CN113169511A - 包括增强的眼睛安全性特征的发光模块 - Google Patents

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Abstract

一种装置包括：光源，其可操作以产生具有波长的光；光学组件，其设置在光源上方，以便与光源产生的光的路径相交；以及光学组件的表面上的至少一个导电迹线。驱动控制器可操作以调节光源的光输出功率。该至少一个导电迹线电耦合到该驱动控制器，该驱动控制器可操作以监测该至少一个导电迹线的电特性，并且如果该电特性的值指示可能的眼睛安全性危险，则降低该光源的光输出功率。

Description

包括增强的眼睛安全性特征的发光模块
技术领域
本公开涉及包括增强的眼睛安全性特征的发光模块。
背景技术
智能手机、平板电脑和其他便携式计算设备正在增加新特征，包括记录三维图像、感知运动和/或手势的技术。数字记录方法使用各种类型的微型照明器，这些微型照明器与相机交互，以记录三维区域中的动态事件。这些照明器可以是各种形式，并提供不同类型的功能。有些用非常短的脉冲照亮广阔的区域，以进行光检测和测距(Light Detection andRanging，LIDAR)类型的测量，记录飞行时间信息。其他照明器是脉冲或连续波(continuouswave，CW)，并将结构光图案投射到场景上。数码相机记录结构光图案的图像，并且软件算法被用于根据图案化图像中的修改来确定三维场景信息。
一种适用于微型照明器的技术是高功率垂直腔表面发射激光器(verticalcavity surface emitting laser，VCSEL)设备和阵列设备。这些设备能够以非常快的上升时间脉冲化，适合飞行时间应用。它们很小，但是产生具有高效电光转换的高功率激光束。然而，各种光学组件(例如光学漫射器)可以被放置在光束路径中，以针对特定应用修改光束属性。
在某些情况下，裸VCSEL的光输出功率通常很高，以至于在损害光学组件的质量的情况下，其可能会对人的眼睛或皮肤造成损害。因此，当在便携式计算设备中操作时，确保高功率激光照明器满足激光安全性法规是重要的。例如，照明器可以是配件的一部分，在正常操作条件下，该组件通过防止人太靠近照明器来保持眼睛安全操作。然而，在某些情况下，为了安全操作而修改输出光束的光学结构的损坏(例如，裂纹)，或者光学结构上湿气或化学污染物的存在，可能导致安全危害。同样，如果光学结构脱落或被移除，安全性也会受到影响。
发明内容
本公开描述了在一些情况下具有改进的安全性特征的照明模块。
例如，在一个方面，本公开描述了一种模块，该模块包括外壳、设置在外壳中并可操作以产生具有波长的光的光源、设置在光源上以与光源产生的光的路径相交的光学组件、以及光学组件表面上的第一导电迹线。
一些实施方式包括以下一个或多个特征。例如，在一些情况下，第一导电迹线由对光源产生的该波长的光透明的材料(例如ITO)组成。在一些实施方式中，光源包括VCSEL或VCSEL阵列。光学光源可以包括例如光学漫射器。
在一些情况下，第一导电迹线设置在光学组件的背离光源的表面上。第一导电迹线可以电耦合到例如设置在模块的第一侧的第一电触点，第一侧与模块的第二侧相对，来自光源的光被布置为通过第二侧射出。第一导电迹线还可以电耦合到邻近模块的第二侧设置的第二电触点，其中第二电触点通过沿着外壳的外侧壁延伸或延伸穿过外壳的侧壁的引线电耦合到第一电触点。
一些实施方式包括光学组件表面上的第二导电迹线。在一些情况下，第一和第二导电迹线彼此电容耦合。在一些情况下，第一和第二导电迹线中的每一个都电耦合到设置在模块的第一侧的相应电触点，第一侧与模块的第二侧相对，来自光源的光被布置为通过第二侧射出。在一些实施方式中，第一和第二导电迹线中的每一个都电耦合到设置在模块的第一侧的相应的一对电触点，第一侧与模块的第二侧相对，来自光源的光被布置为通过第二侧射出。
在另一方面，本公开描述了一种装置，该装置包括可操作以产生具有波长的光的光源、设置在光源上以便与光源产生的光的路径相交的光学组件、以及光学组件表面上的至少一个导电迹线。驱动控制器可操作以调节光源的光输出功率。至少一个导电迹线电耦合到驱动控制器，驱动控制器可操作以：监测至少一个导电迹线的电特性，以及如果电特性的值变化超过阈值量、超出指定范围或者指示可能的眼睛安全性危险，则降低光源的光输出功率。
在一些情况下，如果电特性的值变化超过阈值量或超出指定范围，则驱动控制器可操作来关闭光源的光输出功率。电特性可以包括例如电阻或电流中的至少一个。在一些情况下，至少一个导电迹线包括第一导电迹线和第二导电迹线，第一和第二导电迹线彼此电容耦合。在这种情况下，电特性可以包括例如电容。
