CN115210975A - 控制激光二极管的光输出功率的方法、控制装置以及相关系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学粒子传感领域，特别是涉及一种控制激光二极管(10)的光输出功率的方法。提出了一种控制激光二极管(10)的光输出功率的方法，其中激光二极管与光电二极管(20)相关联，光电二极管将从激光二极管接收的光转换成光电二极管电流，该方法包括以下步骤：获得第一光修整参数，其指示在预定校准条件下激光二极管(10)在高于激光阈值的第一激光二极管电流下的第一光输出功率和激光二极管在不同于第一激光二极管电流的高于激光阈值的第二激光二极管电流下的第二光输出功率；获得第二电修整参数，其指示在预定校准条件下光电二极管电流相对激光二极管电流的光电二极管特性曲线；在低于激光阈值的第三激光二极管电流下测量第一光电二极管电流；在与第三激光二极管电流不同的低于激光阈值的第四激光二极管电流下测量第二光电二极管电流；基于对所述第一光电二极管电流和所述第二光电二极管电流的测量确定光电二极管电流相对激光二极管电流在激光阈值之下的斜率；基于第一光修整参数、第二电修整参数以及光电二极管电流相对激光二极管电流在激光阈值之下的斜率，控制激光二极管(10)在激光阈值之上的输出功率。

Description

控制激光二极管的光输出功率的方法、控制装置以及相关 系统

技术领域

本发明涉及光学粒子传感领域，特别是涉及一种控制激光二极管装置的光输出功率的方法。本发明还涉及相应的控制装置以及系统、特别是粒子传感器装置，该系统包括适于控制激光二极管的光输出功率的控制装置。

背景技术

DE102015207289A1和US9,857,287B2公开了一种粒子传感器设备。粒子传感器设备包括：光学发射器装置，该光学发射器装置配置为发射光辐射，使得其中可能存在至少一个粒子的体积是至少部分可照明的；光学检测器装置，其具有至少一个检测表面，该检测表面被在至少一个粒子上散射的光辐射的至少一部分撞击，关于撞击至少一个检测表面的光辐射的强度和/或强度分布的至少一个信息信号可被输出；以及一种评估装置，利用该评估装置可识别和输出关于粒子的存在、粒子数量、粒子密度和/或粒子的至少一种特性的信息项。该粒子传感器装置还包括至少一个透镜元件，其设置成使得发射的光辐射可聚焦到体积内的聚焦区域上。

光学粒子传感器设备可以包括具有集成光电二极管的VCSEL(垂直腔表面发射激光器)激光二极管。VCSEL是一种半导体激光二极管，其激光束从顶面垂直发射，与传统的边缘发射半导体激光器(也是面内激光器)相反，传统的边缘发射半导体激光器(也是面内激光器)从晶圆切出的单个芯片形成的表面发射。基于所谓的自混合干涉(SMI)技术，已知的光学粒子传感器设备允许获得关于粒子的存在以及可选地它们的速度的信息。

光学粒子传感器装置应该以明确定义的输出功率操作。一方面，为了获得高测量灵敏度，光输出功率应尽可能高。另一方面，光输出功率应该足够低以确保人眼安全操作。

然而，基于激光二极管的温度和激光二极管相对装置寿命的老化效应，在激光二极管以恒定激光二极管电流运行期间，光输出功率可能会改变。

因此，可能有必要在操作期间将实际输出功率控制到期望或目标输出功率、例如通过调节激光二极管电流来控制。激光二极管电流也可以称为驱动电流。原则上，激光二极管的光输出功率可以经由外部光反馈路径测量。然而，特别是对于小型化应用，例如集成在智能手机中的光学粒子传感器，这可能并不实用。

申请号为DE102018212687.9的德国专利申请公开了一种用于监测具有相关光电二极管的激光二极管的光输出功率的方法，以及一种粒子传感器装置。该申请描述了在操作期间基于激光二极管处以及光电二极管处的电流和/或电压测量值来监控激光二极管操作期间的光输出功率的一般想法。更准确地说，建议(a)在预定的激光二极管电流、例如10μA下执行在激光二极管处的电压测量，和(b)在不同设定的激光二极管电流下执行对光电二极管电流的若干次电流测量。

尽管其中公开的方法可能已经为监测激光二极管的光输出功率提供了非常好的性能，但是希望获得进一步改进且优选简化的方法来控制具有集成光电二极管的激光二极管的光输出功率。

US6,483,862B1公开了一种使用天然氧化物半导体层来单片集成发光装置和光电检测器的系统和方法。提供的发光装置和光电检测器组合具有这样的结构，其中与发光装置接触的光电检测器层通过天然氧化物半导体层与发光装置间隔开，该半导体氧化物层既是绝缘的，又具有比发光装置和光电检测器低的折射率。这种配置将产生发光装置和光电检测器结构，其最小化光电检测器对从发光装置输出的自发发射光的捕获，同时将发光装置与光电检测器电隔离。发光装置与光电检测器的电隔离将产生四端装置，其中发光装置和光电检测器可以独立地偏置，因此可以在非常低的偏置电压下工作。

US5,757,837A公开了一种由腔内量子阱光电检测器构成的垂直腔表面发射激光器。量子阱光电检测器放置在法布里-珀罗波长处的光强度峰值处。该装置可能包括以氧化层、气隙或质子注入形式的电流限制层。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种用于控制激光二极管的光输出功率的进一步改进的方法。特别地，提供一种可以在现场操作期间提供关于温度和/或老化效应的简化调整的方法将是有利的。特别地，可以简化电路设计的控制方法将是有利的。此外，在现场操作期间使设置或校准过程更省时将是合乎需要的。

根据本公开的第一方面，提出了一种控制激光二极管的光输出功率的方法，其中激光二极管与光电二极管相关联，光电二极管将从激光二极管接收的光转换成电子光电二极管电流，该方法包括以下步骤：

-获得第一光修整参数，其指示在预定校准条件下激光二极管在高于激光阈值的第一激光二极管电流下的第一光输出功率和激光二极管在不同于第一激光二极管电流的高于激光阈值的第二激光二极管电流下的第二光输出功率；

