CN1228969C - 激光器矩阵的输出稳定化 - Google Patents

Abstract

一种投影装置，包括一个半导体激光器矩阵(1)；一个光学系统(2)，用于使矩阵(1)在该投影装置照明的元件(3)上投影；一个控制装置(9)，用于通过一个反馈装置控制半导体激光器。该反馈装置包括一第一检测器(13，14)，用于检测由一个半导体激光器投影在被照明的元件(3)上的光点的亮度。该第一检测器(13，14)产生一个表示该检测到的亮度的第一信号。在第一调整阶段，控制半导体激光器被控制并通过反馈装置调整光点的亮度至所需的值。同时，在第一调整阶段期间由一个被控制的半导体激光器发射的光被第二检测器(18)检测，并将被检测信号的值存储在可寻址存储单元中。这样，第一调整阶段包括填充每个可控制半导体激光器的存储单元。在第二调整阶段，在使用上述投影装置期间，每当通过为相关的被控制半导体激光器进行第二检测器(18)的检测和与存储器(29)中存储的值的比较，稳定每个半导体激光器发射的光量。

Description

激光器矩阵的输出稳定化

本发明涉及一种投影装置，它包括一个半导体激光器矩阵，一个可使该矩阵在该投影装置所照明的一个元件上成像的光学系统，一个控制该半导体激光器的控制装置，该控制装置包括一个反馈装置，该反馈装置包含第一检测器，用于检测每个半导体激光器通过光学系统在被照明元件上所投射的光点的亮度，并产生表示检测到的亮度的第一信号。

本发明还涉及一种调整包含一个半导体激光器矩阵的投影装置的方法。

美国专利5,525,810中就公开了这样一种装置和方法。该专利描述了一种用于扫描一个条形码的投影装置。在校准模式下，一个均匀的屏幕被放置在光路中。许多半导体激光器一次一个地被顺序激励，每个被激励的半导体激光器在均匀的屏幕上投射的光点的亮度被检测器所检测。检测器产生的信号被处理后用于控制半导体激光器矩阵的电源。但所述的装置并不适于进行例如电视图像投影这样的图像投影。

应当稳定用于图像投影的半导体激光器的光输出，因为激光器在给定电流下所提供的光量很大程度上依赖于温度和使用寿命。在许多具有足够大尺寸的半导体激光器中，稳定化是通过监视器二极管进行的，监视器二极管被结合在激光器芯片的后侧，并可用于测量激光器的光输出。这种测量并不会干扰发射光的数量，并且是可靠的，因为激光器侧的光输出和对监视器二极管的后侧的光输出之间的比率是恒定的。从而，在后侧所测量的亮度可适当地用于前侧的光输出的稳定化。

适用于图像投影的半导体激光器矩阵具有约50μm的间距。从这样一个矩阵的半导体激光器发出的光束的孔径角过于大了，以致该光束可相互重叠在0.25mm内。实际上，使这样一个半导体激光器矩阵的所有激光器都配置一个足够小的监视器二极管，并将该监视器二极管适当地安置成只接收一个单独的半导体激光器所发出的光，是非常困难的。

这种半导体激光器的寿命相关性在短期内并不会表现出任何较大的变化。

本发明的目的是提供一种在开头段落所描述的投影装置，其中在半导体激光器矩阵中的半导体激光器可以被分别地充分稳定至一定程度。

根据本发明，该目的是通过这样一个投影装置实现的，其中使控制装置适于在第一调整阶段和第二调整阶段下一个接一个地控制所述半导体激光器，其中使该控制装置适于在与一个被控制的半导体激光器相关的第一调整阶段根据第一信号而调整该光点的亮度，其中还使反馈装置适于在第一调整阶段检测由该被控制的半导体激光器发射而并非由光点发出的光，并产生一个表示被检测光的第二信号，其中该反馈装置包括一个存储器，用于在第一调整阶段存储所产生的关于该被控制的半导体激光器的第二信号，其中使控制装置适于在第二调整阶段根据所产生的关于被控制的半导体激光器的第二信号而控制一个被控制的半导体激光器，使得在第二调整阶段所产生的关于该被控制的半导体激光器的第二信号基本对应于在第一调整阶段存储在存储器中的关于该被控制的半导体激光器的第二信号。

