阅读说明：本技术 估计条件参数的方法、监测操作的装置和粒子传感器装置 (Method for estimating a condition parameter, device for monitoring operation and particle sensor device ) 是由 罗伯特·沃尔夫 泽伦·索夫克 菲利普·格拉赫 苏珊·魏登费尔德 于 2019-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了估计条件参数的方法、监测操作的装置和粒子传感器装置。本发明提供了用于估计具有关联的光电二极管的激光二极管的条件参数的方法、用于监测这种激光二极管的操作的装置、以及粒子传感器装置。所述光电二极管(PD)可与所述激光二极管(LD)一起操作,其中它检测所述激光二极管(LD)的光(LS)并将其转换成电流,并且热耦合至所述激光二极管(LD)。所述至少一个条件参数在所述激光二极管(LD)的操作期间被估计并且该估计基于所述激光二极管(LD)和/或所述光电二极管(PD)处的电流测量和/或电压测量。(The invention discloses a method for estimating a condition parameter, an apparatus for monitoring operation and a particle sensor apparatus. The invention provides a method for estimating a condition parameter of a laser diode having an associated photodiode, an apparatus for monitoring the operation of such a laser diode, and a particle sensor apparatus. The Photodiode (PD) is operable with the Laser Diode (LD), wherein it detects and converts Light (LS) of the Laser Diode (LD) into a current and is thermally coupled to the Laser Diode (LD). The at least one condition parameter is estimated during operation of the Laser Diode (LD) and the estimation is based on current measurements and/or voltage measurements at the Laser Diode (LD) and/or the Photodiode (PD).)

估计条件参数的方法、监测操作的装置和粒子传感器装置

技术领域

本发明涉及用于估计具有关联的光电二极管的激光二极管的条件参数的方法，涉及用于监测这种激光二极管的操作的装置，并且涉及粒子传感器装置。

虽然适用于用于估计具有关联的光电二极管的激光二极管的条件参数的任意方法，但是将考虑光学粒子传感器装置来描述本发明及所要解决的问题。

背景技术

DE 10 2015 207 289 A1公开了一种光学粒子传感器装置，该光学粒子传感器装置具有带有集成的光电二极管的VCSEL激光二极管。VCSEL激光二极管(VCSEL＝垂直腔面发射激光器)是光垂直于半导体芯片的平面进行发射的发光二极管。通过使用自混合干涉技术，已知的光学粒子传感器装置能够获得与粒子的存在及粒子的速率相关的信息。

光学粒子传感器装置应该以定义的光输出功率操作，其中定义的光输出功率应该不仅为了传感器的高测量灵敏度而尽可能大，而且为了眼睛安全还必须被限制。

然而，在激光二极管操作期间，光输出功率根据操作时间点处激光二极管的瞬时温度并且根据激光二极管依照寿命退化的老化条件而改变。

因此例如在操作期间对激光二极管的设定操作电流进行调节和控制是必要的。原理上，这可以通过对光输出功率的直接测量来完成，但是在许多小型化应用中尤其在前述的光学粒子传感器装置中这是不可能的。

具体地，希望接收与激光二极管温度和激光二极管的老化条件相关的信息。

发明内容

本发明提供了分别根据独立权利要求1、12和18所述的用于估计具有关联的光电二极管的激光二极管的条件参数的方法、用于监测这种激光二极管的操作的装置、以及粒子传感器装置。

优选的改进是各自从属权利要求的主题。

有益效果

本发明所依据的理念是激光二极管的条件参数的估计在激光二极管的操作期间实现且基于激光二极管和/或光电二极管处的电流测量和/或电压测量。

有利地，能够以这种方式通过激光二极管和光电二极管处的相应电气测量考虑激光二极管和关联的光电二极管的老化、生产波动和温度依赖性而不需要让直接光学测量或其它传感器成为必要。