该装置还可以包括印刷电路板，其中容纳光源的模块被电安装到印刷电路板，并且驱动控制器也被电安装到印刷电路板。在一些情况下，印刷电路板设置在便携式计算设备(例如智能电话)中。
根据以下具体实施方式、附图和权利要求，其他方面、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是包括在光学组件的表面上的导电迹线的模块的剖视图。
图2是图1的模块的俯视图。
图3是安装在印刷电路板上的模块和控制器的剖视图。
图4显示了迹线的损坏的示例。
图5是包括在光学组件的表面上的导电迹线的另一模块的剖视图。
图6示出了包括集成光学组件和导电迹线的VCSEL设备的示例。
图7A和7B示出了单个迹线的示例。
图8示出了在光学组件的表面上包括多个迹线的示例。
图9A和9B示出了包括两条迹线的电容结构的示例。
图10A和10B示出了由透明材料组成的迹线的示例。
图11示出了由不透明材料组成的迹线的示例。
具体实施方式
本公开描述了便于检测异常的照明模块和技术，该异常可能导致眼睛安全性危险或其他风险。通常，异常的检测可以通过在光学组件的表面上提供一个或多个导电迹线来实现，该光学组件设置在光发射器上并且可操作以修改输出光束的特性。导电迹线可以被配置为使得对光学组件的各种修改导致迹线的电特性(例如电连续性、电容和/或电阻率)的改变，电特性的改变可以由处理电路监测。在适当的情况下(例如如果检测到的电特性变化表明可能对眼睛或皮肤安全性有危险)，处理电路可以关闭或以其他方式调节(例如降低)光发射器的光功率输出。
图1和图2示出了根据本公开的照明器模块20的示例。模制封装外壳22具有腔，光源24安装在该腔中。在下面的讨论中，假设光源24包括VCSEL。在一些实施方式中，光源24包括VCSEL阵列。此外，在一些情况下，光源24包括一个或多个发光二极管(light emittingdiode，LED)、红外(infra-red，IR)LED、有机LED(organic LED，OLED)或红外(infra-red，IR)激光器。
外壳22具有导电馈通部26、28，在其内侧具有用于VCSEL的焊盘30、31，在其外侧具有用于表面安装焊接到印刷电路板(printed circuit board，PCB)或其他基板的焊盘32、33。在该示例中，光源24使用焊料或类似的导电接合材料直接接合到焊盘30之一。这提供了一个电触点(例如阴极)以及提供导热路径。使用到第二焊盘31的焊线36，可以形成到光源24的第二电触点(例如阳极)。如果光源24(例如VCSEL阵列)在非发射侧具有多个触点，则相应的多个焊盘可以用于焊接封装中的VCSEL阵列。
光学组件38设置在光源24上，以便与光源产生的光束的路径相交。光学组件38可以包括例如光学漫射器、透镜、微透镜阵列、折射或衍射光学元件、漫射器、光谱滤光器、偏振滤光器和/或可操作以修改VCSEL输出光束40的光学特性的一些其他光学结构。光学组件38可以附着在例如盖玻片23上。
如图1和图2进一步所示，至少一个导电迹线42设置在光学组件38的表面上。在图1和图2所示的示例中，迹线42由导电材料形成，该导电材料对于光源24产生的波长的光基本上是透明的。例如，在一些实施方式中，迹线42由氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)组成。在其他情况下，迹线42可以由另一种基本透明且导电的材料组成。如图1和2所示，迹线42具有螺旋形状。然而，其他形状可以适合于一些实施方式。此外，尽管迹线42被示出为位于光学组件38的背离光源24的外表面上，但在一些情况下，迹线可以位于光学组件的面向光源24的表面上。
迹线42在外壳22的与迹线相同的一侧电连接到导电顶部触点44、46。顶部触点44、46通过各自的导电引线48、50连接到与触点32、33位于外壳22同一侧的各自的底部触点52、54，导电引线48、50沿着外壳22的各自的侧面延伸。底部触点52、54可以被连接(例如，通过表面安装焊接)到图3所示的PCB 56上。
迹线42与引线48、50一起可以形成电路的一部分，该电路例如通过PCB56连接到VCSEL电流驱动器控制器或其他电子控制设备58。例如，VCSEL电流驱动器控制器58可以实现为半导体芯片形式的集成电路，VCSEL电流驱动器控制器58可以表面安装焊接到印刷电路板56。控制器58可操作以监测迹线42的电特性(例如流过迹线的电流或电阻)。如果特性变化超过指定量(例如超过指定阈值)-或者如果电特性的值在指定范围之外-则控制器58关闭或者以其他方式调节(例如减少)光源24产生的光输出。例如，控制器58可操作以测量迹线42的导电率的连续性。如图4所示，如果光学组件发生机械或其他损坏，使得一个或多个断裂60出现在迹线42中，则该断裂将导致电阻或导电率的变化，这可以由控制器58检测到。