-获得第二电修整参数，其指示在预定校准条件下光电二极管电流相对激光二极管电流的光电二极管特性曲线；

-在低于激光阈值的第三激光二极管电流下测量第一光电二极管电流；

-在与第三激光二极管电流不同的低于激光阈值的第四激光二极管电流下测量第二光电二极管电流；

其特征在于，

-基于对所述第一光电二极管电流和所述第二光电二极管电流的测量确定光电二极管电流相对激光二极管电流在激光阈值之下的斜率；

-基于第一光修整参数、第二电修整参数以及光电二极管电流相对激光二极管电流在激光阈值之下的斜率，控制激光二极管在激光阈值之上的输出功率。

在本发明的又一方面，提供了一种用于控制激光二极管的光输出功率的相应控制装置，以及一种系统、特别是一种光学粒子传感器装置，该系统包括光电二极管、激光二极管和控制装置，该控制装置适用于基于如本文所述的方法控制激光二极管的光输出功率。

本发明的优选实施例在从属权利要求中限定。应当理解，要求保护的方法、系统和控制装置可以具有与该方法相似和/或相同的优选实施例、特别是如从属权利要求中所限定的以及如本文所公开的实施例。

本文提出的解决方案可以提供进一步改进激光二极管的功率控制的可能性，同时它可以提供关于现场操作期间的温度和/或老化效应的简化调整。

发明人认识到，可以基于光电二极管电流相对激光二极管电流在激光阈值之下的斜率以高精度控制激光二极管在激光阈值之上的光输出功率。因此，即使根据激光阈值之下的光电二极管特性曲线的斜率来控制高于激光阈值的激光器输出功率似乎违反直觉，但已经发现可以在激光阈值之上的不同的光输出功率范围内实现高精度的功率控制。例如，可以减少光电二极管的在激光阈值之上的特性曲线的非线性影响。

参考前述的DE102018212687.9，其中建议评估描述光电二极管特性曲线在激光阈值之上的斜率的PD_Slope和PD_SlopeT。

此外，已经发现，通过提供指示激光二极管在第一激光二极管电流下的第一光输出功率和激光二极管在不同于第一激光二极管电流的第二激光二极管电流下的第二光输出功率的第一光修整参数，可以进一步减少现场操作期间校准测量的工作量。即使增加了获得修整参数的努力，这些修整参数也可以在操作阶段实现简化的后续校准。例如，已经发现在现场操作期间可能不再需要对激光二极管的附加电压测量。因此，即使在修整阶段的努力增加，整体努力可能会减少。应该注意的是，修整测量通常在制造期间在预定条件下作为一次性测量进行，而温度调整和/或与装置老化效应有关的适应在装置寿命期间经常发生。

与较早的德国专利申请DE102018212687.9中描述的方法相比，所提出的解决方案可以提供若干优点。例如，其中，abcd常数可以仅在现场操作期间的功率电平对应于校准期间的预定功率电平时应用，例如，当设定0.5mW的光输出功率时。尽管该方法在现场操作期间提供了非常好的校准结果以设置该特定功率电平，但是可以利用本公开中描述的概念进一步提高用于设置不同功率电平的性能和灵活性。

鉴于激光二极管的老化效应，所提出的解决方案的其它优点可以涉及更准确的功率控制。已经发现，特别是在激光二极管的第一操作小时期间，传统方法的测量精度可能会提供较差的性能。为了克服这个问题，现有技术方法可以在制造期间在激光二极管的足够操作时间之后执行校准测量。因此，所提出的解决方案可以减少制造期间的校准时间，因为在制造校准期间可能不需要等待老化效应的产生。

一般来说，所提出的方法可以分为两个阶段：修整阶段和操作阶段。修整阶段是指在预定的、即受控或限定的条件下、例如在制造期间修整或校准。修整阶段可以包括获得第一和第二光修整参数。第一光修整参数至少指示激光二极管在高于激光阈值的第一激光二极管电流下的第一光输出功率和激光二极管在不同于第一激光二极管电流的高于激光阈值的第二激光二极管电流下的第二光输出功率。可选地，光修整参数可以包括或者可以从激光二极管的特性曲线得出。第一光电二极管电流和第二光电二极管电流的实际测量，以及随后的确定和控制步骤可以在操作阶段期间执行。如本文所使用的，修整参数可以指校准参数，并且术语修整参数、校准参数和修整校准参数可以互换使用。类似地，预定条件可以指校准条件，并且术语预定条件、校准条件或预定校准条件可以互换使用。如上所述，必须区分(1)在预定条件下校准或修整(修整阶段)和(2)装置在现场操作(操作阶段)。即远离实验室或制造设备，并且不一定在已知条件下操作。在操作阶段执行测量第一和第二光电二极管电流、基于此确定光电二极管电流相对激光二极管电流的斜率以及控制激光二极管的光输出功率的步骤。在操作阶段，不需要进行广泛的光学测量。虽然可以在制造期间在预定校准条件下测量广泛的装置校准或修整参数(例如一次性校准测量)是可以接受的，但在现场操作期间所需的剩余测量应该是简单且有限的。因此，在操作期间，可以例如从存储中获得预定的校准或修整参数，并与有限的附加测量结合使用。

在下文中，将简要解释和定义在整个申请中使用的一些术语：

获得修整参数可以是指接收、检索、确定或测量修整参数。例如，修整参数可能已经存储在数据库中，并从装置内的数据库中检索。修整参数也可以经由可选的通信接口接收。作为该方法的一部分，也可能必须测量修整参数。此外，可以根据第一和第二光输出功率的测量值计算修整参数。类似的考虑相应地适用于第二电修整参数。

光电二极管的特性曲线可以指描述光电二极管电流相对激光二极管电流的曲线。光电二极管斜率或光电二极管的斜率(曲线)可以指光电二极管的特性曲线的斜率。激光二极管的特性曲线可以指激光二极管的光输出功率相对激光二极管电流的曲线。激光二极管的斜率或激光二极管的斜率(曲线)可以指激光二极管的特性曲线的斜率。可以通过测量两个不同激光二极管电流下的输出功率或光电流来确定斜率。

