本发明涉及投影机设备技术领域，特别涉及一种对光源进行时序脉冲补偿的激光投影机。
背景技术：
现有投影机大多还是采用灯泡作为光源，主要有高强度气体放电光源、短弧疝灯、金属卤素灯等，少量采用“固态光源”SSI(包括LED光源和激光光源)，目前部分厂家也推出激光光源代替灯泡的投影设备，其中主要采用单色激光光源技术。
半导体激光作为发光光源，主要还是采用DLP投影技术，DLP投影机分单片DLP与3片DLP投影机2种。单DLP投影机在光源使用上有2种方式。一种是白光光源单DLP投影机，另一种是红、绿、蓝3色LED光源单DLP投影机。
白光单DLP投影机中单片DLP投影仪内部只安装一片DMD芯片，其光源可采用金属卤素灯、超高压汞灯所发出的白光或新光源(如LED灯)发出的REG三色。采用白光光源的单片DLP投影机通过在光源与DMD之间安装一个色轮产生REG三色色轮。色轮通常被分为四个区域：红区、绿区、蓝区和一个用来增加亮度的透明区域。由于透明区域会减弱色彩的饱和度，所以在某些型号的投影仪中可能会被禁用或者干脆省略掉。工作过程中，DMD芯片与色轮的转动保持同步，这样，当色轮中蓝色部分位于光源前面的时候，DMD就显示画面中蓝色的部分。红色和绿色的情况也非常类似。红、绿、蓝三种画面按照顺序以非常高的速度被投射出来，因此观察者就能看见合成的“全彩色”画面了。在早期的型号中，每显示一帧画面，色轮只旋转一周。后期的型号中，色轮按照帧速率的两到三倍旋转，其中也有一些型号同时将色轮上的颜色区域重复两次，这意味着红绿蓝三色序列图像将在一帧之中重复六次。
红、绿、蓝3色单DLP投影机则是采用了红绿蓝色基色的LED或者激光发光管作为投影机的光源，申请公布号CN 102520568A的专利文献公开了一种采用激光光源的DMD投影显示系统，采用含有3基色的至少三个激光光源，通过DLP控制系统的控制，点亮各单色光源，使投射到DMD上的光线，就像色轮转动产生的不同色彩的光线一样，这些光线经过DMD的反射，在屏幕上合成投影图像。这种控制方式，可以利用激光光源控制装置MCU的一个PWM端口，模拟生成色轮反馈波形，只要该波形与所模拟的色轮转动同步，就可以像传统的UHP光源投影系统一样得到正确的图像。上述装置通过三色激光光源的使用，降低了对专用软件系统和器件的依赖性，使激光光源的推广变得更加便捷和容易，降低了系统成本。
但是无论是采用单色还是三色的激光光源都存在光利用率低的问题，采用色轮的单DLP投影机，白光在通过色轮时，只能是相应的色彩能够通过，其它色彩就无法通过了，由于白光是由红、绿、蓝、3色组成，因此其光的利用率只能在33％左右；三色单DLP投影机，虽然没有了色轮，但其工作原理依然是3色光依次开光，即一种色彩发光时，另外2个色彩是不发光的，可见单DLP投影机的光利用率也只有33％左右。并且未利用的能量将会转化成热量，而热量又会对投影机的芯片等部片的工作造成严重影响，因此散热问题一直是投影机的主要难题。
技术实现要素：
本发明提供了一种对光源进行时序脉冲补偿的激光投影机，通过时序补偿电路提高每个激光光源的利用率，从而有效提高投影机的投影亮度，同时产生的热量也大正幅减少，对散热系统的要求也大幅减低，节约了成本，，延长了设备的使用寿命。
一种对光源进行时序脉冲补偿的激光投影机，包括多个单色激光光源，接收各单色激光光源出射光的成像单元，以及向各单色激光光源的驱动电路时序提供第一脉冲信号的时序脉冲控制电路，所述单色激光光源包括至少三个不同的基色光源，所述第一脉冲信号控制激光驱动电路加载到对应单色激光管的工作电流大于该单色激光光源的额定电流。
