CN113678020A - 用于成像的光学部件 - Google Patents

Abstract

用于接收光的成像部件，该成像部件包括光子集成电路（PIC）接收器、板、楔形件和透镜，该楔形件具有前表面和相对的后表面，成像部件被布置成限定通过楔形件的前表面的接收光程，该接收光程继续通过楔形件并通过板到达PIC接收器，该透镜被配置为将接收光程的光聚焦到PIC接收器上。

Description

用于成像的光学部件

本申请要求2019年2月6日提交的US 62/802164、2019年4月2日提交的US 62/828376、2019年3月19日提交的US 62/820761、2019年3月26日提交的US 62/824223和2019年4月25日提交的US 62/838768的优先权，其内容和元件出于所有目的通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及成像部件和衍射光学元件，并且特别地但不排他地涉及供LiDAR使用的部件，例如用作LiDAR发射器、LiDAR接收器和LiDAR收发器。

背景技术

在设计成像接收部件时，可能有利的是收集充足的光以满足光学链路预算，以确保足够的信号到达处理部件，使得可以重现图像。

在LiDAR系统中，通过发出激光并测量由接收部件接收的反射光的波长和/或返回时间来收集关于感兴趣环境的3D信息。因此，这种系统中的接收部件可以被配置为收集足够的光以允许可靠地测量反射光。

收集的光由接收器处理，接收器将测量接收的光以推断关于环境的3D信息。发出的光由发射器发射。光学部件(诸如透镜和衍射光学元件(DOE))也可以用于提供接收区，该接收区足够大以收集足够的接收的光，以推断关于环境的3D信息并收集从不同方向入射的光。如本说明书中所讨论的LiDAR收发器包括发射器和接收器，并且可以包括光学部件，诸如一个或多个透镜和/或一个或多个DOE。LiDAR可以用于3D成像传感器或面部识别等。

“用于光谱分离和射束聚集的高效衍射光学元件的设计的简单通用方法(Simpleand universal method in designs of high-efficiency diffractive opticalelements for spectrum separation and beam concentration)”，Wen-Qi Xu,Chin.Phys.B Vol.26,No.7(2017)074202提供了供太阳能电池系统使用以收集光以用于功率获取的衍射光学元件的设计的示例。

根据上述考虑已经设计了本发明。

发明内容

LiDAR系统用光扫描环境中的视场以创建环境的3D地图。光由LiDAR发射器发出，光与环境中的物体相互作用(例如，反射)，然后由LiDAR接收器接收。可以使用例如FMCW或飞行时间技术从接收的光计算到环境中的物体的距离。

本文所解释的部件的一些应用是在用于3D成像的LiDAR中，例如在导航中，诸如在车辆(诸如汽车或无人机)(其可以是自主的)、医学成像、消费产品成像、增强现实、虚拟现实、前置相机、特征识别(诸如面部识别、房间扫描、识别服装尺寸等)、工业成像(例如供机器人中使用)中。

在视场上扫描光的发出方向，以便对视场中的每个点进行采样，并收集视场中的每个方向/角度处的距离测量结果。每个点在来自收发器的光的发出方向上。在本说明书中，该方向可以被称为角度或发射角。在本说明书中，角度指定一方向，射束沿该方向行进。该角度可以从垂直于一表面的方向测量，射束从该表面行进/行进到该表面。例如，当射束离开发射器部件时，角度可以从垂直于发射器部件的前表面的方向测量。当射束到达接收器部件时，可以从垂直于接收器部件的前表面的方向测量射束的角度。要在待扫描的环境中检测到的每个点在一方向上距LiDAR收发器一定距离(要使用LiDAR计算)。换句话说，要检测的每个点是在一方向上远离收发器的距离，该方向可以由该方向相对于垂直于收发器的发射/接收表面的方向所形成的角度来定义。

该角度可以具有方位角分量和极分量(polar component)。视场可以由方位角范围和极角范围组成。方位角范围和极角范围形成可以具有锥形形状、或金字塔形形状的视场，其中顶点在收发器的发出表面处或附近。取决于LiDAR收发器的定向，方位角范围和极角范围可以分别对应于水平方向和垂直方向，反之亦然。如果LiDAR收发器用于鸟瞰图配置(例如，从空中位置向下看向地面)，则方位角范围和极角范围可以对应于纵向(前-后)方向和横向(左到右)方向，反之亦然。LiDAR系统的分辨率可以通过在方位角范围和极角范围中的每一个中采样的方向之间的角间距来测量。

存在几种扫描方法，包括物理地移动(例如，旋转)发出部件或反射镜以引导光进而对视场中的每个方向进行采样。

在LiDAR系统中扫描的另一种方式是通过使用光学相控阵列(OPA)在视场的角度上顺序地发射光。用于3D成像的OPA接收器(Rx)可以用于检测从环境返回的光。OPA发射器(Tx)和接收器是静止的，这意味着与物理地旋转到要采样的点的方向上的其他3D发射器和接收器不同，OPA Rx和Tx以及Rx/Tx的部件不移动。OPA系统可以被配置为扫描宽范围的入射角，并且可以比需要部件移动的部件快速和可靠地扫描。

