WO2009106278A2 - Laser doppler velocimeter - Google Patents

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WO2009106278A2
WO2009106278A2 PCT/EP2009/001270 EP2009001270W WO2009106278A2 WO 2009106278 A2 WO2009106278 A2 WO 2009106278A2 EP 2009001270 W EP2009001270 W EP 2009001270W WO 2009106278 A2 WO2009106278 A2 WO 2009106278A2
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    • H01S5/18355—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a defined polarisation

Definitions

  • the invention relates to a device for laser Doppler speed measurement, and a method for measuring the laser Doppler speed and a use of such a device.
  • the prior art has disclosed methods and apparatus for laser Doppler velocity measurement.
  • the sign of the velocity v of the object changes and the frequency decreases or increases relative to the frequency of the non-reflected light beam.
  • One problem with measuring the velocity of the object is that while the amount of frequency shift can be measured, it does not easily measure its direction. In order to be able to determine the direction of travel of the moving object relative to the detection unit, it has therefore not directly detected the changed frequency of the light in the prior art, but beats between two light beams, namely a first light beam having a frequency fo + f ⁇ shifted by the Doppler frequency and a second light beam, which is specifically shifted by a frequency fs with respect to the reference frequency f 0 .
  • the movement direction can be determined by measuring the beat frequency f.sub.sw between the light beam with the frequency f.sub.o + fs frequency-shifted in frequency by the frequency f.sub.s and the Doppler-shifted light beam with the frequency fo + f.sub.p.
  • the beat frequency f S w that is to say the frequency of the beat oscillation obtained by the superimposition of the two partial oscillations in the frequencies fo + gla and f o + fs, the following applies:
  • fsw is greater than fs for a moving object and fsw is less than fs for an approaching object.
  • a disadvantage of such an arrangement is that a separate acousto-optical component is needed to achieve the frequency shift.
  • This separate acousto-optic component must be placed exactly in the beam path and requires a very complex electrical control for an efficient frequency shift.
  • frequency shifts require high frequencies with high power, which in particular has a negative impact on the size of the measuring system.
  • the object of the invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art and in particular to provide a system that provides a simple way a stable frequency-shifted signal, wherein an additional device for moving the reference beams or means for moving the laser should be largely avoided.
  • the object is achieved in that in a device for laser Doppler velocity measurement means for generating a first light beam having a frequency f 0 and a second light beam which is frequency-shifted by f s and a second frequency fo + fs, available is provided.
  • the first light beam is reflected at a moving object and then has a Doppler-shifted frequency f o + f D.
  • the device comprises, in addition to the device for generating the first and second light beams, a detection device for determining a beat frequency f S w from the second light beam with the frequency f o + fs and the reflected light beam with the frequency fo + fFD Device for generating the first light beam having the first frequency and the second frequency-shifted by f s light beam comprises at least one semiconductor laser.
  • the first light beam is reflected at a moving object and the distance between the means for generating the first light beam and the moving object on the one hand and the moving object and the detection means on the other hand greater than the coherence length of the light of first light beam is.
  • the distance is preferably more than 1 m, in particular more than 5 m, very particularly preferably more than 10 m.
  • two waves are superposed in one detector. This does not necessarily require coherence.
  • the device for generating the first and the second light beam comprises two semiconductor lasers, which are preferably arranged at a small distance from one another on one and the same substrate.
  • a single semiconductor laser is provided for generating the first and the second light beam.
  • the advantage of using a single semiconductor laser is that it allows for transit time measurement, which is not possible when using two continuously operated lasers.
  • the distance between the semiconductor lasers can be between 100 ⁇ m and 1000 ⁇ m.
  • the different wavelengths of the two VCSELs which are constructed on the same substrate, is preferably set by temperature-stabilizing each of the two semiconductor lasers and operating it with a current source having low noise.
  • the semiconductor laser is preferably a so-called VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser).
  • VCSELs are semiconductor lasers in which the light is radiated normal to the plane of the wafer on which the semiconductor laser is mounted Contrary to edge-emitting semiconductor lasers, in which the light exits at one or two edges of the semiconductor chip.
  • the laser resonator in a VCSEL is formed by two parallel to the wafer plane arranged DBR mirror (so-called distributed Bragg reflectors), between which an active zone for the generation of light is embedded.
  • the DBR mirrors are composed of layers of alternating low and high refractive index, each having an optical thickness of one quarter of the laser wavelength in the material.
  • intensity reflectivities of more than 95% can be realized within the VCSEL.
  • the charge carrier injection takes place in VCSEL by a pair of electrodes on the top and bottom of the VCSEL.
  • the laser-active zone formed between the two DBR mirrors is typically rotationally symmetrical, for example cylindrical.
  • the diameter of the cylindrical active region is, for example, 10 ⁇ m, the diameter 3 ⁇ m.
  • a VCSEL such that two vibration modes are capable of propagation in the resonator.
  • Such a VCSEL then emits two light beams with different wavelengths, the wavelengths having a defined frequency spacing.
  • the propagation of two modes in a VCSEL is possible, for example, if the rotational symmetry of the laser-active zone is refracted and the laser-active zone has, for example, an elliptical shape in cross-section instead of a circular shape.
  • the propagation of two beams in the defined frequency spacing simultaneously succeeds in particular for transverse modes. It is then advantageously emitted simultaneously from the VCSEL two light beams of different frequencies.
  • the VCSEL could also be driven so that two mutually orthogonally polarized modes are formed.
  • the semiconductor laser While in a first embodiment of the invention, the semiconductor laser emits two frequency-shifted light waves at the same time, it is in the excitation of different orthogonal polarized modes so that the modes are emitted with a time delay. In such a case, therefore, a certain switching time is to be included.
  • the switching times are to be chosen such that it is ensured that at any distance between the transmitter and the object within a certain measurement time always a beat can be measured. This means that a time window is needed in which the back-reflected signal arrives and at the same time the laser transmits in the other mode.
  • Fig. 5a-b and Fig. 6a-b are examples of the laser transmits in the other mode.
  • two beams with a stable frequency spacing from one another are provided by one and the same component, namely the semiconductor laser.
  • the invention provides two light beams with a single component. This has compared to the previous structures a considerable simplification result.
  • each of the two lasers emits slightly different wavelengths, for example, the first laser, the first wavelength f 0 and the second laser, the second wavelength f 0 + f s .
  • the detection device of the measuring device preferably comprises a
  • the evaluation unit essentially comprises an evaluation unit for detecting the beat frequency between a first reflected Doppler-shifted light signal and a second light signal which is frequency-shifted with respect to the first light signal.
  • the one electronic component is preferably designed as an integrated electrical component, ie the individual components are arranged on a common substrate or combined in a chip. In such a case, compared to the prior art substantially smaller design can be realized. It is then possible to also provide a compact component comprising all the necessary equipment, on a size ranging between 10 x 10 mm 2 and 0.01 x 0.01 mm 2 .
  • the invention also provides a method of measuring the laser Doppler velocity.
  • the method according to the invention comprises the following steps:
  • a first light beam with a first frequency f 0 is emitted by a semiconductor laser and a second light beam with a second frequency f o + fs. Then, with a detection device from the beat frequency, which is determined by the superposition of the shifted by the Doppler frequency beam with frequency fo + f s and the frequency-shifted beam with fo + fs, the direction of the body which provides the signal shifted by the Doppler frequency f D is determined.
  • the beat frequency fsw is greater than fs for a moving object and less than fs for an approaching object.
  • the signal with the first and the second frequency is made available at the same time in the method.
  • the first and second beams are provided with a time offset, for example, by switching the semiconductor laser from a first mode to a second mode.
  • driver assistance systems which can determine, for example, relative speeds between vehicles and absolute speeds.
  • the distance between the moving object and the device which makes the first or the second laser beam available is preferably more than 1 m, in particular more than 5 m, very particularly preferably more than 10 m. In particular, it is longer than the coherence length of the lasers used.
  • Fig. 1 shows the basic structure of a VCSEL
  • Fig. 2 shows a three-dimensional structure of the active zone of a
  • FIG. 3 shows an embodiment of a semiconductor laser with an active zone, which has a symmetry offset for the emission of different orthogonally polarized laser beams;
  • Fig. 4 shows an overall system of semiconductor laser detection devices and
  • 5a-b show a first embodiment of a pulse train for two modes of a semiconductor laser
  • 6a-b show a second alternative embodiment of a pulse sequence with different time intervals for two modes of a semiconductor laser.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a VCSEL 1.
  • the VCSEL 1 comprises on its sides so-called distributed Bragg reflectors (DBR) 3.1, 3.2, which result from a plurality of alternating layers with different refractive indices, for example GaAs alternating layers 5.1, 5.2, 5.3 with different refractive indices.
  • DBR distributed Bragg reflectors
  • the active region 7 is preferably rotationally symmetrical about the axis of rotation RA, that is to say that the active region ideally has a cylindrical shape with a circular cross section.
  • the laser activity is essentially controlled by the charge carrier injection via the electrodes 10. 1, 10. 2 at the upper and lower end of the semiconductor laser 1.
  • the light 20 emitted from the active region 7 by laser action is emitted parallel to the axis of rotational symmetry of the semiconductor laser.
  • the active region is shown in more detail again.
  • the active region 7 has a cylindrical shape, wherein the
  • Cross-section of the cylinder 7 is a circle 40 with radius r.
  • Distributed Bragg reflectors 3.1, 3.2 are applied on the outer sides of the cylindrical cavity 7 .
  • the light emitted from the cavity light usually has only one frequency f 0 and there is due to the rotational symmetry no excellent polarization direction.
