用于扫描式测量与物体的距离的装置和方法与流程

1.发明领域本发明涉及用于以fmcw-lidar技术为基础扫描式测量与运动的或静止的物体的距离的一种装置和一种方法。这类装置例如可应用在自动驾驶车辆中并且包含光子集成电路(pic，photonic integrated circuit)，其不含可动部件。2.对现有技术的说明已知称为fmcw-lidar的用于光学测距的测量原理，其中，通过测量装置将具有随时间变化的频率(fmcw表示frequency modulated continuous wave，调频连续波)的光信号沿不同的方向指向待测量的物体。在物体上反射后，信号返回测量装置并被与一个未发射、故而称作本地振荡器的信号叠加。由于经过的光程，经反射的信号的频率略有别于未发射的信号。在将这两个信号叠加的情况下，产生相对低频的差频，其被测量装置的探测器检测，并被用于计算介于测量装置与物体之间的距离。如果还将多普勒频移考虑在内，则也能够计算出扫描器与物体之间的相对速度。如果需要应用在车辆中，则基于这个测量原理的测量装置必须非常稳健和可靠。这尤其适用于车辆采用自动驾驶的情况，因为自动驾驶中的安全性很大程度上取决于：如何以足够高的分辨率可靠地产生周围环境的三维图像。因此，至少对于在水平平面中的扫描而言，优选的测量装置不具有旋转式扫描镜或其他可动的构件。就例如在us2017/0371227 a1和us2019/0377135 a1中描述的这类解决方案而言，具有数个呈树状布置的有源或无源分支器的分布矩阵(verteilmatrix)将fmcw信号分布至不同的自由空间耦合器。偏转光学系统(在其焦平面中布置有自由空间耦合器)将从自由空间耦合器出射的光信号准直，并且将这些信号沿不同的方向发射。为了在水平面中实现所需的高空间分辨率，在这些已知的解决方案中，需要在极狭小的空间内布置非常多的自由空间耦合器。然而此举很快便遇到技术极限。即使能够实现分辨率，极高的集成密度也会导致光刻制造中的较高废品率，这对单件成本产生不利影响。

背景技术：

0、发明背景

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供用于扫描式测量与物体的距离的一种装置和一种方法，借此低成本地实现高空间分辨率。

2、本发明用以达成上述目的的解决方案在于一种用于扫描式测量与物体的距离的装置，其具有光源，所述光源适于产生具有变化的频率的光信号。所述装置还具有分布矩阵，其适于将所述光信号同时分布至数个光输出波导。所述装置还包含数个自由空间耦合器，其布置在一个共同的衬底上并且适于将在输出波导中导引的光信号作为光束输出耦合至自由空间。所述装置的偏转光学系统适于将从光输出波导出射的光信号以一定方式偏转，从而通过所述装置将这些光信号同时沿不同的方向发射。探测器检测所述光源所产生的光信号与被物体反射的光信号的叠加。所述装置还包括分析设备，其适于根据所述至少一个探测器所检测的叠加来测定与物体的距离。根据本发明，所述装置还具有射束移动单元，其具有用于产生运动的致动器，并且适于在所述从自由空间耦合器出射的光束入射至偏转光学系统前，使得这些光束暂时共同地并且优选平行地偏移。

3、本发明基于以下考量：在基于fmcw-lidar原理的测量装置中，周围环境的三维图像并非即时获得，而是扫描过程的结果。因此，即使在给定的时间点上同时将数个光束指向物体，三维图像仍是渐进式生成。基于此渐进式图像生成，能够为扫描操作叠加一个机械运动，其导致从自由空间耦合器出射的光束的优选平行的偏移。由于光束以由该运动给定的程度发生偏移，在偏转光学系统后的辐射角有所不同。因此，在偏移前和偏移后，光束在不同的点上入射至物体。借此，可以以一定方式控制射束移动单元，使得在物体上对点进行扫描时，采用的网格密度为无射束移动单元的测量装置的两倍。若不采用此方案，则仅能通过相应地增大光子集成电路上的集成密度，或者以非常高的成本为代价来将分辨率翻倍。

