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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung mit mindestens einem, einen Halbleiterchip aufweisenden Halbleiterlaser und mit einer Stromversorgung, die ein Stellglied zur Einstellung des Betriebsstroms des Halbleiterlasers aufweist.
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Eine derartige Beleuchtungseinrichtung, die zur Verwendung in einem Laserpointer vorgesehen ist, ist aus
DE 43 27 343 A1 bekannt. Die Beleuchtungseinrichtung weist ein Gehäuse auf, in dem eine Laserdiode untergebracht ist, deren Laserstrahl eine Bohrung einer im Gehäuse angeordneten Blende und eine Optik passiert, um danach aus einer frontseitigen Öffnung des Gehäuses auszutreten. Hinter der Laserdiode ist eine elektronische Schaltung in dem Gehäuse angeordnet, die eine Batterie und einen Taster aufweist, mittels dem die Laserdiode ein- und ausschaltbar ist. Im Gehäuse der Laserdiode ist eine als Fotodiode ausgestaltete erste Monitordiode angeordnet, welche die von der Laserdiode emittierte optische Strahlung detektiert. Zur Regelung der Intensität der von der Laserdiode ausgesandten optischen Strahlung steht die erste Monitordiode mit einem einen Transistor aufweisenden Stellglied in Steuerverbindung, mittels dem der Betriebsstrom in der Laserdiode einstellbar ist. Zusätzlich zu der ersten Monitordiode weist die Beleuchtungseinrichtung eine zweite Monitordiode auf, die außerhalb des Gehäuses der Laserdiode angeordnet ist und deren Streulicht empfängt, das nicht die Blende passiert. Die zweite Monitordiode ist Teil einer Schutzschaltung, welche den Stromfluss durch die Laserdiode unterbricht, wenn die von der Laserdiode abgegebene Laserstrahlleistung einen vorbestimmten Maximalwert überschreitet. Durch diese Maßnahme wird ein augensicherer Betrieb der Beleuchtungseinrichtung ermöglicht. Die Beleuchtungseinrichtung kann zwar die Intensität der von der Laserdiode emittierten optischen Strahlung auf einen vorbestimmten Wert regeln, hat aber den Nachteil, dass hierfür eine für die Laserstrahlung empfindliche Monitordiode benötigt wird. Hierfür ist ein gewisser Platzbedarf im Gehäuse der Laserdiode erforderlich. Die Monitordiode hat außerdem den Nachteil, dass sie relativ träge ist und daher nur eine entsprechend geringe Modulationsgeschwindigkeit der Laserstrahlung ermöglicht. Schließlich ist die Beleuchtungseinrichtung auch noch ziemlich teuer, weil eine spezielle Laserdiode benötigt wird, in deren Gehäuse eine Monitordiode integriert ist. Nicht alle Laserdioden sind jedoch mit integrierter Fotodiode verfügbar. Insbesondere sind Laserdioden mit hoher Strahlleistung und/oder blauem Laserlicht häufig nicht mit Monitordiode erhältlich. Ungünstig ist außerdem, dass die Monitordiode vor Fremdlicht geschützt werden muss.
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Es besteht deshalb die Aufgabe, eine Beleuchtungseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es ermöglicht, die Intensität der Laserstrahlung auf einfache Weise auf einen vorbestimmten Wert einzustellen oder zu begrenzen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Beleuchtungseinrichtung einen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Halbleiterchips und/oder wenigstens eines damit wärmeleitend verbundenen Elements sowie einen Datenspeicher hat, in dem für eine Vielzahl von Temperaturwerten jeweils ein Betriebsstromwert abgelegt ist, bei dem die vom Halbleiterlaser abgegebene optische Strahlung eine vorbestimmte Intensität aufweist, und dass die Beleuchtungseinrichtung eine mit dem mindestens einen Temperatursensor, dem Datenspeicher und dem Stellglied verbundene Steuerung aufweist, mittels dem der Betriebsstrom des Halbleiterlasers in Abhängigkeit von wenigstens einer gemessenen Temperatur entsprechend den gespeicherten Betriebsstromwerten einstellbar oder begrenzbar ist.
