CN207557634U - 一种含安全监测功能的光学投影模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种含安全监测功能的光学投影模组，包括：光源，用于发射光束；透镜系统，用于接收所述光源发射的光束，以投射平行光束；衍射光学元件，用于接收、分束所述平行光束，以投射图案化光束；透明基板，表面附着有透明导电薄膜，固定在所述衍射光学元件的上方，所述透明导电薄膜与控制电路连接。通过如上的硬件及其位置关系，为实时监测透明导电薄膜的变化，间接评估、判断透明基板的完整性，进而对光学投影模组的发光状态进行安全控制提供硬件基础。

Description

一种含安全监测功能的光学投影模组

技术领域

本实用新型涉及光学及光电子学领域，尤其涉及一种光学投影模组。

背景技术

投射编码或结构化光束的光学投影模组，被广泛应用于物体的三维扫描、空间的三维重建、人机交互等领域。光学投影模组通过投射编码或结构化的光束，对目标物体进行空间标定，为后期图像采集模组的信息采集以及处理器的三维重建提供准备工作。

用于投射编码或结构化光束的光学投影模组，一般包括光源与衍射光学元件(DOE)。其中，DOE用于接收光源发射的光束，并以分束、叠加的方式生成图案化光束。所谓图案化光束实际是编码或结构化光束的某一种特例，具有能量分布均匀、高对比度以及高不相关性的特点。DOE作为光学投影模组的核心部件，其性能的好坏直接决定着光学投影模组所投射的图案化光束的质量，甚至影响到后期三维重建的精准度。

集成于消费级设备中的光学投影模组，往往需要在复杂的环境、温度下工作，因此，光学投影模组或DOE很容易出现损坏的现象。另一方面，人为的磕碰、跌撞也是加速DOE或光学投影模组损坏的重要因素。损坏的光学投影模组或 DOE通常会伴随着单束强光或者零级衍射问题，如果不能及时发现、处理，极有可能诱发激光安全问题。

实用新型内容

本实用新型为解决光学投影模组在使用过程中可能出现的激光安全问题，提供一种光学投影模组，为安全控制方法提供硬件基础。

本实用新型提供的光学投影模组包括：光源，用于发射光束；透镜系统，用于接收并汇聚所述光源发射的光束；衍射光学元件，用于接收经所述透镜系统汇聚后的光束并投射图案化光束；透明基板，附着有透明导电薄膜，固定在所述衍射光学元件上方；其中，所述透明导电薄膜具有良好的电阻属性或导电性，并与控制电路电连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果有：将透明基板固定在光学投影模组的DOE出光一侧，并在其表面附着透明导电薄膜，透明导电薄膜与控制电路电连接；通过如上的硬件及其位置关系，为实时监测透明导电薄膜的变化，间接评估、判断透明基板的完整性，进而对光学投影模组的发光状态进行安全控制提供硬件基础。

附图说明

图1是根据本实用新型实施例的一种光学投影模组的结构示意图。

图2a是根据本实用新型实施例的一种安全控制方法流程图。

图2b是根据本实用新型实施例的另一种安全控制方法流程图。

图3是根据本实用新型实施例的透明导电薄膜的一种分布图样。

图4是根据本实用新型实施例的透明导电薄膜的另一种分布图样。

图5是根据本实用新型实施例的一种光学投影模组的结构示意图。

图6a是图5中透明导电薄膜16e的一种分布方式。

图6b是图5中透明导电薄膜16d的一种分布方式。

图7是根据本实用新型实施例的一种光学投影模组的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施例对本实用新型进行详细的介绍，以使更好的理解本实用新型，但下述实施例并不限制本实用新型范围。另外，需要说明的是，下述实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构思，附图中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形状、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