根据本发明的方法，其特征在于，在第一调整阶段，所有的半导体激光器都是一个接一个地被控制，其中在第一状态，每当一个半导体激光器被控制时，由被控制的半导体激光器发出并由投影装置所投射的光点的密度被检测，其中该被检测的亮度用于将该亮度调整在一个预定的值，其中，在第一调整阶段，由被控制的半导体激光器发射而并非由光点所发出的光被检测，其中，在第一调整阶段，表示不是由光点发出的被检测光的第一信号被确定，其中，在第二调整阶段，所有的半导体激光器都一个接一个地被控制，其中，在第二调整阶段，由一个被控制的半导体激光器发射而并非由该光点所发出的光被检测，其中，还产生了表示在第二调整阶段被检测的不是由该光点所发出的光的第二信号，其中，在第二调整阶段下，被控制的半导体激光器以这种方式被调整，即第二信号与第一信号的关系是基本固定的，该第一信号是在关于该被控制的半导体激光器的第一调整阶段所确定的。

由此实现，在第一调整阶段，存储装置被充满关于从每个被控制的半导体激光器发出并到达第二检测器的光量的数据。该第二检测器不位于相关的被控制半导体激光器和光点之间的光路中。然而，在该光点的被调整的亮度值和存储在存储器中并由第二检测器产生的信号值之间的关系是固定的。从而，由第二检测器产生的信号可被用于进行稳定化。由此实现，在第二检测器的信号被存储在存储器中之后，不再需要为了稳定化而进行光点的检测，但有可能用第二检测器信号的存储值进行工作。

本方法的优选实施例的特征在于，当这种投影装置未被使用时进入第一调整阶段，当这种投影装置正在使用时进入第二调整阶段。

由此实现，作为光点的亮度的表征，图像的亮度在进行投影装置的设定时一旦进入第一调整阶段就被调整，并使所有的半导体激光器的亮度都相同，然后，在投影期间，该装置使用并可持续的使用存储在存储器中的、用于每个半导体激光器的第二检测器的信号的值。

本发明的这些和其它方面将在以下参照实施例的阐述中变得更为明显。

在附图中：

图1以框图的形式示出了根据本发明的投影装置，

图2表示第二检测器的第一实施例，

图3表示第二检测器的第二实施例，

图4为图3中第二检测器的侧视图。

在图1中，附图标记1表示半导体激光器的一个一维矩阵。这些半导体激光器以垂直于附图平面的方向被并列放置。这种矩阵本身是已知的。半导体激光器的矩阵1通过图示的光学系统2被投影在元件3上。元件3可以是不透明的或透明的。若元件3是不透明的，则投影图像将从与图像被投影的同一个方向被观看。这通过眼睛4来表示。若元件3是半透明的，则投影图像可从另一侧被观看，如眼睛5所示。为了投影一个二维图像，提供了图示的装置6，该装置可保证投影在元件3上的半导体激光器的矩阵1的图像向着箭头7的方向移动，或向着相反的方向移动。装置6可以由已知的方式通过往复或旋转镜面装置而形成。

为了得到满意的在元件3上的投影图像，对于同样的输入信号，矩阵1的半导体激光器应当使由半导体激光器通过光学系统2投射在元件3上的光点具有相同的亮度。

已知半导体激光器的光输出很大程度上依赖于半导体激光器的温度及其已使用的寿命。

与矩阵1相关联的半导体激光器都具有很小的尺寸。例如，间距通常都只有几十μm，例如50μm。结果，半导体激光器矩阵的热容量很小，而由于光输出变化引起的温度波动相对较大且较快。为了得到矩阵1的稳定的光输出，就需要将每个半导体激光器的两次连续调整之间的时间周期限制在一秒或几秒内，若能再小则更好，从而预定的光输出对应于图像信号的预定值，或者相反。

已知的稳定半导体激光器的光输出的方法，使用一个被置于半导体激光器后侧并接收由半导体激光器发出的光量的光敏二极管，该光量与半导体激光器前侧发出的光量成正比。由置于后侧的光敏二极管接收的光量与半导体激光器在前侧发出的光量之间的关系是恒定的，并独立于温度和寿命。然而，在图1示出的投影装置中，半导体激光器矩阵1的尺寸非常小，以致要为每个半导体激光器都安置一个额外的光敏二极管是不可能的或非常困难的。

