Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer Kalibrierzahl zum Optimieren einer Auswertung eines Detektionssignals eines VCSELs gewonnen durch Self-Mixing-Interferenz insbesondere zur Objektdetektion, ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm und eine Lasereinrichtung zur Ausführung eines Verfahrens.

Stand der Technik

Produzierte VCSEL (vertical-cavity surface-emitting lasers) unterscheiden sich voneinander in ihren Grundparametern, was sich die Effizienz der VCSEL auswirkt. Hierdurch wird zum Beispiel die Leuchtintensität der VCSEL bedingt. Eine VCSEL aufweisende Detektionsvorrichtung, die beispielsweise zur Detektion eines Objekts verwendet wird, ist durch die Effizienz der einzelnen VCSEL unmittelbar beeinflusst, da Messungen mit unterschiedlich effizienten VCSELn zu Messergebnissen mit unterschiedlicher Qualität führen können. Dies ist insbesondere auf Schwankungen des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) eines Detektionssignals der VCSEL zurückzuführen. Um dies zu vermeiden, sollten die VCSEL kalibriert werden. Hierzu sind Verfahren bekannt, bei denen im Vorfeld definierte Detektionsobjekte verwendet werden, die zur Kalibrierung der Detektionssignale bzw. VCSEL verwendet werden. Allerdings ist die Handhabung der definierten Detektionsobjekte oft schwierig und umständlich. Es ist die Aufgabe vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das es ermöglicht, eine Kalibrierung der VCSEL zu erreichen, ohne ein definiertes Detektionsobjekt zu verwenden.

Offenbarung der Erfindung

Es wird vorgeschlagen, ein Verfahren zum Bereitstellen einer Kalibrierzahl zum Optimieren einer Auswertung eines Detektionssignals einer durch ein VCSEL gestützte Objektdetektion mit folgenden den Schritten bereitzustellen:

- Messen eines Schwellenstroms, bei dem der VCSEL beginnt, ein Laserlicht zu emittieren,

- Messen eines Arbeitsstroms bei einem vorgegebenen Leistungswert des Laserlichts,

- insbesondere Messen einer Arbeitsspannung bei einem vorgegebenen elektrischen ersten Stromwert,

- Berechnen der Kalibrierzahl mittels einer Prozessoreinheit aus dem Schwellenstrom, dem Arbeitsstrom und der Arbeitsspannung.

Das Detektionssignal kann aus einer Self-Mixing-Interferenz eines an dem Objekt reflektierten Laserlichts gewonnen werden, das in den VCSEL und/oder in eine Photodiode eindringt. Das Objekt kann z.B. ein Partikel oder eine Mehrzahl an Partikeln, eine Oberfläche oder ein sonstiger Gegenstand sein. Die durch das Verfahren gemessenen Parameter stellen einen Teil der messbaren Parameter dar.

Durch das Verfahren kann die Kalibrierzahl erstellt werden, mittels der eine Kalibrierung der VCSEL erreicht werden kann, ohne ein definiertes Objekt zu verwenden. Hiernach kann jedes VCSEL insbesondere für die Detektion einer Partikelverteilung auf ein nahezu gleiches Signal-Rausch-Verhältnis seines Detektionssignals ohne aufwendige Anwendungen von Partikelproben wie definierten Aerosolen oder transparenten, mit Partikeln versehenen Scheiben kalibriert werden.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführung und Weiterbildung der Erfindung möglich.

Vorteilhafterweise erfolgt ein Anpassen der Auswertung des Detektionssignals anhand der Kalibrierzahl, sodass ein optimiertes Signal-Rausch-Verhältnis des Detektionssignals des VCSELs erreicht wird. Hierdurch kann eine Kalibrierung unter Zuhilfenahme eines definierten Objekts simuliert werden.

Verfahrensgemäß kann durch ein Bestimmen eines Vergleichswerts durch Vergleichen der berechneten Kalibrierzahl mit einem Referenzwert erfolgen, der für eine korrekte Kalibrierung steht. Der Referenzwert kann in einem Speicher abgelegt werden. Der Vergleichswert kann eine Differenz zwischen der Kalibrierzahl und dem Referenzwert darstellen. Dies stellt eine Möglichkeit dar, anhand einer Look-Up-Tabelle die Optimierung der Auswertung vorzunehmen.

