DE112020001532T5

DE112020001532T5 - Sicherheitsverriegelungssystem für beleuchtungssysteme

Info

Publication number: DE112020001532T5
Application number: DE112020001532.7T
Authority: DE
Inventors: Javier MIGUEL SÁNCHEZ
Original assignee: Ams Sensors Singapore Pte Ltd
Current assignee: Ams Sensors Singapore Pte Ltd
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2021-12-30
Also published as: US11614227B2; WO2020197496A1; CN113677933A; US20220146084A1; CN113677933B

Abstract

Ein Beleuchtungssystem umfasst eine Beleuchtungsvorrichtung; ein optisches Element, das so positioniert ist, dass es Licht von der Beleuchtungsvorrichtung empfängt; eine Schicht aus einem transparenten Material, die auf dem optischen Element angeordnet ist und so positioniert ist, dass sie Licht von der Beleuchtungsvorrichtung empfängt; und eine Verriegelungsschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie einen spezifischen Widerstand der Schicht aus transparentem Material misst und den Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung basierend auf dem gemessenen spezifischen Widerstand steuert.

Description

Hintergrund
Die dreidimensionale (3-D) Erfassung kann für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt werden, auch für die Gesichtserkennung. 3-D-Sensorsysteme können leistungsstarke Beleuchtungsgeräte wie Laser enthalten.
Zusammenfassung
In einem Aspekt umfasst ein Beleuchtungssystem eine Beleuchtungsvorrichtung; ein optisches Element, das so positioniert ist, dass es Licht von der Beleuchtungsvorrichtung empfängt; eine Schicht aus einem transparenten Material, die auf dem optischen Element angeordnet ist und so positioniert ist, dass sie Licht von der Beleuchtungsvorrichtung empfängt; und eine Verriegelungsschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie einen spezifischen Widerstand der Schicht aus transparentem Material misst und den Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung basierend auf dem gemessenen spezifischen Widerstand steuert.
Die Ausführungsformen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen.
Die Schicht aus transparentem Material besteht aus einem Material, dessen Absorption bei einer Wellenlänge des von der Beleuchtungsvorrichtung kommenden Lichts nicht Null ist.
Die Schicht aus transparentem Material umfasst einen Film aus dem transparenten Material, der auf einer Oberfläche des optischen Elements angeordnet ist.
Die Verriegelungsschaltung ist so konfiguriert, dass sie die Beleuchtungseinrichtung ausschaltet, wenn der gemessene spezifische Widerstand ein Sicherheitskriterium nicht erfüllt.
Die Verriegelungsschaltung ist so konfiguriert, dass sie den spezifischen Widerstand der Schicht aus transparentem Material synchron mit einer Modulationsfrequenz der Beleuchtungseinrichtung misst. Die Verriegelungsschaltung ist so konfiguriert, dass sie eine Lock-in-Demodulation durchführt. Die Verriegelungsschaltung ist so konfiguriert, dass sie die Beleuchtungsvorrichtung ausschaltet, wenn der gemessene spezifische Widerstand nicht synchron mit der Modulationsfrequenz der Beleuchtungsvorrichtung ist.
Die Schicht aus transparentem Material hat eine seitliche Ausdehnung, die ausreicht, um das gesamte Beleuchtungsfeld der Beleuchtungsvorrichtung zu erfassen. Die Schicht aus transparentem Material hat eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke über das gesamte Beleuchtungsfeld der Beleuchtungseinrichtung.
Das Beleuchtungssystem umfasst eine Referenzschicht aus dem transparenten Material, die so positioniert ist, dass sie kein Licht von der Beleuchtungsvorrichtung empfängt, und eine Referenzschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie einen spezifischen Widerstand der Referenzschicht des transparenten Materials misst.
Das transparente Material besteht aus einem leitfähigen Material oder einem dotierten Halbleitermaterial.
Die Schicht aus leitfähigem Material besteht aus Indiumzinnoxid (ITO).
Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst einen Laser, z. B. einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL).
Das optische Element besteht aus einer Linse.
Das optische Element besteht aus einem Diffusor.
In einem Aspekt umfasst ein mobiles Kommunikationsgerät ein Beleuchtungssystem, das eines oder mehrere der oben genannten Merkmale enthält.
In einem Aspekt umfasst ein Verfahren das Betreiben einer Beleuchtungsvorrichtung, um ein optisches Element zu beleuchten, einschließlich des Beleuchtens einer Schicht aus einem transparenten Material, das auf dem optischen Element angeordnet ist; das Messen eines spezifischen Widerstandes der Schicht aus transparentem Material durch eine Verriegelungsschaltung; und das Steuern des Betriebs der Beleuchtungsvorrichtung auf der Grundlage des gemessenen spezifischen Widerstandes der Schicht aus transparentem Material.
Die Ausführungsformen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen.
Die Steuerung des Betriebs der Beleuchtungseinrichtung umfasst das Abschalten der Beleuchtungseinrichtung, wenn der gemessene spezifische Widerstand ein Sicherheitskriterium nicht erfüllt. Die Steuerung des Betriebs der Beleuchtungseinrichtung umfasst das Abschalten der Beleuchtungseinrichtung, wenn der gemessene spezifische Widerstand außerhalb eines zulässigen Wertebereichs liegt.
