专利名称：用于优化光学组件对准的方法和系统的制作方法
用于优化光学组件对准的方法和系统相关申请的交叉引用本申请要求2010年6月11日提交的美国申请序列号第12/813，610号的优先权权益。
背景技术：
本发明总体涉及半导体激光器、激光器控制器、光学组件以及包含半导体激光器的其它光学系统。更具体地，本发明涉及优化光学组件的对准的方法和系统，其中光学组件包括半导体激光器和第二谐波生成(SHG)晶体或其它类型的波长转换装置
发明内容
通过将诸如红外或近红外分布反馈(DFB)激光器、分布布拉格反射器(DBR)激光器或法布里-佩罗特激光器的单波长半导体激光器与诸如二次谐波生成(SHG)晶体的光波长转换装置组合可形成短波光源。通常，SHG晶体用于生成基础激光信号的较高谐波。为此，激光波长较佳地调谐成波长转换SHG晶体的光谱中心，激光器的输出较佳地在波长转换晶体的输入面处与波导部分对准。诸如掺杂MgO的周期极化铌酸锂(PPLN)晶体的典型SHG晶体的波导光学模场直径可在几微米范围内。于是，本发明人已经认识到将来自激光二极管的光束与SHG晶体的波导对准是非常有挑战的。因而，本发明的一个目的是提供用于将光学组件中的部件对准的方法和系统，该光学组件利用激光二极管结合SHG晶体或其它类型的波长转换装置来从较长波长源(例如近红外激光二极管)产生较短波长辐射(例如绿激光)。根据本发明的一实施例，一种用于对准光学组件的方法，该光学组件具有激光器、波长转换装置和定向成在激光器与波长转换装置之间形成折叠光学路径的至少一个可调节光学部件，该方法包括沿折叠光学路径引导激光器的光束并将该光束引导到波长转换装置的输入面上，使得光束入射在波长转换装置的波导部分上。在一实施例中，可调节光学部件可包括与透镜组件结合使用的可调节微机电系统(MEMS)以将激光器的束斑引导到波长转换装置的输入面上。然后当围绕第一扫描轴线调节可调节光学部件的位置，由此束斑在波长转换装置的波导部分上的沿第一和第二扫描线横穿时，测量波长转换装置的输出强度。然后基于可调节光学部件绕第一扫描轴线的调节位置来确定波长转换装置的输出强度变化。然后围绕第二扫描轴线调节可调节光学部件，由此使光束在波长转换装置的波导部分上沿第二扫描线横穿。然后基于可调节光学部件绕第二扫描轴线的调节位置来确定波长转换装置的输出强度变化。然后基于确定的波长转换装置的输出强度变化在第一扫描轴线和第二扫描轴线上定位可调节光学部件，使得波长转换装置的输出强度最大。根据本发明的另一实施例，一种光学系统，包括半导体激光器、波长转换装置、透镜组件、一个或多个可调节光学部件、光学探测器和控制器。波长转换装置包括波导部分和输入面。光学探测器联接到控制器并定位成测量波长转换装置的输出强度。透镜组件和可调节光学部件构造成将激光器的光束朝向波长转换装置的输入面引导。控制器编程成控制围绕第一扫描轴线和第二扫描轴线控制可调节光学部件的位置，使得激光器的束斑可定位在波长转换装置的波导部分上。控制器也可构造成向可调节光学部件施加第一信号来调节可调节光学部件绕第一扫描轴线的位置，使得光束沿第一扫描线横穿波长转换装置的所述波导部分；向可调节光学部件施加第二信号来调节可调节光学部件绕第二扫描轴线的位置，使得光束沿第二扫描线横穿波长转换装置的所述波导部分；基于可调节光学部件在第一扫描轴线和第二扫描轴线上的调节位置确定波长转换装置的输出强度变化；以及与可调节光学部件协作以基于确定的波长转换装置的输出强度变化在第一扫描轴线和第二扫描轴线上重新定位可调节光学部件，使得波长转换装置的强度最大。将在以下详细描述中阐述本发明的其它特征和优点，这些特征和优点在某种程度上对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图的本文所述的本发明可认识到。应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者呈现本发明的实施例，且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。
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，附图中相同的结构使用相同的附图标号指示，且其中图I是根据本发明一实施例的MEMS镜面工作的光学对准组件的的示意图；以及图2是入射在波长转换装置的输入面上光束的示意图。
