一种基于vcsel技术的激光源系统的制作方法
一种基于vcsel技术的激光源系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光源系统，尤其是涉及一种基于VCSEL技术的激光源系统。
【背景技术】
[0002]激光显示是继黑白显示、彩色显示、数字高清显示之后的第四代显示技术；激光电视是其应用领域之一，激光电视技术是继CRT、液晶、等离子体、OLED显示技术之后显示领域的一次革命，其色域覆盖率理论上可以高达人眼色域范围的90%以上，使得显示画面更加真实、富有层次感和通透的感觉，画面清晰度也随着色彩饱和度的提高有较大幅度的提升。
[0003]VCSEL技术理论最早由1964年诺贝尔物理学奖获得者Basov提出，是种具有很大潜力的固体激光源，具有发散角小、无散斑、空间非相干、亮度高、光利用率高、光谱波段从红外到深紫外等特点。在光纤通讯、激光打印、气体检测、高密度光存储方面也有希望得到广泛应用。但是如何将VCSEL技术应用到激光源，并成为当下急需解决的技术问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可靠性高、使用寿命长、安全性好、操作方便的基于VCSEL技术的激光源系统。
[0005]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0006]一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，包括:
[0007]电子枪和VCSEL芯片封装体，包括电子枪和VCSEL芯片；
[0008]聚焦线圈，安装在电子枪和VCSEL芯片封装体外部，用于对电子枪中的电子束进行再聚焦；
[0009]偏转线圈，安装在电子枪和VCSEL芯片封装体外部，用于对电子枪中的电子束的轨迹进行控制，控制电子束在VCSEL芯片表面的入射方位；
[0010]微控制器，与电子枪连接，用于控制电子枪的启动和运行控制；
[0011]扫描控制单元，分别与聚焦线圈和偏转线圈连接，用于驱动聚焦线圈和偏转线圈；
[0012]中央处理器单元CPU，分别与微控制器、扫描控制单元连接，用于整个系统运行监控；
[0013]人机界面，与CPU连接，通过键盘对运行参数进行设定，并实时记录运行参数。
[0014]所述的电子枪为三级式交叉枪，包括发射电子的阴极、Gl栅极、G2加速极和G3电子聚焦极。
[0015]所述的VCSEL芯片底部粘合有导热的衬底。
[0016]还包括分别与CPU、衬底连接的VCSEL半导体温度控制电路，用于实现VCSEL芯片温度的控制。
[0017]还包括分别与扫描控制单元、聚焦线圈和偏转线圈连接的输出驱动和放大电路。
[0018]还包括聚焦与偏转线圈电流检测电路，该聚焦与偏转线圈电流检测电路分别与CPU、聚焦线圈和偏转线圈连接。
[0019]所述的聚焦线圈包括静态聚焦线圈和动态聚焦线圈，所述的偏转线圈包括行偏转线圈和场偏转线圈，所述的扫描控制单元包括:
[0020]静态聚焦线圈电源，分别与CPU、静态聚焦线圈连接；
[0021 ] 扫描控制电路，与CPU连接；
[0022]场偏转线圈驱动电路，分别与扫描控制电路、场偏转线圈连接；
[0023]行偏转线圈驱动电路，分别与扫描控制电路、行偏转线圈连接；
[0024]动态聚焦线圈驱动电路，分别与行偏转线圈、放大电路连接，其中放大电路与动态聚焦线圈连接。
[0025]所述的场偏转线圈驱动电路包括依次连接第一预激励电路、功率输出电路，所述的第一预激励电路与扫描控制电路连接，所述的功率输出电路与场偏转线圈连接。
[0026]所述的行偏转线圈驱动电路包括第二预激励电路、行扫描输出电路、时序电路和电子枪电子束消隐电路，所述的扫描控制电路分别与第二预激励电路、行扫描输出电路、时序电路连接，所述的行扫描输出电路分别与第二预激励电路、行偏转线圈连接，所述的行偏转线圈和时序电路分别与电子枪电子束消隐电路连接。
[0027]所述的动态聚焦线圈驱动电路包括依次连接的行偏转线圈扫描波形采样电路、动态校正信号产生电路，所述的行偏转线圈扫描波形采样电路与行偏转线圈连接，所述的动态校正信号产生电路与放大电路连接。
[0028]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0029]I)可靠性高，系统采用了独立的MCU控制单元，并与CPU (选用ARM芯片)单元进行通讯，提高了电子枪的启动和运行控制的可靠性；
[0030]2)使用寿命长，扫描电路的故障或失控，会使得电子束长时间轰击VCSEL芯片固定表面，造成芯片损坏，因此，系统组成中包含有聚焦和偏转线圈电流检测单元电路，避免了芯片损坏；
[0031]3)安全性好，电子束的能量不能全部转换成激光能量的输出，也为了提高激光输出的能量，需要采用冷却措施，有必要降低芯片温度，本发明采用了芯片体外VCSEL半导体温度控制电路，并可由CPU进行监控，提高了系统的安全性；
[0032]4)操作方便，系统中包含有人机界面功能，除可以通过键盘对运行参数进行设定夕卜，还具有实时运行参数记录单元，便于进行运行参数的分析，优化运行效率。
【附图说明】
[0033]图1为本发明的结构示意图；
[0034]图2为本发明扫描控制单元的结构示意图；
[0035]图3为本发明行扫描输出电路的具体电路图。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0037]实施例
[0038]如图1所示，一种基于VCSEL技术的激光源系统，包括:
[0039]电子枪和VCSEL芯片封装体I，包括电子枪4和VCSEL芯片5 ；
[0040]聚焦线圈2，安装在电子枪和VCSEL芯片封装体I外部，用于对电子枪中的电子束进行再聚焦；
[0041]偏转线圈3，安装在电子枪和VCSEL芯片封装体I外部，用于对电子枪中的电子束的轨迹进行控制，控制电子束在VCSEL芯片表面的入射方位；
[0042]微控制器6，与电子枪4连接，用于控制电子枪的启动和运行控制；
[0043]扫描控制单元8，分别与聚焦线圈2和偏转线圈3连接，用于驱动聚焦线圈和偏转线圈；
[0044]人机界面12，通过键盘对运行参数进行设定外，还具有实时运行参数记录单元，便于进行运行参数的分析，优化运行效率；
[0045]中央处理器单元CPU7，分别与微控制器6、扫描控制单元8连接，用于整个系统运行监控。
[0046]所述的电子枪4为三级式交叉枪，包括发射电子的阴极、Gl栅极、G2加速极和G3电子聚焦极。所述的VCSEL芯片5底部粘合有导热的衬底15。通过设置分别与CPU、衬底连接的VCSEL半导体温度控制电路11，用于实现VCSEL芯片温度的控制。正常运行时，阴极电流大小设定为400mA、G3最高为3.5kV。
[0047]本发明还包括分别与扫描控制单元8、聚焦线圈2和偏转线圈3连接的输出驱动和放大电路11。以及还包括聚焦与偏转线圈电流检测电10路，该聚焦与偏转线圈电流检测电路10分别与CPU7、聚焦线圈2和偏转线圈3连接。
[0048]如图2所示，所述的聚焦线圈2包括静态聚焦线圈21和动态聚焦线圈22，所述的偏转线圈3包括行偏转线圈32和场偏转线圈31 ；
[0049]所述的扫描控制单元8包括:
[0050]静态聚焦线圈电源82，分别与CPU7、静态聚焦线圈21连接；
[0051 ] 扫描控制电路81，与CPU7连接；
[0052]场偏转线圈驱动电路，分别与扫描控制电路81、场偏转线圈连接；
[0053]行偏转线圈驱动电路，分别与扫描控制电路81、行偏转线圈连接；
[0054]动态聚焦线圈驱动电路，分别与行偏转线圈、放大电路连接，其中放大电路与动态聚焦线圈连接。
[0055]所述的场偏转线圈驱动电路包括依次连接第一预激励电路83、功率输出电路84，所述的第一预激励电路83与扫描控制电路81连接，所述的功率输出电路84与场偏转线圈31连接。
[0056]所述的行偏转线圈驱动电路包括第二预激励电路85、行扫描输出电路86、时序电路87和电子枪电子束消隐电路88，所述的扫描控制电路81分别与第二预激励电路85、行扫描输出电路86、时序电路87连接，所述的行扫描输出电路86分别与第二预激励电路85、行偏转线圈32连接，所述的行偏转线圈32和时序电 路87分别与电子枪电子束消隐电路88连接。
[0057]所述的动态聚焦线圈驱动电路包括依次连接的行偏转线圈扫描波形采样电路891、动态校正信号产生电路892，所述的行偏转线圈扫描波形采样电路891与行偏转线圈32连接，所述的动态校正信号产生电路892与放大电路连接。
[0058]为提高电子枪的启动和运行控制的可靠性，系统采用了独立的MCU控制单元，并与CPU(选用ARM芯片)单元进行通讯；CPU单元是整个系统的核心，控制扫描控制单元，产生电子束扫描和轨迹补偿控制信号，经过输出放大电路，驱动聚焦和偏转线圈；扫描电路的故障或失控，会使得电子束长时间轰击VCSEL芯片固定表面，造成芯片损坏，因此，系统组成中包含有聚焦和偏转线圈电流检测单元电路；电子束的能量不能全部转换成激光能量的输出，也为了提高激光输出的能量，需要采用冷却措施，有必要降低芯片温度，本系统采用了芯片体外水循环冷却系统，并可由CPU进行监控。
[0059]本系统中包含有人机界面功能，除可以通过键盘对运行参数进行设定外，还具有实时运行参数记录单元，便于进行运行参数的分析，优化运行效率。
[0060]如图1所示，VCSEL芯片为平面结构，为了有效输出VCSEL芯片产生的激光，其平面法线与电子枪轴线近似成45°夹角，当前采用的这种结构布置形式，与传统的CRT电子束扫描结构相比，极大地增加了电子束扫描轨迹控制的设计难度，因此扫描控制电路的设计也是本系统需要解决的关键性技术问题。
[0061]关键控制电路实现
[0062]I)电子枪控制电路说明
[0063]在扫描控制电路正常工作的条件下，再启动电子枪。电子枪的启动过程控制非常重要，由微控制器实现自动控制。阴极灯丝电流初始时设为正常值的50%，约为200mA，Gl栅极电压初始值较小，不大于150V ;待G2和G3极电压依次逐步升高至正常工作电压的800V和3.5kV后，通过调节Gl栅极电压值，可以调整电子束电流密度，电流密度设计值为2mA。电子枪阴极电流和G1、G2、G3极电压均由微控制器进行监控，一旦发现异常，立即关闭Gl栅极电压，以保证系统的安全。
[0064]阴极电流采用恒流控制电路；G1、G2和G3电压的产生则直接选用可控的高压电压模块，简化了整个系统的设计。
[0065]2)扫描控制电路设计
[0066]扫描控制电路是整个VCSEL激光源的关键电路。控制电路组成框图如图2所示。为保证电子束在轰击VCSEL芯片表面各点时，电子束速率和入射角度相同，以保证输出的激光强度均匀一致，需要对电子束扫描过程进行控制。
[0067]如图2所示，CPU是扫描控制电路的核心，CPU通过双端口数据存储器RAM芯片，生成行场同步脉冲信号，提供给TDA4857偏转控制集成芯片。CPU通过数据接口，可以控制TDA4857芯片产生行场扫描信号波形和行场校正信号波形。
[0068]由于电子束偏转角度不同，因此电子束行迹的距离不同，理论上也要求电子束均能会聚(焦)于VCSEL芯片表面，电路是通过动态聚焦线圈进行有效地补偿调整；
[0069]尽管电子束偏转角度相同(角速度相同)，但由于电子束行迹半径距离不同，造成VCSEL表面各点终端线速度会不同，电路是通过在行、场线圈中叠加电流补偿信号进行修
IHo
[0070]在单行扫描结束，进行换行扫描时，通过时序电路控制电子枪Gl栅极电压，实现对电子束的消隐。
[0071]在整个电路实现中，双阻尼行扫描输出电路，是最核心的电路，其主要的特点是产生高频大电流扫描信号去驱动偏转线圈电感性负载，电路工作原理与CRT产品相关电路相同。本系统采用的电路设计如图3所示。
[0072]图3中LI是作为负载的行扫描线圈，D301和D302是阻尼二极管、行扫描控制信号通过Q301控制LI和阻尼回路电容的谐振过程；行扫描补偿信号通过Q303分支回路改变行偏转线圈电流回路中的电流，得到补偿的目的；电源电压PWM控制信号，可以控制双阻尼行扫描回路工作电压，实现对偏转线圈电流幅度的控制，改变行扫描范围。
[0073]结果和讨论
[0074]使用本发明的电子枪和VCSEL芯片，且基于自行设计的电子控制系统，由电子束成功轰击VCSEL芯片，产生出了 630nm激光光源。
【主权项】
1.一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，包括:电子枪和VCSEL芯片封装体，包括电子枪和VCSEL芯片；聚焦线圈，安装在电子枪和VCSEL芯片封装体外部，用于对电子枪中的电子束进行再聚焦；偏转线圈，安装在电子枪和VCSEL芯片封装体外部，用于对电子枪中的电子束的轨迹进行控制，控制电子束在VCSEL芯片表面的入射方位；微控制器，与电子枪连接，用于控制电子枪的启动和运行控制；扫描控制单元，分别与聚焦线圈和偏转线圈连接，用于驱动聚焦线圈和偏转线圈；中央处理器单元CPU，分别与微控制器、扫描控制单元连接，用于整个系统运行监控；人机界面，与CPU连接，通过键盘对运行参数进行设定，并实时记录运行参数。2.根据权利要求1所述的一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，所述的电子枪为三级式交叉枪，包括发射电子的阴极、G1栅极、G2加速极和G3电子聚焦极。3.根据权利要求1所述的一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，所述的VCSEL芯片底部粘合有导热的衬底。4.根据权利要求3所述的一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，还包括分别与CPU、衬底连接的VCSEL半导体温度控制电路，用于实现VCSEL芯片温度的控制。5.根据权利要求1所述的一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，还包括分别与扫描控制单元、聚焦线圈和偏转线圈连接的输出驱动和放大电路。6.根据权利要求1所述的一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，还包括聚焦与偏转线圈电流检测电路，该聚焦与偏转线圈电流检测电路分别与CPU、聚焦线圈和偏转线圈连接。7.根据权利要求5所述的一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，所述的聚焦线圈包括静态聚焦线圈和动态聚焦线圈，所述的偏转线圈包括行偏转线圈和场偏转线圈，所述的扫描控制单元包括:静态聚焦线圈电源，分别与CPU、静态聚焦线圈连接；扫描控制电路，与CPU连接；场偏转线圈驱动电路，分别与扫描控制电路、场偏转线圈连接；行偏转线圈驱动电路，分别与扫描控制电路、行偏转线圈连接；动态聚焦线圈驱动电路，分别与行偏转线圈、放大电路连接，其中放大电路与动态聚焦线圈连接。8.根据权利要求7所述的一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，所述的场偏转线圈驱动电路包括依次连接第一预激励电路、功率输出电路，所述的第一预激励电路与扫描控制电路连接，所述的功率输出电路与场偏转线圈连接。9.根据权利要求7所述的一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，所述的行偏转线圈驱动电路包括第二预激励电路、行扫描输出电路、时序电路和电子枪电子束消隐电路，所述的扫描控制电路分别与第二预激励电路、行扫描输出电路、时序电路连接，所述的行扫描输出电路分别与第二预激励电路、行偏转线圈连接，所述的行偏转线圈和时序电路分别与电子枪电子束消隐电路连接。10.根据权利要求9所述的一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，所述的动态聚焦线圈驱动电路包括依次连接的行偏转线圈扫描波形采样电路、动态校正信号产生电路，所述的行偏转线圈扫描波形采样电路与行偏转线圈连接，所述的动态校正信号产生电路与放大电路连接。
【专利摘要】本发明涉及一种基于VCSEL技术的激光源系统，包括：电子枪和VCSEL芯片封装体，包括电子枪和VCSEL芯片；聚焦线圈，安装在电子枪和VCSEL芯片封装体外部，用于对电子枪中的电子束进行再聚焦；偏转线圈，安装在电子枪和VCSEL芯片封装体外部，用于对电子枪中的电子束的轨迹进行控制，控制电子束在VCSEL芯片表面的入射方位；微控制器，与电子枪连接，用于控制电子枪的启动和运行控制；扫描控制单元，分别与聚焦线圈和偏转线圈连接，用于驱动聚焦线圈和偏转线圈；中央处理器单元，分别与微控制器、扫描控制单元连接，用于整个系统运行监控。与现有技术相比，本发明具有可靠性高、使用寿命长、安全性好等优点。
【IPC分类】H01S5/183
【公开号】CN104901161
【申请号】CN201510337279
【发明人】王晓丽, 刘增水, 沈行良
【申请人】上海工程技术大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月17日
