CN107783361A - 含有光束监测单元的光学投影装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种光学投影装置，包括发射波长为λ1光束的第一光源以及衍射光学元件组成的投影模组，还包括：第二光源，用于发射波长为λ2的光束，波长λ2不等于λ1；选择性透过薄膜，附于所述衍射光学元件表面，用于透射所述第一光源发射的光束以及反射和/或衍射所述第二光源发射的光束；光束监测单元，用于接收所述选择性透过薄膜反射和/或衍射的光束，并监测其光束的变化。本发明提供的光学投影装置，能够实时监测并判断DOE的完整性，为进一步的安全控制提供可靠的基础，从而确保光学投影装置在使用过程中始终满足激光安全标准。

Description

含有光束监测单元的光学投影装置
技术领域
本发明涉及光学、光电子学领域，尤其涉及一种含有光束监测单元的光学投影装置。
技术背景
光学投影装置被广泛应用于物体的三维扫描、空间三维重建、人机交互等领域。光学投影装置通过投射编码或结构化的特殊光图案，对目标物体的空间信息进行标记，为图像采集装置的信息采集以及后期处理器的三维重建提供必不可少的准备工作。
用于投射结构化光图案的光学投影装置一般包括光源、准直透镜以及衍射光学元件(DOE)。其中，准直透镜用于接收、汇聚光源发射的光束，并向外投射平行光束；DOE用于接收准直透镜所投射的平行光束，并将平行光束进行分束、重叠，以获得分布均匀且不相关的特殊图案化光束。DOE是整个光学投影装置的核心光学部件，直接决定着光学投影装置的性能。DOE的性能越好，光学投影装置所投射的光图案，其畸变、像差越小，能量分布越均匀，分辨率越高，随机性越好。光学投影装置投射的高质量的光图案，有利于图像采集装置精准捕捉到投射于物体表面的光图案，以便为处理器提供准确的点云信息。
然而，随着光学投影装置使用时间的增加，DOE的性能难免会出现不同程度的退化。因为DOE密封于光学投影系统中，散热不佳的情况下，DOE非常容易出现老化、变形或者损坏的现象。此外，人为的磕碰、跌撞也有可能加速DOE的变形、损坏。当DOE出现老化、变形或者损坏时，DOE衍射光束的能力会明显下降，甚至伴随着严重的零级衍射光束。所谓零级衍射光束指的是射向DOE的光束中，存在着一部份光束没有被衍射并且继续穿过DOE进入目标空间，即没有被DOE衍射便直接进入目标空间的那一部分光束为零级衍射光束。零级衍射光束的能量往往比高阶衍射光束能量高出几个数量级，处理不当，极有可能诱发人眼安全问题。
实时监测并判断DOE的完整性，确保光学投影装置能够投射出高质量的、满足激光安全标准的图案化光束是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的光学投影装置在使用过程中出现的激光安全问题，提出一种含有光束监测单元的光学投影装置。
一种含有光束监测单元的光学投影装置，包括发射波长为λ1光束的第一光源以及衍射光学元件(DOE)组成的投影模组，还包括：第二光源，用于发射波长为λ2的光束，波长λ2不等于λ1；选择性透过薄膜，附于所述衍射光学元件表面，用于透射所述第一光源发射的光束以及反射和/或衍射所述第二光源发射的光束；光束监测单元，用于接收所述选择性透过薄膜反射和/或衍射的光束，并监测其光束的变化。
其中，所述光束监测单元包括监控光电二极管或图像传感器；光束的变化包括光束能量的变化和/或光束分布的变化。
在一些实施例中，还包括相关的控制电路，与所述光束监测单元连接，用于根据接收到的光束的变化进行相应的安全控制。其中，安全控制包括关闭所述第一光源或者降低所述第一光源的发光功率。
在一些实施例中，所述选择性透过薄膜附于所述衍射光学元件入光一侧的衍射光栅表面。其中，第一光源、所述第二光源与所述光束监测单元设置在所述衍射光学元件的入光一侧，并固定在同一水平基线的不同位置上；或者所述第一光源设置在所述衍射光学元件的入光一侧；所述第二光源设置在所述衍射光学元件的纵向端面一侧，并从端面向所述衍射光学元件发射波长为λ2的光束；所述光束监测单元设置在与所述第一光源同一水平基线的不同位置上，和/或所述光束监测单元设置在所述衍射光学元件的纵向端面另一侧，相对于所述第二光源。
在一些实施例中，所述选择性透过薄膜附于所述衍射光学元件出光一侧的光滑表面。其中，所述第一光源与所述第二光源设置在衍射光学元件的入光一侧，并固定于同一水平基线的不同位置上；所述光束监测单元设置在与所述第一光源、第二光源同一水平基线的不同位置上，和/或所述光束监测单元设置在衍射光学元件的纵向端面一侧。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
