По отдельности управляемая матрица излучающих элементов

Изобретение относится к способу и схеме для возбуждения матрицы излучающих элементов, например лазерных диодов или светодиодов. Техническим результатом является обеспечение способа и устройства для управления матрицей VCSEL или матрицей излучающих элементов других типов, посредством которых обеспечивается матрица с высокой плотностью мощности и/или высоким быстродействием. Результат достигается последовательным соединением излучающих элементов (например, лазерно-диодных пикселей). В таком пикселированном возбудителе число компонентов и сложность в расчете на пиксель снижаются путем последовательного соединения как можно большего количества излучающих элементов, запитывания цепочки одним возбудителем с управляемым током, шунтирования пикселей, которые должны находиться в выключенном состоянии, переключателем, подключенным параллельно к излучающему элементу, локального сохранения двоичной информации включения/отключения для каждого пикселя, создания буферного питания для переключателей, и управления переносом информации в буферное хранилище и переключателями. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к способу и схеме для возбуждения матрицы излучающих элементов, например лазерных диодов или светодиодов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Во многих приложениях печати и обработки лазеры или лазерные диоды используются для нагрева или освещения мишени с использованием сканирующего и модулированного пучка. Пучок осуществляет сканирование в двух измерениях, в то время как мощность модулируется с высокой частотой для достижения необходимых рисунков на мишени.

В порядке примера, лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором (VCSEL) является разновидностью полупроводникового лазерного диода, излучающего лазерный пучок перпендикулярно к верхней поверхности, в отличие от традиционных полупроводниковых лазеров краевого излучения (или плоскостных лазеров), которые излучают с поверхностей, формируемых скалыванием отдельного кристалла от пластины.

Применение технологии VCSEL допускает новый подход для увеличения общей скорости и в то же время позволяет снизить стоимость лазерного источника. В порядке примера, можно построить линию по отдельности управляемых пикселей, тогда как сканирование производится только в одном измерении, по аналогии с процессом сканирования, используемым в планшетных сканерах для документов. Такие пикселированные источники были реализованы, после чего была поставлена задача увеличения размера и мощности согласно желаемым требованиям.

Однако при использовании такой концепции в полной мере требуется большое количество по отдельности управляемых VCSEL. В то же время, увеличение быстродействия также означает, что полная мощность каждого лазерного диода должна оставаться очень высокой. В порядке примера, если для каждого пикселя требуются шаг 100 мкм и уровень тока 0,5 А при 2 В, это добавляет до 1500 А полного тока для 30 см длины линии. Большое количество и диаметр такой проводки не позволяет построить решение. Традиционные подходы к решению этой проблемы предусматривают использование мультиплексной проводки, например 55 положительных и 55 отрицательных соединений для 3000 пикселей. Для такого решения время включения одного пикселя ограничивается 1/55 времени и ток в течение этого времени в 55 раз больше среднего. Легко видеть, что такая экстремальная пульсация выходит за пределы возможностей кристаллов VCSEL, и что при этом также проводка из 110 проводов при токе 27,5 А все еще требует большого диаметра.

В решениях, относящихся к дисплею, локальный транзистор добавляет отдельное управление в каждый пиксель. Таким образом, только сигнал статуса управления должен поступать по отдельности (либо последовательно, либо мультиплексно) на каждый пиксель, и питание подается глобально. Кроме того, это решение нелегко масштабировать до высокой плотности мощности, используемой в матрицах VCSEL.

В WO 2008/129504 A1 раскрыто устройство для индивидуального возбуждения элементов ОСИД/СИД цепочки ОСИД/СИД.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является обеспечение способа и устройства для управления матрицей VCSEL или матрицей излучающих элементов других типов, посредством которых обеспечивается матрица с высокой плотностью мощности и/или высоким быстродействием.

Эта задача решается посредством схемы по п. 1, способа по п. 14 и компьютерного программного продукта по п. 15.

