具有光束监测单元的投影模组的制作方法

本实用新型涉及光学、光电子学领域，尤其涉及一种具有光束监测单元的投影模组。

背景技术：

投射编码或结构化光束的投影模组，被广泛应用于物体的三维扫描、空间的三维重建、人机交互等领域。投影模组通过投射编码或结构化的光束，对目标物体进行空间标定，为后期图像采集模组的信息采集以及处理器的三维重建提供准备工作。

用于投射编码或结构化光束的投影模组，一般包括光源和衍射光学元件DOE。其中，DOE用于接收光源发射的光束，并以分束、叠加的方式生成图案化光束。所谓图案化光束实际是编码或结构化光束的某一种特例，具有能量分布均匀、高对比度以及高不相关性的特点。DOE作为投影模组的核心部件，其性能的好坏直接决定着投影模组所投射的图案化光束的质量，甚至影响到后期三维重建的精准度。

然而，随着使用时间的增加，消费级的投影模组或DOE，其性能难免会出现不同程度的退化。尤其是塑料制作而成的DOE，在复杂的温度、环境下，非常容易出现变形、损坏的现象。另一方面，在投影模组的使用过程中，人为的磕碰、跌撞也会加速投影模组或DOE的变形、损坏。

变形、损坏的投影模组或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。

技术实现要素：

本实用新型为了解决现有技术中的投影模组在使用过程中出现的激光安全问题，提供一种投影模组。

投影模组包括底座，用于安置光源及承载镜筒；其中，所述光源用于发射光束，所述镜筒设置有监测窗；

透镜系统，安装在所述镜筒上，用于接收所述光源发射的光束，以投射平行光束；

衍射光学元件，安装在所述镜筒上，用于接收、分束所述平行光束，以投射图案化光束；所述衍射光学元件设置有监测端面；

光束监测单元，设置在所述监测窗处，靠近所述衍射光学元件的所述监测端面，用于监测从所述监测端面出射的光束的能量变化，以评估、判断所述衍射光学元件的完整性及控制所述光源的发光状态。

本实用新型的一个实施例中，所述光束监测单元包括光电二极管/感光元器件、控制电路；其中所述控制电路通过金属导线与所述光源电连接，以控制所述光源的发光状态。

本实用新型的一个实施例中，还包括光束耦合器；所述光束耦合器设置在所述衍射光学元件的监测端面与所述光束监测单元的光束接收面之间，用于将从所述监测端面出射的光束耦合至所述光束接收面内。

本实用新型的一个实施例中，所述衍射光学元件的监测端面包括至少一个倾斜端面。所述倾斜端面和/或所述光束监测单元的光束接收面涂覆有光学玻璃或增透膜。所述倾斜端面与所述光束监测单元的光束接收面之间还设置有含倾斜面的光束耦合器。

本实用新型的一个实施例中，还包括导光板或导光槽，所述导光板或导光槽靠近所述衍射光学元件的周侧向端面，用于将所述周侧向端面出射的光束引导至所述光束监测单元的光束接收面内。

本实用新型与现有技术相比具有如下有益效果：

通过光束监测单元的的光束接收面对准衍射光学元件(DOE)的监测端面，并采集、分析DOE监测端面出射光束的能量变化。可评估、判断DOE的完整性，以及针对DOE的完整性状况，通过相关操作改变光源的发光状态，以防止投影模组因DOE的老化、变形、损坏引发激光危害。

附图说明

图1是本实用新型一种实施例的投影模组的结构示意图。

图2是图1实施例的投影模组的俯视图。

图3是本实用新型一种实施例的投影模组的结构示意图。

图4是本实用新型一种实施例的投影模组的结构示意图。

图5是本实用新型一种实施例的投影模组的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施例对本实用新型进行详细的介绍，以使更好的理解本实用新型，但下述实施例并不限制本实用新型范围。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是本实用新型一种实施例的投影模组的结构示意图。该投影模组100 包括底座10、光源11、镜筒12、透镜系统13、衍射光学元件(DOE)14以及光束监测单元16。光源11发射的光束经透镜系统13汇聚后，以平行光束射向 DOE14；DOE14将平行光束扩束、叠加为图案化光束射向空间中。此外，DOE14 设有监测端面，监测端面为DOE14的周向侧端面，在监测端面附近还设置有光束监测单元16，以监测从DOE14监测端面出射的光束的能量变化，并评估、判断DOE14的完整性及控制光源11的发光状态。

底座10用于安装光源11以及承载镜筒12。在一些实施例中，底座10还用于光源11的散热和/或供电。底座10可以由具有导热和/或导电功能的陶瓷、金属、合金、塑料等材料中的一种或多种制成。优选地，底座10由导热功能的陶瓷和印制电路板(PCB电路板)组合而成。

光源11键合、固定于底座10的一侧，向外发射光束。光源11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。优选地，光源11为包括至少一个VCSEL光源的二维VCSEL芯片，该芯片能够向外投射波长为830nm或者940nm的红外光束，并且可以根据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经过封装后的芯片，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。

