DE112021002195T5 - Verwalten optischer Leistung in einem Lasersystem - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zum Verwalten von Leistung einer Laserquelle in einer laserbasierten Einrichtung beinhaltet eine Schaltmodus-Leistungssteuerungsschaltungsanordnung. Die Schaltmodus-Leistungssteuerungsschaltungsanordnung weist ferner einen Steuerungsausgang auf, der dazu ausgebildet ist, mit einem Reservoir-Kondensator einer Laserquelle gekoppelt zu werden, um einen ersten Modus zum Regeln des Ladens des Reservoir-Kondensators zwischen Beleuchtungen der Laserquelle und einen zweiten Modus zum Regeln des Ladens des Reservoir-Kondensators während Beleuchtungen der Laserquelle bereitzustellen.

Description

• PRIORITÄTSANSPRUCH
• Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht den Prioritätsvorteil der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 63/005,748 und dem Titel „SAFE DELIVERY OF OPTICAL POWER IN TIME OF FLIGHT OR OTHER LASER SYSTEM“, eingereicht am 6. April 2020 (Anwaltsaktenzeichen Nr. 3867.734PRV), die hiermit in ihrer Gesamtheit unter Bezugnahme aufgenommen wird.
• TECHNISCHES GEBIET
• Dieses Dokument betrifft allgemein, aber nicht beschränkend, die Energieverwaltung von Lasersystemen, einschließlich für Laufzeit(ToF)-Systeme (z. B. zur Entfernungsfindung oder zum Bestimmen der Position oder Form eines Objekts).
• HINTERGRUND
• Laserenergie kann in optischen Systemen für viele Zwecke verwendet werden. Ein solcher Zweck ist die Bestimmung eines Abstands zu einem Zielobjekt oder einer Tiefe eines Zielobjekts unter Verwendung derartiger Systeme wie Laufzeit (ToF: Time of Flight) oder LIDAR. Diese Systeme können zu unterschiedlichen Zeiten während der Verwendung große Mengen an Leistung beziehen, aber diese großen Leistungsbezüge nicht notwendigerweise während nachhaltiger Nutzungen des Systems erfordern.
• KURZDARSTELLUNG
• Daher haben die vorliegenden Erfinder erkannt, dass unter anderem die Fähigkeit benötigt wird, die Energieverwendung des Systems zu steuern, und in manchen Fällen würde eine präzise Steuerung der Energieverwendung des Systems vom Benutzer des Systems gewünscht werden.
• Ein Timingabgleich kann dabei helfen, die Energieverwendung in einem System zum Bestimmen einer 3D-Position oder einer Form eines oder mehrerer Objekte zu verwalten. In einem direkten und indirekten TOF-System kann dessen Leistung in Impulsen gezogen werden. Beispielsweise kann das Zielobjekt oder die Zielszene in kurzen Licht-Bursts beleuchtet werden. Ein antwortendes Lichtsignal kann an der Empfangsseite des TOF-Systems detektiert werden. Das detektierte Lichtsignal kann für die Dauer des Licht-Bursts integriert werden. Das detektierte Signal kann auf den Photonen basieren, die durch einen Sensor oder ein Bildgebungsarray von Photosensoren, die als der Empfänger agieren, empfangen werden. Die Beleuchtungslicht-Bursts können in einer Reihe von kurzen Impulsen emittiert werden. Die Zeit zwischen Beleuchtungslicht-Bursts kann Nanosekunden zwischen jedem Burst von Licht betragen. Das System kann auf eine bestimmte Modulationsfrequenz für die Beleuchtungslicht-Bursts gesetzt werden. Diese Modulationsfrequenz kann von einem Bereich von 10 Megahertz bis zu 100-ten Megahertz variieren. Zu Zeiten wird eine hohe Leistung zu Beginn der Reihe von Beleuchtungsimpulsen benötigt, aber diese hohe Leistungsaufnahme wird nicht für die volle Dauer des Beleuchtungsimpulses benötigt. Daher kann in der Lage zu sein, den Leistungsverbrauch des Beleuchtungslasers oder der Lichtquelle genau zu bestimmen, dabei helfen, einen späteren Leistungsverbrauch zu bestimmen und zu modulieren. Dies kann dabei helfen, die 3D-Erfassung von Informationen über das eine oder die mehreren Zielobjekte oder die eine oder die mehreren Zielszenen zu gewährleisten oder zu verbessern.
• Dieses Dokument beschreibt unter anderem eine Technik zum Steuern der Lade- und Entladecharakteristiken eines Kondensators, der beim Regeln und Verwalten von Leistung einer Laserquelle in einer laserbasierten Einrichtung verwendet wird, die verwendet werden kann, um dabei zu helfen, die Gesamtsystemleistungsfähigkeit eines TOF- oder anderen Systems zu verbessern. Das System oder die Verfahren können mit Impulsmodus- oder Dauerstrich-TOF-Systemen und/oder direkten Laufzeit(DTOF)- und/oder indirekten Laufzeit(ITOF)-Systemen kompatibel sein.
• Eine veranschaulichende, nicht beschränkende nummerierte Liste verschiedener Aspekte der vorliegenden Offenbarung ist nachstehend bereitgestellt.
• Aspekt 1 kann einen Gegenstand (wie etwa eine Einrichtung, ein System, eine Vorrichtung, ein Verfahren, ein Mittel zum Durchführen von Handlungen oder ein vorrichtungslesbares Medium einschließlich Anweisungen, die bei Durchführung durch die Vorrichtung bewirken können, dass die Vorrichtung Handlungen durchführt, oder einen Herstellungsartikel) aufweisen oder verwenden, der das Beschränken der Ladung und Überwachen der Entladung eines Reservoir-Kondensators aufweisen oder verwenden kann, sodass die gelieferte Energiemenge begrenzt werden kann, und eine Überlieferung oder Unterlieferung von Leistung vom Kondensator zum Laser für Systemdiagnose verwendet werden kann. Das Überwachen der Spannung des widerzuspiegelnden Kondensators wird durch die CV²-Charakteristik des verwendeten Kondensators widergespiegelt und ermöglicht eine Energieanzeigefähigkeit des Kondensators.
• Aspekt 2 kann den Gegenstand des Aspekts 1 aufweisen oder verwenden, oder kann optional mit diesem kombiniert werden, um optional aufzuweisen oder zu verwenden, dass die Detektion eines Fehlers im System zu einer Entladung des Reservoir-Kondensators führen kann.
• Aspekt 3 kann den Gegenstand eines der Aspekte 1 - 2 aufweisen oder verwenden, oder kann optional mit diesem kombiniert werden, um optional ein nichtflüchtiges Mittel aufzuweisen, um zu verhindern, dass der Reservoir-Kondensator wieder aufgeladen wird.
• Aspekt 4 kann den Gegenstand eines der Aspekte 1 - 3 aufweisen oder verwenden, oder kann optional mit diesem kombiniert werden, um optional aufzuweisen oder zu verwenden, dass die Fehlerindikation eine Messung der optischen Ausgangsleistung und/oder der Temperatur aufweist, um eine Fehlerbedingung zu verstehen.
• Aspekt 5 kann den Gegenstand eines der Aspekte 1 - 4 aufweisen oder verwenden, oder kann optional mit diesem kombiniert werden, um aufzuweisen, dass die Entladecharakteristiken des Reservoir-Kondensators unter Verwendung mindestens einer bekannten Stromquelle (oder eines anderen bekannten Entladeverfahrens) geprüft werden können, um dann die ,Energieanzeige‘-Überwachung zu linearisieren und zu kalibrieren.
• Aspekt 6 kann den Gegenstand eines der Aspekte 1 - 5 aufweisen oder verwenden, oder kann optional mit diesem kombiniert werden, um aufzuweisen, dass die gleiche Induktivität in einem Buck-Schaltregler und einem Boost-Schaltregler verwendet wird, der für den Zweck des Ladens und Entladens des Reservoir-Kondensators umfunktioniert wird.
• Aspekt 7 kann den Gegenstand eines der Aspekte 1 - 6 aufweisen oder verwenden, oder kann optional mit diesem kombiniert werden, um Verwenden eines Buck-Boost-Reglers für den Zweck des Boostens aufzuweisen, um den Reservoir-Kondensator als Bucking zum Liefern von Leistung zu dem Laser zu laden.
• Aspekt 8 kann den Gegenstand eines der Aspekte 1 - 7 aufweisen oder verwenden, oder kann optional mit diesem kombiniert werden, um Verwenden einer Ladungspumpe, um den Reservoir-Kondensator zu laden, und eines Buck- oder Buck-Boost-Schaltspannungsreglers, um den Reservoir-Kondensator zu entladen, aufzuweisen.
