(57)【要約】  レーザ駆動制御装置は、温度感受性レーザの温度依存作用を補償する。レーザの温度変動は、可変パルス出力に基づき測定および／または予測することができる。制御装置は、温度を維持する、および／または温度変動を補償するためにレーザを駆動することができる。該技術は、レーザスキャナ、走査ビームディスプレイ、レーザプリンタ、レーザカメラ、走査ビーム撮像装置などに適用することができる。  【選択図】  図５
2009505406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザパルス履歴を受信し保持するように動作可能なメモリと、
画素値を受信するように動作可能なビデオインタフェースと、
デジタル−アナログコンバータと、
デジタル−アナログコンバータに結合されるレーザ駆動装置と、
レーザ駆動装置に結合されるレーザと、
ビデオインタフェース、メモリ、およびデジタル−アナログコンバータに結合されるプロセッサと、
を備えるレーザ制御装置であって、
プロセッサがビデオインタフェースから画素値を受信し、
メモリからレーザパルス履歴を読取り、
レーザパルス履歴と画素値の関数として、レージングおよび非レージング部を含むレーザパルススケジュールを作製し、
デジタル−アナログコンバータにレーザパルススケジュールを書込み、
画素値をメモリに書き込んでレーザパルス履歴を更新する
ように動作可能であることを特徴とするレーザ制御装置。
【請求項２】
レーザパルススケジュールの非レージング部がレーザのレージング閾値未満の値を含むことを特徴とする、請求項１のレーザ制御装置。
【請求項３】
レーザパルススケジュールの非レージング部がレーザの応答時間より短いオンパルスを含むことを特徴とする、請求項１のレーザ制御装置。
【請求項４】
レーザパルススケジュールの非レージング部がレーザのロールオーバ閾値を超える値を含むことを特徴とする、請求項１のレーザ制御装置。
【請求項５】
レーザが周期的視界を有し、レーザパルススケジュールの非レージング部が、レーザの視界外にあるように時間を合わせるレーザパルスを含むことを特徴とする、請求項１のレーザ制御装置。
【請求項６】
レーザが非レージング電流路を含み、レーザパルススケジュールの非レージング部が非レージング電流路に電流を供給するように構成されることを特徴とする、請求項１のレーザ制御装置。
【請求項７】
レーザがＳＨＧレーザを含むことを特徴とする、請求項１のレーザ制御装置。
【請求項８】
レーザパルススケジュールの非レージング部が、レーザの温度を略一定に維持するように選択されることを特徴とする、請求項１のレーザ制御装置。
【請求項９】
レーザが複数のモードによって特徴付けられ、レーザパルススケジュールの非レージング部が複数のモードのうちの１つを維持するように選択されることを特徴とする、請求項１のレーザ制御装置。
【請求項１０】
ビデオインタフェースから受信した画素値が未来の画素値を含むことを更に備えることを特徴とする、請求項１のレーザ制御装置。
【請求項１１】
レーザビーム放射の所望のパターンに対応する第１のレーザ装置変調パターンを受信するステップと、
レーザビーム放射の所望のパターンとレーザ装置パワー放散の所望のパターンとに対応する第２のレーザ装置変調パターンを第１のレーザ装置変調パターンから決定するステップと、
第２のレーザ装置変調パターンを出力するステップと、
を備えることを特徴とする、レーザ制御方法。
【請求項１２】
第２のレーザ装置変調パターンがレーザキャビティ変調パターンおよびレーザヒータ変調パターンを含むことを特徴とする、請求項１１のレーザ制御方法。
【請求項１３】
第２のレーザ装置変調パターンが、レージング閾値電圧を超える変調パターンと変調パターンとレージング閾値電圧未満の変調パターンとを含むことを特徴とする、請求項１１のレーザ制御方法。
【請求項１４】
第２のレーザ装置変調パターンが、ロールオーバ電圧未満の変調パターンとロールオーバ電圧を超える変調パターンを含むことを特徴とする、請求項１１のレーザ制御方法。
【請求項１５】
第２のレーザ装置変調パターンが、視界内のレーザ放射に対応するパターンと視界外のパワー放散に対応するパターンを含むことを特徴とする、請求項１１のレーザ制御方法。
【請求項１６】
視界外のパワー放散に対応するパターンが、視界外のレーザ放射パターンにも少なくとも部分的に対応することを特徴とする、請求項１５のレーザ制御方法。
【請求項１７】
照射および熱補償パルスを含むレーザ通電信号を出力するように動作可能なレーザ制御装置と、
制御装置に結合され、通電信号を受信し、照射パルスを受信する際に光線を応答可能に発し、補償パルスを受信する際に加熱されるように動作可能なＳＨＧレーザと、
を備えることを特徴とする、可変出力レーザシステム。
【請求項１８】
ＳＨＧレーザはレージング閾値電流により特徴付けられ、熱補償パルスがレージング閾値電流より少ない部分を含むことを特徴とする、請求項１７の可変出力レーザシステム。
【請求項１９】
ＳＨＧレーザが応答時間により特徴付けられ、熱補償パルスが応答時間より短い持続時間を有する駆動部を含むことを特徴とする、請求項１７の可変出力レーザシステム。
【請求項２０】
ＳＨＧレーザがロールオーバ電流により特徴付けられ、熱補償パルスがロールオーバ電流よりも大きな部分を含むことを特徴とする、請求項１７の可変出力レーザシステム。
【請求項２１】
周期的パターンで視界全体で光線を走査するように動作可能なビームディレクタをさらに含むことを特徴とする、請求項１７の可変出力レーザシステム。
【請求項２２】
光線が視界外にあるとき、補償パルスが時間に対応することを特徴とする、請求項２１の可変出力レーザシステム。
【請求項２３】
映像源に結合するために構成され、レーザ制御装置に結合されるインタフェースをさらに備えることを特徴とする、請求項２１の可変出力レーザシステム。
【請求項２４】
光線が照射パルスに応答して発せられる点が、照射される画素に対応することを特徴とする、請求項２３の可変出力レーザシステム。
【請求項２５】
視界から後方散乱される発光を受領するように動作可能な光検出器と、受領した後方散乱光から画像を組み立てるように動作可能なデコーダとをさらに備えることを特徴とする、請求項２４の可変出力レーザシステム。
【請求項２６】
照射パルスが可視映像に対応することを特徴とする、請求項２４の可変出力レーザシステム。
【請求項２７】
視界内に光導電体をさらに備え、照射パルスが、光導電体上に形成することのできる潜像の画素に対応することを特徴とする、請求項２４の可変出力レーザシステム。
【請求項２８】
照射および熱補償パルスを含むレーザ通電信号をレーザ制御装置から出力するステップと、
ＳＨＧレーザに通電信号を受信し、照射パルスを受信する際に応答可能に光線を発し、補償パルスを受信する際に加熱されるステップと、
を備えることを特徴とする、可変出力レーザビーム生成方法。
【請求項２９】
ＳＨＧレーザがレージング閾値電流により特徴付けられ、熱補償パルスがレージング閾値電流より少ない部分を含むことを特徴とする、請求項２８の可変出力レーザビーム生成方法。
【請求項３０】
ＳＨＧレーザが応答時間により特徴付けられ、熱補償パルスが応答時間より短い持続時間を有する駆動部を含むことを特徴とする、請求項２８の可変出力レーザビーム生成方法。
【請求項３１】
ＳＨＧレーザがロールオーバ電流により特徴付けられ、熱補償パルスがロールオーバ電流より大きな部分を含むことを特徴とする、請求項２８の可変出力レーザビーム生成方法。
【請求項３２】
ビームディレクタで光線を受信し、周期的パターンにおける視界全体で光線を走査するステップをさらに備えることを特徴とする、請求項２８の可変出力レーザビーム生成方法。
【請求項３３】
光線が視界外にあるとき、補償パルスが時間に対応することを特徴とする、請求項３２の可変出力レーザビーム生成方法。
【請求項３４】
レーザ制御装置に結合されるインタフェースを介して映像源から映像信号を受信するステップをさらに備えることを特徴とする、請求項３２の可変出力レーザビーム生成方法。
【請求項３５】
光線が照射パルスに応答して発せられる点が、照射パルスに応答することを特徴とする、請求項３４の可変出力レーザビーム生成方法。
【請求項３６】
光検出器で視界から後方散乱される発光を受領するステップと、
受領した後方散乱光を復号して画像を組み立てるステップと、
をさらに備えることを特徴とする、請求項３５の可変出力レーザビーム生成方法。
【請求項３７】
照射パルスから可視像を生成するステップをさらに備えることを特徴とする、請求項３５の可変出力レーザビーム生成方法。
【請求項３８】
さらに備えることを光導電体で照射パルスを受信して、照射パルスに相当する潜像を形成することを特徴とする、請求項３５の可変出力レーザビーム生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（連出願の相互参照）
本願は、２００５年８月１２日に提出され、Ｒａｎｄａｌｌ  Ｂ．Ｓｐｒａｇｕｅ他により発明され、本願と共同で譲渡され、引用により本明細書に組み込まれる米国仮特許出願番号第６０／７０７、８５４号の「安定レーザ駆動装置および方法」からの優先権を主張する。
【背景技術】
【０００２】
