CN109298427B

CN109298427B - 光检测和测距系统及其驱动方法

Info

Publication number: CN109298427B
Application number: CN201810516052.2A
Authority: CN
Inventors: 黄仁吾; 申东宰; 金桢祐; 朴晶铉; 郑秉吉; 崔秉龙
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2023-09-15
Anticipated expiration: 2038-05-25
Also published as: US20210373131A1; US11119191B2; US20190025408A1; KR102434702B1; CN109298427A; EP3435377A1; KR20190011122A

Abstract

提供了一种光检测和测距(LiDAR)系统，包括：光束转向设备，被配置为调制来自光源的光的相位，并且同时在多个方向输出光；接收器，包括多个光检测元件，被配置为接收从光束转向设备在多个方向上照射到对象并且从对象反射的光；以及处理器，被配置为分析由接收器接收的光的位置特定分布和/或时间特定分布，并且各个地处理在多个方向上照射到对象的光。

Description

光检测和测距系统及其驱动方法

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年7月24日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2017-0093689号的优先权，其公开内容通过引用整体并入于此。

技术领域

与示例性实施例一致的装置和方法涉及光检测和测距(LiDAR)系统及其驱动方法。

背景技术

近来，光检测和测距(LiDAR)系统在诸如智能车辆、机器人等各种自主驾驶设备领域中已经被用作用于检测障碍物的传感器或扫描仪。

LiDAR系统通常可以包括用于将激光照射到目标位置的光束转向设备。作为光束转向设备，光学相控阵列(OPA)可以通过下述而用于使光束转向特定角度：通过使用从各个通道输出的光之间的干涉，通过在相邻通道之间施加恒定的相位差。

在OPA中，由于其驱动原理，除了在预期方向上发射的主瓣(main lobe)之外，还可以由于高阶衍射光而在预期方向之外的方向上产生并且发射旁瓣(side lobe)。旁瓣充当噪声并且降低了信噪比(SNR)，从而劣化了系统的整体效率。

发明内容

一个或多个示例性实施例可以提供具有改善的效率的LiDAR系统和驱动LiDAR系统的方法。

额外的示例性方面和益处将在以下描述中在某种程度上陈述并且根据描述将在某种程度上清楚，或者可以通过实践所呈现的示例性实施例而习得额外的示例性方面和益处。

根据示例性实施例的一方面，一种光检测和测距(LiDAR)系统，包括：光束转向设备，被配置为调制来自光源的光的相位并且同时在多个方向上输出光；接收器，包括多个光检测元件，该多个光检测元件被配置为接收在多个方向上从光束转向设备照射到对象并且从该对象反射的光；以及处理器，被配置为分析由接收器接收的光的位置特定的分布和/或时间特定的分布，并且分别地处理从多个方向上照射到对象的光。

处理器可以控制光束转向设备以基于多个方向中的每个的调节来同时沿着多个扫描方向扫描对象。

光束转向设备可以包括：光学相控阵列(OPA)，包括调制入射光的相位的多个通道；以及信号输入单元，向多个通道中的每个施加调制信号。

处理器还可以包括相位设置器，该相位设置器被配置为配置要由OPA实现的相位剖面，并且基于相位剖面控制信号输入单元以形成多个方向。

多个方向可以在从OPA输出的0阶光、±1阶光，...，±n阶光(n是自然数)的方向当中确定。

处理器还可以被配置为校正和处理在多个方向上照射的光当中、由接收器接收的具有低强度的光的光量。

处理器还可以被配置为校正和处理在多个方向上照射的光当中、由接收器接收的具有高阶的光的光量。

OPA可以包括：具有根据施加至其的电信号而改变的光学性质的有源层；以及与有源层相邻定位的、包括次波长的纳米结构的多个元器件。

OPA可以包括：将输入光分成多个路径并且通过多个输出端输出光的光波导；以及调节多个路径中的每个的相位延迟的相位延时器。

相位设置器还可以被配置为配置二值相位剖面(binary phase profile)，其中，多个方向分别是从OPA输出的+1阶光和-1阶光所指向的两个方向。

相位设置器还可以被配置为配置二值相位剖面，其中，在光束转向设备的多个通道中实现的相位值是第一相位值和第二相位值/>中的一个。

相位设置器还可以被配置为：通过以准周期方式将第一相位值和第二相位值排列与通道的数量一样多的次数来配置二值相位剖面，并且按照排列多个通道的顺序分配第一相位值/>和第二相位值/>。

相位设置器还可以被配置为：通过对在多个信道当中针对位于彼此相邻的一个或多个通道设置第一相位值并且针对位于彼此相邻的接下来的一个或多个通道设置第二相位值/>的处理进行重复，以使得重复第一相位值/>和第二相位值/>的排列模式的周期的平均值满足预定值，来配置二值相位剖面。

