DE69217782T2

DE69217782T2 - Direktmodulation von Laserdioden für Radiographische Drucker

Info

Publication number: DE69217782T2
Application number: DE69217782T
Authority: DE
Inventors: Sreeram Dhurjaty
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1991-04-03
Filing date: 1992-04-01
Publication date: 1997-09-11
Anticipated expiration: 2012-04-02
Also published as: EP0532743B1; WO1992017980A1; EP0532743A1; JPH05508126A; US5081631A; DE69217782D1

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum Steuern einer Laserdiode in der Weise, daß sich das von der Diode ausgesendete Licht in Abhängigkeit von sich ändernden Eingangssignalen linear ändert.
Laserdioden wurden auch bisher schon als Lichtquelle für die verschiedensten fotografischen Anwendungen verwendet. So wird beispielsweise beim Laserdruck ein Laserstrahl durch eine Linse fokussiert und dann auf einen Negativfilm getastet. Die Diode wird dabei häufig von digitalen Bilddaten gesteuert, die in einem Computer abgespeichert sind. Bei einigen Systemen wird der Laser ganz ein- oder ausgeschaltet, so daß er entweder schwarze oder weiße Pixel liefert, um in Abhängigkeit von den Bildsignalen ein Bild zu erzeugen. Die Bildqualität kann jedoch verbessert werden, wenn das Bild aus Pixeln mit variierenden Grautönen erzeugt wird, besonders dann, wenn die Intensitäten der Grautöne so abgestuft sind, daß die Übergänge zwischen den einzelnen Pixeln relativ weich erscheinen. Ein solches Bild bezeichnet man als Halbtonbild. Ein Anwendungsbeispiel ist der Halbton-Röntgenlaserprinter, bei dem eine Laserdiode Röntgenfilme mit elektronischen Bildern belichtet, die durch medizinische Abbi Idungsverfahren, wie z. B. Computertomografie, magnetische Resonanzabbildung, digitale Subtraktionsangiographie, Ultraschall und dergleichen erzeugt worden sind.
Problematisch beim Einsatz von Laserdioden ist die Tatsache, daß das von einer Halbleiter-Laserdiode ausgesendete Licht nicht im ganzen Operationsbereich der Diode linear ist. Fig. 1 zeigt eine typische Kurve des ausgesendeten Lichts als Funktion des durch die Laserdiode fließenden elektrischen Stroms Die Kurve weist einen nichtlinearen Operationsbereich niedrigerer Stromstärke auf, der über einen Bereich mit scharfer Krümmung mit einem Operationsbereich höherer Stromstärke verbunden ist, in dem das ausgesendete Licht sich als Funktion der Spannungsdifferenz (Stromstärke) linear ändert. Der lineare Bereich wird als laseraktiver Bereich, der nichtlineare Bereich niedrigerer Stromstärke als lichtemittierender oder spontan emittierender Bereich bezeichnet. Die Kurve weist zwischen 0 und dem Beginn der scharfen Krümmung Ik einen unteren Abschnitt auf, in dem die Leistungsdichte Pd der Strahlung sich nichtlinear als Funktion der Änderung der Stromstärke Id ändert und zwischen Ik und der größten Stromstärke Imax einen zweiten, oberen Abschnitt, in dem sich die Leistungsdichte der Strahlung linear als Funktion der Stromstärke Id ändert. In dem nichtlinearen Bereich der Kurve unterhalb von Ik erzeugt eine konstante Zunahme der Stromstärke längs der X-Achse eine nichtkonstante Zunahme der Leistungsdichte der Strahlung längs der Y-Achse. Der nichtlineare Bereich ist für die Erzeugung eines Halbtonbilds in Abhängigkeit von Bildeingangssignalpegeln zwischen einem Ausgangssignalpegel null (größte Filmschwärzung) und einem größten Signalpegel (kleinste Filmschwärzung) nicht besonders gut geeignet.
Zur Lösung dieses Problems offenbart das gleichzeitig abgetretene US-Patent US-A-4,774,710 die direkte Modulation einer Laserdiode, wobei die Diode im linearen Laserbereich amplitudenmoduliert und im nichtlinearen, lichtemittierenden Bereich impulsbreitenmoduliert wird.
Eine Halbleiterlasertreibervorrichtung der oben erwähnten Art, bei der die Strahlungsenergie eines Lasers in einer Vielzahl von Schritten durch Änderung der Strahlungsdauer innerhalb der größten Strahlungsdauer eingestellt und die Leistungsdichte der Strahlung konstant gehalten wird, wenn die Strahlungsenergie unter einem vorgegebenen Wert liegt, wird ferner auch in EP-A- 0 386 741 beschrieben.
