CN103856766A - 用于运行激光源的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于运行激光源(10a)的方法，所述方法具有以下步骤：a)循环地求取通过所述激光源(10a)的通电引起的所述激光源(10a)上的电压降；b)借助事先求取的由所述激光源(10a)的电压与温度组成的第一数学关系由所求取的电压降循环地求取所述激光源(10a)的温度；c)借助由光输出功率与电流组成的第二数学关系来求取电流，所述电流在所求取的每一个温度值的情况下引起所述激光源(10a)的基本上恒定的光输出功率；d)借助所述电流给所述激光源(10a)通电。

Description

用于运行激光源的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于运行激光源的方法和设备。
背景技术
已知具有扫描投影面的微镜单元的激光投影机(英语：Scanning MirrorLaser Projector)。不久的将来，所述微镜单元将在投影装置中——尤其在用于移动设备(例如移动电话、智能手机、笔记本电脑等)的微型化的投影机中发挥重要作用。在用于构造微型投影机(Pico-Projektor)的不同技术中，激光扫描装置提供以下几个优点：例如小的构造型式以及由于仅在真实使用时才发射激光的事实而提高的效率。有利的是，由于来自激光源的明亮的颜色，所以所产生的图像非常明亮。
用作激光源的激光二极管的已知的缺点是其对于温度变化的敏感性，因此随着激光二极管的运行温度的升高光输出功率下降。由此不利地，随着颜色方案的扭曲可能造成显著下降的图像质量。
尤其在具有高的亮度要求的一些移动装置上，随着投影持续时间的上升具有受限制的散热可能性的激光二极管的自加热效应使显示质量变差，例如在亮度和白平衡方面也变差。
为了补偿以上所述，典型地探测温度变化并且相应匹配激光二极管的运行电流，以便得到图像数据与光学显示之间的相关性。对于以下情况能够在其功率极限附近运行投影机：尽管温度变化，但图像的亮度仍保持恒定。
US2012／0044467A1公开了一种基于激光源的投影机的原理。
WO2009／017895A2描述了一种用于确定激光二极管温度的模型，所述激光二极管温度基于先前的馈电电流。
WO2006／094590A1公开了一种电开关电路以及一种用于监视发光二极管的温度的方法。
存在对于一种具有在其运行持续期间尽可能恒定的光输出功率的激光二极管的需求。
发明内容
根据第一方面，借助本发明提供一种用于运行激光源的方法，该方法具有以下步骤：
a)循环地求取通过激光源的通电引起的激光源上的电压降；
b)借助事先求取的在激光源的电压与温度之间的第一数学关系由所求取的电压降循环地求取激光源的温度；
c)借助光输出功率与电流之间的第二数学关系来求取电流，所述电流在所求取的每一个温度值的情况下引起激光源的基本上恒定的光输出功率；
d)借助所述电流给激光源通电。
根据第二方面，借助本发明实现一种用于激光源的控制设备，其特征在于，所述控制设备具有补偿装置，借助所述补偿装置可以在激光源的运行期间使激光源的电流与激光源的变化的温度相匹配。
所述方法和所述装置的优选的实施方式是从属权利要求的主题。
所述方法的一种优选的实施方式规定，在激光源的激光射束的回扫阶段实施所述方法。这提供充分利用激光射束的“死区时间”的优点，其中，在所述死区时间中进行根据本发明的补偿。在所述死区时间中激光射束是关断的，从而由此能够不形成显示上的干扰。
根据本发明的方法的另一种优选的实施方式规定，回扫阶段是激光二极管的激光射束的竖直回扫阶段。通过这种方式充分利用激光射束的竖直死区时间，竖直死区时间相对于水平死区时间具有以下优点：竖直死区时间更长并且因此更多的时间可供根据本发明的温度补偿使用。
根据本发明的方法的另一种优选的实施方式规定，在步骤a)中电流低于激光源的阈值电流。在此有利地充分利用以下事实：由此，投影面上看不到光输出，从而对于用户而言补偿是不可见的并且由此尽可能不被察觉地在背景中进行所述补偿。
根据本发明的方法的另一种优选的实施方式在于，在步骤a)中电流的高度基本上始终不变并且是固定地预给定的。这能够有利地根据激光源上的温度与电压之间的一维的数学关系实现激光源的温度的简单求取。此外，由此可以有利地获得非常准确的温度的结果。
