专利名称：用于激光安全操作的设备和方法
技术领域：
本发明涉及激光系统，而且特别涉及投射激光光束超出设备而可能伤害用户、观察者及其他人的激光设备；以及更加特别的是涉及激光 投影仪。例如通过激光投影仪在屏幕上呈现全色图像要求复杂的电子和光 学技术，并且进一步存在显著的安全问题。光调制器投影仪的 一个版本使用扫描设备，其中在屏幕上很迅速地 扫描多个激光光束以创建图像。这与在CRT上扫描电子光束的处理相 似，但是它具有由诸如多边扫描仪和电流镜之类、为在屏幕上沿X-Y 方向移动激光光束以照亮屏幕上每个定义的像素所需要光学系统部件 所导致的限制。为了提升图像质量，已经建议并在美国专利No. 6351324 (通过引用在此全部并入)公开了多光束扫描。为了利用来自投影仪的激光光束产生锐利、清晰和明亮的图像，需 要会伤害眼睛的强烈激光光束。为了制造安全的激光设备，在这种设 备的设计中必须采取预防。美国专利5， 665， 942 (通过引用在此全部 并入)公开了一种这样光学扫描系统，其在扫描处理期间降低激光光 束的有效功率，监视激光器的"睡眠"周期以获得正确输出，并且如果 如扫描仪马达之类的某些设备或扫描仪速度不在定义的范围内的话， 则进一步进行关闭。美国专利6， 913， 603 (通过引用在此全部并入)公开了一种激光眼部外科系统，其中从激光光束提取出激光能量的小部分用于诊断测试，并且如果该小部分不在规范内，则计算机单元将停止激光光束。这个安全系统不提供独立的、对全激光光束的评价，而是依赖对激光操作的计算机分析。美国专利申请公开No. 2005/0007562 (通过引用在此全部并入)公开了一种在激光投影仪中使用的激光安全系统，其中当扫描失败时借 助于磁体将电流镜强制送入定义的位置以停止激光光束的输出。激光 光束被导到屏蔽单元中以停止输出直至激光器被关闭为止。美国专利申请乂〉开No. 2005/0024704 (通过引用在此全部并入)z>开了扫描仪上的角度传感器和控制阻挡单元的使用，以确定如果存在 故障状态那么就引导激光光束进入保护球中并以机械光栅阻挡输出激 光光束。美国专利申请/>开No. 2005/0035943和2005/0128578 (通过引用 在此全部并入)公开了一种激光安全系统的使用，其采用例如红外检 测来检测对象在投影仪和屏幕之间的激光光束路径上的存在，然后接 着降低光束强度至安全水平。这些参考文献没有考虑激光光束被不当 引导或激光光束不合要求的操作。因此，存在允许当扫描仪或系统中的其他设备发生故障时就立刻终 止来自图像投影仪的激光光束的设备的需要，因此，提供了一种诸如使用激光光束的图像投影仪之类的激光系 统。当遇到故障状态时，就终止激光光束以防对用户和/或图像观察者 或附近区域的其他人的眼睛的可能伤害.诸如图像投影仪之类的激光 系统输出一个或更多激光光束，该激光光束可以在遇到诸如扫描仪故 障之类的故障状态时就终止。激光系统包括预定表面，其中当遇到故 障状态时， 一个或更多激光光束就在该预定表面上相互作用以终止输 出激光光束。举例来说，当遇到故障状态时， 一个或更多激光光束可 通过烧蚀和/或熔化该预定表面而与该表面相互作用以终止输出激光 光束。激光系统产生从激光系统输出的一个或更多激光光束。激光系统包 括装置用于，当一个或更多激光光束可导致伤害人眼时， 一旦发生一个 或更多激光光束与预定表面相互作用以改变指示故障状态的预定表面 特性时，终止从激光系统输出一个或更多激光光束。 一旦与一个或更 多激光光束相互作用，预定表面就可烧蚀和/或熔化以指示故障状态。 传感器可进一步定位于预定表面的后面以当预定表面烧蚀时感测和指 示故障状态，可响应于此可将控制信号发送至激光源以便进行关闭。 用于终止的装置可独立于用于输出一个或更多激光光束的光学系统进 行操作。对于本领域技术人员而言，本发明进一步特性和优点将根据以下提 供详细描述及附图中而变得明显，在附图中
