CN107942612A - 含监测薄膜的光学投影装置及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含监测薄膜的光学投影装置及其封装方法，装置包括：基底，用于固定光源以及承载镜筒；其中，所述光源用于发射光束；透镜，安装在所述镜筒上，用于接收并汇聚所述光源发射的光束；透明基板，安装在所述镜筒上，所述透明基板一侧含有衍射图案结构，用于接收经所述透镜汇聚后的光束并投射出图案化光束；监测薄膜，包括附着于与所述衍射图案结构所在表面对应的所述透明基板表面上的透明导电薄膜；控制电路，与所述监测薄膜以及所述光源电连接，通过测量所述监测薄膜的完整性来控制所述光源的发光状态。以防止光学投影装置因透明基板或DOE的老化、损坏、变形而引发激光安全问题。

Description

含监测薄膜的光学投影装置及其封装方法

技术领域

本发明涉及光学及光电子学领域，尤其涉及一种含监测薄膜的光学投影装置及其封装方法。

背景技术

光学投影装置被广泛应用于物体的三维扫描、空间三维重建、人机交互等领域。光学投影装置通过投射编码或结构化等特殊的光图案，可以对目标物体的空间信息进行标记，为后期图像采集装置的信息采集以及三维重建提供准备工作。

用于投射结构化光束的光学投影装置一般包括光源、衍射光学元件(DOE)。其中，衍射光学元件用于接收光源发射的光束，并将光源发射的光束进行分束、重叠处理，以获得分布均匀且不相关的图案化光束。衍射光学元件是光学投影装置的核心光学元件，直接决定着光学投影装置所投射的图案化光束的质量，衍射光学元件性能越好，光学投影装置所投射的光图案能量分布越均匀，分辨率越高，对比度越强，不相关性越好。

然而现有技术中，随着光学投影装置使用时间的增加，光学元件难免会出现不同程度的老化、变形或者损坏现象，尤其是衍射光学元件。因为衍射光学元件密封于激光投影装置中，在散热不佳的情况下，衍射光学元件非常容易出现老化、变形或者损坏的现象。当衍射光学元件出现老化、变形或者损坏时，其衍射光束能力会明显下降，导致光束投影装置所投射的图案化光束的均匀度和对比度也会出现不同程度的下降，甚至伴随着严重的零级衍射光束。所谓零级衍射光束指的是射向衍射光学元件的光束中，存在着一部份光束没有被衍射并且继续穿过衍射光学元件进入目标空间，即没有被衍射光学元件衍射便直接进入目标空间的那一部分光束为零级衍射光束。零级衍射光束的能量往往比高阶衍射光束能量高出几个数量级，处理不当，极有可能诱发激光安全问题。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的光学投影装置极易诱发激光安全的问题，提供一种含监测薄膜的光学投影装置及其封装方法。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：

一种含监测薄膜的光学投影装置，包括基底，用于固定光源以及承载镜筒；其中，所述光源用于发射光束；透镜，安装在所述镜筒上，用于接收并汇聚所述光源发射的光束；透明基板，安装在所述镜筒上，所述透明基板一侧含有衍射图案结构，用于接收经所述透镜汇聚后的光束并投射出图案化光束；监测薄膜，包括附着于与所述衍射图案结构所在表面对应的所述透明基板表面上的透明导电薄膜；控制电路，与所述监测薄膜以及所述光源电连接，通过测量所述监测薄膜的完整性来控制所述光源的发光状态。所述透明基板还包括至少一个倾斜面或缺口，所述倾斜面或缺口表面上附着有透明导电薄膜；还包括：电极或焊盘，所述电极或焊盘安装在所述倾斜面或缺口，用于连接所述透明导电薄膜与所述控制电路；所述通过测量所述监测薄膜的完整性来控制所述光源的发光状态指的是：所述控制电路通过连续或间隔地向所述透明导电薄膜注入小电流，并监测回路的阻值变化，以间接判断所述透明基板的完整性及对所述光源做出相关控制操作；所述通过测量所述监测薄膜的完整性来控制所述光源的发光状态指的是：所述控制电路与所述透明导电薄膜、所述光源形成的单一回路，当所述透明导电薄膜完整性受到破坏时，回路发生中断，光源将自动关闭。