レーザビームは、一連の用途全体で使用される。固体装置を用いてレーザビームを発生することがしばしば所望される。一般的にレーザダイオードは、たとえば、赤外ビーム、赤色ビーム、紫色ビームを発生するのに使用される。緑のような中間波長は、レーザダイオードで直接実現することは困難だった。緑色レーザビーム出力を実現するのに使用されるアプローチは、入力ビームを短波長に変換する素子に接続される赤外（ＩＲ）ビームを提供することである。上記素子は、周波数逓倍結晶または第二高調波発生器（ＳＨＧ）と称されることが多い。ＳＨＧの一用途例は、ＩＲレーザダイオードで１０６４ナノメータ（ｎｍ）ＩＲレーザビームを発生し、ＳＨＧを通過させて、１０６４ｎｍのＩＲビームを５３２ｎｍの緑色レーザビームに変換することである。様々なアーキテクチャが、ダイオード励起固体（ＤＰＳＳ）を含むアーキテクチャや、外部キャビティおよび／または外部波長コンバータを使用するその他のアーキテクチャのために開発されてきた。
【０００３】
緑色レーザビームを提供する１種の装置１０１を、図１に概略的に示す。赤外レーザダイオード１０２は、１０６４ｎｍの赤外線１０４を外部キャビティ１０６に出力するように付勢される。外部キャビティ１０６は、周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）（周期分極ＬｉＮｂＯ３）を備えるＳＨＧ１０８を含む。赤外ビーム１０４は、結晶１０８に入射し、周波数を倍化されて、２分の１波長の５３２ｎｍを生成する。外部キャビティ１０６の出力面は、赤外光の略１００％および緑色光の約９０％を反射するミラー１１０を有する。反射された緑色光の９０％は、外部キャビティ１０６を介して往復を続け、ＳＨＧ１０８を複数回通過する。ミラー１１０を通過する緑色光の１０％は、緑色レーザビーム１１２として放射される。
【０００４】
緑色レーザビームを提供する別の種類の装置２０１を、図２に概略的に示す。赤外レーザダイオード１０２は、８０８ｎｍの第１の赤外ビーム２０２を外部キャビティ１０６に出力するように付勢される。外部キャビティ１０６は、入力ビーム２０２の周波数をダウンコーバートして、１０６４ｎｍの長波長の第２の赤外ビーム１０４を生成するダウンコンバート結晶２０４を有する。第２の赤外ビーム１０４は、ＰＰＬＮを備える周波数逓倍結晶（ＳＨＧ）１０８に入射する。図１に示される装置１０１では、第２の赤外ビーム１０４が結晶１０８に入射し、周波数を倍化されて、２分の１波長の５３２ｎｍを生成する。外部キャビティ１０６は、赤外光の略１００％および多いが１００％よりは少ない緑色光を反射するミラー１１０を有する。ミラー１１０を通過する緑色光は、緑色レーザビーム１１２として放射される。
【０００５】
緑色レーザビームを提供する別の種類の装置３０１を、図３に概略的に示す。赤外レーザダイオード１０２は、１０６４ｎｍ波長で赤外ビーム１０４を出力するように付勢される。赤外レーザビーム１０４は、ブラッグ回析格子導波路３０２を有するＰＰＬＮ  ＳＨＧに入射する。５３２ｎｍ波長の緑色レーザビーム１１２は、ブラッグ回析格子導波路３０２を有するＳＨＧから放射される。専門家の中には、緑色光の複数回通過を提供する外部ミラーが省略されるため、装置３０１を単光路装置と考える者もいる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１〜３の装置は、５３２ｎｍ出力ビームを生成するために１０６４ｎｍのビームを内部で発生するものとして示されているが、他の波長も同様に使用することができる。たとえば、１０８０ｎｍのＩＲビームを内部で発生して、５４０ｎｍの出力ビームを生成することができる。さらに、青色、赤色、またはさらに超スペクトル波長出力を生成するために、その技術を使用することができる。上記装置の安定化のために教示される装置および方法は、特定の代表的な波長を生成する駆動装置に限定されるとみなすべきではない。
【０００７】
装置１０１、２０１、３０１などのレーザ、および他の種類のレーザを使用するための１つの考慮は、装置内で比較的一定の温度を維持することに関する。上記装置での意図せぬ温度変動は、結果的にビーム１１２の出力パワーの意図せぬ変動を招くことがある。残念なことに、上記装置の所望されるいくつかの用途では、ビーム変調パターンを使用し、該パターンは装置内の熱放散の対応する変調を招き、次には装置温度の変動も引き起こす。扇風機、液体冷却、ヒータ、サーモスタット制御熱電冷却器が上記装置とともに使用されるが、上記システムの反応時間は、変調パターン変動から生じる温度変動に関連する時間より長いことが多い。走査ビームディスプレイなどの特定の用途では、所望の画素サイクル時間（画素期間）は可変出力誘導可変加熱の時定数よりもやや短いが、所望のライン期間は可変出力誘導可変加熱の時定数よりもやや長い。
【０００８】
図４は、ドライバ電流と比較した、レーザダイオードの光出力パワーの非直線性を示す。駆動電流トレース４０２は、オフセグメント４１６ａ〜４１６ｅと交互配置される漸増する駆動電流を有する一連の駆動パルス４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、および４１４を備える。ライン４１８への駆動パルスの高さと幅を比較することによって分かるように、駆動パルスは単調かつ均一に増加し、同様に単調かつ均一に増加する意図する一連のレーザパルスに対応する。レーザパワー出力トレース４２０は、各駆動電流パルス４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、および４１４と対応し、非放射セグメント４３４ａ〜４３４ｅと交互配置される一連の光出力パルス４２２、４２４、４２６、４２８、４３０、および４３２を有する。ライン４３６への光出力パルスの高さと幅を比較することによって分かるように、レーザパワー出力パルス４２２〜４３２の相対輝度は、ドライバパルス４０４〜４１４に厳密に対応しない。特に、駆動電流パルスよりもかなり狭いパルスや、意図する出力輝度に届かないパルスがある。様々なパルスの高さと幅の組み合わせの結果、入力印加信号４０２と比較して、パルスの輝度が明らかに一定しない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による一実施形態は、可変変調に敏感なレーザから放射される可変変調光線を走査する方法および装置に関する。一実施形態によると、上記レーザは、電流で、あるいは、実質的なレージングは引き起こさないがパワー放散を招くことによって、レーザ放射のないときでさえ装置を通る比較的一定な熱流を維持する電流路を介して、安定化または熱補償パルスを提供することにより安定化させることができる。比較的一定な熱流を維持し、１〜数パルスに対応する期間全体で測定されることにより、装置の温度を比較的一定に維持し、光パワー出力を安定化させることができる。
【００１０】
一実施形態によると、安定化パルスは、装置のレージング閾値電流を下回る電流で、通常のレーザ変調電流路を介して提供される。上記安定化パルスは、たとえば、名目光出力部間のサイクル部中、あるいは、所与のサイクル中に光が出力されない場合、光出力が通常生じる期間中に提供することができる。
【００１１】
別の実施形態によると、安定化パルスは、装置のロールオーバ閾値を超える電流で、通常のレーザ変調電流路を介して提供される。ロールオーバ閾値を超える高電流レベルでは、実質的な光量を放射しない装置もあり、そのような電流レベルは、ロールオーバ閾値を超える値から下へ変調することによって光パルスがイネーブルとされるパワー放散を提供するために用いることができる。
【００１２】
別の実施形態によると、安定化パルスは、レーザの立上がり時間より短い持続時間で、通常のレーザ変調電流路を介して提供される。
【００１３】
別の実施形態によると、安定化パルスは、レーザ変調電流路とは異なるパワー放散電流路、たとえば、レーザ装置と隣接して保持される抵抗器を介して生成される。上記パルスは、上記パルスは、レーザ変調パルスと同時に、またはそれに続いて生成することができる。
【００１４】
いくつかの実施形態によると、安定化パルスは、変調データのみから決定される。別の実施形態によると、温度センサまたはその他のセンサは、適切な安定化パルスを決定するための入力を追加で提供することができる。変調データは、対応する安定化パルスを決定するために単独パルスレベルで使用することができる。もしくは、またはさらに、一連の変調データは、対応する安定化パルスを決定するために分析することができる。一連の変調データが分析される場合、上記データは未来および過去の変調活動を含むことができる。
【００１５】
いくつかの実施形態によると、レーザ安定化技術は、レーザ源からのノイズやその他の変動を低減または吸収するように適合されたその他のアプローチと組み合わせることができる。上記その他のアプローチのいくつかが、Ｍａｒｇａｒｅｔ  Ｂｒｏｗｎ他によって発明され、２００４年９月２日に提出され、引用により本明細書に組み込まれる米国特許出願第１０／９３３、０３３号「非理想光源を利用する装置および方法」に教示されている。
【００１６】
いくつかの実施形態によると、安定化レーザは、ヘッドアップディスプレイ、頭部装着型ディスプレイなどの走査ビームディスプレイ、携帯電話または携帯カメラなどの装置に埋め込まれるマイクロディスプレイ、パソコンプロジェクタ（ビーマ）、背面投射または前面投射テレビなどの投射ディスプレイ、および別の種類のディスプレイ内で使用される。
【００１７】