4、在一个实施例中，所述致动器是平移致动器，其适于使衬底以及设于衬底上的自由空间耦合器发生运动。衬底的运动使得衬底相对于偏转光学系统的相对位置发生改变，这导致辐射角改变。作为替代方案，也可使偏转光学系统运动。但此举在机械方面更加复杂，因为偏转光学系统的重量通常高于包含自由空间耦合器的光子集成电路。

5、优选地，使得所述衬底沿垂直于光束出射方向的平移方向来回地平移运动。这样便使自由空间耦合器在偏转光学系统的焦平面中横向偏移，从而相应地改变发射的光束的角谱。但所述平移运动也可以包含沿光束出射方向的分量，如在de 10 2021 111 949 a1中揭示的那样。因此，衬底的运动轨迹不仅可以是直线状的，也可以呈圆形或者椭圆形。

6、原则上还可以将衬底旋转。但与平移运动相比，在此情形下在偏转光学系统后产生的角度变化更加复杂，并且可能不理想。

7、所述衬底的运动可以是间歇的或者连续的。其中，间歇式运动是指：骤然接近两个或两个以上的目标位置，且衬底在相应的目标位置上短暂地静止。

8、为了避免在此情形下出现的高加速度，通过平移致动器产生连续运动往往更加有利。就此而言，能够与衬底的固有频率匹配的谐振是特别有利的。所述平移致动器特别是可适于：使得衬底以介于20hz与100hz之间的频率沿平移方向进行振荡运动。在此情形下，振荡频率应与光束用以扫描物体的扫描频率匹配。

9、所述平移致动器例如可以具有卡在衬底上的动圈驱动器。作为替代方案，也可以使用压电致动器。

10、在另一实施例中，所述射束移动单元具有对于所述光束而言透明的平板。所述致动器是旋转致动器，其适于使得所述平板相对于一个旋转轴在至少两个角位之间运动，所述旋转轴与所述光束的出射方向互成一定角度(优选为90°)。倾斜地布置在光束的光路中的平板引起光束的平行的偏移，此偏移随倾角的增大而增大。为了提升分辨率，光束仅需要进行较小程度的横向偏移，因此，所述平板可以较薄。这样一来，在本实施例中，能够使待运动的质量小于上述使整个光子集成电路运动的实施例。

11、优选地，所述分布矩阵是包含数个光开关的开关矩阵，并且适于将光信号选择性地分布至所述数个光输出波导。这样便能将光源所产生的光功率集中至少量同时活跃的光通道。优选地，在此情形下设有控制设备，其适于将所述开关矩阵的光开关与因该射束移动单元引起的光束偏移同步。借此，控制设备对两个可用的自由度进行协调，即一方面选择通过开关矩阵激活的自由空间耦合器，另一方面选择平板的倾角。

12、但所述分布矩阵也可仅包含无源分束器，从而将光信号同时分布至所有光输出波导。在此情形下，优选地，每个输出波导均对应一个可单独控制的光放大器。这样便也能通过无源分束器针对性地控制各通道。

13、优选地，每个自由空间耦合器均适于：将光源所产生的、被与自由空间耦合器连接的输出波导输送至自由空间耦合器并且从自由空间耦合器出射的光信号，在物体上进行反射后，重新作为光学测量信号输入耦合至相同的输出波导。但作为替代方案，为了接收经反射的光信号，也可以设有自有的自由空间耦合器，其通过独立的输入波导将接收的光信号输送至探测器。

