ホワイトペーパー – 低周波パワーモード

Julian Marsden

VCSEL光源はここ数年で非常に人気があり、顔認識や距離測定など、スマートフォンやその他製品の多くのアプリケーションに使用されています。それらは、従来のレーザーよりも製造、テスト、組み立てが簡単で安価です。

一部のVCSEL光源は広角ビームを備えているため測定が困難ですが、この問題はフォトダイオードセンサーを組み込んださまざまな積分球製品によって対処可能です。その他のVCSEL光源は、通常のOphir PD300フォトダイオードセンサーシリーズを使用して直接測定できます。いずれの場合も、測定を可能にするためには、フォトダイオードセンサーは広範囲のOphirデバイスまたはディスプレイの1つに接続する必要があります。

VCSEL光源によって引き起こされる主な課題の1つは、それらの多くが~10Hzから~40Hzの固定周波数で、長さが1ms未満から数msの範囲のパルスまたはパルスのバーストを放射することです。これらのパルスは、同期、ビート、飽和、および測定分解能の問題により、既存の機器では測定が困難です。通常のパワーモード (CWを測定するために設計された) を使用すると、電子機器内のサンプリングレートでパルス周波数がビートするため、測定にノイズが多くなることがよくあります。電子機器で使用されるアンプゲインは通常、CWに対応するように選択されるため、パルス光源を測定する場合、短いパルス中のピークパワーレベルが高いため、電子機器は簡単に飽和する可能性があります。さらに、高いピークパワーレベルに対応するには、より高いパワースケール (より低い感度) が必要ですが、レーザー光源のデューティサイクルが低いため、測定される平均パワーはピークパワーと比較して非常に低いことがよくあります。したがって、CW信号を測定する場合よりも分解能が低く、ノイズが高く、ゼロオフセット誤差が悪化する可能性があります。

「低周波数パワーモード」に切り替えると、デバイス内のファームウェアは、測定対象の低周波パルスに対応するために、電子機器の構成方法とフォトダイオード信号の測定方法にいくつかの変更を加えます。

電子機器で使用されるサンプリング時間は、パルス周波数に一致するように調整され、それらの間の鼓動が回避されます。ユーザーはパルス周波数を提供する必要があり、ファームウェアはそれに応じて自動的に調整されます。

アンプのゲインは、予想される高いピークパワーレベルに対応するために、より低い値に調整されます。内部測定分解能は、選択したパワースケールに対する低い平均パワーに対応するために、(通常のCWパワーモードで使用される通常の4桁の代わりに) 有効数字7桁に拡張されます。

センサーのゼロ調整には特に注意してください。ゼロ調整は常に重要ですが、低デューティサイクルパルスを測定する場合はさらに重要です。CWを測定する場合、アンプはノイズを可能な限り低く保つために可能な限り最大ゲインに調整できますが、短いパルスを測定する場合は、短いピークパワーに対応するためにゲインを下げる必要があります。これにより、CWを測定する場合よりも重大な誤差を引き起こす可能性のあるゼロレベルの誤差に対する感度が向上します。測定時と同じ環境でセンサーを常にゼロにしてください。できれば、すべての背景光を遮断するか、少なくとも実行されている測定と比較してわずかなレベルに減らします。大量の背景光があるとゼロ調整機能が失敗する可能性があるため、開始する前に可能な限り遮断してください。

デバイスのユーザーマニュアルまたはドキュメントに記載されている通常の方法でゼロ調整を実行します。ゼロ調整が完了したら、ゼロレベルをデバイスのメモリに「保存」することを忘れないでください。

レーザーパルス周波数がソフトウェアで使用されているサンプリング時間と完全に一致しない場合、ビート効果が発生することがあります。これは、測定の周期的な変化によって、時には数秒または数十秒にわたって現れます。周波数設定が低すぎると、測定対象の平均パワーレベルを超えるパワーの周期的な正の「スパイク」が発生する可能性があります。周波数が高すぎると、スパイクは負になり、平均パワーレベルを下回ります。周波数が正しいレーザー周波数に近づけるように調整されると、周波数を完全に調整するとスパイクが完全に消えるまで、スパイクは小さくなり、離れて広がります。測定デバイスの公称内部クロック周波数またはレーザーパルス周波数のわずかな誤差により、完全な測定に必要な正確な周波数設定が期待どおりにならない場合があることに注意してください。

