激光传感器模块制造技术

本发明专利技术描述了一种激光传感器模块，包括至少一个垂直腔表面发射激光器（100）以及至少一个驱动电路（120）。该驱动电路（120）适于向垂直腔表面发射激光器（100）提供电能，使得垂直腔表面发射激光器（100）发射与连续激光发射相比具有小于100ns的脉冲长度（356）和小于5%的占空比的激光脉冲（345）。该驱动电路（120）进一步适于在至少所述激光脉冲（345）的部分之前至少100ns向垂直腔表面发射激光器（100）提供附加能量，使得所述激光脉冲（345）的部分在限定的光学条件下发射。本发明专利技术进一步描述了一种包括激光传感器模块的距离检测设备以及一种驱动激光传感器模块的方法。附加能量优选地借助于在优选地每个激光脉冲（345）之前应用到V(E)CSEL的电流预脉冲（335）而提供。电流预脉冲优选地被布置成使得没有激光借助于V(E)CSEL发射。在限定的光学条件下，允许V(E)CSEL发射激光脉冲（345），使得激光脉冲（345）的发射时间和脉冲形状是明确限定的。激光脉冲（345）的明确限定的发射时间和脉冲形状允许可靠地检测反射的激光（117），其与对应的激光脉冲（345）的发射相应。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】激光传感器模块
本专利技术涉及一种激光传感器模块、一种包括激光传感器模块的距离检测设备以及一种驱动激光传感器模块的方法。
技术介绍
飞行时间方法是一种测量3D空间中的距离的既定方式；特别是在较长的距离上，该技术经常称为LIDAR（等效于RADAR）。发出光的短脉冲（1-10ns）或者脉冲序列（脉冲串），并且测量直到反射的光返回的时间。重复率相对较低以便限制总功率，但是必须足够高以便考虑到对于安全相关功能而言足够的扫描/帧速率。与扫描镜相结合，可以实现非常良好的角度分辨率。使用脉冲串是为了通过将发射的脉冲串的样式与接收的脉冲串的样式相比较而简化检测的激光的识别。所需的亮度只能通过专用的固态或者边缘发射激光器实现。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目的是提供一种改进的激光传感器模块。依照第一方面，提供了一种用于飞行时间测量的激光传感器模块，其包括至少一个垂直腔表面发射激光器（VCSEL）或者垂直扩展腔表面发射激光器（VECSEL）以及至少一个驱动电路。该驱动电路适于向垂直腔表面发射激光器或者垂直扩展腔表面发射激光器提供电能，使得垂直腔表面发射激光器或者垂直扩展腔表面发射激光器发射与连续激光发射相比具有小于100ns的脉冲长度和小于5%的占空比的激光脉冲。该驱动电路进一步适于在至少所述激光脉冲的部分之前至少100ns向垂直腔表面发射激光器或者垂直扩展腔表面发射激光器提供附加能量，使得所述激光脉冲的部分在限定的光学条件下发射。可以利用所述激光传感器模块执行的飞行时间测量需要高的射束质量。激光必须在精确的时刻发射。驱动电路提供的电脉冲与对应的激光脉冲之间的长的或者甚至变化的延迟必须避免。像抖动等等那样的激光脉冲的变动应当最小化。激光脉冲期间的功率输出必须相对稳定。在激光脉冲期间，VCSEL或者VECSEL(V(E)CSEL)必须在稳定模式下、优选地在基本模式下操作。射束质量是需要的，以便允许可靠地检测特定激光脉冲的反射的光。由于射束质量以及稳定激光模式的重要性，V(E)CSEL应当优选地为具有相对较小的直径和单模式发射的顶部发射器或者底部发射V(E)CSEL，即具有在例如20-500µm的大范围直径上实施几乎基本模式的发射的扩展腔。激光脉冲可以是单个脉冲或者脉冲的序列（脉冲串），其可以用来借助于脉冲串的样式识别发射的激光。在小于5%的低占空比或者低于5MHz的重复频率结合小于100ns的短脉冲长度下操作的VCSEL的实验结果表明，VCSEL不提供可靠飞行时间测量所需的射束质量。甚至VCSEL与像平面镜那样的外部反馈元件的组合以便提供垂直扩展腔表面发射激光器（VECSEL）也不提供所需的射束质量。