图1是根据本实用新型实施例的一种光学投影模组的结构示意图。该实施例中的光学投影模组，包括底座10、光源11、镜筒12、透镜系统13、DOE14、垫片121、透明基板15、透明导电薄膜16以及控制电路18。光源11安装在底座 10上，面向透镜系统13发射光束；透镜系统13将光源11发射的光束调制为平行光束，并射向DOE14；DOE14将平行光束扩束、叠加为图案化光束射向空间中。进一步地，透明基板15设置在DOE14的上方，通过垫片121支撑、固定；透明导电薄膜16附着于透明基板15的表面，通过金属导线与控制电路18电连接；控制电路18通过对比、分析透明导电薄膜16的电阻变化或透明导电薄膜之间的电容值变化，评估、判断透明基板15的完整性，以及根据透明基板15的完整性，控制光学投影模组的工作状态。

底座10提供支撑作用，一般用于安装光源11以及承载镜筒12。在一些实施例中，底座10还用于光源11的散热和/或供电。底座10可以由具有导热和/ 或导电功能的陶瓷、金属、合金、塑料等材料中的一种或多种制成。优选地，底座10由导热功能的陶瓷和印制电路板(PCB电路板)组合而成。

光源11键合、固定于底座10的一侧，用于发射光束。光源11可以是垂直共振腔表面发射的激光器，也可以是平行共振腔表面的边发射激光器，能够发射红外、紫外等波长的光束。在一些实施例中，光源11还可以是使用寿命长、光衰减缓慢的红外或紫外LED光源。本实用新型实施例中，光源11优选为包括至少一个VCSEL光源的二维VCSEL芯片，该芯片能够向外投射波长为830nm或者940nm的红外光束，并且可以根据相关控制电路实现至少两种不同的发光状态。VCSEL阵列芯片可以是裸片也可以经过封装后的芯片，两者的区别在于，裸片拥有更小的体积和厚度，而封装芯片则具有更好的稳定性以及更方便的连接。

镜筒12通过环氧胶粘贴、固定在底座10一侧，用于隔离外界自然光以及安置透镜系统13、DOE14等光学元件。镜筒12可以是中空的正方体/长方体结构，也可以是中空圆柱体或者其他合适结构，一般由导热的陶瓷、塑料或者合金材料中的一种或多种制作而成。具体地，镜筒12可以通过注塑工艺或者压模工艺一体成型，也可以拆分成若干个部件，分立加工组合成型。为了便于透镜系统13 的封装，优选分立结构的导热陶瓷镜筒。可以理解的是，在组装镜筒12时，应当综合考虑光源11与透镜系统13的几何位置关系，以使光源11位于透镜系统 13的等效焦距附近。

透镜系统13内嵌于镜筒12内部，透镜系统13与镜筒12之间的接触面可以通过环氧胶粘合固定，也可以通过螺栓固定，用于接收并汇聚光源11发射的光束，在一个实施例中，向外投射平行光束。该透镜系统13可以仅包括一片透镜，也可以包括多片相同和/或不同曲率的透镜。透镜的材质可以是透明玻璃，也可以是树脂或者高分子聚合物。优选地，透镜系统13包括两片玻璃材质的透镜。

DOE14由透明基板加工而成，该透明基板刻蚀或浮雕有衍射图样，通过环氧胶粘合固定在镜筒12上方，用于接收、分束经过透镜系统13汇聚后出射的光束，并向外投射能量分布均匀、对比度高的图案化光束。当光源11包括多个子光源时，DOE14用于将子光源所排列的图案以镜像叠加的方式向外投射出图案化光束。用于制造DOE14的透明基板，其材料可以是玻璃，也可以是透明塑料。在本实用新型的实施例中，DOE14优选玻璃材质的透明基板作为加工原料，在入射光束一侧的表面刻蚀或浮雕衍射图样。在一些等效实施方式中，DOE14包括两块或者两块以上的玻璃或塑料透明基板，每一块透明基板的入射和/或出射光束的表面刻蚀或浮雕有衍射图样。