图1的装置被设计为对半导体激光器矩阵1中的半导体激光器进行重复地再调整。半导体激光器矩阵1通过线路8由控制装置9来控制。控制装置9具有一输入端10，线路11连接到该输入端，通过该线路11向控制装置9提供将被投影装置显示的图像的图像信号。通过线路12，控制装置9被连接至装置6。具有一个或多个光敏传感器13和14的第一检测器被置于元件3附近。若投影装置在不透明的元件3上投射一个图像，则一个或多个光敏传感器将位于半导体激光器矩阵1的投影可被检测的位置上，例如在传感器13的位置上。若元件3是半透明的，则一个或多个光敏传感器13和14可被置于元件3的一侧或两侧。光敏传感器13和14的输出通过线路15被连接至开关17的接线端16。第二光敏检测器18以这样的方式被安置，即由半导体激光器矩阵直接或间接发出的光可到达第二检测器18，但由元件3发出的光不能到达。第二检测器18也可包括一个或多个光敏二极管。第二检测器18的输出通过线路19被连接至开关21的接线端20。开关21的接线端20可被连接至开关21的接线端22或接线端23。开关23通过线路24被连接至开关17的接线端25。开关17的接线端26被连接至控制装置9的输入端27。开关21的接线端22通过线路28被连接至存储器29的输入端。存储器29的输出端通过线路30被连接至开关32的接线端31。开关32的接线端33被连接至控制装置9的输入端34。控制装置9的输出端35通过线路36被连接至存储器29的地址输入端。

最好但并非必须是可调整的参考信号发生器37通过线路38被连接至开关32的接线端39。

正如上文中所述，半导体激光器矩阵1应当被时常地再次调整，以保证对于一个或多个半导体激光器的图像信号的相同值，由相关半导体激光器投影在元件3上的光点具有相同的亮度。每当没有图像信号时要进行相关的调整是非常重要的。

为此，图1所示的装置将按以下步骤操作。在使投影装置进行图像投影之前，控制装置被调整为第一调整阶段。在第一调整阶段，开关17，21和32位于图1中实线所示出的位置。

当上述开关位于实线示出的位置时，具有光敏传感器13和14的第一检测器通过线路15，接线端16，开关17和接线端26被连接至控制装置9的输入端27。例如可调整电压发生器这样的参考信号发生器37，通过线路38，接线端39，开关32和接线端33被连接至控制装置9的输入端34。第二检测器18通过线路19，接线端20，开关21，接线端22和线路28被连接至存储器29的输入端。存储器29的输出端与控制装置9不连接。

上述电路装置按以下步骤操作。控制装置9通过线路8以预定的，但进而是任意的控制信号控制半导体激光器矩阵1中的一个半导体激光器。装置6处于使由被控制的半导体激光器发出的光可通过光学系统2在元件3上形成一个光点的位置或状态。从而投影在元件3上的光点的亮度被第一检测器的传感器13和14检测，并被送至控制装置9的输入端27。在控制装置9的输入端34存在一个参考信号。控制装置9适于比较输入端27的信号和输入端34的参考信号。根据输入端27和34处的信号之间的差异，控制装置9控制线路8上的控制信号使得，元件3上的光点的亮度可引起这样一个信号，它由传感器13和14提供，使得在输入端27的信号与输入端34的参考信号是相等，或是处于另一预定的固定关系。在输入端27和34的信号相等之后，控制装置9在输出端35和线路36产生一个信号，它在存储器29中寻址一个地址，并使存储器29将线路28上的信号值存储在具有线路36上的地址的存储单元上。线路36上的地址唯一明确地对应于控制装置9在该时刻所控制的矩阵1的半导体激光器。

第二检测器18的输出信号被提供至线路28。第二检测器18的输出信号是第二检测器18所检测的光的测量值，该光是由被控制的半导体激光器发射的而并非由元件3上的光点发出的。元件3上的光点的亮度通过由传感器13和14构成的第一检测器所进行的被投影光点向控制装置9的亮度反馈，以及通过与参考信号的比较而被固定下来。并且，由第二检测器18所检测的与相关亮度直接唯一明确对应的光量被固定在存储器29的特定存储单元。该相关的存储单元唯一明确地对应于矩阵1的半导体激光器，该半导体激光器在该时刻被控制装置9控制，并向投影在元件3上的光点和检测器18提供光。从而，在存储器29中的相关存储单元上存储一个信号，该信号唯一明确地对应于由相关的被控制半导体激光器通过光学系统2投射在元件3上的光点所需的亮度。

