使用微型LED和透镜层压到玻璃中的照明系统的制作方法

使用微型led和透镜层压到玻璃中的照明系统
技术领域
1.本公开涉及车辆中的照明系统，并且具体地涉及嵌入车辆的窗户内的照明系统。


背景技术：

2.车辆可以包括嵌入式照明系统，该嵌入式照明系统包括嵌入车辆的窗户或窗格内的光源。光源从窗格内的位置透射光束以穿过玻璃层并向外进入外部环境。因此，光穿过第一界面以进入窗格并且穿过第二界面以离开窗格。以大入射角入射在第一界面处的光线可以以大于临界角的角度入射在第二界面处。这种光将在第二界面处经历全内反射。这种内部反射光对于外部环境中的观察者来说是损失的，从而降低了观察者观察到的光源的亮度。因此，期望提供一种可以重定向光以减少全内反射的照明系统。


技术实现要素：

3.在一个示例性实施例中，公开了一种照明系统。该照明系统包括：光学介质层，该层具有第一界面和第二界面；光源，该光源发射光线，该光线在第一界面处入射并行进通过光学介质以在第二界面处离开光学介质；以及透镜阵列，该透镜阵列被配置为减少光线在第二界面处的全内反射的发生。
4.除了本文描述的特征中的一者或多者之外，透镜阵列与第一界面和第二界面中的一者接触。透镜阵列形成在第一界面和第二界面中的一者的表面中。透镜阵列中的透镜的表面形成凹表面、棱柱形表面和三角形表面中的一者。该层是车辆的窗户的一部分，并且光源嵌入窗户中。照明系统还包括在光源和光学介质之间的漫射器板。光源生成具有第一光分布轮廓的光束，该光束在穿过透镜和光学介质层之后具有第二光分布轮廓，其中与第一光分布轮廓相比，第二光分布轮廓具有减小的角度范围。
5.在另一示例性实施例中，公开了一种车辆的窗户。该窗户包括：光学介质层，该层具有第一界面和第二界面；光源，该光源发射光线，该光线在第一界面处入射并且行进通过光学介质以在第二界面处离开光学介质；以及透镜阵列，该透镜阵列被配置为减少光线在第二界面处的全内反射的发生。
6.除了本文描述的特征中的一者或多者之外，透镜阵列与第一界面和第二界面中的一者接触。光源嵌入窗户中。透镜阵列形成在第一界面和第二界面中的一者的表面中。透镜阵列中的透镜的表面形成凹表面、棱柱形表面和三角形表面中的一者。光源嵌入窗户。光源生成具有第一光分布轮廓的光束，该光束在穿过透镜和光学介质层之后具有第二光分布轮廓，其中与第一光分布轮廓相比，第二光分布轮廓具有减小的角度范围。
7.在又一示例性实施例中，公开了一种车辆。该车辆包括窗户，所述窗户具有：光学介质层，该层具有第一界面和第二界面；光源，该光源发射光线，该光线在第一界面处入射并行进通过光学介质以在第二界面处离开光学介质；以及透镜阵列，该透镜阵列被配置为减少光线在第二界面处的全内反射的发生。
8.除了本文所述特征中的一者或多者之外，其中所述透镜阵列与所述第一界面和所
述第二界面中的一者接触。透镜阵列形成在第一界面和第二界面中的一者的表面中。所述透镜阵列位于所述微型led阵列的微型led之间。透镜阵列的透镜的表面是凹表面、棱柱形表面和三角形表面中的一者。光源生成具有第一光分布轮廓的光束，光束在穿过透镜阵列和光学介质层之后具有第二光分布轮廓，其中，与第一光分布轮廓相比，第二光分布轮廓具有减小的角度范围。
9.本发明还包括如下方案：方案1. 一种照明系统，包括：光学介质层，所述光学介质层具有第一界面和第二界面；光源，其发射在所述第一界面处入射并且行进通过光学介质以在所述第二界面处离开所述光学介质的光线；以及透镜阵列，所述透镜阵列被配置成减少所述光线在所述第二界面处的全内反射的发生。
10.方案2. 根据方案1所述的照明系统，其中所述透镜阵列与以下中的一者接触：(i)所述第一界面；和(ii)所述第二界面。
11.方案3. 根据方案1所述的照明系统，其中所述透镜阵列形成到所述第一界面和所述第二界面中的一者的表面中。
12.方案4. 根据方案3所述的照明系统，其中所述透镜阵列中的透镜的表面形成以下中的一者：(i)凹表面；(ii)棱柱形表面；和(iii)三角形表面。
13.方案5. 根据方案1所述的照明系统，其中所述光学介质层是车辆的窗户的一部分，并且所述光源嵌入所述窗户。
14.方案6. 根据方案1所述的照明系统，还包括在所述光源和所述光学介质之间的漫射器板。
15.方案7. 根据方案1所述的照明系统，其中所述光源产生具有第一光分布轮廓的光束，并且其中所述光束在穿过透镜和所述光学介质层之后具有第二光分布轮廓，其中所述第二光分布轮廓与所述第一光分布轮廓相比具有减小的角度范围。
