣列可包含不同微焦點元件的混合，例如，不同尺寸、形狀、及/或焦距之微焦點元件的混合。換言之，一個陣列中的微焦點元件不必係相同種類的。

圖2a至2f在側視圖中顯示將微焦點元件配置在反射器元件9中以形成微焦點元件之陣列的各種組態。該陣列 可具有規則或不規則形狀及/或定向。如所能看到的，反射器元件9包含反射表面13，當從投影系統1所在的方向上看去時，其可放置在微型圖案化元件14上或在透鏡15之後。在圖2d中，反射器元件9也包含在反射表面13及透鏡15之間的額外基板17。此額外基板與透鏡相似係透明的，且可與透鏡15係相同或不同材料。可有設置在透鏡15及反射表面13之間的更多透明層。透鏡15的材料可係，例如，玻璃或聚合物，諸如，熱或UV固化聚合物。個別透鏡的形狀可係，例如，球面或柱狀的。或該形狀也可係，例如，非球面的。此等形狀具有反射角能在各定向上不同的特定優點。

在圖2a至2d的組態中，微焦點元件基本上在一平坦平面上延伸。此組態需要最小空間。然而，圖2e中的反射器元件9具有凸起、球面、柱狀、或非球面整體形狀，然而圖2f中的反射器元件具有凹陷、球面、柱狀、或非球面形狀。若期望特殊光束形狀，此等組態係有用的。圖2e及2f的組態也能藉由將凸起或凹陷陣列形狀與圖2c或2d之微焦點元件及反射表面組態結合而修改。換言之，微透鏡陣列能具有分別如圖2e或2f所示的凸起或凹陷形狀，但具有反射表面在微透鏡之後使得從波長轉換元件5抵達的光在到達反射光在相反方向上再度經由透鏡傳回至其上的反射表面之前首先通過該等透鏡。事實上，在圖2c及2d的組態中，將從波長轉換元件5抵達的光配置成通過透鏡二次，亦即，當其從波長轉換元件5抵達時第一 次通過，且當其已由反射表面13反射時第二次通過。此具有當從波長轉換元件5抵達的光通過光束塑形光學元件二次時，對光束塑形提供更多效率的另一優點，因此就可能的光束塑形而言提供更多彈性。

當反射器元件9具有具體塑形光學元件的陣列時，反射光束能比不使用此等光學元件更準確地被塑形，且當將反射或重新發射光直接照射在正確方向上並具有期望光束形狀時，能其之使用更有效率。所揭示的先進反射器元件9因此提供光束塑形能力。例如，來自反射器元件9的反射光可塑形以直接脫離頭燈而不首先從外殼3的表面反射。事實上，來自外殼3之表面的任何內部反射產生光損耗，因為該表面典型僅具有85%的反射率。因此，在此情形中，代表15%的光損耗。也待注意到由於透鏡陣列，在該照明配置中不需要具有任何補充光學成像系統以在期望方向上引導該光束。

圖3的流程圖總結藉由使用上述教示照射物件的方法。在步驟21中，雷射光源放射雷射光。在步驟22中，此放射由掃描鏡配置所接收。在步驟23中，此鏡配置朝向波長轉換元件5投影，亦即，在空間上散佈，影像。在步驟24中，波長轉換元件接收此光，且在步驟25中，將已接收放射轉換為多個波長並重新發射此寬頻譜光。在步驟26中，反射器元件接收此光，且在步驟27中，其在期望方向上反射此光。

圖4係根據一範例描繪該反射器元件之製程的流程 圖。當參考在側視圖中顯示使用在製程中之一些元件的圖4閱讀時，該製程的以下描述受最佳理解。在圖5中，左側的參考數字係指圖4之流程圖的製造步驟。處理在步驟31中藉由沈積或層壓第一基板，也稱為微型圖案化基板19，至第二基板17上，也稱為支撐基板，而開始。在步驟33中，將也稱為主基板20或遮罩或模的第三基板圖案化，使得該遮罩具有與微型圖案之期望形式反相或相反的圖案。如上文解釋的，所有此等三個基板可係相同材料的，例如，玻璃或聚合物。然而，該主基板典型地可由銅或鎳材料製造。在步驟35中，透鏡基板係藉由使用主基板以在基板表面上產生微型圖案化元件14而圖案化。此係藉由熱壓紋、衝壓、及/或藉由施加壓力的任一者完成。主基板可在配置成繞著其旋轉軸旋轉的滾筒或轉筒上，或也可係圖案化之後的轉筒或滾筒自身，且該製程可藉由捲繞式處理實行。該滾筒或轉筒典型係柱狀元件。在操作期間，將基板17及19配置成推抵該滾筒，同時移動此等基板以允許將微型圖案化基板19的不同區域圖案化。在步驟37中，固化微型圖案基板以使此層19堅硬或剛硬。在步驟39中，將反射表面13沈積至透鏡的表面上或至支撐基板17的表面上以創造反射器元件9。此表面可係金屬表面，諸如，鋁、銀、或金表面，可能與保護表面結合以避免腐蝕。此保護塗佈可，例如，係二氧化矽、氮化矽、氧化鈦、或五氧化二鉭塗佈，或數層此等材料的堆疊或其他介電堆疊。在步驟41中，選擇性地將磷層5 沈積或層壓至反射器元件9上。然而，此步驟僅在波長轉換元件5與反射器元件9直接接觸時需要。磷層的厚度典型約5mm，但可在100μm至5cm的範圍中。在上述處理中，若微型圖案化需要壓力控制室，則相同室能有利地用於沈積反射材料。再者，在上述製程中，基板17及19可係單一基板或基板17可在已形成微型圖案化元件14之後移除。