因此可使用一个反馈装置，其包括用于提供一个测量信号的第二检测器18，和用于提供参考信号的存储器29。通过由此反馈装置和控制装置9所控制的半导体激光器而构成的一个反馈环路，由相关的被控制半导体激光器发射的光量被稳定在这样一个级别，使得第二检测器18在第一调整阶段的调整期间，检测到相同的光量，或是与其成固定关系的光量。这一阶段，其中由第二检测器18，存储器29，控制装置9和相关的被控制半导体激光器构成反馈环路，将在下文中被称为第二调整阶段。

上文已经说明了，对于第一调整阶段，如何为半导体激光器矩阵1中的一个半导体激光器提供存储器29中的一个特定的可寻址的存储单元，该信号被作为第二状态的一个参考信号。通过控制装置9一个接一个的控制每个半导体激光器，并通过具有传感器13，14的第一检测器和参考信号装置37，调整所有的半导体激光器都具有由相关的被控制半导体激光器投射在元件3上的光点相同的亮度，而对于矩阵1的所有半导体激光器连续地进行上述的第一调整阶段。一旦相关的光点达到该相关亮度，由第二检测器18所产生的且表示第二检测器18检测到的光量的一个信号，通过线路36的寻址将被存储在存储器29中。

这样实现，第二检测器18的一个输出信号值被存储在存储器29中的多个可寻址的存储单元，这些单元对应于矩阵1中的半导体激光器数目，并且每个存储单元都唯一明确地对应于其中一个半导体激光器，该信号值可作为反馈环路的一个参考值。如上所述，其中反馈环路使用存储在存储器29中的值的阶段将被称为第二调整阶段。

在第二调整阶段，开关17，21和32位于虚线所示的位置。在第二调整阶段，每当矩阵1的半导体激光器必须被稳定时，利用控制装置9一个接一个的控制矩阵1的半导体激光器，并通过反馈环路，利用控制装置9控制由相关的被控制半导体激光器发射的光的量，该反馈环路包括第二检测器18和存储器29中对应于相关的被控制半导体激光器的存储单元，及其它部件。

在对处于第二调整阶段的矩阵1的半导体激光器的调节中，为了防止从相关的被控制半导体激光器发射的光到达将被投影的图像外侧的元件3，可以采用多种不同的措施。若装置6是一个往复或旋转镜面，则在装置6的“回扫时间”期间不会有图像信号。此时，控制装置9将在不向半导体激光器矩阵1中的半导体激光器提供图像信号的时刻，执行第二调整阶段的调节。由将被调节的半导体激光器发射的光线既不会到达屏幕3也会不到达通过装置6投影的图像的外侧。如果后一个结果被认为是不利的，则屏幕3在原处应当为黑色，或在任何情况下非常黑，或者应当在光路中安置一个遮光器以阻止光到达屏幕3。

这样实现，半导体激光器利用包括第二检测器18和存储器29及其他部件的反馈环路可以工作，并且可在相关的被控制半导体激光器发射的光不会到达元件3的同时，确保相关的被控制半导体激光器被稳定化。在该可能性的情况下，检测器可检测装置6的位置，并通过线路12将其通知至控制装置9。该装置6还可通过线路12由控制装置9而控制，通过线路12由控制装置9传输至装置6的对装置6的控制信号，可以推导出由矩阵1的半导体激光器发射的光不能到达由装置6投影的图像范围内的时刻。

装置6也可是一个遮光器，它可由控制装置9通过线路12电学上控制。该可电控制的遮光器本身为本领域技术人员所知，且并非本发明的一部分，因此不再赘述。

图2示出了确保使矩阵1的半导体激光器发射的光由第二检测器18检测的结构。在图2中，矩阵1沿垂直于图示平面的方向延伸。在图2中，附图标记40和41表示由半导体激光器发出且通过光学系统2的光束的边界光线。由附图标记42表示的光圈位于矩阵1和光学系统2之间。光圈42正对矩阵1的一侧对于反射矩阵1的半导体激光器产生的沿两个光检测器18a和18b的入射光具有更强或更弱的漫反射特性，这两个光检测器18a和18b也是沿着垂直于图示平面的方向延伸。光检测器18a和18b的输出信号通过线路43，44合成为线路29上的信号。

图3和图4示出了附图标记18c表示的第二检测器18的不同实施例。装置18c包括一个拉长的、透明的且基本为圆柱形的元件45。元件45的外侧表面最好被抛光，从而获得最大的光导性。元件45的一部分圆周提供有光反射材料46。元件45可被弯曲或如图3所示具有一平面侧。两个检测器18d，18e位于圆柱形元件45的两端。检测器18d和18e的输出信号通过线路47和48传输至线路29。

