CN103091071B - 对照明系统的配置改变的检测 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于检测照明系统中的一个或多个元件的配置位置的改变的技术。光源生成照明信号，并且系统的元件将信号的一部分光定向回光检测器。在一个示例中，这部分光被反射回光检测器。通过基于定向光监控光检测器的输出信号，控制电路可检测到系统的元件的位置已经改变。在一个示例中，包括监控光电二极管的现成集成电路激光二极管封装可与反射元件一起使用。在一个示例中，反射元件是倾斜光学元件。可检测照明系统的位于激光二极管封装外部的一个或多个光学元件的配置的改变。

Description

对照明系统的配置改变的检测
背景技术
照明系统用于许多应用。例如，它们可用于诸如飞行时间(TOF)相机、雷达系统和质谱仪之类的深度相机系统。照明系统包括诸如激光器或发光二极管(LED)之类的光源。通常，诸如透镜和反射镜之类的附加光学处理元件或光处理元件被并入照明系统的光学设计。例如，这些光处理元件可用于将光源的光定向到目标位置或在目标区上散布光。如果光学元件的配置因篡改或非期望的损坏而改变，则照明系统无法如其光学设计所期望地工作，并且可引起安全危害。
发明内容
本发明技术提供了对照明系统中所配置的元件的位置改变的检测。具体而言，该技术可检测照明系统的元件的去除、损坏或位置改变。光源生成照明信号，并且照明系统的元件将照明信号的一部分光定向到光检测器。在一些实施例中，元件将一部分光反射回来。另外，可通过除诸如衍射之类的反射以外的技术将光定向到光检测器。光检测器基于反射光生成输出信号，并且控制电路监控输出信号以供检测照明系统的一个或多个元件的配置位置的改变。
在一个示例中，照明信号由一个或多个准直透镜准直，并且来自信号的一部分光由倾斜光学元件反射。反射光再次穿过一个或多个准直透镜。光将以全部或大部分反射光被聚焦回光源但偏移一量或距离的方式与倾斜角相关地偏移或平移。光检测器可被放置在偏移或平移的位置处，通常在光源附近，并且光检测器可测量反射光。通过控制倾斜角，对反射光被定向到何处的良好控制使得对照明系统中的改变敏感。
将光反射回光源附近准许使用现有的、市场上普遍可买到的光源封装，诸如包括放置在光源附近的监控光电二极管的激光二极管封装。通过能够在监控光电二极管处接收反射光，光源封装外部的效果或改变可由现成光源封装内的标准组件检测。
在一些实施例中，控制电路响应于检测配置位置的改变来修改对照明系统的操作。经修改操作的一个示例正在关闭光源。
提供本发明内容以便以简化形式介绍在以下具体实施方式中进一步描述的一些概念。本发明内容并非旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
附图说明
图1A是包括用于检测其元件的配置改变的技术的照明系统的实施例的框图。
图1B是包括用于检测其元件的配置改变的技术的照明系统的另一实施例的框图。
图2是可检测其元件的配置改变的激光二极管照明系统的实施例的立体图中的框图。
图3是根据一个实施例的用于检测图2的照明系统的元件的位置配置改变的控制电路的框图。
图4是包括用于检测其元件的配置改变的技术的激光二极管照明系统的另一实施例的立体图中的框图。
图5是根据一个实施例的用于检测图4的照明系统的元件的位置配置改变的控制电路的框图。
图6是用于检测照明系统中的一个或多个元件的配置位置的改变的方法的实施例的流程图。
图7是在使用反射光作为系统元件之一的位置的改变的指示器的照明系统中图6方法的实现示例的流程图。
图8是示出针对去除光电二极管之后监控光电二极管电流对去除之前初始监控光电二极管电流的百分比改变的一些数据点的一些结果的图表。
具体实施方式
照明系统通常包括光源和一个或多个光电元件。光源可以是现成封装(例如，标准化的、市场上可买到的封装)，包括使用集成电路技术来制造的光源和支承电路。取决于应用，照明系统的设计者将一个或多个光学元件(例如，反射镜和透镜)配置在接收并处理光的位置中。元件的另一示例是遮光元件。系统的其他元件可包括结构元件，像其上在适当位置安装、附着或支承各个元件的支承结构。如果在配置中例如通过显著的移动、损坏、或去除来改变这些元件的位置，则照明系统或光学系统的操作可能受到显著的损害。