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光源系统，尤其是涉及一种基于VCSEL技术的激光源系统。
【背景技术】
[0002]激光显示是继黑白显示、彩色显示、数字高清显示之后的第四代显示技术；激光电视是其应用领域之一，激光电视技术是继CRT、液晶、等离子体、OLED显示技术之后显示领域的一次革命，其色域覆盖率理论上可以高达人眼色域范围的90%以上，使得显示画面更加真实、富有层次感和通透的感觉，画面清晰度也随着色彩饱和度的提高有较大幅度的提升。
[0003]VCSEL技术理论最早由1964年诺贝尔物理学奖获得者Basov提出，是种具有很大潜力的固体激光源，具有发散角小、无散斑、空间非相干、亮度高、光利用率高、光谱波段从红外到深紫外等特点。在光纤通讯、激光打印、气体检测、高密度光存储方面也有希望得到广泛应用。但是如何将VCSEL技术应用到激光源，并成为当下急需解决的技术问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可靠性高、使用寿命长、安全性好、操作方便的基于VCSEL技术的激光源系统。
[0005]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0006]一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，包括:
[0007]电子枪和VCSEL芯片封装体，包括电子枪和VCSEL芯片；
[0008]聚焦线圈，安装在电子枪和VCSEL芯片封装体外部，用于对电子枪中的电子束进行再聚焦；
[0009]偏转线圈，安装在电子枪和VCSEL芯片封装体外部，用于对电子枪中的电子束的轨迹进行控制，控制电子束在VCSEL芯片表面的入射方位；
[0010]微控制器，与电子枪连接，用于控制电子枪的启动和运行控制；
[0011]扫描控制单元，分别与聚焦线圈和偏转线圈连接，用于驱动聚焦线圈和偏转线圈；
[0012]中央处理器单元CPU，分别与微控制器、扫描控制单元连接，用于整个系统运行监控；
[0013]人机界面，与CPU连接，通过键盘对运行参数进行设定，并实时记录运行参数。
[0014]所述的电子枪为三级式交叉枪，包括发射电子的阴极、Gl栅极、G2加速极和G3电子聚焦极。
[0015]所述的VCSEL芯片底部粘合有导热的衬底。
[0016]还包括分别与CPU、衬底连接的VCSEL半导体温度控制电路，用于实现VCSEL芯片温度的控制。
[0017]还包括分别与扫描控制单元、聚焦线圈和偏转线圈连接的输出驱动和放大电路。
[0018]还包括聚焦与偏转线圈电流检测电路，该聚焦与偏转线圈电流检测电路分别与CPU、聚焦线圈和偏转线圈连接。
[0019]所述的聚焦线圈包括静态聚焦线圈和动态聚焦线圈，所述的偏转线圈包括行偏转线圈和场偏转线圈，所述的扫描控制单元包括:
[0020]静态聚焦线圈电源，分别与CPU、静态聚焦线圈连接；
[0021 ] 扫描控制电路，与CPU连接；
[0022]场偏转线圈驱动电路，分别与扫描控制电路、场偏转线圈连接；
[0023]行偏转线圈驱动电路，分别与扫描控制电路、行偏转线圈连接；
[0024]动态聚焦线圈驱动电路，分别与行偏转线圈、放大电路连接，其中放大电路与动态聚焦线圈连接。
[0025]所述的场偏转线圈驱动电路包括依次连接第一预激励电路、功率输出电路，所述的第一预激励电路与扫描控制电路连接，所述的功率输出电路与场偏转线圈连接。
[0026]所述的行偏转线圈驱动电路包括第二预激励电路、行扫描输出电路、时序电路和电子枪电子束消隐电路，所述的扫描控制电路分别与第二预激励电路、行扫描输出电路、时序电路连接，所述的行扫描输出电路分别与第二预激励电路、行偏转线圈连接，所述的行偏转线圈和时序电路分别与电子枪电子束消隐电路连接。
[0027]所述的动态聚焦线圈驱动电路包括依次连接的行偏转线圈扫描波形采样电路、动态校正信号产生电路，所述的行偏转线圈扫描波形采样电路与行偏转线圈连接，所述的动态校正信号产生电路与放大电路连接。
[0028]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0029]I)可靠性高，系统采用了独立的MCU控制单元，并与CPU (选用ARM芯片)单元进行通讯，提高了电子枪的启动和运行控制的可靠性；