• Aspekt 9 kann den Gegenstand eines der Aspekte 1 - 8 aufweisen oder verwenden, oder kann optional mit diesem kombiniert werden, um eine Option aufzuweisen, dass der Reservoir-Kondensator niedriger als die zu dem Laser zu liefernde Spannung sein könnte, und geboostet wird, um den Strom zu liefern.
• Aspekt 10 kann den Gegenstand eines der Aspekte 1 - 9 aufweisen oder verwenden, oder kann optional mit diesem kombiniert werden, um aufzuweisen, dass durch Senden eines Signals vor dem Laser-Burst die gewünschte Ausgangsspannung etwas erhöht werden kann, um die anfängliche Transiente zu berücksichtigen und dem DC-DC-Wandler Zeit zum Antworten zu geben. Dadurch wird die Notwendigkeit reduziert, einen großen Kondensator am Ausgangsknoten aufzuweisen.
• Aspekt 11 kann den Gegenstand eines der Aspekte 1 - 10 aufweisen oder verwenden, oder kann optional mit diesem kombiniert werden, um aufzuweisen, dass ein System für die Spitzenleistungsanforderung verwendet werden kann oder kombiniert werden kann, um ein gemeinsames Leistungsverteilungssystem zu erstellen, in welchem Fall das Trennen von Energieanzeigecharakteristiken der On-Board-Bildgeberschaltung oder Laserquelle erforderlich sein kann.
• Aspekt 12 kann den Gegenstand eines der Aspekte 1 - 11 aufweisen oder verwenden, oder kann optional mit diesem kombiniert werden, um aufzuweisen, dass Parameter für unterschiedliche Betriebsfrequenzen gespeichert und verwendet werden können, um unterschiedliche Transienten- und Leistungsantworten aufgrund potenziell unterschiedlicher Antworten von I gegenüber F zu ermöglichen.
• Jedes dieser nicht beschränkenden Beispiele kann für sich stehen oder kann in verschiedenen Permutationen oder Kombinationen mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden.
• Dieser Überblick soll einen Überblick des Gegenstands der vorliegenden Patentanmeldung bereitstellen. Er soll keine ausschließliche oder erschöpfende Erklärung der Erfindung bereitstellen. Die ausführliche Beschreibung ist eingeschlossen, um weitere Informationen über die vorliegende Patentanmeldung bereitzustellen.
• Figurenliste
• In den Zeichnungen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, können gleiche Ziffern in unterschiedlichen Ansichten ähnliche Komponenten beschreiben. Gleiche Ziffern, die unterschiedliche Buchstabensuffixe aufweisen, können unterschiedliche Instanzen ähnlicher Komponenten repräsentieren. Die Zeichnungen veranschaulichen allgemein und beispielhaft, jedoch nicht beschränkend, verschiedene Ausführungsformen, die im vorliegenden Dokument besprochen sind.
• 1: Ein Beispiel für ein Blockdiagramm eines Leistungslieferungsuntersystems.
• 2: Ein Beispiel für ein Blockdiagramm eines teilweise integrierten Beleuchtungssteuersystems.
• 3: Ein Beispiel für ein Blockdiagramm eines vollständig integrierten Beleuchtungs-TOF-Moduls.
• 4: Veranschaulicht ein Funktionsblockdiagramm.
• 5: Ein Beispiel für Steuerschleifen, die durch das System verwendet werden.
• 6: Ein beispielhaftes Wellenformdiagramm, wenn die Laserpulsenergie innerhalb des vorgegebenen Energiebudgets liegt, wie durch das System festgelegt.
• 7: Ein beispielhaftes Wellenformdiagramm, wenn die Laserpulsenergie über dem Energiebudget liegt, wie durch das System festgelegt.
• 8: Ein Beispiel für eine Implementierung einer äquivalenten ToF-Laserenergielieferung-Schaltung.
• 9: Ein konzeptuelles Diagramm typischer Wellenformen für die äquivalente Schaltung von 8.
• 10: Ein Beispiel für eine Mixed-Signal-Schaltungsimplementierung für das System.
• 11: Ein Beispiel für eine Computersimulationswellenform.
• 12: Ein Beispiel für ein Bildgebungssystem.
• 13: Eine beispielhafte Implementierung der Ladungsarchitektur.
• 14: Stellt das TOF-System während der inaktiven Phase dar.
• 15: Stellt das TOF-System während der aktiven Phase dar.
• 16: Eine abgeleitete Implementierung, die eine SIMO-Architektur verwendet, bei der aus der gespeicherten Energie zwei Ausgänge erzeugt werden.
• 17: Stellt dar, dass das System eine Ladungspumpe verwendet.
• 18: Stellt eine alternative Buck-und-Boost-Architektur dar.
• 19: Stellt eine beispielhafte Implementierung mit einer dedizierten Energieüberwachungs- und Leistungsregelschaltung als Teil des Systems dar.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
• Die vorliegenden Erfinder haben unter anderem erkannt, dass ein in Laufzeit(ToF)- und anderen Lasersystemen zu lösendes Problem darin besteht, wie ein solches System die für die Beleuchtung durch den Laser verwendete Energie effizient verwalten kann. Der Mangel an aktiver Überwachung der optischen Ausgangsenergie oder -leistung des Lasers in einem bestimmten laserbasierten System kann die Fähigkeiten eines solchen Systems überbeschränken und begrenzen. Es kann eine indirekte Messung der optischen Leistung verwendet werden, wie etwa, wenn eine gute Korrelation zwischen der gemessenen indirekten Indikation der optischen Ausgangsleistung des Lasers und der tatsächlichen optischen Leistung des Lasers charakterisiert, kalibriert oder beides werden kann. Häufig braucht das System keine konstante Leistungsmenge und weist in der Tat eine große Leistungsaufnahme oder eine Leistungszunahme auf, die über einen kurzen Zeitraum geliefert werden soll. Beispielsweise kann der Lasertreiber- oder Sensordemodulationstakt zum Start eines Beleuchtungszyklus oder des ersten Beleuchtungsimpulses einer Reihe von Beleuchtungsimpulsen das Dreifache des durchschnittlichen Stroms ziehen, als er zum Beibehalten der Beleuchtung über einen Zeitraum tut. Die Steuerung dieser Leistungsmenge kann automatisch unter Verwendung eines Reservoir-Kondensators durchgeführt werden. Das Bestimmen, wann entweder der Reservoir-Kondensator zu laden ist oder überschüssige Leistung vom Reservoir-Kondensator zu ziehen ist, kann durch Bestimmen des Zustands des Systems unter Verwendung der indirekten Messungen der optischen Leistung durchgeführt werden. Dies gibt dem Lasersystem eine Soft-Start-Fähigkeit, die den Zustrom für die anfängliche Ladung und die Strombegrenzung beim Wiederaufladen minimieren kann.
• Dementsprechend beschreibt dieses Dokument unter anderem Systeme und Verfahren zum Steuern der optischen Leistung in einem ToF- oder anderen laserbasierten System. Dies kann Steuern der Leistungslieferung eines VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser - oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Hohlraum) oder eines anderen laserbasierten ToF- oder anderen Systems aufweisen, wie etwa um dabei zu helfen, ein solches System unter augensicheren Bedingungen zu betreiben. Dies kann unter anderem Bereitstellen einer eigenständigen integrierten Leistungssteuerungsschaltung (Leistungssteuerungs-IC) aufweisen, die die zu dem VCSEL oder einem anderen Laser gelieferte Energie festlegen und messen kann. Die Leistungssteuerungs-IC kann einen Lasertreiber steuern, der einen Feldeffekttransistor(FET)- oder einen dedizierten Laser-VCSEL-Treiber aufweisen kann. Der Treiber kann in einem externen Beleuchtungsmodul enthalten sein oder mit diesem verwendet werden. Die vorliegenden Techniken können auch Steuern und Messen einer Indikation der optischen Energie oder optischen Leistung, die durch den VCSEL oder einen anderen Laser geliefert wird, aufweisen. Die Leistungssteuerungs- und Lasertreiberschaltungsanordnung können in einer Einzel-IC-Chip-Lösung integriert sein, die mit einem externen Beleuchtungsmodul verwendet werden kann. Die Leistungsschaltungsanordnung, die Lasertreiberschaltungsanordnung und die Beleuchtungsschaltungsanordnung können auch auf demselben Modul integriert sein. Die vorliegenden Techniken zur Leistungssteuerung können entweder optische oder elektrische Informationen so verwenden, um die Ausgangsleistung zu bestimmen oder zweckmäßig zu steuern.