Vorzugsweise kann die Kalibrierzahl bei einer virtuellen softwaregestützten Kalibrierung des VCSELs mit einem Referenzwert verglichen werden, wobei das Detektionssignal entsprechend dem Vergleichswert derart interpretiert wird, als wäre eine herkömmliche Kalibrierung erfolgt. Durch ein softwaregestütztes Verfahren zur Optimierung der Auswertung kann das Signal-Rausch-Verhältnis des Detektionssignals derart verbessert werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung wird eine Wellenlängenverschiebung des Laserlichts, während der elektrische Strom erhöht wird, gemessen. Das Messen der Wellenlängenverschiebung erfolgt bei einem beispielsweise linearen Ramp-Up der Stromstärke.

Ferner kann ein Messen einer Wellenlänge des durch das VCSEL emittierten Laserlichts bei einem vorgegebenen zweiten Stromwert erfolgen. Der zweite Stromwert kann beispielsweise bei in etwa 1 ,5 mA liegen und die Wellenlängen des Laserlichts unterschiedlicher VCSEL unterscheiden sich beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen ihrer Laserkavitäten.

Besonders bevorzugt ist es ein Berechnen der Kalibrierzahl in Abhängigkeit einer Sensitivitätscharakteristik einer Photodiode vorzusehen, die zum Empfangen eines während der Objektdetektion reflektierten Laserlichts vorgesehen ist. Hierbei wird eine Empfindlichkeitskurve der Photodiode verwendet, um die Optimierung der Auswertung nicht nur anhand der gemessenen Parameter des VCSELs auszuführen.

Das aus dem VCSEL emittierte Laserlicht divergiert, sodass das Laserlicht im Fernfeld einen Lichtkegel bildet, der einen Fernfeldwinkel einschließt. Der Fernfeldwinkel kann bestimmt werden und die Kalibrierzahl in Abhängigkeit dieses Fernfeldwinkels gesetzt werden.

Die Kalibrierzahl kann nur einmal nach dem Herstellen des VCSELs bestimmt werden, wobei die so bestimmte Kalibrierzahl in einem Speicher abgelegt wird. Dabei kann die Kalibrierzahl während der gesamten Lebensdauer des VCSELs nur einem bestimmt werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Kalibrierzahl ermittelt, bevor der VCSEL in einem Gerät verbaut wird, das zur Objektdetektion vorgesehen ist. Dabei können die Parameter neu hergestellter VCSEL noch in der Fabrik gemessen werden und die Kalibrierzahl des VCSELs bestimmt werden.

Weiter kann das Verfahren beinhalten, die Kalibrierzahlen einer Vielzahl von VCSELn zu bestimmen, die auf einem Wafer angeordnet sind, wobei die bestimmten Kalibrierzahlen einem zweidimensionalen Raster auf dem Wafer zugeordnet werden. Durch das Raster kann eine landkartenartige Übersicht erzeugt werden, die es ermöglicht, sehr kleine und schwer handhabbare einzelne VCSEL einer Kalibrierzahl zuzuordnen.

Die Kalibrierzahl kann mindestens einmal ermittelt wird, nachdem der VCSEL in einem Gerät eingebaut wird, das zur Objektdetektion vorgesehen ist. Beispielsweise kann die Kalibrierzahl bestimmt werden, nachdem das Gerät eingeschaltet wird, in das das VCSEL eingebaut wurde.

Vorzugsweise wird die Kalibrierzahl regelmäßig bestimmt. Dabei kann die Kalibrierzahl nach dem Einbau des VCSELs in ein Gerät in regelmäßigen zeitlichen Abständen bestimmt werden oder es kann eine kontinuierliche Bestimmung der Kalibrierzahl erfolgen.

Das Verfahren kann von einem Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm umfasst sein, das Befehle zur Ausführung des Verfahrens beinhaltet. Somit kann das Computerprogramm beispielsweise durch eine Prozessoreinheit ausgeführt werden.

Eine Lasereinrichtung zur Ausführung des Verfahrens weist den VCSEL, die Prozessoreinheit und den Speicher auf. Die Lasereinrichtung kann Teil eines Partikeldetektors sein. Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert. Richtungsangaben in der folgenden Erläuterung sind gemäß der Leserichtung der Zeichnung zu verstehen.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zum Detektieren eines Objekts mithilfe eines VCSELs,

Fig. 2 ein Wafer mit einer Mehrzahl an VCSELn die anhand eines zweidimensionalen Rasters eingeteilt sind, und

Fig. 3 eine Lasereinrichtung mit einem VCSEL zur Detektion eines Objekts.

