DE102021102870A1

DE102021102870A1 - iTOF-Entfernungsmesssystem mit einem VCSEL im roten Spektralbereich

Info

Publication number: DE102021102870A1
Application number: DE102021102870.1A
Authority: DE
Inventors: Philipp Gerlach; Michael Franke; Lars Lehmann; Kevin Backhaus
Original assignee: IFM Electronic GmbH; PMDtechnologies AG
Current assignee: IFM Electronic GmbH; PMDtechnologies AG
Priority date: 2021-02-08
Filing date: 2021-02-08
Publication date: 2022-08-11

Abstract

Entfernungsmesssystem
mit einer Beleuchtung(10) mit einem VCSEL zur Aussendung eines intensitätsmodulierten Lichts in einem Wellenlängenbereich von 630 bis 750 nm,
mit einem Lichtlaufzeitsensor (22) zum Empfang und zur Demodulation des ausgesendeten und von einer Szenerie reflektierten Lichts,
mit einem Modulator zur Erzeugung eines hochfrequenten Modulationssignals (HF) und eines niederfrequenten Signals (LF),
wobei das Entfernungsmesssystem (1) ausgebildet ist, Entfernungen aus einer Phasenverschiebung des ausgesendeten und empfangenen Lichts zu ermitteln,
wobei der Lichtlaufzeitsensor mit dem hochfrequenten Modulationssignal (HF) und das VCSEL mit einem Multiplikationssignal (HF&LF) aus dem hochfrequenten Modulationssignal (HF) und dem niederfrequenten Signal (LF) betrieben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Entfernungsmesssystem, das Entfernungen aus einer Phasenverschiebung eines gesendeten und empfangenen intensitätsmodulierten Lichts ermitteln, wobei zur Erzeugung modulierten Lichts ein rotes VCSEL eingesetzt wird.
Für derartige iTOF-Entfernungsmesssysteme eignen sich insbesondere beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannte PMD-Sensoren.
Des Weiteren ist aus der DE 10 2018 131 182 A1 grundsätzlich bekannt, zur Leistungsregelung einer Infrarot Beleuchtung die Anzahl der Einschaltpulse zu reduzieren.
Typische Anforderungen an eine Lichtquelle für einen abstandsmessenden pmd iToF Sensor sind insbesondere geringer Stromverbrauch, hoher funktionaler Umgebungstemperaturbereich (z.B. bis 70°C), hohe augensichere Leistung, sichtbares justierbares rotes Licht mit „schöner“ Spotform und schnelle elektrische Modulierbarkeit (z.B. 100MHz, 25%DC) bei Beibehaltung der gewünschten Signalform.
Rote Laserdioden mit Vertikalresonator (VCSEL) sind diesbezüglich attraktive Lichtquellen, allerdings emittieren die heute verfügbaren VCSEL Chips wegen erheblicher interner Selbsterwärmung zu wenig Lichtleistung bei hohen Temperaturen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Entfernungsmesssystem mit einem VCSEL als Lichtquelle auch bei hohen Umgebungstemperaturen betreiben zu können.
Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Entfernungsmesssystem gelöst.
Erfindungsgemäß ist ein Entfernungsmesssystem mit einer Beleuchtung (10) mit einem VCSEL zur Aussendung eines intensitätsmodulierten Lichts in einem sichtbaren Spektralbereich vorzugsweise in einem Wellenlängenbereich von 630 bis 750 nm vorgesehen, mit einem Lichtlaufzeitsensor zum Empfang und zur Demodulation des ausgesendeten und von einer Szenerie reflektierten Lichts,
mit einem Modulator zur Erzeugung eines hochfrequenten Modulationssignals (HF) und eines niederfrequenten Signals (LF),
wobei das Entfernungsmesssystem ausgebildet ist, Entfernungen aus einer Phasenverschiebung des ausgesendeten und empfangenen Lichts zu ermitteln, wobei der Lichtlaufzeitsensor mit dem hochfrequenten Modulationssignal (HF) und das VCSEL mit einem Multiplikationssignal (HF&LF) aus dem hochfrequenten Modulationssignal (HF) und dem niederfrequenten Signal (LF) betrieben wird.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die optische Leistung der Beleuchtung bzw. des VCSELS durch Einstellen des niederfrequenten Signals derart geregelt werden kann, dass das VCSEL unterhalb einer kritischen Betriebstemperatur bleibt und so auch bei hohen Umgebungstemperaturen ausreichend Licht abstrahlt.