14、优选地，所述自由空间耦合器均布置在一个共同的平面中。如果仅沿一个方向扫描，则自由空间耦合器位于一条直线上。

15、所述光源通常构建为产生相干光的激光源。这可能导致在具有粗糙表面的物体上形成散斑图案，进而因相消干涉而无法通过表面上的某些点接收光。

16、为了避免这类散斑图案，所述射束移动单元可适于为所述运动叠加另一个具有较小振幅的运动。这个叠加的运动导致光束在入射至物体时小幅地并且连续地横向运动。在为了提升分辨率而将光束指向物体上的其他点期间，叠加的运动的振幅如此之小，使得光束尽管大体指向相同的物点，但以不到达扫描网格中的相邻物点的方式扫过此物点。通过这些可遵循预定的函数或可(准)随机的小幅运动，在通过装置接收经反射的激光时，能够至少暂时地对激光进行相长干涉。

17、在所述方法方面，本发明用以达成开篇所述目的的解决方案为一种扫描式测量与物体的距离的方法，其中所述方法具有以下步骤：

18、a)产生具有变化的频率的光信号；

19、b)将所述光信号分布至数个光输出波导；

20、c)借助布置在共同的衬底上的自由空间耦合器，将所述在输出波导中导引的光信号作为光束输出耦合至自由空间；

21、d)将所述从光输出波导出射的光信号以一定方式偏转，从而同时沿不同的方向发射所述光信号；

22、e)检测所述在步骤a)中产生的光信号与在步骤d)中发射并被物体反射的光信号的叠加；

23、f)根据在步骤e)中检测的叠加测定与物体的距离；

24、其中，在使所述从自由空间耦合器出射的光束在步骤d)中偏转前，使得所述光束暂时地共同偏移。

25、上文就所述装置描述的优点和优选实施例相应地适用于所述方法。

26、据此，在一个实施例中，可以使衬底以及设于衬底上的自由空间耦合器发生运动。特别是可使所述衬底沿垂直于光束出射方向的平移方向来回地平移运动。在此情形下，可使衬底以介于20hz与100hz之间的频率沿平移方向进行振荡运动。

27、在另一实施例中，所述光束穿过透明的平板，所述平板相对于一个旋转轴在至少两个角位之间运动。

28、在步骤b)中，可通过包含数个光开关的开关矩阵将光信号选择性地分布至数个光输出波导，其中，将开关矩阵的光开关与光束的偏移同步。

29、在另一实施例中，为所述运动叠加另一个具有较小振幅的运动，以避免散斑图案。

30、图式简要说明

31、下面结合图式对本发明的实施例进行详细说明。其中：

32、图1为车辆的示意性侧视图，该车辆接近通过本发明的测量装置检测的物体；

33、图2为如图1所示的测量装置的俯视图；

34、图3为根据一个实施例的测量装置的结构的示意图；

35、图4为发出的光信号的频率随时间变化的曲线图；

36、图5示出如图3所示的测量装置的开关矩阵和偏转光学系统；

37、图6a至图6c为根据第一实施例(其中使得包含自由空间耦合器的衬底平移运动)的如图3所示的测量装置在不同工作状态下的局部图；

38、图7a至图7c为根据第二实施例(其中将平板倾斜)的如图3所示的测量装置在不同工作状态下的局部图；

39、图8依照图5示意性示出根据第二实施例的测量装置的部件；

40、图9为如图1所示的测量装置的俯视图，其中光束实施用于避免散斑图案的小幅运动；以及

41、图10为衬底的x坐标随时间变化的曲线图。

42、对优选实施例的说明

43、1.应用实例

44、图1为车辆10的示意性侧视图，所述车辆接近物体12，在图1中该物体是树。车辆10具有至少一个测量装置14，其借助光束l11、l21、l31和l41扫描车辆10的前方环境，从而获得距离值。根据这些距离值重构周围环境的三维图像。此外，测量装置14测定相对于物体12的相对速度。当物体12是另一车辆或者是动物，并且同样运动时，这个信息尤其重要。

45、测量装置14所测定的有关车辆10的前方环境的信息例如可用于协助车辆10的驾驶者控制车辆，具体方式例如为：在车辆10即将与物体12发生碰撞的情况下产生警告消息。如果车辆10采用自动驾驶，则对车辆10进行控制的控制算法需要有关前方环境的信息。

