检测和校正多激光束不对准的制作方法

专利名称：检测和校正多激光束不对准的制作方法
背景技术：
在投影显示应用中，不希望有的激光束偏差特别成问题，其中光束不对准可能显著地降低图像质量。在激光投影系统中，光学元件可能随时间而移位，导致相应的不希望有的激光束光路偏差，从而降低显示质量。消费者需要的是可靠的高质量显示。
示范性的投影显示系统包括多个同轴激光束，其中有红、蓝、绿激光束。控制器采用图像信息来产生控制信号，所述信号被供给一个或多个光调制器和扫描器。光调制器选择性地对每个光束的强度进行调制，按照从控制器接收的控制信号来调整多个同轴光束的整体颜色。扫描器(投影光学装置)则将调制后的光束投射到屏幕上，在预定屏幕位置上形成点(像素)。通过光调制器和相关的控制信号扫描整个屏幕并选择性地控制每个像素的颜色，从而显示所需的图像信息。
同轴光束与理想光轴不重合降低了光束在屏幕上的会聚度，从而降低了图像质量。此外，光束不对准可能妨碍光调制器输入面的照度，导致显示亮度降低，图像不自然，而且妨碍精确的不均匀度校正，从而造成所不希望有的屏幕亮度方面的像素间差异。
采用多光束的激光应用相对较新，而用于自动对准多个激光束的光束取向系统开发迟缓。用于将各个激光束与预定的光轴对准的系统和方法在现有技术中是已知的。但遗憾的是，现有系统通常无法精确和自动地检测光束不对准以及重新对准多个激光束或靠近的平行光束组。
因此，现有技术中需要一种自动检测和校正激光束不对准的有效系统和方法。还需要一种系统，它可以有效和自动地检测和校正被沿着预定光轴引导的多光束的不对准。
在更具体的实施例中，所述系统还包括用于自动校正检测到的不对准的机构。第一机构包括用于对多光束进行采样并且对此作出响应而提供分离的多光束的机构。用于采样的机构包括准直透镜或拾取分束器。各个分光束包括红光束、绿光束和蓝光束。色轮选择性地从分开的多光束中分离出红、绿和/或蓝光束并且对此作出响应提供分离的分光束作为输出。分束器将分离的分光束分成第一分光束和第二分光束，并且分别沿第一光路和第二光路引导第一分光束和第二分光束。第一光路终止于第一检测器，而第二光路止于第二检测器。第一和第二光路的长度相差预定的距离。第一控制算法在所述预定距离的基础上将第一分光束在第一检测器上的相对位置与第二分光束在第二检测器的位置进行比较，并随之提供光束偏差信号。第二控制算法驱使光束偏差校正系统对所述多光束就由与分离的光束相关的光束偏差信号表示的光束偏差进行校正。
在第一替代实施例中，第一光路穿过第一电可控快门，从第一反光镜折回，反向穿过所述分束器，然后达到单一检测器的表面。第二光路穿过第二电可控快门，从第二反光镜折回，反向穿过所述分束器，然后达到单一检测器的表面。第二机构包括计算机，用于提供控制信号以便借助第一和第二电可控快门选择性地关闭第一和第二分光束，以在所述单一检测器表面上分别形成第一和第二光点。所述计算机分析第一和第二光点的位置来测量与所述分离的光束相关的光束偏差或不对准。
在第二替代实施例中，用于使样品改变方向的机构包括与第二拾取分束器串联的第一拾取分束器，用于分别把多光束中的第一样品的方向改变为沿着第一光路、而把多光束中的第二样品的方向改变为沿着第二光路。第一光路穿过第一色轮并终止于第一检测器的表面。第二光路穿过第二色轮并终止于第二检测器的表面。第一和第二光路具有预定的不同长度。控制器控制第一和第二色轮，并计算与从第一和第二色轮输出的分离的光束相关的光束不对准。
第一机构使本发明的新颖的设计更为方便，它使多个激光束的各个分光束可以被自动和选择性地分离、并就光束位置以及与理想光轴的方向偏离进行分析。在检测到分光束偏差之后，接着就可以校正它们，以获得精确对准的多光束。因此，通过采用本发明的多光束偏差检测和校正系统，需要多个精确对准的激光束的随伴激光投影系统和其他实际应用可以更有效和更可靠地工作。
图2是根据本发明原理构造的顺序激光投影系统。
图3是说明

图1和图2的多光束偏差检测系统所运用的光束偏差原理的示意图。
图4是说明图1和图2的多光束偏差检测系统的更详细的示意图。
图5是说明图4的多光束偏差检测系统的第一替代实施例的示意图。
图6是说明图4的多光束偏差检测系统的第二替代实施例的示意图。
图7是显示叠加的检测器表面的示意图，它说明图4-6的多光束偏差检测系统所检测到的偏差效应。
图8是由图4-6的多光束偏差检测系统和校正系统实现的方法的流程图。
发明的详细说明虽然本发明是参考针对某个特定应用的图示实施例来说明的，但是显然本发明并不局限于此。了解这里提出的原理的本专业的技术人员应该知道在本发明范围内以及其中本发明具有重要应用的其他领域内的其他修改、应用和实施例。
图1是根据本发明原理构造的激光投影系统10的示意图，它具有独有的多光束偏差检测系统12和偏差校正系统14。为简明起见，图1中未显示诸如电源和图像输入装置的各种部件，但是了解本发明的本专业的技术人员应知道实现附加的必需部件的位置和方式。