在上述中，开关17，21和32，参考信号发生器37，存储器29以及位于这些元件和控制装置9之间的线路都作为独立元件被说明。本领域技术人员应当理解所述元件或者也可以集成在控制装置9中，并且控制装置9和集成的元件也可共同地形成集成电路的一部分。本领域技术人员还应当理解相关的元件功能性的出现在控制装置9中，但也可利用或在具有连续执行上述功能的程序的可编程装置中实现上述对于第一和第二调整阶段的相关功能以及相关反馈环路。

需要注意的是，参考信号装置37是可调整的，可调节一个或多个参考值。由此实现，可以通过调节参考信号装置37提供的参考信号实现对元件3上由半导体激光器投影的光点的亮度进行调节。因此，存储在存储器29中的值将被改变，最后在使用用于投影目的的装置中投影的图像的亮度将依赖于参考信号装置37提供的参考信号的选择调节后的值。

本领域技术人员可对本发明的实施例进行多种修改和替换。所有这些修改和实施例都将落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种投影装置，包括一个半导体激光器矩阵(1)；一个光学系统(2)，用于使矩阵(1)在该投影装置照明的元件(3)上成像；一个连接到该矩阵(1)的控制装置(9)，用于控制半导体激光器，以及包括至少一个第一检测器(13，14)的反馈装置，用于检测由半导体激光器投影在所述元件(3)上的光点的亮度并用于产生一表示该亮度的信号，其特征在于，所述反馈装置还包括第二检测器(18)，被用于只检测从半导体激光器发射的光的亮度和用于产生代表所述亮度的信号，一存储器用于存储所述第二检测器(18)的所述信号，以及一提供参考信号的参考信号发生器(37)，所述投影装置还包括开关装置(17；21；32)，每个开关装置具有第一(16；22；39)和第二开关部分(25；23；31)，其中所述控制装置(9)适于一个接一个地控制由所述矩阵(1)的半导体激光器产生的光的亮度和所述开关装置(17；21；32)的所述开关位置，其中在所述开关装置(17；21；32)的所述第一开关位置(16；22；39)，所述至少一个第一检测器(13，14)连接到所述控制装置(9)的第一输入(27)以及所述参考信号发生器(37)连接到所述控制装置(9)的第二输入(34)以便由所述控制装置(9)基于所述至少一个第一检测器(13，14)的所述信号和所述参考信号发生器(37)的所述参考信号间的差异来控制由一被控制半导体激光器产生的光的亮度，并且其中所述第二检测器(18)连接到所述存储器(29)的输入(28)，用于在所述控制设备(9)的控制(36)下存储所述第二检测器(18)的所述信号，以及其中在所述开关装置(17；21；32)的所述第二开关位置(25；23；31)，所述第二检测器(18)连接到所述控制装置(9)的第一输入(27)以及所述存储器(29)的输出(30)连接到所述控制装置(9)的第二输入(34)，以便由所述控制装置(9)控制由所述被控制的半导体激光器产生的光的亮度，使得所述第二检测器(18)的所述信号对应于被存储在所述存储器(29)中的所述被控制半导体激光器的所述信号。

2.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于一个装置(6)被用来在所述开关装置(17；21；32)的所述第二开关位置(25；23；31)中防止在所述元件(3)上投影一个光点。

3.一种调整投影装置的方法，该投影装置包括一半导体激光器矩阵(1)，该调整通过控制由所述矩阵(1)的所述半导体激光器产生的光的亮度来进行，其特征在于，一个接一个地控制所述半导体激光器，其中在第一调整阶段，检测由该投影装置照明的元件(3)上且由被控制的半导体激光器产生的光点的亮度，所述检测的亮度用于在预定值调整由所述被控制的激光器产生的光的亮度，且如果被调整，则检测只由被控制的激光器发射而并非由该光点产生的光的亮度，以及在所述被控制的半导体激光器的第二调整阶段，检测只由被控制的激光器发射而并非由光点产生的光的亮度，且将其用于调整由所述被控制的半导体激光器产生的光的亮度，以便使该亮度与在第一调整阶段期间检测的只由所述被控制的激光器发射而并非由该光点产生的光的亮度具有固定的关系。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，当不使用上述投影装置时进入第一调整阶段，当使用上述投影装置时进入第二调整阶段。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，第一调整阶段在上述投影装置的使用之前发生。

6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，当没有图像信号施加在半导体激光器矩阵(1)的半导体激光器上的时刻进入第二调整阶段。

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