该技术通过监控被定向回光检测器的照明信号的一部分光来检测照明系统中的一个或多个元件的配置位置的改变。当激光器被用作光源时，激光器生成光或照明，该光或照明主要在一个方向上传播(称为前向)，但也有较小部分光在相反方向上传播以构成反向照明信号。按照常规，监控光电二极管监控反向照明信号，作为激光器的照明信号的输出功率的指示器。前向照明信号是通常由照明系统用于各种各样的应用(诸如相机、雷达、质谱仪等)的信号，并且是术语照明信号所指的信号。
照明系统的元件将信号的一部分光定向回光检测器。定向一部分光的一种方式是反射光。一些实施例利用光自光学元件的固有表面反射。最低限度散射的表面反射光提供表面反射光的强度测量，这些强度测量容易对诸如噪声之类的环境因素进行全部的检测。光检测器基于对从元件接收回的光的测量生成输出信号。监控光检测器的输出信号以检测系统元件的位置已经改变。
在一些示例中，诸如包括监控光电二极管的激光二极管封装之类的现成集成电路光源封装可用于监控封装外部的改变。换言之，可检测照明系统的位于封装外部的一个或多个光学元件的配置的改变。
图1A是包括用于检测其元件的配置改变的技术的照明系统的实施例的框图。外部结构118提供对光学元件124和122以及包括集成电路的壳或罐104的封装的支承，该集成电路包括半导体光源106、控制电路126和光检测器108。在该实施例中，光学元件124和122表示透镜，但是其他光学处理元件或光处理元件(例如，反射镜)可被按照特定光学设计使用。另外，所示透镜124和122可表示一个或多个光学元件的光学子系统。
光源106生成照明信号，在该示例中被表示为色散射线109f和111f。诸如激光二极管或发光二极管(LED)之类的半导体二极管通常生成色散光束，与生成高度准直光束的气体或晶体激光器不同。准直透镜124准直发散光，如图所示。
光学元件122是反射一部分准直光的倾斜光学元件。倾斜不是按比例绘制的。在诸如图1A以及图2和4中所示的照明系统之类的照明系统的示例配置中，倾斜角可以是2到3(2-3)度。反射光111b再次穿过透镜124所表示的一个或多个准直透镜。相关于倾斜角，反射光111b行进到自光源106(但在其附近)平移的位置，光检测器108位于该位置处。
光检测器108被放置成接收反射光111b。例如，如图所示它在光源106附近，在此情况下它在光源106后面，但是它在光源106的区域以外并接收射线111b。由于最低限度散射镜面反射光，对光检测器的强度测量将比针对简单地散射回检测器的光对光检测器的强度测量高。
图1B是包括用于检测其元件的配置改变的技术的照明系统的另一实施例的框图。在该示例中，发散射线109f由一个或多个透镜124准直，并且行进并与外部结构118内侧的表面上的反射区115a相交。反射区115a、115b可用涂料或涂层来涂敷，反射区115a、115b使光109b穿过一个或多个准直透镜124定向回光检测器108。结构118可包括部分115a和115b中的涂层或反射镜的反射区。在一个示例中，部分115a和115b内侧上(在本视图中在这些部分上方和下方)的三个相互垂直的反射镜可形成梯形，由于115a和115b之间的用于照明信号的开口，该梯形是具有不完整隅角的方形。因此，角反射器被有效地形成为反射元件。
图2是包括用于检测其元件的配置改变的技术的激光二极管照明系统的实施例的立体图中的框图。参考图2和4的本发明同等地适用于具有发光二极管的配置，这些配置可共享类似于图2和4所示的配置。
在图2中，照明系统的外部结构元件118支承光学元件124和122。透镜124表示用于准直光束114的一个或多个光学元件。倾斜光学元件122(未按比例绘制)具有从轴121测量的、垂直于照明信号的传播方向的倾斜角120。如图1A所述，在该示例中，倾斜角可在2到3度之间。当然，根据光学照明系统的设计选择，可使用其他倾斜角和不同的反射安排。光学元件122可由一个或多个元件实现。
在该示例中，光学元件122表示一个或多个衍射光学元件。衍射元件122的衍射光栅提供不均匀的或粗糙的表面，该表面将光定向到光检测器(例如，表面将光反射回来)。