激光投影系统10包括红色激光器16、绿色激光器18和蓝色激光器20，它们分别将输出激光束提供给第一组照明光学装置22、第二组照明光学装置24和第三组照明光学装置26。第一组照明光学装置22、第二组照明光学装置24和第三组照明光学装置26分别向红色光调制器28、绿色光调制器30以及蓝色光调制器32提供输出。光调制器28、30和32向光束组合器34提供输出。光束组合器34将沿近似相同光轴方向的多光束输出到拾取透镜36，所述透镜将近似同轴的多光束提供给光束偏差检测系统12和光束偏差校正系统14。光束偏差检测系统12和光束偏差校正系统14通信。就分光束不对准或偏差而已经进行了校正的多个近似同轴光束被输入到投影光学装置38。控制器40接收显示数据42作为输入并将控制输入信号提供给光调制器28、30和32并且提供给投影光学装置38。投影光学装置38将近似同轴的多光束输出到显示屏幕44。
虽然所述多光束可能具有多个平行的分光束，但是这里讨论的激光投影应用通常采用其分光束沿近似相同光轴传播多光束，所述光轴对应于多光束的理想光轴。通常，对于这里讨论的激光投影应用，多光束不会显著偏离理想光轴而导致一个或多个分光束脱离本发明所采用的各种光学装置(如拾取透镜36)的输入表面。
工作时，照明光学装置22、24和26分别对从红色激光器16、绿色激光器18和蓝色激光器20输出的红色、绿色和蓝色激光进行成形处理，准备分别输入到光调制器28、30和32。红色、绿色和蓝色光束分别通过照明光学装置22、24和26进行成形处理(通常根据光调制器28、30和32的输入表面的尺寸)，以便使光调制器28、30和32接收的激光能量最大化。
控制器40利用显示数据42来产生控制信号，用于控制光调制器28、30和32。控制信号控制光调制器28、30和32选择性地根据要显示的图像数据42调节或调制红色、绿色和蓝色激光束的亮度分布。然后通过光束组合器34将调制后的激光束组合成具有近似相同光轴的多光束。
显示数据42通常被划分成不同颜色的像素。采用分别借助光调制器28、30和32逐一地控制每个红色、绿色和蓝色激光束的亮度分布的方法，建立给定像素的颜色，所述颜色对应于光束组合器34输出的组合的多光束颜色。
通过拾取透镜36拾取光束组合器34输出的调制的多光束的小部分，对其进行重新导向或采样，并将其发送到光束偏差检测系统12。多光束的其余部分被输入到光束偏差校正系统14。
本专业的技术人员应知道，可以采用除拾取透镜36之外的机构，如分束器来拾取光束组合器34输出的一部分，而不会背离本发明的范围。再者，拾取透镜36所拾取的多光束能量的一部分是针对具体应用而定的，本专业的技术人员可以确定它，以便满足给定实际应用的需要。
光束偏差检测系统12分析拾取的多光束来判断红色激光分量、绿色激光分量和/或蓝色激光分量是否适当地与所述多光束相关的一个或多个预定的理想光轴对准。红色、绿色或蓝色分光束偏离一个或多个理想光轴的量由光束偏差检测系统12确定，所述系统随之向光束校正系统14提供控制信号。光束偏差校正系统14对各分光束的光轴进行调节，以消除如光束偏差检测系统12所指示的、偏离所述多光束的一个或多个理想光轴的不希望有的分光束偏差。
在光束偏差检测系统12和光束偏差校正系统14之间存在一条闭环反馈光路，以便消除光束偏差。本专业的技术人员应知道，通过光束偏差检测系统12和光束偏差校正系统14实现的光束对准控制系统可以通过非闭环控制方法的开环控制方法来实施，而不会背离本发明的范围。
在多光束适当地与一个或多个理想光轴对准之后，已对准的多光束被输出到投影光学装置38。投影光学装置38将所述多光束射向显示屏幕44。当光调制器28、30和32调节组合的多光束的颜色时投影光学装置38快速扫描显示屏幕44，从而产生在显示屏幕44中显示的所需的图像。因此，通过借助投影光学装置38选择性地相对于显示屏幕44确定调制后的多光束的方向、并且根据控制器所接收的图像信息借助光调制器28、30和32调制所述多光束，在屏幕44上显示所需的图像。
激光器16、18和20，照明光学装置22、24和26，光调制器28、30和32，光组合器34、拾取透镜36，控制器40，投影光学装置38和显示屏幕44的构造在现有技术中是众所周知的。例如，投影光学装置38可以通过具有由第一和第二反射镜(未显示)提供的两个自由度的扫描器来实现，所述第一和第二反射镜分别具有其取向由从控制器40接收控制信号的电动机(未显示)控制的第一和第二旋转轴。示范性的扫描器为美国专利4213146标题为“用于光束显示的扫描系统”中所公开的，此处作为参考引入。
本发明的最佳实施例采用由Silicon Light Machines公司制造的光栅光阀(GLV)。此类调制器需要约1英寸×25微米的光束。这些调制器在如下网址可获得的文档中以及在诸如美国专利5841579(此处作为参考引入)的专利文档中有详细的说明。下文将更详细地讨论光束偏差检测系统12和光束偏差校正系统14。
