CN100561393C - 激光二极管光学光源的光谱控制 - Google Patents
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Abstract
在一实例性实施例中，装置配备有多个激光二极管、感测构件和控制构件。在正常运行期间，这些激光二极管产生一混合光。感测构件测量该激光二极管输出的光；而控制构件：1)将所测量的光与一光谱基准进行比较，及2)根据该比较结果设定激光二极管的驱动信号。在一相关的和实例性方法中：1)使用多个不同颜色的激光二极管产生一混合光，2)将激光二极管产生的光测量值与一光谱基准进行比较，及3)根据该比较结果自动设定激光二极管的驱动信号。
Description
技术领域
本发明系关于激光二极管电路，且特别关于控制频谱的激光二极管电路。
背景技术
经由不同颜色(例如，红、绿和蓝)的多个发光二极管(LEDs)的光已经被用来生成一预定光谱平衡的光源(例如，一“白”光源)。例如，参见Nishimura的标题为“用于测量LED光源的光谱含量及其控制的方法和装置”的美国第6,448,550号专利。
发明内容
本发明的一方面体现在包括多个激光二极管、感测构件和控制构件的装置中。在正常运行期间，激光二极管产生一混合光，感测构件测量激光二极管产生的光；而控制构件：1)将测量的光与一光谱基准进行比较，及2)根据该比较结果设定激光二极管的驱动信号。
本发明的另一方面体现在包括多个不同颜色的激光二极管、若干光感测器和控制电路的装置中。该些光感测器均相对于激光二极管进行定位以测量激光二极管输出的光。控制电路既耦合至激光二极管又耦合至该些光感测器。控制电路将测量的光与一光谱基准相比较，然后根据该比较结果设定激光二极管的驱动信号。
本发明的再一方面体现在一种方法中，该方法包括：1)使用多个不同颜色的激光二极管产生一混合光，2)自动将一激光二极管产生的光测量值与一光谱基准进行比较，及3)根据该比较结果自动设定激光二极管的驱动信号。
本发明的其它实施例也将在下文中揭示。
附图说明
本发明的说明性和当前较佳实施例图解阐述于附图中，其中：
图1是一前视图，其显示一用于维持一激光二极管光源光谱含量的实例性装置中的激光二极管和感测构件；
图2是一侧视图，其显示图1所示的激光二极管和感测构件及一用于根据感测构件所测量的光控制激光二极管的控制构件；
图3是图2控制构件的一实例性方块图；
图4显示一可用于图3控制构件的实例性开关转换器；和
图5显示一用于维持一激光二极管光源的光谱含量的实例性方法。
具体实施方式
新近开发出的半导体激光二极管能够产生波长介于400-700纳米范围内的光，从而使激光二极管能够用作光源。
激光二极管与LEDs之间的一区别是激光的单色性。即，激光的线宽度通常窄于20nm，而且经常小于5nm。激光二极管与LEDs之间的另一区别在于激光具有相干性，因而非常亮。亮度(或发光度)应考虑光的立体采集角度。由于激光具有一低光束发散度，因此激光的集光率相对较小。人们可使用聚焦光学器件产生一同等强度的光束，但由于存在一离开该聚焦点的高光束发散度，因此光束的集光率会很大。由于人类的眼睛具有一相对较小的集光率，因此无法将一高集光率聚焦光束耦合至眼睛中。由此，对于同等功率的光，人类眼睛的视觉是，激光要比LED光亮得多。因此，不同颜色的激光二极管的出射光为形成极亮的照明提供了可能。
类似于LEDs，激光二极管可根据一给定输入电流产生一相当宽广范围的光。例如，激光对温度极为敏感，因此即使驱动电流稳定，其输出功率(和光子通量)也会随温度而发生明显的变化。激光二极管的波长峰值也取决于温度。以高功率运行的激光二极管还往往会过早老化，并且其效率将随时间而下降。因此，如果一光源是由不同颜色的激光二极管组成，其光谱含量将会因温度、老化和其它因素而变化。
通常，人们希望一光源可维持一确定的光谱含量。为此，图1和2图解说明用于此目的的实例性装置100。
如图1和2所示，一光源102可包括多个不同颜色的激光二极管104、106、108、110、112、114、116、118、120(例如，红色(R)、绿色(G)和兰色(B)激光二极管)。在正常运行期间，这些激光二极管104-120产生一混合光。
