用于激光和发光二极管的温度测量和控制的制作方法

专利名称：用于激光和发光二极管的温度测量和控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及二极管电路，尤其涉及用于发射二极管的温度测量和控制。
背景技术：
诸如发光二极管(LED)等半导体发光器件和诸如激光二极管等激光发射器件被用在越来越多的应用中。例如，LED被广泛用于一般的照明应用，而激光二极管通常用于长距离通信应用、光学应用和各种成像应用。随着对这些器件的使用的增加，各种应用对这些器件的更加精确的工作的需求也随之增加。LED需要满足特定亮度、稳定光点和光输出比要求，且激光二极管需要满足特定的激光波长要求，两者同时要维持足够的工作寿命。LED和激光二极管的众多工作要求中有最小程度的温度控制。在LED中，光输出随着LED的结温度而变化，从而影响强度并导致光谱移动。在激光二极管中，发射波长随着激光二极管的结温度而变化。一般而言，传递到LED或激光二极管封装的功率是由包括该封装的温度的估计的反馈回路来控制的。一个或多个热传感器通常被附连到该封装来估计工作温度。例如，可使用热敏电阻或热电偶。在这一热传感器的众多缺陷中，有其缺少与其中形成该二极管的半导体管芯的邻近性，这会导致在估计结温度时的误差。这一缺少精度在当今许多对LED和激光二极管的应用中可能是不可接受的。

发明内容
使用发光二极管或激光二极管封装中的现有且固有的二极管来测量LED或激光二极管(以下统称为发射二极管)的结温度。二极管的光或激光发射通过去除施加到二极管封装的工作驱动电流来关闭。可以比工作驱动电流低的基准电流被施加到二极管封装。发射二极管的所得的正向电压使用电压测量电路来测量。使用发射二极管的固有的电流-电压-温度关系，可确定发射二极管的实际结温度。所得的正向电压可以在反馈回路中使用，以便在确定或不确定实际结温度的情况下提供对二极管封装的温度调节。在包括用于测量LED或发光二极管的发射的监控光电二极管的封装中，基准电流可被施加到该光电二极管来代替发射二极管或作为发射二极管的补充，之后测量该光电二极管两端的正向电压。该光电二极管的所测得的温度可代替或结合该发射二极管的测得温度使用来确定发射二极管结温度。一个实施例包括操作发射二极管来进行结温度确定。以足以使发射二极管能够发射的电平将驱动电流施加到发射二极管。在驱动发射二极管之后，去除该驱动电流，并且以小于驱动电流电平的电平将基准电流施加到发射二极管。在应用了基准电流的情况下，测量发射二极管的正向电压电平。使用所测得的正向电压电平，控制发射二极管的工作温度。 控制工作温度可包括基于所测得的正向电压电平和基准电流电平来确定发射二极管的结温度。—个实施例包括用于发射二极管的驱动器电路。该驱动器电路包括至少一个电流源、至少一个测量电路和至少一个控制电路。该电流源提供用于发射二极管的驱动电流，以及用于具有该发射二极管的二极管封装中的光电二极管的基准电流。电压测量电路在基准电流被施加到光电二极管时测量光电二极管的正向电压。控制电路基于光电二极管的所测得的正向电压来调节二极管封装的工作温度。该温度测量和控制可在许多应用中使用，如用于在利用激光二极管光源的系统中创建深度图像。因此，一个实施例包括通过将驱动电流施加到激光二极管以引起预定波长的发射来驱动包括具有光电二极管的二极管封装中的激光二极管的光源。用预定波长的光源照亮一个或多个物体。在照亮该一个或多个物体的同时，传感或创建包括该一个或多个物体的一个或多个深度图像。将基准电流施加到二极管封装，之后测量激光二极管和/或光电二极管两端的正向电压。基于激光二极管和/或光电二极管两端的正向电压来控制二极管封装的温度，以便维持激光二极管以预定波长的发射。提供本发明内容是为了以精简的形式介绍将在以下具体实施方式
中进一步描述的一些概念。本概述不旨在标识出所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本发明的任一部分中提及的任何或所有缺点的实现。


图1是采用立体图的常规激光二极管封装的示意图。图2是根据一个实施例的用于驱动发射二极管封装的驱动电路的框图。图3是描述根据一个实施例的确定LED或激光二极管的结温度的方法的流程图。图4是描绘用于将发射二极管的测得的正向电压相关到该发射二极管的结温度的一个实施例的流程图。图5是描绘将二极管的所测得的正向电压相关到结温度而不实际计算该结温度的一个实施例的流程图。图6是描绘根据一实施例的执行温度控制的方法的流程图。图7是描绘对用于多个二极管封装的驱动电流进行特性分析和设置的方法的流程图。图8示出了用户正在玩游戏的跟踪系统。图9示出了用户正在玩游戏的跟踪系统。图10示出了可用作跟踪系统的一部分的捕捉设备。
具体实施例方式发光二极管(LED)或激光二极管的结温度使用容纳该发射二极管的封装中的一个或多个现有二极管两端的测得的正向电压来确定。LED或激光二极管本身用低电平基准电流来驱动，并确定该发射二极管两端的所得电压。基于所测得的电压，计算该发射二极管的结两端的温度。所计算的温度可在反馈回路中使用来通过加热或冷却二极管封装将发射二极管维持在所需温度。在一个示例中，提供了一种驱动激光二极管的方法，该方法包括用工作电流驱动激光二极管来引起该激光二极管的发射。该激光二极管发射通过向该激光二极管接入低电平基准电流，之后测量该激光二极管两端的正向电压来暂停。使用PN结的固有电流-电压-温度关系，确定激光二极管的结温度。在施加低电平基准电流和/或测量所得的正向电压之后，再次用工作电流驱动该激光二极管来引起该激光二极管的发射。在一个示例中，基准电流被另外施加到激光二极管封装中的监控光电二极管。测量该光电二极管两端的所得电压，之后使用PN结的电流-电压-温度关系来确定光电二极管的结温度。在一个实施例中施加偏移量来补偿监控光电二极管和激光二极管管芯之间的任何温度差。在另一示例中，激光二极管两端的所测得的电压以及监控光电二极管两端的所测得的电压被组合并用于确定激光二极管的结温度。