DE102020123561A1

DE102020123561A1 - Optisches messsystem und verfahren zum messen einer entfernung oder einer geschwindigkeit eines objekts

Info

Publication number: DE102020123561A1
Application number: DE102020123561.5A
Authority: DE
Inventors: Hubert Halbritter
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2022-03-10
Also published as: WO2022053300A1; US20230333249A1

Abstract

Ein optisches Messsystem (20) weist eine Vielzahl von Vorrichtungen (103) zur Emission elektromagnetischer Strahlung auf, die geeignet sind, gleichzeitig ein Signal zu emittieren. Das optische Messsystem (20) weist ferner eine Modulationseinrichtung (140) zur Veränderung einer Frequenz der jeweils emittierten elektromagnetischen Strahlung (16) und eine Vielzahl von Detektoren (105) auf, die geeignet sind, ein Überlagerungssignal, welches die emittierte elektromagnetische Strahlung (16) sowie an einem Objekt reflektierte elektromagnetische Strahlung (17) umfasst, nachzuweisen, sowie eine Messeinrichtung (141), wobei die Messeinrichtung (141) geeignet ist, nacheinander mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren (105) verbunden zu werden.

Description

LIDAR-(„Light Detection and Ranging“-)Systeme, insbesondere FMCW-LIDAR-Systeme („frequency modulated continous wave“modulierte Dauerstrich-LIDAR-Systeme) werden in zunehmendem Maße in Fahrzeugen, beispielsweise zum autonomen Fahren, eingesetzt. Beispielsweise werden sie eingesetzt, um Abstände zu messen oder Gegenstände zu erkennen. Um Objekte in größerer Entfernung zuverlässig erkennen zu können, sind LaserLichtquellen mit entsprechend hoher Leistung erforderlich.
Generell wird versucht, bestehende LIDAR-Systeme zu verbessern.
Insbesondere werden Anstrengungen unternommen, ein kostengünstiges und platzsparendes Auslesekonzept für derartige LIDAR-Systeme bereit zu stellen.
Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
Ein optisches Messsystem umfasst eine Vielzahl von Vorrichtungen zur Emission elektromagnetischer Strahlung, die geeignet sind, gleichzeitig ein Signal zu emittieren, und eine Modulationseinrichtung zur Veränderung einer Frequenz der jeweils emittierten elektromagnetischen Strahlung. Das optische Messsystem umfasst ferner eine Vielzahl von Detektoren, die geeignet sind, ein Überlagerungssignal, welches die emittierte elektromagnetische Strahlung sowie an einem Objekt reflektierte elektromagnetische Strahlung umfasst, nachzuweisen, und eine Messeinrichtung, wobei die Messeinrichtung geeignet ist, nacheinander mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren verbunden zu werden.
Beispielsweise ist die Modulationseinrichtung geeignet, während einer ersten Zeitspanne t1 die Frequenz der jeweils emittierten elektromagnetischen Strahlung zu erhöhen, wobei die Messeinrichtung während der ersten Zeitspanne mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren verbunden wird.
Die Modulationseinrichtung kann weiterhin geeignet sein, während einer zweiten Zeitspanne t2 die Frequenz der jeweils emittierten elektromagnetischen Strahlung zu verringern, wobei die Messeinrichtung während der zweiten Zeitspanne mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren verbunden wird.
Beispielsweise ist eine Messzeit, während der die Messeinrichtung mit einem der Vielzahl von Detektoren verbunden ist, für mindestens zwei der Detektoren gleich.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann eine Messzeit, während der die Messeinrichtung mit einem der Vielzahl von Detektoren verbunden ist, in Abhängigkeit von einer Entfernung des jeweiligen Detektors zum Objekt auswählbar sein.
Gemäß Ausführungsformen sind jeweils eine Vorrichtung zur Emission elektromagnetischer Strahlung und ein Detektor in einen Halbleiterschichtstapel integriert. Beispielsweise sind die Vorrichtung zur Emission elektromagnetischer Strahlung und der Detektor vertikal übereinandergestapelt in dem Halbleiterschichtstapel angeordnet.
Beispielsweise kann die Vielzahl von Detektoren über einem Substrat angeordnet sein, und die Messeinrichtung ist in das Substrat integriert.