本发明还提供一种含监测薄膜的光学投影装置，所述镜筒的外侧和/或内侧设置有导电金属层；所述镜筒与所述透明基板之间设置有锡球或焊点，用于连接所述透明导电薄膜与所述导电金属层；和/或所述镜筒与所述基底之间设置有锡球或焊点，用于连接所述导电金属层与所述基底；所述监测薄膜的完整性包括所述透明导电薄膜、所述导电金属层、所述基底的完整性以及相互之间连接的完整性；所述通过测量所述监测薄膜的完整性来控制所述光源的发光状态指的是：所述控制电路通过连续或间隔地向所述透明导电薄膜注入小电流，并监测回路的阻值变化，以间接判断所述透明基板的完整性及对所述光源做出相关控制操作。

本发明还提供一种含监测薄膜的光学投影装置的封装方法，包括如下步骤：提供基底；提供光源，所述光源安装在基底上，用于发射光束；提供镜筒，所述镜筒安装在所述基底上；提供透镜，安装在所述镜筒上，用于接收并汇聚所述光源发射的光束；提供透明基板，安装在所述镜筒上，所述透明基板一侧含有衍射图案结构，用于接收经所述透镜汇聚后的光束并投射图案化光束；提供监测薄膜，包括提供附着于与所述衍射图案结构所在表面对应的所述透明基板表面上的透明导电薄膜；提供控制电路，与所述透明导电薄膜以及所述光源电连接，通过测量所述监测薄膜的完整性来控制所述光源的发光状态。

本发明的有益效果为：提供一种含监测薄膜的光学投影装置，在透明基板出射光束一侧的表面附着一层脆性透明导电薄膜，透明导电薄膜通过电极/焊盘或者锡球/焊点接引金属导线或者导电金属层，并与光源一同接入控制电路中。控制电路对透明导电薄膜注入小电流，并监测回路中的阻值变化，以间接判断透明基板或DOE的完整性。针对透明基板或DOE的完整性状况，控制电路通过相关控制操作改变光源的发光状态，以防止光学投影装置因透明基板或DOE的老化、损坏、变形而引发激光安全问题。

附图说明

图1是本发明实施例的一种含监测薄膜的光学投影装置的结构示意图。

图2是本发明实施例的衍射光学元件的结构示意图。

图3是本发明实施例的又一种含监测薄膜的光学投影装置的结构示意图。

其中，10-基底、11-光源、12-镜筒、13-透镜、131-透镜、14-透明基板、14a-透明基板、14b-透明基板、141a-倾斜面、142a-倾斜面、141b-倾斜面、142b-倾斜面、143a-光束出射面、144a-光束入射面、143b-光束出射面、144b-光束入射面、145a-纵向端面、146a-纵向端面、15-透明导电薄膜、151-电极或焊盘、152-电极或焊盘、161-金属导线、162-金属导线、171-锡球或者焊点、172-球或者焊点、173-锡球或者焊点、174-锡球或者焊点、181-金属层、182-金属层。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施例对本发明进行详细的介绍，以使更好的理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。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发明的基本构思，附图中仅显示与本发明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。需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

图1是根据本发明实施例的一种含监测薄膜的光学投影装置的结构示意图。本实施例中，该光学投影装置包括基底10、光源11、镜筒12、透镜13、透镜131、透明基板14、透明导电薄膜15以及控制电路(图中未示出)。

其中，基底10用于固定光源11以及支撑镜筒12。基底10可以是具有导热和/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，基底10为具有导热功能的陶瓷和印制电路板(PCB电路板)组合而成。