以上过程可用于LED以及激光二极管。在一个示例中，单独使用监控光电二极管来确定LED或激光二极管结温度。可将工作驱动电流施加到发射二极管，同时将低电平基准电流施加到光电二极管。使用光电二极管两端的所测得的正向电压，确定发射二极管的结温度。图1是示出采用立体图的典型激光二极管封装的示意图。激光二极管封装102包括外壳104(也称为外罐)，该外壳容纳用于激光二极管106的管芯、用于监控光电二极管 108的管芯、以及热沉110。热沉110用于驱散激光二极管管芯所产生的热。外壳包括窗口 112，激光二极管管芯所生成的激光束穿过该窗口。激光束在图1中由箭头114来表示。一般而言，激光二极管从包含二极管结构的共振腔的两端发射功率。图1中来自激光二极管的背面的光束或发射由箭头116表示。来自激光二极管106的背部发射由监控光电二极管 108来监控。光电二极管利用光电荷载流子生成来感测并测量激光二极管所产生的光。通过监控激光二极管的输出，使用由外部二极管驱动电路提供的反馈控制，可将激光二极管的功率输出维持在恒定功率级。注意，根据本发明的各实施例可以用于不包括监控光电二极管以及包括监控光电二极管的激光二极管封装。此外，本发明同样适用于与图1所描绘的二极管同享类似的构造的发光二极管。图2是根据一个实施例的用于驱动激光二极管封装102的电路200的框图。激光二极管106和监控光电二极管108被安装在封装102中，引线PD、COM和LD连接到激光二极管驱动电路200。尽管图2的组件被描绘为单个激光二极管驱动电路200，但是它们可被包含在众多变体中，包括在典型的驱动电路中或作为其外部组件。此外，尽管图2的描述是相对于激光二极管驱动电路来呈现的，但可以理解，该概念可应用于发光二极管驱动电路。激光二极管引线LD连接到驱动电路的第一引线，该第一引线本身连接到可调节电流源224、低电平电流源选择电路220以及电流控制系统218。当驱动激光二极管102来产生激光发射时，电流控制系统218经由可调节电流源224来维持恒定的电流输出。可调节电流源响应于各种控制系统来将电流驱动到电源电压和电流源之间的激光二极管106。 激光二极管可以被置于电流源和地之间。通过激光二极管的实际电流电平可由电流控制系统218来测量并与一设定的驱动电流电平进行比较。该设定的驱动电流电平可由模拟电压来表示，并与同样被表示为模拟电压的实际电流电平进行比较。使用两个电压之差，其表示误差，可调节输出电平。光电二极管引线PD连接到驱动电路的第二引线，该第二引线本身连接到功率控制系统210和第二电压测量电路212。在激光二极管106的发射期间，监控光电二极管108 产生与激光二极管的输出光功率在某种程度上成正比的电流。由于每一激光二极管封装中的固有差别，光电二极管转移函数变化很大。光电二极管电流可以使用功率控制电路中的电流表来测量并用作反馈，功率控制系统试图将光电二极管电流以及激光二极管光功率保持恒定。可调节电流源224的输出可以变化来将光功率级保持相同。在激光二极管封装的工作期间，驱动电路200利用低电平电流源选择电路220、电压测量电路212和222、温度控制器216和热电冷却器(TEC) 214来调节封装102的温度。 低电平电流源选择电路220使电流源224提供的电流逐步下降到恒定的低基准电平。基准电流电平不足以驱动激光二极管106的激光发射。在该基准电流被施加到激光二极管的情况下，使用电压测量电路222来测量该二极管的所得的正向电压。电压测量电路将所测得的电压电平提供给电流控制系统。在一个实施例中，电流控制系统使用所测得的电压电平来确定激光二极管106的结温度。在另一实施例中，不计算实际的结温度，但将所测得的正向电压用于相关结温度，如通过将所测得的正向电压与对应于所需工作温度的目标正向电压进行比较。基于实际结温度或仅仅基于所测得的正向电压，由温度控制器216来执行对二极管封装的温度控制。在一个实施例中，热电冷却器214包括作为热引擎来工作的珀耳帖(Peltier) 二极管，其中电荷载流子吸收作为热来释放的带隙能量。尽管TEC 214在图 2中被示为在驱动电路200的内部，但它通常在机械上耦合到激光二极管封装102的外壳。 可使用诸如简单的风扇和电阻加热器等其他温度调节器件来调节温度。在一个实施例中， 电压测量电路222将电压直接提供给温度控制器，温度控制器代替电流控制系统218来执行结温度相关。可通过检查等式1中所述的理想二极管方程来看见二极管的电流-电压-温度关系Id = /s (e °/(nFr) - 1)等式 1 Id是二极管电流，Is是反偏置饱和电流，Vd是二极管两端的电压，Vt是热电压，η是发射系数。热电压是已知的量，其在室温下等于大约25. 85mV。热电压由等式2来定义Vt = kT/q等式 2T是PN结的绝对温度，q是电子上的电荷量，k是玻尔兹曼常量。当通过二极管的电流是如上所述的已知基准电流时，可如等式3中所述地设置二极管的结或PN结的温度， 其中Z是表示二极管电流与饱和电流的比的常量T = ZVd 等式 3由此，二极管的结的温度可被表示为已知常数和该二极管两端测得的电压之积。 已经示出，一般，硅二极管两端的电压将以大约-2. 2mV/°C的速率变化，这可以在等式3中用于Z的值。因此，激光二极管的结温度可通过检查在已知的基准电流下该二极管两端的电压来确定。在一个实施例中，结温度使用查找表223以及激光二极管两端所测得的电压电平来确定。该查找表包含对应于各个所测得的电压电平的结温度值。使用所测得的电压电平作为输入，该查找表返回相关的温度值。在另一实施例中，电流控制系统不确定实际结温度，而是将所测得的电压电平与表示目标结温度的基准电压电平进行比较。基准电压电平可包括该器件的特性，以便将所测得的电压相关到结温度。例如，激光二极管可通过在测试条件下以各种已知温度测量正向电压以便确定对应于所需工作温度的正向电压来进行特性分析。该电压然后可用作比较电压来确定是要加热还是冷却该封装。光电二极管108也可用于确定激光二极管106的结温度。