DE102004055678B4

DE102004055678B4 - Optische Navigationsvorrichtung mit Treiberschaltung für einen Laser und optisches Navigationsverfahren

Info

Publication number: DE102004055678B4
Application number: DE102004055678A
Authority: DE
Inventors: John Brosnan Michael
Original assignee: Avago Technologies ECBU IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2012-07-12
Anticipated expiration: 2024-11-19
Also published as: DE102004055678A1; US7209502B2; GB2411045A; CN1655413B; US20050180473A1; US7473880B2; JP2005229112A; GB0502583D0; US20070195477A1; TWI357190B; TW200527787A; CN1655413A

Abstract

Optische Navigationsvorrichtung, die folgende Merkmale umfasst: einen optischen Maussensor, der eine Treiberschaltung (26) umfasst, die einen Stromausgang aufweist, der zwischen zwei Stromeinstellungen moduliert wird; und einen Laser (22), der den Stromausgang empfängt, der einen Leistungsausgang aufweist, der Augensicherheitspegel erfüllt; einen Speicher, in welchem zwei Darstellungen von Kalibrierungseinstellungen gespeichert sind; wobei eine erste der beiden Stromeinstellungen zumindest ein minimales Treibersignal liefert; und eine zweite der beiden Stromeinstellungen ein Treibersignal unter der Spitzenleistungsgrenze der Augensicherheitspegelstandards liefert.

Description

Produkte, die lichtemittierende Dioden (LEDs) oder Laser enthalten, die Licht im sichtbaren oder Infrarot-Bereich emittieren, müssen den Augensicherheitsanforderungen IEC 60825-1 entsprechen. Falls der Lichtstrom, der auf das Auge eines Benutzers treffen kann, den Standard überschreitet, muss das Gerät als augensicherheitsgefährdend gekennzeichnet werden, was unerwünscht ist. Diese Anforderung gilt nicht nur während des normalen Betriebes der Schaltung, sondern auch, wenn vorhersehbare einzelne Fehler in der Schaltung auftreten.
1 stellt eine herkömmliche Augensicherheitsschaltung dar. Diese einfache Schaltung verwendet eine Sicherung. Wenn der Vorspannungsstrom die Augensicherheitsanforderung überschreitet, brennt die Sicherung durch. 2 stellt eine weitere herkömmliche Augensicherheitsschaltung dar. Diese Schaltung ist eine wiederauslösbare Transistorschaltung, die Strom weg von der LED überbrückt, wenn der Strom einen Entwurfsschwellenwert überschreitet.
Die herkömmlichen Schaltungen erfassen, wenn der LED-Strom höher ist als ein voreingestellter Strom. Die Schaltung in 1 kann jedoch keinen Fehler entdecken, bei dem die LED-Kathode mit Masse verbunden ist, und die Sicherung kann nicht ohne weiteres in eine integrierte Schaltung integriert werden. Die Schaltung in 2 kann einen Fehler erfassen, wo die LED-Kathode mit Masse kurzgeschlossen ist, aber es wäre schwierig, diese Schaltung in einem Standard CMOS-Prozess für integrierte Schaltungen zu implementieren.
Wie es in 3 gezeigt ist, offenbarte Kinoshita in „Semiconductor Laser Driving Device for Stabilizing the Optical Output Thereof”, US 4 884 280 , erteilt am 28. November 1989, die Verwendung einer Überwachungsphotodiode mit einem Ausgang, der den tatsächlichen Ausgang des Lasers anzeigt. Ein Komparator vergleicht ein Referenzsignal, das einen Referenzausgangspegel des Lasers anzeigt, und das Überwachungsphotodiodensignal. Das Komparatorausgangssignal reflektiert die Änderung bei dem tatsächlichen optischen Ausgangspegel des Lasers. Ein Abnormaler-Strom-Eliminator steuert den Komparatorausgang, so dass das Signal eine begrenzte Amplitude hat. Somit ist der Treiberstrom zu dem Laser zwangsläufig auf sichere Treiberstrompegel reduziert.
