CN101904063B - 控制包括可见光源的激光投影***的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的具体实施例一般涉及半导体激光器和激光扫描***，更具体地涉及用于控制半导体激光器的方案。根据本发明的一个实施例，激光器被配置用于已编码数据的光发射。该光发射的至少一个参数是注入该半导体激光器的增益区(16)的驱动电流I增益和一个或多个附加驱动电流I/V相、I/VDBR的函数。通过向相区(14)施加与驱动电流I增益中的波长恢复部分(tB)同步的移相信号I/VΦ，以使多个腔模在每个波长恢复部分下被移动自由光谱范围的一半，可改变半导体激光器中的模式选择。以此方式，激光器的波长或强度分布中的图案化变化可被破坏，以掩饰否则在激光器的输出中容易识别的图案化缺陷。

Description

控制包括可见光源的激光投影***的方法
优先权 
本申请要求2007年11月20日提交的题为“半导体激光器的相区中的波长控制(Wavelength Control In Phase Region Of Semiconductor Lasers)”的美国专利申请No.11/986,139的优先权。 
背景技术
本发明一般涉及半导体激光器、激光器控制器、激光投影***以及包含半导体激光器的其它光学***。更具体地，本发明的某些实施例涉及用于管理半导体激光器中的激光波长变化的方案。本发明的其他实施例涉及用于使光耦合至半导体激光器的波长转换器件的输出中的***波长变化最少的方案，以及用于破坏激光投影***的扫描激光图像中的温度演变标志(signature)的方案。 
发明内容
本发明一般涉及可按照各种方式配置的半导体激光器。作为示例并且为了说明而非限制的目的，通过将诸如分布反馈式(DFB)激光器、分布式布拉格反射镜(DBR)激光器、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、垂直外腔面发射激光器(VECSEL)或法布里-珀罗激光器之类的单波长半导体激光器与诸如二次谐波产生(SHG)晶体之类的光波长转换器件组合，可将短波长源配置用于高速调制。通过将例如1060nm的DBR或DFB激光器调谐至SHG晶体的光谱中心，这将波长转换成530nm，可将SHG晶体配置成产生基波激光信号的较高次谐波。然而，诸如MgO掺杂的周期性极化铌酸锂(PPLN)之类的SHG晶体的波长转换效率极大地依赖于激光二极管与SHG器件之间的波长匹配。如熟悉激光器设计的技术人员所能理解地，DFB激光器是利用蚀刻到半导体材料中的格栅或类似结构作为反射介 质的谐振腔激光器。DBR激光器是其中蚀刻光栅与半导体激光器的电子泵浦区物理分离的激光器。SHG晶体利用非线性晶体的二次谐波发生性质来使激光辐射倍频。 
PPLN SHG器件的带宽通常非常小——对于典型的PPLN SHG波长转换器件，半最大值全带宽(FWHM)波长转换带宽仅在0.16到0.2nm范围内，且主要取决于该晶体的长度。激光器腔中的模式跳变和不受控的大波长变化会导致半导体激光器的输出波长在工作期间移出该允许带宽。一旦半导体激光器波长偏移出PPLN SHG器件的波长转换带宽，转换器件在目标波长下的输出功率就降低。例如，在激光投影***中，模式跳变尤其是个问题，因为它们会产生功率的即时变化，这些即时变化容易被视为图像中的特定位置处的缺陷。这些可视缺陷通常呈现为图像上的有组织的、图案化的图像缺陷，因为所产生的图像就是激光器的不同区域的温度演变的标志。 
已知与开发半导体激光器源时的波长匹配和稳定相关联的挑战，本发明人已经认识到用于管理半导体激光器中的激光波长变化的有利方案。本发明还认识到用于通过破坏激光器的不利温度演变标志来管理光耦合至半导体激光器的波长转换器件的输出的***波长变化的有利方案。 
本发明人已经认识到，虽然主要在DBR激光器的情境下描述了本发明的概念，但可构想的是，本文中讨论的控制方案也可用于多种类型的半导体激光器，包括但不限于DFB激光器、法布里-珀罗激光器以及许多类型的外腔激光器。还应注意的是，本发明的具体实施例一般涉及激光源中的波长稳定化，并不考虑在该激光源中是否利用了二次谐波发生。 