Die Messung des spezifischen Widerstandes der Schicht aus transparentem Material umfasst die Messung des spezifischen Widerstandes der Schicht aus transparentem Material synchron mit einer Modulationsfrequenz der Beleuchtungsvorrichtung. Die Messung des spezifischen Widerstands der Schicht aus transparentem Material synchron mit einer Modulationsfrequenz der Beleuchtungsvorrichtung umfasst die Durchführung einer Lock-in-Demodulation. Die Steuerung des Betriebs der Beleuchtungsvorrichtung umfasst das Abschalten der Beleuchtungsvorrichtung, wenn der gemessene spezifische Widerstand nicht synchron mit der Modulationsfrequenz der Beleuchtungsvorrichtung ist.
Das Verfahren umfasst die Messung des spezifischen Widerstands einer Referenzschicht aus dem transparenten Material, wobei die Referenzschicht nicht von der Beleuchtungsvorrichtung beleuchtet wird. Das Verfahren umfasst die Steuerung des Betriebs der Beleuchtungsvorrichtung auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen dem gemessenen spezifischen Widerstand der Schicht aus transparentem Material und dem gemessenen spezifischen Widerstand der Referenzschicht. Das Verfahren umfasst die Steuerung des Betriebs der Beleuchtungsvorrichtung auf der Grundlage des gemessenen spezifischen Widerstands entweder der Schicht aus transparentem Material oder der Referenzschicht, die ein Sicherheitskriterium nicht erfüllen.
Die hier beschriebenen Ansätze können einen oder mehrere der folgenden Vorteile haben. Die Beleuchtungssysteme verfügen über eine Verriegelungsfunktion, die das Risiko von Augenschäden bei den Benutzern des Systems mindern kann. Die hier beschriebenen Verriegelungsschaltungen sind robust gegenüber Rauschen und haben eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Wechsel- und Gleichstromsignalen, was eine Sicherheitsüberwachung sowohl der modulierten Beleuchtungsquellen als auch der strukturellen Integrität der optischen Elemente der Beleuchtungssysteme ermöglicht. Die Verriegelungsschaltungen basieren auf Sensorschichten, die das gesamte Beleuchtungsfeld abdecken. Diese Schichten haben nur minimale optische Auswirkungen und können im Allgemeinen einfach und kostengünstig hergestellt werden.
Die Einzelheiten einer oder mehrerer Ausführungsformen sind in den beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung dargestellt. Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen.
Figurenliste

ist ein Diagramm eines mobilen Geräts.
und sind Diagramme eines Beleuchtungssystems.
ist ein Blockdiagramm des Beleuchtungssystems von .
ist eine schematische Darstellung eines Beleuchtungssystems.
ist ein Blockdiagramm des Beleuchtungssystems von .
ist ein Schaltungskonzept des Beleuchtungssystems von .
ist ein Zustandsdiagramm des Beleuchtungssystems von .
ist ein Flussdiagramm.

Detaillierte Beschreibung
Wir beschreiben hier Verriegelungssysteme für Beleuchtungssysteme, z. B. Beleuchtungssysteme für 3-D-Sensoranwendungen oder Augmented-Reality-Systeme. Die Verriegelungssysteme sind in der Lage, Indikatoren für Fehlfunktionen oder strukturelle Schäden in den Beleuchtungssystemen zu erkennen und die Beleuchtungsvorrichtungen als Reaktion auf eine solche Erkennung abzuschalten, wodurch das Risiko von Augenschäden, die andernfalls durch solche Fehlfunktionen oder strukturelle Schäden entstehen könnten, verringert wird.
Wie in dargestellt, kann ein mobiles Gerät 100 ein 3-D-Erfassungssystem 110 enthalten, z. B. zur Gesichtserkennung eines Benutzers 104 des Geräts. Das 3-D-Sensorsystem 110 verwendet eine Beleuchtungsvorrichtung 102, bei der es sich um eine leistungsstarke Beleuchtungsvorrichtung wie einen Laser handeln kann. In einigen Fällen kann die Beleuchtung des Gesichts eines Benutzers 104 des mobilen Geräts 100 mit einer Beleuchtungsvorrichtung 102, die eine leistungsstarke Beleuchtung, wie z. B. einen Laserstrahl, aussendet, ein Sicherheitsrisiko darstellen, z. B. für die Augen des Benutzers. So kann beispielsweise eine Fehlfunktion der Beleuchtungseinrichtung oder ein struktureller Defekt in einem Modul, das die Beleuchtungseinrichtung umschließt, z. B. ein optisches Element wie ein Diffusor, dazu führen, dass die Beleuchtungseinrichtung ein Sicherheitsrisiko darstellt.
Um das Risiko von Schäden, z. B. an den Augen, zu verringern, enthält das 3-D-Erfassungssystem 110 ein Verriegelungssystem 112. Das Verriegelungssystem 112 kann in Echtzeit Indikatoren für eine Fehlfunktion der Beleuchtungsvorrichtung 102 und Indikatoren für strukturelle Schäden an optischen Elementen im Beleuchtungspfad erkennen. Als Reaktion auf das Erkennen einer solchen Anzeige kann das Verriegelungssystem 112 die Beleuchtungsvorrichtung 102 abschalten und so die Gefahr von Augenschäden aufgrund von Fehlfunktionen oder Schäden an der Beleuchtungsvorrichtung 102 oder den zugehörigen optischen Elementen verringern.
Im Beispiel von ist die Beleuchtungsvorrichtung 102 eine nach vorne gerichtete Beleuchtungsvorrichtung, die in Richtung der Vorderseite des mobilen Geräts 100 leuchtet (z. B. die Seite mit einem Bildschirm 106). In einigen Beispielen kann die Beleuchtungsvorrichtung eine der Welt zugewandte Beleuchtungsvorrichtung sein, die in Richtung der Rückseite des mobilen Geräts 100 (z. B. der der Vorderseite gegenüberliegenden Seite) leuchtet.