Ausführungsbeispiele der Erfindung

In Fig. 1 ist eine Lasereinrichtung 10 mit einem VCSEL 12 gezeigt, die mittels Self- Mixing-Interferenz ein Objekt 14 detektiert. Dazu wird Laserlicht 16 des VCSELs 12 an dem Objekt 14 reflektiert und das reflektierte Laserlicht 18 dringt in den VCSEL 12 und/oder in eine Photodiode ein. Das Objekt 14 kann z.B. ein Partikel oder eine Mehrzahl an Partikeln, eine Oberfläche oder ein sonstiger Gegenstand wie ein Körperteil eines Nutzers sein.

Die Lasereinrichtung 10 weist den VCSEL 12, eine Prozessoreinheit 20 und einen Speicher 22 auf. Die Lasereinrichtung 10 kann in einem Gerät 24 wie einem Smartphone, einem Partikeldetektor oder einer Computermaus oder einem sonstigen Gerät zum Detektieren eines Objekts 14 eingebaut sein.

Dabei kann bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der Speicher 22 und/oder die Prozessoreinheit 20 über eine Funkverbindung mit dem Gerät 24 verbunden sein. Es kann beispielsweise in Form einer sogenannten Cloud die Funktion des Speichers 22 und/oder der Prozessoreinheit 20 externalisiert werden. Dabei kann ein sogenannter Host-Computer oder ein Host-Netzwerk die Auswertung des Detektionssignals, die Berechnung der Kalibrierzahl und/oder die Kalibrierung 34 übernehmen.

In Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Detektieren des Objekts 14 mithilfe des VCSELs 12 dargestellt. Durch das Verfahren wird eine Kalibrierzahl zum Optimieren einer Auswertung eines Detektionssignals einer durch das VCSEL 12 gestützten Objektdetektion bereitgestellt. Dabei umfasst das Verfahren folgende Schritte:

- Messen 26 eines Schwellenstroms, bei dem der VCSEL 12 beginnt ein Laserlicht 16 zu emittieren,

- Messen 28 eines Arbeitsstroms bei einem vorgegebenen Leistungswert des Laserlichts 16,

- Messen 30 einer Arbeitsspannung bei einem vorgegebenen elektrischen ersten Stromwert,

- Berechnen 32 der Kalibrierzahl mittels der Prozessoreinheit 20 aus dem Schwellenstrom, dem Arbeitsstrom und der Arbeitsspannung.

Das Messen 26, 28, 30 des Schwellenstroms, des Arbeitsstroms und der Arbeitsspannung kann durch eine Messeinrichtung erfolgen, die mit der Prozessoreinheit 20 verbunden ist. Der Strom und die Spannung können von einem hergestellten VCSEL zu einem anderen hergestellten VCSEL unterschiedlich sein.

Das Detektionssignal wird aus der Auswertung der Self-Mixing-Interferenz des an dem Objekt 14 reflektierten Laserlichts 18 gewonnen. Die Auswertung erfolgt vorzugsweise durch die Prozessoreinrichtung 22.

Mittels der Kalibrierzahl kann eine Kalibrierung 34 der VCSEL 12 erfolgen, ohne dass eine Referenzprobe wie beispielsweise ein vorbekanntes definiertes Objekt 14 verwendet wird. Die Kalibrierung 34 dient dazu, das Detektionssignal mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis aus der Self-Mixing-Interferenz zu gewinnen. Dabei kann das Signal-Rausch-Verhältnis der Detektionssignale unterschiedlicher VCSEL 12 durch die Kalibrierung 34 mithilfe der Kalibrierzahl in etwa gleich eingestellt werden.

Dabei steht die Kalibrierzahl K wie folgt in Beziehung mit einem Schwellenstrom S, einem Arbeitsstrom A und der Arbeitsspannung U:

K ~ S*A' ¹ Der Arbeitsstrom A ist vorzugsweise als Strom bei einer bestimmten Emissionsleistung zu verstehen, wobei 0,5 mW rein exemplarisch als Wert angenommen werden kann. Ferner ist die Kalibrierzahl K proportional zu Sinus(W), wobei Wvon der Arbeitsspannung U, dem Arbeitsstrom A und dem Schwellenstrom S abhängig ist.

Vorzugsweise gilt

K ~ S*A' ¹ *sin ² (W)

, sodass K zum Quadrat des Sinus(W) proportional ist.

Die Größe W ist also von den messbaren Laserparametern Arbeitsspannung U, Arbeitsstrom A und Schwellenstrom S abhängig.

