專利名稱：檢測和校正多激光束不對準的制作方法
背景技術：
在投影顯示應用中，不希望有的激光束偏差特別成問題，其中光束不對準可能顯著地降低圖像質量。在激光投影系統中，光學元件可能隨時間而移位，導致相應的不希望有的激光束光路偏差，從而降低顯示質量。消費者需要的是可靠的高質量顯示。
示范性的投影顯示系統包括多個同軸激光束，其中有紅、藍、綠激光束。控制器采用圖像信息來產生控制信號，所述信號被供給一個或多個光調制器和掃描器。光調制器選擇性地對每個光束的強度進行調制，按照從控制器接收的控制信號來調整多個同軸光束的整體顏色。掃描器(投影光學裝置)則將調制后的光束投射到屏幕上，在預定屏幕位置上形成點(像素)。通過光調制器和相關的控制信號掃描整個屏幕并選擇性地控制每個像素的顏色，從而顯示所需的圖像信息。
同軸光束與理想光軸不重合降低了光束在屏幕上的會聚度，從而降低了圖像質量。此外，光束不對準可能妨礙光調制器輸入面的照度，導致顯示亮度降低，圖像不自然，而且妨礙精確的不均勻度校正，從而造成所不希望有的屏幕亮度方面的像素間差異。
采用多光束的激光應用相對較新，而用于自動對準多個激光束的光束取向系統開發遲緩。用于將各個激光束與預定的光軸對準的系統和方法在現有技術中是已知的。但遺憾的是，現有系統通常無法精確和自動地檢測光束不對準以及重新對準多個激光束或靠近的平行光束組。
因此，現有技術中需要一種自動檢測和校正激光束不對準的有效系統和方法。還需要一種系統，它可以有效和自動地檢測和校正被沿著預定光軸引導的多光束的不對準。
在更具體的實施例中，所述系統還包括用于自動校正檢測到的不對準的機構。第一機構包括用于對多光束進行采樣并且對此作出響應而提供分離的多光束的機構。用于采樣的機構包括準直透鏡或拾取分束器。各個分光束包括紅光束、綠光束和藍光束。色輪選擇性地從分開的多光束中分離出紅、綠和/或藍光束并且對此作出響應提供分離的分光束作為輸出。分束器將分離的分光束分成第一分光束和第二分光束，并且分別沿第一光路和第二光路引導第一分光束和第二分光束。第一光路終止于第一檢測器，而第二光路止于第二檢測器。第一和第二光路的長度相差預定的距離。第一控制算法在所述預定距離的基礎上將第一分光束在第一檢測器上的相對位置與第二分光束在第二檢測器的位置進行比較，并隨之提供光束偏差信號。第二控制算法驅使光束偏差校正系統對所述多光束就由與分離的光束相關的光束偏差信號表示的光束偏差進行校正。
在第一替代實施例中，第一光路穿過第一電可控快門，從第一反光鏡折回，反向穿過所述分束器，然后達到單一檢測器的表面。第二光路穿過第二電可控快門，從第二反光鏡折回，反向穿過所述分束器，然后達到單一檢測器的表面。第二機構包括計算機，用于提供控制信號以便借助第一和第二電可控快門選擇性地關閉第一和第二分光束，以在所述單一檢測器表面上分別形成第一和第二光點。所述計算機分析第一和第二光點的位置來測量與所述分離的光束相關的光束偏差或不對準。
在第二替代實施例中，用于使樣品改變方向的機構包括與第二拾取分束器串聯的第一拾取分束器，用于分別把多光束中的第一樣品的方向改變為沿著第一光路、而把多光束中的第二樣品的方向改變為沿著第二光路。第一光路穿過第一色輪并終止于第一檢測器的表面。第二光路穿過第二色輪并終止于第二檢測器的表面。第一和第二光路具有預定的不同長度。控制器控制第一和第二色輪，并計算與從第一和第二色輪輸出的分離的光束相關的光束不對準。
第一機構使本發明的新穎的設計更為方便，它使多個激光束的各個分光束可以被自動和選擇性地分離、并就光束位置以及與理想光軸的方向偏離進行分析。在檢測到分光束偏差之后，接著就可以校正它們，以獲得精確對準的多光束。因此，通過采用本發明的多光束偏差檢測和校正系統，需要多個精確對準的激光束的隨伴激光投影系統和其他實際應用可以更有效和更可靠地工作。
圖2是根據本發明原理構造的順序激光投影系統。
圖3是說明

圖1和圖2的多光束偏差檢測系統所運用的光束偏差原理的示意圖。
圖4是說明圖1和圖2的多光束偏差檢測系統的更詳細的示意圖。
圖5是說明圖4的多光束偏差檢測系統的第一替代實施例的示意圖。
圖6是說明圖4的多光束偏差檢測系統的第二替代實施例的示意圖。
圖7是顯示疊加的檢測器表面的示意圖，它說明圖4-6的多光束偏差檢測系統所檢測到的偏差效應。
圖8是由圖4-6的多光束偏差檢測系統和校正系統實現的方法的流程圖。
發明的詳細說明雖然本發明是參考針對某個特定應用的圖示實施例來說明的，但是顯然本發明并不局限于此。了解這里提出的原理的本專業的技術人員應該知道在本發明范圍內以及其中本發明具有重要應用的其他領域內的其他修改、應用和實施例。
圖1是根據本發明原理構造的激光投影系統10的示意圖，它具有獨有的多光束偏差檢測系統12和偏差校正系統14。為簡明起見，圖1中未顯示諸如電源和圖像輸入裝置的各種部件，但是了解本發明的本專業的技術人員應知道實現附加的必需部件的位置和方式。