16.方案8. 一种车辆的窗户，包括：光学介质层，所述光学介质层具有第一界面和第二界面；光源，其发射在所述第一界面处入射并且行进通过光学介质以在所述第二界面处离开所述光学介质的光线；以及透镜阵列，所述透镜阵列被配置成减少所述光线在所述第二界面处的全内反射的发生。
17.方案9. 根据方案8所述的窗户，其中，所述透镜阵列与以下中的一者接触：(i)所述第一界面；和(ii)所述第二界面。
18.方案10. 根据方案8所述的窗户，其中所述光源嵌入在所述窗户中。
19.方案11. 根据方案8所述的窗户，其中所述透镜阵列形成到所述第一界面和所述第二界面中的一者的表面中。
20.方案12. 根据方案11所述的窗户，其中所述透镜阵列中的透镜的表面形成以下中的一者：(i)凹表面；(ii)棱柱形表面；和(iii)三角形表面。
21.方案13. 根据方案12的窗户，其中所述光源嵌入所述窗户中。
22.方案14. 根据方案8所述的窗户，其中所述光源产生具有第一光分布轮廓的光束，并且其中所述光束在穿过所述透镜阵列和所述光学介质层之后具有第二光分布轮廓，其中所述第二光分布轮廓与所述第一光分布轮廓相比具有减小的角度范围。
23.方案15. 一种车辆，包括：窗户，具有：光学介质层，所述光学介质层具有第一界面和第二界面；光源，其发射在所述第一界面处入射并且行进通过光学介质以在所述第二界面处离开所述光学介质的光线；以及透镜阵列，所述透镜阵列被配置成减少所述光线在所述第二界面处的全内反射的发生。
24.方案16. 根据方案15所述的车辆，其中，所述透镜阵列与以下中的一者接触：(i)所述第一界面；和(ii)所述第二界面。
25.方案17. 根据方案15所述的车辆，其中所述透镜阵列形成到所述第一界面和所述第二界面中的一者的表面中。
26.方案18. 根据方案17所述的车辆，其中所述透镜阵列位于微型led的阵列的微型led之间。
27.方案19. 根据方案17所述的车辆，其中所述透镜阵列的透镜的表面是以下中的一者：(i)凹表面；(ii)棱柱形表面；和(iii)三角形表面。
28.方案20. 根据方案15所述的车辆，其中所述光源产生具有第一光分布轮廓的光束，并且其中所述光束在穿过所述透镜阵列和所述光学介质层之后具有第二光分布轮廓，其中所述第二光分布轮廓与所述第一光分布轮廓相比具有减小的角度范围。
29.当结合附图考虑时，根据以下具体实施方式，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点是显而易见的。
附图说明
30.其他特征、优点和细节仅以示例的方式出现在下面的具体实施方式中，具体实施方式参考附图，在附图中：图1示出了说明性实施例中的车辆；图2示出了图示光通过光学介质的行为的图解；图3示出了利用光学介质的界面处的透镜表面发生的光偏转；图4示出了可用于聚焦光束的超透镜（meta lens）；图5示出了在一实施例中的图1的车辆的窗户的侧截面图；图6示出了图示照明系统的各种光分布轮廓的光分布图；图7示出了另一实施例中的车辆的窗户的侧截面图；图8示出了另一实施例中的车辆的窗户的侧截面图；图9示出了另一实施例中的车辆的窗户的侧截面图；和图 10示出了另一实施例中的窗户的侧截面图。
具体实施方式
31.以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、其应用或用途。应当理解，在整个附图中，对应的附图标记指示相同或对应的部分和特征。
32.根据示例性实施例，图1示出了车辆100。车辆100包括窗户102，窗户102具有嵌入其中的照明系统104。窗户102可以是车辆100的任何窗户，包括挡风玻璃、侧窗、后窗等。另外，窗户102可以是物体的玻璃表面，诸如镜子等。为了说明的目的，本文讨论的窗户102是将车辆100的外部区域106与内部区域108分开的后挡风玻璃。如本文所公开的，照明系统104嵌入挡风玻璃内。照明系统104耦合到处理器110，处理器110控制照明系统的操作，例如以照亮区域或显示数据。为了便于说明，坐标系112被示出为对应于照明系统104在窗户102内的位置。坐标系112的z轴垂直地指向窗户102之外并进入外部区域106。x轴和y轴位于或基本上位于窗户102的平面内。照明系统104包括用于重定向光的偏转光学器件，如本文所讨论的。第一箭头120示出了来自照明系统104的光在没有任何偏转的情况下自然传播的方向。第二箭头122示出了光在经由照明系统104的光学器件偏转时传播的方向。
