CN113677933A - 照明系统的安全联锁系统 - Google Patents

Abstract

一种照明系统(200)包括照明设备(202)；光学元件(206)，其被定位成接收来自照明设备(202)的光(208)；透明材料层(210)，布置在光学元件(206)上，并被定位成接收来自照明设备(202)的光(208)；以及联锁电路(220)，其被配置为测量透明材料层(210)的电阻率，并基于测量的电阻率控制照明设备(202)的操作。

Description

照明系统的安全联锁系统

背景技术

三维(3-D)感测可以用于广泛的应用，包括面部识别。三维感测系统可以包括高功率照明设备，例如激光器。

发明内容

在一个方面，照明系统包括照明设备；定位成接收来自照明设备的光的光学元件；透明材料层，其布置在光学元件上，并定位成接收来自照明设备的光；以及联锁电路，其被配置为测量透明材料层的电阻率，并基于所测量的电阻率来控制照明设备的操作。

实施例可以包括一个或多个以下特征。

透明材料层包括对来自照明设备的光的波长具有非零吸收的材料。

透明材料层包括布置在光学元件表面上的透明材料膜。

联锁电路被配置为当测量的电阻率不满足安全标准时关闭照明设备。

联锁电路被配置为与照明设备的调制频率同步地测量透明材料层的电阻率。联锁电路被配置为实施锁定解调。联锁电路被配置为当测量的电阻率与照明设备的调制频率不同步时关闭照明设备。

透明材料层具有足以包围照明设备的整个照明区域的横向范围。透明材料层在照明设备的整个照明区域上具有基本均匀的厚度。

照明系统包括透明材料的参考层，其被定位成不接收来自照明设备的光；以及参考电路，被配置为测量透明材料的参考层的电阻率。

透明材料包括导电材料或掺杂的半导体材料。

导电材料层包括氧化铟锡(ITO)。

照明设备包括激光器，例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)。

光学元件包括透镜。

光学元件包括漫射器。

在一个方面，移动通信设备包括照明系统，该照明系统包括任何一个或多个前述特征。

在一个方面，一种方法包括操作照明设备来照射光学元件，包括照明布置在光学元件上的透明材料层；通过联锁电路测量透明材料层的电阻率；以及基于所测量的透明材料层的电阻率来控制照明设备的操作。

实施例可以包括一个或多个以下特征。

控制照明设备的操作包括当测量的电阻率不满足安全标准时关闭照明设备。控制照明设备的操作包括当测量的电阻率落在允许的值范围之外时关闭照明设备。

测量透明材料层的电阻率包括与照明设备的调制频率同步地测量透明材料层的电阻率。与照明设备的调制频率同步地测量透明材料层的电阻率包括实施锁定解调。控制照明设备的操作包括当测量的电阻率与照明设备的调制频率不同步时关闭照明设备。

该方法包括测量透明材料的参考层的电阻率，该参考层没有被照明设备照明。该方法包括基于所测量的透明材料层的电阻率和所测量的参考层的电阻率之间的比较来控制照明设备的操作。该方法包括基于所测量的透明材料层或参考层的电阻率不满足安全标准来控制照明设备的操作。

这里描述的方法可以具有以下一个或多个优点。照明系统具有联锁能力，可以降低系统使用者眼睛受损的风险。这里描述的联锁电路对噪声具有鲁棒性，并且对交流和直流信号具有高灵敏度，使得能够对调制照明源和照明系统的光学元件的结构完整性进行安全监控。联锁电路依赖于覆盖整个照明区域的感测层。这些层具有最小的光学影响，并且通常可以简单且廉价地制造。

在附图和下面的描述中阐述了一个或多个实现方式的细节。从说明书和附图以及权利要求中，其他特征和优点将显而易见。

附图说明

图1是移动设备的示意图。

图2A和2B是照明系统的示意图。

图3是图2的照明系统的框图。

图4是照明系统的示意图。

图5是图4的照明系统的框图。

图6是图4的照明系统的电路概念图。

图7是图4的照明系统的状态机图。

图8是流程图。

具体实施方式

我们在此描述照明系统的联锁系统，例如用于三维感测应用或增强现实系统的照明系统。联锁系统能够检测照明系统中的故障或结构损坏的指示，并响应于这种检测而关闭照明设备，从而减轻否则可能由这种故障或结构损坏引起的眼睛损伤的风险。

参考图1，移动设备100可以结合三维感测系统110，例如，用于对设备的用户104的面部识别。三维感测系统110采用照明设备102，其可以是高功率照明设备，例如激光器。在一些情况下，用发射高功率照明(例如激光束)的照明设备102来照射移动设备100的用户104的面部会对例如用户的眼睛造成安全隐患。例如，照明设备的故障或封装照明设备的模块(例如，诸如漫射器的光学元件)中的结构缺陷会导致照明设备存在安全隐患。