Es zeigen schematisch

1 ein Grundprinzip eines iTOF-Sensors nach dem Phasenmessprinzip,
2 einen Sensor mit einem auftreffenden Lichtpunkt,
3 eine Messsituation eines erfindungsgemäßen Sensors,
4 einen Verlauf eines thermischen Widerstands in Abhängigkeit der Halbleiterzusammensetzung,
5 einen Verlauf der optische Leistung in Abhängigkeit von Strom und Umgebungstemperatur,
6 einen Verlauf der optischen Leistung in Abhängigkeit der Ansteuerdauer,
7 eine erfindungsgemäße Signalaufbereitung,
8 ein mögliches Schaltungsbeispiel für eine Signalaufbereitung,
9 eine alternative Schaltung zu 8,
10 ein Timing-Diagramm für eine erfindungsgemäße Ansteuerung,
11 einen zeitlichen Verlauf der optischen Leistung mit einer erfindungsgemäßen Ansteuerung,
12 eine Abhängigkeit der optischen Leistung von Temperatur und Dutcycle einer niederfrequenten Ansteuerung.

1 zeigt einen optischen Entfernungsmesser, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist. Der optische Entfernungsmesser 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. Sender 10 mit einer Lichtquelle 12 und einer Sendeoptik 15 sowie einen Empfänger 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Empfangselement 22.
Das Empfangselement weist je nach Anwendung ein oder mehrere Empfangspixel auf. Das Empfangselement 22 ist vorzugsweise als iTOF-Sensor und hier insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet.
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und das Empfangselement 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz M(p1) mit einer ersten Phasenlage p1 beaufschlagt. Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal S(p1) mit der ersten Phasenlage p1 aus. Dieses Signal bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben mit einer zweiten Phasenlage p2 als Empfangssignal S(p2) auf das Empfangselement 22. Im Empfangselement 22 wird das Modulationssignal M(p1) mit dem empfangenen Signal S(p2), gemischt bzw. demoduliert, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
2 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekanntes Entfernungsmesssystem 1 mit einem Lichtlaufzeitsensor 22 zur Entfernungsbestimmung bestehend aus mindestens einem Lichtlaufzeitpixel 23 bzw. einer Empfangsfläche 23 zur Demodulation und Ermittlung der Phasenverschiebung eines erfassten Lichtsignals. Die Empfangsfläche kann ggf. auch aus mehreren Lichtlaufzeitpixeln 23 bestehen. Sender 10 und Empfänger 20 bzw. deren Komponenten sind so zueinander angeordnet und/oder ausgerichtet, dass in einem bevorzugten Entfernungsmessbereich das gesendete und vom Objekt 40 reflektierte Lichtsignal Sp1, Sp2 vom Lichtlaufzeitpixel 23 empfangen werden kann. Die Strahlformung ist, wie in 2 gezeigt, so ausgestaltet, dass das Lichtsignal Sp2 in Form eines Lichtspots 50 auf das Lichtlaufzeitpixel 23 trifft. Die Ausdehnungsfläche des auftreffenden Lichtspots 50 ist vorzugsweise kleiner als die Fläche des Lichtlaufzeitpixels 23.
3 zeigt eine mögliche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Entfernungsmessers. Die Beleuchtung 10 und Lichtlaufzeitsensor 22 weisen typischerweise einen kleinen seitlichen Versatz auf, so dass sich der Lichtspot auf dem Lichtlaufzeitsensor 22 mit sich änderndem Abstand in seiner Position verändert. Neben der iTOF-Entfernungsmessung nach dem Phasenmessprinzip kann ggf. auch die Bewegung des Spots auf der Sensoroberfläche mittels Triangulation zusätzlich zur Entfernungsmessung herangezogen werden.
Wie eingangs erwähnt, wäre es wünschenswert für eine solche Anordnung, VCSEL im roten Frequenzbereich zu verwenden. Da die optische Leistung eines solchen VCSEL jedoch stark mit steigender Temperatur abnimmt, gab es bislang Bedenken, rote VCSEL für Entfernungsmesssysteme einzusetzen.