在下文中，将描述根据本发明的一个方面的方法的有利实施例。

根据一个实施例，获得第一光修整参数可以包括测量激光二极管的特性曲线，该特性曲线为指示激光二极管的光输出功率相对激光二极管的激光二极管电流的曲线。特别地，可以用(校准的)外部功率计测量光输出功率。因此，可以在制造期间以非常高的精度获得各个值。鉴于修整测量可以在制造过程中作为一次性测量执行，使用专用外部设备进行高精度测量是可行的。此外或替代地，参数也可以存储在存储器中，并从所述存储器中获得。此外，可以使用与激光二极管相关联的光电二极管来测量光输出、例如在制造过程中或当确定装置在预定的校准条件下运行时测量。例如，当确定装置处于用于执行校准的期望温度时，可以利用与激光二极管相关联的光电二极管执行校准测量。

第一光修整参数可以包括激光二极管特性曲线的光学确定的修整激光二极管斜率(LD_{Slope_trim_opt})，该曲线指示在预定条件下激光二极管的光输出功率相对激光二极管的激光二极管电流的关系。这种方法的一个优点是可以进一步改进在装置寿命内的功率控制。因此，可以基于对激光二极管的光输出功率的光学测量来确定激光二极管的斜率，而不是使用从光电二极管得出的电确定的斜率。尽管电确定值和光学确定值相当相似，但已经发现可以在装置寿命期间实现更精确的功率控制。光学确定的激光二极管斜率可以直接由在预定条件下激光二极管在高于激光阈值的第一激光二极管电流下的第一光输出功率和激光二极管在不同于第一激光二极管电流的高于激光阈值的第二激光二极管电流下的第二光输出功率计算。激光二极管斜率可以通过激光二极管的第一和第二光输出功率的差与第一和第二激光二极管电流的差相比来获得。如下文将进一步解释的，激光二极管特性曲线的修整激光二极管斜率可以非倒数地由激光二极管的光输出功率相对激光二极管的激光二极管电流来确定，或者倒数地由激光二极管的激光二极管电流相对激光二极管的光输出功率来确定。由于可以避免除法项，因此倒数可能有利于在ASIC中的实现。如本文所用，术语“光学确定”可以表示基于在预定条件下对激光二极管的光输出功率的测量来确定参数。

因此，第一光修整参数可以包括激光二极管特性曲线的光学确定的修整激光阈值电流(I_{th_trim_opt})，该激光二极管特性曲线指示在预定条件下激光二极管的光输出功率与激光二极管的激光二极管电流的关系。光学确定的修整激光阈值电流(I_{th_trim_opt})可以由光学确定的修整激光二极管斜率(LD_{Slope_trim_opt})和至少(a)激光二极管在第一激光二极管电流下的第一光输出功率以及(b)激光二极管在第二激光二极管电流下的第二光输出功率之一通过求解零光功率方程确定。阈值可以确定为，通过(a)激光二极管在第一激光二极管电流下的第一光输出功率和(b)激光二极管在第二激光二极管电流下的第二光输出功率的直线与零光输出功率相交。如上所述，即使非常相似，已发现光学确定的阈值可进一步改进功率控制。

基于光学确定的激光阈值电流(I_{th_trim_opt})和电确定的激光阈值电流校正值(ΔI_{th_el})来控制激光二极管的光输出功率。特别是基于光学确定的激光阈值电流(I_{th_trim_opt})和电确定的激光阈值电流校正值(△I_{th_el})之和来控制。激光阈值电流校正值(△I_{th_el})可以基于电测量来确定。可以在制造期间提供光学确定的阈值，可以在现场操作期间执行电确定。因此，在操作期间，激光阈值电流可以近似为I_{th_trim_opt}+△I_{th_el}。光学确定的激光阈值电流和仅考虑电确定的激光阈值校正值的特定组合的优点在于，通过这种特殊组合，可以进一步改善功率控制，同时在现场操作期间提供具有成本效益和可靠的对校正值的确定。

在另外的改进中，可以基于(a)从在预定条件下光电二极管电流相对激光二极管电流的特性曲线导出的(电确定的)修整激光阈值电流(I_{th_trim_el})与(b)在现场操作期间确定的(电确定的)操作激光阈值电流(I_{th_el})的差来确定激光阈值电流校正值(△I_{th_el})。操作激光阈值电流可以例如由光电二极管电流相对激光二极管电流的特性曲线得出。因此，代替使用已经可用的光学确定的激光阈值电流(I_{th_trim_opt})，建议提供另外的电确定的激光阈值电流(I_{th_trim_el})，并据此确定激光阈值电流校正值。因此，可以更可靠且准确地确定激光阈值电流校正值(△I_{th_el})。可选地，可以可选地应用比例因子和/或偏移量。例如，激光阈值电流校正值(△I_{th_el})可以通过用比例系数B1缩放所述差并且可选地添加偏移系数B2来确定。可以基于经验测量来确定比例因子和偏移量。

可以基于光学确定的修整激光二极管斜率(LD_{Slope_trim_opt})和电确定的激光阈值之上的激光二极管斜率校正值(△LD_{Slope_el})来控制光输出功率。例如，基于光学确定的修整激光二极管斜率(LD_{Slope_trim_opt})和电确定的激光阈值之上的激光二极管斜率校正值(△LD_{Slope_el})的和来控制。激光二极管斜率校正值(△LD_{Slope_el})可以基于电测量来确定。因此，在操作期间，激光二极管在激光阈值之上的斜率可以近似为LD_{Slope_trim_opt}+△LD_{Slope_el}。

在一种有利的改进中，可以基于激光阈值之下的光电二极管斜率校正值(△PD_{SlopeSE_el})来确定激光阈值之上的激光二极管斜率校正值(△LD_{Slope_el})。该实施例的优点是校正值可以从光电二极管特性曲线的电测量中确定。激光阈值之下的光电二极管斜率校正值(△PD_{SlopeSE_el})可以基于电测量来确定。在操作期间，激光阈值之下的光电二极管斜率因此可以近似为PD_{SlopeSE_trim_el}+△PD_{SlopeSE_el}。光电二极管斜率指示光电二极管电流与激光二极管电流的关系。令人惊讶的是，已经认识到，使用激光阈值之下的光电二极管的斜率而不是激光阈值之上的光电二极管的斜率可为激光阈值之上的激光二极管斜率提供非常准确的结果。