Ein Verfahren zum Messen einer Entfernung oder einer Geschwindigkeit eines Objekts umfasst das Verändern einer Emissionsfrequenz einer Vielzahl von Vorrichtungen zur Emission elektromagnetischer Strahlung und das Nachweisen jeweils eines Mischsignals, das von dem Objekt reflektierte elektromagnetische Strahlung sowie von einer der Vielzahl von Vorrichtungen zur Emission elektromagnetischer Strahlung emittierte elektromagnetische Strahlung umfasst, durch eine Vielzahl von Detektoren, wobei von jedem der Detektoren ein Nachweissignal erhalten wird. Das Verfahren umfasst weiterhin das Erfassen des Nachweissignals durch eine Messeinrichtung, wobei die Messeinrichtung nacheinander mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren verbunden wird.
Beispielsweise wird während einer ersten Zeitspanne t1 die Frequenz der jeweils emittierten elektromagnetischen Strahlung erhöht, wobei die Messeinrichtung während der ersten Zeitspanne mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren verbunden wird.
Weiterhin kann während einer zweiten Zeitspanne t2 die Frequenz der jeweils emittierten elektromagnetischen Strahlung verringert werden, wobei die Messeinrichtung während der zweiten Zeitspanne mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren verbunden wird.
Gemäß Ausführungsformen ist eine Messzeit, während der die Messeinrichtung mit einem der Vielzahl von Detektoren verbunden ist, für mindestens zwei der Detektoren gleich.
Gemäß Ausführungsformen wird eine Messzeit, während der die Messeinrichtung mit einem der Vielzahl von Detektoren verbunden ist, in Abhängigkeit von einer Entfernung des jeweiligen Detektors zum Objekt ausgewählt.
Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.

1A ist eine Ansicht eines optischen Messsystems gemäß Ausführungsformen.
1B veranschaulicht eine Messanordnung zur Anwendung in dem optischen Messsystem gemäß Ausführungsformen.
2A zeigt einen zeitlichen Verlauf der Frequenz.
2B veranschaulicht die zeitliche Reihenfolge des beschriebenen Messverfahrens.
3A zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Komponente des optischen Messsystems.
3B veranschaulicht Einzelheiten der in 3A gezeigten Komponente gemäß Ausführungsformen.
4 fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen.

In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie „Oberseite“, „Boden“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „über“, „auf“, „vor“, „hinter“, „vorne“, „hinten“ usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
Die Begriffe „Wafer“ oder „Halbleitersubstrat“, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisunterlage, und weitere Halbleiterstrukturen einschließen. Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial, beispielsweise einem GaAs-Substrat, einem GaN-Substrat oder einem Si-Substrat oder aus einem isolierenden Material, beispielsweise auf einem Saphirsubstrat, gewachsen sein.
Je nach Verwendungszweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren. Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGalnN, Al-GaInBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGaInP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga₂O₃, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter“ auch organische Halbleitermaterialien ein.
Der Begriff „Substrat“ umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.
Der Begriff „vertikal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.
Die Begriffe „lateral“ und „horizontal“, wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft.
Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.
Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.
Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet der Begriff „elektrisch verbunden“ eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den verbundenen Elementen. Die elektrisch verbundenen Elemente müssen nicht notwendigerweise direkt miteinander verbunden sein. Weitere Elemente können zwischen elektrisch verbundenen Elementen angeordnet sein.
Der Begriff „elektrisch verbunden“ umfasst auch Tunnelkontakte zwischen den verbundenen Elementen.
Soweit hier die Begriffe „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und dergleichen verwendet werden, handelt es sich um offene Begriffe, die auf das Vorhandensein der besagten Elemente oder Merkmale hinweisen, das Vorhandensein von weiteren Elementen oder Merkmalen aber nicht ausschließen. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel umfassen sowohl den Plural als auch den Singular, sofern sich aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes ergibt.