Ein Anpassen der Auswertung des Detektionssignals erfolgt anhand der Kalibrierzahl, wodurch ein optimiertes Signal-Rausch-Verhältnis des Detektionssignals des VCSELs erreicht wird. Die Auswertung des aus der Self-Mixing-Interferenz gewonnenen Detektionssignals erfolgt softwaregestützt. Ebenso wird mittels Software das Verfahren zur Gewinnung der Kalibrierzahl, der Kalibrierung 34 der VCSEL anhand der Kalibrierzahl und der Anpassung der Auswertung des Detektionssignals anhand der Kalibrierzahl ausgeführt.

Beispielsweise kann verfahrensgemäß einem Vergleichswert bestimmt werden, indem die berechneten Kalibrierzahl mit einem Referenzwert verglichen wird. Der Referenzwert steht für einen kalibrierten VCSEL 12, dessen Signal-Rausch-Verhältnis aus dem Detektionssignal optimiert ist. Der Referenzwert kann in einem Speicher 22 abgelegt werden, aus dem er durch die Prozessoreinrichtung 20 ausgelesen werden kann, um durch die Prozessoreinrichtung mit der Kalibrierzahl verglichen zu werden. Rein exemplarisch kann der Vergleichswert eine Differenz zwischen der Kalibrierzahl und dem Referenzwert darstellen.

Der Vergleichswert kann dazu verwendet werden, aus einer Look-Up-Tabelle Korrekturwerte für die Auswertung des Detektionssignals herauszulesen, mittels denen die beispielsweise softwaregestützte Kalibrierung 34 des VCSELS 12 und schließlich die Optimierung der Auswertung erfolgen kann. Vorzugsweise wird für die Berechnung der Kalibrierzahl zusätzlich eine Wellenlängenverschiebung dL des Laserlichts 16 gemessen, die durch die Erhöhung des elektrischen Stroms zur Speisung des VCSELs 12 zustande kommt. Das Messen der Wellenlängenverschiebung dL erfolgt bei einem beispielsweise linearen Ramp-Up der Stromstärke. Vorzugsweise wird der Ramp-Up zwischen zwei Strompunkten ausgeführt. Dabei kann z.B. der erste Strompunkt bei 1 ,5 mA und der zweite bei 2,5 mA liegen, sodass der Strom um einen Betrag von 1 mA kontinuierlich erhöht wird und dabei die Wellenlängenverschiebung gemessen wird. Dabei kann die Wellenlängenverschiebung dL direkt in der Herstellungsstätte des VCSELs 12 oder durch ein Gerät 24, in das der VCSEL nach seiner Herstellung eingebaut wird, gemessen werden. Beispielsweise könnte das VCSEL 12 zur Realisierung einer Objektdetektionsfunktion in ein Smartphone eingebaut werden, das mittels eines Sensors oder einer Kamera reflektiertes Licht des Lasers hinsichtlich seiner Wellenlänge und damit auch der Wellenlängenverschiebung dL auswertet. Dabei liegt folgende Beziehung zwischen der Kalibrierzahl K und dem Wellenlängenverschiebung dL vor:

K ~ dL

Ferner ist die Kalibrierzahl K auch von einer Wellenlänge L des durch den VCSEL 12 emittierten Laserlichts 16 abhängig, die bei einem zweiten Stromwert messbar ist. Dabei ist sin(W) abhängig von der Wellenlänge L, wobei

W ~ L ist. Der zweite Stromwert kann beispielsweise bei in etwa 1 .5 mA liegen.

Sofern eine Photodiode 13 dem VCSEL 12 zugeordnet ist, kann bei der Berechnung der Kalibrierzahl K die Sensitivitätscharakteristik PD der Photodiode 13 berücksichtigt werden, wobei die Kalibrierzahl K reziprok proportional zu Sensitivitätscharakteristik PD ist:

K ~ PD' ¹

Das aus dem VCSEL 12 emittierte Laserlicht 16 divergiert, sodass das Laserlicht 16 im Fernfeld einen Lichtkegel bildet, der einen Fernfeldwinkel FA einschließt. Betrachtet man nun die Kalibrierzahl K und Wesentliche durch die messbaren Parameter bestimmbare Größen, fällt die Abhängigkeit von dem Self-Mixing-Interferenz-Signal SMI, dem Rauschen NOISE und dem Fernfeldwinkel FA auf. Dabei ist das Verhältnis des SMI/NOISE als Signal-Rausch-Verhältnis SNR zu verstehen. Die Kalibriergröße K ist dabei wie folgt abhängig:

K ~ SMI/NOISE*FA ²

Dabei ist Self-Mixing-Interferenz-Signal SMI von dem Schwellenstrom S sowie der Wellenlängenverschiebung dl_, das Rauschen NOISE von dem Arbeitsstrom A bei einer bestimmten Emissionsleistung sowie der Sensitivitätscharakteristik PD und der Fernfeldwinkel FA von dem sin(W) abhängig.