一感测构件122、124、126、128、130、132、134、136、138测量由激光二极管104-120输出的光。举例而言，感测构件可包括多个光感测器122-138，诸如，光电二极管。在一实施例中，至少某些光感测器122-138相对于激光二极管104-120进行定位，以便感测由一个或多个同样颜色的激光二极管输出的光。即，光感测器可配置用于测量来自一预定波长二极管的光。在另一实施例中，至少某些光感测器122-138是与滤光元件相关联，其中每个滤光元件均可限制其相应光感测器的光谱灵敏度。
在图1中，显示安装在一公用基板140上的多个激光二极管104-120和光感测器122-138。然而，它们不需要如此。在一实施例中，基板140可用于提供激光二极管104-120、感测构件122-138及一控制构件142、144、146之间的互连。在基板140上安装器件时，基板140可用于为其上面安装的器件提供一公用端子(阳极和阴极)。将基板140用作一公用端子有利于减少器件之间所必需的连接数量。当然，在某些情况下，分离激光二极管104-120和光感测器122-138之间的连接较为有利，以使流经激光二极管104-120的较大电流不会影响测量光感测器122-138所提供的相对小电流的能力。
图1和2所示激光二极管104-120和光感测器122-138的数量和布置仅作为实例，一实际光源中激光二极管和光感测器的数量在很大程度上是根据激光二极管101-120的实际光输出及一给定应用所需的光输出来确定。
图1和2所示装置进一步包括一控制构件142-146，其用于1)将感测构件测量的光与一光谱基准进行比较，2)根据该比较结果设定激光二极管104-120的驱动信号。控制构件142-146可包括耦合至激光二极管104-120和感测构件122-138两者的控制电路。在一实施例中，控制构件142-146可进一步连通固件或软件以，例如，接收一用于其光谱基准的编程设定值。
如同LEDs一样，激光二极管的平均光子通量可通过改变其驱动电流或负载循环来进行修改。但是，假设激光二极管在一相对窄的运行电流范围内最为有效，则对激光二极管的驱动电流进行脉冲宽度调制可能较为有用。即，通过脉冲宽度调制驱动信号可至少部分设定激光二极管104-120的驱动信号。为减轻“闪变”，无须将某些或全部激光二极管104-120的驱动信号均脉冲宽度调制至一“零”的程度，而是脉冲宽度调制至第一与第二非零值之间。
如果激光二极管104-120定位用于通过一照明目标148投射光(例如，如果激光二极管104-120用作一显示屏的背光)，则可将感测构件122-138定位用来测量激光二极管104-120所产生的组合光及通过照明目标148透射的光。或者，或另外，可将感测构件122-138定位用来测量激光二极管104-120所产生的组合光及照明目标148的反射光。以此方式，装置100可对因目标148的非均匀反照率或环境光与激光二极管104-120所产生的光之间发生混合而引起的光谱改变做出反应。
尽管感测构件122-138可与激光二极管104-120截然不同，应注意，大多数激光二极管104-120均装配有一专用监测光电二极管。此一光电二极管通常耦合至过驱动保护构件(图2中控制构件142-146的一部分)，该保护构件可根据一自光电二极管接收到的信号限制一对应激光二极管的光子通量，以确保激光二极管不会因过驱动而自毁。在装置100的一实施例中，即使用这些监测光电二极管构建感测构件122-138。即，除了为一过驱动保护构件提供一监测光电二极管的输出外，还可为控制构件124提供光电二极管的输出。因此，激光二极管104-120与光电二极管(例如，监测光电二极管)具有一对一的对应关系。
在一实施例中，过驱动保护构件和控制构件124可并行而独立地运行，各自对一激光二极管的驱动信号起作用。在另一实施例中，一控制构件的部分150自过驱动保护构件142-146接收反馈信号并且，一旦针对一给定激光二极管触发过驱动保护，控制构件150即刻修改其它激光二极管的设定点，以作为一整体维持所保护的过驱动和其它激光二极管的光谱含量。
现阐述感测构件122-138和控制构件142-146的实例性实施例。首先，将一光谱基准静态地或动态地提供给控制构件142-146。举例而言，可依据一同等的颜色温度设定光谱基准。
