СХЕМА ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ СИГНАЛА УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМ ДИОДОМ
LASER DIODE CONTROL SIGNAL GENERATING CIRCUIT

Настоящее изобретение относится к схеме для генерации сигнала управления лазерным диодом.
Применение лазерных источников света, в частности в лазерных проекционных системах для проецирования изображений (диа-, видео-, кинопроекторы), делает возможным формирование изображений с очень большим цветовым пространством. Однако качество изображения ухудшается так называемыми спеклами. Спеклы возникают, когда когерентный свет, например лазерный свет, падает на поверхность и там рассеивается, как это происходит, например, при падении лазерного света на проекционный экран. При этом в точке наблюдения перекрываются световые волны, исходящие от всех центров рассеяния, что приводит, с одной стороны, к деструктивным интерференциям, при которых перекрывающиеся световые волны гасят друг друга, из-за чего в точке наблюдения возникают пятна, а с другой стороны - к конструктивным интерференциям, при которых перекрывающиеся световые волны взаимно усиливаются, вследствие чего возникают светлые пятна. В целом это приводит к тому, что изображение воспринимается зернистым, вследствие так называемого эффекта лазерных спеклов. Поскольку это явление снижает качество изображения, уменьшение спеклов является весьма желательным.
В публикации WO 97/02507 А1 описана оптическая система, содержащая вращающееся зеркало, окружаемое коническим рефлектором. В результате вращения зеркала лазерный свет направляется на боковую поверхность конического рефлектора. За счет одновременного с направлением света быстрого движения происходит смешивание интерференционных явлений, благодаря чему они зрительно уже не воспринимаются.
Однако известному устройству присущ тот недостаток, что в нем используются механически движущиеся компоненты, что делает его практическую реализацию сравнительно сложной, особенно в мобильных проекторах. Кроме того, это делает невозможной миниатюризацию устройства, необходимую для мобильных систем.
Поэтому в основу настоящего изобретения была положена задача разработки (электрической) схемы, держателя лазерного диода, проектора для проецирования изображений, в том числе с таким лазерным диодом, а также способа настройки схемы, в которых устранялись бы недостатки уровня техники и которые были, в частности, сравнительно простыми в осуществлении при обеспечении точного согласования высокочастотного модулятора с рабочими параметрами лазерного диода.
Поставленная задача решается в схеме для генерации модулированного сигнала управления лазерным диодом на основании сигнала управления лазерным диодом, содержащей высокочастотный модулятор для модуляции сигнала управления лазерным диодом посредством модулирующего сигнала и согласующее средство для настройки высокочастотного модулятора, которое сконфигурировано или выполнено конфигурируемым в зависимости по меньшей мере от одной рабочей информации, характеризующей лазерный диод, за счет того, что рабочая информация, характеризующая лазерный диод, включает в себя рабочую силу тока и/или рабочее напряжение лазерного диода. При этом регистрируются и используются для генерации сигнала добротности только составляющие высокочастотной модуляции по величине и фазе. Это обеспечивает возможность сравнительно точного согласования высокочастотного модулятора с рабочими параметрами лазерного диода.
Регистрация высокочастотной составляющей рабочей силы тока и рабочего напряжения лазерного диода может выполняться различным образом: в рамках одной реализации оба сигнала регистрируют во временной области с помощью быстродействующего звена квантования, а величину и фазу сигналов определяют путем квантования (дискретизации) с временным разрешением.
Предлагаемые в изобретении схема, держатель лазерного диода, проектор для проецирования изображений, а также способ настройки высокочастотного модулятора в схеме для генерации модулированного сигнала управления лазерным диодом на основании сигнала управления лазерным диодом обладают по сравнению с уровнем техники тем преимуществом, что они дают электронное решение по уменьшению спеклов, обеспечивающее оптимальную настройку (мощности) высокочастотного модулятора, или модулирующего сигнала, на основе зависимости конфигурации согласующего средства от рабочей информации, характеризующей лазерный диод, при обеспечении точного согласования высокочастотного модулятора с рабочими параметрами лазерного диода. Такая настройка выгодна тем, что позволяет вводить в лазерный диод максимально большую часть электрической мощности сигнала управления лазерным диодом. Доля отраженной мощности поддерживается при этом как можно меньшей. Благодаря этому располагаемая электрическая мощность может использоваться для генерации лазерного излучения с высокой эффективностью.