別の実施形態によると、安定化レーザは、レーザカメラ、走査ビーム内視鏡、バーコードスキャナ、共焦画像捕捉装置などの走査ビーム画像捕捉装置、およびその他の種類の画像捕捉装置で使用される。
【００１８】
他の側面は、添付の図面の簡単な説明、詳細な説明、請求項、および図面を参照することにより、読者にとって自明となるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図５は、図４に示される変動のような光出力の不所望の変動を回避するための補償に対する一般的なアプローチをフローチャート形式で示す。ステップ５０２では、レーザ変調パターンが受信される。上記パターンは、たとえば、走査ビームディスプレイでの一連の目的グレースケール画素値に相当する。ステップ５０２で受信される第１のレーザ変調パターンは実施形態に応じて、単独の画素値を備えることができる、あるいは、連続する画素値を備えることができる。実施形態に応じて、単独のレーザエミッタに対応することができる、あるいは複数のレーザエミッタに対応することができる。
【００２０】
任意のステップ５０４に先立ち、測定した温度を示す信号が受信され、その温度は、たとえば、駆動すべきレーザの測定温度、周囲温度、またはヒートシンクの温度などの別の特徴的な温度であってもよい。いくつかの実施形態では、ステップ５０４は任意である。
【００２１】
ステップ５０６では、熱補償変調パターンは、ステップ５０２で受信した第１のレーザ変調パターンから、および任意で、ステップ５０４で受信した温度センサ信号から決定される。概して、熱補償変調パターンは、第１のレーザ変調パターンの累積パワー出力が比較的低いときは比較的高い量の累積パワー出力を有するように形成することができ、熱補償変調パターンは、第１のレーザ変調パターンの累積パワー出力が比較的高いときは比較的低い量の累積パワー出力を有するように形成することができる。温度センサ信号も受信される実施形態に関しては、値は熱補償変調パターンの形成をさらに伝えることができる。たとえば、温度が比較的高い場合、熱補償信号の累積パワー出力を低減または除去することができ、温度が比較的低い場合、熱補償信号の累積パワー出力を増加させることができる。
【００２２】
最後に、ステップ５０８では、第１のレーザ変調パターンおよび熱補償変調パターンが出力される。信号は、別個の信号として出力することができる、もしくは、下記図６に示されるように、単独の信号に結合することができる。いくつかの実施形態によると、第１のレーザ変調パターンは、レーザ温度信号に応答して変動させることができる。いくつかの実施形態によると、第１のレーザ変調パターンは、発せられたパルスのパターンとレーザ温度信号の両方の関数である。
【００２３】
図６は、第１のレーザ変調パターンと熱補償変調パターンが、ステップ６０２に示される、第２のレーザ変調パターンと呼ばれる単独のパターンに結合される方法を示すフローチャートである。図６の例では、温度センサ信号は省略される。ステップ６０２では、第１のレーザ変調パターンと熱補償変調パターンが結合されて、組み合わされた特性を有する第２のレーザ変調パターンを形成する。
【００２４】
図５および６のステップ５０８の信号出力の使用について以下説明する。
【００２５】
次に図７を参照すると、曲線７０２は、光出力パワー７０４が通常のパルス動作条件で駆動電流７０６の関数である図示される実施形態を示す。閾値電流ＩＴ７０８未満では、レーザによってほぼ光が出力されないことが分かる。閾値電流を超えると、光出力パワーは、たとえば、出力パワーがもはや増えないロールオーバ領域に達するまで、駆動電流とともに単調に増加する。高ロールオーバ電流では、光出力は略ゼロまで減少する場合がある。
【００２６】
図８は、一実施形態による、レーザ変調パターンと熱補償パターンの理想的な組み合わせを示す。複数のパルスを備えるレーザ駆動波形４０２は、時間軸８０２に沿った時間の関数として示される。レーザ駆動出力電流は縦軸７０６に示される。図示されるように、閾値電流７０８は、グラフを横切る横線として示される。図７に関連する説明から理解されるように、閾値電流７０８を下回る波形４０２の部分は、結果的にレーザからの光出力とはならない。
【００２７】
複数のレーザ変調パターンパルス８０４、８０６、８０８、８１０、８１２、および８１４は、複数の目的レーザ出力パワーに対応する。図示されるように、パルス８０４は、比較的高い所望の輝度に、パルス８１２はやや低い輝度に、パルス８０８、８０６、および８１４は次に低い輝度に、パルス８１０は光なしに相当する。図示されるように、パルス８１０は閾値電流７０８を超えないため、ゼロ値パルスである。この例では、パルスが、縦の破線によって示され、対応する一連の交互配列期間８１６、８１８、８２０、８２２、８２４、および８２６によって分割される固定反復周波数で発生することも分かる。パルスストリーム４０２によって示される期間は一定に示されているが、上記期間は必ずしも一定である必要はない。以下の説明から明らかになるように、本明細書で教示される方法および装置は、非一定パルス周波数に容易に適合させることができる。
【００２８】
交互配列期間の電流は一定ではなく、先の変調パターンパルスの高さに反比例するように変動することも分かる。交互配列期間８１６〜８２６は補償パルスと称される。補償パルス８１６〜８２６は閾値電流７０８を下回る駆動電流にあるため、光出力を生成しない。その代わりに、光変調パルスの電流が一定でなくても、補償パルス８１６〜８２６は、レーザ内のパワー放散の比較的一定な速度を生成するために使用される。
【００２９】
光出力パルス８０４は比較的高レベルにある。よって、補償パルス８１６は比較的低レベルに設定される。対照的に、光出力パルス８１４は比較的低レベルにあり、対応する補償パルス８２６は比較的高いレベルに設定される。概して、補償パルス電流は比較的一定の平均パワー放散、ひいては各期間全体にわたり、比較的一定の平均レーザ加熱を提供するように選択される。よって、光出力パルス８０４と補償パルス８１６を有する第１の期間中の総合パワー放散は、光出力パルス８０６と補償パルス８１８を有する第２の期間中の総合パワー放散と略等しい。同様に、続く期間も略等しい総合パワー放散を有する。黒色画素パルス８１０とその対応する補償パルス８２２は、閾値電流７０８以下となるように選択されるため、間に明らかな縁部がなく互いに併合する。
【００３０】
いくつかの実施形態によると、各画素サイクル中にで放散されたパワーの累積量は必ずしも絶対的に一定を維持する必要はないが、比較的一定にすることができる。すなわち、駆動電流がパルス間でゼロで保持されていても、特に明るい画素は平均の画素よりもやや多くのパワーを放散し、駆動電流が画素期間の持続期間全体で閾値電流の真下で保持されるとしても、特に暗い画素は平均画素よりもやや少ないパワーを放散する。所与の画素期間における許容可能なまたは所望のパワー放散変動は、レーザの温度感度、出力画素輝度の許容可能な変動性またはノイズ、レーザの熱時定数、画素期間の変動性などに従い変動させることができる。
【００３１】
図８のアプローチおよび本明細書で示されるその他の実施形態は、中程度の数の有限レーザ輝度の補償を示すが、本発明の実施形態はそのように限定されていない。たとえば、適切な制御装置ハードウェアと論理回路を用い、継続的に変動する輝度を補償することができる。同様に、１ビット（オンオフ）輝度は、たとえば、第１の画素期間に対応するパルス８０４、８１６と第４の画素期間に対応するパルス８１０、８２２にのみ対応する照射および補償パターンを選択することによって補償することができる。
【００３２】
さらに、画素期間は図８および図１０〜１３では一定に示されているが、画素期間は変動させることができる。たとえば、正弦波走査パターンは通常、視界の中心近傍の比較的短い画素期間および視界の縁部近傍の比較的長い画素期間とを使用する。所望の画素輝度と熱補償を関連させるスケジュールは、画素期間が変動するとしても、たとえば、比較的一定のパワー放散速度を維持することによって、走査線全体で変動させることができる。
【００３３】
図９は、安定化または熱補償パルスを含む入力変調９０４と比較した、一連の光出力パルス９０２を示す記憶オシロスコープ出力である。図示されるように、結果として生じる光出力パルスは、輝度レベルの範囲全体で比較的一定のパルス幅を維持し、通常、線９０６に示されるように、所望のピーク輝度に達する。入力変調９０４は、光出力パルス９２０、９２２、９２４、９２６、９２８、および９３０にそれぞれ対応するレーザ変調パルス９０８、９１０、９１２、９１４、９１６、および９１８を含む。入力変調９０４における熱補償または安定化パルスは、ゼロ出力駆動レベル９３２と比較することによって確認することができる。よって、第１に、低パワーレーザ変調パルス９０８は、比較的高い電流安定化パルス９３４が後に続く。同様に、第２に、やや高いパワーレーザ変調パルス９１０は、やや低い電流安定化パルス９３６が後に続く。この傾向は、次第に高くなるレーザ変調パルス９１２、９１４、９１６、および９１８は次第に低くなる安定化パルス９３８、９４０、９４２、および９４４が後に続くように確認することができる。上述したように、安定化パルス９３４、９３６、９３８、９４０、９４２、および９４４は、関連するレーザ変調パルスと反比例させられ、装置のレージング閾値未満では、レーザからのパルス輝度にかかわらず、結果的にレーザからの相当量のレーザ放射には至らないが、装置を介した略一定のパワー放散量を招く。このため、たとえば、画素が異なるまたは可変の輝度ではなく意図される輝度に達する視界全体で、可変および任意の輝度画素を有する映像信号を走査することができる。