其中，光源11通过键合等方式固定在基底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、紫外等合适波长的光束。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850nm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。

其中，镜筒12通过胶粘、镶嵌等方式固定在基底10上，用于隔离外界自然光以及安置透镜等其他光学元件。镜筒12的材质可以是导热性能良好的陶瓷或者塑料。为了便于透镜及其他光学元件的安装，本实施例中，镜筒12可以拆分成多个部分，每一部件之间的接触面可以通过热固胶粘合。

其中，透镜13、透镜131通过内嵌、胶粘的方式固定在镜筒12内部，用于接收并汇聚光源11发射的光束并向外投射光束，在一个实施例中向外投射平行光束。透镜13与透镜131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13与透镜131共同构成该实施例中光学投影装置的准直***。在一些等效实施例中，准直***可以仅包括一片透镜，也可以包括多片不同属性的透镜。

其中，透明基板14入射光束一侧的表面刻蚀或浮雕有衍射图案结构以构成衍射光学元件(DOE)，透明基板14可以由透明玻璃或者透明塑料加工而成，通过胶粘或其他可行方式固定在镜筒12上，用于接收、分束经透镜13、透镜131汇聚后出射的光束，投射出能量分布均匀、对比度高的图案化光束。当光源11包括多个子光源时，衍射光学元件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。可以理解的是，在本实施例中提及的透明基板14，光束出射面143能够射出全部或者绝大部分图案化光束，即倾斜面或者缺口不会对出射的图案化光束造成实质性影响。与现有技术的光学投影装置不同的是，衍射图案结构所在表面对应的所述透明基板14的表面上附有透明导电薄膜15，本申请所述的监测薄膜包括透明导电薄膜15；控制电路与透明导电薄膜15以及光源11电连接，通过测量监测薄膜的完整性来控制所述光源的发光状态。

在图1所示的一种含监测薄膜的光学投影装置的结构示意图中，透明基板14出射光束一侧的表面包括光滑的光束出射面143以及两个倾斜面或缺口。

在本发明的变通实施例中，透明基板上倾斜面或缺口的数量至少为一个，同一个透明基板上可以同为倾斜面，同为缺口，也可以同时设置倾斜面或缺口。

为了便于理解，以图2实施例对透明基板14做进一步描述，应当理解的是，图2示出的结构仅用于示意，不能理解为对本发明的限制，在一些等效实施例中，透明基板14的结构可以由正方体、长方体、圆柱体或其他合适的多面体，通过激光切割或其他合适工艺裁切加工而成。一种实施方案中，参阅图2(a)，透明基板14a为“枕形”八面体。其中，作为光束入射面的“下”表面144a刻蚀或浮雕有衍射图案结构；“上表面”143a是光滑平面，为透明基板14a的光束出射面。此外，在透明基板14a的左、右纵向端面145a、146a与光束出射面143a之间还是设置了倾斜面141a、倾斜面142a。倾斜面141a、倾斜面142a的面积大小可以根据实际情况改变，具体不做特定限制，但是应该确保倾斜面141a、倾斜面142a不会漏光也不会对出射的图案化光束造成影响。

在又一可替代的实施方案中，透明基板14b是梯形六面体，参阅图2(b)。该实施方案中，包括作为光束入射面的“下”表面144b刻蚀或浮雕有衍射图案结构；“上表面”143b是光滑平面，为透明基板14b的光束出射面。倾斜面141b、142b以一定的角度a连接上、下表面，以构成一个正梯形体。类似地，倾斜面141a、倾斜面142b应当不会漏光也不会对出射的光束造成影响。图2实施例中提及的枕形或梯形多面体可以认为是对传统长方体或正方体的纵向端面进行裁切获得的。在一些等效实施例中，透明基板14可以仅包括一个倾斜面，也可以包括两个或者两个以上倾斜面，比如可以在长方体的四个顶角分别切割产生四个倾斜面。可替换地，倾斜面也可以使用“缺口”代替。在一些可替换的实施例中，透明基板14包括至少一个倾斜面和/或缺口。