图2是根据本发明原理构造的顺序颜色调制器投影机50的示意图。在投影机50中，红色激光器16、绿色激光器18和蓝色激光器20提供射向光束组合器34的对应红色、绿色和蓝色输出光束。光束组合器34的输出是由输入到拾取透镜36的红色、绿色和蓝色光束组成的多光束。拾取透镜36的输出被提供给光束偏差检测系统12和光束偏差校正系统14。光束偏差校正系统14的输出被输入到色分离器52，后者顺序地将红色、绿色和蓝色光束输出到照明光学装置54。照明光学装置54顺序地将成形的红色、绿色和蓝色光束输出到顺序光调制器56。顺序光调制器56的输出被输入到顺序投影光学装置58。控制器40接收显示数据42并将对应的控制信号提供给所述顺序光调制器56和顺序投影光学装置58。
工作时，光束偏差检测系统12和光束偏差校正系统14分别检测和校正来自光束组合器34的多光束输出与理想光轴的任何分光束不对准。已校正的多光束被提供给色分离器52，后者借助于色轮或相关的机构顺序地分离出红色、绿色和蓝色光束。照明光学装置54逐一地对输出的红色、绿色和蓝色光束进行成形处理，并将成形的光束提供给顺序光调制器56。所述顺序光调制器56根据显示数据42顺序地对所接收到的红色、绿色和蓝色光束进行调制，所述显示数据是由从控制器40接收到控制信号表示的而由控制器40控制的数据。然后，所述顺序投影光学装置58随即将相应的单一红色、绿色和蓝色光束投射到显示屏幕44上，以显示所需的图像。
本专业的技术人员应该知道激光器18、18和20可以被用于产生光束的其他机构替代，如发光二极管和准直器，而不会背离本发明的范围。
图3是说明图1和图2的多光束偏差检测系统12所采用的光束偏差原理的示意图。图3说明与多光束光源74相距不同距离的第一检测器70和第二检测器72的表面上分光束分离情况的差异，所述多光束光源74分别投射完全相同的第一组和第二组多光束76和78，后者分别具有偏转分光束80和82。分光束80和82分别按照与对应的理想光轴84和86成某个角度偏转。
第二检测器72定位于相距多光束发生器74为2x的距离；而第一检测器70定位于相距多光束发生器74为x的距离，所述距离为多光束发生器74与第二检测器72之间距离的一半。由此，在第一检测器70的表面，第一偏转光束80的中心偏离对应的理想光轴84的距离为y。第二检测器72表面上的第二偏转光束82的偏离量为2y，它是第一检测器70表面上第一偏转光束80的偏离量的两倍。对于第一偏转光束80和第二偏转光束82，偏转角度是相同的。因此，检测器70和72表面上的偏转光束80和82的偏转距离之比(y和2y)与它们与多光束发生器74的距离(x和2x)成正比。因此，y/x＝2y/2x＝tan。
如果叠加来自第一检测器70和第二检测器72的信息，叠加的检测器表面应该会有两个位置偏离理想光轴的偏差光点。一个光点应对应于与第一偏转光束80有关的偏转，而另一个光点应对应于与第二偏转光束82有关的偏转。第一光点应位于第二偏转光点与理想光轴之间的中间位置。由于预先已知第一偏转光束80的路程相当于第二偏转光束82路程的一半，所以很容易计算所述光束相对于垂直于所述理想光轴的平面在二维空间中偏转的角度。
如果只存在一维光束偏转，如只是角度偏转，则只需要一个检测器即可计算偏转角度(＝arctan(y/x))。但是，光束可能相对于垂直于理想光轴的平面以二维方式偏转。例如，光束可能会平行于理想光轴发生偏移。因此，需要第二检测器来提供附加自由度，以精确地指定光束偏转。虽然最佳实施例使用的是两个检测器，但是任何数量的检测器均可采用。
图1和图2的光束偏差检测系统12顺序地从多激光束中分离出红色、绿色和蓝色分光束，并将各个分光束分到两个不同长度的光路中。不同长度光束光路产生不同的光束偏转位置，这一点被利用来计算给定的分光束偏离与所述多光束相关的一个或多个理想光轴的偏转，下文给予更全面的讨论。
图4是说明图1的多光束偏差检测系统12的最佳实施例的更详细的示意图。为简明起见，图1可能未显示多个部件，但是了解本发明原理的本专业的技术人员应该知道其它必需的部件的实施位置和实施方式。
拾取透镜36分出多光束的一小部分，将其输入到多光束偏差检测系统12的色轮。其余的光束从拾取透镜输出，并输入到光束偏差校正系统14。应当指出，虽然此处讨论的光束校正虽然是在光束拾取之后进行的，但是此类校正在光束拾取前执行可能更为有利。此外，本发明的一个设想实施例在制造多光束设备时由厂方完成光束不对准检测和校正。在后一种情况中，商用设备并不附带包括任何不对准检测或不对准校正电路。
色轮90从具有色轮控制器94和光束校正控制器96的计算机92接收控制输入信号。控制器94和96可以以软件方式实现。或者，色轮90响应从运行于计算机92中的色轮控制器94接收的控制信号，从所接收的多光束中分离出红色、绿色和蓝色光束。色轮90一次一个将光束输出到分束器98，后者将单个光束分成第一光路100和第二光路102。第一光路100穿过聚焦透镜104，后者将光束聚焦在第一光学检测器70上。第二光路102穿过第二聚焦透镜108，后者将与第二光路相关的光束聚焦在第二光学检测器72上。多光束偏差检测系统12的各种光学装置的输入表面的取向，例如色轮90、分束器98和检测器70和72的输入表面的取向与输入光束的理想光轴垂直。