单色激光光源的激光管发光是由通过激光管上的电流来决定的，在本发明中，工作电流是通过加载到激光管上的电压变化，来改变电流的大小。因此时序脉冲控制电路的主要功能有两个：1)实现输出多个电压幅度可调的第一脉冲信号；2)这多个第一脉冲信号之间满足一定的时序关系。
激光管发光强度是由通过激光管上的电流决定的，通过激光管上的电流进行补偿来提高激光管的发光强度，提高加载到激光管上的电流，使其大于额定电流，实现时序补偿，由此产生的直接结果就是在每个单色光源1/3(将设设有三个单色激光光源)的发光时间内，发光率提高。光利用率提升后，转化成热量的光就变得很少了，因此整个机器的散热系统也得到了很好的改善。
发光亮度提高的理论如下：辐射通量(Φe)定义为单位时间内以辐射的形式发射、传输或接收的功率，实际应用中，对于连续辐射体或接收体，以单位时间内的辐射能，即辐射通量表示。
其中：Q为辐射能，辐射能简称辐能，描述以辐射的形式发射、传输或接收的量。单位焦耳(J)；t为单位时间(S)；Φe为辐射通量，单位(W)。
辐射强度(Ie)定义为在给定传输方向上的单位立体角内光源发出的辐射通量，即：
其中：Ie单位为瓦每球面度，W/Sr；Ω为空间单位立体角，单位为球面度，Sr。
辐射亮度/辐亮度(Le)定义为光源在垂直其辐射传输方向上，单位表面积单位立体角内发出的辐射通量，即
其中：Le为辐射量度，单位为：瓦每球面度平方米，W/(Sr·m2)；Φe为辐射通量，单位(W)；Ie为辐射强度，单位为瓦每球面度(W/Sr)；Ω为空间单位立体角，单位为球面度(Sr)；A为单位表面积，单位为平方米(m2)；θ为与光源垂直方向的夹角。
根据上述公式可以得出，本发明通过增加工作电流，提高了激光管的光利用率。
为了充分体现本发明提高光的利用率的效果，所述工作电流的大小为额定电流的2倍以上。通过理论计算可以得出，如果工作电流的大小为额定电流的2倍以下，则亮度的提升十分有限，但是当电流过大会直接影响激光管的使用寿命，进一步优选的，所述工作电流的大小为额定电流的2～3倍。经实际测试，当所述工作电流的大小超过额定电流的3倍以上后，激光管的使用寿命大大降低；
当工作电流为额定电流的2～3倍时，从而在1/3(将设设有三个单色激光光源)的发光时间内，所发出的光通量也提升了2～3倍。与现有技术相比，绕开了由于时序发光所产生的光利用率只有33％情况，相比于未做电流补偿的激光管，发光功率提升了1.4～3倍，大大提高了激光管的光利用率。
为了可以配出色彩丰富的图像，优选的，所述三个基色光源的中心波长分别为605～700nm、500～560nm和435～480nm。
优选的，所述时序脉冲控制电路包括：
控制单元，对应每个单色激光光源时序输出一组可调电压和第二脉冲信号；
多个CMOS反相器，分别对应接收一组可调电压和第二脉冲信号，所述第二脉冲信号为输入信号，所述可调电压输入PMOS管的漏极，所述CMOS反相器控制输出电压幅度可调的第一脉冲信号。
可调电压数据可以由控制单元和上位机之间的串口通信得到，控制单元控制数模转换器产生多个可调电压，控制单元同时通过输出端口产生多个对应的第二脉冲信号，第二脉冲信号用来控制CMOS反相器，可调电压接到反相器PMOS管的漏极，即可实现以可调电压为高电平的电压幅度可调的第一脉冲信号。
电压幅度可调的第一脉冲信号之间的时序关系可以通过控制多个第二脉冲信号的时序来实现，多个第二脉冲信号可以通过控制单元的编程控制定时器来实现。
由于在时序脉冲控制电路的电流补偿下，在发光时长内，激光管上的电流高于额定电流，如果此时发出的时序工作的第二脉冲信号或第一脉冲信号发生错误，将会造成激光管持续在超负荷状态下运行，这样就会发生激光管烧坏的情况，为保证激光管的安全运行，针对此问题专门设计了保护电路，以防止不管任何原因发生时序消失时，能够迅速切断激光管上的电流，保护激光管。