图1示出了根据本发明的激光系统的一个实施例的方框图，其代表了扫描激光投影仪，其中故障检测器装置连接于扫描仪和激光之间； 图2是光学组的局部示意图，其中终止输出的装置独立于光学组运行；图3是光学组的局部示意图，其中终止输出的装置作为光学组的一 部分运行；图4是根据本发明一个实施例的激光源、光调制器、和扫描仪的局 部示意图；图5是本发明一个实施例的局部横截面图，其中终止激光光束输出 的装置诸如用于指示故障状态的可烧蚀表面和/或可熔化表面；图6是本发明另一个实施例的局部横截面图，其中终止激光光束输 出的装置为可烧蚀表面，其具有在该表面后面的光传感器用于指示故 障状态；图7是本发明另一个实施例的局部横截面图，其中终止激光光束输 出的装置为镜面的可烧蚀表面；图8是本发明另一个实施例的局部横截面图，其中终止激光光束输出的装置为由非导电层隔离的两个导电层以用于指示故障状态；图9A是本发明另一个实施例的局部横截面图，其中终止激光光束输出的装置为多个用于指示故障状态的平行可烧蚀导电条；以及图9B图示了图9A中的可烧蚀导电条之一，这些导电条中具有由激光光束导致的开口 (open)状态。应该理解的是，表示本发明示例性实施例的详细描述和具体示例的目的仅在解释而不是限制本发明的范围。参考图1,其中示出了诸如扫描激光投影仪之类的激光系统100的 框图。激光系统100在屏幕120上生成二维彩色图像。图像数据在图 像处理单元102中进行变换，图像处理单元102包括如视频处理器和 驱动器等众所周知的设备。来自图像处理单元102的视频信号104控 制光调制器单元106的操作，光调制器单元106可采用对来自激光源 110的一个或更多激光光束108进行操作的电光调制器或声光调制器。 激光源110具有多个激光器，例如，诸如二极管激光泵浦固态激光器 之类的二极管激光器或转换频率的固态激光器，以输出红色，绿色和蓝色激光光束108。这些激光光束输入至光调制器106中，而光调制器 106响应于视频信号104来调制激光光束。来自光调制器106的经调制 激光光束112输入至诸如x-y扫描仪之类、其中包括众所周知的垂直 扫描仪和水平扫描仪的扫描仪114中。x-y扫描仪114输出水平和垂直 扫描的激光光束116至投射单元118,投射单元118然后输出合适的 RGB激光光束以在屏幕120上生成扫描图像。当然，也可使用其他扫描仪，如非常紧凑的MEMS扫描仪，其中微 电子机械系统(MEMS)是通过微观制造技术在共同硅基底上的集成机械 元件、传感器、致动器和电子元件。 一般地，电子元件采用集成电路 (IC)工艺序列制造(如，CMOS、双极、或BICMOS工艺)，而微机械部件 采用兼容的"微机械"工艺制造，该工艺选择性地蚀刻掉硅晶圆中的部 分或增加新的结构层以形成机械和电子机械器件。作为x-y扫描仪114内的一个或更多个扫描激光光束116的内部激 光光束122用于确定是否应该关闭激光源110中的激光器、或应该中 断输出光束(多个)，直至在故障检测器124中生成的故障状态的原 因被修复了为止。故障检测器124持续输出故障信号126，其或是l或 是0以例如分别代表"无故障，，状态或"故障"状态。可选地，仅仅当检 测到故障时才可输出指示故障状态的控制信号以关闭激光源(多个) 110。用于实现这个故障检测器126及其操作的必要电子元件是众所周 知并可包括开关和继电器，这例如如前述的美国专利No. 6351324所述.图2是用于终止激光输出的装置的局部示意图，该用于终止激光输 出的装置是激光安全熔断器200,其中激光安全熔断器200不是x-y扫 描仪和/或投射单元的光学组的集成部件。从图2可看出，激光安全熔 断器200具有起光学组中的镜面作用的预定表面202，或它可以是如后 面要描述的非镜面表面。在正常操作期间，RBG激光光束2(M从扫描镜 206反射并进一步从镜面的预定表面202反射，光束204将沿线208在 预定表面202上扫描，例如，从另一个镜面210反射至屏幕(如图1的 参考符号120所示)以形成图像n2。如果激光光束204沿线208变緩慢或停止，则足够量的激光能量流 量将与表面202相互作用以在其上导致会指示诸如扫描仪故障之类的 故障状态的状态。进一步的选择方案是如果扫描镜206 (是图1所示的 扫描仪114的一部分)发生故障了 ，则被反射的光束204将落到沿线208的缺省位置上，表面202的涂层材料214是可反射的，而且还响应于 预定能量的激光光束照射到表面涂层214上达预定时长(如当扫描镜 206不能正常扫描时)而是可降解的。这样的涂层214可通过沉积金属 材料薄层来制备，其中的金属材料诸如银、金或在足够/期望时长和强 度的强烈激光光束下会烧蚀和/或熔化的其他种类的金属。