Die erfindungsgemäße Idee besteht nun darin, einen roten VCSEL als Lichtquelle für einen pmd iToF Sensor zu verwenden und den VCSEL dafür mit einem speziellen Modulationssignal mit reduziertem Tastverhältnis (< 12.5%) derart anzusteuern, dass die gewünschten Eigenschaften, insbesondere die optische Leistung, über den gesamten Temperaturbereich bis 70°C in einem bevorzugten Bereich bleiben. Vereinfacht ausgedrückt soll durch gezieltes Weglassen von Modulationspulsen während der Integrationszeit der effektive Tastgrad des VCSELs abgesenkt werden und somit die gestellten Anforderungen erfüllen.
Im „Aus-Zustand“ wird der VCSEL vorzugsweise mit ~0mA, vorzugsweise < 1 mA bestromt, um die Pausen effektiv zur Abkühlung der internen Temperatur zu verwenden.
Der Strom im „Ein-Zustand“ wird auf z.B. ~20mA gesetzt, um direkte Kompatibilität zu vorhandenen CMOS 3.3V Treiber-Bausteinen zu ermöglichen und Einschaltverzögerungen im VCSEL zu minimieren. Das effektive Tastverhältnis wird zur Regelung der mittleren optischen Ausgangsleistung angepasst.
Die beschriebene Lösung bietet Vorteile gegenüber einer Modulation mit sehr hohen Frequenzen mit definierten Duty Cycle (ebenfalls zum Erreichen der Temperaturperformance), welche aber die Nachteile von zusätzlichen HF-Störungen und erhöhten Stromverbrauch mit sich bringen würde.
Als Lichtquelle für industrielle iToF Sensoren werden in der Regel rot emittierende Laserdioden verwendet. Diese sind günstig erhältlich und funktional über den ganzen Temperaturbereich bis 70°C. Die Laserschwelle liegt bei ca. 20 mA und weist einen ausgeprägten Temperaturgang auf, weshalb solche Systeme eine Leistungsregelung verwenden, indem der mittlere Laserstrom entsprechend der mittleren optischen Ausgangsleistung nachgeregelt wird. Der Haupt-Nachteil dieser etablierten Lösung besteht in dem relativ hohen Stromverbrauch, insbesondere bei erhöhter Temperatur. Darüber hinaus sei erwähnt, dass die spektralen Eigenschaften eines solchen Lasers zu unerwünschten Messfehlern führen können und auch die Spotform ist zunächst elliptisch.
Vertikal emittierende Laserdioden (VCSEL) haben intrinsisch ein zirkulares Abstrahlprofil und einen viel geringeren Schwellstrom und somit reduzierten Leistungsbedarf als Kantenemitter. Für Infrarotes Licht sind diese VCSEL auf GaAs Substrat und mit Halbleiterschichten aus AlGaAs schon lange eine etablierte Lösung. Rote VCSEL hingegen sind ein spezielles Thema, da für diese Wellenlänge um 680 nm das ternäre Material AI(x)Ga(1-x)As für niedrige Anteile von x Fundamentalabsorption zeigt. Das binäre Material GaAs hat für diese Wellenlänge einen Absorptionswert von über 10000 / cm und darf daher gar nicht verwendet werden. Das ternäre Material AlGaAs hat jedoch eine deutlich schlechtere thermische Leitfähigkeit als binäre Materialien AlAs oder GaAs.
In 4 ist beispielshaft der thermischer Widerstand von AI(x)Ga(1-x)As als Funktion von x gezeigt.
Rote VCSEL leiden daher unter einem relativ schlechten thermischen Widerstand von ca. 2400 K/W. Bei der Diskussion dieses Zahlenwertes muss man sich bewusst machen, dass dieser thermische Widerstand nicht mit dem Gehäuse oder der Aufbautechnik beschrieben wird, sondern es handelt sich um eine Temperaturerwärmung innerhalb des VCSEL Chips rund um den photonemittierenden Bereich (Quantentrog).
Bei einer Verlustleistung von 30 mW führt dieser thermische Widerstand zu einer Temperaturerhöhung von 72 K. Wenn das Substrat schon eine Temperatur von 70°C hat ergibt sich eine Junction-Temperatur von 142°C. Bei diesen hohen internen Temperaturen ist kein vernünftiger Laserbetrieb mehr möglich.