相位设置器还可以被配置为将二值相位剖面配置为使得通过角度θ和-θ来确定两个方向，角度θ和-θ如下定义：

其中，λ是入射光的波长，T_k是重复第一相位值和第二相位值/>的排列模式的第k周期，以及<T_k>是周期的平均值。

相位设置器还可以被配置为：通过配置使用从0到2π的整个相位值范围的全相位剖面以使得以+1阶光的方向变为期望的方向并且将全相位剖面的相位值中的每个修改为第一相位值和第二相位值/>中的一个，来配置二值相位剖面。

相位设置器还可以被配置为：通过将全相位剖面的相位值当中的设置的范围中的相位值修改为第一相位值并且将超出设置的范围之外的相位值修改为第二相位值/>，来配置二值相位剖面。

第一相位值与第二相位值/>之间的差可以为π。

根据另一示例性实施例的一方面，一种驱动光检测和测距(LiDAR)系统的方法，该方法包括：控制光束转向设备以使得光在多个扫描方向上同时扫描对象；接收从对象反射的光；以及分别地处理通过在多个扫描方向中的每个上照射的光所接收的信号。

控制光束转向设备可以包括：使用包括多个通道的光学相控阵列(OPA)，多个通道中的每个通道被配置为调制入射到其上的光的相位；以及使得从OPA输出的0阶光、±1阶光，...，±n阶光(n是自然数)的方向中选择的光扫描对象。

控制光束转向设备可以包括使得从OPA输出的+1阶光和-1阶光扫描对象。

附图说明

根据以下结合附图对示例性实施例的描述，这些和/或其它示例性方面和优点将变得清楚和更容易理解，在附图中：

图1是示意性地示出根据示例性实施例的驱动光检测和测距(LiDAR)系统的方法的流程图；

图2是示出根据示例性实施例的LiDAR系统的示意性结构的框图；

图3是示出图2所示的LiDAR系统中包括的接收器的示意性电路结构的框图；

图4是用于描述图2所示的LiDAR系统中采用的光学相控阵列(OPA)对入射光的调制的概念图；

图5是示出图2所示的LiDAR系统中可采用的OPA的示例性详细结构的横截面图；

图6是示出图2所示的LiDAR系统中可采用的OPA的另一示例性详细结构的横截面图；

图7是示出图2所示的LiDAR系统中可采用的OPA的另一示例性详细结构的透视图；

图8示出了适用于图2所示的LiDAR系统的OPA的相位剖面；

图9是示出由图8所示的相位剖面形成的照射光的示例性角度分布的曲线图；

图10是示出由图8所示的相位剖面形成的照射光的另一个示例性角度分布的曲线图；

图11是示出在图2所示的LiDAR系统中使用的接收器包括多个光检测元件的阵列的平面图；

图12是示出图10所示的形式的照射的光照射到对象并且从对象反射、以及然后由接收器检测的光分布的曲线图；

图13示出了适用于在图2所示的LiDAR系统中采用的OPA的二值相位剖面；

图14是示出图2所示的LiDAR系统如图13所示配置二值相位剖面并且驱动光束转向设备的方法的流程图；

图15是详细示出在图14所示的流程图中配置二值相位剖面的操作的流程图；

图16示出了在图15所示的流程图中从全相位剖面配置二值相位剖面的示例；

图17是示出由图13所示的二值相位剖面形成的照射的光的角度分布的曲线图；以及

图18是示出了如图17所示的形式的照射的光照射到对象并且从对象反射、以及然后由接收器检测的光分布的曲线图。

具体实施方式

现在将详细参考在附图中示出的示例性实施例，其中，相同的附图标记始终表示相同的元件。就这一点而言，本示例性实施例可以具有不同的形式，并且不应该被解释为限于在此阐述的描述。因此，下面仅通过参考附图来描述示例性实施例以说明各方面。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关列举项中的一个或多个的任何和所有组合。诸如“……中的至少一个”的表述当在元素列表之后时，修饰整个元素列表而不是修饰列表中的单个元素。

贯穿附图，为了描述的清楚和方便，每个元件的尺寸可以被放大。同时，以下实施例仅仅是说明性的，并且可以从这些示例性实施例进行各种修改。

诸如“在……之上”或“在……上”的表述不仅可以包括“以接触方式紧接在……上”的含义，而且可以包括“以非接触方式紧挨在……上”的含义。

除非上下文另外明确指出，否则单数形式意图也包括复数形式。如果假定某个部分包括某个部件，则术语“包括”意味着相对应的部件可以进一步包括其他部件，除非写有与相对应的部件相反的特定含义。

“该”和与其类似的其他指示的使用可以对应于单数形式和复数形式。

除非另外明确提及或描述方法的操作的顺序，否则可以以适当的顺序执行操作。操作的顺序不限于提及操作的顺序。所有示例或示例性术语(例如，“等”，“和(或)等等”以及“等等”)的使用仅仅旨在详细描述技术精神，并且范围不一定是限于示例或示例性术语，除非由权利要求限定。