• 1 zeigt ein Beispiel für ein Blockdiagramm eines Leistungslieferungsuntersystems 100, das verwendet werden kann, um eine Beleuchtungs-ToF-Lösung basierend auf einer eigenständigen Leistungslieferungsanordnung bereitzustellen. Das Leistungslieferungsuntersystem kann eine Prozessorschaltung 101 aufweisen. Der Prozessor 101 kann eine Systemanwendungsprozessorschaltung aufweisen, um beispielsweise einen angezielten Energiebetriebsparameter oder einen oder mehrere andere Betriebsparameter oder beides zu setzen. Das Laserleistungslieferungssystem 102 kann eine Anordnung aufweisen, in der die sichere Energielieferungsleistungsimplementierung durch den Prozessor 101 programmiert werden kann, beispielsweise zum Messen einer Indikation der emittierten gemittelten optischen Leistung. Die emittierte gemittelte optische Leistung (oder andere zentrale Tendenz von dieser) kann durch eine Messvorrichtung für die optische Leistung oder einen Sensor 104 detektiert werden. Die Messung kann zur Steuerung verwendet werden, beispielsweise zum Setzen einer maximal zugelassenen Leistungslieferung für nachfolgende Zyklen. Die Messvorrichtung oder der Sensor 104 kann einen Photodetektor oder ein Array von Photodetektoren aufweisen. Der Sensor 104 kann zum Messen der durch den Laser/VCSEL 105 gelieferten optischen Leistung verwendet werden. Der Laser/VCSEL 105 kann auch als ein Lichtemitter oder als eine Beleuchtungsquelle oder Laserquelle oder Laserdiode bezeichnet werden. Die Laserquelle 105 kann einen EEL (Edge Emitting Diode Laser - kantenemittierender Diodenlaser), einen VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser - oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Hohlraum) oder einen anderen Lichtemitter beispielsweise zur Verwendung in einem ToF-System aufweisen, das bei einer Nahinfrarot(NIR)- oder Infrarot(IR)-Wellenlänge betrieben werden kann. Die beleuchtende Laserdiode 105 kann mit dem Laser-/VCSEL-Treiber 103 gekoppelt sein. Der Laser-/VCSEL-Treiber 103 kann in einem Modus oder mehreren unterschiedlichen Modi betrieben werden, beispielsweise in einem Puls- oder Dauerstrich(CW)-Modus. Der Treiber kann einen N-Kanal-Feldeffekttransistor (NFET) oder einen anderen Feldeffekttransistor (FET) aufweisen, der für den Treiber als ein Schalter oder geschaltete Stromquelle agieren kann.
• Optional kann diese Anordnung auch einen Sensor 104, 106 aufweisen, beispielsweise zum Detektieren der Temperatur und/oder der Durchlassspannung für die Laserdiode 105, was dabei helfen kann, eine präzisere Schätzung der benötigten Leistung bereitzustellen. Das Verwenden eines Wärmesensors oder eines anderen Sensors kann dabei helfen, die optische Leistung indirekt zu schlussfolgern. Durch das Verwenden eines Sensors 104 zum Messen der Durchlassspannung (VF: Forward Voltage) der Laserdiode kann die optische Leistung geschlussfolgert werden, ohne einen Photodetektorsensor 106 zu benötigen. Beispielsweise kann die Lasertemperatur durch Messen der Durchlassspannung V_F der Laserdiode geschlussfolgert werden, beispielsweise nach der Charakterisierung oder Kalibrierung der Beziehung zwischen der Durchlassspannung und der Laserdiodentemperatur. Der Sensor 106 kann einen optionalen Temperatursensor aufweisen, der thermisch mit dem Lichtemitterelement 105 gekoppelt ist. Die optische Leistung des Lasers kann stark von der Lasertemperatur abhängen. Somit kann die Lasertemperatur nützliche Informationen bereitstellen, die zum Steuern der Laserausgangsleistung verwendet werden kann. Eine solche Steuerung der Laserausgangsleistung kann dabei helfen, eine höhere Genauigkeit für die effiziente Leistungsverwaltung und Regelung des Lasersystems zu erreichen. Andere Vorteile können Unterstützen eines Lasersicherheitssystems einschließen.
• 2 zeigt ein Beispiel für ein Blockdiagramm eines Beispiels für ein teilweise integriertes Beleuchtungssteuersystem 200, das das Leistungssteuersystem und die Lasertreiberkomponenten integrieren kann. Das integrierte System 202 bildet eine Schnittstelle mit dem Prozessor und kann demnach effizient durch den Prozessor 201 programmiert werden. Das System kann die emittierte durchschnittliche optische Leistung oder optische Energie, die durch den Sensor 104 detektiert wird, messen, um beispielsweise effizient die maximal zugelassene optische Leistungslieferung zu bestimmen, und, basierend darauf, demzufolge den Lasertreiber im integrierten System 202 für nachfolgende Zyklen zu steuern. Optional kann das System 202 die Temperatur der Laserdiode 105 unter Verwendung eines separaten Sensors 106 oder durch indirekte Messung unter Verwendung eines Sensors 104, beispielsweise unter Verwendung eines anderen Temperatursensors als eines Photodetektors, detektieren. Beispielsweise kann die Durchlassspannung für die Laserdiode 105 verwendet werden, um eine Temperaturindikation bereitzustellen, die im Gegenzug verwendet werden kann, um dabei zu helfen, eine präzisere Schätzung für die erforderliche Leistung zum Betreiben der Laserdiode 105 bereitzustellen.
• 3 zeigt ein Beispiel für ein Blockdiagramm eines Beispiels für ein vollständig integriertes TOF-Beleuchtungsmodul 300, das eine integrierte Leistungssteuerungsschaltungsanordnung, Lasertreiberschaltungsanordnung und Beleuchtungsquelle wie etwa einen EEL/VCSEL aufweisen kann. Der Prozessor 301 kann einen Systemanwendungsprozessor aufweisen, der unter Verwendung codierter Anweisungen betrieben werden kann, um einen Parameter für die optische Zielenergie oder -leistung oder einen oder mehrere andere Betriebsparameter zu setzen. Das integrierte System 302 kann eine Energielieferungsschaltung und ein Lasertreibersystem mit integrierter Beleuchtung aufweisen. Der Prozessor 301 kann programmiert sein, das System 302 zu steuern, die emittierte durchschnittliche optische Leistung zu messen, die durch einen integrierten Photodetektor detektiert werden kann. Die gemessene emittierte durchschnittliche optische Leistung kann verwendet werden, um die maximal zugelassene optische Leistungslieferung über einen zweckmäßigen Lasertreiberstrom beispielsweise für einen oder mehrere nachfolgende Zyklen zu setzen. Zusätzlich oder alternativ kann das System 302 dazu ausgebildet sein, die Lasertemperatur direkt oder indirekt zu detektieren, wie etwa durch Messen der Durchlassspannung der Laserdiode des EEL/VCSEL, der im Beleuchtungsmodul 300 eingeschlossen ist. Dies kann verwendet werden, um dabei zu helfen, eine präzisere Schätzung der optischen Leistung zu ermöglichen, die durch die Laserdiode bereitgestellt wird, oder um dabei zu helfen, die durch die Laserdiode verwendete elektrische Leistung zu steuern. Das Modul für die sichere Lieferung von Laserleistung kann optional einen Photodetektor aufweisen, der optisch mit dem EEL/VCSEL beispielsweise zum Messen der durch den Lichtemitter gelieferten optischen Leistung gekoppelt sein kann. In einigen Implementierungen kann die optische Leistung indirekt durch die Verwendung der Lasertemperatur geschlussfolgert werden. Die Lasertemperatur kann indirekt erhalten werden, beispielsweise durch Messen oder Bestimmen der Durchlassspannung V_F der Laserdiode. Ein optionaler Temperatursensor, der mit dem Laser gekoppelt sein kann, kann zusätzlich oder alternativ verwendet werden, um dabei zu helfen, die Temperatur des EEL/VCSEL oder eines anderen Lasers direkt zu messen. Solche direkten oder indirekten Lasertemperaturinformationen können nützlich sein, um beispielsweise dabei zu helfen, eine höhere Genauigkeit zu erreichen oder die Leistungslieferung zu dem Laser zu steuern (oder die Kühlung des Lasers zu steuern, beispielsweise unter Verwendung eines thermoelektrischen Kühlers), um beispielsweise dabei zu helfen, unsichere Betriebsbedingungen oder einen vorzeitigen Komponentenausfall zu unterbinden oder zu verhindern und eine optimale Leistungslieferung für das System beizubehalten. Zum Beispiel kann die Lasertemperatur geschlussfolgert werden, beispielsweise durch Messen der Durchlassspannung der Laserdiode und Anwenden eines Charakterisierungs- oder Kalibrierungsfaktors oder einer Charakterisierungs- oder Kalibrierungsfunktion, der/die verwendet werden kann, um die Durchlassspannung der Laserdiode mit der Lasertemperatur in Beziehung zu setzen.
• 4 zeigt ein Beispiel für ein gezeigtes Funktionsblockdiagramm 400, mit dem eine Technik zur sicheren Energiesteuerung angewendet werden kann.