[0030]2)使用寿命长，扫描电路的故障或失控，会使得电子束长时间轰击VCSEL芯片固定表面，造成芯片损坏，因此，系统组成中包含有聚焦和偏转线圈电流检测单元电路，避免了芯片损坏；
[0031]3)安全性好，电子束的能量不能全部转换成激光能量的输出，也为了提高激光输出的能量，需要采用冷却措施，有必要降低芯片温度，本发明采用了芯片体外VCSEL半导体温度控制电路，并可由CPU进行监控，提高了系统的安全性；
[0032]4)操作方便，系统中包含有人机界面功能，除可以通过键盘对运行参数进行设定夕卜，还具有实时运行参数记录单元，便于进行运行参数的分析，优化运行效率。
【附图说明】
[0033]图1为本发明的结构示意图；
[0034]图2为本发明扫描控制单元的结构示意图；
[0035]图3为本发明行扫描输出电路的具体电路图。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0037]实施例
[0038]如图1所示，一种基于VCSEL技术的激光源系统，包括:
[0039]电子枪和VCSEL芯片封装体I，包括电子枪4和VCSEL芯片5 ；
[0040]聚焦线圈2，安装在电子枪和VCSEL芯片封装体I外部，用于对电子枪中的电子束进行再聚焦；
[0041]偏转线圈3，安装在电子枪和VCSEL芯片封装体I外部，用于对电子枪中的电子束的轨迹进行控制，控制电子束在VCSEL芯片表面的入射方位；
[0042]微控制器6，与电子枪4连接，用于控制电子枪的启动和运行控制；
[0043]扫描控制单元8，分别与聚焦线圈2和偏转线圈3连接，用于驱动聚焦线圈和偏转线圈；
[0044]人机界面12，通过键盘对运行参数进行设定外，还具有实时运行参数记录单元，便于进行运行参数的分析，优化运行效率；
[0045]中央处理器单元CPU7，分别与微控制器6、扫描控制单元8连接，用于整个系统运行监控。
[0046]所述的电子枪4为三级式交叉枪，包括发射电子的阴极、Gl栅极、G2加速极和G3电子聚焦极。所述的VCSEL芯片5底部粘合有导热的衬底15。通过设置分别与CPU、衬底连接的VCSEL半导体温度控制电路11，用于实现VCSEL芯片温度的控制。正常运行时，阴极电流大小设定为400mA、G3最高为3.5kV。
[0047]本发明还包括分别与扫描控制单元8、聚焦线圈2和偏转线圈3连接的输出驱动和放大电路11。以及还包括聚焦与偏转线圈电流检测电10路，该聚焦与偏转线圈电流检测电路10分别与CPU7、聚焦线圈2和偏转线圈3连接。
[0048]如图2所示，所述的聚焦线圈2包括静态聚焦线圈21和动态聚焦线圈22，所述的偏转线圈3包括行偏转线圈32和场偏转线圈31 ；
[0049]所述的扫描控制单元8包括:
[0050]静态聚焦线圈电源82，分别与CPU7、静态聚焦线圈21连接；
[0051 ] 扫描控制电路81，与CPU7连接；
[0052]场偏转线圈驱动电路，分别与扫描控制电路81、场偏转线圈连接；
[0053]行偏转线圈驱动电路，分别与扫描控制电路81、行偏转线圈连接；
[0054]动态聚焦线圈驱动电路，分别与行偏转线圈、放大电路连接，其中放大电路与动态聚焦线圈连接。
[0055]所述的场偏转线圈驱动电路包括依次连接第一预激励电路83、功率输出电路84，所述的第一预激励电路83与扫描控制电路81连接，所述的功率输出电路84与场偏转线圈31连接。
[0056]所述的行偏转线圈驱动电路包括第二预激励电路85、行扫描输出电路86、时序电路87和电子枪电子束消隐电路88，所述的扫描控制电路81分别与第二预激励电路85、行扫描输出电路86、时序电路87连接，所述的行扫描输出电路86分别与第二预激励电路85、行偏转线圈32连接，所述的行偏转线圈32和时序电 路87分别与电子枪电子束消隐电路88连接。
[0057]所述的动态聚焦线圈驱动电路包括依次连接的行偏转线圈扫描波形采样电路891、动态校正信号产生电路892，所述的行偏转线圈扫描波形采样电路891与行偏转线圈32连接，所述的动态校正信号产生电路892与放大电路连接。