在本实施例中，检测器70和72通过检测器阵列、诸如电荷耦合器件(CCD)阵列或其它焦平面阵列实现。检测器70和72分别输出表示与光路100和102相关的光束在检测器70和72的表面上的位置的信号。对于每一个检测器70和72的表面，计算出每一个检测到的光束的形心(centroid)，并将其提供给运行于计算机92上的光束校正控制器96。光束校正控制器96根据检测器70和72表面上的光束形心的位置计算从色轮90输出的分光束的偏差量。然后，光束校正控制器96产生适当的控制信号，并将其提供给光束偏差校正系统14来重新对准分光束。
应当指出，将CCD阵列用作检测器使系统可以检测非旋转对称光束(例如线光束或方形光束)是否失去旋转对准。
光束校正控制器96与检测器70和72通信。在本特定实施例中，光束校正控制器96是以计算机92上运行的软件来实现的。光束校正控制器96和光束偏差校正系统14利用从光束偏差校正系统14到光束校正控制器96的反馈实现闭环控制系统。在利用偏差校正系统14对给定分光束进行光束对准校正之后，光束偏差系统14请求按照光束校正控制器96确定的进行光束偏差的更新。光束偏差校正系统14继续调整，直到偏差量到零为止。在对准分光束之后，计算机92控制色轮90以便分离不同的光束用于校正。
光束偏差校正系统14和光束校正控制器96可以实现开环控制算法，而不会背离本发明的范围。例如，可以省略来自光束偏差校正系统14和光束校正控制器96的反馈。
光束偏差校正系统14根据以下原理工作可以通过提供足够自由度的反射镜或其他机构将光束与给定的光轴对准。本专业的技术人员可以将传统的光束对准系统设置为配合本发明使用，而不会背离本发明范围。光束偏差校正系统14包括色轮90或其他用于从接收到的多光束中选择需要校正的光束的光束选择系统。然后，由来自光束校正控制器96的控制信号驱动的通信电动机中具有水平和垂直轴的两个反射镜就可以将分光束与理想的预定光轴对准。
Gene F.Franklin、J.David Powell和Abbas Emami-Naeini所著的一书(标题为“动态系统的反馈控制”第二版，由Addison Wesley于1991年出版)描述了通用的控制原理，本专业的技术人员可以很容易地运用于构造控制器94和96的专用细节，可用于借助光束偏差校正系统14使用的位置可控制的光束对准反射镜的系统来消除所测得的光束偏差。
在本特定实施例中，第一光路100长度为第二光路102长度的一半。本专业的技术人员应知道，光路的102和100的长度是针对实际应用而定的，也可以不同于本实施例中采用的2比1的关系，而不会背离本发明的范围。
虽然多光束偏差检测系统12顺序地校正从色轮90输出的红色、绿色和蓝色分光束的取向和位置，但是本发明可以很容易地适合于以并行方式进行校正以达到光束对准。在这种情况下，所述色轮可以由另一种以并行而非顺序方式从多光束中分离出红色、绿色和蓝色光束的装置代替。
了解本发明原理的本专业的技术人员可以开发用于从多光束分离出分光束的系统。采用一个或多个附加分束器(未显示)并且选择性地设置红色、绿色和蓝色滤光器的简单装置可以用来象色轮90所进行的那样以并行或顺序方式分离出红色、绿色和蓝色光束。
另一方面，可以用按照分光束偏振来分离分光束的装置代替色轮90。例如，可以通过选择性地设置反向偏振滤光器从多光束中分离出反向偏振光束。例如，一个偏振滤光器可以让第一分光束通过，而阻止第二光束；而另一个偏振滤光器可以让第二光束通过而阻止第一光束。或者通过利用第一和第二偏振滤光器，可以从相关的多光束分离出第一和第二光束。
本专业的技术人员还应知道，多光束可以具有与多个理想的平行光轴对准的多个平行激光束，而非同轴光束，而不会背离本发明的范围。平行光束可以与一个或多个预定的理想光轴、而非仅一个光轴对准。再者，本专业的技术人员应知道，光束偏差检测系统12可以利用图2的色分离器52或图2的顺序光调制器56所采用的其他色轮(未显示)，来替代色轮90，而不会背离本发明的范围。
多光束偏差检测系统12包括用于从主光束分离出要校正的光束的机构(90)和用于将对应的分光束与预设的光轴重新对准的机构(14)。通过光束校正控制器96和/或另一种在光束偏差校正系统14中实现的控制器(未显示)实现的控制算法消除了检测到的光束偏差。
因此，多光束偏差检测系统12和光束偏差校正系统14自动将不同颜色的多个激光束沿同一个光轴对准。
多光束偏差检测系统12利用色轮90或类似的装置、第一光电检测器70、第二光电检测器72和50％分束器98。色轮90顺序地从多光束中选择各颜色光束。检测器70和72则检查每个光束在检测器70和72表面上彼此之间的相对位置。利用位于不同位置的两个检测器70和72，可以检测到任何光束中光束位置上的任何显著横向偏移或角度改变。