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In vorteilhafter Weise ist es dadurch möglich, die Intensität der Laserstrahlung sehr präzise auf einen vorbestimmten Wert einzustellen oder zu begrenzen, ohne dass dazu die Intensität der Laserstrahlung gemessen werden muss. Somit kann eine aufwändige und teuere Monitordiode eingespart werden. Da die Geschwindigkeit, mit der die Intensität der Laserstrahlung verstellt wird, praktisch nur durch die Arbeitsgeschwindigkeit der Steuerung begrenzt wird, ermöglicht die Beleuchtungseinrichtung eine sehr schnelle Einstellung der Intensität der Laserstrahlung.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist im Strahlengang des Halbleiterlasers mindestens ein, eine Lichteintrittsfläche und eine davon beabstandete Lichtaustrittsfläche aufweisende optische Einrichtung angeordnet, wobei die in dem Datenspeicher abgelegten Betriebsstromwerte derart gewählt sind, dass die vom Halbleiterlaser abgegebene optische Strahlung an einer in Abstrahlrichtung der optischen Strahlung in und/oder oder hinter der Lichtaustrittsfläche befindlichen Stelle die vorbestimmte Intensität aufweist. Dadurch ist es möglich, eine eventuelle, an der optischen Einrichtung auftretende Änderung der Intensität der Laserstrahlung zu kompensieren, so dass die Intensität an der in und/oder oder hinter der Lichtaustrittsfläche befindlichen Stelle exakt mit der vorbestimmten Intensität übereinstimmt. Die optische Einrichtung kann zur Strahlformung und/oder Strahlführung insbesondere einen Lichtleiter und/oder eine optische Linse aufweisen.
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Vorteilhaft ist, wenn die Beleuchtungseinrichtung mindestens zwei, an unterschiedlichen Stellen angeordnete, mit der Steuerung verbundene Temperatursensoren aufweist, wenn in dem Datenspeicher für unterschiedliche Wertekombinationen, die jeweils zumindest einen einem ersten Temperatursensor zugeordneten ersten Temperaturwert und einen einem zweiten Temperatursensor zugeordneten zweiten Temperaturwert aufweisen, jeweils ein Betriebsstromwert abgelegt ist, bei dem die vom Halbleiterlaser abgegebene optische Strahlung eine vorbestimmte Intensität aufweist, und wenn die Steuerung derart ausgestaltet ist, dass der Betriebsstrom des Halbleiterlasers in Abhängigkeit von den mit Hilfe der Temperatursensoren gemessenen Temperaturen entsprechend den im Datenspeicher abgelegten Betriebsstromwerten einstellbar oder begrenzbar ist. Dadurch ist es möglich, bei der Einstellung des Betriebsstroms des Halbleiterlasers das dynamische Temperaturverhalten der Beleuchtungseinrichtung zu berücksichtigen. Insbesondere kann bei einer schnellen Änderung der Intensität ein Überschwingen der Intensität gedämpft oder sogar vollständig vermieden werden.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind in dem Datenspeicher für unterschiedliche Betriebsdauern des Halbleiterlasers unterschiedliche Betriebsstromwerte abgelegt, wobei die Beleuchtungseinrichtung Mittel zur Erfassung der Betriebsdauer des Halbleiterlasers aufweist, die mit der Steuerung verbunden sind, und wobei die Steuerung derart ausgestaltet ist, dass der Betriebsstrom des Halbleiterlasers in Abhängigkeit von der Betriebsdauer entsprechend den im Datenspeicher abgelegten Betriebsstromwerten einstellbar oder begrenzbar ist. Dadurch ist es möglich, die altersbedingte Degradation der Laserstrahlung des Halbleiterlasers zu kompensieren.
