JP2005229112A

JP2005229112A - 光ナビゲーションにおける開ループレーザパワー制御

Info

Publication number: JP2005229112A
Application number: JP2005024775A
Authority: JP
Inventors: Michael John Brosnan; マイケル・ジョン・ブロスナン
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2005-08-25
Also published as: DE102004055678A1; US7209502B2; GB2411045A; CN1655413B; US20050180473A1; US7473880B2; GB0502583D0; US20070195477A1; TWI357190B; TW200527787A; DE102004055678B4; CN1655413A

Abstract

【課題】
レーザの出力を基準範囲内に維持すること。
【解決手段】
電流出力値が２つの電流設定値の間になるように調節された駆動信号をレーザダイオード（例えばＶＣＳＥＬ）に適用する。電流設定値は、レーザダイオード２２の出力が目の安全基準における平均電力条件および最大電力条件を満たすように設定される。駆動信号は、２つの設定値の間を或るデューティサイクルで交互に切り替える。デューティサイクルは、所与の上側電流設定値にしたときに、平均電力条件および最大電力条件が満たされるような値が選択される。駆動回路２６は、上下の電流設定値を管理するためのアナログ変調器またはデジタル／アナログコンバータを含む。駆動回路２６をＩＣとして実施する場合、ＤＡＣ２６はＩＣの中に組み込んでもよい。ＤＡＣ２６の感度は、所望の上下の電流設定値を管理できるような感度が選択される。
【選択図】図５

Description

本発明はレーザの出力制御装置に関する。

可視または赤外の範囲の光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザを含む製品は、目の安全基準（"eye safety requirements"）ＩＥＣ６０８２５−１に準拠していなければならない。使用者の目に飛び込んでくる光束がこの基準を超えた場合、装置は、目の安全性に関する危険標識を点灯させなければならず、そのような状況は望ましくない。この基準は、回路の通常動作時に適用されるだけでなく、回路内に予測可能な１つの故障が起きたときにも適用される。

図１は、従来技術による目の安全回路を示す。この単純な回路はヒューズを利用している。バイアス電流の大きさが目の安全基準を超えると、ヒューズが飛ぶ。図２は、従来技術によるもう一つの目の安全回路を示す。この回路は、バイアス電流が設計閾値を超えたときにＬＥＤから電流を分流させる、再トリガ型トランジスタ回路である。

これらの従来技術による回路は、ＬＥＤの電流が何らかの所定の電流値よりも大きくなった場合を検出することができる。しかしながら、図１の回路は、ＬＥＤの陰極がグラウンドに接続される故障を検出することができず、また、ヒューズを集積回路に組み込むことも容易ではない。図２の回路は、ＬＥＤの陰極がグラウンドに短絡される故障を検出することはできるが、標準的なＣＭＯＳ集積回路プロセスで実現するのが難しい。

図３に示すように、特許文献１は、レーザの実際の出力を示す信号を出力するモニタフォトダイオードを用いた方法を開示している。比較器は、レーザの基準出力レベルを示す基準信号と、モニタフォトダイオードの信号とを比較する。比較器は、レーザの実際の光出力レベルの変化を示す信号を出力する。異常電流除去装置は、比較器の出力信号を調節し、その信号の振幅を制限する。従って、レーザに対する駆動電流は、安全な駆動電流レベルまで強制的に低下される。

図４に示すように、特許文献２は、モニタフォトダイオードではなく、ＶＣＳＥＬパッケージのキャップ部に電力監視装置を組み込んだＶＣＳＥＬを開示している。特許文献１と同様に、この電力監視装置も、レーザに対する駆動電流の調節に使用される。
米国特許第４，８８４，２８０号明細書米国特許第５，９５３，３５５号明細書

本発明の課題の一つは、レーザの出力を基準範囲内に維持することである。

本発明では、出力電流値が２つの電流設定値の間になるように調節された駆動信号をレーザ（たとえば面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ））に印加する。２つの電流設定値は、レーザの出力が目の安全基準における平均電力条件および最大電力条件を満たすような値にする。