根据本发明的一个实施例，提供了一种控制半导体激光器的方法。根据该方法，半导体激光器的至少一个区域被调制成提供图像数据。例如但不作为限制，在激光投影的情况下，增益电流I增益可被调制成在投影图像中产生灰度级。该调制产生激光波长的一些波动，这导致投影光的变化。在相对静态图像的情境下，波长波动将逐帧重复，从而产生容易被人眼观测到的***和有组织的图像偏差。本发明的一些实施例通过在激光中利用一个或多个附加信号以使该图像偏差变得无组织从而更难被人眼检测来应 付该问题。 
根据本发明的附加实施例，提供了控制激光投影***的方法，该激光投影***包括半导体激光器和编程为执行此类方法的激光器控制器。更具体地，该方法包括产生扫描激光图像的至少一部分，并对该激光的相区施加移相信号I/VΦ，以使多个腔模在未移动状态与已移动状态之间周期性地移动，其中该未移动状态和已移动状态分隔开激光腔自由光谱范围的约一半。 
根据本发明的另一实施例，提供了一种控制激光投影***的方法，该方法包括选择纳入驱动电流I增益中的波长恢复部分周期tR，以使图像行持续时间tL不是波长恢复部分周期tR的整数倍，其中波长恢复部分不在各帧的图像行中的同一位置处出现，从而***性图像缺陷减少。 
根据本发明的另一实施例，提供了一种控制激光投影***的方法，该方法包括产生扫描激光图像的至少一部分，并将移相信号I/VΦ施加至激光器的相区，以使多个腔模在各个图像行持续时间tL开始期间或各个图像帧持续时间tF开始期间在未移动状态与已移动状态之间周期性地移动，其中未移动状态与已移动状态分隔开激光器腔自由光谱范围的约一半。 
虽然主要在成像的背景下描述本发明的概念，但可构想的是，本发明的多个概念也可应用于其中激光波长的可重复低频波动会成为问题的任何激光器应用。 
附图说明
本发明的特定实施例的以下详细描述可在结合以下附图阅读时被最好地理解，在附图中相同的结构使用相同的附图标记指示，而且在附图中： 
图1是光耦合至光波长转换器件的DBR或相似类型的半导体激光器的示意图； 
图2是根据本发明的一个实施例的激光投影***的示意图； 
图3和4示出DBR激光器中作为增益电流的函数的发射波长的演变； 
图5示出根据本发明一实施例的用于控制激光器波长的方案； 
图6是图5中所示控制方案的进一步图示； 
图7和8示出半导体激光器的腔模的热漂移； 
图9示出用于破坏半导体激光器的不利温度演变标志的方案； 
图10示出用于图9中所示方案的移相信号分布的示例。 
具体实施方式
虽然可包含本发明的具体实施例的概念的多种类型的半导体激光器的具体结构在涉及半导体激光器的设计和制造的容易获得的技术文献中有示教，但本发明的具体实施例的概念可一般地参照对图1中所示的三段DBR型半导体激光器10而方便地示出。在图1中，DBR激光器10光耦合至光波长转换器件20。半导体激光器10所发射的光束可以直接耦合到波长转换装置20的波导中，或可通过校准和聚焦光学装置或某些合适类型的光学元件或光学***耦合。波长转换装置20将入射光转换成高次谐波并输出经转换的信号。这种类型的配置在从较长波长的半导体激光器产生较短波长的激光束时尤其有用，而且可用作例如激光投影***的可见激光源。 
在激光投影***的情境下，扫描激光图像通过在由单个像素组成的图像线上扫描可见光的输出光束而产生。各个图像线和像素分别由持续时间tL和tP、图像线产生频率和图像像素产生频率表征。多个图像线组成一图像帧。具有持续时间tF和图像帧产生频率的这些图像帧然后以期望频率重复，以产生由观看者观测到的扫描激光图像。 
图1中示意性示出的DBR激光器10包括波长选择区12、相区14以及增益区16。可称作激光器10的DBR区域的波长选择区12通常包括定位于激光器腔的有源区外部的一阶或二阶布拉格光栅。该区域提供波长选择，因为光栅起反射镜的作用，其反射系数取决于波长。DBR激光器10的增益区16提供激光器的主要光增益，而相区14在增益区16的增益材料和波长选择区12的反射材料之间产生可调相移。至于DBR区，相区是无源的，因为它不向激光器10提供增益。向相区注入信号的效果是移动激光腔模的波长。可按照采用或不采用布拉格光栅的多种合适的替换配置设置波长选择区12。 
微控制器30控制注入激光器10的相应区12、14以及16的电流。所 注入的电流可用于例如通过控制激光器的一个或多个区的温度、向激光器衬底中限定的导电掺杂的半导体区注入电流、控制激光器10的波长选择和相区12、14的折射率、控制该激光器的增益区16中的光学增益等来改变该激光器的操作性质。可通过向半导体结注入电流、通过向该结施加反向电压或通过利用位于波导附近的加热器来解决DBR部分。 