Wie es in 4 gezeigt ist, offenbarte Kiely u. a., ”Semiconductor Laser Package With Power Monitoring System”, US 5 953 355 , erteilt am 14. September 1999, einen VCSEL, der ein Leistungsüberwachungssystem umfasst, das in die Abdeckung des VCSEL-Gehäuses anstatt eine Überwachungsphotodiode integriert ist. Ähnlich wie bei Kinoshita wird der Ausgang des Überwachungssystems verwendet, um den Treiberstrom zu dem Laser zu steuern.
US 2004/0022285 A1 offenbart einen opto-elektrischen Transmitter, welcher einen Treiber mit einer digitalen Rückkopplungsschleife und einer digitalen Fehlerdetektion aufweist. Die Fehlerdetektion erlaubt ein Weiterbetreiben des opto-elektrischen Transmitters wenn die durchschnittliche Lichtintensität ein maximales Augensicherheitsniveau für eine kontinuierliche Einwirkung überschreitet. Hierzu weist die digitale Rückkopplungsschleife einen aufwärts-/abwärts-Zähler auf, welcher auf ein Taktsignal aufwärts oder abwärts zählt, wenn ein Überwachungsstrom von einer Überwachungsdiode anzeigt, dass die durchschnittliche emittierte Lichtintensität kleiner oder größer als eine gewünschte Intensität ist. Wenn der Zähler einen maximalen Wert oder einen minimalen Wert erreicht, wird eine Fehlerbedingung detektiert. Eine obere Begrenzung kann beispielsweise dem kontinuierlichen Augensicherheitsniveau entsprechen.
DE 195 19 124 A1 betrifft eine optische Computermaus zur Dateneingabe in ein Computersystem. Die zur Positionierung eines Cursors bzw. zur Befehlseingabe vorgesehenen Mittel können zum Erfassen von Messdaten genutzt werden. Ferner ist eine Einrichtung zur vergleichenden Auswertung dieser Daten vorgesehen. Durch eine Schalteinrichtung ist das Eingabegerät von einem Eingabemodus auf einen Meßdatenaufnahmemodus umschaltbar.
EP 1 096 778 A2 betrifft ein optisches Navigationssystem, welches Energie einspart durch Pulsen der Oberflächen beleuchtenden Lichtquelle, um Licht nur dann zu liefern, wenn es benötigt wird.
DE 103 49 609 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Steuern der Position eines Bildschirmzeigers für eine elektronische Vorrichtung mit einem Anzeigebildschirm. Eine Erfassungseinrichtung ist konfiguriert, um Licht zu erfassen, zwischen reflektierten Impulsen und Umgebungslicht zu unterscheiden und um einen Niedrigsignalhinweis zu erzeugen, wenn die Größe der reflektierten Impulse einen Schwellenwert unterschreitet.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Navigationsvorrichtung und ein optisches Navigationsverfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst.
Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Treibersignal, das einen Stromausgang aufweist, der zwischen zwei aktuellen Einstellungen moduliert wird, an einen Laser, z. B. VCSEL, angelegt. Die beiden Stromeinstellungen sind so ausgewählt, dass der Leistungsausgang des Lasers die mittleren und Spitzenleistungsbegrenzungen der Augensicherheitsstandards erfüllt.
Bei einem Ausführungsbeispiel liefert die Treiberschaltung ein Treibersignal mit einem Arbeitszyklus, der zwischen den beiden aktuellen Einstellungen hin- und herschaltet, so dass die Leistung des Treibersignals unter der mittleren Leistungsbegrenzung des Augensicherheitspegelstandards liegt. Die untere Stromeinstellung ist als minimales Treibersignal für einen Laser eingestellt. Der Arbeitszyklus ist so ausgewählt, dass die mittlere und die Spitzenleistungsbegrenzung für die gegebene obere Stromeinstellung erfüllt werden. Beispielsweise kann die untere Stromeinstellung eine Leistung liefern, die etwas unter der mittleren Leistungsgrenze liegt, während die obere Stromeinstellung eine Leistung liefern kann, die etwas über der mittleren Leistungsgrenze liegt. Ein 50%-Arbeitszyklus könnte angewendet werden.
Die Treiberschaltung kann eine analoge oder digitale Einrichtung zum Beibehalten der unteren und oberen Stromeinstellung umfassen. Wenn die Treiberschaltung als eine integrierte Schaltung (IC) implementiert ist, kann ein Digital-/Analog-Wandler (DAC) in die IC eingebaut sein. Die Auflösung des DAC ist ausgewählt, um die gewünschten oberen und unteren Stromeinstellungen beizubehalten.
Um die Einstellung für den Laser beizubehalten, können die folgenden Schritte durchgeführt werden. Der Laser wird durch eine Reihe von Stromeinstellungen sequenziert. Zwei der Stromeinstellungen sind ausgewählt, so dass der Leistungsausgang des Lasers sowohl die mittlere Leistungsgrenze als auch die Spitzenleistungsgrenze erfüllt.
Die Treiberschaltung kann in eine optische Navigationsvorrichtung eingebaut sein. Bei einem darstellenden Beispiel umfasst ein optischer Maussensor die Treiberschaltung mit einem Stromausgang, der zwischen zwei Stromeinstellungen moduliert ist. Die optische Navigationsvorrichtung umfasst ferner den Laser. Beim Betrieb wird das modulierte Treibersignal an einen Laser angelegt. Der Laserstrahl wird auf eine Oberfläche projiziert. Ein reflektiertes Signal, das Positionsdaten anzeigt, wird van der Oberfläche empfangen. Die Schritte des Projizierens und Empfangens werden wiederholt. Periodisch werden die reflektierten Signale verglichen, um Unterschiede bei den Positionsdaten zu bestimmen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine herkömmliche Augensicherheitsschaltung;
2 eine weitere herkömmliche Augensicherheitsschaltung;
3 eine herkömmliche Überwachungsphotodiodenschaltung für Laser;
4 ein weiteres herkömmliches Leistungsüberwachungssystem für Laser;
5 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6A bis 6B Ausführungsbeispiele eines DAC in dem Strom spiegel, der in 5 gezeigt ist;
7 ein Prozessflussdiagramm für die Anfangsmessung 100; und
8 ein Prozessflussdiagramm für den normalen Betrieb 200.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Beibehalten des Laserleistungsausgangs zwischen zwei Pegeln. Wenn dieselben in einer optischen Navigationsvorrichtung verwendet werden, ist der erste Pegel die minimale Leistung, die benötigt wird, um eine gute Verfolgung zu liefern, während der zweite Pegel der maximale Leistungsausgang ist, der durch aktuelle Augensicherheitsstandards erlaubt ist, z. B. IEC 60825-1 oder ANSI ZI36.1. Eine Feststromansteuerung mit Lineartemperaturausgleichsschaltung liefert Strom an einen oberflächenemittierenden Vertikalresonatorlaser (VCSEL; VCSEL = vertical cavity surface-emitting laser). Die Temperaturkompensationsneigung ist ausgewählt, um mittleren VCSEL-Charakteristika zu entsprechen, z. B. +0,25%/Grad C. Der feste Strom bei Zimmertemperatur muss innerhalb 1 oder 2% des idealen Werts liegen, um das Leistungsfenster über die Temperatur optimal beizubehalten.
Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Treibersignal mit einem Stromausgang, der zwischen zwei Stromeinstellungen moduliert wird, an einen Laser angelegt, z. B. VCSEL, kantenemittierende Laserdioden, superresonante Resonator-LEDs, hocheffiziente LEDs und jede halbleiterbasierte Lichtquelle. Die beiden Stromeinstellungen sind ausgewählt, so dass der Leistungsausgang des Lasers die mittlere und die Spitzenleistungsgrenze der Augensicherheitsstandards erfüllt.