光束位置和指向检测系统12中包括色轮90，这允许对沿同一个光轴的但不同颜色的若干光束顺序地就其位置、指向和角度稳定性进行监视。色轮90可以与其他测量技术结合，而不会背离本发明的范围。
视图1的投影系统10的具体设计而定，可能需要准直透镜36来准直分光束，也可能不需要。准直后的光照射色轮90的一部分，在本实施例中，色轮90一次只允许一种颜色通过。色轮90由计算机9 2中运行的色轮控制器94控制或由图1的投影机10中的另一个部件发出的同步信号(未显示)控制。
从色轮90输出的分光束遇到50％非偏振分束器98，所述分束器允许一半的光通过并使另一半在垂直方向上发生偏移。所得到的光束然后遇到聚焦透镜104和108，这些聚焦透镜分别将光聚焦于各光电检测器70和72。分束器98与两个检测器70和72之间距离的差别足以检测到分光束角度的改变，以便充分校正分光束的不对准。
每个光电检测器70和72是二维阵列，其中光强度分布产生提供这些点的两种尺寸的对应的电压或电流信号。到达第一检测器70的光经过的光路100比到达第二检测器72的光72所经过的光路短。因此，当第二检测器72上的光束位置有较大变化时，检测到分光束相对于理想光轴的显著的角度变化。如果光束被偏移到与所述光轴平行的光路，则在检测器70和72上检测到的位置改变将近似相等。
计算机92分析所得到的信息。利用每一个检测器70和72上的光束分布计算各检测器平面的中心点(形心)。然后计算这两点之间的直线的方程，以便判断光束偏差。此处理过程对于各颜色光束是独立执行的。通过比较与每种颜色相关的形心在检测器70和72上的位置，可以测量出光束在显示屏幕上的收敛度。通过把直线方程和形心与一个或多个参考点比较，可以计算屏幕上分光束的绝对位置。如果分光束改变位置，则计算机92可以遥控在光束偏差校正系统14中实现的反射镜系统来校正光束的位置和/或取向。
图5是说明图4的多光束偏差检测系统12的第一替代实施例12’的示意图。输入分束器120分出主输入多光束的小部分、例如代表所述多光束能量的1％的小部分，并将所述小部分提供给输入准直透镜122。其余99％的多光束被输入到光束偏差校正系统14。从第一准直透镜122输出的准直多光束被输入到色轮90，所述色轮90响应从计算机124接收到的控制信号顺序地选择和输出红色、绿色和蓝色分光束到50％分束器98。计算机124类似于图4的计算机92，不同之处在于计算机124包括附加的快门控制器126。快门控制器126分别通过第一电可控快门132和第二电可控快门134选择性地关闭从所述50％分束器98输出的第一分光束128和第二分光束130。
当多光束偏差检测系统12处于第一方式时，第一快门132打开，而第二快门134关闭。当第一快门132打开时，第一分光束128从50％分束器98沿第一光路通过第一聚焦透镜108并到达第一反射镜136的表面。第一分光束128被第一反射镜136反射，反向通过聚焦透镜108，接着反向通过分束器98，通过第一聚焦透镜138，然后到达单个检测器140。检测器140记录分光束128照射在检测器140表面上的位置。然后计算机124通过在光束校正控制器96中实现的软件计算检测器140表面上的照射光束的形心的位置。然后将所述形心的位置存储在与计算机124相关的存储器(未显示)中。
当多光束偏差检测系统12处于第二方式时，第二快门134打开，而第一快门132关闭。第二分光束130穿过第二快门134、经由第二聚焦透镜104到达第二反射镜142的表面，然后沿同一光路返回到50％分光束98。50％分束器98将第二分光束130的50％返回到第三聚焦透镜138，然后到达单个检测器140的表面。检测器140记录所述照射光束、并随之向计算机124提供信号。所述计算机则利用标准形心计算方法计算照射光束在检测器140表面的形心位置。第一分光束128经由的光程长度与第二分光束130所经由的光程长度相差预定距离。将对应于第二分光束130的光束形心位置与第一分光束128相关的形心位置进行比较，与所述第一分光束128相关的形心位置先前存储在计算机124的存储器(未显示)。光束校正控制器96执行所述比较操作。光束校正控制器96计算色轮90输出的分光束与理想光轴的偏离。所述偏离量与检测器140表面的形心位置以及与第一分光束128和第二分光束130相关的光程长度之差存在函数关系。光束偏差校正系统14响应从光束校正控制器96接收的控制信号而消除计算的光束偏差。色轮控制器94控制色轮90的输出，并确定选择哪个输入的多光束的分光束用于对准操作。
基于讨论的目的，术语色轮指任何可以根据分光束颜色并响应从控制器(如色轮控制器94)接收的控制信号选择性地输出包括多种颜色光束的多光束的各个分光束的机构。了解本发明的本专业的技术人员可以容易地构建这种装置、修改现有技术装置或指令一个装置执行这些功能。
本专业的技术人员应知道，第一聚焦透镜108和第二聚焦透镜104可以被省略，而不会背离本发明的范围。再者，可以用不同的分束器、如40-60％分束器来替代50％分束器98，而不会背离本发明的范围。