图2还在立体图中示出典型激光二极管封装。激光二极管封装102包括壳104(也称为罐)，该壳容纳用于激光二极管106的管芯、用于监控光电二极管108的管芯、以及热沉110。热沉110用于驱散激光二极管管芯所生成的热。壳包括窗口112，激光二极管管芯所生成的激光束或照明信号穿过窗口112。激光束由图2中的箭头114表示。当然，光栅114可表示非准直光离开激光二极管106时的发散光束。一般而言，激光二极管将从包含二极管结构的共振腔的两端发射功率。来自图2中的激光二极管背面的光束或发射由箭头116表示。来自激光二极管106的背部发射或反向照明信号由监控光电二极管108接收。光电二极管利用光电荷载流子生成来感测并测量激光二极管所产生的光。另外，监控光电二极管108接收114b所表示的反射光。
对所测量光的属性的改变可由监控光电二极管108检测。在一个示例中，属性是所测量光的强度或量。在一个示例中，光的强度降低约为百分之二十五是元件(例如，光学元件122和124或结构元件118)中的至少一个的位置已经有从照明系统中的其原始配置的位置改变的指示器或检测器。元件可已经被去除、损坏、或重新放置以产生不可忽略的效果。
如图2的示例中所示，现成或多用途的市场上可买到的激光器封装用于检测集成电路封装外部的一个或多个元件的配置位置的改变。监控光电二极管是激光二极管封装的标准。在诸如照明系统之类的光学系统的设计中，封装不需要为检测配置改变特别设计或制造。倾斜光学元件122将准直光反射到偏移或平移位置，但在诸如监控光电二极管108之类的光源的位置附近。通过能够在监控光电二极管处接收反射光，集成电路封装外部的影响或改变可由现成光源封装内的标准组件检测。
壳或罐104的下表面上的黑圈对应于来自封装的引线或其他连接用于通过输入驱动信号从控制电路126连接到激光二极管，用于输出信号从光电二极管108到控制电路126的连接器(PD)，以及同样可连接到控制电路126的公共或接地连接器(COM)。
图3是根据一个实施例的用于检测图2的照明系统的元件的位置配置改变的控制电路的框图。所述的控制电路126关于用于检测使用激光器或LED的光学系统中的配置改变的各方面。虽然未示出，但控制电路126可包括通常体现在用于操作激光器或LED的控制电路中的其他已知系统，例如，温度控制系统。
激光二极管引线LD连接到控制电路126的第一引线，该第一引线连接到驱动电路220和控制系统218。当驱动激光二极管102来产生激光发射时，在该示例中，控制系统218经由驱动电路220维持恒定的电流输入。激光二极管可被放置在驱动电路220和公共COM之间。控制系统218将提供给激光二极管的电流电平与设定的驱动电流电平进行比较。该设定的驱动电流电平可由模拟电压表示，并与同样被表示为模拟电压的实际电流电平进行比较。使用两个电压之间的差值来表示误差，可调节对激光二极管的电流的输入电平以维护对激光器的恒定输入驱动信号。在电流从驱动电路220到激光器的示例中，通过维护恒定的输入功率，不需要监控光电二极管108来监控激光器的输出功率以便于调节输入功率来达到所选输出功率。
光电二极管引线PD连接到在该示例中测量电流的配置测量电路210。所使用类型的光电二极管可输出表示从反向照明信号和反射光接收的光强度的电流或基于该光强度输出电流。在其他示例中，输出信号的另一特性(例如，电压或相位或频率)可被用作测量特性。控制系统218包括可以是固件或软件指令形式的逻辑，该逻辑确定所测量电流是否位于存储在诸如闪存或只读存储器之类的存储器中的阈值以外。位于阈值以外可以是在阈值以上或以下。例如，一次测量或多次测量可在指示至少一个元件的配置已经改变的电流的特定量以上或以下。
在一个示例中，激光二极管产生约190-200毫瓦(mw)之间的功率。反向照明信号产生约500微安(uA)的输出信号。反射光产生约2000uA的增长，因此，2500uA的输出信号指示照明系统的元件位于配置内的其期望位置。如果输出信号下降到约例如1800uA或以下，则控制系统检测到已经存在集成光源封装外部的一个或多个光学元件的配置位置的改变。位于阈值以外是用于修改照明系统的操作的准则的一个示例。例如，准则可以是其中控制电路126关闭光源(该示例中为激光二极管)的关闭准则。控制系统218使得驱动电路220停止产生激光二极管106的驱动信号，因此，照明系统关闭。