激光阈值之上的激光二极管斜率校正值(△LD_{Slope_el})基于以下等式确定：

△LD_{Slope_el}＝A1*△PD_{SlopeSE_el}+A2，

其中，△PD_{SlopeSE_el}为低于激光阈值的光电二极管斜率校正值，A1为比例系数，A2为偏移系数，△PD_{SlopeSE_el}表示在预定条件下光电二极管电流相对激光电流在激光阈值之下的斜率与在测量第一和第二光电二极管电流时的光电二极管电流相对激光电流在激光阈值之下的斜率之间的差；△LD_{Slope_el}表示在预定条件下激光二极管的光输出功率相对激光电流在激光阈值之上的斜率与在测量第一和第二光电二极管电流时的光输出功率相对激光电流在激光阈值之上的斜率之间的差。可以基于经验测量来确定比例因子A1和偏移量A2。应当理解，不同类型的实际数值可能有所不同。取决于实施方式，激光二极管斜率校正值可以指非倒数或倒数值。如上所述，由于可以避免除法项，因此倒数项可能有利于在ASIC中的实现。当对激光二极管斜率校正值使用倒数项时，不同的比例因子和偏移量也可以称为比例因子A3和偏移量A4。

第二电修整参数可以包括在预定条件下光电二极管电流相对激光二极管电流在激光阈值之下的斜率(PD_{SlopeSE_trim_el})。激光阈值之上的光电二极管斜率校正值(ΔPD_{SlopeSE_el})可以基于(a)在预定条件下光电二极管电流相对激光二极管电流在激光阈值之下的斜率与(b)在现场操作期间光电二极管电流相对激光二极管电流在激光阈值之下的斜率的差来确定。光电二极管斜率校正值因此可以从指示光电二极管的光电二极管电流相对激光二极管的激光二极管电流的光电二极管的阈值之下的特性曲线在修整阶段和操作期间的之间的差来获得。

在一种有利实施例中，激光二极管的光输出功率通过设置激光二极管电流ILD来控制

I_LD(P_opt)＝(I_{th_trim_opt}+△I_{th_el})+P_opt/(LD_{Slope_trim_opt}+△LD_{Slope_el})；

其中，I_LD(P_opt)是激光二极管电流；P_opt是光输出功率；I_{th_trim_opt}是光学确定的激光阈值电流；△I_{th_el}是电确定的激光阈值电流校正值；LD_{Slope_trim_opt}是光学确定的激光二极管斜率；△LD_{Slope_el}是电确定的激光二极管斜率校正值。可以如上所述获得各个值。该实施例的优点在于该方法不限于在现场操作期间调整激光二极管的光输出功率，以实现与在用于校准装置的修整阶段期间使用的光输出功率相同的光输出功率。因此，可以考虑到各种所需输出功率P_opt的温度变化和老化效应。当使用参数LD_{Slope_trim_opt}和△LD_{Slope_el}的倒数值时，上述等式可以重写为

I_LD(P_opt)＝(I_{th_trim_opt}+△I_{th_el})+P_opt/(LD_{Slope_trim_opt,m1}+△LD_{Slope_el,m1})；

其中，可选的后缀m1突出了倒数参数的使用。使用倒数参数的优点是在ASIC中的实现可以更有效，因为可以取消除法项。

光电二极管可以与激光二极管集成。特别地，激光二极管可以是具有集成光电二极管的垂直腔面发射激光器VCSEL。此类装置也简称为VIP。光电二极管可以与激光二极管热耦合。

与现有技术中的已知解决方案和所提出的方法相比，控制激光二极管的输出功率可以不包括在现场操作期间在预定激光二极管电流下测量激光二极管电压。已经发现通过在修整阶段提出的更精细的光学校准，不再需要以预定的激光二极管电流对激光二极管进行电压测量。鉴于在现场操作期间的调整比在制造期间的修整更频繁地发生，因此可以减少整体工作量。

应当理解，上述特征和下文将要解释的特征不仅可以以分别指出的组合使用，而且还可以以其它组合使用或单独使用而不脱离本发明的范围。

附图说明

本发明的这些和其它方面将从下文描述的实施例中变得清楚易懂并且参考下文描述的实施例来阐明。在附图中：

图1示出了根据本公开的一个方面的系统的示意图；

图2是激光二极管特性曲线、光电二极管特性曲线、激光二极管电压相对激光二极管电流的关系图；

图3示出了在第一温度下的预定条件下的修整阶段的具有一些利害参数的激光二极管特性曲线和光电二极管特性曲线的示意图；

图4示出了在不同于第一温度的第二温度下，在现场操作期间，具有一些利害参数的激光二极管特性曲线和光电二极管特性曲线的示意图；

图5示出了根据本公开的一个方面的方法的流程图；

图6示出了在修整阶段的示例性方法步骤的流程图；

图7示出了在操作阶段期间示例性方法第一步骤的流程图；

图8示出了在操作阶段期间示例性方法第二步骤的流程图。

具体实施方式

在下文中，将描述控制激光二极管的光输出功率的方法和系统的示例性实施例。

图1示意性地示出了根据本发明的系统的实施例。该系统在其中由参考数字100整体表示。系统100包括激光二极管10、光电二极管20和控制装置30。光电二极管20例如通过耦合元件21热耦合到激光二极管。在一个优选实施例中，激光二极管10是包括集成光电二极管20的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。

在操作期间，激光二极管发射离开激光二极管的光11，但一些光12被引导至光电二极管。一些光11可能在激光二极管10的视场中的粒子处被散射，可能被反向散射到装置并导致自混合干涉。相应的信号可以由光电二极管20采集并由评估单元评估，例如在US9,857,287B2中更详细地描述。这种评估单元的功能可以可选地由控制单元或控制装置30执行。然而，也可以提供单独的评估单元。

控制单元30适用于控制激光二极管10的光输出功率。具体地，控制单元适用于基于根据本公开的方法控制激光二极管的光输出功率。下面将参考流程图进一步描述关于方法步骤的进一步的细节。控制单元30包括用于将驱动信号提供给激光二极管10的输出端。例如，驱动信号可被提供给激光驱动器32，例如将激光二极管电流I_LD提供给激光二极管10以操作激光二极管10的电流源。激光驱动器32可以是控制单元30的一部分或者可以实现为单独的装置。有利地，可以使用相当简单的电流源，因为利用所提出的解决方案，可能不需要测量激光二极管电压。

