半导体激光器、光源设备、图像形成装置、图像显示设备、物体设备和彩色光生成方法与流程

本发明涉及半导体激光器、光源设备、图像形成装置、图像显示设备、物体设备和彩色光生成方法。

背景技术

用于生成彩色光的半导体激光器是已知的(例如，见专利文献1、2)。

一些半导体激光器以纵向多模进行振荡，其他的半导体激光器以纵向单模进行振荡。

技术实现要素：

技术问题

然而，特别是在使用以纵向多模进行振荡的半导体激光器来进行彩色光生成的情况下，存在关于防止颜色偏移的改进空间。

解决问题的方案

根据本发明的一方面，半导体激光器用于生成彩色光。该半导体激光器以纵向多模进行振荡。在输出光的光谱分布中具有相对于峰强度大于或等于-20db的强度的波长带的宽度为小于或等于15nm。

有益效果

根据本发明的一方面，能够防止颜色偏移。

附图说明

[图1]图1是示出根据实施例的hud设备的示意配置的示意图。

[图2]图2是示出hud设备的控制系统的硬件配置的框图。

[图3]图3是hud设备的功能框图。

[图4]图4是示出hud设备的光偏转器的示意图。

[图5]图5是示出二维扫描期间的扫描线轨迹的示例的示意图。

[图6]图6是示出hud设备的光源的示意图。

[图7]图7是示出以纵向多模进行振荡的半导体激光器的光谱分布的示例的示意图。

[图8]图8是示出以纵向多模进行振荡的绿色半导体激光器的光谱分布的示例的示意图。

[图9]图9是示出利用以纵向多模进行振荡的绿色半导体激光器难以呈现颜色g的示意图。

[图10]图10是示出使用以纵向多模进行振荡的绿光半导体激光器、以纵向单模进行振荡的红光半导体激光器、和以纵向单模进行振荡的蓝光半导体激光器来生成颜色w的方法的示意图。

[图11]图11是示出能够通过使得以纵向多模进行振荡的绿色半导体激光器的波长带宽变窄来呈现颜色g的示意图。

[图12]图12是示出在以纵向多模进行振荡的绿色半导体激光器的光谱分布中，具有相对于峰强度大于或等于-20db的强度的波长带宽δλ。

[图13]图13是示出以纵向多模进行振荡的绿色半导体激光器的波长带宽δλ与颜色偏移之间的关系的示意图。

[图14]图14是说明设置每个半导体激光器的发射光强度的步骤的色度图。

[图15]图15是示出获得参考波长的方法的示意图。

[图16]图16是示出彩色光生成过程的流程图。

[图17]图17是示出彩色光强度设置过程的流程图。

[图18]图18是示出根据变型示例1的光源设备的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述hud设备100作为根据实施例的图像显示设备。这里，“hud”是“平视显示器”的缩写。

图1示意性示出根据本实施例的hud设备100的整体配置。

<hud设备的整体配置>

这里，平视显示器的投影方法包括：“平板方法”，其利用诸如液晶面板、dmd面板(数字反射镜设备面板)或真空荧光显示器(vfd)来形成中间图像，以及“激光扫描方法”，其利用从激光光源输出的激光光束执行扫描，使用二维扫描设备来形成中间图像。与通过整个屏幕光发射的部分光遮挡来形成图像的平板方法相反，后面的激光扫描方法尤其使得发射/未发射能够分配到每个像素；因此，通常能够形成高对比度的图像。

因此，hud设备100使用“激光扫描方法”。当然，上述“平板方法”也被用作投影方法。

hud设备100安装在诸如车辆、飞行器或轮船的可移动体中，并且使得能够经由可移动体的前风挡50(见图1)来浏览操作该可移动体所需要的导航信息(例如，关于以下的信息：可移动体的速度、行驶方向、到目的地的距离、当前位置的名称、可移动体前方是否存在物体或物体的位置、限速标志灯，或者交通拥堵信息)。在此情况下，前风挡50还用作透射反射元件，其透过部分入射光并且反射剩余入射光的至少部分。下面将主要描述hud设备被安装在包括前风挡50的汽车的示例。

如图1所示，hud设备100包括：包括光源单元11、光偏转器15和扫描反射镜20(例如，凹面反射镜)的光扫描单元10，屏幕30，凹面反射镜40；并且hud设备100利用形成图像的光(图像光)来照射前风挡50，使得从观看者a(在此，是汽车的乘坐者的驾驶员)的观看位置能够观看虚像i。也就是，观看者a能够经由前风挡50看到由光扫描单元10形成(绘制)在屏幕上的图像(中间图像)作为虚像i。

例如，hud设备100位于汽车仪表盘的下部，并且从观看者a的观看位置到前风挡50的距离约为几十厘米到至多1米。

这里，凹面反射镜40利用现有的光学设计模拟软件设计而成，使得凹面反射镜40具有特定的光收集能力以使虚像i的图像位置位于期望的位置。

在hud设备100中，凹面反射镜40的光收集能力被设置为虚像i被显示在距离观看者a的观看位置大于或等于1m并且小于或等于10m(优选小于等于6m)的位置(深度位置)。

而且，通常前风挡不是平面而是稍微弯曲的。因此，凹面反射镜40和前风挡50的弯曲表面决定虚像i的图像位置。

在光源单元11中，基于图像数据进行调制的三色r、g和b激光被组合。作为三色激光的组合的组合光被引导到光偏转器15的反射表面。光偏转器15是使用半导体制造工艺制造而成的mems扫描器等，并且包括能够单独地围绕相互垂直的两个轴进行摆动的单个微反射镜。而且，光偏转器15可以是两个mems扫描器的组合，这两个mems扫描器各自包括能够围绕一个轴摆动的微反射镜。此外，不仅mems反射器，而且例如电流扫描器(galvanoscanner)或多边形反射镜可以用作扫描器。稍后描述光源单元11和光偏转器15的细节。