图1是示意性示出根据示例性实施例的驱动光检测和测距(LiDAR)系统的方法的流程图。

根据示例性实施例的驱动LiDAR系统的方法，LiDAR系统在多个扫描方向上同时扫描对象并且在接收器中分别地处理结果，从而可以快速获得关于对象的信息。

为此，在操作S10中，控制光束转向设备以使得光在多个扫描方向上同时扫描对象。

光束转向设备将来自光源的光线瞄准对象并且扫描对象，以及能够控制光的方向。在根据示例性实施例的驱动LiDAR系统的方法中，光束转向设备同时控制多个瞄准角度，并且通过分别地控制多个瞄准角度，在对象上形成多个扫描线。多个瞄准角度可以包括根据光束转向设备的设计预期的角度的光(即，主瓣)以及另一角度的光(即，旁瓣)。

例如，光束转向设备可以用包括多个通道的光学相控阵列(OPA)来实现，多个通道分别不同地调制入射光的相位，其中，在从OPA输出的0阶光、±1阶光，...，±n阶光(n是自然数)当中选择的光可以扫描对象。替代地，从OPA照射的+1阶光和-1阶光可以扫描对象。

在从光束转向设备发射的光照射到对象之后，在操作S20中由对象反射的光被接收器接收。

接收器可以包括感测光的多个光检测元件的阵列。由于光线同时在两个方向上照射对象，所以当从对象反射的光被接收器检测时，可以在接收器中形成预定的空间分布。替代地，反射光可以由接收器以依赖于对象的形状的时间差来检测。

在操作S30中，基于由接收器检测的光，分别地处理由与在多个扫描方向上照射的光相对应的信号。对于分离(seperation)，可以考虑由接收器检测的光的位置特定的分布或时间特定的分布。

将描述执行上述处理的LiDAR系统的示例性结构。

图2是示意性示出根据示例性实施例的LiDAR系统1000的结构的框图。图3是包括在图2的LiDAR系统1000中的接收器1500的电路配置的框图，以及图4是用于描述在图2的LiDAR系统1000中采用的OPA调制入射光的概念图。

LiDAR系统1000可以包括：光源1100；光束转向设备1200，调制来自光源1100的光的相位并且在多个方向上朝向对象OBJ照射光；接收器1500，接收从对象OBJ反射的光；以及处理器1700，分析从接收器1500接收的光的位置特定的分布和/或时间特定的分布，并且识别和处理在多个方向照射到对象OBJ的光以及从对象OBJ反射的光。

光源1100照射用于分析对象OBJ的位置和形状的光。光源1100可以包括诸如激光二极管(LD)、发光二极管(LED)、超发光二极管(SLD)等的光源，其产生并且照射具有一波长的光，例如适合于分析对象OBJ的位置和形状的波段。产生的光可以是具有红外波段波长的光。光源1100可以产生并且照射多个不同波段的光。光源1100可以产生并且照射脉冲光或连续光。

光束转向设备1200可以包括：OPA 1210，其包括多个通道，多个通道中的每个调制入射光的相位；和信号输入单元1230，其将调制信号施加到多个通道中的每个。

参考图4，OPA 1210可以包括多个通道CH_1、CH_2，...，CH_N-1、CH_N。控制多个通道CH_1、CH_2，...，CH_N-1，CH_N以独立地调制入射光Li的相位，并且信号从信号输入单元1230施加到多个通道CH_1、CH_2,...，CH_N-1、CH_N中的每个，使得通过多个通道CH_1、CH_2，...，CH_N-1、CH_N调制的光的相位剖面满足调制光条件。调制光条件可以是用于将入射光Li瞄准对象OBJ的角度，并且在示例性实施例中，可以控制施加到多个通道CH_1、CH_2，...，CH_N-1、CH_N的各个信号，使得OPA 1210以不同的角度照射瞄准对象OBJ的照射光L₁、L₂和L₃。尽管光L₁、L₂和L₃被示出为三个光束，但是这仅仅是示例并且本公开不限于该示例。例如，可以在从OPA 1210输出的0阶光、±1阶光，...，±n阶光(n是自然数)的方向当中选择多个方向。多个方向可以是从OPA 1210照射的+1阶光和-1阶光所指向的两个方向。

光束转向设备1200由处理器1700控制，并且分别控制被指向多个方向的光L₁、L₂和L₃，使得可以在多个扫描方向SL1、SL2和SL3上同时扫描对象OBJ。因此，扫描对象OBJ的速度增加。

接收器1500可以包括感测从对象OBJ反射的反射光L_r的多个光检测元件的阵列。

处理器1700控制LiDAR系统1000的操作。

处理器1700可以包括分析器1710，其分析由接收器1500接收的光的位置特定的分布和/或时间特定的分布，以及识别并且处理从光束转向设备1200在多个方向照射到对象OBJ的光和从对象OBJ反射的光。

