【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
1.本專利技術涉及一種基于fmcw?lidar技術掃描測量相對于移動或非移動物體的距離、優選地還有速度的裝置。此類裝置可例如在自動駕駛車輛中使用，且可至少在某種程度上實施為不含有任何移動零件的光子集成電路(pic)。
技術介紹
0、2.
技術介紹
1、調頻連續波(fmcw)是最初為radar應用開發的距離和速度測量技術。如果使用光代替無線電波，則此技術通常稱為fmcw?lidar，其中lidar是“光檢測與測距”的縮略語。
2、在fmcw?lidar掃描裝置中，調頻光束掃描環境。在物體處漫反射的光的小部分被接收且與本振波疊加。通常稱為拍頻的兩個信號之間的頻率差經測量并用于計算物體的距離。通過使用可調激光器作為光源并使用光電二極管作為檢測器，可直接從光電二極管電流提取拍頻，因為光電二極管遞送與兩個光波的平方和成比例的電流(“自混合效應”)。如果考慮多普勒移位，則也可計算沿著光傳播方向的掃描裝置與物體之間的相對速度。
3、基于此測量原理的掃描裝置如果將在車輛中使用的話必須非常穩健和可靠。在車輛自動駕駛的情況下尤其如此，因為自動駕駛的安全性決定性地取決于用于生成環境的三維輪廓的掃描裝置。實施為光子集成電路(pic)的掃描裝置不需要移動組件，且因此尤其適于在車輛中應用。
4、此類pic掃描裝置例如在wo?2021/209514?a1中公開。本文中所公開的裝置包含分布矩陣，所述分布矩陣包括以類似于樹的方式布置的多個光學開關。此分布矩陣在將光學信號發射到自由空間中的不同自由空間耦合器之間分布光學
5、用于在車輛中應用的fmcw?lidar掃描裝置需要高空間分辨率，使得即使在大距離處也可檢測小物體，尤其是在車輛正快速駕駛的情況下。然而，難以使用現有技術方法在短時間內收集足夠的距離信息使得可實時獲得環境的高分辨率三維輪廓。一個問題是例如，分布矩陣中的每一光學開關都會導致光學損耗。分布矩陣越大，則光學損耗越高。因此，開關樹層級的數目且因此自由空間耦合器的數目不應超出特定值。這(加以必要的修改)適用于其中有源光學開關被可選擇性地接通和斷開的無源光分路器和光學放大器代替的替代設計。
技術實現思路
1、本專利技術的一個目標是利用不會導致額外光學損耗的簡單的手段增加用于fmcwlidar距離測量的掃描裝置中的空間分辨率。根據本專利技術，此目標通過一種用于fmcw?lidar距離測量的掃描裝置來實現，其中所述裝置包括被配置成產生具有不同頻率的光的光源、被配置成將光分路為參考光和輸出光的分路器，以及沿著線布置的多個自由空間耦合器。每一自由空間耦合器被配置成使輸出光耦出到自由空間中并接收物體處反射的輸入光。光學系統具有光軸且被配置成使由自由空間耦合器耦出的輸出光偏轉，使得沿著位于第一掃描平面中的不同方向發射輸出光。所述裝置進一步包括檢測器，所述檢測器被配置成檢測輸入光與參考光的疊加。計算單元被配置成依據由檢測器檢測到的疊加確定到物體的距離。根據本專利技術，鄰近的自由空間耦合器之間的距離隨著距光學系統的光軸的距離增加而增加。
2、在常規fmcw?lidar掃描裝置中，由垂直于光學系統的光軸的平面中的輸出光照明的點的密度是恒定的，以便獲得視場內均質的空間分辨率。然而，專利技術人已經認識到，存在由車輛的移動所導致的額外掃描效應。此額外掃描效應可在考慮不同掃描光束的情況下理解。平行于車輛的移動方向(該方向通常與光學系統的光軸一致)傳播的光束將照射在靜止物體上的同一點上，而與車輛的速度和物體的距離無關。然而，如果光束在相對于光學系統的光軸成某一角度的情況下發射，則其將不照射在物體上的同一點上。實際上，所述點將在車輛移動期間改變其位置。此改變主要取決于發射角、車輛的速度和距離。此可被視為額外掃描效應，其僅在某些相關條件下變得顯著。
3、由于與車輛的移動相關聯的此額外掃描效應，可使在垂直于光軸的平面中由輸出光照明的點的密度在較大發射角下較小。因為點的密度與自由空間耦合器的布置直接相關，所以點的密度的所要變化可通過隨著距光軸的距離增加而增加鄰近的自由空間耦合器之間的距離來實現。增加鄰近的自由空間耦合器之間的距離意味著相同空間分辨率需要較小數目的自由空間耦合器，或能夠在不增加相同數目的自由空間耦合器的情況下增加空間分辨率。
4、當然，僅當車輛移動時才增加空間分辨率。如果車輛是靜止的，則點的密度隨著距光軸的距離增加而減小。然而，這不是重大缺陷，因為僅當車輛尤其以較高速度移動時，高且均質的空間分辨率才是重要的。
5、鄰近的自由空間耦合器之間的距離可至少大體上根據非線性函數(例如二次、三次、余弦或最優選地tangens函數)隨著距光軸的距離增加而增加。此外，不必所有可用的自由空間耦合器距鄰近的自由空間耦合器的距離都隨著距光軸的距離增加而增加。舉例來說，可存在中心區，其中自由空間耦合器等距地布置，且鄰近的自由空間耦合器之間的距離僅在周圍區中增加。
6、在一實施例中，自由空間耦合器布置于光學系統的前焦平面中。這意味著，布置自由空間耦合器所沿的線為直線。然而，提供完全平坦的前焦平面的光學系統昂貴且體積龐大。如果前焦平面不平坦，而是彎曲的前焦面，則自由空間耦合器還可布置于曲線上。或者，自由空間耦合器沿著直線布置，但在裝置的操作期間移動，如第10?2021?111?949.9號未公開德國專利申請中所公開。
7、在一實施例中，自由空間耦合器不僅沿著線布置，而且在二維(優選地平面)陣列中布置，使得輸出光還沿著位于不同于第一掃描平面的第二掃描平面中的不同方向發射。隨著距光學系統的光軸的距離增加，自由空間耦合器的密度沿著由第二掃描平面限定的第二掃描方向減小。這只是上文描述的原理從一維到二維的延伸。
8、制造包括自由空間耦合器的二維陣列和必需的光學波導的光子集成電路當前在合理的成本下對于大規模商業生產來說是不可能的。因此，作為布置于二維陣列中的自由空間耦合器的替代方案，可能優選的是，使光學系統布置于自由空間耦合器與機械掃描單元之間的光徑中。機械掃描單元包括可移動鏡，且被配置成使輸出光沿著位于不同于(且優選地垂直于)第一掃描平面的第二掃描平面中的方向偏轉。裝置接著進一步包括控制單元，所述控制單元被配置成控制機械掃描單元，使得隨著距光軸的距離增加，在垂直于光軸的平面中由輸出光照明的點的密度沿著由第二掃描平面限定的第二掃描方向減小。
9、因此針對第一掃描方向通過自由空間耦合器的布置，且針對第二掃描方向通過機械掃描儀的適當控制，實現使點的密度隨著距光軸的距離增加而減小的所要效應。
10、如果機械掃描單元的鏡以恒定角速度旋轉，則點密度將隨著距光軸的距離增加而自動減小。然而，此密度改變對于小視場而言是極小的。因此優選的是，控制單元被配置成控制機械掃描單元使得鏡以不恒定的角速度執行旋轉移動。角速度可逐步地或連續地改變。
11、如果使用機械掃描單元，則控制單元可本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種用于FMCW?LiDAR距離測量的掃描裝置(14)，其包括
2.根據權利要求1所述的裝置，其中鄰近的自由空間耦合器(29)之間的所述距離(d)至少大體上根據非線性函數隨著距所述光軸(OA)的距離增加而增加。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，其中所述自由空間耦合器(29)布置于所述光學系統(31)的前焦平面(21)中。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的裝置，其中所述自由空間耦合器(29)布置于二維陣列中，使得所述輸出光還沿著位于不同于所述第一掃描平面(PX)的第二掃描平面(PY)中的不同方向發射，且其中所述自由空間耦合器(29)的密度隨著距所述光學系統(31)的所述光軸(OA)的距離增加而沿著由所述第二掃描平面(PY)限定的第二掃描方向(Y)減小。
5.根據權利要求1至3中任一項所述的裝置，其中
6.根據權利要求5所述的裝置，其中所述控制單元(37)被配置成控制所述機械掃描單元(35)，使得所述鏡(36)以非恒定的角速度執行旋轉移動。
7.根據權利要求5或6所述的裝置，其中所述控制單元(37)被配
8.根據權利要求5至7中任一項所述的裝置，其中所述控制單元(37)被配置成控制所述機械掃描單元(35)，使得點的所述密度取決于測得的距所述物體(12)的距離(R)。
9.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其包括光學分布矩陣(M)，所述光學分布矩陣包括多個光學開關(S11、S21、S22)且被配置成將所述輸出光選擇性地分布到不同光學波導(W)，且其中所述光學波導(W)與所述自由空間耦合器(29)之間存在一對一對應關系，使得每一自由空間耦合器(29)連接到相關聯的光學波導(W)。
10.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中至少所述自由空間耦合器(29)是光子集成電路(48)的組件。
...【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】
1.一種用于fmcw?lidar距離測量的掃描裝置(14)，其包括
2.根據權利要求1所述的裝置，其中鄰近的自由空間耦合器(29)之間的所述距離(d)至少大體上根據非線性函數隨著距所述光軸(oa)的距離增加而增加。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，其中所述自由空間耦合器(29)布置于所述光學系統(31)的前焦平面(21)中。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的裝置，其中所述自由空間耦合器(29)布置于二維陣列中，使得所述輸出光還沿著位于不同于所述第一掃描平面(px)的第二掃描平面(py)中的不同方向發射，且其中所述自由空間耦合器(29)的密度隨著距所述光學系統(31)的所述光軸(oa)的距離增加而沿著由所述第二掃描平面(py)限定的第二掃描方向(y)減小。
5.根據權利要求1至3中任一項所述的裝置，其中
6.根據權利要求5所述的裝置，其中所述控制單元(37)被配置成控制所述機械...
【專利技術屬性】
技術研發人員：弗拉基米爾·達維堅科，
申請(專利權)人：司康納光電子有限公司，
類型：發明
國別省市：
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