Beispielhaft sind in 5 die Auswirkungen eines hohen thermischen Widerstandes im temperaturabhängigen CW-Kennlinienfeld eines typischen VCSELs zu erkennen. Bei 50°C Substrat-Temperatur wird im dargestellten Beispiel nur noch eine mittlere optische Leistung <P_opt> von 1 mW erreicht. Ab spätestens 60°C ist kaum noch Lichtleistung messbar.
Da aktuelle Industriesensoren mit einer geräteinternen Temperatur von bis zu 70°C funktionieren müssen, und rote VCSEL bei dieser Temperatur nicht mehr genügend CW Leistung emittieren, werden VCSEL trotz ihrer potentiellen Vorteile bislang nicht für iToF Systeme im Industriebereich eingesetzt.
Das erfindungsgemäße Vorgehen geht nun von folgenden Überlegungen aus. Die Selbsterwärmung im VCSEL hat eine Zeitkonstante von ungefähr 1 µs. Daher lässt sich die Selbsterwärmung durch einen gepulsten Betrieb mit geringem Tastverhältnis reduzieren.
Die erreichbare optische Leistung verändert sich stark mit dem elektrischen Tastverhältnis. Bei aktuellen iTOF Systemen ist es möglich, die Lichtquelle mit 100 MHz und 25 % Tastverhältnis zu modulieren. In diesem Betriebsmodus kann die Zielleistung von 70°C erreicht werden. Das vom VCSEL emittierte optische Lichtsignal hat jedoch ein um die Einschaltverzögerung reduziertes Tastverhältnis. Um optische Signale mit einem Tastverhältnis von mindestens 25% zu erzeugen, wären elektrische Signale mit erhöhtem Tastverhältnis nötig, was wiederum nicht mit der Leistungsanforderung in Deckung zu bringen ist.
6 zeigt beispielhaft den Effekt einer reduzierten Selbsterwärmung mit dessen Ergebnis in gesteigerter mittlerer optischer Ausgangsleistung <P_opt> an ein und demselben sichtbaren Rotlicht-VCSEL im kritischen Temperaturbereich oberhalb von +50°C. Gezeigt werden die möglichen optischen Leistungen im Direktvergleich zwischen CW und einem Pulsbetrieb bei 120 MHz mit 25 % Tastverhältnis (im Diagramm 25 % DC genannt). Im vorherigen CW-Diagramm konnte erkannte werden, dass sich das optische Leistungsmaximum (auch Roll-Over-Point genannt) mit steigender Umgebungstemperatur bei einem immer geringer werden Vorwärtsstrom befindet z.B. 14mA@+20°C oder 10mA@+40°C usw. Die aufgetragenen Messpunkte im P_opt = f(T_amb) Diagramm befinden sich jeweils in einem solchen optischen Leistungsmaximum bei unterschiedlichen Vorwärtsströmen. Die vorliegende Erfindung nutzt diesen Effekt gezielt, um ausreichend optische Ausgangsleistung bis +70°C zu bekommen.
iToF Sensoren senden gepulstes Licht. Im Sensor befindet sich ein phasensynchroner Takt. Am Messobjekt wird das gepulste Licht reflektiert und gelangt zurück in den Sensor. Die Phasenbeziehung zwischen empfangenem Licht und internem Takt ist abhängig von der Entfernung des Messobjekts. Im Sensor wird das reflektierte Licht in elektrischen Strom gewandelt und mit dem synchronen Takt gemischt. Das Mischprodukt wird über eine definierte Dauer auf der Integrationskapazität integriert. Über der Kapazität stellt sich daraufhin eine entsprechende Spannung ein.
Wiederholt man diese Messung bei variiertem Abstand und trägt die Spannung über dem Abstand in ein Diagramm, so erhält man eine stetige Funktion. Normiert man diese Kurve auf die mittlere empfangene Lichtleistung, so erhält man eine periodische „Korrelationsfunktion“. Die Periode wird Eindeutigkeitsbereich genannt.
Die Form der Korrelationsfunktion wird bestimmt von der zeitlichen Form des Lichtpulses.