具体实施例方式首先参照图1，尽管在涉及频率或波长-转换半导体激光源的设计和制造的方便可用现有技术文献中教示了可包含本发明各特定实施例概念的各种类型光学组件的一般结构，但可通常参照包括例如半导体激光器10 (图I中标示为“ λ ”)的波长转换装置20(在图I中标记为“2 V ”)的光学组件方便地说明本发明各特定实施例的概念。在图I所示的构造中，由半导体激光器10发出的近红外光通过一个或多个可调节光学部件30和适当的透镜组件35耦合到波长转换装置20的波导部分内，该透镜组件35可包括单体式或多部件构造的一个或多个光学元件。图I所示的光学组件在从各种较长波长半导体激光器产生各种较短波长激光束时尤其有用且可用作例如激光投影系统中的可见激光源。可调节光学部件30尤其有帮助，因为通常难以将由半导体激光器10发出的输出光束聚焦到波长转换装置20的波导部分内。例如，诸如掺杂MgO的周期极化铌酸锂(PPLN)晶体的典型SHG晶体的波导光学模场直径可在几微米范围内。总地参见图I和2，透镜组件35与可调节光学部件30协作以在波长转换装置20的输入面22上生成相当大小的束斑15。可调节光学部件30构造成通过调节可调节光学部件的驱动机构来引入光束角度偏移，且这样可用于通过改变波长转换装置20的输入面22上束斑15的位置直到其与波长转换装置20的波导部分24对准为止，从而有效地将束斑15与波长转换装置20的波导部分24对准。在一实施例中，通过在波长转换装置20的光学路径中提供例如分束器40和光学探测器50来监测光束对准。光学探测器50可以操作地连接到微控制器或控制器60 (图I中标示为“ μ C”)，使得来自光学探测器50的输出信号被控制器60接收。控制器60可构造成通过调节可调节光学部件的驱动机构来控制可调节光学部件30的位置或状态，并这样将半导体激光器10的输出光束定位在波长转换装置20的输入面22上。在一实施例中，控制器60可用于根据从光学探测器50接收的输出信号来控制可调节光学部件30的位置或状态。在另一实施例中，控制器60可用于进行对准过程，使得半导体激光器10的束斑15与波长转换装置20的波导部分24对准。图I中示意性示出的可调节 光学部件可采取各种常规或尚待开发的形式。在一实施例中，考虑到可调节光学部件是操作地耦合到驱动机构的平面镜，使得平面镜的角度定向可在2轴上调节，从而可改变波长转换装置20的输入面22上束斑15的位置。在另一实施例中，考虑到可调节光学部件30的驱动机构可包括操作地联接到平面镜的一个或多个可动微光机电系统(MOEMS)或微机电系统(MEMS)，使得可在至少2个轴上调节平面镜的角度定向。MEMS或MOEMS装置可构造和布置成改变束斑15在波长转换装置20的输入面22上的位置。由于平面镜位于光学系统的准直或近准直光束空间内，平面镜角度的调节会致使在波长转换装置的输入面上重新聚焦的束斑的x/y位置的改变。MEMS或MOEMS装置的使用使得能够极快速地进行重新聚焦的束斑位置在大范围内的调节。例如，当结合3_焦距透镜使用时，具有+/-I度机械偏移的MEMS平面镜可允许束斑在波长转换装置的输入面上角度移位+/-100 μ m。由于MEMS或MOEMS装置的快速响应时间，可在IOOHz至IOkHz量级的频率下进行束斑的调节。替代地或附加地，可调节光学部件30可包括构造成进行光束转向和/或光束聚焦的一个或多个液体透镜部件。还有，考虑到可调节光学部件30可包括安装到微致动器的一个或多个平面镜和/或透镜。在一考虑的实施例中，可调节光学部件采取透镜组件35中可动或可调节透镜的形式，或者另外可调节光学部件30采取固定平面镜的形式。在图I所示的光学构造中，可调节光学部件30是包含在相对紧凑折叠路径光学系统中的微光机电平面镜。在所示构造中，可调节光学部件30构造成使光学路径折叠，使得光学路径首先穿过透镜组件35以作为准直或近准直光束到达可调节光学部件30，并随后穿过同一透镜组件35返回以聚焦在波长转换装置20上。该类型的光学构造尤其适用于波长转换激光源，其中半导体激光器生成的激光束的横截面尺寸接近波长转换装置20的输入面上波导的尺寸，在该情况下，接近I的倍率会在将束斑聚焦在波长转换装置20的输入面上时产生最佳耦合。为了限定和描述本发明的目的，应指出本文提到“准直或近准直”光束用于覆盖光束发散度或收敛度降低的任何光束构造，将光束朝向更准直状态弓I导。透镜组件35可描述为双功能、准直或聚焦光学部件，因为其用于将激光器的发散的光输出准直并将沿组件的光学路径传播的激光重新聚焦到波长转换装置的波导部分内。该双功能光学部件非常适于需要接近I的放大系数的应用，因为单个透镜组件35用于准直和聚焦。更具体地，如图I所示，来自半导体激光器10的激光输出顺次在透镜组件35的第一面31处折射、在透镜组件35的第二面32处折射、以及沿透镜组件35的方向被可调节光学部件30反射。一旦激光沿透镜组件35方向反射回，激光首先在透镜组件35的第二面32处折射并随后在透镜组件35的第一面31处折射，用于聚焦在波长转换装置20的输入面上。在本发明的特定实施例中，可调节光学部件30足够靠近透镜组件35的图像焦点放置，以确保入射在波长转换装置20的输入面22上的原理射线大致平行于光学组件输出处的原理射线。还可示出图I所示的构造还提供像差方面的某些优点。