基于图像数据的来自光源单元11的光(上述组合光的一部分)由光偏转器偏转并且由扫描反射镜20反射，同时防止进行传播使得利用该光照射屏幕30。接着，在屏幕30上执行光扫描使得在屏幕30上形成中间图像。而且，优选的是，将凹面反射镜40设计并布置为对光畸变元件进行补偿，这些光畸变元件由于前风挡50的影响使得中间图像的水平线在向上或向下的方向上具有凸起形状。

在穿过屏幕30之后，光由凹面反射镜40朝向前风挡50反射。入射到前风挡50的光通量的一部分透过前风挡50，剩余光通量中的至少部分朝向观看者a的观看位置(视点)反射。因此，观看者a能够经由前风挡50看到虚像i，其是中间图像的放大。也就是说，从观看者眼中，虚像i以放大的尺寸显示在前风挡50以外。

而且，如果组合器作为透射反射元件设置在比前风挡50更靠近观看者a的观看位置，则能够以只设置前风挡50的情况下相同的方式来执行虚像显示。

<hud设备的控制系统的硬件配置>

图2示出hud设备100的控制系统的硬件配置的框图。如图2中所示，hud设备100的控制系统包括fpga600、cpu602、rom604、ram606、i/f608、总线线路610、ld驱动器6111、以及mems控制器615。

fpga600包括：ld控制电路700，其基于图像数据、随后描述的光检测器117的输出或信号处理单元120的输出、以及扫描光检测单元60的输出，经由ld驱动器6111来控制ld；以及光偏转器控制电路，其经由mems控制器615控制光偏转器15。cpu602控制hud设备100的每个功能。rom604存储由cpu602执行以控制hud设备的每个功能的图像处理程序。ram606被作为cpu602的工作区域。i/f608是与外部控制器等通信的接口，并且连接到例如汽车的can(控制局域网)。

<hud设备的功能块>

图3表示示出hud设备100的功能的框图。如图3中所示，hud设备100包括车辆信息输入单元800、外部信息输入单元802、图像数据生成单元804、以及图像绘制单元806。车辆信息(车速信息、与物体的距离、外界的亮度等)从can等输入到车辆信息输入单元800。外部车辆信息(来自gps的导航信息等)从外部网络输入到外部信息输入单元802。图像数据生成单元804基于从车辆信息输入单元800和外部信息输入单元802输入的信息生成待绘制图像的图像数据，并且将图像数据发送到fpga600。图像绘制单元806包括控制单元8060，控制单元8060发送控制信号，fpga600利用该控制信号开始或终止图像绘制。

<光偏转器的配置>

图4示出光偏转器15的配置光偏转器15是利用半导体工艺制造而成的mems扫描器，并且如图4所示包括具有反射表面的反射镜150,以及布置在x轴方向上的包括多个梁的一对曲折部152，其中相邻的梁经由转向部连接成曲折。两个相邻的梁，每个曲折部152中的梁a(152a)和梁b(152b)由框架构件154支撑。这些梁单独具有多个压电构件156(例如，pzt)。不同的电压施加到每个曲折部中的两个相邻量的压电构件，使得曲折部中的两个相邻梁在不同的方向上弯曲，这被累积使得反射镜150绕x轴(＝在垂直方向上)大角度旋转。利用这种配置，利用低电压可以进行以x轴为中心在垂直方向上的光扫描。另一方面，在以y轴为中心的水平方向上，利用连接到反射镜150的扭杆等基于共振来执行光扫描。

通过如上所述配置的光偏转器15，利用激光光束在屏幕30的图像绘制区域上二维地执行扫描(例如，光栅扫描)，并且根据激光光束的扫描位置来控制ld的发射，使得能够执行虚像的逐个像素的绘制和显示。另外，在图5中，ps是扫描线间距。

<光扫描、虚像显示>

从hud设备100只瞬时投射出与激光光束直径对应的点图像；然而，随着扫描仪极高的速度进行，残留图像充分地保留在人眼中，在一个帧图像内。利用该残留图像现象，驾驶员体验到仿佛图像投影在“显示区域”的感觉。实际上，出现在屏幕30上的图像由凹面反射镜40和前风挡50反射，使得驾驶员感觉到“显示区域”上作为虚像的图像。由于这种机制，如果该图像并不将要进行显示，则可以停止ld的发射。具体地，除了在“显示区域”上显示虚像的点以外的点处的照度可以基本上为0。

也就是，hud设备100的虚像的图像位置是能够形成虚像所在的预定“显示区域”内的任意位置。“显示区域”根据hud设备设计中的规格来确定。

如所述，“激光扫描方法”的使用使得能够实现例如关闭ld或减小除了待显示的区域的光强度的测量，因为不必在那里进行显示。

相反，根据利用诸如液晶面板后dmd面板的成像设备来呈现中间图像的“平板方法”，需要点亮整个面板；然而，即使图像信号呈现黑色显示以成为非显示，由于液晶面板或dmd面板的特性也难以实现完全的0。因此，有时看到黑色部分，使得黑色部分升高；然而，利用激光扫描方法，可以消除黑色部分的这种上升。

这里，如图5所述，扫描光检测单元60设置在屏幕30的图像绘制区域(也称之为“有效扫描区域”)的外围区域。扫描光检测单元60被提供以检测光偏转器15的操作，并且用于检测在信号区域被光照射时的扫描定时(光束的扫描位置)，并且控制由于环境变化或时间顺序变化造成的光偏转器15的特性变化，由此保持恒定的图像质量。扫描光检测单元60包括例如光二极管或光晶体管。扫描光检测单元60的输出信号被递送到fpga600。