【００３４】
図１０は、一実施形態による、安定化パルスがレーザのロールオーバ閾値ＩＲ１００４を超えて生成される、電流７０６対時間８０２軸上のレーザ変調と熱補償または安定化パターン１００２の組み合わせを示す図である。上述したように、いくつかのレーザは、発光する最大電流を有し、ロールオーバ閾値と称される最大電流を超えて電流が印加されると、結果的に実質上光が発せられない。一連のレーザ変調パルス１００６、１００８、１０１０、１０１２、１０１４、１０１６、および１０１８は、縦の破線１０２０によって示される画素クロックにしたがい生成される。図示されるように、レーザ変調パルス１００６〜１０１８は、黒色パルス１０１２を例外とし、ロールオーバ閾値１００４を上回るところから、下は閾値電流ＩＴ７０８とロールオーバ閾値ＩＲ１００４間の電流まで拡がる。すなわち、所与のレーザパルス（黒色の非照射パルスを除く）は、パルス間のレーザによって放散される電流未満の電流で生成される。
【００３５】
図示されるように、比較的高い輝度パルス１０６は、比較的低い補償パルス１０２２が後に続くがロールオーバ電流１００４を超えている。やや低い輝度１０１０はやや高い補償パルス１０２６と対を成す。この傾向は、次第に暗くなる（低電流）光変調パルス１００８、１０１８、１０１４、および１０１６が徐々に高くなる電流補償パルス１０２４、１０３４、１０３０、および１０３２とそれぞれ対をなすように、変調および安定化パターン１００２全体で確認することができる。黒色またはゼロ画素は、画素期間１０２０の持続時間全体でロールオーバ閾値１００４をちょうど超える電流を保持するパルス１０１２および１０２８の組み合わせによって形成される。
【００３６】
よって、図８に示されるのと同様に、図１０の方法は、アプリケーションが光出力の可変パターンを要求する場合でも、レーザを介して比較的一定量のパワー放散を提供する。１０１６および１０１４などの比較的低い光パワーパルスは、比較的高いパワー熱補償パルス１０３２および１０３０とそれぞれ対をなす。１００６および１０１０などの比較的高い光パワーパルスは、比較的低いパワー熱補償パルス１０２２および１０２６とそれぞれ対をなす。１０１２などの黒色パルスは、実質上光が発せられずに適量のパワーが期間全体を通じて放散されるように、ロールオーバ電流１００４をちょうど超える駆動電流を維持することによって、図示される実施形態にしたがい生成される。
【００３７】
閾値電流とロールオーバ電流によって特徴付けられることに加えて、レーザは帯域幅または最大変調周波数によって特徴付けることができる。レーザは、所与のカットオフ周波数未満に変調するように設計することができるが、カットオフ周波数を超えて変調されるときは光を出力しない。所与の種類のレーザの帯域幅特徴は、立上がり時間によって特徴付けることができ、相当量の光が放射される前に少なくとも立上がり時間と同等の期間、レーザに対して通電パルスを印加しなければならない。図１１は、安定化パルスがレーザの立上がり時間より短い持続時間を有する、レーザ変調と熱補償または安定化パターン１１０１の組み合わせを示す図である。
【００３８】
図８および１０と同様、図１１は、電流対時間軸７０６および８０２上の、レーザ変調と熱補償または安定化パターン１１０１の組み合わせをそれぞれ示す。高輝度パルス１１０２は中輝度パルス１１０４に先行する。時間が左から右に進むにつれ、これらのパルスは、中輝度パルス１１０６、黒色またはゼロパルス１１０８、高輝度パルス１１１０、低輝度パルス１１２０、および中輝度パルス１１１４によってそれぞれ追跡される。図示されるように、第１の図示される全画素期間１０２０中の高輝度パルス１１０２は、追加の補償パワーが次の補償パルス１１１６中には実質上放散されない十分なパワー放散を有する。しかし、次の中輝度パルス１１０４は、次の期間１０２０中では所望量のパワーを放散せず、追加の補償パワーは次の補償期間１１１８中に放散される。しかしながら、上述のアプローチとは対照的に、補償パルス１１１８は、レーザの立上がり時間より短い持続時間まで保持されるオン期間を有する複数の短オンオフサブパルスを備える。よって、補償パルス１１１８のサブパルスは、実質上光放射ではなく熱放散としてレーザ内で表される（しかし、設計者は、熱放散パルス中に少量の光を出力することを選択できる）。
【００３９】
同様に、中輝度パルス１１０６は、補償パルス１１１８よりやや多くの熱エネルギーを放散するが、明るい照射パルス１１０２と対を成す補償パルス１１１６よりも少ない熱エネルギーを放散する補償パルス１１２０と対を成す。暗いまたはゼロ画素１１０８は、対を成す補償パルス１１２２を介して担持される短パワー放散オンオフパルスのみから成る。その結果、他の画素期間１０２０中に放散されるパワーの量に近いが、光放射は実質上引き起こさない熱パワー放散となる。輝度パルス１１１０は、同様の低パワー補償パルス１１２４と対を成し、低輝度パルス１１１２が比較的高パワー補償パルス１１２６と対を成すという点で、輝度パルス１１０２と類似する。
【００４０】
図１１に示されるように、レーザ温度曲線１１２８は、共通の時間軸８０２に沿った温度Ｔ１１３０として描かれる。画素期間１１２０は、曲線の対応関係を図示するために、パルスパターン曲線からレーザ温度曲線まで延在するように示される。
【００４１】
図１１の例では、レーザ装置は、最低温度Ｔｍｉｎ１１３２と最高温度Ｔｍａｘ１１３４の間の好適な温度動作範囲を有する。よって、曲線１１２８に示されるように、レーザの温度をこれら２つの両極間で保持することが望ましい。図示されるように、温度は光放射パルス間で上場し、非通電期間で低下する。補償パルスは、装置の温度をＴｍｉｎ１１３２超に維持するのに必要であるように、光パルス間の時間１１１６、１１１８、１１２０、１１２２、１１２４、および１１２６で生成される。図示されるように、高輝度パルス１１０２および１１１０は、レーザ温度曲線１１２８での比較的大きな対応温度上昇を引き起こす。対の補償期間１１１６および１１２４間の補償パルスの欠如によって、レーザはＴｍｉｎ１１３２に近いレベルまで冷却して戻り、次の光放射パルスのレーザーに備え、再びより高いレベルまで温度上昇を引き起こす。図示されるように、レーザを介して放散される補償エネルギーの量は、各光放射パルスの開始のために、レーザの温度をほぼ同じレベルに戻すように選択される。黒色画素パルス１１０８中、レーザは、その温度を維持するために、画素期間全体で補償パルスを受け取ることができる。
【００４２】
温度反応１１２８は、同じ温度が各光放射パルスに対して戻されるという点で理想化されるが、システムは必ずしもそのように制限される必要がない。図１４と組み合わせて分かるように、いくつかのシステムでは、温度の比較的広い規則的変動を可能とし、システムは任意で、一連の画素期間全体でレーザ温度を所望のレベルに戻させることができる。同様に、システムは、所望の名目動作温度範囲が相対的不活動期間の持続時間中ほぼ維持されるように、該期間の前に温度を上昇させることによって、相対的不活動（低輝度または黒色の輝度）期間に備えることができる。
【００４３】
波形１１０１の補償パルス間に生成されるオンオフパルスは光放射パルスの約４分の１の持続時間として、および補償パルスの補償期間中のデューティサイクルは約５０％として示されるが、用途に応じて他の値を選択することができる。たとえば、走査ビームシステムの走査速度およびアドレス可能度は、画素期間１０２０が約２０〜３０ナノ秒（ｎＳ）の範囲を有し、視界全体を通じて正弦曲線的に変動するようにすることができる。光放射パルスは、画素期間の残りを有する補償パルスで約１０ｎＳ続くように選択することができる。補償パルス中のオンサブパルスは約１ｎＳ、すなわち光放射パルスより約１オーダー短く継続するように選択することができる。したがって、レーザ帯域幅またはカットオフ周波数は、照射パルスと補償サブパルスに対応する周波数間に収まるように選択することができる。この例では、１０ｎＳの照射パルスは、約１００メガヘルツ（ＭＨｚ）の周波数に対応し、１ｎＳのサブパルスは約１ギガヘルツ（ＧＨｚ）の周波数に対応する。装置の帯域幅は設計パルス周波数の少なくとも３倍であるのが望ましいことがあり、したがって、適切なレーザ帯域幅はたとえば、約２〜３ｎＳの立上がり時間に対応する約３００〜５００ＭＨｚである。駆動回路は、たとえば、サブパルスの比較的高い周波数をサポートするため、約３ＧＨｚの帯域幅を有する。補償サブパルスの周波数と照射パルスの周波数との比率は、たとえば、補償期間中の光出力を回避しつつも、約３ＧＨｚより高い帯域幅を有するレーザを通じて熱放散できるようにサブパルスを短くすることによって、システムをさらに最適化するように調節することができる。解像度、走査速度、ビームの数などに応じて、その他の範囲が適切であるかもしれない。
【００４４】