Wie in dargestellt, umfasst ein Beispielbeleuchtungssystem 200 eine Beleuchtungsvorrichtung 202, wie z. B. eine Laserdiode, einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator (VSCEL), eine andere Art von Laser oder eine andere Art von Beleuchtungsvorrichtung. Im Beispiel von ist die Beleuchtungsvorrichtung 202 auf einem Substrat 204, z. B. einer Leiterplatte, angeordnet. In einigen Beispielen kann die Beleuchtungsvorrichtung 202 in das Substrat integriert sein, z. B. in ein Substrat für integrierte Schaltungen. Bei der Beleuchtungsvorrichtung 202 kann es sich um eine modulierte Beleuchtungsvorrichtung handeln, die Licht mit einer Modulationsfrequenz aussendet, z. B. für dreidimensionale Bildgebungsanwendungen wie die Flugzeitbildgebung.
Das Beleuchtungssystem 200 umfasst ein optisches Element 206, das so positioniert ist, dass es Licht von der Beleuchtungsvorrichtung 202 empfängt, z. B. im Weg eines von der Beleuchtungsvorrichtung 202 emittierten Lichtstrahls 208. Das optische Element 206 kann z. B. eine Linse, ein beugendes Element oder eine andere Art von optischem Element sein. Eine Sensorschicht 210 ist auf dem optischen Element 206 angeordnet und so positioniert, dass sie Licht von der Beleuchtungsvorrichtung 202 empfängt, z. B. im Pfad des Lichtstrahls 208. Siehe auch , die Sensorschicht 210 ist ein kontinuierlicher, ungemusterter Film, der auf der Oberfläche des optischen Elements 206 ausgebildet ist. Die seitliche Ausdehnung der Sensorschicht 210 reicht aus, um den Bereich des optischen Elements 206, der in den Strahlengang des Lichtstrahls 208 fällt, teilweise oder vollständig zu erfassen (wir bezeichnen diesen Bereich manchmal als Beleuchtungsfeld). Die Sensorschicht 210 kann eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke über das gesamte Beleuchtungsfeld haben, z. B. eine Dicke, die um weniger als etwa 25 %, weniger als etwa 20 %, weniger als etwa 10 %, weniger als etwa 5 % oder weniger als etwa 1 % über das Beleuchtungsfeld variiert. Durch die Abdeckung des gesamten Beleuchtungsfeldes ist die optische Auswirkung der Schicht 210 auf den Lichtstrahl 208 minimal, z. B. enthält der homogene dünne Film der Schicht keine Muster oder Formen, die horizontale Änderungen des Brechungsindexes bewirken, die Komplexitäten in den Weg des Lichtstrahls einführen würden. Eine homogene Schicht 210 ist im Allgemeinen auch einfach herzustellen, z. B. ohne dass eine Strukturierung und lithografische Bearbeitung erforderlich ist.
Die Sensorschicht 210 ist ein leitfähiges Material, das für die Wellenlänge des von der Beleuchtungsvorrichtung 202 emittierten Lichts durchlässig ist, aber bei dieser Wellenlänge eine geringe Absorption aufweist, die jedoch nicht gleich Null ist. Unter Transparenz bei einer bestimmten Wellenlänge verstehen wir ein Material, das zumindest einen Teil des Lichts bei dieser Wellenlänge durchlässt, z.B. mehr als 50% des Lichts bei dieser Wellenlänge, z.B. mehr als 80%, mehr als 85%, mehr als 90% des Lichts, mehr als 95%, mehr als 98% oder mehr als 99%. Die Sensorschicht 210 kann zum Beispiel ein hochdotierter Halbleiter wie Indium-Zinn-Oxid (ITO) sein. Die Absorption von ITO bei Energien unterhalb seiner Bandlücke (etwa 4 eV) liegt nahe bei, aber nicht genau bei Null. Aufgrund der geringen, aber von Null abweichenden Absorption der Sensorschicht 210 ändert sich der spezifische Widerstand der Sensorschicht 210, wenn die Sensorschicht 210 bestrahlt wird, z. B. mit Licht aus der Beleuchtungsvorrichtung 202.
Da sich der spezifische Widerstand der Sensorschicht 210 mit der Beleuchtung ändert, kann die Sensorschicht 210 als Indikator für die Funktionalität der Beleuchtungseinrichtung 202 verwendet werden. Der spezifische Widerstand der Sensorschicht 210 im beleuchteten Zustand wird als beleuchteter spezifischer Widerstand der Sensorschicht bezeichnet; der spezifische Widerstand im unbeleuchteten Zustand der Sensorschicht 210 wird als nicht beleuchteter spezifischer Widerstand bezeichnet. Der Beleuchtungswiderstand der Sensorschicht 210 kann die Stärke der von der Beleuchtungseinrichtung 202 abgegebenen Beleuchtung angeben. Die Frequenz der Änderung des spezifischen Widerstands zwischen dem beleuchteten und dem unbeleuchteten Widerstand (z. B. ein Wechselstromsignal) kann die Modulationsfrequenz der Beleuchtungseinrichtung 202 angeben. Erfüllt der spezifische Widerstand der Sensorschicht 210 ein Sicherheitskriterium (das weiter unten näher beschrieben wird) nicht, z. B. ein Sicherheitskriterium, das sich auf einen Wert oder eine Frequenz des spezifischen Widerstands bezieht, kann dies auf eine mögliche Fehlfunktion der Beleuchtungseinrichtung 202 hinweisen. Zur Förderung der Sicherheit, z. B. zum Schutz der Augen eines Benutzers eines Geräts, das die Beleuchtungsvorrichtung 202 enthält, kann die Beleuchtungsvorrichtung 202 auf der Grundlage des gemessenen spezifischen Widerstands der Sensorschicht 210 gesteuert werden. So kann die Beleuchtungseinrichtung 202 beispielsweise abgeschaltet werden, wenn der gemessene Widerstand der Sensorschicht 210 ein Sicherheitskriterium nicht erfüllt.
