雷射二極體光學光源的光譜控制的製作方法
2023-12-08 08:24:06 1
專利名稱：雷射二極體光學光源的光譜控制的製作方法
技術領域：
本發明系關於雷射二極體電路，且特別關於控制頻譜的雷射二極體電路。
背景技術：
經由不同顏色(例如，紅、綠和藍)的多個發光二極體(LEDs)的光已經被用來生成一預定光譜平衡的光源(例如，一「白」光源)。例如，參見Nishimura的標題為「用於測量LED光源的光譜含量及其控制的方法和裝置」的美國第6,448,550號專利。
發明內容
本發明的一方面體現在包括多個雷射二極體、感測構件和控制構件的裝置中。在正常運行期間，雷射二極體產生一混合光，感測構件測量雷射二極體產生的光；而控制構件1)將測量的光與一光譜基準進行比較，及2)根據該比較結果設定雷射二極體的驅動信號。
本發明的另一方面體現在包括多個不同顏色的雷射二極體、若干光感測器和控制電路的裝置中。該些光感測器均相對於雷射二極體進行定位以測量雷射二極體輸出的光。控制電路既耦合至雷射二極體又耦合至該些光感測器。控制電路將測量的光與一光譜基準相比較，然後根據該比較結果設定雷射二極體的驅動信號。
本發明的再一方面體現在一種方法中，該方法包括1)使用多個不同顏色的雷射二極體產生一混合光，2)自動將一雷射二極體產生的光測量值與一光譜基準進行比較，及3)根據該比較結果自動設定雷射二極體的驅動信號。
本發明的其它實施例也將在下文中揭示。
本發明的說明性和當前較佳實施例圖解闡述於附圖中，其中圖1是一前視圖，其顯示一用於維持一雷射二極體光源光譜含量的實例性裝置中的雷射二極體和感測構件；圖2是一側視圖，其顯示圖1所示的雷射二極體和感測構件及一用於根據感測構件所測量的光控制雷射二極體的控制構件；圖3是圖2控制構件的一實例性方塊圖；圖4顯示一可用於圖3控制構件的實例性開關轉換器；和圖5顯示一用於維持一雷射二極體光源的光譜含量的實例性方法。
具體實施例方式
新近開發出的半導體雷射二極體能夠產生波長介於400-700納米範圍內的光，從而使雷射二極體能夠用作光源。
雷射二極體與LEDs之間的一區別是雷射的單色性。即，雷射的線寬度通常窄於20nm，而且經常小於5nm。雷射二極體與LEDs之間的另一區別在於雷射具有相干性，因而非常亮。亮度(或發光度)應考慮光的立體採集角度。由於雷射具有一低光束髮散度，因此雷射的集光率相對較小。人們可使用聚焦光學器件產生一同等強度的光束，但由於存在一離開該聚焦點的高光束髮散度，因此光束的集光率會很大。由於人類的眼睛具有一相對較小的集光率，因此無法將一高集光率聚焦光束耦合至眼睛中。由此，對於同等功率的光，人類眼睛的視覺是，雷射要比LED光亮得多。因此，不同顏色的雷射二極體的出射光為形成極亮的照明提供了可能。
類似於LEDs，雷射二極體可根據一給定輸入電流產生一相當寬廣範圍的光。例如，雷射對溫度極為敏感，因此即使驅動電流穩定，其輸出功率(和光子通量)也會隨溫度而發生明顯的變化。雷射二極體的波長峰值也取決於溫度。以高功率運行的雷射二極體還往往會過早老化，並且其效率將隨時間而下降。因此，如果一光源是由不同顏色的雷射二極體組成，其光譜含量將會因溫度、老化和其它因素而變化。
通常，人們希望一光源可維持一確定的光譜含量。為此，圖1和2圖解說明用於此目的的實例性裝置100。
如圖1和2所示，一光源102可包括多個不同顏色的雷射二極體104、106、108、110、112、114、116、118、120(例如，紅色(R)、綠色(G)和蘭色(B)雷射二極體)。在正常運行期間，這些雷射二極體104-120產生一混合光。
一感測構件122、124、126、128、130、132、134、136、138測量由雷射二極體104-120輸出的光。舉例而言，感測構件可包括多個光感測器122-138，諸如，光電二極體。在一實施例中，至少某些光感測器122-138相對於雷射二極體104-120進行定位，以便感測由一個或多個同樣顏色的雷射二極體輸出的光。即，光感測器可配置用於測量來自一預定波長二極體的光。在另一實施例中，至少某些光感測器122-138是與濾光元件相關聯，其中每個濾光元件均可限制其相應光感測器的光譜靈敏度。