• Der Anwendungsprozessor 401 kann einen Diagnosezyklus durchführen, um beispielsweise den Gesundheitszustand des Beleuchtungssystems zu überwachen. Dies kann Ausgeben eines kurzen Lichtimpulses durch die Laserdiode beinhalten, während der beispielsweise die Durchlassspannung des Lasers bei einem optimalen Leistungspegel gemessen werden kann. Diese Informationen der Durchlassspannung der Laserdiode können verwendet werden, um das Anpassen eines oder mehrerer Energielieferungsparameter für die gewünschten Betriebsbedingungen (z. B. Framerate, Modulation/Pulsbreite, Bereich usw.) zu steuern.
• Der Anwendungsprozessor 401 kann eine Charakterisierungsbeziehung, z. B. eine Nachschlagetabelle, beispielsweise zur Verwendung durch die Leistungssteuerung 409 bereitstellen. Die Nachschlagetabelle kann Informationen aufweisen, die die gewünschte angezielte Laserenergielieferung beispielsweise bei unterschiedlichen Temperaturen oder anderen Betriebsbedingungen vorgeben.
• Die Leistungssteuerung 409 kann die anfängliche Regelspannung unter Verwendung des Reglers 402 setzen, um die gewünschte Leistung zur Unterstützung der Laserquelle zu unterstützen. Für Effizienz kann die Spannungsregelung Verwenden eines Schaltspannungsreglers (z. B. Buck, Boost, Buck-Boost oder Ladungspumpe) aufweisen, der von der Systemversorgungsspannung (VSYS), der gewünschten Energie und der Durchlassspannung V_F der Laserdiode abhängen kann. Die Leistungssteuerung 409 kann auch die Ladungssteuerungsschaltung 403 setzen, um den Kondensator C_LD 413 zwischen ausgegebenen Laserlichtbeleuchtungsimpulsen zu laden. Ein Ultra-Low-Dropout-Regler 412a, der als eine Alternative zu einem stromgesteuerten Lasertreiber 412b verwendet werden kann, kann dabei helfen, zu gewährleisten, dass die zu der EEL-/VCSEL-Laserdiode gelieferte Leistung über die Zeit konstant ist.
• In Anwendungen, die einen stromgesteuerten Lasertreiber 412b verwenden, kann der Prozessor 401 die gewünschte Stromgrenze für 405 setzen, in dieser Art von Implementierung kann der Ultra-Low-Dropout-Regler 412a redundant sein und umgangen werden.
• Der Anwendungsprozessor 401 kann ein Modulationssignal oder Aktivierungsimpulse zu dem Hochgeschwindigkeitstreiber 404 senden.
• IR oder anderes Beleuchtungslicht kann durch den EEL/VCSEL 506 emittiert werden, wobei ein kleiner Teil davon zu dem Photodetektor 507 gerichtet werden kann, wobei ein elektrisches Ausgangssignal von diesem beispielsweise durch einen Transimpedanzverstärker 508 verstärkt werden kann.
• Das verstärkte Photodetektorsignal kann über einen Zeitraum integriert werden. Am Ende des Integrationszeitraums kann ein AFE-Block (AFE: Analoges Frontend), der in der Leistungssteuerung 409 enthalten ist, verwendet werden, um die gemessene Energie zu normieren, um beispielsweise einen Temperaturgradienten zu korrigieren.
• Basierend auf den in der Nachschlagetabelle programmierten Daten kann das AFE in der Leistungssteuerung 409 den Regler 402 aktualisieren, um den Spannungspegel zu steuern, der zum Unterstützen der neuen Energiegrenze beispielsweise für den nächsten Integrationszyklus benötigt wird, und kann die neue Energiegrenze im Ladungssteuerungsblock 403 setzen. Optional nimmt ein Nachregler 412a eine Eingangsspannung Iset und eine Eingangsspannung Vset, um eine Anpassung an der zu der Laserquelle 406 gesendeten Leistung vorzunehmen. Die Verwendung des Nachreglers, der unter Verwendung einer Rückkopplung vom AFE in der Leistungssteuerung 409 gesetzt wird, kann verwendet werden, um dabei zu helfen, eine konstante Leistungslieferung über Impulse hinweg zu gewährleisten. Dies kann in CW-Modulationsschemen nützlich sein, aber in Pulsmodus-TOF ist dies möglicherweise nicht so sehr erforderlich. Wenn ein Treiber 412b mit konstantem Strom verwendet wird, kann der Nachregler 412a redundant sein.
• Optional kann das AFE in der Leistungssteuerung 409 die zu der Beleuchtungsschaltung gelieferte elektrische Energie beispielsweise durch Erfassen der Spannung und des Stroms, die am Knoten 411 geliefert werden, überwachen. Eine solche Implementierung kann die gemessene optische Energie augmentieren oder ersetzen, beispielsweise wenn eine gute Korrelation zwischen elektrischer und optischer Leistung besteht oder verfügbar gemacht werden kann, beispielsweise durch Charakterisierung und Kalibrierung.
• Optional kann der AFE-Block in der Leistungssteuerung 409 eine neue Stromgrenze für den Lasertreiber 405 für die nächste Integrationsperiode setzen.
• Um dabei zu helfen, die Systemsicherheit zu verbessern, kann das AFE in der Leistungssteuerung 409 eine oder mehrere Bedingungen überwachen, beispielsweise einen Kurzschluss des Lasertreibers, einen anormalen Energieverbrauch, eine hohe Laserdiodentemperatur oder eine zeitliche Aktivierung (z. B. Laser aktiv für länger als eine programmierte Zeitgrenze in einem Zeitfenster).
• 5 zeigt ein Beispiel, in dem eine oder mehrere Steuerschleifen verwendet werden können. In einem Beispiel kann es bis zu drei Steuerschleifen geben: (1) eine Versorgungsspannung-Regelschleife; (2) eine Kondensatorladung-Regelschleife; (3) eine Laser-Konstantstrom-Regelschleife, oder eine Kombination von diesen.
• In der Versorgungsspannung-Regelschleife kann die maximale Ladespannung des C_LD 413 geregelt werden.
• In der Kondensatorladung-Regelschleife kann ein geregelter konstanter Strom zum Laden des Kondensators zwischen Laserimpulsemissionen verwendet werden.
• In der Laser-Konstantstrom-Regelschleife kann ein geregelter konstanter Laserdiodentreiberstrom zum Ansteuern des EEL/VCSEL oder einer anderen Laserdiode eingerichtet werden.
• In einigen Implementierungen kann der Konstantstromgenerator durch einen Schalter ersetzt werden, und Strom kann auf einen vorgegebenen Wert begrenzt werden, beispielsweise durch den C_LD 413 und die Wiederaufladeschaltung.
• In einigen Fällen kann der Lasertreiberstrom durch den Nachregler 412a gesetzt werden.
• Eine oder mehrere dieser Steuerschleifen können von einem oder einer Kombination von Folgendem abhängen: die Durchlassspannung des EEL/VCSEL oder der Temperatur des EEL/VCSEL.
• Die 6 und 7 veranschaulichen Beispiele für Laser-Bulk-Kondensatorerwägungen durch Zeigen von Abtastwellenformen unter unterschiedlichen Bedingungen. Ein kleines Tastverhältnis bei Hochleistungsbetrieb ermöglicht, dass ein großer Ausgangsstrom in einen kleinen Eingangsstrom umgewandelt wird.
• 6 zeigt ein Beispiel für ein Wellenformdiagramm, wenn die Laserpulsenergie innerhalb des vorgegebenen Energiebudgets liegt, wie durch das System festgelegt. Der Lasertreiberstrom wird moduliert, um die budgetierte Nutzung zu erfüllen.
• 7 zeigt ein Beispiel für ein Wellenformdiagramm, wenn die Laserpulsenergie über dem Energiebudget liegt, wie durch das System festgelegt. Der Lasertreiberstrom kann moduliert werden, um die Nutzung zu erfüllen.
• Der VCSEL/Laser kann bei hohen Frequenzen moduliert werden. Beispielsweise kann das System bei einer Modulationsfrequenz von 10 MHz oder höher laufen. Der größte Teil der elektrischen Spitzenenergie für den VCSEL/Laser kann über einen Bulk-Kondensator, beispielsweise den gezeigten Kondensator C_LD 413, geliefert werden, da die andere Reglerschleife oder anderen Reglerschleifen möglicherweise für diese Art von Anwendung nicht schnell genug sind. Um den Kapazitätswert und die Kondensatorgröße des C_LD 413 zu verringern oder zu minimieren, kann gestattet werden, dass die Kondensatorspannung über den Kondensator CLD 413 abfällt, beispielsweise während weiterhin der gewünschte zu dem VCSEL/Laser gelieferte Laserstrom gewartet oder beibehalten wird.