垫片121设置在DOE14的上方，通过环氧胶粘合固定，用于承载透明基板 15以及分隔透明基板15、DOE14。垫片121可以是中空的环状一体结构，也可以是块状分立结构，一般由具有导热功能的陶瓷、金属、合金、塑料等材料中的一种或多种加工而成。需要理解的是，分立结构的垫片121，应当包括至少两个规格一致的分立的垫片小块，以使透明基板15能够平稳固定在DOE14的上方。为了便于安装，本实用新型实施例中的垫片，优选地为具有导热性的一体陶瓷垫片。在一些等效实施例中，光学投影模组也可以不包括垫片121。具体地，可以将DOE14镶嵌、固定于镜筒内部，并利用镜筒的本身设计来支撑、固定透明基板，以实现分隔透明基板15、DOE14的效果。

透明基板15设置在垫片121上方，通过环氧胶粘合固定，用于保护DOE14 以避免DOE14直接暴露在空气中。具体地，透明基板15的表面包括光束入射面、光束出射面，在一些实施例中，还包括设置在透明基板15纵向端面的一个或多个倾斜端面。一些实施方式中，透明基板15、垫片121将DOE14密封于镜筒内，以进一步减少外界水汽、尘埃对DOE性能的干扰。类似于DOE14，用于制作透明基板15的材质，可以是透明玻璃、透明塑料或者其他合适的材料。可以理解的是，由于透明基板15直接暴露于空气中，因此要求用于制作透明基板15的材质必须具有较强的耐腐蚀性、抗冲击性，并且不会对DOE14出射的图案化光束造成实际影响。可以理解的，这里提及的透明基板实际也可以理解为一般模组所包含的保护盖板。

透明导电薄膜16通过蒸镀、气相沉积或贴附等相关可行的工艺附着于透明基板15的表面，具有良好的导电性和/或电阻属性。需要理解的是，透明导电薄膜16对红外光束、紫外或者其他特定波段的光束具有较高的透射率。在本实用新型的实施例中，优选地，透明导电薄膜16优选为脆性透明导电薄膜，并且该透明导电薄膜对红外光束具有不小于85％透射率，比如：ITO(氧化铟锡)或 CTO(Cd₂SnO₄锡酸镉薄膜)或CIO(CdIn₂O₄偏铟酸镉薄膜)薄膜等。进一步地，附着于透明基板15表面的透明导电薄膜16，其分布形式可以是以任意图样分布，比如，栅条状分布、蜿蜒状分布或者均匀分布等，具体不做限定。

控制电路18通过金属导线与透明导电薄膜16、光源11电连接，用于测量透明导电薄膜16的完整性，以及控制光源11或光学投影模组的工作状态。该控制电路18，包含有CPU/单片机、寄存器或其他可行的逻辑运算器件，可以进行相关逻辑判断、数据的储存以及控制操作,具体请参阅图2。在一种实施方法中，如图2a所示，控制电路间歇测量(比如，每隔1s测量一次)透明导电薄膜的电阻值或电容值，并将测量到的电阻值或电容值与预设的安全阈值区间比较，判断其值是否超过安全阈值区间，如超过安全阈值区间，则判断该透明基板的完整性受损，进而控制光学投影模组的工作状态，即对光源的发光状态做出相关控制，如：关闭光源或降低光源的发光功率。在一些等效实施方法中，如图2b所示，控制电路连续测量透明导电薄膜的电阻值或电容值，通过对比当前时刻与前一时刻的电阻值或电容值，判断透明导电薄膜的完整性。具体地，假设前一时刻测量到的电阻值为R₀或电容值为C₀，当前时刻测量到的电阻值为R或电容值为C，则当R-R₀或C-C₀的值超过预设的安全阈值或者发现R或C出现突然大幅度跳变时，认定该透明基板已经损坏，进而控制光学投影模组的工作状态，即关闭光源或降低光源的发光功率。这样设置的好处是，控制电路可以实时、快速判断透明基板的完整性，以排除处于工作状态中，透明基板出现突然损坏的情况。控制电路18可以是嵌入底座10的刚性电路板中的简单判断逻辑电路，也可以是集成电路，以独立的模块设置于镜筒12内侧/外侧。一种实施方式中，控制电路通过连续或间隔地向所述透明导电薄膜注入小电流，并监测回路的阻值变化，以判断透明导电薄膜的完整性，从而推断所述透明基板的完整性。在一些其他的实施方式中，控制电路持续向所述透明导电薄膜注入恒定或交变的电流，并检测所述透明导电薄膜的电压/电容变化，以判断透明导电薄膜的完整性，从而推断所述透明基板的完整性。因透明基板15承担着保护DOE的作用，当外界的环境、温度发生变化，或者人为的磕碰、跌撞，可能会造成透明基板15的损坏；一旦透明基板15受到损坏，则无法再起到保护DOE的作用，同时DOE也存在被损坏的可能，进而使得光源发射的光束引起安全隐患。通过判断透明基板15是否完整，进而判断DOE是否处于被完整保护的状态或判断整个光学投影模组的完整性。