При осуществлении изобретения достигается значительное улучшение качества изображения, воспроизводимого посредством лазерных проекционных технологий, поскольку при этом, в частности, обеспечивается сравнительно хорошее уменьшение спеклов. Предлагаемое в изобретении решение реализовано электронными средствами. Это позволяет обходиться без механических подвижных деталей. Преимуществом изобретения является возможность миниатюризации схемы и обусловленные этим широкие возможности ее интеграции в проекционную систему. Полезна также возможность адаптации этой схемы к различным лазерным диодам и длинам электрических или оптических линий, причем такая адаптация осуществляется автоматически. Еще одним преимуществом является то, что схема может комбинироваться с другими уменьшающими спеклы мероприятиями и что схема способна работать с лазерными диодами различных производителей. Схема может применяться в самых разных лазерных проекционных системах, в частности, поскольку изобретением предусматривается эффективное уменьшение длин когерентности непосредственно на лазерном диоде. Поэтому изобретение также особенно подходит для мобильных приложений. При этом лазерными проекционными системами, в которых осуществимо изобретение, являются как простые системы, например лазерные указки или лазерные дальномеры, так и формирующие изображения (изображающие) системы, например лазерные проекторы. Благодаря подстройке высокочастотного модулятора, или модулирующего сигнала, к эксплуатационной ситуации мощность модулирующего сигнала используется оптимально, что дает, в частности, сравнительно хорошее уменьшение спеклов. Преимуществом изобретения является также возможность реализации схемы при сравнительно невысоких затратах. Также изобретение выгодно тем, что предлагаемая схема может применяться для уменьшения спеклов во всех лазерных проекционных системах, например в портативных проекторах или в индикаторах на лобовом стекле.
Согласующее средство, входящее в состав предлагаемой в изобретении схемы, предпочтительно конфигурируется однократно, во время изготовления схемы, и остается в этой конфигурации. Конфигурирование может выполняться под рабочие параметры определенного типа лазерных диодов или же под выбранный лазерный диод. Вместе с тем, согласующее средство также может оставаться готовым к дальнейшему конфигурированию и, например, может быть выполнено с возможностью его непрерывного конфигурирования в процессе работы проектора в зависимости от рабочей информации, характеризующей лазерный диод. Целесообразно, чтобы согласующее средство также было конфигурируемым под другой лазерный диод, что позволяет заменять лазерные диоды в держателе лазерного диода.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения указаны в зависимых пунктах его формулы, а также рассмотрены в описании, поясняемом чертежами.
Модуляция сигнала управления лазерным диодом вызывает возникновение различных колебательных мод лазерного диода и/или перестройку длины волны лазерного излучения в пределах одной или нескольких колебательных мод, а значит, и уменьшение длины когерентности лазерного света за счет, например, совместного возникновения сравнительно большого числа колебательных мод лазерного диода. Для сравнительно больших (по сравнению с периодом модуляции) времен наблюдения в среднем возникает состояние с расширенным спектром длин волн. Это расширение спектра длин волн вызывает уменьшение длины когерентности. Уменьшенная длина когерентности дает выгодное уменьшение контраста в спекл-картине.