进一步的实施例是，其中的激光安全熔断器不是光学组的集成部 分，但仍然在扫描仪如有故障而停止时例如缺省位置处接收扫描激光 光束。在这个实施例中，预定表面不需要如以下所述是可反射的，但 是将检测故障状态并发出控制信号126以关闭图1所示的激光源(多 个)110。图3示出了实施例300,其中激光光束204经扫描镜206反射到作 为光学组集成部分的可反射涂层214上，并且然后从涂层214反射到 屏幕上以形成图像212。即，图2所示的镜面210在图3所示的实施例 中被去掉了。图4局部图示了具有三色激光器、即输出被合并为单个RGB光束 408的适当光束的红色激光源402,绿色激光源404和蓝色激光源406 的激光投影仪400。 RGB光束408由转动的多边扫描仪410 (例如，一 般在图像的x-方向，水平地)和电流镜206 (—般在y-方向，垂直地) 扫描。可包括可反射涂层表面214的故障检测器124通过输出窗414 反射光束到屏幕120(图l)上。图5至图9A示出了故障检测器设备124(图l和4)的不同实施例， 它们不需要可反射表面并被定位为从图4所示的电流镜206和/或从转 动的多边扫描仪410接收来自激光光束(多个)的代表性激光光束(多 个)，并响应于对故障状态的检测而发出控制信号126以关闭激光源 (多个)IIO(图l所示)。被这样的不可反射故障检测器设备接收的代 表性激光光束(多个)模拟最终从激光投影系统输出以在外部表面 120(图l)上形成图像212的激光光束的扫描动作。因此，当输出光束 (多个)不能扫描时，该代表性激光光束(多个)也不能扫描，如下 所述，该故障将被不可反射故障检测器设备检测到以关闭激光源。图5至图9A所示的、可具有不可反射表面的故障检测器设备包括 各种薄膜。薄膜的沉积是本领域众所周知的，并且在这些膜上创建图 案的能力也是半导体制造领域众所周知的且被认为是传统的。任何期望的材料可用于该薄膜， 一旦这些膜在暴露于激光光束(其是连续(cw) 型和脉冲型二者均可)达期望的时长和强度，激光光束可烧蚀和/或熔化这些膜。例如，光斑尺寸在从约l到100微米(micron)的范围中、 其流量(J/sq. cm.)从约0.01到约100且脉沖能量从100nJ到100 microJ的激光光束在某个范围内将烧蚀陶瓷、聚合物和金属膜。这样 的材料种类及其厚度对于半导体制造和冶金领域的技术人员来说都是 已知的。如果由激光光束触发放热冶金反应的话，薄膜中的破坏机理也可以 在整个薄膜表面上自我传播.这种反应性多层箔是众所周知的(如 Baltimore的Johns Hopkins University的Timothy Weihs教授描述 的箔)，其中箔的局部过热足够触发分子结合，导致箔爆发自我传播 的放热反应以致使整片箔被燃烧或熔化。这个过程发生得特别迅速， 在1毫秒内在一平方英尺面积上升高箔的温度2900华氏度。因为热量 爆发和终止特别迅速，所以对周围对象很小或没有伤害.进一步，在 预定表面上的输入光束不必与穿过扫描仪的激光光束有相同直径，这 是因为可如进一步描述的那样、添加光学元件以更加锐利地聚焦激光 光束到预定表面上。例如参见图9A。下列设备可定位于扫描线的任意 一端并具有如点、正方形和矩形之类的形状。如果在扫描仪410或电流镜206中存在缺陷，代表性激光光束将位 于扫描线的一端处的缺省位置或另一个预定位置中直至问题被修复为 止。 一旦代表性激光光束位于缺省位置处，如当扫描停止或未能如期 望执行时，来自故障检测器的控制信号将切断激光源。切断激光源的 这个安全特性可被以下方案所替代或附加到以下方案中，该方案是当 例如安全涂层214熔化时阻止安全涂层214的反射，这样就阻止了激 光光束从窗414中发出。当然，代替使用代表性光束和不可反射故障 检测器的是，故障检测器可以是可反射的并位于输出路径中以接收实 际光束(而不是代表性光束)用于在正常操作期间反射来自激光投影仪 的输出。图5到图9A所示的故障检测器设备例如安装于诸如半导体芯片之 类的小芯片上并且一旦被触发以向激光源发出终止信号时就可被除 去。故障检测器124和可反射或不可反射安全涂层214可以是集成的 单元或独立单元。如果是独立单元，则一旦安全涂层单元有故障且被破坏(如被熔化)，它就可容易地被替换成具有安全涂层214的新单 元而没有或有最小的对准。