控制单元30与光电二极管20连接。可以提供端口控制单元35，用于向光电二极管提供电源电压并测量光电二极管20的输出电流。控制单元30可以直接连接到光电二极管20或通过诸如受控电压源之类或例如简单地用于测量光电二极管电流的分流电阻器的居间单元36。光电二极管20因此将从激光二极管10接收的光21转换成可以用控制单元30直接或间接测量的光电二极管电流。

可以在修整阶段使用外部功率计40来校准控制装置30，以便提供激光二极管10的期望的、良好控制的光输出功率。应当理解，功率计不一定必须直接连接到控制装置，但也可以是制造机械和测量设备的一部分。通过使用外部功率计40，可以获得高度可靠的第一光修整参数，该参数指示在预定条件下激光二极管在高于激光阈值的第一激光二极管电流下的第一光输出功率和激光二极管在不同于第一激光二极管电流的高于激光阈值的第二激光二极管电流下的第二光输出功率。应当理解，这些修整参数也可以由控制装置30从外部数据库50中获得。数据库50可以实现为外部或内部存储器。

图2示出了激光二极管特性曲线60、光电二极管特性曲线70和激光二极管电压80相对激光二极管电流的关系图。横轴表示激光二极管电流I_LD。左纵轴表示激光二极管的光输出功率P_LD或P_out。右纵轴表示光电二极管电流I_PD。因此，激光二极管特性曲线60描述了激光二极管的光输出功率P_LD与激光二极管电流I_LD的关系。光电二极管特性曲线70描述了光电二极管电流I_PD与激光二极管电流I_LD的关系。

图3示出了在例如50℃的第一温度的预定条件下在修整阶段期间具有一些利害参数的激光二极管特性曲线61和光电二极管特性曲线71的简化示意图。

图4示出了在与第一温度不同的第二温度、例如更高的温度、60℃的现场操作阶段期间具有一些利害参数的激光二极管特性曲线61'和光电二极管特性曲线71'的示意图。

从图的比较可以看出，激光二极管的阈值电压I_th随着温度的升高而增加，并且激光二极管的斜率LD_{Slope_opt}或激光二极管的曲线的陡度随着温度的升高而降低。这同样适用于光电二极管斜率PD_{Slope_el}。因此，必须应用更高的激光二极管电流I_LD以实现例如0.5mW的期望光输出功率P_LD。因此，温度和老化会改变激光二极管的阈值电流、斜率和电压。因此，对于现场操作，重要的是要知道或至少估计修整值的差异或增量，以完全重建激光二极管曲线。根据这样的曲线，可以计算出每个所需输出功率(例如0.5mW)I_th所需的驱动电流I_LD。可以合理估计的驱动电流的上限可能是由于热翻转(thermal roll-over)的开始。

进一步的细节将参照图5至图8所示的流程图进行描述。图5示出了根据本公开的一个方面的方法500的流程图。步骤S501和S502可以在制造期间的修整阶段在预定条件下执行、例如在定义的温度下、例如50°下执行。步骤S503至S505可以在温度等操作条件未知的现场操作期间和/或在装置老化之后执行。

在步骤S501中，获得第一光修整参数。光学修整参数可以指示在预定条件下激光二极管在高于激光阈值的第一激光二极管电流(参见图3中的项64)下的第一光输出功率，和激光二极管在不同于第一激光二极管电流的高于激光阈值的第二激光二极管电流(参见图3中的项65)下的第二光输出功率。基于此，可以获得激光二极管特性曲线61在修整期间的光学确定的斜率LD_{Slope_trim_opt}。基于该光学测量，可以获得光学确定的激光阈值电流I_{th_opt}，如图3所示。

在步骤S502中，可以获得第二电修整参数。第二电修整参数可以指示在预定条件下光电二极管电流相对激光二极管电流的光电二极管特性71曲线。特别地，第二电修整参数可以包括低于激光阈值的测量值，由“SE”指示低于激光阈值的自发发射，以及高于激光阈值的测量参数，其没有SE指示。例如，指示在低于激光阈值的第三激光二极管电流下的第一光电二极管电流(参见图3中的项76)和在低于激光阈值的第四激光二极管电流下的第二光电二极管电流(参见图3中的项77)的参数。基于此，可以在修整期间获得光电二极管特性曲线71的电确定的激光阈值之下的斜率。类似地，可以在激光阈值之上执行进一步测量(参见图3中的项74和项75)，并且可以在修整期间获得光电二极管特性曲线71的斜率的电确定的激光阈值之上的斜率PD_{Slope_trim_el}。电确定的激光二极管阈值电流I_{th_el}的估值可以从光电二极管特性曲线的拐点确定，例如通过计算通过项76和项77的直线和通过项74和项75的直线的交点。需要说明的是，光学确定的激光阈值电流I_{th_opt}可能会略微偏离电确定的激光阈值电流I_{th_el}。

在制造期间的这个修整阶段之后，随后可以在现场操作期间、例如在导致如图4所示的光电二极管特性曲线和激光二极管特性曲线的条件下执行步骤S503至S505。在步骤S503中，在低于激光阈值的第三激光二极管电流下测量第一光电二极管电流(参见图4中的项76')。此外，在不同于第三激光二极管电流的低于激光阈值的第四激光二极管电流下测量第二光电二极管电流(参见图4中的项77')。可以在与图3中相同或不同的激光二极管电流下测量相应的光电二极管电流。相应地，可以获得激光阈值之上的测量值74'和75'。显示出相应的激光二极管斜率只是为了说明，但不必在现场操作期间进行测量。

在步骤S504中，基于第一光电二极管电流和第二光电二极管电流的所述测量确定光电二极管电流相对激光二极管电流在激光阈值之下的斜率PD_{SlopeSE_el}。对于自发发射，激光阈值之下的光电二极管斜率再次用“SE”表示。

在步骤S505中，然后可以基于第一光修整参数、第二电修整参数和光电二极管电流相对激光二极管电流在激光阈值之下的斜率来控制激光二极管在激光阈值之上的光输出功率。现在将参照图6至图8描述示例性实施例的其它细节。