在圖1中，顯示安裝在一公用基板140上的多個雷射二極體104-120和光感測器122-138。然而，它們不需要如此。在一實施例中，基板140可用於提供雷射二極體104-120、感測構件122-138及一控制構件142、144、146之間的互連。在基板140上安裝器件時，基板140可用於為其上面安裝的器件提供一公用端子(陽極和陰極)。將基板140用作一公用端子有利於減少器件之間所必需的連接數量。當然，在某些情況下，分離雷射二極體104-120和光感測器122-138之間的連接較為有利，以使流經雷射二極體104-120的較大電流不會影響測量光感測器122-138所提供的相對小電流的能力。
圖1和2所示雷射二極體104-120和光感測器122-138的數量和布置僅作為實例，一實際光源中雷射二極體和光感測器的數量在很大程度上是根據雷射二極體101-120的實際光輸出及一給定應用所需的光輸出來確定。
圖1和2所示裝置進一步包括一控制構件142-146，其用於1)將感測構件測量的光與一光譜基準進行比較，2)根據該比較結果設定雷射二極體104-120的驅動信號。控制構件142-146可包括耦合至雷射二極體104-120和感測構件122-138兩者的控制電路。在一實施例中，控制構件142-146可進一步連通固件或軟體以，例如，接收一用於其光譜基準的編程設定值。
如同LEDs一樣，雷射二極體的平均光子通量可通過改變其驅動電流或負載循環來進行修改。但是，假設雷射二極體在一相對窄的運行電流範圍內最為有效，則對雷射二極體的驅動電流進行脈衝寬度調製可能較為有用。即，通過脈衝寬度調製驅動信號可至少部分設定雷射二極體104-120的驅動信號。為減輕「閃變」，無須將某些或全部雷射二極體104-120的驅動信號均脈衝寬度調製至一「零」的程度，而是脈衝寬度調製至第一與第二非零值之間。
如果雷射二極體104-120定位用於通過一照明目標148投射光(例如，如果雷射二極體104-120用作一顯示屏的背光)，則可將感測構件122-138定位用來測量雷射二極體104-120所產生的組合光及通過照明目標148透射的光。或者，或另外，可將感測構件122-138定位用來測量雷射二極體104-120所產生的組合光及照明目標148的反射光。以此方式，裝置100可對因目標148的非均勻反照率或環境光與雷射二極體104-120所產生的光之間發生混合而引起的光譜改變做出反應。
儘管感測構件122-138可與雷射二極體104-120截然不同，應注意，大多數雷射二極體104-120均裝配有一專用監測光電二極體。此一光電二極體通常耦合至過驅動保護構件(圖2中控制構件142-146的一部分)，該保護構件可根據一自光電二極體接收到的信號限制一對應雷射二極體的光子通量，以確保雷射二極體不會因過驅動而自毀。在裝置100的一實施例中，即使用這些監測光電二極體構建感測構件122-138。即，除了為一過驅動保護構件提供一監測光電二極體的輸出外，還可為控制構件124提供光電二極體的輸出。因此，雷射二極體104-120與光電二極體(例如，監測光電二極體)具有一對一的對應關係。
在一實施例中，過驅動保護構件和控制構件124可並行而獨立地運行，各自對一雷射二極體的驅動信號起作用。在另一實施例中，一控制構件的部分150自過驅動保護構件142-146接收反饋信號並且，一旦針對一給定雷射二極體觸發過驅動保護，控制構件150即刻修改其它雷射二極體的設定點，以作為一整體維持所保護的過驅動和其它雷射二極體的光譜含量。
現闡述感測構件122-138和控制構件142-146的實例性實施例。首先，將一光譜基準靜態地或動態地提供給控制構件142-146。舉例而言，可依據一同等的顏色溫度設定光譜基準。
在一實施例中，控制構件包括單個電路142-146，其每一個均與一特定雷射二極體相關聯。每個電路142-146均可包括一耦合用於自一光感測器接收一信號(例如，一電流)的積分器。例如，一控制電路146的積分器314可接收來自光感測器134的反饋信號。該積分器314可將光電二級管的電流轉換為一表示那部分光譜內光量的電壓。每個積分器的電壓輸出均饋送至一窗口比較器。該窗口比較器的作用是將輸入信號與一光譜基準進行比較，並且當輸入信號與基準的差大於一預定磁滯量時置高一輸出。該光譜基準可由一數字-模擬轉換器(DAC，未顯示)提供。然後，窗口比較器的選通輸出被饋送至一驅動一數字-模擬轉換器的增減計數器。隨後，該數字-模擬轉換器即可為雷射二極體116設定一驅動信號。