46、如图1所示，测量装置14在竖直平面(在图1中为纸平面)中将光束l11至l41沿不同的方向发射，从而沿竖向对周围环境进行扫描。同时也发生沿水平方向的扫描，如图2以测量装置14的俯视图示出的那样。在该图中示出四个光束l11、l12、l13和l14，这些光束在水平平面中被沿不同方向发射。

47、为清楚起见，在图1和图2中假定扫描装置14仅在四个不同的平面中分别产生四个光束ln1至ln4，即总共16个光束。优选地，测量装置14发出数目远高于此的光束。优选地，例如发出k·2n个光束，其中n是介于7与13之间的自然数并且表示在k个平面中的一者中发射的射束的数目，其中k为介于1与16之间的自然数。

48、2.测量装置

49、图3为根据本发明的一个实施例的测量装置14的结构的示意图。测量装置14构建为lidar系统，并且包括fmcw光源16，其在测量装置14的工作中以变化的频率fchirp产生测量光。如图4所示，频率fchirp随时间t在较低的频率fl与较高的频率fh之间周期性变化(“chirp”，啁啾)。

50、每个包含啁啾持续时间t的测量间隔均划分成长度相同的两半t/2。在第一间隔期间，频率fchirp以恒定的正的上啁啾速率rchirp线性提升，即dfchirp/dt＝rchirp。在第二间隔期间，频率fchirp以恒定的负的下啁啾速率-rchirp线性下降，即dfchirp/dt＝-rchirp。因此，测量光的频率能够通过周期性的三角函数描述。但也可以考虑其他函数关系，例如锯齿函数。

51、如图3所示，光源16与分支器22连接，所述分支器将测量光分成参考光(本地振荡器)和输出光。在所示实施例中，输出光在光放大器24中被放大，且随后到达光环行器26，其将经放大的测量光引导至偏转单元28。光环行器26例如可以包括偏振灵敏的分束器，其如现有技术中揭示的那样与其他偏振光学元件共同起作用。例如也可使用2x2耦合器来替代环行器，但这使光损耗增大。

52、如上文结合图1和图2描述的那样，偏转单元28将输出光沿不同方向指向物体12(在图3中用行驶的汽车来表示)。通常，偏转单元28所发射的光信号至少部分地被物体12漫反射。经反射的信号中的一小部分回到测量装置14，在该处重新输入耦合至偏转单元28。

53、光环行器26将输入耦合的光偏转至组合器30，其将由分支器22从测量光分离出的参考光与该输入耦合的光叠加。由于叠加的光分量的频率相互略有区别，产生一个差频信号，通过优选实施为对称的光电探测器的探测器32检测此差频信号。将探测器32所产生的电信号输送至计算单元34，其根据对差频的分析计算出与物体的距离r，并且计算出介于扫描装置14与物体12之间的相对速度v。

54、图5以简化示意图示出偏转单元28的部件。偏转单元28包括开关矩阵m，在其中呈树状地布置有数个光开关s11、s21和s22。借助光开关矩阵m，能够将在开关矩阵m的输入端36上接收的光信号渐进式分布至数个输出波导38。为清楚起见，在所示实施例中，光开关矩阵具有仅三个光开关，故能够对总共四个输出波导38进行控制。在实际的测量装置14中，可以相继设有八个或八个以上的开关层级，从而例如能够将256个输出波导38选择性地与输入端36连接。

55、在其他实施例中，开关矩阵m位于放大器24前，或者位于放大器24与环行器26之间。在案卷号为ep 20176355.4和de 10 2020 110 142 a1的欧洲专利申请中揭示过用于将开关矩阵整合至测量装置14中的替代性技术方案。

56、输出波导38与自由空间耦合器40连通，所述自由空间耦合器用于将在输出波导38中导引的光信号输出耦合至自由空间。在现有技术中已知这类耦合器，且其例如可构建为光栅耦合器，这些光栅耦合器具有扩张的波导区域，一个栅格结构连接至此波导区域。作为替代方案，自由空间耦合器40可以是边缘耦合器，其耦合效率高于光栅耦合器。