图1中所示的波长转换器件20的波长转换效率取决于半导体激光器10与波长转换器件20之间的波长匹配。当激光器10的输出波长偏离波长转换器件20的波长转换带宽时，波长转换器件20中所产生的高次谐波光波的输出功率急剧降低。例如，当半导体激光器被调制以产生数据时，热负载恒定地变化。由此产生的激光器温度和激射波长的变化产生SHG晶体20的效率的变化。在12mm长的PPLN SHG器件形式的波长转换器件20的情况下，半导体激光器10中约2℃的温度变化通常足以使激光器10的输出波长在波长转换器件20的0.16nm的半最大值全带宽(FWHM)波长转换带宽之外。当调制该激光器以产生有用信号时，该激光器遭受快速热负荷变化，这将产生快速波长波动。本发明的具体实施例通过将激光器波长变化限制为可接受的水平来解决该问题。 
本发明人已经认识到稳定半导体激光器的发射波长时的挑战，因为它们普遍遭受波长漂移和相关联的腔模跳变。作为示例而非限制，图3示出了DBR激光器中作为增益电流的函数的发射波长的演变。当增益电流增大时，增益区的温度也升高。因此，腔模向更高的波长移动。腔模的波长比DBR区的波长移动更快。因此，激光器到达较低波长的腔模更接近DBR反射率曲线的最大值的点。在该点处，较低波长的模式比根据激光物理学的基本原理建立的模式的损耗更低，从而激光器自动跳至具有较低损耗的模式。该行为在图3的曲线100上示出。如图3所示，该波长缓慢增大，且包括幅值等于激光腔的一个自由光谱范围的突然模式跳变。 
图7和8示出由移动腔模引起的两种可能的极端情形。当调制增益区时，对激光器施加的热负载随着时间恒定变化。因此，该激光器的腔模恒定移动，波长波动的幅值和方向成为对激光器施加的信号的函数。另一方面，DBR光谱曲线相对稳定，因为与由增益区电流引起的DBR加热对应 的增益区到DBR区的串扰通常是相对较慢的现象。因此，在单帧期间，DBR光谱曲线不移动，而腔模恒定移动。 
图7示出腔模105、106基本位于DBR曲线103的中心的情形。该DBR曲线103在最优工作条件下基本位于PPLN曲线104的中心。腔模被表示为一系列垂直线，其中对准腔模105位于DBR曲线103的中心，而未对准腔模104未处于DBR曲线103的中心。对准的腔模105是具有最低腔损耗的腔模，因此它是在调制激光时优选的腔模。在激光投影***的情境下，因为对准模式位于PPLN曲线的中心上，所以它将对应于该图像中的最亮区域。 
图8示出对应于激光投影***所产生的图像中的较暗区域的情形。DBR曲线103也基本位于PPLN曲线104的中心。然而，这些腔模现被移动激光自由光谱范围的一半，如图8中的箭头所示。在这种情况下，这些腔模相对于DBR曲线对称。因此，每当激光器被调制时，与DBR最大值最靠近的两个腔模105被选择的可能性相同，而其他模式106被选择的可能性非常小。因此，该情况将对应于图像中的较暗区域，因为不论随机选择了哪个模式，激光器波长都不再位于PPLN曲线104的中心。 
虽然本发明不限于波长变化和突然模式跳变的任何具体显示，但在激光投影***的情境下，这些波长波动会产生平滑的强度变化，而且模式跳变会在通过扫描激光产生的图像中产生相对突然的强度移动。由这些缺陷在图像中产生的特定图案会是多个因子的函数，这多个因子包括但不限于激光器温度、激光自由光谱范围、PPLN晶体光谱带通、激光器DBR相对于PPLN晶体的光谱对准等。不论缺陷图案的本质如何，图案本身会在图像中呈现问题，因为它在图像中呈现容易识别的***化结构。 
当调制激光器增益区时，腔模在图7和8的两种极端情况下连续演变，从而在图像中产生较亮和较暗的区域。所得图像缺陷的形状和位置是可重复的，因为这些缺陷是激光的热漂移的结果，其拥有具有多个时间常数的指数函数。例如，在准静态图像中，当内容从一帧到另一帧变化不大时，激光器对于各帧加热的方式是完全可重复的。其结果是图像缺陷将逐帧重复，从而使在图像中非常容易识别这些缺陷。 
如下文详细描述的那样，通过对半导体激光器的相区施加移相信号，可使该本质的图像缺陷更难检测。作为示例而非限制，如果相位信号对所产生的各帧保持恒定，但逐帧变化，则其结果将是各个单帧将具有缺陷图案，但该图案的性质即该图案中的暗区和亮区的位置将逐帧变化。因此，肉眼将在时间上将所有图像整合到一起，从而难以检测到任何***性的缺陷。作为另一示例，本发明还构想改变每个图像线或像素的相位信号。因此，有组织的***性图像缺陷被破坏，这使肉眼识别任一图像缺陷要困难得多。 