Eine Verriegelungsschaltung 220 des Beleuchtungssystems 200 ist so konfiguriert, dass sie den spezifischen Widerstand der Sensorschicht 210 misst und den Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung 202 auf der Grundlage des gemessenen spezifischen Widerstands steuert. Die Verriegelungsschaltung 220 kann eine Änderung des spezifischen Widerstands der Sensorschicht 210 synchron mit der Modulationsfrequenz der Beleuchtungsvorrichtung 202 messen, z. B. unter Verwendung von Lock-in-Demodulationsverfahren. Die Verriegelungsschaltung 220 umfasst elektrische Verbindungen 222a, 222b, die die Sensorschicht 210 mit entsprechenden elektrischen Kontakten 224a, 224b auf dem Substrat 204 elektrisch verbinden. Die elektrischen Kontakte 224a, 224b sind wiederum mit Schaltkreisen verbunden, z. B. auf oder in dem Substrat 204 oder anderswo, um die Verriegelungsfunktion auszuführen. Bei den elektrischen Kontakten 224a, 224b kann es sich zum Beispiel um Pads handeln, die auf der Oberfläche einer integrierten Schaltung ausgebildet sind.
Die Verriegelungsschaltung 220 ist eine Sicherheitsschaltung, die die Beleuchtungseinrichtung 202 abschalten kann, wenn der gemessene Widerstand der Sensorschicht 210 ein Sicherheitskriterium nicht erfüllt. In einigen Beispielen kann das Sicherheitskriterium ein Schwellenwiderstand sein, so dass der gemessene Widerstand das Sicherheitskriterium nicht erfüllt, wenn der gemessene Widerstand den Schwellenwert überschreitet oder unter den Schwellenwert fällt. In einigen Beispielen kann das Sicherheitskriterium ein Widerstandsbereich sein, so dass der gemessene Widerstand das Sicherheitskriterium nicht erfüllt, wenn der gemessene Widerstand außerhalb des Widerstandsbereichs liegt. In einigen Beispielen kann das Sicherheitskriterium die Synchronisierung des spezifischen Widerstands mit der Modulationsfrequenz der Beleuchtungseinrichtung 202 sein, so dass der gemessene spezifische Widerstand das Sicherheitskriterium nicht erfüllt, wenn die Änderungen des gemessenen spezifischen Widerstands asynchron mit der Modulationsfrequenz der Beleuchtungseinrichtung 202 sind.
Durch Abschalten der Beleuchtungseinrichtung 202, wenn der gemessene Widerstand der Sensorschicht 210 ein Sicherheitskriterium nicht erfüllt, können potenzielle Sicherheitsrisiken verringert werden. Wenn beispielsweise der gemessene Widerstand auf eine Fehlfunktion der Beleuchtungseinrichtung 202 hinweist, z. B. die Emission von Licht mit zu hoher Leistung oder die kontinuierliche Emission von Licht mit hoher Leistung, kann durch das Abschalten der Beleuchtungseinrichtung 202 verhindert werden, dass dieses Licht die Augen eines Benutzers eines Geräts mit dem Beleuchtungssystem 200 schädigt.
Der spezifische Widerstand der Sensorschicht 210 kann nicht nur die Funktionalität der Beleuchtungsvorrichtung 202 anzeigen, sondern auch die strukturelle Integrität des optischen Elements 206. Wenn z. B. das optische Element 206 reißt oder bricht, reißt oder bricht auch die Sensorschicht 210, was zu einer Änderung der Leitfähigkeit (und damit des spezifischen Widerstands) der Sensorschicht führt. Ein Riss oder Bruch in dem optischen Element 206 kann eine Gefahr für die Augen darstellen. Bei einem optischen Element 206, das einen Diffusor enthält, kann ein Riss oder Bruch beispielsweise dazu führen, dass direktes, starkes Licht aus dem Beleuchtungssystem 200 austritt. Eine solche Fehlfunktion kann als konstante Änderung des Widerstandes der Sensorschicht 210 (z. B. als Änderung eines Gleichstromsignals) erkannt werden. Das Abschalten der Beleuchtungseinrichtung 202, wenn der gemessene Widerstand ein Sicherheitskriterium nicht erfüllt, kann z. B. den Austritt von direktem Licht aus dem Beleuchtungssystem 200 verhindern und damit die Möglichkeit von Augenschäden durch dieses direkte Licht ausschließen.
Die synchrone Lock-in-Detektion des spezifischen Widerstands der Messschicht 210 ermöglicht das Auslesen des Widerstandssignals mit der Modulationsfrequenz des Beleuchtungslichts. Diese Synchronisation macht das Detektionsverfahren im Allgemeinen robust gegenüber Rauschen, z. B. aufgrund der reduzierten Bandbreite des Lock-in-Detektionsverfahrens. Die Beleuchtungsvorrichtung 202 kann beispielsweise mit großen Strömen, wie Strömen bis zu 3 A, in sehr kurzen Impulsen betrieben werden, z. B. bei Modulationsfrequenzen von mehr als 100 MHz. In dieser Umgebung kann es zu Rauschen aufgrund elektromagnetischer Störungen kommen. Durch die Synchronisation zwischen dem Detektionsschema und der Beleuchtungsmodulation kann die Wirkung dieses Rauschens verringert oder beseitigt werden, was hochempfindliche Messungen sowohl von AC- als auch DC-Widerstandssignalen ermöglicht.