Vorzugsweise wird die Kalibrierzahl nur einmal nach dem Herstellen des VCSELs 12 in der VCSEL-Fabrik bestimmt. Das Bestimmen der Kalibrierzahl kann an einem Messplatz erfolgen, an dem die Parameter des VCSEL 12 wie Strom, Spannung und Wellenlänge gemessen werden. Die so bestimmte Kalibrierzahl wird in dem Speicher 22 abgelegt. Hierbei kann die Kalibrierzahl nur einmal bestimmt werden und jedes Mal aus dem Speicher 22 ausgelesen werden, wenn eine Objektdetektion bzw. die darauf bezogene Auswertung erfolgen soll.

Das Messen der Parameter des VCSELs 12 kann vor oder nach dem Einbau des VCSELs 12 in ein Gerät 24 erfolgen.

Wrd der VCSEL 12 vor dem Einbau in ein Gerät 24 vermessen, so kann der VCSEL 12 an einem Messplatz gemessen werden, währen der VCSEL 12 noch auf einem Wafer 36 aus dem Herstellungsprozess des VCSELs 12 gemäß Fig. 3 angeordnet ist. Dabei kann eine Vielzahl von VCSELn 12 auf dem Wafer 36 angeordnet sein. An dem Messplatz werden die z.B. der Schwellenstrom, der Arbeitsstrom, die Arbeitsspannung bei einem bestimmten ersten Stromwert, die Wellenlängenverschiebung und/oder die Wellenlänge bei einem bestimmten zweiten Stromwert ermittelt. Alternativ oder ergänzend können die gemessenen Parameterwerte in die Größen Self-Mixing-Interferenz-Signal SMI, dem Rauschen NOISE und/oder dem Fernfeldwinkel FA umgerechnet werden.

Die Oberfläche des Wafers 36, auf der die VCSEL 12 angeordnet sind, wird verfahrensgemäß in ein zweidimensionales Raster 38 aufgeteilt. Die gemessenen Parameter können entsprechend dem Raster 38 einem Ort auf der Oberfläche des Wafers 36 zugeordnet werden. Somit erhält man einen landkartenartigen Überblick über die Effizienz bei der Auswertung eines Detektionssignals, sodass VCSEL 12, die einem bestimmten Ort auf der Oberfläche zugeordnet sind, den dort gemessenen Parametern zugeordnet werden können. Gleiches gilt für die Größen Self-Mixing-Interferenz-Signal SMI, dem Rauschen NOISE und/oder dem Fernfeldwinkel FA bzw. der Kalibrierzahl.

Beispielsweise kann mittels einer vordefinierten Objektprobe wie einer Partikelprobe oder einem bereits vermessenen Wafer eine optimale Kalibrierzahl bestimmt werden, sodass für nachfolgende unbestimmte Wafer die berechnete Kalibrierzahl mit der optimalen Kalibrierzahl verglichen werden kann. Die optimale Kalibrierzahl stellt dann den Referenzwert dar.

Bei einer Alternative wird der VCSEL 12 in ein Gerät 24 eingebaut und an solch einem Messplatz wird das Gerät 24 mit dem VCSEL 12 entsprechend vermessen.

Bei einer weiteren Alternative kann das VCSEL 12, dass in dem Gerät 24 eingebaut ist, regelmäßig die Parameter und damit die Kalibrierzahl selbstständig ermitteln. Dabei kann die Bestimmung in kontinuierlicher Weise permanent bei Nutzung des Geräts 24 oder in zeitlich regelmäßigen Abständen erfolgen. Hierbei kann eine Anpassung der Kalibrierzahl hinsichtlich der Temperatur und/oder der Abnutzung des VCSELs 12 erfolgen. Dadurch wird eine zeitlich stabile Kalibrierung 34 ermöglicht.

Alternativ kann die Kalibrierzahl nur einmal bestimmt werden, nachdem es in das Gerät 24 eingebaut und z.B. durch den Nutzer des Geräts 24 eingeschaltet wurde.

Das Verfahren kann von einem Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm umfasst sein, das Befehle zur Ausführung des Verfahrens beinhaltet. Es kann durch ein ASIC ausgeführt werden, dass entweder Teil des Messplatzes oder des Geräts 24 ist.