光放射パルスと同じ電流路を介して補償パルスを放散することの代替として、レーザは別の非照射電流路を有するように構成することができる。１例によると、図１２に示されるように、非発光ダイオードまたはパワーダイオードＰＤ１２０２は、別個のまたは各切換電流源１２０６、１２０８およびグランド１２１０、１２１２を有するレーザダイオードＬＤ１２０４と近接して実装することができる。図示されるように、パワーダイオード１２０２は、レーザダイオード１２０４の抵抗と対応する内部抵抗を含むことができ、別の金型から構成され、レーザダイオード１２０４の下に接合され熱結合される。レーザダイオード１２０４は、レンズ１２１６を通じて出力ビーム１２１４を発するように並べられる。もしくは、パワー放散電流路は、たとえば、レージングキャビティ、および／または光導体、および／または出口面を有さず、逆配向の出口面を有する隣接するオンダイ装置として構成することができる。もしくは、別のパワー放散路は、レーザと熱結合される抵抗器またはその他の装置を備えることができる。
【００４５】
図１３は、安定化パルスが、たとえば、図１２に示されるパワーダイオード１２０２などの別々の伝導路を介して駆動される、別々のレーザ変調パターン１３０２および熱補償または安定化パターン１３０４を示す図である。波形１３０２は、縦方向に並んだ共通の時間軸８０２に沿った電流７０６および１３０６としてそれぞれ描かれている。画素期間１０２０は、軸間で延びるように示され、両波形１３０２と１３０４を通る期間の対応関係を示す。
【００４６】
高輝度、高電流レーザ放射駆動パルス１３０８は、対応する低電流熱補償パルス１３１０とともに示される。パルス１３０８は結果的に第１の画素期間１０２０中における目標量の熱分散を導くため、追加の熱分散は所望されず、熱補償パルス１３１０は非常に低レベルで維持される。中程度の輝度放射パルス１３１２は、中程度の熱補償パルス１３１４と対を成す。電流放散の相対量は、第１の期間１０２０に高輝度レーザ駆動パルス１３０８によって放散される電流と略等しい、第２の期間１０２０（すなわち、レーザパルス１３１２および熱補償パルス１３１４に対応する期間）に放散される電流を提供するように選択することができる。同様に、中輝度レーザ放射パルス１３１６は中−低熱補償パルス１３１８と対を成し、その結果再度、期間１０２０中に比較的一定の総熱分散を生じる。黒色またはゼロ画素は、ほぼ高さのないレーザ放射パルス１３２０によって駆動され、高電流熱補償パルス１３２２と対を成し、その結果再度、期間１０２０中に略一定の総熱分散を生じる。暗い画素に続き、高、低、および中輝度レーザ放射パルス１３２４、１３２６、および１３２８は図示されるように、それぞれ対応する熱補償パルス１３３０、１３３２、および１３３４と対を成す。
【００４７】
よって、比較的一定の温度が、反比例するレーザ照射と熱補償波形１３０２および１３０４を提供することによって、レーザ内で維持される。各レーザ照射と対応する熱補償パルスは図１３では同時に発生するように示されるが、上記パルスは、あるいは各期間で相殺されることができる。もしくは、熱補償パルスは、連続する画素期間にわたって配分することができる、あるいは別の方法で配置することができる。
【００４８】
図１４は、連続するレーザ照射パルスと熱補償パルスを有する波形１４０２を示し、所与のレーザ照射パルスに対応する熱補償パルスは、連続する画素期間１０２０全体に配分することができる。第１の高輝度画素照射パルス１４０２の後には第２の高輝度画素照射パルス１４０４が続き、その後には低輝度、低パワー画素照射パルス１４０６が続く。対応する熱補償パルス１４０８、１４１０、および１４１４が示される。第１の対応する熱補償パルス１４０８は、非常に少ないかあるいはゼロのパワーを放散するように示される。該補償パルスは２つの高パワー照射パルス１４０２および１４０４間に位置するため、レーザ温度を適切な範囲に維持するために追加のパワー放散は必要ない。しかし、第２の熱補償パルス１４１０は、その対応するレーザ照射パルス１４０４に関して通常予想されるよりも高い電流で示される。これは、その後のレーザ照射パルス１４０６が非常に低い電流なので、レージング閾値７０８未満を維持しつつ所望のレーザ温度を保持するため、対応する熱補償パルス１４１４が配分された期間中に十分な熱補償エネルギーを出力できないからである。その代わりに、制御装置は未来の（Ｆ１）レーザ放射パルスを見越し、現在の熱補償パルス１４１０を上方に調節し、熱補償作業負荷の１部を共有する。よって、低輝度レーザ照射パルス１４０６に対応する熱補償は、２つの連続する熱補償パルス１４１０および１４１４全体に広げられる。合わせると、２つの連続する熱補償パルス１４１０および１４１４は、１例によると、低輝度レーザ照射パルス１４０６のために熱補償を提供するのに十分である。
【００４９】
右に進むと、明るい画素レーザ駆動パルス１４１６の後に、低パワー熱補償パルス１４１８が続く。この後に、明るいレーザ駆動パルス１４２０が続く。しかし、このとき、制御装置は再び先を見越し、次のレーザ照射パルス１４２２が黒色またはゼロ画素であることを予想し、レーザ照射パルス１４２０に対応付けられる熱補償パルス１４２４は、黒色レーザ照射パルス１４２２のための補償を開始するため高レベルに調節される。黒色レーザ照射パルス１４２２の後には、レージング閾値の真下に設定される熱補償パルス１４２６が続く。例によると、熱補償パルス１４２４と１４２６の組み合わせは、名目値でレーザ温度を維持するには十分ではない。次の高パワーレーザ照射パルスは、所望の範囲まで温度を再度上昇させるには十分だが、その代わりに、画素マップは中パワーレーザ駆動画素１４２８を必要とする。よって、制御装置は振り返り、中パワーレーザ駆動画素１４２８に対応付けられる熱補償パルス１４３０を、先の黒色画素１４２２を補償するために余分なパワー放散を提供するように上方ビットに調節することを決定する。したがって、熱補償パルス１４３０は、レーザ温度を所望の範囲まで上昇して戻すために、レージング閾値７０８の真下に設定される。
【００５０】
図１４に示されるパターンは、ルックアヘッド論理とルックバック論理の両方を使用して熱補償パルスの値を決定するように示されているが、どちらかだけで所与の用途に足る。さらに、補償論理回路は、適切な熱補償パルス値を決定する際、１つのみの未来の、および／または１つのみの過去のパルスを超えて延在させることができる。
【００５１】
さらに、図８のアプローチに対応する、レーザ照射と配分された熱補償波形１４０２の組み合わせが図示されているが、図１０、１１、１３のアプローチ、またはその組み合わせを使用することもできる。
【００５２】
図１４に示されるルックアヘッド特徴は、間欠的に使用されるシステムで恩恵を得るために使用することができる。延長期間には光を発する必要のない用途では、レーザを冷却させることができる。これは、たとえば、消費電力を低減し、レーザ寿命を延ばし、安全性を向上させるなどのために利用することができる。新たな映像フレームが受信され始める、あるいは走査ビーム撮像装置のトリガプルが感知されるなど、切迫するレーザ放射の表示を受信すると、補償制御装置はレーザにウォームアップパルスを送信して、温度を最適または名目動作温度またはその近傍まで上昇させることができる。これは、使用中に可変レーザ放射を呈さないシステムでも利用することができるが、比較的一定のデューティサイクルを使用することができる。
【００５３】
もしくは、本明細書に記載されるアプローチは、画像補償と組み合わせて使用することができる。上記アプローチによると、熱補償は、レーザ温度の一貫性を向上させるために利用することができるが、モードホッピングや出力変動を回避するのに十分な温度を必ずしも厳密に維持する必要はない。上記システムでは、補償論理への各種アプローチを使用することができる。たとえば、画素−値−コードルックアップテーブルは、レーザが属する、あるいは属すると予想されるモード（または出力効率）に関連する変数を含むことができる。レーザが低出力状態にあるとき、レーザ駆動増幅器を駆動するのに使用されるコード値は、低減した出力を克服するのに十分な余分電流または余分オン時間を提供するため、やや増加させることができる。逆に、設計者は、最大未満効率モードでレーザを動作させるように選択することができる。レーザが名目設計効率を超えて効率を上昇させるように加熱されると、レーザ駆動パワーまたは持続時間は、それに応じて減少させることができる。
【００５４】
最大未満効率モードでレーザを駆動する選択は当然ながら、画像補償を使用するか否かで実行させることができる。上記アプローチは、制御能力または範囲をシステムに追加する、部品劣化、部品間変動、またはシステム整列を補償し、輝度制御入力に応答するなどのために利用することができる。
【００５５】
図１５Ａは、複数の補償期間全体でレーザ照射パルスを補償するように適合された簡易制御装置のブロック図である。たとえば、映像データストリームであってもよい入力データストリーム１５０２が受信される。第１の画素値がメモリアレイ１５０４に受信され、第１のパーティションＦ２１５０６にロードされる。第１のパーティションの幅は画素値のビット深さに応じて決定される。第１のパーティション１５０６のコンテンツは、レーザによって出力される第２の未来のグレースケール値を表す。次の画素期間の最初に、第１のパーティション１５０６のコンテンツは、次のメモリパーティションＦ１１５０８に移動され、その後の画素値は第１のパーティション１５０６にロードされる。このプロセスは継続し、新たな画素グレースケール値が第１のメモリパーティションＦ２１５０６で受信され、次に、連続して第２のメモリパーティションＦ１１５０８、第３のメモリパーティションＣ１５１０、第４のメモリパーティションＰ１１５１２、第５のメモリパーティションＰ２１５１４を移動し、各新画素期間でダンプされる。図１５の例によると、Ｆ２１５０６はレーザによって生成されることを所望される第２の未来の画素グレースケール値を表し、Ｆ１１５０８は未来のまたは次の画素グレースケール値を表し、Ｃ１５１０は電流画素グレースケール値を表し、Ｐ１１５１２は過去の画素グレースケール値を表し、Ｐ２１５１４は第２の過去の画素グレースケール値を表す。