Ein gängiges Messverfahren ist die 4-Phasen-Messung. Dabei werden 4 einzelne Messungen nacheinander ausgeführt. In jeder Messung ist der Takt des ausgesandten Lichts um ein Viertel der Periodendauer verschoben. Als Zwischenergebnis erhält man vier entsprechende Spannungen. Unter gewissen Bedingungen lässt sich aus den vier Spannungen eindeutig auf die Entfernung innerhalb eines Eindeutigkeitsbereiches schließen:

- Die Korrelationsfunktionen dieser einzelnen Messungen sind aus der werksseitigen Vermessung des Gerätes bekannt.
- Entlang der Entfernungsachse ist stets der Anstieg mindestens einer dieser vier Korrelationsfunktionen groß genug. In Entfernungsbereichen, in denen keine der vier Korrelationsfunktionen einen ausreichenden Anstieg hat, lässt sich die Entfernung nicht mit ausreichender Genauigkeit bestimmen. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn der Tastgrad des gepulsten Lichts kleiner als 25% ist.

Um rote VCSEL bei Temperaturen von bis zu 70°C verwenden zu können, muss ein gepulster Betrieb mit einem Tastverhältnis von effektiv < 25 % angewendet werden. Es ist sehr wichtig, dass der VCSEL in den Pausenzeiten „abkühlen“ kann, d.h. der Strom in den Pausen muss möglichst 0 mA betragen.
Die Einschaltverzögerung nimmt mit dem Puls-Strom ab. Um die Einschaltverzögerung des VCSELs zu minimieren, muss der Strom im An-Zustand möglichst hoch sein. Ein Puls-Strom von ~20 mA erscheint eine sinnvolle Festlegung. Bei diesem Strom ist die Einschaltverzögerung vernachlässigbar gering und die optische Pulsleistung ist bei allen Temperaturen hoch genug.
Für das iToF Messverfahren mit PMD Pixel und 100 Mhz Modulationsfrequenz werden optische Pulse der Länge 2,5 ns benötigt. Dies entspricht einem Tastverhältnis von 25 %.
Das PMD Pixel wird mit der gleichen Frequenz geschaltet; der Tastgrad beträgt hier jedoch 50 %. Das rückgestreute, gepulste und aufgrund der Laufzeit verzögerte Licht der optischen Pulse generiert in den Pixeln elektrische Ladungsträger. Diese werden synchron zum Pixeltakt demoduliert und die demodulierten Anteile werden über die Integrationszeit hinweg in den Photogates gesammelt.
Die Anforderungen vom PMD Messverfahren ein Tastverhältnis > 25 % für eine vernünftige AKF Abtastung vorzusehen, erscheinen zunächst unvereinbar mit den Anforderungen aus dem Betrieb des VCSELs ein Tastverhältnis < 25 % vorzusehen, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen.
Die erfindungsgemäße Idee begründet sich auf der Erkenntnis, dass
es bei dem PMD Messverfahren unerheblich ist, von welchem der ausgesendeten optischen Pulse während einer Integrationszeit die Photonen tatsächlich emittiert und eingesammelt werden. Bei einer Messung mit Integrationszeit von 1 ms ergeben sich in einem klassischen PMD System mit 100 MHz Taktung und 25 % Tastverhältnis rein rechnerisch 100000 Lichtpulse mit einer Länge von jeweils 2.5 ns, die für die Belichtung ausgesendet werden. Zwischen den Lichtpulsen gibt es jeweils 7.5 ns Pause. Die mittlere Leistung soll 0.39 mW betragen. Daraus ergibt sich eine gewünschte Peak-Leistung von 0.39 mW/ 25 % = 1.56 mW.
Da ein solcher Betriebsmodus mit VCSELn insbesondere bei 70°C nicht möglich ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Anzahl der Pulse zu reduzieren. Durch Weglassen z.B. jedes zweiten Pulses im Lichtsignal lässt sich das für den VCSEL kritische Tastverhältnis auf 12.5 % reduzieren. Der Takt am Lichtlaufzeitsensor 22 bleibt davon unberührt. Nach einem 2.5 ns langen Lichtpuls gibt es eine Pause von 17.5 ns. Damit wird die interne Temperatur des VCSELs deutlich reduziert und die verbleibenden Lichtpulse können problemlos mit der bevorzugten Peakleistung von beispielsweise 0.39 mW/ 12.5 % = 3.12 mW emittiert werden.
Alternativ ist es auch möglich, durch eine zusätzliche Elektronik „Modulationspausen“ zu erzeugen, so dass die mittlere Leistung des Emittermoduls/Senders 10 den Zielvorgaben entspricht.