<光源单元>

下面将详细描述光源单元11。图6示意性示出光源单元11的配置。在下面的说明中，适当地使用如图6所示的αβγ三维正交坐标系统等。

例如，如图6所示，光源单元11包括多个(例如，三个)光源，每个光源包括具有单个或多个发射点的半导体激光器以及容纳半导体激光的封装件。三个光源的半导体激光器指的是半导体激光器111r、111g和111b。

而且，除了上述三个光源，光源单元11包括多个(例如，三个)耦合透镜112r、112g和112b，多个(例如，三个)孔构件113r、113g和113b，两个光路径组合元件114和115，反射镜118、聚光透镜116等。光源单元11的每个组件安装在机箱11a中。

每个半导体激光器是具有不同振荡波长带的边缘发射半导体激光器(ld：激光二极管)。具体地，半导体激光器111r是红色半导体激光器，半导体激光器111g是绿色半导体激光器，半导体激光器111b是蓝色半导体激光器。这里，半导体激光器111r、111g和111b的输出方向都是+α方向。每个半导体激光器安装在设置有ld驱动器6111的电路板200上。

从ld111r、111g和111b输出的光通量lr、lg、lb通过对应的耦合透镜112r、112g和112b耦合到随后的光系统中。

经耦合的光通量由对应的孔构件113r、113g和113b成形。根据光通量的发散角等，每个孔构件的孔形状可以是各种形状，诸如圆形、椭圆形、矩形或正方形。

穿过孔构件113b的光通量lb由反射镜118朝向-β方向反射，使得光通量lb进入光路径组合元件114(例如，二向色镜)。

光路径组件元件114(例如，二向色镜)将穿过孔元件113g的光通量lg的光路径与光通量lb的光路径进行组合。具体地，经过反射镜118的光通量lb在-β方向上透过光路径组合元件114的中心，并且穿过孔构件113g的光通量lg在光路径组合元件114的中心处在-β方向上反射。

接着，光路径组合元件115(例如，二向色镜)将作为光通量lg和光通量lb的组合的组合光通量lgb与穿过孔元件113r的光通量lr进行组合。而且，虽然两个光路径组合元件114、115和反射镜118在这里是分开的组件，但是两个光路径组合元件114、115和反射镜118中的至少两个可以集成地安装。

具体地，组合光通量lgb的一部分透过光路径组合元件115在-β方向上的中心，剩余的反射到光路径组合元件115在+α方向上的中心。穿过孔构件113r的光通量lr的一部分在光路径组合元件115的中心处在-β方向上反射，剩余的光通量在+α方向上透过光路径组合元件115的中心。

具体地，从光路径组合元件115，作为组合光通量lgb的一部分和光通量lr的一部分的组合的组合光通量lrgb1在-β方向上输出，并作为剩余的组合光通量lgb和剩余的光通量lr的组合的组合光通量lrgb2在+α方向上输出。

组合光通量lrgb1经由光透过窗口元件5发射到光偏转器15，并且用于在屏幕30上绘制图像(显示虚像)，其中的光透过窗口元件5附接到机箱11a的开口的外围部分以使光透过窗口元件5覆盖该开口。而且，具有面向光偏转器15的凹形表面的弯月形透镜例如可以设置在光路径组合元件115与光偏转器15之间。

组合光通量lrgb2经由聚光透镜116引导到光检测器117。光检测器117经由稍后描述的信号处理单元120向ld控制电路700输出与接收到的组合光通量lrgb2的光强度对应的信号。光检测器117包括光接收元件117a和将光接收元件117a的输出电流转换为电压信号(接收到的光信号)的电流-电压转换器117b。例如，光二极管(pd)或光晶体管能够用作光接收元件117a。

在电流-电压转换器117b之后，设置有计算接收到的光信号的时间平均的信号处理单元120。信号处理单元120将特定时间段t期间所输入的接收的光信号进行积分，计算积分值的时间平均(除以t)，并且将平均值输出到ld控制电路700。这里，信号处理单元120不是必要的，从电流-电压转换器117b接收到的光信号可以直接输出到ld控制电路700。

而且，如从图6清楚的是，从每个半导体激光器到光路径组合元件115的光路径的长度相互不同。具体地，从半导体激光器111b到光路径组合元件115的光路径的长度最长，从半导体激光器111r到光路径组合元件115的光路径的长度最短。这源于以下事实：如果在虚像中形成白色，rgb的组合比例约为2.5:1:0.5，红色的光强度需要高，相反蓝色的光强度可以低，这是为了防止半导体激光器光使用效率的降低。

ld控制电路700基于光检测器117或信号处理单元120的输出来生成每个半导体激光器的调制信号(脉冲信号)，并且将调制信号发送到ld驱动器6111。ld驱动器6111向半导体激光器施加与每个半导体激光器的调制信号对应的驱动电流。

此后，包括光源单元11、光检测器117、信号处理单元120、ld控制电路700和ld驱动器6111的设备被称为“光源设备300”。

这里，图7示出以纵向多模进行振荡的高输出半导体激光器的输出光的光谱分布。通常，以纵向多模进行振荡的高输出半导体激光器的输出光的光谱分布具有如这里所述的多个光谱，并且极为难以确定哪个波长是振荡波长。

而且，该光谱分布根据半导体激光器周围的环境温度和半导体激光器的发射光强度而发生变化，并且重复性低。特别地，在hud设备中，由于车辆周围环境的明暗的动态范围大，需要处理动态范围的发射光强度的变化使得自身温度的波动大，并且由于环境温度根据时间或车辆的位置而改变，振荡波长波动。也就是说，半导体激光器的振荡波长具有“自温度依赖性”和“环境温度依赖性”。

然而，这并不意味着无法使用以纵向多模进行振荡的高输出半导体激光器来生成颜色。

为了简便，例如，图8示出以纵向多模进行振荡的高输出绿色半导体激光器的输出光的光谱分布，包括四个光谱(λg1＝505nm、λg2＝510nm、λg3＝515nm、λg4＝525nm)。而且λg1、λg2、λg3和λg4的光谱强度比例为1:2:1:2.

