包括增强的眼睛安全性特征的发光模块的制作方法

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、感测运动和/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(lightdetectionandranging，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。数码相机记录结构化光图案的图像，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。

适用于微型照明器的技术包括高功率垂直腔表面发射激光器(verticalcavitysurfaceemittinglaser，vcsel)设备、边缘发射激光器设备以及这种设备的阵列。这些设备能够以适合飞行时间应用的非常快的上升时间脉冲化。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。

在一些情况下，裸vcsel的光学输出功率通常很高，以至于如果光学组件的质量受到损害，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很重要的。例如，照明器可以是配件的一部分，在正常操作条件下，该配件通过防止人太靠近照明器来保持对眼睛安全的操作。然而，在一些情况下，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，如果光学结构脱离或被移除，安全性也会受到影响。

技术实现要素：

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器模块。

例如，在一个方面，本公开描述了一种照明器模块，该照明器模块包括光源，该光源设置在模块的腔室中并且可操作以产生用于从模块发射的光。光学组件设置在光源上方，并且可操作以修改由光源产生的光的光学特性。多个光电检测器可操作以检测由光学组件反射的光，并且控制器耦合到光源和光电检测器。控制器可操作以监测由光电检测器检测到的反射光的分布，并且如果基于所监测的光的分布确定可能从模块发射不安全水平的光，则调节光源的光学输出功率。

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，如果控制器基于所监测的反射光的分布确定光学组件脱离其适当位置、损坏和/或包含缺陷，则控制器可操作以调节光源的光学输出功率。在一些情况下，调节光源的光学输出功率包括关闭光学输出功率。在一些情况下，控制器可操作以将所监测的反射光的分布与反射光的预期分布进行比较。

在一些实施方式中，光学组件包括光学漫射器。光电检测器可以与控制器集成到相同的半导体晶粒中。例如，每个光电检测器可操作以检测表示由光学组件反射的光和环境光的组合的组合信号。该模块可以包括环境光减法电路，该环境光减法电路可操作以从组合信号中减去表示环境光的信号。此外，控制器可操作以获得环境光减法电路的输出，并使用输出来确定是否可能从模块发射不安全水平的光。

在另一方面，本公开描述了一种方法，该方法包括:由光源产生将从模块发射的光；由多个光电检测器检测由设置在光源上方的光学组件反射的光；监测由光电检测器检测的反射光的分布；以及如果基于所监测的光的分布确定可能从模块发射不安全水平的光，则调节光源的光学输出功率。

在一些情况下，该方法包括：如果控制器基于所监测的反射光分布确定光学组件脱离其适当位置、损坏和/或包含缺陷，则调节光源的光学输出功率。

在又一方面，本公开描述了一种照明器模块，该照明器模块包括光源，该光源设置在模块的腔室中并且可操作以产生用于从模块发射的光。光学组件设置在光源上方，并且可操作以修改由光源产生的光的光学特性。该模块包括光电检测器，该光电检测器可操作以检测表示由光学组件反射的光和环境光的组合的组合信号。环境光减法电路耦合到光电检测器，并且可操作以从组合信号中减去表示环境光的信号。该模块还包括控制器，该控制器可操作以获得环境光减法电路的输出，并使用该输出来确定是否可能从模块发射不安全水平的光。

一些实施方式提供以下一个或多个优点。例如，监测发射室内的反射光分布有助于提高眼睛安全性。通过在多个位置感测由漫射器或其他光学组件反射的光，可以检测光学组件的更大范围的故障，并且可以采取适当的行动来减轻安全危害。这里描述的技术可以用于直接和间接的飞行时间测量这两者的上下文。

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是示出照明器模块的示例的横截面视图。

图2是监测电路的示例示意图。

图3是与光源的光学输出的控制相关的流程图。

图4和图5是可操作以提供环境光减法的监测电路的示例示意图。

图6是另一个照明器模块的横截面视图。

具体实施方式

本公开描述了有助于检测可能导致眼睛安全性危险或其他风险的异常的照明器模块和技术。通常，可以通过提供多个光电检测器来感测由光学组件(例如，光学漫射器)反射的光来实施对异常的检测,光源产生的光被设计成在离开模块之前穿过该光学组件。可以监测来自光电检测器的输出信号(例如，通过光源驱动器电路中的电路)来确定由光学组件反射的光的分布。在适当的情况下(例如，如果检测到的光的光分布或光分布的变化表明可能存在对眼睛或皮肤安全性的危险)，控制电路可以关闭或以其他方式调节(例如，降低)光源的光学功率输出。