Соответственно, высоких значений мощности можно добиться последовательным соединением пикселей для увеличения полного напряжения. Пиксельная цепочка матрицы может запитываться одним возбудителем с управляемым током, тогда как пиксели, которые должны находиться в выключенном состоянии, шунтируются переключателем, подключенным параллельно к соответствующему излучающему элементу. Кроме того, двоичная информация включения/отключения для каждого пикселя локально сохраняется, и создается буферное питание для индивидуальных переключателей, что позволяет индивидуально управлять переносом информации в буферное хранилище и переключателями для достижения эффективной реализации схемы. Таким образом, число компонентов и сложность в расчете на пиксель предложенного пикселированного возбудителя можно снизить до абсолютного минимума, что позволяет добиться высокой плотности мощности и высокого быстродействия.

Согласно первому аспекту, локальный элемент хранения и локальный элемент буферного питания можно реализовать посредством конденсатора. Это обеспечивает простое решение хранения информации и локального электропитания.

Согласно второму аспекту, который можно комбинировать с вышеупомянутым первым аспектом, можно обеспечить локальный управляющий контакт для управления первой локальной схемой для установки двоичной информации соответствующего локального элемента хранения из множества локальных элементов хранения в заранее определенное первое состояние. Таким образом, каждым излучающим элементом можно управлять индивидуально и устанавливать его в первое состояние (например, состояние включения питания).

Согласно третьему аспекту, который можно комбинировать с вышеупомянутым первым или вторым аспектом, первая локальная схема может быть выполнена с возможностью запитывания соответствующего локального элемента буферного питания из множества локальных элементов буферного питания в ответ на локальный управляющий контакт. Таким образом, локальный управляющий контакт также можно использовать для индивидуальной подачи энергии на локальные элементы буферного питания для снижения сложности схемы.

Согласно четвертому аспекту, который можно комбинировать с любым из вышеупомянутых аспектов с первого по третий, общий управляющий контакт можно обеспечить для управления второй локальной схемой для сброса двоичной информации всех локальных элементов хранения. Таким образом, единичный управляющий вход можно использовать для сброса всех излучающих элементов в другое двоичное состояние, т.е. второе состояние, которое может быть состоянием отключения питания.

Согласно пятому аспекту, который можно комбинировать с любым из вышеупомянутых аспектов с первого по четвертый, схема может быть выполнена с возможностью подачи информации управления на локальный или общий управляющий контакт в течение промежутков между импульсами матрицы излучающих элементов. Промежутки между импульсами можно генерировать посредством общего управляющего контакта или с использованием источника тока.

Согласно шестому аспекту, который можно комбинировать с вышеупомянутым пятым аспектом, множество других локальных элементов хранения можно обеспечить для сохранения двоичной информации, подлежащей использованию для определения состояния переключения соответствующих переключающих элементов в следующем импульсе питания импульсным током.

Меры согласно пятому и шестому аспектам также служат для обеспечения эффективной реализации передачи и хранения с минимальным числом компонентов.

Схему согласно любому из вышеупомянутых аспектов можно обеспечить в устройстве освещения совместно с матрицей излучающих элементов, которая, необязательно, может содержать цепочку последовательно соединенных излучающих элементов. Затем единичный источник тока может использоваться для подачи тока на цепочку излучающих элементов и, необязательно, может быть выполнен с возможностью генерации питание импульсным током для цепочки излучающих элементов.

Предложенную схему возбуждения можно реализовать в виде компьютерного программного продукта, хранящегося на машиночитаемом носителе или загружаемого из сети, который содержит кодовое средство для выполнения этапов способа по п. 14 при выполнении на вычислительном устройстве.

Ниже приведены другие предпочтительные варианты осуществления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и пояснены со ссылкой на описанные ниже варианты осуществления.

Изобретение будет описано ниже, в порядке примера, на основании вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.