激光投影系統10包括紅色激光器16、綠色激光器18和藍色激光器20，它們分別將輸出激光束提供給第一組照明光學裝置22、第二組照明光學裝置24和第三組照明光學裝置26。第一組照明光學裝置22、第二組照明光學裝置24和第三組照明光學裝置26分別向紅色光調制器28、綠色光調制器30以及藍色光調制器32提供輸出。光調制器28、30和32向光束組合器34提供輸出。光束組合器34將沿近似相同光軸方向的多光束輸出到拾取透鏡36，所述透鏡將近似同軸的多光束提供給光束偏差檢測系統12和光束偏差校正系統14。光束偏差檢測系統12和光束偏差校正系統14通信。就分光束不對準或偏差而已經進行了校正的多個近似同軸光束被輸入到投影光學裝置38。控制器40接收顯示數據42作為輸入并將控制輸入信號提供給光調制器28、30和32并且提供給投影光學裝置38。投影光學裝置38將近似同軸的多光束輸出到顯示屏幕44。
雖然所述多光束可能具有多個平行的分光束，但是這里討論的激光投影應用通常采用其分光束沿近似相同光軸傳播多光束，所述光軸對應于多光束的理想光軸。通常，對于這里討論的激光投影應用，多光束不會顯著偏離理想光軸而導致一個或多個分光束脫離本發明所采用的各種光學裝置(如拾取透鏡36)的輸入表面。
工作時，照明光學裝置22、24和26分別對從紅色激光器16、綠色激光器18和藍色激光器20輸出的紅色、綠色和藍色激光進行成形處理，準備分別輸入到光調制器28、30和32。紅色、綠色和藍色光束分別通過照明光學裝置22、24和26進行成形處理(通常根據光調制器28、30和32的輸入表面的尺寸)，以便使光調制器28、30和32接收的激光能量最大化。
控制器40利用顯示數據42來產生控制信號，用于控制光調制器28、30和32。控制信號控制光調制器28、30和32選擇性地根據要顯示的圖像數據42調節或調制紅色、綠色和藍色激光束的亮度分布。然后通過光束組合器34將調制后的激光束組合成具有近似相同光軸的多光束。
顯示數據42通常被劃分成不同顏色的像素。采用分別借助光調制器28、30和32逐一地控制每個紅色、綠色和藍色激光束的亮度分布的方法，建立給定像素的顏色，所述顏色對應于光束組合器34輸出的組合的多光束顏色。
通過拾取透鏡36拾取光束組合器34輸出的調制的多光束的小部分，對其進行重新導向或采樣，并將其發送到光束偏差檢測系統12。多光束的其余部分被輸入到光束偏差校正系統14。
本專業的技術人員應知道，可以采用除拾取透鏡36之外的機構，如分束器來拾取光束組合器34輸出的一部分，而不會背離本發明的范圍。再者，拾取透鏡36所拾取的多光束能量的一部分是針對具體應用而定的，本專業的技術人員可以確定它，以便滿足給定實際應用的需要。
光束偏差檢測系統12分析拾取的多光束來判斷紅色激光分量、綠色激光分量和/或藍色激光分量是否適當地與所述多光束相關的一個或多個預定的理想光軸對準。紅色、綠色或藍色分光束偏離一個或多個理想光軸的量由光束偏差檢測系統12確定，所述系統隨之向光束校正系統14提供控制信號。光束偏差校正系統14對各分光束的光軸進行調節，以消除如光束偏差檢測系統12所指示的、偏離所述多光束的一個或多個理想光軸的不希望有的分光束偏差。
在光束偏差檢測系統12和光束偏差校正系統14之間存在一條閉環反饋光路，以便消除光束偏差。本專業的技術人員應知道，通過光束偏差檢測系統12和光束偏差校正系統14實現的光束對準控制系統可以通過非閉環控制方法的開環控制方法來實施，而不會背離本發明的范圍。
在多光束適當地與一個或多個理想光軸對準之后，已對準的多光束被輸出到投影光學裝置38。投影光學裝置38將所述多光束射向顯示屏幕44。當光調制器28、30和32調節組合的多光束的顏色時投影光學裝置38快速掃描顯示屏幕44，從而產生在顯示屏幕44中顯示的所需的圖像。因此，通過借助投影光學裝置38選擇性地相對于顯示屏幕44確定調制后的多光束的方向、并且根據控制器所接收的圖像信息借助光調制器28、30和32調制所述多光束，在屏幕44上顯示所需的圖像。
激光器16、18和20，照明光學裝置22、24和26，光調制器28、30和32，光組合器34、拾取透鏡36，控制器40，投影光學裝置38和顯示屏幕44的構造在現有技術中是眾所周知的。例如，投影光學裝置38可以通過具有由第一和第二反射鏡(未顯示)提供的兩個自由度的掃描器來實現，所述第一和第二反射鏡分別具有其取向由從控制器40接收控制信號的電動機(未顯示)控制的第一和第二旋轉軸。示范性的掃描器為美國專利4213146標題為“用于光束顯示的掃描系統”中所公開的，此處作為參考引入。
本發明的最佳實施例采用由Silicon Light Machines公司制造的光柵光閥(GLV)。此類調制器需要約1英寸×25微米的光束。這些調制器在如下網址可獲得的文檔中以及在諸如美國專利5841579(此處作為參考引入)的專利文檔中有詳細的說明。下文將更詳細地討論光束偏差檢測系統12和光束偏差校正系統14。