現更詳細地闡述電路146，人們可看到光電二極體134給運算放大器(0pamp)饋送信號，該運算放大器使用一電容器302構成一積分器314。該積分器314的輸出，即一表示入射到光電二極體134上的光子通量(λ)的電壓饋送至一窗口比較器的比較器304、306中。如果積分器300、302的輸出低於一光譜基準電壓VR(例如，一紅色雷射二極體的一期望光譜含量)，則比較器304的輸出置高。類似地，如果積分器300、302的輸出高於光譜基準電壓VR+ΔR，則比較器306的輸出置高。基準等級VR和VR+ΔR均由一額外的數字-模擬轉換器(未顯示)提供。比較器304和306的輸出饋送至一增減計數器308。計數器308的輸出饋送至數字-模擬轉換器(DAC)310，並隨後自DAC饋送至驅動器312來控制雷射二極體116的強度。雖然圖中顯示一場效應電晶體(FET)用作驅動器290，但也可使用雙極電晶體。
在期望的光子通量低於由基準VR設定的期望電平時，比較器304的輸出置高。隨後，計數器308增加計數，由此增加饋送至DAC 310的數值，提高驅動器312選通電路上的電壓並提高雷射二極體116的亮度。
類似地，如果光子通量高於基準VR+ΔR所設定的期望電平，則比較器306的輸出置高，由此導致計數器308減少計數。此可降低發送至DAC310的數值、降低驅動器290選通電路上的電壓，並降低雷射二極體116的亮度。
基準電壓VR與VR+ΔR之間的差可為運行中的雷射二極體116提供磁滯。由此，如果雷射二極體116的輸出位於這兩個基準電平所設定的窗口內，則不調節雷射二極體116的輸出。
通過在幾個測量/積分/比較/設定驅動信號循環中實施強度測量和調節，可採用一漸進方式進行改變。
應注意，狀態信息保持在計數器308內。為實現更有效的啟動，控制電路應在重新啟動(power cycle)期間保留此計數器的值，將計數器恢復至其最後運行值作為一啟動電平的良好第一近似值。
圖3所示控制構件146的實施例使用線性控制來改變一雷射二極體116的強度。數字-模擬轉換器(DAC)310產生一模擬電平饋送至驅動器312，由此控制雷射二極體116的強度。實質上，驅動器312用作一可變電阻。由於驅動器312兩端電壓降轉變為熱量，此類型布置無效。通過使用一開關轉換器驅動一雷射二極體116可獲得更有效的控制。
開關轉換器在本技術領域中眾所周知，並且諸如Texas儀表公司和Maxim集成電路公司等均可製造。如本技術領域所熟知，在一開關轉換器中，可使用變化的脈衝寬度或負載循環來控制一開關，以極高效率產生一可調節輸出電壓。雷射二極體具有相對較高的串聯電阻，因此通過調節施加至雷射二極體的電壓即可獲得穩定的電流控制。
圖3的實施例適合通過利用比較器304、306的輸出來使用開關轉換器，以控制供一驅動雷射二極體116的開關轉換器使用的脈衝寬度。當一期望的電平太低時，增加相應的脈衝寬度，增加開關轉換器的「導通」時間，提高其輸出電壓，並提高相應的雷射二極體的電流和發光輸出。計數器308的值可用於確定開關轉換器的脈衝寬度。
圖4圖示一降壓開關轉換器供在雷射二極體供電電壓(Vlaser)高於施加在雷射二極體116上的電壓時使用。開關轉換器的其它拓撲還可增加一雷射二極體電壓(如果需要)。經脈衝寬度調製的驅動信號402可驅動MOS開關404的選通電路。在開關404接通時，電壓施加在感應器406的兩端，導致電流流經感應器406。當開關404關閉時，電流繼續在感應器406內流動，而電路由箝位二極體408(較佳一肖特基二極體)接通。電容器410對雷射二極體116兩端的電壓進行平滑。雷射二極體116兩端的電壓與開關404的「導通」時間成正比，且因此與驅動信號402的脈衝寬度成正比。
圖5圖示一可由諸如圖1所示裝置100以及其它裝置實施的方法500。該方法500包括1)使用多個不同顏色的雷射二極體產生(502)一混合光，2)自動將一雷射二極體產生的光測量值與一光譜基準進行比較(504)；及3)根據該比較結果自動設定(506)雷射二極體的驅動信號。
雖然本文已詳細闡述了本發明的說明性和當前較佳的實施例，但應了解，可採用其它各種方式體現和使用本發明的概念，並且應將隨附的權利要求理解為包括此等改變，除非受到現有技術的限制。
權利要求
1.一種裝置，其包括多個不同顏色的雷射二極體；若干光感測器，其相對於所述雷射二極體定位以測量由所述雷射二極體輸出的光；及控制電路，其耦合至所述雷射二極體和若干光感測器，用於將所述測量光與一光譜基準進行比較並根據所述比較結果設定所述雷射二極體的驅動信號。