根据优选的实施方式，具有关联的光电二极管的激光二极管是具有集成的光电二极管的激光二极管，尤其是具有集成的光电二极管的VCSEL。这种装置特别紧凑。

根据另一优选的实施方式，激光二极管温度TLD通过如下步骤被估计作为激光二极管的条件参数：使用光电二极管电流IPD的测量针对激光二极管电流ILD的至少两个不同值在待被确定的激光二极管温度TLD下确定光电二极管特性的斜率PDSlope，并且以光电二极管特性的斜率PDSlope与激光二极管温度TLD之间的先前确定的关系作为激光二极管温度TLD的估计的基础。以这种方式，激光二极管温度TLD能够通过运行时光电二极管处简单的电流测量被确定。相比之下，光电二极管特性的斜率PDSlope与激光二极管温度TLD之间的关系被预先确定，例如在激光二极管-光电二极管单元的生产过程结束时被确定，具体地通过部分单独的电流和电压测量被确定。

根据又一优选的实施方式，激光二极管温度TLD通过如下步骤被估计作为激光二极管的条件参数：在待被估计的激光二极管温度TLD下针对至少一个指定的激光二极管电流ILDV捕获激光二极管电压ULD，其中激光二极管温度TLD的估计基于预定激光二极管电流ILDV、激光二极管电压ULD与激光二极管温度TLD之间的先前确定的关系。以这种方式，激光二极管温度TLD能够通过运行时激光二极管处简单的电压测量被确定。预定激光二极管电流ILDV、激光二极管电压ULD与激光二极管温度TLD之间的关系也是预先通过部分单独的电流和电压测量被确定，例如在激光二极管-光电二极管单元的生产过程结束时被确定。

根据又一优选的实施方式，激光二极管温度TLD被估计为：

TLD＝a+(b-ULD(ILDV))*d

其中a、b和d是先前确定的常量。所述常量能够例如作为激光二极管-光电二极管单元的产品序列表征的一部分而被确定。以这种方式，激光二极管温度TLD能够被描述为简单的线性关系。

根据又一优选地实施方式，当激光二极管的总操作时间t已知时，激光二极管温度TLD能够被估计为：

TLD＝a+(b-ULD(ILDV))*(1–c*exp(-t/t0))*d

其中a、b、c和d是先前确定的常量，这些常量例如作为激光二极管-光电二极管单元的产品序列表征的一部分而被确定。t0对应于先前确定的表征激光二极管老化特性的操作时长。因此在估计激光二极管温度TLD时能够将老化条件考虑进去。

根据又一优选的实施方式，总操作时间t通过如下步骤被估计作为激光二极管的条件参数：在已知的激光二极管温度TLD下针对至少一个指定的激光二极管电流ILDV捕获激光二极管电压ULD，并且以激光二极管电流ILD、激光二极管电压ULD、激光二极管温度TLD与激光二极管的总操作时间t之间的先前确定的关系作为激光二极管的总操作时间t的估计的基础。激光二极管电流ILD、激光二极管电压ULD、激光二极管温度TLD与激光二极管的总操作时间t之间的关系在此也预先通过部分单独的电流和电压测量被确定，例如在激光二极管-光电二极管单元的生产过程结束时被确定。

根据又一优选的实施方式，激光二极管的退化基于所估计的总操作时间t被评估。以这种方式，获得退化的简单可再现测量。

根据又一优选的实施方式，总操作时间t通过如下步骤被估计作为激光二极管的条件参数：通过对依赖于激光二极管电流ILD的光电二极管电流IPD的测量来确定对应的瞬时光电二极管特性，根据对应的瞬时光电二极管特性确定激光二极管的瞬时阈值电流Ith，并且基于对应的瞬时阈值电流Ith估计激光二极管的总操作时间t。阈值电流以同样方式提供激光二极管的老化或总操作时间的可靠测量。激光二极管的阈值电流是激光器操作开始的启动电流。由于激光二极管和关联的光电二极管的特性呈现出相似的行为，所以此估计是可行的。