处理器1700可以包括相位设置器1730，其设置要由OPA 1210实现的相位剖面，并且基于相位剖面控制信号输入单元1230，以从光束转向设备1200在多个方向上输出光。

处理器1700控制光源1100和接收器1500的操作。例如，处理器1700可以关于光源1100执行电源控制、开/关控制、脉冲波(PW)或连续波(CW)生成控制等等。处理器1700还可以将控制信号施加到接收器1500的光检测元件中的每个。

如图2和图3所示，从对象OBJ反射的为照射光L₁、L₂和L₃的反射光L_1r、L_2r和L_3r穿过光接收透镜RL，然后被位于检测器阵列的不同位置的多个光检测元件1510检测。每个信号可以在通过连接到每个光检测元件1510的放大器AMP的同时被放大，并且通过时间-数字转换器(TDC)转换为距离信息。例如，多个TDC中的每个可以分别第连接到AMP，或者至少一个TDC可以连接到所有AMP。

一旦处理器1700确定了对象OBJ将被扫描的角度，相位设置器1730就设置相位以使得能够在该方向上使光转向，并且处理器1700通过信号输入单元1230控制OPA 1210。在此情况下，可以基于0阶光束的照射角度来确定+1阶光束和-1阶光束的照射角度，或者可以基于+1阶光束的照射角度来确定-1阶光束的照射角度，并且该信息可以传递到分析器1710以用于分析。

在被光束转向设备1200同时照射到对象OBJ之后从对象OBJ反射的光L₁、L₂和L₃穿过光接收透镜RL，然后被检测器阵列中的不同位置处的光检测元件1510检测。每个信号在通过AMP的同时被放大，然后通过TDC转换成距离信息。

分析器1710分别确定与照射角度信息相对应的检测器阵列的多个光检测元件1510，并且分析连接到相对应的光检测元件1510的每个TDC的距离信息，从而将距离信息映射到与角度相对应的位置。

分析器1710可以校正和处理在多个方向上照射到对象OBJ并且从对象OBJ反射的光当中具有相对低强度的光的、由接收器1500接收的光量。也就是说，在多个方向上照射并且从对象OBJ反射的光当中的具有低强度的光的、经由对象OBJ被接收器1500接收的光量可以被放大。分析器1710可以校正和处理在多个方向上照射到对象OBJ并且被对象OBJ反射的光当中的高阶光的、由接收器1500接收的光量。

分析器1710可以分析接收的光信号以分析对象OBJ的存在、位置、形状、物理性质等。分析器1710可以执行用于例如飞行时间测量的操作，并且基于计算来识别对象OBJ的三维(3D)形状或者可以使用拉曼(Raman)分析执行物理性质分析。

分析器1710可以使用各种操作方法中的任何一种。例如，直接时间测量将脉冲光照射到对象OBJ，并且通过使用定时器测量从对象OBJ反射后的光的到达时间，由此计算距离。相关性测量将脉冲光照射到对象OBJ，并且根据从对象OBJ反射的光的亮度测量距离。相位延迟测量将具有诸如正弦波的连续波的光照射到对象OBJ，并且感测从对象OBJ反射的光的相位差，从而将相位差转换为距离。

分析器1710还可以通过使用检测由对象OBJ引起的波长偏移的拉曼分析来分析对象OBJ的类型、成分、浓度、物理性质等。

分析器1710将操作结果(即关于对象OBJ的形状、位置和物理性质的信息)发送到另一单元。例如，可以将该信息发送到使用关于对象OBJ的3D形状、操作和位置的信息的自主驾驶设备。还可以使用对象OBJ的物理性质信息(例如生物信息)将信息传送到医疗设备。操作结果发送至其的另一单元可以是显示设备或打印机。替代地，其他单元也可以是但不限于智能电话、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、膝上型电脑、个人计算机(PC)或其他移动或非移动计算设备。

LiDAR系统1000可以包括存储用于由处理器1700执行的操作的程序和其他数据的存储器。

LiDAR系统1000可以用作实时获取关于对象的3D信息的传感器，因此可以应用于自驾驶设备，例如无人车辆、自驾驶车辆、机器人、无人机等。LiDAR系统1000可以同时沿着多个扫描线扫描对象OBJ，由此高速分析对象OBJ。

包括在LiDAR系统1000中的OPA 1210可以包括：具有根据施加至其的电信号而变化的光学性质的有源层；以及与有源层相邻定位的、包括次波长的纳米结构的多个元器件，并且将参考图5和图6描述这样的示例性结构。

图5是示出在图2所示的LiDAR系统1000中可采用的OPA 1211的示例性结构的横截面图，并且图6是示出在图2所示的LiDAR系统1000中可采用的OPA 1211的另一示例性结构的横截面图。