7 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer möglichen Schaltung zum Weglassen von Pulsen. Hierzu wird auf das iToF-Signal bzw. dem Modulationssignal (im weiteren HF), mit dem auch das Empfangselement 22 betrieben wird, ein wesentlich niederfrequenteres Signal LF aufmoduliert (multipliziert). Dadurch entstehen hochfrequente Pulspakete mit der aufmodulierten LF. Durch das Multiplizieren der beiden Signale fließt nur Strom durch das VCSEL, wenn beide Signale einen positiven Zustand haben. Damit kann sehr einfach die notwendige Pause in das hochfrequente Modulationssignal HF eingefügt werden.
8 zeigt ein Prinzipschaltbild einer möglichen Realisierung des Blockschaltbildes gemäß 7. V1 stellt die Signalquelle des HF-Signals und V2 die Signalquelle des LF-Signalquelle da. Die Multiplikation der beiden Signale wird in diesem Beispiel durch ein Logik-Und-Gatter A1 erreicht. Der Widerstand R1 wird zur Begrenzung des Pulsstroms benötigt. D1 Stellt das zu Modulierende VCSEL da.
Eine weitere Möglichkeit für die Multiplikation der beiden Signale wäre zum Beispiel gemäß 9 anstelle des Logik-Gatters A1 einen schnellen Schalter S1 zu verwenden, der das HF Signal einfach auf und ab schaltet, um die benötigte Modulationspause der HF zu erreichen.
10 zeigt ein Timing-Diagramm des erfindungsgemäßen Vorgehens. Wie zuvor beschrieben, erzeugt der Modulator für das Messsystem ein hochfrequentes Modulationssignal vorzugsweise in einem Bereich zwischen 50 - 150 MHz. Während der Lichtlaufzeitsensor 22 mit einem Duty-Cycle DC_empf von 50 % betrieben wird, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, das VCSEL mit einem HF-Duty-Cycle von kleiner 50 % und im vorliegenden Beispiel mit einem Duty-Cycle DC_HF = 33 % zu betreiben. Als Modulationsfrequenz sei beispielhaft 100 MHz angenommen.
Das zweite Diagramm der 10 zeigt das niederfrequente Signal LF, das beispielsweise in einem Bereich von 1 kHz - 100 kHz betrieben werden kann. Im dargestellten Beispiel soll ein LF-Signal von 10 kHz mit einem LF-Duty-Cycle DC_LF = 20 % anliegen. Die Periodendauer T_LF ist somit um einen Faktor 10000 größer als die Periodendauer THF des anliegenden Modulationssignals.
Durch dieses Vorgehen fließt, wie bereits beschrieben und im dritten Diagramm gezeigt, nur in den Einschaltphasen des niederfrequenten Signals LF ein HFgepulster Strom I_VCSEL durch das VCSEL. Der effektive Strom-Duty-Cycle DC_I liegt dann im gezeigten Beispiel bei DC_I = DC_HF * DC_LF = 33 % x 20 % = 6,6 %. Um insbesondere die Einschaltzeiten zu verkürzen, fällt der Strom in den Pausen vorzugsweise nicht auf 0 A ab, sondern wird auf einen Minimalstrom, beispielsweise 0,1 mA gehalten. Der Einschaltstrom sollte vorzugsweise möglichst hoch gewählt werden, um beispielsweise eine Einschaltverzögerung des VCSELs möglichst kurz zu halten. Typischerweise verlängert sich die Einschaltzeitverzögerung Δt mit abnehmender Stromstärke.
Im vierten Diagramm ist die optische Ausgangsleistung Popt aufgetragen. Wie beschrieben verzögert sich die Einschaltflanke des optischen Pulses um die Einschaltverzögerung Δt. Die Ausschaltflanke des optischen Pulses erfolgt jedoch im Wesentlichen zeitgleich mit der Ausschaltflanke des Stroms. Das heißt, der optische Duty-Cycle DC_opt ist zudem noch um die Einschaltverzögerung Δt reduziert.