还构想施加至激光器的控制信号可完全随机或以一些更精细的功能呈现。例如，控制信号可被注入激光器的相区和/或DBR区中，以使它对应于激光光谱范围的一半，从而有效地倒置图像缺陷的形状。如上所述，该倒置可逐帧、逐行或逐像素引入。 
进一步参照图3，曲线101示出了DBR激光器中的显著不同的发射行为。具体而言，具有与参照曲线100示出的激光器相同的一般制造参数的激光器可呈现显著不同的行为，其不同之处在于，代替具有一个激光自由光谱范围的幅值的模式跳变，该激光器将呈现具有多达六个或更多自由光谱范围幅值。对于许多应用，该大的突然波长变化可能无法接受。例如，在激光投影***的情况下，这些大跳变会引起图像中从标准灰度值到接近零的值的突然强度跳变。本发明人已经调查了该现象以及激光器中的波长不稳定性和迟滞，并注意到这些激光发射缺陷可归因于多个因素中的一个或多个，包括空间烧孔、光谱烧孔、增益谱展宽以及自诱导布拉格光栅。构想这些因素可能锁定激光器腔中已建立的特定腔模上的激射，或促使较大的模式跳变。实际上，看起来一旦模式建立，腔内特定波长的光子通过耗尽特定能级的载流子密度或通过在腔内产生自诱导布拉格光栅可干扰激光器自身。 
图4的曲线102示出了特定模式跳变行为的另一种情况。在所示情况中，发射波长是不稳定的，因为它包括可归因于位于激光器外部的部件的背射，即称为外腔效应的现象。在该外腔效应的情况下，外反射产生干扰激光器腔的寄生法布里-珀罗腔，且能产生非常大幅值的模式跳变。不管 半导体激光器中的不可接受的波长漂移的起源为何，本发明的具体实施例涉及管理激光器的波长波动。 
本发明人已经认识到图3和4中所示的大波长波动和相关联的模式跳变效应至少部分地取决于激光器腔中的光子密度，而且在具有显著的外腔效应时会被放大。本发明人还认识到激射波长可能跳跃一个以上模式，而且该多模跳变可全部或部分归因于光谱和空间烧孔以及诸如外腔效应之类的其他激射现象。 
不论半导体激光器中的多模漂移的起因为何，当该现象出现时，激射波长通常显示出等于腔模间距倍数的异常波长跳跃。在大模式跳变出现之前，激光器通常显示出大的连续波长漂移。较大的波长漂移和异常波长跳跃会在激光信号中引起不可接受的噪声。例如，如果作为如图2示意性示出示例的该现象在激光投影***中***地发生，则投影图像中的噪声将容易对人眼可见。 
如上所述，本发明的具体实施例一般涉及半导体激光器驱动电流包括驱动部分和波长恢复部分的控制方案。图5和6示出用于控制单模激光信号中的波长的方案，其中驱动部分包括作为电流注入半导体激光器的增益区的数据部分。因此，在所示实施例中，该驱动电流包括相应的数据部分A和波长恢复部分B。具体参照图5，可通过取激光数据信号与适当配置的波长恢复信号的乘积来引入驱动电流或增益注入电流的这些部分。作为示例而非限制，该激光数据信号可携带用于激光投影***中的投影的图像数据。如图6所示，该波长恢复信号被配置为使增益区驱动电流即增益注入电流的数据部分包括相对长驱动持续时间tD的相对高驱动幅值ID，而该驱动电流的波长恢复部分包括相对短恢复持续时间tR的相对低恢复幅值IR。该数据部分的相对高驱动幅值ID足以在激光腔内在激射模式λ0下激射。该驱动电流的波长恢复部分的相对低恢复幅值IR与驱动幅值ID不同，且在图6中示为比驱动幅值ID低ΔI。该相对低恢复幅值IR可能为零，或接近或小于将重置激光器的激光器阈值。 
增益区驱动电流的数据部分的驱动幅值ID和持续时间tD用于产生具有适当功率和波长的光学信号，该功率和波长当然取决于将使用该激光器的 具体应用。该恢复幅值IR和恢复持续时间tR足以降低激光器腔的至少一部分中的光子密度。通过将光子密度降低至较低值——在很多情况下接近零，诸如光谱烧孔、空间烧孔、增益谱展宽或自诱导布拉格光栅之类的引起大波长漂移的多种现象消失。因此，当大电流在恢复周期末端重新注入增益区时，激光器自动选择最靠近DBR反射率曲线最大值的诸模式中的模式。因此，波长波动可被限制为一个激光自由光谱范围，且多腔模跳变被消除或至少显著减少。所得的包括数据部分和波长恢复部分的增益区驱动电流可用于使波长漂移最小化，并使激光器的时间平均激光振荡光学带宽变窄。 
换言之，该增益区驱动电流的数据部分的驱动幅值ID和持续时间tD提高了激射波长将承受不可接受的漂移(作为示例而非限制，超过0.05nm的波长变化)的概率。增益区驱动电流的密度恢复部分的相对低恢复幅值IR仿效驱动电流的数据部分，且降低不可接受的波长漂移的概率。如果该驱动电流的恢复部分具有足够高的发生频率，则激射腔模在积累大波长漂移并选择新腔模之前被停止，从而减少了大波长漂移。 