57、如图5所示，通过偏转光学系统44将从自由空间耦合器40发散式出射的光束准直，并将其沿不同方向发射。自由空间耦合器40与偏转光学系统的光轴42的距离越远，通过偏转光学系统44将经准直的光信号发射时所采用的角度便越大。

58、在所示实施例中，偏转单元28也用于接收在物体12上被反射的光信号，并将其通过自由空间耦合器40重新输入耦合至输出波导38。在其他实施例中，可通过自有的自由空间耦合器40接收经反射的信号，并将其通过自有的波导输送至探测器32。

59、3.衬底运动

60、图6a同样以示意图示出偏转单元28的局部。可以看出衬底46，其承载八个输出波导38，这些输出波导分别与一个自由空间耦合器40连通。其中，自由空间耦合器沿一条线布置。在所示实施例中，偏转光学系统44包括两个非球面透镜l1和l2。

61、在衬底46侧部卡接有一个平移致动器54，其例如可构建为动圈驱动器。平移致动器54与一或数个导引件56共同起作用，这些导引件布置在衬底46的相对侧上。导引件56确保衬底46仅能实施横向的平移运动，即垂直于光轴42的平移运动。在图6a中通过双向箭头58表示因平移致动器54引起的来回运动。

62、在开关矩阵m的如图6a所示的开关状态下，光从两个自由空间耦合器40出射，这通过两个最初发散的光束r1、r2表示。如上文所述，偏转光学系统44将光束r1、r2准直，使得这些光束平行地、但以相对于光轴42倾斜的方式离开偏转光学系统44。

63、图6b示出处于相同开关状态下的、如图6a所示的布局，但平移致动器54使得衬底46发生了程度为δx的横向偏移。其中，偏移δx等于自由空间耦合器40之间的一半的距离(英语：pitch)。这个运动导致从自由空间耦合器出射的光束r1'、r2'平行地偏移。在图6a中，用点线表示在横向偏移前从自由空间耦合器出射的光束r1、r2。

64、偏移后的光束以另一角度从偏转光学系统44出射，在图6b右侧部分可以看出这一点。对于光束r1'而言，该偏移表示以更靠近光轴42的方式出射，故从偏转光学系统44的出射角减小。对于光束r2'而言，条件则相反(未示出)，即出射角增大。亦即，通过衬底46的横向偏移产生两个额外的、仅凭开关矩阵m无法获得的出射角。

65、图6c示出如图6b所示的布局，其中已借助平移致动器54将衬底重新移入其在图6a中示出的起始位置。这对应于距离为-δx的运动。但开关矩阵m现处于下一开关状态。对比图6a和图6c可以看出，在所示实施例中以一定方式控制开关矩阵m，使得以从一侧起朝向相对侧的方式接连地将输出波导38导通，其中，始终是每四个输出波导38中的一个进行导光。在此情形下出射的光束的r1”和r2”的出射角又不同于光束r1、r2、r1'和r2'。

66、因此，通过如图6b所示的、仅借助衬底46的运动实现的中间位置，产生一个额外的虚拟的开关状态，其中，射束r1'、r2'看似是由设于如图6a和图6c所示的自由空间耦合器40之间的自由空间耦合器40'发射的。换言之，衬底46的垂直于光轴42的运动使得可供使用的自由空间耦合器(自由空间耦合器40和自由空间耦合器40')的数目看似达到原本设有的数目的两倍。这样便能将测量装置14的分辨率翻倍，而无需增加输出波导38和自由空间耦合器40的数目。仅通过程度为距离δx的微小偏移便将分辨率翻倍。

67、在所示实施例中，使得衬底46间歇式地来回运动，其中每进行两个运动便改变一次开关矩阵m的开关状态。但也可以采用其他方案，因为一般而言，将光束指向物体12时采用的顺序并不重要。重要之处仅在于，在一个扫描周期内是否将物体12上的所有处于扫描网格中的点扫描。