这里，能够认为，在图9的xy色度图中，半导体激光器具有根据四个波长和四个波长之间的强度比而确定的唯一颜色g，并且无法利用单个波长来呈现(四个波长λg1至λg4绘制在与xy色度图中的曲线对应的光谱轨迹(locus)上)。

因此，关于颜色g，例如白色(图10中的颜色w)能够通过组合以纵向单模进行振荡的红色半导体激光器的振荡波长(λr＝653nm)和以纵向单模进行振荡的蓝色半导体激光器的振荡波长(λb＝453nm)来生成。

作为具体的示例，考虑如下情况：在图10所示的色度图中，颜色p是连接λr和λb的直线与连接颜色g和颜色w的直线之间的交点。在此情况下，λr和λb的半导体激光器的发射光强度(输出)首先被设置为生成颜色p，接着颜色g的半导体激光器的发射光强度(输出)可以被设置为生成颜色w。

这里，假设红色半导体激光器和蓝色半导体激光器以纵向单模进行振荡；然而，对于该方法，相同的讨论能够适用于红色半导体激光器和蓝色半导体激光器以纵向多模进行振荡的情况。

然而，如果hud设备安装在诸如汽车的车辆中，环境温度可能在极大范围内变化，并且显示在hud设备中的虚像的照度需要根据周围照度而改变；因此，半导体激光器进行振荡的波长(振荡波长)发生变化。

如前所述，在纵向多模的情况下，光谱分布中的变化并不均匀，极难以对该变化进行预期。这意味着极为难以预期以纵向多模进行振荡的高输出绿色激光器的颜色g。

当然，这个困难能够通过建立测量hud设备中的颜色g的单元来克服；然而，这增加了设备的大小，并且导致汽车内安装空间的限制有关的问题。

纵向多模振荡的高输出绿色半导体激光器具有无法由单个波长来呈现的唯一颜色g的基本原因在于，图9的光谱中的波长带宽δλ1大。

因此，如果δλ1变窄到δλ2，颜色g变得靠近图11所示的光谱轨迹，这允许利用单个波长的近似替换。在本说明书中，能够被当做以纵向单模振荡的波长被定义为“代理波长(proxywavelength)”。

关于颜色生成来定义该代理波长，并且使用在纵向多模的光谱分布中具有对颜色生成有贡献的强度的组分，就足以讨论代理波长。作为检查的结果，已经理解的是，在光谱分布的大量光谱之中，具有相对于最大强度(峰强度)小于-20db的强度的光谱对颜色生成几乎没有贡献；因此，如下的波长带的宽度(也称为“波长带宽”)被定义为有效波长带宽δλ：其中存在具有如图12所示相对于最大强度(图12中的0db)等于或大于-20db的强度的光谱。

这里，已经理解的是，如果使用δλ≦15nm的半导体激光器，半导体激光器的输出光的颜色偏移在5％内(见图13)。在图13中，颜色偏移(垂直轴)具有以每个绘制点为中心在垂直方向上的范围，这表示半导体激光器的个体差异。从图13，理解的是，随着δλ变小，个体差异逐渐减小。

能够理解的是，如果颜色偏移落入5％以内，则人在视觉上通常无法识别该颜色偏移，并且可以说颜色的可重复性是足够的。

因此，如果半导体激光器满足δλ≦15nm，则无论光谱分布如何变化，只通过注意代理波长的行为就能够生成期望的颜色。

虽然代理波长可以使用中包括的波长δλ来定义，优选的是使用与颜色生成最相关的加权平均波长λ。加权平均波长λ使用下面的公式(1)来定义，其中δλ的波长带中包括的波长是λ1、λ2、λ3、…、λn，并且与相应的波长对应强度是i1、i2、i3、…和in。

λ＝σ(λk*ik)/σ(ik)…(1)

(其中k＝1,2,3,…,n)

回到图6，ld控制电路700包括波长估计单元700a、功率平衡确定单元700b和调制信号生成单元700c。

波长估计单元700a基于光检测器117的输出信号(与接收到的光强度对应的信号)和温度传感器130的输出信号来估计每个半导体激光器的输出光的波长(优选地，代理波长)。因此，波长估计设备包括波长估计单元700a、光检测器117和温度传感器130。

具体地，波长估计单元700a通过光接收元件117a(光检测器117的输出)来监视接收到的光强度pmoni，并且关于光强度pmoni计算从半导体激光器到光接收元件117a的光使用效率η，并且将接收到的光强度转换为当前半导体激光器的发射光强度p(p＝pmoni/η)。

关于半导体激光器的振荡方法，根据何种信息在hud中作为虚像被生成，能够知道各种脉冲振荡，发明人已经发现如果发射强度p被定义为“小时平均的时间平均光强度”，则能够高度准确地估计波长。

这里，由于半导体激光器的输出光的波长具有如上所述的环境温度依赖性，优选地是，将温度传感器130安装在能够获取半导体激光器的环境温度的位置。当然，可以监视容纳半导体激光器的封装件的温度，但是在有必要执行处理以从信息中提取环境温度的情况下，存在估计波长的准确性降低的担心。

而且，为了加快半导体激光器的脉冲振荡，优选地是ld驱动器6111与半导体激光器之间的布线长度短；然而，在此情况下，由于ld驱动器6111的驱动而产生的热传播到电路板200的接地层并且促使半导体激光器的温度升高。具体地，容纳半导体激光器的封装件的温度是三个温度分量的组合的温度，即环境温度、半导体激光器的温度和ld驱动器6111的温度，因此极难以从该温度提取环境温度。

因此，根据本实施例，例如将温度传感器130设置在特定程度地远离每个半导体激光器的孔构件113b附近的位置且位于机箱11a内。温度传感器130明显可以设置在不同的位置，例如在不同的孔构件附近、在反射镜附近、在光路径组合元件附加或者在聚光透镜附近；在另外的情况下，温度传感器130优选地安装在合适的距离内以测量半导体激光器周围的环境温度。