本发明的光学投影装置，通过光束监测单元实时监测选择性透过薄膜反射和/或衍射的第二光源发射的光束信息，实现对所述衍射光学元件完整性的实时评估，为进一步的安全控制提供可靠的基础，从而确保光学投影装置在使用过程中的始终满足激光安全标准。
附图说明
图1是根据本发明的一种光学投影装置示意图。
图2是根据本发明的另一种光学投影装置示意图。
图3是根据本发明的又一种光学投影装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本发明进行详细的介绍，以使更好的理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。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发明的基本构思，附图中仅显示与本发明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。
需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
图1是根据本发明的一种含有光束监测单元的光学投影装置示意图。本实施例中，该光学投影装置包括基底10、第一光源11、第二光源12、光束监测单元13、镜筒14、准直透镜(准直透镜组)15、DOE16以及选择性透过薄膜17。
其中，基底10为刚性散热的导电底板，用于固定、安置第一光源11、第二光源12、光束监测单元13以及承载镜筒14。具体地，基底10可以由导电陶瓷或其他合适材料加工而成。优选地，基底10为刚性的印制电路板(PCB电路板)。一种实施方式中，第一光源11、第二光源12、光束监测单元13以及镜筒14安置在基底10的同一侧。
其中，第一光源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，用于向外发射波长为λ1的光束，通常包括红外、紫外等合适波长的光束。光源可以为单个光源，也可以为多个光源。其中，VCSEL由于体积小、发散角小、稳定性等优点更宜于被应用于投影装置中，在一些实施例中，为了增加投影强度，选择VCSEL阵列作为光源更佳。在本实施例中，第一光源11为二维VCSEL芯片，该VCSEL芯片包括至少一个VCSEL光源，能够向外投射830nm或者950nm的红外光束。VCSEL阵列光源可以通过分组控制来使每一个VCSEL的独立发射，分组控制可以为任何形式，比如独立控制其中几个子光源或者所有的光源同时打开，从而实现形状不同、大小不同或密度不同的图案。此外，第一光源11可以设置在基底10一侧的任意位置上，具体根据需求做出相应调整。优选地，第一光源11设置在基底10的中心位置上。
其中，第二光源12可以是LED光源，也可以是垂直共振腔面发射或者平行共振腔面发射的激光器，用于向外发射波长为λ2的光束。应当理解的是，为了避免第一光源11与第二光源12所发射的光束之间发生相互干涉，出现相互干扰的现象，应当要求第一光源11与第二光源12所发射的光束，其波长满足λ2>>λ1或λ2<<λ1的关系。此外，第二光源12可以设置在与第一光源11不重合的任意位置上。优选地，第二光源12设置在基底10一侧的“右端”边沿位置上，远离第一光源11。这样设置的好处是，可以适当增大第二光源12的光束发射角度。
其中，光束监测单元13包括监控光电二极管(MPD)、电荷藕合器件图像传感器(CCD)或CMOS等图像传感器等，用于实时获取经选择性透过薄膜反射或衍射回来的光束。应当理解的是，光束监测单元13可以设置在与第一光源11、第二光源12不重合的任意位置上。优选地，光束监测单元13设置在基底10一侧的“左端”边沿位置上，远离第二光源12。这样设置的好处是，可以较为完整地接收到经选择性透过薄膜反射或衍射回来的光束。
进一步地还包括与光束监测单元13相连的控制电路(图中未示出)，用于根据光束监测单元13所监测到的光束的变化进行相应的安全控制，如：关闭所述第一光源或者降低所述第一光源的发光功率。
其中，镜筒14可以是具有良好导热功能的刚性金属镜筒，也可以是塑料镜筒。优选地，镜筒14为导热性能良好、重量轻的铝合金镜筒。镜筒14通过胶粘、镶嵌等方式固定在基底10上方，用于隔离外界自然光以及安置准直透镜等光学元件。进一步地，第一光源11、第二光源12、光束监测单元13以及准直透镜密封于镜筒14内部，可以很好地避免外界的尘埃、雾气等对光学元件造成不良的影响。