圖2是根據本發明原理構造的順序顏色調制器投影機50的示意圖。在投影機50中，紅色激光器16、綠色激光器18和藍色激光器20提供射向光束組合器34的對應紅色、綠色和藍色輸出光束。光束組合器34的輸出是由輸入到拾取透鏡36的紅色、綠色和藍色光束組成的多光束。拾取透鏡36的輸出被提供給光束偏差檢測系統12和光束偏差校正系統14。光束偏差校正系統14的輸出被輸入到色分離器52，后者順序地將紅色、綠色和藍色光束輸出到照明光學裝置54。照明光學裝置54順序地將成形的紅色、綠色和藍色光束輸出到順序光調制器56。順序光調制器56的輸出被輸入到順序投影光學裝置58。控制器40接收顯示數據42并將對應的控制信號提供給所述順序光調制器56和順序投影光學裝置58。
工作時，光束偏差檢測系統12和光束偏差校正系統14分別檢測和校正來自光束組合器34的多光束輸出與理想光軸的任何分光束不對準。已校正的多光束被提供給色分離器52，后者借助于色輪或相關的機構順序地分離出紅色、綠色和藍色光束。照明光學裝置54逐一地對輸出的紅色、綠色和藍色光束進行成形處理，并將成形的光束提供給順序光調制器56。所述順序光調制器56根據顯示數據42順序地對所接收到的紅色、綠色和藍色光束進行調制，所述顯示數據是由從控制器40接收到控制信號表示的而由控制器40控制的數據。然后，所述順序投影光學裝置58隨即將相應的單一紅色、綠色和藍色光束投射到顯示屏幕44上，以顯示所需的圖像。
本專業的技術人員應該知道激光器18、18和20可以被用于產生光束的其他機構替代，如發光二極管和準直器，而不會背離本發明的范圍。
圖3是說明圖1和圖2的多光束偏差檢測系統12所采用的光束偏差原理的示意圖。圖3說明與多光束光源74相距不同距離的第一檢測器70和第二檢測器72的表面上分光束分離情況的差異，所述多光束光源74分別投射完全相同的第一組和第二組多光束76和78，后者分別具有偏轉分光束80和82。分光束80和82分別按照與對應的理想光軸84和86成某個角度偏轉。
第二檢測器72定位于相距多光束發生器74為2x的距離；而第一檢測器70定位于相距多光束發生器74為x的距離，所述距離為多光束發生器74與第二檢測器72之間距離的一半。由此，在第一檢測器70的表面，第一偏轉光束80的中心偏離對應的理想光軸84的距離為y。第二檢測器72表面上的第二偏轉光束82的偏離量為2y，它是第一檢測器70表面上第一偏轉光束80的偏離量的兩倍。對于第一偏轉光束80和第二偏轉光束82，偏轉角度是相同的。因此，檢測器70和72表面上的偏轉光束80和82的偏轉距離之比(y和2y)與它們與多光束發生器74的距離(x和2x)成正比。因此，y/x＝2y/2x＝tan。
如果疊加來自第一檢測器70和第二檢測器72的信息，疊加的檢測器表面應該會有兩個位置偏離理想光軸的偏差光點。一個光點應對應于與第一偏轉光束80有關的偏轉，而另一個光點應對應于與第二偏轉光束82有關的偏轉。第一光點應位于第二偏轉光點與理想光軸之間的中間位置。由于預先已知第一偏轉光束80的路程相當于第二偏轉光束82路程的一半，所以很容易計算所述光束相對于垂直于所述理想光軸的平面在二維空間中偏轉的角度。
如果只存在一維光束偏轉，如只是角度偏轉，則只需要一個檢測器即可計算偏轉角度(＝arctan(y/x))。但是，光束可能相對于垂直于理想光軸的平面以二維方式偏轉。例如，光束可能會平行于理想光軸發生偏移。因此，需要第二檢測器來提供附加自由度，以精確地指定光束偏轉。雖然最佳實施例使用的是兩個檢測器，但是任何數量的檢測器均可采用。
圖1和圖2的光束偏差檢測系統12順序地從多激光束中分離出紅色、綠色和藍色分光束，并將各個分光束分到兩個不同長度的光路中。不同長度光束光路產生不同的光束偏轉位置，這一點被利用來計算給定的分光束偏離與所述多光束相關的一個或多個理想光軸的偏轉，下文給予更全面的討論。
圖4是說明圖1的多光束偏差檢測系統12的最佳實施例的更詳細的示意圖。為簡明起見，圖1可能未顯示多個部件，但是了解本發明原理的本專業的技術人員應該知道其它必需的部件的實施位置和實施方式。
拾取透鏡36分出多光束的一小部分，將其輸入到多光束偏差檢測系統12的色輪。其余的光束從拾取透鏡輸出，并輸入到光束偏差校正系統14。應當指出，雖然此處討論的光束校正雖然是在光束拾取之后進行的，但是此類校正在光束拾取前執行可能更為有利。此外，本發明的一個設想實施例在制造多光束設備時由廠方完成光束不對準檢測和校正。在后一種情況中，商用設備并不附帶包括任何不對準檢測或不對準校正電路。