图6示出了修整阶段期间示例性方法步骤600的流程图。修整过程开始于步骤S601。S602表示的左分支是指光学测量，而流程图的右分支，由S603表示，是指电修整步骤。在步骤S604中，高于激光阈值的第一激光二极管电流在预定条件下被施加到激光二极管。测量在所述第一激光二极管电流下激光二极管的光输出功率(参见图3中的项64)。另外，在步骤S604中，与第一激光二极管电流不同的高于激光阈值的第二激光二极管电流在预定条件下被施加到激光二极管。测量在所述第二激光二极管电流下激光二极管的光输出功率(参见图3中的项65)。在步骤S605中，基于所述测量确定激光二极管特性曲线的修整激光二极管斜率(LD_{Slope_trim_opt})，所述激光二极管特性曲线指示在预定条件下激光二极管的光输出功率相对激光二极管的激光二极管电流的关系。在步骤S606例如可以求解零光输出的线性方程以在607中确定激光二极管特性曲线的光学确定的修整激光阈值电流(I_{th_trim_opt})，该特性曲线指示在预定条件下激光二极管的光输出功率相对激光二极管的激光二极管电流的关系。

参考图6中的右分支，在步骤S608中，高于激光阈值的第一激光二极管电流在预定条件下被施加到激光二极管。测量所述第一激光二极管电流下的光电二极管电流(参见图3中的项74)。另外，在步骤S608中，与第一激光二极管电流不同的高于激光阈值的第二激光二极管电流在预定条件下被施加到激光二极管。测量在所述第二激光二极管电流下的光电二极管电流(参见图3中的项75)。有利地，可以并行执行步骤S604和S608，即，施加高于激光阈值的相同第一和第二激光二极管电流，并且可以并行测量各自的光输出功率和光电二极管电流。然而，也可以在步骤S604和S608中施加不同的激光二极管电流。基于所述测量，可以在步骤S609中确定在修整期间的电确定的光电二极管斜率PD_{Slope_trim_el}。

相应地，在步骤S610中，低于激光阈值的第三激光二极管电流在预定条件下施加到激光二极管。测量所述第三激光二极管电流处的光电二极管电流(参见图3中的项76)。另外，在步骤S610中，不同于第三激光二极管电流的低于激光阈值的第四激光二极管电流在预定条件下被施加到激光二极管。测量在所述第四激光二极管电流下的激光二极管的光电二极管电流(参见图3中的项77)。基于所述测量，可以在步骤S611中确定修整期间激光阈值之下的、即自发发射(SE)期间的电确定的光电二极管斜率PD_{SlopeSE_trim_el}。在步骤S612中，基于例如图3所示的前述测量，可以确定电确定的或更精确估计的激光二极管的阈值电流I_{th_trim_el}。

图7和8示出了在操作条件期间的方法步骤、例如在将包括具有集成光电二极管的相应VCSEL的粒子传感器装置放到现场之后的方法步骤。在本文所述的方法中，在现场操作期间不测量预定激光二极管电流下的激光二极管电压。因此，可以简化校准过程。此外，还可以简化电路设计，因为该装置不必适合于执行激光二极管的相应电压测量。

在图7中，可以重复在图6的右分支中描述的电测量，但是这次是在现场操作装置期间在未知条件下(图7)进行，而不是在制造期间在受控预定条件下(图6)的修整测量。因此，在步骤S702中，在现场操作期间将高于激光阈值的第一激光二极管电流施加到激光二极管上。测量所述第一激光二极管电流处的光电二极管电流(参见图4中的项74')。另外，在步骤S702中，在现场操作期间，将不同于第一激光二极管电流的高于激光阈值的第二激光二极管电流施加到激光二极管。测量在所述第二激光二极管电流下的激光二极管的光电二极管电流(参见图4中的项75')。基于所述测量，可以在步骤S703中确定现场中的电确定的光电二极管斜率PD_{Slope_el}。

因此，在步骤S704中，在现场操作期间将低于激光阈值的第三激光二极管电流施加到激光二极管。测量所述第三激光二极管电流处的光电二极管电流(参见图4中的项76')。另外，在步骤S704中，在现场操作期间，将不同于第三激光二极管电流的低于激光阈值的第四激光二极管电流施加到激光二极管。测量在所述第四激光二极管电流下的激光二极管的光电二极管电流(参见图4中的项77')。基于所述测量，可以在步骤S705中确定在现场的激光阈值之下、即在自发发射(SE)期间的电确定的光电二极管斜率PD_{SlopeSE_el}。在步骤S706中，基于如图4所示的前述测量，可以确定电确定的或更精确估计的激光二极管的阈值电流I_{th_el}。

电确定的激光阈值也可以称为替代阈值电流，其可以基于分别如图3和图4所示的光电二极管特性中的拐点来确定。

图8示出了在图7所示方法步骤之后的其它方法步骤800的流程图。在步骤S801中，基于(a)在预定条件下光电二极管电流相对激光二极管电流在激光阈值之下的斜率(PD_{SlopeSE_trim_el})、即图6中步骤S611的结果与(b)现场操作期间光电二极管电流相对激光二极管电流在激光阈值之下的斜率(PD_{Slope-SE_el})、即图7中步骤S705的结果之间的差来确定激光阈值之下的光电二极管斜率校正值(△PD_{SlopeSE_el})。例如为：

△PD_{SlopeSE_el}＝PD_{SlopeSE_el}-PD_{SlopeSE_trim_el}。

在步骤S802中，激光阈值之上的激光二极管斜率校正值(△LD_{Slope_el})可基于以下等式确定：

△LD_{Slope_el}＝A1*△PD_{SlopeSE_el}+A2，

其中，△PD_{SlopeSE_el}是激光阈值之下的光电二极管斜率校正值，A1是比例系数，A2是偏移系数。系数可以根据经验或基于模拟来确定。因此，激光阈值之上的激光二极管斜率校正值是基于激光阈值之下的光电二极管斜率校正值来确定的。

在步骤S803和S804中，基于(a)从在预定条件下光电二极管电流相对激光二极管电流的特性曲线得出的修整激光阈值电流I_{th_trim_el}与(b)从在现场操作期间光电二极管电流相对激光二极管电流的特性曲线得出的操作激光阈值电流I_{th_el}之间的差来确定激光阈值电流校正值△I_{th_el}。在步骤S803中，例如可以这样计算辅助激光阈值校正值：