一実施形態において、駆動回路は、２つの電流設定値を或るデューティサイクルで交互に切り替えて駆動信号を生成し、駆動信号の電力が目の安全基準による平均電力条件未満になるようにする。下側電流設定値は、レーザの最小駆動信号に設定される。デューティサイクルは、所与の上側電流設定値にしたときに、平均電力条件および最大電力条件が満されるような値にする。たとえば、駆動信号の電力を下側電流設定値にしたときに平均電力条件よりもわずかに小さい電力が生成され、上側電流設定値にしたときに平均電力条件よりもわずかに大きい電力が生成されるようにする。デューティサイクルは５０％にしてもよい。

駆動回路は、下側電流設定値および上側電流設定値を管理するためのアナログ手段またはデジタル手段を含む。駆動回路を集積回路（ＩＣ）として実施する場合、デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）はＩＣ内に組み込むこともできる。ＤＡＣの分解能は、所望の下側電流設定値および上側電流設定値を管理できるくらいの分解能にする。

レーザの電流設定値は、次のようなステップで判定することができる。一連の電流設定値を順番にレーザに設定する。そして、それらの電流設定値の中から、レーザの出力が平均電力条件および最大電力条件を両方とも満たすような２つの電流設定値を選択する。

駆動回路は、光ナビゲーションデバイスの中に組み込むこともできる。例えば、光マウスセンサは、出力電流値が２つの電流設定値の間になるように調節（変調）された駆動回路を含む。光ナビゲーションデバイスはレーザをさらに含む。動作時には、変調された駆動信号がレーザに印加される。そしてレーザビームが表面に投射される。すると、その表面から位置データを示す反射信号が受信される。これらの投射ステップおよび受信ステップを繰り返し実施する。反射信号を定期的に比較して、位置データの差を判定する。

本発明は、レーザ出力を２つのレベル間に維持することを目的としている。本発明を光ナビゲーションデバイスで使用する場合、第１のレベルは、良好なトラッキングを行なうために必要とされる最小限の出力であり、第２のレベルは、現行の目の安全基準（たとえばＩＥＣ６０８２５−１やＡＮＳＩＺ１３６．１など）で許容される最大出力である。線形温度補償回路を備えた定電流駆動装置が、電流を面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）に供給する。温度補償の勾配は、平均的なＶＣＳＥＬの特性（たとえば＋０．２５％／℃）と同じにする。温度変化に対して理想的な出力変動範囲を確保するためには、室温での定電流を理想値の１％または２％以内にしなければならない。

本発明では、出力電流値が２つの電流設定値間に調節された駆動信号をレーザに印加する。レーザには、例えばＶＣＳＥＬ、端面発光型レーザダイオード、超共振空洞型ＬＥＤ、高効率ＬＥＤ、任意の半導体ベースの光源などがある。２つの電流設定値は、レーザの出力が目の安全基準における平均電力条件および最大電力条件を満たすような値にする。

図５は、本発明によるシステム１０の一実施形態を示す。演算増幅器１２は、その正の入力部から基準信号Ｖｒｅｆを受け取る。電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１４は、演算増幅器１２の出力を受け取る。ＦＥＴ１４のドレインは、演算増幅器１２の負の入力部に接続される。ＦＥＴ１４のドレインとグラウンドとの間には、可変抵抗器１８が接続される。第１のカレントミラー回路１６の入力部は、ＦＥＴ１４のソースに接続される。第２のカレントミラー回路２０は、カレントミラー回路１６の出力を受け取る。電源Ｖｄｄとカレントミラー回路２０との間には、レーザダイオード２２が接続される。

動作時には、駆動回路が、２つの電流設定値を或るデューティサイクルで交互に切り替えて駆動信号を生成し、駆動信号の電力が目の安全基準における平均電力条件未満になるようにする。デューティサイクルは、所与の上側電流設定値にしたときに、平均電力条件および最大電力条件が満たされるような値にする。たとえば、駆動信号の電力を下側電流設定値にしたときに平均電力条件よりもわずかに低い電力が生成され、上側電流設定値にしたときに平均電力限度よりもわずかに高い電力が生成されるようにする。デューティサイクルは５０％にしてもよい。

代替実施形態として、図５に示す第２のカレントミラー回路２０は、下側電流設定値および上側電流設定値を管理するためのアナログ変調器（図示せず）またはＤＡＣで置き換えることもできる。ＤＡＣの分解能は、所望の下側電流設定値および上側電流設定値を管理できるくらいの分解能にする。