在一实施例中，控制构件包括单个电路142-146，其每一个均与一特定激光二极管相关联。每个电路142-146均可包括一耦合用于自一光感测器接收一信号(例如，一电流)的积分器。例如，一控制电路146的积分器314可接收来自光感测器134的反馈信号。该积分器314可将光电二级管的电流转换为一表示那部分光谱内光量的电压。每个积分器的电压输出均馈送至一窗口比较器。该窗口比较器的作用是将输入信号与一光谱基准进行比较，并且当输入信号与基准的差大于一预定磁滞量时置高一输出。该光谱基准可由一数字-模拟转换器(DAC，未显示)提供。然后，窗口比较器的选通输出被馈送至一驱动一数字-模拟转换器的增减计数器。随后，该数字-模拟转换器即可为激光二极管116设定一驱动信号。
现更详细地阐述电路146，人们可看到光电二极管134给运算放大器(opamp)馈送信号，该运算放大器使用一电容器302构成一积分器314。该积分器314的输出，即一表示入射到光电二极管134上的光子通量(λ)的电压馈送至一窗口比较器的比较器304、306中。如果积分器300、302的输出低于一光谱基准电压VR(例如，一红色激光二极管的一期望光谱含量)，则比较器304的输出置高。类似地，如果积分器300、302的输出高于光谱基准电压VR+ΔR，则比较器306的输出置高。基准等级VR和VR+ΔR均由一额外的数字-模拟转换器(未显示)提供。比较器304和306的输出馈送至一增减计数器308。计数器308的输出馈送至数字-模拟转换器(DAC)310，并随后自DAC馈送至驱动器312来控制激光二极管116的强度。虽然图中显示一场效应晶体管(FET)用作驱动器290，但也可使用双极晶体管。
在期望的光子通量低于由基准VR设定的期望电平时，比较器304的输出置高。随后，计数器308增加计数，由此增加馈送至DAC 310的数值，提高驱动器312选通电路上的电压并提高激光二极管116的亮度。
类似地，如果光子通量高于基准VR+ΔR所设定的期望电平，则比较器306的输出置高，由此导致计数器308减少计数。此可降低发送至DAC310的数值、降低驱动器290选通电路上的电压，并降低激光二极管116的亮度。
基准电压VR与VR+ΔR之间的差可为运行中的激光二极管116提供磁滞。由此，如果激光二极管116的输出位于这两个基准电平所设定的窗口内，则不调节激光二极管116的输出。
通过在几个测量/积分/比较/设定驱动信号循环中实施强度测量和调节，可采用一渐进方式进行改变。
应注意，状态信息保持在计数器308内。为实现更有效的启动，控制电路应在重新启动(power cycle)期间保留此计数器的值，将计数器恢复至其最后运行值作为一启动电平的良好第一近似值。
图3所示控制构件146的实施例使用线性控制来改变一激光二极管116的强度。数字-模拟转换器(DAC)310产生一模拟电平馈送至驱动器312，由此控制激光二极管116的强度。实质上，驱动器312用作一可变电阻。由于驱动器312两端电压降转变为热量，此类型布置无效。通过使用一开关转换器驱动一激光二极管116可获得更有效的控制。
开关转换器在本技术领域中众所周知，并且诸如Texas仪表公司和Maxim集成电路公司等均可制造。如本技术领域所熟知，在一开关转换器中，可使用变化的脉冲宽度或负载循环来控制一开关，以极高效率产生一可调节输出电压。激光二极管具有相对较高的串联电阻，因此通过调节施加至激光二极管的电压即可获得稳定的电流控制。
图3的实施例适合通过利用比较器304、306的输出来使用开关转换器，以控制供一驱动激光二极管116的开关转换器使用的脉冲宽度。当一期望的电平太低时，增加相应的脉冲宽度，增加开关转换器的“导通”时间，提高其输出电压，并提高相应的激光二极管的电流和发光输出。计数器308的值可用于确定开关转换器的脉冲宽度。
图4图示一降压开关转换器供在激光二极管供电电压(Vlaser)高于施加在激光二极管116上的电压时使用。开关转换器的其它拓扑还可增加一激光二极管电压(如果需要)。经脉冲宽度调制的驱动信号402可驱动MOS开关404的选通电路。在开关404接通时，电压施加在感应器406的两端，导致电流流经感应器406。当开关404关闭时，电流继续在感应器406内流动，而电路由箝位二极管408(较佳一肖特基二极管)接通。电容器410对激光二极管116两端的电压进行平滑。激光二极管116两端的电压与开关404的“导通”时间成正比，且因此与驱动信号402的脉冲宽度成正比。