在图1所示的一种光学投影模组100的结构示意图中，透明导电薄膜16均匀附着于透明基板15的上表面(应该理解的是，这里的上表面指的是透明基板的光束出射面)与倾斜端面或缺口151，并在倾斜面或缺口151处设置焊盘/电极 17。透明导电薄膜16通过电极17处引出的金属导线接入控制电路18中。

一种实施方式中，控制电路18对透明基板15完整性的监测过程可以理解为：当透明基板15保持完好无损时，附着于透明基板上表面的透明导电薄膜16，其电阻属性可以认定是恒定不变或在一个合理的电阻区间波动的，即控制电路18 监测到回路中的电阻稳定在合理的安全电阻区间内。此时，控制电路18保持光源11的正常发光状态，并持续监测回路中的电阻变化。当透明基板15出现破裂或损坏时，附着于透明基板15上表面的透明导电薄膜16会同时出现不同程度的脱落、龟裂，从而导致透明导电薄膜16的电阻属性发生明显的变化，即控制电路18监测到回路中的电阻越过合理的安全电阻区间。此时，控制电路18根据监测到的电阻值偏离安全电阻区间的程度，选择降低光源11的发光功率或关闭光源11。

在类似于图1所示的光学投影模组100中，透明导电薄膜16可以以另一种方式分布，具体参阅图3。一种实施方式中，透明导电薄膜16a可以通过栅条状分布的形式附着于透明基板15的上表面。其中，透明导电薄膜16a包括至少两条栅条161，各栅条161的一端相互导通。可以理解的是，透明导电薄膜16a包含的栅条数量越多，其电阻值越大。在一些可替代的实施方式中，透明导电薄膜也可以通过蜿蜒状分布来增大其电阻值。这样设置的好处是，一方面可以进一步降低控制电路18对透明导电薄膜16a的注入电路值；另一方面回路中更大的监测电阻值有利于提高控制电路18对透明导电薄膜16a完整性监测的灵敏度。具体地，控制电路18可以通过温度传感器(热电阻)，测量栅条状分布的透明导电薄膜16a的变化，以判断透明基板15的完整性及控制光源11的发光状态。

相似地，在图1所示的光学投影模组100中，透明导电薄膜还可以以穿插的栅条状方式分布，具体参阅图4。一种实施方式中，附着于透明基板15上表面的透明导电薄膜16b包括两个相对独立的栅条状分布的透明导电薄膜16b与16c。其中，透明导电薄膜16b(或16c)包括至少两个栅条162(或163)，并且各个栅条之间的一端具有相同的电极。区别于图3实施方式，该实施方式中，透明导电薄膜16b与透明导电薄膜16c之间的栅条162与栅条163相互穿插分布，以使透明导电薄膜16c与16b构成叉指电容。具体地，透明导电薄膜16b通过金属导线接入控制电路中，构成驱动电极；而透明导电薄膜16c悬空或接地处理，构成感应电极。进一步地，控制电路18对透明基板15完整性的监测，可以通过测量驱动电极(栅条)162与感应电极(栅条)163之间的电容变化或其他栅条之间的电容变化来评估、判断透镜基板15的完整性。

这样设置的好处是，一方面，仅需在透明基板的出射/入射光束的表面附着透明导电薄膜；另一方面，单个电容电极装置的电容变化的测量具有更高的灵敏度，即有助于提升透明导电薄膜对透明基板完整性监测的灵敏度。