1A zeigt eine schematische Ansicht eines optischen Messsystems 20 gemäß Ausführungsformen. Das in 1A dargestellte optische Messsystem umfasst eine Vielzahl von Vorrichtungen 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung 16. Die Vielzahl von Vorrichtungen zur Emission elektromagnetischer Strahlung ist geeignet, gleichzeitig ein Signal zu emittieren. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann auch nur ein Teil der in 1A dargestellten Vorrichtungen 103 gleichzeitig ein Signal emittieren. Das optische Messsystem 20 weist ferner eine Modulationseinrichtung 140 auf. Die Modulationseinrichtung 140 ist geeignet, eine Frequenz der von den Vorrichtungen 103 jeweils emittierten elektromagnetischen Strahlung zu verändern. Das optische Messsystem 20 weist darüber hinaus eine Vielzahl von Detektoren 105 auf. Die Detektoren 105 sind geeignet, ein Überlagerungssignal, welches die emittierten elektromagnetische Strahlung 16 sowie an einem Objekt 15 reflektierte elektromagnetische Strahlung 17 umfasst, nachzuweisen. Die Art und Weise der Überlagerung der Strahlungen wird nachfolgend in Bezug auf 1B näher erläutert werden.
Das optische Messsystem umfasst ferner eine Messeinrichtung 141. Die Messeinrichtung 141 ist geeignet, nacheinander mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren 105 verbunden zu werden. Beispielsweise kann ein Schalter 143 vorgesehen sein, der die Messeinrichtung 141 nacheinander mit den einzelnen Detektoren 105 verbindet. Dadurch, dass die Messeinrichtung 141 nacheinander mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren 105 verbindbar ist, kann die Anzahl an Messeinrichtungen 141 eingespart werden. Als Ergebnis kann das optische Messsystem platzsparend, kompakt und kostengünstig realisiert werden.
1B veranschaulicht schematisch ein Messprinzip des optischen Messsystems gemäß Ausführungsformen. Das Messprinzip entspricht dem eines FMCW-LIDAR-Systems. Ein Laserstrahl 16 wird von einer Vorrichtung zur Emission elektromagnetischer Strahlung 103 emittiert, durch ein Objekt 15 reflektiert und tritt als reflektierter Strahl 17 in den Detektor 105 ein. Der reflektierte Strahl 17 wird mit einem Referenzstrahl 16' überlagert. Der Strahl 16' kann beispielsweise von dem emittierten Strahl 16 abgeteilt werden, beispielsweise durch teilweise Reflexion. Der Strahl 17 ist beispielsweise kohärent zum Strahl 16' und kann mit diesem phasengenau überlagert werden. Der Referenzstrahl 16' stellt eine LO-(lokaler Oszillator-)Frequenzf_LO dar. Die Frequenz des reflektierten Strahls 17 ist aufgrund des Laufzeitunterschieds, der sich durch die Reflexion an dem Objekt ergibt, verzögert und entspricht der Frequenz f_a. Die Differenz zwischen f_a und f_LO ist ein Maß für die Bewegung und Entfernung des Objekts 15. Beispielsweise kann aus dieser Differenz dir Entfernung und Geschwindigkeit eines Objekts ermittelt werden. Das heißt, durch das optische Messsystem ist die Differenz zwischen f_a und f_LO zu ermitteln.
Der reflektierte Strahl 17 wird mit dem Referenzstrahl 16' kohärent überlagert und durch den Detektor 105 nachgewiesen. Die Differenzfrequenz des reflektierten Strahls 17 und des Referenzstrahls 16' wird ermittelt. Der Detektor 105 ist eine mögliche Implementierung eines Mischers. Das Mischsignal kann wie folgt dargestellt werden: $i_{s i g} = i_{a} + i_{L O} + 2 \sqrt{i_{a} i_{L O}} cos [2 π (ƒ_{a} - ƒ_{L O}) t + (φ_{a} - φ_{L O})]$
Das von dem Detektor 105 detektierte Signal ist somit ein periodisches Signal, das Frequenz der Differenz aus f_a und f_LO entspricht. Das von dem Detektor 105 detektierte Signal wird durch eine Messeinrichtung 141, beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler, erfasst. Das erzeugte digitale Signal wird sodann einer Auswerteeinrichtung 142 zugeführt. Die Frequenz des Signals und damit die Differenz aus f_a und f_LO werden ermittelt.
Wie in 1B weiterhin dargestellt ist, umfasst das optische Messsystem weiterhin eine Modulationseinrichtung 140. Die Modulationseinrichtung 140 kann beispielsweise eine Stromquelle 149 enthalten. Die Modulationseinrichtung 140 kann geeignet sein, die jeweils in die Vorrichtungen zur Emission elektromagnetischer Strahlung eingeprägte Stromstärke zu modulieren, beispielsweise im Bereich von einigen µA. Dies wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 3A und 3B näher erläutert werden.