△I_{th_aux_el}＝I_{th_el}-I_{th_trim_el}。

在步骤S804中，激光阈值电流校正值则可以通过应用可选的比例因子B1和/或偏移B2来确定，基于：

△I_{th_el}＝B1*△I_{th_aux_el}+B2。

在步骤S805中，提供将由激光二极管提供的期望或目标光输出功率。优选地选择光输出功率使得装置、例如光学粒子传感器可以在眼睛安全范围内运行。

在步骤S808中，通过将激光二极管电流I_LD设置为用于期望的光输出功率来控制激光二极管的光输出功率。激光二极管电流可由下式计算

I_LD(P_opt)＝I_th+P_opt/LD_Slope；

其中，

I_LD(P_opt)是激光二极管电流；P_opt为光输出功率；

I_th是激光阈值电流(操作期间)；

LD_Slope是激光二极管的斜率(操作期间)；。

更准确地说，可以通过设置激光二极管电流I_LD来控制激光二极管的光输出功率，

I_LD(P_opt)＝(I_{th_trim_opt}+△I_{th_el})+P_opt/(LD_{Slope_trim_opt}+△LD_{Slope_el})；

其中，

I_LD(P_opt)是激光二极管电流；P_opt是光输出功率；

I_{th_trim_opt}是光学确定的激光阈值电流；

△I_{th_el}是电确定的激光阈值电流校正值；

LD_{Slope_trim_opt}是光学确定的激光二极管斜率；

△LD_{Slope_el}是电确定的激光二极管斜率校正值。

在一个实施例中，可以使用激光二极管斜率的倒数来避免除法项。引入术语LD_Slope,m1＝1/LD_Slope，因此导致I_LD(P_opt)＝I_th+P_opt*LD_Slope,m1。这可以允许在专用集成电路(ASIC)中有效地实现。与非倒数项类似，倒数项可写为：

LD_Slope,m1＝1/LD_{Slope_trim_opt}+△LD_{Slope_el,m1}＝LD_{Slope_trim_opt,m1}+△LD_{Slope_el,m1}，

其中，LD_{Slope_trim_opt,m1}是光学确定的激光二极管斜率的倒数。在步骤S605中，可以因此确定在预定条件下指示激光二极管的光输出功率相对激光二极管的激光二极管电流的激光二极管特性曲线的修整激光二极管斜率的倒数(LD_{Slope_trim_opt,m1})。类似地，在步骤S802中，可以根据下式确定激光阈值之上的激光二极管斜率校正值的倒数(△LD_{Slope_el,m1})

△LD_{Slope_el,m1}＝A3*ΔPD_{SlopeSE_el}+A4,

其中，△PD_{SlopeSE_el}是激光阈值之下的光电二极管斜率校正值，A3是比例系数，A4是偏移系数。令人惊讶的是，已经发现可以基于激光阈值之下的非倒数光电二极管斜率校正值△PD_{SlopeSE_e}l来确定△LD_{Slope_el,m1}。系数可以根据经验或基于模拟来确定。因此，激光阈值之上的激光二极管斜率校正值的倒数是基于激光阈值之下的光电二极管斜率校正值来确定的。需要注意的是，一般△LD_{Slope_el,m1}≠1/△LD_{Slope_el}。尽管如此，已经令人惊讶地发现上述方法允许以高精度控制激光输出功率，同时允许在ASIC中有效实施。还应注意，描述阈值电流的术语可以保持不变。因此，激光二极管的光输出功率可以通过设置激光二极管电流I_LD来控制：

I_LD(P_opt)＝(I_{th_trim_opt}+△I_{th_el})+P_opt*(LD_{Slope_trim_opt,m1}+△LD_{Slope_el,m1})

＝(I_{th_trim_opt}+B1*△I_{th_aux_el}+B2)+P_opt*(LD_{Slope_trim_opt,m1}+A3*△PD_{SlopeSE_el}+A4)

其中，

I_LD(P_opt)是激光二极管电流；P_opt为光输出功率；

I_{th_trim_opt}是光学确定的激光阈值电流；

△I_{th_el}为电确定的激光阈值电流校正值；

LD_{Slope_trim_opt,m1}是光学确定的激光二极管斜率的倒数；

△LD_{Slope_el,m1}是电确定的激光二极管斜率校正值的倒数。

作为这种方法的另一个优点，对于给定的光输出功率P_opt，参数集可以进一步减少，因为B2和P_opt*A4可以组合成一个常数。因此，常数的数量可能会从4个减少到3个。

总之，所提出的解决方案因此可以提供用于控制激光二极管的光输出功率的进一步改进的方法。特别地，可以简化电路设计，因为在现场操作期间可能不再需要激光二极管电压的电压测量。此外，鉴于现场所需的测量次数减少，设置或校准程序可能更省时。

虽然本发明已经在附图和前面的描述中详细说明和描述，但是这样的说明和描述被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践要求保护的发明时可以理解和实现对所公开实施例的其它变化。

在权利要求中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除复数。单个元件或其它单元可以实现权利要求中列举的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中列举了一些措施这一事实并不表明这些措施的组合不能有利地使用。

计算机程序可以存储/分布在适当的非暂时性介质上，例如存储在与其它硬件一起提供或作为其一部分提供的光存储介质或固态介质上，但也可以以其它形式分布、例如通过互联网或其它有线或无线电信系统分布。

权利要求中的任何参考符号不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种控制激光二极管(10)的光输出功率的方法，其中，所述激光二极管与光电二极管(20)相关联，所述光电二极管(20)将从所述激光二极管(10)接收的光转换成电子光电二极管电流，所述方法包括以下步骤：

-获得第一光修整参数，其指示在预定校准条件下激光二极管(10)在高于激光阈值的第一激光二极管电流下的第一光输出功率和激光二极管在不同于第一激光二极管电流的高于激光阈值的第二激光二极管电流下的第二光输出功率；