色輪90從具有色輪控制器94和光束校正控制器96的計算機92接收控制輸入信號。控制器94和96可以以軟件方式實現。或者，色輪90響應從運行于計算機92中的色輪控制器94接收的控制信號，從所接收的多光束中分離出紅色、綠色和藍色光束。色輪90一次一個將光束輸出到分束器98，后者將單個光束分成第一光路100和第二光路102。第一光路100穿過聚焦透鏡104，后者將光束聚焦在第一光學檢測器70上。第二光路102穿過第二聚焦透鏡108，后者將與第二光路相關的光束聚焦在第二光學檢測器72上。多光束偏差檢測系統12的各種光學裝置的輸入表面的取向，例如色輪90、分束器98和檢測器70和72的輸入表面的取向與輸入光束的理想光軸垂直。
在本實施例中，檢測器70和72通過檢測器陣列、諸如電荷耦合器件(CCD)陣列或其它焦平面陣列實現。檢測器70和72分別輸出表示與光路100和102相關的光束在檢測器70和72的表面上的位置的信號。對于每一個檢測器70和72的表面，計算出每一個檢測到的光束的形心(centroid)，并將其提供給運行于計算機92上的光束校正控制器96。光束校正控制器96根據檢測器70和72表面上的光束形心的位置計算從色輪90輸出的分光束的偏差量。然后，光束校正控制器96產生適當的控制信號，并將其提供給光束偏差校正系統14來重新對準分光束。
應當指出，將CCD陣列用作檢測器使系統可以檢測非旋轉對稱光束(例如線光束或方形光束)是否失去旋轉對準。
光束校正控制器96與檢測器70和72通信。在本特定實施例中，光束校正控制器96是以計算機92上運行的軟件來實現的。光束校正控制器96和光束偏差校正系統14利用從光束偏差校正系統14到光束校正控制器96的反饋實現閉環控制系統。在利用偏差校正系統14對給定分光束進行光束對準校正之后，光束偏差系統14請求按照光束校正控制器96確定的進行光束偏差的更新。光束偏差校正系統14繼續調整，直到偏差量到零為止。在對準分光束之后，計算機92控制色輪90以便分離不同的光束用于校正。
光束偏差校正系統14和光束校正控制器96可以實現開環控制算法，而不會背離本發明的范圍。例如，可以省略來自光束偏差校正系統14和光束校正控制器96的反饋。
光束偏差校正系統14根據以下原理工作可以通過提供足夠自由度的反射鏡或其他機構將光束與給定的光軸對準。本專業的技術人員可以將傳統的光束對準系統設置為配合本發明使用，而不會背離本發明范圍。光束偏差校正系統14包括色輪90或其他用于從接收到的多光束中選擇需要校正的光束的光束選擇系統。然后，由來自光束校正控制器96的控制信號驅動的通信電動機中具有水平和垂直軸的兩個反射鏡就可以將分光束與理想的預定光軸對準。
Gene F.Franklin、J.David Powell和Abbas Emami-Naeini所著的一書(標題為“動態系統的反饋控制”第二版，由Addison Wesley于1991年出版)描述了通用的控制原理，本專業的技術人員可以很容易地運用于構造控制器94和96的專用細節，可用于借助光束偏差校正系統14使用的位置可控制的光束對準反射鏡的系統來消除所測得的光束偏差。
在本特定實施例中，第一光路100長度為第二光路102長度的一半。本專業的技術人員應知道，光路的102和100的長度是針對實際應用而定的，也可以不同于本實施例中采用的2比1的關系，而不會背離本發明的范圍。
雖然多光束偏差檢測系統12順序地校正從色輪90輸出的紅色、綠色和藍色分光束的取向和位置，但是本發明可以很容易地適合于以并行方式進行校正以達到光束對準。在這種情況下，所述色輪可以由另一種以并行而非順序方式從多光束中分離出紅色、綠色和藍色光束的裝置代替。
了解本發明原理的本專業的技術人員可以開發用于從多光束分離出分光束的系統。采用一個或多個附加分束器(未顯示)并且選擇性地設置紅色、綠色和藍色濾光器的簡單裝置可以用來象色輪90所進行的那樣以并行或順序方式分離出紅色、綠色和藍色光束。
另一方面，可以用按照分光束偏振來分離分光束的裝置代替色輪90。例如，可以通過選擇性地設置反向偏振濾光器從多光束中分離出反向偏振光束。例如，一個偏振濾光器可以讓第一分光束通過，而阻止第二光束；而另一個偏振濾光器可以讓第二光束通過而阻止第一光束。或者通過利用第一和第二偏振濾光器，可以從相關的多光束分離出第一和第二光束。
本專業的技術人員還應知道，多光束可以具有與多個理想的平行光軸對準的多個平行激光束，而非同軸光束，而不會背離本發明的范圍。平行光束可以與一個或多個預定的理想光軸、而非僅一個光軸對準。再者，本專業的技術人員應知道，光束偏差檢測系統12可以利用圖2的色分離器52或圖2的順序光調制器56所采用的其他色輪(未顯示)，來替代色輪90，而不會背離本發明的范圍。
多光束偏差檢測系統12包括用于從主光束分離出要校正的光束的機構(90)和用于將對應的分光束與預設的光軸重新對準的機構(14)。通過光束校正控制器96和/或另一種在光束偏差校正系統14中實現的控制器(未顯示)實現的控制算法消除了檢測到的光束偏差。
