CN1655413B - 光学导引中的开环激光器功率控制 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光学导引中的开环激光器功率控制。驱动信号的输出电流被施加到例如VCSEL的激光器，所述输出电流在两个电流设定值之间进行调制。选择所述电流设定值，使得激光二极管的输出功率满足眼睛安全标准的平均功率限制及峰值功率限制。驱动信号具有占空比，在两个电流设定值之间进行切换。选择占空比，使得平均功率限制及峰值功率限制对于给定的较高电流设定值全都满足。驱动电路可以包括用于保持较低电流设定值及较高电流设定值的模拟调制器或数字-模拟转换器(DAC)。当将驱动电路实现为集成电路时，可以在IC中设置DAC。选择DAC的灵敏度，以保持期望的较低电流设定值及较高电流设定值。

Description

光学导引中的开环激光器功率控制
技术领域
本发明涉及激光器的功率控制，具体地说，涉及光学导引中的开环激光器功率控制。
背景技术
包含发射可见光或红外光的发光二极管(LED)或激光器的产品必须遵守眼睛安全要求IEC 60825-1。如果照射到用户眼睛上的光通量超过该标准，那么必须标注该设备是对眼睛有害的，这是不期望的。这一要求不仅适用于电路的正常工作期间，而且适用于当在该电路中发生可以预见的单种故障时。
图1图示了现有技术的眼睛安全电路。这一简单电路使用了保险丝。当偏压电流超过眼睛安全要求时，保险丝就熔断。图2图示了另一现有技术的眼睛安全电路。这一电路是可重触发晶体管电路，当电流超过设计的阈值时，该电路就从LED分流。
现有技术的电路检测LED电流何时高于某一预置电流。但是，图1中的电路不能探测LED阴极被接地的故障，并且保险丝不能被方便地集成到集成电路上。图2中的电路可以检测LED阴极与地短路的故障，但是这一电路在标准CMOS集成电路处理上实现会有困难。
如图3所示，在1989年11月28日出版的“Semiconductor LaserDriving Device for Stabilizing the Optical Output Thereof”，U.S.P.N.4,884,280中，Kinoshita公开了监控光电二极管的使用，该光电二极管具有激光器实际输出的输出指示。比较器将指示了激光器的参考输出电平的参考信号与监控光电二极管信号进行比较。比较器的输出反映了激光器的实际输出电平变化。异常电流抑制器控制比较器的输出，使得信号具有限定的幅度。因此，激光器的驱动电流被强制地减少到安全驱动电流水平。
如图4所示，在1999年9月出版的“Semiconductor Laser PackageWith Power Monitoring System”，U.S.P.N.5,953,355中，Kiely等公开了包括功率监控系统而不是监控光电二极管的VCSEL，该功率监控系统被集成到VCSEL封装的管帽中。和Kinoshita相似，监控系统的输出用来控制激光器的驱动电流。
发明内容
在本发明中，驱动信号被施加到例如VCSEL的激光器，该驱动信号具有在两个电流设定值之间调制的输出电流。挑选两个电流设定值使得激光器的输出功率满足眼睛安全标准的平均功率限制及峰值功率限制。
在一个实施例中，驱动电路提供了驱动信号，该驱动信号具有占空比(duty cycle)，在两个电流设定值之间进行切换(toggling)，使得驱动信号的功率低于眼睛安全级别标准的平均功率限制。较低电流设定值被设置为用于激光器的最小驱动信号。选择占空比使得平均功率限制及峰值功率限制对于给定的较高电流设定值全都满足。例如，较低电流设定值可以提供稍低于平均功率限制的功率，而较高电流设定值可以提供稍高于平均功率限制的功率。可以使用50％占空比。
驱动电路可以包括用于保持较低电流设定值及较高电流设定值的模拟或数字装置。当将驱动电路实现为集成电路(IC)时，可以在IC中设置数字-模拟转换器(DAC)。DAC的精度被选择来保持期望的较低电流设定值及较高电流设定值。
