TWI357190B - Open loop laser power control in optical navigatio - Google Patents

Description

九、發明說明： 【發'明所屬^技彳軒領】 本發明係有關於光學巡航用開迴路雷射功率控制技 術。

C先前技術；J 發明背景 包含發光二極體(LED)之產品或發射可見光或紅外線 光範圍光線之雷射必須符合眼睛安全須求IEC 6〇825_丨。如 果此撞擊至使用者眼上之光通量超過此標準，則此裝置必 須被標示為對眼睛安全有害，而這是非所欲的。此要求不 僅在電路正常操作期間適用，而且當在電路中發生可預剛 單一故障時亦適用。 第1圖說明習知技術之對眼睛安全電路。此簡單電路使 用一熔絲。當偏壓電流超過眼睛安全要求時，此熔絲熔斷。 第2圖說明另一種習知技術對眼睛安全之電路。此電路為可 重新觸發電晶體電路，其在當電流超過設計臨界值時，將 流至LED之電流切斷。 當此LED電流大於某預設電流時，習知技術電路可以 偵測出。然而’在第1圖中之電路無法偵測出以下情形之故 障：其中此LED之陰極連接至接地電位(GROUND)，且炫絲 無法被輕易地整合至積體電路上。第2圖中之電路可以偵測 出此LED之陰極連接至接地電位(GROUND)電路之故障，但 此種電路難以在標準CMOS積體電路製程甲製造。 如同在第3圖中顯示，Kinoshita在1989年11月28日公止 1357190 之美國專利案號 USP4,884,280 “Semiconductor Laser Driving Device for Stablizing the Optical Output Thereof’ 中揭示使用一種監視用光二極體，其輸出顯示雷射之實際 輸出。比較器將顯示雷射參考輸出位準之參考信號與此監 5 視光二極體之信號相比較。此比較器之輸出信號反映此雷 射實際光學輸出位準中之改變。一不正常電流去除器控制 此比較器輸出，以致於此信號具有有限振幅。因此將供應 至雷射之驅動電流強迫減少至安全驅動電流位準。 在第4圖中顯示，由Kiely等人在1999年9月14日所公告 10 之美國專利案號 USP 5,953,355 “Semiconductor Laser Package With Power Monitoring System” 中揭示一種 VCSEL，其包括整合於VCSEL封裝蓋而非監視光二極體中 之功率監視系統。類似於Kinoshita所揭示之裝置，其使用 、監視系統之輸出以控制對雷射所供應之驅動電流。 15 【發明内容】 發明概要 在本發明中’將此具有電流輸出之驅動信號在提供給 雷射例如VCSEL之兩個電流設定值間調變。選擇此兩個電 流設定值以致於此雷射之功率輸出符合眼睛安全標準之平 20 均功率限制與尖峰功率限制。 在一實施例中，此驅動電路提供驅動信號其工作周期 在兩個電流設定值間切換，以致於此驅動信號之功率是在 眼睛安全位準標準之平均功率限制之下。將此電流設定值 下限設定為’用於此雷射之最小驅動信號。選擇功率周期 6 1357190 =Γ均功率限制與尖峰功率限制符合所給定電流設 限。例如’此電流設定值下限可以提㈣為低於平 5 10 於二均=之功率’而此電流設讀上限可以提供稍為高 、千句功輪制之功^因此，可以相鄉之1作周期。 —此驅動電路可以包括類比或數位裝置，用於維持電流 "疋值上與下限。當此驅動電路製成為積體電路(IC)時，可 以將數位·至·類比轉換器（DAC)整合於此選擇此DAC 之解析度’以維持所想要之電流設定值之下限與上限。 為了決疋用於雷射之設定值，可以實施以下步驟。將 ，雷射經由-㈣電流設定值依序剩。選擇此等電流設 定值中之兩個，以致於此雷射之功率輸出符合平均功率限 制與尖峰功率限制。 可以將此驅動電路整合於光學導引裝置中。在一說明 例中，光㈣鼠感測器包括此驅動電路，其電流輸出在兩 15個電流設定值間調變。此光學導引裝置更包括此雷射。在 操作中，將此經調變驅動信號提供給雷射。將此雷射光線 才又射於表面。此反射信號顯示由此表面所接收之位置資 料。將此投射與接收步驟重複。以周期方式比較此經反射 信號以確定位置資料中之差異。 