色轮90可以用于其他位置检测装置，下文将有更详细的讨论。再者，光电检测器的数量可以有所不同。如果只采用一个光电检测器，则可能需要一些改变检测器光程长度的装置。在图5所示的配置中，采用一对快门132和134来交替地阻挡与光束128和130相关的两个不等长度的光路之一。
对于更灵敏的测量方式，可以在色轮90之后采用干涉仪(未显示)，如马赫-策恩德干涉仪。干涉仪产生其条纹可被检测到的干涉图案。激光束的相对相位的任何改变会使所述条纹图案相应地移位，这可以用来计算光束位置和/或指向，并相应地确定光束偏离理想光轴的偏差。
本专业的技术人员应知道，在通过色轮90或类似机构分离出一个或多个分光束之后，可以适当地修改和采用各种用于校正单一光束的不对准的传统的光束偏差检测和对准系统(未显示)，以替代此处所述的系统，而不会背离本发明的范围。
因此，光束偏差检测系统的另一种配置12′采用两个遥控的快门132和140、两个附加的反射面(反射镜)136和142以及唯一一个检测器140。多个拾取激光束穿过第一准直透镜122(对于某些实际应用来说可能并不需要它)。所得到的准直光束穿过色轮90和第二非偏振分束器98。在此配置中，离开第二分束器98的两个光束128和130分别遇到第一或第二快门132和140，在某一时刻，这两个快门中仅一个是打开的。
当打开时，快门132或134允许光束分别透射到对应的反射镜136或142，然后反射而反向穿过打开的快门132或134，反向穿过第二分束器98，然后到达第三聚焦透镜138，其中第三聚焦透镜138将光束聚焦于单一检测器140上。第二分束器98与两个反射面136和142之间距离的差别足以检测到光束的角度改变。
通过交替打开快门132或134，可以顺序地而不是并行地测量沿光路的两个点，如在上述图4的配置中那样。
图6是说明图4的多光束偏差检测系统的第二替代实施例12″的示意图。多光束偏差检测系统12″包括串联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的拾取输出被输入到第一准直透镜154，第一准直透镜154的输出被提供给第一色轮156。第一色轮156与运行于计算机92中的色轮控制器94通信。第一色轮156的输出指向第一检测器70的表面，所述检测器则向计算机92提供电输出。
从第一拾取分束器150输出的其余多光束输入到第二拾取分束器152。第二拾取分束器152将第二拾取光束输出到第二准直透镜158。其余光束输入到光束偏差校正系统14。第二拾取光束由第二准直透镜158进行准直，并被输入到第二色轮162，所述第二色轮162与运行于计算机92的色轮控制器94进行通信。第二色轮160的输出射向第二检测器72的表面，所述检测器则向计算机92提供电输出信号。计算机92与光束偏差校正系统14进行通信，如上所述。如上所述，本发明的系统可以根据需要采用任何数量的检测器和任何数量的光束，用于或者在相关设备制造期间、或者在操作之前或之后(例如在制造时或在维修或维护时)检测和/或校正不对准。
工作时，第一色轮156和第二色轮160从输入的多光束选择相同的分光束用于分析。例如，如果第一色轮156选择蓝色光束作为输出，则第二色轮160也将选择蓝色光束作为输出。
从第一拾取检测器150至第二检测器170表面的光束的光程长度短于从第一拾取分束器150的第二输出表面至第二检测器72的表面的光束的光程长度。因此，色轮156和160所选择的光束按检测器70和72表面上的不同量偏转。光束校正控制器96分析此偏转或偏差的性质，光束校正控制器96产生提供给光束偏差校正系统14的控制信号，随之校正任何检测到的光束不对准。
因此，第二替代实施例12″采用两个色轮156和160和两个光电检测器70和72。在对应于第一拾取分束器150和第二分束器152的两个不同点从多光束分离出到达检测器70和72的光束。这两个点足够地分开，使得检测器70和72以及相关计算机92可以精确地测量光束在位置和角度上的偏差。
图7是显示叠加的检测器表面170的示意图，说明图4-6的多光束偏差检测系统12、12’和12”所检测到的、由与x-y平面成45度角度以及与理想y-z平面成45度角度的示范性光束偏差所导致的偏差效应，其中y轴是多光束的理想光轴。第一点172对应于第一分光束在第一检测器(如图4的检测器70)的表面(x-z平面)上的位置。第二点174对应于第二分光束在第一检测器(如图4的检测器72)的表面(x-z平面)上的位置。第二点174偏离理想光轴y轴的偏差为第一点172的偏差的两倍(2h对h)。通过计算由第一点172和第二点174之间的直线176形成的角度，则容易确定分光束在x-z平面偏离x轴和/或z轴的角度。通过分析点172和174与原点(x、y、z交点)之间的距离，也很容易确定与分光束相关的任何偏移量。
图8是本发明的光束偏差检测和校正方法180的流程图。在开始的拾取步骤182，从主多光束组拾取要执行对准操作的一小部分多光束。然后，控制流程转到分光束分离步骤184。