在包括例如倍频PPLN绿色激光的激光投影***的情境下，在没有根据本发明的波长控制的情况下，激光器在图像显示的单行上发射的绿色功率将因为多腔模跳变而呈现突然的功率变化。因此，投影的图像将具有50％或更高幅值量级的突然功率降低。然而，采用根据本发明的具体实施例的其中驱动信号对每个像素改变(例如通常每40ns)的波长控制方案，可构想激光功率的非期望降低将显著减轻。例如，在本发明的实施例的一个执行中，图像中的残余噪声标准差在恢复幅值IR设定为接近零、恢复持续时间tR约为10纳秒以及驱动持续时间tD约为40纳秒的情况下为8％量级。该图像还被观测到具有相对高空间频率的缺陷，该缺陷通常不容易被裸眼看到。 
虽然恢复幅值IR可能为零，但它也可以是足以消除多腔模跳变的起源或改善激光器的波长行为的任何值。增益区驱动电流的恢复幅值IR将小于驱动幅值ID，且可显著大于零。该相对高驱动幅值ID可能基本连续但密度经常变化，尤其当半导体激光器被纳入激光投影***中时，如下文进一步详细描述的那样。 
在激光器被配置用于编码数据的光发射的情况下，代表已编码数据的数据信号被施加至该激光器。作为示例而非限制，该数据信号可被纳入作为注入激光器的增益区的驱动信号的强度或脉宽调制数据部分。本发明的具体实施例的波长恢复操作的执行至少部分地与数据信号中编码的数据无关。例如，在驱动电流被注入激光器的增益区的情况下，其驱动部分可被强度调制以编码数据。该驱动电流的波长恢复部分被叠加在该驱动电流上，而与已编码数据无关。类似地，在驱动部分被脉宽调制以编码数据的情况下，该驱动电流的波长恢复部分也将被叠加在驱动电流上。 
上述叠加可与已编码数据完全无关，或可仅在代表已编码数据的驱动电流的强度或脉宽的持续时间到达阈值时施加，在这种情况下它可能与已编码数据部分相关。然而，一旦叠加，波长恢复部分的无关程度将需要足以确保可获得足够的波长恢复。换言之，驱动电流的波长恢复部分在数据信号可能阻止波长恢复的情况下应当支配驱动电流。例如，在脉宽调制数据信号的情境下，可构想相对短和高幅值的脉宽可能不需要波长恢复。然而，在已编码数据包括相对长、高幅值脉宽的情况下，驱动操作和波长恢复操作所限定的占空比应当足以限制高幅值脉宽的最大持续时间，以确保在观测到不可接受的波长漂移之前能实现波长恢复。例如，可能优选确保脉宽的最大持续时间不能超过驱动操作和波长恢复操作所限定的占空比的持续时间的约90％。此外，在脉宽调制数据的情境下，应当小心地确保波长恢复部分的恢复幅值IR小于半导体激光器的阈值激射电流，或充分低以恢复波长。 
还应注意波长恢复信号不需要以规则的周期性的形式实现。相反，该恢复信号可按需施加。例如，如果检测到超过可接受值(例如一个以上腔模间距)的波长漂移，则通过在驱动电流上叠加波长恢复信号从而迫使激光器选择新波长，可实现波长恢复操作。 
就恢复周期的频率而言，它一般需要足够频繁以将两个恢复周期之间的波长变化限制为可接受的幅值。理想频率和途径取决于与利用激光器的应用相关联的具体需求。此外，通过以与电子电路和激光器速度兼容的最高可能频率执行恢复，图像中的任何噪声将以较高空间频率出现，从而使 该噪声更难以检测。 
作为示例，对激光投影而言，可能优选随机开始恢复周期或使恢复周期与图像像素产生同步，以避免数据内容即图像与恢复信号之间的任何混叠问题。通过确保恢复周期不会在各个图像行中的同一位置处出现而是在不同位置出现，随机开始恢复周期将阻止在行间出现周期性图像缺陷。 
在另一示例中，通过选择恢复周期以使图像行的持续时间不是恢复周期的整数倍，或换言之使恢复以不是行频率的整数倍的频率出现，可防止在各帧的行中的同一位置处出现因恢复周期引起的周期性图像缺陷。这将能确保恢复周期始终在变化的位置处出现，从而使人员难以检测到该图像缺陷。 
参照图2中示意性示出的激光投影***，可注意到，根据本发明的具体实施例的驱动电流控制方案可在该***中以多种形式执行。作为示例而非限制，通过在投影软件和电子电路的渲染期间将该驱动电流的波长恢复部分整合到视频信号中，可执行该驱动电流的波长恢复部分。在这种方法中，不论源图像所要求的强度如何，分布于该图像中的像素都可被波长恢复信号改变。该中断的频率应被选择成使其对人眼以及感知的光功率的影响最少。或者，该驱动信号的波长恢复部分可被整合到激光器驱动电子电路中。在这种方法中，从图像流中推导出的驱动信号在电流缩放之前会被波长恢复信号周期性地超驰。同样，该中断的频率和占空比应被选择成使其对人眼以及感知的光功率的影响最少。作为另一替代方案，与所需强度水平无关，对激光器的驱动电流可周期性地被分路或以其它方式降低，以减小或修改驱动电流。 
