CN207798379U - 一种监测光学元件完整性的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种监测光学元件完整性的装置，包括光源、光学元件、第一光束传感器、第二光束传感器和控制电路；所述光学元件接收所述光源发出的光束：所述第一光束传感器的位置靠近所述光学元件，并且其光束接收端面正对所述光学元件的纵向端面，以接收所述光学元件调制后的光束以及第一环境光束；所述第二光束传感器用于接收第二环境光束；所述控制电路分别与所述光源、第一光束传感器、第二光束传感器电连接。本实用新型为光学元件完整性的监测装置避免过强环境光束的干扰、提高监测精准度提供了硬件基础。

Description

一种监测光学元件完整性的装置

技术领域

本实用新型涉及光学及光电子学领域，尤其涉及一种监测光学元件完整性的装置。

背景技术

衍射光学元件(DOE)具有高衍射效率且可以实现诸如分束、准直等多种光学功能，另外由于其体积小便于集成，因此被广泛应用于光束整形、光学成像等领域。在3D成像领域，DOE常被用于生成编码或结构化光束，例如，基于激光源、透镜以及DOE组成的投影模组可以生成条纹、二维图案以及斑点等编码或结构图案化光束。

DOE作为投影模组的核心部件，其完整性直接决定着投影模组的工作性能及安全指数。然而，在极端的工作环境、温度下，DOE难免会出现损坏、老化的问题；此外，人为的磕碰、跌撞也是加速DOE的重要因素。损坏的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。

为了避免因DOE老化、损坏而诱发激光安全问题，一般会使用光束传感器监测由DOE纵向端面出射的衍射光束的能量变化，以评价DOE的完整性。这里的衍射光束指的是，光源发射的光束经DOE衍射后，在DOE内部发生多次全反射后从纵向端面出射的高阶衍射光束和/或零级衍射光束。然而，在实际的应用中，能量更强的环境光束可以直接逆向进入DOE内部，并通过多次全反射由DOE的纵向端面射向光束传感器的光束接收面，从而导致能量微弱的衍射光束直接湮灭在能量更强的环境光束中。换而言之，能量过强的环境光束有可能会干扰光束传感器对DOE完整性的判断。

发明内容

本实用新型的目的是为光学元件完整性的监测装置避免过强环境光束的干扰、提高监测精准度提供硬件基础，提出一种监测光学元件完整性的装置。

本实用新型的监测光学元件完整性的装置，包括光源、光学元件、第一光束传感器、第二光束传感器和控制电路；所述光学元件接收所述光源发出的光束：所述第一光束传感器的位置靠近所述光学元件，并且其光束接收端面正对所述光学元件的纵向端面，以接收所述光学元件调制后的光束以及第一环境光束；所述第二光束传感器用于接收第二环境光束；所述控制电路分别与所述光源、第一光束传感器、第二光束传感器电连接。

在优选的实施方式中，所述光学元件包括折射光学元件、反射光学元件、衍射光学元件、偏振光学元件、透镜光学元件、相移光学元件中的一种或多种组合。

在优选的实施方式中，所述第二光束传感器的数量为2个以上，用于接收多个方向的所述第二环境光束，以提高捕捉所述第二环境光束的精确率。

在优选的实施方式中，所述光源是垂直共振腔表面发射的激光器，或者是平行共振腔表面的边发射激光器，用于向外发射红外和/或紫外光束。在优选的实施方式中，所述光源是二维的VCSEL阵列芯片，所述VCSEL阵列芯片中包括至少一个VCSEL光源，能够向外投射波长为830nm或者940nm的红外光束，并且所述VCSEL阵列芯片是裸片或者是经过封装处理的芯片。

在优选的实施方式中，所述光学元件的纵向端面和/或所述第一光束传感器的光束接收面上涂覆有一层光学胶水，以提高所述第一光束传感器捕获光束的效率。

在优选的实施方式中，所述第二光束传感器的光束接收面设置在背对所述光源的一侧。

在优选的实施方式中，所述控制电路包括逻辑运算模块、光源控制模块，或者还包括CPU/单片机、寄存器，并且所述控制电路通过金属导线与光源、第一光束传感器、第二光束传感器电连接。