在本说明书中，OPA接收器是指包括输入波导阵列、路径匹配臂(arm)波导阵列和一个或多个输出波导的光接收器，路径匹配臂波导阵列被配置为使得可以控制每个臂波导内的光的相位延迟，每个输出波导耦合到光电检测部件，诸如相干接收器或单光子雪崩二极管(SPAD)。这种接收器可以使用诸如臂波导之类的OPA元件来将从一角度范围接收的光引导到接收器。反射的光的入射角是系统控制器已知的，因为其对应于由发射器OPA中的系统控制器设置的发射角。(一个或多个)接收器OPA移相器可以被配置为对应于(一个或多个)发射器OPA移相器，使得接收的光以类似于反向操作的发射器的方式被引导到接收器。

OPA发光部件可以由多个输入、高斯分光器、路径匹配的臂波导阵列和发射体形成，路径匹配的臂波导阵列被配置为使得可以控制每个臂波导内的光的相位延迟。光被提供给输入并由发射体发射到环境。

在LiDAR系统中扫描的另一种方式是通过根据其波长引导光的元件(例如，DOE和/或(一个或多个)光栅发射体)发射多个不同波长的光。通过“扫描(sweep)”经过多个波长，受元件影响的转向(steering)量将改变，并且因此光将在视场中以一角度范围发射。然后，射束与待成像的环境相互作用，然后由成像部件收集。该扫描方法的分辨率由多个波长中的顺序波长的方向之间的角间距确定。如果每个不同波长用于一个发射角，则这可以由所使用的不同波长的数量来确定。所使用的不同波长可以是在连续射束之间具有恒定波长改变的系列。可以以任何顺序发送不同的波长。衍射角(转向角(steer angle))是波长和(一个或多个)元件的设计的函数。可以根据LiDAR系统的应用的分辨率和视场要求来设计(一个或多个)元件。

此外，系统可以利用OPA和波长扫描方法两者；一个用于扫描极角范围，而另一个用于扫描视场的方位角范围。在下面描述的示例中，一个或多个1D OPA用于扫描视场的极角范围，并且波长扫描用于扫描视场的方位角范围，但是应当理解，在其他实施例中，系统可以旋转，例如，使得(一个或多个)OPA用于扫描视场的方位角范围，并且波长扫描可以用于扫描视场的极角范围。

可能期望在系统中容纳多个射束，以使得能够通过同时处理多个射束来更快地扫描视场。可以同时发送多个不同波长的光和/或可以从OPA发射器发射多个射束。

在使用OPA接收器的情况下存在问题，因为接收区可能大约为0.5mm×0.5mm，这可能太小，因为它将不会收集足够的光来关闭光链路预算。特别地，如果存在可以发射的最大量的光(例如，由于安全规定)，则收集高比例的发射的光可能是重要的。为了增加收集面积(例如，对于扫描200m范围，增加到约10×10mm)，可以在(一个或多个)OPA接收器的顶部上提供收集透镜(例如10mm直径)。然而，这具有如图1所示的各种显著问题。

例如，如图1所示，除非发射和接收的射束直接指向前方，否则接收的图像(例如，光斑，其可能已经扩展以填充收集透镜)可能错过接收器OPA孔。另外，为了避免视差问题，理想地，接收器孔与发射器同轴，这将需要反向使用发射器作为接收器。然而，反向使用发射器作为接收器在PIC中生成大的损耗，因此是不期望的。实现期望的收集效率所需的透镜尺寸和放大率也远大于用于将光捕获到PIC中的波导的模式，从而导致长的工作距离(透镜到PIC距离)，并且因此实现方式可能比实际厚。

图3A和3B示出了可以如何设计用于PIC接收器的这种类型的光学器件。图3B提供了用于PIC接收器的解决方案，该PIC接收器包括具有光学收集增益为～2.8×10⁶((10mm/6μm)²)的OPA，但是光学器件的高度将为50mm厚的量级(焦距+透镜厚度+DOE厚度+自由空间)，这对于大多数3D成像应用可能是不实际的，因为对于它们而言紧凑可能是有利的。图3A的系统也比实际厚。

在第一方面，本发明的一些实施例提供了一种用于接收光的成像部件，成像部件包括光子集成电路(PIC)接收器、板、楔形件、和透镜，楔形件具有前表面和相对的后表面，成像部件被布置成限定通过楔形件的前表面的接收光程，所述接收光程继续通过楔形件并通过板到达PIC接收器，透镜被配置为将接收光程的光聚焦到PIC接收器上。

使用楔形件和板的几何形状，通过成像部件的光程可以被折叠(collapse)，使得成像部件可以被制造得更薄。使用楔形件和板布置，可以将光引导到基于波导接收的接收器中(例如，在诸如FMCW之类的系统中的相干接收器中)，同时控制所收集的光的相前，以便获得到波导中的高耦合效率。在纯粹基于检测反射的光的功率的系统中，不需要通过接收收集光学器件维持反射光的相位，但是当反射光要耦合到PIC波导中时，可能需要控制收集的光的相前，以便得到到波导中的高耦合效率。有利地，楔形件和板布置适用于任一应用。