优选的，还包括防止同一第一脉冲信号保持时间超过预定时间的保护电路。同一第一脉冲信号保持时间超过预定时间时，保护电路切断第一脉冲信号的输出，从而切断激光管上的电流，实现激光管的保护。
为了提高保护电路的稳定性和有效性，具体的，优选的，所述保护电路包括对第一脉冲信号进行积分的积分电路，用于将积分电路输出电压信号与预设值比较的比较器以及由比较器控制用于导通或关闭第一脉冲信号输出的第一开关元件。
积分电路对第一脉冲信号进行积分，得到电压信号和比较器中预设的电压进行比较，比较结果控制第一开关元件。具有积分电路的保护电路能够综合考虑激光管在大电流状态时的电流大小和工作时间，有效保护激光管。
为了保证各单色激光光源的驱动电路时序进行，优选的，所述积分电路并联有控制第一脉冲信号是否通过积分电路的第二开关元件，所述第二开关元件由第二脉冲信号控制。
当第二脉冲信号为高电平时，时序脉冲控制电路输出的第一脉冲信号为0，此时第二开关元件导通，积分电路输出的电压信号为0，比较器输出高电平，第一开关元导通，所述第一脉冲信号为0；当第二脉冲信号为低电平时，第二开关元件截止，当积分电路输出的电压信号大于预设电压时，第一开关元导通，第一脉冲信号正常工作，此时电容C恒流充电，积分电路输出的电压信号线性下降。当第一脉冲信号因电容充电而小于预设电压时，比较器输出低电平，第一开关元截止，第一脉冲信号被截断，大小为0，实现保护功能。
通过提高散热效果以及设置保护电路，在提高光的利用率的基础上，将激光投影机的亮度提高到30000流明以上，甚至达到100000流明光源仍可以稳定工作。
为了使各单色光源在适当的工作温度下工作，优选的，各单色激光光源包括用于控制激光管工作温度的温控电路。
优选的，所述温控电路包括用于检测激光管工作温度的传感器，接收传感器的检测结果与预设温度进行比较的比较器，安装在激光管的底部用于调节温度的热沉，以及根据比较器判定结果控制热沉工作的第三开关元件。上述电路结构简单，易于实现，且控制精度高，进一步优选的，所述热沉采用帕尔贴。
帕尔贴的工作原理是贴的一面在电流接通后，会产生制冷效果，而另一个面就是热的。通过温控电阻准确测出激光管上的工作温度，当温度超过设定值时，此时，帕尔贴就会通过制冷的一面对激光管降温，而另一面产生的热量，则通过散热系统散掉，由此保证激光管工作温度保持恒定。
采用帕尔贴的另一个好处是，当环境温度过低时，低于激光的工作温度时，其可以通过温度控制电路测出环境实际温度，然后给帕尔贴以反向电压，此时原本制冷的一面，开始变为制热，给激光管预热，使其达到正常工作温度后，再开始工作，工作后，帕尔贴随即恢复正常供电模式。
本发明的有益效果：
本发明采用多个单色激光光源时序配合作为投影的光源单元，通过时序脉冲控制电路补偿加载到各激光管上的电流，使加载到激光管上的电流超过其额定电流，从而有效提高光的利用率，由于激光光源成本在投影机中的成本占比超过50％以上，采用此种方式，可以大大降低投影机的生产成本，同时产生的热量也大幅减少，因此减轻了散热系统的压力，而散热部分的成本也即相应减少，同时热量的减少还提高了投影仪的寿命；
由于采用此种方法，光利用率提高，光损所产生的热量也相应减少，因此，使得投影机可以向高亮度发展，按理论推算，采用本发明的方法，激光投影机的亮度可以达到10万流明以上。
附图说明
图1为本发明的结构线框图。
图2为本发明的时序脉冲补偿系统的结构框图。
图3为本发明的时序脉冲控制电路的电路图。
图4为本发明的保护电路的电路图。
图5为本发明的红光激光器的驱动电路和蓝光激光器的驱动电路框图。
图6为本发明的绿光激光器的驱动电路框图。
图7为本发明的红光激光器和蓝光激光器的立体结构示意图。
图8为本发明的绿光激光器的立体结构示意图。
图9为本发明的恒流源控制电路的电路图。