  • the epitaxial growth of the layers of the distributed Bragg reflectors 3.1, 3.2 is accompanied by stresses and thus asymmetric refractive indices.
  • the cavity can then no longer have a circular shape but, for example, an elliptical shape 50 with the ellipse axes a and b in cross section.
  • the same components as in Figure 2 are marked with the same reference numerals.
  • the laser light 100 emitted from such an asymmetrical component has different modes with different frequency and different polarization 110. Switching from one mode to the other and vice versa can be obtained by changing the injection current across the electrodes 10.1, 10.2.
  • two gate electrodes G1 and G2 can be arranged laterally on the active zone, as shown in phantom in FIG.
  • the rotational symmetry can be broken.
  • the same effect as described in Figure 3 is achieved, namely the emission of two modes with different frequency and polarization.
  • a voltage between at least one gate and a source electrode 10.1, 10.2 can be applied.
  • Switching between the modes can be accomplished by applying different voltages to the gate electrodes (G1, G2), i. H. a change to the gate capacity can be achieved.
  • the light emitted from a laser according to FIG. 3 consists of two partial beams with a stable frequency shift relative to each other and can be used for the Inventive device as shown in Figure 4 used for Doppler speed measurement.
  • the laser in FIG. 4 is labeled 200. It is formed according to the invention as a semiconductor laser, preferably from a VCSEL.
  • the laser 200 emits a first light beam 210 having a frequency f 0 and a second light beam 220 having a frequency fo + f s .
  • the first light beam with frequency f 0 strikes a moving object 250 and is reflected by it.
  • the reflected light beam 230 has a frequency f 0 + fo where fo
  • Doppler shift due to the movement of the object 250 is.
  • Both the light beam with the frequency f 0 + f s and the light beam f 0 + fo are recorded by a detection device 260.
  • the two light beams recorded by the detection device 260 with f 0 + f s and fo + fo are superimposed, yielding a superimposed signal with a beat frequency fo + f s / 2
  • Signal 270 with the beat frequency f D + f s / 2 is transmitted to the evaluation unit 280.
  • the size of the beat signal can then be used to deduce the speed of the object and in particular the direction of the object 250 in the evaluation unit 280.
  • the components 200, 260 and 280 are formed on a single chip.
  • This compact component can be used as a Doppler velocity measuring device with a size of only a few mm and has considerable space and manufacturing advantages over conventional devices.
  • two lasers could also be arranged side by side, for example on a substrate. The first of the two lasers would then emit a first wavelength f 0 , the second laser a wavelength fo + f s .
  • both semiconductor lasers preferably VCSELs
  • FIGS. 5a to 5b and 6a to 6b illustrate the case where a laser does not simultaneously emit two beams of the same frequency, ie a first light beam with a reference frequency fo and a second light beam with a frequency f 0 + f s , but rather the laser between two modes is switched back and forth or the two lasers on and off.
  • a laser can be switched back and forth between two orthogonally polarized modes, and these two modes can be emitted with a time delay. If one wishes to implement the present measuring method with such a system, it is crucial to ensure that, regardless of the distances between transmitter and object within a certain measuring time, a beat of the signal shifted by the Doppler frequency of the first frequency f 0 + fp with the second by a frequency f s with respect to the reference f 0 specifically frequency-shifted signal with a frequency f 0 + f s is measurable.
  • the transmitter is identified by the reference numeral 1000.
  • the transmitter according to the invention is a semiconductor laser, for example a VCSEL, which emits two modes. A first mode having a frequency fo and a second mode that is shifted by a frequency f s from the frequency f 0th
  • the laser can be switched such that it emits a first mode with the frequency f 0 and, after a certain time t, frequency-shifted a second mode by the frequency f s , ie a mode the frequency f 0 + f s - It is important that the modes are emitted in different directions. As described with reference to FIG.
  • FIG. 5b shows a completely different situation. Identical components are again identified by the same reference numbers as in FIG. 5a.
  • the distance between the transmitter 1000 and the object 1100 such that it f o + f s is a superposition of the frequency-shifted signal with the reflected-back shifted by the Doppler frequency signal fo + f ⁇ .
  • the Doppler frequency signal fo + f ⁇ With such a distance of the laser light source 1000, it is thus possible to produce the beat frequency necessary for determining the direction of movement.
  • a clocking for switching between the different frequencies is made such that not at the same time pulses of different Frequencies are emitted, but pulse packets, in which the time duration, for example, the frequency emitted at a frequency f 0 modes decreases, and then increase again.
  • the pulses which, for example, result in the different modes by current injection are equal in their time intervals, but the clock is not constant.
  • the desired beat frequency f sw occurs from the frequency f 0 + f s and the frequency f 0 + f D. Therefore, a non-continuous timing of the light source 1000 as in Figures 6a and 6b timing preferred according to Figure 5a to 5b, since then completely independent of the distance of the moving object to the light source within a sufficiently long time interval always beating frequency according to the invention can be determined ,
  • the working distance is preferably greater than the coherence length of the individual lasers.

Abstract

The invention relates to a laser Doppler velocimeter comprising a device for generating a first light beam having a frequency f0 and a second light beam, the frequency of which is frequency-shifted relative to the first frequency by a frequency fS and thus has a second frequency f0+fS. The first light beam is reflected on a moving object, said reflected first light beam having a Doppler-shifted frequency f0+fD. The laser Doppler velocimeter further comprises a detection device for determining a beat frequency fSW from the superposition of the second light beam having the frequency f0+fS and the reflected first light beam having the frequency f0+fD. The invention is characterized in that the device for generating a first light beam and a second light beam that is frequency-shifted by fS encompasses at least one semiconductor laser.

Description

Vorrichtung zur Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung Device for laser Doppler velocity measurement
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Laser-Doppler- Geschwindigkeitsmessung, sowie ein Verfahren zur Messung der Laser-Doppler- Geschwindigkeit und eine Verwendung einer derartigen Vorrichtung.The invention relates to a device for laser Doppler speed measurement, and a method for measuring the laser Doppler speed and a use of such a device.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zur Laser-Doppler- Geschwindigkeitsmessung bekannt geworden. Diese Art der Geschwindigkeitsmessung beruht auf der Tatsache, dass beim optischen Doppier- Effekt bei der Reflektion von Licht an einem bewegten Objekt eine Frequenzverschiebung erfolgt, derart, dass für die Frequenz des reflektierten Lichtstrahles in der Näherung für kleine Werte von v gilt, f = fo(1 + v/c) = fo + fü, wobei v die Geschwindigkeit des Objektes ist und c die Lichtgeschwindigkeit. Die Dopplerfrequenz ist dann: fD = v/c. Je nachdem, ob die Quelle sich auf den Detektor zu oder vom Detektor fort bewegt, ändert sich das Vorzeichen der Geschwindigkeit v des Objektes und die Frequenz verringert beziehungsweise erhöht sich gegenüber der Frequenz des nicht reflektierten Lichtstrahles.The prior art has disclosed methods and apparatus for laser Doppler velocity measurement. This type of speed measurement is based on the fact that in the optical Doppier effect in the reflection of light on a moving object is a frequency shift, such that the frequency of the reflected light beam in the approximation for small values of v, f = f o (1 + v / c) = fo + fμ, where v is the velocity of the object and c is the speed of light. The Doppler frequency is then: f D = v / c. Depending on whether the source is moving toward or away from the detector, the sign of the velocity v of the object changes and the frequency decreases or increases relative to the frequency of the non-reflected light beam.
Ein Problem bei der Messung der Geschwindigkeit des Objektes ist, dass zwar der Betrag der Frequenzverschiebung gemessen werden kann, nicht jedoch auf einfache Art und Weise ihre Richtung. Um die Fortbewegungsrichtung des bewegten Objektes relativ zur Detektionseinheit bestimmen zu können, hat man daher im Stand der Technik nicht direkt die veränderte Frequenz des Lichtes detektiert, sondern Schwebungen zwischen zwei Lichtstrahlen, nämlich einem ersten Lichtstrahl, der eine um die Dopplerfrequenz verschobene Frequenz fo+fσ aufweist und einem zweiten Lichtstrahl, der gezielt um eine Frequenz fs gegenüber der Referenzfrequenz f0 verschoben ist. Durch die Vermessung der Schwebungsfrequenz fsw zwischen dem gezielt um die Frequenz fs frequenzverschobenen Lichtstrahl mit der Frequenz fo+fs und dem dopplerverschobenen Lichtstrahl mit der Frequenz fo+fp kann die Bewegungsrichtung bestimmt werden. Für die Schwebungsfrequenz fSw, das heißt die Frequenz der Überlagerungsschwingung, die durch die Überlagerung der beiden Teilschwingungen in den Frequenzen fo+fü und fo+fs erhalten wird, gilt:One problem with measuring the velocity of the object is that while the amount of frequency shift can be measured, it does not easily measure its direction. In order to be able to determine the direction of travel of the moving object relative to the detection unit, it has therefore not directly detected the changed frequency of the light in the prior art, but beats between two light beams, namely a first light beam having a frequency fo + fσ shifted by the Doppler frequency and a second light beam, which is specifically shifted by a frequency fs with respect to the reference frequency f 0 . The movement direction can be determined by measuring the beat frequency f.sub.sw between the light beam with the frequency f.sub.o + fs frequency-shifted in frequency by the frequency f.sub.s and the Doppler-shifted light beam with the frequency fo + f.sub.p. For the beat frequency f S w, that is to say the frequency of the beat oscillation obtained by the superimposition of the two partial oscillations in the frequencies fo + fü and f o + fs, the following applies:
fsw = (fo + fD - fo + fs) /2fsw = (fo + fD - fo + fs) / 2
Wie hieraus zu entnehmen ist, ist fsw größer als fs für ein sich fortbewegendes Objekt und fsw ist kleiner als fs bei einem sich nähernden Objekt.As can be seen, fsw is greater than fs for a moving object and fsw is less than fs for an approaching object.
