CN108121133A - 光学投影装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学投影装置，包括：光源，发射光束；透镜，接收、汇聚所述光源发射的光束，并投射平行光束；衍射光学元件，接收、分束经过所述透镜的所述平行光束，并投射出图案化光束；透明导电薄膜，附于所述透镜和/或所述衍射光学元件的表面，具有电阻属性；控制电路模块，与所述透明导电薄膜和所述光源电连接，用于获取所述透明导电薄膜的电阻以判定所述透镜和/或所述衍射光学元件的完整性，并选定预设的调制函数调节所述光源的发光功率，实现了根据光学元件的状态控制光源的发光功率。

Description

光学投影装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及光学、光电子学领域，特别是涉及一种光学投影装置及其控制方法。
背景技术
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，为后期图像采集装置的信息采集以及三维重建提供准备工作。
用于投射结构化光图案的光学投影装置一般包括光源以及衍射光学元件(DOE)。其中，当光源发射的光束，其发散角较大时，往往还需要用到准直透镜对光束进行汇聚、准直处理，以向外投射平行光束；其中，DOE用于接收准直透镜发射的平行光束，并将平行光束进行分束、重叠处理，以获得分布均匀且不相关的特殊图案化光束。准直透镜与DOE均是整个光学投影装置的重要光学元件，其性能的好坏会直接影响光学投影装置所投射的光图案的质量优劣。当准直透镜与DOE性能越好时，光学投影装置所投射的光图案，其畸变越小、像差越小、分辨率越高、对比度越强。进一步地，光学投影装置投射的高质量光图案，也更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，以便后期处理器对物体三维点云信息的计算。
然而，随着光学投影装置使用时间的增加，光学元件难免会出现不同程度的老化、变形或者损坏，尤其是准直透镜与DOE。此外，为了防止尘埃、水汽对光学元件造成不必要的影响，还要求准直透镜与DOE必须密封于光学投影装置中，因此，在散热不佳的情况下，准直透镜与DOE也更容易出现老化、变形或者损坏的现象。当准直透镜出现老化、变形或者损坏时，准直透镜汇聚、准直光束的能力会变差，使得射向DOE的光束平行性变差，甚至还会引入各种像差、畸变等；而DOE的老化、变形或者损坏，则会影响到DOE衍射光束的能力。当DOE衍射光束能力的下降时，激光投影装置所投射的图案化光束，其均匀度和对比度也会出现不同程度的下降，甚至伴随着严重的零级衍射光束。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。
为了确保光学投影装置始终符合激光安全标准，根据光学元件的状态控制光源的发光功率是非常有必要的。
发明内容
为了解决上述如何根据光学元件的状态控制光源的发光功率的技术问题，本发明提出一种光学投影装置及其控制方法。
本发明提出的光学投影装置，包括：光源，发射光束；透镜，接收、汇聚所述光源发射的光束，并投射平行光束；衍射光学元件，接收、分束所述平行光束，并投射图案化光束；透明导电薄膜，附于所述透镜和/或所述衍射光学元件的表面，具有电阻属性；控制电路模块，与所述透明导电薄膜和所述光源电连接，用于获取所述透明导电薄膜的电阻以判定透镜和/或衍射光学元件的完整性；所述控制电路模块预设有不同的调制函数，并根据所述电阻选定对应的所述调制函数动态调节所述光源的发光功率。
其中，在某实施例中，所述控制电路模块预设有界限电阻区间和极限电阻值；根据所述电阻与所述界限电阻区间和所述极限电阻值的比较结果选定对应的所述调制函数。进一步地，在另一实施例中，所述界限电阻区间包括，低电阻区间(0，RL)、安全电阻区间[RL,RH]、高电阻区间(RH,RM)；所述极限电阻值包括0和RM。更进一步地，所述调制函数包括，f1(R)＝1、f2(R)＝0、f3(R)＝((RL-R)/RL)n以及f4(R)＝((R-RH)/(RM-RH))n；其中n大于0。
此外，在又一实施例中，所述透明导电薄膜、所述光源串联接入所述控制电路模块中。更进一步的，附在所述光学衍射元件上的第一透明导电薄膜与附在所述透镜上的第二透明导电薄膜并联或串联连接。
本发明还提出了上述任一光学投影装置的控制方法，包括步骤：控制电路模块获取透明导电薄膜的电阻；根据所述电阻判定透镜和/或衍射光学元件的完整性；并根据所述电阻选定对应的调制函数动态调节光源的发光功率。进一步地，所述控制电路模块将所述电阻与低电阻区间(0，RL)、安全电阻区间[RL,RH]、高电阻区间(RH,RM)、极限电阻值0和RM进行比较。更进一步的，根据比较结果，所述控制电路对所述发光功率的控制可以包括，保持所述光源发光功率、关闭所述光源或者渐变降低所述光源的发光功率。
更进一步地，当所述透明导电薄膜的电阻R落于安全电阻区间[RL,RH]时，所述控制电路模块保持所述光源的发光功率P＝P0*f1(R)，并持续采集、对比、分析所述透明导电薄膜电阻的变化；当透明导电薄膜的电阻R等于0、或大于等于极限电阻RM时，所述控制电路模块关闭所述光源P＝P0*f2(R)，结束工作；当透明导电薄膜的电阻R落于低电阻区间(0，RL)时，所述控制电路模块根据调制函数f3(R)降低所述光源的发光功率P＝P0*f3(R)；当透明导电薄膜的电阻R落于高电阻区间(RH,RM)时，所述控制电路模块根据调制函数f4(R)降低所述光源的发光功率P＝P0*f4(R)。
本发明与现有技术对比的有益效果包括：透明导电薄膜附在透镜和/或衍射光学元件的表面，具有电阻属性，光源发出的光束先后经过透镜及衍射光学元件，控制电路与所述透明导电薄膜和所述光源电连接，获取所述透明导电薄膜的电阻，若透镜和/或衍射光学元件老化或变形或损坏，附在其表面的透明导电薄膜也会相应的发生形变从而导致透明导电薄膜的电阻发生相应的变化。控制电路模块根据获取的电阻就可以判断出所述透镜和/或所述衍射光学元件的完整性，并且根据电阻选定相应的调制函数动态调节所述光源的发光功率，从而实现了根据光学元件的状态控制光源的发光功率。
附图说明
图1是本发明一个实施例的光学投影装置示意图。
图2是本发明另一个实施例的光学投影装置示意图。
图3是本发明一个实施例的监测控制流程图。
图4是本发明一个实施例的导电薄膜电阻与光源发光功率的关系图。
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是根据本发明一个实施例的光学投影装置示意图。本实施例中，该光学投影装置包括光源10、透镜11、衍射光学元件(DOE)12、透明导电薄膜131与132，以及控制电路模块14。
其中，光源10设置在透镜11入射光束的一侧，用于向外发射激光束。光源10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10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光学投影装置中，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，光源10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以使每一个VCSEL光源独立发射，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。
其中，透镜11设置在光源10的出光侧，用于接收光源10发射的光束，尤其用于汇聚并准直光源10发射的光束，以向外投射平行光束。透镜11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。透镜11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，透镜11由多片不同属性的球面玻璃透镜和/或非球面玻璃透镜组合而成。一种实施方式中，透镜11位于光源10的“正上方”，即透镜11与光源10的光轴位于同一直线上，并且透镜11与光源10的距离最好等于透镜11的等效焦距。
其中，DOE12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不规则光栅制作而成，优选刻蚀深度为1um。DOE12通过设置在透镜11的出光一侧，用于接收、分束透镜11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。一种实施方式中，DOE12、透镜11以及光源10的光轴位于同一条直线上。可以理解的是，出于缩短纵向空间考虑，光源10、透镜11以及DOE12的光轴也可以不在同一条直线上。
其中，透明导电薄膜131、132分别通过蒸镀、沉淀或贴附等相关可行的工艺均匀、紧密地附着于透镜11、DOE12表面，具有明显的电阻属性。所述导电薄膜可以附在有光束通过的所述透镜11和/或DOE12的相关表面上，也可以将整个透镜11和/或DOE12表面包裹起来，采用包裹的方式，可以更加全面的监测所述透镜11和/或DOE12的完整性。
应该理解的是，透明导电薄膜131、132对红外光束或者其他特定波段的光束具有较高的透射率；其中，透明导电薄膜131对透镜11的出光、成像能力不会造成实质性影响；其中，透明导电薄膜132不会对DOE12衍射光束的能力造成实质影响。优选地，透明导电薄膜131、132的电阻率为5.12*10-2Ωcm，可以是对红外光束具有不小于85％透射率的宽带隙氧化物薄膜，例如：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。