-获得第二电修整参数，其指示在预定校准条件下光电二极管电流相对激光二极管电流的光电二极管特性曲线；

-在低于激光阈值的第三激光二极管电流下测量第一光电二极管电流；

-在与第三激光二极管电流不同的低于激光阈值的第四激光二极管电流下测量第二光电二极管电流；

其特征在于，

-基于对所述第一光电二极管电流和所述第二光电二极管电流的测量确定光电二极管电流相对激光二极管电流在激光阈值之下的斜率；

-基于第一光修整参数、第二电修整参数以及光电二极管电流相对激光二极管电流在激光阈值之下的斜率，控制激光二极管(10)在激光阈值之上的输出功率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，获得第一光修整参数包括测量激光二极管(10)特性曲线，所述激光二极管特性曲线指示激光二极管的光输出功率相对激光二极管的激光二极管电流的关系，所述光输出功率特别是用校准的外部功率计测量的。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，第一光修整参数包括激光二极管特性曲线的光学确定的修整激光二极管斜率(LD_{Slope_trim_opt})，所述激光二极管特性曲线指示在预定校准条件下激光二极管(10)的光输出功率相对激光二极管的激光二极管电流的关系。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，第一光修整参数包括激光二极管特性曲线的光学确定的修整激光阈值电流(I_{th_trim_opt})，所述激光二极管特性曲线指示在预定校准条件下激光二极管(10)的光输出功率相对激光二极管的激光二极管电流的关系。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，基于光学确定的激光阈值电流(I_{th_trim_opt})和电确定的激光阈值电流校正值(△I_{th_el})控制激光二极管(10)的光输出功率，所述激光阈值电流校正值(△I_{th_el})是基于电测量确定的。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述激光阈值电流校正值(△I_{th_el})是基于(a)从在预定的校准条件下光电二极管电流相对激光二极管电流的特性曲线得出的修整激光阈值电流(I_{th_trim_el})与(b)在现场操作期间确定的操作激光阈值电流(I_{th_el})之间的差来确定的。

7.根据权利要求3或结合权利要求3的前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于光学确定的修整激光二极管斜率(LD_{Slope_trim_opt})和电确定的激光阈值之上的激光二极管斜率校正值(△LD_{Slope_el})来控制光输出功率，所述激光二极管斜率校正值(△LD_{Slope_el})是基于电测量确定的。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述激光阈值之上的激光二极管斜率校正值(△LD_{Slope_el})是基于激光阈值之下的光电二极管斜率校正值(△PD_{SlopeSE_el})确定的，所述激光阈值之下的光电二极管斜率校正值(△PD_{SlopeSE_el})是基于电测量确定的。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述激光阈值之上的激光二极管斜率校正值(△LD_{Slope_el})是基于以下等式确定的：

△LD_{Slope_el}＝A1*△PD_{SlopeSE_el}+A2，

其中，△PD_{SlopeSE_el}为激光阈值之下的光电二极管斜率校正值，A1为比例系数，A2为偏移系数，△PD_{SlopeSE_el}表示在预定条件下光电二极管电流相对激光电流在激光阈值之下的斜率与在测量第一和第二光电二极管电流时的光电二极管电流相对激光电流在激光阈值之下的斜率之间的差；△LD_{Slope_el}表示在预定条件下激光二极管的光输出功率相对激光电流在激光阈值之上的斜率与在测量第一和第二光电二极管电流时的光输出功率相对激光电流在激光阈值之上的斜率之间的差。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，第二电修整参数包括在校准预定条件下光电二极管电流相对激光二极管电流在激光阈值之下的斜率(PD_{SlopeSE_trim_el})；以及

激光阈值之下的光电二极管斜率校正值(△PD_{SlopeSE_el})是基于(a)在预定校准条件下光电二极管电流相对激光二极管电流在激光阈值之下的斜率(PD_{SlopeSE_trim_el})与(b)在现场操作期间光电二极管电流相对激光二极管电流在激光阈值之下的斜率(PD_{SlopeSE_el})之间的差来确定的。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，激光二极管(10)的光输出功率通过设定激光二极管电流I_LD来控制：

I_LD(P_opt)＝(I_{th_trim_opt}+△I_{th_el})+P_opt/(LD_{Slope_trim_opt}+△LD_{Slope_el})；

其中，

I_LD(P_opt)是激光二极管电流；P_opt是光输出功率；

I_{th_trim_opt}是光学确定的激光阈值电流；

△I_{th_el}是电确定的激光阈值电流校正值；

LD_{Slope_trim_opt}是光学确定的激光二极管斜率；

△LD_{Slope_el}是电确定的激光二极管斜率校正值。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，光电二极管(20)与激光二极管(10)集成，所述激光二极管(10)特别是具有集成光电二极管(20)的垂直腔面发射激光器VCSEL。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，控制激光二极管(10)的输出功率不包括在现场操作期间在预定激光二极管电流下测量激光二极管电压。

14.一种用于控制激光二极管(10)的光输出功率的控制装置(30)，其中，激光二极管与光电二极管相关联，所述光电二极管将从所述激光二极管接收的光转换成电子光电二极管电流，所述控制装置(30)适于执行以下步骤：

-获得第一光修整参数，其指示在预定校准条件下激光二极管(10)在高于激光阈值的第一激光二极管电流下的第一光输出功率和激光二极管在不同于第一激光二极管电流的高于激光阈值的第二激光二极管电流下的第二光输出功率；

-获得第二电修整参数，其指示在预定校准条件下光电二极管电流相对激光二极管电流的光电二极管特性曲线；

-在低于激光阈值的第三激光二极管电流下测量第一光电二极管电流；

-在与第三激光二极管电流不同的低于激光阈值的第四激光二极管电流下测量第二光电二极管电流；

其特征在于，

-基于对所述第一光电二极管电流和所述第二光电二极管电流的测量确定光电二极管电流相对激光二极管电流在激光阈值之下的斜率；

-基于第一光修整参数、第二电修整参数以及光电二极管电流相对激光二极管电流在激光阈值之下的斜率，控制激光二极管(10)在激光阈值之上的输出功率。

15.一种系统(100)、特别是一种光学粒子传感器装置，包括光电二极管、激光二极管(10)和控制装置(30)，所述控制装置(30)适于基于权利要求1至13中任一项所述的方法控制激光二极管的光输出功率。

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