为了确定用于激光器的设定值，采取以下步骤。使激光器顺序通过一系列电流设定值。选择这些电流设定值中的两个，使得激光器的输出功率既满足平均功率限制，又满足峰值功率限制。
可以将驱动电路设置在光学导引设备中。在一个说明性的例子中，光学鼠标传感器包括具有在两个电流设定值之间调制的输出电流的驱动电路。光学导引设备还包括激光器。在工作中，调制后的驱动信号被施加到激光器。激光束被投射在表面上。从该表面接收到指示位置数据的反射信号。重复投射及接收步骤。周期性地比较反射信号来确定位置数据的差异。
附图说明
图1图示了现有技术的眼睛安全电路；
图2图示了另一种现有技术的眼睛安全电路；
图3图示了用于激光器的现有技术的监控光电二极管；
图4图示了用于激光器的现有技术的功率监控系统；
图5图示了本发明的一个实施例；
图6A-6B图示了图5中所示的电流镜中的DAC的实施例；
图7图示了初始测量100的过程流程图；
图8图示了正常工作200的过程流程图。
具体实施方式
本发明的目的是将激光器输出功率保持在两个水平之间。当在光学导引设备中使用时，第一水平是提供良好的追踪所需要的最小功率，而第二水平是例如IEC 60825-1或ANSI Z136.1等当前眼睛安全标准所允许的最大输出功率。具有线性温度补偿电路的固定电流驱动器向垂直腔表面发射激光器(VSCEL)提供电流。选择温度补偿斜率来匹配平均VCSEL特征，例如+0.25％/℃。在室温处该固定电流需要是在1％或2％的理想值内，以最优地保持功率相对于温度的窗口。
在本发明中，驱动信号被施加到例如VCSEL、边缘发射激光二极管、超共振腔(super-resonant cavity)LED、高效LED以及任何半导体光源的激光器，该驱动信号具有在两个电流设定值之间调制的输出电流。选择这两个电流设定值，使得激光器的输出功率满足眼睛安全标准的平均功率限制及峰值功率限制。
图5图示了根据本发明的系统10的实施例。运算放大器12在正输入上接收参考信号Vref。场效应晶体管(FET)14的栅极接收运算放大器12的输出，而它的漏极被连接到运算放大器12的负输入。可变电阻器16连接在FET 14的漏极与地之间。第一电流镜18的输入被连接到FET 14的源极。第二电流镜20接收第一电流镜18的输出。激光二极管22连接在电源Vdd与电流镜20之间。
在工作中，驱动电路提供驱动信号，该驱动信号具有占空比，在两个电流设定值之间进行切换，使得驱动信号的功率低于眼睛安全级别标准的平均功率限制。选择占空比，使得平均功率限制和峰值功率限制对于给定的较高电流设定值全都满足。例如，较低电流设定值可以提供稍低于平均功率限制的功率，而较高电流设定值可以提供稍高于平均功率限制的功率。可以使用50％占空比。
在另一个实施例中，可以用用于保持较低电流设定值及较高电流设定值的模拟调制器(没有示出)或DAC来替换图5中所示的第二电流镜20。选择DAC的精度，以保持期望的较低电流设定值及较高电流设定值。
为了确定激光器的电流设定值，可以遵循以下步骤。使激光器顺序通过一系列电流设定值。选择这些电流设定值中的两个，使得激光器的输出功率既满足平均功率限制，又满足峰值功率限制。
可以将驱动电路设置在光学导引设备中。在一种说明性的例子中，光学鼠标传感器包括驱动电路，该驱动电路具有在两个电流设定值之间调制的输出电流。光学导引设备还包括激光器。在工作中，调制后的驱动信号被施加到激光器。调制频率可以相对导引设备电子快门周期(electronicshutter duration)的持续时间是高的(例如高于1MHz)。调制频率也可以低于导引设备的帧速率(例如每2到32帧变化一次)。激光束被投射在表面上。从该表面接收到指示位置数据的反射信号。重复投射及接收步骤。周期性地比较反射信号来确定位置数据的差异。
图6A-6B图示了替换图5中所示电流镜的DAC的实施例。