根据本发明的方法的一种优选的实施方式规定，以秒数量级的有规律的时间间隔实施所述方法。由于在运行期间激光源的温度相当缓慢地变化的事实，所以也不必过于频繁地进行所述温度补偿。
根据本发明的方法的另一种优选的实施方式规定，考虑激光源的老化效应，其中在步骤a)中在长的运行持续时间之后求取电压与温度之间的新的数学关系。由此可以有利地考虑激光源的老化效应，这种老化效应通常随之引起，在大量的运行小时(通常数千小时)之后为了提供始终不变的光输出功率需要提高的阈值电流。
根据本发明的方法的另一种优选的实施方式规定，对于多个激光源(1)分开地实施所述方法，其中，对于每一个激光源依次实施所述方法。这提供以下优点：可以单独地补偿每一个激光二极管，由此有利地非常均衡地构造白平衡。
根据本发明的方法的另一种优选的实施方式规定，激光源是激光二极管。这提供以下优点：以激光二极管形式的激光源从根据本发明的补偿中获益。因为所述激光源非常容易受到温度变化效应的影响，所以本发明以特殊的方式有益于激光二极管。
根据本发明的控制设备的一个有利的扩展方案的特征在于，借助补偿装置可以求取激光源上的电压降，所述电压降用于求取激光源的温度，其中，为了激光源的恒定的光输出功率可以借助温度调节电流。有利地，由此充分利用电压与运行温度之间的数学关系来调节激光源的运行电流。
根据本发明的控制设备的另一种优选的实施方式的特征在于，借助补偿装置可以补偿多个不同的激光源，其中，可以根据需要不同地补偿激光源的每种颜色的温度补偿。通过这种方式，可以有利地提供激光源的白平衡的好的质量。
根据本发明的控制设备的另一种优选的实施方式的特征在于，借助控制装置可以温度补偿以红色激光二极管形式的第一激光源、以绿色激光二极管形式的第二激光源以及以蓝色激光二极管形式的第三激光源。由此有利地将根据本发明的方法特定地应用到不同的激光二极管上，因此由于激光二极管的温度补偿所以在结果中可以达到高的显示质量。
本发明的优点
本发明的一个特别的优点在于，通过温度效应的补偿可以在其运行持续时间期间使激光二极管的光输出功率保持基本恒定。根据本发明的方法的特征在于，似乎在背景中完全不被用户察觉地实施所述方法，由此投影机的使用质量丝毫不受损害。有利地以时间上的节奏在步骤a)和b)中实现电压降的求取和温度的推导或求取，所述节奏最多相应于图像节拍，但至少如此频繁地被实施，使得两次测量之间的所预期的温度变化导致识别不出改变了的颜色印象。
有利地，对于每一个激光源分开地进行根据本发明的补偿，从而在结果中得到所有颜色的恒定的白平衡。
附图说明
以下根据参考附图的实施方式阐述本发明的其他特征和优点。在此，所描述的或者所示出的所有特征本身或以任意的组合构成本发明的主题，不依赖于所述特征在权利要求书或权利要求书的回引中的汇总，以及不依赖于所述特征在说明书或附图中的表述或表示。附图主要用于说明本发明基本的原理。在附图中相同的附图标记表示相同的或功能相同的元素。附图示出：
图1：具有三个激光二极管的传统的激光扫描投影机的原理配置；
图2：激光二极管特性曲线的原理图，所述激光二极管特性曲线具有在不同的温度情况下在电流消耗上的光输出功率变化；
图3：激光二极管特性曲线的原理图，所述激光二极管特性曲线具有在不同的馈电电流的情况下在温度上的电压变化；
图4：激光二极管在光学显示上的扫描帧的原理图；
图5：用于运行激光二极管的控制装置的根据本发明的结构的原理图；
图6：根据本发明的方法的一种实施方式的流程的原理图。
具体实施方式
图1示出扫描的激光投影机或扫描式投影机(Scannerprojektor)的原理图，其中可以使用根据本发明的方法。第一激光二极管10a(例如红色激光二极管)、第二激光二极管10b(例如绿色激光二极管)和第三激光二极管10c(例如蓝色激光二极管)分别发射激光射束到各自的反射镜14a、14b和14c上，所述反射镜将组合的激光射束定向到镜14d上，所述镜将整个射束定向到至少一个可旋转的镜20上。在此，可以将可旋转的镜20构造为1-D系统(具有两个可以分别围绕一个轴线旋转的镜)或构造为2-D系统(具有可以围绕两个轴线旋转的镜)。借助镜20的旋转运动，在投影面P上产生图像。只要镜20的旋转位置与像素内容及扫描率(英语：Scanrate)同步，用户就可以在投影面P上看到完整的图像。扫描式投影机例如可以设置在移动设备(例如移动电话、笔记本电脑等，未示出)内。