НА ЧЕРТЕЖАХ:

фиг. 1 демонстрирует упрощенную блок-схему схемы возбуждения согласно первому варианту осуществления;

фиг. 2 демонстрирует упрощенную принципиальную схему участка схемы для возбуждения единичного пикселя, согласно второму варианту осуществления;

фиг. 3 демонстрирует упрощенную принципиальную схему схемы возбуждения, построенную из множества участков схемы согласно второму варианту осуществления;

фиг. 4 демонстрирует графики форм волны для первого примера операции с импульсным источником;

фиг. 5 демонстрирует графики форм волны для второго примера операции с источником постоянного действия; и

фиг. 6 демонстрирует участок графиков форм волны, показанных на фиг. 5, для второго примера операции с увеличенным разрешением по времени.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Различные варианты осуществления изобретения описаны ниже на основании схемы возбуждения, обеспеченной для возбуждения матрицы лазерных диодов La1 - La-n, которые могут быть VCSEL, устройства освещения.

Фиг. 1 демонстрирует упрощенную блок-схему устройства освещения со схемой возбуждения согласно первому варианту осуществления. Последовательное соединение множества лазерных диодов La1 - La-n принимает свой ток питания от источника тока Is. Кроме того, схема возбуждения состоит из n каскадов возбуждения, каждый из которых получает питание от соответствующего питающего контакта S через схему 20-1 - 20-n буферного питания (FS). Схемы 20-1 - 20-n буферного питания подключены к соответствующим блокам 30-1 - 30-n памяти состояний (SM), в которые можно задавать или записывать двоичную информацию через соответствующие управляющие контакты для включения пикселя (PON) через соответствующие схемы (LS) 10-1 - 10-n сдвига уровня. Кроме того, предусмотрен общий управляющий контакт сброса или отключения (COFF) для общего сброса двоичной информации в каждой памяти 30-1 - 30-n состояний через соответствующие схемы 10-1 - 10-n сдвига уровня. Схемы 20-1 - 20-n буферного питания и блоки памяти 30-1 - 30-n состояний подключены к соответствующим переключающим элементам (SS) 40-1 - 40-n, выполненным с возможностью шунтирования соответствующего из лазерных диодов La1 - La-n, к которым они подключены параллельно. Таким образом, каждый из лазерных диодов La1 - La-n (которые образуют линию пикселей устройства освещения) можно индивидуально включать через соответствующий управляющий контакт для включения пикселя PON и все лазерные диоды La1 - La-n можно отключать совместно через единичный управляющий контакт общего отключения. Конечно, устройство освещения можно модифицировать для осуществления управления противоположным образом, т.е. выборочного отключения и общего включения.

Далее, один из n каскадов схемы возбуждения описан более подробно на основании второго варианта осуществления, показанного на фиг. 2.

Фиг. 2 демонстрирует упрощенную принципиальную схему одного каскада возбуждения или пиксельного каскада n схемы возбуждения согласно второму варианту осуществления, который можно реализовать с использованием двух полевых транзисторов со структурой металл - оксид - полупроводник (MOSFET) Mcl-n и Msh-n для каждого пикселя. Другие каскады возбуждения или пиксельные каскады с 1 по n-1 могут состоять из идентичных или аналогичных схем.

Первый транзистор Msh-n используется в качестве шунтирующего переключателя для лазерного диода La-n, и его рабочая точка задается первым резистором Rsh-n. Первый краткосрочный или временный конденсатор Cs на входе первого транзистора Msh-n выполняет функцию элемента хранения (т.е. памяти 30-n состояний, показанной на фиг. 1), а также функцию доставки буферного питания для первого транзистора Msh-n (т.е. схемы 20-n буферного питания, показанной на фиг. 1). Скорость заряда и разряда первого конденсатора Cs-n определяется вторым резистором Rdata-n. Активация первого транзистора Msh-n и зарядка первого конденсатора Cs-n достигается посредством первого диода Doff-n, подающего общий импульс от импульсного источника, подключенного к общему управляющему разъему или соединению контакта COFF на конце каждого лазерного импульса. Двоичная информация, которая определяет, какой из лазерных диодов La1-La-n следует включить для следующего импульса, передается через соответствующий разъем или контакт включения пикселя PON и второй диод Don-n на второй конденсатор краткосрочного или временного хранения Ccl-n. Этот сигнал, в случае подачи на канал или каскад возбуждения n, активирует второй MOSFET Mcl-n, который затем очищает сигнал на затворе первого транзистора Msh и, таким образом, снова активирует соответствующий лазерный диод LA-n. Скорость разряда второго конденсатора Ccl-n определяется третьим резистором Rclear-n.