可构想，图5和6示出了可用于降低单模激光信号中的噪声的激光操作方案。此外，图5和6的方案可用于结合有一个或多个单模激光器的***。例如，如下文进一步详细描述地，构想图5和6的方案可用于结合有一个或多个单模激光器的扫描激光投影***。还应注意，本文对单模激光器或配置成单模光发射的激光器的引用不应当被理解为将本发明的范围限制为仅工作于单模的激光器。相反，对单模激光器或配置成单模光发射的激光器的引用应当仅理解为，根据本发明的具体实施例构想的激光器将以 其中宽或窄带宽的单模可分辨的输出光谱为特征，或以通过适当的滤波或其他手段容易从其中区分单模的输出光谱为特征。 
构想驱动持续时间tD和恢复持续时间tR的相对大小应当被控制以保持激光效率的最优程度，同时确保足够的波长恢复。例如，根据本发明的一个方面，驱动信号的占空比的至少约80％被驱动持续时间tD占据，而驱动信号的占空比的少于约20％被恢复持续时间tR占据。在许多实例中，确保恢复持续时间tR小于约10ns、可能短于约5ns就足够。此外，可构想其中驱动信号的占空比的至少约95％被驱动持续时间tD占据、而该占空比的少于约5％被恢复持续时间tR占据的控制方案。在其中控制驱动信号的电路的反应充分迅速的情况下，可构想其中驱动信号的占空比的至少约97.5％被驱动持续时间tD占据、而该占空比的至少约2.5％被恢复持续时间tR占据的适当控制方案。 
当在激光投影***的情境下建立驱动持续时间tD和恢复持续时间tR的相应值时，需要考虑附加事项。例如而非限制，图2中所示的激光投影***包括产生单色或多色图像数据流的图像源S、用于为各个原始图像颜色产生激光驱动信号D的图像投影软件和相关联的电子器件S/E、为配置成产生各个原始图像颜色的各个激光器产生相应的激光器驱动电流的激光器驱动LD、以及用于产生包括图像像素阵列的单色或多色投影图像I的扫描和投影光学器件O。这种或其他类型的扫描激光图像投影***中的各个图像像素以有效像素持续时间tP为特征。作为示例而非限制，该图像中的像素的有效像素持续时间可以是40纳秒或更短。一般而言，该恢复持续时间tR将短于像素持续时间tP。优选地，该恢复持续时间tR将至少比像素持续时间tP短50％。反之，根据***设计者的偏好，该驱动持续时间tD可能大于、小于或等于像素持续时间tP。 
本领域技术人员将认识到，有效像素持续时间可能因扫描速度变化而在图像上适度地或周期性地变化。因此，对“以有效像素持续时间为特征”的投影***的引用不应理解为表示图像中的各个像素具有同样的像素持续时间。相反，可构想显示中的各个像素可能具有不同的像素持续时间，这些像素持续时间均属于以有效像素持续时间tP为特征的显示的一般概念。 
通过配置图像投影电子电路和相应的激光驱动电流来建立在图像像素阵列上变化的像素强度，该图像投影***可产生多色调图像。在这种情况下，驱动电流的波长恢复部分叠加在编码变化的像素强度的信号上。有关扫描激光图像投影***的配置以及在图像上产生变化的像素强度的方式的进一步细节超出了本发明的范围，并可从针对该主题的多个容易获得的示教中收集。 
本发明人已经认识到半导体激光器通常呈现温度演变标志，该温度演变标志会在激光器的输出和耦合至该激光器的波长转换器件的输出中产生不利的图案化。该不利的图案化会在上述激光投影***的情境下产生严重的问题。因此，本发明还构想用于破坏半导体激光器的温度演变标志或者以其它方式控制半导体激光器的激射波长的相变方案。 
参照图1和9，应注意本发明的一个实施例利用移相信号I/VΦ来修改用于控制半导体激光器10的相区14的驱动信号I/V相，该半导体激光器10包括例如波长选择区12、相区14以及增益区16。如图9所示，驱动信号I/V相的修改可利用乘法、除法、加法或它们的组合来执行，但构想任何合适的算法或修改过程可结合移相信号I/VΦ来使用。根据半导体激光器的结构，该移相信号I/VΦ和驱动信号I/V相可以是基于电压或电流的控制信号，而且可利用与相区14热连通的微加热器经由到相区14的直接电流注入或通过对相区14施加合适的电压而施加至半导体激光器10的相区14。 