参考图5，OPA 1211可以包括有源层20、排列有导电纳米结构52的导电纳米阵列层50、用于向有源层20施加信号的电极层10、以及在电极层10与导电纳米结构52之间施加电压的电源单元72。有源层20可以包括具有随着信号施加而改变的光学性质的材料。有源层20可以包括例如具有随着电场的施加而改变的介电常数的材料。纳米阵列层50可以包括多个纳米结构52，尽管在附图中示出形成一个通道的一个纳米结构52，通道的数量可以被确定为对于形成期望的相位剖面合适的数量。纳米阵列层50与有源层20之间还可以设置有绝缘层30。

纳米结构52可以具有次波长的形状尺寸。这里，术语“次波长”意味着小于相位调制器100的工作波长(即要调制的入射光Li)的尺寸。形成纳米结构52的形状的一个尺寸(例如，厚度、宽度和长度中的至少一个)可以具有次波长的尺寸。

纳米结构52中采用的导电材料可以包括可能发生表面等离子激元激发的高导电性金属材料。例如，可以包括选自Cu、Al、Ni、Fe、Co、Zn、Ti、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、白金(Pt)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)和金(Au)中的至少任一种，或者也可以包括包含它们中的任一种的合金。可以使用具有优良导电性的二维(2D)材料，诸如石墨烯或导电氧化物。

有源层20可以包括具有随外部信号的施加而改变的光学特性的材料。外部信号可以是电信号。有源层20可以包括诸如氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铝锌(AZO)、氧化镓锌(GZO)等的透明导电氧化物(TCO)。对于有源层20，也可以使用诸如TiN、ZrN、HfN或TaN的过渡金属氮化物。另外，可以使用具有随着电信号的施加而改变的有效介电常数的电光材料，例如，LiNbO₃、钽酸钾铌酸盐(LiTaO₃KTN)、锆钛酸铅(PZT)等，并且可以使用具有电光特性的各种聚合物材料中的任一种。

电极层10可以使用各种导电性材料中的任一种形成。电极层10可以包括选自Cu、Al、Ni、Fe、Co、Zn、Ti、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、白金(Pt)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)和金(Au)中的至少一种。如果电极层10包括金属材料，则电极层10可以用作反射光以及施加电压的反射层。电极层10可以包括诸如氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铝锌(AZO)、氧化镓锌(GZO)等的透明导电氧化物(TCO)。

纳米结构52使用在金属材料和介电材料之间的边界中发生的表面等离子体共振来调制具有特定波长的光的相位，并且输出相位值与纳米结构52的详细形状有关。输出相位值可以通过由于施加在纳米结构52和电极层10之间的电压而引起的有源层20的光学性质的改变来调整。

参考图6，OPA 1212可以包括有源层22、其中排列有介电纳米结构62的纳米阵列层60、用于向有源层22施加信号的电极层10、布置在纳米阵列层60和有源层22之间的导电层40、以及在电极层10和导电层40之间施加电压的电源单元70。

有源层22可以包括具有随着信号施加而改变的光学性质的材料，例如，具有随着电场的施加而改变的介电常数的材料。纳米阵列层60可以包括多个纳米结构62，并且在附图中示出了形成一个通道的一个纳米结构62。

有源层22可以包括具有根据有效介电常数而改变的折射率的电光材料，该有效介电常数转而随着电信号的施加而改变。作为电光材料，可以使用LiNbO₃、铌酸钽钾(LiTaO₃KTN)、锆钛酸铅(PZT)等，并且也可以使用具有电光特性的各种聚合物材料。

纳米结构62可以具有次波长的形状尺寸。纳米结构62可以包括介电材料，以通过使用由位移电流引起的米氏(Mie)共振来调制具有特定波长的光的相位。为此，纳米结构62可以包括具有比有源层22的折射率更高的折射率的介电材料，例如折射率高于有源层22的折射率根据电压的施加而改变的范围内的最高值的材料。由纳米结构62输出的相位值与纳米结构62的详细结构有关。来自纳米结构62的输出相位值可以通过由于在导电层40与电极层10之间施加的电压而引起的有源层22的光学性质的改变而调节。

在图5和图6中，已经描述了包括分别包括次波长或纳米结构的金属器件的OPA1211和1212的示例性结构，并且在图2中所示的LiDAR系统1000中可采用的OPA 1210不限于图5和图6所示的配置。可以在OPA 1210中采用从图5和图6修改的结构。

图7是示出图2所示的LiDAR系统1000中可采用的OPA 1213的另一示例性详细结构的透视图。

参考图7，OPA 1213可以包括：光波导120，其将输入光分成多个路径，并且通过多个输出端OP输出光；以及相位延时器PS，其调节多个路径中的每个中的相位延迟。

可以使用硅光子学(silicon photonics)在硅基底110上制造OPA 1213。分束器BS提供在光波导120分叉的分支点处，使得入射到输入端IN的光通过多个输出端OP发射。

相位延时器PS提供在朝向多个输出端OP的多个路径中的每个中。通过调节施加到相位延时器PS的信号，可以调整每个路径中的相位延迟度。通过基于输入信号改变与输入信号相邻的光波导120的部分区域的折射率，相位延时器PS可以延迟穿过光波导120的该折射率改变区域的光的相位。相位延时器PS可以是加热器，其被提供在光波导120上、被电加热以及加热光波导120的部分区域。

