CN102089945A - 眼睛安全的基于激光的照明 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于激光的光源，该光源包括：激光器件（1），其适于产生预定激光波长的激光并且发射该激光作为激光束；光转换器件（2），其用于将至少部分所述激光转换成转换光；激光输出传感器（7），其用于确定与激光器件（1）发射的激光的输出成比例的激光输出信号；转换光传感器（6），其用于确定与光转换器件（7）发射的转换光的输出成比例的转换光信号；以及控制器（9），其适于接收激光输出信号和转换光信号、基于激光输出信号和转换光信号确定操作安全参数并且基于操作安全参数与至少一个预定义阈值的比较控制基于激光的光源的操作。通过这种方式，提出了一种允许以容易的方式实现可靠的眼睛安全性的基于激光的光源。

Description

眼睛安全的基于激光的照明
技术领域
本发明涉及基于激光的光源领域以及操作该光源的方法，尤其是眼睛安全的基于激光的照明。
背景技术
在过去的十年间，由于半导体技术的进步，LED（发光二极管）在照明应用中变得越来越重要。高功率LED的技术突破已经打开了受小型化、寿命、效率和可持续性驱动的新的照明观念的大门。
与LED相比，激光器的优点在于其高得多的亮度。半导体激光器已经开始变得在若干瓦特的输出功率下可用，从而允许高的流明输出。激光本身对于照明用处不大，因为激光束太亮而不是眼睛安全的，对于忠实的颜色再现而言太单色了，并且将由于其相干性而导致令人厌烦的斑点。一种解决这些问题的方便的方式是通过借助于磷光体转换将部分激光转换成宽带光而产生光源。
在几乎所有的白色光发射LED中，蓝色发射器与黄色光发射磷光体结合。通过利用蓝色光泵浦黄色磷光体，部分蓝色光转换成宽带黄色光。该黄色光与剩余蓝色光结合呈现白色光。通过调整磷光体组成并且通过调整磷光体转换的光与剩余蓝色泵浦光的比率可以调整色温。
按照相同的方式，蓝色光发射激光二极管可以用来泵浦黄色磷光体以产生白色光。可替换地，近UV二极管激光器可以用来泵浦发射白色光或者特定颜色的光的磷光体。另一种可替换方案是使用与上转换磷光体结合的红色或近IR激光二极管以便产生白色光或者特定颜色的光。
这样的依赖于磷光体转换的基于激光的光源具有它们可以比利用LED可实现的亮度亮得多的优点：利用激光器，可以比利用LED实现磷光体的高得多的光学功率密度。这样的光源对于汽车头灯和聚光灯是理想的。然而，基于激光的照明的一个关键问题是以下事实：即使在被篡改时，光源也应当遵守严格的立法并且在所有情况下都应当是眼睛安全的。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于激光的光源以及一种操作该光源的方法，其允许以容易的方式实现可靠的眼睛安全性。
这个目的是通过一种基于激光的光源来实现的，该光源包括：
激光器件，其适于产生预定激光波长的激光并且发射该激光作为激光束；
光转换器件，其用于将至少部分所述激光转换成转换光；
激光输出传感器，其用于确定与激光器件发射的激光的输出相关的激光输出信号；
转换光传感器，其用于确定与光转换器件发射的转换光的输出相关的转换光信号；以及
控制器，其适于接收激光输出信号和转换光信号、基于激光输出信号和转换光信号确定操作安全参数并且基于操作安全参数和至少一个预定义阈值之间的比较控制基于激光的光源的操作。
本发明适用于不同类型的光转换器件。特别地，作为光转换器件，如上所述的磷光体，还有上转换材料是优选的，即将光转换成另一波长的光的器件。而且，不改变波长，而是改变波束性质的材料（例如散射器件）是优选的。特别地，散射器件的使用是有利的，因为这允许降低波束的相干性，并且从而减少斑点。
因此，本发明基于监控与激光输出相关的信号以及与转换光的量相关的信号。这些信号与激光输出和/或转换光的量之间的相关性可能是线性的、指数的、对数的等等。在基于这些信号检测到预定义的操作安全参数下降至低于或者超过预定义阈值的情况下，相应地自动适应性调节基于激光的光源的操作。其中基于激光的光源操作不安全的情形是在光源的封装打开时，在光源的光学部件被移除时，在磷光体降质或者磷光体移除发生时，在任何部件或光转换器件的位置移动超出预定义的公差值时，或者在光引导部分（例如光纤）被切割或损坏时等等。