成像部件可以是用于接收光的LiDAR部件。

楔形件可以具有厚端和相对的薄端，并且板可以从楔形件的厚端延伸，其中楔形件具有从厚端到薄端的长度，并且板具有从楔形件的靠近厚端的端到远离楔形件的端的长度。接收的光可以经由全内反射或由于使用高反射涂层而从楔形件的后表面反射，并且被引导朝向板。

在本说明书中，前表面是最靠近待成像环境的部件的表面。后表面与前表面相对，使得其位于部件的与前表面相对的一侧(即，后表面最远离待成像的环境)。在垂直于前表面的平面的方向上，在从前表面到后表面的方向上测量厚度。在垂直于厚度并且垂直于其中楔形件的厚度改变的方向的方向上测量宽度。在其中楔形件的厚度改变的方向上测量长度。

在一些实施例中，楔形件和板一体地形成为单个部件。

楔形件的长度可以在板的长度的50％和150％之间。

组合长度是板的长度加上楔形件的长度，并且组合长度可以在20mm和40mm之间。

PIC接收器可以位于板的远离楔形件的一端处。

PIC接收器可以位于板的后表面后面，并且板的远离楔形件的端处的端表面可以与板的后表面形成小于90度的角度，使得接收光程朝向PIC接收器离开板的后表面。本文描述的实施例可以用在LiDAR系统中，诸如用在调频连续波(FMCW)系统或飞行时间(ToF)系统中。在使用ToF的情况下，(一个或多个)PIC接收器可以包括一个或多个单光子雪崩二极管(SPAD)，并且在使用FMCW的情况下，(一个或多个)PIC接收器可以包括一个或多个相干接收器。

在楔形件的厚端处的前表面后表面之间的楔形件的厚度可以在0.5mm与2mm之间。

楔形件的后表面可以涂覆有高反射涂层。这意味着接收的光不依赖于全内反射以保持在楔形件中的后表面处，并且因此楔形件的后表面与楔形件的前表面的倾斜角可以更小。高反射涂层可以是金属或多层涂层。

楔形件的前表面可以涂覆有抗反射涂层。这改进了接收的光到楔形件中的耦合。

板和/或楔形件可以由折射率为2或更大的材料形成，或者在一些实施例中，由折射率为3或更大的材料形成。

楔形件的后表面可以从楔形件的前表面倾斜8度与9度之间，并且在一些实施例中为8.4度。这是供高折射率的材料(例如，使用高反射涂层的硅)中使用的合适角度。

接收光程可以穿过楔形件的前表面的至少90％。提供从楔形件的前表面的大部分到PIC接收器的接收光程允许收集足够的光。楔形件的前表面的其余部分可以用于例如提供发射光程。

接收光学长度(入射束将在楔形件和板中行进穿过所述接收光学长度)可以限定在楔形件的前表面上的每个点与PIC接收器之间，并且其中成像部件被配置为使得接收光学长度相等。相差小于系统中使用的透镜的焦深的光学长度被认为是相等的。

PIC接收器可以包括一个或多个接收器光学相控阵列(OPA)。

板可以覆盖光子集成电路上的(一个或多个)接收器OPA。

楔形件和/或板可以由硅或锗形成。

成像部件具有被配置为将光聚焦在PIC接收器上的透镜。透镜可以位于楔形件的前表面的前面。透镜可以设置在楔形件的前表面和衍射光学元件之间，或者衍射光学元件可以位于楔形件的前表面和透镜之间。

附加地或替代地，透镜可以位于板的远离楔形件的端处的板的后表面处，并且可以由一个或多个微透镜形成。透镜或透镜中的一个可以设置在板和PIC接收器之间。透镜可以集成到楔形件和/或板和/或衍射光学元件中。

一个或多个透镜可以是圆形、椭圆形或圆柱形的，或者透镜可以由微透镜阵列形成。微透镜阵列可以集成到板的底表面中，并且可以通过蚀刻板的底表面来形成。还可以提供具有任何上述属性的一个或多个另外的透镜。PIC接收器可以具有一个或多个输入波导，并且每个微透镜可以被配置为将光聚焦在相应的输入波导上。

成像部件可以在楔形件的前表面处具有衍射光学元件，使得接收光程延伸通过衍射光学元件、通过楔形件的前表面、通过楔形件和板到达PIC接收器。

本发明的一些实施例提供了一种用于接收光的成像部件，所述成像部件包括光子集成电路(PIC)接收器、板和楔形件，所述楔形件具有前表面和相对的后表面，所述成像部件被布置成限定通过所述楔形件的前表面的接收光程，所述接收光程继续通过所述楔形件并通过所述板到达所述PIC接收器。第一方面的上述特征中的任何可以与这些实施例组合。

本发明的一些实施例的楔形件布置意味着当与图1、图3A和图3B中的示例相比时，光学器件的厚度可以显著减小。所提供的楔形件、板、任何透镜和/或衍射光学元件用于聚焦、集中和偏移所接收的光，同时位置相前，以便提供到接收器的PIC波导中的良好耦合。