图10为本发明的温控电路的电路图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的激光投影机包括光源系统和成像系统，如图1所示，光源系统包括红色半导体激光器(红色单色光源)、绿色半导体激光器(绿色单色光源)、蓝色半导体激光器(蓝色单色光源)，对应的激光器驱动电路以及向各激光器驱动电路提供脉冲信号的时序脉冲补偿系统。
时序脉冲补偿系统主要功能是：
1)提供时序脉冲信号，即控制每色激光器的发光时长和发光顺序，使3色光依次开启，每次开启时长控制精确到微秒。
2)同时根据每色光的发光时长，计算出功率补偿方案。脉冲时序补偿的核心是根据每色激光发光时间，自动控制激光管上的电流，根据激光管发光时长，对激光管发光时长内的电流进行补偿，使其在1/3的发光时间内，激光管上的电流补偿到额定电流的3倍左右(各激光器不同)。通过电流的控制使其在时序状态下，使其发光功率提高3倍左右。
如图2所示，时序脉冲补偿系统包括：
系统控制软件，系统控制软件是安装在电脑上，软件通过接控制信号输入接口对3色光的发光时长进行分别设定，同时控制3色光的时序排列顺序，并根据发光时长计算补偿方案。
时序脉冲控制电路，根据系统控制软件给出的发光时长，以及由于计算得到的补偿方案，控制激光驱动电路进行补偿发光的系统，其与各激光驱动电路之间是靠调制信号线进行数据传输。
本实施例中的时序脉冲控制电路如图3所示，时序脉冲控制电路的主要功能是：1)实现对应3个激光器的电压幅度可调的脉冲信号；2)这3个脉冲信号之间满足一定的时序关系。
可调电压数据(大小以及时序关系)可以由微控制器(控制单元)和上位机之间的串口通信得到，微控制器控制数模转换器DAC产生对应3个激光器的可调电压Var1、Var2和Var3；微控制器同时通过输入/输出端口产生3个对应的脉冲信号GATE1、GATE2和GATE3，这三个脉冲信号用来控制CMOS反相器，可调电压接到反相器PMOS管的漏极，即可得到以Var1为高电平的电压幅度可调的脉冲信号Vout1。图中只画出了对应接收GATE1和Var1的一组DAC和反相器，其他两个电压幅度可调的脉冲信号Vout2和Vout3省略，这两个信号同样可以用DAC加反相器来实现，Vout1、Vout2、Vout3分别对应控制红色、绿色、蓝色激光器。
3个电压幅度可调的脉冲信号之间的时序工作可以通过控制GATE1、GATE2和GATE3三个信号的时序来实现，这可以通过微控制器(控制单元)的编程控制定时器来实现。
控制信号输入接口，是控制软件与时序脉冲控制电路的接口，即与电脑的间数据传输的接口。
保护电路，由于在时序脉冲补偿状态下，在发光时长内，激光管上的电流是为额定电流的3倍左右，如果此时时序脉冲信号发生错误，将会造成激光管持续在超负荷状态下运行，这样就会发生激光管烧坏的情况，为保证激光管的安全运行，针对此问题专门设计了保护电路，以防止不管任何原因发生时序消失时，能够迅速切断激光管上的电流，保护激光管。本实施例中，保护电路接在时序脉冲控制电路和各激光器的驱动电路之间。
保护电路电路图如图4所示，图中表示的是针对由脉冲信号Vout1控制的激光器的保护，脉冲信号Vout2和脉冲信号Vout3的保护电路方式与结构与脉冲信号Vout1相同。
工作原理：GATE1信号在低电平时，激光管工作在大电流模式，电流大小由电压Vout1确定，保护电路的基本思路是通过一个积分电路来获取电压Vout1的保持时间，当该保持时间超过设定保护时间时，保护电路把电压Vout1关闭，使激光管强制进入零电流状态。
如图所示，运放构成反向积分电路，对电压Vout1进行积分，得到电压Vintegrate，然后把Vintegrate和预设的保护电压Vproctect(一个负电压)进行比较，比较结果控制Q2开关。