Eine weitere Lösung für eine Laserstrahlungsvorrichtung und eine Laseraufzeichnungsvorrichtung mit einer solchen Laserstrahlungsvorrichtung wird in EP-A-0 359 248 beschrieben.
Die Erfindung sieht gemäß Anspruch 1 eine Steuerschaltung zur direkten Modulation einer Laserdiode mit Amplitudenmodulation im Laseroperations bereich der Laserdiode und Impulsbreitenmodulation im lichtemittierenden Bereich der Laserdiode vor. Für die Hochgeschwindigkeitsmodulation der Diode in der Impulsbreitenmodulations-Betriebsart ist eine Stromsteuerungsschaltung vorgesehen. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die direkte Modulation der Laserdiode mit einer vorgegebenen Anzahl von Bits (bis zu 12) bei Geschwindigkeiten von bis zu 4 Megapixeln pro Sekunde bewirkt. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ermöglicht für jedes beliebige Pixel eine Impulsbreitenmodulation der Diode im Verhältnis 32:1, so daß die Mindestimpulsbreite bei 4 Megapixeln pro Sekunde in der Größenordnung von 8 Nanosekunden liegt. Nach einem weiteren Merkmal sieht die Erfindung programmierbare Mittel zum Ausgleichen von Änderungen der Laserdiodenkennlinie und zum Ausgleichen von Änderungen der Schwellenströme vor.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine Laserdiodenoperationskurve, bei der sich die Leistungsdichte P der Strahlung als Funktion des durch die Diode fließenden elektrischen Stroms I ändert,
Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Abbildungssystems mit einer herkömmlichen Injektionslaserdiode und der erfindungsgemäßen Steuerschaltung,
Fig. 3 eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Impulsbreitenmodulations-Betriebsart und
Fig. 4 ein detaillierteres Blockschaltbild der in Fig. 2 gezeigten Laserdioden-Steuerschaltung.
Fig. 2 zeigt ein medizinisches Abbildungssystem, in dem eine Ausführungsform der Erfindung verwirklicht ist. Wie dort gezeigt, enthält das System 10 eine Quelle eines digitalen Bilds einer medizinischen Diagnose, das beispielsweise von der medizinischen Abbildungsvorrichtung 12 erzeugt werden kann. Dabei kann die Vorrichtung 12 beispielsweise als diagnostische medizinische Abbildungsvorrichtung für Verfahren wie z.B. Computertomografie, magnetische Resonanzabbildung, Ultraschall, digitale Subtraktionsangiografie oder dergleichen ausgebildet sein. Das digitale Bild kann auch aus einem Speicher- Leuchtstoff, einem digitalen Röntgenbild oder aus einem digitalen Bildarchiv oder Speichersystem erzeugt werden. Das von der Vorrichtung 12 erzeugte Bild wird digitalisiert und im Bildspeicherlprozessor 14 abgespeichert. Das digitale Bild kann auf einem Magnet- oder Videoplatten-Laufwerk im Prozessor 14 gespeichert werden. Das digitale Bild kann auch nach bekannten Verfahren, wie z. B. Fensterbreitelniveau, Tonstufung, Interpolation, Randvergrößerung der dergleichen verarbeitet werden.
Erfindungsgemäß wird mit einem Diodenlaser 18, der von der Lasersteuerschaltung 20 gesteuert wird, auf dem lichtempfindlichen Medium 16 ein Hardcopy-Ausdruck des digitalen Bilds erzeugt. Der von dem Diodenlaser 18 erzeugte Laserstrahl 22 wird von einer Abtastoptik 24 geformt und abgetastet, um auf dem lichtempfindlichen Medium 16 - beispielsweise Film, Papier oder dergleichen - ein sichtbares Bild zu erzeugen.
Zu dem System 10 gehört ein Systemsteuergerät 26, das den Prozessor 14, die Lasersteuerschaltung 20, den Diodenlaser 18 und die Abtastoptik 24 steuert. Das Steuergerät 26 ist mit einem an sich bekannten Digitalrechner, beispielsweise einem Mikroprozessor, für die Steuerung der verschiedenen Komponenten des Systems 10 versehen.
Erfindungsgemäß wird der Diodenlaser 18 im linearen Laserbereich des Diodenlasers in einer Amplitudenmodulations-Betriebsart und im unteren, ichtemittierenden Bereich des Diodenlasers in einer Impulsbreitenmodulations- Betriebsart betrieben. Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerschaltung zum Betreiben des Diodenlasers 18 in den beiden