接收器和发射器可以在空间上分离。在现有技术系统中，可能无法将接收器和发射器PIC定位成足够靠近在一起以避免视差效应。通过实现楔形件和板布置，接收和发射光学电路可以在空间上分离，同时避免视差问题。接收器和发射器可以保持在单个管芯上，或者可以位于单独的管芯上。此外，这种布置可以使得能够将接收的光耦合到接收器PIC波导中，同时保持光的相位。这对于一些应用可能是有利的，所述应用诸如FMCW和PMCW LiDAR系统。

使用楔形件和板(其示例在图6A和6B中示出)，接收的光被引导离开发射的光程的路径，同时仍然维持接收的光和发射的光在其中向被扫描的环境发射光/从被扫描的环境接收光的表面处同轴(在向环境发射光/从环境接收光的收发器的表面上的同轴布置的圆形示例在图2中示出)。

在整个说明书中，在使用术语同轴的情况下，它是指在其中从待扫描的环境接收光和/或将光发射到待扫描的环境的表面处的接收和发射光程的布置，并且意味着发射光程位于该表面处的接收光程的中心的间隙中。

在第二方面，本发明的一些实施例提供了一种LiDAR收发器，其包括用于接收光的成像部件和PIC发射器，

所述成像部件包括：

光子集成电路(PIC)接收器、板、楔形件和透镜，其中所述楔形件具有前表面和相对的后表面，并且所述成像部件被布置成限定通过所述楔形件的所述前表面的接收光程，所述接收光程继续通过所述楔形件并通过所述板到达所述PIC接收器，所述透镜被配置为将所述接收光程的光聚焦到所述PIC接收器上；以及

所述收发器被布置成限定从所述发射器通过所述楔形件并且通过所述楔形件的所述前表面的发射光程。

楔形件可以包括发射窗口，发射光程通过所述发射窗口，发射窗口可以具有被配置为允许光在后表面处进入楔形件、通过楔形件并且在前表面处离开楔形件的光学特性。

楔形件的后表面可以具有高反射涂层，并且发射窗口可以位于涂层中的间隙处。涂层中的间隙可以填充有具有与高反射涂层不同的光学属性的涂层。

高反射涂层可以是金属或多层涂层。

发射窗口可以是从后表面到前表面通过楔形件形成的孔。孔可以是通过楔形件的充气物理孔，或者孔可以填充有除了形成楔形件的材料之外的材料。

在楔形件的前表面处，接收光程的横截面积可以是发射光程的横截面积的20倍至200倍，或者在一些实施例中，是100倍。

发射器可以被配置为使得在楔形件的前表面处，发射光程位于楔形件的前表面的中心。接收光程可以围绕发射光程。以这种方式，可以通过确保发射的光和接收的光是同轴的来避免视差误差。

可替代地，收发器可以被布置成限定从发射器到待成像的环境的不通过楔形件的发射光程。

发射器可以包括发射器OPA。

发射器可以包括一个或多个光栅发射体，其被配置为将光的角度的方位角分量调整取决于光的波长的量。

发射器OPA可以位于光子集成电路上，并且楔形件可以覆盖光子集成电路上的发射器OPA。

发射器可以位于楔形件的后表面后面。

收发器可以在楔形件的前表面处具有衍射光学元件，使得接收光程延伸通过衍射光学元件，通过楔形件的前表面，通过楔形件和板到达PIC接收器，并且发射光程从发射器延伸，通过楔形件，通过楔形件的前表面并通过衍射光学元件。

在第三方面，本发明的一些实施例提供了一种用于在视场(FOV)上扫描环境的LiDAR收发器，所述FOV具有方位角范围和极角范围，所述LiDAR收发器包括光子集成电路(PIC)接收器、PIC发射器和衍射光学元件(DOE)，所述DOE具有前表面和后表面，所述DOE包括：透射区，其被配置为从所述DOE的所述前表面透射在所述DOE的所述后表面处接收的光束；接收区，所述接收区被配置为将入射在所述DOE的所述前表面上的光的所述方位角分量调整取决于波长的量并且透射来自所述DOE的所述后表面的所述光，其中所述接收区分布在所述透射区的两个相对侧上，并且所述收发器被配置为：将来自所述PIC发射器的光透射通过所述DOE的所述透射区并且将所述光发出到所述环境，所述光具有发射角，所述发射角具有在所述FOV的所述方位角范围内的方位角分量和在所述FOV的所述极角范围内的极分量，所述发射角的所述方位角分量取决于所述光的波长，从所述环境接收所述光，将所述光通过所述DOE的所述接收区从所述前表面引导到所述后表面并引导到所述PIC接收器，并且其中所述DOE的所述接收区被配置为使得当所述光从所述DOE的所述后表面透射时，方位角分量独立于光的波长。换句话说，从接收区的后表面透射的光的方位角分量独立于当光在接收区的前表面处被接收时的光的方位角分量。

收发器还可以包括被配置为将光聚焦在PIC接收器上的透镜。

透射区的两个相对侧可以与DOE的前表面和后表面正交。透射区可夹在接收区的两个部分之间，使得透射区在接收区的两个部分之间。所述透射区可由所述接收区包围，使得所述透射区位于所述DOE的内部部分处且所述接收区位于所述DOE的包围所述透射区的外部部分处。

在本说明书中，调整射束意味着控制或改变其中射束正在行进的角度/方向。调整可以取决于或独立于波长。

PIC发射器可以包括光栅发射体，其被配置为将光的角度的方位角分量调整取决于光的波长的量。

DOE的透射区还可以被配置为取决于光的波长来调整光的角度的方位角分量。

DOE的透射区还可以被配置为将在DOE的后表面处接收的光分成多个射束，并且以不同的相应方位角从DOE的前表面透射多个射束中的每一个。

收发器还可以包括一个或多个另外的PIC接收器，并且DOE的接收区被配置为将多个射束中的每个射束调整到PIC接收器中的相应一个PIC接收器。

接收区可以包括多个子区，每个子区被配置为将多个射束中的相应射束调整到其相应的接收器。

透射区可以位于衍射光学元件的中心，并且接收区可以围绕透射区。

透镜可以位于DOE和PIC接收器之间。透镜可以位于DOE的前表面处。

透镜和DOE可以由具有聚焦和衍射特征的单个部件一体地形成。

透镜可以包括透镜透射区和透镜接收区，其中透镜接收区分布在透镜透射区的两个相对侧上。透镜透射区可以位于透镜的中心，并且透镜接收区可以围绕透镜透射区。透镜透射区和透镜接收区可以具有不同的光学属性。透镜透射区和透镜接收区可以分别与DOE的透射区和接收区对准。

接收区可包括DOE的前表面的至少90％。

LiDAR收发器还可以包括板和楔形件，楔形件具有前表面和相对的后表面，收发器被布置成限定通过楔形件的前表面的接收光程，接收光程继续通过楔形件并通过板到PIC接收器，透镜被配置为将接收光程的光聚焦到PIC接收器上，收发器被布置成限定从发射器通过楔形件并通过楔形件的前表面的发射光程。

收发器可以被配置为将来自PIC发射器的光沿着发射光程发射通过楔形件并通过楔形件的前表面，并且将光发射通过DOE的DOE透射区的透射区。为了实现这一点，DOE的透射区可以与楔形件中的发射光程对准。

在第四方面，本发明的一些实施例可以提供一种用于扫描视场(FOV)上的环境的LiDAR收发器，所述FOV具有方位角范围和极角范围，所述LiDAR收发器包括光子集成电路(PIC)接收器、PIC发射器、板、楔形件、透镜和衍射光学元件(DOE)，所述楔形件具有前表面和相对的后表面，并且所述DOE具有前表面和后表面，所述DOE包括：透射区，其被配置为从所述DOE的所述前表面透射在所述DOE的所述后表面处接收的光束，接收区，其被配置为将入射在所述DOE的所述前表面上的光的所述方位角分量调整取决于波长的量且透射来自所述DOE的所述后表面的所述光，其中所述接收区分布在所述透射区的两个相对侧上，且所述收发器被配置为：沿着通过所述楔形件并通过所述楔形件的所述前表面的发射光程从所述PIC发射器发射光，通过所述DOE的所述透射区透射所述光并将所述光发出到所述环境，所述光具有发射角，所述发射角具有在所述FOV的所述方位角范围内的方位角分量和在所述FOV的所述极角范围内的极分量，所述发射角的所述方位角分量取决于所述光的波长，从所述环境接收所述光，将所述光通过所述DOE的所述接收区从所述前表面引导到所述后表面并且沿着通过所述楔形件的所述前表面的接收光程，所述接收光程继续通过所述楔形件并且通过所述板到达所述PIC接收器，所述透镜被配置为将所述接收光程的光聚焦到所述PIC接收器上，以及其中所述DOE的所述接收区被配置为使得当所述光从所述DOE的所述后表面透射时，所述方位角分量独立于所述光的所述波长。换句话说，从接收区的后表面透射的光的方位角分量独立于当光在接收区的前表面处被接收时的光的方位角分量。

根据第一方面的成像部件还可以包括第三方面的衍射光学元件，衍射光学元件定位在楔形件的前表面处，使得接收光程延伸通过衍射光学元件，通过楔形件的前表面，通过楔形件和板到达PIC接收器。

根据第二方面的LiDAR收发器还可以包括第三方面的衍射光学元件，衍射光学元件在楔形件的前表面处，使得接收光程延伸通过衍射光学元件，通过楔形件的前表面，通过楔形件和板到PIC接收器，并且发射光程从发射器延伸，通过楔形件，通过楔形件的前表面并通过衍射光学元件。

上述特征和方面的这些组合可以具有额外的优点。例如，将如第三方面中所述的DOE与如第二方面中所述的收发器一起使用可以减少系统的视差误差，因为DOE的发射光程和透射区都定位成与其接收对应物非常靠近或重叠。楔形件允许接收器和发射器分离，同时允许发射光程和接收光程两者都通过楔形件的前表面，并且DOE的接收区分布在透射区的两个相对侧上，因此用于接收和透射光的区重叠。因此，这两个特征的组合用于进一步减小视差误差。