在图2中，光电二极管 108连接到第二电压测量电路212。在一个实施例中，使用单个电压测量电路来代替电压测量电路212和电压测量电路222。低电平电流源选择电路可切入要施加到光电二极管两端的低电平基准电流。在施加了已知的低电平基准电流的情况下，测量电路212确定所得的正向电压。电压测量电路将所测得的电压电平提供给功率控制系统210，功率控制系统将测量电压电平相关到激光二极管的结温度。在一个示例中，功率控制系统利用查找表226来基于光电二极管的所测得的电压确定激光二极管结温度。由于光电二极管通常形成于与激光二极管分开的管芯上，因此该查找表可包含偏移量来补偿管芯之间的变化。在二极管封装的特性分析期间，可通过将光电二极管的所测得的电压相关到激光二极管的已知温度以便确定对应的值来传播该查找表。如同激光二极管一样，在一个实施例中，控制系统可以不确定实际结温度，而是改为在反馈回路中直接使用所测得的电压来调节二极管封装温度。 所测得的电压可以与对应于所需温度的已知电压进行比较来调节封装温度。在一个实施例中，电压管理电路212可将所测得的电压提供给温度控制器216，温度控制器将代替功率控制系统210来执行结温度相关。在一个实施例中，光电二极管108和激光二极管106都可用于确定激光二极管的结温度。例如，光电二极管所确定的结温度可与使用激光二极管所确定的结温度相组合来确定激光二极管的实际结温度。在另一示例中，将光电二极管两端所测得的电压与对应于封装的所需工作温度的已知光电二极管电压进行比较来确定两者之差。可将激光二极管两端所测得的电压与对应于封装的所需工作温度的已知激光二极管电压进行比较来确定两者之差。这两个差可被组合为总电压差值。该总电压差值可被用作对反馈回路的输入来调节封装温度。类似地，两个测得电压的组合(例如，平均值)可被用作对查找表的输入来确定结温度值。图3是描述根据本发明的一个实施例的确定LED或激光二极管的结温度的方法的流程图。在步骤302，发射二极管用足以引起从该二极管的激光或光发射的驱动电流来驱动。如将在下文中描述的，在某些实现中，驱动电流的实际值可能是未知的，如在器件的特性分析导致将驱动电流设为满足某一输出规范(例如，激光波长、光输出级)且在发射二极管封装内不维持驱动电流电平的指示的情况下。在步骤304，关闭或停止发射二极管的激光或光发射。在步骤306，启用低电平电流源，并且在步骤308，将低电平基准电流施加到发射二极管，且任选地施加到具有该发射二极管的二极管封装中的监控光电二极管。注意，步骤304-308可构成单个操作，其中关闭驱动电流并在二极管封装的输入线上驱动低电平基准电流。在将低电平基准电流施加到发射二极管以及任选地施加到光电二极管之后，在步骤310测量发射二极管以及任选地光电二极管两端的所得正向电压。在步骤312，将所测得的正向电压相关到发射二极管的结温度。在一个实施例中， 将所测得的正向电压相关到结温度包括使用在二极管的电流-电压-温度关系中使用所测得的电压和基准电流来确定结温度。该相关可以基于发射二极管的所测得的正向电压和/ 或监控光电二极管的所测得的正向电压。如果使用两个电压，则可对它们求平均或以某种其他预定关系进行组合来确定要用于查找对应的结温度的电压电平。步骤312可包括使用所测得的电压电平中的一个、两者或其组合来访问查找表，以确定结温度值。在一个示例中，可使用两个电压来查找对应的结温度，并且然后可对这两个温度值求平均或以某种其他预定方式进行组合来确定发射二极管的结温度。在另一实施例中，不确定实际结温度，而是将所测得的电压与对应于已知温度量的基准电压电平进行比较，来确定该结温度是否高于或低于已知温度量。再一次，可使用所测得的电压电平中的一个、两者或其组合作为对已知温度量的比较。可将两个所测得的电平组合成用于比较的单个值(例如，通过求平均)， 或者可将每一所测得的电平独立地与基准电压电平进行比较来确定结温度是否高于或低于已知温度量。在步骤314，基于将正向电压相关到二极管的结温度来执行二极管封装的温度控制或调节。如果步骤312包括诸如通过访问查找表来确定实际结温度，则步骤314可包括基于实际结温度来加热或冷却二极管封装。如果实际结温度大于目标工作温度，则可冷却该封装。如果实际结温度小于目标工作温度，则可加热该封装。如果步骤312不包括确定实际结温度，而是改为将所测得的电压与对应于目标工作温度的预定基准电压进行比较， 则步骤314可包括基于该比较来加热或冷却二极管。如上所述，二极管的结温度将以约 2. 2mV/°C的速率降低。因此，如果所测得的电压大于基准电压，则结温度低于目标工作温度并且可加热该封装。如果所测得的电压小于基准电压，则结温度大于目标工作温度并且可冷却该封装。除了直接加热或冷却二极管封装之外或代替直接加热或冷却，步骤314的温度控制可包括调节从驱动电路200施加到发射二极管的功率。在步骤316，将驱动电流重新施加到二极管封装来引起发射二极管的发射。尽管步骤316被示为在步骤314的温度控制之后执行，但驱动电流可以在步骤310测量了正向电压之后的任意时间重新施加。在步骤318，确定自从上一次结温度测量以来的时间是否大于阈值时间。如果该时间不大于阈值，则该方法等待而不执行另一测量。当该时间大于阈值时，该方法在步骤304通过停止二极管发射来准备低电平基准电流下的电压测量来继续。图4是描绘如图3的步骤312处所执行的、用于将发射二极管的测得的正向电压相关到该发射二极管的结温度的一个实施例的流程图。在步骤402，从步骤310取得的测量中确定发射二极管正向电压。在确定了发射二极管正向电压之后，在步骤404使用所测得的正向电压作为对查找表的索引来访问该查找表。在步骤406，从对应于所测得的正向电压的条目中确定发射二极管的结温度。在一个实施例中，该查找表在二极管封装的特性分析期间用条目来填充。在测试条件下，可在已知温度下测量发射二极管两端的电压。所测得的电压可用作对查找表的索引，其中对应的温度为查找值。可利用外插来构建许多温度值的综合表，而不在要包括在该表中的每一温度下执行测量。