Betriebsarten ist in Fig. 4 dargestellt. Die Lasersteuerschaltung 20 enthält ein Datenregister 28 zum Abspeichern der für die Modulation der Laserdiode 18 benötigten Pixeldaten. Die Daten werden mit der steigenden Flanke des über die Leitung 30 angeschlossenen Pixel-Taktgenerators in das Register 28 eingetaktet. Die Pixeltiefe beträgt 12 Bits. Um zu bestimmen, ob die Laserdiode 18 in der Amplitudenmodulations-Betriebsart oberhalb der scharfen Krümmung ihrer Operationskurve (Fig. 1) oder in der Impulsbreitenmodulations-Betriebsart unterhalb der scharfen Krümmung ihrer Operationskurve betrieben wird, wird ein Impulsbreiten-Vergleichsregister 32 mit einem 12-Bit-Wort geladen, das der scharfen Krümmung der Diodenlaser-Operationskurve entspricht. Wie in Fig. 1 gezeigt, wird der der Stromstärke Ik entsprechende digitale Bildwert als Übergangspunkt zwischen den Betriebsarten angenommen und als digitales 12-Bit- Wort in das Register 32 geladen.
Der Komparator 34 vergleicht das im Datenregister 28 abgespeicherte 12-Bit- Datenwort mit dem in das Register 32 geladenen 12-Bit-Datenwort um festzustellen, ob das Datenwort größer als, gleich groß wie oder kleiner als das Übergangswort ist. Wenn das Datenwort größer ist als das dem Übergangspunkt entsprechende Wort, wird die Laserdiode in der Amplitudenmodulations-Betriebsart im linearen Laseroperationsbereich der Laserdiode 18 betrieben. Durch Signaleingabe in den Daten-Multiplexer 36 wird das Datenwort aus dem Register 28 mit der steigenden Flanke des nächsten Pixel- Taktgenerators in den D/A-Datenwandler 38 eingetaktet.
Wenn der Wert des Datenworts im Datenregister 28 kleiner als oder gleich groß wie das dem Übergangspunkt entsprechende, in das Impulsbreiten-Vergleichsregister 32 geladene Wort ist, erzeugt der Komparator 34 ein Impulsbreitenmodulationsfreigabesignal, so daß der D/A-Wandler 38 von dem Multiplexer 36 mit einem im Register 40 abgespeicherten Impulsbreiten-Datensignal beaufschlagt wird. Der Wert des Impulsbreiten-Datenworts ist so bemessen, daß die Laserdiode 18 im linearen Bereich oberhalb Ik betrieben wird. Ein solcher Punkt kann beispielsweise bei Ipw gegeben sein.
Wenn die Laserdiode 18 in der Impulsbreitenmodulations-Betriebsart arbeitet, wird ein Signal erzeugt, dessen Wert konstant ist, dessen Impulsbreite sich jedoch als Funktion des die Pixel-Helligkeit angebenden digitalen Datenworts ändert.
In beiden Betriebsarten wandelt der D/A-Wandler 38 das digitale Bildsignal in eine analoge Spannung um, die dem Operationsverstärker 42 aufgeschaltet wird. Der Operationsverstärker 42 steuert den Transistor 44, der das Spannungsbildsignal in ein Strombildsignal umwandelt, das die Laserdiode 18 treibt. Eine Stromsteuerungsschaltung 45 weist eine mit einem ersten Hochgeschwindigkeitsschalter 46 in Reihe und mit einem zweiten Hochgeschwindigkeitsschalter 48 parallel geschaltete Laserdiode 18 auf, wobei der zweite Hochgeschwindigkeitsschalter 48 seinerseits mit einer Hochgeschwindigkeitsdiode 50 in Reihe liegt. Die Schalter 46 und 48 werden von einem Diodenbrückentreiber 52 gesteuert, der durch ein Impulsbreitenfreigabesignal des Komparators 34 eingeschaltet wird. Ein Widerstand 54 und ein Fehlstrom-D/A- Wandler 56 sind mit dem Transistor 44 und der Stromsteuerungsschaltung 45 in Reihe geschaltet.
Ein programmierbarer D/A-Verstärkungswandler 58 steuert die Verstärkung des D/A-Datenwandlers 38, um unterschiedliche Kennlinien unterschiedlicher Laserdioden oder alterungs- oder temperaturänderungsbedingte Änderungen der Kennlinien auszugleichen.
Eine Impulsbreitenmodulationsschaltung ist mit einer programmierbaren Verzögerungsleitung 60 und einem Impulsbreitengenerator 62 versehen. Erfindungsgemäß arbeitet die in Fig. 4 gezeigte Laserdioden-Steuerschaltung wie nachstehend beschrieben. Die Modulationsdaten eines Bi ldsignalpixels werden in das Datenregister 28 geladen und mit den in das Impulsbreiten-Vergleichsregister 32 geladenen Schwellenpunktdaten verglichen. Wenn der Komparator 34 feststellt, daß die Daten im Register 28 größer sind als die Daten im Register 32, veranlaßt der Komparator 34 den Multiplexer 36, den
