CN108683077A - 脉冲半导体激光照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉冲半导体激光照明系统及在低亮度区域使用的照明装置。脉冲半导体激光照明系统包括激光驱动电路、脉冲半导体激光器以及激光光斑匀化器，所述激光驱动电路的输出端连接所述脉冲半导体激光器，所述激光光斑匀化器设置于所述脉冲半导体激光器的光束发出正前方，所述脉冲半导体激光器发出的光束透过所述激光光斑匀化器。该激光照明系统提高了系统效率，降低系统功耗，使高功率激光照明应用成为可能。

Description

脉冲半导体激光照明系统

技术领域

本发明涉及照明领域，具体涉及一种脉冲半导体激光照明系统及在低亮度区域使用的照明装置。

背景技术

随着CCD和CMOS技术的不断发展，图像处理和视频技术得到大量应用。由于CCD和CMOS皆为光电感应器件，为了获取清晰的图像素材，都需要获取足够的曝光量。现阶段为CCD或CMOS补光光源多为LED和连续半导体激光器。

然而，传统照明装置存在两大难点：

1.传统照明装置功耗高，效率低，易致眩

传统LED照明装置其发光率约为100Lm/W，相较于半导体激光器的发光效率190Lm/W低了近一半。其次，为了采集高速运动物体的图像，其功耗有时高达100W甚至1kW级别。超过100W级别的LED照明装置，因其发射光谱处于人眼可见范围，极易对人眼产生刺激，使人处于暂时性眩晕，造成安全隐患。虽然可以采用近红外半导体激光器的方案，防止对人眼造成的刺激，但是连续的近红外半导体激光器其功耗也较高，导致系统效率低下。

2.连续的半导体激光器功率较低，应用受限

半导体激光器工作时会产生大量的热。比如：针对高速运动物体进行照明时，要求其光功率超过100W甚至几百W,这时产生的热量大约等于输出光功率即100W甚至几百W，对于系统应用来说这往往是不能接受的。由此，可以看出：连续激光器因其工作时会产生大量的热，故作为照明系统，其功率无法做的太高，这就大大限制了其应用。

特别的，如针对高速物体对象进行视频采集所采用的脉冲式LED照明，由于其功率极高且其发射光谱处于人眼可见范围内，对过往的人员会造成极强的视觉刺激，造成人员暂时眩晕，为安全埋下隐患。

而半导体激光器工作时会产生大量的热。比如：针对高速运动物体进行照明时，要求其光功率超过100W甚至几百W,这时产生的热量大约等于输出光功率即100W甚至几百W，对于系统应用来说这往往是不能接受的。由此，可以看出：连续激光器因其工作时会产生大量的热，故作为照明系统，其功率无法做的太高，这就大大限制了其应用。而连续的半导体激光器其功率较低，导致其应用受限；并且其功耗较高，从而导致系统效率低下。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种功耗低的激光照明系统及在低亮度区域使用的照明装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种脉冲半导体激光照明系统，包括激光驱动电路、脉冲半导体激光器以及激光光斑匀化器，所述激光驱动电路的触发端连接外部触发单元的触发信号输出端，所述激光驱动电路输出端连接所述脉冲半导体激光器，所述激光光斑匀化器设置于所述脉冲半导体激光器的光束发出正前方，所述脉冲半导体激光器发出的光束透过所述激光光斑匀化器。

激光驱动电路接收到触发信号后，根据使用要求适时触发激光驱动电路工作，驱动脉冲半导体激光器照明，特别适用于对高速运动的物体进行拍照时的照明。因为激光发光效率约为LED发光效率的两倍，因此，对同一个系统，采用脉冲半导体激光器较LED光源而言，能极大的提高系统效率，降低系统功耗，符合国家倡导的节能环保理念。同时，激光光束经过激光光斑匀化器重排后，克服了激光光束均匀性较差的问题，满足照明装置的均匀照明要求。

优选的，所述脉冲半导体激光器为近红外脉冲半导体激光器，可以消除因为可见光对人员造成的视觉刺激。

进一步的，所述激光驱动电路为大电流脉冲恒流源，有利于减小电流波动对脉冲半导体激光器寿命产生的影响，其脉冲宽度和脉冲峰值功率可以根据实际需要进行调整。

进一步的，所述激光驱动电路包括第一电阻、第二电阻、第一上拉电阻、第一电容、第二电容、第一场效应管和第一二极管；

所述外部触发单元的触发信号输出端连接所述第一场效应管栅极，所述第一场效应管的漏极连接所述第一上拉电阻的一端，所述第一上拉电阻另一端连接电源VCC，所述电源VCC与地之间还连接有所述第一电容，所述第一电阻(R1)一端连接电源VCC，另一端连接所述第一场效应管的漏极，所述第一场效应管的源极连接所述脉冲半导体激光器的驱动端，所述第一场效应管的源极还连接所述第一二极管的负极，所述第一二极管的正极接地，所述第二电容和第二电阻并联后连接于所述第一场效应管的漏极与地之间。该电路结构简单，生产成本低。