相位延时器PS不限于上述结构，并且可以采用能够通过基于施加的信号来调节光波导120的部分区域中的光学性质改变程度来控制相位延迟程度的各种结构中的任一个。

尽管已经示出了通过输入端IN入射的光被分割并且通过8个输出端OP被发送的8通道结构，但是输出端OP的数量可以被确定为适合于形成期望的相位剖面的数量，而不限于图示。

图8示出适用于图2所示的LiDAR系统1000的OPA 1210的相位剖面。图9和图10是示出根据图8所示的相位剖面形成的照射光的示例性角度分布的曲线图。

参考图8，多个相位值从0到2π以阶梯形式重复，来作为施加到每个通道的相位值。当多个相邻通道示出线性增加的相位值时，实现波束转向角是可能的。

如等式(1)所示来确定通过这样的相位剖面实现的转向角θ_T。

这里，指示相邻通道之间的相位差，λ指示入射光的波长，以及d指示通道宽度。

参考图9，基于图8的相位剖面，照射光的角度分布示出在目标转向角θ_T处具有峰值的强度分布。通过根据等式(1)调整θ_T，可以沿指示的方向A扫描对象。

如图9所示，示出一个主峰的照射光波形对应于将次波长尺寸用于OPA的情况。例如，当在OPA中包括的纳米结构的间隔或形状尺寸小于入射光的波长时，形成如图9所示的照射光波形。

基于使用比入射光的波长更大的尺寸的OPA的照射光分布可以如图10所示。

参考图10，照射光的角度分布在θ₁、θ₂、θ₃中的每个处具有峰值。光强的角度分布包括基于L₂的主瓣以及基于L₁和L₃的旁瓣。θ₂是预期的目标转向角θ_T。基于L₂的主瓣可以被称为从OPA照射的0阶光，而基于L₁和L₃的旁瓣可以被称为±1阶光。在θ₁、θ₂和θ₃处分别具有峰值的光分布随着施加到信号输入单元的信号被调节而移动，并且可以在对象上形成由SL1、SL2和SL3指示的箭头方向上的扫描线。

虽然在图10中示出了两个旁瓣，但是该图示是示例，并且可以按照递减峰值的顺序进一步包括对应于±2阶光、±3阶光，...，±n阶光的旁瓣，并且其可以用作扫描光。

根据示例性实施例的LiDAR系统1000使用对应于旁瓣的照射光作为用于分析对象的光，从而高速扫描和分析对象。

图11是示出在图2所示的LiDAR系统中采用的接收器包括多个光检测元件的阵列的平面图，并且图12是示出图10所示的形式的照射光照射到对象并且从对象反射、以及然后由接收器检测的光分布的曲线图。

接收器1500可以包括多个光检测元件1510的阵列。多个光检测元件1510分别地感测入射到其上的光，并且因此可以基于由接收器1500检测的信号的位置分布来识别照射到对象的光当中、反射光所来自的光。

参考图12，在具有最高强度的接收器1500的中心区域中检测到的光来自0阶光，并且在旁边区域中检测到的光分别来自-1阶光和+1阶光。

虽然在图12中示出可以从由接收器1500检测的光的位置分布识别0阶光和±1阶光，但是本公开不限于此图示。可以使用分析接收器1500的光检测的时间差的方法。替代地，可以一起使用检测的光的位置分布分析和时间差分析。例如，当光在多个方向照射到对象时，光到对象的行进距离可以基于对象的形状而变化，并且因此反射光到达接收器1500处的时间也可能不同。通过分析这样的时间差，可以确定光所来自的对象的位置。

参考图8至图10进行的描述假定OPA的通道根据需要实现从0到2π的相位值。然而，当如图5和图6所示利用元器件来实现OPA时，接近2π的相位值难以实现，并且当如图7所示采用光波导时，为实现接近2π的相位值，整个结构可能变得过于庞大。

如果没有实现接近2π的相位值并且相位限制值低于2π，则照射的光的角度分布可以具有多个非预期角度的峰值以及预期角度的峰值。非预期角度的峰值可能是噪声，并且为了减少该问题可以使用二值相位剖面。

图13示出了适用于在图2中所示的LiDAR系统1000中采用的OPA的二值相位剖面。

二值相位剖面指示将在OPA中实现的相位剖面仅配置有两个相位值和/>。

设置在其中重复两个相位值和/>的排列模式的周期T_k(k＝1，2，...)。期望的光学性能可以通过周期的平均值<T_k>来调节。

在其中重复两个相位值和/>的排列模式的周期T_k的值具有诸如通道大小d的整数倍的离散值，而周期的平均值<T_k>可以具有各种连续值中的任何一个。因此，通过将周期T_k设置为不同值的布置，即通过调节平均值<T_k>而不是将周期T_k调整为相同值的布置，可以便于期望的光学性能的调节。

如果使用二值相位剖面，则当两个相位值之间的差是π时，等式(1)中的2d可以被代入为两个相位值/>和/>的排列模式中的重复间隔的平均值<T_k>，如下所示。

当基于等式(2)调节转向角θ_T时，采用仅利用两个相位值和/>来进行具有连续值的<T_k>的调节，从而表示θ_T的各种值。以这种方式，可以容易地实现在期望的角度范围内的扫描。

图14是示出图2所示的LiDAR系统1000如图13所示配置二值相位剖面并且驱动光束转向设备1200的方法的流程图，并且图15是详细示出在图14所示的流程图中配置二值相位剖面的操作的流程图。图16示出了在图15所示的流程图中从全相位剖面配置二值相位剖面的示例。

参考图14，在操作S100中选择要用作在OPA 1210中提供的多个通道中的相位值的两个相位值和/>。两个相位值/>和/>是可以在包括在相位调制有源器件中的每个通道中实现的相位值，并且可以在0到2π之间。考虑到可能存在相位限制，可以将两个相位值/>和/>选择为比每个通道可以具有的限制值更小的值。两个相位值之间的差/>可以是π。例如，可以选择/>和/>作为两个相位值。两个相位值可以分别是0和π。

为了配置二值相位剖面，在操作S200中，所选择的两个相位值和/>以准周期方式来排列与OPA 1210的通道数量一样多的次数，并且按照多个通道排列的顺序而分配。这里，准周期排列意味着不是重复两个相位值/>和/>的所有周期T_k都相同。

如在图13中所示的二值相位剖面中，通过重复对于在OPA 1210中提供的多个通道当中位于彼此相邻的一个或多个通道设置相位值并且对于位于彼此相邻的接下来的一个或多个通道设置相位值/>的处理，可以设置在其中两个相位值/>和/>的排列模式重复的周期T_k(k＝1，2，...)。以这种方式，周期的平均值<T_k>可以具有期望的值。

接下来，在操作S300中，为了在OPA 1210中实现所配置的相位剖面，将信号施加到信号输入单元1230。

参考图15，为了配置二值相位剖面，在操作S220中首先配置全相位剖面。全相位剖面是使用0到2π的整个相位值范围来实现期望的光学性能的相位剖面。

接下来，在操作S250中，包括在全相位剖面中的相位值被修改成两个相位值和中的任何一个。例如，如果全相位剖面中所示的相位值/>满足连续的第一范围(如)，则可以将相位值修改为/>，否则可以将相位值修改为/>。

图16示出了全相位剖面被修改为二值相位剖面的示例。在曲线图中，根据A是π/2、B是3π/2、是0并且/>是π的规则来执行对二值相位剖面的修改。也就是说，如果包括在全相位剖面中的相位值是/>则相位值被修改为π；否则，相位值被修改为0。

上述规则仅是示例，并且，为了调节周期的平均值<T_k>，也可以使用其他修改规则。

图17是示出基于图13所示的二值相位剖面形成的照射光的角度分布的曲线图，并且图18是示出了如图17所示的形式的照射光照射到对象并且从对象反射、以及然后由接收器检测的光分布的曲线图。

参考图17，基于二值相位剖面，来自OPA 1210的照射光的角度分布在θ和-θ处具有峰值。θ对应于根据等式(2)确定的θ_T。这样，±1阶光在θ_T和-θ_T处具有峰值。两个曲线图分别对应于+1阶光和-1阶光的角度分布，并且两个峰值彼此基本相等。在二值相位剖面中，由于二值相位剖面的对称性，可以实现具有两个相等峰值的光。另外，两个相位值之间的差被设置为π，使得基本上不产生0阶光。分别在θ_T和-θ_T处具有峰值的光分布随着施加到信号输入单元的信号被调节而移动，并且可以在对象上形成由SL1和SL2指示的箭头方向上的扫描线。

参考图18，在接收器1500的两侧检测的光可以基于+1阶光和-1阶光，并且可以基于位置分布识别照射到对象的光中、被反射并且然后被检测的光。

为了识别，还可以使用通过接收器1500进行的光检测中的时间差的分析以及位置分布的分析。替代地，可以一起使用检测到的光的位置分布分析和时间差分析。例如，当光沿着多个方向照射到对象时，光到对象的行进距离可以根据对象的形状变化，并且因此反射光到达接收器1500处的时间也可以变化。通过分析这样的时间差，可以确定光所来自的对象的位置。

这样，如果使用具有相似峰值和不同方向的两个光来扫描对象，然后检测光，则可以以便利和快速的方式分析关于对象的信息。

利用根据一个或多个示例性实施例的LiDAR系统及其驱动方法，光束转向设备在多个方向上朝着对象照射光，并且接收器识别光以检测从对象反射的光，从而以更快的方式执行关于对象的分析。