在光束分离步骤184，分离出拾取的多光束的一个或多个分光束，以备光束对准检查之用。然后，控制流程转到分光步骤186。
在分光步骤186，将一个或多个分离出的分光束分成终止于一个或多个检测器表面的不同长度的两个独立光路。然后，控制流程转到偏差计算步骤188。
在偏差计算步骤188，以硬件或软件方式实现的控制算法根据被沿着两个独立光路引导的分离的分光束在一个或多个检测器表面上的位置计算一个或多个分离的分光束的偏差。然后，控制流程转到光束校正步骤190。
在光束校正步骤190，将一个或多个分光束重新对准，以便消除与分离出的分光束相关的任何偏差或不对准。
因此，本发明是参考某个特定实际应用的特定实施例来描述的。了解本发明原理的本专业的技术人员应知道其他修改、实际应用和实施例均应归于本发明范围内。例如，虽然具体参考的是同轴激光的多光束，但是本发明的特点还可以运用于其他类型的光束，甚至是非同轴的多光束。虽然说明书讨论的是可见光，但是本发明可以运用于多光束形式的任何能量，如红外或紫外波长。
因此，所附权利要求用来涵盖本发明范围内的任何和所有此类的应用、修改和实施例。
权利要求
1.一种用于检测分光束与光轴的偏离的系统，所述分光束与多光束相关，所述系统包括第一装置，用于自动选择性地从所述多光束分离出各个分光束，并随之输出每一个所述单独的分光束；以及第二装置，用于检测从所述第一装置输出的单独的分光束的相对于所述光轴的不对准。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于还包括用于自动校正所述不对准的装置。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述第一装置包括用于改变所述多光束的样品的方向并随之提供分离的多光束的装置。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于用于改变样品方向的所述装置包括准直透镜。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于用于改变样品方向的所述装置包括拾取分束器。
6.如权利要求3所述的系统，其特征在于所述各个分光束包括红色光束、绿色光束和蓝色光束。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述第一装置包括色轮，用于自动选择性地从所述各分开的多光束分离出所述红色、绿色和/或蓝色光束并随之输出分离出的分光束的装置。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于所述第二装置包括分束器，用于将所述分离出的分光束分成第一分光束和第二分光束、并分别沿第一光路和第二光路引导所述第一分光束和所述第二分光束。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于所述第一光路终止于第一检测器，而所述第二光路终止于第二检测器。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于所述第一和第二光路的长度相差预定距离。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于所述第二装置还包括第一控制算法，用于将所述第一分光束在所述第一检测器上的相对位置与所述第二分光束在所述第二检测器上的位置参照所述预定距离进行比较，并随之提供光束偏差信号。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于所述第二装置还包括第二控制算法，用于驱使光束偏差校正系统就与所述分离出的光束相关的所述光束偏差信号所指示的光束偏差进行校正。
13.如权利要求8所述的系统，其特征在于所述第一光路穿过第一电可控快门、从第一反射镜反射、反向穿过所述分束器、然后到达单一检测器的表面。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于所述第二光路穿过第二电可控快门、从第二反射镜反射、反向穿过所述分束器、然后到达单一检测器的表面。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于所述第二装置包括计算机，用于借助所述第一和第二电可控快门选择性地关闭所述第一和第二分光束、以便分别在所述单一检测器的表面上形成第一和第二光点。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述第二装置还包括计算机，用于分析所述第一光点和第二光点的位置以便测量与所述分离出的光束相关的光束偏差或不对准。