当GATE1为高电平时，Vout1为0，Q1导通，Vintegrate为0，比较器输出高电平，Q2导通，Vout_p等于Vout1为0；当GATE1为低电平时，Vout1为可变电压Var1，Q1截止，Vintegrate大于Vproctect，Q2导通，同时电容C恒流充电，Vintegrate线性下降，当Vintegrate因电容充电而小于Vproctect时，比较器输出低电平，Q2截止，Vout1_p为0，即Vout1_p由可变电压Var1变为0，实现保护功能。
当GATE1为低电平时，Vintegrate和时间的关系为：当Vintegrate等于Vproctect时，保护功能启动，此时Vout1·t为常数，即保护电路能够综合考虑激光管在大电流状态时的电流大小和工作时间，这是本保护电路的一个特点，可以有效保护，可以有效避免误截断电流的发生。
本实施例中，红光激光器的驱动电路和蓝光激光器的驱动电路相同如图5，绿光激光器的驱动电路如图6。
红光激光器的驱动电路包括电源接口，输入电源接口，输入电压6.5V；温控电路，控制激光管工作温度，工作温度25℃；恒流源控制电路，给激光管提供稳定的电流，在额定电流工作状态下，电流控制在650mA，本实施例采用时序脉冲模式，工作电流控制在2A以上，具体电流根据补偿电路计算结果自动调节；过流保护电路，电流超过设定值时，以及电压反向时，自动切断激光管工作电流；激光管接口，与红光激光管信号线连接；恒流调节端口，电流设定手动调节端口；温控调节端口，温度控制手动调节端口；
主要功能是：控制红光激光管发光，提供稳定的电流(恒流源控制)；监控激光管本身温度，当温度超过25℃时，立即启动温控电路(热沉)，对激光管进行降温，当温度达到25℃热沉工作停止，而当工作环境温度低于25℃时，温控电路要对热沉系统给一个反向电压，使热沉系统对激光管加热，以使其达到设计的工作温度25℃。
绿光激光器的驱动电路包括电源接口，输入电源接口，输入电压6.5V；温度控制电路1，控制绿光谐振腔的温度；温度控制电路2，控制激光管的工作温度，工作温度25℃；恒流源控制电路，给激光管提供稳定的电流，在额定电流工作状态下，电流控制在3.2A，本实施例采用时序脉冲模式，工作电流控制在10A以上，具体电流根据补偿电路计算结果自动调节；过流保护电路，电流超过设定值时，以及电压反向时，自动切断激光管工作；激光管接口，与红光激光管信号线连接；恒流调节端口，电流设定手动调节端口；温控调节端口，温度控制手动调节端口。
主要功能是：控制绿光激光管发光，提供稳定的电流(恒流源控制)；设有温控系统，随时监控激光管本身温度，当温度超过25℃时，立即启动温度控制系统(热沉)，对激光管进行降温，当温度达到25℃热沉工作停止；当工作环境温度低于25℃时，温度系统要对热沉系统给一个反向电压，使热沉系统对激光管加热，以使其达到设计的工作温度25℃。
蓝光激光器的驱动电路包括电源接口，输入电源接口，输入电压11V；温度控制电路，控制激光管工作温度，工作温度25℃；恒流源控制电路，给激光管提供稳定的电流，在额定电流工作状态下，电流控制在1.2A，本实施例采用时序脉冲模式，工作电流控制在3A以上，具体电流根据补偿电路计算结果自动调节；过流保护电路，电流超过设定值时，以及电压反向时，自动切断激光管工作；激光管接口，与红光激光管信号线连接；恒流调节端口，电流设定手动调节端口；温控调节端口，温度控制手动调节端口。
主要功能是：控制蓝光激光管发光，提供稳定的电流(恒流源控制)；设有温控系统，随时监控激光管本身温度，当温度超过25℃时，立即启动温度控制系统(热沉)，对激光管进行降温，当温度达到25℃热沉工作停止；当工作环境温度低于25℃时，温度系统要对热沉系统给一个反向电压，使热沉系统对激光管加热，以使其达到设计的工作温度25℃。