尽管图4描述了基于发射二极管的所测得的电压来确定发射二极管结温度，但可执行类似的步骤来基于包括在发射二极管封装中的监控光电二极管的所测得的电压来确定发射二极管结温度。可确定光电二极管的所测得的正向电压，之后使用所测得的电压访问查找表来确定该发射二极管的对应的结温度。用于光电二极管的查找表可以不同于用于发射二极管的查找表，并且包含基于包括该光电二极管的特性的值。光电二极管正向电压可以在发射二极管的已知温度下测量，来形成用于查找表的索引的值。如果测量了光电二极管和发射二极管两者的正向电压，则图4的方法可包括访问不同的查找表来确定基于光电二极管的所测得的正向电压的结温度和基于发射二极管的所测得的正向电压的结温度。两个结温度可以通过求平均或应用另一预定关系来组合，以确定发射二极管的最终结温度。在另一示例中，可组合两个所测得的电压值，然后将该组合值用作对查找表的索引来确定发射二极管的结温度。在图4中，利用封装中的一个或多个二极管的所测得的正向电压来确定发射二极管的结温度。在其他实施例中，不显式地确定结温度，并且所测得的正向电压本身用于调节封装温度，如图5的示例中所述的，这可对图3的步骤314执行。在步骤502，从步骤310取得的测量中确定二极管正向电压。在步骤504，将二极管正向电压与对应于二极管封装的目标工作温度的基准正向电压进行比较。在一个实施例中，目标工作温度及其对应的基准正向电压可在二极管封装的特性分析期间确定。目标工作温度可以对激光二极管的所需激光波长或发光二极管的目标光或光谱输出来选择。在选择了目标工作温度的情况下，可通过测量目标工作温度下在施加低电平基准电流时的正向电压来确定对应的正向电压电平。在步骤506，基于步骤504的比较来确定所测得的正向电压是否等于基准电压电平。如果所测得的正向电压等于基准电压，则在步骤508确定发射二极管的结温度等于目标工作温度。如果所测得的正向电压不等于基准电压电平，则在步骤510确定所测得的正向电压大于还是小于基准电压电平。如果所测得的正向电压大于基准电压电平，则在步骤 512确定结温度小于目标工作温度。如果所测得的正向电压小于基准电压电平，则在步骤 514确定结温度大于目标工作温度。图5中所使用的正向电压可以是二极管封装中的发射二极管或该封装中的监控光电二极管的所测得的正向电压。如果使用监控光电二极管，则比较中所使用的基准电压可以是被确定为对应于二极管封装或发射二极管的目标工作温度的、光电二极管的基准正向电压。该基准电压可以在二极管封装的特性分析期间确定。在一个实施例中，可使用发射二极管和监控光电二极管两者的所测得的正向电压来相关结温度。在这一情况下，将两个二极管的所测得的正向电压与基准电压电平进行比较。该基准电压电平可以对每一二极管相同或不同。每一比较将产生基准电压电平和对应的测得电压电平之间的差(如果有的话)。如果组合差指示出大于对应于目标工作温度的组合基准电压的电压，则确定该发射二极管温度小于目标工作温度。如果组合差指示出小于组合基准电压的电压，则确定发射二极管的结温度大于目标工作温度。图6是描绘如可在图3的步骤314处执行的用于执行温度控制的方法的流程图。 在步骤602，确定所计算的结温度是否等于二极管封装的基准或目标工作温度。在替换实施例中，步骤602可包括确定发射二极管的所测得的正向电压是否等于基准电压电平。如果所计算的结温度等于基准温度级(或者如果所测得的电压等于基准电压)，则封装的温度不受影响，并且该方法通过启用驱动电流源来在步骤316继续。如果所计算的结温度不等于目标工作温度，则在步骤604确定所计算的温度是否大于基准温度。如果温度大于基准， 则在步骤606冷却激光二极管封装。如果温度小于基准，则在步骤608加热该封装。同样， 步骤604的比较可以是所测得的正向电压与基准电压的比较而非直接温度的比较。如果所测得的正向电压大于基准电压，则在步骤608加热激光二极管封装。如果所测得的正向电压小于基准电压，则在步骤606冷却激光二极管封装。在加热或冷却了二极管封装之后，该方法在图3的步骤316通过启用驱动电流源来继续。
如已经所述的，在各实施例中，将低电平基准电流施加到发射二极管来使用所有 PN结中固有的电流-电压-温度关系确定结温度。图7展示了这一技术的好处，尤其是在其中使用二极管封装堆(lot)来制造产品并且各个二极管封装具有不同工作特性的应用中，这对所制造的封装是典型的。在图7的具体示例中，每一激光二极管封装被并入一器件中，并且需要产生预定目标发射波长。在步骤702，对第一激光二极管封装进行特性分析。作为该特性分析的一部分，确定激光二极管产生目标发射波长所需的工作偏置条件。在步骤704，确定导致目标发射波长的用于激光二极管的驱动电流电平。步骤704可包括在测试条件下测量激光二极管的光输出来确定产生目标波长的驱动电流电平。在步骤706，为第一激光二极管封装的驱动电路设置步骤704处所确定的驱动电流电平。步骤706可包括设置二极管驱动电路中的可调节参数来产生所需驱动电流电平。在步骤708，对第二激光二极管封装进行特性分析，并且在步骤710，确定导致目标发射波长的、用于该第二激光二极管封装的驱动电流电平。在步骤712，为第二激光二极管封装的驱动电路设置步骤710中所确定的驱动电流电平。各个二极管封装将自然地包含导致用于产生相同发射波长的不同驱动电流电平的差异。由此，用于第一和第二激光二极管封装的二极管驱动电路可产生用于其对应的二极管封装的不同驱动电流。在典型的场景中，图7的操作将对附加的二极管封装重复多次。通过将低电平基准电流用于结温度测量，可对不同的驱动电路使用标准电路和计算来确定结温度。实际驱动电流电平的指示不需要与驱动电路一起维护。这与用驱动电流以全功率驱动二极管封装并测量发射二极管两端的所得电压来确定结温度的技术形成对比。如果计算要在全驱动电流和功率下完成来确定结温度，则驱动电流电平需要是已知的。 如果用于两个封装的驱动电流电平是不同的，则每一驱动电路需要维护要在温度计算中使用的驱动电流电平的指示。然而，在当前公开的实施例中，可对多个封装使用单个低电平基准电流，使得用于每一封装的驱动电路能够相同，即使是在驱动电流电平不同的情况下。