【００５６】
いくつかの用途、特に、別々の画素照射および熱補償電流路を使用する用途では、Ｃすなわち電流メモリパーティション１５１０に保持されるグレースケール画素照射値を読み取ることができ、その値は任意の第１のデジタル−アナログコンバータ（Ｄ／Ａ）１５１６を駆動するのに使用され、コンバータからの信号は任意の第１の増幅器１５１８によって増幅されて、レーザ１５２０のレーザ放射パルスを駆動するのに使用される。さらに、またはもしくは、メモリパーティション１５０６〜１５１４に保持される画素値は、補償プロセッサ１５２２によって読み取られる。補償プロセッサ１５２２は、第２のＤ／Ａ１５２６を駆動するのに使用される出力１５２４上の一連のデジタルパルスを生成する。Ｄ／Ａ１５２６の出力は、増幅器１５２８によって増幅される。次に、増幅器１５２８の増幅出力は、レーザ１５２０の電力放散路を駆動する。
【００５７】
任意のＤ／Ａ１５１６および任意の増幅器１５１８が使用されない場合、増幅器１５２８の出力は、レーザ１５２０の少なくとも光放射電流路を駆動するのに使用される。任意のＤ／Ａ１５１６および任意の増幅器１５１８が使用されない場合、増幅器１５２８は、レーザ１５２０の第２のパワー放散電流路を駆動するのに任意で使用することもできる。任意のＤ／Ａ１５１６および任意の増幅器１５１８が使用される場合、レーザ光放射は任意の増幅器１５１８から駆動され、増幅器１５２８はレーザ１５２０の第２のパワー放散電流路を駆動するのに使用される。
【００５８】
補償プロセッサ１５２２は、たとえば、プログラム可能マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ、アプリケーション特定集積回路（ＡＳＩＣ）、書換え可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プログラム可能アレイ論理回路（ＰＡＬ）、ゲートアレイ、離散型回路、および／または関連する回路を伴う別の形式などの様々な形で実装することができる。
【００５９】
メモリアレイ１５０４と移動する対応の画素値とは、単独のメモリ装置または単独のメモリ装置の１部、シフトレジスタ、ＦＩＦＯなどの別個の分離したメモリ装置として含む様々な形で実行することができる。所与の画素値の位置は、画素値の相対位置を決定する回転ポインタで固定したままにしておくことができる、あるいは、データは物理的にある位置から別の位置に移動させることができる。補償システム１５０１の全部または１部は、より大きな制御装置の１部を備えていてもよい、あるいは特定目的の制御装置を備えていてもよい。
【００６０】
簡易補償制御装置ブロック図が図１５Ｂに示される。図１５Ｂの補償プロセッサ１５２２とその他の部品は、過去および未来の画素活動が補償波形を決定する際に検討されないことを除き、図１５Ａと組み合わせて説明されるのと同様の方法で動作する。
【００６１】
図１５Ａの配置と同様、図１５Ｂの補償プロセッサ１５２２は、別々のレーザ照射とレーザ熱補償波形とを任意で出力することができ、その配置は、図１２に示される例のような別個のヒータ伝導路を有するレーザと組み合わせて特に有益である。上記実施形態は、図１３の波形１３０４のような補償波形を担持するために別個の出力（図示せず）を使用することができる。
【００６２】
図１５Ｂは、図１５Ａの補償制御装置と組み合わせて使用することもできる任意の画素期間入力１５３０をさらに示す。画素期間入力１５３０は、画素クロック、走査速度表示、画素位置表示などを入力することができる。可変画素クロックが使用されるとき、後述するように、たとえば、画素期間入力１５３０は補償プロセッサ１５２２によって使用されて、画素クロックサイクル毎ではなく単位時間毎にレーザを通じて略一定のパワー放散を提供する補償波形を生み出す。たとえば、正弦波走査システムのビームが視界中心にあるとき、その速度はビームが視界の縁部近傍にあるときよりも相当速い。このような場合、たとえば、視界の縁部近傍の位置に相当する画素サイクル間に印加される補償パワーの量と比較して、低減された量の補償パワーが、視界の中心近傍の位置に相当する画素サイクル間に印加される。画素サイクル時間に比例するように（短サイクルは比較的少ない補償エネルギーを受け取り、長サイクルは比較的多い補償エネルギーを受け取る）補償エネルギーの相対量を変動させることによって、レーザを介したパワー放散の量は、単位時間ごとに一定に維持することによって、装置の温度をほぼ一定に維持することができる。
【００６３】
安定レーザ駆動システムの一用途は、引用により本明細書に組み込まれるＦｕｒｎｅｓｓ他の米国特許第５、４６７、１０４号「バーチャル網膜ディスプレイ」に記載されるような走査ビームディスプレイである。図１６Ａに示されるように、走査ビームディスプレイ１６０２では、走査源１６０４は、ビーム結合器１６０８によって、視聴者の目１６０６に結合される走査光線を出力する。走査ディスプレイでは、走査ミラーまたは音響光学スキャナなどのスキャナが、変調光線で視聴者の瞳孔を走査する。上記スキャナの１例が、引用により本明細書に組み込まれる、Ｍｅｌｖｉｌｌｅ他の米国特許第５、５５７、４４４号「２軸走査システム用小型光学スキャナ」に記載される。走査光は、視聴者の瞳孔１６１０を介して目１６０６に入り、角膜によって瞳孔１６１２上に撮像される。走査光に応答して、視聴者は画像を知覚する。
【００６４】
上記ディスプレイは、部分的な、または補助的な視聴用途のために使用されることがある。上記用途では、ディスプレイの１部はユーザの視界に配置され、ユーザの視界の部分を占める画像を提示する。よって、ユーザは、表示されたバーチャル画像と背景情報１６１４の両方を見ることができる。背景光がふさがれる場合、視聴者はバーチャルな画像のみを知覚する。
【００６５】
図１６Ｂは、一実施形態による、自動車１６１５のヘッドアップディスプレイの状況における、図１６Ａの走査源１６０４のいくつかの部品の追加詳細を示す。制御装置１６１６は、インタフェース１６１８からディスプレイに関する情報を受信する。上記情報は、映像データを含むことができる、もしくはセンサデータを含むことができる。インタフェース１６１８がセンサデータを提供する場合、制御装置１６１６はセンサデータを選択し、そのデータを映像にフォーマット化する。制御装置１６１６は、たとえば、それぞれ赤色レーザダイオード、緑色周波数逓倍レーザ、および青色周波数逓倍レーザであり得る光源１６２０、１６２２、および１６２４を調節する。上述したように、映像フォーマットは、光源１６２０、１６２２、および１６２４で非一定パワー放散を名目上生成する可変輝度画素を備えることができる。制御装置は、視界全体で情報をどこに、およびどのように表示するかを選択することによって、視界全体で画素輝度を比較的一定に配分するように、映像データをフォーマット化することができる。もしくは、またはさらに、制御装置は、上述したように、光源１６２０、１６２２、および／または１６２４のうち１つまたは全部に熱補償波形を提供することができる。赤色レーザ１６２０が特に温度変動には敏感ではないが、緑色レーザ１６２２および青色レーザ１６２４が温度変動に敏感である例では、制御装置１６１６は、熱補償波形を緑色レーザ１６２２および青色レーザ１６２４のみに提供することができる
光源１６２０、１６２２、および１６２４は、変調ビームを単独の変調ビーム１６２８に結合するビーム結合器１６２６へと各波長で変調光線を発する。コリメータ、トップハットコンバータ、収差矯正器などのビーム成形光学部品１６３０は、ビーム１６２８を成形し、それを走査ミラー１６３２の方に方向付ける。制御装置１６２２は、走査ミラー１６３２を駆動して、光源１６２０、１６２２、および１６２４と組み合わせて、ユーザの目１６０６に画像として知覚可能な走査パターンを提供する。よって、走査ミラー１６３２は、変調光１６３４の走査ビームを生成する。走査ビーム１６３４は任意のミラー１６３６によって、最終結合光学部品１６３８の方に反射される。場合によっては、最終結合光学部品１６３８は、自動車のフロントガラスであってもよい。よって、走査源１６０４は、任意のミラー１６３６および最終結合光学部品１６３８と組み合わせて、シースルーのディスプレイをユーザ１６０６に提供する。
【００６６】
図１６Ａおよび１６Ｂに示されるような走査ビーム撮像システムでの用途を発見することに加えて、安定レーザ駆動装置および方法の実施形態は、走査ビーム画像捕捉システムでも使用することができる。図１７は、一実施形態による、ＲＧＢ走査レーザビーム画像捕捉装置１７０２のいくつかの主要部品を示す図である。
【００６７】