在一些情况下，电引线48、50可以形成在外壳的壁内，而不是沿着外壳22的外表面延伸，例如如图5所示。在一些情况下，模块还可以包括例如通过焊线64电连接到焊盘66的光电检测器芯片62。光电检测器芯片62可以用于例如监测由光源24发射的光量，或者当来自光源24的光入射到对象上时感测由模块外部的对象反射的光量。
这里描述的技术可以应用于例如其中光源是顶部发射VCSEL、底部发射VCSEL或这种VCSEL的阵列的模块。此外，该技术可以应用于其中光学组件38与光源24分离的实施方式(如图1和图3所示)，以及其中光学组件与VCSEL设备集成在一起的实施方式。后一种情况的示例在图6中示出，其示出了光学组件38(例如，微透镜阵列)的表面上的ITO或其他导电迹线42。在这个示例中，光学组件38设置在透明半导体外延层或电介质68上，该透明半导体外延层或电介质68又设置在VCSEL 24的阵列的外延层70上。VCSEL 24的阵列的外延层可以生长在基板72上并由基板72支撑。图6还示出了由VCSEL 24产生并穿过光学元件38和导电迹线42的光束40的示例。
如上所述，迹线42可以具有多种形状中的任何一种。图7A和7B示出了迹线的特定示例，但是其他形状也是可能的。由迹线42覆盖的光学组件表面的面积可以根据应用而变化，但是通常应该足以允许检测到光学组件的损坏或移位，如果不被处理，这种损坏或移位可能导致模块操作在不是眼睛安全的模式下。
前述示例示出了单个迹线42，其可用于检测例如流过迹线的电流的连续性或迹线的电阻的变化。在一些实施方式中，如图8所示，多个迹线42A、42B可以在光学组件的表面上彼此足够靠近地设置，以便形成电容结构。迹线42A、42B中的每一个可以电连接到一个或多个相应的触点。例如，第一迹线42A可以连接到触点44A和46A，而第二迹线42B可以连接到触点44B和46B。触点44A、46A、44B、46B中的每一个可以电连接(例如经由引线、附加触点和PCB)连接到VCSEL电流驱动器控制器，该VCSEL电流驱动器控制器可以分别监测每个迹线42A、42B的电阻以及两个迹线42A、42B之间的电容。在一些实施方式中，可能没有必要独立地监测每个迹线42A、42B的导电率。在这种情况下，每个迹线42A、42B可以电连接到单个相应的触点，而不是两个触点。因此，第一迹线42A可以仅连接到一个顶部触点(例如44A或46A)，并且第二迹线42B可以仅连接到一个顶部触点(例如44B或46B)。这种布置仍然可以允许VCSEL电流驱动器控制器监测两条迹线42A、42B之间的电容。如果电容变化超过指定阈值——或者如果电容值超出指定范围——则变化可以指示光学组件发生了机械、化学、湿气或其他损坏(或者光学组件已从其正确位置移开)，并且可以指示模块可能在不安全模式下操作。作为响应，VCSEL电流驱动器控制器可以关闭或以其他方式调节(例如减少)光源24产生的光功率输出。
如图9A和9B所示，迹线42A、42B可以以多种形状(例如螺旋形或交叉指型)中的任何一种进行布置。
如上所述，在一些实施方式中，使用对光源24产生的波长的光透明的材料(例如ITO)是有利的。如图10A和10B所示，使用透明迹线42、42A、42B可以允许迹线在某些情况下直接设置在VCSEL 80上，使得迹线直接位于或靠近VCSEL光束的路径。此外，在某些情况下，这可以在不对光束的光学特性产生不利影响的情况下实现。
虽然由对光源24产生的波长的光透明或至少基本透明的材料形成迹线42在一些应用中可能是有利的，但是在其他实施方式中，迹线42不需要透明，而是可以对光源24产生的波长的光不透明。例如，如图11所示，如果迹线42A、42B的轮廓避开由VCSEL 80发射的光的发射路径，则迹线可以由对VCSEL 80产生的波长的光不透明的导电材料构成。
上述照明器模块可以表面安装焊接到智能电话、平板电脑或其他便携式计算主机设备中使用的印刷电路板。电连接提供光源24的激活和来自光学组件38表面上的导电迹线42的安全信号。在一些实施方式中，照明器封装可以与主机系统的其他电子组件同时并通过相同的过程来装配。
一般而言，上述模块可用于广泛的应用，如LIDAR、接近感测、3D传感器和相机、汽车感测等。
各种修改将是显而易见的，并且可以对前述示例进行各种修改。在一些情况下，结合不同实施例描述的特征可以被结合到相同的实施方式中，并且结合前述示例描述的各种特征可以从一些实施方式中省略。因此，其他实施方式也在权利要求的范围内。

Claims (23)

1.一种模块，包括:
外壳；
光源，所述光源设置在外壳中，并且能够操作以产生具有波长的光；