图8-10描绘了其中可使用以上详细描述的结温度计算的示例性系统，即使用深度图像的跟踪系统。用于人类目标的跟踪系统具有多种用途，包括但不限于游戏系统。图 8和9示出了其中用户18正在玩拳击游戏的系统10。这一系统10可被用来识别、分析和 /或跟踪人类目标，如跟踪系统10范围内的用户18或其他物体。如图8所示，跟踪系统10可包括计算系统12。计算系统12可以是计算机、游戏系统或控制台等等。根据一个示例，计算系统12可包括硬件组件和/或软件组件，从而使得计算系统12可用于执行诸如游戏应用、非游戏应用等的应用。在一个实施例中，计算系统12可包括可执行存储在处理器可读存储设备上的用于执行本文描述的过程的指令的处理器，如标准化处理器、专用处理器、微处理器等。如图8所示，跟踪系统10还可包括捕捉设备20。捕捉设备20可以是，例如可用于在视觉上监视诸如用户18的一个或多个用户从而可以捕捉、分析并跟踪一个或多个用户所执行的姿势和/或移动，来执行应用中的一个或多个控制命令或动作和/或动画化化身或屏上角色的照相机。根据一实施例，跟踪系统10可连接到可向诸如用户18等的用户提供游戏或应用视觉和/或音频的音频/视觉设备16，如电视机、监视器、高清电视机(HDTV)等。例如，计算系统12可包括诸如图形卡等视频适配器和/或诸如声卡等音频适配器，这些适配器可提供与游戏应用、非游戏应用等相关联的音频/视觉信号。音频/视觉设备16可从计算系统 12接收音频/视觉信号，然后可向用户18输出与该音频/视觉信号相关联的游戏或应用视觉和/或音频。根据一实施例，音频/视觉设备16可经由例如，S-视频电缆、同轴电缆、 HDMI电缆、DVI电缆、VGA电缆、分量视频电缆等连接到计算系统12。如图8和9所示，跟踪系统10可用于识别、分析和/或跟踪诸如用户18等的人类目标。例如，可使用捕捉设备20来跟踪用户18，从而可以捕捉用户18的姿势和/或移动来动画化化身或屏幕上人物，和/或可将用户18的姿势和/或移动解释为可用于影响计算机环境12所执行的应用的控制命令。因此，根据一实施例，用户18可移动他的或她的身体来控制应用和/或动画化化身或屏幕上人物。类似地，跟踪系统10可用于识别、分析和/或跟踪正在观看用户18玩游戏的人，使得这些正在观看用户18玩游戏的人的移动将在显示在音频/视觉设备16上的拳击游戏上控制观众中的移动化身。在图8和9中描绘的示例中，在计算系统12上执行的应用可以是用户18正在玩的拳击游戏。计算系统12可使用音频/视觉设备16来向用户18提供拳击对手22的视觉表示。计算系统12还可使用音频/视觉设备16来提供用户18可用他或她的移动来控制的用户化身24的视觉表示。例如，如图9所示，用户18可在物理空间中挥拳猛击来使得用户化身24在游戏空间中挥拳猛击。因此，根据一示例实施例，计算系统12和捕捉设备20 识别并分析物理空间中用户18的重拳从而使得该重拳可被解释为对游戏空间中的用户化身24的游戏控制和/或该重拳的运动可用于动画化游戏空间中的用户化身24。用户18的其他移动也可被解释为其他控制命令或动作，和/或用于动画化用户化身，如上下快速摆动、闪避、滑步、封堵、用拳猛击或挥动各种不同力量的重拳的控制命令。 此外，某些移动可被解释为可对应于除控制用户化身24之外的动作的控制命令。例如，在一实施例中，用户可使用移动来结束、暂停或保存游戏、选择级别、查看高分、与朋友交流等。根据另一实施例，用户可使用移动来从主用户界面选择游戏或其他应用。因此，在一个示例中，用户18的全范围运动可以用任何合适的方式来获得、使用并分析以与应用进行交互。在一个示例中，诸如用户18等的人类目标可具有一物体。在这些实施例中，电子游戏的用户可手持物体从而可以使用用户和物体的运动来调整和/或控制游戏的参数。例如，可以跟踪并利用用户手持球拍的运动来控制电子运动游戏中的屏幕上球拍。在另一示例实施例中，可以跟踪并利用用户手持物体的运动来控制电子格斗游戏中的屏幕上武器。 用户没有手持的物体也可被跟踪，如该用户(或一不同用户)扔出、推出或滚出的物体或自推进的物体。除拳击之外，也可实现其他游戏。根据其他示例，跟踪系统10还可用于将目标移动解释为游戏领域之外的操作系统和/或应用控制命令。例如，事实上操作系统和/或应用的任何可控方面可由诸如用户 18等目标的移动来控制。图10示出可在跟踪系统10中使用的捕捉设备20的示例。根据一个示例，捕捉设备20可被配置成经由任何合适的技术，包括例如飞行时间、结构化光、立体图像等来捕捉包括深度图像的带有深度信息的视频，该深度图像可包括深度值。根据一实施例，捕捉设备 20可将深度信息组织为“Z层”，即可与Z轴正交的从深度相机沿着其视线延伸的层。
如图10所示，捕捉设备20可包括图像相机组件23。根据一个示例，图像相机组件 23可以是可捕捉场景的深度图像的深度相机。深度图像可包括所捕捉的场景的二维(2-D) 像素区域，其中2-D像素区域中的每一像素可表示深度值，诸如例如以厘米、毫米等计的、 所捕捉的场景中的物体距相机的距离。如图10所示，根据一个示例，图像相机组件23可包括可用于捕捉场景的深度图像的红外(IR)光组件25、三维(3-D)相机26、和RGB相机28。例如，在飞行时间分析中，捕捉设备20的IR光组件25能以预定波长将红外光发射到场景上来照亮该场景以及该场景中的一个或多个目标和物体。然后使用传感器(未示出)，使用例如3-D相机26和/或RGB 相机28，来检测来自该场景中的一个或多个目标和物体的表面的反向散射光。在某些实施例中，可以使用脉冲式红外光从而可以测量出射光脉冲和相应的入射光脉冲之间的时间差并将其用于确定从捕捉设备20到场景中的目标或对象上的特定位置的物理距离。另外，在其他示例中，可将出射光波的相位与入射光波的相位进行比较来确定相移。然后可以使用相移来确定从捕捉设备到对象或目标上的特定位置的距离。根据另一示例，可使用飞行时间分析，通过经由包括例如快门式光脉冲成像的各种技术来分析反射光束随时间的强度变化以间接地确定从捕捉设备20到目标或对象上的特定位置的物理距离。