Предпочтительно, чтобы предлагаемая в изобретении схема была встроена в держатель лазерного диода, причем держателем лазерного диода может быть, например, гнездо или же корпус для лазерного диода. Вместе с тем, схема может быть реализована в виде отдельных узлов. Благодаря настройке высокочастотного модулятора, или модулирующего сигнала, мощность, генерируемая высокочастотным модулятором, вводится в лазерный диод с обеспечением максимально эффективной модуляции работы лазерного диода. Предпочтительно, чтобы предлагаемая в изобретении схема могла использоваться для нескольких лазерных диодов, или одна схема может быть предусмотрена для каждого из нескольких лазерных диодов, например для трех лазерных диодов: красного, зеленого и синего.
Согласующее средство может быть выполнено отдельным (изолированным) или в виде интегральной схемы. Согласующее средство предпочтительно состоит из активных компонентов. Согласующее средство предпочтительно имеет регулируемые емкости (например варикапы). Также предпочтительна возможность подключения отдельных емкостей, которые предпочтительно выполнены в виде микроэлектромеханической системы (МЭМС) или в виде полевого МОП-транзистора (полевого транзистора со структурой металл-оксид-полупроводник). Изменение уровня полного выходного сопротивления высокочастотного модулятора предпочтительно достигается путем отключения или подключения параллельных транзисторных выходных каскадов. Также предпочтительно посредством выключателей подключать/отключать индуктивности, причем предпочтительно последовательное включение индуктивностей.
В еще одном варианте оба сигнала (напряжения и силы тока) регистрируют путем их смешивания с высокочастотным опорным сигналом той же самой или близкой частоты. На основании полученного сигнала определяют величину и фазу высокочастотной составляющей.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагаемая в изобретении схема сконфигурирована для генерации сигнала добротности на основании отношения рабочего напряжения U к рабочей силе тока I лазерного диода. Генерация сигнала добротности выгодна тем, что требуется лишь анализ сигнала добротности.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагаемая в изобретении схема содержит направленный ответвитель для измерения рабочей информации, характеризующей лазерный диод. Применение направленного ответвителя выгодно тем, что позволяет получать информацию в отношении модулирующей мощности, вводимой высокочастотным модулятором, и модулирующей мощности, отраженной от лазерного диода. Путем сравнения вводимой модулирующей мощности с отраженной модулирующей мощностью также можно вычислять сигнал добротности.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения высокочастотный модулятор сконфигурирован для генерации модулирующего сигнала с частотой модуляции, большей или равной 150 МГц и меньшей или равной 1,5 ГГц, предпочтительно большей или равной 200 МГц и меньшей или равной 1,0 ГГц. Для формирующих изображения проекционных систем, в которых лазерный луч пишет изображение попиксельно, нижняя граница диапазона значений частоты модуляции определяется произведением числа пикселей проецируемого изображения и частоты регенерации изображения проекционной системы. Эта нижняя граница диапазона значений частоты модуляции также может умножаться на дополнительный коэффициент, значение которого равно, например, двум, трем или выше. Преимуществом этой высокочастотной модуляции сигнала управления лазерным диодом является особенно эффективное уменьшение спеклов.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения согласующее средство сконфигурировано для настройки высокочастотного модулятора путем коррекции частоты модулирующего сигнала и/или путем коррекции полного выходного сопротивления высокочастотного модулятора. Это обеспечивает возможность регулируемой (переменной) и сравнительно эффективной настройки высокочастотного модулятора. Предпочтительно, чтобы коррекция частоты модулирующего сигнала выполнялась при постоянном полном выходном сопротивлении высокочастотного модулятора, или чтобы коррекция полного выходного сопротивления высокочастотного модулятора выполнялась при постоянной частоте модулирующего сигнала.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения согласующее средство сконфигурировано таким образом, чтобы модулировать сигнал управления лазерным диодом посредством модулирующего сигнала или посредством дополнительного модулирующего сигнала. При этом дополнительный модулирующий сигнал формируется, в частности, путем итерации и соответствует улучшенной настройке модулирующего сигнала (например, в связи с изменившимися рабочими параметрами лазерного диода). Дополнительный модулирующий сигнал может иметь, например, иную частоту модуляции, но также может иметь ту же частоту модуляции, что и модулирующий сигнал. Согласующее средство может, например, реконфигурироваться (неоднократно) во время работы проектора, что позволяет адаптировать конфигурацию схемы во время работы проектора.
Объектом изобретения является также держатель лазерного диода, в частности гнездо или же корпус для лазерного диода, имеющий схему, выполненную по одному из рассмотренных выше вариантов осуществления изобретения.
Объектом изобретения является также проектор, в частности проектор для проецирования изображений, имеющий держатель лазерного диода, снабженный схемой, выполненной по одному из рассмотренных выше вариантов осуществления изобретения. В предпочтительном исполнении в составе проектора предусмотрено два, три или более держателей лазерного диода.
Объектом изобретения является также проектор, в частности проектор для проецирования изображений, имеющий держатель лазерного диода, снабженный схемой, выполненной по одному из рассмотренных выше вариантов осуществления изобретения, и лазерным диодом. В предпочтительном исполнении в составе проектора предусмотрено два, три или более держателей лазерного диода.
Объектом изобретения является также способ настройки высокочастотного модулятора в схеме для генерации модулированного сигнала управления лазерным диодом на основании сигнала управления лазерным диодом, причем в качестве рабочей информации, характеризующей лазерный диод, измеряют рабочую силу тока и/или рабочее напряжение лазерного диода. Это обеспечивает возможность сравнительно точного согласования высокочастотного модулятора с рабочими параметрами лазерного диода.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения рабочую информацию, характеризующую лазерный диод, измеряют с помощью направленного ответвителя. Применение направленного ответвителя выгодно тем, что позволяет получать информацию в отношении модулирующей мощности, вводимой высокочастотным модулятором, и модулирующей мощности, отраженной от лазерного диода. Путем сравнения вводимой модулирующей мощности с отраженной модулирующей мощностью также можно вычислять сигнал добротности. Высокочастотный модулирующий сигнал предпочтительно аддитивно накладывается на импульс управления лазером. В проекторах для проецирования изображений это наложение преимущественно осуществляется перед видеоусилителем или за ним.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения сигнал управления лазерным диодом модулируют посредством модулирующего сигнала с частотой модуляции, большей или равной 150 МГц и меньшей или равной 1,5 ГГц, предпочтительно большей или равной 200 МГц и меньшей или равной 1,0 ГГц. Для формирующих изображения проекционных систем, в которых лазерный луч пишет изображение попиксельно, нижняя граница диапазона значений частоты модуляции определяется произведением числа пикселей проецируемого изображения и частоты регенерации изображения проекционной системы. Эту нижнюю границу диапазона значений частоты модуляции предпочтительно умножать на дополнительный коэффициент, значение которого равно, например, двум или выше. Преимуществом этой высокочастотной модуляции сигнала управления лазерным диодом является особенно эффективное уменьшение спеклов.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения согласующее средство корректирует частоту модулирующего сигнала. В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения согласующее средство корректирует полное выходное сопротивление высокочастотного модулятора. Это обеспечивает возможность регулируемой (переменной) и сравнительно эффективной настройки высокочастотного модулятора. Предпочтительно, чтобы коррекция частоты модулирующего сигнала выполнялась при постоянном полном выходном сопротивлении высокочастотного модулятора, или чтобы коррекция полного выходного сопротивления высокочастотного модулятора выполнялась при постоянной частоте модулирующего сигнала.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения на третьем этапе выполнения способа определяют по меньшей мере одну дополнительную рабочую информацию, характеризующую лазерный диод, а на четвертом этапе в зависимости от этой дополнительной рабочей информации конфигурируют согласующее средство схемы для настройки высокочастотного модулятора для генерации дополнительного модулирующего сигнала. При этом дополнительный модулирующий сигнал формируется, в частности, путем итерации и соответствует улучшенной настройке модулирующего сигнала (например, в связи с изменившимися рабочими параметрами лазерного диода). Дополнительный модулирующий сигнал может иметь, например, иную частоту модуляции, но также может иметь ту же частоту модуляции, что и модулирующий сигнал. Согласующее средство может, например, реконфигурироваться (неоднократно) во время работы проектора, что позволяет адаптировать конфигурацию схемы во время работы проектора.