Inhalt des Register 28 zum D/A-Datenwandler 38 zu übertragen, um den digitalen Pixelwert in eine analoge Spannung umzuwandeln, mit der der Transistor 44 mittels des Operationsverstärkers 42 beaufschlagt wird. Solange der in das Register 28 geladene Pixelwert größer ist als der in das Register 32 geladene Impulsbreiten-Datenwert, wird die Laserdiode 18 im linearen Laserbere ich der Laseroperationskurve in einer Amplitudenmodulations-Betriebsart betrieben. Der Diodenbrückentreiber 52 schaltet den Schalter 46 ein und den Schalter 48 aus, so daß der durch den Transistor 44 fließende Strom durch den Schalter 46, die Laserdiode 18 und den Widerstand 54 fließt. Die Leistungsdichte der Laserdiode 18 steht zu dem von dem Prozessor 14 kommenden Eingangssignal in einem linearen Verhältnis.
Wenn der in das Datenregister 28 geladene digitale Pixelwert kleiner als oder gleich groß wie der Datenwert im Impulsbreiten-Vergleichsregister ist (so daß die Laserdiode im nichtinearen, lichtemittierenden Bereich ihrer Operationskurve arbeiten würde), schaltet der Komparator 34 den Multiplexer 36 auf Übertragung des in das Impulsbreiten-Datenregister 40 geladenen Datenworts zum D/A-Datenwandler 38. Es handelt sich hier um einen konstanten Wert, der einer Stromstärke Ipw im linearen Bereich der Laserdioden-Operationskurve (Fig. 1) entspricht. Von der programmierbaren Verzögerungsleitung 60 und dem Impulsbreitengenerator 62 wird eine Impulsbreite generiert. Wenn der Wert des im Datenregister 28 enthaltenen Datenworts zunimmt, nimmt auch die Breite des generierten Impulses zu. Wie in Fig. 3 gezeigt, haben die Stromstärken für die Impulse der Pixel A, B und C den gleichen Wert. Dagegen ändern sich die Impulsbreiten, wenn der Wert des Datenworts von Pixel A zu Pixel C größer wird.
Der Diodenbrückentreiber 52 schaltet die Schalter 46 und 48 ein und aus, um während der Impulsbreitenperiode Strom durch die Laserdiode 18 und für die Dauer der Abschaltung der Laserdiode 18 Strom durch die Hochgeschwindigkeitsdiode 50 zu lenken. Durch schnelles Schalten des Stroms zwischen den Dioden 18 und 50 werden Impulsbreiten in der Größenordnung von nur 60 Nanosekunden erzielt. Durch schnelles Ein- und Ausschalten der Schalter 46 und 48, wird die Stromstärke der Emitterströme des Transistors 44 durch Konstanthalten der Ausgangsspannung am Emitter 64 des Transistors 44 gesteuert. Die Verwendung der Schalter in einer geschlossenen Rückkopplungsschleife des Verstärkers 42 trägt zur Präzision der Impulsamplitude bei.
Die Bezugsspannung des D/A-Datenwandlers 38 wird durch den D/A-Verstärkungswandler 58 eingestellt, der durch den Empfang von Daten aus dem System-Steuergerät 26 am Eingabeterminal 58A programmierbar ist. Auf diese Weise können unterschiedliche Kennlinien der Operationskurven derselben oder unterschiedlicher Laserdioden ausgeglichen werden. Der infolge der Rückkopplung um den Operationsverstärker 42 durch den Widerstand 54 fließende Strom ist gleich der Spannung am Ausgang des D/A-Datenwandlers 38 abzüglich der Spannung am Ausgang des Fehlstrom-DA-Wandlers 56. Der Fehlstrom-D/A-Wandler 56 dient zum Ausgleichen von Änderungen in den Laser-Schwel lenströmen unterschiedlicher Laserdioden. Ein programmierbares Datenwort aus dem System-Steuergerät 26 wird am Eingabeterminal 56A des D/A-Wandlers 56 eingegeben.
Die erfindungsgemäße Laserdiode und deren Steuerschaltung werden kommerziell für Anwendungen eingesetzt, bei denen ein digitales Bildsignal eine Laserdiode treibt, um durch Belichten eines lichtempfindlichen Mediums einen Hardcopy-Ausdruck des digitalen Bilds zu erzeugen. Ein Anwendungsbeispiel ist die Erzeugung eines Hardcopy-Röntgenfilmbilds eines durch eine medizinische diagnostische Abbildungsvorrichtung erzeugten digitalen Bildes.