图1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具有腔室23，光源24安装在腔室23中。在下面的讨论中，假设光源24包括一个或多个vcsel。在一些实施方式中，光源24包括vcsel阵列或其他类型的激光二极管。在一些情况下，光源24包括一个或多个发光二极管(lightemittingdiode，led)、红外(infra-red，ir)led、有机led(organicled，oled)或红外(infra-red，ir)激光器。光源24可操作以产生光(例如，红外或可见光)，用于从模块20传输。

该模块还容纳电流驱动控制器58，其可以被实施为例如半导体(例如，硅)芯片形式的集成电路。控制器58可操作以调节光源24的光学输出功率。

在一些情况下，光源24被安装在电流驱动控制器58上。光源24可以例如使用表面安装技术接触焊盘和/或引线结合来电连接到控制器58。

外壳22可以包括导电馈通件(feedthrough)，其内侧具有焊盘，外侧具有焊盘，用于将模块表面安装焊接到印刷电路板(printedcircuitboard，pcb)或其他基板。

光学组件38设置在光源24上方，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、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可以附接到外壳22或透明的盖玻片。

该模块还包括光电检测器62，在一些情况下，光电检测器62与控制器58集成在同一半导体(硅)晶粒中。在一些情况下，这种布置可以节省成本和/或面积。光电检测器62可操作以感测由光学组件38反射的光，并且可以被实现为例如光电二极管、pn光电二极管、pin光电二极管、雪崩光电二极管(avalanchephotodiode，apd)或基于spad的光电检测器。在一些情况下，光电检测器62被布置成阵列。将光电检测器62与控制器电路集成到相同的半导体晶粒中也可以提供更好的用于感测反射光的精度。

在操作中，由光源24产生的大部分光穿过光学组件38并离开模块。该光可以用于各种应用(例如，接近度感测)。例如，光学漫射器可以有利地作为光学组件来传播由光源24产生的光。这种漫射器的存在有助于确保从模块仅发射对眼睛安全的水平的光。

然而，在一些情况下，光学组件38可能会部分或完全脱离，或者可能会损坏。这种情况可能导致从模块发射不安全强度的光。以下段落描述了有助于避免从模块发射不安全水平的光的附加技术。

即使当光学组件38被适当地附接到外壳22时，由光源24产生的一些光也可能被光学组件38反射回模块的腔室23中。由光学组件38反射的光可用于确定光学组件38是否存在潜在问题。具体地，光电检测器62可以共同用于检测反射光的分布。光电检测器输出可以被提供给控制器58或者由控制器58读取，控制器58监测检测到的光的分布。如果检测到异常，控制器58可以关闭或以其他方式调节光源24的输出功率。

例如，当光源24正常工作并且光学组件38适当地附接到位时，可以预期光电检测器感测由光学组件38反射的光的特定分布。光的这种分布可以被存储(例如，在与控制器58相关联的存储器中)作为参考。另一方面，如果，例如，光学组件38变得部分或完全从外壳脱离，或者如果它变得损坏或包含缺陷(例如，裂纹、空隙或分层)，那么在许多情况下，光电检测器62检测到的光的分布将会改变。取决于光学组件38是否移位或损坏或包含一些其他缺陷，一些或所有光电检测器62可以检测到光强的增加或减少，或者反射光的不均匀分布。此外，由不同的光电检测器62检测到的光的水平的变化可以彼此不同。此外，由一些光电检测器62检测到的光的水平可以增加，而由其他光电检测器检测到的水平可以减少，并且还有其他光电检测器检测到的水平可以保持大致相同。

用于驱动控制器58的半导体晶粒可以包括用于光电检测器输出的监测电路。监测电路可操作以放大来自光电检测器62的信号，对信号进行积分(integrate)，并处理信号。图2示出了这种电路的示例，其包括具有一对输入(即，反相输入和非反相输入)的放大器70，其中一个输入接收来自光电检测器62的输出信号。尽管图2中仅示出了一个光电检测器62，但可以在多个光电检测器62的输出和放大器输入之间提供多路复用器，使得不同的光电检测器输出可以一次耦合到放大器。耦合在放大器70的输入和输出之间的电容器和电阻器提供积分功能，该功能可以帮助平均化接收的瞬时值并减少噪声的影响。放大器输出耦合到模数转换器(analog-to-digitalconverter，adc)72，其输出耦合到驱动控制器58中的数字控制电路。