Gemäß dem Stand der Technik wie er beispielsweise in J. Phys. E: Sei. Instrum. Vol.13, 1980, „Performance study of an acousto-optic frequenzy shifter in a CO2 laser velocimeter" von W.R.M. Pommeroy et al. niedergelegt ist, wird eine derartige Frequenzverschiebung des Lichtes um eine Frequenz fs zu einer Wellenlänge fo+fs mit einem akustooptischen Modulator vorgenommen. Der akustooptische Modulator ist gemäß der o.g. Schrift aus J. Phys. ein aus Germanium bestehender akustooptischer Modulator der den Frequenzshift fs zur Verfügung stellt.According to the prior art as described, for example, in J. Phys. E: Be. Instrum. Vol.13, 1980, "Performance study of an acousto-optic frequency shifter in a CO 2 laser velocimeter" by WRM Pommeroy et al., Such a frequency shift of the light by a frequency fs to a wavelength f o + fs with The acousto-optic modulator is an acousto-optical modulator consisting of germanium according to the above-cited publication from J. Phys, which provides the frequency shift f s .
Nachteilig an einer derartigen Anordnung ist, dass ein separates akustooptisches Bauelement benötigt wird, um die Frequenzverschiebung zu erreichen. Dieses separate akustooptische Bauelement muss ganz exakt im Strahlengang platziert werden und benötigt für eine effiziente Frequenzverschiebung eine sehr aufwendige elektrische Ansteuerung.A disadvantage of such an arrangement is that a separate acousto-optical component is needed to achieve the frequency shift. This separate acousto-optic component must be placed exactly in the beam path and requires a very complex electrical control for an efficient frequency shift.
Des Weiteren müssen für die Frequenzverschiebungen hohe Frequenzen mit hoher Leistung zur Verfügung gestellt werden, was insbesondere negative Auswirkungen auf die Größe des Messsystems hat.In addition, frequency shifts require high frequencies with high power, which in particular has a negative impact on the size of the measuring system.
Aus der US 6,301 ,968 ist eine Vorrichtung zu Laser-Doppler-US Pat. No. 6,301,968 discloses a device for laser Doppler
Geschwindigkeitsmessung bekannt geworden, die im Wesentlichen dazu dient Vibrationen, beispielsweise eines Motors, zu detektieren. Die US 2003/0026365 A1 und die US 2004/0109155 A1 zeigen Messeinrichtungen zur Bestimmung der Vorschubgeschwindigkeit von laufenden Bahnen mittels Dopplereffekt. Sämtliche zuvor genannten Schriften arbeiten mit kohärenten Laserquellen. Diese sind in ihrem Anwendungsbereich auf Anwendung mit Distanzen kleiner 1m beschränkt, da beispielsweise in der US 2003/0026365A1 das vom Laser ausgesandte Licht und das zurückreflektierte Licht überlagert und Interferenzeffekte gemessen werden.Speed measurement has become known, which serves essentially to detect vibrations, such as a motor. US 2003/0026365 A1 and US 2004/0109155 A1 show measuring devices for determining the feed rate of moving webs by means of a Doppler effect. All of the aforementioned documents work with coherent laser sources. These are limited in their field of application to distances of less than 1 m, since, for example, in US 2003 / 0026365A1, the light emitted by the laser and the reflected-back light are superimposed and interference effects are measured.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und insbesondere ein System zur Verfügung zu stellen, dass auf einfache Art und Weise ein stabiles frequenzverschobenes Signal zur Verfügung stellt, wobei ein zusätzliches Bauelement zur Verschiebung der Referenzstrahlen oder Einrichtungen zum Bewegen des Lasers weitgehend vermieden werden soll.The object of the invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art and in particular to provide a system that provides a simple way a stable frequency-shifted signal, wherein an additional device for moving the reference beams or means for moving the laser should be largely avoided.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einer Vorrichtung zur Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung eine Einrichtung zur Erzeugung eines ersten Lichtstrahls mit einer Frequenz f0 sowie eines zweiten Lichtstrahls der um fs frequenzverschoben ist und eine zweite Frequenz fo+fs aufweist, zur Verfügung gestellt wird. Der erste Lichtstrahl wird an einem bewegten Objekt reflektiert und weist dann eine dopplerverschobene Frequenz fo+fD auf. Die Vorrichtung umfasst neben der Einrichtung zur Erzeugung der ersten und zweiten Lichtstrahlen eine Detektionseinrichtung zur Ermittlung einer Schwebungsfrequenz fSw aus dem zweiten Lichtstrahl mit der Frequenz fo+fs und dem reflektierten Lichtstrahl mit der Frequenz fo+fFD- Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Einrichtung zur Erzeugung des ersten Lichtstrahls mit der ersten Frequenz und des zweiten um fs frequenzverschobenen Lichtstrahls wenigstens einen Halbleiterlaser umfasst.According to the invention the object is achieved in that in a device for laser Doppler velocity measurement means for generating a first light beam having a frequency f 0 and a second light beam which is frequency-shifted by f s and a second frequency fo + fs, available is provided. The first light beam is reflected at a moving object and then has a Doppler-shifted frequency f o + f D. The device comprises, in addition to the device for generating the first and second light beams, a detection device for determining a beat frequency f S w from the second light beam with the frequency f o + fs and the reflected light beam with the frequency fo + fFD Device for generating the first light beam having the first frequency and the second frequency-shifted by f s light beam comprises at least one semiconductor laser.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Lichtstrahl an einem bewegten Objekt reflektiert wird und der Abstand zwischen der Einrichtung zur Erzeugung des ersten Lichtstrahls und dem bewegten Objekt einerseits sowie dem bewegten Objekt und der Detektionseinrichtung andererseits größer als die Kohärenzlänge des Lichtes des ersten Lichtstrahles ist. Dies ist für Anwendungen der Erfindung, insbesondere in Fahrzeugassistenzsystemen der Fall. Hier beträgt der Abstand bevorzugt mehr als 1m, insbesondere mehr als 5 m, ganz besonders bevorzugt mehr als 10 m. Im Gegensatz zu einer Detektion von interferierenden Wellen werden bei der Erfindung zwei Wellen in einem Detektor überlagert. Dies erfordert nicht notwendig eine Kohärenz.In a particular embodiment of the invention it is provided that the first light beam is reflected at a moving object and the distance between the means for generating the first light beam and the moving object on the one hand and the moving object and the detection means on the other hand greater than the coherence length of the light of first light beam is. This is for Applications of the invention, especially in vehicle assistance systems of the case. Here the distance is preferably more than 1 m, in particular more than 5 m, very particularly preferably more than 10 m. In contrast to a detection of interfering waves, in the invention two waves are superposed in one detector. This does not necessarily require coherence.
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung zur Erzeugung des ersten und des zweiten Lichtstrahles zwei Halbleiterlaser umfasst, die bevorzugt mit einem geringen Abstand zueinander auf ein und demselben Substrat angeordnet sind.In a first embodiment of the invention, it is provided that the device for generating the first and the second light beam comprises two semiconductor lasers, which are preferably arranged at a small distance from one another on one and the same substrate.
Alternativ hierzu könnte vorgesehen sein, dass ein einziger Halbleiterlaser zur Erzeugung des ersten und des zweiten Lichtstrahls vorgesehen ist. Der Vorteil bei Verwendung eines einzigen Halbleiterlasers ist, dass dies Laufzeitmessung zulässt, was bei der Verwendung von zwei kontinuierlich betriebenen Lasern nicht möglich ist.Alternatively, it could be provided that a single semiconductor laser is provided for generating the first and the second light beam. The advantage of using a single semiconductor laser is that it allows for transit time measurement, which is not possible when using two continuously operated lasers.
Während die Verwendung von einem einzigen Laser vorteilhaft ist, ist eine Verwendung von zwei Lasern nicht ausgeschlossen.While the use of a single laser is advantageous, use of two lasers is not excluded.
Bei Verwendung von zwei Lasern auf einem Substrat, beispielsweise zwei Laser eines VCSEL-Arrays kann der Abstand zwischen den Halbleiternlaser zwischen 100μm und 1000μm liegen.When using two lasers on one substrate, for example two lasers of a VCSEL array, the distance between the semiconductor lasers can be between 100 μm and 1000 μm.
Die unterschiedlichen Wellenlängen der beiden VCSELs, die auf ein und demselben Substrat aufgebaut sind, wird bevorzugt dadurch eingestellt, dass jeder der beiden Halbleiterlaser temperaturstabilisiert wird und mit einer Stromquelle betrieben wird, die niedriges Rauschen aufweist.The different wavelengths of the two VCSELs, which are constructed on the same substrate, is preferably set by temperature-stabilizing each of the two semiconductor lasers and operating it with a current source having low noise.