因此，多光束偏差檢測系統12和光束偏差校正系統14自動將不同顏色的多個激光束沿同一個光軸對準。
多光束偏差檢測系統12利用色輪90或類似的裝置、第一光電檢測器70、第二光電檢測器72和50％分束器98。色輪90順序地從多光束中選擇各顏色光束。檢測器70和72則檢查每個光束在檢測器70和72表面上彼此之間的相對位置。利用位于不同位置的兩個檢測器70和72，可以檢測到任何光束中光束位置上的任何顯著橫向偏移或角度改變。
光束位置和指向檢測系統12中包括色輪90，這允許對沿同一個光軸的但不同顏色的若干光束順序地就其位置、指向和角度穩定性進行監視。色輪90可以與其他測量技術結合，而不會背離本發明的范圍。
視圖1的投影系統10的具體設計而定，可能需要準直透鏡36來準直分光束，也可能不需要。準直后的光照射色輪90的一部分，在本實施例中，色輪90一次只允許一種顏色通過。色輪90由計算機9 2中運行的色輪控制器94控制或由圖1的投影機10中的另一個部件發出的同步信號(未顯示)控制。
從色輪90輸出的分光束遇到50％非偏振分束器98，所述分束器允許一半的光通過并使另一半在垂直方向上發生偏移。所得到的光束然后遇到聚焦透鏡104和108，這些聚焦透鏡分別將光聚焦于各光電檢測器70和72。分束器98與兩個檢測器70和72之間距離的差別足以檢測到分光束角度的改變，以便充分校正分光束的不對準。
每個光電檢測器70和72是二維陣列，其中光強度分布產生提供這些點的兩種尺寸的對應的電壓或電流信號。到達第一檢測器70的光經過的光路100比到達第二檢測器72的光72所經過的光路短。因此，當第二檢測器72上的光束位置有較大變化時，檢測到分光束相對于理想光軸的顯著的角度變化。如果光束被偏移到與所述光軸平行的光路，則在檢測器70和72上檢測到的位置改變將近似相等。
計算機92分析所得到的信息。利用每一個檢測器70和72上的光束分布計算各檢測器平面的中心點(形心)。然后計算這兩點之間的直線的方程，以便判斷光束偏差。此處理過程對于各顏色光束是獨立執行的。通過比較與每種顏色相關的形心在檢測器70和72上的位置，可以測量出光束在顯示屏幕上的收斂度。通過把直線方程和形心與一個或多個參考點比較，可以計算屏幕上分光束的絕對位置。如果分光束改變位置，則計算機92可以遙控在光束偏差校正系統14中實現的反射鏡系統來校正光束的位置和/或取向。
圖5是說明圖4的多光束偏差檢測系統12的第一替代實施例12’的示意圖。輸入分束器120分出主輸入多光束的小部分、例如代表所述多光束能量的1％的小部分，并將所述小部分提供給輸入準直透鏡122。其余99％的多光束被輸入到光束偏差校正系統14。從第一準直透鏡122輸出的準直多光束被輸入到色輪90，所述色輪90響應從計算機124接收到的控制信號順序地選擇和輸出紅色、綠色和藍色分光束到50％分束器98。計算機124類似于圖4的計算機92，不同之處在于計算機124包括附加的快門控制器126。快門控制器126分別通過第一電可控快門132和第二電可控快門134選擇性地關閉從所述50％分束器98輸出的第一分光束128和第二分光束130。
當多光束偏差檢測系統12處于第一方式時，第一快門132打開，而第二快門134關閉。當第一快門132打開時，第一分光束128從50％分束器98沿第一光路通過第一聚焦透鏡108并到達第一反射鏡136的表面。第一分光束128被第一反射鏡136反射，反向通過聚焦透鏡108，接著反向通過分束器98，通過第一聚焦透鏡138，然后到達單個檢測器140。檢測器140記錄分光束128照射在檢測器140表面上的位置。然后計算機124通過在光束校正控制器96中實現的軟件計算檢測器140表面上的照射光束的形心的位置。然后將所述形心的位置存儲在與計算機124相關的存儲器(未顯示)中。
當多光束偏差檢測系統12處于第二方式時，第二快門134打開，而第一快門132關閉。第二分光束130穿過第二快門134、經由第二聚焦透鏡104到達第二反射鏡142的表面，然后沿同一光路返回到50％分光束98。50％分束器98將第二分光束130的50％返回到第三聚焦透鏡138，然后到達單個檢測器140的表面。檢測器140記錄所述照射光束、并隨之向計算機124提供信號。所述計算機則利用標準形心計算方法計算照射光束在檢測器140表面的形心位置。第一分光束128經由的光程長度與第二分光束130所經由的光程長度相差預定距離。將對應于第二分光束130的光束形心位置與第一分光束128相關的形心位置進行比較，與所述第一分光束128相關的形心位置先前存儲在計算機124的存儲器(未顯示)。光束校正控制器96執行所述比較操作。光束校正控制器96計算色輪90輸出的分光束與理想光軸的偏離。所述偏離量與檢測器140表面的形心位置以及與第一分光束128和第二分光束130相關的光程長度之差存在函數關系。光束偏差校正系統14響應從光束校正控制器96接收的控制信號而消除計算的光束偏差。色輪控制器94控制色輪90的輸出，并確定選擇哪個輸入的多光束的分光束用于對準操作。