为了减轻损伤的风险，例如眼睛损伤，三维感测系统110结合了联锁系统112。联锁系统112可以实时感测照明设备102的故障指示和照明路径中光学元件的结构损坏指示。响应于感测到这样的指示，联锁系统112可以关闭照明设备102，减少由于照明设备102或其相关光学元件的故障或损坏而导致眼睛损伤的可能性。

在图1的示例中，照明设备102是面向前方的照明设备，其在移动设备100的前方方向(例如，具有显示屏106的一侧)进行照明。在一些示例中，照明设备可以是面向世界的照明设备，其在移动设备100的背面方向(例如，与正面相对的一侧)进行照明。

参考图2A，示例照明系统200包括照明设备202，例如激光二极管、垂直腔面发射激光器(VSCEL)、另一种类型的激光器或另一种类型的照明设备。在图2的示例中，照明设备202布置在基板204上，例如印刷电路板基板。在一些示例中，照明设备202可以集成到基板中，例如集成电路基板。照明设备202可以是以调制频率发射光的调制照明设备，例如用于三维成像应用，例如飞行时间成像。

照明系统200包括光学元件206，其被定位成接收来自照明设备202的光，例如，被定位在由照明设备202发射的光束208的路径中。光学元件206可以是例如透镜、衍射元件或另一种类型的光学元件。感测层210布置在光学元件206上，并被定位成接收来自照明设备202的光，例如，定位在光束208的路径中。还参考图2B，感测层210是形成在光学元件206的表面上的连续的无图案的膜。感测层210的横向范围足以部分或全部包围光学元件206的、落在光束208的路径内的区域(我们有时将该区域称为照明场)。感测层210可以在整个照明区域内具有基本均匀的厚度，例如，在整个照明区域内变化小于约25％、小于约20％、小于约10％、小于约5％或小于约1％的厚度。通过覆盖整个照明区域，层210对光束208的光学影响最小，例如，该层的均匀薄膜不包括提供折射率水平变化的图案或形状，这种变化会给光束路径带来复杂性。均匀层210通常也容易制造，例如，不需要图案化和平板印刷处理。

感测层210是导电材料，其对于照明设备202发射的光的波长是透明的，但是在该波长具有小的但非零的吸收。所谓在给定波长下透明，我们指的是至少透射该波长的一些光的材料，例如该波长的光的50％以上，例如80％以上、85％以上、90％以上、95％以上、98％以上或99％以上。例如，感测层210可以是高掺杂半导体，例如氧化铟锡(ITO)。ITO在低于其带隙(约4eV)的能量下的吸收接近零但不完全为零。由于感测层210的小但非零的吸收，当感测层210被照射时，例如用来自照明设备202的光照射时，感测层210的电阻率将改变。

因为感测层210的电阻率随着照明而变化，所以感测层210可以用作照明设备202的功能的指示。当被照射时，感测层210的电阻率被称为感测层的被照射电阻率；当感测层210未被照射时的电阻率被称为未被照射的电阻率。感测层210的照明电阻率可以指示由照明设备202发射的照明的功率。照射和未被照射的电阻率之间电阻率变化的频率(例如，交流(AC)信号)可以指示照明设备202的调制频率。感测层210的电阻率未能满足安全标准(在下文中更详细地描述)，例如与电阻率的值或频率相关的安全标准，可以指示照明设备202的可能故障。为了提高安全性，例如保护结合了照明设备202的设备的用户的眼睛，可以基于感测层210的测量的电阻率来控制照明设备202。例如，当感测层210的测量的电阻率不满足安全标准时，可以关闭照明设备202。

照明系统200的联锁电路220被配置为测量感测层210的电阻率，并基于测量的电阻率控制照明设备202的操作。联锁电路220可以例如使用锁定解调技术，与照明设备202的调制频率同步地测量感测层210的电阻率的变化。联锁电路220包括将感测层210电连接到基板204上的相应电触点224a、224b的电连接222a、222b。电触点224a、224b又连接到电路，例如在基板204上或基板204中或其它地方，用于执行联锁功能。例如，电触点224a、224b可以是形成在集成电路表面上的焊盘。