33.图2示出了图示穿过光学介质202的光的行为的图解200。图解200示出了位于光学介质202的一侧上的光源204和位于光学介质202的与光源204相对的一侧上的观察者206。在各种实施例中，光学介质202是玻璃，并且光源204和观察者206位于空气中。光源204以多个角度发射光。初始光线208被示出为从光源204以一角度传播到光学介质202的第一界面210。从一种介质传递到另一种介质的光的折射由斯内尔定律（snell’s law）控制，如等式（1）中所示：
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等式（1）其中是光线在界面处入射的介质的折射率，并且是光线穿过而进入的介质的折射率。角度和是相对于在光线入射的点处穿过界面的法线测量的。
34.初始光线208以入射角入射在第一界面210处。根据等式(1)，初始光线208在第一界面210处经历折射，这导致第一光学介质光线212。该折射使得第一光学介质光线212弯曲远离法线（即，）。由于第二界面216平行于第一界面210，因此第一光学介质光线212在第二界面处的入射角与在第一界面处的折射角相同（即， ）。因此，第一光学介质光线212以大的角度入射在第二界面216处。当该入射角大于被称为临界角的角度（即， 当时，发生被称为全内反射的现象，其中第一光学介质光线212被反射回光学介质，如内反射光线218所示。
35.在本发明中，透镜表面220放置在第一界面210处。初始光线208入射在透镜表面220处并且被折射以形成透镜折射光线222。作为透镜表面220处的折射的结果，透镜折射光线222以小于初始光线208的入射角的入射角入射到第一界面210处。透镜折射光线222在光学介质202中产生第二光学介质光线224。第二光学介质光线224的折射角小于第一光学介质光线212的折射角。因此，第二光学介质光线224以小于临界角的角度入射到第二界面216处，从而允许出射光线226从光学介质202出来并被观察者206观察到。
36.图3是示出使用透镜表面220在光学介质202的第一界面210处发生的光偏转的图解300。初始光线208被示出为在垂直于第一界面210的方向上从光源204传播。保持未偏转
（即，不穿过透镜表面220)，初始光线208穿过光学介质202而没有偏转，并且沿着相同的路径离开光学介质，如未偏转光线302所示。然而，当初始光线208穿过透镜表面220时，透镜使光偏转以形成光学介质光线304，光学介质光线304穿过光学介质从而以非零角度入射在第二界面216上。结果，出射光线306与初始传播方向成一角度。参考图3和图1两者，透镜表面220的存在将光束从沿着由第一箭头120指示的第一方向传播改变为沿着如由第二箭头122指示的第二方向传播。
37.图4示出了可以用于聚焦光束的超透镜400。超透镜400包括光学介质402和位于光学介质内部的纳米颗粒404。每个纳米颗粒404限定光透射轴406。如图4所示，纳米颗粒404沿x轴彼此间隔开，该x轴的原点o位于光学介质402的中心。位于原点o处的纳米颗粒404具有与z轴对准的其光透射轴406。纳米颗粒404的光透射轴与z轴之间的角度随着纳米颗粒404与原点之间的距离增加而增加。在各种实施例中，该角度与纳米颗粒404距原点o的距离线性相关。因此，在垂直于第一界面在第一界面408处入射的光被每个纳米颗粒404基于其距原点o的距离重定向，导致离开光学介质的光聚焦到所选焦点410上。尽管为了说明的目的，超透镜400在图4中被示出为二维物体，但是超透镜400通常是三维物体。在这种三维超透镜400中，纳米颗粒404的光透射轴可以基于纳米颗粒404距原点o的径向距离成角度，并且可以位于垂直于第二界面410的平面内，该平面包括原点o和纳米颗粒404。
38.图5示出了实施例中的车辆100的窗户102的侧截面图500。提供坐标系112是为了便于说明。窗户102包括通过中间光学结合层506彼此分开的内窗格（第一窗格502）和外窗格（第二窗格504)，中间光学结合层506将第一窗格结合到第二窗格。第一窗格502和第二窗格504平行于xy平面。因此，第一窗格502或第二窗格504的法线与z轴对准。与第一窗格502和第二窗格504一起，中间光学结合层506形成中空腔室508，各种光学元件设置在中空腔室508内。