镜筒12通过环氧胶粘贴、固定在底座10一侧，用于隔离外界自然光以及安置透镜系统13、DOE14、光束监测单元16等光学元件。镜筒12可以是中空的正方体/长方体结构，也可以是中空圆柱体或者其他合适结构，一般由导热的陶瓷、塑料或者合金制作而成。具体地，镜筒12可以通过注塑工艺一体成型，也可以拆分成若干个部件，分立加工组合成型。为了便于透镜系统的封装，在本实施中，优选分立结构的导热陶瓷镜筒。可以理解的是，在组装镜筒12时，应当综合考虑光源11与透镜系统13的几何位置关系，以使光源11位于透镜系统13 的等效焦距附近。进一步地，沿光轴方向，镜筒12出射光束一端设置有“U”形凹槽，便于安装DOE14。可以理解的是，该U形凹槽的面积应当不小于DOE14 的横向面积。这里的横向面积指的是DOE14入射/出射光束面的面积。在一些可替代的实施方式中，镜筒12可以不设凹槽直接将DOE14安装在镜筒12的上方，也可以设置合适形状的凹槽，以便更合理的安装DOE14。更进一步地，依据 DOE14监测端面的厚度h，在镜筒12的凹槽与外圈之间，开设了一个或多个深度不小于h的“窗口”或缺口，形成监测窗，用于安装一个或多个光束监测单元 16。可以理解的是，该监测窗的面积应当不小于光束监测单元16的面积，具体不做限定。

透镜系统13内嵌于镜筒12内部，透镜系统13与镜筒12之间的接触面可以通过环氧胶粘合固定，也可以通过螺栓固定，用于接收并汇聚光源11发射的光束，在一个实施例中，向外投射平行光束。该透镜系统13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。透镜的材质可以是透明玻璃，也可以是树脂或者高分子聚合物。本实施例中，透镜系统13包括两片玻璃材质的透镜。

DOE14由透明基板加工而成，该透明基板刻蚀或浮雕有衍射图样，通过环氧胶粘合固定在镜筒12的U型凹槽内，用于接收、分束经过透镜系统13汇聚后出射的光束，并向外投射能量分布均匀、对比度高的图案化光束。当光源11 包括多个子光源时，DOE14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。用于制造DOE14的透明基板，其材料可以是玻璃，也可以是透明塑料。本实施例中，DOE14优选玻璃材质的透明基板作为加工原料，在入射光束一侧的表面刻蚀或浮雕衍射图样。在一些等效实施方式中，DOE14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。

光束监测单元16包括光电二极管、控制电路或者还包括感光元器件(图中未示出)，设置在镜筒12U形凹槽与外圈之间开设的监测窗处，并且使光电二极管/感光元器件的光束接收面紧贴DOE14的监测端面，用于实时监测从DOE14 监测端面出射的反射光束和/或衍射光束的强度变化，以评估、判断DOE14的完整性和控制光源11的发光状态。其中，控制电路可以是简单的逻辑电路，嵌入底座10的刚性电路板中，也可以是独立的复杂电路模块，通过金属导线或者其他合适的传输线与光电二极管/感光元器件、光源11电连接。

在图1所示的一种投影模组100的结构示意图中，由于DOE14入射光束的表面刻蚀或浮雕有衍射图样，垂直或以一定角度入射的平行光束，会在DOE14 的入射面发生衍射和/或折射现象，或者还会发生反射现象。其中，衍射和/或折射光束以任意角度在DOE14的内部传输，而反射光束则返回到镜筒内部。又由于DOE14的密度大于空气的密度，因此存在一部分折射和/或衍射光束会在 DOE14的内部发生全反射现象，无法直接由DOE14的出射光束表面射出，而是从DOE14的周侧向的端面射出。为了便于理解，仅以光束112示意性地表示在 DOE14内部发生全反射的部分折射和/或衍射光束。进一步地，靠近DOE14的某一个或多个监测端面，设置有一个或多个光束监测单元16，用于实时捕捉、分析光束112的光强变化，判断、评估DOE14的完整性以及根据DOE14的完整性控制光源11的发光状态。该实施例中，为了降低光束112从监测端面出射的能量损耗，在DOE14的监测端面涂覆有光学胶水151。相似地，也可以在光束监测单元16的光束接收面(光电二极管/感光元器件的光束接收面)涂覆光学胶水151。一般地，光学胶水可以有效地降低4％的光束能量损耗。在一些可其他实施例中，光学胶水也可以由增透膜替换。

图2是图1实施例的投影模组100的俯视图。结合图1、2，一种实施方式中，DOE14内嵌于镜筒12的U形凹槽处，该U形凹槽的深度不小于DOE14监测端面的厚度h。此外，DOE14与U形凹槽之间通过环氧胶粘合、固定。对应于DOE14右侧的监测端面，镜筒12的U形凹槽与外圈之间开设有一个不小于DOE14监测端面面积的窗口或缺口，形成监测窗。光束监测单元16内嵌、粘合于监测窗中，并且使其光束接收面(光电二极管/感光元器件的光束接收面)对准DOE14的监测端面。可以理解的是，光电二极管/感光元器件的光束接收面应当不小于DOE14的监测端面的面积。