駆動回路は、光ナビゲーションデバイスの中に組み込むこともできる。例えば、光マウスセンサは、出力電流値が２つの電流設定値の間になるように調節（変調）された駆動回路を含む。光ナビゲーションデバイスはレーザをさらに含む。動作時には、変調された駆動信号がレーザに印加される。変調周波数は、ナビゲーションデバイスの電子シャッターの持続時間（たとえば１ＭＨｚ）に比べて大きくすることができる。変調周波数は、ナビゲーションデバイスのフレーム速度（たとえば２〜３２フレームごとに１回変化する）に比べて小さくすることもできる。レーザビームが表面に投射される。表面から位置データを示す反射信号が受信される。これらの投射ステップおよび受信ステップを繰り返し実施する。反射信号を定期的に比較して、位置データの差を判定る。

図６Ａおよび図６Ｂは、図５のカレントミラー回路２０の代わりになるＤＡＣの実施形態を示す。

図６Ａにおいて、３ビットデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）２６は、電流制御装置として機能する。ＦＥＴ２８は、図５に示す第１のカレントミラー回路１６とグラウンドとの間に接続される。ＦＥＴ２８のソースおよびゲートは、ノードＡにおいて互いに結合される。第１のアレイを構成するＦＥＴ３０_ｘ（ｘ＝１．．．１３）に関し、各ＦＥＴは、図５に示すレーザダイオード２２とグラウンドとの間に接続される。ＦＥＴ３０_ｘのゲートは、ノードＡにおいて互いに結合される。ＦＥＴ２８とＦＥＴ３０_ｘの物理的寸法は同じである。第２のアレイを構成するＦＥＴ３２_ｙ（ｙ＝０．．．６）に関し、各ＦＥＴは、図５に示すレーザダイオード２２とグラウンドとの間に接続される。第２のＦＥＴのアレイに関し、各ＦＥＴ３２_ｙのゲートは対応するスイッチ３４_ｙに接続される。各スイッチの棒は、ノードＡとグラウンドのいずれか一方に接続される。各スイッチのセレクタは、デコーダの対応する出力に接続される。

図６Ｂは、７ビットＤＡＣを用いた電流調節の例を示す。ＦＥＴ６０は、図５に示す第１のカレントミラー回路１６とグラウンドとの間に接続される。ＦＥＴ６０のソースおよびゲートは、ノードＡにおいて互いに結合される。図６Ｂに示す第１のアレイで置き換えた場合、図５に示すレーザダイオードとグラウンドとの間には、ＦＥＴ６０の幅の６５倍の幅を有するＦＥＴ６２が接続される。

ＦＥＴ６４_ｙ（ｙ＝０．．．６）に関し、各ＦＥＴ６４_ｙのドレインは図５のレーザダイオードに接続され、各ＦＥＴ６４_ｙのソースは第２のＦＥＴ６６_ｙのドレインに接続される。第２のＦＥＴ６６_ｙのソースはグラウンドに接続される。第２のＦＥＴ６６_ｙのゲートは、７ビット制御ディジタル制御値Ｃ０〜Ｃ６に接続される。第１のＦＥＴ６４_ｙのゲートは、ノードＡにおいて互いに電気的に結合される。各ＦＥＴ６４_ｘのサイズは、ＦＥＴ６０のサイズの２^ｘ倍である。

既に述べたように、ＤＡＣは、ＶＣＳＥＬを制御する集積回路（ＩＣ）に追加してもよい。図６Ａの実施形態において、制御ハードウェアは、０〜７個の並列電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の電源を切断することにより、電流を５％間隔で変化させることができる３ビット値を出力する。２個の最も近い設定値の各々の間をそれらの８個の選択手段で変更することにより、電流の時間平均値（すなわちレーザ出力）を非常に高い精度で設定することができる。電流を５％変化させるごとに、ＶＣＳＥＬの光出力は約２０％変化する。レーザ出力を目標値の５％以内にするためには、電流を理想値の１％以内にする必要がある。低電流と高電流とをデューティサイクルで交互に切り替えることにより、所望の平均値を実現することができる。この許容差は、ＤＡＣの分解能を変更（例えば１ビットや８ビットなどに）することによって、変えることもできる。