Außerdem ist die Sensorschicht 210 nur für die Modulationsfrequenz des Lasers (d. h. die Wellenlänge des Beleuchtungslichts) empfindlich, also für das Signal, das zur Gewährleistung der Augensicherheit erfasst werden soll.
In einigen Beispielen kann der Widerstand der Sensorschicht 210 im Laufe der Zeit überwacht werden, z. B. zur Überwachung der Drift oder der Verschlechterung der Beleuchtungsvorrichtung 202. So können sich beispielsweise kleine Änderungen des spezifischen Widerstands der Sensorschicht 210 im Laufe der Zeit zu einer großen Differenz gegenüber dem Anfangswiderstand 210 summieren, was auf eine sich entwickelnde Drift, Degradation oder Fehlfunktion der Beleuchtungsvorrichtung 202 hinweisen kann.
ist ein Blockdiagramm der Funktionsweise des Beleuchtungssystems 200. Die Beleuchtungseinrichtung 202 beleuchtet das passive optische Element 206, z. B. einen Diffusor oder eine Linse, und die Sensorschicht 210, die auf dem optischen Element 206 angeordnet ist. Licht 302 von der Beleuchtungsvorrichtung 202, das durch das optische Element 206 und die Sensorschicht 210 hindurchgeht, beleuchtet ein Ziel 304, z. B. ein optisches System oder den freien Raum, z. B. die Außenseite eines mobilen Geräts.
Die Verriegelungsschaltung 220 empfängt ein Signal 308 von der Sensorschicht 210, verarbeitet dieses Signal 308 und gibt auf der Grundlage des Signals 308 von der Sensorschicht 210 ein Steuersignal 309 an die Beleuchtungseinrichtung 202. Wie hier beschrieben, ist das Signal 308 ein Widerstand der Sensorschicht 210. In einigen Beispielen können auch andere Eigenschaften der Sensorschicht 210 als Signal 308 verwendet werden, wie z. B. eine Kapazität der Sensorschicht 210 oder eine Lichtempfindlichkeit der Sensorschicht 210.
Das Signal 308 von der Sensorschicht 210 wird von einer Lock-in-Abtasteinheit 310 abgetastet. Beispielsweise kann die Lock-in-Erfassungseinheit 310 das Signal 308 synchron mit dem modulierten Betrieb der Beleuchtungseinrichtung 202 über eine elektrische Verbindung zwischen der Lock-in-Erfassungseinheit 310 und einem Lasertreiber 312 überwachen. Eine Steuereinheit 314 steuert den Betrieb der Lock-in-Erfassungseinheit 310 und des Lasertreibers 312 auf der Grundlage des erfassten Signals 308 von der Erfassungsschicht 210. Beispielsweise bestimmt die Steuereinheit 314, ob das Signal 308 ein Sicherheitskriterium erfüllt, und schaltet den Betrieb der Beleuchtungseinrichtung 202 ab, wenn das Sicherheitskriterium nicht erfüllt ist.
Wie in gezeigt, umfasst ein Beispielbeleuchtungssystem 400 die Sensorschicht 210 und die Verriegelungsschaltung 220 der sowie eine Referenzschaltung 420. Die Referenzschaltung 420 ist so konfiguriert, dass sie den spezifischen Widerstand einer Referenzschicht 410 misst, die auf dem optischen Element 206 ausgebildet ist. Bei der Referenzschicht 410 handelt es sich um ein leitfähiges Material, das für die Wellenlänge des von der Beleuchtungseinrichtung 202 emittierten Lichts durchlässig ist, aber bei dieser Wellenlänge eine geringe Absorption aufweist, die jedoch nicht gleich Null ist. Die Referenzschicht 410 kann zum Beispiel ein hochdotierter Halbleiter wie ITO sein. In einigen Beispielen wird die Referenzschicht 410 aus demselben Material wie die Sensorschicht 210 gebildet.
Die Referenzschicht 410 ist so auf dem optischen Element 206 angeordnet, dass sich die Referenzschicht 410 nicht im Strahlengang des Lichtstrahls 208 befindet, d. h. die Referenzschicht 410 wird nicht beleuchtet, auch wenn die Beleuchtungseinrichtung 202 Licht aussendet.
Die Referenzschaltung 420 umfasst elektrische Verbindungen 422a, 422b, die die Referenzschicht 410 mit entsprechenden elektrischen Kontakten 424a, 424b elektrisch verbinden. Die elektrischen Kontakte 424a, 424b können sich auf demselben Substrat 204 befinden wie die elektrischen Kontakte 224a, 224b der Verriegelungsschaltung 220 (wie in gezeigt) oder auf einem anderen Substrat ausgebildet sein. Die elektrischen Kontakte 424a, 424b der Referenzschaltung 420 sind mit der Verriegelungsschaltung 220 verbunden.