优选的，所述激光光斑匀化器为微透镜阵列。和传统的光纤匀化技术和毛玻璃匀化相比，采用微透镜阵列匀化能使得激光光斑分布能量更均匀，更有利于图像采集设备的工作。且针对照明区域大小的需要，光斑形状亦可通过微透镜的设计进行变更，消除了传统匀化技术圆形光斑大于视场的光能损失，使得光源利用效率更高。

本发明还提出了一种在低亮度区域使用的照明装置，包括上述的脉冲半导体激光照明系统,还包括亮度检测单元和控制单元，所述亮度检测单元检测低亮度区域的亮度值并传输给控制单元，所述控制单元按照所述亮度值正比例地调节脉冲半导体激光照明系统的输出功率；

所述控制单元按照所述亮度值反比例地调节脉冲半导体激光照明系统的输出脉冲信号的脉冲宽度和/或脉冲频率，调节输出脉冲的占空比。

本发明的有益效果是：该脉冲半导体激光照明系统在通过外部触发单元进行外部触发工作于脉冲模式，可在高功率下工作，提高系统效率，降低系统功耗的基本要求。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的原理框图；

图2为激光驱动电路；

图3为用作CMOS图像采集辅助照明的原理框图；

图4为用作CMOS图像采集辅助照明的优选实施例。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，本发明提供了一种激光照明系统,包括激光驱动电路、脉冲半导体激光器以及激光光斑匀化器，所述激光驱动电路的触发端连接外部触发单元(未图示)的触发信号输出端，所述激光驱动电路的输出端连接所述脉冲半导体激光器，所述激光光斑匀化器设置于所述脉冲半导体激光器的光束发出正前方，所述脉冲半导体激光器发出的光束透过所述激光光斑匀化器。其中，所述激光半导体激光器优选但不限于为近红外脉冲半导体激光器，激光驱动电路优选但不限于为大电流脉冲恒流源，触发信号为脉冲信号，激光光斑匀化器优选但不限于为微透镜阵列。

如图2所示，所述激光驱动电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一上拉电阻RX1、第一电容C1、第二电容C2、第一场效应管Q1和第一二极管D1；

所述外部触发单元的触发信号输出端连接所述第一场效应管Q1栅极，所述第一场效应管Q1的漏极连接所述第一上拉电阻RX1的一端，所述第一上拉电阻RX1另一端连接电源VCC，所述电源VCC与地之间还连接有所述第一电容C1，所述第一电阻R1一端连接电源VCC，另一端连接所述第一场效应管Q1的漏极，所述第一场效应管Q1的源极连接所述脉冲半导体激光器LD的驱动端，所述第一场效应管Q1的源极还连接所述第一二极管D1的负极，所述第一二极管D1的正极接地，所述第二电容C2和第二电阻R2并联后连接于所述第一场效应管Q1的漏极与地之间。

该激光照明系统可应用于多种场合，例如视频监控领域，特殊照明领域等等。

该脉冲半导体激光照明系统特别适用于CMOS或CCD辅助照明领域，下面详细介绍作为CMOS或CCD图像采集时的辅助照明系统。如图3所示的一种激光辅助照明系统,包括脉冲恒流驱动电路、脉冲半导体激光器以及激光光斑匀化器，所述脉冲恒流驱动电路的触发端连接CMOS或CCD等图像采集设备的触发信号输出端，所述激光驱动电路输出端连接所述脉冲半导体激光器，所述激光光斑匀化器设置于所述脉冲半导体激光器的光束发出正前方，所述脉冲半导体激光器发出的光束透过所述激光光斑匀化器。

其中，激光驱动电路可采用上述脉冲恒流驱动电路。

所述CMOS或CCD图像采集设备的脉冲控制信号输出端作为外部触发单元的触发信号输出端连接至激光驱动电路的第一场效应管Q1栅极。

激光驱动电路接收图像采集设备发出触发信号，其频率与CMOS或CCD等图像采集设备相同，脉冲宽度与图像采集设备曝光时间相同，该信号触发激光驱动电路驱动脉冲半导体激光器开始工作，激光束经微透镜阵列匀化后为CMOS或CCD等图像采集设备提供足够的照明。