基于討論的目的，術語色輪指任何可以根據分光束顏色并響應從控制器(如色輪控制器94)接收的控制信號選擇性地輸出包括多種顏色光束的多光束的各個分光束的機構。了解本發明的本專業的技術人員可以容易地構建這種裝置、修改現有技術裝置或指令一個裝置執行這些功能。
本專業的技術人員應知道，第一聚焦透鏡108和第二聚焦透鏡104可以被省略，而不會背離本發明的范圍。再者，可以用不同的分束器、如40-60％分束器來替代50％分束器98，而不會背離本發明的范圍。
色輪90可以用于其他位置檢測裝置，下文將有更詳細的討論。再者，光電檢測器的數量可以有所不同。如果只采用一個光電檢測器，則可能需要一些改變檢測器光程長度的裝置。在圖5所示的配置中，采用一對快門132和134來交替地阻擋與光束128和130相關的兩個不等長度的光路之一。
對于更靈敏的測量方式，可以在色輪90之后采用干涉儀(未顯示)，如馬赫-策恩德干涉儀。干涉儀產生其條紋可被檢測到的干涉圖案。激光束的相對相位的任何改變會使所述條紋圖案相應地移位，這可以用來計算光束位置和/或指向，并相應地確定光束偏離理想光軸的偏差。
本專業的技術人員應知道，在通過色輪90或類似機構分離出一個或多個分光束之后，可以適當地修改和采用各種用于校正單一光束的不對準的傳統的光束偏差檢測和對準系統(未顯示)，以替代此處所述的系統，而不會背離本發明的范圍。
因此，光束偏差檢測系統的另一種配置12′采用兩個遙控的快門132和140、兩個附加的反射面(反射鏡)136和142以及唯一一個檢測器140。多個拾取激光束穿過第一準直透鏡122(對于某些實際應用來說可能并不需要它)。所得到的準直光束穿過色輪90和第二非偏振分束器98。在此配置中，離開第二分束器98的兩個光束128和130分別遇到第一或第二快門132和140，在某一時刻，這兩個快門中僅一個是打開的。
當打開時，快門132或134允許光束分別透射到對應的反射鏡136或142，然后反射而反向穿過打開的快門132或134，反向穿過第二分束器98，然后到達第三聚焦透鏡138，其中第三聚焦透鏡138將光束聚焦于單一檢測器140上。第二分束器98與兩個反射面136和142之間距離的差別足以檢測到光束的角度改變。
通過交替打開快門132或134，可以順序地而不是并行地測量沿光路的兩個點，如在上述圖4的配置中那樣。
圖6是說明圖4的多光束偏差檢測系統的第二替代實施例12″的示意圖。多光束偏差檢測系統12″包括串聯方式的第一拾取分束器150和第二拾取分束器152。第一拾取分束器150的拾取輸出被輸入到第一準直透鏡154，第一準直透鏡154的輸出被提供給第一色輪156。第一色輪156與運行于計算機92中的色輪控制器94通信。第一色輪156的輸出指向第一檢測器70的表面，所述檢測器則向計算機92提供電輸出。
從第一拾取分束器150輸出的其余多光束輸入到第二拾取分束器152。第二拾取分束器152將第二拾取光束輸出到第二準直透鏡158。其余光束輸入到光束偏差校正系統14。第二拾取光束由第二準直透鏡158進行準直，并被輸入到第二色輪162，所述第二色輪162與運行于計算機92的色輪控制器94進行通信。第二色輪160的輸出射向第二檢測器72的表面，所述檢測器則向計算機92提供電輸出信號。計算機92與光束偏差校正系統14進行通信，如上所述。如上所述，本發明的系統可以根據需要采用任何數量的檢測器和任何數量的光束，用于或者在相關設備制造期間、或者在操作之前或之后(例如在制造時或在維修或維護時)檢測和/或校正不對準。
工作時，第一色輪156和第二色輪160從輸入的多光束選擇相同的分光束用于分析。例如，如果第一色輪156選擇藍色光束作為輸出，則第二色輪160也將選擇藍色光束作為輸出。
從第一拾取檢測器150至第二檢測器170表面的光束的光程長度短于從第一拾取分束器150的第二輸出表面至第二檢測器72的表面的光束的光程長度。因此，色輪156和160所選擇的光束按檢測器70和72表面上的不同量偏轉。光束校正控制器96分析此偏轉或偏差的性質，光束校正控制器96產生提供給光束偏差校正系統14的控制信號，隨之校正任何檢測到的光束不對準。
因此，第二替代實施例12″采用兩個色輪156和160和兩個光電檢測器70和72。在對應于第一拾取分束器150和第二分束器152的兩個不同點從多光束分離出到達檢測器70和72的光束。這兩個點足夠地分開，使得檢測器70和72以及相關計算機92可以精確地測量光束在位置和角度上的偏差。