Die Referenzschaltung 420 kann dazu beitragen, die Temperaturdrift im Beleuchtungssystem 400 zu kompensieren. Beispielsweise beträgt der Temperaturkoeffizient des spezifischen Widerstands von ITO etwa 2E-4 pro °C, was zu Problemen beim Auslesen des spezifischen Widerstands der Sensorschicht 210 in dem für die Unterhaltungselektronik typischen Temperaturbereich, z. B. im Bereich von etwa -20 °C bis etwa 80 °C, führen kann. Das Vorhandensein der nicht beleuchteten Referenzschicht 410 auf demselben optischen Element 206 kann dazu beitragen, die Temperaturdrift zu berücksichtigen, z. B. durch Bereitstellung einer stabilen, „dunklen“ Referenz für die Widerstandsmessung. Darüber hinaus sorgt die Referenzschaltung 420 für Redundanz, z. B. bei der Überprüfung von Gleichstrom-Widerstandsmessungen. Der spezifische Widerstand des Referenzkreises 420 kann beispielsweise ein Indikator für die strukturelle Integrität des optischen Elements 206 sein.
ist ein Blockdiagramm der Funktionsweise des Beleuchtungssystems 400. In dem Beleuchtungssystem 400 beleuchtet die Beleuchtungsvorrichtung 202 das passive optische Element 206 und die auf dem optischen Element 206 angeordnete Sensorschicht 210. Die Beleuchtungseinrichtung 202 beleuchtet jedoch nicht die Referenzschicht 410, die ebenfalls auf dem optischen Element 206 angeordnet ist.
Die Verriegelungsschaltung 420 empfängt das Signal 308 von der Sensorschicht 210 und ein Signal 508 von der Referenzschicht 410, verarbeitet beide Signale 308, 508 und liefert auf der Grundlage der Signale 308, 508 ein Steuersignal 509 an die Beleuchtungseinrichtung 202. Wie hier beschrieben, handelt es sich bei den Signalen 308, 508 um den spezifischen Widerstand der Sensorschicht 210 und der Referenzschicht 410. In einigen Beispielen können auch andere Eigenschaften der Sensorschicht 210 und der Referenzschicht 410 als Signale 308, 508 verwendet werden, wie z. B. eine Kapazität oder eine Lichtempfindlichkeit der Sensorschicht 210 und der Referenzschicht 410.
Die Signale 308, 508 von der Sensorschicht 210 und der Referenzschicht 410 werden von einer Lock-in-Abtasteinheit 510 abgetastet. Zum Beispiel kann die Lock-in-Erfassungseinheit 510 zumindest das Signal 308 von der Erfassungsschicht 210 synchron mit der modulierten Beleuchtung der Beleuchtungsvorrichtung 202 durch eine elektrische Verbindung zwischen der Lock-in-Erfassungseinheit 510 und einem Lasertreiber 512 überwachen. In einigen Beispielen kann die Lock-in-Erfassungseinheit 510 auch das Signal 508 von der Referenzschicht 410 synchron mit der modulierten Beleuchtung der Beleuchtungsvorrichtung 202 überwachen, z. B. um die Bandbreite zu verringern und die Robustheit gegenüber Rauschen zu verbessern.
Eine Steuereinheit 514 steuert den Betrieb der Lock-in-Erfassungseinheit 510 und des Lasertreibers 512 auf der Grundlage der erfassten Signale 308, 508 von der Erfassungsschicht 210 und der Referenzschicht 410. Beispielsweise bestimmt die Steuereinheit 514, ob eines oder beide Signale 308, 508 ein Sicherheitskriterium erfüllen, und schaltet den Betrieb der Beleuchtungseinrichtung 202 ab, wenn das Sicherheitskriterium nicht erfüllt ist. In einigen Beispielen steuert die Steuereinheit 514 den Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung 202 auf der Grundlage einer Synchronisation zwischen dem Signal 308 von der Erfassungsschicht 210 und der modulierten Beleuchtung der Beleuchtungsvorrichtung 202, z. B. wenn das Sicherheitskriterium eine Synchronisation zwischen dem Signal 308 und der Modulationsfrequenz der Beleuchtung ist. In einigen Beispielen steuert die Steuereinheit 514 den Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung 202 auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen dem Signal 308 von der Erfassungsschicht 210 und dem Signal 508 von der Referenzschicht 410, z. B. unter Verwendung des Signals 508 von der Referenzschicht 410, um die Auswirkungen von Drift oder Rauschen auf das Signal 308 von der Erfassungsschicht 210 zu verringern. Beispielsweise kann die Steuereinheit 514 den Betrieb der Beleuchtungseinrichtung 202 auf der Grundlage des Ergebnisses des Vergleichs, das ein Sicherheitskriterium erfüllt, steuern. In einigen Beispielen steuert die Steuereinheit 514 den Betrieb der Beleuchtungseinrichtung 202 auf der Grundlage, dass entweder das Signal 308 von der Erfassungsschicht 210 oder das Signal 508 von der Referenzschicht 410 ein Sicherheitskriterium erfüllt, z. B. unter Verwendung der Referenzschicht 410 als redundantes Erfassungssystem.
ist ein Schaltungskonzept des Beleuchtungssystems 400, wobei die Referenzschaltung 420 dazu dient, eine stabile Referenz zu liefern, z. B. um die Drift zu berücksichtigen. Wie in ist die Verriegelungsschaltung 220, einschließlich der Sensorschicht 210, durch ein Kästchen 602 dargestellt. Die Referenzschaltung 420, einschließlich der Referenzschicht 410, ist durch ein Kästchen 604 dargestellt. Ein Widerstandssignal 606 wird von der Verriegelungsschaltung 220 erhalten. Sowohl in der Verriegelungsschaltung 220 als auch in der Referenzschaltung 420 tritt eine Drift auf, z. B. aufgrund von Temperaturschwankungen, Alterung oder anderen Ursachen, und verursacht eine Veränderung der Impedanz 608, 610 beider Schaltungen 220, 420. Unter Verwendung der Veränderung der Impedanz 610 des Referenzkreises 420, um die Wirkung der Veränderung der Impedanz 608 des Verriegelungskreises 220 zu beseitigen, kann das Nutzsignal (das Widerstandssignal 606) von Rausch- und Drifteffekten isoliert werden. Beispielsweise kann der spezifische Widerstand der Messschicht 210 mit dem spezifischen Widerstand der Referenzschicht 410 verglichen werden, um den Effekt der Drift zu beseitigen. Das Ergebnis des Vergleichs, z. B. der spezifische Widerstand der Messschicht 210, der für die Leistung der Beleuchtungsvorrichtung 202 kennzeichnend ist, kann zur Steuerung des Betriebs der Beleuchtungsvorrichtung 202 verwendet werden.