实际上，当半导体激光器10的输出面和波长转换装置20的输入面与透镜组件35的物体聚焦平面大致对准定位，且半导体激光器10的输出波导和波长转换装置20的输入波导相对于透镜组件35的光学轴线对称时，考虑到可自动纠正诸如彗差之类的不对称场像差。现参照图I和2，在一实施例中，优化半导体激光器10的束斑15与波长转换装置20的波导部分24的对准的方法包括将半导体激光器10的束斑15对准在波长转换装置20的波导部分24上。然后在监测波长转换装置20的输出的同时调节束斑15在波长转换装置20的波导部分24上的位置，从而确定波长转换装置20的输出强度的变化。然后基于确定的波长转换装置20的输出强度的变化来重新定位可调节光学部件30，使得波长转换装置20的输出强度最大。如本文所讨论的，波长转换装置20的输出强度可通过将分束器40和光学传感器
50靠近波长转换装置20的输出定位来监测。在一实施例中，光学传感器50可以是构造成测量通过波长转换装置20耦合的电磁辐射强度的光电二极管。电磁辐射可包括红外辐射，诸如从半导体激光器10发出的红外辐射，或诸如从波长转换装置20发出的绿光之类的可见光福射。为了优化束斑15与波长转换装置20的波导部分24的对准，半导体激光器10的束斑15首先聚焦在波长转换装置20的输入面22上。这可通过将透镜组件35相对于波长转换装置20和半导体激光器10定位，使得波长转换装置20的输入面22和半导体激光器10的输出面与透镜组件35的聚焦平面大致共面来实现的。然后束斑15与波长转换装置20的波导部分24大致对准。这可通过使用任何数量的技术来实现束斑与波长转换装置20的波导部分的对准来实现，包括但不限于题为“Methods And Systems For Aligning Optical Packages (用于对准光学组件的方法和系统)”的美国专利申请第12/072，386号中所揭示的对准技术，该专利以参见的方式纳入本文。由于束斑15与波长转换装置20的波导部分24大致对准，可通过在监测由于位置变化造成的波长转换装置20的输出强度变化的同时调节束斑15在装置的波导部分24上的位置来优化该对准。当束斑15与波长转换装置20的波导部分24大致对准时，可调节光学部件30的位置是用于进行优化对准的可调节光学部件的起始位置或最初位置。参照图I和2，束斑15在波长转换装置20的波导部分24上的位置可通过调节可调节光学部件30的位置、诸如在可调节光学部件30围绕第一扫描轴线转动时来改变。在图I所示的实施例中，第一扫描轴线对应于垂向穿过可调节光学部件30延伸并大致平行于I轴的轴线。使可调节光学部件30绕第一扫描轴线转动使得束斑15沿第一扫描线Al的至少一部分横穿波长转换装置20的输入面。在图2所示的实施例中，第一扫描线Al是与图中所示坐标系的X轴大致平行的线。在一实施例中，可调节光学部件30沿一个方向绕第一扫描轴线转动，使得束斑15沿一个方向横穿第一扫描线Al的至少一部分。在另一实施例中，可调节光学部件30沿两个方向绕第一扫描轴线转动，使得束斑15沿两个方向横穿第一扫描线Al的至少一部分(沿X轴的正向和负向)。为了实现这一点，可调节光学部件30围绕第一扫描轴线转动，使得首先沿一个方向并然后沿第二方向扫描束斑15。可在控制器60的控制下通过由控制器提供给可调节光学部件30的电信号进行可调节光学部件30位置的调节。在调节可调节光学部件30的位置时，通过光学传感器50测量波长转换装置20的输出强度，光学传感器50向控制器60提供对应于输出强度的信号。基于从光学传感器50接收的信号，当束斑15横穿第一扫描线Al时控制器60确定波长转换装置20的输出强度的变化。确定的输出强度的变化可包括输出强度变化的幅度以及对应于输出强度的增加或减小的变化的符号(+/_)。在一实施例中，当可调节光学部件30转动使得沿第一扫描线Al沿两个方向扫描束斑15时，控制器可对沿第一扫描线的每个方向确定波长转换装置20的输出强度的变化。在另一实施例中，控制器可在与控制器操作地关联的存储器(未示出)内记录可调节光学部件30的输出强度和相应的调节位置。可进行类似的程序来确定沿波长转换装置20的波导部分24的输出强度沿第二扫描线A2的变化。第二扫描线A2大致垂直于第一扫描线Al。因而，为了沿第二扫描线A2穿过束斑15，将可调节光学部件30的位置绕第二扫描轴线调节成使得束斑15在第二扫描线 上穿过波长转换装置20的波导部分24。在图I所示的实施例中，第二扫描轴线是大致平行于所示坐标系的X轴的穿过可调节光学部件30的轴线。为了便于调节可调节光学部件30绕第二扫描轴线A2的位置，控制器60可为可调节光学部件30提供使可调节光学部件30绕第二扫描轴线转动的电信号。在一实施例中，可调节光学部件30沿一个方向绕第二扫描轴线转动，使得束斑15沿一个方向横穿第二扫描线A2的至少一部分。在另一实施例中，可调节光学部件30沿两个方向绕第二扫描轴线转动，使得束斑15沿两个方向横穿第二扫描线A2的至少一部分(沿y轴的正向和负向)。