其中，控制电路模块14通过金属导线与透明导电薄膜131、132实现电连接，用于实时采集透明导电薄膜131、132的电阻值，并根据电阻值的变化判断、评估透镜和/或DOE的完整性，以及选定预设的调制函数直接动态调节光源10的发光功率。此外，控制电路模块14还设立了界限电阻区间和极限电阻值，以根据界限电阻区间和/或极限电阻值设定不同的调制函数，调节光源的发光功率。其中，调制函数对光源发光功率的调节包括但不仅限于，直接关闭光源10、保持光源10的发光功率以及渐变降低光源10的发光功率。控制电路模块14为功能性控制电路，该电路模块包括单片机、电容、等电子元件(图中未示出)；其中，单片机用于采集、比较、分析透明导电薄膜131、132的电阻变化，以及选择合适的调制函数调节光源10的发光功率。
参阅图1，根据本发明的一种实施方式中，光源10发出的光束经透镜11准直后以平行光束的方式入射到DOE12；DOE12通过分束、叠加的方式将平行光束展现为图案化光束，并以图案化光束射向目标空间。此外，透明导电薄膜131紧密、均匀附着于透镜11表面，而透明导电薄膜132则紧密、均匀附着于DOE12表面。控制电路模块14通过金属导线直接与透明导电薄膜131、透明导电薄膜132以及光源10实现电连接。一种实施方式中，透明导电薄膜131、透明导电薄膜132串联连接，并通过金属导线与光源10一同直接接入控制电路模块14中。控制电路模块14根据接入的透明导电薄膜131、132串联后的总电阻Rc的变化，实现透镜11、DOE12完整性的监测、判断，以及选定合适的调制函数控制光源10的发光功率，从而确保光学投影装置投射出高质量、满足激光安全标准的图案化光束。为了便于理解，假设透明导电薄膜131的电阻为R1，透明导电薄膜132的电阻为R2，则接入控制电路模块14中的总电阻Rc＝R1+R2。
可替换地，图2是根据本发明另一个实施例的光学投影装置示意图。该实施例中的光学投影装置，其结构与图1实施例基本类似，此处不做重复叙述。区别在于，透明导电薄膜131、透明导电薄膜132并联连接，并通过金属导线与光源10一同直接接入控制电路模块14中。类似地，控制电路模块14根据接入的透明导电薄膜131、132并联后的总电阻Rb的变化，实现透镜11、DOE12完整性的监测、判断，以及选定合适的调制函数控制光源10的发光功率。可以理解的是，该实施例中，接入控制电路模块14中的总电阻Rb＝R1*R2/(R1+R2)。
进一步地，该光学投影装置对透镜11以及DOE12完整性的监测以及光源10的调节控制过程，具体可以参阅图3。一种实施方式中，打开光学投影装置开关，点亮光源10(步骤S01)；控制电路模块14实时采集透明导电薄膜131、132的电阻R的阻值，并监测电阻R变化(步骤S02)，应该理解的是，电阻R可以是透明导电薄膜131、132串联后的总电阻，也可以是透明导电薄膜131、132并联后的总电阻或者仅是透明导电薄膜131或132的电阻；控制电路模块14还预设了低电阻区间(0，RL)、安全电阻区间[RL,RH]、高电阻区间(RH,RM)以及极限电阻值0和RM，通过实时比较、分析电阻R与界限电阻区间和极限电阻值之间的关系，以选用合适的调制函数；应当理解的是，此处所指的合适的调制函数包括但不仅限于，f1(R)＝1、f2(R)＝0、f3(R)＝((RL-R)/RL)n以及f4(R)＝((R-RH)/(RM-RH))n，其中n大于0；当透镜11与DOE12保持完好无损时，即透明导电薄膜的电阻R落于安全电阻区间[RL,RH](步骤S03)，控制电路模块14根据调制函数f1(R)，继续保持光源10的发光功率(步骤S031)，并持续监测、比较、分析透明导电薄膜电阻R的变化(步骤S032)，返回步骤S02；当透镜11和/或DOE12出现变形、老化、损坏时，附着在透镜11与DOE12表面的透明导电薄膜会出现松动、龟裂、脱落，从而导致透明导电薄膜的电阻发生变化，即透明导电薄膜的电阻R越过安全电阻区间[RL,RH]，落于低电阻区间(0，RL)或高电阻区间(RH,RM)时(步骤S04)，控制电路模块14根据预设的调制函数f3(R)或f4(R)，渐变降低光源10的发光功率(步骤S041)，并持续监测、比较、分析透明导电薄膜电阻R的变化(步骤S042)，返回步骤S02；又或者当透明导电薄膜的总电阻R＝0或大于极限电阻RM时，即准直单元11和/或DOE12出现严重损坏，导致透明导电薄膜出现断裂(步骤S05)，控制电路模块14根据调制函数f2(R)直接关闭光源10(步骤S06)，并结束光学投影装置的工作(步骤S07)。
具体地，控制电路模块14对光源10发光功率的调节过程满足图4的曲线分布。参阅图4，为了便于理解，假设光源10的正常发光功率为P0，当控制电路模块14采集到的电阻R，落于安全电阻区间[RL,RH]时，控制电路模块14保持光源10的发光功率，即光源10的发光功率满足P＝P0*f1(R)；当控制电路模块14采集到的电阻R，触及极限电阻0或RM时，控制电路模块14关闭光源10的发光功率，即光源10的发光功率满足P＝P0*f2(R)＝0；当控制电路模块14采集到的电阻R，落于低电阻区间[0，RL]时，控制电路模块14根据调制函数f3(R)渐变减低光源10的发光功率，此时光源10的发光功率满足P＝P0*f3(R)＝P0*((RL-R)/RL)n；当控制电路模块14采集到的电阻R，落于高电阻电阻区间[RH，RM]时，控制电路模块14根据调制函数f4(R)渐变减低光源10的发光功率，此时光源10的发光功率满足P＝P0*f4(R)＝P0*((R-RH)/(RM-RH))n；其中，指数n满足n大于等于1。在另一种等效实施方式中，指数n也可以是0-1之间的任意一个分数。