在优选的实施方式中，所述控制电路与所述光源集成在一块电路板中，或者所述控制电路与所述光源分立设置。

在优选的实施方式中，所述第一光束传感器和/或第二光束传感器是光电二极管、感光元器件、图像传感器中的一种或多种组合。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果有：

本实用新型的监测光学元件完整性的装置，除了在光学元件的纵向端面设置有第一光束传感器外，还设置有一个或多个第二光束传感器，以分别获取由光学元件纵向端面出射的光束能量强度以及环境光束能量强度，为光学元件完整性的监测装置避免过强环境光束的干扰、提高监测精准度提供了硬件基础。

附图说明

图1是现有技术中含有DOE监测功能的投影模组结构示意图。

图2是本实用新型一种实施例的监测光学元件完整性的投影模组结构示意图。

图3是本实用新型一种实施例的监测手机深度相机中DOE完整性的装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本实用新型做进一步详细说明。其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

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是现有技术中含有DOE监测功能的投影模组结构示意图。一般地，投影模组100包括光源10、透镜系统20、DOE30、光束传感器40以及控制电路50。其中，光源10发射的光束经透镜系统20汇聚、准直后，射向DOE30；DOE30再将入射的光束衍射为图案化光束，投向目标空间。其中，光束传感器40设置在DOE30的纵向端面附近，用于监测由DOE30纵向端面出射的光束的能量变化，以生成相应的电信号并传输至控制电路50中；控制电路50，通过对比、分析所述电信号与预设的电信号安全阈值区间的关系，判断DOE的完整性及控制光源10的发光状态。

可以理解的是，在忽略环境光束因素时，光束传感器40获取的光束主要包括：高阶衍射光束、零级衍射光束、折射光束中的一种或多种组合。具体地，由于DOE30刻蚀或浮雕有衍射图样，因此在衍射图样的表面，入射的光束会发生衍射和/或折射效应，或者还会发生反射效应。其中，衍射和/折射光束可以以任意角度在DOE30内部传输。又由于DOE30的密度大于空气密度，因此存在小部分方向角大于DOE30光束出射临界角的衍射光束和/或折射光束(仅以光束11示意性表示该部分衍射光束和/或折射光束)保留在DOE30的内部，并经过多次的全反射，从DOE30的纵向端面射出，进入光束传感器40的光束接收面内。基于光束传感器获取的光束信息，理论上可以有效地判断DOE40的完整性。因为当DOE出现变形、损坏时，必然会改变DOE的衍射光束的能力，从而改变从DOE纵向端面出射的光束的能量强度。

然而，在实际应用中，环境光束因素是不可忽略的，因为环境光束60可以由投影模组100的光束出射横向端面进入DOE30内部，并在DOE30内部发生全反射(仅以环境光束61示意性地表示入射并在DOE30内发生全反射的部分环境光束)。相似地，环境光束61也可以通过多次全反射，从DOE30的纵向端面出射，进入光束传感器40的光束接收面内。此外，在一些其他的情况中，环境光束60也可以直接从光束传感器40与DOE之间的缝隙进入光束传感器40的光束接收面内。可以理解的，环境光束60的能量(尤其在室外)往往远大于光源10所发射的光束的能量，因此环境光束60或环境光束61有可能会直接湮灭能量相对微弱的高阶衍射光束/零级衍射光束和/或折射光束(光束11)，从而导致光束传感器40无法直接、准确地判断DOE的完整性。为了便于理解，将图1所示的投影模组中的光束传感器40定义为第一光束传感器，将进入该第一光束传感器光束接收面的环境光束定义为第一环境光束。

为了进一步完善光束传感器对DOE完整性的监测，图2是根据本实用新型实施例的一种投影模组结构示意图。该实施例中，投影模组200包括，光源10、透镜系统20、DOE30、第一光束传感器40、第二光束传感器41以及控制电路51。相似地，投影模组200投射图案化光束的方式以及设置第一光束传感器40方式与图1投影模组100基本相同，此处不再重复叙述。区别在于，投影模组200还设置有一个或多个第二光束传感器41，用于接收环境光束60，以生成相关的电信号通过金属导线传输至控制电路51中。为了便于理解，将进入第二光束传感器41光束接收面的环境光束定义为第二环境光束。本质地，由于封装后的投影模组，其各个光学元件以及第一、第二光束传感器的位置相对固定，因此第二环境光束与第一环境光束之间满足一定的比例关系，控制电路51通过该比例关系以及第一、第二光束传感器所采集到的光强度进行逻辑运算，能够避免过强环境光束的干扰、准确判断出DOE30的完整性，并相应控制光源10的发光状态。控制光源10的发光状态，具体可以降低光源10的发光功率或关闭光源10。在一些实施例中，控制电路51还可以发出相关风险提示，例如发出相关的警示声音或者警示灯光。