2A zeigt im oberen Teil den zeitlichen Verlauf der Frequenz. Hier zeigt die durchgezogene Linie die Frequenz des von der Vorrichtung 103 emittierten Strahls 16, und die gepunktete Linie zeigt die Frequenz des von dem Objekt 15 reflektierten Strahls 17. Die Differenz zwischen den beiden Frequenzen ist ein Maß für die Entfernung und die Geschwindigkeit des nachzuweisenden Objekts. Wie im oberen Teil der 2A weiterhin dargestellt ist, wird die Frequenz des emittierten Strahls 16 durch die Modulationseinrichtung 140 kontinuierlich erhöht, bis ein Wert fmax erreicht ist. Sodann wird die Emissionsfrequenz kontinuierlich verringert, bis eine Frequenz fmin erreicht ist. In entsprechender Weise mit einem gewissen zeitlichen Versatz folgt die Frequenz des reflektierten Strahls 17 der Frequenz des emittierten Strahls 16. Generell beträgt eine Zeitdauer, in der sich die Frequenz erhöht und wieder auf den Ausgangswert fmin erniedrigt, ΔT.
Im unteren Teil der 2A ist der zeitliche Verlauf der Differenzfrequenz zwischen dem emittierten Strahl 16 und dem reflektierten Strahl 17 dargestellt. Wie zu sehen ist, ist, solange die Frequenz bis zu einem Wert fmax zunimmt, diese Differenz kleiner als in einem zweiten Bereich, in dem die Frequenz wieder abnimmt. Dadurch, dass Messungen sowohl im ersten als auch im zweiten Bereich durchgeführt werden, können sowohl Geschwindigkeit als auch Entfernung des reflektierenden Objekts 15 ermittelt werden.
Wie in 2B veranschaulicht ist, wird innerhalb einer ersten Zeitspanne t₁ die Frequenz der jeweils emittierten elektromagnetischen Strahlung 16 erhöht. Während einer zweiten Zeitspanne t₂ wird die Frequenz der jeweils emittierten elektromagnetischen Strahlung wieder verringert. Gemäß Ausführungsformen ist nun vorgesehen, dass während der ersten Zeitspanne t₁ die Messeinrichtung 141 nacheinander mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren 105 verbunden wird. Weiterhin wird während der Zeitspanne t₂ die Messeinrichtung 141 nacheinander mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren 105 verbunden.
Gegenüber einer Anordnung, bei der man für jedes Bildelement, d.h. für jeden Detektor 105 eine eigene Messvorrichtung bzw. einen Analog-Digital-Wandler vorsieht, kann auf diese Weise die Komplexität der Messeinrichtung deutlich verringert werden.
Bei einem herkömmlichen FMCW-LIDAR-System mit einer Abtastvorrichtung, bei der der ausgestrahlte Laserstrahl durch beispielsweise eine Scaneinheit das Objekt „abtastet“, wird die erste und die zweite Zeitspanne derart ausgewählt, dass sie einer Messzeit des jeweiligen Detektors entspricht.
Gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen hingegen wird die erste und die zweite Zeitspanne derart ausgewählt, dass sie jeweils der über die Bildelemente aufsummierten Messzeit entspricht. Genauer gesagt, entspricht die erste Zeitspanne der Messzeit für eine Vielzahl von Pixeln. Weiterhin kann die zweite Zeitspanne der Messzeit für eine Vielzahl von Pixeln entsprechen.
Beispielsweise kann die Geschwindigkeit, mit der die Frequenz verändert wird, an die Anzahl der auszulesenden Bildelemente bzw. Detektoren 105 angepasst werden. Beispielsweise kann die Messzeit jeweils 1 µs betragen. Weiterhin kann, in Abhängigkeit von der Entfernung von dem Objekt die Zeitdauer, die die elektromagnetische Strahlung benötigt, um sich bis zum Objekt und wieder zurück zu bewegen, bei einer Entfernung von 200 m etwa 2 µs betragen. In diesem Fall würde sich für den Detektor eines ersten Bildelements einer Anordnung eine Messzeit von etwa 3 µs ergeben. Weiterhin würde für jede weiteren Detektor 105 sich die Messzeit um 1 µs erhöhen. Das heißt, bei einer ersten Zeitspanne von 30 µs können mit einer Messeinrichtung 141 insgesamt 28 Detektoren nacheinander ausgelesen werden. Auf diese Weise ist eine sehr schnelle Erfassung des Objekts möglich.