图2以定性的方式示出所述激光二极管10a、10b、10c的温度变化的敏感性。在此该图示出x／y图，其中不依赖于其颜色谱，在y轴线上标出典型的激光二极管的光输出功率P以及在x轴线上标出其电流消耗I。所示三个基本上线性的变化曲线代表激光二极管在低、中或高的二极管阻挡层温度T1、T2和T3时的效率，其中T1＜T2＜T3。可以看出，阈值电流Isw1...Isw3依赖于温度，从所述阈值电流起激光二极管10a、10b、10c明显发射光。因此，在阈值电流的确定的值时，光输出功率根据温度T而不同，正如从虚线可以看出的那样。
由于温度变化引起的光输出功率变化最终导致显示或投影面P上的图像质量的变差。首先，由于激光二极管的自加热效应或者由于系统中环境温度的变化，使显示亮度或投影面亮度下降。附加地，由于在红色、蓝色与绿色的激光二极管之间存在固有区别的事实，可以使颜色之间的功率比例发生变化，这造成受干扰的颜色方案。因此，最后“白平衡”也变差。
下面的数学公式描述了激光二极管的电流、电压与温度之间的理论关系：
I = IS × ( e U n × k × T × q - 1 ) - - - ( 1 )
其中参数：
I：通过激光二极管的电流
IS：反向饱和电流
U：二极管上的电压降(正或负)
n：阻挡层常数(典型地二极管为2，晶体管为1)
k：玻尔兹曼常数
T：温度(单位：开尔文)
q：电子电荷
根据激光二极管的固有特性，二极管上的电压值随温度的降低并且随馈电电流的降低而降低，也就是说，在数学形式上具有以下关系：
U=f(T,I)   (2)
图3以曲线图示出这种依赖性，所述曲线图具有在激光二极管的不同的馈电电流的情况下的三个不同的变化曲线。看得出，当就固定的电流值(例如11或12或13)来说，激光二极管的电压U以简化的方式是激光二极管的二极管阻挡层的温度的线性函数，其中适用：11＞12＞13。
在大多数情况下，这种U-T变化曲线基本上是线性的或者可以视为具有对于特定的应用可接受的误差范围的线性。因此可以由二极管上的所测量的正向电压(T=g′(U))推导出激光二极管的运行温度，正如WO2006／094590A1中所公开的。
参考图3，例如就恒定的驱动电流12来说，由正向电压U1和U2推导出激光二极管上的温度T1和T2。在当温度测量时不能将电流保持恒定的情况下，可以引入附加的参数维，这导致以下形式的二维描述：
T=h(U,I)   (3)
借助通过这种方式推导出的温度信息，借助图2的变化曲线可以在不同的温度时通过阈值电流的补偿将激光二极管10a、10b、10c的光输出功率基本上稳定地保持恒定。这在图2中所示的用于不同温度的变化曲线具有显著不同的斜率的情况下，也能够通过调节用于输出电流的数字模拟转换器的标度寄存器(Skalierungsregister)来补偿。
优选地，对于每一个单个的激光二极管10a、10b、10c单独地实施所描述的补偿方法。通过这种方式，有利地，只要能够使每一种单独的颜色的光输出功率保持恒定，也就解决了整个激光模块的白平衡问题。
为了能够进行动态的在线温度补偿，需要进行离线特性化，以便事先得到激光二极管的特性。在此，校准过程包括以下两个步骤：
第一个步骤描述在预先定义的恒定电流的情况下温度与正向电压之间的关系，或者温度、正向电压与电流之间的关系。该步骤的目的在于，由电压与电流的电测量得到温度信息。当在恒定电流的情况下进行补偿时，也必须在恒定电流的情况下进行T-U特性化。
否则必须在电流变化时进行所述特性化，然而这导致更加复杂的T-U-I特性化。
第二个步骤的目的在于，在不同的温度的情况下关于电流来特性化激光二极管10a、10b、10c的光输出功率(见图2)。
利用所述两个步骤，以便在第一个步骤中由电压测量推导出激光二极管的温度之后，在运行期间补偿激光二极管的光输出功率。
优选地，所描述的方法也考虑激光二极管的老化效应。在一定的时间(通常在几千个小时的数量级中)之后，激光二极管的光输出功率的效率可能大大下降，其中，激光二极管的电压变化曲线的特性也会变化。因此在一些应用中，可以在长的运行持续时间之后重新特性化激光二极管，以便使温度补偿算法与激光二极管的老化效应相匹配。
下面参考图4与图5阐述该方法的实际的实现。
图4原理上示出激光投影机的扫描窗。在此，PA是激光二极管的激光射束的扫描区域，其中对于观察者而言仅仅可见“真实的”有效的投影面P。其余的部分是所谓的回扫区(英语：nyback-region或nyback-time)，所述回扫区是必要的，以便将激光二极管10a、10b、10c的激光射束引导至下一行(水平回扫区18)中，或者将激光二极管10a、10b、10c的激光射束设置在下一个图像帧的开始(竖直回扫区19)。在这些所述区域中激光二极管的馈电电流低于阈值电流之后，在所述回扫区18、19中不显示像素。
为了不干扰投影面P，优选在竖直回扫区19中实施所描述的温度补偿方法。有利地，在竖直回扫区19中显著更多的时间可供根据本发明的方法的实施使用，这是因为在用于激光射束的竖直镜引起的振荡(例如其中约60Hz)比由水平镜引起的振荡(例如其中约20kHz)基本上更低频率地进行。
图5示出扫描式投影机内的控制设备100的原理上的硬件结构，借助所述扫描式投影机能够实施根据本发明的方法。中央计算装置11(例如CPU、GPU(英语：graphical processing unit)等)将图像数据流提供给图像数据线路和激光驱动器控制装置12，所述激光驱动器控制装置处理图像帧并且控制激光驱动器15，所述激光驱动器控制激光二极管10a...c。镜控制装置13与图像数据线路同步并且控制镜14的机械运动。通过这种方式，可以由镜14将确定的像素图样反射到扫描区域中的正确的位置上。
补偿装置16从图像数据线路通过同步线路17接收同步信号，并且由此信号化回扫区的开始以及激光二极管10a、10b、10c上的正向电压测量的开始。在将所得到的正向电压分配给温度信息之后，将激光驱动器15调节到阈值上并且调节标度寄存器，从而尽管温度变化但仍保持激光二极管10a、10b、10c的光输出功率恒定。这或者可以借助软件由中央计算装置11实现，或者通过特定的硬件装置实现，这在图5中借助虚线示出。
图6以流程图的形式示出根据本发明的方法的一种实施方式的原理上的流程。
在步骤201中，在回扫区(优选在竖直回扫区19中)的开始时触发温度补偿。该步骤要求借助图像数据线路传输时间信息。
在步骤202中，将在温度测量期间馈入激光二极管10a、10b、10c中的输出电流设置在预先定义的值上。典型地，相对小地选择所述值，优选低于激光二极管10a、10b、10c的阈值电流，以便在回扫区中不产生可见的且干扰性的干扰。可以通过激光驱动器15中的输出DAC(数／模转换器，例如由阈值DAC和颜色DAC组成)的暂时的设置或者通过中央计算装置11或者由激光驱动器控制装置12或者借助自主的激光驱动器15实现确定的电流，前提是：所述激光驱动器15能够接收同步信号，所述同步信号在图像数据线路上指示回扫区。
步骤202是可选的并且仅当对于应用设置用于激光二极管10a、10b、10c的固定的、预先定义的驱动电流时才执行所述步骤202。
在步骤203中，在激光二极管10a、10b、10c的某个运行温度时测量激光二极管10a、10b、10c上的正向电压并且可以作为数字值得到所述正向电压。
在步骤204中，在特性化条件下由所测量的电压或由所测量的电压加上二极管电流推导出温度信息。所述特性化条件能够以任何实际的已知的形式来实现，例如实现为公式、查找表(英语：Look up tables)或实现为数学公式。在步骤205中，可以相应于所述特性化条件可以确定对激光二极管10a、10b、10c的阈值电流的补偿消耗。将这种补偿消耗与由激光驱动器15提供的刚刚馈入的阈值电流相加并且将更新的值写入激光驱动器阈值DAC。
为了避免由突然的电流变化引起的投影面P的闪烁或闪光，逐渐地将补偿应用到阈值DAC上。
如果必要，则在不同的温度时通过改变激光驱动器15中的颜色DAC的标度来相应地匹配光输出功率相对于电流变化曲线的斜率。
在步骤206中等待，直至下一个温度补偿到来并且重新从前面开始循环。通常不应以过高的频率循环重复整个过程，因为在考虑适合的散热措施的情况下以及借助通常的显示模式不过快地使运行中的激光二极管10a、10b、10c变热，因此，在实际运行中例如总是在数百毫秒之后或者甚至总是在数秒之后才可以进行所述温度补偿，由此有利地可以节省计算功率。但是，在最坏场景(Worst-Case-Szenario)中也可以对于每一个单个的图像——也就是说，在每一个竖直回扫区中进行所述温度补偿。
在具有多个激光二极管的系统中，相应于激光二极管的主颜色对于所有的激光二极管进行根据本发明的温度补偿。
综上所述，借助本发明提供一种设备及一种方法，它们提供一种系统化的机制，用于减轻激光二极管的光输出功率的温度依赖性。在激光扫描投影机的回扫区中周期地进行补偿，这导致投影面P上的最小的且不可见的干扰。