根据又一优选的实施方式，通过如下步骤来确定瞬时阈值电流Ith：针对激光二极管尚未处于激光器操作所在的至少两个激光二极管电流值ILD1、ILD2捕获第一光电二极管电流值IPD1、IPD2，针对激光二极管处于激光器操作所在的至少两个激光二极管电流值ILD3、ILD4捕获第二光电二极管电流值IPD3、IPD4，在每个情况中线性外插第一光电二极管电流值IPD1、IPD2以及第二光电二极管电流值IPD3、IPD4，并且确定产生的两条直线g和h的交点作为瞬时阈值电流Ith。所述外插容易执行且提供可靠的值。

根据又一优选的实施方式，确定至少两个激光二极管的瞬时阈值电流Ith1、Ith2，其中两个单独的激光二极管的总操作时间t1、t2通过比较针对两个单独的激光二极管确定的瞬时阈值电流Ith1、Ith2而彼此关联。以这种方式，能够估计两个激光二极管的相对老化。

根据依据本发明的用于监测具有关联的光电二极管的至少一个激光二极管的操作的装置的优选实施方式，估计设备被配置为估计激光二极管温度TLD。本实施方式包括关断装置，用于在激光二极管温度TLD高于或低于指定的限值时自动关断激光二极管。这增加了操作安全性。

根据又一优选的实施方式，在该实施方式中估计设备被配置为估计激光二极管温度TLD，根据本发明的装置包括针对依赖于所估计的激光二极管温度TLD的光电二极管电压UPD的反馈控制设备，该反馈控制设备尤其被配置为将光电二极管的灵敏度保持在指定的水平。以这种方式，稳定了捕获精确度。

根据又一优选的实施方式，在该实施方式中估计设备被配置为估计激光二极管温度TLD，根据本发明的装置包括信号处理设备，该信号处理设备被设置为依赖于所估计的激光二极管温度TLD修改所捕获的光电二极管电流信号以补偿温度影响。以这种方式，同样稳定了捕获精确度。

根据又一优选的实施方式，估计设备被配置为估计或至少关联两个单独的激光二极管的总操作时间t1、t2，其中设置有开关装置，该开关装置用于依赖于两个单独的激光二极管的估计的或相对化的总操作时间t1、t2选择性地操作至少一个激光二极管。

附图说明

在附图中：

图1a表示用于解释根据本发明的第一实施方式的用于估计具有关联的光电二极管的激光二极管的条件参数的方法和装置的框图；

图1b表示用于解释根据本发明的第一实施方式的用于估计具有关联的光电二极管的激光二极管的条件参数的方法和装置的激光二极管的电流-输出功率特性(曲线A)、光电二极管的激光器电流-光电二极管电流特性(曲线B)和激光二极管的电流-电压特性(曲线C)的图解；

图2表示用于解释根据本发明的第一实施方式的用于估计具有关联的光电二极管的激光二极管的条件参数的方法和装置的流程图；以及

图3表示本发明的第二实施方式中使用的具有两个激光二极管和关联的光电二极管的集成布置。

在附图中相同或功能相同的元件用相同的参考标记表示。

具体实施方式

图1a表示用于解释根据本发明的第一实施方式的用于估计具有关联的光电二极管的激光二极管的条件参数的方法和装置的框图。

该装置包括激光二极管LD和与激光二极管LD关联的光电二极管PD使得光电二极管PD可与激光二极管LD一起操作。光电二极管PD被布置为使得它能够检测激光二极管LD的光LS并将其转换成电流IPD。当在光学粒子传感器装置中使用时，激光二极管LD的光LS同时充当测量光束。

在这里阐述的示例性实施方式中，光电二极管PD经由耦合设备K热耦合至激光二极管LD使得光电二极管PD和激光二极管LD在操作期间处于基本上相同的温度。

在一个变型例中，激光二极管LD具有集成的光电二极管PD，尤其是具有集成光电二极管的VCSEL(垂直腔面发射激光器)，但是本实施方式一般不限于此，而是能够适用于具有至少一个关联的光电二极管的至少一个激光二极管的任意期望的功能和热耦合布置。