圖7是顯示疊加的檢測器表面170的示意圖，說明圖4-6的多光束偏差檢測系統12、12’和12”所檢測到的、由與x-y平面成45度角度以及與理想y-z平面成45度角度的示范性光束偏差所導致的偏差效應，其中y軸是多光束的理想光軸。第一點172對應于第一分光束在第一檢測器(如圖4的檢測器70)的表面(x-z平面)上的位置。第二點174對應于第二分光束在第一檢測器(如圖4的檢測器72)的表面(x-z平面)上的位置。第二點174偏離理想光軸y軸的偏差為第一點172的偏差的兩倍(2h對h)。通過計算由第一點172和第二點174之間的直線176形成的角度，則容易確定分光束在x-z平面偏離x軸和/或z軸的角度。通過分析點172和174與原點(x、y、z交點)之間的距離，也很容易確定與分光束相關的任何偏移量。
圖8是本發明的光束偏差檢測和校正方法180的流程圖。在開始的拾取步驟182，從主多光束組拾取要執行對準操作的一小部分多光束。然后，控制流程轉到分光束分離步驟184。
在光束分離步驟184，分離出拾取的多光束的一個或多個分光束，以備光束對準檢查之用。然后，控制流程轉到分光步驟186。
在分光步驟186，將一個或多個分離出的分光束分成終止于一個或多個檢測器表面的不同長度的兩個獨立光路。然后，控制流程轉到偏差計算步驟188。
在偏差計算步驟188，以硬件或軟件方式實現的控制算法根據被沿著兩個獨立光路引導的分離的分光束在一個或多個檢測器表面上的位置計算一個或多個分離的分光束的偏差。然后，控制流程轉到光束校正步驟190。
在光束校正步驟190，將一個或多個分光束重新對準，以便消除與分離出的分光束相關的任何偏差或不對準。
因此，本發明是參考某個特定實際應用的特定實施例來描述的。了解本發明原理的本專業的技術人員應知道其他修改、實際應用和實施例均應歸于本發明范圍內。例如，雖然具體參考的是同軸激光的多光束，但是本發明的特點還可以運用于其他類型的光束，甚至是非同軸的多光束。雖然說明書討論的是可見光，但是本發明可以運用于多光束形式的任何能量，如紅外或紫外波長。
因此，所附權利要求用來涵蓋本發明范圍內的任何和所有此類的應用、修改和實施例。
權利要求
1.一種用于檢測分光束與光軸的偏離的系統，所述分光束與多光束相關，所述系統包括第一裝置，用于自動選擇性地從所述多光束分離出各個分光束，并隨之輸出每一個所述單獨的分光束；以及第二裝置，用于檢測從所述第一裝置輸出的單獨的分光束的相對于所述光軸的不對準。
2.如權利要求1所述的系統，其特征在于還包括用于自動校正所述不對準的裝置。
3.如權利要求1所述的系統，其特征在于所述第一裝置包括用于改變所述多光束的樣品的方向并隨之提供分離的多光束的裝置。
4.如權利要求3所述的系統，其特征在于用于改變樣品方向的所述裝置包括準直透鏡。
5.如權利要求3所述的系統，其特征在于用于改變樣品方向的所述裝置包括拾取分束器。
6.如權利要求3所述的系統，其特征在于所述各個分光束包括紅色光束、綠色光束和藍色光束。
7.如權利要求6所述的系統，其特征在于所述第一裝置包括色輪，用于自動選擇性地從所述各分開的多光束分離出所述紅色、綠色和/或藍色光束并隨之輸出分離出的分光束的裝置。
8.如權利要求7所述的系統，其特征在于所述第二裝置包括分束器，用于將所述分離出的分光束分成第一分光束和第二分光束、并分別沿第一光路和第二光路引導所述第一分光束和所述第二分光束。
9.如權利要求8所述的系統，其特征在于所述第一光路終止于第一檢測器，而所述第二光路終止于第二檢測器。
10.如權利要求9所述的系統，其特征在于所述第一和第二光路的長度相差預定距離。
11.如權利要求10所述的系統，其特征在于所述第二裝置還包括第一控制算法，用于將所述第一分光束在所述第一檢測器上的相對位置與所述第二分光束在所述第二檢測器上的位置參照所述預定距離進行比較，并隨之提供光束偏差信號。
12.如權利要求11所述的系統，其特征在于所述第二裝置還包括第二控制算法，用于驅使光束偏差校正系統就與所述分離出的光束相關的所述光束偏差信號所指示的光束偏差進行校正。
13.如權利要求8所述的系統，其特征在于所述第一光路穿過第一電可控快門、從第一反射鏡反射、反向穿過所述分束器、然后到達單一檢測器的表面。
14.如權利要求13所述的系統，其特征在于所述第二光路穿過第二電可控快門、從第二反射鏡反射、反向穿過所述分束器、然后到達單一檢測器的表面。
15.如權利要求14所述的系統，其特征在于所述第二裝置包括計算機，用于借助所述第一和第二電可控快門選擇性地關閉所述第一和第二分光束、以便分別在所述單一檢測器的表面上形成第一和第二光點。
16.如權利要求15所述的系統，其特征在于所述第二裝置還包括計算機，用于分析所述第一光點和第二光點的位置以便測量與所述分離出的光束相關的光束偏差或不對準。
17.如權利要求3所述的系統，其特征在于用于改變樣品方向的所述裝置包括與第二拾取分束器串聯的第一拾取分束器，分別用于改變所述多光束的沿第一光路的第一樣品和沿第二光路的第二樣品的方向。