20圖式簡單說明 第1圖說明習知技術之眼睛安全電路； 第2圖說明習知技術之另一眼睛安全電路； 第3圖說明習知技術用於雷射之監視光二極體電& ; 第4圖說明另一習知技術用於雷射之功率監視系統； 7 第5圖說明本發明之實施例； 第6A-B圖說明在第5圖中所示電流鏡中dac之實施 例； 第7圖說明用於最初測量100之過程流程圖；以及 第8圖說明用於正常操作2〇〇之過程流程圖。 t實施方式j 較佳實施例之詳細說明 本發明是有關於將雷射輸出功率維持在兩個位準之 間。當其使用於光學導引裝置中時，此第一位準為提供良 好追蹤所須最小功率，而第二位準為目前眼睛安全標準例 如1EC 60825·1或ANSIZ136.1所允許之最大功率輸出。此具 有線性溫度補償電路之固定電流驅動提供電流給垂直腔表 面發射式雷射（VCSEL)。選擇溫度補償斜率以匹配平均 VCSEL特徵例如+〇 25%/c。此在室溫之固定電流必須在理 想值之1或2%中以最適地維持溫度之功率窗口。 在本發明中，將其電流輸出在兩個電流設定值間調變 之驅動信號提供給雷射，例如：VESEL、邊緣發射雷射二 極體超共振腔led、高效率LED、以及任何以半導體為 主之光源。選擇此兩個電流設定值，以致於雷射之功率輸 出符合眼睛安全標準之平均功率限制與尖峰功率限制。 第5圖說明根據本發明實施例之系統1〇。此運算放大器 12接收在正輸入上之參考信號Vref。場效應電晶體(fet)m 之閘極純運算放Α^12之輸A，*其跡連接至運算放 大器12負的輸入。可變電阻器16連接介於阳叫之祕與接 地(ground)之間。第一電流鏡18之輸入連接至FET14之源 極。第二電流鏡2〇接收第一電流鏡18之輸出。雷射二極體 22連接介於電源電壓¥此與電流鏡2〇之間。 在操作t，此驅動電流提供驅動信號其工作周期在兩 個設定值間切換，以致於此驅動信號之功率在眼睛安全位 準標準之平均功率限制之下。選擇此工作周期以致於其平 均與尖峰功率限制符合所給定電流設定值上限。例如，電 流設定值之下限可以提供稍為低於平均功率限制之功率， 而電流設定值之上限可以提供稍為高於平均功率限制之功 率。可以使用50%之功率周期。 流設定值之下限與上限 在替代實施例中，此在第5圏中所示之第二電流⑽ 可以由類比調變器（未圖示）或DAC取代，用於維持所想要電 流設定值之下限上限。選擇DAC切析度以維持所想要電 為了決定雷射之電流設定值，可以採取以下步驟。使 雷射經由-系列設定值依序㈣。選擇此㈣流設定值之 兩個，以致於雷射之功率輸出符合平均功率限制與尖峰功 率限制。 此驅動電路可以整合於光學導 子Ή裝置中。在一說明例 中，此光學滑鼠感測器包括驅動電路，其電流輸出在兩個 電流設定值間調變。此光學導引裝置更包括雷射。在操作 中’將此纟謂變之㈣料提供给料4婦頻率可以 相對於導弓丨裝置電子開關顧為高（例如麵⑽上）。此調 變頻率亦可以相對於導引裝置之畫面率為低(例如每2至32 1357190 畫面改變一次）。此雷射光線投射在表面上，從此表面接收 反射信號，此信號顯示位置資料。將此投射與接收步驟重 複。將此所反射信號周期地比較以決定位置資料中之差異。 第6A-B圖說明以DAC之實施例，其取代第5圖中所示 5 電流鏡20〇 在第6A圖中，此3位元之數位-至-類比轉換器（dac)26 作用為電流控制。FET 28連接介於在第5圖中所示之第一電 ‘ 流鏡18與接地之間。FET 28之源極與閘極在節點八連接在一 起。對於第一陣列之FET 30x，X=L"13，各FET連接介於 _ 10第5圖中所示之雷射二極體22與接地之間。此等FET 3加之 閘極在節點A連接在一起。FET 28與此等FET 3〇具有相同之 貫體尺寸。對於第二陣列之FET 32y，y=〇,..6，各FET連接 介於第5圖中所示之雷射二極體與接地之間。在第二陣列之 FET中’各FET之閘極連接至各別開關34。各開關之極(p〇ie) 可以連接至節點A或接地。各開關之選擇器連接至各別解碼 器之輸出。 第6B圖說明使用7位元之DAC以提供電流控制。fet⑼ φ 連接介於在第5圖中所示第一電流鏡18與接地之間。ρΕτ 6〇 之閘極與源極在節點A連接在一起。取代在第68圖中所示 2〇第一陣列，此FET 62之寬度為FET 60寬度之65倍，連接介 ， 於第5圖中所示之雷射二極體與接地之間。 - 對於FET 64y，y=0〜6，將各FET 64之汲極連接至第5 圖之雷射二極體，將其源極連接至第二1^166丫之汲極。