Bevorzugt ist der Halbleiterlaser ein so genannter VCSEL (Vertical-Cavity Surface- Emitting Laser). VCSEL sind Halbleiterlaser, bei denen das Licht normal zur Ebene des Wafers, auf dem der Halbleiterlaser aufgebaut ist, abgestrahlt wird, im Gegensatz zu kantenemittierenden Halbleiterlasern, bei denen das Licht an ein oder zwei Flanken des Halbleiterchips austritt. Der Laserresonator bei einem VCSEL wird durch zwei parallel zur Ebene des Wafers angeordnete DBR-Spiegel (sogenannte Distributed Bragg Reflektoren) gebildet, zwischen denen eine aktive Zone für die Erzeugung des Lichtes eingebettet ist. Die DBR-Spiegel sind aus Schichten mit abwechselnd niedriger und hoher Brechzahl aufgebaut, die jeweils eine optische Dicke von einem Viertel der Laserwellenlänge im Material haben. Dadurch können innerhalb des VCSEL Intensitätsreflektivitäten von über 95% realisiert werden. Die Ladungsträgerinjektion erfolgt bei VCSEL durch ein Elektrodenpaar an der Ober- und Unterseite des VCSEL. Die zwischen den beiden DBR-Spiegeln ausgebildete laseraktive Zone ist typischerweise rotationssymmetrisch, beispielsweise zylinderförmig. Der Durchmesser der zylinderförmigen aktiven Region beträgt beispielsweiseiOμm, die Dickel bis 3μm. Betreffend VCSEL wird auf M. Brown „The Optics Encyclopedia, Vol. 2, Seite 1270 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich mit eingeschlossen wird.The semiconductor laser is preferably a so-called VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). VCSELs are semiconductor lasers in which the light is radiated normal to the plane of the wafer on which the semiconductor laser is mounted Contrary to edge-emitting semiconductor lasers, in which the light exits at one or two edges of the semiconductor chip. The laser resonator in a VCSEL is formed by two parallel to the wafer plane arranged DBR mirror (so-called distributed Bragg reflectors), between which an active zone for the generation of light is embedded. The DBR mirrors are composed of layers of alternating low and high refractive index, each having an optical thickness of one quarter of the laser wavelength in the material. As a result, intensity reflectivities of more than 95% can be realized within the VCSEL. The charge carrier injection takes place in VCSEL by a pair of electrodes on the top and bottom of the VCSEL. The laser-active zone formed between the two DBR mirrors is typically rotationally symmetrical, for example cylindrical. The diameter of the cylindrical active region is, for example, 10 μm, the diameter 3 μm. Concerning VCSEL, reference is made to M. Brown's "The Optics Encyclopedia, Vol. 2, page 1270, the disclosure of which is fully incorporated by reference.
Es ist nun möglich, einen VCSEL so auszubilden, dass im Resonator zwei Schwingungsmoden ausbreitungsfähig sind. Ein derartiger VCSEL emittiert dann zwei Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen, wobei die Wellenlängen einen definierten Frequenzabstand aufweisen. Die Ausbreitung zweier Moden in einem VCSEL ist beispielsweise dann möglich, wenn die Rotationssymmetrie der laseraktiven Zone gebrochen wird und die laseraktive Zone beispielsweise im Querschnitt statt einer kreisförmigen Form elliptische Form aufweist. Die Ausbreitung von zwei Strahlen im definierten Frequenzabstand gleichzeitig gelingt insbesondere für transversale Moden. Es werden dann vorteilhafterweise aus dem VCSEL gleichzeitig zwei Lichtstrahlen unterschiedlicher Frequenz emittiert. Alternativ hierzu könnte der VCSEL auch so angesteuert werden, dass zwei zueinander orthogonal polarisierten Moden ausgebildet werden. Die Ausbildung von zwei zueinander orthogonal polarisierte Moden in einem VCSEL ist beispielsweise in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 45, No.8, August 1997 „Highly tunable fiber-coupled photomixers with coherent terahertzoutput power", S. Verghese et al. gezeigt. Werden durch die Ansteuerung zwei zueinander orthogonal polarisierte Moden im VCSEL beispielsweise durch leichte Symmetriebrechung der geometrischen Form oder leicht verspannt gewachsene Heterostrukturen bei der Epitaxie der Halbleiterschicht hergestellt, so kann eine räumliche Trennung der beiden Moden beispielsweise durch einen Polarisationsstrahlteiler erfolgen.It is now possible to design a VCSEL such that two vibration modes are capable of propagation in the resonator. Such a VCSEL then emits two light beams with different wavelengths, the wavelengths having a defined frequency spacing. The propagation of two modes in a VCSEL is possible, for example, if the rotational symmetry of the laser-active zone is refracted and the laser-active zone has, for example, an elliptical shape in cross-section instead of a circular shape. The propagation of two beams in the defined frequency spacing simultaneously succeeds in particular for transverse modes. It is then advantageously emitted simultaneously from the VCSEL two light beams of different frequencies. Alternatively, the VCSEL could also be driven so that two mutually orthogonally polarized modes are formed. The formation of two mutually orthogonally polarized modes in a VCSEL is described, for example, in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 45, No. 8, August 1997 "Highly tunable fiber-coupled photomixers with coherent terahertz output power", S. Verghese et al shown. If two mutually orthogonally polarized modes in the VCSEL are produced by the control, for example, by slight symmetry breaking of the geometric shape or slightly strained heterostructures in the epitaxy of the semiconductor layer, a spatial separation of the two modes can be effected, for example, by a polarization beam splitter.
Die Anregung der beiden orthogonal zueinander polarisierten Moden erfolgt je nach Injektionsstrom.The excitation of the two orthogonal polarized modes takes place depending on the injection current.
Während bei einer ersten Ausgestaltung der Erfindung der Halbleiterlaser zwei frequenzverschobene Lichtwellen zeitgleich emittiert, ist es bei der Anregung von unterschiedlichen orthogonal zueinander polarisierten Moden so, dass die Moden zeitversetzt ausgestrahlt werden. In einem solchen Fall ist also eine gewisse Umschaltzeit einzurechnen. Die Umschaltzeiten sind derart zu wählen, dass gewährleistet ist, dass bei einem beliebigen Abstand zwischen dem Sender und dem Objekt innerhalb einer bestimmten Messzeit immer eine Schwebung gemessen werden kann. Dies bedeutet, dass ein Zeitfenster benötigt wird, in dem das rückreflektierte Signal ankommt und gleichzeitig der Laser auf der anderen Mode sendet. Diesbezüglich wird auf die Ausführungen zu Fig. 5a-b und Fig.6a-b verwiesen.While in a first embodiment of the invention, the semiconductor laser emits two frequency-shifted light waves at the same time, it is in the excitation of different orthogonal polarized modes so that the modes are emitted with a time delay. In such a case, therefore, a certain switching time is to be included. The switching times are to be chosen such that it is ensured that at any distance between the transmitter and the object within a certain measurement time always a beat can be measured. This means that a time window is needed in which the back-reflected signal arrives and at the same time the laser transmits in the other mode. In this regard, reference is made to the comments on Fig. 5a-b and Fig. 6a-b.
Bei beiden Ausführungsformen werden aber durch ein und dasselbe Bauteil, nämlich den Halbleiterlaser, zwei Strahlen mit einem stabilen Frequenzabstand zueinander zur Verfügung gestellt. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden bei der Erfindung mit einem einzigen Bauteil zwei Lichtstrahlen zur Verfügung gestellt. Dies hat gegenüber den bisherigen Aufbauten eine erhebliche Vereinfachung zur Folge.In both embodiments, however, two beams with a stable frequency spacing from one another are provided by one and the same component, namely the semiconductor laser. In contrast to the prior art, the invention provides two light beams with a single component. This has compared to the previous structures a considerable simplification result.
Anstelle der Verwendung eines einzigen Lasers wäre auch die Verwendung mehrerer Laser, bevorzugt beispielsweise die Verwendung von zwei zueinander benachbart angeordneten Halbleiterlasern eines Laserarrays auf einem Substrat möglich. Jeder der beiden Laser emittiert dabei leicht unterschiedliche Wellenlängen, so beispielsweise der erste Laser die erste Wellenlänge f0 und der zweite Laser die zweite Wellenlänge f0 + fs.Instead of using a single laser would also be the use of multiple lasers, preferably, for example, the use of two adjacent to each other arranged semiconductor lasers of a laser array on a substrate possible. Each of the two lasers emits slightly different wavelengths, for example, the first laser, the first wavelength f 0 and the second laser, the second wavelength f 0 + f s .
Die Detektionseinrichtung der Messeinrichtung umfasst bevorzugt einThe detection device of the measuring device preferably comprises a
Detektionselement zur Aufnahme der beiden Strahlen entweder zeitgleich oder zeitversetzt sowie eine nachfolgende Auswerteeinheit, die die von der Detektionseinheit aufgenommenen Strahlen auswertet. Die Auswerteeinheit umfasst im Wesentlichen eine Auswerteeinheit zur Erfassung der Schwebungsfrequenz zwischen einem ersten reflektierten, dopplerverschobenen Lichtsignal und einem zweiten Lichtsignal, das gegenüber dem ersten Lichtsignal frequenzverschoben ist.Detection element for receiving the two beams either at the same time or with a time delay and a subsequent evaluation, which evaluates the received by the detection unit beams. The evaluation unit essentially comprises an evaluation unit for detecting the beat frequency between a first reflected Doppler-shifted light signal and a second light signal which is frequency-shifted with respect to the first light signal.