电压源10b用于向光电二极管PD施加定义的操作电压UPD。此操作电压UPD能够可选地被自由选择。电流测量设备10a用于捕获光电二极管电流IPD。电流源20a用于向激光二极管LD施加能够反馈控制的电流ILD，电压测量设备20b用于捕获激光二极管LD的输出电压ULD。

估计设备100连接至电流测量设备10a、电压源10b、电流源20a和电压测量设备20b并能够在操作期间控制这些部件，该估计设备100用于在激光二极管LD操作期间基于激光二极管LD和/或光电二极管PD处的电流测量和/或电压测量估计激光二极管LD的条件参数。在所描述的示例中，这些是激光二极管的可指定电流情况下光电二极管PD处的电流测量或激光二极管的可指定电流情况下激光二极管LD处的电压测量。然而，可替换地，不同的电流测量和电压测量也是可行的。

估计设备100被配置为在可指定的时间点例如间隔地或在激光二极管LD和关联的光电二极管PD的运行时间以面向事件方式估计激光二极管LD的条件参数，例如激光二极管温度TLD和/或总操作时间t。所述估计以专用的估计模式实现，在所述估计期间实际的激光器操作被中断。这表示为了估计条件参数，必须从激光二极管LD和关联的光电二极管PD的操作模式切换至估计模式。

可选地，存在用于依赖于所估计的激光二极管温度TLD的光电二极管电压UPD的反馈控制设备102，反馈控制设备102尤其被配置为将光电二极管PD的灵敏度保持在指定的水平。

除了估计设备100以外，图1a中所示的装置具有关断装置101作为可选的安全特征，关断装置101被设置为在激光二极管温度TLD高于或低于指定的限值时自动关断激光二极管LD。

图1b表示用于解释根据本发明的第一实施方式的用于估计具有关联的光电二极管的激光二极管的条件参数的方法和装置的激光二极管的电流-输出功率特性(曲线A)、光电二极管的激光器电流-光电二极管电流特性(曲线B)和激光二极管的电流-电压特性(曲线C)的图解。

这里，ULD表示以伏特(V)为单位的激光二极管电压，ILD表示以毫安(mA)为单位的激光二极管电流，P表示以毫瓦(mW)为单位的激光二极管的输出功率，以及IPD表示以毫安(mA)为单位的光电二极管电流。

按照曲线A的激光二极管LD的电流-输出功率特性在低电流区域中仅以非常小的斜率上升到阈值电流Ith，阈值电流Ith在本示例中为近似0.6mA。当超过激光二极管LD的阈值电流Ith时，激光器操作开始并且电流-输出功率特性的斜率急剧显著增大。激光二极管LD的在阈值电流Ith以上的电流-输出功率特性的斜率在图1b中表示为LDSlope。

在光电二极管PD的恒定电压下光电二极管PD的相应激光器电流-光电二极管电流特性由曲线B表示。

光电二极管PD的相应激光器电流-光电二极管电流特性与激光二极管LD的电流-输出功率特性具有相似的廓线，至少当激光器操作开始时发生的激光二极管LD的阈值电流Ith处的斜率变化相似。然而，光电二极管PD的激光器电流-光电二极管电流特性中的斜率变化明显小于激光二极管LD的电流-输出功率特性中的斜率变化。激光二极管LD的阈值电流Ith以上的光电二极管PD的激光器电流-光电二极管电流的斜率在图1b中被指定为PDSlope并且小于激光二极管LD的电流-输出功率特性的相应斜率LDSlope。

已经发现激光二极管LD的阈值电流Ith能够基于光电二极管PD的激光器电流-光电二极管电流特性的斜率变化来确定。

因此，光电二极管PD的激光器电流-光电二极管电流特性的电气测量能够提供与激光二极管LD的电流-输出功率特性的廓线相关的信息。然而，为了获得更详细的与温度依赖性和老化条件相关的信息，如将在下面进一步解释的，还必须考虑产品系列的生产波动。

如图1b中所指示的，确定激光二极管LD操作期间激光二极管LD的不同预定电流ILD1、ILD2、ILD3、ILD4处的光电二极管电流IPD1、IPD2、IPD3、IPD4，其中光电二极管PD的电压UPD保持不变。