第 二FET 66之源極連接至接地。第二FET 66y之閘極連接至7 10 1357190 位元控制之數位控制值C0-C6。此等第一FET 64y之閘極在 節點A電性連接在一起。各FET 64x之尺寸是FET 60尺寸之 2X倍。 如同先前提及，可以將DAC加至控制VCSEL之積體電 5路(IC)。在第6A圖之實施例中，此控制硬體提供3位元值， 其藉由將0至7並聯之場效應電晶體(FET)去除連接而可在 5%之區間中改變電流。藉由在具有此等8個選擇之各2個最 接近之設定值間替換’可以無限準確度設定此電流之時間 平均值（以及因此雷射功率）。在電流中各5%步驟造成 10 VCSEL光線輪出中大約2〇%之改變。為了達成目標5%中之 雷射功率，此電流必須在理想值之大約1%中。藉由改變在 此等較低與較高電流間變化之工作周期，可以達成所想要 之平值。可以藉由改變DAC例如1位元或8位元之解析度而 改變公差。 15 例如，如果對於各組16個影像此光學導引裝置擷取16 個畫面，則此雷射電流對於n個晝面較高，對於16 n個晝面 較低，其平均電流為：

Iave= Il〇wer+^higher-Ilower>^ 16 备Ihigher大於u〇wer〜5%時，可以5%之16之一或0.3% 2〇之準確度調整平均值。這在調整溫度對於在典型雷射二極 體功率在所想要值之大約12%t是足夠的。將此功率預算 之整體用於剩餘之溫度變化。 第7圖說明用於初始測量1〇〇之過程流程圖。在步驟^ 11 1357190 中，在各校準步驟中測量功率。在步驟120中，設定此功率 裏校举少驟，以長:供正好在所想要平均功率以下之功率。 在夕驟I30中，設定此功率至校準步驟，以提供正好所想要 平均功率以上之功率。在步驟14〇中，計算此兩個功率位準 5間之工作周期。在步驟150中，儲存校準設定。 此儲存在s己憶體中之校準設定會由於雜訊事件而損 壞。以替代方式，為確保即使在此種情況下之安全操作， 町以將此設定與替代呈現(例如1之互補值）儲存於不同之記 憶體位址。可以規律之基礎將此兩種呈現比較以証實其完 10整性。當有效值不再可供使用時，可將此驅動電路缺設至 所允許最低平均電流（或將VCSEL關閉），以保持在眼睛安 全要求下。 第8圖說明用於正常操作2〇〇之過程流程圖。在步驟21〇 中 J 々 15〜從5己憶體摘取校準設定。在步驟220中，將校準設定傳 =至驅動電路。在步驟230中，將驅動電路應用此校準設 ^ 此結果導致接近於目標之平均雷射功率。 式簡單說明】 第1圖說明習知技術之眼睛安全電路； ,〇 第2圖說明習知技術之另一眼睛安全電路； 苐3圖說明習知技術用於雷射之監視光二極體電路； 第4圖說明另一習知技術用於雷射之功率監視系統； 第5圖說明本發明之實施例； 第6A-B圖說明在第5圖中所示電流鏡中dAC之實施 例； 12 1357190 第7圖說明用於最初測量100之過程流程圖；以及 第8圖說明用於正常操作200之過程流程圖。 【主要元件符號說明】 5x...電流鏡 64...場效應電晶體 1 Ox...電流鏡 66...場效應電晶體 10...糸統 100...最初測量 12...運算放大器 110...步驟 14...場效應電晶體 120...步驟 16...可變電阻器 130···步驟 18...第一電流鏡 140...步驟 20…第二電流鏡 150…步驟 22...雷射二極體 200...正常操作 28...場效應電晶體 210...步驟 30...場效應電晶體 220...步驟 32...場效應電晶體 230...步驟 34...開關 C0-C6...數位控制值 60...場效應電晶體 LED...發光二極體 62...場效應電晶體 Vdd...電源電壓

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Claims (1)