Besonders kompakt ist es, wenn der Halbleiterlaser bzw. die Halbleiterlaser sowie die Detektionselemente und die Auswerteeinheit zu einem einzigen elektronischen Bauteil zusammengefasst sind. Das eine elektronische Bauteil ist bevorzugt als integriertes elektrisches Bauteil ausgestaltet, d. h. die einzelnen Komponenten sind auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet bzw. in einem Chip zusammengefasst. In einem derartigen Fall kann eine gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verkleinerte Bauform realisiert werden. Es ist dann möglich, auch ein kompaktes Bauteil zur Verfügung zu stellen, dass die sämtlichen notwendigen Einrichtungen umfasst, auf einer Größe, die zwischen 10 x 10 mm2 und 0,01 x 0,01 mm2 liegt.It is particularly compact when the semiconductor laser or the semiconductor laser as well as the detection elements and the evaluation unit are combined to form a single electronic component. The one electronic component is preferably designed as an integrated electrical component, ie the individual components are arranged on a common substrate or combined in a chip. In such a case, compared to the prior art substantially smaller design can be realized. It is then possible to also provide a compact component comprising all the necessary equipment, on a size ranging between 10 x 10 mm 2 and 0.01 x 0.01 mm 2 .
Neben der Vorrichtung stellt die Erfindung auch ein Verfahren zur Messung der Laser-Doppler-Geschwindigkeit zur Verfügung. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst nachfolgende Schritte:In addition to the device, the invention also provides a method of measuring the laser Doppler velocity. The method according to the invention comprises the following steps:
Zunächst wird von einem Halbleiterlaser ein erster Lichtstrahl mit einer ersten Frequenz f0 emittiert sowie ein zweiter Lichtstrahl mit einer zweiten Frequenz fo+fs. Sodann wird mit einer Detektionseinrichtung aus der Schwebungsfrequenz, die sich durch die Überlagerung des um die Dopplerfrequenz verschobenen Strahls mit Frequenz fo + fs sowie des frequenzverschobenen Strahls mit fo+fs ergibt, die Richtung des Körpers der das um die Dopplerfrequenz fD verschobene Signal zur Verfügung stellt, ermittelt. Die Schwebungsfrequenz fsw ist größer als fsfür ein sich fortbewegendes Objekt und kleiner als fs bei einem sich nähernden Objekt.First, a first light beam with a first frequency f 0 is emitted by a semiconductor laser and a second light beam with a second frequency f o + fs. Then, with a detection device from the beat frequency, which is determined by the superposition of the shifted by the Doppler frequency beam with frequency fo + f s and the frequency-shifted beam with fo + fs, the direction of the body which provides the signal shifted by the Doppler frequency f D is determined. The beat frequency fsw is greater than fs for a moving object and less than fs for an approaching object.
In einer ersten Ausführungsform wird bei dem Verfahren das Signal mit der ersten und mit der zweiten Frequenz zeitgleich zur Verfügung gestellt. In einer weitergebildeten Ausführung der Erfindung werden erster und zweiter Strahl zeitversetzt zur Verfügung gestellt, beispielsweise dadurch, dass der Halbleiterlaser von einem ersten Mode in einen zweiten Mode umgeschaltet wird.In a first embodiment, the signal with the first and the second frequency is made available at the same time in the method. In a further embodiment of the invention, the first and second beams are provided with a time offset, for example, by switching the semiconductor laser from a first mode to a second mode.
Besonders bevorzugt ist es, eine derartige Vorrichtung zur Bestimmung von bewegten Objekten, insbesondere in Fahrassistenzsystemen einzusetzen, die beispielsweise Relativgeschwindigkeiten zwischen Fahrzeugen und Absolutgeschwindigkeiten bestimmen können. Der Arbeitsabstand, d. h. derIt is particularly preferred to use such a device for determining moving objects, in particular in driver assistance systems, which can determine, for example, relative speeds between vehicles and absolute speeds. The working distance, d. H. of the
Abstand zwischen bewegtem Objekt und der Einrichtung, die den ersten bzw. den zweiten Laserstrahl zur Verfügung stellt, beträgt bevorzugt mehr als 1 m, insbesondere mehr als 5m, ganz besonders bevorzugt mehr als 10m. Insbesondere ist er länger als die Kohärenzlänge der eingesetzten Laser.The distance between the moving object and the device which makes the first or the second laser beam available is preferably more than 1 m, in particular more than 5 m, very particularly preferably more than 10 m. In particular, it is longer than the coherence length of the lasers used.
Die Erfindung soll nunmehr anhand der nachfolgenden Figuren beispielhaft beschrieben werden. Es zeigen:The invention will now be described by way of example with reference to the following figures. Show it:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines VCSELFig. 1 shows the basic structure of a VCSEL
Fig. 2 eine dreidimensionale Struktur der aktiven Zone einesFig. 2 shows a three-dimensional structure of the active zone of a
Halbleiterlasers, die kreisrund ausgeführt ist;Semiconductor laser, which is circular in design;
Fig. 3 eine Ausführungsform eines Halbleiterlasers mit einer aktiven Zone, die eine Symmetriebrechung aufweist zur Emission unterschiedlicher orthogonal zueinander polarisierter Laserstrahlen; Fig. 4 ein Gesamtsystem aus Halbleiterlaserdetektionseinrichtungen und3 shows an embodiment of a semiconductor laser with an active zone, which has a symmetry offset for the emission of different orthogonally polarized laser beams; Fig. 4 shows an overall system of semiconductor laser detection devices and
Auswerteeinheit;evaluation unit;
Fig. 5a-b eine erste Ausgestaltung einer Pulsfolge für zwei Moden eines Halbleiterlasers;5a-b show a first embodiment of a pulse train for two modes of a semiconductor laser;
Fig. 6a-b eine zweite alternative Ausgestaltung einer Pulsfolge mit unterschiedlichen Zeitabständen für zwei Moden eines Halbleiterlasers.6a-b show a second alternative embodiment of a pulse sequence with different time intervals for two modes of a semiconductor laser.
In Figur 1 ist eine Schnittansicht eines VCSEL 1 dargestellt. Der VCSEL 1 umfasst an seinen Seiten sogenannte Distributed Bragg Reflektoren (DBR) 3.1 , 3.2, die aus einer Vielzahl von Wechselschichten mit unterschiedlichem Brechungsindex, beispielsweise aus GaAs Wechselschichten 5.1 , 5.2, 5.3 mit unterschiedlichem Brechungsindex, resultieren.FIG. 1 shows a sectional view of a VCSEL 1. The VCSEL 1 comprises on its sides so-called distributed Bragg reflectors (DBR) 3.1, 3.2, which result from a plurality of alternating layers with different refractive indices, for example GaAs alternating layers 5.1, 5.2, 5.3 with different refractive indices.
Zwischen dem Distributed Bragg Reflektor 3.1 und 3.2 wird eine laseraktive Region 7 ausgebildet. Die aktive Region 7 ist bevorzugt rotationssymmetrisch um die Rotationsachse RA ausgebildet, dass heißt die aktive Region weist im Idealfall eine Zylinderform mit kreisförmigem Querschnitt auf.Between the distributed Bragg reflector 3.1 and 3.2, a laser-active region 7 is formed. The active region 7 is preferably rotationally symmetrical about the axis of rotation RA, that is to say that the active region ideally has a cylindrical shape with a circular cross section.
Die Laseraktivität wird im Wesentlichen durch die Ladungsträgerinjektion über die Elektroden 10.1 , 10.2 am oberen und unteren Ende des Halbleiterlasers 1 gesteuert.The laser activity is essentially controlled by the charge carrier injection via the electrodes 10. 1, 10. 2 at the upper and lower end of the semiconductor laser 1.
Das aus der aktiven Region 7 durch Lasertätigkeit emittierte Licht 20 wird parallel zur Achse der Rotationssymmetrie des Halbleiterlasers emittiert.The light 20 emitted from the active region 7 by laser action is emitted parallel to the axis of rotational symmetry of the semiconductor laser.
In Figur 2 ist die aktive Region nochmals näher dargestellt. Wie aus Figur 2 zu ersehen ist, hat die aktive Region 7 eine zylinderförmige Form, wobei derIn Figure 2, the active region is shown in more detail again. As can be seen from Figure 2, the active region 7 has a cylindrical shape, wherein the
Querschnitt des Zylinders 7 ein Kreis 40 mit Radius r ist. Auf den Außenseiten der zylinderförmigen Kavität 7 sind Distributed Bragg Reflektoren 3.1 , 3.2 aufgebracht. Ebenso dargestellt sind die Elektroden 10.1 , 10.2.. Das aus der Kavität emittierte Licht weist in der Regel nur eine Frequenz f0 auf und es gibt aufgrund der Rotationssymmetrie keine ausgezeichnete Polarisationsrichtung.Cross-section of the cylinder 7 is a circle 40 with radius r. On the outer sides of the cylindrical cavity 7 Distributed Bragg reflectors 3.1, 3.2 are applied. Also shown are the electrodes 10.1, 10.2 .. The light emitted from the cavity light usually has only one frequency f 0 and there is due to the rotational symmetry no excellent polarization direction.