• Das Überwachen des C_LD 413 während des Entladens, Wiederaufladens oder beider kann hilfreich sein, um beispielsweise zu schätzen, ob der Kondensator C_LD 413 die gewünschte Energie zum VCSEL/Laser für nachfolgende Laseraktivierungsimpulse liefern kann. Solche Informationen können nützlich sein, um zu bestimmen, ob ein oder mehrere Parameter für die Ladephase des Kondensators C_LD 413 angepasst werden sollten. Das Überwachen des C_LD 413 während des Entladens, Wiederaufladens oder beider kann auch dabei helfen, eine „Gesundheitszustands“-Überwachung bereitzustellen, die beispielsweise dabei helfen kann, zu identifizieren oder zu bestimmen, ob irgendwelche Probleme mit dem Kondensator C_LD 413, der Lasertreiberschaltung, dem Laser oder einer Steuerschleife existieren, die aufgrund von Komponentenalterung und/oder Betriebstemperatur und/oder Komponentenausfall vorliegen können.
• Eine zweckmäßige Auswahl des Kondensators C_LD 413 kann der Leistungsfähigkeit helfen, wenn bei hohen Frequenzen gearbeitet wird, da die Leistungsfähigkeit durch parasitäres Verhalten, beispielsweise den äquivalenten Reihenwiderstand (ESR: Equivalent Series Resistance) des Kondensators, beeinträchtigt werden kann, das die Energielieferung zu dem VCSEL/Laser beeinflussen kann.
• 8 zeigt ein Beispiel für eine Implementierung einer äquivalenten ToF-Laserenergielieferung-Schaltung. In 8 kann der Kondensator C_LD 413 durch eine Regelschaltung geladen werden, die eine programmierbare Spannung V_LD, einen programmierbaren Strom I_CHRG oder beides bereitstellen kann. Der Kondensator C_LD 413 kann entladen werden, wenn der VCSEL/EEL oder ein anderer Laser. Dies kann in 8 dadurch repräsentiert werden, dass die Laserdiode 105 eine Durchlassspannung VF, eine parasitäre Induktivität Lpar und eine spannungsmodulierte Stromquelle, die einen Strom I_LD zieht, aufweist. Der programmierbare Strom I_CHRG kann während der Laserbeleuchtungsperiode aktiviert werden. Die Laserbeleuchtungsperiode kann kurz sein, beispielsweise eine Dauer aufweisen, die im Bereich von 10 bis 100 Nanosekunden liegen kann. In einigen Beispielen liegt die Beleuchtungsperiode im Bereich von 10 bis 100 Mikrosekunden. Die äquivalente Schaltung von 8 zeigt auch parasitäre Elemente für den Kondensator CLD 413 (z. B. ESR 501, ESL 502) und für den Laser und den Lasertreiber (z. B. Lpar, die aufgrund von Bonddrähten, Zwischenverbindungen oder dergleichen vorliegen kann).
• 9 zeigt ein konzeptuelles Diagramm von Beispielen für Wellenformen für die äquivalente Schaltung von 8. In 9 zeigen die Wellenformen ein veranschaulichendes Beispiel dafür, wie der Kondensator (C_LD 413) im Laufe der Zeit lädt und entlädt, beispielsweise wenn der VCSEL/EEL mit einer Modulationsfrequenz von 200 MHz in Bursts von 100 Mikrosekunden, die aller 500 Mikrosekunden wiederholt werden, angesteuert wird. Dieses spezielle Beispiel zeigt eine Dauerstrich(CW)-Implementierung für das System.
• 9 zeigt ein Beispiel, in dem die Kondensatorknotenspannung V_LD in der oberen Spur im Laufe der Zeit abnimmt, was ein Beispiel zeigt, in dem V_LD nicht in der Lage ist, nicht vollständig wieder aufgeladen zu werden, während die Lasertreibermodulation pausiert. Die Wellenform I_LD repräsentiert den durchschnittlichen Strom, der zu dem VCSEL/Laser geliefert wird, die in 9 einen leichten Abfall am Ende einer Beleuchtungsperiode zeigt, wobei der Abfall, wenn möglich, durch die Schaltungsimplementierung reduziert oder minimiert werden sollte.
• Die Kondensatorspannungswellenform zeigt Abtastpunkte t0, t1,... , tn usw., an denen die Kondensatorknotenspannung V_LD gemessen werden kann, um beispielsweise die Kondensatorentladung zu überwachen oder die Energielieferungsfähigkeit zu schätzen.
• 10 zeigt ein Beispiel für eine Mixed-Signal-Schaltungsimplementierung. Es gibt viele andere mögliche Implementierungen, die zum Beispiel konstanten Strom oder Frequenzeinspeisung verwenden. In dem Beispiel von 10 kann die Kondensatorspannung V_LD abgetastet werden, wie etwa bei t0, 11, ... tn, und durch einen Analog-Digital-Wandler (ADC) mit zweckmäßiger Auflösung, ,w‘, konvertiert werden, und der konvertierte digitale Wert kann beispielsweise in einem FIFO(First In First Out)-Register oder einer Bank von Registern gespeichert werden. Abtastzeiten können definiert werden, um den Start und das Ende eines Entladezyklus des Kondensators C_LD 413 zu erfassen.
• In 10 können die abgetasteten Daten am Ende eines Überwachungszyklus (initiiert durch Start in 9) durch den „KOND.-ENTLADUNGSSCHÄTZER“-Schaltungsblock verarbeitet werden, der den tatsächlichen Kapazitätswert des Kondensators C_LD 413 basierend auf der folgenden Beziehung extrahieren kann: C_LD*dV_LD = i_LD*dt = Q_LD. Der Laserstrom ,I_LD‘ kann beispielsweise durch das analoge Frontend (AFE) & die Verarbeitungsschaltung gesetzt und gemessen werden, um beispielsweise eine Berechnung der gelieferten Energie oder Ladung (Q_LD) und des Kapazitätswerts des C_LD 413 zu gestatten.
• Nach der Berechnung des Kapazitätswerts des C_LD 413 kann der AFE- & Verarbeitungsschaltungsblock, bei Bedarf, einen Ladeparameter zum Laden des Kondensators C_LD 413 anpassen, und kann, falls nicht genug Energie im nächsten Aktivierungszyklus bereitgestellt werden kann, einen Host informieren.
• Wie zuvor erwähnt, können die parasitären Elemente des Bulk-Kondensators C_LD 413 die geschätzte Energie, die zu dem VCSEL/EEL geliefert wird, beeinträchtigen. Insbesondere kann der ESR des Bulk-Kondensators C_LD 413 die Energielieferung beeinträchtigen. Da dieser ESR von der Betriebsfrequenz und -temperatur (zu einem geringeren Grad) abhängt, kann er sich im Laufe der Zeit auch ändern.
• 11 zeigt ein Beispiel für eine Computersimulationswellenform der Knotenspannung V_LD des Kondensators C_LD 413 gegenüber Zeit, wobei der ESR des Kondensators C_LD 413 von 50 Milliohm auf 300 Milliohm geändert wird. In 11 kann gesehen werden, dass es einen Abfall am Ende des Entladezyklus gibt, wobei dieser Abfall proportional zu dem Strom ist, der zu dem Laser geliefert wird.
• In einem Beispiel können zusätzliche Abtastpunkte nach t0 und t1 hinzugefügt werden, in 11 als t0_esr und t1_esr gezeigt, bei denen es möglich ist, die Änderung des ESR zu quantifizieren. Dies gilt auch für nachfolgende Entladezyklen. In einigen Betriebsmodi, in denen nicht erwartet wird, dass sich der ESR schnell ändert, kann er sparsam wiederkehrend gemessen werden, beispielsweise kann dabei helfen, den System-Overhead zu reduzieren oder zu minimieren. Die Schätzung des ESR kann auch verwendet werden, um den zu der Laserquelle gelieferten Strom abzuleiten. Vor der ersten Verwendung des Lasersystems kann der ESR geschätzt und für Kalibrierungszwecke verwendet werden, um zu setzen, was der Anfangsstrom zum Betreiben der Laserquelle ist, wenn das System eingeschaltet wird. Die Kalibrierung kann in einer Fabrikumgebung durchgeführt werden, bevor der Benutzer das System aktiv verwendet.
• 12 zeigt ein Beispiel dafür, wie dies auf ein vollständiges Bildgebungssystem erweitert werden kann, das einen TOF-Bildgeber, einen Illuminator und eine Leistungsverwaltung aufweisen kann.
• In 12 kann eine Schaltung eines Anwendungsprozessors 601 zum Steuern des Bildgebungssystems und Programmieren der erforderlichen Betriebsparameter ausgebildet sein. Der ToF-Bildgeber 602 kann dazu ausgebildet sein, die Aktivierung des Beleuchtungssystems 603 zu steuern, und kann detektierte Photonen unter Verwendung eines Pixelarrays sammeln, um ToF-Messungen durchzuführen. Die Energieverwaltung PMIC 604 kann Leistungsversorgungsschienen zum Liefern von Leistung zu sowohl dem Bildgeber 602 als auch der Beleuchtung 603 bereitstellen. Energie kann basierend auf Betriebsbedingungen bereitgestellt werden, beispielsweise unter anderem Integrationszeit, Modulationsfrequenz und Bereich.