其中，准直透镜15通过内嵌、胶粘的方式固定在镜筒14内，用于接收第一光源11与第二光源12发射的光束，尤其用于汇聚并准直第一光源11发射的光束，以向外投射波长为λ1的平行光束。准直透镜15可以仅包括一片透镜，也可以包括多片不同属性的透镜，还可以包括非球面镜。准直透镜15的材质可以是高纯度的透明玻璃，也可以是树脂或高分子聚合物。优选地，准直透镜15由多片不同属性的球面和/或非球面玻璃透镜组合而成。此外，准直透镜15位于第一光源11的“正上方”，即准直透镜15与第一光源11的光轴位于同一直线上，并且准直透镜15与第一光源11的距离最好等于准直透镜15的等效聚焦。
其中，DOE16可以是玻璃材质的衍射光学元件，也可以是高分子聚合物(塑料)材质的衍射光学元件，一般通过电子束直写技术或其他可行手段，在玻璃或塑料材质的透明基片表面刻蚀深度为1um的不规则光栅制作而成。DOE16通过胶粘的方式固定在镜筒22上方，用于接收、分束准直透镜15投射的平行光束，并通过镜像叠加的方式向外投射能量分布均匀、对比度高的图案化光束。DOE16对光束进行分束外，还有少量光束被DOE反射，但反射作用较弱，可不考虑其影响。应当理解的是，DOE16、准直透镜15以及第一光源11的光轴位于同一条直线上。
其中，选择性透过薄膜17是对波长为λ1的光束表现出高透射率，对波长为λ2的光束表现出高反射率特征的过滤型薄膜，其工作原理类似于吸收型滤波片或者干涉型滤波片。选择性透过薄膜17可以通过化学浸蚀或者真空蒸镀等方式紧密、均匀附着于DOE16的表面，用于透过第一光源11发射的光束并且反射和/或衍射第二光源12发射的光束。
参阅图1，根据本发明的一种实施方式，选择性透过薄膜17均匀、紧密附着于DOE16的“下表面”，即DOE的入光一侧，该表面刻蚀有衍射光栅。需要理解的是，此处提及的“下表面”仅为了更清晰的描述选择性透过薄膜17的设置方式，不能理解为对选择性透过薄膜17设置位置的限定。具体地，选择性透过薄膜17的设置方式需要根据DOE16衍射面的具体位置而定。由于选择性透过薄膜17对波长为λ1的光束具有较高透过率特性，因此，第一光源11发射的波长为λ1的光束，经准直透镜15汇聚准直后，可以顺利地通过选择性透过薄膜17入射到DOE16内，并向外投射能量均匀的、对比度强的图案化光束。
又由于选择性透过薄膜17对波长为λ2的光束具有较高反射率特性，因此，第二光源12所发射的波长为λ2的光束，经准直透镜15汇聚、准直后，无法顺利地通过选择性透过薄膜17入射到DOE16内，而是由选择性透过薄膜17反射和/或衍射回到准直透镜15中。为了便于理解，仅以光线120、光线121示意性地表示第二光源12所发射的光束；以光线122、光线123示意性地表示选择性透过薄膜17反射回准直透镜15的光束。应该理解的是，光线120与光线121的夹角所在的区域为第二光源12的实际光束覆盖区域，该区域能够覆盖绝大部分选择性透过薄膜17的表面。进一步地，第二光源12发射的光束，经选择性透过薄膜17、准直透镜15反射和/或衍射、聚焦后，能够较为完整地落于光束监测单元13的光束接收面内。光束监测单元13可以通过实时监测捕获到的光束，根据其能量、分布等特征的变化，判断选择性透过薄膜17的完整性，从而间接评估、衡量DOE16的完整性，并且根据DOE16的完整性状况，及时通过相关控制电路关闭第一光源11或者减低第一光源11的发光功率。该实施方式中，光束监测单元13对DOE16完整性的监测、评估、判断过程，具体可以理解为：当DOE16保持完好无损时，紧密附着于DOE16“下表面”的选择性透过薄膜17亦能保持良好的选择透过性，即对波长为λ1的光束表现出良好的透过性，对波长为λ2的光束表现出良好的反射和/或衍射性。此时，光束监测单元13可以较为完整地捕捉到第二光源12发射的光束，包括光束的能量强度、分布状况等，或者还包括波长为λ2的零级衍射光束、高阶衍射光束(这是由于选择性透过薄膜17具有DOE16衍射光栅的空间分布特点，尤其是当波长λ2近似等于或大于1um时，选择性透过薄膜17容易衍射第二光源12发射的光束)。与此同时，光束监测单元13将获取的相关光束信息记录在存储单元中，作为DOE16完整性的评估参考标准。
当DOE16出现老化、变形、破损时，附着于DOE16“下表面”的选择性透过薄膜17也会出现不同程度的松动、变形、脱落等现象，从而致使选择性透过薄膜17的性能发生改变。尤其是针对波长为λ2的光束，其反射和/或衍射能力会出现不同程度的退化、下降等。此时，光束监测单元13捕捉到的第二光源12发射的光束，其能量强度可能变小也可能变大，其光束能量的分布，也会出现不同程度的偏移。此外，当波长λ2近似等于或大于1um时，光束监测单元13监测到的波长为λ2的零级衍射光束或高阶衍射光束，其强度、位置也会发生不同程度的变化。尤其是波长为λ2的零级衍射光束，因为零级衍射光束的能量往往较高，光束监测单元13中的光学传感器可以更容易发现零级衍射光束的强度、位置变化。