温度传感器130可以是能够测量半导体激光器周围的环境温度的任何温度传感器，并且包括例如热偶、热敏电阻、电阻温度检测器或辐射温度计。

发明人将注意力集中在无论半导激光器的类型如何，输出光的波长的温度依赖性都是线性的，并且发现利用该性质能够准确地估计半导体激光器的输出光的波长。

因此，根据本实施例，利用温度传感器130来监视半导体激光器周围的环境温度，并且使用光检测器117来监视半导体激光器的发射光强度，使得关于“环境温度依赖性”和“自温度依赖性”两者来估计每个半导体激光器的输出光的波长。

具体地，波长估计单元700a除了监视在光接收元件117a中的接收到的光强度以外，还监视温度传感器130的测量温度。

这里，半导体激光器的输出光的当前波长λ由下面的公式(2)来表示，其中

λ⁽⁰⁾:参考波长

α:环境温度系数

ta:当前环境温度

ta⁽⁰⁾:参考波长的测量期间的环境温度

β:光强度系数

p:当前发射光强度

p⁽⁰⁾:参考波长的测量期间的发射光强度

λ＝λ⁽⁰⁾+α*(ta-ta⁽⁰⁾)+β*(p-p⁽⁰⁾)…(2)

优选地是，参考波长λ⁽⁰⁾是上述的加权平均波长。在此情况下，当前波长λ基本上是上述加权平均波长(代理波长)。

通过使用上述公式(2)，无论当前环境温度和当前发射光强度具有何值，都能够准确地估计当前波长λ。

如果半导体激光器生成的脉冲的条件一直固定，参考波长λ⁽⁰⁾可以是在具有任意环境温度ta⁽⁰⁾和任意光强度p⁽⁰⁾的“特定单个条件”下获取的波长；然而，各种类型的信息作为hud设备100中的虚拟信息被生成，而且hud中的虚像的照度需要根据车辆外部的亮度来改变，因此通常脉冲振荡不可能发生在固定的单个条件下。

在此情况下，优选地是将参考波长λ⁽⁰⁾定义为p⁽⁰⁾＝0[w]下的理论波长。这是因为所有脉冲条件的共同情况不是p⁽⁰⁾＝0[w]。

清楚的是，不可能实际测量p⁽⁰⁾＝0[w]条件下的波长，但是如图15所示，半导体激光器的发射光强度改变至p1、p2、…、p5和p6,使用对应的波长λ1、λ2、…、λ5和λ6来执行线性内插，使得能够确定p⁽⁰⁾＝0[w]下的理论波长，并且理论波长是参考波长λ⁽⁰⁾。这里，如果是在极短时间内，能够确定环境温度基本恒定；因此，难以发生参考波长的测量错误。

而且，在图15中，半导体激光器的发射光强度以6个阶段发生变化，并且在每个阶段测量波长；然而，这不是限制，也就是可以半导体激光器的发射光强度以至少两个阶段发生变化并且在每个阶段测量波长。大多数的ld具有极好的线性；因此，参考波长可以作为垂直轴与穿过两个绘制点的直线之间的交点(截距)来获得，其中的两个绘制点是在例如两个阶段(低发射光强度和高发射光强度)下测量波长时获得的。

而且，相同振荡波长带(相同颜色)的半导体激光器的振荡波长具有约±5nm范围内的个体差异；因此，优选地是关于单独的半导体激光器测量参考波长。

另一方面，温度系数α和光强度系数β由于在不同的半导体激光器之间几乎没有个体差异而都被确定为针对每个颜色的固定值。清楚的是，为了提高估计波长的准确性，可以针对每个个体先前测量温度系数α和光强度系数β，从而将测量值写入波长估计单元700a的固件中。

使用波长测量设备(例如，光谱分析仪)对每个半导体激光器执行如图15所示获得参考波长的过程。所获取的参考波长、参考波长的测量期间的环境温度、以及参考波长的测量期间的发射光强度被替换到上述公式(2)中。具体地，所获取的参考波长、参考波长的测量期间的环境温度、以及参考波长的测量期间的发射光强度的值被写入波长估计单元700a的固件中。

波长估计单元700a监视在不同定时从半导体激光器111r、111g和111b输出并且在不同定时由光接收元件117a接收到的光的接收光强度pmoni^(red)、pmoni^(green)和pmoni^(blue)，并且从监视信息计算半导体激光器的当前发射光强度p^(red)、p^(green)和p^(blue)(p^(red)＝pmoni^(red)/η^(red),p^(green)＝pmoni^(green)/η^(green),p^(blue)＝pmoni^(blue)/η^(blue))。

接着，波长估计单元700a基于温度传感器130中的当前环境温度ta有关的信息，使用上述公式(2)来计算从每个半导体激光器输出的光的当前波长λ，并且将计算结果发送到功率平衡确定单元700b。

基于图像数据中每个像素的颜色和三个半导体激光器的当前波长，功率平衡确定单元700b设置每个半导体激光器的发射光强度从而获取合适的(适当的)功率平衡以生成该颜色的光，并且将设置值发送到调制信号生成单元700c。

具体地，如果在图14所示的色度图中，三个半导体激光器111r、111g和111b的当前波长分别是650nm、515nm和445nm，则三个半导体激光器111r、111g和111b中的两个半导体激光器的发射光强度被适当地确定以生成特定的颜色p，并且剩余的半导体激光器的发射光强度被设置为取决于颜色p的适当值，从而获得期望的颜色(目标颜色)。可以生成图14中具有650nm、515nm和445nm三个点作为顶点的三角形中的所有颜色。图14中马蹄形的边缘被称为“光谱轨迹”，并且是其中波长与颜色对应的线。