Im Vergleich dazu würde die Messzeit bei dem herkömmlichen FMCW-LIDAR-System mit einer Abtastvorrichtung für jedes einzelne Bildelement ca. 3 µs betragen, wobei diese Messzeit die eigentliche Messzeit sowie die Zeit beinhaltet, die der Laserstrahl benötigt, um sich zum Objekt und wieder zurück zu bewegen.
Gegenüber einem System, bei dem das Signal für jedes Bildelement zeitgleich aufgezeichnet und über einen ADC („Analog-Digital-Wandler“) ausgelesen wird, und beispielsweise anschließend eine Fourier-Transformation durchgeführt wird, sind bei einem 100 MHz FM-Signal Abtastraten von beispielsweise mehr als 500 MHz pro Pixel erforderlich. Dies kann beispielsweise unter Verwendung von einer Vielzahl von ADC-Wandlern erreicht werden.
Wie beschrieben worden ist, ist die Messeinrichtung oder der Analog-Digital-Wandler 141 mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren 105 nacheiander verbindbar. Entsprechend kann bei Verwendung des beschriebenen optischen Messsystems ein Auslesevorgang mit nur einem oder einer verringerten Anzahl an Analog-Digital-Wandlern durchgeführt werden.
Da bei Ausführungsformen, wie vorstehend beschrieben worden ist, die Messzeit für ein Bildelement deutlich verkürzt werden kann, kann eine Messfrequenz auf ein Mehrfaches der üblichen Messfrequenz erhöht werden. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die maximale Frequenz aber auch der üblichen Maximalfrequenz entsprechen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Messdauer für die einzelnen Detektoren variieren. Beispielsweise kann die Messdauer dynamisch an die Entfernung des Objekts angepasst werden. Beispielsweise kann für ein dichter gelegenes Objekt eine längere Messzeit ausgewählt werden. Auf diese Weise kann in Abhängigkeit von der Entfernung eine bessere Auflösung erreicht werden.
Wie in 1A dargestellt ist, können die einzelnen Detektoren 105 in beliebiger Positionsbeziehung zu den Vorrichtungen 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung angeordnet sein. Beispielsweise können der Detektor 105 und die Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung auf einem gemeinsamen Substrat 100 angeordnet sein. Beispielsweise können der Detektor 105 und die Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung vertikal übereinander angeordnet sein. Dies ist beispielsweise in 3A veranschaulicht.
Gemäß Ausführungsformen können Detektor 105 und Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahl in einem gemeinsamen Halbleiterschichtstapel 109 ausgebildet sein. Gemäß Ausführungsformen kann die Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung als oberflächenemittierende Laserdiode realisiert sein, beispielsweise als VCSEL („vertical cavity surface emitting laser“). Dies ist beispielsweise in 3B veranschaulicht.
3B zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements, bei dem die Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung aus einer Vielzahl von oberflächenemittierenden Laserdiodenelementen 122 aufgebaut ist.
Zwischen einem ersten Resonatorspiegel 110 und einem zweiten Resonatorspiegel 120 ist eine Vielzahl von einzelnen oberflächenemittierenden Laserdiodenelementen 122 angeordnet. Die einzelnen oberflächenemittierenden Laserdiodenelemente 122 sind über Tunnelübergänge 127 miteinander verbunden.
Der Halbleiterschichtstapel 109 weist somit eine Vielzahl aktiver Zonen 125 auf, die beispielsweise über Tunnelübergänge 127 miteinander verbunden sind. Auf diese Weise kann der Halbleiterschichtstapel 109 mehr als drei, beispielsweise etwa sechs oder mehr als sechs oberflächenemittierende Laserdiodenelemente 122 aufweisen. Die oberflächenemittierenden Laserdiodenelemente 122 können weiterhin geeignete Halbleiterschichten vom ersten und zweiten Leitfähigkeitstyp aufweisen, die jeweils an die aktive Zone 125 angrenzen und mit dieser verbunden sind.