Фиг. 3 демонстрирует упрощенную принципиальную схему схемы возбуждения, построенную из множества участков схемы согласно второму варианту осуществления, в котором используется цепочка десяти лазерных диодов La1 - La10 и в котором все лазерные диоды (т.е. пиксели) La1 - La10 также включаются единичным сигналом управления, поскольку все управляющие контакты для включения пикселя подключены к одному и тому же импульсному источнику Vreset, что также справедливо для общего контакта на другом импульсном источнике Vset. Если бы нужно было по отдельности управлять включением пикселей, импульсный источник Vreset пришлось бы по отдельности переключать для каждого лазерного диода или пикселя.

В практическом варианте осуществления изобретения источник тока Is может представлять собой вольтодобавочный преобразователь с низкой выходной емкостью, и сигналы управления могут обеспечиваться стандартными логическими интегральными схемами (ИС) или микрокомпьютером (µC). Для оптимальной эффективности источник тока Is может отключаться в течение времени управляющих импульсов на управляющих контактах PON и COFF.

На следующих фиг. 4-6 показаны иллюстративные графики форм волны результатов моделирования в пределах от 0 до 400 мкс схемы, показанной на фиг. 3, отличающиеся управлением выборочным отключением, где в течение первого импульса все лазерные диоды La1 - La10 включаются, и в течение второго импульса отключается только шестой лазерный диод La6.

На фиг. 4, сверху вниз, первый график демонстрирует соответствующие формы волны напряжения V(La1) и V(La6) активного лазерного диода и неактивного лазерного диода во втором импульсе. Когда шунтирующий переключатель (т.е. первый транзистор Msh) активен, остается лишь малое падение напряжения вследствие сопротивления включения Rdson канала сток-исток этого шунтирующего переключателя.

Кроме того, второй график демонстрирует формы волны мощности V(La1)*I(La1) и V(La6)*I(La6) в первом и шестом лазерных диодах La1 и La6. Вследствие низкого напряжения на шунтирующем переключателе на неактивный лазер не поступает никакой мощности.

Третий график демонстрирует формы волны напряжения V(Ccl1) и V(Cs1) на затворе первого транзистора Msh1 и второго транзистора Mcl1 первого каскада. Зарядка и разрядка первого конденсатора Cs1 (форма волны V(Cs1) ограничивается вторым резистором Rdata1). Для достижения полного заряда выбирается длительность импульса другого импульсного источника Vset. Для обеспечения разряда, когда необходимо активировать пиксель (т.е. соответствующий лазерный диод), команда разряда также буферизуется вторым конденсатором хранения Ccl1, что приводит к образованию длинного хвоста напряжения формы волны V(Ccl1).

Четвертый график демонстрирует формы волны управляющих напряжений Vreset и Vset. В этом примере выбираются импульсы установки и сброса длительностью 15 мкс. Источник импульсной установки Vset начинает работать после снижения тока до нуля для достижения наименьших потерь.

Наконец, пятый или самый нижний график демонстрирует соответствующие формы волны напряжения (V(I1)) и тока (I(I1)), подаваемых на цепочку лазерных диодов La1-La10.

Фиг. 5 демонстрирует аналогичные формы волны производительности с использованием источника постоянного действия тока Is. Для улучшения формы импульса и повышения эффективности сигналы управления несколько увеличиваются до 10 В.

Рассматривая импульсы тока в лазерных диодах La1-La10, они теперь полностью определяются управляющими импульсами. Ввиду того, что сигналы управления достигают только схемы пикселя с лазерными диодами La1-La10, когда ее потенциал близок к потенциалу заземления, команда установки теперь задерживается пиксель за пикселем. Временной режим (тактирование) задержки зависит от размеров схемы и может быть выбран в широких пределах.