Ниже рассматриваются варианты осуществления настоящего изобретения, поясняемые чертежами, на которых показано:
на фиг. 1 - предлагаемая в изобретении схема в одном варианте ее выполнения,
на фиг. 2 - предлагаемая в изобретении схема в другом варианте ее выполнения,
на фиг. 3 - проектор для проецирования изображений и держатель лазерного диода в одном из вариантов осуществления изобретения,
на фиг. 4 - проектор для проецирования изображений в одном из вариантов осуществления изобретения и
на фиг. 5а, 5б, 5в и 5г - варианты выполнения согласующих схем.
Одни и те же элементы на разных чертежах снабжены одинаковыми номерами позиций и поэтому они, как правило, характеризуются только при первом упоминании.
На фиг. 1 изображена предлагаемая в изобретении электрическая схема 100 в одном варианте ее выполнения, причем в состав схемы 100 входят компоненты, находящиеся на чертеже внутри замкнутой штриховой линии. На вход схемы 100 поступает сигнал 5 управления лазерным диодом. Схема 100 содержит высокочастотный модулятор 6, согласующую схему 9, сопротивление (резистор) 11 и схему 10 обработки сигналов. Сигнал 5 управления лазерным диодом может быть немодулированным или уже модулированным сигналом, непрерывным или прерывистым сигналом. Высокочастотный модулятор 6 генерирует модулирующий сигнал, посредством которого модулируется сигнал 5 управления лазерным диодом. Таким образом, сигнал 5 управления лазерным диодом преобразуется высокочастотным модулятором 6 и следующей за ним согласующей схемой 9 в модулированный сигнал 51 управления лазерным диодом. Этот модулированный сигнал 51 управляет лазерным диодом 2. Измеряется рабочее напряжение U и рабочую силу тока I лазерного диода. На основании рабочего напряжения U и рабочей силы тока I лазерного диода в схеме 10 обработки сигналов вычисляется сигнал 12 добротности, передаваемый непосредственно в согласующую схему 9.
Применение высокочастотной модуляции сигналов управления лазерными диодами с частотами в диапазоне от 150 МГц до 1,5 ГГц обеспечивает уменьшение спеклов. В частности, в результате этой модуляции возникает больше колебательных мод лазерного диода, что ведет к расширению светового спектра, излучаемого лазерным диодом. Перестройка длины волны лазерного диода нарушает временную когерентность излучаемого лазерного излучения и таким образом ведет к уменьшению его длины когерентности. В проецируемом изображении это проявляется отчетливым уменьшением спеклов. При этом не только уменьшается контраст спеклов, но и сами спеклы становятся более мелкозернистыми и тем самым в меньшей степени мешают наблюдателю. Эта высокочастотная модуляция сигнала управления лазерным диодом предпочтительно может быть встроена в проекционную систему генератором высокой частоты различным образом. Схема 100 может быть встроена в корпус или держатель лазерного диода непосредственно у лазерного диода. Вместе с тем, схема 100 может быть расположена и вне корпуса лазерного диода. Для настройки высокочастотного модулятора 6, или модулирующего сигнала, предусмотрено два метода (используемых по отдельности или вместе). Во-первых - коррекция частоты модуляции, предпочтительно при постоянном полном выходном сопротивлении модулятора, а во-вторых - коррекция полного сопротивления, т.е. изменение полного выходного сопротивления модулятора посредством активных и/или пассивных компонентов. Для этого предпочтительно использовать настраиваемые емкости либо подключение и отключение транзисторов в согласующей схеме.