Claims

1. Laserabbildungsvorrichtung mit folgenden Komponenten:

(a) einer Laserdiode (18) mit einem linearen Laseroperationsbereich und einem Bereich, der nichtlineares Licht aussendet;

(b) einem Mittel (24) zum Zuführen eines digitalen Bildsignals, um die Laserdiode direkt zu modulieren;

(c) einem Steuerschaltungsmittel (20) zur Beaufschlagung der Laserdiode (18) mit dem Eingangssignal, um die Laserdiode in einer Amplitudenmodulations-Betriebsart im linearen Laserbereich der Diode zu betreiben, wenn das digitale Eingangsbildsignal einen vorbestimmten Wert übersteigt, und in einer Impulsbreitenmodulations-Betriebsart, bei der die Laserdiode (18) im nichtlinearen Bereich mit einer Impulsbreite betrieben wird, die durch den Pegel des digitalen Eingangssignals bestimmt wird, wenn das digitale Eingangssignal dem vorbestimmten Wert entspricht oder darunter liegt; und

(d) wobei die Steuerschaltungsmittel (20) ein Stromsteuerungs-Schaltungsmittel (45) aufweisen, um in der Impulsbreitenmodulations- Betriebsart ein schnelles Ein- und Ausschalten der Laserdiode zu ermöglichen;

dadurch gekennzeichnet, daß das Stromsteuerungs-Schaltungsmittel einen Hochgeschwindigkeitsschalter (46) aufweist, welcher mit einem zweiten Hochgeschwindigkeitsschalter (48) parallel geschaltet ist, der wiederum mit einer Hochgeschwindigkeitsdiode (50) in Reihe liegt, wobei die Schalter (46) und (48) durch einen Diodenbrückentreiber (52) gesteuert werden, der durch ein Impulsbreiten-Freigabesignal eingeschaltet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein programm ierbares Mittel (58) zum Ausgleichen von unterschiedlichen Diodenkennlinien und unterschiedlichen Laserdioden-Schwel lenströmen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch D/A Datenwandlungsmittel zum Wandeln eines digitalen Bildsignals in ein analoges Bildsignal zur Steuerung der Laserdiode, wobei das programmierbare Mittel einen D/A Wandler (38) mit integriertem Verstärker aufweist, der mit den Datenumwandlungsmitteln zum programmierbaren Ändern der Verstärkung der Verstärkungswandlungsmittel, um unterschiedliche Kennlinien auszugleichen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das programmierbare Mittel (58) einen Fehlstrom-D/A Umwandler (56) aufweist der mit den Stromsteuerungsschaltungsmitteln (45) für einen programmierbaren Ausgleich für unterschiedliche Schwellenströme verbunden ist.