在另一示例中，捕捉设备20可使用结构化光来捕捉深度信息。在这样的分析中， 图案化光(即，被显示为诸如网格图案、条纹图案等已知图案或不同图案的光)可经由例如IR光组件25被投影到场景上。在撞击到场景中的一个或多个目标或对象的表面时，作为响应，图案可变形。图案的这种变形可由例如3-D相机26和/或RGB相机28 (和/或其他传感器)来捕捉，然后可被分析以确定从捕捉设备到目标或物体上的特定位置的物理距离。在一些实现中，IR光组件25与相机24和26分开，使得可以使用三角测量来确定距相机26和28的距离。在一些实现中，捕捉设备20将包括传感IR光的专用IR传感器或具有 IR滤波器的传感器。在一个实施例中，红外(IR)光组件25可包括用于生成并发射红外光的至少一个激光二极管封装。在利用这一 IR光组件的跟踪应用中，与其他应用相比，激光二极管的工作精度可越来越重要。在这些情况下，激光二极管的发射可需要被保持在恒定的波长。由于二极管发射的波长将随着温度变化，所以调节二极管封装的温度呈现出重要性。因此，在一个实施例中，通过利用以上详细描述的结温度计算来将激光二极管IR光组件25维持在目标工作温度，使得二极管的发射波长被保持恒定或基本恒定。此外，由于制造商可构建多个跟踪系统，其中各个二极管封装具有独特的工作特性，因此用于不同器件的驱动电流电平可如上所述地变化。因此，对低电平基准电流的使用使得能以不同的驱动电流电平来制造多个器件，同时能够使用标准驱动电路来完成温度计算。在其中使用全驱动电流来确定结温度的替换技术中，需要维护各个参数，包括驱动电流电平，使得能够计算结温度。捕捉设备20还可包括话筒30。话筒30可包括可接收声音并将其转换成电信号的变换器或传感器。根据一个实施例，话筒30可用于减少目标识别、分析和跟踪系统10中的捕捉设备20与计算系统12之间的反馈。另外，话筒30可用于接收也可被提供给计算系统 12的音频信号。在一示例中，捕捉设备20还可包括可与图像相机组件23进行通信的处理器32。处理器32可包括可执行指令的标准处理器、专用处理器、微处理器等，这些指令包括用于接收深度图像、生成适当的数据格式(例如，帧)并将该数据传送到计算系统12的指令。捕捉设备20还可包括存储器组件34，存储器组件34可存储由处理器32执行的指令、3-D相机和/或RGB相机所捕捉的图像或图像的帧、或任何其他合适的信息、图像等等。 根据一示例实施例，存储器组件34可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、高速缓存、闪存、硬盘、或任何其他合适的存储组件。如图10所示，在一个实施例中，存储器组件 34可以是与图像捕捉组件23和处理器32进行通信的单独的组件。根据另一实施例，存储器组件34可被集成到处理器32和/或图像捕捉组件23中。如图10所示，捕捉设备20可经由通信链路36与计算系统12进行通信。通信链路36可以是包括例如USB连接、火线连接、以太网电缆连接等的有线连接和/或诸如无线 802. lib,802. llg、802. Ila或802. Iln连接等无线连接。根据一个实施例，计算系统12可经由通信链路36向捕捉设备20提供可用于确定例如何时捕捉场景的时钟。另外，捕捉设备20将由例如3-D相机26和/或RGB相机28捕捉的深度信息和视觉(例如，RGB)图像经由通信链路36提供给计算系统12。在一个实施例中，深度图像和视觉图像以每秒30帧的速率传送。计算系统12然后可使用该模型、深度信息、以及所捕捉的图像来例如控制诸如游戏或文字处理程序等的应用和/或动画化化身或屏上人物。计算系统12包括深度图像处理和骨架跟踪模块50，该模块使用深度图像来跟踪可由深度相机检测的一个或多个人。深度图像处理和骨架跟踪模块50向应用52提供跟踪信息，该应用可以是视频游戏、生产性引用、通信应用或其他软件应用等。音频数据和视觉图像数据也被提供给应用52和深度图像处理和骨架跟踪模块50。应用52将跟踪信息、音频数据和视觉图像数据提供给识别器引擎54。在另一实施例中，识别器引擎54从深度图像处理和骨架跟踪模块50直接接收跟踪信息，并从捕捉设备20直接接收音频数据和视觉图像数据。识别器引擎54与过滤器60、62、64、……、66的集合相关联，每一过滤器包括关于可由捕捉设备20可检测的任何人或对象执行的姿势或其他动作或事件。例如，来自捕捉设备20的数据可由过滤器60、62、64、……、66来处理，以便标识一个用户或一组用户何时执行了一个或多个姿势或其他动作。那些姿势可与应用52的各种控制、对象或状况相关联。 由此，计算环境12可借助过滤器使用识别器引擎54来解释移动。图10的捕捉设备20向计算系统12提供RGB图像(或其他格式或色彩空间的视觉图像)和深度图像。深度图像可以是多个观测到的像素，其中每个观测到的像素具有观测到的深度值。例如，深度图像可包括所捕捉的场景的二维(2-D)像素区域，其中2-D像素区域中的每一像素可具有深度值，如所捕捉的场景中的对象距捕捉设备的距离。系统将使用RGB图像和深度图像来跟踪用户的移动。例如，系统将使用深度图像来跟踪人的骨架。可以使用许多方法来使用深度图像跟踪人的骨架。使用深度图像来跟踪骨架的一个合适的示例在2009年10月21日提交的美国专利申请12/603,437 "Pose Tracking Pipeline (姿势跟踪流水线)”(以下称为’ 437申请)中提供，该申请通过整体引用合并于此。‘437申请的过程包括获取深度图像，对数据进行降采样，移除和/或平滑高变度噪声数据，标识并移除背景，以及将前景像素中的每一个分配给身体的不同部位。基于这些步骤，系统将使使用该数据来拟合一模型并创建骨架。该骨架将包括一组关节和这些关节之间的连接。