[0058]为提高电子枪的启动和运行控制的可靠性，系统采用了独立的MCU控制单元，并与CPU(选用ARM芯片)单元进行通讯；CPU单元是整个系统的核心，控制扫描控制单元，产生电子束扫描和轨迹补偿控制信号，经过输出放大电路，驱动聚焦和偏转线圈；扫描电路的故障或失控，会使得电子束长时间轰击VCSEL芯片固定表面，造成芯片损坏，因此，系统组成中包含有聚焦和偏转线圈电流检测单元电路；电子束的能量不能全部转换成激光能量的输出，也为了提高激光输出的能量，需要采用冷却措施，有必要降低芯片温度，本系统采用了芯片体外水循环冷却系统，并可由CPU进行监控。
[0059]本系统中包含有人机界面功能，除可以通过键盘对运行参数进行设定外，还具有实时运行参数记录单元，便于进行运行参数的分析，优化运行效率。
[0060]如图1所示，VCSEL芯片为平面结构，为了有效输出VCSEL芯片产生的激光，其平面法线与电子枪轴线近似成45°夹角，当前采用的这种结构布置形式，与传统的CRT电子束扫描结构相比，极大地增加了电子束扫描轨迹控制的设计难度，因此扫描控制电路的设计也是本系统需要解决的关键性技术问题。
[0061]关键控制电路实现
[0062]I)电子枪控制电路说明
[0063]在扫描控制电路正常工作的条件下，再启动电子枪。电子枪的启动过程控制非常重要，由微控制器实现自动控制。阴极灯丝电流初始时设为正常值的50%，约为200mA，Gl栅极电压初始值较小，不大于150V ;待G2和G3极电压依次逐步升高至正常工作电压的800V和3.5kV后，通过调节Gl栅极电压值，可以调整电子束电流密度，电流密度设计值为2mA。电子枪阴极电流和G1、G2、G3极电压均由微控制器进行监控，一旦发现异常，立即关闭Gl栅极电压，以保证系统的安全。
[0064]阴极电流采用恒流控制电路；G1、G2和G3电压的产生则直接选用可控的高压电压模块，简化了整个系统的设计。
[0065]2)扫描控制电路设计
[0066]扫描控制电路是整个VCSEL激光源的关键电路。控制电路组成框图如图2所示。为保证电子束在轰击VCSEL芯片表面各点时，电子束速率和入射角度相同，以保证输出的激光强度均匀一致，需要对电子束扫描过程进行控制。
[0067]如图2所示，CPU是扫描控制电路的核心，CPU通过双端口数据存储器RAM芯片，生成行场同步脉冲信号，提供给TDA4857偏转控制集成芯片。CPU通过数据接口，可以控制TDA4857芯片产生行场扫描信号波形和行场校正信号波形。
[0068]由于电子束偏转角度不同，因此电子束行迹的距离不同，理论上也要求电子束均能会聚(焦)于VCSEL芯片表面，电路是通过动态聚焦线圈进行有效地补偿调整；
[0069]尽管电子束偏转角度相同(角速度相同)，但由于电子束行迹半径距离不同，造成VCSEL表面各点终端线速度会不同，电路是通过在行、场线圈中叠加电流补偿信号进行修
IHo
[0070]在单行扫描结束，进行换行扫描时，通过时序电路控制电子枪Gl栅极电压，实现对电子束的消隐。
[0071]在整个电路实现中，双阻尼行扫描输出电路，是最核心的电路，其主要的特点是产生高频大电流扫描信号去驱动偏转线圈电感性负载，电路工作原理与CRT产品相关电路相同。本系统采用的电路设计如图3所示。
[0072]图3中LI是作为负载的行扫描线圈，D301和D302是阻尼二极管、行扫描控制信号通过Q301控制LI和阻尼回路电容的谐振过程；行扫描补偿信号通过Q303分支回路改变行偏转线圈电流回路中的电流，得到补偿的目的；电源电压PWM控制信号，可以控制双阻尼行扫描回路工作电压，实现对偏转线圈电流幅度的控制，改变行扫描范围。
[0073]结果和讨论
[0074]使用本发明的电子枪和VCSEL芯片，且基于自行设计的电子控制系统，由电子束成功轰击VCSEL芯片，产生出了 630nm激光光源。
【主权项】