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Mit Vorteil sind in dem Datenspeicher für unterschiedliche Intensitätssollwerte der vom Halbleiterlaser abzugebenden optischen Strahlung unterschiedliche Betriebsstromwerte abgelegt, wobei die Beleuchtungseinrichtung einen Sollwertgeber zum Bereitstellen eines Sollwerts für die Intensität der abzugebenden optischen Strahlung aufweist, und wobei die Steuerung derart ausgestaltet ist, dass der Betriebsstrom des Halbleiterlaser in Abhängigkeit von der Betriebsdauer entsprechend den im Datenspeicher abgelegten Betriebsstromwerten einstellbar oder begrenzbar ist. Dadurch ist es insbesondere möglich, die Laserstrahlung entsprechend einem vorbestimmten Intensitätsverlauf zu modulieren.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Beleuchtungseinrichtung einen Stromsensor zur Messung des Betriebsstroms des Halbleiterlasers und eine Vergleichseinrichtung auf, die zum Vergleichen des gemessenen Betriebsstroms mit einem von der Steuerung bereitgestellten Sollwertsignal für den Betriebsstrom mit dem Stromsensor und der Steuerung verbunden ist, und wobei die Vergleichseinrichtung zum Abschalten des Halbleiterlasers bei einem nicht plausiblen Vergleichsergebnis mit einer Abschalteinrichtung für den Halbleiterlaser verbunden ist. Die Beleuchtungseinrichtung ist dann beim Auftreten eines einzelnen Fehlers, der – wenn die Abschaltvorrichtung nicht vorhanden wäre – zu einem zu hohen Betriebsstrom in Halbleiterlaser führen würde, noch augensicher.
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Die Beleuchtungseinrichtung kann einen optischen Sensor zur Erfassung der Intensität der von dem Halbleiterlaser ausgesandten optischen Strahlung aufweisen, wobei der optische Sensor mit einer Vergleichsvorrichtung zum Vergleichen der gemessenen Intensität mit der vorbestimmten Intensität oder dem Intensitäts-Sollwert des Sollwertgebers verbunden ist, und wobei die Vergleichsvorrichtung zum Abschalten des Halbleiterlasers bei einem nicht plausiblen Vergleichsergebnis mit der Abschalteinrichtung verbunden ist. Auch durch diese Maßnahme kann beim Auftreten eines einzelnen Fehlers die Augensicherheit der Beleuchtungseinrichtung gewährleistet werden.
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Vorteilhaft ist, wenn die Beleuchtungseinrichtung einen optischen Sensor zur Erfassung der Intensität der von dem Halbleiterlaser ausgesandten optischen Strahlung aufweist, wenn der optische Sensor mit einer Vergleichsvorrichtung zum Vergleichen der gemessenen Intensität mit der vorbestimmten Intensität oder dem Sollwert des Sollwertgebers verbunden ist, und wenn die Vergleichsvorrichtung mit einer Kompensationseinrichtung für den Betriebsstrom des Halbleiterlasers verbunden ist, die derart ausgestaltet ist, dass beim Auftreten einer Abweichung zwischen der gemessenen Intensität und der vorbestimmten Intensität oder dem Sollwert des Sollwertgebers der Betriebsstrom des Halbleiterlasers im Sinne einer Reduzierung der Abweichung verändert wird. Auch durch diese Maßnahme kann die Degradation der Intensität der Laserstrahlung kompensiert werden. Dabei ist es sogar möglich, dass beim Auftreten einer Abweichung zwischen der gemessenen Intensität und der vorbestimmten Intensität oder dem Sollwert die in dem Datenspeicher abgelegten Betriebsstromwerte angepasst und/oder die in dem Datenspeicher abgelegten Betriebsstromwerte neu eingelernt werden. Die Änderung der im Datenspeicher abgelegten Betriebsstromwerte erfolgt bevorzugt nachdem die gemessenen Intensitäten zuvor erfolgreich auf Plausibilität überprüft wurden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens ein Temperatursensor wenigstens zwei redundante Temperatursensorelemente auf, die mit einem Vergleichsglied zum Vergleichen der Messsignale der Temperatursensorelemente verbunden sind, wobei das Vergleichglied zum Abschalten des Halbleiterlasers bei einem nicht plausiblen Vergleichsergebnis mit der Abschalteinrichtung verbunden ist. Die Augensicherheit der Beleuchtungseinrichtung ist dann auch beim Ausfall eines Temperatursensorelements noch gewährleistet.