因为激光发光效率约为LED发光效率的两倍，极大的提高了系统效率，降低系统功耗。例如：对同一个系统，若采用LED照明，需要1000W的功率，则所需的激光功率约为500W；若采用连续激光器，则其温度控制组件和驱动电路的总功耗过高，系统难以接受，而采用脉冲半导体激光器进行照明，以图像采集设备曝光时间为300μs，图像采集速率为30FPS计算，其功耗为4.5W，约为1000W LED照明系统的0.5％，连续半导体激光器照明系统的1％。

本实施例中，激光光斑匀化器优选但不限于为微透镜阵列，其中微透镜阵列优选但不限于为衍射微透镜阵列。采用衍射微透镜阵列重排后，激光光斑非均匀性约为5％，满足图像采集系统需要。

作为本实施例的优选方案，如图4所示。所述时序控制器的输出端连接所述激光驱动电路触发端和图像采集单元触发端，时序控制器同步触发所述脉冲半导体激光照明装置和CMOS相机。在具体实施中，时序控制器采用51单片机但不限于51系列单片机实现。CMOS相机进行图像采集，脉冲半导体激光器为其提供光源，实现CMOS的同步曝光。

本发明还提出了一种在低亮度区域使用的照明装置，包括上述的脉冲半导体激光照明系统,还包括亮度检测单元和控制单元，所述亮度检测单元检测低亮度区域的亮度值并传输给控制单元，所述控制单元按照所述亮度值正比例地调节脉冲半导体激光照明系统的输出功率；具体可控制串联在电路中的可调电阻器的电阻值，正比例地调节半导体激光器的驱动电流，从而实现对输出功率的调节。

由于占空比的控制为占空比＝脉冲宽度x重复频率，所述控制单元按照所述亮度值反比例地调节脉冲半导体激光照明系统的输出脉冲信号的脉冲宽度和/或脉冲频率，调节输出脉冲的占空比。由于在低亮度区域，强光会对人眼造成伤害，因此需使用低强度的光，因此通过增加脉冲宽度和/或降低脉冲频率来实现占空比的控制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种脉冲半导体激光照明系统,其特征在于，包括激光驱动电路、脉冲半导体激光器以及激光光斑匀化器，所述激光驱动电路的触发端连接外部触发单元的触发信号输出端，所述激光驱动电路的输出端连接所述脉冲半导体激光器，所述激光光斑匀化器设置于所述脉冲半导体激光器的光束发出正前方，所述脉冲半导体激光器发出的光束透过所述激光光斑匀化器。

2.根据权利要求1所述的脉冲半导体激光照明系统，其特征在于，所述脉冲半导体激光器为近红外脉冲式半导体激光器。

3.根据权利要求1所述的脉冲半导体激光照明系统，其特征在于，所述激光驱动电路为大电流脉冲恒流源。

4.根据权利要求1所述的脉冲半导体激光照明系统，其特征在于，所述激光驱动电路包括第一电阻、第二电阻、第一上拉电阻、第一电容、第二电容、第一场效应管和第一二极管；

所述外部触发单元的触发信号输出端连接所述第一场效应管栅极，所述第一场效应管的漏极连接所述第一上拉电阻的一端，所述第一上拉电阻另一端连接电源VCC，所述电源VCC与地之间还连接有所述第一电容，所述第一电阻一端连接电源VCC，另一端连接所述第一场效应管的漏极，所述第一场效应管的源极连接所述脉冲半导体激光器的驱动端，所述第一场效应管的源极还连接所述第一二极管的负极，所述第一二极管的正极接地，所述第二电容和第二电阻并联后连接于所述第一场效应管的漏极与地之间。

5.根据权利要求1所述的脉冲半导体激光照明系统，其特征在于，所述激光光斑匀化器为微透镜阵列。

6.一种在低亮度区域使用的照明装置，其特征在于，在低亮度区域设置权利要求4所述的脉冲半导体激光照明系统,还包括亮度检测单元和控制单元，所述亮度检测单元检测低亮度区域的亮度值并传输给控制单元，所述控制单元按照所述亮度值正比例地调节脉冲半导体激光照明系统的输出功率；

所述控制单元按照所述亮度值反比例地调节脉冲半导体激光照明系统的输出脉冲信号的脉冲宽度和/或脉冲频率，调节输出脉冲的占空比。