39.第一窗格502包括第一玻璃层510、背板膜512和将背板膜结合到第一玻璃层的背结合层514。背结合层514和背板膜512在电磁谱的光学区域中是透明的或半透明的。一或多个led或微型led 516设置在中空腔室508内且附接到背板膜512。微型led 516可经布置以在x-y平面内形成二维阵列。背板膜512包括导电线，电信号可通过所述导电线从处理器110传递到微型led 516以控制其照明，例如通过接通及关断微型led 516。在各种实施例中，背板膜512可以是透明基板或黑色印刷基板。在各种实施例中，第一玻璃层510可由聚碳酸酯材料制成。
40.第二窗格504包括第二玻璃层518、微透镜膜520和顶部结合层522，顶部结合层522将微透镜膜结合到第二玻璃层518，从而将微透镜膜520悬挂在微型led 516上方间隔距离d。第二玻璃层518包括面向中空腔室508的第一界面210和面向外部环境的第二界面216。微透镜膜520抵靠第二玻璃层518的第一界面210放置。微透镜膜520包括用于减少第二玻璃层518的第二界面216处的全内反射效应的多个折射表面524。折射表面524可以是透镜或微透镜。在一个实施例中，微透镜包括暴露于中空腔室508的凹表面。在其他实施例中，微透镜包括暴露于中空腔室的三角形表面或棱柱形表面。在另一实施例中，微透镜膜520可以由图4的超透镜400代替。在各种实施例中，第二玻璃层518可由聚碳酸酯材料制成。
41.微透镜膜520设置在中空腔室中且位于微型led 516的阵列与第二玻璃层518之间。由于微透镜膜520跨微型led 516的阵列的面延伸，因此至少一个微透镜接收高入射角
的光。以高入射角入射在微透镜处的光526被微透镜折射，以减小光入射在第二玻璃层518处的角度，从而减少全内反射的发生，如关于图2所讨论的。在各种实施例中，接收处于高入射角的光的微透镜偏离微型led的中心轴线且可位于两个微型led之间，如在xy平面内观察。
42.图6示出了光分布图600，其图示了照明系统的各种光分布轮廓。第一光分布轮廓602示出微型led 516的阵列在其光束穿过微透镜膜520及第二玻璃层518之前的第一角度光分布。第一角度光分布在距法线方向约七十度的角度范围内具有相对相等的亮度。第二光分布轮廓604示出了在光束已经穿过微透镜膜320和第二玻璃层318之后的第二角度光分布。光束更加聚焦，在距法线方向约35度的范围内具有高亮度。另外，第二光分布轮廓604的法线方向上的亮度大于第一光分布轮廓602的法线方向上的亮度。应当理解，第二光分布轮廓604是由图5中所示的微透镜膜520的特定三角形表面生成的说明性分布轮廓，不同的光分布轮廓将由使用具有不同形状表面的微透镜产生。另外，设计者可以为微透镜膜520选择特定形状或类型的表面，以便实现所选择的光分布轮廓。
43.图7示出了在另一实施例中的车辆100的窗户102的侧截面图700。窗户102包括第一窗格502、第二窗格504和中间光学结合层506，中间光学结合层506在第一窗格502和第二窗格504之间形成中空腔室508。第一窗格502包括背板膜512、背结合层514和第一玻璃层510。背结合层514将背板膜512结合到第一玻璃层510以形成光室702，一个或多个微型led 516设置在光室702内。第二窗格504包括第二玻璃层518、微透镜膜520和将微透镜膜结合到第二玻璃层518的顶部结合层522。在各种实施例中，微透镜膜520可以包括具有折射表面524的透镜，或者可以是图4的超透镜400。来自微型led 516的光穿过第一玻璃层510以便进入中空腔室508。第一玻璃层510可充当漫射器板以漫射来自微型led 516的阵列的光。漫射改善了光的均匀性，但也增加了微透镜膜520处的入射角。然后，微透镜膜520沿着由其透镜表面指示的方向偏转光线。
44.图8示出了另一实施例中的车辆100的窗户102的侧截面图800。窗户102包括第一窗格502、第二窗格504和中间光学结合层506，中间光学结合层506在第一窗格502和第二窗格504之间形成中空腔室508。微型led 516设置在所述中空腔室508中。