已经澄清，与外部反馈组合的VCSEL不一定被允许在没有外部反馈的反馈的情况下发射激光。可以通过实验证明，在标称激光脉冲之前，特定电流形状所表征的、驱动电路对附加能量的施加可以允许所述激光脉冲的部分内发射的激光，从而改进了借助于所述激光脉冲的部分而允许的到物体的距离的飞行时间测量。尤其是在激光脉冲开始时，所述附加能量似乎允许VCSEL的基本上没有抖动的单模式操作。激光脉冲的功率斜升遵循驱动电路提供的电流的形状，使得电脉冲与激光脉冲之间的延迟被避免或者至少最小化至可接受的水平。所述附加能量可以借助于光能或者优选地借助于电能提供，因为在VCSEL的发射路径内，尤其是在VCSEL的激光腔附近提供光能的像镜等等那样的附加技术措施和损耗可能太高。所述附加能量可以在每个激光脉冲或者VCSEL发射的激光脉冲的部分之前提供。驱动电路可以包括包含一个或多个处理器或者微处理器以及一个或多个存储设备的任何电路装置，其在集成式布置中与所述至少一个V(E)CSEL一起提供或者在分布式布置中提供，在该分布式布置中，借助于包括驱动电路的功能的另一个设备电驱动V(E)CSEL。激光脉冲可以具有小于100ns的脉冲长度，优选地小于20ns以及更优选地小于10ns的脉冲长度。激光脉冲的重复率或者频率适应于脉冲长度（或者反之亦然），从而满足关于占空比小于5%的条件。重复频率优选地低于1MHz或者甚至低于100kHz。占空比优选地可以小于VCSEL的连续波（cw）操作的1%或者0.2%。驱动电路适于将预电流提供给垂直腔表面发射激光器，其中在所述激光脉冲的部分之前，不发射激光。经由VCSEL的电极提供的预电流将附加能量提供给VCSEL，以便允许在激光脉冲发射期间实现稳态操作。实验研究表明，特别是对于小于20ns的短激光脉冲而言，在电脉冲的开始与激光脉冲的开始之间存在大幅的延迟。利用ns或者几十ns范畴的各种不同亚阈值预电流或者电流斜升方案的实验没有解决这个问题。在用于生成激光脉冲的电脉冲之前至少100ns，优选地至少0.5µs，最优选地至少1µs开始的预电流表现出激光稳定性的改进和延迟的降低。预电流适于使得在激光脉冲开始之前不久不生成激光以便避免必须检测的激光脉冲的上升激光斜率的检测中的模糊性。预电流的开始时间和预电流期间提供的能量的量影响后续激光脉冲的射束质量和延迟。因此，人们相信，在以良好适应的方式提供的情况下，预电流跨垂直腔表面发射激光器的激光孔径提供平滑的温度轮廓（profile）或者更精确地说平滑的径向温度梯度，从而在激光孔径处形成热透镜。激光孔径通过其中电荷载流子被注入底部和顶部镜之间的VCSEL的有源区的区域限定。激光孔径可以借助于用于电流约束的氧化物孔径或者用于约束电流的其他措施（例如电极的形状和位置和/或离子注入或者异质结构）限定。预电流由于欧姆损耗和生成的光子的吸收的原因而提供电流流动的区域的加热。借助于预电流生成的热量在开始预电流之后消散。一些微秒之后的温度轮廓取决于一定时间上积分的相对损耗功率。温度轮廓强烈取决于VCSEL的层结构、激光孔径的尺寸、层的厚度、层的材料、衬底的厚度、电极配置以及像例如散热器那样的散热的措施。提供平滑的温度轮廓或者更精确地说平滑的径向温度梯度所需的能量可以取决于激光脉冲的重复频率、脉冲长度和脉冲高度，或者更一般地说，VCSEL的热历史。借助于生成激光脉冲的电脉冲造成的欧姆以及还有光学损耗而提供的热能越多，则必须由预电流提供的能量越少。在高重复率下，仅仅在激光脉冲之间的每两个或三个间隔中提供预电流可能甚至是足够的。结合热仿真的实验表明，跨构建热透镜的激光孔径的平滑的温度轮廓或者更精确地说平滑的径向温度梯度可以通过在所述激光脉冲的部分的发射开始时激光孔径的中心与激光孔径的边沿之间的温度差异为至少2K、优选地至少5K、最优选地至少10K进行表征。孔径的中心和边沿可以通过借助于VCSEL的一个或多个层的氧化或者如上所述的其他措施提供的当前孔径限定。预电流可以包括在两个激光脉冲之间提供的恒定偏移或偏置电流。该偏移电流必须低于激光阈值以便避免在后续激光脉冲之前的激光发射。