返回到图1，透明导电薄膜15通过蒸镀、气相沉积或贴附等相关可行的工艺均匀、紧密地附着于透明基板14出射光束一侧的表面，包括光滑平面部分和/或倾斜面或者缺口的部分，具有良好的导电性和/或电阻属性。应该理解的是，透明导电薄膜15对红外光束、紫外或者其他特定波段的光束具有较高的透射率，并且透明导电薄膜15对透明基板14衍射光束的能力也不会造成实质影响。优选地，透明导电薄膜15可以是脆性透明导电薄膜，并且该透明导电薄膜对红外光束具有不小于85％透射率，例如：ITO(氧化铟锡)或CTO(Cd₂SnO₄锡酸镉薄膜)或CIO(CdIn₂O₄偏铟酸镉薄膜)薄膜等。

控制电路与光源11以及透明导电薄膜15电连接，用于测量透明导电薄膜15的完整性。在一个实施例中，控制电路为逻辑电路并嵌入到所述基底10中，也可以是其他作为独立模块的复杂电路。当透明基板14或DOE保持完好无损时，透明导电薄膜15保持良好的导电性和/或电阻属性，控制电路监测到回路中的阻值基本趋于稳定或者在一个合理的区间内波动，此时控制电路持续保持光源11的发光状态。当透明基板14或DOE出现老化、变形或破损时，导电透明薄膜15因其脆性，会伴随透明基板14或DOE的老化、变形或破损出现不同程度的龟裂或者脱落，从而致使透明导电薄膜15的导电能力或电阻属性发生变化，此时控制电路根据回路监测到的阻值变化情况，对光源11做出相关的控制操作。一些实施方式中，控制电路所实施的相关控制操作包括，停止光学投影装置的工作、关闭光源、降低光源发光功率和/或发出安全警报等。因此，在一个实施例中，控制电路可以通过连续或间隔地向所述透明导电薄膜15注入小电流，并监测其阻值变化来判断透明导电薄膜15的完整性，当完整性破坏时，将降低或关闭光源以避免激光安全危害。在另一个实施例中，控制电路将光源11与透明导电薄膜15连接在同一回路中，当透明导电薄膜15断裂时，回路断开，光源将自动关闭。

参阅图1实施例，本发明还提供了一种含监测薄膜的光学投影装置的封装方法：光源11键合、固定在基底10的一侧，并通过金属导线接入基底10的刚性印制电路板中，刚性电路板通过FPC连接至控制电路中(图中未示出)。在一些可替换的封装方法中，控制电路为简单的逻辑电路，内嵌于刚性电路板中。镜筒12胶粘、固定在基底10设置有光源11的同一侧，可以根据透镜13、透镜131的设置顺序拆分为三部分，每一部分在安置透镜之后，使用热固胶粘合、固定。然后将附着有透明导电薄膜15的透明基板14设置在镜筒12上方，并通过热固胶粘合、固定。随后，在透明基板14的倾斜面141、倾斜面142处分别设置电极或者焊盘151、电极或者焊盘152。最后，在电极或者焊盘151、电极或者焊盘152处分别引出金属导线161、金属导线162或者其他可行的传输线，将透明导电薄膜15与完整性控制器电连接。在一些可替换的封装方法中，透明基片14的倾斜面可以由缺口替代，则电极或者焊盘设置在缺口处。

图3是根据本发明实施例的又一种光学投影装置的结构示意图。与图1所示实施例的区别在于，本实施例中，为了对光学投影装置整体的完整性进行测量，在镜筒的外侧和/或内侧也设有导电金属层，控制电路通过焊点等方式与透明导电薄膜15、导电金属层181、182、光源11连接。此时监测薄膜的完整性包括透明导电薄膜、导电金属层、基底的完整性以及相互之间连接的完整性；测量监测薄膜的完整性来控制所述光源的发光状态指的是：控制电路通过连续或间隔地向所述透明导电薄膜注入小电流，并监测回路的阻值变化，以间接判断所述透明基板14的完整性及对光源做出相关控制操作；也可以通过控制电路与透明导电薄膜15与光源11形成的单一回路，当透明导电薄膜15完整性受到破坏时，回路发生中断，光源11将自动关闭。