18.如權利要求17所述的系統，其特征在于所述第一光路穿過第一色輪并終止于第一檢測器表面，而所述第二光路穿過第二色輪并終止于第二檢測器表面，所述第一和第二光路具有預定的不同的長度。
19.如權利要求18所述的系統，其特征在于所述系統還包括控制器，用于控制所述第一和第二色輪并且用于計算與從所述第一和第二色輪輸出的分離出的光束相關的光束偏差。
20.一種用于檢測分光束相對于與多個分光束相關的光軸的偏差的系統，所述系統包括第一裝置，用于選擇性地從所述多個分光束分離出所述分光束，并隨之輸出每一個所述分光束；第二裝置，用于沿具有不同光程長度的第一和第二光路引導每個所述分光束；以及第三裝置，用于根據每個所述分光束測量偏離理想光軸的光束偏差。
21.一種用于檢測和補償偏離與多光束相關的各個分光束的一個或多個光軸的偏差的系統，所述系統包括第一裝置，用于選擇性地從所述多光束分離出所述各個分光束，并隨之輸出每一個所述分光束；第二裝置，用于檢測相對于從所述第一裝置輸出的單獨的分光束的所述光軸的不對準、并隨之提供控制信號；以及第三裝置，用于對所述控制作出反應而校正所述不對準。
22.如權利要求21所述的系統，其特征在于所述單獨的分光束包括不同顏色的光束。
23.如權利要求22所述的系統，其特征在于所述第一裝置包括用于選擇性地從所述多光束分離出所述不同顏色的光束的色輪。
24.如權利要求23所述的系統，其特征在于所述單獨的分光束包括紅色光束、藍色光束和綠色光束。
25.一種激光投影系統，它包括第一裝置，用于產生其多個分光束被沿著預定的光軸引導的多激光束；第二裝置，用于檢測所述分光束的對準偏差并隨之提供信號；第三裝置，用于響應所述信號而校正所述對準偏差；以及第四裝置，用于通過所述多個激光束顯示圖像。
26.如權利要求25所述的系統，其特征在于所述分光束包括紅色光束、綠色光束和藍色光束。
27.如權利要求26所述的系統，其特征在于所述第二裝置包括色輪，用于選擇性地分離出所述紅色、綠色和藍色光束并隨之周期性地輸出所述紅色、藍色和綠色光束。
28.如權利要求27所述的系統，其特征在于所述第二裝置還包括用于檢測與所述紅色、所述藍色或所述綠色光束相關的偏轉。
29.如權利要求28所述的系統，其特征在于所述用于檢測偏差的裝置包括用于選擇性地沿第一光路和第二光路引導所述紅色、藍色或綠色光束的裝置，所述第一光路和所述第二光路具有相差預定距離的光程長度。
30.如權利要求29所述的系統，其特征在于所述用于檢測偏差的裝置還包括用于根據與所述第一光路和所述第二光路相關的所述紅色、藍色或綠色光束的偏轉差別來計算所述紅色、藍色或綠色光束的偏轉的裝置。
31.如權利要求25所述的系統，其特征在于所述第四裝置包括投影光學裝置，用于選擇性地相對于激光顯示屏確定所述光軸的方向。
32.一種用于檢測與多個激光束相關的分光束的不對準的系統，所述系統包括具有輸入端和第一和第二輸出端的拾取裝置；與所述拾取裝置的所述第一輸出端進行通信的色輪；分束器，其輸入面朝向所述色輪的輸出面，所述分束器具有第一和第二輸出孔；第一光電檢測器，它朝向所述分束器的所述第一輸出孔并且位于與所述第一輸出孔相距第一距離的位置；第二光電檢測器，它朝向所述分束器的所述第二輸出孔并且位于與所述第二輸出孔相距第二距離的位置；與所述拾取裝置的所述第二輸出端進行通信的光束偏差校正系統；以及與所述第一和第二光電檢測器、所述光束偏差校正系統通信的計算機，并且所述光束偏差校正系統、所述計算機運行光束校正控制算法。
33.一種用于檢測和補償多個激光束的各個分光束偏離光軸的偏差的方法，所述方法包括如下步驟選擇性地從所述多光束分離出所述各個分光束并隨之輸出所述各個分光束中的每一個；檢測從所述第一裝置輸出的單獨的分光束的相對于所述光軸的不對準并隨之提供控制信號；以及對所述控制信號作出反應而校正所述不對準。
全文摘要
一種用于檢測與多個激光束相關的一個或多個單獨的分光束(16、18、20)偏離光軸的偏差的系統。在特定實施例中，所述系統包括自動校正(14)這些多光束中每個分光束的檢測到的偏差。光束拾取裝置，如拾取準直透鏡或分束器(36)改變多光束的樣品的方向，把分離的多光束提供給色輪(90)。分束器(98)將分離出的分光束分成第一分光束(100)和第二分光束(102)，并分別沿著終止于第一檢測器(70)的第一光路和終止于第二檢測器(72)的第二光路引導所述第一分光束和第二分光束。所述第一和第二光路的長度相差預定距離。在計算機(92)上運行的軟件將第一檢測器上的第一分光束的相對位置與第二檢測器上第二分光束的位置參照所述預定距離進行比較，并隨之提供光束偏差信號。
文檔編號G02B27/18GK1471624SQ01818099
公開日2004年1月28日 申請日期2001年8月15日 優先權日2000年8月30日
發明者E·W·馬休斯, E W 馬休斯 申請人:索尼電子有限公司