贯穿本申请，激光阈值被限定为在V(E)CSEL在后续激光脉冲中借助于预电流而最佳地准备的情况下开始激光发射所需的电流。偏移电流优选地低于激光阈值电流的50%，更优选地低于激光阈值电流的30%，最优选地低于激光阈值电流的20%。恒定偏移电流可以容易地实现，但是可能需要更多的能量以便生成所需的温度轮廓。恒定偏移电流在1%与5%之间的相对较高的占空比下可能是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于飞行时间测量的激光传感器模块，包括至少一个垂直腔表面发射激光器（100）以及至少一个驱动电路（120），该驱动电路（120）适于向垂直腔表面发射激光器（100）提供电能，使得垂直腔表面发射激光器（100）发射与连续激光发射相比具有小于100ns的脉冲长度（356）和小于5%的占空比的激光脉冲（345），其中该驱动电路（120）适于在至少所述激光脉冲（345）的部分之前至少100ns向垂直腔表面发射激光器（100）提供附加能量，使得所述激光脉冲（345）的部分在限定的光学条件下发射，其中驱动电路（120）适于向垂直腔表面发射激光器（100）提供预电流（335），其中在所述激光脉冲（345）的部分之前没有激光发射，其中预电流（335）适于使得平滑的温度轮廓跨垂直腔表面发射激光器（100）的激光孔径确立，使得热透镜（140）在激光孔径处形成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.19 EP 14199083.81.一种用于飞行时间测量的激光传感器模块，包括至少一个垂直腔表面发射激光器（100）以及至少一个驱动电路（120），该驱动电路（120）适于向垂直腔表面发射激光器（100）提供电能，使得垂直腔表面发射激光器（100）发射与连续激光发射相比具有小于100ns的脉冲长度（356）和小于5%的占空比的激光脉冲（345），其中该驱动电路（120）适于在至少所述激光脉冲（345）的部分之前至少100ns向垂直腔表面发射激光器（100）提供附加能量，使得所述激光脉冲（345）的部分在限定的光学条件下发射，其中驱动电路（120）适于向垂直腔表面发射激光器（100）提供预电流（335），其中在所述激光脉冲（345）的部分之前没有激光发射，其中预电流（335）适于使得平滑的温度轮廓跨垂直腔表面发射激光器（100）的激光孔径确立，使得热透镜（140）在激光孔径处形成。2.依照权利要求1的激光传感器模块，其中在所述激光脉冲（345）的部分的发射开始时激光孔径的中心与激光孔径的边沿之间的温度差异为至少2K，优选地至少5K，且最优选地至少10K。3.依照权利要求1-2中任何一项的激光传感器模块，其中预电流（335）包括在两个激光脉冲（345）之间提供的恒定偏移电流。4.依照权利要求1-2中任何一项的激光传感器模块，其中预电流（335）包括两个后续激光脉冲（345）之间的至少一个电流预脉冲。5.依照权利要求4的激光传感器模块，其中驱动电路（120）适于在电流预脉冲（335）与电流预脉冲被提供给垂直腔表面发射激光器（100）之后发射的激光脉冲（345）之间提供至少10ns的时间间隙（354），其中峰值电流小于垂直腔表面发射激光器（100）的激光阈值电流的50%。6.依照权利要求4的激光传感器模块，其中电流预脉冲包括高于垂直腔表面发射激光器（100）的激光阈值电流的最大电流幅度。7.依照权利要求2-6中任何一项的激光传感器模块，其中垂直腔表面发射激光器（100）包括至少一个热管理结构，该热管理结构适于在两个后续激光脉冲（345）之间确立跨垂直腔表面发射激光器（100）的激光孔径的平滑的温度轮廓，其中该热管理结构被布置成与激光孔径的中心相比，增大激光孔径的边沿处的除热。8.依照前面的权利要求中任何一项的激光传感器模块，其中垂直腔表面发射激光器（100）为包括光学反馈元件的垂直扩展...

【专利技术属性】
技术研发人员：HJ梅恩奇，AM范德里，S格龙恩伯恩，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL