JP2005181924A - 光源駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 良好な変調特性を有する光源駆動回路を提供する。
【解決手段】 第１及び第２の光源ドライブ回路を有し、前者は入力データに応じて零から最大電流値までを可変であり、後者は入力データに応じ外部より設定された電流値から最大電流値までを可変とする光源駆動回路を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、画像データにより変調されたレーザ光をスキャンして表示するスキャンディスプレイ装置に用いるレーザ光源の駆動方法に関するものである。

本発明の従来の技術について述べる前に、本発明が適用されるスキャン方式ディスプレイについて簡単に述べる。

従来より１次元または２次元の共振型光スキャナを使用したスキャン方式ディスプレイ装置は各社より特許出願されており、代表的なものとして特許文献１、特許文献２、特許文献３が挙げられる。

ここでまず、共振型光スキャナについて説明する。

共振型光スキャナの構造は多々あるが特許文献４に代表されるローレンツ力を利用したものや特許文献５に代表される静電力を利用したものがよく知られている。

図２はローレンツ力を利用した光スキャナの概略図である。図２中コイルに電流ｉを流すと、永久磁石等で発生している磁界Ｂによりローレンツ力Ｆによる回転トルクが発生し、トーションバーの復元力とつりあう位置までミラー面がねじれる。この電流ｉをスキャナーのもつ共振周波数で交流的に加えることにより共振動作が可能となる。スキャン動作はスキャナ面に構成されたミラーに外部よりレーザ光などを照射することで行う。

図３はこのような共振スキャナを利用したスキャン方式ディスプレイの概念図の一つである。この図では水平スキャナに共振スキャナを、垂直スキャナにガルバノメータを使用している。水平スキャナは水平スキャナ駆動回路３０２によりスキャナの共振周波数である２０ｋＨｚ程度の周波数で共振動作をしており、垂直スキャナは垂直駆動回路３０３により６０Ｈｚ程度で往復動作している。

制御回路３０１では水平スキャナ駆動回路３０２及び垂直駆動回路３０３の入力信号を作成するとともに外部より入力された画像データに応じて光源３０５（例えば半導体レーザ）を変調するための変調データを光源駆動回路３０４に出力する。この変調データは水平、垂直駆動信号のタイミングに応じて、適切な画像が得られるように出力される。

このように、変調されたレーザ光を水平スキャナ３０６、垂直スキャナ３０７に順次照射することにより２次元の画像出力を得ることができる。

ここで光源となる半導体レーザの変調について考えてみる。レーザの変調方法は１画素内を時間的に変調するパルス幅変調（ＰＷＭ変調）と１画素内を発光強度的に変調する強度変調（ＰＡＭ変調）が考えられる。

しかし、高精細な画像を出力するためには画素クロックは５０ＭＨｚ以上の高いクロックを使用しなければならないため、高精度な時間制御を行う必要のあるＰＷＭ変調は技術的に困難になる。

したがってレーザの変調方式はＰＡＭ変調とするのが良い。

図４はこのＰＡＭ変調を実現するためのレーザ駆動回路のブロック図である。

このレーザ駆動回路はコンパレータ４０１、サンプルホールド回路４０２、可変Ｇｍ回路４０３、ドライブ回路４０３、バイアス回路４０４より構成されている。

レーザＬＤの光量モニタ素子であるフォトディテクタＰＤはその一端が抵抗Ｒｐｄを介して接地されている。

コンパレータ４０１はレーザＬＤの光出力をモニタするフォトディテクタＰＤの出力電圧と環境変動に対して安定なバンドギャップ電圧より作成された基準電圧Ｖｒｅｆを比較し、その誤差分ΔＶをサンプルホールド回路４０２に出力する。

サンプルホールド回路４０２では、ＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ：自動パワー制御）信号が゛Ｌ″の期間は誤差信号ΔＶに応じてコンデンサＣｐをチャージまたはディスチャージし、゛Ｈ″の期間は出力端をハイインピーダンスとしてコンデンサＣｐ端の電圧をホールドする。

可変Ｇｍ回路４０３は電圧電流変換回路であり、コンデンサＣｐ端の電圧に応じた電流Ｉｘを出力する。

ドライブ回路４０４では電流Ｉｘを数百倍に増幅してレーザ駆動電流を発生する。このドライブ回路４０４は入力データＤＡＴＡに応じて電流値を変調して出力するものである。バイアス回路８０５は外部より入力されるバイアス電流設定信号ＶｂによりレーザＬＤに供給するバイアス電流を出力する。
特開平１１−０３０７６３号公報 特開平９−９６８６８号公報 特開平１１−１６０６５０号公報 特開平０７−２１８８５７号公報 特開平１１−０５２２７８号公報 特開平５−２１８５５３号公報 特開平１０−９３１７０号公報