为了实现这一点，可调节光学部件30围绕第二扫描轴线转动，使得首先沿一个方向并然后沿第二方向扫描束斑15。在调节可调节光学部件30绕第二扫描轴线的位置时，通过光学传感器50测量波长转换装置20的输出强度,光学传感器50向控制器60提供对应于输出强度的信号。基于从光学传感器50接收的信号，当束斑15横穿第二扫描线A2时控制器60确定波长转换装置20的输出强度的变化。确定的输出强度的变化可包括输出强度变化的幅度以及对应于输出强度的增加或减小的变化的符号(+/_)。在一实施例中，当可调节光学部件30转动使得沿第二扫描线A2沿两个方向扫描束斑15时，控制器可对沿第二扫描线的每个方向确定波长转换装置20的输出强度的变化。在另一实施例中，控制器可在与控制器操作地关联的存储器内记录可调节光学部件30的输出强度和相应的调节位置。调节可调节光学部件30沿第一扫描轴线的位置和调节可调节光学部件30沿第二扫描轴线的位置同时进行，且控制器可基于可调节光学部件30沿第一和第二扫描轴线的调节位置来确定输出强度的变化。在另一实施例中，可调节光学部件30在第一扫描轴线和第二扫描轴线上的位置可通过对可调节光学部件30提供抖动信号，使得可调节光学部件30绕第一扫描轴线和/或第二扫描轴线摆动来调节。例如，当可调节光学部件30包括MEMS平面镜时，控制器可向MEMS平面镜提供第一抖动信号以绕第一扫描轴线摆动，这又使得束斑15沿第一扫描线的两个方向跨越可调节光学部件30的波导部分24扫描。在一实施例中，可调节光学部件30可在大约可调节光学部件30的谐振频率下摆动。抖动信号可以是信号的电压或电流在指定时间段内摆动的电信号。因而，抖动信号可以是正弦信号、方波信号、锯齿信号等。可将第二抖动信号施加到可调节光学部件30，以使可调节光学部件30绕第二扫描轴线摆动，这又使得束斑15沿第二扫描线A2跨越波长转换装置20的波导部分24扫描。在一实施例中，当可调节光学部件是MEMS装置时，施加到可调节光学部件30的抖动信号可由LC谐振储能电路产生，如现有技术和B. Cagdaser和B. E. Boser在MicroElectro Mechanical System, 2005, 2005 年 I 月 30 日 _2 月 3 日召开的 MEMS 2005 第十八界 IEEE 国际会议(18th IEEE InternationalConference)第 142-146 页的 “Resonantdrive:sense and high voltage electrostaticdrive using single MEMs capacitor andlow voltage electronics, ”中所揭示的,该文献以参见的方式纳入本文。LC谐振储能电路(未示出)可以操作地与控制器60关联，使得控制器60选择性地向可调节光学部件30施加抖动信号以使可调节光学部件30绕第一和第二扫描轴线摆动。LC谐振储能电路的使用允许可调节光学部件30位置的大幅变化，同时仅需要相对低幅的输入电压。因而，LC谐振储能电路的使用便于大量地调节可调节光学部件30的位置，而仅需要电路输入处小的电压变化。当可调节光学部件是可能需要相对大电压(约100伏)来致动装置的静电MEMS装置时，这尤其有用。尽管LC谐振储能电路提供用于为MEMS装置提供抖动信号的一示例性实施例，但应当理解，可使用其它电路来为可调节光学部件提供抖动信号。
在一实施例中，当使用第一抖动信号和第二抖动信号来调节可调节光学部件30绕第一扫描轴线和第二扫描轴线的位置时，当跨越波长转换装置的波导部分24扫描束斑15时，波长转换装置20的输出强度可由光学传感器50来测量，且光学传感器的输出信号可作为时间的函数存储在与控制器60操作地关联的存储器内。在一实施例中，当调节可调节光学部件30在第一扫描轴线或第二扫描轴线上的位置使得沿单向沿第一扫描线Al或第二扫描线A2扫描束斑，控制器基于确定的波长转换装置20的输出强度变化将可调节光学部件30在第一扫描轴线和第二扫描轴线上重新定位。例如，当对于可调节光学部件30的特定调节位置确定的波长转换装置20的输出强度的变化为正时，控制器将可调节光学部件30重新定位到产生输出强度增加的调节位置。但是，当输出强度的变化为负时，控制器可重复沿适当的扫描轴线重复调节光学部件位置的过程，只是这次可调节光学部件30沿与产生输出强度负变化相反的方向转动。如果第二调节位置也产生输出强度的负变化，则可调节光学部件30在该扫描轴线上的初始位置是最佳位置且不必重新定位。如果第二调节位置产生输出强度的正变化，则将可调节光学部件30重新定位到第二调节位置。在任何情况下，如果波长转换装置20的输出强度变化为零，则可调节光学部件30保持在其初始位置。