在此情况中电流值ILD1、ILD2位于激光二极管LD的电流-输出功率特性的下部区域，也就是说小于激光二极管LD的阈值电流Ith，并且电流值ILD3、ILD4位于激光二极管LD的电流-输出功率特性的上部区域，也就是说大于激光二极管LD的阈值电流Ith。

由于延伸通过测量的光电二极管电流值IPD1、IPD2和IPD3、IPD4的两条直线g和h的(虚线指示的)线性外插，能够确定激光二极管LD的阈值电流Ith和激光二极管LD的阈值电流Ith以上光电二极管PD的激光器电流-光电二极管电流特性的斜率PDSlope。

如将在下面进一步详细解释的，根据本发明的用于估计激光二极管温度TLD的方法的第一实施方式使用基于光电二极管PD以预定的时间间隔或以事件引发方式而被确定的值PDSlope，并且还使用预先确定的参数，考虑了温度依赖性、老化条件和产品系列的生产波动。

激光二极管温度TLD通过如下步骤被估计作为激光二极管LD的条件参数：使用光电二极管电流IPD的测量针对激光二极管电流的至少两个不同值ILD3、ILD4在待被确定的激光二极管温度TLD下确定光电二极管特性(B)的斜率PDSlope，并且以光电二极管特性B的斜率PDSlope与激光二极管温度TLD之间的先前确定的关系fkt1作为激光二极管温度TLD的估计的基础，即TLD＝fkt1(PDSlope)。

此关系优选地在微调工序中被确定，其中描述函数关系的常量或参数能够例如通过定义条件下的一系列样本测量值的回归拟合被确定。

替换地，激光二极管温度TLD通过在待被估计的激光二极管温度TLD下针对至少一个指定的激光二极管电流ILDV捕获激光二极管电压ULD而被估计作为激光二极管LD的条件参数，其中激光二极管温度TLD的估计基于预定激光二极管电流ILDV(例如50微安)、激光二极管电压ULD与激光二极管温度TLD之间的先前确定的关系fkt2，即

TLD＝fkt2(ULD(ILDV))。

例如，激光二极管温度TLD被估计为：

TLD＝a+(b-ULD(ILDV))*d

其中a、b和d是先前确定的参数或常量。如前面，参数a、b和d能够通过定义条件下的一系列样本测量值的回归拟合或通过依赖合适的模型作为微调工序的一部分被确定。

在另一个说明中，ULD(ILDV)–ULDT(ILDV)的瞬时捕获值提供了激光二极管LD的瞬时温度TLD的估计值，其根据下式获得：

TLD＝TREF+κ(ULD–ULDT)

其中κ是能够按经验确定的温度常量且典型地为0.7K/mV，ULDT(ILDV)是针对指定的激光二极管电流ILDV、在定义的温度TREF下激光二极管LD的操作开始的时间点t0处测量的二极管电压。

已经表明值ULD–ULDT依赖于激光二极管LD的老化条件，能够如下通过能够按经验确定的使用时间(age)因子μ表示：

TLD＝TREF+κ(ULD–ULDT)(1-μexp(t/t0))

其中t是总操作时间，t0是先前确定的表征激光二极管(LD)老化特性的操作时长。如果激光二极管LD的总操作时间t例如因为相应的测量而已知，则反映激光二极管温度TLD的关系还能够表示为：

TLD＝a+(b-ULD(ILDV))*(1–c*exp(-t/t0))*d

其中a、b、c和d是先前依靠微调工序确定的参数或常量。

另一方面，如果激光二极管LD的瞬时温度TLD以其它方式已知，则上面的等式能够针对总操作时间t进行求解并通过在已知的激光二极管温度TLD下针对至少一个指定的激光二极管电流ILDV捕获激光二极管电压ULD进行估计，其中激光二极管LD的总操作时间t的估计基于激光二极管电流ILD、激光二极管电压ULD、激光二极管温度TLD与激光二极管LD的总操作时间t之间的先前确定的关系fkt3，即

t＝fkt3(ULD(ILDV),TLD)。

激光二极管LD的退化能够基于估计的总操作时间t进行评估。在此基础上，能够采取措施，例如激光二极管电流的反馈控制的适应或替换。

替换地，总操作时间t能够通过如下步骤被估计作为激光二极管LD的条件参数：通过对依赖于激光二极管电流ILD的光电二极管电流IPD的测量来确定对应的瞬时光电二极管特性B，根据对应的瞬时光电二极管特性B确定激光二极管LD的瞬时阈值电流Ith，并且基于对应的瞬时阈值电流Ith估计激光二极管的总操作时间t。