照射器１７０４は第１の光線１７０６を作り出す。スキャナ１７０８は視界（ＦＯＶ）全体で第１の光線を偏光し、２つの位置１７１０ａおよび１７１０ｂで示される第２の走査光線１７１０を生成する。走査光線１７１０は、ビーム位置１７１０ａおよび１７１０ｂにそれぞれ対応する位置１７１２ａおよび１７１２ｂとして示されるＦＯＶ内のスポット１７１２を連続的に照射する。ビーム１７１０がスポット１７１２を照射する間、照射光線１７１０は反射され、吸収され、散乱され、屈折され、波長移動され、あるいはその他の方法で対象または物質特性によって影響されて、散乱光エネルギーを生成する。スポット位置１７１２ａおよび１７１２ｂから散乱エネルギー光線１７１４ａおよび１７１４ｂとして発せられる散乱光エネルギー１７１４の１部は、受光し、受け取った光エネルギーの量に対応する電気信号を生成する１つまたはそれ以上の検出器１７１６まで移動する。電気信号は、デジタル画像を構成し、その後の処理、復号化、アーカイビング、印刷、ディスプレイ、あるいはその他の処理またはインタフェース１７２０を介した使用のために該画像を送信する制御装置１７１８を駆動する。
【００６８】
光源１７０４は、たとえば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザ、熱源、アーク源、蛍光源、ガス放電源、またはその他の種類の照射器などの複数のエミッタを備えることができる。いくつかの実施形態では、照射器１７０４は、温度感受性レーザを備える。上記実施形態では、制御装置１７１８内の回路は、本明細書で教示されるような熱分散補償信号を供給することができる。
【００６９】
いくつかの実施形態では、光源１７０４は、波長が約６３５〜６７０ｎｍの赤色レーザダイオード、波長が約４１５〜４７３ｎｍの紫色または青色のレーザダイオードまたはダイオード励起固体（ＤＰＳＳ）レーザ、波長が約５３２ｎｍの緑色レーザビームを提供する緑色レーザを備える。緑色レーザは、図１〜３に示されるように、ＤＰＳＳおよび／または１０６４ｎｍ光を５３２ｎｍ光に変換するために第２の高調波発生を使用する種類のレーザであってもよい。その他の種類のレーザと置き換える、および／または組み合わせることができ、レーザの少なくとも１つは、補償パルスを用いて適応される温度感度を有する。１つまたはそれ以上のレーザは、任意で外部で調節することができる。外部変調器が使用される場合、それは光源１７０４の１部とみなされる。同様に、光源１７０４は、１つまたはそれ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）のようなその他の種類の光エミッタを備えることができる。
【００７０】
光源１７０４は、複数のエミッタの場合、エミッタの１部または全部を単独のビームと結びつけるためにビーム結合光学部品を含むことができる。光源１７０４は、１つまたはそれ以上のコリメータレンズおよび／または絞りなどのビーム成形光学部品も含むことができる。さらに、先の実施形態に記載される波長は光学的可視範囲にあるが、他の波長も本発明の範囲内に属する。
【００７１】
光線１７０６は単独のビームとして図示されているが、単独のスキャナ１７０８または別々のスキャナ１７０８に集束する複数のビームを備えることができる。
【００７２】
走査ビームディスプレイおよび走査ビーム画像捕捉システムのいくつかの実施形態は、  ＭＥＭＳスキャナ１６３２、１７０８を使用する。ＭＥＭＳスキャナは、たとえば、本願と共同で譲渡された米国特許第６、１４０、９７９号「ピンチ、タイミング、および歪み補正付き走査ディスプレイ」、本願と共同で譲渡された第６、２４５、５９０号「周波数調整可能共振スキャナおよびその製造方法」、本願と共同で譲渡された第６、２８５、４８９号「付属アーム付き周波数調整可能共振スキャナ」、本願と共同で譲渡された第６、３３１、９０９号「周波数調整可能共振スキャナ」、本願と共同で譲渡された第６、３６２、９１２号「切換フィード付き走査撮像装置」、本願と共同で譲渡された第６、３８４、４０６号「ねじり共振構造の能動的調整」、本願と共同で譲渡された第６、４３３、９０７号「複数の走査アセンブリを有する走査ディスプレイ」、本願と共同で譲渡された第６、５１２、６２２号「ねじり共振構造の能動的調整」、本願と共同で譲渡された第６、５１５、２７８号「周波数調整可能共振スキャナおよびその製造方法」、本願と共同で譲渡された第６、５１５、７８１号の「切換フィード付き走査撮像装置」、および／または本願と共同で譲渡された第６、５２５、３１０号「周波数調整可能共振スキャナ」に記載の種類であってもよく、上記特許はすべて引用により本願に組み込まれる。
【００７３】
２Ｄ  ＭＥＭＳスキャナ１０８は、フレーム期間内で２Ｄ  ＦＯＶ全体または２Ｄ  ＦＯＶの選択領域をカバーするパターン内で、高速で１つまたはそれ以上の光線を走査する。典型的なフレーム速度は、たとえば６０Ｈｚである。走査軸の一方または両方を共振して走らせることが有益な場合が多い。一実施形態では、一方の軸が約１９ＫＨｚで共振して走らせられ、他方の軸が漸進的な走査パターンを形成するように鋸歯状に非共振的に走らせられる。単独のビームが鋸歯パターンで約１９ＫＨｚの周波数で水平に走査し、６０Ｈｚの周波数で垂直に走査する漸進的な走査双方向アプローチは、ＳＶＧＡ解像度を概算することができる。一上記システムでは、水平走査運動は静電的に駆動され、垂直走査運動は磁気的に駆動される。もしくは、水平および垂直走査の両方とも磁気的または容量的に駆動される。静電駆動は、静電プレート、櫛形駆動、または同様のアプローチを含むことができる。各種実施形態では、両軸は正弦的または共振的に駆動される。
【００７４】
用途や構造に応じて、数種類の検出器が適切であるかもしれない。たとえば、一実施形態では、検出器は、増幅器およびデジタイザに接続された簡易なＰＩＮ光ダイオードを含むことができる。この構造では、ビーム位置情報はスキャナまたは光学機構から検索することができ、画像解像度は走査スポット１７１２のサイズと形状によって決定される。多色撮像の場合、検出器１７１６は、検出前に散乱光をその構成部品に分離するため、より高度なスプリッティングとフィルタリングを備えることができる。ＰＩＮ光ダイオードの代替として、アバランシェ光ダイオード（ＡＰＤ）または光電子増倍管（ＰＭＴ）は、特に低光用途などの特定の用途で好適であるかもしれない。
【００７５】
各種アプローチでは、ＰＩＮ光ダイオード、ＡＰＤ、およびＰＭＴなどの単純な光検出器を、用途に応じて、ＦＯＶ全体を凝視する、ＦＯＶの１部を凝視する、遡及的に集光する、共焦的に集光するように配置することができる。いくつかの実施形態では、光検出器１７１６は、周囲光の大半を除去するため、フィルタを介して集光する。
【００７６】
走査ビーム画像捕捉システム１７０２は、単色、多色、および超スペクトルとして具体化することができる。いくつかの実施形態では、多くのカラーカメラで使用される従来のＲＧＢチャンネル間に色チャンネルを追加するのも好ましい場合がある。
【００７７】
いくつかの実施形態では、照射器が偏光ビームを発することができる、あるいは別個の偏波器（図示せず）がビームを偏光させるのに使用することができる。このような場合、検出器１７１６は、走査ビーム１７１０に交差偏光される偏波器を含むことができる。上記構成は、鏡面反射が画像に及ぼす影響を低減することによって、画質を向上させるのに役立つ。
【００７８】
高速ＭＥＭＳミラーおよびその他の共振偏光器は、回転多角形などの一定回転速度スキャナと比較して、正弦波走査速度により特徴付けられる。スキャナのパワー要件とサイズ制限を低減するため、いくつかの実施形態は両走査軸を共振で走査させることができる。
【００７９】
図１８は、一実施形態による、走査ビームシステムの視界を示す理想図である。図１８は、視界１８０４に被せる、実線で表される２次元（２Ｄ）ビーム走査パターン１８０２を示す。様々なビーム走査パターンを使用することができる。代表的な走査パターンは、多数の水平サイクルが繰り返される間に、フレーム毎にいくつかのトップ−ツー−ボトムおよびボトム−ツー−トップ垂直サイクルを繰り返すリサージュ走査パターンである。走査パターン１８０２の振幅は、走査パターンの１部が視界１８０４内で発生し、走査パターン１８０６および１８０８の別の部分が視界外で発生するように選択することができる。
【００８０】
共振走査システムに関しては、一定周波数パルス変調は、一定の画素クロック速度および可変画素間隔で使用することができる。上記モードでは、実際のサンプル地点間に挿入するように画像処理を適用して一定のピッチ出力を生成することが望ましいかもしれない。この場合、アドレス可能度の限度は、ビームがＦＯＶの中心を通るときに走査の最高速度地点で設定される。走査ビームがよりゆっくりと移動する、走査の各端のより周辺の領域はオーバサンプルされる。概して、２次元で適用される線形補間は、高画質を生み、比較的緩やかな処理条件を有することが分かっている。
【００８１】
もしくは、一定画素間隔は、画素クロッキング周波数を変動させることによって維持することができる。画素クロッキングをＦＯＶ全体で変動させる方法および装置は、２００２年４月９日に提出され、本願と共同で譲渡され引用により組み込まれる米国特許出願第１０／１１８、８６１号「電子走査ビームディスプレイ」に記載される。
【００８２】
上述したように、補償エネルギーは、画素サイクル毎にレーザ内で比較的一定のパワー放散を提供するように選択することができる。もしくは、特に画素クロッキング周波数が変動するとき、補償は、単位時間毎にレーザ内で比較的一定のパワー放散を提供するように選択することができる。上記システムは、図１５Ａの補償プロセッサ１５２２に、走査パターン内の即時の走査速度および／または走査位置に関する情報を提供することによって実行することができる。複数画素の実現では、上記情報は、補償パターンを決定するため未来および／または過去の画素グレースケール値と組み合わせることができる。