为了以精细分辨率对大FOV进行采样，需要对大量角度进行采样。可能难以在足够的离散角度上控制发光部件。例如，对于在垂直发射处使用具有0.1度的射束宽度的OPA覆盖90度的FOV，可以创建810个射束以覆盖FOV。当射束宽度以与cosθ成反比的速率随转向角θ增加时，该数字小于990°/0.1°＝900(因此射束宽度在FOV的极限角度±45°处约为0.14°)。从高斯发射体包络轮廓产生810个射束，以99％的功率截断(truncate)，者可以用以1.1μm间隔的912个波导发射体来实现。高斯OPA对于旁瓣抑制是最佳的，并且99％的高斯截断是最小化一侧上的插入损耗、射束展宽和旁瓣劣化与另一侧上的发射体数量之间的良好平衡。这是已经证明的尺寸，但是需要许多移相器元件同时控制，如图15所示。移相器的数量意味着系统的控制是复杂的。

在另一方面，本发明可以提供一种用于扫描视场(FOV)上的环境的LiDAR发射器光子集成电路(PIC)，所述FOV具有方位角范围和极角范围，所述LiDAR发射器PIC包括：用于提供来自至少一个激光器的光的光源，具有输入和多个输出的光学开关，所述光学开关被配置为选择性地将在所述输入处接收的光引导到所述多个输出中的一个，以及具有多个输入和多个发射体的发光部件，所述发光部件被配置为在多个发射角上选择性地发出射束，所述多个发射角在所述FOV的极角范围内具有不同的相应极分量，其中所述光源耦合到所述光学开关的所述输入，并且所述光学开关的所述多个输出中的每一个耦合到所述发光部件的所述多个输入中的相应一个。

以这种方式，通过将光引导到发光部件的多个输入中的一个，光学开关可以用于光的粗略转向，并且发光部件可以用于微调发出光的方向。这种布置使得能够以减小的光学损耗扫描FOV的方向，并且允许简单的切换元件级联在一起，以减小部件的尺寸并降低跨FOV调整光的复杂性。到发光部件的多个输入意味着在发光部件内需要较少的转向(例如，相移)，从而降低复杂性。

发射体可以是等间隔的。

发射器PIC还可以包括多个分光器，每个分光器具有输入和多个输出，并且被配置为在多个输出之间分离在输入处接收的光，其中光学开关的每个输出耦合到分光器的相应输入，并且每个分光器的每个输出耦合到发光部件的输入中的相应一个。

以这种方式，可以同时发射多个射束，以通过同时处理多个射束来实现对视场的更快扫描。射束可以在接收器处在空间上被区分。入射角可以由接收器波导前面的光学器件转换到接收器波导。使用具有具有多个输入的发光部件的分光器意味着可以使用一个发光部件同时发出具有不同发射角的射束。

发光部件可以包括至少一个光学相控阵列(OPA)，该光学相控阵列或每个光学相控阵列被配置为选择性地以多个发射角中的一个或多个发出射束。

发光部件可以包括多个OPA，并且发光部件的多个输入中的每一个包括到多个OPA中的一个的输入，并且发光部件的多个发射体中的每一个可以包括多个OPA中的一个的输出。发光部件可以包括十二个OPA。以这种方式，多个OPA中的每一个可以被配置为各自对应于极角范围的相应子范围，使得发射光的OPA确定可以从发光部件发出光的极角的子范围。这减少了OPA中所需的相移量，因为光的粗略转向有效地发生在选择OPA的光学开关中。然后，每个OPA仅需要在FOV的极角分量的较窄子范围上引导光。

该OPA或每个OPA可以具有多于一个输入。例如，该OPA或每个OPA可以具有八个输入。以这种方式，OPA的每个输入可以对应于极角范围(OPA在该极角范围上发出光)的相应子范围，使得输入(光在该输入处到达OPA)确定可以从发光部件发出光的极角的子范围。这意味着在OPA中需要较少的相移，因为光的粗略转向已经在光学开关中发生，并且OPA仅处理精细转向。

发光部件可以具有至少900个发射体，例如912个发射体。如上所述，对于垂直测量的约90度的FOV和0.1度的射束宽度，约900个发射体是足够的。每个OPA可以具有相等数量的发射体。每个OPA可以具有七十八个发射体。所述OPA或每个OPA可以被配置为能够选择性地以六十八个离散极角分量发出光。发射体可以间隔开1μm至2μm之间，或间隔开1.1μm。

当测量从OPA垂直发出的光时，所述OPA或每个OPA可以被配置为发出具有射束宽度在0.5和2度之间或不大于1.2度的光。

多个分光器中的多于一个的输出可以交替地耦合到(一个或多个)OPA或(一个或多个)OPA之一的输入，使得没有OPA的两个相邻输入耦合到光学开关的相同输出。每个分光器的输出的数量可以是到该OPA或每个OPA的输入的数量的一半，并且来自两个分光器的输出可以交替地耦合到OPA之一的输入。以这种方式，同时发出的射束可以分离更大的角度，使得它们在接收器处更容易区分。

每个分光器可以具有四个输出。分光器中的第一分光器的四个输出和分光器中的第二分光器的四个输出可以在交替布置中各自耦合到OPA中的一个的八个输入中的相应一个，使得没有OPA的两个相邻输入耦合到同一分光器。