ist ein Zustandsdiagramm, das die Rolle der Referenzschaltung 420 als redundanter Indikator für die strukturelle Integrität des optischen Elements 206 veranschaulicht. Mit Bezug auf erfüllen in einem ersten Zustand 700 sowohl der Gleichstromwiderstand der Sensorschicht 210, wie er von der Verriegelungsschaltung 220 erfasst wird, als auch der Gleichstromwiderstand der Referenzschicht 410, wie er von der Referenzschaltung 420 erfasst wird, ein Sicherheitskriterium, z. B. fallen sie in einen Zielbereich oder erfüllen einen Schwellenwert. In diesem ersten Zustand 700 zeigen die Widerstände der Erfassungsschicht 210 und der Referenzschicht 410 an, dass das optische Element 206 strukturell einwandfrei ist, und der Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung 400 wird nicht verändert.
In einem zweiten Zustand 702 erfüllen sowohl der Gleichstromwiderstand der Sensorschicht 210 als auch der Gleichstromwiderstand der Referenzschicht 410 ein Sicherheitskriterium nicht, d. h. sie liegen außerhalb eines Zielbereichs oder erfüllen einen Schwellenwert nicht. In diesem zweiten Zustand 702 weisen beide Widerstandswerte auf ein mögliches strukturelles Problem mit dem optischen Element 206 hin, und der Betrieb der Beleuchtungseinrichtung wird eingestellt.
Die dritten und vierten Zustände 704, 706 veranschaulichen den Wert redundanter Messschaltungen. Im dritten Zustand 704 erfüllt der Gleichstromwiderstand der Sensorschicht 210 das Sicherheitskriterium nicht, während der Gleichstromwiderstand der Referenzschicht 410 das Sicherheitskriterium erfüllt. Im vierten Zustand 706 erfüllt der Gleichstromwiderstand der Sensorschicht 210 das Sicherheitskriterium, während der Gleichstromwiderstand der Referenzschicht 410 das Sicherheitskriterium nicht erfüllt. Sowohl im dritten als auch im vierten Zustand 704, 706 ist aufgrund der Redundanz ein Ausfall ausreichend, um auf ein mögliches strukturelles Problem des optischen Elements 206 hinzuweisen, und der Betrieb der Beleuchtungseinrichtung wird eingestellt.
ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb eines Beleuchtungssystems. Eine Beleuchtungseinrichtung wird betrieben, um eine Schicht aus transparentem Material zu beleuchten, die auf einem optischen Element (800) angeordnet ist. Der spezifische Widerstand der Schicht aus transparentem Material wird von einer Verriegelungsschaltung (802) gemessen, z. B. synchron mit einer Modulationsfrequenz der Beleuchtungseinrichtung. Der spezifische Widerstand kann z. B. durch Lock-in-Demodulation gemessen werden. In einigen Beispielen wird der spezifische Widerstand einer Referenzschicht der transparenten Schicht ebenfalls durch eine Referenzverriegelungsschaltung gemessen, wobei die Referenzschicht nicht von der Beleuchtungseinrichtung (804) beleuchtet wird.
Der Betrieb der Beleuchtungseinrichtung wird auf der Grundlage des gemessenen spezifischen Widerstands der Schicht aus transparentem Material (806) gesteuert. In einigen Beispielen kann die Beleuchtungseinrichtung abgeschaltet werden, wenn der gemessene spezifische Widerstand ein Sicherheitskriterium nicht erfüllt, z. B. wenn der gemessene spezifische Widerstand außerhalb eines zulässigen Wertebereichs oder über oder unter einem Schwellenwert liegt. In einigen Beispielen kann die Beleuchtungseinrichtung abgeschaltet werden, wenn der gemessene spezifische Widerstand nicht mit der Modulationsfrequenz der Beleuchtungseinrichtung synchron ist. In einigen Beispielen kann der Betrieb der Beleuchtungseinrichtung auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen dem gemessenen spezifischen Widerstand der Schicht aus transparentem Material und dem gemessenen spezifischen Widerstand der Referenzschicht gesteuert werden.
Die hier beschriebenen Beleuchtungssysteme können in mobilen Geräten (z. B. wie in gezeigt) implementiert werden, z. B. für nach vorne oder in die Welt gerichtete Beleuchtungen. Die hier beschriebenen Beleuchtungssysteme können beispielsweise in dreidimensionale Erfassungssysteme, wie Flugzeit-, Muster- oder Stereosysteme, in mobilen Geräten integriert werden. Die hier beschriebenen Beleuchtungssysteme können in Augmented-Reality-Systeme integriert werden, z. B. für Anwendungen wie Spiele, industrielle Anwendungen, Bildungsanwendungen oder Automobilanwendungen (z. B. Fahrerüberwachung). Die hier beschriebenen Beleuchtungssysteme können auch in andere Systeme integriert werden, z. B. in Flugzeit- oder Infrarot-Bildgebungssysteme, z. B. in automobilbasierte Systeme, Sicherheitssysteme, Gesichts- oder Gestenerkennungssysteme, industrielle Kontrollsysteme, Robotersysteme, landwirtschaftliche Systeme oder verschiedene andere Arten von Systemen. Im Allgemeinen können die hier beschriebenen Beleuchtungssysteme in Systeme integriert werden, in denen eine leistungsstarke, direkte Beleuchtung verwendet wird, um die Sicherheit der Augen in solchen Systemen zu erhöhen.