该实施例中，光源11为圆形VCSEL芯片，包括多个VCSEL子光源。VCSEL 子光源可以根据一定的规律排列，也可以随机排列。在一些可替代的实施方式中， VCSEL芯片的形状可以是正方形/长方形，或者任意合适的形状。VCESL子光源随机或整齐的分布在VCSEL芯片上。

这样设置的好处是，一方面光束接收面积完整覆盖了DOE监测端面的监测单元，可以更高效、精准地监测到出射光束能量的微弱变化；另一方面监测单元嵌入镜筒开设的监测窗中，可以使得投影模组的结构更加紧凑、更为合理。

在其他的一些等效实施例中，镜筒可以开设多个监测窗，每个监测窗的面积可以小于DOE的监测端面面积。光束监测单元嵌入到窗口中，对DOE监测端面出射的光束进行监测，并根据其能量变化，控制光源的发光状态。

光束监测单元16对DOE14完整性的监测和对光源11的控制过程可以理解为：当DOE14完好无损时，从DOE14的监测端面出射的光束，其能量可以认为是恒定不变的。此时，保持光源11的恒定发光功率。当DOE14出现老化、变形、损坏时，DOE14衍射和/或折射光束的能力会反生变化，从而导致在DOE14 内发生全反射的衍射和/或折射光束，其能量发生变化。此时，光束监测单元16 监测到的光束能量也会发生变化。换而言之，当光束监测单元16监测到的光束，其能量变化超过了可允许的波动范围时，认定DOE14可能出现了老化、变形或者损坏。具体地，在一个实施例中，控制电路可以通过监测光束二极管/感光元器件的电流或电压或电阻变化，间接判断DOE14的完整性(这里的完整性指的是， DOE没有发生老化、变形、损坏的现象，并保持良好的工作状态。)，并根据DOE14 的完整性，关闭光源或者降低光源发光功率以避免造成激光安全危害。

图3是本实用新型一种实施例的投影模组的结构示意图。该实施例中的投影模组200与图1实施例基本类似，区别在于，投影模组200还包括了光束耦合器，设置在DOE14与光束监测单元16之间，用于将从DOE14监测端面的出射的光束耦合到光束监测单元16的光束接收面内。一些实施方式中，光束耦合器包括透镜或透镜组或者还包括反射镜和/或分光镜。

这样设置的好处是，一方面可以提高由DOE监测端面出射的光束的收集；另一方面可以缩小光电二极管/感光元器件的接收面积，从而整体缩小光束监测单元的体积。

图4是本实用新型一种实施例的投影模组的结构示意图。该实施例中的投影模组300与图2实施例基本类似，区别在于，投影模组300的DOE14，其监测端面包括至少一个倾斜端面141。一种实施方式中，光束耦合器153包括一个平行于倾斜端面141的接收倾斜面。一些实施方式中，光束耦合器153接收倾斜面通过反射镜/分光镜及透镜或透镜组将倾斜端面141出射的光束耦合至光束监测单元16的光束接收面内。

这样设置的好处是，包括倾斜端面141的DOE14，一定程度增加了光束端面的出射面积，提高了衍射和/或折射光束的出光几率，从而提高出射光束的能量。更大的光束能量，有利于光束监测控制单元16更准确地监测、判断DOE14的完整性。

图5是本实用新型一种实施例的投影模组的俯视图。该实施例中，投影模组 400与图1实施例基本类似，区别在于，投影模组400还包括导光板/导光槽17，导光板/导光槽17设置在DOE14的周侧向的端面与镜筒凹槽之间，用于将DOE14 各个端面出射的光束导向监测端面一端，进而导向至光束监测单元16的光束接收面内。一些实施例中，投影模组400还包括光束耦合器(图中未示出)，用于收集导光板/导光槽和/或DOE某一周侧向的端面的光束。参阅图5，一种实施方式中，光束监测单元15设置在DOE14右侧的监测端面处，导光板/导光槽17则包裹了DOE14其余的周侧向的端面。此外，导光板/导光槽17、DOE14的监测端面以及光束监测单元16的接收面都涂覆有光学胶水或增透膜151。

这样设计的好处是，一方面仅需一个光束监测单元就可以实现对DOE各个端面出射的光束的监测；另一方面，同时检测DOE多个监测端面的出射光束，有利于光束监测单元监测到DOE的微小变化，以提高光束监测单元的精确度、灵敏度。

区别于传统的技术，本实用新型提及投影模组，其有益效果是：对应于DOE 的监测端面，镜筒开设一个或多个监测窗，以安装光束监测单元。光束监测单元的光电二极管/感光元器件的接收面对准DOE的监测端面，并采集、分析DOE监测端面出射光束的能量变化。控制电路通过分析光束监测单元的光电二极管/感光元器件的电阻或电流或电压的变化，评估、判断DOE的完整性，以及针对DOE的完整性状况，通过相关操作改变光源的发光状态，以防止投影模组因DOE的老化、变形、损坏引发激光危害。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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，都应当视为属于本发明的保护范围。