图5图示一可由诸如图1所示装置100以及其它装置实施的方法500。该方法500包括：1)使用多个不同颜色的激光二极管产生(502)一混合光，2)自动将一激光二极管产生的光测量值与一光谱基准进行比较(504)；及3)根据该比较结果自动设定(506)激光二极管的驱动信号。
虽然本文已详细阐述了本发明的说明性和当前较佳的实施例，但应了解，可采用其它各种方式体现和使用本发明的概念，并且应将随附的权利要求理解为包括此等改变，除非受到现有技术的限制。
Claims (15)
1、一种激光二极管光学光源的光谱控制装置，其包括：
多个不同颜色的激光二极管；
若干光感测器，其相对于所述激光二极管定位以测量由所述激光二极管输出的光；及
控制电路，其耦合至所述激光二极管和若干光感测器，用于将所述测量光与一光谱基准进行比较并根据所述比较结果设定所述激光二极管的驱动信号；
其中至少某些所述光感测器是监测光电二极管，这些监测光电二极管中的每一个均与所述激光二极管中的一个装配在一起；所述光谱控制装置进一步包括过驱动保护电路，以接收来自所述光电二极管的信号，并响应所述信号限制相应激光二极管的光子通量。
2、如权利要求1所述的光谱控制装置，其中所述激光二极管和光感测器具有一对一的对应关系。
3、如权利要求1所述的光谱控制装置，其中至少某些所述光感测器可配置用于测量来自一预定波长的二极管的光。
4、如权利要求1所述的光谱控制装置，其中至少某些所述光感测器与滤光元件相关联，每个滤光元件限制其相应光感测器的光谱响应。
5、如权利要求1所述的光谱控制装置，其进一步包括一照明目标，其中所述激光二极管定位通过所述照明目标来投射光，且其中至少某些光感测器定位用以测量一由i)所述激光二极管产生的光与ii)透射穿过所述照明目标的光组合的光。
6、如权利要求1所述的光谱控制装置，其进一步包括一照明目标，其中所述激光二极管定位以通过所述照明目标来投射光，且其中至少某些所述光感测器定位用以测量一由i)所述激光二极管所产生的光与ii)所述照明目标反射的光组合的光。
7、如权利要求1所述的光谱控制装置，其中所述控制电路自所述过驱动保护电路接收反馈，且一旦针对一给定激光二极管触发过驱动保护，所述控制电路修改其它激光二极管的设定点，以作为一整体维持所述过驱动保护的和其它激光二极管的光谱含量。
8、如权利要求1所述的光谱控制装置，其中所述控制电路通过脉冲宽度调制所述驱动信号来至少部分地设定所述激光二极管的驱动信号。
9、如权利要求8所述的光谱控制装置，其中所述控制电路可将至少某些所述驱动信号脉冲宽度调制至第一与第二非零值之间。
10、一种激光二极管光学光源的光谱控制装置，其包括：
多个激光二极管，其在正常运行期间产生一混合光；
感测构件，其用于测量由所述激光二极管输出的光；及
控制构件，其用于i)将所述测量光与一光谱基准进行比较，及ii)根据所述比较结果设定所述激光二极管的驱动信号；
其中所述感测构件包括监测光电二极管，这些监测光电二极管中的每一个均与所述激光二极管中的一个装配在一起；所述光谱控制装置进一步包括过驱动保护电路，以接收来自所述光电二极管的信号，并响应所述信号限制相应激光二极管的光子通量。
11、如权利要求10所述的光谱控制装置，其进一步包括一照明目标，其中所述激光二极管定位以通过所述照明目标来投射光，且其中至少某些所述光感测器定位用以测量一由i)所述激光二极管所产生的光与ii)透射穿过所述照明目标的光组合的光。
12、如权利要求10所述的光谱控制装置，其进一步包括一照明目标，其中所述激光二极管定位以通过所述照明目标来投射光，且其中至少某些所述光感测器定位用以测量一由i)所述激光二极管所产生的光与ii)所述照明目标反射的光组合的光。
13、如权利要求10所述的光谱控制装置，其中所述控制构件自所述过驱动保护构件接收反馈，且一旦针对一给定激光二极管触发过驱动保护，所述控制构件修改其它激光二极管的设定点，以作为一整体维持所述过驱动保护的和其它的激光二极管的光谱含量。
14、如权利要求10所述的光谱控制装置，其中所述控制构件通过脉冲宽度调制所述驱动信号来至少部分地设定所述激光二极管的驱动信号。
15、如权利要求14所述的光谱控制装置，其中所述控制构件可将至少某些所述驱动信号脉冲宽度调制至第一与第二非零值之间。
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