光束监测单元13通过实时监测、获取波长为λ2的光束信息，并对比记录与存储单元中的标准相关光束信息，进而评估、判断DOE16的完整性，并通过相关控制电路，关闭第一光源11或者降低第一光源11的发光功率。
图2是根据本发明的另一种含有光束监测的光学投影装置示意图。该实施例中的光学投影装置与图1实施例中的光学投影装置的结构基本类似，区别在于，选择性透过薄膜18均匀、紧密附着于DOE16的“上表面”，即DOE的出光一侧，该表面为平滑面，对立于衍射光栅面。需要理解的是，此处提及的“上表面”仅为了更清晰的描述选择性透过薄膜18的设置方式，不能理解为对选择性透过薄膜18设置位置的限定。此外，该光学投影装置可以包括两种光束监测单元。其中，光束监测单元23可以设置并固定在基底10上方，用于监测选择性透过薄膜18反射和/或衍射回来的波长为λ2的光束；或者光束监测单元33设置并固定于DOE16的纵向端面处，用于监测入射至DOE16内，并在DOE16内发生全反射的波长为λ2的透射光束。可以理解的是，该光学投影装置中，也可以同时设置光束监测单元23和光束监测单元33；DOE16的纵向端面指的是垂直于DOE16的衍射光栅所在平面的侧面。
一种实施方式中，参阅图2，选择性透过薄膜18均匀、紧密附着于DOE16的“上表面”，该表面为平滑表面，对立于刻蚀有衍射光栅的表面。第二光源12向准直透镜15、DOE16发射波长为λ2的光束。为了便于理解，仅以光线120、光线121示意性地表示第二光源12所发射的光束。光线120、光线121经准直透镜15汇聚、准直后，倾斜射向DOE16设置有衍射光栅的“下表面”。光线120、光线121在DOE16的衍射光栅表面发生反射以及透射现象，为了便于理解，仅以光线126、光线127示意性地表示衍射光栅表面的反射的光束。应该理解的是，光线126、光线127经准直透镜15聚焦后，能够较为完整地落于光束监测单元23的接收面内。此外，还应该理解的是，光线120、光线121透射进入DOE16内的光束中，存在一部分光束(例如光线124、光线125)能够在选择性透过薄膜18表面与DOE16的衍射光栅表面之间连续发生多次反射后，通过DOE16的纵向端面入射到光束监测单元33的接收面内。
具体地，该实施方式中的光束监测单元23与光束监测单元33对DOE16完整性的监测过程与图1实施例基本类似。区别在于，该监测过程包括了至少两个光束监测单元同时对DOE16的完整性进行实时监测、评估、判断，并且每一个光束监测单元都能根据DOE16的完整性状况，及时通过相关控制电路关闭第一光源11或者减低第一光源11的发光功率。这样设置的好处是，一方面可以很好的减免了选择性透过薄膜均匀附着于DOE16衍射光栅表面的复制工艺，大大缩减了选择性透过薄膜的附着于DOE16的加工成本；另一方面，还可以进一步提高光束监测单元评估、判断DOE16完整性的准确性。
图3是根据本发明的又一种含有光束监测的光学投影装置示意图。该实施例中的光学投影装置，类似于图1实施例，选择性透过薄膜19均匀、紧密附着于DOE16的下表面，即DOE的入光一侧，该表面刻蚀有衍射光栅。区别在于，第二光源12设置DOE16的纵向端面一侧，该纵向端面垂直于DOE16的衍射光栅面，用于向DOE16内发射波长为λ2的光束。此外，该光学投影装置可以包括两种光束监测单元。其中，光束监测单元33则设置在DOE16的纵向端面的另一侧，与第二光源12相对，用于实时监测第二光源12发射并且能够顺利透过DOE16的部分入射光束。光束监测单元23设置、固定在基底10设置上方，用于监测是否有波长为λ2的光束进入到镜筒14内。同样地，光束监测单元23和光束监测单元33可以同时设置。
一种实施方式中，参阅图3，选择性透过薄膜19均匀、紧密附着于DOE16设置有衍射光栅的表面。第二光源12向DOE16的一侧端面发射有一定张角的、波长为λ2的光束，为了便于理解，仅以光线128、129、130示意性地表示以不同角度入射到DOE16内的光束。具有一定张角的入射光束在DOE16的“上表面”与“下表面”来回反射，有一部分光束(例如：光线128、光线129)从另一个端面射出，射向光束监测单元33的接收面内；而另一部分光束通过DOE16“上表面”射出DOE16，因第二光源发射的光束波长λ2与第一光源上发射的光束波长λ1不同，故对结构光图案不会造成影响。此外，通过光束监测单元23实时监测镜筒内是否存在波长为λ2的光束。