作为红色光源的红光激光器结构如图7所示，包括：红光激光管11，红光激光管采用三菱公司生产的ML510P73作为发光光源，功率500mW，波长638nm；红光激光管到驱动电路接口12，与红光驱动电路连接，采用6芯信号线，2条电源线(正、负)，2条温度采样电阻(正、负)、2条热沉供电线路(正、负)；热沉13，温度控制设备，使激光管工作温度保护在25℃，温度超过时，热沉给激光管制冷；光纤接头14，激光管所发激光，通过耦合进光纤后，实现远距离传输，红激光管底板15，激光管固定底板；温度采样电阻16，温度采样电阻是通过温度改变时，其电阻阻值也会相应改变，通过对电阻阻值的读取，实现温度控制，采样电阻在温度是24℃时阻值50K。
作为蓝色光源的蓝光激光器结构与红光激光器结构相同，蓝光激光管采用OSRAM PL TB450B激光管，功率1.6W，波长450nm。
作为绿色光源的绿光激光器结构如图8所示，包括温度采样电阻21，808nm激光管温度采样电阻，温度采样电阻是通过温度改变时，其电阻阻值也会相应改变，通过对电阻阻值的读取，实现温度控制，采样电阻在温度是24℃时阻值50K；耦合聚焦透镜22，将808nm激光管所发出的光，聚焦至谐振腔中，形成532nm波长的绿光；谐振腔23，谐振腔由激光晶体、倍频晶体、二向色镜3部分成，其功能是将808nm波长的光转化成532nm波长的绿光；热沉24，谐振腔23的温控设备，使谐振腔23工作温度保护在25℃，温度超过时，热沉给谐振腔制冷；温度采样电阻25，谐振腔温度采样电阻，温度采样电阻是通过温度改变时，其电阻阻值也会相应改变，通过对电阻阻值的读取，实现温度控制，采样电阻在温度是24℃时阻值50K；808nm激光管26，绿光发光采用808nm波长的激光管，通过谐振腔泵浦后，形成532nm波长的绿光，激光管功率3W；热沉27，激光管温控设备，使808nm激光管26工作温度保护在25℃，温度超过时，热沉给808nm激光管26制冷。
各色激光器的恒流源控制电路和温控电路结构相同，恒流源控制电路如图9所示，温控电路如图10所示。
恒流源控制电路的恒流功能主要由NPN管Q1来实现，Q1工作在放大区，Q1基极电流由输入电压Vout1(Vout2、Vout3)确定，而集电极电流和基极电流之间保持电流放大倍数β倍关系，集电极电流就是流过激光器电流，激光器电流由输入电压Vout1(Vout2、Vout3)确定，当Vout1(Vout2、Vout3)保持不变时，激光器电流保持不变，实现恒流功能，当Vout1(Vout2、Vout3)变化时，激光器电流也随之变化，从而实现3倍左右于额定电流的加载量，实现电流补偿。
温控电路中的降温是通过帕尔贴来实现，实现电路如图所示。热敏电阻Rt阻值(温度采样电阻)随温度升高而下降，当被测温度大于设定温度时，比较器输出高电平，MOSFET导通，帕尔贴工作，起制冷降温作用，当被测温度小于设定温度时，比较器输出低电平，MOSFET截止，帕尔贴不工作。设定温度可以通过调节电阻R4和R5来改变。
将本实施例实际连续3倍时序脉冲补偿发光72小时测试，72小时3倍时序脉冲补偿发光过程中，激光发光无光衰。
综上所述，本发明针对的就是在单DLP投影机上，现有技术对光源的利用率最多也只是在40％还是以牺牲色彩为代价的。而本发明的激光作为光源，通过时序脉冲补偿技术，解决在单DLP投影系统中光的利用率问题，将光在进入成像芯片前的利用率达到100％；在提高光的利用率的基础上，将投影机的亮度提高到30000流明以上，甚至达到100000流明，仍可以稳定工作，且发光寿命达20000小时以上。