45.第一窗格502包括第一玻璃层510、背板膜512和用于将背板膜结合到第一玻璃层的背结合层514。第二窗格504包括第二玻璃层518、微透镜膜520和将微透镜膜结合到第二玻璃层518的顶部结合层522。微透镜膜520位于第二玻璃层518的外表面上（即，第二界面216）。微透镜膜520在第二界面216处的存在改变了第二界面的临界角（相对于玻璃-空气界面），并且因此减少了第二界面处的全内反射的发生。另外，均匀平行的光在第二窗格504处均匀地偏转。在各种实施例中，微透镜膜520可以包括具有折射表面524的透镜，或者可以是图4的超透镜400。
46.图9示出了另一实施例中的车辆100的窗户102的侧截面图900。第二窗格504仅包括第二玻璃层518。第二玻璃层518具有面向中空腔室508的第一界面210和面向外部环境的第二界面216。第一界面210是平面界面。第二界面216是非平面界面，其形成或蚀刻成多个透镜表面902的形状。在各种实施例中，透镜表面902可以是三角形、凹形等。
47.图10示出了另一实施例中的窗户102的侧截面图1000。与图9相反，中间光学结合层506填充第一窗格502和第二窗格504之间的空间，使得不存在中空腔室。因此，第二玻璃
层518具有与中间光学结合层506接触的第一界面210和面向外部环境的第二界面216。第一界面210是平面界面。第二界面216是非平面界面，其形成或蚀刻成多个透镜表面902的形状。在各种实施例中，透镜表面902可以是三角形、凹形等。
48.类似于图10，图8可以被构造成使得中间光学结合层506填充第一窗格502和第二窗格504之间的空间，使得不存在中空腔室。
49.虽然已经参考示例性实施例描述了上述公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物代替其元件。另外，在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，旨在的是是本公开不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。

技术特征：
1.一种照明系统，包括：光学介质层，所述光学介质层具有第一界面和第二界面；光源，其发射在所述第一界面处入射并且行进通过光学介质以在所述第二界面处离开所述光学介质的光线；以及透镜阵列，所述透镜阵列被配置成减少所述光线在所述第二界面处的全内反射的发生。2.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述透镜阵列与以下中的一者接触：(i)所述第一界面；和(ii)所述第二界面。3.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述透镜阵列形成到所述第一界面和所述第二界面中的一者的表面中。4.根据权利要求3所述的照明系统，其中所述透镜阵列中的透镜的表面形成以下中的一者：(i)凹表面；(ii)棱柱形表面；和(iii)三角形表面。5.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述光学介质层是车辆的窗户的一部分，并且所述光源嵌入所述窗户。6.根据权利要求1所述的照明系统，还包括在所述光源和所述光学介质之间的漫射器板。7.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述光源产生具有第一光分布轮廓的光束，并且其中所述光束在穿过透镜和所述光学介质层之后具有第二光分布轮廓，其中所述第二光分布轮廓与所述第一光分布轮廓相比具有减小的角度范围。8.一种车辆的窗户，包括：光学介质层，所述光学介质层具有第一界面和第二界面；光源，其发射在所述第一界面处入射并且行进通过光学介质以在所述第二界面处离开所述光学介质的光线；以及透镜阵列，所述透镜阵列被配置成减少所述光线在所述第二界面处的全内反射的发生。9.根据权利要求8所述的窗户，其中，所述透镜阵列与以下中的一者接触：(i)所述第一界面；和(ii)所述第二界面。10.根据权利要求8所述的窗户，其中所述光源嵌入在所述窗户中。

技术总结
一种车辆包括在其中具有照明系统的窗户。该照明系统包括光学介质层、光源和透镜阵列。光学介质层具有第一界面和第二界面。光源发射光线，光线在第一界面处入射并且行进通过光学介质以在第二界面处离开光学介质。透镜阵列被配置为减少光线在第二界面处的全内反射的发生。生。生。


技术研发人员：J
受保护的技术使用者：通用汽车环球科技运作有限责任公司
技术研发日：2022.10.20
技术公布日：2023/9/11