【００８３】
本明細書で教示される連続的なまたは画素毎の熱補償に加えて、走査ビームシステムは、領域１８０６および１８０８などのオーバースキャン領域を使用して追加の熱補償を提供することができる。すなわち、所望されるよりも多い名目的なレーザ加熱を累積的に提供する走査線に関しては、レーザはやや冷却されるように、オーバースキャン領域１８０６および１８０８でオフにすることができる。逆に、所望されるよりも少ない名目的なレーザ加熱を累積的に提供する走査線に関しては、レーザはやや加熱されるように、オーバースキャン領域１８０６および１８０８でオンにすることができる。オーバースキャン領域での光の出現が好ましい用途の場合、オーバースキャン領域でレーザから発せられる光は、可視位置へと通過させられる。オーバースキャン領域での光の出現が好ましくないことがある用途の場合、オーバースキャン領域は、そこで発せられる光が可視位置へと光を通過させない光ブロックの方に放射されるように塞がれる。
【００８４】
先の本発明の概要、図面の簡単な説明、および詳細な説明は、読者が理解しやすいように意図された方法で、本発明による代表的な実施形態を説明している。他の構造、方法、および等価物も、本発明の範囲に含めることができる。たとえば、上述の説明で示されるレーザ変調パルスは振幅変調を利用してレーザ輝度を選択するが、パルス幅変調も同様に利用することができる。さらに、システムは、実質上単独の輝度（非グレースケール）システムにおける画素の存在または不在を補償するのに使用することができる。１つまたはそれ以上のセンサを組み合わせて、システムにフィードバックを提供することができる。たとえば、温度センサは、使用延長期間中のノイズ低減、可変使用環境などを提供するために、短期間の画素毎の補償と組み合わせて使用することができる。さらに、１つまたはそれ以上の光検出器を、システムにフィードバックを提供するために使用することができる。
【００８５】
このように、本明細書に記載の本発明の範囲は、請求項によってのみ限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】温度変動に敏感になり得る１つの種類のレーザを示す図である。
【図２】温度変動に敏感になり得る別の種類のレーザを示す図である。
【図３】温度変動に敏感になり得るさらに別の種類のレーザを示す図である。
【図４】一実施形態による、入力電流と比較した、温度変動に敏感なレーザダイオードの出力パワーを比較する記憶オシロスコープ出力である。
【図５】一実施形態による、レーザ光出力と目的輝度との対応関係を向上させるため補償信号を提供する一般的な方法を示すフローチャートである。
【図６】一実施形態による、補償信号がレーザ変調パターンと組み合わされた、図５の方法の変形を示すフローチャートである。
【図７】一実施形態による、駆動電流の関数としてパルスレーザの光出力パワーを示す図である。
【図８】安定化パルスがレージング閾値を下回って生成される一実施形態による、レーザ変調パターンと熱補償または安定化パターンとの組み合わせを示す。
【図９】一実施形態による、熱補償または安定化パルスを含む入力パルスと比較した、レーザダイオードの出力パワーを比較する記憶オシロスコープ出力である。
【図１０】一実施形態による、安定化パルスがレーザのロールオーバ閾値を超えて生成される、レーザ変調パターンと熱補償または安定化パターンとの組み合わせを示す図である。
【図１１】一実施形態による、安定化パルスがレーザの立上がり時間より短い持続時間を有する、レーザ変調と熱補償パターンの組み合わせを示す図である。
【図１２】一実施形態による、パワー放散のための別個の電流路を有するレーザの図である。
【図１３】一実施形態による、安定化パルスが別個の通電路を介して駆動される、別個のレーザ変調と熱補償または安定化パターンの組み合わせを示す図である。
【図１４】一実施形態による、所与の画素の安定化が複数の画素クロックサイクル全体で行われる、レーザ変調パターンと熱補償または安定化パターンの組み合わせを示す図である。
【図１５Ａ】一実施形態による、未来および／または過去の画素値を用いる分散熱補償波形を生成するための簡易補償制御装置の部分ブロック図である。
【図１５Ｂ】一実施形態による、現在の画素値を用いて熱補償波形を発生するための簡易補償制御装置の部分ブロック図である。
【図１６Ａ】一実施形態による、ＲＧＢ走査レーザビームディスプレイの主要部品のいくつかを示す図である。
【図１６Ｂ】一実施形態による、たとえば自動車内のヘッドアップディスプレイのようなヘッドアップディスプレイとして使用される走査ビームディスプレイシステムを概略的に示す。
【図１７】一実施形態による、ＲＧＢ走査レーザビーム画像捕捉装置の主要部品のいくつかを示す図である。
【図１８】一実施形態による、走査ビームシステムの視界を示す図である。
【図１】
2009505406.tif 000003
【図２】
2009505406.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2009505406.tif 000007
【図６】
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【図７】
2009505406.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2009505406.tif 000012
【図１１】
2009505406.tif 000013
【図１２】
2009505406.tif 000014
【図１３】
2009505406.tif 000015
【図１４】
2009505406.tif 000016
【図１５Ａ】
2009505406.tif 000017
【図１５Ｂ】
2009505406.tif 000018
【図１６Ａ】
2009505406.tif 000019
【図１６Ｂ】
2009505406.tif 000020
【図１７】
2009505406.tif 000021
【図１８】
2009505406.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成20年4月1日(2008.4.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザパルス履歴を受信し保持するように動作可能なメモリと、
画素値を受信するように動作可能なビデオインタフェースと、
デジタル−アナログコンバータと、
デジタル−アナログコンバータに結合されるレーザ駆動装置と、
レーザ駆動装置に結合されるレーザと、
ビデオインタフェース、メモリ、およびデジタル−アナログコンバータに結合されるプロセッサと、
を備えるレーザ制御装置であって、
プロセッサがビデオインタフェースから画素値を受信し、
メモリからレーザパルス履歴を読取り、
レーザパルス履歴と画素値の関数として、レージングおよび非レージング部を含むレーザパルススケジュールを作製し、
デジタル−アナログコンバータにレーザパルススケジュールを書込み、
画素値をメモリに書き込んでレーザパルス履歴を更新する
ように動作可能であることを特徴とするレーザ制御装置。
【請求項２】
レーザパルススケジュールの非レージング部がレーザのレージング閾値未満の値を含むことを特徴とする、請求項１のレーザ制御装置。
【請求項３】
レーザパルススケジュールの非レージング部がレーザの応答時間より短いオンパルスを含むことを特徴とする、請求項１のレーザ制御装置。
【請求項４】
レーザパルススケジュールの非レージング部がレーザのロールオーバ閾値を超える値を含むことを特徴とする、請求項１のレーザ制御装置。
【請求項５】
レーザが周期的視界を有し、レーザパルススケジュールの非レージング部が、レーザの視界外にあるように時間を合わせるレーザパルスを含むことを特徴とする、請求項１のレーザ制御装置。
【請求項６】
レーザが非レージング電流路を含み、レーザパルススケジュールの非レージング部が非レージング電流路に電流を供給するように構成されることを特徴とする、請求項１のレーザ制御装置。
【請求項７】
レーザがＳＨＧレーザを含むことを特徴とする、請求項１のレーザ制御装置。
【請求項８】
レーザパルススケジュールの非レージング部が、レーザの温度を略一定に維持するように選択されることを特徴とする、請求項１のレーザ制御装置。
【請求項９】
レーザが複数のモードによって特徴付けられ、レーザパルススケジュールの非レージング部が複数のモードのうちの１つを維持するように選択されることを特徴とする、請求項１のレーザ制御装置。
【請求項１０】
ビデオインタフェースから受信した画素値が未来の画素値を含むことを更に備えることを特徴とする、請求項１のレーザ制御装置。
【請求項１１】
レーザビーム放射の所望のパターンに対応する第１のレーザ装置変調パターンを受信するステップと、
レーザビーム放射の所望のパターンとレーザ装置パワー放散の所望のパターンとに対応する第２のレーザ装置変調パターンを第１のレーザ装置変調パターンから決定するステップと、
第２のレーザ装置変調パターンを出力するステップと、
を備えることを特徴とする、レーザ制御方法。