通常，不同类型的传感器可以用作激光输出传感器或者转换光传感器。然而，依照本发明的一个优选的实施例，激光输出传感器由适于接收至少一部分所述激光的激光光电二极管形成。关于这点，优选的是使用分束器以便将激光器件发射的激光的一部分定向到激光光电二极管。通过这种方式，可以实现激光输出的直接测量。此外或者可替换地，激光输出传感器优选地由适于监控激光驱动电流的激光驱动电流监控器形成。关于这点，特别优选的是监控激光驱动电流，除了阈值电流之外，该激光驱动电流典型地与激光输出成比例。
此外，优选的是，转换光传感器适于接收转换光的至少一部分。转换光传感器可以是光电二极管等等。出于这个原因，优选地使用由光转换器件在返回激光器的方向上发射的光。此外，优选的是使用分束器，其优选地为用于激光的相同分束器，以便将光转换器件发射的光的部分定向到转换光传感器。
通常，激光可以直接耦合到光转换器件中。然而，依照本发明的一个优选的实施例，提供至少一个光纤，其适于将激光引导到光转换器件。这使得将光转换器件置于相距激光器件的更大距离处成为可能。此外，优选的是提供适于在从光转换器件返回到转换光传感器的方向上引导转换光的至少一部分的光纤。特别地，相同的光纤可以用于将光引导到光转换器件以及向后引导，或者单独的返回光纤可以用于向后的路径。此外，单个光纤或多个光纤可以用来形成光纤。
转换光传感器可以设置在不同的位置处。依照本发明的一个优选的实施例，转换光传感器设置在光纤的末端，该末端远离光转换器件。可替换地，依照本发明的一个优选的实施例，转换光传感器设置在沿着光纤的一定位置处并且提供外耦合器件以用于将转换光耦合出光纤并且耦合进转换光传感器。此外，优选的是在沿着光纤的至少一个点处分接（tap）激光并且将该光引导到远程光转换器件。
而且，依照本发明的一个优选的实施例，当使用光纤时，光纤设有用于检测光纤的损坏的电气布线。关于这点，特别优选的是，导线缠绕在光纤上并且当导线被切割时或者当容量变化时，检测到光纤可能被折断。在这种情况下，可以给出警告和/或优选地关断激光器件以及因而整个光源。
最后，应当强调的是，依照本发明的一个优选的实施例，光源被包封以便防止篡改并且尽可能地排除外部杂散光（例如日光或人造光）进入并影响激光输出传感器和转换光传感器的输出信号。
上述目的进一步通过一种操作基于激光的光源的方法来解决，该方法包括以下步骤：
产生预定激光波长的激光并且发射该激光作为激光束；
将至少部分所述激光转换成转换光；
确定与发射的激光的输出相关的激光输出信号；
确定与转换光的输出相关的转换光信号；以及
基于激光输出信号和转换光信号确定操作安全参数；
将操作安全参数与至少一个预定义阈值进行比较；以及
基于操作安全参数与预定义阈值的比较控制基于激光的光源的操作。
依照本发明的一个优选的实施例，转换光是另一波长的光或/和具有其他波束特性的光。
依照本发明的一个优选的实施例，该方法进一步包括将操作安全参数与第二预定义阈值进行比较的步骤。换言之，依照本发明的该优选实施例，检查操作安全参数是否处于预定义范围之内或者之外。
此外，优选的是所述方法包括基于激光输出信号与转换光信号之间的比率确定操作安全参数的步骤。此外，优选的是确定操作安全参数的步骤基于激光输出信号与转换光信号之间的比率关于时间的导数。利用这些比率，可以以容易且可靠的方式确定光源是否是操作安全的。
通常，可以以恒定且连续的方式发射激光。然而，依照本发明的一个优选的实施例，所述方法包括步骤：在时间上调制发射的激光，以及基于不同时间点处激光输出信号与转换光信号的比率确定操作安全参数。
依照本发明的另一优选的实施例，基于操作安全参数与预定义阈值的比较控制基于激光的光源的操作的步骤包括关断激光发射或/和产生警告。通过这种方式，至少警告光源的用户操作损坏的光源可能是危险的，并且如果关断激光发射，那么不再存在由于激光束而引起的伤害眼睛的风险。