另一实施例中，当调节可调节光学部件30在第一扫描轴线或第二扫描轴线上的位置，使得沿两个方向沿第一扫描线Al或第二扫描线A2扫描束斑15时，控制器将沿扫描线对每个方向确定的输出强度变化相比较并将可调节光学部件30围绕扫描轴线重新定位到对应于波长转换装置20的输出强度增加的调节位置。如果两个方向都不产生输出强度增加(例如，当沿扫描轴线沿两个方向确定的装置的输出强度变化都为负时)，则可调节光学部件30的初始位置产生波长转换装置20的最大输出强度，且无需重新定位。类似的，如果确定的输出强度变化为零(例如由于重新定位可调节光学部件而波长转换装置20的输出强度没有增加或减小)，则可调节光学部件30保持在初始位置。在另一实施例中，当使用第一和第二抖动信号来调节可调节光学部件30的位置时，控制器60可通过将光学传感器50的输出信号与第一抖动信号和/或第二抖动信号比较并相应地调节可调节光学部件30在第一扫描轴线和第二扫描轴线上的位置来优化束斑15与波长转换装置20的波导部分24的对准。在一实施例中，将从光学传感器50收集的信号确定的波长转换装置20的输出强度正变化与同一时段抖动信号的电压和/或电流变化比较。使用电压和/或电流的相应变化来从初始位置将可调节光学部件30在第一扫描轴线和/或第二扫描轴线上重新定位，从而增加波长转换装置20的输出强度。在另一实施例中，来自光学传感器的输出信号直接与同一时段的第一抖动信号或第二抖动信号比较。光学传感器的输出信号的相位与第一抖动信号或第二抖动信号的相位之差用于将可调节光学部件30在第一扫描轴线和第二扫描轴线上重新定位，使得波长转换装置20的输出强度最大。在另一实施例中，如对本领域技术人员显而易见的，控制器可利用确定的波长转换装置20的输出强度变化结合比例-积分-微分(PID)控制技术来将可调节光学部件30在第一扫描轴线和第二扫描轴线上重新定位。因而，现在应当理解，可使用闭环反馈控制调节可调节光学部件的位置，使得半导 体激光器的束斑定位在波长转换装置的波导部分上以使波长转换装置的输出强度最大，从而进行用于优化对准的方法。此外，会理解可迭代地进行优化光学组件对准的方法，直到波长转换装置的输出强度最大为止。尽管本文具体参照相对于图I和2所不坐标系的第一扫描线、第二扫描线、第一扫描轴线和第二扫描轴线的定向，但应当理解，除非本文另有描述，不对参照具体坐标系的任何特定扫描轴线的定向进行特定限制。但是，应当理解，沿波长转换装置20的输入面22的第一扫描线会大致垂直于沿输入面22的第二扫描线，且可调节光学部件30的第一扫描轴线会大致垂直于可调节光学部件30的第二扫描轴线。此外，可调节光学部件30的第一扫描轴线会大致垂直于沿输入面22的第一扫描线，且可调节光学部件30的第二扫描线会大致垂直于沿输入面22的第二扫描线。实践中，在光学组件组装期间，可采用本文所述的对准方法来优化半导体激光器的光束与波长转换装置20的波导部分的对准。也可在光学组件的整个寿命期间、诸如在半导体激光器与波长转换装置20的对准被环境条件、热振动、机械振动和/或类似条件不利影响时，使用本文所述的对准方法来保持光学组件的对准或再对准。在一实施例中，在光学组件组装期间可使用本文所述的对准方法结合其它对准技术来优化半导体激光器10的束斑15与波长转换装置20的波导部分24的对准。例如，在光学组件组装期间，首先将波长转换装置20组装到半导体激光器10顶部，使得半导体激光器10的输出面与波长转换装置20的输入面大致共面。然后将可调节光学部件30和透镜组件35在x/y平面内和z轴上相对于波长转换装置20和半导体激光器10定位。可调节光学部件30和透镜组件35中的每个沿x/y平面定位，使得每个部件的中心线在半导体激光器10与波长转换装置20之间的中心线的几百微米内。当透镜组件35的焦距有很好特性时，透镜组件35和可调节光学部件30可沿z向定位在光学组件内，使得波长转换装置20的输入面22和半导体激光器10的输出面在透镜组件35的物体聚焦平面内或与之共面。例如，在一实施例中，透镜组件35的焦距约为3mm。因此，光学组件的各部件定位成使得透镜组件35与波长转换装置20的输入面22和半导体激光器10的输出面之间的距离可约为3mm。可调节光学部件30相对于透镜组件35类似定位。一旦每个部件在光学组件中适当定位，则将透镜组件35、波长转换装置20/半导体激光器10组合和可调节光学部件30中的每个使用环氧树脂、激光焊接或者目前已知或随后开发的其它附连技术永久地在光学组件中固定就位。在光学组件的各部件固定就位之后，可激励光学组件，且半导体激光器10的束斑15可与波长转换装置20的波导部分24大致对准。在一实施例中，可通过在监测波长转换装置20的输出强度的同时在波长转换装置20的输入面22进行束斑15的光栅扫描将束斑15与波导部分24大致对准。然后根据波长转换装置20的输出强度定位束斑15，使得束斑15与波长转换装置20的波导部分24大致对准。在另一实施例中，可利用美国专利申请第12/072，686号中所揭示的对准方法将束斑15与波导部分24大致对准。