两个分光器可以由组合分光器形成，该组合分光器包括第一输入和第二输入以及八个输出的阵列，其中来自第一输入的光和来自第二输入的光被引导到八个输出的阵列中的交替输出，使得没有两个相邻的输出接收来自同一输入的光。

光学开关可以具有24个输出。光学开关可以包括以下中的一个或多个：

具有一个输入和两个输出的1×2马赫-曾德尔开关，和/或

具有一个输入和三个输出的1×3马赫-曾德尔开关，和/或

具有一个输入和四个输出的1×4马赫-曾德尔开关，和/或

OPA开关，其包括输入、臂波导阵列和多个输出，所述OPA开关被配置为选择性地使所述臂波导中的光的相位偏移，所施加的相移的量取决于所述臂波导，其中光在臂波导中行进，以便选择性地将光引导到所述输出中的一个。

光学开关可以包括：

布置在树中的23个1×2马赫-曾德尔开关，或

布置在树中的1×3马赫-曾德尔开关和21个1×2马赫-曾德尔开关，或

1×4马赫-曾德尔开关和3个1×6OPA，或

1×24OPA开关。

LiDAR发射器PIC可以被配置为同时发出多个射束。LiDAR发射器PIC可以被配置为同时发出四个射束。

发光部件的OPA或每个OPA还可以包括臂波导阵列，以及被配置为使臂波导中的光的相位偏移的一个或多个移相器，所施加的相移量取决于光在其中行进的臂波导。相移可以跨臂波导阵列线性地变化。(一个或多个)移相器可以是一个或多个加热器。一个或多个加热器可以被配置为将热量施加到阵列中的臂波导中的每个相应臂波导的相应长度，相应长度跨臂波导的阵列变化。相应的长度可以跨臂波导阵列线性地和/或连续地变化。一个或多个加热器中的每一个可具有三角形的形状。三角形形状包括跨阵列长度(在臂波导的方向上)增加的任何形状。例如，基本上三角形的形状，诸如圆角三角形，其中三角形的一个或多个角是圆形的，或者三边形状，其中一个或多个边以凹入或凸出的方式弯曲。

光源可以包括多个激光器，每个激光器被配置为产生波长范围内的相应不同波长的光，并且发射体可以是光栅发射体，其被配置为将具有波长范围内的波长的光调整到相应的方位角分量。作为光栅发射体的附加或替代，衍射光学元件(DOE)可以单独地提供给PIC以基于波长来调整光。或者，光源可以是适合于连接到一个或多个外部激光器的输入波导。

光源还可以提供本机振荡器(LO)输出，其可以连接到接收器PIC，从而提供LO源。

方位角范围可以小于极角范围。发射器可以被定向成使得改变极分量扫描垂直方向，并且改变方位角分量扫描水平方向。可以根据应用来选择发射器的定向。

发射器PIC可以被配置为同时产生波长范围内的多个相应不同波长的光，并且光栅发射体可以被配置为分离光。如上所述，基于波长的光的转向和/或分离可以由光栅发射体和/或单独的DOE提供。

光源还可以包括多个调制器，每个调制器被配置为调制来自多个激光器中的相应一个激光器的光。所述激光器或每个激光器可以在波长范围内的相应波长子范围上是可调谐的。所述激光器或每个激光器可以是可热调谐的。所述激光器或每个激光器可以以2nm与5nm之间的间隔可调谐，或者以3nm间隔可调谐。每个激光器可以包括环形谐振器。或者，光源可以是适合于连接到一个或多个外部激光器和上述调制器的输入波导。

衍射元件接收器可以以与发射器光栅发射体/DOE相反的方式基于波长来引导接收的光，因此可以使用发出的光中的编码，使得接收器可以确定接收的光源自哪个方位角。可以提供光中的调制以允许在接收器处的距离计算。该编码还可以允许使用编码或跟踪信号来区分不同波长的同时射束。跟踪信号是带外调制，其可以被添加到射束，使得可以在不影响所发射的应用信号的情况下识别射束的原点。这可以指示方位角或极坐标方向或两者上的原点。例如，在密集波分复用(DWDM)系统中，不同频率的低频(kHz)音调被添加到每个波长，使得可以通过监测该音调的频率来识别波长。

光源可以包括三十二个激光器，并且三十二个激光器可以由四个八通道管芯提供。

所述发射器PIC还可以包括：第二分光器，所述第二分光器具有输入和多个输出，并且被配置为在所述多个输出之间分离在所述输入处接收的光，以及一个或多个另外的发光部件，所述或每个另外的发光部件具有多个输入和多个发射体，所述另外的发光部件包括至少一个OPA，所述OPA或每个OPA被配置为在多个发射角上选择性地发出射束，所述多个发射角在所述FOV的所述极角范围内具有不同的相应极分量，并且其中所述发光部件和所述另外的发光部件或每个另外的发光部件被配置为各自在方位角分量的不同的相应范围上选择性地发出射束，其中到所述第二分光器的所述输入耦合到所述光源，并且所述第二分光器的所述输出中的第一输出耦合到所述发光部件的所述输入，并且所述第二分光器的(一个或多个)其他输出或每个(一个或多个)其他输出耦合到相应的另外的(一个或多个)发光部件的所述输入。以这种方式，方位角范围可以在发光部件之间分离，使得每个发光部件仅需要覆盖较窄范围的方位角。在方位角分量取决于光的不同波长而调整的情况下，这可以减小所需波长的范围，从而简化这些元件的制造。每个发光部件可以在方位角部件的子范围上操作，该方位角部件可以由光学器件调整，使得发光部件一起覆盖FOV的整个方位角范围。