1. 第093130576號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(100年8月） 十、申請專利範圍： 1. 一種控制系統，包括： 一. 一驅動電路，其經組態以在一期望之工作周期提供調變 於一最小電流設定值及一最大電流設定值之間的一 驅動信號；以及 一雷射，其經組態以接收該驅動信號及產生—輪出，其’ 中該最大電流設定值及該最小電流設定值之間之一 差異使得該雷射的輸出功率可由該驅動信號控制在 對溫度之一期望之輸出功率的約百分之二以内。 2·如申請專利範圍第1項之控制系統，其中該雷射為一以 半導體為主之雷射。 3. 如申請專利範圍第2項之控制系統，其中該以半導體為 主之雷射是選自包括下列各者之—群組：垂直腔表面發 射式雷射、邊緣發射雷射二極體、超共振腔發光二極體 (LED)、以及高效率發光二極體。 4. 如申請專利範圍第旧之控制系統，其中該驅動電路更 包括一數位-至-類比轉換器。 5. 如申請專利範圍第旧之控制系統，其中該雷射之該輸 出功率低於一選擇之平均功率限制。 μ 6. 如申請專利範圍第i項之控制系統，其中該雷射之該輸 出功率低於一選擇之尖峰功率限制。 7. 如申請專利範圍第i項之控制系統，其中該最小電流設 定值與該最大電流設定值為相鄰電流設定值。， 8. 如申請專利範圍第5項之控制系统，其中該選擇之平均 125993-1000824.doc 1357190 # ^ 功率限制對應於至少一最小操作位準以投射及接收一 反射信號。 9. 一種光學導引裝置，包括： —光學滑鼠感測器，其包括一驅動電路，該驅動電 路經組態以在一期望之工作周期提供具有調變於一最 小電流設定值及一最大電流設定值之間的一電流輸出 之一驅動信號；以及 一雷射，其經組態以接收驅動信號及產生一輸出， 其中該最大電流設定值及該最小電流設定值之間之一 差異使得該雷射的輸出功率可由該驅動信號控制在對 溫度之一期望之輸出功率的約百分之二以内。 10.如申請專利範圍第9項之光學導引裝置，其中該雷射為 一垂直腔表面發射式雷射。 如申請專利範圍第9項之光學導引裝置，其中該驅動電 路更包括一數位-至-類比轉換器。 12_如申請專利範圍第9項之光學導引裝置，其中該雷射之 該輸出功率低於一選擇之平均功率限制。 13. 如申請專利範圍第9項之光學導引裝置，其中該雷射之 該輸出功率低於一選擇之尖峰功率限制。 14. 如申請專利範圍第9項之光學導引裴置，其中該最小電 流6又疋值及該最大電流設定值為相鄰電流設定值。 15·如申請專利範圍第12項之光學導弓丨裝置，其中其中該選 擇之平均功率限制對應於至少-最小操作位準以投射 及接收一反射信號。 -2· 125993-1000824.doc 1357190 16. —種控制方法，包括以下步驟： 將雷射在一系列電流設定值中依序排列； 從該系列電流設定值選擇一最小電流設定值及一 最大電流設定值； 在一期望之工作周期於該最小電流設定值及該最 大電流設定值之間進行調變以產生一驅動信號；及 將該驅動信號施加至該雷射以驅動該雷射， 其中該最大電流設定值及該最小電流設定值之間 之一差異使得該雷射的輸出功率可由該驅動信號控制 在對溫度之一期望之輸出功率的約百分之二以内。 17. 如申請專利範圍第16項之控制方法，其中該雷射之該輸 出功率低於一選擇之平均功率限制。 18. 如申請專利範圍第16項之控制方法，其中該雷射之該輸 出功率低於一選擇之尖峰功率限制。 19. 如申請專利範圍第16項之控制方法，其中該最小電流設 定值與該最大電流設定值為相鄰電流設定值。 20. —種光學導引方法，包括以下步驟： 將經調變之一雷射光束投射於一表面，其包括： 在一期望之工作周期於該最小電流設定值及該 最大電流設定值之間進行調變以產生一驅動信號；及 將該驅動信號施加至該雷射以驅動該雷射， 其中該最大電流設定值及該最小電流設定值之 間之一差異使得該雷射的輸出功率可由該驅動信號 控制在對溫度之一期望之輸出功率的約百分之二以 125993-1000824.doc 1357190 •r i · **.# 内； 接收來自該表面之一反射信號；其中，該反射信號 顯示位置資料； 重複投射與接收之步驟；以及 比較該等反射信號以決定位置資料之差異。 21. 如申請專利範圍第20項之光學導引方法，其中該雷射之 該輸出功率低於一選擇之平均功率限制。 22. 如申請專利範圍第21項之光學導引方法，其中該雷射之 該輸出功率低於一選擇之尖峰功率限制。 23. 如申請專利範圍第21項之光學導引方法，其中該最小電 流設定值與該最大電流設定值為相鄰電流設定值。 125993-1000824.doc 4-