На фиг. 2 предлагаемая в изобретении схема 100 изображена в другом варианте ее выполнения, причем в состав схемы 100 входят компоненты, находящиеся на чертеже внутри замкнутой штриховой линии. Эта схема 100 отличается от схемы 100, изображенной на фиг. 1, тем, что в ее состав входит направленный ответвитель 20. Направленный ответвитель 20 на основании сигнала 51 управления лазерным диодом определяет напряжение Ur и напряжение Uh. При этом напряжение Uh служит мерой интенсивности потребляемой мощности (прямо проходящая волна), а напряжение Ur - мерой интенсивности отраженной мощности (обратно проходящая волна). Напряжение Ur и напряжение Uh анализируются в схеме 10 обработки сигналов, при этом вычисляется сигнал 12 добротности. Сигнал 12 добротности передается непосредственно в согласующую схему 9.
На фиг. 3 схематически изображен проектор 4 для проецирования изображений и держатель 1 лазерного диода в одном варианте осуществления изобретения. Держатель 1 лазерного диода имеет корпус 3. Держатель 1 лазерного диода вмещает лазерный диод 2. В этом варианте в держателе 1 лазерного диода предпочтительно расположена предлагаемая в изобретении схема 100, изображенная на фиг. 1. Проектор 4 для проецирования изображений, а именно формирующий изображения электронный блок 40, посылает сигнал 45 изображения в видеоусилитель 7. Видеоусилитель 7 посылает в схему 100 сигнал 5 управления лазерным диодом, который уже модулирован информацией, содержащейся в изображении. К схеме 100 относятся пояснения, приведенные выше со ссылкой на фиг. 1. В схеме 100 на основании сигнала 5 управления лазерным диодом генерируется модулированный сигнал 51 управления лазерным диодом. Схема 100 может быть встроена в корпус видеоэлектроники. Вместе с тем, схема 100 может быть расположена и вне корпуса видеоэлектроники.
На фиг. 4 схематически изображен проектор 4, в частности проектор 4 для проецирования изображений в одном варианте осуществления изобретения. Предпочтительно, чтобы проектор 4 для проецирования изображений содержал предлагаемую в изобретении схему, показанную на фиг. 2. Сигнал 51 управления лазерным диодом передается проектором 4 для проецирования изображений на обычный держатель 1 лазерного диода, или лазерный диод 2.
На фиг. 5а, 5б, 5в и 5г в качестве примеров схематически показаны варианты выполнения согласующих схем. На фиг. 5а представлена согласующая схема 9 с транзистором 501, двумя регулируемыми емкостями 502, 504 и регулируемой индуктивностью 503 в виде пропорционально-интегрирующего звена. Пропорционально-интегрирующее звено представляет собой форму выполнения фильтра нижних частот и заданным образом преобразует отношение тока и напряжения. Из литературы известны и другие формы выполнения (фильтр другого порядка, Т-образная структура и т.д.). На фиг. 5б представлена еще одна согласующая схема 9 с тремя параллельно включенными транзисторами 505, причем троеточие на чертеже означает возможность применения дополнительных параллельно включенных транзисторов. С помощью этой схемы устанавливается изменяемый уровень полного сопротивления. Для этого в зависимости от требуемого уровня полного сопротивления подключаются или отключаются несколько транзисторов. На фиг. 5в представлен еще один элемент согласующей схемы 9 с индуктивностью 506, подключаемой или отключаемой посредством выключателя 507. С помощью этого устройства реактивную составляющую полного сопротивления можно изменять на величину индуктивности. Последовательное включение нескольких элементов обеспечивает возможность ступенчатой регулировки реактивной составляющей полного сопротивления.
На фиг. 5 г показан еще один элемент согласующей схемы 9 с тремя параллельно включенными емкостями 509, каждая из которых подключается и отключается выключателем 508. Троеточие на чертеже означает возможность применения дополнительных емкостей. Параллельное включение емкостей также позволяет ступенчато регулировать реактивную составляющую полного сопротивления.