进一步地，根据本实用新型实施例提及的光学投影模组。光源10一般固定在基底上，并向外发射光束。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，用于向外发射红外、紫外等波长的光束。在一些实施例中，光源10还可以是二维的VCSEL芯片，该芯片包括至少一个VCSEL光源，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是经过封装处理的芯片，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。需要说明的是，本实用新型中所采用的光源，并不限定是激光光源，因为只要光源所射出的光束能量超过一定值，其相关的光学元件一旦损坏，均可能存在安全问题。

透镜系统20一般内嵌于镜座内部，接收并汇聚光源10发射的光束，在一些实施例中，向外投射平行光束。透镜系统20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。加工透镜20的材料可以是透明玻璃基板，也可以是树脂基板或者塑料基板。

DOE30由玻璃或塑料透明基板加工而成，刻蚀或浮雕有衍射图样，接收、分束经过透镜系统20汇聚后的光束，以向外投射能量分布均匀、对比度高的图案化光束。当光源10包括多个子光源时，DOE30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。在一些实施方式中，DOE30可以包括两块或者两块以上的透明基板，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。

第一光束传感器40、第二光束传感器41可以是光电二极管、感光元器件、图像传感器中的一种或多种组合。一种实施例中，第一光束传感器40设置在DOE30的纵向端面附近，并将其光束接收端面对准DOE30的纵向端面，用于接收由DOE30纵向端面出射的光束。进一步地，为了提高光束传感器40捕获光束的效率，还会在DOE30的纵向端面和/或光束传感器40的光束接收面上涂覆一层光学胶水。第二光束传感器41设置在第一光束传感器40的上方，紧靠第一光束传感器，其光束接收面可以朝向任意方位，用于接收当前的环境光束。可以理解的是，第二光束传感器41应当仅用于接收环境光束，因此，第二光束传感器41的光束接收面应当充分考虑其对环境光束的接收效果，比如，如图2所示，第二光束传感器的光束接收面可以背对光源10设置。在一些等效的实施例中，第二光束传感器41、DOE30以及第一光束传感器40可以设置在同一水平基线上，并且第二光束传感器41的光束接收面朝上设置(这里的朝上设置指的是第二光束传感器的接收面背对光源10设置)，以便更好接收环境光束。在一些其他可替代的实施例中，在第一光束传感器40附件或其他可行位置设置有多个第二光束传感器41，以便更准确的监测不同方位角的环境光束的强度。比如，可以统计平分多个第二光束传感器41监测到的环境光束的能量强度，以获得一个相对更接近实际环境光束强度的均值。需要理解的是，上述所列举的第一、第二光束传感器的设置方式仅用于示意说明，不能理解为对本实用新型的限定，具体的设置方式可以根据实际情况做出相应调整。

控制电路51包括，逻辑运算模块、光源控制模块，或者还包括CPU/单片机、寄存器等元器件，通过金属导线与光源、第一光束传感器、第二光束传感器电连接，可以实现简单的逻辑运算，比如，加、减、乘、除等功能，并根据运算结果生成相关控制操作指令，实现控制相关元件工作状态的功能，比如，关闭光源或者降低光源的发光功率。在一些等效实施例中，逻辑运算模块、光源控制模块也可以使用逻辑运算电路、光源控制电路替代。控制电路51可以通过芯片加工工艺，嵌入到光源11所在的刚性PCB电路板中，也可以以独立的模块，与PCB电路板分立设置。

根据图2所示实施例的提及的DOE完整性监测装置，同样可以应用于手机所集成的深度相机的DOE完整性监测。具体地，参阅图3，该手机深度相机300包括，投影模组100、图像采集模组70以及环境光束监测装置42。其中，投影模组100即是指图1所示实施例中的投影模组，此处不再重复叙述；图像采集模组70，用于采集投影模组100所投射的图案化光束，为CPU提供经过目标物体调制后的光图案，以便CPU获取目标物体的深度信息；环境光束监测装置42，一般为手机内置的环境光束监测装置，用于实时监测环境光束的强度，并将获取的强度信号传输至手机的处理器中，以便处理器根据环境光束的强弱动态调节手机屏幕的亮度。