1.一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，包括:电子枪和VCSEL芯片封装体，包括电子枪和VCSEL芯片；聚焦线圈，安装在电子枪和VCSEL芯片封装体外部，用于对电子枪中的电子束进行再聚焦；偏转线圈，安装在电子枪和VCSEL芯片封装体外部，用于对电子枪中的电子束的轨迹进行控制，控制电子束在VCSEL芯片表面的入射方位；微控制器，与电子枪连接，用于控制电子枪的启动和运行控制；扫描控制单元，分别与聚焦线圈和偏转线圈连接，用于驱动聚焦线圈和偏转线圈；中央处理器单元CPU，分别与微控制器、扫描控制单元连接，用于整个系统运行监控；人机界面，与CPU连接，通过键盘对运行参数进行设定，并实时记录运行参数。2.根据权利要求1所述的一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，所述的电子枪为三级式交叉枪，包括发射电子的阴极、G1栅极、G2加速极和G3电子聚焦极。3.根据权利要求1所述的一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，所述的VCSEL芯片底部粘合有导热的衬底。4.根据权利要求3所述的一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，还包括分别与CPU、衬底连接的VCSEL半导体温度控制电路，用于实现VCSEL芯片温度的控制。5.根据权利要求1所述的一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，还包括分别与扫描控制单元、聚焦线圈和偏转线圈连接的输出驱动和放大电路。6.根据权利要求1所述的一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，还包括聚焦与偏转线圈电流检测电路，该聚焦与偏转线圈电流检测电路分别与CPU、聚焦线圈和偏转线圈连接。7.根据权利要求5所述的一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，所述的聚焦线圈包括静态聚焦线圈和动态聚焦线圈，所述的偏转线圈包括行偏转线圈和场偏转线圈，所述的扫描控制单元包括:静态聚焦线圈电源，分别与CPU、静态聚焦线圈连接；扫描控制电路，与CPU连接；场偏转线圈驱动电路，分别与扫描控制电路、场偏转线圈连接；行偏转线圈驱动电路，分别与扫描控制电路、行偏转线圈连接；动态聚焦线圈驱动电路，分别与行偏转线圈、放大电路连接，其中放大电路与动态聚焦线圈连接。8.根据权利要求7所述的一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，所述的场偏转线圈驱动电路包括依次连接第一预激励电路、功率输出电路，所述的第一预激励电路与扫描控制电路连接，所述的功率输出电路与场偏转线圈连接。9.根据权利要求7所述的一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，所述的行偏转线圈驱动电路包括第二预激励电路、行扫描输出电路、时序电路和电子枪电子束消隐电路，所述的扫描控制电路分别与第二预激励电路、行扫描输出电路、时序电路连接，所述的行扫描输出电路分别与第二预激励电路、行偏转线圈连接，所述的行偏转线圈和时序电路分别与电子枪电子束消隐电路连接。10.根据权利要求9所述的一种基于VCSEL技术的激光源系统，其特征在于，所述的动态聚焦线圈驱动电路包括依次连接的行偏转线圈扫描波形采样电路、动态校正信号产生电路，所述的行偏转线圈扫描波形采样电路与行偏转线圈连接，所述的动态校正信号产生电路与放大电路连接。
【专利摘要】本发明涉及一种基于VCSEL技术的激光源系统，包括：电子枪和VCSEL芯片封装体，包括电子枪和VCSEL芯片；聚焦线圈，安装在电子枪和VCSEL芯片封装体外部，用于对电子枪中的电子束进行再聚焦；偏转线圈，安装在电子枪和VCSEL芯片封装体外部，用于对电子枪中的电子束的轨迹进行控制，控制电子束在VCSEL芯片表面的入射方位；微控制器，与电子枪连接，用于控制电子枪的启动和运行控制；扫描控制单元，分别与聚焦线圈和偏转线圈连接，用于驱动聚焦线圈和偏转线圈；中央处理器单元，分别与微控制器、扫描控制单元连接，用于整个系统运行监控。与现有技术相比，本发明具有可靠性高、使用寿命长、安全性好等优点。
【IPC分类】H01S5/183
【公开号】CN104901161
【申请号】CN201510337279
【发明人】王晓丽, 刘增水, 沈行良
【申请人】上海工程技术大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月17日
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