Generell ist es aber so, dass beim epitaktischen Aufwachsen der Schichten der Distributed Bragg Reflektoren 3.1 , 3.2 Verspannungen und somit asymmetrische Brechzahlen einhergehen. Außerdem kann die Kavität dann wie in Figur 3 dargestellt keine kreisrunde Form mehr aufweisen, sondern im Querschnitt beispielsweise eine elliptische Form 50 mit den Ellipsenachsen a und b. Gleiche Bauteile wie in Figur 2 sind mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Das aus einem derart unsymmetrischen Bauteil emittierte Laserlicht 100 weist unterschiedliche Moden mit unterschiedlicher Frequenz und unterschiedlicher Polarisation 110 auf. Ein Umschalten von einer in die andere Mode und umgekehrt kann durch eine Änderung des Injektionsstroms über die Elektroden 10.1 , 10.2 erhalten werden. Ist die Rotationssymmetrie nicht schon alleine durch das epitaktische Aufwachsen gebrochen und beispielsweise das VCSEL rotationssymmetrisch wie in Figur 2, so können, wie strichpunktiert in Figur 2 dargestellt, zwei Gateelektroden G1 und G2 seitlich an der aktiven Zone angeordnet sein. Durch Anlegen einer Spannung an den Gateelektroden G1 und G2 kann die Rotationssymmetrie gebrochen werden. Als Folge hiervon wird derselbe Effekt wie in Figur 3 beschrieben, erzielt, nämlich das Emittieren von zwei Moden mit unterschiedlicher Frequenz und Polarisation.In general, however, the epitaxial growth of the layers of the distributed Bragg reflectors 3.1, 3.2 is accompanied by stresses and thus asymmetric refractive indices. In addition, as shown in FIG. 3, the cavity can then no longer have a circular shape but, for example, an elliptical shape 50 with the ellipse axes a and b in cross section. The same components as in Figure 2 are marked with the same reference numerals. The laser light 100 emitted from such an asymmetrical component has different modes with different frequency and different polarization 110. Switching from one mode to the other and vice versa can be obtained by changing the injection current across the electrodes 10.1, 10.2. If the rotational symmetry has not already been broken by the epitaxial growth alone and, for example, the VCSEL is rotationally symmetrical as in FIG. 2, two gate electrodes G1 and G2 can be arranged laterally on the active zone, as shown in phantom in FIG. By applying a voltage to the gate electrodes G1 and G2, the rotational symmetry can be broken. As a result, the same effect as described in Figure 3 is achieved, namely the emission of two modes with different frequency and polarization.
Alternativ kann auch eine Spannung zwischen wenigstens einer Gate- und einer Source-Elektrode 10.1 , 10.2 angelegt werden.Alternatively, a voltage between at least one gate and a source electrode 10.1, 10.2 can be applied.
Ein Umschalten zwischen den Moden kann durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen an den Gateelektroden (G1 , G2), d. h. eine Änderung an der Gatekapazität erreicht werden.Switching between the modes can be accomplished by applying different voltages to the gate electrodes (G1, G2), i. H. a change to the gate capacity can be achieved.
Das aus einem Laser gemäß Figur 3 emittierte Licht besteht aus zwei Teilstrahlen mit einer stabilen Frequenzverschiebung zueinander und kann für die erfindungsgemäße Vorrichtung wie in Figur 4 dargestellt zur Dopplergeschwindigkeitsmessung eingesetzt werden.The light emitted from a laser according to FIG. 3 consists of two partial beams with a stable frequency shift relative to each other and can be used for the Inventive device as shown in Figure 4 used for Doppler speed measurement.
Ein Gesamtsystem zur Laserdopplergeschwindigkeitsmessung ist in Figur 4 gezeigt. Der Laser in Figur 4 ist mit 200 gekennzeichnet. Er ist erfindungsgemäß als Halbleiterlaser, bevorzugt aus einem VCSEL ausgebildet. Der Laser 200 emittiert einen ersten Lichtstrahl 210 mit einer Frequenz f0 und einen zweiten Lichtstrahl 220 mit einer Frequenz fo + fs. Der erste Lichtstrahl mit Frequenz f0 trifft auf ein sich bewegendes Objekt 250 und wird von diesem reflektiert. Der reflektierte Lichtstrahl 230 weist eine Frequenz f0 + fo auf wobei fo dieAn overall system for laser Doppler velocity measurement is shown in FIG. The laser in FIG. 4 is labeled 200. It is formed according to the invention as a semiconductor laser, preferably from a VCSEL. The laser 200 emits a first light beam 210 having a frequency f 0 and a second light beam 220 having a frequency fo + f s . The first light beam with frequency f 0 strikes a moving object 250 and is reflected by it. The reflected light beam 230 has a frequency f 0 + fo where fo
Dopplerverschiebung aufgrund der Bewegung des Objektes 250 ist. Sowohl der Lichtstrahl mit der Frequenz f0 + fs wie auch der Lichtstrahl f0 + fo werden von einer Detektionseinrichtung 260 aufgenommen. Die von der Detektionseinrichtung 260 aufgenommenen beiden Lichtstrahlen mit f0 + fs und fo + fo werden überlagert, ergeben ein überlagertes Signal mit einer Schwebungsfrequenz fo + fs/ 2. DasDoppler shift due to the movement of the object 250 is. Both the light beam with the frequency f 0 + f s and the light beam f 0 + fo are recorded by a detection device 260. The two light beams recorded by the detection device 260 with f 0 + f s and fo + fo are superimposed, yielding a superimposed signal with a beat frequency fo + f s / 2
Signal 270 mit der Schwebungsfrequenz fD + fs/ 2 wird an die Auswerteeinheit 280 übermittelt. Aus der Größe des Schwebungssignals kann dann in der Auswerteeinheit 280 auf die Geschwindigkeit des Objektes und insbesondere auf die Richtung des Objektes 250 zurückgeschlossen werden. Bevorzugt sind die Bauteile 200, 260 und 280 auf einem einzigen Chip ausgebildet. Dieses kompakte Bauteil kann als eine Dopplergeschwindigkeitsmesseinrichtung mit einer Größe von nur einigen mm verwendet werden und hat gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen erhebliche Platz- und Herstellungsvorteile. Anstelle eines einzigen Lasers 200 könnten auch zwei Laser nebeneinander, beispielsweise auf einem Substrat, angeordnet sein. Der erste der beiden Laser würde dann eine erste Wellenlänge f0, der zweite Laser eine Wellenlänge fo + fs abstrahlen. Um eine stabile Abstrahlung der Laser zu erhalten werden diese bevorzugt einzeln temperaturstabilisiert. Damit die beiden temperaturstabilisierten Laser stabil Licht mit hoher Leistung und stabiler Wellenlänge abstrahlen, werden beide Halbleiterlaser, bevorzugt VCSELs mit einer Stromquelle mit niedrigem Rauschpegel betrieben. In den Figuren 5a bis 5b und 6a bis 6b ist der Fall dargestellt, dass ein Laser nicht gleichzeitig zwei Strahlen gleicher Frequenz emittiert, also einen ersten Lichtstrahl mit einer Referenzfrequenz fo sowie einen zweiten Lichtstrahl mit einer Frequenz f0 + fs , sondern der Laser zwischen zwei Moden hin und her geschaltet wird bzw. die beiden Laser an- und ausgeschaltet wird. Ein Laser kann beispielsweise zwischen zwei orthogonal zueinander polarisierten Moden hin und her geschalten wird und diese beiden Moden zeitversetzt ausgestrahlt werden. Möchte man mit einem derartigen System das vorliegende Messverfahren umsetzen, so ist es entscheidend, dass gewährleistet ist, dass unabhängig von den Abständen zwischen Sender und Objekt innerhalb einer bestimmten Messzeit immer eine Schwebung des um die Dopplerfrequenz verschobenen Signals der ersten Frequenz f0 + fp mit dem zweiten um eine Frequenz fs gegenüber der Referenz f0 gezielt frequenzverschobenen Signales mit einer Frequenz f0 + fs messbar ist.Signal 270 with the beat frequency f D + f s / 2 is transmitted to the evaluation unit 280. The size of the beat signal can then be used to deduce the speed of the object and in particular the direction of the object 250 in the evaluation unit 280. Preferably, the components 200, 260 and 280 are formed on a single chip. This compact component can be used as a Doppler velocity measuring device with a size of only a few mm and has considerable space and manufacturing advantages over conventional devices. Instead of a single laser 200, two lasers could also be arranged side by side, for example on a substrate. The first of the two lasers would then emit a first wavelength f 0 , the second laser a wavelength fo + f s . In order to obtain a stable radiation of the laser, these are preferably individually temperature-stabilized. In order for the two temperature-stabilized lasers to stably emit light of high power and stable wavelength, both semiconductor lasers, preferably VCSELs, are operated with a low noise current source. FIGS. 5a to 5b and 6a to 6b illustrate the case where a laser does not simultaneously emit two beams of the same frequency, ie a first light beam with a reference frequency fo and a second light beam with a frequency f 0 + f s , but rather the laser between two modes is switched back and forth or the two lasers on and off. For example, a laser can be switched back and forth between two orthogonally polarized modes, and these two modes can be emitted with a time delay. If one wishes to implement the present measuring method with such a system, it is crucial to ensure that, regardless of the distances between transmitter and object within a certain measuring time, a beat of the signal shifted by the Doppler frequency of the first frequency f 0 + fp with the second by a frequency f s with respect to the reference f 0 specifically frequency-shifted signal with a frequency f 0 + f s is measurable.
In Figur 5a ist der Sender mit der Bezugsziffer 1000 gekennzeichnet. Der Sender ist gemäß der Erfindung ein Halbleiterlaser, beispielsweise ein VCSEL, der zwei Moden aussendet. Eine erste Mode mit einer Frequenz fo und eine zweite Mode, die um eine Frequenz fs gegenüber der Frequenz f0 verschoben ist. Durch Anlegen beispielsweise von Rechteckimpulsen, wie in Figur 5a dargestellt, kann der Laser derart geschaltet werden, dass er eine erste Mode mit der Frequenz f0 emittiert und nach einer bestimmten Zeit t eine zweite Mode frequenzverschoben um die Frequenz fs, d.h. eine Mode mit der Frequenz f0 + fs- Wichtig ist, dass die Moden in unterschiedliche Richtungen emittiert werden. Wie zu Fig. 4 beschrieben, wird nur die Mode mit der Frequenz f0 vom Objekt 1100 reflektiert und um die Frequenz f0 + fD dopplerverschoben. Im Zeitdiagramm gemäß Fig. 5a bis 6b wird daher nur ein rückreflektierter Strahl mit Frequenz fo+ fo gesehen. In der anderen Zeitspanne erfolgt keine Rückreflektion, was mit O gekennzeichnet ist. Alternativ könnte auch ein System mit zwei Lasern, die unterschiedliche Frequenzen emittieren, eingesetzt werden. Bei einem solchen System müssten die beiden Laser zu unterschiedlichen Zeiten wie zuvor beschrieben an- und ausgeschaltet werden. Die Mode mit der Frequenz f0 trifft nunmehr auf ein bewegtes Objekt 1100. Am Objekt 1100, wird der auftreffende Lichtstrahl aus der Hinrichtung HIN zurückreflektiert in die Richtung RÜCK. Aufgrund der Bewegung des Objektes 1100 werden die rückreflektierten Strahlen dopplerverschoben. Für den rückreflektierten Strahl und der Frequenz f0 existiert ein dopplerverschobener Strahl mit einer Frequenz fo + fü-In FIG. 5a, the transmitter is identified by the reference numeral 1000. The transmitter according to the invention is a semiconductor laser, for example a VCSEL, which emits two modes. A first mode having a frequency fo and a second mode that is shifted by a frequency f s from the frequency f 0th By applying, for example, rectangular pulses, as shown in FIG. 5a, the laser can be switched such that it emits a first mode with the frequency f 0 and, after a certain time t, frequency-shifted a second mode by the frequency f s , ie a mode the frequency f 0 + f s - It is important that the modes are emitted in different directions. As described with reference to FIG. 4, only the mode with the frequency f 0 is reflected by the object 1100 and doppler shifted by the frequency f 0 + f D. In the timing diagram according to FIGS. 5a to 6b, therefore, only a back-reflected beam with frequency f o + fo is seen. In the other period there is no back reflection, which is marked with O. Alternatively, a system with two lasers emitting different frequencies could also be used. In such a system, the two lasers would have to be turned on and off at different times as described above. The mode with the frequency f 0 now encounters a moving object 1100. At the object 1100, the incident light beam is reflected back from the direction HIN in the direction BACK. Due to the movement of the object 1100, the back-reflected beams are Doppler-shifted. For the back-reflected beam and the frequency f 0 there exists a Doppler-shifted beam with a frequency fo + f + 2.
Wie aus Figur 5a deutlich zu erkennen ist, ist aufgrund der Zeitabfolgen eine Überlagerung und damit eine Schwebung des rückreflektierten Strahles f0 + fo mit dem frequenzverschobenen Strahl fo + fs nicht möglich.As can be clearly seen from Figure 5a, because of the time sequences an overlay and a beat of the back-reflected beam f 0 + fo to the frequency-shifted beam is fo + f s not possible.
Die Figur 5b zeigt eine gänzlich andere Situation. Gleiche Bauteile sind hier wiederum mit gleichen Bezugsziffern wie in Figur 5a gekennzeichnet. Wie aus Figur 5b zu erkennen, ist dort die Entfernung zwischen dem Sender 1000 und dem Objekt 1100 derart, dass es zu einer Überlagerung des frequenzverschobenen Signals fo + fs mit dem rückreflektierten um die Dopplerfrequenz verschobenen Signal fo + fσ kommt. Bei einer derartigen Entfernung der Laserlichtquelle 1000 ist es also möglich, die zur Ermittlung der Bewegungsrichtung notwendige Schwebungsfrequenz herzustellen.FIG. 5b shows a completely different situation. Identical components are again identified by the same reference numbers as in FIG. 5a. As can be seen from Figure 5b, there is the distance between the transmitter 1000 and the object 1100 such that it f o + f s is a superposition of the frequency-shifted signal with the reflected-back shifted by the Doppler frequency signal fo + fσ. With such a distance of the laser light source 1000, it is thus possible to produce the beat frequency necessary for determining the direction of movement.
Da, wie Figur 5a und 5b zeigt, bei gleichen Taktzeiten es durchaus bei bestimmten Entfernungen des Objekts 1100 von der Lichtquelle 1000 zu Fällen wie in Figur 5a kommen kann, wird eine Taktung zur Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Frequenzen derart vorgenommen, dass nicht zeitgleich Impulse unterschiedlicher Frequenzen ausgesandt werden, sondern Impulspakete, bei denen die Zeitdauer, beispielsweise der mit einer Frequenz f0 ausgesandten Moden zeitlich abnimmt, um dann wieder zuzunehmen.Since, as Figure 5a and 5b shows, at the same cycle times it may well at certain distances of the object 1100 from the light source 1000 to cases as in Figure 5a, a clocking for switching between the different frequencies is made such that not at the same time pulses of different Frequencies are emitted, but pulse packets, in which the time duration, for example, the frequency emitted at a frequency f 0 modes decreases, and then increase again.
Bei dem in Figur 6a und 6b gezeigten System sind die Pulse, die beispielsweise die unterschiedlichen Moden durch Strominjektion zur Folge haben, zwar in ihren Zeitabständen gleich, der Takt ist aber nicht konstant. Wie aus den Figuren 6a und 6b hervorgeht, gibt es dann immer wieder Zeitabfolgen, in denen die gewünschte Schwebungsfrequenz fsw aus der Frequenz f0 + fs und der Frequenz f0 + fD auftritt. Daher wird eine nicht kontinuierliche Taktung der Lichtquelle 1000 wie in den Figuren 6a und 6b einer Taktung gemäß Figur 5a bis 5b vorgezogen, da dann völlig unabhängig von der Entfernung des sich bewegenden Objektes zur Lichtquelle innerhalb eines hinreichend langen Zeitintervalls immer die erfindungsgemäße Schwebungsfrequenz ermittelt werden kann.In the system shown in FIGS. 6a and 6b, the pulses which, for example, result in the different modes by current injection, are equal in their time intervals, but the clock is not constant. As can be seen from FIGS. 6a and 6b, there are always time sequences in which the desired beat frequency f sw occurs from the frequency f 0 + f s and the frequency f 0 + f D. Therefore, a non-continuous timing of the light source 1000 as in Figures 6a and 6b timing preferred according to Figure 5a to 5b, since then completely independent of the distance of the moving object to the light source within a sufficiently long time interval always beating frequency according to the invention can be determined ,
Mit der Erfindung wird somit eine neuartige Vorrichtung zur Laser-Doppler- Geschwindigkeitsmessung vorgestellt, die sich insbesondere in Fahrzeugassistenzsystemen verwenden lässt. Bevorzugt ist dabei der Arbeitsabstand größer als die Kohärenzlänge der einzelnen Laser. With the invention, a novel device for laser Doppler speed measurement is thus presented, which can be used in particular in vehicle assistance systems. The working distance is preferably greater than the coherence length of the individual lasers.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung, umfassend: eine Einrichtung zur Erzeugung eines ersten Lichtstrahles mit einer Frequenz f0 sowie eines zweiten Lichtstrahls, dessen Frequenz gegenüber der ersten Frequenz f0 um eine Frequenz fs frequenzverschoben ist und der somit eine zweite Frequenz fo+fs aufweist, wobei der erste Lichtstrahl an einem bewegten Objekt reflektiert wird und der reflektierte erste Lichtstrahl eine dopplerverschobene Frequenz fo+fp aufweist; eine Detektionseinrichtung zur Ermittlung einer Schwebungsfrequenz fsw aus dem zweiten Lichtstrahl mit der Frequenz fo+fs und dem reflektierten ersten Lichtstrahl mit der Frequenz fo+fD, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung eines ersten Lichtstrahles und eines gegenüber der Frequenz f0 des ersten Lichtstrahles um fs frequenzverschobenen zweiten Lichtstrahles wenigstens einenAn apparatus for laser Doppler velocity measurement, comprising: means for generating a first light beam having a frequency f 0 and a second light beam having a frequency f shifted from the first frequency f 0 by a frequency fs and thus having a second frequency fo + fs, wherein the first light beam is reflected on a moving object and the reflected first light beam has a Doppler shifted frequency fo + fp; a detection device for determining a beat frequency fsw from the second light beam with the frequency f o + fs and the reflected first light beam with the frequency f o + f D , characterized in that the means for generating a first light beam and with respect to the frequency f 0 of the first light beam by f s frequency-shifted second light beam at least one
Halbleiterlaser umfasst.Semiconductor laser comprises.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lichtstrahl an einem bewegten Objekt reflektiert wird, wobei der Abstand zwischen der Einrichtung zur2. Device according to claim 1, characterized in that the first light beam is reflected on a moving object, wherein the distance between the device for
Erzeugung des ersten Lichtstrahles und dem bewegten Objekt einerseits und dem bewegten Objekt und der Detektionseinrichtung andererseits größer als die Kohärenzlänge des Lichtes des ersten Lichtstrahles und/oder des zweiten Lichtstrahles ist.Generation of the first light beam and the moving object on the one hand and the moving object and the detection device on the other hand is greater than the coherence length of the light of the first light beam and / or the second light beam.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand mehr als 1m, bevorzugt mehr als 5m, insbesondere bevorzugt mehr als 10m beträgt.3. Device according to claim 2, characterized in that the distance is more than 1m, preferably more than 5m, more preferably more than 10m.