此后，本文描述的优化光学组件对准的方法可由控制器实施以优化束斑15相对于波长转换装置20的波导部分24的位置。更具体地，控制器60可构造成通过向可调节光学部件30提供信号来进行调节可调节光学部件30在第一扫描轴线和第二扫描轴线上位置 的步骤。控制器60也可构造成从光学传感器50接收对应于波长转换装置20的输出强度变化的信号，波长转换装置20的输出强度变化是由于通过调节可调节光学部件30的位置、束斑15在波长转换装置20的波导部分24上的位置变化造成的。使用从光学传感器50接收的信号，控制器60将可调节光学部件30重新定位成波长转换装置20的输出最大，由此进行闭环反馈控制来优化束斑15与波长转换装置的对准。现在应当理解，本文描述的对准方法可用于在光学组件组装期间或在整个光学组件组装之后和光学组件第一次开启和每次开启之后对准光学组件。在另一实施例中，当透镜组件35的焦距不具有很好特性时，本发明的闭环对准方法可用于随着光学组件的每个部件定位和对准来调谐和优化束斑15与波长转换装置20的对准。例如，当透镜组件35的焦距具有很好特性时，透镜组件35和可调节光学部件30可插入光学组件内并与波长转换装置20和半导体激光器10大致对准定位。在该技术中，各部件在x/y平面内的对准仅需在几百微米内，而透镜组件35与波长转换装置20的输入面22的对准应当接近透镜组件35的一个焦距。由于各部件大致对准，将光学组件开启并使用本文上述一个或多个对准技术将束斑15与波长转换装置20的波导部分24大致对准。然后可沿z方向调节透镜组件35和可调节光学部件30的位置来优化光学组件的特性，同时控制器60执行本文所述的对准优化方法来随着调节透镜组件35和可调节光学部件30中每个的位置来动态保持束斑15与波长转换装置20的对准。一旦光学组件的各部件沿z向适当定向，则将每个部件固定就位。控制器60然后可进行本文所述的对准优化方法来优化束斑15与波导部分24的对准，使得波长转换装置20的输出最大。在又一实施例中，可在光学组件组装后周期性地执行优化束斑15与波长转换装置20的波导部分24对准的方法，从而检查光束对准和/或将束斑15与波导部分24再对准。例如，在光学组件的寿命期间，该装置可能暴露于各种环境和机械条件，诸如热、潮湿、振动、机械振动等，这可能不利地影响光束15与波长转换装置的波导部分24的对准。可周期性地采用本文所述的方法来检查光束与波长转换装置20的波导部分24的对准，且必要时将光束15与波长转换装置20的波导部分再对准。例如，在激光器开启的同时可周期性地采用本文所述的对准优化方法。在一实施例中，控制器60可构造成在规则的时间间隔执行本发明的对准方法。在另一实施例中，控制器60可编程成在发生特定事件或条件之后执行对准方法。例如，当在激光投影装置中采用光学组件时，控制器60可编程成每次显示或投影图像帧就实施一次对准方法。在又一实施例中，可由使用者启用本文所述的对准优化方法。例如，光学组件可构造有用户界面(未示出)，包括可操作地连接到控制器60的按钮、开关、触摸板等。控制器可构造成在从用户界面接收到特定用户输入时执行对准优化方法。因而，只要光学组件开启，使用者可在任何时间启用对准优化方法。现在应当理解本文所述的方法适用于优化半导体激光器的光束与波长转换装置的波导部分的对准。该对准方法非常适于在光学组件初始组装期间或光学组件的整个寿命的任何时间优化光束与波长转换装置的对准。考虑到本发明的方法可应用于彩色成像激光投影系统、诸如车辆中平视显示器之类的基于激光的显示器、或者光学对准和/或波长微调成问题的任何激光应用。还考虑到本文讨论的对准方法会结合各种半导体激光器应用，包括但不限于DBR和DFB激光器、法布里-佩罗特激光器和多种类型的外腔激光器。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。对本领域技术人员显而易见的是，可对本发明做出各种修改和变化而不偏离本发明的精神和范围。因此，意味着本发明涵盖本发明的各种修改和变型，只要这种修改和变型在所附权利要求及其等同范围内即可。注意到，类似“较佳地”、“一般地”和“通常地”之类的术语如果在本文中被采用，不应该解读为限制要求保护的发明的范围或者暗示某些特征是关键的、必要的、或者甚至·比要求保护的发明的结构或功能更重要。相反，这些术语仅旨在突出可或可不在本发明的具体实施例中采用的替换的或附加的特征。为了描述和限定本公开，注意在本文中利用术语“基本上”和“大约”来表示可归因于任何数量比较、值、测量或其它表示的固有不确定度。还在此采用术语“基本上”和“大约”以表示数量表示可不同于规定参考值而不在此问题上导致本主题的基本功能改变的程度。注意到，在这里，关于以特定的方式“编程”的组件、“构造”或“编程”来使特定的属性具体化、或者具有特定的方式的功能的叙述都是结构性的叙述，与有意的使用的叙述不同。更特别地，这里组件“编程”或“构造”的参考标记指代所述组件的存在的物理条件，并且同样地被作为所述组件的结构特征的明确的叙述。例如，本文提到透镜组件和可调节光学部件“构造成”以特定方式引导激光束是指透镜组件和可调节光学部件的现有物理条件，且这样认为是透镜组件和可调节光学部件的结构特征的明确记载。已详细地并引用其具体实施例描述了本发明，显然在不背离所附权利要求书中所限定的本发明的范围的情况下多种修改和变化是可能的。更具体地，虽然本发明的一些方面在此被鉴别为优选的或特别有益的，但应构思到本发明不是必然限于本发明的这些优选的方面。