基于由功率平衡确定单元700b设置的每个半导体激光器的发射光强度和图像数据，调制信号生成单元700c生成每个半导体激光器的调制信号，并且基于来自扫描光检测单元60的输出信号在预定的定时向ld驱动器6111输出调制信号。

因此，使来自三个半导体激光器的输出光的功率平衡适当，从而生成期望颜色的组合光，利用该组合光扫描图像绘制区域，并显示期望颜色的虚像。

也就是说，可以显示真实再现图像数据中每个像素的颜色信息的高质量彩色虚像。

上面已经说明了虚像的颜色；关于图像的照度，可以通过保持三个半导体激光器111r、111g、111b的设置发射光强度的比例恒定的同时，根据例如获取汽车周围的亮度的亮度传感器的输出，均匀地增大或减小每个发射光强度，来控制虚像从而具有期望的颜色和期望的照度。这里，优选地是，随着亮度传感器的输出越高，每个半导体激光器的发射光强度被设置为越高。

下面将参考图16来描述使用根据本实施例的光源设备300的彩色光生成光过程(虚像显示过程)。图16的流程图基于与由ld控制电路700执行的处理算法。例如当设置有hud设备100的汽车的电气系统启动并开启hud设备100时，开始彩色光生成过程。在开启hud设备100之后，光偏转器15开始运行。

在第一步骤s1，至少一个半导体激光器开启。具体地，调制信号生成单元700c根据图像数据中的每个像素的颜色，生成针对每个待开启的半导体激光器的调制信号，并且基于扫描光检测单元60的输出信号在预定定时将调制信号输出到ld驱动器6111。作为结果，根据待开启的半导体激光器的调制信号，将驱动电流施加到半导体激光器，并且开始在屏幕30上绘制与图像数据对应的图像以及虚像的显示。

在下面的步骤s2中，判定扫描是否已经执行预定次数。具体地，基于扫描光检测单元60和光偏转器15的水平扫描频率，计数在主扫描方向上双向或单向的扫描次数，并且如果计数数量达到预定数量，则过渡到下面的步骤s3。也就是，直至扫描次数达到预定次数为止，保持待机模式。而且，在以双向扫描为单位进行计数的情况下，“预定次数”可以是与至少一帧对应的一次到多次双向扫描，在以单向扫描为单位计数的情况下，“预定次数”可以是与至少一帧对应的一次到多次单向扫描。

在步骤s3中，执行“发射光强度设置过程”。随后给出发射光强度设置过程的细节。

在下面的步骤s4，至少一个半导体激光器以设置的发射光强度被开启。具体地，开启的目标半导体激光器以在步骤s3中设置的发射光强度被开启。因此，使得来自三个半导体激光器的输出光的功率平衡适当，并且显示期望颜色的虚像。

在下面的步骤s5中，判定是否终止该过程。如果设置有hud设备100的汽车的电气系统处于开启，则在此做出否定的判定并且处理返回到步骤s2，当电气系统处于关闭时，在此做出肯定的判定并且流程终止。

而且，虽然在上述彩色光生成过程的步骤s2中判定扫描是否已经执行预定次数，取而代之，可以判定是否已经经过预定时间。

下面，将参考图17来描述上述彩色光生成过程的步骤s3中的“发射光强度设置过程”。图17的流程图基于与由ld控制电路700执行的处理算法。在扫描光未照射有效扫描区域(图像绘制区域)的时间段(没有绘制图像的时间段)执行发射光强度设置过程，诸如扫描光照射有效扫描区域周围的外围区域的时候，或者在连续帧之间进行过渡的时候。

在第一步骤s12中，获取每个半导体激光器的时间平均光强度。具体地，从信号处理单元120获取通过将接收到的光信号在时间上平均而获得的信号。

在下面的步骤s13中，获取环境温度。具体地，获取温度传感器130的测量温度。

在下面的步骤s14，基于所获取的时间平均光强度(当前发射光强度)和环境温度(当前环境温度)来估计每个半导体激光器的输出光的波长λ。具体地，使用上述公式(2)来估计波长λ。

在下面的步骤s15中，根据估计的波长λ来设置每个半导体激光器的发射光强度(见图14)。

根据本实施例的上述半导体激光器是用于生成彩色光(带有颜色的光)的半导体激光器，并且其特征在于，该半导体激光器以纵向多模进行振荡，并且在输出光的光谱分布中，具有相对于峰强度大于或等于-20db的强度的波长带宽等于或小于15nm。

在此情况下，具有对彩色光生成有贡献的强度的波长带宽度窄，使得半导体激光器进行振荡的波长(振荡波长)能够近似为单个波长。

因此，能够以与纵向单模相同的方式进行处置，并且能够使用单个波长正确地呈现半导体激光器的唯一颜色。也就是，能够精确地限制半导体激光器的唯一颜色。

因此，利用根据本实施例的半导体激光器，能够防止颜色偏移。

此外，利用光源设备300，其包括具有不同振荡波长带的多个(例如，三个)半导体激光器111r、111g和111b，以及光组合单元，其包括设置在来自半导体激光器的光的光学路径上的光路径组合元件114、115，能够生成期望的彩色光(单色光或多色光)。

此外，光源设备300还包括光接收元件117a，其接收来自半导体激光器的光的；温度传感器130，其测量半导体激光器周围的环境温度；波长估计设备(估计单元)，其基于在光接收元件117a中的接收光强度和温度传感器130的测量结果来估计来自半导体激光器的光的波长λ；以及功率平衡确定单元700b(发射光强度设置单元)，其根据波长估计设备的结果来设置半导体激光器的发射光强度。