ここでレーザは一般的に図５のような特性をしている。即ち、レーザにある一定の電流Ｉｔｈを供給するまではレーザは発光しない。したがって強度変調の場合には、リニアな光量変調を行うために、バイアス電流Ｉｂにより予めＩｔｈぎりぎりの所までバイアス電流をかけておく必要がある。

しかしながら、レーザのＩｔｈ付近の発光特性は図６のようになまっている。このためレーザの発光特性が理想的な場合のスレッシュ電流（図６のＩｔｈ）をバイアス電流としたのでは、変調データの最小値でもレーザが微小ながら発光してしまう。したがって図７（ａ）に示すようにデータが小さい領域では所望の光量以上の光量でレーザが発光してしまい、所謂かぶりのある画像となってしまう。また逆に図６中のＩｔｈよりも小さいところにバイアス電流を設定したのでは、図７（ｂ）に示すように変調データが小さなときにしばらくレーザが発光しなくなってしまう。

この対策として特許文献６では入力データより光源の点灯／消灯の変化点を検出して、そのエッジでバイアス電流をオン・オフする方法を取っているが、この方法では消光比は高くなるが依然として上記の問題は残る。

また特許文献７ではバイアス電流を２種類用意し、１つは常時オンし、もう１つはデータに応じてオン・オフを行う構成になっているが、同様に問題は解決しない。

本発明は上記の点に鑑み変調の小データ付近でも良好なレーザ変調を得るものである。

よって本発明は、
レーザ光源を強度変調するための光源駆動回路を、
入力データに応じて出力電流値が変化する第１及び第２の光源ドライブ回路と、
第１の基準電圧に応じて前記レーザ光源の光量を制御する第１のレーザ光量制御回路と、第２の基準電圧に応じて前記レーザ光源の光量を制御する第２のレーザ光量制御回路と、前記第１及び第２のレーザ光量制御結果をもとに前記レーザ光源のスレッショルド電流を算出する演算回路を設け、
前記第１のドライブ回路は前記入力データに応じて零から最大電流値までを可変とするように構成し、
前記第２のドライブ回路は前記入力データに応じて外部より設定された電流値から最大電流値までを可変とするように構成するものである。

本発明によれば、レーザを強度変調したときにも小データ部で良好な変調特性を得ることができ、高精度な強度変調が可能となる。

図１は本実施形態に係る光源バイアス回路のブロック図である。

図中１０１ａ、１０１ｂはコンパレータ、１０２ａ、１０２ｂはサンプルホールド回路、１０３ａ、１０３ｂは可変Ｇｍ回路（電流電圧変換回路）、１０４は演算部、１０５ａ、１０５ｂはドライブ回路、Ｃｐ１、Ｃｐ２はコンデンサである。レーザＬＤはドライブ回路１及びドライブ回路２に接続され、レーザの光量検出手段であるＰＤは抵抗Ｒｐｄを介して接地される。このＲｐｄ端の電圧はコンパレータ１０１ａ及び１０１ｂに入力される。

コンパレータ１０１ａ、１０１ｂはそれぞれ環境変動に対して安定なバンドギャップ電圧より作成される基準電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２とＲｐｄ端の電圧が入力されており、これら各電圧を比較してその差分ΔＶ１、ΔＶ２をサンプルホールド回路１０２ａ、１０２ｂへそれぞれ出力する。基準電圧Ｖｒｅｆ１とＶｒｅｆ２は任意の比、例えば４：１、に設定する。