Die Tunnelübergänge 127 können jeweils Abfolgen von p⁺⁺dotierten Schichten sowie n⁺⁺-dotierten Schichten aufweisen, über die jeweils die einzelnen oberflächenemittierenden Laserdiodenelemente 122 miteinander verbunden werden können. Die p⁺⁺- und n⁺⁺-dotierten Schichten sind in Sperrrichtung mit den zugehörigen oberflächenemittierenden Laserdiodenelementen 122 verbunden. Gemäß Ausführungsformen sind die Schichtdicken der einzelnen Halbleiterschichten der oberflächenemittierenden Laserdiodenelemente 122 derart bemessen, dass die Tunnelübergänge 127 beispielsweise an Knoten der sich ausbildenden stehenden Welle angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Emissionswellenlänge der Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung stabilisiert werden. Durch Stapelung mehrerer Laserelemente 122 übereinander können höhere Leistungsdichten und weiterhin geringere Linienbreiten des emittierten Laserstrahls erreicht werden. Die Abfolge von sehr hoch dotierten Schichten des ersten und zweiten Leitfähigkeitstyps sowie optional von Zwischenschichten stellen eine Tunneldiode dar. Unter Verwendung dieser Tunneldioden können die jeweiligen oberflächenemittierenden Laserdiodenelemente 122 in Reihe geschaltet werden.
3B zeigt eine Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung, bei der mehrere oberflächenemittierenden Laserdiodenelemente 122 übereinander gestapelt sind. Gemäß Ausführungsformen kann die Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung auch nur ein einzelnes oberflächenemittierendes Laserdiodenelement 122 enthalten.
3B zeigt weiterhin eine Modulationseinrichtung 140 zur Modulation der Frequenz der jeweils emittierten elektromagnetischen Strahlung. Beispielsweise kann die Modulationseinrichtung eine Stromquelle 149 aufweisen. Eine jeweils in die als oberflächenemittierende Laserdiode ausgeführte Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung eingeprägte Stromstärke kann durch die Modulationseinrichtung 140 moduliert werden. Aufgrund der Modulation der eingeprägten Stromstärke ergibt sich eine Modulation der Ladungsträgerdichte, was zu einer Veränderung des Brechungsindex im optischen Resonator führt. Als Folge wird die Wellenlänge verschoben. Weiterhin wird durch eine erhöhte Ladungsträgerdichte eine Temperaturerhöhung verursacht, welche ebenfalls zu einer Veränderung der Emissionswellenlänge führt. Entsprechend kann die Emissionswellenlänge im MHz- bis GHz-Bereich moduliert werden.
Selbstverständlich können sowohl Detektor 105 als auch Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung in beliebig anderer Weise realisiert werden.
4 fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen. Ein Verfahren zum Messen einer Entfernung oder einer Geschwindigkeit eines Objekts umfasst das Verändern (S100) einer Emissionsfrequenz einer Vielzahl von Vorrichtungen zur Emission elektromagnetischer Strahlung und das Nachweisen (S110) jeweils eines Mischsignals, das von dem Objekt reflektierte elektromagnetische Strahlung sowie von einer der Vielzahl von Vorrichtungen zur Emission elektromagnetischer Strahlung emittierte elektromagnetische Strahlung umfasst, durch eine Vielzahl von Detektoren, wobei von jedem der Detektoren ein Nachweissignal erhalten wird. Das Verfahren umfasst weiterhin das Erfassen (S120) des Nachweissignals durch eine Messeinrichtung, wobei die Messeinrichtung nacheinander mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren verbunden wird.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.
Bezugszeichenliste

10: optoelektronische Halbleitervorrichtung
15: Objekt
16: emittierter Strahl
16': Referenzstrahl
17: reflektierter Strahl
20: optisches Messsystem
100: Substrat
103: Vorrichtung zur Emission elektromagnetischer Strahlung
105: Detektor
109: Halbleiterschichtstapel
110: erster Resonatorspiegel
111: zweite Halbleiterschicht
112: erste Halbleiterschicht
113: Isolationsschicht
114: erste Kontaktschicht
115: Aperturblende
116: zweite Kontaktschicht
117: erstes Detektorkontaktelement
118: zweites Detektorkontaktelement
120: zweiter Resonatorspiegel
122: oberflächenemittierendes Laserdiodenelement
125: aktive Zone
127: Tunnelübergang
130: erstes Kontaktelement
135: zweites Kontaktelement
140: Modulationseinrichtung
141: Messeinrichtung
142: Auswerteinrichtung
143: Schalter
149: Stromquelle
S100: Verändern einer Emissionsfrequenz
S110: Nachweisen jeweils eines Mischsignals
S120: Erfassen des Nachweissignals

Claims

Optisches Messsystem (20) mit einer Vielzahl von Vorrichtungen (103) zur Emission elektromagnetischer Strahlung, die geeignet sind, gleichzeitig ein Signal zu emittieren; einer Modulationseinrichtung (140) zur Veränderung einer Frequenz der jeweils emittierten elektromagnetischen Strahlung (16); einer Vielzahl von Detektoren (105), die geeignet sind, ein Überlagerungssignal, welches die emittierte elektromagnetische Strahlung (16) sowie an einem Objekt reflektierte elektromagnetische Strahlung (17) umfasst, nachzuweisen, und einer Messeinrichtung (141), wobei die Messeinrichtung (141) geeignet ist, nacheinander mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren (105) verbunden zu werden.