上の図2では、パルスの正確な周波数は20.04Hzのように見えます。この値をわずかに上回ったり下回ったりする周波数を設定すると、公称平均パワーを上回ったり下回ったりするパワー測定値のスパイクが発生します。さらに、公称平均パワーレベル (スパイク間の平坦なセクション) は、周波数設定によってわずかに変化するように見えます。これは、全体的な平均パワー (スパイクを含む) はすべての場合で一定ですが、正のスパイクは測定値のフロアレベルのわずかな低下によって相殺されるため、すべてのケースで同じ平均値に平均化されるためです。

一般に、ディスプレイに「over」と表示されず、ある種の飽和を示す最も感度の高いパワースケールを選択する必要があります。ファームウェアは、飽和が発生するとユーザーに通知し、ユーザーは必要に応じて感度の低いパワースケールを選択できるようにします。電子機器は、パワースケールが理論的に対応できるよりも低いレベルの平均パワーで飽和 (「over」を示す) 場合があることに注意してください。たとえば、300µWスケールを選択した場合、パルスソースのデューティサイクル、ファームウェアによって自動的に選択された内部パワースケール、ソフトウェアで選択されたレーザー波長、およびその他の要因の正確な組み合わせに依存する、~100µWの平均パワーのみを測定するときに「over」が表示される可能性があります。注意すべき重要なことは、ファームウェアは、感度の低いスケールを選択する必要があるときにユーザーに通知することです。

さらに、平均パワーが選択したスケールで許可されている最大パワー (たとえば、350µWスケールで300µW) を超えると、「over」(小文字) の代わりに「OVER」(大文字) というメッセージが表示されます。これは、問題が飽和を引き起こしているものをユーザーが理解するための便利な方法です。

このモードを使用すると、オートレンジは無効になります。

上述したように、低デューティサイクルでパルス信号を測定する場合、選択するパワースケールは、同様の平均パワーのCW信号に最適なものよりも感度が低い必要があります。これにより、同等のCW信号の場合よりもノイズが高くなる可能性があります。さらに、測定される信号の不安定な性質のために、より高いノイズは依然として避けられません。「低周波数パワーモード」は、通常のパワーモードと比較して全体的なパフォーマンスを向上させますが、それでもノイズの一定の増加が観察される可能性があります。場合によっては、より長い期間にわたってパワー測定値を平均化することによってノイズを低減できる場合があります。

場合によっては、ハードウェアは、パルス信号によって引き起こされるパワーのピークを平滑化するために十分なローパスフィルタリングを提供し、それによってパフォーマンスを向上させ、ノイズを低減する場合があります。ローパスフィルタリングは、最も感度の低いアナログレンジの~160Hz (1msの応答時間)、中程度の感度レンジの~2Hz (86msの応答時間)、最も感度の高いレンジの~0.64Hz (250ms)までさまざまです。内部レンジは、パワースケールを選択するときにファームウェアによって自動的に選択されます。ローパスフィルタリングの重いアナログ範囲を選択した場合、感度の低いアナログ範囲を自動的に選択できる「低周波数パワーモード」を選択するよりも、通常のパワーモードを使用する方が良い場合があります。

次の手順をお勧めします:

まず、通常の「電源」モードを選択してみてください。「over」を引き起こさない可能な限り最も敏感なスケールを選択してください。パワー測定値を観察して、データが安定しているかノイズが多いかを判断します。信号が非常にノイズが多い場合は、低周波数パワーモードに切り替えます。データが安定している場合は、1つのパワースケールで変更します。 (たとえば、3µJから30µJへ) 測定された平均パワーが連続するパワースケールで同じであることを確認します - そうでない場合は、より感度の高いパワースケールで飽和を示している可能性があります。その場合は、低周波数パワーモードに切り替えます。

「フィルターIN」オプションを備えたフォトダイオードセンサーの場合、場合によっては、追加のフィルターを使用してパワーメーターを「フィルターIN」オプションに設定し、それによってフォトダイオードの信号を減らし、ファームウェアにローパスフィルタリングが重いより感度の高い内部アナログ範囲を選択させる方がよい場合があります。これにより、パルス信号のパフォーマンスが向上する可能性があります。

多くのOphirの「ディスプレイ」(LCDディスプレイ付き) および「デバイス」(USBまたはEthernet経由でPCに直接接続)は、低周波数パワーモードを提供します。これらには、StarBright、Centauriディスプレイ、JunoおよびEA-1デバイスが含まれます。Ophirの「StarLab」PCアプリケーションは、これらすべてのディスプレイとデバイスをサポートします。一部のOEMセンサーも同様のソリューションを提供します。