在本发明的一种变通实施例中，在镜筒的外侧和/或内侧也设有导电金属层时，透明基板14可以如图1中所示设置倾斜面或缺口，也可以不设置倾斜面和缺口。当设置倾斜面或缺口的时候，可以同时设置图1中所示的金属导线161、金属导线162，将两种检测方式同时设置在一个光学投影装置中。

如图3所示，透明基板14的整体尺寸介于镜筒12的内圈尺寸与外圈尺寸之间。在一些等效实施方式中，镜筒12外圈的尺寸不小于透明基板14的尺寸。这样设置的目的是，一方面，透明基板14可以稳定的设置在镜筒12的上方，以确保不会松动或者陷入镜筒内；另一方面，透明基板14与镜筒12之间留有一定的空隙，用于设置锡球或者焊点171、172、173、174。导电金属层181、182与透明导电薄膜15通过锡球或者焊点连接。

进一步地，本实施例中，锡球或者焊点171、173分别设置在透明基板14与镜筒12外圈余留的空隙处。这样设置的好处是，一方面，可以确保透明导电薄膜15可以合理地与金属层181、182实现电连接；另一方面，锡球或者焊点171、173不容易受外界影响而脱落。类似地，基底10的尺寸在设置上也应该不小于镜筒12的外圈尺寸，导电金属层181、182的另一端，则分别通过锡球或者焊点172、174与基底10电连接。

控制电路所执行的功能除了包含与图1所示的实施例中控制电路的功能外，本实施例中，控制电路还可以实现对透明导电薄膜15、导电金属层181、导电金属层182、基底10的完整性以及相互之间连接的完整性进行测量。该实施例明显的有益效果是，当透明导电薄膜15的完整性发生破坏时，控制电路可以实现对光源的控制，比如降低功率或关闭；同时，当DOE由于光学投影装置的跌落等发生位移时，或者镜筒12相对于基底发生位移时，透明导电薄膜15、导电金属层181、导电金属层182以及基底10之间的锡球或者焊点连接172和/或174也会失效，此时控制电路可以测量由这些连接失效所引起的完整性破坏，从而控制光源发光状态。

本发明还提供一种光学投影装置的封装方法，包括如下步骤：

1.提供基底；

2.提供光源，所述光源安装在基底上，用于发射光束；

3.提供镜筒，所述镜筒安装在所述基底上；

4.提供透镜，安装在所述镜筒上，用于接收并汇聚所述光源发射的光束；

5.提供透明基板，安装在所述镜筒上，所述透明基板一侧含有衍射图案结构，用于接收经所述透镜汇聚后的光束并投射图案化光束；

6.提供监测薄膜，包括提供附着于与所述衍射图案结构所在表面对应的所述透明基板表面上的透明导电薄膜；

7.提供控制电路，与所述透明导电薄膜以及所述光源电连接，通过测量所述监测薄膜的完整性来控制所述光源的发光状态。

可以理解的是，上述方法仅为制备实现本发明的基本的结构的制备方法，本发明的保护范围同样包括制备上述实施例中任何一种能够实现本发明的结构的方法，以及与现有技术中的技术相结合对本发明提供的光学投影装置进一步改进的方法。

区别于传统的技术，本发明提及含有监测薄膜的光学投影装置，其有益效果是：在透明基板出射光束一侧的表面附着一层脆性透明导电薄膜，透明导电薄膜通过电极/焊盘或者锡球/焊点接引金属导线或者导电金属层，并与光源一同接入控制电路中。控制电路对透明导电薄膜注入小电流，并监测回路中的阻值变化，以间接判断透明基板或DOE的完整性。针对透明基板或DOE的完整性状况，控制电路通过相关控制操作改变光源的发光状态，以防止光学投影装置因透明基板或DOE的老化、损坏、变形而引发激光安全问题。