一般而言，移相信号I/VΦ被选择成破坏半导体激光器的光发射中的***性波长变化。更具体地，移相信号I/VΦ通过将激光的相位从未移动状态移动自由光谱范围的一半变为已移动状态来破坏***性波长变化，从而改变半导体激光器10中的模式选择。例如，在显示了静态图像的激光投影***中，相移可用于破坏图像中的***性图像缺陷。更具体地，如果存在对应于图7情形的图像的一个像素，则腔模位于PPLN曲线的中心，且该像素最亮。然而，如果相在显示下一帧时被移动自由光谱范围的一半，则对应于图7情形的所有亮像素变成对应于图8情形的较暗像素。因此，通过逐帧将相改变自由光谱范围的一半，就可显示具有给定较亮伪像的图像，其后是具有互补的较暗伪像的图像。当在时间上取平均时，则该缺陷消失。 该原理可逐帧、逐行或逐像素地应用。 
当利用本文所描述的RZ调制技术时，在许多实例中，每当激光器被重置时激光腔模获得选择，且激光波长在两次重置操作之间保持变化而无模式跳变。因此，虽然上述相移方法通常逐帧、逐行或逐像素地执行，但可构想利用激光重置操作来同步移相信号也是有利的。 
图10示出根据本发明的一个实施例与波长恢复部分同步的作为方波的移相信号I/VΦ。移相信号I/VΦ的幅值分布包括多个模式移动部分C和基相控制部分D。驱动电流I增益包括在时间上***数据部分A之间的波长恢复部分B。该波长恢复部分可按如图10所示的波长恢复频率出现，或可在时间上随机出现。根据本发明的一个实施例，移相信号I/VΦ以波长恢复频率的一半与波长恢复部分B同步。更具体地，移相信号I/VΦ在驱动电流I 增益中的多个波长恢复部分A中的一个期间在模式移动部分C与基相控制部分D之间转换。该技术确保各个较亮像素之后为较暗像素，藉此使图像伪像在空间上取平均从而消失。虽然图10示出了以确定频率出现的波长恢复部分，但可构想该波长恢复部分可在时间上随机出现。或者，移相信号I/VΦ可与波长恢复部分无关地在诸如各个图像行持续时间tL或各个图像帧持续时间tF之前、期间或之后转换。 
模式移动部分C的幅值大于基相控制部分D的幅值，且被配置成使模式移动部分C在波长恢复部分期间将腔模移动激光器的自由光谱范围的一半。反之，基相控制信号D的幅值被配置成使腔模以自然状态保持，或在模式移动部分C之后的波长恢复部分期间移回自然状态。 
通过将方波调制添加到腔模的热漂移，模式选择得以修改。腔模通过加或减激光器的自由光谱范围的一半而来回移动。因此，位于中心且对准的腔模(图7)或对称腔模(图8)所产生的图像缺陷得以避免，因为这些腔模在各个波长恢复部分下在两种情况之间移动。换言之，这些腔模来回移动，从而防止极端情况在随后的数据部分中发生。这导致破坏***性图像缺陷的抖动，且人眼难以检测。 
作为示例而非限制，当这些腔模靠近DBR波长时，波长在最高功率(腔模在DBR曲线上对准)与最低功率(腔模失准自由光谱范围的一半)之间 振荡。因此，在两个毗邻像素上取平均的功率波动得以降低，且任何图像缺陷更难检测。本发明人已经发现，像素之间的功率波动从8％降至2％。此外，当使用本发明的一些实施例时，作为对许多相同图像帧上的图像的各个像素计算的标准差的图像噪声被发现约为7％。本发明的另一优点是激光器的电能转换效率被提高。通过向相区发送方波信号而不是提供高电流注入，施加至相区的功率降低。作为示例和说明而非限制，本发明的一个实施例仅需要90mW的功率进入相区。 
虽然已经参照基于像素的投影***描述了本发明，但可构想诸如基于空间光调制器的***(包括数字光处理(DLP)、透射型LCD以及硅上液晶(LCOS))之类的包含基于激光器的光源的其它投影***也能从本文中描述的波长稳定和扰动技术中获益。在这些其他***中，激光器外生的相关周期不是像素周期，而是屏幕刷新率的倒数或分数。在这些情况下，对激光器的输入信号将由已编码数据周期tP表征，而驱动电流将被配置成使波长恢复部分的恢复持续时间tR小于已编码数据周期tP。 
在本申请中通篇引用了各种类型的电流。为了描述和限定本发明，应注意这样的电流指代电流。此外，为了限定和描述本发明，应注意本文中引用“控制”电流不一定意味着主动控制电流或因变于任意基准值控制电流。相反，可构想可仅通过建立电流大小来控制电流。 
可以理解，本发明的以上详细描述旨在提供用于理解所要求保护的本发明的本质和特性的概观或框架。对本领域的技术人员显而易见的是，可在不背离本发明的精神和范围的情况下对本发明作出各种修改和变化。因而，本发明旨在涵盖本发明的所有这些修改和变型，只要它们落在所附权利要求书及其等价技术方案的范围中即可。 