控制器58可以累积来自adc72的各种输出信号，并且可以将值的分布与预期分布进行比较。如图3所示，如果反射光的分布相对于预期(即，参考)分布的差异大于指定量(100)，控制器58可以自动关闭或以其他方式调节(例如，减少)光源24的光学输出功率(102)。在一些情况下，adc输出可以耦合到模块所在的主机设备的接口，而不是驱动控制器58中的数字控制电路。在这样的实施方式中，主机设备中的控制器将提供前述操作(例如，将光电检测器62检测到的光水平分布与预期分布进行比较，作为响应调节光源24)。

在一些情况下，当由光学组件38反射的光被光电检测器62感测时，光电检测器也可能感测到光学噪声(例如，通过光学组件38进入模块20的环境光)，其可能对光学测量产生不利影响。图4和5示出了用于减少或消除这种光学噪声影响的技术。如图4所示，调制器80可以以特定频率调制光源24的输出，并且可以以相同频率调制放大器70的输出处的加法器82的符号。因此，例如，在飞行时间信号捕获的周期之间引入具有负号的光电检测器积分周期。在光源24发光的时段期间，放大器70(和相关的积分电路)对由光学组件38反射的光信号以及环境光信号两者进行积分。另一方面，在光源24不发光的时段期间，放大器70仅对环境光信号进行积分。通过将放大器70的输出处的信号相互相减，可以将基本上仅表示由光源24产生并由光学元件38反射的光信号的信号提供给adc72。

图5示出了结合环境光减法的环境光减法电路90的示例的进一步细节。电路90包括第一和第二放大器70a、70b、各种电容元件c1、c2、c3、c4和开关组，这些开关组包括复位开关(s1a、s1b)、积分开关(s2a、s2b、s2c、s2d、s2e)、采样和保持开关s3以及将输出耦合到adc72的输出开关s4。

驱动控制器58中的数字控制电路可操作以闭合复位开关(s1a，s1b)以便在积分周期之间复位电路，并且在光积分周期期间闭合积分开关(s2a，s2b，s2c)。驱动控制器58中的数字控制电路还操作开关s2d、s2e来提供环境光消除。因此，当开关s2d打开并且开关s2e闭合时，电容器c4存储表示反射光信号和环境光信号之和的信号。另一方面，当开关s2d闭合而开关s2e打开时，环境光信号被减去，使得电容器c4存储基本上仅表示反射光的信号。

在一些情况下，可以提供额外的短的非调制测量周期来检测其中光源24在dc模式下操作的故障(即，其中光源24持续开启的模式)。

如图6所示，在一些实施方式中，一个或多个温度传感器92可以设置在光发射器腔室23中。在一些情况下，温度传感器92可以在与光电检测器62相同的半导体芯片中实施。温度传感器92可用于跟踪温度的快速变化，其可指示光学组件38被完全移除。传感器92的输出也可以耦合到驱动控制器58中的数字控制电路。如果控制电路确定所感测的温度在预定范围之外，它可以关闭或以其他方式调节光源24的光学输出。

如图6所示，在一些情况下，可以在光电检测器62上方提供光学带通滤波器94，以改善环境光消除。带通滤波器94可以与上述调制测量技术结合提供，或者可以单独使用。带通滤波器94的存在可以尤其有利，例如，在阳光非常强的环境中。

在一些情况下，前述特征可以与监测由光源24产生的光结合使用，以便保持光功率尽可能接近允许的眼睛安全极限，而不超过该极限。在一些情况下，监测光输出可以允许功率重复率的增加，以便维持关于温度和/或光源24的寿命的特定性能标准。

在一些实施方式中，外壳22可以包括第二腔室(未示出)，光检测器可以设置在该第二腔室中以感测例如被模块20外部的对象反射的光。这种布置例如对于接近度感测以及其他应用是有用的。

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。一般而言，前述模块可用于广泛的应用，例如lidar、接近度感测、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。