Optisches Messsystem (20) nach Anspruch 1, bei dem die Modulationseinrichtung (140) geeignet ist, während einer ersten Zeitspanne t1 die Frequenz der jeweils emittierten elektromagnetischen Strahlung (16) zu erhöhen, wobei die Messeinrichtung (141) während der ersten Zeitspanne mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren (015) verbunden wird.
Optisches Messsystem (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Modulationseinrichtung (140) geeignet ist, während einer zweiten Zeitspanne t2 die Frequenz der jeweils emittierten elektromagnetischen Strahlung (16) zu verringern, wobei die Messeinrichtung (141) während der zweiten Zeitspanne mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren (105) verbunden wird.
Optisches Messsystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Messzeit, während der die Messeinrichtung (141) mit einem der Vielzahl von Detektoren (105) verbunden ist, für mindestens zwei der Detektoren (105) gleich ist.
Optisches Messsystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Messzeit, während der die Messeinrichtung (141) mit einem der Vielzahl von Detektoren (105) verbunden ist, in Abhängigkeit von einer Entfernung des jeweiligen Detektors (105) zum Objekt auswählbar ist.
Optisches Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeweils eine Vorrichtung (103) zur Emission elektromagnetischer Strahlung und ein Detektor (105) in einen Halbleiterschichtstapel (109) integriert sind.
Optisches Messsystem (20) nach Anspruch 6, bei dem die Vorrichtung (103) zur Emission elektromagnetischer Strahlung und der Detektor (105) vertikal übereinandergestapelt in dem Halbleiterschichtstapel (109) angeordnet sind.
Optisches Messsystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vielzahl von Detektoren (105) über einem Substrat (100) angeordnet ist und die Messeinrichtung (141) in das Substrat (100) integriert ist.
Verfahren zum Messen einer Entfernung oder einer Geschwindigkeit eines Objekts (15) mit Verändern (S100) einer Emissionsfrequenz einer Vielzahl von Vorrichtungen (103) zur Emission elektromagnetischer Strahlung; Nachweisen (S110) jeweils eines Mischsignals, das von dem Objekt (15) reflektierte elektromagnetische Strahlung (17) sowie von einer der Vielzahl von Vorrichtungen (103) zur Emission elektromagnetischer Strahlung emittierte elektromagnetische Strahlung (16) umfasst, durch eine Vielzahl von Detektoren (105), wobei von jedem der Detektoren (105) ein Nachweissignal erhalten wird; Erfassen (S120) des Nachweissignals durch eine Messeinrichtung (141), wobei die Messeinrichtung (141) nacheinander mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren (105) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem während einer ersten Zeitspanne t1 die Frequenz der jeweils emittierten elektromagnetischen Strahlung (16) erhöht wird, wobei die Messeinrichtung (141) während der ersten Zeitspanne mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren (105) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem während einer zweiten Zeitspanne t2 die Frequenz der jeweils emittierten elektromagnetischen Strahlung (16) verringert wird, wobei die Messeinrichtung (141) während der zweiten Zeitspanne mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren (105) verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem eine Messzeit, während der die Messeinrichtung (141) mit einem der Vielzahl von Detektoren (105) verbunden ist, für mindestens zwei der Detektoren (105) gleich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem eine Messzeit, während der die Messeinrichtung (141) mit einem der Vielzahl von Detektoren (105) verbunden ist, in Abhängigkeit von einer Entfernung des jeweiligen Detektors (105) zum Objekt (15) ausgewählt wird.