在图6A中，3位数字-模拟转换器(DAC)26起到电流控制的作用。FET 28连接于图5中所示的第一电流镜18与地之间。FET 28的源极与栅极在节点A处被接在一起。对于第一阵列FET 30x，其中x＝1…13，每一个FET连接于图5中所示的激光二极管22与地之间。FET 30x的栅极在节点A处被接在一起。FET 28和FET 30x有相同的物理尺寸。对于第二阵列FET 32y，其中y＝0…6，每一个FET连接于图5所示的激光二极管22与地之间。在第二阵列FET中，每一个FET的栅极连接到各自的开关34y。每一个开关的电杆可以连接到节点A或地二者之一。每一个开关的选择器连接到解码器的各个输出。
图6B图示了使用7位DAC来提供电流控制。FET 60连接于图5中所示的第一电流镜18与地之间。FET 60的源极及栅极在节点A处被接在一起。代替图6A中所示的第一阵列，具有FET 60的宽度65x的FET 62连接于图5中所示的激光二极管与地之间。
对于FET 64y，其中y＝0…6，每一个FET 64y让漏极与图5中的激光二极管相连，让源极与第二FET 66y的漏极相连。第二FET 66y的源极连接到地。第二FET 66y的栅极连接到7位控制数字控制值C0-C6。第一FET 64y的栅极在节点A处被电连接在一起。每个FET的大小64x是FET60的大小的2x倍。
如前面提到的，可以将DAC添加到控制VCSEL的集成电路(IC)中。在图6A的实施例中，控制硬件提供3位值，其通过断开0到7的并联场效应晶体管(FET)，可以按照5％的间隔来改变电流。利用这8个选项在2个最接近的设定值的每一个之间进行变更，就可以无限精度地设置电流的时间平均值(进而激光器功率)。电流中的每5％步进大约导致VCSEL光输出20％的变化。为了将激光器功率实现在目标值的5％之内，电流需要在理想值的约1％之内。通过改变较低电流与较高电流之间交替的占空比，可以得到期望的平均值。通过改变DAC的精度，例如1位或8位，可以改变容限(tolerance)。
例如，如果对于光学导引设备获取的每组16幅图片，例如16帧，激光器电流对于n帧较高并且对于16-n帧较低，那么平均电流是：
Figure G2004100970502D00051
当I较高比I较低大了约5％时，可以按照5％的1/16或者说0.3％的精度来调节该平均值。在调节温度时，这对于功率在期望值的大约1.2％内的一般激光二极管来说是足够的。其为残留的温度变化预留了大量的功率预算。
图7图示了用于初始测量100的过程流程图。在步骤110中，测量在每一校准台阶(step)处的功率。在步骤120中，将功率设置在提供刚好低于期望平均功率的校准台阶处。在步骤130中，将功率设置在提供刚好高于期望平均功率的校准台阶处。在步骤140处，计算两个功率水平之间的占空比。在步骤150中，存储该校准设定值。
存储在存储器中的校准设定值可能被噪声事件破坏。在这种情况中为了保证安全的工作，可替换地，可以在不同的存储地址中保存所述设定值和替代表示(例如1的补码值)。通常，可以比较这两种表示以验证完整性。当有效值不再可用时，驱动电路默认调节到最低可允许的平均电流(或者关闭VCSEL)，以使其保持在眼睛安全要求之下。
图8图示了用于标准工作200的过程流程图。在步骤210中，从存储器中取出校准设定值。在步骤220中，将校准设定值发送到驱动电路。在步骤230中，驱动电路应用所述校准设定值。最终结果是接近于目标值的平均激光器功率。

Claims (21)

1.一种电路，包括：
驱动电路，所述驱动电路提供驱动信号，所述驱动信号具有在两个电流设定值之间调制的输出电流；和
接收所述输出电流的激光器，所述激光器具有满足眼睛安全级别的功率输出，
其中，所述驱动信号具有占空比，在所述两个电流设定值之间进行切换，使得所述驱动信号的功率低于所述眼睛安全级别标准的平均功率限制，通过选择占空比，使得平均功率限制和峰值功率限制对于给定的较高电流设定值全都满足。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述激光器是基于半导体的激光器。
3.根据权利要求2所述的电路，其中，所述基于半导体的激光器是从包括垂直腔表面发射激光器、边缘发射激光二极管、超共振腔发光二极管和高效发光二极管的组中选择的。
4.根据权利要求1所述的电路，所述驱动电路还包括数字-模拟转换器。