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Erwähnt werden soll noch, dass die Steuerung bevorzugt einen Mikroprozessor aufweist, in dem ein Betriebsprogramm ablaufbar ist. Dadurch ist es möglich, auf einfache weise eine Vielzahl von Plausibilitätsprüfungen und Sicherheitsmechanismen in die Steuerung zu integrieren.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein Blockschaltbild der Beleuchtungseinrichtung, die als Lichtquelle eine Laserdiode aufweist,
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2 einen Längsschnitt durch einen Projektor der Beleuchtungseinrichtung,
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3 eine grafische Darstellung einer Kennlinienschar der Laserdiode, wobei auf der Abszisse der Betriebsstrom der Laserdiode, auf der Ordinate die Intensität der von der Laserdiode emittierten Laserstrahlung und als Parameter die Temperatur aufgetragen ist, und
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4 ein thermisches Ersatzschaltbild des Projektors.
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Eine in 1 im Ganzen mit 1 bezeichnete Beleuchtungseinrichtung weist als Lichtquelle einen Halbleiterlaser 2 auf, der als Laserdiode ausgestaltet ist, welche in an sich bekannter Weise einen Halbleiterchip integriert ist. Der Halbleiterchip ist in ein Gehäuse 3 eingebaut, aus dem mit dem Halbleiterchip verbundene elektrische Anschlüsse 4 herausgeführt sind. Die Anschlüsse 4 sind mit einer Stromversorgung 5 verbunden, die als steuerbare Stromquelle ausgestaltet ist, die ein in der Zeichnung nicht näher dargestelltes Stellglied wie z. B. einen Transistor, zur Einstellung des Betriebsstroms des Halbleiterlasers 2 aufweist.
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Wie in 2 erkennbar ist, ist das Gehäuse 3 des Halbleiterlasers 2 in eine hülsenförmige Fassung 6 eingebaut, die an einer Stirnseite eine Aufnahmevertiefung aufweist, in die das den Halbleiterlaser 2 umgrenzende Gehäuse 3 eingesetzt ist. Der Halbleiterlaser 2 ist wärmeleitend mit dem Gehäuse 3 verbunden. Das Gehäuse 3 ist Flächig wärmeleitend mit der Fassung 6 verbunden, die an einer Halterung 7 befestigt ist.
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Die Fassung 6 weist eine Innenhöhlung auf, in der eine optische Linse 8 angeordnet ist, die eine der Abstrahlseite des Halbleiterlaser 2 zugewandte Lichteintrittsfläche 9 und eine dieser abgewandt gegenüberliegende Lichtaustrittsfläche 10 aufweist. Mit Hilfe der Linse 8 wird die von dem Halbleiterlaser 2 emittierte optische Strahlung auf eine Einkoppelfläche 11 einer Lichtleiterfaser 12 gebündelt, die mit einem Endbereich in die Innenhöhlung der Fassung 6 eingreift. Dabei sind die Längsmittelachse der Lichtleiterfaser 12, die optische Achse der Linse und die optische Achse des Halbleiterlaser 2 in gerader Verlängerung zueinander angeordnet. In 2 ist erkennbar, dass die Lichtleiterfaser 12 mittels eines in der Zeichnung nur schematisch dargestellten Haltelements 13 lösbar mit der Fassung 6 verbunden ist. Zwischen der Lichteintrittsfläche 9 der Linse 8 und dem Gehäuse 3 sowie zwischen der Lichtaustrittsfläche 10 und der Lichtleiterfaser 12 ist jeweils ein Freiraum gebildet.