11 zeigt das Timing noch einmal schematisch im Maßstab der niederfrequenten Ansteuerung. Wie zuvor erläutert, sinkt zum Ende eines Pulspakets die optische Leistung, aufgrund der Eigenerwärmung des VCSELs. Jeder Einschaltpuls beinhaltet dabei eine Vielzahl von hochfrequenten Pulsen des Modulationssignals. Durch geeignete Wahl des Duty-Cycles bzw. der Pause zwischen den Einschaltpulsen des niederfrequenten Signals kühlt sich das VCSEL ausreichend ab und das nächste Lichtpulspaket beginnt wieder mit der gleichen Amplitude wie das Vorherige.
Durch das Variieren der Niederfrequenz LF oder/und des Duty Cycles der Niederfrequenz LF lässt sich gezielt die mittlere Lichtleistung einstellen. Erhöht sich die Umgebungstemperatur, womit die Effizienz des VCSELs sinkt, kann dieser Verlust durch Anpassen der Niederfrequenz LF und/oder des Duty Cycles DC ausgeglichen werden.
Dabei muss jedoch beachtet werden, dass im Gegensatz zu anderen VCSEL die Lichtleistung von roten VCSELs bei hohen Temperaturen nur so lange mit dem Tastgrad zunimmt, so lange das effektive Tastverhältnis gering ist. Ab ca. 25 % nimmt die mittlere optische Leistung nicht mehr zu, sondern ab. Der effektive Tastgrad sollte daher im Bereich <= 20 % liegen.
In 12 ist das Vorgehen prinzipiell dargestellt. Bei Raumtemperaturen kleiner 30°C nimmt die optische Leistung aufgrund der längeren Bestromung des VCSEL kontinuierlich bis zum maximalen DC_LF von 100 % zu. In höheren Umgebungstemperaturbereichen, hier 70°C, kühlt das VCSEL bei höheren Duty-Cyclen in den Pausen nicht mehr ausreichend ab, so dass auch die Lichtleistung abnimmt. Erfindungsgemäß wird ein LF-Duty-Cycle DC_LF <= 20 % bevorzugt. Der schraffierte Bereich gezeichnet die Amplitudenveränderung zwischen Raum- und Hochtemperatur im bevorzugten DC-Bereich. Bevorzugt wird ein Duty-Cycle gewählt, bei dem die optische Leistung unterhalb eines Grenzwertes für Augen- und Hautsicherheit bleibt.
Ein weiterer Aspekt ist die zu erwartende Lebensdauer des VCSELs im Sensor. Die bekannten Degradationsmechanismen sind exponentiell durch die interne Temperatur beschleunigt. Eine hohe interne Temperatur führt nicht nur zu Performanceproblemen, sondern erhöht die Wahrscheinlichkeit von vorzeitig ausfallenden Bauelementen. Durch die vorgeschlagene Reduktion des Tastverhältnisses reduziert sich die interne Temperatur des VCSELs und damit erhöht sich die zu erwartende Lebensdauer.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19704496 A1 [0002, 0011]
DE 102018131182 A1 [0003]

Claims

Entfernungsmesssystem (1) mit einer Beleuchtung(10) mit einem VCSEL zur Aussendung eines intensitätsmodulierten Lichts in einem Wellenlängenbereich von 630 bis 750 nm, mit einem Lichtlaufzeitsensor (22) zum Empfang und zur Demodulation des ausgesendeten und von einer Szenerie reflektierten Lichts, mit einem Modulator zur Erzeugung eines hochfrequenten Modulationssignals (HF) und eines niederfrequenten Signals (LF), wobei das Entfernungsmesssystem (1) ausgebildet ist, Entfernungen aus einer Phasenverschiebung des ausgesendeten und empfangenen Lichts zu ermitteln, wobei der Lichtlaufzeitsensor mit dem hochfrequenten Modulationssignal (HF) und das VCSEL mit einem Multiplikationssignal (HF&LF) aus dem hochfrequenten Modulationssignal (HF) und dem niederfrequenten Signal (LF) betrieben wird.
Entfernungsmesssystem nach Anspruch 1, bei dem eine Lichtleistung des VCSEL anhand eines Duty-Cycles (DC_LF) des niederfrequenten Signals (LF) eingestellt wird.
Entfernungsmesssystem nach Anspruch 2, bei dem der Duty-Cycles (DC_LF) des niederfrequenten Signals (LF) kleiner oder gleich 25 % vorzugsweise kleiner/gleich 20 % ist.
Entfernungsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein VCSL-Strom kleiner gleich 20 mA ist.