• In 12 kann die Energieverwaltung PMIC 604 Energie für den Bildgeber, wie etwa im Kondensator C_EIM 605, und für die Beleuchtung, wie etwa im Kondensator C_LD 606, speichern. Dieser Ansatz kann der Implementierung von 12 ermöglichen, unterschiedliche zeitliche Energiebedürfnisse zwischen diesen beiden Untersystemen, z. B. Beleuchtung und Bildgebung, anzusprechen. In gewissen Beispielen kann ein bestimmtes maßgeschneidertes Energiespeicherelement nützlich sein, um sowohl das Bildgeber- als auch Beleuchtungsuntersystem zu versorgen.
• Der Bildgeberenergiesteuerungs- und -regelungsunterblock 607 kann programmiert werden, beispielsweise für den spezifischen Betriebsmodus des Bildgeberuntersystems 602 und für die Energie, die zum Unterstützen seines Betriebs benötigt wird. Dieser Unterblock kann dazu ausgebildet sein, das Energiespeicherelement C_EIM 605 zu laden, um den nächsten Betriebszyklus zu unterstützen (z. B. kann ein solcher Betriebszyklus einen Integrationsteil, einen Ausleseteil und einen Datenübertragungsteil aufweisen). Der Kondensator C_EIM 605 kann vollständig oder teilweise beispielsweise während einer Pause zwischen Integrationen und anderen Betriebsphasen wieder aufgeladen werden.
• In einem Beispiel kann der Kondensator C_EIM einen internen hocheffizienten Regler versorgen, der beispielsweise eine oder mehrere geregelte Spannungen an den Bildgeber bereitstellen kann. In 12 können diese geregelten Leistungsversorgungsschienen V_DIG (digitale Schaltungsanordnungsversorgung), V_AN (analoge Schaltungsanordnungsversorgung) und V_IO (Eingabe/Ausgabe-Spannungsreferenz) aufweisen. Die Anzahl geregelter Leistungsversorgungsschienen kann in Abhängigkeit von bestimmten Systembedürfnissen variieren.
• Die hierin beschriebenen Techniken für die Bulk-Kondensator-Überwachung, einschließlich ESR-Erwägungen, sind gleichermaßen auch für das Überwachen des Bildgebungsversorgungskondensators C_EIM anwendbar. Da der Leistungsverbrauch in einem ToF-System in wiederkehrenden Impulsen gezogen werden kann, weist der hierin beschriebene Energielieferungsansatz den Vorteil auf, den Strom im Laufe der Zeit zu verbreiten, wodurch die Spitzenleistungsverbrauchsbedürfnisse reduziert werden.
• Die Regler können einen Low-Dropout(LDO)-Regler oder einen anderen Linearregler und/oder einen Step-Up- oder -Boost-Schaltspannungsregler und/oder einen Step-Down- oder Buck-Spannungsregler und/oder einen Buck-Boost-Spannungsregler und/oder eine Kombination von diesen aufweisen.
• Der Beleuchtungsunterblock 608 kann programmiert werden, beispielsweise für den spezifischen Betriebsmodus des Bildgeberuntersystems 602 und für Energie, die zum Unterstützen seines Betriebs benötigt wird. Dieser Beleuchtungsunterblock 608 kann das Energiespeicherelement C_LD 606 laden, um beispielsweise den nächsten Beleuchtungszyklus zu unterstützen, wie oben beschrieben. Vor dem Laser-Burst kann die gewünschte Ausgangsspannung etwas erhöht werden. Dies ermöglicht die anfängliche Transiente und gibt dem DC-DC-Wandler Zeit zum Antworten. Dies reduziert die Notwendigkeit, einen großen Kondensator vor dem Beleuchtungsunterblock aufzuweisen. Dies kann auch für andere Unterblöcke verwendet werden, die große Leistungsmengen ziehen.
• Der Steuerlogikunterblock 609 kann dazu ausgebildet sein, mit dem Anwendungsprozessor 601 zu kommunizieren, um beispielsweise die Energie festzulegen, die durch den Bilgeberenergiesteuerungs- 607 und Beleuchtungsunterblock 608 benötigt wird. Die Steuerlogik 609 kann dazu ausgebildet sein, Überwachung oder Diagnose zu implementieren, die verwendet werden kann, um das System zu schützen oder seinen Status an den Anwendungsprozessor 601 zu melden.
• Einige Verwendungen könnten erfordern, dass die Endvorrichtung portabel ist, und daher würden Weisen zum effizienten Nutzen des Platzes wünschenswert sein. Die Leistungsschaltungsimplementierung ist im Vergleich zu anderen herkömmlichen Verfahren in der Größe reduziert. Große Eingangsquellen werden nicht benötigt, um die Vorrichtung mit Leistung zu versorgen, und eine kleinere Grundfläche zum Erstellen des TOF-Systems kann erreicht werden. Dadurch kann diese Anmeldung die Grundfläche der Vorrichtung minimieren. Es gibt mehrere Topologieansätze, die verwendet werden können. In einigen Ausführungsformen kann ein großer Reservoir-Kondensator auf der Hauptplatine in der Nähe des Eingangs verwendet werden. Andere Implementierungen können einen lokalisierteren Ansatz verwenden, um den Reservoir-Kondensator in der Nähe des Lasertreibers oder der Bildgeberschaltung zu halten. Dies kann eine Optimierung eines Reservoir-Kondensators insbesondere für entweder den Bildgeber oder den Lasertreiber in der Nähe des Reservoir-Kondensators ermöglichen. Dies könnte Probleme verbessern, die durch elektromagnetische Interferenz verursacht werden können, die mit hohem Strom auf langen Rückkehrpfaden für den Strom einen Höchststand erreichen können.
• Die Energie zum Betreiben eines solchen Stromimpulssystems wird durch einen Reservoir-Kondensator bereitgestellt, dieser Abschnitt beschreibt effiziente und optimierte Leistungsregelungsarchitekturen, die einen einzelnen Schaltregler verwenden, der gemäß dem Betriebszustand des TOF-Systems umfunktioniert wird (wie in den 13 - 16 gezeigt), oder eine Ladungspumpe 1702 gefolgt von einem Schaltregler sein kann (wie in 17 gezeigt). Die Ladungspumpe 1702 kann in Niederleistungsversionen des Lasersystems verwendet werden. Die Verwendung der Ladungspumpe ermöglicht eine kapazitive Verdopplung, Verdreifachung oder andere mehrfache Erhöhung.
• 13 veranschaulicht eine beispielhafte Implementierung der Ladungsarchitektur unter Verwendung eines programmierbaren Reglers 1318. Diese Implementierung ist auf das Beleuchtungs- sowie das Bildgebungsuntersystem anwendbar. Während der inaktiven Phase sind S2 1306 und S3 1312 geschlossen, wodurch ermöglicht wird, dass der Reservoir-Kondensator C_BULK 1314 geladen wird. Während der aktiven Phase sind dann S1 1308 und S4 1310 geschlossen und der Reservoir-Kondensator 1314 wird aufgebraucht, um entweder die Eingangsleistung zu ergänzen oder dem System Leistung bereitzustellen. Das Bestimmen, ob sich das System in einer aktiven Phase oder einer inaktiven Phase befindet, wird durch das System bestimmt, während es den Ausgang der Laserquelle während der Verwendung des Lasers überwacht. S1 1308 und S4 1310 sind Teil eines Schaltschemas des Buck-Boost-Reglers 1318, das durch eine Steuerlogik umfunktioniert werden kann, um im gewünschten Modus zu arbeiten, wodurch erheblich Siliziumplatz eingespart und nur eine Induktivität verwendet wird. Wie in 14 und 15 gezeigt, wird der Boost-Modus verwendet, um den Reservoir-Kondensator 1314 zu laden, und der Buck-Modus wird verwendet, um den Reservoir-Kondensator 1314 zu entladen.
• Während der inaktiven Phase des TOF-Betriebs ist der Leistungsregler als ein Boost- oder Buck-Boost-Regler ausgebildet, der den Reservoir-Kondensator auf seinen nominellen Pegel lädt, wie in Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.4 gezeigt, der elektrische Schalter (FET, Transistor usw.) See 1412 ist geschlossen, was dem Schaltregler ermöglicht, den Reservoir-Kondensator (C_BULK) 1418 zu laden, wobei das systemgesteuerte Signal 1406 „BoostSetzen“ diesen Schaltregler 1408 umprogrammiert, um als ein Boost zu arbeiten. Der elektronische Schalter See 1412 wird geschlossen, um den Reservoir-Kondensator 1418 zu laden. Der Schaltregler 1408, der im Boost-Modus arbeitet, kann ein Strombegrenzungsmerkmal aufweisen, um zu vermeiden, dass zu viel Strom aus V_IN 1402 gezogen wird, der Schalter S_CD 1414 wird geöffnet, um den Regler von der V_OUT 1404 zu trennen. Der Stromverbrauch dieses Systems ist in diesem Fall niedrig, da V_OUT 1404 durch einen LDO oder linearen Spannungsregler 1410 beibehalten werden kann, indem der elektronische Schalter S_LDO 1414 geschlossen wird.
• 15 stellt das TOF-System während der aktiven Phase dar. Das System bestimmt zunächst, dass mehr Leistung in das System benötigt wird, als gegenwärtig bereitgestellt wird, und schaltet das Steuersignal des Schaltreglers 1510 zu einer Zeit, bevor die Leistung tatsächlich durch das System benötigt wird. Der Schaltregler 1510 wird durch Setzen des systemgesteuerten Signals 1506 auf „BuckSetzen“ umfunktioniert. Dies setzt den Schaltregler 1510 in einen Buck-Modus. Das Systemsteuersignal 1506 wird im Voraus einer anstehenden Stromtransienten auf aktiv gesetzt, um den Regler „vorzubereiten“ und große Spannungsabfälle im System zu vermeiden. In diesem Betriebsmodus wird die Eingangsleistung durch C_BULK 1508 bereitgestellt, der elektronische Schalter See 1514 ist geöffnet, während S_CD 1516 geschlossen ist, wodurch dem Buck ermöglicht wird, V_OUT 1504 zu regeln und die erforderliche Energie zu der Last zu liefern. S_LDO 1518 kann so gesetzt werden, dass er sich öffnet, um den LDO 1512 von V_OUT 1504 zu trennen, in gewissen Fällen kann der LDO 1512 verbunden gehalten werden, was zusätzliche Energie bereitstellt, falls der Reservoir-Kondensator C_BULK 1508 aufgebraucht wird. Der Reservoir-Kondensator könnte in einigen Ausführungsformen geringer sein als die Spannung, die zu dem Laser geliefert werden soll, und das System wird in einen Boost-Modus platziert, um den durch das System benötigten Strom zu liefern.
• 16 zeigt eine abgeleitete Implementierung, die eine SIMO-Architektur verwendet, bei der aus der gleichen Energie, die im C_BULK 1608 gespeichert ist, zwei Ausgänge erzeugt werden. Wodurch gleichzeitig zwei Ausgänge unter Verwendung einer einzelnen Induktivität bereitgestellt werden. Die Stromlast an V_OUT1 1604 und V_OUT2 1606 ist ähnlich und tritt zur gleichen Zeit auf. Der Bildgeber 1638 weist einen Strom auf, der von V_OUT1 1604 bezogen und von V_OUT2 1606 versinkt wird. Diese Implementierung kann in CW-TOF-Systemen verwendet werden. Eine solche Regelschaltung eignet sich zum Liefern von Leistung zu dem Bildgeber 1638. V_OUT2 1606 kann als eine Referenz für die Pixel im Bildgeber verwendet werden. Die Pixel des Bildgebers 1638 sind auf die gleiche Spannung vorgespannt.
• In Fällen, bei denen sich die Leistungsanforderungen für die Bildgeber- und Laserschaltung stark unterscheiden, wird bevorzugt, eine dedizierte Energieüberwachungs- und Leistungsregelschaltung aufzuweisen, wie in 19 gezeigt, wobei die Bildgeber- und Laserschaltung einzeln mit Leistung versorgt werden können und den assoziierten Bulk-Kondensator 1902 und 1904 aufweisen, die für die jeweiligen Leistungsanforderungen bemessen sind und überwacht werden. Das Verwenden der kombinierten Buck-und-Boost-Architektur von 19, wie zuvor besprochen, kann die Anzahl von Komponenten und die Implementierungsgrundfläche erheblich minimieren. Nützlich für Systeme mit mehreren Lasertreibern 1910 oder Bildgeberschaltungen 1908.
• 18 zeigt einen alternativen Ansatz der Buck-und-Boost-Architektur, in diesem Fall wird der Bulk-Kondensator mit einem voreingestellten Strom von einer Niederspannungsquelle (z. B. Einzelzellen-Li-Ionen-Batterie) geladen, wenn das Bildgebungssystem erfordert, Energie zu liefern, wird es das Steuersignal „Aktiv“ augenblicklich, bevor die Energie benötigt wird, ausgeben, dies ermöglicht dem Boost- oder Buck-Boost-Regler, sich beispielsweise durch ein Spannungspositionierungsverfahren auf die Transiente vorzubereiten. Wenn diese Schaltung verwendet wird, um die Anode des EEL oder VCSEL (d. h. des Lasers 1806) zu versorgen, kann die Ausgangsspannung V_LD am Ende der Energieaktivierung ausgeschaltet werden, um Leistung zu sparen, oder der Boost oder Buck-Boost kann in einem Hysteresemodus aktiv gehalten werden, um Ruhestrom zu minimieren. Ein Vorteil dieser Implementierung liegt darin, Kondensatoren mit niedrigerer Nennspannung zu verwenden, um die Zuverlässigkeit zu verbessern, wie etwa Verwenden von Polymer-Kondensatoren, oder die Verringerung der Kapazität mit der angelegten Spannung zu minimieren, indem oberflächenmontierte Keramikkondensatoren verwendet werden.
• Andere Anwendungen können auch eine solche Implementierung ausnutzen.
• Die obige Beschreibung enthält Bezüge auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der ausführlichen Beschreibung bilden. Die Zeichnungen zeigen veranschaulichend spezifische Ausführungsformen, in denen die Erfindung umgesetzt werden kann. Diese Ausführungsformen werden hierin auch als „Beispiele“ bezeichnet. Solche Beispiele können zusätzliche Elemente zu den gezeigten oder beschriebenen aufweisen. Die vorliegenden Erfinder ziehen jedoch auch Beispiele in Betracht, in denen nur die gezeigten oder beschriebenen Elemente bereitgestellt sind. Darüber hinaus ziehen die vorliegenden Erfinder auch Beispiele in Betracht, die eine beliebige Kombination oder Permutation der gezeigten oder beschriebenen Elemente (oder einen oder mehrere Aspekte davon) verwenden, entweder bezüglich eines bestimmten Beispiels (oder eines oder mehrerer Aspekte davon) oder bezüglich anderer Beispiele (oder eines oder mehrerer Aspekte davon), die hierin gezeigt und beschrieben sind.
• Bei widersprüchlichen Verwendungen zwischen diesem Dokument und beliebigen Dokumenten, die auf diese Weise durch Bezugnahme aufgenommen wurden, gilt die Verwendung in diesem Dokument.
• In diesem Dokument werden die Begriffe „ein“ oder „eine“ verwendet, wie es in Patentdokumenten üblich ist, um ein(e) oder mehr als ein(e) einzuschließen, unabhängig von beliebigen anderen Instanzen oder Verwendungen von „mindestens ein(e)“ oder „ein(e) oder mehr“. In diesem Dokument wird der Begriff „oder“ verwendet, um sich auf ein nicht ausschließendes Oder zu beziehen, sodass „A oder B“ „A, aber nicht B“, „B, aber nicht A“ und „A und B“ einschließt, sofern nichts anderes angegeben ist. In diesem Dokument werden die Begriffe „einschließlich“ und „in dem/der“ als die einfachen deutschen Äquivalente der jeweiligen Begriffe „aufweisend“ und „wobei“ verwendet. Außerdem sind in den folgenden Ansprüchen die Begriffe „einschließlich“ und „aufweisend“ offen, das heißt, ein System, eine Vorrichtung, ein Artikel, eine Zusammensetzung, eine Formulierung oder ein Prozess, die/der/das Elemente zusätzlich zu jenen aufweist, die in einem Anspruch nach einem solchen Begriff aufgelistet sind, gilt immer noch als innerhalb des Schutzumfangs dieses Anspruchs fallend. Darüber hinaus werden in den folgenden Ansprüchen die Begriffe „erster“, „zweiter“ und „dritter“ usw. lediglich als Bezeichnungen verwendet, und sollen nicht numerische Anforderungen auf ihre Objekte auferlegen.