在本發明已於該等圖式及上文描述中詳細地描繪及描述的同時，應將此種描繪及描述視為係說明及模範性的而非限制性的，本發明並未受限於所揭示的實施例。基於圖式、本揭示、及隨附之申請專利範圍的研究，其他實施例及變化為熟悉本技術的人士所理解，且當實行所請求的發明時，能實現其。

在申請專利範圍中，單字「包含」並不排除其他成份或步驟，且不定冠詞「一」並未排除複數。事實係敘述在相互不同的依附專利申請項中的不同特性並未指示不能有利地使用此等特性的組合。

1‧‧‧投影系統

3‧‧‧外殼

5‧‧‧波長轉換元件

7‧‧‧投影及反射光束

9‧‧‧反射器元件

11‧‧‧後部分

A‧‧‧雷射光束

B‧‧‧光

Claims (20)

1. 一種雷射為基的照明系統，包含：˙雷射光源；˙掃描鏡，配置成繞著二實質正交軸旋轉，該掃描鏡用以接收由該光源放射的光，並且用以反射該已接收光；˙波長轉換元件，用以接收由該掃描鏡反射的該光，並且用以發射多頻譜光；及˙反射器元件，包含：一陣列的複數個微焦點元件，用以接收從該波長轉換元件發射的該多頻譜光，並且用以收斂或發散該已接收多頻譜光；及反射表面，用以將該已收斂或發散多頻譜光反射朝向脫離孔徑。
2. 如申請專利範圍第1項的照明系統，其中該光源係位於該波長轉換元件的第一側上，其中該反射光係配置成脫離該照明系統，且該反射器元件係位於該波長轉換元件的第二側上，該第二側係與該第一側相對。
3. 如申請專利範圍第1項的照明系統，其中該等微焦點元件係微透鏡或微反射器。
4. 如申請專利範圍第1項的照明系統，其中該等微焦點元件具有在1微米及5毫米之間的最大尺寸。
5. 如申請專利範圍第1項的照明系統，其中該陣列包含10000個及2250000個之間的微焦點元件。
6. 如申請專利範圍第1項的照明系統，其中該陣列包含至少二種不同類型的微焦點元件。
7. 如申請專利範圍第6項的照明系統，其中一種類型的微焦點元件係由其焦距、形狀或尺寸的至少一者所界定。
8. 如申請專利範圍第1項的照明系統，其中該等微焦點元件的至少一者具有球面形狀。
9. 如申請專利範圍第1項的照明系統，其中該等微焦點元件的至少一者具有柱狀形狀。
10. 如申請專利範圍第1項的照明系統，其中該等微焦點元件的至少一者具有非球面形狀。
11. 如申請專利範圍第1項的照明系統，其中該陣列具有凸起形狀。
12. 如申請專利範圍第1項的照明系統，其中該陣列具有凹陷形狀。
13. 如申請專利範圍第12項的照明系統，更包含位於該反射表面及該陣列之間的透明層。
14. 如申請專利範圍第1項的照明系統，其中從該反射器元件反射的該光係配置成通過該波長轉換元件朝向該脫離孔徑。
15. 如申請專利範圍第1項的照明系統，其中該反射器元件係定向成使得從該反射器元件反射的該光脫離該照明系統而不被進一步反射。
16. 如申請專利範圍第1項的照明系統，其中該波長 轉換元件包含磷層。
17. 一種用於照明系統的照射方法，包含：˙將光放射至配置成可繞著二實質正交軸旋轉的掃描鏡配置；˙將該已放射光反射至波長轉換元件；˙從該波長轉換元件重新發射寬頻譜光；˙在複數個微焦點元件收斂或發散由該波長轉換元件元件重新發射的該寬頻譜光；及˙將該已收斂或發散光反射朝向照明系統的脫離孔徑。
18. 一種製造用於照明系統之反射器元件的方法，該方法包含：˙藉由熱壓紋、衝壓、或受壓使用塑形遮罩將透明基板圖案化以產生微型圖案化表面；˙將包含該微型圖案化表面的該基板固化；及˙將反射層沈積在該基板上以產生該反射器元件。
19. 如申請專利範圍第18項的方法，更包含將磷層沈積至該反射器元件上。
20. 如申請專利範圍第18項的方法，其中該遮罩係在滾筒上，且該圖案化係藉由在將該基板推抵該滾筒並移動該基板的同時將該滾筒繞著該滾筒的旋轉軸旋轉以允許該基板的不同區域被圖案化而完成。