5 stellt ein Ausführungsbeispiel des Systems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Ein Operationsverstärker 12 empfängt ein Referenzsignal Vref an einem positiven Eingang. Ein Gate des Feldeffekttransistors (FET) 14 empfängt das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 12, während der Drain desselben mit einem negativen Eingang des Operationsverstärkers 12 verbunden ist. Ein variabler Widerstand 16 verbindet zwischen dem Drain des FET 14 und Masse. Ein Eingang eines ersten Stromspiegels 18 ist mit der Source des FET 14 verbunden. Ein zweiter Stromspiegel 20 empfängt das Ausgangssignal des Stromspiegels 18. Eine Laserdiode 22 verbindet die Leitung Vdd und den Stromspiegel 20.
Beim Betrieb liefert die Treiberschaltung ein Treibersignal mit einem Arbeitszyklus, der zwischen den beiden Stromeinstellungen hin- und herschaltet, so dass die Leistung des Treibersignals unter der mittleren Leistungsgrenze des Augensicherheitspegelstandards liegt. Der Arbeitszyklus ist so ausgewählt, dass die mittlere und die Spitzenleistungsgrenze für die gegebene obere Stromeinstellung erfüllt sind. Beispielsweise kann die untere Stromeinstellung eine Leistung liefern, die etwas unter der mittleren Leistungsgrenze liegt, während die obere Stromeinstellung eine Leistung liefern kann, die etwas über der mittleren Leistungsgrenze liegt. Ein 50%-Arbeitszyklus könnte angewendet werden.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann der zweite Stromspiegel 20, der in 5 gezeigt ist, durch einen Analogmodulator (nicht gezeigt) oder DAC ersetzt werden, zum Beibehalten der unteren und der oberen Stromeinstellung. Die Auflösung des DAC ist ausgewählt, um die gewünschte obere und untere Stromeinstellung beizubehalten.
Um die Stromeinstellung des Lasers zu bestimmen, können die folgenden Schritte durchgeführt werden. Der Laser ist durch eine Reihe von Stromeinstellungen sequenziert. Zwei der Stromeinstellungen sind ausgewählt, so dass der Leistungsausgang des Lasers sowohl die mittlere Leistungsgrenze als auch die Spitzenleistungsgrenze erfüllt.
Die Treiberschaltung kann in eine optische Navigationsvorrichtung eingebaut sein. Bei einem darstellenden Beispiel umfasst ein optischer Maussensor die Treiberschaltung mit einem Stromausgang, der zwischen zwei Stromeinstellungen moduliert wird. Die optische Navigationsvorrichtung umfasst ferner den Laser. Beim Betrieb wird das modulierte Treibersignal an einen Laser angelegt. Die Modulationsfrequenz kann relativ zu der Dauer der elektronischen Verschlussdauer der Navigationsvorrichtung hoch sein (z. B. über 1 MHz). Die Modulationsfrequenz kann auch niedrig sein relativ zu der Rahmenrate der Navigationsvorrichtung (beispielsweise sich einmal alle 2 bis 32 Rahmen ändern). Der Laserstrahl wird auf eine Oberfläche projiziert. Ein reflektiertes Signal wird von der Oberfläche empfangen, das Signal zeigt Positionsdaten an. Die Schritte des Projizierens und Empfangens werden wiederholt. Die reflektierten Signale werden periodisch verglichen, um Unterschiede bei Positionsdaten zu. bestimmen.
6A–B stellen Ausführungsbeispiele eines DAC dar, der den in 5 gezeigten Stromspiegel 20 ersetzt.
In 6A wirkt ein 3-Bit-Digital/Analog-Wandler (DAC) 26 als die Stromsteuerung. Der FET 28 verbindet zwischen dem in 5 gezeigten ersten Stromspiegel 18 und Masse. Die Source und Gate des FET 28 sind an dem Knoten A miteinander verbunden. Für ein erstes Array von FETs 30 _x, wobei x = 1 ... 13 ist, verbindet jeder FET zwischen der in 5 gezeigten Laserdiode 22 und Masse. Die Gates der FETs 30 _x sind an dem Knoten A miteinander verbunden. FET 28 und FETs 30 _x haben die gleichen physikalischen Abmessungen. Für ein zweites Array von FETs 32 _y, wobei y = 0 ... 6 ist, verbindet jeder FET zwischen der in 5 gezeigten Laserdiode 22 und Masse. In dem zweiten Array von FETs verbindet das Gate jedes FET mit einem jeweiligen Schalter 34 _y. Die Pole jedes Schalters können entweder mit dem Knoten A oder Masse verbinden. Der Selektor jedes Schalters verbindet mit einem jeweiligen Ausgang eines Decodierers.