联锁电路220是安全电路，当感测层210的测量的电阻率不满足安全标准时，其可以关闭照明设备202。在一些示例中，安全标准可以是阈值电阻率，使得当测量的电阻率超过阈值或低于阈值时，测量的电阻率不满足安全标准。在一些示例中，安全标准可以是电阻率范围，使得当测量的电阻率落在电阻率范围之外时，测量的电阻率不满足安全标准。在一些示例中，安全标准可以是电阻率与照明设备202的调制频率的同步，使得当测量的电阻率的变化与照明设备202的调制频率不同步时，测量的电阻率不满足安全标准。

通过在感测层210的测量的电阻率不满足安全标准时关闭照明设备202，可以减轻潜在的安全隐患。例如，如果测量的电阻率指示照明设备202的故障，例如，以过高功率发射光或连续发射高功率光，则关闭照明设备202可以防止该光对结合了照明系统200的设备的用户的眼睛造成伤害的可能性。

除了指示照明设备202的功能之外，感测层210的电阻率还可以指示光学元件206的结构完整性。例如，如果光学元件206破裂或断裂，感测层210本身将破裂或断裂，这导致感测层的电导率(以及因此的电阻率)的变化。光学元件206中的裂纹或断裂会造成眼睛安全隐患。例如，对于包括漫射体的光学元件206，裂纹或断裂可以允许直接的高功率光从照明系统200中逸出。这种故障可以被检测为感测层210的电阻率的恒定变化(例如，直流(DC)信号的变化)。当测得的电阻率未能满足安全标准时，关闭照明设备202可以例如防止直射光从照明系统200逸出，从而防止该直射光对眼睛造成伤害的可能性。

感测层210的电阻率的同步锁定检测使得电阻率信号能够以照明光的调制频率被读出。这种同步使得检测方案通常对噪声鲁棒，例如，由于锁定检测方法的带宽减少。例如，照明设备202可以在非常短的脉冲中，例如在大于100MHz的调制频率下，由大电流，例如高达3A的电流驱动。这种环境会因电磁干扰而产生噪声。通过检测方案和照明调制之间的同步，可以减少或消除这种噪声的影响，实现交流和直流电阻率信号的高灵敏度测量。

此外，感测层210仅对激光的调制频率(即，照明光的波长)敏感，激光是要被检测以确保眼睛安全的信号。

在一些示例中，感测层210的电阻率可以随着时间被监测，例如，以监测照明设备202的漂移或退化。例如，感测层210的电阻率随时间的微小变化可累积成与初始电阻率210的较大差异，这可指示照明设备202的发展漂移、退化或故障。

图3是照明系统200的操作的框图。照明设备202照射无源光学元件206，例如漫射器或透镜，以及布置在光学元件206上的感测层210。来自照明设备202的穿过光学元件206和感测层210的光302照射目标304，例如光学系统或自由空间，例如移动设备的外部。

联锁电路220从感测层210接收信号308，处理该信号308，并基于来自感测层210的信号308向照明设备202提供控制信号309。如这里所描述的，信号308是感测层210的电阻率。在一些示例中，感测层210的其他属性可以用作信号308，例如感测层210的电容或感测层210的光敏性。

来自感测层210的信号308由锁定感测单元310感测。例如，锁定感测单元310可以通过锁定感测单元310和激光驱动器312之间的电连接，与照明设备202的调制操作同步地监控信号308。控制器单元314基于来自感测层210的已检测的信号308控制锁定感测单元310和激光驱动器312的操作。例如，控制器单元314确定信号308是否满足安全标准，并且如果不满足安全标准，则关闭照明设备202的操作。

参考图4，示例照明系统400包括图2A-2B的感测层210和联锁电路220，和参考电路420。参考电路420被配置为测量形成在光学元件206上的参考层410的电阻率。参考层410是导电材料，其对于照明设备202发射的光的波长是透明的，但是在该波长具有小的但非零的吸收。例如，参考层410可以是高掺杂半导体，例如ITO。在一些示例中，参考层410由与感测层210相同的材料形成。

参考层410布置在光学元件206上，使得参考层410不在光束208的路径中，这意味着即使当照明设备202发射光时，参考层410也不被照射。

参考电路420包括电连接422a、422b，其将参考层410电连接到相应的电触点424a、424b。电触点424a、424b可以与联锁电路220的电触点224a、224b在同一基板204上(如图4所示)，或者可以形成在不同的基板上。参考电路420的电触点424a、424b连接到联锁电路220。

参考电路420可以帮助补偿照明系统400中的温度漂移。例如，ITO电阻率的温度系数约为每摄氏度2E-4，这可能导致在消费电子产品的典型温度范围内(例如，在大约-20℃到大约80℃的范围内)读出感测层210的电阻率的挑战。在同一光学元件206上存在未被照射的参考层410可以有助于解决温度漂移，例如，通过为电阻率测量提供稳定的“暗”参考。此外，参考电路420引入冗余，例如用于检查DC电阻率测量。例如，参考电路420的电阻率可以是光学元件206的结构完整性的指示。