具体地，该实施方式中的光束监测单元23与光束监测单元33对DOE16完整性的监测过程可以理解为：当DOE16保持完整时，即选择性透过薄膜19选择透过特性没有发生变化，此时，第二光源12发射的光束无法透过选择性反射薄膜19进入到镜筒14内，即光束监测单元23监测不到波长为λ2的光束。由于第二光束12向DOE16一侧端面发射的光束，其存在一定张角，则光束监测单元33可以监测到部分透过DOE16从另一个端面出射的波长为λ2的光束，并且该部分光束的能量是保持不变的。当DOE16出现老化、变形、损坏时，即选择性反射薄膜19的选择透过性、反射性也会发生变化，此时，光束监测单元33监测到的波长为λ2的光束，其能量可能会变小，而光束监测单元23可能会监测到波长为λ2的光束。因为有一部分光束在DOE16的衍射光束面发生透射进入镜筒14内。为了便于理解，仅以光线131、光线132示意性地表示透过DOE16衍射光栅面，并经准直单元15聚焦后，射向光束监测单元23接收面的、波长为λ2的透射光束。进一步地，当光束监测单元23、光束监测单元33监测、评估、判断发现DOE16存在损坏风险时，均可及时通过相关控制电路，关闭第一光源11或者降低第一光源11的发光功率。
区别于其他实施例，该实施方式这样设置的好处是：一方面，可以大大减少因第二光源引起的发热问题；另一方面，通过两个或者两个以上光束监测单元同时配合地对DOE完整性进行评估，可以大大提升DOE完整性判断的准确性。
在本发明的基础上，采用其他现有技术中通过在DOE表面附着选择性透过薄膜，实时监测DOE完整性并控制光源发光状态的相关实施方案，都应该属于本发明所要保护的方法。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种含有光束监测单元的光学投影装置，包括发射波长为λ1光束的第一光源以及衍射光学元件组成的投影模组，其特征在于，还包括：
第二光源，用于发射波长为λ2的光束，波长λ2不等于λ1；
选择性透过薄膜，附于所述衍射光学元件表面，用于透射所述第一光源发射的光束以及反射和/或衍射所述第二光源发射的光束；
光束监测单元，用于接收所述选择性透过薄膜反射和/或衍射的光束，并监测其光束的变化。
2.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，所述光束监测单元包括监控光电二极管或图像传感器。
3.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，所述光束的变化包括所述光束能量的变化和/或光束分布的变化。
4.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，还包括控制电路，所述控制电路与所述光束监测单元连接，并根据所述光束的变化进行安全控制。
5.如权利要求4所述的光学投影装置，其特征在于，所述安全控制包括关闭所述第一光源或者降低所述第一光源的发光功率。
6.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，所述选择性透过薄膜附于所述衍射光学元件入光一侧的衍射光栅表面。
7.如权利要求6所述的光学投影装置，其特征在于，所述第一光源、所述第二光源与所述光束监测单元设置在所述衍射光学元件的入光一侧，并固定在同一水平基线的不同位置上。
8.如权利要求6所述的光学投影装置，其特征在于，所述第一光源设置在所述衍射光学元件的入光一侧；所述第二光源设置在所述衍射光学元件的纵向端面一侧，并从端面向所述衍射光学元件发射波长为λ2的光束；所述光束监测单元设置在与所述第一光源同一水平基线的不同位置上，和/或所述光束监测单元设置在所述衍射光学元件的纵向端面另一侧，相对于所述第二光源。
9.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，所述选择性透过薄膜附于所述衍射光学元件出光一侧的光滑表面。
10.如权利要求9所述的光学投影装置，其特征在于，所述第一光源与所述第二光源设置在衍射光学元件的入光一侧，并固定于同一水平基线的不同位置上；所述光束监测单元设置在与所述第一光源、第二光源同一水平基线的不同位置上，和/或所述光束监测单元设置在衍射光学元件的纵向端面一侧。
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