6B stellt die Verwendung eines 7-Bit-DAC dar, der Stromsteuerung liefert. Der FET 60 verbindet zwischen dem in 5 gezeigten ersten Stromspiegel 18 und Masse. Die Source und Gate des FET 60 sind an dem Knoten A miteinander verbunden. Statt dem in 6B gezeigten ersten Array verbindet ein FET 62, der eine Breite von 65x der des FET 60 aufweist, zwischen der in 5 gezeigten Laserdiode und Masse.
Für FETs 64y, wobei y = 0 ... 6, hat jeder FET 64 _y, einen Drain, der mit der Laserdiode von 5 verbunden ist und eine Source, die mit dem Drain des zweiten FET 66 _y, verbunden ist. Die Source des zweiten FET 66 _y ist mit Masse verbunden. Das Gate des zweiten FET 66 _y, ist mit dem 7-Bit-Steuerdigitalsteuerwert C0–C6 verbunden. Die Gates des ersten FETs 64 _y, sind an dem Knoten. A elektrisch miteinander verbunden. Die Größe jedes FET 64 _x ist 2^x diejenige des FET 60.
Wie es vorher erwähnt wurde, kann der DAC einer integrierten Schaltung (IC) hinzugefügt werden, die den VCSEL steuert. Bei dem Ausführungsbeispiel von 6A liefert die Steuerhardware einen 3-Bit-Wert, der den Strom in 5%-Intervallen ändern kann, durch Trennen von 0 bis 7 parallelen Feldeffekttransistoren (FETs). Durch Wechseln zwischen jeder der zwei nächsten Einstellungen mit diesen 8 Auswahlmöglichkeiten kann der Zeitmittelwert des Stroms (und somit der Laserleistung) mit unendlicher Genauigkeit festgelegt werden. Jeder 5%-Schritt beim Strom bewirkt grob eine 20%-Änderung bei dem VCSEL-Lichtausgang. Um eine Laserleistung inerhalb 5% des Ziels zu erreichen, muss der Strom innerhalb ~1% des idealen Werts liegen. Durch Variieren des Arbeitszyklus des Wechsels zwischen niedrigerem und höherem Strom kann der gewünschte Mittelwert erreicht werden. Die Toleranz kann geändert werden durch Ändern der Auflösung des DAC, z. B. 1 Bit oder 8 Bit.
Falls beispielsweise für jede Gruppe von 16 Bildern, die eine optische Navigationsvorrichtung aufnimmt, z. B. 16 Rahmen, der Laserstrom für n Rahmen höher ist und für 16 – n Rahmen niedriger ist, ist der mittlere Strom: I_ave = llower + (lhigher – llower)·n / 16
Wenn lhigher ~5% größer als llower ist, kann der Mittelwert mit einer Genauigkeit von 1/16 von 5% oder 0,3% eingestellt werden. Dies ist ausreichend, damit die Leistung der typischen Laserdiode innerhalb etwa 1,2% des gewünschten Werts bei der Einstelltemperatur ist. Dies lässt den Großteil des Leistungsbudgets für die restliche Temperaturschwankung.
7 stellt ein Prozessflussdiagramm für die Anfangsmessung 100 dar. Bei Schritt 110 wird die Leistung bei jedem Kalibrierungsschritt gemessen. Bei Schritt 120 wird die Leistung eingestellt, um bei dem Kalibrierungsschritt zu sein, der etwas weniger als die gewünschte mittlere Leistung liefert. Bei Schritt 130 wird die Leistung auf den Kalibrierungsschritt eingestellt, der etwas mehr als die gewünschte mittlere Leistung liefert. Bei Schritt 140 wird der Arbeitszyklus zwischen den beiden Leistungspegeln berechnet. Bei Schritt 150 werden die Kalibrierungseinstellungen gespeichert.