图4是包括用于检测其元件的配置的改变的技术的激光二极管照明系统的另一实施例的立体图中的框图。在该实施例中，监控光电二极管108用于测量反向照明信号的常规目的，该反向照明信号可被用作激光二极管的输出功率的指示器。另一光电二极管107用于测量反射光114b的属性。从罐104延伸出两个光电二极管连接器(PD1和PD2)，控制电路126连接到这些连接器以读取两个光电二极管108和107的各个输出信号。
图5是根据一个实施例的用于检测图4的照明系统的元件的位置配置改变的控制电路的框图。在该示例中，控制系统218接收来自光电二极管107和108各自的电流测量。功率控制电流测量系统226接收表示反向照明信号的电流输出信号，该电流输出信号表示照明信号的输出功率。通过监控激光二极管的输出作为反馈，激光二极管的输出功率可由控制系统218通过调节驱动电路220来维护。代替如图3中使对激光器的驱动电流保持恒定，可基于关于照明信号的输出功率的反馈来改变驱动电路220所产生的驱动电流。
除将根据反向照明信号的贡献来减小值以外，控制电路处理如上图3所述的配置测量电路210的测量。
在以上实施例中，不同类型的反射可用于将光反射回光检测器。例如，具有入射角约为0的表面的反射镜或其他设备可将一部分照明反射回光检测器。在另一示例中，可使用向后反射，其中将光反射回其源作为最低限度散射的光或至少比漫反射光散射得少的光。在其他示例中，使用其中入射角等于反射角的镜面反射。此外，其他元件可用于通过除反射以外的其他光学技术将封装外部的一部分照明定向到封装内部的光电二极管。例如，一部分光可由拆分器拆分开，并且穿过光学元件路由回光检测器。在另一示例中，光可被衍射到放置在封装中的光检测器。
图6是用于检测照明系统中的一个或多个元件的配置位置的改变的方法的实施例的流程图。对于要作描述、但使方法不限于所公开的特定示例的说明性背景，参考图1A到5的元件。在步骤302，光源106生成照明信号。在步骤304，诸如图2中的一个或多个倾斜衍射光学元件122或图1B中的结构元件118的反射区115a和115b(例如，在一个示例中被体现为向后反射区)的照明系统的一个元件将照明信号的一部分光定向到光检测器108。控制电路126在步骤306监控定向光以供检测照明系统的一个或多个元件的配置位置的改变，并且在步骤308确定一个或多个元件的配置位置的改变是否已经发生。响应于未改变，系统通过继续在步骤302生成照明信号和监控定向回光检测器的光来继续操作。响应于元件的配置位置的改变，在步骤310，控制电路126修改照明系统的操作。在出于安全和正确操作考虑的许多情况下，步骤310导致关闭照明系统。
图7是在使用反射光作为系统元件至少之一的位置的改变的指示器的照明系统中的图6方法的实现示例的流程图。另外，在该示例中关闭是经修改操作。在图7的示例中，步骤304通过将照明信号的一部分光反射到光电二极管(例如，图2中的监控光电二极管或图4的其他光电二极管107)在步骤304a实现。监控经检测光以供检测照明系统的一个或多个元件的配置位置的改变的步骤306通过步骤306a中的光电二极管108、107生成表示反射回光电二极管的光的输出信号，以及步骤306b中的监控输出信号作为反射光的改变的指示器实现。
检测改变的步骤308通过步骤308a中的检测是否存在满足关闭准则的输出信号的改变，以及步骤310中的修改操作被实现为响应于满足关闭准则的改变关闭光源来实现。关闭准则的一个示例是位于阈值以外。例如，如果配置测量电路210将示出输出信号强度显著下降约为25％或更大的值返回到控制系统218，则系统218将使驱动电路220停止向激光二极管106提供驱动电流，从而关闭它。也可使用其他阈值，例如，15％或35％。通常，在光源的使用期限中，挑选阈值，以致不因噪声改变或光源输出功率的期望正常下降、并且因此定向回光检测器的光而导致关闭。
图8是示出针对去除光学元件之后监控光电二极管电流对去除之前初始监控光电二极管电流的百分比改变的一些数据点的一些结果的图表。获得系统(诸如图2中的系统)的结果，其中去除了衍射光学元件122。对于去除之前约为1.125毫安(mA)的初始监控光电二极管电流，百分比改变在约25％到30％之间。在初始电流为1.6ma处，去除之后百分比改变在约45％到50％之间。对于1.8mA的初始电流，去除之后百分比改变约为55％。如所指示的，该范围的电流改变指示初始监控光电二极管电流和因去除衍射光学元件122的百分比改变之间的完全线性和直线关系。