权利要求
1.一种优化光学组件的对准的方法，所述光学组件包括激光器、波长转换装置和定向成在所述激光器与所述波长转换装置之间形成折叠光学路径的至少一个可调节光学部件，所述方法包括 用所述可调节光学部件沿所述折叠光学路径引导所述激光器的束斑并将所述束斑引导到所述波长转换装置的输入面上，使得所述束斑入射在所述波长转换装置的波导部分上； 测量所述波长转换装置的输出强度； 围绕第一扫描轴线调节所述可调节光学部件的位置，由此使所述束斑沿在所述波长转换装置的所述波导部分上的第一扫描线横穿所述波长转换装置的所述波导部分； 基于所述可调节光学部件绕所述第一扫描轴线的调节位置确定所述波长转换装置的输出强度变化； 围绕第二扫描轴线调节所述可调节光学部件的位置，由此使所述束斑沿第二扫描线横穿所述波长转换装置的所述波导部分； 基于所述可调节光学部件绕所述第二扫描轴线的调节位置确定所述波长转换装置的输出强度变化；以及 基于所述确定的所述波长转换装置的输出强度变化在所述第一扫描轴线和所述第二扫描轴线上重新定位所述可调节光学部件，从而优化所述束斑与所述波长转换装置的所述波导部分的对准并使所述波长转换装置的所述输出强度最大。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，为了绕所述第一扫描轴线或所述第二扫描轴线调节所述可调节光学部件的位置，向所述可调节光学部件提供至少一个电信号，由此使所述可调节光学部件绕所述第一扫描轴线和/或所述第二扫描轴线转动。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于 调节所述可调节光学部件绕所述第一扫描轴线的位置，使得所述束斑沿第一方向和第二方向横穿所述波长转换装置的所述波导部分上的所述第一扫描线； 基于所述可调节光学部件绕所述第一扫描轴线的调节位置确定所述波长转换装置的所述输出强度变化包括确定沿所述第一扫描线对应于所述波长转换装置的输出强度增加的方向； 调节所述可调节光学部件绕所述第二扫描轴线的位置，使得所述束斑沿第一方向和第二方向横穿所述波长转换装置的所述波导部分上的所述第二扫描线；以及 基于所述可调节光学部件绕所述第二扫描轴线的调节位置确定所述波长转换装置的所述输出强度变化包括确定沿所述第二扫描线对应于所述波长转换装置的输出强度增加的方向。
4.如权利要求I所述的方法，其特征在于，随着所述束斑沿所述第一扫描线或所述第二扫描线横穿，基于所述波长转换装置的所述输出强度变化的符号在所述第一扫描轴线和所述第二扫描轴线上重新定位所述可调节光学部件。
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于，绕所述第一扫描轴线调节所述可调节光学部件的位置和绕所述第二扫描轴线调节所述可调节光学部件的位置是同时进行的。
6.如权利要求I所述的方法，其特征在于，通过对所述可调节光学部件施加第一抖动信号以使所述可调节光学部件绕所述第一扫描轴线摆动来调节所述可调节光学部件绕所述第一扫描轴线的位置；以及 其中通过对所述可调节光学部件施加第二抖动信号以使所述可调节光学部件绕所述第二扫描轴线摆动来调节所述可调节光学部件绕所述第二扫描轴线的位置。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，基于相对于所述第一抖动信号的所述波长转换装置所述输出强度变化将所述可调节光学部件在所述第一扫描轴线上重新定位，基于相对于所述第二抖动信号的所述波长转换装置所述输出强度变化将所述可调节光学部件在所述第二扫描轴线上重新定位。
8.如权利要求6所述的方法,其特征在于,基于相对于所述第一抖动信号的电压或电流中至少一个的变化的所述波长转换装置所述输出强度变化将所述可调节光学部件在所述第一扫描轴线上重新定位，且基于相对于所述第二抖动信号的电压或电流中至少一个的变化的所述波长转换装置所述输出强度变化将所述可调节光学部件在所述第二扫描轴线上重新定位。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述可调节光学部件在大约所述可调节光学部件的谐振频率下绕所述第一扫描轴线和第二扫描轴线摆动。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一抖动信号和所述第二抖动信号是摆动信号。