• Die obige Beschreibung soll veranschaulichend und nicht beschränkend sein. Beispielsweise können die oben beschriebenen Beispiele (oder ein oder mehrere Aspekte davon) in Kombination miteinander verwendet werden. Andere Ausführungsformen können verwendet werden, wie etwa durch einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, der die obige Beschreibung durchsieht. Die Zusammenfassung ist bereitgestellt, um 37 C.F.R. §1.72(B) zu entsprechen, um dem Leser zu ermöglichen, die Art der technischen Offenbarung schnell festzustellen. Sie wird mit dem Verständnis eingereicht, dass sie nicht verwendet wird, um den Schutzumfang oder die Bedeutung der Ansprüche zu interpretieren oder zu beschränken. Außerdem können in der obigen ausführlichen Beschreibung verschiedene Merkmale zusammengruppiert werden, um die Offenbarung zu optimieren. Dies sollte nicht so interpretiert werden, dass beabsichtigt wird, dass ein nicht beanspruchtes offenbartes Merkmal für irgendeinen Anspruch wesentlich ist. Stattdessen kann der erfindungsgemäße Gegenstand in weniger als allen Merkmalen einer bestimmten offenbarten Ausführungsform liegen. Somit werden die folgenden Ansprüche in die ausführliche Beschreibung als Beispiele oder Ausführungsformen aufgenommen, wobei jeder Anspruch für sich alleine als eine separate Ausführungsform steht, und es wird in Betracht gezogen, dass solche Ausführungsformen in verschiedenen Kombinationen oder Permutationen miteinander kombiniert werden können. Der Schutzumfang der Erfindung sollte mit Bezug auf die angehängten Ansprüche bestimmt werden, zusammen mit dem vollen Umfang von Äquivalenten, die solchen Ansprüchen zustehen.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 63/005748 [0001]

Claims (20)

1. Vorrichtung zum Verwalten von Leistung einer Laserquelle in einer laserbasierten Einrichtung, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Schaltmodus-Leistungssteuerungsschaltungsanordnung einschließlich eines Steuerungsausgangs, der dazu ausgebildet ist, mit einem Reservoir-Kondensator einer Laserquelle gekoppelt zu werden, um einen ersten Modus zum Regeln des Ladens des Reservoir-Kondensators zwischen Beleuchtungen der Laserquelle und einen zweiten Modus zum Regeln des Ladens des Reservoir-Kondensators während Beleuchtungen der Laserquelle bereitzustellen, wobei die Schaltmodus-Steuerungsschaltungsanordnung entweder induktiv oder kapazitiv sein kann; und wobei die Leistungssteuerungsschaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, Leistung für die Laserquelle und/oder eine Bildgeberschaltung zumindest teilweise basierend auf einer Entladecharakteristik des Reservoir-Kondensators während der Beleuchtung durch die Laserquelle unter Verwendung mindestens eines induktiven Leistungsreglers oder eines zeitkontinuierlichen linearen Spannungsreglers, eines Leistungsreglers mit einer oder zwei Induktivitäten bereitzustellen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leistungssteuerungsschaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, das Laden und Entladen des Reservoir-Kondensators vor einer nächsten Beleuchtung basierend auf einer Detektion einer Fehlerindikation anzupassen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Fehlerindikation durch einen Photosensor, der optisch mit der Laserquelle gekoppelt ist, oder einen Temperatursensor bestimmt wird, sodass das Laden oder Entladen des Reservoir-Kondensators bestimmt wird, um die Leistung zu entweder der Laserquelle oder der Bildgeberschaltungsanordnung beizubehalten.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leistungssteuerungsschaltungsanordnung ferner so ausgebildet ist, dass ein zweiter Regler des mindestens einen induktiven Leistungsreglers ein Linearregler ist, der der Bildgeberschaltung oder der Laserquelle eine minimale Menge an Leistung bereitstellt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Spannungsregler zum Laden des Reservoir-Kondensators auch zum Entladen von Leistung vom Reservoir-Kondensator und Liefern von Leistung zu einer Laserquelle oder einer anderen gekoppelten Schaltungsanordnung verwendet wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei mindestens eine Entladecharakteristik des Reservoir-Kondensators linearisiert ist und zum Kalibrieren einer Ladungsfähigkeitsindikation während einer inaktiven Phase, die eine Energieanzeigeindikation für den Reservoir-Kondensator bereitstellt, verwendet wird, wobei die inaktive Phase vorliegt, wenn die Laserquelle nicht beleuchtet.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leistungssteuerungsschaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, jeweils unterschiedlich vorgebbare Energieausgaben an die Bildgeberschaltung und die Laserquelle bereitzustellen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leistungssteuerungsschaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, das Laden des Reservoir-Kondensators zu regeln, einschließlich in einem ersten Modus zwischen Beleuchtungen durch die Laserquelle basierend auf dem Überwachen eines parasitären Widerstands des Reservoir-Kondensators und/oder einer parasitären Induktivität des Reservoir-Kondensators.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Beleuchtungsüberwachung ferner einen Photodetektor aufweist, der optisch mit der Laserquelle gekoppelt ist, um durch die Laserquelle bereitgestelltes Beleuchtungslicht vor einer Interaktion mit einem Zielobjekt oder einer Szene umzuwandeln, und wobei die Beleuchtung ferner zumindest teilweise auf einer Indikation des durch den Photodetektor umgewandelten Beleuchtungslichts basiert.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leistungssteuerungsschaltungsanordnung ein Laserquellen-Temperatursignal aufweist, das durch die Leistungssteuerungsschaltungsanordnung verwendet wird, um das Laden des Reservoir-Kondensators zu regeln, wobei das Laserquellen-Temperatursignal unter Verwendung einer Durchlassspannungsdifferenz über eine Laserdiode der Laserquelle gemessen wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Ladungspumpe verwendet wird, um den Reservoir-Kondensator zu laden, und ein Buck-Schaltspannungsregler verwendet wird, um den Reservoir-Kondensator zu entladen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leistungssteuerungsschaltungsanordnung einen gemeinsam genutzten Schaltregler aufweist, um sowohl (1) das Laden des Reservoir-Kondensators zu regeln als auch (2) Leistung an eine Bildgeberschaltung zum Sammeln von Antwortlicht auf die Beleuchtungen bereitzustellen, wobei die Leistungssteuerungsschaltungsanordnung eine Aktivierung der Laserquelle zumindest teilweise basierend auf einer Indikation von Antwortlicht, das durch die Bildgeberschaltung gesammelt wird, steuert.
13. Verfahren zum Verwalten von Leistung einer Laserquelle in einer laserbasierten Einrichtung, wobei das Verfahren aufweist: Laden eines Reservoir-Kondensators zwischen Beleuchtungen einer Laserquelle der laserbasierten Einrichtung unter Verwendung eines Schaltspannungsreglers und Steuern eines Ausgangs des Schaltspannungsreglers; und Entladen des Reservoir-Kondensators während der Beleuchtung durch die Laserquelle, um einen Leistungsanstieg zu ergänzen, der benötigt wird, um die Beleuchtung aus der Laserquelle zu unterstützen.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei eine Indikation des Ladens und Entladens des Reservoir-Kondensators durch Verwenden von Messsensoren zum Messen einer Indikation von Energie, die zu der Laserquelle geliefert wird, einer Bildgeberschaltungsanordnung oder einer anderen gekoppelten Schaltungsanordnung überwacht wird und das Laden und Entladen des Reservoir-Kondensators basierend auf dieser Indikation beschränkt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei vor der Beleuchtung der Laserquelle die Spannung unter Verwendung des Reservoir-Kondensators erhöht wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die durch den Reservoir-Kondensator gelieferte Leistung jeweils unterschiedlich vorgebbare Energieausgaben zu der Bildgeberschaltungsanordnung und der Laserquelle ist.
17. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Anpassen des Ladens und Entladens des Reservoir-Kondensators vor einer nächsten Beleuchtung auf einer Detektion einer Fehlerindikation basiert.
18. Verfahren nach Anspruch 14, wobei unterschiedliche Betriebsfrequenzen gespeichert und verwendet werden können, um unterschiedliche Transienten- und Leistungsantworten für die Bildgeberschaltungsanordnung oder einen Lasertreiber zu ermöglichen.
19. Verfahren nach Anspruch 13, wobei Lade- und Entladecharakteristiken eines Reservoir-Kondensators durch Sammeln von Antwortlicht auf die Beleuchtungen gesteuert werden, wobei eine Leistungssteuerungsschaltungsanordnung eine Aktivierung der Laserquelle zumindest teilweise basierend auf einer Indikation von Antwortlicht, das durch eine Bildgeberschaltung oder einen Photodetektor gesammelt wird, steuert.
20. Verfahren zum Verwalten von Leistung einer Laserquelle in einer laserbasierten Einrichtung, wobei das Verfahren Verwenden eines induktiven oder kapazitiven Schaltspannungsreglers aufweist als ein Mittel zum: Laden eines Reservoir-Kondensators zwischen Beleuchtungen einer Laserquelle der laserbasierten Einrichtung unter Verwendung eines Schaltspannungsreglers und Steuern eines Ausgangs des Schaltspannungsreglers; und Entladen des Reservoir-Kondensators während der Beleuchtung durch die Laserquelle, um einen Leistungsanstieg zu ergänzen, der benötigt wird, um die Beleuchtung aus der Laserquelle zu unterstützen.

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