根据本发明的等效实施方案中，透镜11与DOE12表面的透明导电薄膜131、132还可以在并联或者串联后，直接通过金属导线与光源10一同串联接入控制电路模块14中。这样设置的好处是，当透镜11和/或DOE12出现老化、变形、损坏时，控制电路模块14无需再做逻辑运算，可以直接断开光源10的供电，防止激光安全隐患的出现。
区别于现有技术，本发明提及激光投影装置，其有益效果是：激光投影装置的控制电路模块对透镜、DOE完整性的判断是通过实时监测附于透镜、DOE表面的透明导电薄膜的电阻变化状况实现的。预设了安全阈值区间，当透明导电薄膜的电阻落于安全阈值区间内，控制电路模块保持光源的正常发光功率，并持续采样、比较、分析透明导电薄膜的电阻变化；当透明导电薄膜的电阻越过安全阈值区间的上限或者下限，且不触及开路极限时，控制电路模块直接根据预设的幂函数降低光源的发光功率，并且持续采集、对比、分析透明导电薄膜的实时电阻，以动态控制光源的发光状态；当透明导电薄膜的电阻触及开路极限时，控制电路模块直接关闭光源，以确保光学投影装置射出高质量的、满足激光安全标准的图案化光束。
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。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，以实现本发明的目的。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)

1.一种光学投影装置，其特征在于，包括：
光源，发射光束；
透镜，接收、汇聚所述光源发射的光束，并投射平行光束；
衍射光学元件，接收、分束所述平行光束，并投射图案化光束；
透明导电薄膜，附于所述透镜和/或所述衍射光学元件的表面，具有电阻属性；
控制电路模块，与所述透明导电薄膜和所述光源电连接，用于获取所述透明导电薄膜的电阻以判定透镜和/或衍射光学元件的完整性；所述控制电路模块预设有不同的调制函数，并根据所述电阻选定对应的所述调制函数动态调节所述光源的发光功率。
2.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，所述控制电路模块预设有界限电阻区间和极限电阻值；根据所述电阻与所述界限电阻区间和所述极限电阻值的比较结果选定对应的所述调制函数。
3.如权利要求2所述的光学投影装置，其特征在于，所述界限电阻区间包括，低电阻区间(0，RL)、安全电阻区间[RL,RH]、高电阻区间(RH,RM)；所述极限电阻值包括0和RM。
4.如权利要求3所述的光学投影装置，其特征在于，所述调制函数包括，f1(R)＝1、f2(R)＝0、f3(R)＝((RL-R)/RL)n以及f4(R)＝((R-RH)/(RM-RH))n；其中n大于0。
5.如权利要求1所述的光学投影装置，其特征在于，所述透明导电薄膜、所述光源串联接入所述控制电路模块中。
6.如权利要求5所述的光学投影装置，其特征在于，附在所述光学衍射元件上的第一透明导电薄膜与附在所述透镜上的第二透明导电薄膜并联或串联连接。
7.一种采用如权利要求1-6任一所述光学投影装置的控制方法，其特征在于，包括步骤：
控制电路模块获取透明导电薄膜的电阻；
根据所述电阻判定透镜和/或衍射光学元件的完整性；并根据所述电阻选定对应的调制函数动态调节光源的发光功率。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述控制电路模块将所述电阻与低电阻区间(0，RL)、安全电阻区间[RL,RH]、高电阻区间(RH,RM)、极限电阻值0和RM进行比较。
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，根据比较的结果，所述控制电路模块对所述光源发光功率的动态调节包括保持所述光源发光功率、关闭所述光源或者渐变降低所述光源的发光功率。
10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，当所述透明导电薄膜的电阻R落于安全电阻区间[RL,RH]时，所述控制电路模块保持所述光源的发光功率P＝P0*f1(R)，并持续采集、对比、分析所述透明导电薄膜电阻的变化；当透明导电薄膜的电阻R等于0、或大于等于极限电阻RM时，所述控制电路模块关闭所述光源P＝P0*f2(R)，结束工作；当透明导电薄膜的电阻R落于低电阻区间(0，RL)时，所述控制电路模块根据调制函数f3(R)降低所述光源的发光功率P＝P0*f3(R)；当透明导电薄膜的电阻R落于高电阻区间(RH,RM)时，所述控制电路模块根据调制函数f4(R)降低所述光源的发光功率P＝P0*f4(R)。
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