サンプルホールド回路１０２ａ、１０２ｂはコンパレータ１０１ａ、１０１ｂの比較結果に基づきコンデンサＣｐ１及びＣｐ２へ電流をチャージまたはディスチャージする。

可変Ｇｍ回路１０３ａ、１０３ｂはコンデンサＣｐ１、Ｃｐ２の電圧に応じて制御電流Ｉａ、Ｉｂをそれぞれ出力する。

演算部１０４では制御電流Ｉａ、Ｉｂをもとにレーザ駆動電流Ｉｃとバイアス制御電流Ｉｄを出力する。

ドライブ回路１０５ａは演算部１０４より供給された電流Ｉｃを数百倍に増幅し、入力データＤＡＴＡに応じてレーザ変調電流ＩＰａを出力する。

ドライブ回路１０５ｂは演算部１０４より供給された電流Ｉｄを数百倍に増幅し、入力データＤＡＴＡに応じてバイアス電流ＩＰｂを出力する。

この回路の動作は以下のように行われる。

まず、サンプルホールド回路１０１ａをＡＰＣ１信号によりサンプリング状態にする。このときサンプルホールド回路１０１ｂはＡＰＣ２信号によりホールド状態に保たれている。また、演算部１０４は可変Ｇｍ回路１０３ａの出力電流ＩａをＩｃとして出力する。入力データＤＡＴＡは最大値としておく。したがってコンパレータ１０１ａ、サンプルホールド回路１０２ａ、可変Ｇｍ回路１０３ａ、ドライブ回路１による制御ループができ、このときレーザＬＤは最大発光量Ｐｏとなるように電流Ｉｐａが決定される。なお、この制御が行われている間は演算部１０４では電流Ｉｄを０とし、ドライブ回路２からの電流出力を０としておく。また、図８に演算部１０４の出力電流をレーザの電流−光量特性に応じて記してあるが、実際の電流値はこれらをドライブ回路１、２で数百倍に増幅したものである。

つづいて、サンプルホールド回路１０１ｂをＡＰＣ２信号によりサンプリング状態にする。このときサンプルホールド回路１０１ａはＡＰＣ１信号によりホールド状態にする。また、演算部１０４は可変Ｇｍ回路１０３ｂの出力電流ＩｂをＩｄとして出力する。入力データはＤＡＴＡは同じく最大値とする。これによりコンパレータ１０１ｂ、サンプルホールド回路１０２ｂ、可変Ｇｍ回路１０３ｂ、ドライブ回路１０５ｂによる制御ループができる。ここで基準電圧Ｖｒｅｆ２はＶｒｅｆ１の１／４と設定すれば、レーザＬＤは最大発光量Ｐｏの１／４の光量となるように電流Ｉｐｂが決定される。なお、この制御が行われている間は演算部１０４では電流Ｉｃを０とし、ドライブ回路１からの電流出力を０としておく。

これらの制御のあと演算部１０４は（Ｉａ−Ｉｂ）＊４／３を演算して、これをドライブ回路１の入力電流Ｉｃとする。なお、この演算は基準電圧Ｖｒｅｆ１及びＶｒｅｆ２の比に応じて変わってくるので回路設計時にＶｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２の比に応じて演算回路を決定する。このようにして算出された電流Ｉｃによって増幅されたドライブ回路１の出力電流は、図８に示すように、レーザのスレッシュ電流Ｉｔｈから最大発光量Ｐｏまでの電流となる。したがってドライブ回路１ではこの電流を入力データＤＡＴＡに応じて変調して出力する。

さらに演算部１０４ではＩａ−Ｉｃを演算して、これをドライブ回路２の入力電流Ｉｄとする。この電流Ｉｄにより増幅されたドライブ回路２の出力電流はレーザのスレッシュ電流Ｉｔｈを表す。また、ドライブ回路２には外部よりバイアス変調電流設定信号Ｖａが入力される。このＶａによりドライブ回路２内では図８に示すように電流ＩｄがＩｄ１とＩｖａになるように設定され、このＩｖａのみが入力データＤＡＴＡに応じて変調されて出力される。したがってレーザに応じてＶａを可変することで固定バイアスＩｄ１と可変バイアスＩｖａを最適に設定できる。

このように、入力データが大きくなるにつれてバイアス電流も大きくなるようにレーザを変調することで図９に示すような高精度な強度変調が可能となる。

本発明の実施例を示す図 共振スキャナの代表的な構成図 スキャンディスプレイの構成図 従来のレーザドライバをブロック図 レーザの電流−光量特性図 レーザのスレッシュレベル付近での電流−光量特性図 従来のレーザドライバでの変調データに対する光量値を示す図 レーザの電流−光量特性における演算部の各出力電流 本発明のレーザドライバでの変調データに対する光量値を示す図

符号の説明

１０１ａ、１０１ｂ、４０１ コンパレータ
１０２ａ、１０２ｂ、４０２ サンプルホールド回路
１０３ａ、１０３ｂ、４０３ 可変Ｇｍ回路
１０４ 演算部
１０５ａ、１０５ｂ、４０４ ドライブ回路
４０５ バイアス回路

Claims (1)

1. レーザ光源を強度変調するための光源駆動回路において、
   入力データに応じて出力電流値が変化する第１及び第２の光源ドライブ回路と、
   第１の基準電圧に応じて前記レーザ光源の光量を制御する第１のレーザ光量制御回路と、第２の基準電圧に応じて前記レーザ光源の光量を制御する第２のレーザ光量制御回路と、
   前記第１及び第２のレーザ光量制御結果をもとに前記レーザ光源のスレッショルド電流を算出する演算回路を設け、
   前記第１のドライブ回路は前記入力データに応じて零から最大電流値までを可変とするように構成し、
   前記第２のドライブ回路は前記入力データに応じて外部より設定された電流値から最大電流値までを可変とするように構成したことを特徴とする光源駆動回路。

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