合适的跟踪技术也在以下专利申请中公开2009年5月29日提交的美国专利申请 12/475，308 “Device for Identifying and Tracking Multiple Humans Over Time (用于随时间标识并跟踪多个人的设备)”，该申请通过整体引用合并于此；2010 年1月29日提交的美国专利申请12/696，282“Visual Based Identity Tracking(基于视觉的身份跟踪)”，该申请通过整体引用合并于此；2009年12月18日提交的美国专利申请 12/641, 788 "Motion Detection Using Depth Images (使用深度图像的运动检测)”，该申请通过整体引用结合于此；以及2009年10月7日提交的美国专利申请12/575，388"Human Tracking SyStem(人类跟踪系统)”，该申请通过整体引用合并于此。(图2所示的计算系统12的)姿势识别器引擎54与多个过滤器60、62、64、……、 66相关联来标识姿势或动作。过滤器包括定义姿势、动作或状况以及该姿势、动作或状况的参数或元数据的信息。例如，包括一只手从身体背后到身体前方的运动的投掷可被实现为包括表示用户的一只手从身体背后到身体前方的运动的信息的姿势，该移动将由深度相机来捕捉。然后可为该姿势设定参数。在姿势是投掷的情况下，参数可以是该手必须达到的阈值速度、该手必须行进的距离(绝对的，或相对于用户的整体大小)、以及识别器引擎对发生了该姿势的置信评级。用于姿势的这些参数可以随着时间在各应用之间、在单个应用的各上下文之间、或在一个应用的一个上下文内变化。在一个实施例中，过滤器具有多个输入和多个输出。过滤器可以是模块化或可互换的，使得第一过滤器可用具有与第一过滤器相同数量和类型的输入和输出的第二过滤器来替换而不更改识别器引擎体系结构的任何其他方面。例如，可以有用于驾驶的第一过滤器，该第一过滤器取骨架数据作为输入并输出与该过滤器相关联的姿势正在发生的置信度以及转向角。在希望用第二驾驶过滤器来替换该第一驾驶过滤器的情况下——这可能是因为第二驾驶过滤器更高效且需要更少的处理资源——则可以通过简单地用第二过滤器替换第一过滤器来这样做，只要第二过滤器具有相同的输入和输出一骨架数据类型的一个输入，以及置信度类型和角度类型的两个输出。过滤器不需要具有参数。例如，返回用户的高度的“用户高度”过滤器可能不允许任何可调节的参数。替换的“用户高度”过滤器可具有可调节参数，如在确定用户的高度时是否考虑用户的鞋、发型、头饰以及体态。对过滤器的输入可包括诸如关于用户的关节位置的关节数据，像在关节处相交的骨所形成的角度、来自场景的RGB色彩数据、以及用户的某一方面的变化速率等内容。来自过滤器的输出可包括诸如正作出给定姿势的置信度、作出姿势运动的速度、以及作出姿势运动的时间等内容。姿势识别器引擎54向过滤器提供功能。在一实施例中，识别器引擎54实现的功能包括跟踪所识别的姿势和其他输入的随时间输入(input-over-time)存档、隐马尔可夫模型实现(其中模型化系统被假定为马尔可夫过程-其中当前状态封装了确定将来状态所需的任何过去状态信息，因此不必为此目的而维护任何其他过去状态信息的过程_该过程具有未知参数，并且隐藏参数是从可观察数据来确定的)、以及求解姿势识别的特定实例的其他功能。过滤器60、62、64、……、66在识别器引擎54之上加载并实现，并且可利用识别器引擎54提供给所有过滤器60、62、64、……、66的服务。在一个实施例中，识别器引擎54 接收数据来确定该数据是否满足任何过滤器60、62、64、……、66的要求。由于这些诸如解析输入等所提供的服务是由识别器引擎54 —次性提供而非由每一过滤器60、62、64、……、 66提供的，因此这一服务在一段时间内只需被处理一次而不是对该时间段对每一过滤器处理一次，因此减少了确定姿势的处理。应用52可使用识别器引擎54所提供的过滤器60、62、64、……、66，或者它可提供其自己的、插入到识别器引擎54的过滤器。在一实施例中，所有过滤器具有启用该插入特性的通用接口。此外，所有过滤器可利用参数，因此可使用以下单个姿势工具来诊断并调节整个过滤器系统。关于识别器引擎54的更多信息可在2009年4月13日提交的美国专利申请 12/422, 661 "Gesture Recognizer System Architecture (姿势识别器系统体系结构)，，中找到，该申请通过整体引用合并于此。关于识别姿势的更多信息可在2009年2月23日提交的美国专利申请12/391，150“Standard Gestures (标准姿势)”；以及2009年5月29日提交的美国专利申请12/474，655 "Gesture Tool (姿势工具)”中找到。这两个申请都通过整体引用合并于此。尽管用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述具体特征或动作。相反，上述具体特征和动作是作为实现权利要求的示例形式公开的。本发明的范围旨在由所附权利要求书来定义。
权利要求
1.一种操作发射二极管来进行结温度确定的方法，包括以足以使所述发射二极管能够发射的电平将驱动电流施加到所述发射二极管(302)； 从所述发射二极管中去除所述驱动电流(304)；在从所述发射二极管去除了所述驱动电流之后，以小于所述驱动电流电平的电平向所述发射二极管提供基准电流(308)；在施加了所述基准电流的情况下确定所述发射二极管的正向电压电平(310)；以及基于所述正向电压电平来控制所述发射二极管的工作温度(314)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制所述发射二极管的工作温度包括 将所述发射二极管的正向电压电平与对应于用于所述发射二极管的目标工作温度的基准电压电平进行比较；如果所述发射二极管的正向电压电平高于所述基准电压电平，则加热所述发射二极管；以及如果所述发射二极管的正向电压电平低于所述基准电压电平，则冷却所述发射二极管。