17.如权利要求3所述的系统，其特征在于用于改变样品方向的所述装置包括与第二拾取分束器串联的第一拾取分束器，分别用于改变所述多光束的沿第一光路的第一样品和沿第二光路的第二样品的方向。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于所述第一光路穿过第一色轮并终止于第一检测器表面，而所述第二光路穿过第二色轮并终止于第二检测器表面，所述第一和第二光路具有预定的不同的长度。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于所述系统还包括控制器，用于控制所述第一和第二色轮并且用于计算与从所述第一和第二色轮输出的分离出的光束相关的光束偏差。
20.一种用于检测分光束相对于与多个分光束相关的光轴的偏差的系统，所述系统包括第一装置，用于选择性地从所述多个分光束分离出所述分光束，并随之输出每一个所述分光束；第二装置，用于沿具有不同光程长度的第一和第二光路引导每个所述分光束；以及第三装置，用于根据每个所述分光束测量偏离理想光轴的光束偏差。
21.一种用于检测和补偿偏离与多光束相关的各个分光束的一个或多个光轴的偏差的系统，所述系统包括第一装置，用于选择性地从所述多光束分离出所述各个分光束，并随之输出每一个所述分光束；第二装置，用于检测相对于从所述第一装置输出的单独的分光束的所述光轴的不对准、并随之提供控制信号；以及第三装置，用于对所述控制作出反应而校正所述不对准。
22.如权利要求21所述的系统，其特征在于所述单独的分光束包括不同颜色的光束。
23.如权利要求22所述的系统，其特征在于所述第一装置包括用于选择性地从所述多光束分离出所述不同颜色的光束的色轮。
24.如权利要求23所述的系统，其特征在于所述单独的分光束包括红色光束、蓝色光束和绿色光束。
25.一种激光投影系统，它包括第一装置，用于产生其多个分光束被沿着预定的光轴引导的多激光束；第二装置，用于检测所述分光束的对准偏差并随之提供信号；第三装置，用于响应所述信号而校正所述对准偏差；以及第四装置，用于通过所述多个激光束显示图像。
26.如权利要求25所述的系统，其特征在于所述分光束包括红色光束、绿色光束和蓝色光束。
27.如权利要求26所述的系统，其特征在于所述第二装置包括色轮，用于选择性地分离出所述红色、绿色和蓝色光束并随之周期性地输出所述红色、蓝色和绿色光束。
28.如权利要求27所述的系统，其特征在于所述第二装置还包括用于检测与所述红色、所述蓝色或所述绿色光束相关的偏转。
29.如权利要求28所述的系统，其特征在于所述用于检测偏差的装置包括用于选择性地沿第一光路和第二光路引导所述红色、蓝色或绿色光束的装置，所述第一光路和所述第二光路具有相差预定距离的光程长度。
30.如权利要求29所述的系统，其特征在于所述用于检测偏差的装置还包括用于根据与所述第一光路和所述第二光路相关的所述红色、蓝色或绿色光束的偏转差别来计算所述红色、蓝色或绿色光束的偏转的装置。
31.如权利要求25所述的系统，其特征在于所述第四装置包括投影光学装置，用于选择性地相对于激光显示屏确定所述光轴的方向。
32.一种用于检测与多个激光束相关的分光束的不对准的系统，所述系统包括具有输入端和第一和第二输出端的拾取装置；与所述拾取装置的所述第一输出端进行通信的色轮；分束器，其输入面朝向所述色轮的输出面，所述分束器具有第一和第二输出孔；第一光电检测器，它朝向所述分束器的所述第一输出孔并且位于与所述第一输出孔相距第一距离的位置；第二光电检测器，它朝向所述分束器的所述第二输出孔并且位于与所述第二输出孔相距第二距离的位置；与所述拾取装置的所述第二输出端进行通信的光束偏差校正系统；以及与所述第一和第二光电检测器、所述光束偏差校正系统通信的计算机，并且所述光束偏差校正系统、所述计算机运行光束校正控制算法。
33.一种用于检测和补偿多个激光束的各个分光束偏离光轴的偏差的方法，所述方法包括如下步骤选择性地从所述多光束分离出所述各个分光束并随之输出所述各个分光束中的每一个；检测从所述第一装置输出的单独的分光束的相对于所述光轴的不对准并随之提供控制信号；以及对所述控制信号作出反应而校正所述不对准。
全文摘要
一种用于检测与多个激光束相关的一个或多个单独的分光束(16、18、20)偏离光轴的偏差的系统。在特定实施例中，所述系统包括自动校正(14)这些多光束中每个分光束的检测到的偏差。光束拾取装置，如拾取准直透镜或分束器(36)改变多光束的样品的方向，把分离的多光束提供给色轮(90)。分束器(98)将分离出的分光束分成第一分光束(100)和第二分光束(102)，并分别沿着终止于第一检测器(70)的第一光路和终止于第二检测器(72)的第二光路引导所述第一分光束和第二分光束。所述第一和第二光路的长度相差预定距离。在计算机(92)上运行的软件将第一检测器上的第一分光束的相对位置与第二检测器上第二分光束的位置参照所述预定距离进行比较，并随之提供光束偏差信号。
文档编号G02B27/18GK1471624SQ01818099
公开日2004年1月28日 申请日期2001年8月15日 优先权日2000年8月30日
发明者E·W·马休斯, E W 马休斯 申请人:索尼电子有限公司