图5是照明系统400的操作的框图。在照明系统400中，照明设备202照射无源光学元件206和布置在光学元件206上的感测层210。然而，照明设备202不照射也布置在光学元件206上的参考层410。

联锁电路420接收来自感测层210的信号308和来自参考层410的信号508，处理两个信号308、508，并基于信号308、508向照明设备202提供控制信号509。如这里所描述的，信号308、508是感测层210和参考层410的电阻率。在一些示例中，感测层210和参考层410的其他属性可以用作信号308、508，例如感测层210和参考层410的电容或光敏性。

来自感测层210和参考层410的信号308、508由锁定感测单元510感测。例如，锁定感测单元510可以通过锁定感测单元510和激光驱动器512之间的电连接，与照明设备202的调制照明同步地至少监控来自感测层210的信号308。在一些示例中，锁定感测单元510还可以与照明设备202的调制照明同步地监控来自参考层410的信号508，例如，以减少带宽并增强对噪声的鲁棒性。

控制器单元514基于来自感测层210和参考层410的已检测的信号308、508来控制锁定感测单元510和激光驱动器512的操作。例如，控制器单元514确定信号308、508中的一个或两个是否满足安全标准，并且如果不满足安全标准，则关闭照明设备202的操作。在一些示例中，控制器单元514基于来自感测层210的信号308和照明设备202的调制照明之间的同步来控制照明设备202的操作，例如，其中安全标准是信号308和照明的调制频率之间的同步。在一些示例中，控制器单元514基于来自感测层210的信号308和来自参考层410的信号508之间的比较来控制照明设备202的操作，例如，使用来自参考层410的信号508来减少漂移或噪声对来自感测层210的信号308的影响。例如，控制器单元514可以基于满足安全标准的比较结果来控制照明设备202的操作。在一些示例中，控制器单元514基于来自感测层210的信号308或者来自满足安全标准的参考层410的信号508来控制照明设备202的操作，例如，使用参考层410作为冗余感测系统。

图6是照明系统400的电路概念图，其中参考电路420用于提供稳定的参考，例如考虑漂移。还参考图4，包括感测层210的联锁电路220由方框602表示。包括参考层410的参考电路420由方框604表示。从联锁电路220获得电阻率信号606。漂移发生在联锁电路220和参考电路420中，例如，由于温度波动、老化或其他原因，并且引起两个电路220、420的阻抗608、610的变化。使用参考电路420的阻抗610的变化来消除联锁电路220的阻抗608的变化的影响，有用信号(电阻率信号606)可以与噪声和漂移效应隔离。例如，感测层210的电阻率可以与参考层410的电阻率进行比较，以消除漂移的影响。比较的结果，例如指示照明设备202的性能的感测层210的电阻率，可以用于控制照明设备202的操作。

图7是说明参考电路420作为光学元件206的结构完整性的冗余指示的作用的状态机图。还参考图4，在第一状态700中，由联锁电路220检测到的感测层210的直流电阻率和由参考电路420检测到的参考层410的直流电阻率都满足安全标准，例如，落在目标范围内或满足阈值。在该第一状态700中，感测层210和参考层410中的每一个的电阻率指示光学元件206在结构上是可靠的，并且照明设备400的操作没有改变。

在第二状态702中，感测层210的直流电阻率和参考层410的直流电阻率都不满足安全标准，例如，落在目标范围之外或不满足阈值。在该第二状态702中，两个电阻率值都指示光学元件206的潜在结构问题，并且照明设备的操作终止。

第三和第四状态704、706说明了冗余感测电路的价值。在第三状态704中，感测层210的直流电阻率不满足安全标准，而参考层410的直流电阻率满足安全标准。在第四状态706中，感测层210的直流电阻率满足安全标准，而参考层410的直流电阻率不满足安全标准。在第三和第四状态704、706中，冗余决定了一个故障足以指示光学元件206的潜在结构问题，并且照明设备的操作终止。

图8是用于操作照明系统的方法的流程图。操作照明设备来照射布置在光学元件(800)上的透明材料层。透明材料层的电阻率由联锁电路(802)测量，例如，与照明设备的调制频率同步测量。例如，电阻率可以通过实施锁定解调来测量。在一些示例中，透明层的参考层的电阻率也由参考联锁电路测量，其中参考层不被照明设备照射(804)。