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制所述发射二极管的工作温度包括 基于所述正向电压电平和所述基准电流电平来确定所述发射二极管的结温度； 将所述发射二极管的结温度与用于所述发射二极管的目标工作温度进行比较； 如果所述结温度低于所述目标工作温度，则加热所述发射二极管；以及如果所述结温度高于所述目标工作温度，则冷却所述发射二极管。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，确定所述发射二极管的结温度包括 访问查找表；以及从所述查找表中的包含所测得的正向电压电平的条目中确定所述结温度。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括通过测量所述发射二极管在以预定波长产生发射时的工作温度来对所述发射二极管进行特性分析；以及将所述目标工作温度设为等于所测得的工作温度。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述发射二极管进行特性分析包括 以多个已知温度来测量所述发射二极管的正向电压；以及生成具有包含所测得的正向电压和对应的已知温度的条目的查找表。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射二极管在具有光电二极管的封装内，所述方法还包括向所述光电二极管提供所述基准电流；以及在施加了所述基准电流的情况下确定所述光电二极管的正向电压电平； 其中控制所述发射二极管的工作温度是基于所述发射二极管的正向电压电平和所述光电二极管的正向电压电平。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述驱动电流是第一驱动电流，所述方法还包括对所述发射二极管进行特性分析；确定所述第一驱动电流导致所述发射二极管以预定波长来发射；将所述第一驱动电流的电平设为用于所述发射二极管的第一二极管驱动电路的输出；对第二发射二极管进行特性分析；确定第二驱动电流导致所述第二发射二极管以所述预定波长来发射，所述第二驱动电流的电平不同于所述第一驱动电流的电平；将所述第二驱动电流的电平设为用于所述第二发射二极管的第二二极管驱动电路的输出；将所述第二驱动电流提供给所述第二发射二极管，以使得所述第二发射二极管以所述预定波长来发射；在从所述第二发射二极管去除了所述第二驱动电流之后，将所述基准电流提供给所述发射二极管；在施加了所述基准电流的情况下确定所述第二发射二极管的正向电压电平；以及基于所述第二发射二极管的正向电压电平来控制所述第二发射二极管的工作温度。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基准电流不足以引起所述发射二极管的发射。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射二极管是激光二极管。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射二极管是发光二极管。
12.—种发射二极管驱动器，包括至少一个电流源(224)，所述至少一个电流源提供用于耦合到所述发射二极管驱动器的发射二极管(106)的驱动电流，以及用于具有所述发射二极管的二极管封装中的光电二极管(108)的基准电流；至少一个电压测量电路(212)，所述至少一个电压测量电路在所述基准电流被施加到所述光电二极管时测量所述光电二极管(108)的正向电压；以及至少一个控制电路(216)，所述控制电路基于所述光电二极管(108)的所测得的正向电压来调节所述二极管封装的工作温度。
13.如权利要求12所述的发射二极管驱动器，其特征在于 所述至少一个控制电路包括温度控制器；所述至少一个控制电路将所述光电二极管的所测得的正向电压与对应于用于所述二极管封装的目标工作温度的基准电压电平进行比较；以及如果所述光电二极管的所测得的正向电压高于所述基准电压电平，则所述温度控制器加热所述二极管封装，且如果所述光电二极管的所测得的正向电压低于所述基准电压电平，则所述温度控制器冷却所述二极管封装。
14.如权利要求12所述的发射二极管驱动器，其特征在于 所述至少一个控制电路包括温度控制器和查找表；所述至少一个控制电路从所述查找表中包含所测得的正向电压的条目中确定所述发射二极管的结温度，并将所述结温度与用于所述二极管封装的目标工作温度进行比较；以及如果所述结温度低于所述目标工作温度，则所述温度控制器加热所述二极管封装，且如果所述结温度高于所述目标工作温度，则所述温度控制器冷却所述二极管封装。
15.如权利要求12所述的发射二极管驱动器，其特征在于所述至少一个电流源在将所述基准电流提供给所述光电二极管时从所述发射二极管去除所述驱动电流；所述至少一个电流源在去除了所述驱动电流之后将所述基准电流提供给所述发射二极管；所述至少一个电压测量电路在所述基准电流被施加到所述发射二极管时测量所述发射二极管的正向电压；以及所述至少一个控制电路基于所述光电二极管的所测得的正向电压和所述发射二极管的所测得的正向电压来控制所述二极管封装的工作温度。
全文摘要
本发明公开了一种用于激光和发光二极管的温度测量和控制方法和系统。使用LED或激光二极管封装中的现有二极管来测量LED或激光二极管的结温度。二极管的光或激光发射通过去除施加到二极管封装的工作驱动电流来关闭。可以比工作驱动电流低的基准电流被施加到二极管封装。二极管的所得的正向电压使用电压测量电路来测量。使用二极管的固有的电流-电压-温度关系，可确定二极管的实际结温度。所得的正向电压可以在反馈回路中使用，以便在确定或不确定实际结温度的情况下提供对二极管封装的温度调节。二极管封装中的光电二极管或发射二极管的所测得的正向电压可用于确定发射二极管的结温度。
文档编号G01K7/00GK102313610SQ20111008704
公开日2012年1月11日 申请日期2011年3月30日 优先权日2010年3月31日
发明者D·伊, L·D·卡斯蒂略 申请人:微软公司