Es wurde eine Reihe von Ausführungsformen beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können einige der oben beschriebenen Schritte unabhängig von der Reihenfolge sein und können daher in einer anderen Reihenfolge als der beschriebenen durchgeführt werden.
Andere Ausführungsformen fallen ebenfalls in den Anwendungsbereich der folgenden Ansprüche.

Claims

Beleuchtungssystem, bestehend aus: eine Beleuchtungseinrichtung; ein optisches Element, das so angeordnet ist, dass es Licht von der Beleuchtungsvorrichtung empfängt; eine Schicht aus einem transparenten Material, die auf dem optischen Element angeordnet und so positioniert ist, dass sie Licht von der Beleuchtungsvorrichtung empfängt; und eine Verriegelungsschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie einen spezifischen Widerstand der Schicht aus transparentem Material misst und den Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung auf der Grundlage des gemessenen spezifischen Widerstands steuert.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Schicht aus transparentem Material ein Material mit einer Absorption ungleich Null bei einer Wellenlänge des Lichts aus der Beleuchtungsvorrichtung umfasst.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schicht aus transparentem Material einen Film aus dem transparenten Material umfasst, der auf einer Oberfläche des optischen Elements angeordnet ist.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verriegelungsschaltung so konfiguriert ist, dass sie die Beleuchtungseinrichtung abschaltet, wenn der gemessene spezifische Widerstand ein Sicherheitskriterium nicht erfüllt.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verriegelungsschaltung so konfiguriert ist, dass sie den spezifischen Widerstand der Schicht aus transparentem Material synchron mit einer Modulationsfrequenz der Beleuchtungseinrichtung misst.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 5, bei dem die Verriegelungsschaltung so konfiguriert ist, dass sie eine Lock-in-Demodulation durchführt.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Verriegelungsschaltung so konfiguriert ist, dass sie die Beleuchtungseinrichtung ausschaltet, wenn der gemessene spezifische Widerstand nicht mit der Modulationsfrequenz der Beleuchtungseinrichtung synchronisiert ist.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schicht aus transparentem Material eine ausreichende seitliche Ausdehnung hat, um das gesamte Beleuchtungsfeld der Beleuchtungseinrichtung zu erfassen.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 8, bei dem die Schicht aus transparentem Material eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke über das gesamte Beleuchtungsfeld der Beleuchtungsvorrichtung aufweist.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: eine Referenzschicht aus dem transparenten Material, die so angeordnet ist, dass sie kein Licht von der Beleuchtungsvorrichtung empfängt; und eine Referenzschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie einen spezifischen Widerstand der Referenzschicht des transparenten Materials misst.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das transparente Material ein leitfähiges Material oder ein dotiertes Halbleitermaterial umfasst.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schicht aus leitfähigem Material Indiumzinnoxid (ITO) umfasst.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beleuchtungseinrichtung einen Laser umfasst.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beleuchtungsvorrichtung einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) umfasst.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das optische Element eine Linse ist.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das optische Element einen Diffusor umfasst.
Mobiles Kommunikationsgerät mit dem Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren, das Folgendes umfasst: Betreiben einer Beleuchtungsvorrichtung, um ein optisches Element zu beleuchten, einschließlich des Beleuchtens einer Schicht aus einem transparenten Material, das auf dem optischen Element angeordnet ist; und Messung des spezifischen Widerstandes der Schicht aus transparentem Material durch eine Verriegelungsschaltung; und Steuerung des Betriebs der Beleuchtungseinrichtung auf der Grundlage des gemessenen spezifischen Widerstands der Schicht aus transparentem Material.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Steuerung des Betriebs der Beleuchtungseinrichtung das Abschalten der Beleuchtungseinrichtung umfasst, wenn der gemessene spezifische Widerstand ein Sicherheitskriterium nicht erfüllt.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Steuerung des Betriebs der Beleuchtungseinrichtung das Abschalten der Beleuchtungseinrichtung umfasst, wenn der gemessene spezifische Widerstand außerhalb eines zulässigen Wertebereichs liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem das Messen des spezifischen Widerstands der Schicht aus transparentem Material das Messen des spezifischen Widerstands der Schicht aus transparentem Material synchron mit einer Modulationsfrequenz der Beleuchtungsvorrichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Messung des spezifischen Widerstands der Schicht aus transparentem Material synchron mit einer Modulationsfrequenz der Beleuchtungsvorrichtung die Durchführung einer Lock-in-Demodulation umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, bei dem die Steuerung des Betriebs der Beleuchtungseinrichtung das Abschalten der Beleuchtungseinrichtung umfasst, wenn der gemessene spezifische Widerstand nicht mit der Modulationsfrequenz der Beleuchtungseinrichtung synchron ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, bei dem der spezifische Widerstand einer Referenzschicht des transparenten Materials gemessen wird, wobei die Referenzschicht nicht von der Beleuchtungsvorrichtung beleuchtet wird.
Verfahren nach Anspruch 24, umfassend die Steuerung des Betriebs der Beleuchtungsvorrichtung auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen dem gemessenen spezifischen Widerstand der Schicht aus transparentem Material und dem gemessenen spezifischen Widerstand der Referenzschicht.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, das die Steuerung des Betriebs der Beleuchtungsvorrichtung auf der Grundlage des gemessenen spezifischen Widerstands entweder der Schicht aus transparentem Material oder der Referenzschicht, die ein Sicherheitskriterium nicht erfüllt, umfasst.