一种实施例中，投影模组100、环境光束监测装置42与图像采集模组70设置在同一基准的平面内，并通过金属导线接入手机内置的CPU中。针对投影模组100中DOE的完整性监测，其过程类似于图2所示的实施例。区别在于，环境光束监测装置42独立内置于手机中，用于直接获取环境光束的能量强度。手机CPU结合第一、第二光束传感器所采集到的光强度进行并逻辑运算，能够实现对集成于手机深度相机中投影模组的DOE的完整性进行精准监测，避免过强的环境光束对DOE完整性监测的干扰。

区别于传统的技术方案，本实用新型提及的DOE完整性监测装置，其有益效果为：除了在DOE的纵向端面设置有第一光束传感器外，还设置有一个或多个第二光束传感器，以分别获取由DOE纵向端面出射的光束能量强度以及环境光束能量强度，控制电路根据第一、第二光束传感器所采集到的光强度并进行逻辑运算，能够避免过强环境光束的干扰、准确判断出DOE的完整性，并相应控制光源的发光状态。此外，本实用新型的DOE完整性监测装置还可以应用于手机深度相机的DOE完整性监测。

可以理解的，上述提及的DOE完整性监测装置，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、透镜光学元件、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部件拆分为更多部件，也可将两个或多个部件组合成新的部件，以实现本实用新型的目的，均属于对本案的简单变形或变换，落入本案的保护范围。

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)

1.一种监测光学元件完整性的装置，其特征在于，包括光源、光学元件、第一光束传感器、第二光束传感器和控制电路；所述光学元件接收所述光源发出的光束：所述第一光束传感器的位置靠近所述光学元件，并且其光束接收端面正对所述光学元件的纵向端面，以接收所述光学元件调制后的光束以及第一环境光束；所述第二光束传感器用于接收第二环境光束；所述控制电路分别与所述光源、第一光束传感器、第二光束传感器电连接。

2.根据权利要求1所述的监测光学元件完整性的装置，其特征在于，所述光学元件包括折射光学元件、反射光学元件、衍射光学元件、偏振光学元件、透镜光学元件、相移光学元件中的一种或多种组合。

3.根据权利要求1所述的监测光学元件完整性的装置，其特征在于，所述第二光束传感器的数量为2个以上，用于接收多个方向的所述第二环境光束，以提高捕捉所述第二环境光束的精确率。

4.根据权利要求1所述的监测光学元件完整性的装置，其特征在于，所述光源是垂直共振腔表面发射的激光器，或者是平行共振腔表面的边发射激光器，用于向外发射红外和/或紫外光束。

5.根据权利要求1所述的监测光学元件完整性的装置，其特征在于，所述光源是二维的VCSEL阵列芯片，所述VCSEL阵列芯片中包括至少一个VCSEL光源，能够向外投射波长为830nm或者940nm的红外光束，并且所述VCSEL阵列芯片是裸片或者是经过封装处理的芯片。

6.根据权利要求1所述的监测光学元件完整性的装置，其特征在于，所述光学元件的纵向端面和/或所述第一光束传感器的光束接收面上涂覆有一层光学胶水，以提高所述第一光束传感器捕获光束的效率。

7.根据权利要求1所述的监测光学元件完整性的装置，其特征在于，所述第二光束传感器的光束接收面设置在背对所述光源的一侧。

8.根据权利要求1所述的监测光学元件完整性的装置，其特征在于，所述控制电路包括逻辑运算模块、光源控制模块，或者还包括CPU/单片机、寄存器，并且所述控制电路通过金属导线与光源、第一光束传感器、第二光束传感器电连接。

9.根据权利要求1-8任一所述的监测光学元件完整性的装置，其特征在于，所述控制电路与所述光源集成在一块电路板中，或者所述控制电路与所述光源分立设置。

10.根据权利要求1-8任一所述的监测光学元件完整性的装置，其特征在于，所述第一光束传感器和/或第二光束传感器是光电二极管、感光元器件、图像传感器中的一种或多种组合。