Фиг. 6 демонстрирует растянутую по временной оси версию графиков, показанных на фиг. 5, в пределах от 177 мкс до 207 мкс, в связи с чем, переходные периоды увеличены.

Применение вышеописанных вариантов осуществления обеспечивает пикселированные источники излучения (например, VCSEL или другие лазерные диоды или СИД и т.п.) с большим количеством пикселей, по отдельности работающих в импульсном режиме, эффективно в отношении стоимости и монтажа. Одно иллюстративным применением таких матриц является термопечать и термообработка. В типичной реализации требуется, например, 3000 пикселей, каждый из которых работает при 0,5 А/2 В. В этом случае конфигурация может предусматривать 50 ВCSEL в каждой цепочке и 60 цепочек, и одновременно ограничивать напряжения величиной, существенно меньшей 120 В по соображениям безопасности, или применять возможности полной изоляции лазерной сборки за счет использования последовательно соединенных 100 пикселей, что дает только 30 цепочек под напряжением 200 В.

Хотя в вышеописанных вариантах осуществления сигналы сброса поступают на сразу все излучающие элементы, модифицированная реализация также может использовать последовательные данные, обеспечиваемые контроллером для запуска активации на верхнем излучающем элементе. Таким образом, часть декодирования последовательных данных в пиксель становится частью схемы питания.

В итоге, хорошим способом избежать экстремальных уровней тока при подаче высокой мощности является увеличение напряжения. Простейшим способом сделать это является последовательное соединение излучающих элементов (например, лазерно-диодных пикселей). В таком пикселированном возбудителе, число компонентов и сложность в расчете на пиксель снижаются путем последовательного соединения как можно большего количества излучающих элементов, запитывания цепочки одним возбудителем с управляемым током, шунтирования пикселей, которые должны находиться в выключенном состоянии, переключателем, подключенным параллельно к излучающему элементу, локального сохранения двоичной информации включения/отключения для каждого пикселя, создания буферного питания для переключателей, и управления переносом информации в буферное хранилище и переключателями.

Хотя изобретение проиллюстрировано и подробно описано в чертежах и вышеприведенном описании, такие иллюстрация и описание следует рассматривать в порядке иллюстрации или примера, но не ограничения. Изобретение не ограничивается применением пиксельных матриц для термопечати и термообработки. Предложенную схему возбуждения можно использовать для любого применения пиксельных строк в любом устройстве освещения и также можно реализовать на программной основе, управляя процессором вычислительного устройства посредством, по меньшей мере, одной программы или процедуры, реализованной программными средствами, для управления операциями переключения на излучающих элементах.

Ознакомившись с настоящим раскрытием, специалисты в данной области техники могут предложить другие модификации. Такие модификации могут предусматривать другие признаки, которые уже известны в технике и которые можно использовать вместо или помимо признаков уже описанных здесь.

Изучив чертежи, раскрытие и нижеследующую формулу изобретения, специалисты в данной области техники смогут понять и реализовать вариации раскрытых вариантов осуществления. В формуле изобретения, слово "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, и употребление их наименований в единственном числе не исключает наличия множества элементов или этапов. Лишь тот факт, что определенные меры упомянуты во взаимно различных зависимых пунктах, не говорит о том, что нельзя выгодно использовать комбинацию этих мер.

Никакие ссылочные позиции в нижеследующей формуле изобретения не следует рассматривать в порядке ограничения ее объема.