例如，虽然本文中所描述的控制方案涉及在施加给半导体激光器的增益区或波长选择DBR区的驱动电流中纳入波长恢复部分，但构想在激光操作方案中纳入波长恢复操作的方法不限于仅施加至激光器的这些部分的驱动电流。作为示例而非限制，该激光器可包括恢复部分，该恢复部分被配置成当对该恢复部分施加恢复信号时其吸收光子。在这种情况下，该恢复部分可用于按照与本文所述的用于增益和DBR区的方式相似的方式按需降 低光子密度。 
注意，类似“优选”、“普遍”和“通常”之类的术语在本文中采用时不旨在限制要求保护的本发明的范围或者暗示某些特征是关键性的、必要的、或甚至对要求保护的本发明的结构或功能而言重要。相反，这些术语仅旨在突出在本发明的具体实施例中可采用或可不采用的替换的或附加的特征。此外，应注意对值、参数或变量为另一值、参数或变量的“函数”的引用应当被理解为表示该值、参数或变量是一个且仅一个值、参数或变量的函数。 
为了描述和定义本发明，注意在本文中采用术语“显著地”来表示可归因于任何数量的比较、值、测量、或其它表示的固有不确定程度。本文中还使用了术语“显著”以表示例如“显著大于零”的量化表示与例如“零”的陈述基准相差的程度，而且应当被解释为要求该量化表示与陈述基准相差容易辨别的量。 

Claims (5)

1.一种控制包括可见光源的激光投影***的方法，其中所述可见光源包括半导体激光器和波长转换器件，所述方法包括：
通过配置所述半导体激光器以用于已编码图像数据的光发射并在多个图像像素或已编码数据周期上扫描所述可见光源的输出光束而产生扫描激光图像的至少一部分，所述半导体激光器包括增益区、相区以及波长选择区；
对所述半导体激光器的所述相区施加移相信号I/VΦ，以使多个腔模在未移动状态与已移动状态之间周期性地移动，其中所述未移动状态与所述已移动状态分隔开所述激光器腔自由光谱范围的约一半；以及
向所述半导体激光器的增益区中施加驱动信号I增益，所述驱动信号I增益包括多个数据部分和在时间上***相应数据部分之间的相应波长恢复部分，其中所述数据部分包括相应的驱动幅值ID和驱动持续时间tD，所述波长恢复部分包括与所述数据部分的所述驱动幅值ID不同的恢复幅值IR，以及小于所述数据部分的所述驱动持续时间tD的恢复持续时间tR。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述移相信号I/VΦ以约等于或低于所述激光投影***所限定的图像像素产生频率的频率移动所述腔模。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述移相信号I/VΦ被施加至所述相区，以使所述相区在模式移动部分与基相控制部分之间交替；以及
所述模式移动部分和所述基相控制部分各自的幅值被选择成使所述模式移动部分和所述基相控制部分使所述半导体激光器中的模式选择在对准发射模式与两个失准发射模式中的一个之间改变，其中所述对准发射模式与所述分布式布拉格反射镜波长大致对准，而所述两个失准发射模式相对于所述分布式布拉格反射镜波长失准所述半导体激光器的所述自由光谱范围的约一半。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述波长恢复部分被发起，以使所述波长恢复部分在由所述激光投影***所限定的图像行集合中的不同位置处出现。
5.一种控制包括可见光源的激光投影***的方法，其中所述可见光源包括半导体激光器和波长转换器件，所述方法包括：
通过配置所述半导体激光器以用于已编码图像数据的光发射并在多个图像像素或已编码数据周期上扫描所述可见光源的输出光束而产生扫描激光图像的至少一部分，所述半导体激光器包括增益区、相区以及波长选择区；以及
向所述半导体激光器的增益区中施加驱动信号I增益，所述驱动信号I增益包括多个数据部分和在时间上***相应数据部分之间的相应波长恢复部分，其中
所述数据部分包括相应的驱动幅值ID和驱动持续时间tD，
所述波长恢复部分包括与所述数据部分的所述驱动幅值ID不同的恢复幅值IR，以及小于所述数据部分的所述驱动持续时间tD的恢复持续时间tR，以及
所述波长恢复部分被发起，以使所述波长恢复部分在由所述激光投影***所限定的图像行集合中的不同位置处出现。
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