たとえば、各グループについて１６枚の画像（例えば１６フレーム）を撮影する光ナビゲーションデバイスの場合、ｎ個のフレームについてはレーザ電流を大きくし、１６−ｎ個のフレームについてはレーザ電流を小さくすれば、平均電流値Ｉ_aveは次のようになる。

ｌｈｉｇｈｅｒがｌｌｏｗｅｒよりも５％未満だけ大きい場合、平均値は、５／１６％、すなわち０．３％の精度で調節することができる。この精度は、調節温度において一般的なレーザダイオードの出力を所望の値の約１．２％以内にするのに十分な精度である。その結果、残留温度の変動のために電力予算の大部分が残る。

図７は、初期測定プロセス１００を示すフロー図である。ステップ１１０において、各較正ステップで電力を測定する。ステップ１２０において、所望の平均電力よりもわずかに低い電力が得られるように、較正ステップで電力を設定する。ステップ１３０では、所望の平均電力よりもわずかに高い電力が得られるように、較正ステップで電力を設定する。ステップ１４０において、２つの電力レベル間のデューティサイクルを計算する。ステップ１５０において、較正設定値を記憶する。

メモリに記憶された較正設定値は、ノイズによって破損する可能性がある。代替実施形態として、そのような状況でも安全な動作を確保するために、設定値とともに他の表現（設定値の補数の値など）を様々なメモリアドレスに記憶してもよい。それらの２つの表現を定期的に比較することにより、完全性を検証することができる。有効な値が存在しない場合、駆動回路は、デフォルト値として最小平均電流値（すなわちＶＣＳＥＬの電源をオフにしたときの値）を用いて、目の安全基準未満に維持する。

図８は、通常動作のプロセス２００を示すフロー図を示す。ステップ２１０において、メモリから較正設定値を取り出す。ステップ２２０において、それらの較正設定値を駆動回路に送信する。ステップ２３０において、駆動回路が較正設定値を適用する。その結果、平均レーザ出力は目標値に近くなる。

従来技術による目の安全回路を示す図である。従来技術によるもう１つの目の安全回路を示す図である。従来技術によるレーザのフォトダイオード回路を示す図である。従来技術によるもう１つのレーザの出力監視装置を示す図である。本発明の一実施形態を示す図である。図５に示すカレントミラー回路内のＤＡＣの一実施形態を示す図である。図５に示すカレントミラー回路内のＤＡＣの一実施形態を示すである。初期測定のプロセス１００を示すフロー図である。通常動作のプロセス２００を示すフロー図である。

符号の説明

１０本システム
２２レーザダイオード
２６Ｄ／Ａコンバータ

Claims

出力電流値が２つの電流設定値の間になるように調節された駆動回路（２６）と、
前記出力電流を受け取って、目の安全基準を満たす出力を生成するレーザ（２２）と、
からなるシステム（１０）。
前記レーザ（２２）が半導体ベースのレーザである、請求項１に記載のシステム（１０）。
前記半導体ベースのレーザは、面発光型半導体レーザ、端面発光型レーザダイオード、超共振空洞型発光ダイオード（ＬＥＤ）、および高効率ＬＥＤを含むグループの中から選択される、請求項２に記載のシステム（１０）。
前記駆動回路（２６）はデジタル／アナログコンバータをさらに含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
前記駆動回路（２６）は、２つ電流設定値を或るデューティサイクルで交互に切り替えて駆動信号を生成し、該駆動信号の電力が、前記目の安全基準における平均電力条件未満になるようにする、請求項１に記載のシステム（１０）。
第１の２つの電流設定値によって、少なくとも１つの最小駆動信号が生成され、
第２の２つの電流設定値によって、目の安全基準を満たす駆動信号が生成される、請求項１に記載のシステム（１０）。
前記２つの電流設定値は近接した電流設定値である、請求項６に記載のシステム（１０）。
第１の２つの電流設定値によって、少なくとも１つの最小駆動信号が生成され、
第２の２つの電流設定値によって、目の安全基準における最大電力条件未満の駆動信号が生成される、請求項１に記載のシステム（１０）。