1. Схема для возбуждения матрицы излучающих элементов (La1-La-n), причем упомянутые излучающие элементы (La1-La-n) соединены последовательно, при этом упомянутая схема содержит:

a) множество переключающих элементов (40-1 - 40-n; Msh1 - Msh10; Msh-n), подключенных параллельно к соответствующим излучающим элементам из упомянутых излучающих элементов (La1 - La-n) и управляемых для индивидуального шунтирования упомянутых соответствующих излучающих элементов из упомянутых излучающих элементов (La1-La-n);

b) множество локальных элементов (30-1 - 30-n; Cs1-Cs-n) хранения, подключенных к соответствующим переключающим элементам из упомянутых переключающих элементов (40-1-40-n; Msh1-Msh10; Msh-n) и выполненных с возможностью локального сохранения двоичной информации, которая определяет состояние переключения соответствующего переключающего элемента; и

c) множество локальных элементов (20-1 - 20-n; Cs1-Cs-n) буферного питания для доставки буферного питания, используемого для управления соответствующими переключающими элементами из упомянутых переключающих элементов (40-1 - 40-n; Msh1-Msh10; Msh-n) в соответствии с упомянутой двоичной информацией.

2. Схема по п. 1, в которой упомянутый локальный элемент хранения и упомянутый локальный элемент буферного питания реализованы посредством конденсатора (Cs1-Cs-n).

3. Схема по п. 1, дополнительно содержащая локальный управляющий контакт (PON) для управления первой локальной схемой для установки упомянутой двоичной информации соответствующих локальных элементов хранения из упомянутого множества локальных элементов (30-1 - 30-n; Cs1-Cs-n) хранения в заранее определенное первое состояние.

4. Схема по п. 3, в которой упомянутая первая локальная схема выполнена с возможностью обеспечения питания упомянутого множества локальных элементов (20-1 - 20-n; Cs1-Cs-n) буферного питания в ответ на локальный управляющий контакт.

5. Схема по п. 1, дополнительно содержащая общий управляющий контакт (COFF) для управления второй локальной схемой для сброса упомянутой двоичной информации всех локальных элементов (30-1 - 30-n; Cs1-Cs-n) хранения.

6. Схема по п. 3 или 5, в которой упомянутая схема выполнена с возможностью подачи информации управления на упомянутый локальный (PON) или общий (COFF) управляющий контакт в течение промежутков между импульсами упомянутой матрицы излучающих элементов (La1-La-n).

7. Схема по п. 6, в которой упомянутые промежутки между импульсами генерируются посредством источника тока.

8. Схема по п. 6, в которой упомянутые промежутки между импульсами генерируются посредством упомянутого общего управляющего контакта (COFF).

9. Схема по п. 6, дополнительно содержащая множество других локальных элементов (Ccl1-Ccl-n) хранения для сохранения двоичной информации, подлежащей использованию для определения состояния переключения соответствующих переключающих элементов (40-1 - 40-n; Msh1-Msh10; Msh-n) в следующем импульсе.

10. Схема по п. 1, в которой упомянутые переключающие элементы содержат транзисторные элементы (Msh1-Msh10; Msh-n).

11. Устройство освещения, содержащее схему по любому из пп. 1-10 и упомянутую матрицу излучающих элементов (La1-La-n).

12. Устройство по п. 11, в котором упомянутая матрица излучающих элементов (La1-La-n) содержит цепочку последовательно соединенных излучающих элементов (La1-La-n).

13. Устройство по п. 12, дополнительно содержащее единичный источник тока для подачи тока на упомянутую цепочку излучающих элементов (La1-La-n).

14. Способ возбуждения матрицы излучающих элементов (La1-La-n), которые соединены последовательно, причем упомянутый способ содержит этапы, на которых:

a) управляют соответствующими излучающими элементами из упомянутых излучающих элементов (La1-La-n) для индивидуального шунтирования упомянутых соответствующих излучающих элементов из упомянутых излучающих элементов (La1-La-n);

b) сохраняют двоичную информацию, которая определяет состояние переключения каждого из множества переключающих элементов (40-1 - 40-n; Msh1-Msh10; Msh-n), подключенных параллельно к соответствующим излучающим элементам из упомянутых излучающих элементов (La1-La-n) для индивидуального шунтирования упомянутых соответствующих излучающих элементов из упомянутых излучающих элементов (La1-La-n); и

c) доставляют буферное питание, используемое для управления соответствующими переключающими элементами из упомянутых переключающих элементов (40-1 - 40-n; Msh1-Msh10; Msh-n) в соответствии с упомянутой двоичной информацией.