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Die Beleuchtungseinrichtung 1 weist mehrere Temperatursensoren 14A, 14B, 14C, 14D auf. Ein erster Temperatursensor 14A ist in einer dicht benachbart zum Gehäuse 3 des Halbleiterlasers 2 befindlichen ersten Öffnung der Fassung 6 angeordnet. Ein zweiter Temperatursensor 14B ist in einer zweiten Öffnung der Fassung 6 vorgesehen, die dicht benachbart zu dem Haltelement 13 angeordnet ist. Ein dritter Temperatursensor 14C ist an der Halterung 7 angebracht und gut wärmeleitend mit dieser verbunden. Ein vierter Temperatursensor 14D dient zur Erfassung der Umgebungstemperatur und ist von der Halterung 7, der Fassung 6 und dem Haltelement 13 beabstandet.
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In 1 ist erkennbar, dass die Temperatursensoren 14A, 14B, 14C, 14D mit Messsignaleingängen eines Mikrocomputers 15 verbunden sind. Zu Messung der Gesamtbetriebsdauer des Halbleiterlasers 2 ist in den Mikrocomputer ein nicht flüchtiger Betriebsdauerzähler integriert. der durch einen Zeitgeber getaktet wird.
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Der Mikrocomputer 15 ist mit einem nicht Flüchtigen Datenspeicher 16 verbunden, in dem für eine Vielzahl von Wertekombinationen, die jeweils
- – einen dem ersten Temperatursensor 14A zugeordneten ersten Temperaturwert,
- – einen dem zweiten Temperatursensor 14B zugeordneten zweiten Temperaturwert,
- – einen dem dritten Temperatursensor 14C zugeordneten dritten Temperaturwert,
- – einen dem vierten Temperatursensor 14D zugeordneten vierten Temperaturwert,
- – einen Intensitätswert für die von dem Halbleiterlaser 2 emittierte optische Strahlung und
- – einen Betriebsdauerwert für die Gesamtbetriebsdauer des Halbleiterlasers 2
umfassen, jeweils ein Betriebsstromwert abgelegt ist, bei dem die Intensität der vom Halbleiterlaser abgegebenen optischen Strahlung an einer von der Einkoppelfläche 11 beabstandeten Auskoppelfläche der Lichtleiterfaser 12 den Intensitätswert aufweist.
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Um Speicherplatz zu sparen, sind die Temperaturwerte entsprechend der gewünschten Genauigkeit der Intensität der zu erzeugenden Laserstrahlung gestuft, d. h. jeder Temperaturwert ist jeweils einem Temperaturbereich zugeordnet, der sich von einer dem betreffenden Temperaturwert zugeordneten unteren Temperatur zu einer dem betreffenden Temperaturwert zugeordneten oberen Temperatur erstreckt. Die Stufungen sind so gewählt, dass sich die Intensität der Laserstrahlung bei konstantem Betriebsstrom nur geringfügig verändert, wenn sich die Temperatur innerhalb des betreffenden Temperaturbereichs ändert.
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Auch die Intensitätswerte sind gestuft. Sie repräsentieren jeweils einen Intensitätsbereich, der sich von einer dem betreffenden Intensitätswert zugeordneten unteren Intensität zu einer dem betreffenden Intensitätswert zugeordneten oberen Intensität erstreckt. Entsprechendes gilt für die Betriebsdauerwerte.
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Ferner sind nur für Temperaturwerte, die bei bestimmungsgemäßem Betrieb der Beleuchtungseinrichtung auftreten können, Betriebsstromwerte im Datenspeicher 16 vorhanden. In 3 sind einige der in dem Datenspeicher 16 abgelegten Betriebsstromwerte in Form einer Kennlinienschar grafisch dargestellt. Dabei ist auf der Abszisse der Betriebsstrom des Halbleiterlasers 2, auf der Ordinate die Intensität der aus der an der von dem Halbleiterlaser 2 entfernten Stirnfläche der Lichtleiterfaser 12 austretenden Laserstrahlung und als Parameter die Temperatur am ersten Temperatursensor 14A aufgetragen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Temperaturen des zweiten Temperatursensors 14B, des dritten Temperatursensors 14C und des vierten Temperatursensors 14D in 3 nicht parametriert.
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Die im Datenspeicher 16 abgelegten Betriebsstromwerte können beispielsweise vom Hersteller der Beleuchtungseinrichtung experimentell ermittelt und/oder errechnet werden, insbesondere mit Hilfe eines thermischen Ersatzschaltbilds der Beleuchtungseinrichtung 1. Wie in 4 erkennbar ist, kann das thermische Ersatzschaltbild Wärmewiderstände Rth1–Rth6 und Wärmekapazitäten Cth1–Cth3 aufweisen, welche die Stellen, an denen die Temperaturen mit Hilfe der Temperatursensoren 14A 14B, 14C, 14D gemessen werden, untereinander, mit der Chiptemperatur des Halbleiterlasers 2 und/oder der Umgebungstemperatur Tu verbinden.
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Während des Betriebs der Beleuchtungseinrichtung 1 werden Istwerte für die Temperaturen T1, T2, T3, Tu mit Hilfe der Temperatursensoren 14A, 14B, 14C, 14D erfasst, digitalisiert und in den Mikrocomputer 15 eingelesen. Außerdem wird ein Sollwert für die Intensität der vom Halbleiterlaser 2 zu erzeugenden optischen Strahlung bereitgestellt. Der Intensitäts-Sollwert kann beispielsweise von einer in der Zeichnung nicht näher dargestellten Modulationseinrichtung vorgegeben werden. Er kann auch vom Benutzer der Beleuchtungseinrichtung über ein entsprechendes Stellelement vorgegeben werden oder fest vorgegeben sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Intensitäts-Sollwert mittels eines entsprechenden, in dem Mikrocomputer 15 ablaufenden Betriebsprogramms zu generieren.
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Der Mikrocomputer 15 ordnet nun den betreffenden Istwerten, dem Intensitäts-Sollwert und dem Betriebsdauerwert einen in dem Datenspeicher 16 abgelegten Betriebsstromwert zu und liest diesen aus dem Datenspeicher 16 ein. Falls für die betreffende, aus den Istwerten und dem Intensitäts-Sollwert bestehende Wertekombination kein Betriebsstromwert in dem Datenspeicher 16 gespeichert ist, wird mindestens eine zu dieser Wertekombination benachbarte Wertekombination ermittelt, für die in dem Datenspeicher ein Betriebsstromwert gespeichert ist. Der für diese Wertekombination gespeicherte Betriebsstromwert wird über die Stromversorgung 5 an den Halbleiterfaser 2 ausgegeben.
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Bei Bedarf kann in dem Mikrocomputer 15 auch eine Interpolation zwischen den Betriebsstromwerten von mindestens zwei Wertekombinationen, die zu der aus den Istwerten und dem Intensitäts-Sollwert bestehenden Wertekombination benachbart sind, durchgeführt werden. Der auf diese Weise erhaltene Interpolationswert für den Betriebsstrom wird über die Stromversorgung 5 an den Halbleiterlaser 2 ausgegeben.
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Sobald der Betriebsstrom ermittelt und eingestellt wurde, werden mit Hilfe der Temperatursensoren 14A, 14B, 14C, 14D neue Istwerte für die Temperaturen T1, T2, T3, Tu erfasst und die vorstehend genannten Schritte werden wiederholt.
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In 1 ist erkennbar, dass die Beleuchtungseinrichtung 1 einen Stromsensor 17 zur Messung des Betriebsstroms des Halbleiterlasers 2 aufweist. Zum Einlesen des gemessenen Stromwerts ist ein Messsignalausgang des Stromsensors 17 mit einem Eingangsanschluss des Mikrocomputers 15 verbunden. In dem Mikrocomputer 15 wird der gemessene Stromwert mit dem Intensitäts-Sollwert verglichen. In Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis wird ein Fehlersignal erzeugt, mittels dem eine an dem Mikrocomputer 15 angeschlossene Abschalteinrichtung 18 gesteuert wird, die zum Abschalten des Halbleiterlasers 2 bei einem nicht plausiblen Vergleichsergebnis mit dem Halbleiterlaser 2 in Reihe geschaltet ist. Dadurch kann auch bei einer Störung in der Stromversorgung 5 eine unzulässig hohe Intensität der von dem Halbleiterlaser 2 ausgesandten Laserstrahlung vermieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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