到目前为止，已经描述了并且在附图中示出了示例性实施例以帮助理解本公开。然而，应该理解的是，这些实施例仅旨在描述本公开，而不是限制本公开。还应该理解的是，本公开不限于所图示的和所提供的描述。这是因为本领域的普通技术人员可以进行各种修改。

Claims

1.一种光检测和测距LiDAR系统，包括：

光源；

光束转向设备，被配置为调制来自光源的光的相位并且同时在多个方向上输出光，并且包括：

光学相控阵列OPA，包括多个通道，其中多个通道中的每个被配置为调制入射到其上的光的相位；以及

信号输入单元，被配置为向多个通道中的每个施加调制信号；

接收器，包括多个光检测元件，所述多个光检测元件被配置为接收在多个方向上从所述光束转向设备照射到对象并且从所述对象反射的光；

处理器，被配置为分析由接收器接收的光的分布，从而各个地处理在多个方向上照射到所述对象的光，其中光的分布是位置特定分布和时间特定分布中的至少一个；以及

相位设置器，被配置为配置通过OPA实现的相位剖面，并且基于所述相位剖面控制所述信号输入单元来控制多个方向，并且

特征在于，所述相位设置器还被配置为配置二值相位剖面，其中多个方向包括从OPA输出的+1阶光所指向的第一方向和从OPA输出的-1阶光所指向的第二方向。

2.根据权利要求1所述的LiDAR系统，其中，所述处理器进一步被配置为控制所述光束转向设备通过调节多个方向中的每个来同时沿着多个扫描方向扫描所述对象。

3.根据权利要求1所述的LiDAR系统，其中，所述处理器还被配置为放大和处理由接收器所接收的低强度的光，其中，低强度的光是与由光束转向设备所输出的并且由接收器所接收的其他光的强度相比具有更低的强度的光。

4.根据权利要求1所述的LiDAR系统，其中，所述处理器还被配置为放大和处理由接收器所接收的高阶光，其中，高阶光是与由光束转向设备所输出的并且由接收器所接收的其他光相比具有更高阶的光。

5.根据权利要求1所述的LiDAR系统，其中，OPA包括：具有根据电信号的施加而变化的光学性质的有源层；以及与所述有源层相邻定位的、包括次波长的纳米结构的多个元器件。

6.根据权利要求1所述的LiDAR系统，其中，OPA包括：将输入光分成多个路径并且通过多个输出端输出光的光波导；以及调节多个路径中的每个中的相位延迟的相位延时器。

7.根据权利要求1所述的LiDAR系统，其中，所述相位设置器还被配置为配置二值相位剖面，其中，在所述光束转向设备的多个通道中的每个中实现的相位值是第一相位值和第二相位值/>中的一个。

8.根据权利要求7所述的LiDAR系统，其中，所述相位设置器还被配置为：通过以准周期方式将第一相位值和第二相位值/>排列与通道的数量一样多的次数来配置所述二值相位剖面，并且按照排列多个通道的顺序分配第一相位值/>和第二相位值/>

9.根据权利要求7或8所述的LiDAR系统，其中，所述相位设置器还被配置为：通过对在多个通道当中针对位于彼此相邻的一个或多个通道设置第一相位值并且针对位于彼此相邻的接下来的一个或多个通道设置第二相位值/>的处理进行重复，以使得重复第一相位值/>和第二相位值/>的排列模式的周期的平均值满足预定值，来配置二值相位剖面。

10.根据权利要求9所述的LiDAR系统，其中，所述相位设置器还被配置为配置所述二值相位剖面，使得第一方向和第二方向分别通过角度θ和-θ确定，所述角度θ和-θ如下定义：

11.根据权利要求9所述的LiDAR系统，其中，所述相位设置器还被配置为：通过配置使用从0到2π的整个相位值范围的全相位剖面使得+1阶光的方向变为期望方向并且通过将全相位剖面的相位值中的每个修改为第一相位值和第二相位值/>中的任一个，来配置所述二值相位剖面。

12.根据权利要求11所述的LiDAR系统，其中，所述相位设置器还被配置为：通过将设置的范围内的相位值修改为第一相位值并且将超出设置的范围的相位值修改为第二相位值/>来配置所述二值相位剖面。

13.根据权利要求12所述的LiDAR系统，其中，所述第一相位值与所述第二相位值/>之间的差为π。

14.一种驱动根据权利要求1至13中任一项所述的光检测和测距LiDAR系统的方法，所述方法包括：

通过以下来控制光束转向设备使得光在多个扫描方向上同时扫描对象：

使用包括多个通道的光学相控阵列OPA，其中多个通道中的每个被配置为调制入射到其上的光的相位；以及

使得光在多个扫描方向上同时扫描对象；

接收从对象反射的光；以及

各个地处理多个信号中的每个，多个信号中的每个对应于通过在多个扫描方向中的一个上被照射到对象的光所接收的信号，并且

特征在于，所述光包括从OPA输出的+1阶光和-1阶光。