在此情况下，能够以稳定的方式生成期望的彩色光，同时防止设置尺寸的增加(例如，不需要安装大尺寸的设备，诸如波长测量设备)。

而且，优选地是，ld控制电路700基于针对每个半导体激光器进行估计并且包括在上述波长带中的波长λ来设置半导体激光器的发射光强度。

在此情况下，如同纵向单模的情况，可以容易且准确地设置半导体激光器的发射光强度。

而且，优选地是，如果上述波长带中包括的波长是λ1、λ2、λ3、…、λn并且与光谱中的各个波长对应的强度是i1、i2、i3、…、in，满足λ＝σ(λk*ik)/σ(ik)(其中k＝1,2,3,…,n)。

在此情况下，能够准确地生成期望的彩色光。

而且，上述波长λ不需要是上述加权评估波长，也就是说，波长λ可以是上述波长带宽中包括的任何波长。例如，波长λ可以是具有峰强度的波长。

而且，优选地是，光源设备300还包括光分支单元，该光分支单元包括设置在穿过光组合单元的光的光路径上的光路径组件元件115，并且光接收元件117a设置在从半导体激光器输出且穿过光组合单元和光分支单元的光的光路径上。另外，光组合单元和光分支单元共享图6中的光路径组合元件115。

在此情况下，能够使用相同(单个)光接收元件117a来估计来自每个半导体激光器的光的波长λ。

而且，利用hud设备100(图像显示设备)，其包括光源设备300；利用来自光源设备300的光形成图像的光偏转器15(图像形成元件)；以及利用形成图像的光照射的屏幕30，可以形成高色彩再现性的图像。

而且，hud设备100还包括凹面反射镜40(投影单元)，其将已穿过屏幕30的光朝向前风挡50(透射反射元件)投影；因此，能够显示高色彩再现性的虚像。

而且，利用包括hud设备100的可移动设备和设置有hud设备100的可移动体，能够向可移动体的驾驶员给予使用高色彩再现性的虚像的信息。

此外，根据本实施例的彩色光生成方法是使用具有不同振荡波长带的多个(例如，三个)半导体激光器111r、111g和111b来生成彩色光的彩色光生成方法，并且包括开启半导体激光器的过程和组合来自半导体激光器的光的过程。

在此情况下，具有对彩色光生成有贡献的强度的波长带宽度窄，使得半导体激光器进行振荡的波长(振荡波长)能够近似为单个波长。

因此，能够以与纵向单模相同的方式进行处置，并且能够使用单个波长正确地呈现半导体激光器的唯一颜色。也就是，能够精确地限制半导体激光器的唯一颜色。

因此，利用根据本实施例的彩色光生成方法，能够防止颜色偏移。

而且，优选地是，根据本实施例的彩色光生成方法还包括估计来自半导体激光器的光的波长λ的过程，和基于在估计过程中的估计结果来设置半导体激光器的发射光强度的过程。

在此情况下，能够以稳定的方式生成期望的彩色光。

而且，在上述设置过程中，优选地是，基于针对每个半导体激光器进行估计并且包括在上述波长带中的波长λ来设置半导体激光器的发射光强度。

在此情况下，如同纵向单模的情况，可以容易且准确地设置半导体激光器的发射光强度。

而且，优选地是，如果上述波长带中包括的波长是λ1、λ2、λ3、…、λn并且与光谱中的各个波长对应的强度是i1、i2、i3、…、in，满足λ＝σ(λk*ik)/σ(ik)(其中k＝1,2,3,…,n)。

在此情况下，能够准确地生成期望的彩色光。

而且，上述波长λ不需要是上述加权评估波长，也就是说，波长λ可以是上述波长带宽中包括的任何波长。例如，波长λ可以是具有峰强度的波长。

而且，虽然使用包括多个光源的光源设备300作为上述实施例中的示例来进行说明，还可以应用包括单个半导体激光器的光源设备，如图18所示的根据变型示例1的光源设备，其中的单个半导体激光器与根据上述实施例的半导体激光器相同。在使用单个半导体激光器的情况下，也高度准确地估计输出光的波长，使得能够准确地设置光源的发射光强度。包括单个半导体激光器的光源设备的使用适用于例如形成两色图像的图像形成装置，或者显示两色图像的图像显示设备。

在此情况下，波长估计单元估计来自光源的输出光的波长，功率设置单元根据估计结果来计算发射光轻度，调制信号生成单元根据计算结果来生成调制信号；因此，能够以期望的发射光强度开启光源，并且能够防止颜色偏移。

在上面的说明中，基于输出光的波长的环境温度依赖性和自温度依赖性两者来估计来自半导体激光器的输出光的波长；然而，根据变型示例2，在能够认为例如半导体激光器的环境温度基本相同的环境中，可以仅基于自温度依赖性(仅基于光接收元件117a的接收到的光强度或者平均光强度)来估计输出光的波长。在这种情况下，不需要设置温度传感器。

这里，假设“能够认为半导体激光器的环境温度基本相同的环境”是设置有hud设备100的车辆内的温度由于空调而保持基本相同的情况，或者是当在房间中使用头戴式显示设备、提示设备或投影仪设备作为包括光源设备的图像显示设备时，其中的光源设备包括根据本发明的光源和波长估计设备，房间的温度由于空调而保持基本相同的情况。

具体地，能够使用下面的公式(3)来估计输出光的波长。

λ＝λ⁽⁰⁾+β*(p-p⁽⁰⁾)…(3)

其中λ:当前波长

λ⁽⁰⁾:参考波长

β:光强度系数

p:当前发射光强

p⁽⁰⁾:参考波长的测量期间的发射光强度

在此情况下，也能够通过与上述实施例中相同的方式来获得参考波长(见图15)。在此情况下，关于以纵向多模进行振荡的半导体激光器，待估计的波长可以是例如上述加权平均波长或可以是具有峰强度的波长。