Die in dem Speicher gespeicherten Kalibrierungseinstellungen könnten durch Rauschereignisse verfälscht sein. Um selbst in dieser Situation einen sicheren Betrieb sicherzustellen, können die Einstellungen und eine andere Darstellung (wie z. B. ein Komplementärwert) alternativ in unterschiedlichen Speicheradressen gespeichert werden. Diese beiden Darstellungen können auf regelmäßiger Basis verglichen werden, um die Integrität zu verifizieren. Wenn keine gültigen Werte verfügbar sind, kann die Treiberschaltung auf den niedrigsten erlaubten mittleren Strom eingestellt sein, (oder den VCSEL abschalten), um unterhalb den Augensicherheitsanforderungen zu bleiben.
8 stellt ein Prozessflussdiagramm für einen normalen Betrieb 200 dar. Bei Schritt 210 werden die Kalibrierungseinstellungen von dem Speicher wiedergewonnen. Bei Schritt 220 werden die Kalibrierungseinstellungen an die Treiberschaltung gesendet. Bei Schritt 230 legt die Treiberschaltung die Kalibrierungseinstellungen an. Das Endergebnis ist eine mittlere Laserleistung nahe dem Ziel.

Claims

Optische Navigationsvorrichtung, die folgende Merkmale umfasst: einen optischen Maussensor, der eine Treiberschaltung (26) umfasst, die einen Stromausgang aufweist, der zwischen zwei Stromeinstellungen moduliert wird; und einen Laser (22), der den Stromausgang empfängt, der einen Leistungsausgang aufweist, der Augensicherheitspegel erfüllt; einen Speicher, in welchem zwei Darstellungen von Kalibrierungseinstellungen gespeichert sind; wobei eine erste der beiden Stromeinstellungen zumindest ein minimales Treibersignal liefert; und eine zweite der beiden Stromeinstellungen ein Treibersignal unter der Spitzenleistungsgrenze der Augensicherheitspegelstandards liefert.
Optische Navigationsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Laser (22) ein oberflächenemittierender Vertikalresonatorlaser ist.
Optische Navigationsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Treiberschaltung (26) ferner einen Digital/Analog-Wandler umfasst.
Optische Navigationsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Treiberschaltung (26) ein Treibersignal mit einem Arbeitszyklus liefert, der zwischen den beiden Stromeinstellungen hin- und herschaltet, so dass die Leistung des Treibersignals unter der mittleren Leistungsgrenze der Augensicherheitsstandards liegt.
Optische Navigationsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die beiden Stromeinstellungen benachbarte Stromeinstellungen sind.
Optisches Navigationsverfahren, das folgende Schritte umfasst: Vergleichen von zwei Darstellungen von Kalibrierungseinstellungen, welche in unterschiedlichen Speicheradressen in einem Speicher einer Navigationsvorrichtung gespeichert sind, zum Verifizieren einer Integrität; Projizieren eines modulierten Laserstrahls auf eine Oberfläche; Empfangen eines reflektierten Signals von der Oberfläche, wobei das reflektierte Signal Positionsdaten anzeigt; Wiederholen der Schritte des Projizierens und Empfangens; und Vergleichen der reflektierten Signale zum Bestimmen von Unterschieden in Positionsdaten; wobei das Projizieren eines modulierten Laserstrahls folgende Schritte umfasst: Auswählen von zwei Stromeinstellungen; und Anlegen eines Treibersignals mit einem Arbeitszyklus, der zwischen den beiden Stromeinstellungen hin- und herschaltet, wobei eine erste der beiden Stromeinstellungen zumindest ein minimales Treibersignal liefert und eine zweite der beiden Stromeinstellungen ein Treibersignal unter der Spitzenleistungsgrenze der Augensicherheitspegelstandards liefert.
Optisches Navigationsverfahren gemäß Anspruch 6, bei dem die beiden Stromeinstellungen benachbarte Stromeinstellungen sind.