如果故障检测器设备的安全涂层表面具有 在扫描仪单元中起作用的镜面表面，则可能在替换时要求更加精密的对准。参考图5，以横截面示出了故障检测器设备500，其中设备500具 有来自左侧的输入激光光束502。芯片基底504具有一对通过导线连接 至激光源(多个)IIO(图l)的开关或控制输入的分离的导体506。两 个导体506之间的间隙508填充有第一层510，并且该第一层510覆盖 到导体506之上。第一层510是非导电材料。由导电材料制成的第二 层512置于第一层510的顶部。当激光光束502落到作为第二层512 的安全表面上达足够时间时，第二层512将被加热并最终与第一层510 一起被烧蚀和/或熔化。第一层510不必是连续层或完全覆盖导体对506 的层。例如，在非导电层上的柱子(post)可散布于导体对506和第 二导电层512之间用于其中的分离，直至非导电柱子和第二导电层512 熔化了为止。这种熔化将导致导体506的端部之间的电短路并将导致激光源终 止激光器，这例如经由如电学领域技术人员众所周知的控制信号的发 出来进行。当然在安全涂层是可反射的且安全设备位于输出光束路径 中的情况下，激光源不必被关闭但安全仍然保证，这是因为一旦可反 射安全涂层被烧蚀和/或熔化，激光光束不能射出窗口 414 (图4)并因 此将不对任何观察者形成危险。参考图6，示出了故障检测器设备600的另一个实施例。如其中可 看出，芯片基底604具有施于其上的可烧蚀第一层612。在第一层612 之下设置了激光光束传感器620。当激光光束602作用于第一层612上 时，它将烧蚀并使激光光束传感器620暴露于激光光束602。这将再次 导致在传感器中出现诸如例如短路状态之类的状态，其可触发将终止 激光源中的激光器的控制信号。图7示出了其中故障检测器设备700具有镜面表面704的实施例。 利用足够的流量，镜面表面将被烧蚀并向激光光束702暴露其下面的 激光光束传感器720,因此触发了控制信号来终止激光源中的激光器。图8示出了具有镜面表面804的故障检测器设备800的实施例，其 中镜面表面804部分地或完全地被三层806， 808,和810覆盖以形成类似电容的设备，其中至少所暴露的层810是镜面或可反射的。顶层 和底层810和806是导电的并连接到电导线。中间层808是不导电的。 一旦有来自激光光束802的足够流量，中间层880就将熔化(根据要求 与顶层810—起)，这导致了顶层和底层之间的短路状态。图9A公开了故障检测器设备900的实施例，其中有多个平行的金 属条908。输入激光光束904进一步由透镜元件906聚焦以把激光光束 904的直径降低到降低了直径的激光光束902。更大的流量将进一步有 助于如图9B所示的条908中的部分的烧蚀。开口 (open)状态将被检 测到并导致激光源终止激光器。如以上实施例可见，提供了激光安全熔断器，它将立刻导致激光器 的终止或输出光束的终止，这样就防止了这种输出光束离开激光投影 仪.激光安全熔断器提供了一个独立的装置，以便一旦遇到导致激光 扫描仪定位于缺省位置的状态时就终止激光器和/或输出光束。这将确 保激光光束不以任何形式从投影仪射出而伤害例如观察者的眼睛。最后，上述讨论的目的仅仅是对本发明的解释而不应该被看作将附后的权利要求限制到任何特别实施例或实施例组。因此，虽然已经参 考其中的具体实例实施例特别详细地描述了本发明，应该理解的是可对这些实施例进行无数的修改和改变而不脱离如权利要求所阐述的本 发明的更广阔和预定的精神及范围。因此，说明书和附图应该以解释 性的方式看待而并不意图限制附后的权利要求的范围。 在解释附后的权利要求时，应该理解的是a) 单词"包括"不排除未在给定权利要求中列出的其他元件或动 作的存在；b) 在元件前的单词"一"或"一个"不排除多个这样元件的存在；c) 在权利要求书中的任何参考符号不限制其范围；d) 几个"装置"可由相同项或硬件或软件实现的结构或功能来表 示；以及e) 所公开元件中的每个可包括硬件部分(如，离散的电路)、软 件部分(如，计算机程序)，或其任意组合。
权利要求
1、一种产生一个或更多激光光束的激光系统，所述一个或更多激光光束从所述激光系统输出，其中所述激光系统包括安全设备，设置成终止所述一个或更多激光光束从所述激光系统的输出，一旦所述一个或更多激光光束与预定表面相互作用以改变指示故障状态的所述预定表面的特性时，所述终止就发生。