在一些可替换的实施例中，透明导电薄膜也可以附着于透明基板的下表面 (透明基板15的光束的入射面)，其分布的形式可以是均匀分布，也可以是以任意图样、形状分布。在一些其他替代实施例中，透明导电薄膜也可以附着于透明基板的整个表面(包括上和下表面)。控制电路可以根据透明导电薄膜的电阻变化或透明导电薄膜构成的电容变化，衡量判断透明基板的完整性，以实现光源发光状态的控制。

图5是根据本实用新型实施例的一种光学投影模组的结构示意图。该实施例中，光学投影模组200的结构与图1实施例的基本类似，区别在于，光学投影模组200包括透明导电薄膜16d、16e。其中，透明导电薄膜16d附着于DOE14的上表面(应该理解的是，这里的上面表面指的是DOE14的光束出射面)，透明导电薄膜16e附着于透明基板15的下表面(透明基板15的光束入射面)，分别通过金属导线接入控制电路18a中。

一种实施方式中，控制电路18a分别向透明导电薄膜16d、16e注入小电流，以获取透明导电薄膜16d、16e的电阻值，并将透明导电薄膜16d的电阻R0设置为标准参考电阻。控制电路18a通过实时分析透明导电薄膜16e的电阻与参考电阻R0的比值的变化，衡量、评估透明基板15的完整性以及控制光源的发光状态。这样设置的好处是，一方面，由于透明导电薄膜16e与透明导电薄膜16d 分别附着于不同的光学元件表面，因此二者所附着的光学元件的完整性不会造成相互干扰；另一方面，通过监测透明导电薄膜16d、16e二者的电阻比值，可以降低外界环境(比如，温度的变化)对监测结果的影响(因为二者所处的环境机制是一样的，通过数值比较的办法可以直接抵消外界环境因素的变化)，从而提高控制电路18a对透明基板15完整性的监测准确率。

另一种实施方式中，透明导电薄膜均匀附着于DOE14整个上表面，透明导电薄膜则均匀附着于透明基板15的整个下表面，以使两个分立的透明导电薄膜平面构成平板电容，并通过金属导线接入控制电路中。控制电路通过监测平板电容的变化，间接判断透明基板的完整性。

又一种可替换的实施方式中，参阅图6a和图6b，透明导电薄膜16e₁与透明导电薄膜16d₁分别以穿插栅条状的分布形式附着于透明基板15的下表面、DOE 的上表面，以构成两个相互对应的分立叉指电容。具体地，分立叉指电容可分为上、下对齐的两部分；其中，下部分为第一叉指电容，上部分为第二叉指电容。第一(第二)叉指电容包括驱动电极164(166)以及感应电极165(167)，驱动电极164与感应电极167相对应，驱动电极166与感应电极165相对应。控制电路18a对分立叉指电容的监测具体可以通过：1、测量驱动电极164与感应电极 167之间的电容变化实现；2、测量驱动电极166与感应电极165之间的电容变化实现；3、测量上部或下部叉指电容的驱动电极164(166)与感应电极165(167) 之间的电容变化实现。

这样设置的好处是，可以分时复用地通过不同的测量方案监测分立叉指电容的变化，以进一步提升控制电路对透明基板完整性监测的灵敏度和灵活度。

图7是根据本实用新型实施例的一种光学投影模组的结构示意图。该实施例中的光学投影模组300的结构与图3实施例的基本类似，区别在于，该光学投影模组300包括透明导电薄膜16g、16f以及透明导电薄膜16i、16h。其中，透明导电薄膜16g与透明导电薄膜16f分别附着于DOE14的上表面与透明基板15的下表面，并通过金融导线接入控制电路中，以构成一个监测透明基板15完整性的监测电容(需要理解的是，透明导电薄膜16g、16f相当于监测电容的两个电极)；其中，透明导电薄膜16i与透明导电薄膜16h分别附着垫片121的上、下表面，并通过金属导线接入控制电路中，以构成一个稳定的参考电容(需要理解的是，透明导电薄膜16i、16h相当于参考电容的电极)。由于垫片121相对于透明基板15与DOE14而言，是一个分立的独立元件，因此透明导电薄膜16i、16h 构成的参考电容，其完整性/稳定性不会受到透明导电薄膜16f、16g构成的监测电容的完整性/稳定性影响。一种实施方式中，控制电路18b通过对比监测电容与参考电容的比值来判断透明基板15的完整性，以及根据透明基板15的完整性改变光源11的发光状态。