依照本发明，由于激光输出信号和转换光信号被确定，特别优选的是基于确定的激光输出信号或/和确定的转换光信号稳定基于激光的光源的光输出。这特别地可以通过使用闭合控制环以便根据确定的激光输出信号或/和确定的转换光信号（即转换率）控制激光输出来完成。
最后，应当提及，特别优选的是激光器件是二极管激光器。此外，由于许多二极管激光器具有嵌入的光电二极管以监控激光输出，因而该嵌入的光电二极管优选地用作激光输出传感器，这意味着无需附加的传感器用于该目的。
附图说明
本发明的这些和其他方面根据以下描述的实施例将是清楚明白的，并且将参照这些实施例进行阐述。
在附图中：
图1示意性地绘出了依照本发明的一个实施例；
图2示意性地绘出了本发明的另一个实施例；
图3绘出了依照本发明另一个实施例的激光输出的调制和相应的转换光；
图4示意性地绘出了本发明的另一个实施例；以及
图5示意性地绘出了依照本发明另一个实施例的框图。
具体实施方式
图1中示意性地绘出了依照本发明的第一实施例。激光由例如边缘发射几何结构或者垂直腔表面发射几何结构（VCSEL）的激光器件1（即二极管激光器）产生。该激光经由光学器件3定向到光转换器件2的磷材料的体积，所述磷材料处于粉末状态或者晶态，优选地处于多晶态。激光器件1发射优选地大约445nm的蓝色光。光转换器件2将蓝色激光转换成宽带黄色光。该黄色光与蓝色光的剩余部分的组合导致白色光。通过这种方式产生的白色光借助于准直光学器件4被定形为光束。
光转换器件2产生的一些光以及一些激光朝激光器件1重新定向。45°角度的分束器5用来将该光的一定份额定向到由光电二极管形成的转换光传感器6。蓝色激光的小份额被定向到由另一光电二极管形成的激光输出传感器7。分束器5可以是简单的薄玻璃块或者反射由光转换器件2产生的黄色光并且透射激光器件1的蓝色光的二向色滤波器。此外，这些光电二极管可以配备滤色器以便增强对于激光转换光或者磷光体转换光的选择性。
通过监控转换光传感器6和激光输出传感器7产生的信号，优选地在进一步滤波和放大之后，确定光源是否操作安全。例如，只要磷光体输出和激光输出的比率分别处于预定义的下阈值和上阈值内，那么激光器件1可以被认为是操作安全的。类似地，当磷光体输出与激光输出的比率的时间导数的模超过预定义阈值时，激光器件1可以被认为是操作不安全的并且被关断。
图2中示意性地绘出了依照本发明的另一个实施例。在这种情况下，激光发生的位置与光转换的位置解耦。光纤8用来将激光传输到远程光转换器件2。远程光转换器件2产生的部分光通过光纤向后发送到转换光传感器6。可替换地，可以使用单独的返回光纤（未示出）。
在下文中，参照图3解释另一实施例的操作原理。在时间上对激光输出传感器7测量的来自激光器件1的光输出进行调制，其由虚线（图3中的信号S2）示出。磷光体输出检测器测量的信号看起来像图3中的实线（信号S1），因为磷光体具有由衰减时间给定的有限响应时间。检测的磷光体输出与产生的磷光体转换黄色光成比例并且可能包含一定份额的蓝色激光。通过如图3中所示相对于激光输出的强度c监控例如不同时间点处的检测的磷光体输出的信号强度a和b，可以确定光源是否是操作安全的。
可替换地，可以以周期性方式调制激光输出。由于磷光体的有限响应时间，转换光传感器6测量的信号在相位上相对于激光输出传感器7测量的信号延迟。监控检测的信号的调制深度以及它们之间的相位延迟提供了足够的信息以确定光源是否是操作安全的。
图4中示出了依照本发明的又一实施例。在该实施例中，提供了仅仅一个光电二极管，其形成转换光传感器6。上文描述的实施例中的另一个光电二极管的作用通过监控激光器件1的驱动电流而接管。除了阈值电流之外，该电流与激光输出成比例。
最后，图5中示出了依照本发明实施例的基于激光的光源的一般示意性框图。如上面所描述的，激光器件1发射的光的部分以及光转换器件2转换的光的部分分别由激光输出传感器7和转换光传感器6检测。这些信号由控制激光驱动器10的控制器9读取。激光驱动器10设置激光功率并且可以打开和关断光束，或者可以将其切换到眼睛安全中间状态。