4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung des ersten und des zweiten Lichtstrahles zwei Halbleiterlaser sind.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the means for generating the first and the second light beam are two semiconductor lasers.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Halbleiterlaser auf einem Substrat mit geringem Abstand angeordnet sind.5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the two semiconductor lasers are arranged on a substrate at a small distance.
6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung des ersten und des zweiten Lichtstrahles genau ein einziger Halbleiterlaser ist.6. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the means for generating the first and the second light beam is exactly a single semiconductor laser.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterlaser ein VCSEL ist.7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the semiconductor laser is a VCSEL.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterlaser derart ausgebildet ist, dass der Halbleiterlaser Lichtstrahlen zweier Schwingungsmoden emittiert, erste Lichtstrahlen einer ersten Schwingungsmode, die eine erste Frequenz fo aufweisen und zweite Lichtstrahlen einer zweiten Schwingungsmode, die eine zweite Frequenz fo+fs aufweisen.8. The device according to claim 6, characterized in that the semiconductor laser is formed such that the semiconductor laser emits light beams of two vibration modes, first light beams of a first vibration mode having a first frequency fo and second light beams of a second vibration mode, the second frequency f o + fs.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Schwingungsmoden zwei Transversalmoden sind.9. Apparatus according to claim 8, characterized in that the two vibration modes are two transverse modes.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsmoden zwei orthogonal zueinander polarisierte Moden sind. 10. The device according to claim 8, characterized in that the vibration modes are two orthogonal to each other polarized modes.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung des Weiteren eine Einrichtung zur Modentrennung umfasst.11. Device according to one of claims 6 to 10, characterized in that the device further comprises a device for fashion separation.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Modentrennung einen Polarisationsstrahlteiler umfasst.12. The device according to claim 11, characterized in that the means for mode separation comprises a polarization beam splitter.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser derart ausgebildet ist, dass beide Moden gleichzeitig mit einem stabilen Frequenzabstand fs emittiert werden.13. Device according to one of claims 8 to 12, characterized in that the laser is designed such that both modes are emitted simultaneously with a stable frequency spacing f s .
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser derart ausgebildet ist, dass in einer ersten Konfiguration die erste Schwingungsmode mit der Frequenz fo und in einer zweiten Konfiguration die zweite Schwingungsmode mit der Frequenz fo+fs emittiert wird und zeitlich versetzt zwischen erster und zweiter Schwingungsmode eine Umschaltung zwischen der ersten und der zweiten Schwingungsmode vorgenommen wird.14. Device according to one of claims 8 to 12, characterized in that the laser is designed such that in a first configuration, the first oscillation mode with the frequency fo and in a second configuration, the second oscillation mode with the frequency fo + fs is emitted and temporally offset between the first and second vibration mode, a changeover between the first and the second vibration mode is made.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung von der ersten auf die zweite Schwingungsmode durch Anlegen einer Spannung an Gateelektroden (G1 , G2) erfolgt.15. The device according to claim 14, characterized in that the switching from the first to the second vibration mode by applying a voltage to gate electrodes (G1, G2) takes place.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltzeiten für das Umschalten zwischen 10 ps und 10 μs liegen.16. The apparatus according to claim 15, characterized in that the switching times for switching between 10 ps and 10 microseconds are.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung ein Detektionselement und eine Auswerteeinheit umfasst.17. Device according to one of claims 1 to 16, characterized in that the detection device comprises a detection element and an evaluation unit.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit die Schwebungsfrequenz fsw aus einem ersten18. The apparatus according to claim 17, characterized in that the evaluation unit, the beat frequency fsw from a first
Lichtsignal des ersten Lichtstrahles mit dopplerverschobener Wellenlänge fo+fü und einem zweiten Lichtsignal des zweiten Lichtstrahles mit Wellenlänge fo+fs bestimmt.Light signal of the first light beam with Doppler-shifted wavelength fo + f ü and a second light signal of the second light beam with wavelength fo + fs determined.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass19. Device according to one of claims 1 to 18, characterized in that
Halbleiterlaser, Detektionselement und Auswerteeinheit zu einem einzigen elektronischen Bauteil zusammengefasst sind.Semiconductor laser, detection element and evaluation are combined into a single electronic component.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das einzige elektronische Bauteil auf einem Substrat aufgebaut ist.20. The device according to claim 19, characterized in that the single electronic component is constructed on a substrate.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des elektronischen Bauteiles zwischen 10 x 10 mm2 und 0,01 x 0,01 mm2 liegt.21. Device according to one of claims 19 to 20, characterized in that the size of the electronic component between 10 x 10 mm 2 and 0.01 x 0.01 mm 2 is located.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauteil ein integriertes Bauteil ist.22. Device according to one of claims 19 to 21, characterized in that the electronic component is an integrated component.
23. Verfahren zur Messung der Laser-Doppler-Geschwindigkeit, umfassend folgende Schritte: - es wird von einem Halbleiterlaser ein erster Lichtstrahl einer ersten23. A method for measuring the laser Doppler velocity, comprising the following steps: - a first light beam of a first laser beam is emitted from a semiconductor laser
Frequenz fo und ein zweiter Lichtstrahl mit einer zweiten Frequenz fo+fs emittiert ; es wird mit einer Detektionseinrichtung eine Schwebungsfrequenz fsw aus dem um die Frequenz fD nach Reflektion an einem Objekt dopplerverschobenen ersten Lichtstrahl mit einer Frequenz fo+fD und dem zweiten Lichtstrahl mit der zweiten Frequenz fo+fs bestimmt - aus der Schwebungsfrequenz fsw wird die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Halbleiterlaser und dem Objekt in Vorzeichen und Betrag bestimmt.Frequency fo and a second light beam having a second frequency fo emitted + fs; a beat frequency fsw is determined from the beat frequency fsw by means of a detection device from the first light beam doppler shifted by the frequency f D after reflection at an object at a frequency f o + f D and the second light beam at the second frequency f o + fs the relative velocity between the semiconductor laser and the object is determined in sign and magnitude.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl mit der ersten Frequenz f0 zeitgleich mit dem Lichtstrahl mit der zweiten Frequenz f0 + fs emittiert wird.24. The method according to claim 23, characterized in that the light beam at the first frequency f 0 is emitted simultaneously with the light beam at the second frequency f 0 + f s .
25. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl mit der ersten Frequenz f0 und der Lichtstrahl mit der zweiten Frequenz fo+fs zeitversetzt erzeugt werden.25. The method according to claim 23, characterized in that the light beam with the first frequency f 0 and the light beam with the second frequency f o + fs are generated with a time delay.
26. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, in einem System zur Detektion eines bewegten Objektes, insbesondere in einem Fahrzeugassistenzsystem. 26. Use of a device according to one of claims 1 to 22, in a system for detecting a moving object, in particular in a vehicle assistance system.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014207965A1 (en) * 2014-04-28 2015-10-29 Robert Bosch Gmbh Device for object recognition

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2101832A (en) * 1981-06-16 1983-01-19 Nissan Motor A light pulse radar system
US5493395A (en) * 1991-05-02 1996-02-20 Canon Kabushiki Kaisha Wavelength variation measuring apparatus
US5926276A (en) * 1996-04-15 1999-07-20 Canon Kabushiki Kaisha Apparatus having an afocal lens system used in optical measurement of displacement
WO2001038884A1 (en) * 1999-11-22 2001-05-31 California Institute Of Technology Micro photonic particle sensor
US20010009458A1 (en) * 2000-01-20 2001-07-26 Kimio Asaka Coherent laser radar system and target measurement method
WO2003084006A2 (en) * 2002-04-03 2003-10-09 Esko-Graphics A/S Laser system
US20070121095A1 (en) * 2005-11-28 2007-05-31 Robert Lewis Distance measurement device with short range optics

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3606067B2 (en) * 1998-10-30 2005-01-05 スズキ株式会社 Vibration measuring method and apparatus
WO2002037410A1 (en) * 2000-11-06 2002-05-10 Koninklijke Philips Electronics N.V. Method of measuring the movement of an input device.
EP1509785A1 (en) * 2002-05-29 2005-03-02 DEINES, Kent, L. System and method for measuring velocity using frequency modulation of laser output

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2101832A (en) * 1981-06-16 1983-01-19 Nissan Motor A light pulse radar system
US5493395A (en) * 1991-05-02 1996-02-20 Canon Kabushiki Kaisha Wavelength variation measuring apparatus
US5926276A (en) * 1996-04-15 1999-07-20 Canon Kabushiki Kaisha Apparatus having an afocal lens system used in optical measurement of displacement
WO2001038884A1 (en) * 1999-11-22 2001-05-31 California Institute Of Technology Micro photonic particle sensor
US20010009458A1 (en) * 2000-01-20 2001-07-26 Kimio Asaka Coherent laser radar system and target measurement method
WO2003084006A2 (en) * 2002-04-03 2003-10-09 Esko-Graphics A/S Laser system
US20070121095A1 (en) * 2005-11-28 2007-05-31 Robert Lewis Distance measurement device with short range optics

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GESKE J ET AL: "Dual-wavelength vertical-cavity surface-emitting laser arrays fabricated by nonplanar wafer bonding" 2002 IEEE 18TH. INTERNATIONAL SEMICONDUCTOR LASER CONFERENCE. GARMISCH, GERMANY, SEPT. 29 - OKT. 3, 2002; [IEEE INTERNATIONAL SEMICONDUCTOR LASER CONFERENCE], NEW YORK, NY : IEEE, US, Bd. CONF. 18, 29. September 2002 (2002-09-29), Seiten 141-142, XP010609201 ISBN: 978-0-7803-7598-7 *

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