基于所测量的透明材料层的电阻率来控制照明设备的操作(806)。在一些示例中，当测量的电阻率不满足安全标准时，例如，当测量的电阻率落在允许的值范围之外或者高于或低于阈值时，可以关闭照明设备。在一些示例中，当测量的电阻率与照明设备的调制频率不同步时，可以关闭照明设备。在一些示例中，可以基于所测量的透明材料层的电阻率和所测量的参考层的电阻率之间的比较来控制照明设备的操作。

这里描述的照明系统可以在移动设备中实现(例如，如图1所示)，例如面向前或面向世界的照明器。例如，这里描述的照明系统可以结合到移动设备中的三维感测系统中，例如飞行时间、模式或立体感测系统。这里描述的照明系统可以结合到增强现实系统中，例如，用于诸如游戏、工业应用、教育应用或汽车应用(例如，驾驶员监控)的应用。这里描述的照明系统可以结合到其他系统中，例如飞行时间或红外成像系统，例如基于汽车的系统、安全系统、面部或姿势识别系统、工业控制系统、机器人系统、农业系统或各种其他类型的系统。一般来说，这里描述的照明系统可以结合到使用高功率直接照明的系统中，以增强这种系统中的眼睛安全性。

已经描述了多个实施例。然而，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。例如，上面描述的一些步骤可以是顺序无关的，因此可以以不同于所描述的顺序来执行。

其他实施方式也在所附权利要求的范围内。

Claims (26)

1.一种照明系统，包括:

照明设备；

定位成接收来自所述照明设备的光的光学元件；

透明材料层，其布置在所述光学元件上，并且被定位成接收来自所述照明设备的光；和

联锁电路，其被配置为测量所述透明材料层的电阻率，并且基于测量的电阻率控制所述照明设备的操作。

2.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述透明材料层包括在来自所述照明设备的光的波长下具有非零吸收的材料。

3.根据权利要求1或2所述的照明系统，其中所述透明材料层包括布置在所述光学元件表面上的透明材料膜。

4.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中，所述联锁电路被配置为当所测量的电阻率不满足安全标准时关闭所述照明设备。

5.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中所述联锁电路被配置为与所述照明设备的调制频率同步地测量所述透明材料层的电阻率。

6.根据权利要求5所述的照明系统，其中所述联锁电路被配置为实施锁定解调。

7.根据权利要求5或6所述的照明系统，其中，所述联锁电路被配置为当所测量的电阻率与所述照明设备的调制频率不同步时，关闭所述照明设备。

8.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中所述透明材料层具有足以包围所述照明设备的整个照明区域的横向范围。

9.根据权利要求8所述的照明系统，其中所述透明材料层在所述照明设备的整个照明区域上具有基本均匀的厚度。

10.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，包括:

透明材料的参考层，其被定位成不接收来自所述照明设备的光；和

参考电路，其被配置为测量所述透明材料的参考层的电阻率。

11.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中透明材料包括导电材料或掺杂半导体材料。

12.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中所述导电材料的层包括氧化铟锡(ITO)。

13.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中所述照明设备包括激光器。

14.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中所述照明设备包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)。

15.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中所述光学元件包括透镜。

16.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中所述光学元件包括漫射器。

17.一种移动通信设备，包括前述权利要求中任一项所述的照明系统。

18.一种方法，包括:

操作照明设备以照射光学元件，包括

照明布置在光学元件上的透明材料层；和

通过联锁电路测量所述透明材料层的电阻率；和

基于所测量的透明材料层的电阻率来控制照明设备的操作。

19.根据权利要求18所述的方法，其中控制照明设备的操作包括当所测量的电阻率不满足安全标准时关闭所述照明设备。

20.根据权利要求19所述的方法，其中控制所述照明设备的操作包括当所测量的电阻率落在允许的值范围之外时关闭所述照明设备。

21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其中测量透明材料层的电阻率包括与所述照明设备的调制频率同步地测量所述透明材料层的电阻率。

22.根据权利要求21所述的方法，其中与所述照明设备的调制频率同步地测量所述透明材料层的电阻率包括实施锁定解调。

23.根据权利要求21或22所述的方法，其中控制照明设备的操作包括当所测量的电阻率与所述照明设备的调制频率不同步时关闭所述照明设备。

24.根据权利要求18至23中任一项所述的方法，包括测量透明材料的参考层的电阻率，所述参考层未被所述照明设备照射。

25.根据权利要求24所述的方法，包括基于所测量的透明材料层的电阻率和所测量的参考层的电阻率之间的比较来控制所述照明设备的操作。

26.根据权利要求24或25所述的方法，包括基于所测量的透明材料层或参考层的电阻率不满足安全标准来控制所述照明设备的操作。

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