尽管在所述附图和前面的描述中已经详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的；本发明并不限于所公开的实施例。
本领域技术人员在实施要求保护的本发明时，根据对于所述附图、本公开内容以及所附权利要求书的研究，应当能够理解并实施所公开实施例的其他变型。在权利要求书中，措词“包括/包含”并没有排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一”并没有排除复数。在相互不同的从属权利要求中陈述特定技术措施这一事实并不意味着这些技术措施的组合不可以加以利用。权利要求书中的任何附图标记都不应当被视为对范围的限制。

Claims (15)

1. 一种基于激光的光源，包括：
激光器件（1），其适于产生预定激光波长的激光并且发射该激光作为激光束；
光转换器件（2），其用于将至少部分所述激光转换成转换光；
激光输出传感器（7），其用于确定与激光器件（1）发射的激光的输出相关的激光输出信号；
转换光传感器（6），其用于确定与光转换器件（7）发射的转换光的输出相关的转换光信号；以及
控制器（9），其适于接收激光输出信号和转换光信号、基于激光输出信号和转换光信号确定操作安全参数并且基于操作安全参数和至少一个预定义阈值之间的比较控制基于激光的光源的操作。
2. 依照权利要求1的基于激光的光源，其中激光输出传感器（7）由适于接收至少一部分所述激光的激光光电二极管形成。
3. 依照权利要求1的基于激光的光源，其中激光输出传感器（7）由适于监控激光驱动电流的激光驱动电流监控器形成。
4. 依照权利要求1-3中任何一项的基于激光的光源，其中转换光传感器（6）适于接收转换光的至少一部分。
5. 依照权利要求1-4中任何一项的基于激光的光源，其中提供至少一个光纤（8），其适于将激光引导到光转换器件（2）。
6. 依照权利要求5的基于激光的光源，其中提供适于在从光转换器件（2）返回到转换光传感器（6）的方向上引导转换光的至少一部分的光纤（8）。
7. 依照权利要求6的基于激光的光源，其中转换光传感器（6）设置在远离光转换器件（2）的光纤（8）的末端。
8. 依照权利要求6的基于激光的光源，其中转换光传感器（6）设置在沿着光纤（8）的位置处并且提供解耦器件以用于将转换光耦合出光纤（8）并且耦合进转换光传感器。
9. 依照权利要求5-8中任何一项的基于激光的光源，其中光纤（8）设有用于检测光纤（8）的损坏的电气布线。
10. 一种操作基于激光的光源的方法，包括以下步骤：
产生预定激光波长的激光并且发射该激光作为激光束；
将至少部分所述激光转换成转换光；
确定与发射的激光的输出相关的激光输出信号；
确定与转换光的输出相关的转换光信号；以及
基于激光输出信号和转换光信号确定操作安全参数；
将操作安全参数与至少一个预定义阈值进行比较；以及
基于操作安全参数与预定义阈值的比较控制基于激光的光源的操作。
11. 依照权利要求10的方法，包括将操作安全参数与第二预定义阈值进行比较的步骤。
12. 依照权利要求10或11的方法，包括基于激光输出信号与转换光信号之间的比率确定操作安全参数的步骤。
13. 依照权利要求10或11中任何一项的方法，包括基于激光输出信号与转换光信号之间的比率关于时间的导数确定操作安全参数的步骤。
14. 依照权利要求10或11中任何一项的方法，包括步骤：在时间上调制发射的激光；以及
基于不同时间点处激光输出信号与转换光信号之间的比率确定操作安全参数。
15. 依照权利要求10或11中任何一项的方法，其中基于操作安全参数与预定义阈值的比较控制基于激光的光源的操作的步骤包括关断激光发射或者将其切换到安全中间水平或/和产生警告。
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