而且，根据上述实施例和每个变型示例，使用包括光接收元件和温度传感器的波长估计设备估计来自每个半导体激光器的光的波长；然而，这不是限制。例如，可以取代波长估计设备，将波长测量设备设置在图6或图18中的聚光透镜的随后级，当半导体激光器在不同的定时开启时，基于波长测量设备的测量结果(来自半导体激光器的光的光谱分布)来计算波长λ(优选代理波长)，并且根据波长λ来控制半导体激光器的发射光强度。而且，波长测量设备可以包括例如使用光带通滤波器的超外差型光谱分析仪，或者包括棱镜或衍射光栅的光谱仪。

而且，可以设置与多个半导体激光器对应的多波长估计设备或多波长测量设备。例如，分支元件(例如，覆盖容纳半导体激光器的封装的开口(输出开口)的盖玻璃，半反射镜，或者分束器)可以用于使得来自每个半导体激光器的光分开从而进入对应的波长估计设备或对应的波长测量设备。

另外，如果将边缘发射半导体器用作半导体激光器，则从一个边缘输出的光可以用于图像形成或虚像显示，并且从另一边缘输出的光可以输出到对应的波长估计设备或对应的波长测量设备。

而且，可以设置光接收元件和波长测量设备两者。具体地，来自每个半导体激光器的光的一部分可以用于图像形成和虚像显示，另外的部分可以被引导到波长测量设备，剩余的部分可以被引导到光接收元件。在此情况下，可以基于例如波长测量设备的测量结果来确定半导体激光器的功率平衡，并且可以根据光接收元件接收到的光强度来设置半导体激光器的发射光强度(输出)的绝对值。

而且，根据上述实施例和变型示例，波长估计设备不需要是光源设备的组件。例如，光源设备可以只包括光源单元11。

而且，根据本发明的包括半导体激光器的光源设备或半导体激光器能够用作在图像形成装置中用于曝光的光源，图像形成装置诸如在例如图像载体的光电导上执行曝光(例如，光扫描)以形成图像的彩色打印机或者彩色复印机。也就是，可以配置包括根据本发明的半导体激光器和光源设备的图像形成装置。在此情况下，能够形成期望颜色的图像。在此情况下，多边形扫描器或电流扫描器以及mems扫描器能够用作图像形成元件，其利用来自半导体激光器的光来形成图像。

而且，根据上述实施例和变型示例，ld(边缘发射半导体激光器)被用作半导体激光器；然而，可以使用其他半导体激光器，诸如表面发射半导体激光器(vcsel)。

而且，根据上述实施例和变型示例，投影单元包括凹面反射镜40；然而，这不是限制，并且例如投影单元可以包括凸面反射镜。

而且，根据上述实施例和变型示例，设置有扫描反射镜20；然而，不需要设置扫描反射镜20。具体地，可以利用由光偏转器15偏转的光直接地或经由凸透镜而不使光路径转向地照射屏幕30。而且，平面反射镜可以用作扫描反射镜20。

而且，透射反射元件不仅可以是移动体的前风挡，而且可以是例如侧风挡或后风挡，也就是说，优选地是，透射反射元件是设置在可移动体中的窗户元件(风挡)以便可移动体中的人看到可移动体的外部。

而且，在根据上述实施例和每个变型示例的说明中，图像显示设备(hud)用于安装在诸如车辆、飞行器或轮船的可移动中，也就是说，图像显示设备用于安装在物体中就足够。这里，除了可移动体，“物体”包括恒定安装的物体或者能够运输的物体。

而且，虽然本方面优选适用于如上面的实施例所述的hud设备，本发明不仅能够应用于hud设备，而且能够适用于例如头戴式显示设备、提示器设备或投影仪设备。在此情况下，也可以生成期望的彩色光。

例如，在应用到投影仪设备的情况下，能够通过与hud设备100相同的方式来配置投影仪设备。具体地，经过凹面反射镜40的图像光被投影到电影屏幕、墙表面等。而且，可以在不提供凹面反射镜40的情况下，将经过屏幕30的图像光投影到电影屏幕、墙表面等。而且，可以使用具有自由曲面的反射镜来代替凹面反射镜40。

而且，根据本发明的半导体激光器、光源设备、图像形成装置、图像显示设备、物体设备和彩色光生成方法不限于在上述实施例和变型示例汇总说明的配置和方法，能够适当地进行改变。

下面将描述发明人改进上述实施例和变型示例的思考过程。

生成图像光、利用该图像光照射诸如车辆的移动体的风挡并且显示虚像平视显示设备(此后，也称为“hud设备”)是已知的。

例如，专利文献1和2公开了组合来自三个波长的半导体激光器的光并且显示图像的hud设备。

在该hud设备中，为了生成具有高色彩再现性的期望彩色光并且显示图像，必须基于从三个波长的半导体激光器发射的光束的波长，适当地设置从半导体激光器发射的光束的功率平衡。

然而，尤其是在使用以纵向多模进行振荡的半导体激光器的情况下，如果没有适当地设置用于确定功率平衡的波长，难以生成具有高再现性的彩色光。

因此，在辛勤考虑之后，本发明人发现，如果以纵向多模进行振荡的半导体激光器使用在hud设备中，根据波长带，该半导体激光器能够被当做该半导体激光器执行纵向单模振荡，并且使用该波长带中的波长能够准确地确定颜色生成的功率平衡，并且该技术思想已经实现为上述实施例和变型示例。

附图标记列表

15光偏转器(图像形成元件)

30屏幕

40凹面反射镜(投影单元)

50风挡(透射反射构件)

100hud设备(图像显示设备)

114光路径组合元件(光组合单元的一部分)

115光路径组合元件(光组合单元的一部分，光分支单元)

111r、111g、111b半导体激光器

300光源设备

700a代理波长计算单元(控制单元的一部分)

700b功率平衡确定单元(控制单元的一部分)

700c调制信号生成单元(控制单元的一部分)

引文列表

专利文献

ptl1：日本专利5304380号公报

ptl2：日本特开2015-148665号专利公报