与传统的温度补偿措施——例如出于温度测量的目的将热敏电阻靠近激光二极管或感光传感器固定以便根据温度变化识别出光输出功率的变化的方法相比，所提出的解决方案具有以下优点：其丝毫不需要外部的传感器元件并且实现投影面上的很少的干扰以及更准确的测量并且因此实现补偿。因此，与传统的方法相比所述温度补偿能够借助很少的元件来实现。
虽然已借助优选的实施例描述了本发明，但本发明并不局限于此。例如也可以设想的是，可以将本发明应用在不同于前面所描述的激光二极管的其他光源上。
因此，专业人员将以适当的方式修改或者相互组合所描述的本发明的特征，而不偏离本发明的核心。

Claims (14)

1.一种用于运行激光源(10a)的方法，所述方法具有以下步骤：
a)循环地求取通过所述激光源(10a)的通电引起的所述激光源(10a)上的电压降；
b)借助事先求取的由所述激光源(10a)的电压与温度组成的第一数学关系由所求取的电压降循环地求取所述激光源(10a)的温度；
c)借助由光输出功率与电流组成的第二数学关系来求取电流，所述电流在所求取的每一个温度值的情况下引起所述激光源(10a)的基本上恒定的光输出功率；
d)借助所述电流给所述激光源(10a)通电。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述激光源(10a)的激光射束的回扫阶段实施所述方法。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述回扫阶段是所述激光源(10a)的激光射束的竖直回扫阶段。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在步骤a)中所述电流低于所述激光源(10a)的阈值电流。
5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤a)中所述电流的高度基本上始终不变并且是固定地预给定的。
6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，以秒数量级的有规律的时间间隔实施所述方法。
7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，考虑所述激光源(10a)的老化效应，其中，在步骤a)中在所述激光源(10a)的长的运行持续时间之后求取电压与电流之间的新的数学关系。
8.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，对于多个激光源(10a，10b，10c)分开实施所述方法，其中，对于每一个激光源(10a，10b，10c)依次实施所述方法。
9.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述激光源(10a，10b，10c)是激光二极管。
10.一种用于激光源(10a，10b，10c)的控制设备(100)，其特征在于，所述控制设备(100)具有补偿装置(16)，借助所述补偿装置能够在所述激光源(10a，10b，10c)的运行期间使所述激光源(10a，10b，10c)的电流与所述激光源(10a，10b，10c)的变化的温度相匹配。
11.根据权利要求10所述的控制设备，其特征在于，借助所述补偿装置(16)能够求取所述激光源(10a，10b，10c)上的电压降，所述电压降用于求取所述激光源(10a，10b，10c)的温度，其中，为了所述激光源(10a)的恒定的光输出功率能够借助所述温度调节电流。
12.根据权利要求10或11所述的控制设备，其特征在于，借助所述补偿装置(16)能够补偿多个不同的激光源(10a，10b，10c)，其中，能够根据需要不同地补偿所述激光源(10a，10b，10c)的每种颜色的温度补偿。
13.根据权利要求12所述的控制设备，其特征在于，借助所述控制设备(100)能够温度补偿以红色激光二极管形式的第一激光源(10a)、以绿色激光二极管形式的第二激光源(10b)以及以蓝色激光二极管形式的第三激光源(10c)。
14.一种具有程序代码单元的计算机程序产品，其用于当所述计算机程序产品运行在电子的控制装置(11，16)上或存储在计算机可读的数据载体上时实施根据权利要求1至9中任一项所述的方法。
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