这样设置的好处是：通过分析参考电容与监测电容的比值的变化，可以有效地降低外界因素(尤其是温度)对监测电容的影响，提高控制电路对透明基板完整性的评估、判断的准确率。

类似地，一些等效实施例中，附着于透明基板15下表面的透明导电薄膜16g 可以设置在透明基板15的上表面，同理附着于DOE14的上表面的透明导电薄膜 16f也可以附着于DOE14的衍射图样面。

区别于传统的技术手段，本实用新型提供的光学投影模组，其有益效果是：提供附着有透明导电薄膜的透明基板，透明基板通过垫片固定在光学投影模组的 DOE出光一侧。提供控制电路，通过金属导线与所述透明导电薄膜电连接，以实时监测透明导电薄膜的电阻变化或透明导电薄膜构成的电容变化，间接评估、判断透明基板的完整性。此外，还增设参考电阻或参考电容，进一步提升控制电路对透明基板完整性判断的准确率、灵敏度。进一步地，控制电路可以根据透明基板的完整性，对光学投影模组的发光状态进行相关控制。

可以理解的，上述提及的实施方案，也可以延伸至其他光学元件的完整性监测，比如：应用于折射光学元件、反射光学元件、衍射光学元件、偏振光学元件、相移光学元件的完整性监测，也可以应用于其多种光学元件组合模块的完整性监测。其变形方式，此处不做具体限定，因为对于本领域的技术人员而言，是显而易见的。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本实用新型的目的。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种光学投影模组，其特征在于，包括：

光源，用于发射光束；

透镜系统，用于接收并汇聚所述光源发射的光束；

衍射光学元件，用于接收经所述透镜系统汇聚后的光束并投射图案化光束；

透明基板，附着有透明导电薄膜，固定在所述衍射光学元件上方；所述透明导电薄膜与控制电路电连接。

2.如权利要求1所述的光学投影模组，其特征在于，所述透明导电薄膜附着于所述透明基板的光束入射端面和/或光束出射端面，并接入所述控制电路中。

3.如权利要求2所述的光学投影模组，其特征在于，所述透明导电薄膜的分布图样包括平面均匀分布图样、栅条状分布图样、蜿蜒状分布图样、穿插栅条状分布图样中的一种或多种的组合。

4.如权利要求1所述的光学投影模组，其特征在于，所述衍射光学元件的光束入射端面或光束出射端面附着有第一透明导电薄膜；所述透明基板的光束入射端面或光束出射端面附着有第二透明导电薄膜；所述第一透明导电薄膜与所述第二透明导电薄膜接入所述控制电路中。

5.如权利要求4所述的光学投影模组，其特征在于，所述第二透明导电薄膜与所述第一透明导电薄膜构成所述透明基板的监测电阻。

6.如权利要求4所述的光学投影模组，其特征在于，所述第一透明导电薄膜与所述第二透明导电薄膜构成所述透明基板的监测电容。

7.如权利要求4所述的光学投影模组，其特征在于，所述透明基板通过垫片支撑固定在所述衍射光学元件上方。

8.如权利要求7所述的光学投影模组，其特征在于，所述垫片上表面与下表面附着有第三透明导电薄膜与第四透明导电薄膜；所述第三透明导电薄膜与所述第四透明导电薄膜接入所述控制电路中，构成参考电容；所述第一透明导电薄膜与所述第二透明导电薄膜构成所述透明基板的监测电容。

9.如权利要求1所述的光学投影模组，其特征在于，所述透明导电薄膜具有电阻特性或构成电容特性。

10.如权利要求1所述的光学投影模组，其特征在于，所述光源包括至少一个VCSEL光源的二维VCSEL芯片。