在此情况中，瞬时阈值电流Ith例如通过如下步骤被确定：针对激光二极管(LD)尚未处于激光器操作所在的至少两个激光二极管电流值ILD1、ILD2捕获第一光电二极管电流值IPD1、IPD2，针对激光二极管(LD)处于激光器操作所在的至少两个激光二极管电流值ILD3、ILD4捕获第二光电二极管电流值IPD3、IPD4，在每个情况中线性外插第一光电二极管电流值IPD1、IPD2和第二光电二极管电流值IPD3、IPD4，并且确定所产生的两条直线g和h的交点作为瞬时阈值电流Ith。

图2是用于解释根据本发明的第一实施方式的用于估计具有至少一个激光二极管和至少一个光电二极管的装置中激光二极管的条件参数的方法的流程图，这里所述条件参数为激光二极管温度TLD＝a+(b-ULD(ILDV))*d。

根据图2，在步骤S1中定义测量变量ULD(ILDV)，其中例如ILDV＝50毫安。

在步骤S2中，提供参数a、b和d。

在步骤S3中，根据上面的关系TLD＝a+(b-ULD(ILDV))*d确定激光二极管温度。

在步骤S4中确定激光二极管温度是否超过指定的限值。

如果超过指定的限值，则在步骤S5中自动关断激光二极管LD。如果不是这种情况，则方法回转到步骤S1。

图3表示本发明的第二实施方式中使用的具有两个激光二极管和一个光电二极管的集成装置。

在第二实施方式中，第一激光二极管LD1和第二激光二极管LD2以及光电二极管PD'集成在共同基板SU上，尤其以具有集成的光电二极管的VCSEL激光二极管形式，其中光垂直于基板SU的平面发射。

在此为激光二极管温度的条件参数如第一实施方式中所描述地被估计。

为了交替估计第一激光二极管LD1和第二激光二极管LD2的条件参数，提供开关设备SC以连接至电流测量设备10a和电压源10b。

在第二实施方式中，至少两个激光二极管LD1、LD2的瞬时阈值电流Ith1、Ith2被确定，其中两个单独的激光二极管LD1、LD2的总操作时间t1、t2通过比较针对两个单独的激光二极管LD1、LD2确定的瞬时阈值电流Ith1、Ith2而彼此相关。由于阈值电流Ith1、Ith2随着使用时间的增长而增大，因此能够通过比较阈值Ith1、Ith2得出激光二极管LD1、LD2的条件相关的定性结论。

开关装置SC能够依赖于两个单独的激光二极管LD1、LD2的估计的或相对化的总操作时间t1、t2选择性操作激光二极管LD1、LD2中的至少一个。

尽管上面参考优选的示例性实施方式描述了本发明，但是它不限于此而是能够以各种方式进行修改。

尽管在微调工序中按经验确定上面的实施方式中的函数相关性，但是它也可以通过理论模型实现。

同样地，条件参数的估计结果能够按需用于系统中的内部和/或外部技术测量。

装置能够装配有例如针对依赖于所估计的激光二极管温度的光电二极管电压的反馈控制设备，该反馈控制设备尤其被配置为能够将光电二极管的灵敏度保持在指定的水平。

而且，可以存在信号处理设备，该信号处理设备被设置为依赖于所估计的激光二极管温度来修改所捕获的光电二极管电流信号以补偿温度影响。

可以针对任意期望数量的激光二极管和任意期望数量的关联光电二极管实现监测。