2.如權利要求1所述的裝置，其中所述雷射二極體和光感測器具有一對一的對應關係。
3.如權利要求1所述的裝置，其中至少某些所述光感測器可配置用於測量來自一預定波長的二極體的光。
4.如權利要求1所述的裝置，其中至少某些所述光感測器與濾光元件相關聯，每個濾光元件限制其相應光感測器的光譜響應。
5.如權利要求1所述的裝置，其進一步包括一照明目標，其中所述雷射二極體定位通過所述照明目標來投射光，且其中至少某些光感測器定位用以測量一由i)所述雷射二極體產生的光與ii)透射穿過所述照明目標的光組合的光。
6.如權利要求1所述的裝置，其進一步包括一照明目標，其中所述雷射二極體定位以通過所述照明目標來投射光，且其中至少某些所述光感測器定位用以測量一由i)所述雷射二極體所產生的光與ii)所述照明目標反射的光組合的光。
7.如權利要求1所述的裝置，其中至少某些所述光感測器是光電二極體。
8.如權利要求1所述的裝置，其中至少某些所述光感測器是監測光電二極體，並與單獨的所述雷射二極體裝配在一起；所述裝置進一步包括過驅動保護電路，以接收來自所述光電二極體的信號，並響應所述信號限制相應雷射二極體的光子通量。
9.如權利要求8所述的裝置，其中所述控制電路自所述過驅動保護電路接收反饋，且一旦針對一給定雷射二極體觸發過驅動保護，所述控制電路修改其它雷射二極體的設定點，以作為一整體維持所述過驅動保護的和其它雷射二極體的光譜含量。
10.如權利要求1所述的裝置，其中所述控制電路通過脈衝寬度調製所述驅動信號來至少部分地設定所述雷射二極體的驅動信號。
11.如權利要求10所述的裝置，其中所述控制電路可將至少某些所述驅動信號脈衝寬度調製至第一與第二非零值之間。
12.一種裝置，其包括多個雷射二極體，其在正常運行期間產生一混合光；感測構件，其用於測量由所述雷射二極體輸出的光；及控制構件，其用於i)將所述測量光與一光譜基準進行比較，及ii)根據所述比較結果設定所述雷射二極體的驅動信號。
13.如權利要求12所述的裝置，其進一步包括一照明目標，其中所述雷射二極體定位以通過所述照明目標來投射光，且其中至少某些所述光感測器定位用以測量一由i)所述雷射二極體所產生的光與ii)透射穿過所述照明目標的光組合的光。
14.如權利要求12所述的裝置，其進一步包括一照明目標，其中所述雷射二極體定位以通過所述照明目標來投射光，且其中至少某些所述光感測器定位用以測量一由i)所述雷射二極體所產生的光與ii)所述照明目標反射的光組合的光。
15.如權利要求12所述的裝置，其中所述感測構件包括光電二極體。
16.如權利要求12所述的裝置，其中所述感測構件包括監測光電二極體，且與單獨的所述雷射二極體裝配在一起；所述裝置進一步包括過驅動保護電路，以接收來自所述光電二極體的信號，並響應所述信號限制相應雷射二極體的光子通量。
17.如權利要求16所述的裝置，其中所述控制構件自所述過驅動保護構件接收反饋，且一旦針對一給定雷射二極體觸發過驅動保護，所述控制構件修改其它雷射二極體的設定點，以作為一整體維持所述過驅動保護的和其它的雷射二極體的光譜含量。
18.如權利要求12所述的裝置，其中所述控制構件通過脈衝寬度調製所述驅動信號來至少部分地設定所述雷射二極體的驅動信號。
19.如權利要求18所述的裝置，其中所述控制構件可將至少某些所述驅動信號脈衝寬度調製至第一與第二非零值之間。
20.一種方法，其包括使用多個不同顏色的雷射二極體產生一混合光；自動將所述雷射二極體產生的一光測量值與一光譜基準進行比較；及根據所述比較結果自動設定所述雷射二極體的驅動信號。
全文摘要
在一實例性實施例中，裝置配備有多個雷射二極體、感測構件和控制構件。在正常運行期間，這些雷射二極體產生一混合光。感測構件測量該雷射二極體輸出的光；而控制構件1)將所測量的光與一光譜基準進行比較，及2)根據該比較結果設定雷射二極體的驅動信號。在一相關的和實例性方法中1)使用多個不同顏色的雷射二極體產生一混合光，2)將雷射二極體產生的光測量值與一光譜基準進行比較，及3)根據該比較結果自動設定雷射二極體的驅動信號。
文檔編號H01S5/0683GK1702584SQ20051000246
公開日2005年11月30日 申請日期2005年1月21日 優先權日2004年5月26日
發明者肯·A·西村 申請人:安捷倫科技公司