2、 根据权利要求1所述的激光系统，其中所述安全设备独立于用 于输出所述一个或更多激光光束的光学系统进行操作。
3、 根据权利要求1所述的激光系统，其中所述预定表面一旦与所 述一个或更多激光光束相互作用时，就烧蚀和/或熔化以指示所述故障 状态。
4、 根据权利要求1所述的激光系统，还包括位于所述预定表面之 后的传感器，以便一旦所述预定表面被烧蚀时就指示所述故障状态。
5、 根据权利要求1所述的激光系统，其中所述预定表面是可反射的。
6、 根据权利要求1所述的激光系统，其中所述预定表面包括两个 被非导电层隔离开的导电涂层，当所述一个或更多激光光束导致在所 述两个导电涂层之间的短路状态时，所述故障状态发生。
7、 根据权利要求1所述的激光系统，其中所述预定表面包括其上 的多个导电条，当所述一个或更多激光光束导致在一个或更多个所述 条的开口状态时，所述故障状态发生。
8、 根据权利要求1所述的激光系统，其中所述预定表面设置成在 所述故障状态发生后可从所述激光系统除去，并且可被替换以重置所 述安全设备。
9、 根据权利要求1所述的激光系统，还包括扫描仪，其设置成扫 描在外表面上的所述一个或更多激光光束，其中一旦所述扫描仪发生 故障，所述故障状态就发生。
10、 一种操作激光系统的方法，包括以下动作 产生一个或更多激光光束用于形成从所述激光设备射出的输出光束；以及一旦所述一个或更多激光光束与预定表面相互作用以改变指示故障状态的所述预定表面的特性时，就终止所述输出光束。
11、 根据权利要求10所述的方法，其中所述预定表面一旦与所述一个或更多激光光束相互作用，就烧蚀和/或熔化以指示所述故障状态。
12、 根据权利要求IO所述的方法，还包括位于所述预定表面之后 的传感器以便一旦所述预定表面被烧蚀就指示所述故障状态。
13、 根据权利要求10所述的方法，其中所述预定表面是可反射的。
14、 根据权利要求IO所述的方法，其中所述预定表面包括两个被 非导电层隔离开的导电涂层，当所述一个或更多激光光束导致所述两 个导电涂层之间的短路状态时，所述故障状态发生。
15、 根据权利要求IO所述的方法，其中所述预定表面包括在其上 的多个导电条，当所述一个或更多激光光束导致在一个或更多个所述 条的开口状态时，所述故障状态发生。
16、 根据权利要求10所述的方法，其中所述预定表面设置成在所 述故障状态发生后可从所述激光系统除去，并且可被替换以重置所述 安全设备。
17、 根据权利要求10所述的方法，还包括在外表面上扫描所述一 个或更多激光光束的动作，其中一旦所述扫描动作出现故障，所述故 障状态就发生。
18、 一种产生一个或更多激光光束的激光系统，所述一个或更多激 光光束从所述激光系统输出，其中所述激光系统包括用于生成所述一个或更多激光光束以便形成从所述激光设备射出 的输出光束的装置；以及用于一旦所述一个或更多激光光束与预定表面相互作用以改变 指示故障状态的所述预定表面的特性时就终止所述输出光束的装置，
19、 根据权利要求18所述的激光系统，其中所述预定表面一旦与 所述一个或更多激光光束相互作用就烧蚀和/或熔化以指示所述故障 状态。
20、 根据权利要求18所述的激光系统，还包括位于所述预定表面 之后的传感器以一旦所述预定表面烧蚀就指示所述故障状态。
全文摘要
一种激光系统生成至少一个从激光系统输出的激光光束。激光系统包括终止从激光系统输出激光光束的安全设备(200)。一旦激光光束(204)与预定可反射表面(202)相互作用以改变其中的特性并因此指示其中激光光束可导致人眼伤害的故障状态时，终止就发生。安全设备在从源到输出的激光光束路径上可以是可反射的，并且可反射表面一旦遇到故障状态就熔化或烧蚀，并因此中断路径并防止激光输出。另外，安全设备一旦遇到故障状态就可生成或触发控制信号以关闭激光源。传感器可位于预定表面之后的传感器以一旦预定表面烧蚀和/或熔化就指示所述故障状态。
文档编号H04N9/31GK101331751SQ200680047132
公开日2008年12月24日 申请日期2006年12月8日 优先权日2005年12月13日
发明者T·A·H·科普, W·霍温 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司