68、因此，例如也可先借助开关矩阵m依次将自由空间耦合器40导通，随后再借助平移致动器54使衬底46发生偏移。在这个偏移后，将所有自由空间耦合器40重新导通，但在此情形下接近如图6b所示的中间位置。这种开关方案所需的衬底46的运动更少，故在许多情形下是有利的。

69、平移致动器54也能够使衬底46进入谐振，所述谐振以期望的方式(即根据选择的开关方案)与开关矩阵m的光开关同步。为此，平移致动器54和开关矩阵m优选与共同的控制设备59连接。

70、4.倾斜的平板

71、图7a、7b和7c依照图6a至6c示出第二实施例，其中，并非通过衬底46的运动，而是通过布置在衬底46与偏转光学系统44之间的、对于光束r1、r2而言透明的平板60的倾斜，引起从自由空间耦合器40出射的光束r1、r2的平行偏移。如果偏转光学系统44具有中间图像平面，则平板60也可布置在该处。

72、平板60是可借助仅示意性示出的旋转致动器62围绕旋转轴63倾斜，所述旋转轴与光束r1、r2的出射方向互成90°角度，进而平行于光轴42延伸。

73、图7b示出如何通过平板60的小角度倾斜使得射束r1'、r2'平行地偏移，并借此使这些射束以另一角度从偏转光学系统44出射。以点线示出射束r1、r2在如图7a所示的未倾斜状态下的光路，以供对比。从所述用点线表示的光路可以看出，从倾斜的平板60出射的射束r1'、r2'像是来自布置在两个相邻的自由空间耦合器40之间的虚拟的自由空间耦合器40'。

74、因此，通过平板60的倾斜实现的效果大体上与在第一实施例中通过衬底46的横向偏移实现的效果相同。相应地，在此也可采用不同的开关方案。在根据图7a至7c的实施例中，所基于的开关方案与图6a至6c中的相同。因此，每进行两次平板60的倾斜运动后，开关矩阵m便切换一次开关状态。

75、在示意性的图8中再度展示了开关矩阵m与平板60的共同作用。以实线示出在平板60未倾斜的情况下，出射的光束r1至r4的可能的光程。如果将平板60倾斜，则出射的光束发生横向偏移。在如图8所示的实施例中，以使得所述偏移为光束r1至r4的横向距离的一半的方式，选择平板60的倾角。这样便将偏转光学系统44后的角分辨率翻倍，从而实现均匀的角谱。

76、5.避免散斑图案

77、由于fmcw光源16的相干性，在具有粗糙表面的物体上可能形成散斑图案。由于相消干涉，可能无法通过表面上的某些扫描点接收光。

78、如果发出的光束在测量期间并非静态指向期望的扫描点，而是实施小幅运动，使得照射的光点在表面上的相应扫描点的范围内迁移，则能避免这类散斑图案。图9依照图2示出这一方案。如通过虚线示出的那样，光束l11至l14并不是静止的，而是在期望的测量点网格的测量点的范围内迁移。

79、通过为上文描述的衬底46或者平板60的运动叠加另一个具有较小振幅的运动，便能产生这类小幅运动的光束l11至l14。这个叠加的运动导致光束l11至l14在入射至物体12时小幅地并且连续地横向运动，如图9所示。

80、图10以曲线图例示性地示出随时间t变化的衬底46的x坐标，在如图6a至6c所示的实施例中通过平移致动器54改变该x坐标。可以看出，所述x坐标在值x1与x2之间间歇式切换，其中，偏移δx由x2-x1得出。为这个运动叠加另一个具有小得多的最大振幅δx'的运动，其用于避免散斑图案。此运动可以遵循预定的函数，或者(如图10所示)可以是(准)随机的。优选地，以下关系适用于此叠加的运动的振幅δx'：|δx'|≤1/100|δx|，优选|δx'|≤1/1000|δx|。