11.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述光学组件还包括透镜组件，且其中所述激光器的束斑穿过所述透镜组件被引导，所述透镜组件将所述束斑聚焦到所述可调节光学部件上，且其中所述束斑被所述可调节光学部件反射返回穿过所述透镜组件，由此将所述束斑聚焦到所述波长转换装置的所述波导部分上。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述透镜组件在所述束斑被所述可调节光学部件反射之前对所述激光器的所述束斑进行准直或近准直。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述透镜组件包括可调节透镜部件以作为所述可调节光学部件，所述光学组件还包括沿所述激光器与所述波长转换装置之间的光学路径定位的固定平面镜。
14.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述光学组件还包括控制器和光学探测器，所述控制器编程成控制所述可调节光学部件的位置或状态，所述光学探测器用于在所述束斑横穿所述波长转换装置的所述波导部分时测量所述波长转换装置的波长转换输出。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述控制器通过向所述可调节光学部件提供至少一个信号使得所述至少一个信号将所述可调节光学部件围绕所述第一扫描轴线和/或所述第二扫描轴线中的至少一个定位来控制所述可调节光学部件的位置。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述光学探测器操作地联接到所述控制器，使得所述光学探测器向所述控制器提供对应于所述波长转换装置的所述输出强度的信号，且所述控制器利用由所述控制器接收的信号来基于所述可调节光学部件围绕所述第一扫描轴线和所述第二扫描轴线的调节位置来确定所述波长转换装置的所述输出强度变化。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述控制器编程成利用比例、积分、微分控制技术结合所述确定的所述波长转换装置的所述输出强度变化来将所述可调节光学部件绕所述第一扫描轴线和所述第二扫描轴线重新定位。
18.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述可调节光学部件包括操作地联接到驱动机构使得所述平面镜的角度定向可调节的平面镜。
19.如权利要求18所述的方法,其特征在于,所述驱动机构包括微光机电系统或微机电系统。
20.一种光学系统，包括半导体激光器、波长转换装置、透镜组件、一个或多个可调节光学部件、光学探测器和控制器，其中所述波长转换装置包括波导部分和输入面，所述光学探测器联接到所述控制器并定位成测量所述波长转换装置的输出强度，所述透镜组件和所述可调节光学部件定向成在所述半导体激光器与所述波长转换装置之间形成折叠光学路径并构造成将所述半导体激光器的束斑朝向所述波长转换装置的所述输入面引导，且所述控制器编程成 与所述可调节光学部件协作来控制所述可调节光学部件绕第一扫描轴线和第二扫描轴线的位置或状态； 向所述可调节光学部件施加第一信号来调节所述可调节光学部件绕第一扫描轴线的位置，使得所述束斑沿第一扫描线横穿所述波长转换装置的所述波导部分； 向所述可调节光学部件施加第二信号来调节所述可调节光学部件在第二扫描轴线上的位置，使得所述束斑沿第二扫描线横穿所述波长转换装置的所述波导部分； 基于所述可调节光学部件在所述第一扫描轴线和所述第二扫描轴线上的调节位置确定所述波长转换装置的输出强度变化；以及 与所述可调节光学部件协作以基于所述确定的波长转换装置的所述输出强度变化在所述第一扫描轴线和所述第二扫描轴线上重新定位所述可调节光学部件，使得所述波长转换装置的所述输出强度最大。
全文摘要
一种优化光学组件的对准的方法，包括沿折叠光学路径引导激光器的束斑并将该束斑引导到波长转换装置的波导部分上。当围绕第一扫描轴线和第二扫描轴线调节可调节光学部件的位置，由此束斑沿在波长转换装置的波导部分上的第一和第二扫描线横穿时，测量波长转换装置的输出强度。然后基于可调节光学部件的调节位置来确定波长转换装置的输出强度变化。然后基于确定的波长转换装置的输出强度变化在第一扫描轴线和第二扫描轴线上定位可调节光学部件，使得波长转换装置的输出强度最大。
文档编号G02B26/10GK102934007SQ201180027934
公开日2013年2月13日 申请日期2011年6月3日 优先权日2010年6月11日
发明者J·高里尔, G·A·皮尔驰, D·O·里基茨 申请人:康宁股份有限公司