虽然用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本主题，但是可以理解，所附权利要求中定义的主题不必限于上述具体特征或动作。相反，上述具体特征和动作是作为实现权利要求的示例形式公开的。

Claims (7)

1.一种照明系统，包括：
用于生成照明信号的光源(106)；
对齐以定向所述照明信号(109f、111f、114)的一部分光的一个或多个光学元件(124、122)；
放置成接收从所述一个或多个光学元件定向的光(109b、111b、114b)的光检测器(107、108)，并且所述光检测器基于从所述光学元件定向的光生成输出信号；以及
连接成监控所述光检测器的输出信号以供检测所述照明系统的一个或多个光学元件的配置位置的改变的控制电路(126)，所述改变指示由以下各项组成的组中的一项：
所述一个或多个光学元件中被移除的光学元件；
所述一个或多个光学元件中已被损坏的光学元件；
所述一个或多个光学元件中被重新放置以产生不可忽略的效果的光学元件；
所述一个或多个光学元件中被移除的结构元件；或者
所述一个或多个光学元件中被损坏的结构元件。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述光学元件在支承所述照明系统的结构前侧的表面上具有用于将所述照明信号的一部分光定向到所述光检测器的反射区(115a、115b)。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
对齐以定向所述照明信号的一部分光的所述一个或多个光学元件包括用于准直所述照明信号的光学元件(124)和用于反射经准直的所述照明信号的一部分光的倾斜光学元件(122)。
4.一种用于检测照明系统中的一个或多个元件的配置位置的改变的方法，所述方法包括：
光源生成照明信号；
由所述照明系统的倾斜光学元件将所述照明信号的一部分光反射到光检测器；
控制电路监控所述光检测器处收到的光以供检测所述照明系统中的一个或多个元件的配置位置的改变，包括：
所述光检测器基于所述光检测器处收到的光生成输出信号；
所述控制电路通过监控所述输出信号作为满足关闭准则的所述光检测器处收到的光的改变的指示器来检测所述照明系统的一个或多个元件的配置位置的改变；以及
所述控制电路响应于检测到所述一个或多个元件的配置位置的改变来修改所述照明系统的操作，包括：
所述控制电路响应于满足关闭准则来关闭所述光源。
5.一种照明系统，包括：
集成电路光源封装(102)，所述集成电路光源封装包括在所述集成电路光源封装内的用于生成照明信号的光源和光检测器；
用于支承所述集成电路光源封装和位于所述集成电路光源封装外部的一个或多个光学元件(122、124)的所述照明系统的外部结构元件(118)，包括用于反射所述照明信号的一部分光的反射元件(122、115a、115b)，所述反射元件包括用准直光学元件(124)对齐来接收经准直的所述照明信号(109f、114)的倾斜光学元件(122)；
放置成接收从位于所述集成电路光源封装外部的所述反射元件反射回的光的所述光检测器(107、108)；
所述光检测器基于从所述反射元件反射回的光生成输出信号；以及
通信地耦合到所述光检测器、用于监控所述光检测器的输出信号以确定所述集成电路光源封装外部的一个或多个光学元件的配置位置是否已经存在改变的控制电路(126)。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述反射元件是衍射元件(122)。
7.如权利要求5所述的系统，其特征在于：
所述集成电路光源封装是现成集成电路激光封装，其中
所述光源是激光器，并且所述激光器还生成反向照明信号；
所述光检测器是放置成接收所述反向照明信号的监控光电二极管；以及
所述输出信号表示从所述集成电路光源封装外部的反射元件反射回的光和所述反向照明信号。
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