光学组件，所述光学组件设置在所述光源上以便与所述光源产生的光的路径相交；以及
第一导电迹线，所述第一导电迹线在所述光学组件的表面上。
2.根据权利要求1所述的模块，其中所述第一导电迹线由对所述光源产生的所述波长的光透明的材料组成。
3.根据权利要求2所述的模块，其中所述第一导电迹线由ITO组成。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的模块，其中所述第一导电迹线设置在所述光学组件的背离所述光源的表面上。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的模块，其中所述光学光源包括光学漫射器。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的模块，其中所述光源包括VCSEL。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的模块，其中所述光源包括VCSEL阵列。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的模块，其中所述第一导电迹线电耦合到设置在所述模块的第一侧的第一电触点，所述第一侧与所述模块的第二侧相对，来自所述光源的光被布置为通过所述第二侧射出。
9.根据权利要求8所述的模块，其中所述第一导电迹线电耦合到邻近所述模块的所述第二侧设置的第二电触点，其中所述第二电触点通过沿着所述外壳的外侧壁延伸的引线电耦合到所述第一电触点。
10.根据权利要求8所述的模块，其中所述第一导电迹线电耦合到邻近所述模块的所述第二侧设置的第二电触点，其中所述第二电触点通过延伸穿过所述外壳的侧壁的引线电耦合到所述第一电触点。
11.根据权利要求1中任一项所述的模块，包括在所述光学组件的所述表面上的第二导电迹线。
12.根据权利要求11所述的模块，其中所述第一导电迹线和所述第二导电迹线彼此电容耦合。
13.根据权利要求11所述的模块，其中所述第一导电迹线和所述第二导电迹线中的每一个电耦合到设置在所述模块的第一侧的相应电触点，所述第一侧与所述模块的第二侧相对，来自所述光源的光被布置为通过所述第二侧射出。
14.根据权利要求11所述的模块，其中所述第一导电迹线和所述第二导电迹线中的每一个电耦合到设置在所述模块的第一侧的相应的一对电触点，所述第一侧与所述模块的第二侧相对，来自所述光源的光被布置为通过所述第二侧射出。
15.一种装置，包括:
光源，所述光源能够操作以产生具有波长的光；
光学组件，所述光学组件设置在所述光源上，以便与所述光源产生的光的路径相交；以及
至少一个导电迹线，所述至少一个导电迹线在所述光学组件的表面上；和
驱动控制器，所述驱动控制器能够操作以调节所述光源的光输出功率，
其中所述至少一个导电迹线电耦合到所述驱动控制器，所述驱动控制器能够操作以:
监测所述至少一个导电迹线的电特性，以及
如果所述电特性的值变化超过阈值量或者超出指定范围，则降低所述光源的所述光输出功率。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，如果所述电特性的值变化超过所述阈值量或者超出所述指定范围，则所述驱动控制器能够操作以关闭所述光源的所述光输出功率。
17.根据权利要求15-16中任一项所述的装置，其中所述电特性包括电阻或电流中的至少一个。
18.根据权利要求15所述的装置，其中所述至少一个导电迹线包括第一导电迹线和第二导电迹线，所述第一导电迹线和所述第二导电迹线彼此电容耦合。
19.根据权利要求18所述的装置，其中所述电特性包括电容。
20.根据权利要求15-19中任一项所述的装置，包括印刷电路板，其中容纳所述光源的模块被电安装到所述印刷电路板，所述驱动控制器也被电安装到所述印刷电路板。
21.根据权利要求20所述的装置，其中，所述印刷电路板设置在便携式计算设备中。
22.根据权利要求20所述的装置，其中，所述印刷电路板设置在智能电话中。
23.一种装置，包括:
光源，所述光源能够操作以产生具有波长的光；
光学组件，所述光学组件设置在所述光源上，以便与所述光源产生的光的路径相交；和
至少一个导电迹线，所述至少一个导电迹线在所述光学组件的表面上；以及
驱动控制器，所述驱动控制器能够操作以调节所述光源的光输出功率，
其中所述至少一个导电迹线电耦合到所述驱动控制器，所述驱动控制器能够操作以：
监测所述至少一个导电迹线的电特性，以及
如果所述电特性的值指示可能的眼睛安全性危险，则降低所述光源的所述光输出功率。
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