5.根据权利要求1所述的电路，其中：
所述两个电流设定值中的第一个至少提供最小驱动信号；并且
所述两个电流设定值中的第二个提供满足眼睛安全级别标准的驱动信号。
6.根据权利要求5所述的电路，其中，所述两个电流设定值是从一系列电流设定值中选择的两个电流设定值。
7.根据权利要求1所述的电路，其中：
所述两个电流设定值中的第一个至少提供最小驱动信号；并且
所述两个电流设定值中的第二个提供低于所述眼睛安全级别标准的峰值功率限制的驱动信号。
8.一种光学导引设备，包括：
光学鼠标传感器，所述光学鼠标传感器包括驱动电路，所述驱动电路提供驱动信号，所述驱动信号具有在两个电流设定值之间调制的输出电流；和
接收所述输出电流的激光器，所述激光器具有满足眼睛安全级别的功率输出，
其中，所述驱动信号具有占空比，在所述两个电流设定值之间进行切换，使得所述驱动信号的功率低于所述眼睛安全级别标准的平均功率限制，通过选择占空比，使得平均功率限制和峰值功率限制对于给定的较高电流设定值全都满足。
9.根据权利要求8所述的光学导引设备，其中，所述激光器是垂直腔表面发射激光器。
10.根据权利要求8所述的光学导引设备，其中，所述驱动电路还包括数字-模拟转换器。
11.根据权利要求8所述的光学导引设备，其中，所述驱动电路提供驱动信号，所述驱动信号具有占空比，在所述两个电流设定值之间进行切换，使得所述驱动信号的功率低于所述眼睛安全级别标准的平均功率限制。
12.根据权利要求8所述的光学导引设备，其中：
所述两个电流设定值中的第一个至少提供最小驱动信号；并且
所述两个电流设定值中的第二个提供满足眼睛安全级别标准的驱动信号。
13.根据权利要求12所述的光学导引设备，其中，所述两个电流设定值是从一系列电流设定值中选择的两个电流设定值。
14.根据权利要求8所述的光学导引设备，其中：
所述两个电流设定值中的第一个至少提供最小驱动信号；并且
所述两个电流设定值中的第二个提供低于所述眼睛安全级别标准的峰值功率限制的驱动信号。
15.一种激光器功率控制方法，包括：
使激光器顺序通过一系列电流设定值；
选择所述一系列电流设定值中的两个，使得所述激光器的功率输出满足眼睛安全级别；以及
将驱动信号施加到所述激光器，
其中，所述驱动信号具有占空比，在所述两个电流设定值之间进行切换，使得所述驱动信号的功率低于眼睛安全标准的平均功率限制，通过选择占空比，使得平均功率限制和峰值功率限制对于给定的较高电流设定值全都满足。
16.根据权利要求15所述的方法，选择两个电流设定值包括：
选择至少提供最小驱动信号的第一电流设定值；以及
选择提供满足眼睛安全级别标准的驱动信号的第二电流设定值。
17.根据权利要求15所述的方法，其中：
所述两个电流设定值中的第一个至少提供最小驱动信号；并且
所述两个电流设定值中的第二个提供低于所述眼睛安全级别标准的峰值功率限制的驱动信号。
18.一种光学导引方法，包括：
选择两个电流设定值
将驱动信号施加到激光器，从而将被调制的激光束投射到表面上；
从所述表面接收反射信号，其中所述反射信号指示位置数据；
重复所述投射和接收步骤；以及
比较所述反射信号以确定位置数据的差异，
其中，所述驱动信号具有占空比，在所述两个电流设定值之间进行切换，使得所述驱动信号的功率低于眼睛安全标准的平均功率限制，通过选择占空比，使得平均功率限制和峰值功率限制对于给定的较高电流设定值全都满足。
19.根据权利要求18所述的光学导引方法，选择两个电流设定值包括：
选择至少提供最小驱动信号的第一电流设定值；以及
选择提供满足眼睛安全级别标准的驱动信号的第二电流设定值。
20.根据权利要求18所述的光学导引方法，其中，所述两个电流设定值是从一系列电流设定值中选择的两个电流设定值。
21.根据权利要求18所述的光学导引方法，其中：
所述两个电流设定值中的第一个至少提供最小驱动信号；并且
所述两个电流设定值中的第二个提供低于所述眼睛安全级别标准的峰值功率限制的驱动信号。
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