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。

Claims (10)

1.一种含监测薄膜的光学投影装置，其特征在于，包括：

基底，用于固定光源以及承载镜筒；其中，所述光源用于发射光束；

透镜，安装在所述镜筒上，用于接收并汇聚所述光源发射的光束；

透明基板，安装在所述镜筒上，所述透明基板一侧含有衍射图案结构，用于接收经所述透镜汇聚后的光束并投射出图案化光束；

监测薄膜，包括附着于与所述衍射图案结构所在表面对应的所述透明基板表面上的透明导电薄膜；

控制电路，与所述监测薄膜以及所述光源电连接，通过测量所述监测薄膜的完整性来控制所述光源的发光状态。

2.如权利要求1所述的含监测薄膜的光学投影装置，其特征在于，所述透明基板还包括至少一个倾斜面或缺口，所述倾斜面或缺口表面上附着有透明导电薄膜。

3.如权利要求2所述的含监测薄膜的光学投影装置，其特征在于，还包括：电极或焊盘，所述电极或焊盘安装在所述倾斜面或缺口，用于连接所述透明导电薄膜与所述控制电路。

4.如权利要求3所述的含监测薄膜的光学投影装置，其特征在于，所述通过测量所述监测薄膜的完整性来控制所述光源的发光状态指的是：

所述控制电路通过连续或间隔地向所述透明导电薄膜注入小电流，并监测回路的阻值变化，以间接判断所述透明基板的完整性及对所述光源做出相关控制操作。

5.如权利要求1所述的含监测薄膜的光学投影装置，其特征在于，所述镜筒的外侧和/或内侧设置有导电金属层。

6.如权利要求5所述的含监测薄膜的光学投影装置，其特征在于，所述镜筒与所述透明基板之间设置有锡球或焊点，用于连接所述透明导电薄膜与所述导电金属层；和/或所述镜筒与所述基底之间设置有锡球或焊点，用于连接所述导电金属层与所述基底。

7.如权利要求6任一所述的含监测薄膜的光学投影装置，其特征在于，所述监测薄膜的完整性包括所述透明导电薄膜、所述导电金属层、所述基底的完整性以及相互之间连接的完整性。

8.如权利要求7所述的含监测薄膜的光学投影装置，其特征在于，所述通过测量所述监测薄膜的完整性来控制所述光源的发光状态指的是：

所述控制电路通过连续或间隔地向所述透明导电薄膜注入小电流，并监测回路的阻值变化，以间接判断所述透明基板的完整性及对所述光源做出相关控制操作。

9.如权利要求1所述的含监测薄膜的光学投影装置，其特征在于，所述通过测量所述监测薄膜的完整性来控制所述光源的发光状态指的是：

所述控制电路与所述透明导电薄膜、所述光源形成的单一回路，当所述透明导电薄膜完整性受到破坏时，回路发生中断，光源将自动关闭。

10.一种含监测薄膜的光学投影装置的封装方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供基底；

提供光源，所述光源安装在基底上，用于发射光束；

提供镜筒，所述镜筒安装在所述基底上；

提供透镜，安装在所述镜筒上，用于接收并汇聚所述光源发射的光束；

提供透明基板，安装在所述镜筒上，所述透明基板一侧含有衍射图案结构，用于接收经所述透镜汇聚后的光束并投射图案化光束；

提供监测薄膜，包括提供附着于与所述衍射图案结构所在表面对应的所述透明基板表面上的透明导电薄膜；

提供控制电路，与所述透明导电薄膜以及所述光源电连接，通过测量所述监测薄膜的完整性来控制所述光源的发光状态。