LiDAR发射部件还可以包括空对空光栅，其被配置为创建发出的每个波长的多个射束，每个射束具有不同的方位角分量。

方位角子范围可以是15度宽。可以存在两个另外的发光部件，使得存在三个发光部件，每个发光部件被配置为在三个子方位角范围中的相应一个范围上选择性地发出射束。每个子方位角范围可以具有15度的宽度，并且每个子方位角范围可以分开15度，使得它们一起覆盖45度的方位角范围。

LiDAR发射部件还可以包括角放大光学器件，以增加发射角的方位角分量。放大的方位角范围可以是45度宽。以这种方式，光栅发射体和/或DOE可以在较小的方位角范围上发出射束，然后该射束被光学器件放大以覆盖FOV的方位角范围。在方位角分量取决于光的不同波长而被调整的情况下，这可以减小转向角，光栅发射体和/或DOE需要在该转向角上起作用，从而简化这些元件的制造。

本发明的一些实施例可以提供LiDAR发射部件，其包括LiDAR发射器PIC和第一光学器件，所述第一光学器件被配置为将从每个OPA发出的光从由OPA发射的第一极角范围转换到第二极角范围，所述第二极角范围小于FOV的极角范围，以及第二光学器件，所述第二光学器件被配置为将来自每个OPA的光调整相应的极转向角。转向角可以是±yn，其中n是整数并且y是第二极角范围的大小。第一极角范围可以是±45度，和/或第二ran极角范围可以是±3.75度。FOV的极角范围可以与第一极角范围相同和/或可以是±45度。

在另一方面，本发明的一些实施例可以提供一种LiDAR接收器PIC，包括：具有多个输入波导和多个输出的光转向部件，提供一个或多个LO信号的本机振荡器(LO)源，具有输入和多个输出的光学开关，该光学开关被配置为选择性地将在输入处接收的光引导到多个输出中的一个，以及多个相干接收器，每个相干接收器具有信号输入和LO输入以及至少一个光电检测器，其中所述LO源耦合到所述光学开关的所述输入，并且所述光学开关的所述输出中的每一个耦合到所述LO输入中的相应一个，并且其中所述光转向部件的所述输出中的每一个耦合到所述信号输入中的相应一个。

以与上述发射器类似的方式，接收器的这种布置使得光学开关能够通过选择要使用的相干接收器来用于粗略转向，这意味着光转向部件可以提供较少的光转向，因为入射光可以被引导到多个输出中的适当的一个输出。这种布置使得能够以减小的光学损耗扫描FOV的方向，并且允许简单的切换元件级联在一起，以减小部件的尺寸并降低跨FOV引导光的复杂性。到光转向部件的多个输出意味着在光转向部件内需要较少的转向(例如，相移)，从而降低复杂性。

输入波导可以是等间隔的。光转向部件可以包括光学相控阵列OPA。

光转向部件可以包括多个OPA，并且光转向部件的多个输入波导中的每一个可以包括多个OPA中的一个的输入，并且光转向部件的多个输出中的每一个可以包括多个OPA中的一个的输出。光转向部件可以包括十二个OPA。以这种方式，多个OPA中的每一个可以被配置为各自对应于极角范围的相应子范围，使得接收光的OPA确定到达光转向部件的光可能源自的极角的子范围。这减少了OPA中所需的相移量，因为光的粗略转向有效地发生在选择OPA的光学开关中。然后，每个OPA仅需要引导从FOV的极角分量的较窄子范围接收的光。

每个OPA可以具有相等数量的输入。所述OPA或每个OPA可以具有七十八个输入波导。所述OPA或每个OPA可以具有多于一个输出。以这种方式，OPA的每个输出可以对应于极角范围的相应子范围，OPA在该子范围上接收光，使得光被OPA引导到的输出确定光可能源自的极角的子范围。这意味着在OPA中需要较少的相移，因为光的粗略转向有效地发生在光学开关中，并且OPA仅处理精细转向。该OPA或每个OPA可以具有八个输出。所述OPA或每个OPA可以被配置为接收来自第一平面中的六十八个离散角度的光。输入波导可以间隔开1至2μm，或者输入波导可以间隔开1.1μm。

LiDAR接收器PIC还可以包括多个分光器，每个分光器具有输入和多个输出，并且被配置为在多个输出之间分离在输入处接收的光，其中光学开关的每个输出耦合到分光器中的一个的相应输入，并且每个分光器的每个输出耦合到相干接收器中的一个的LO输入中的相应一个。

以这种方式，可以同时接收多个射束，以使得能够通过同时处理多个射束来更快地扫描视场。可以在空间上区分射束。入射角可以由接收器波导前面的光学器件转换到接收器波导。使用具有多个输出的光转向部件的分光器意味着可以使用一个光转向部件同时接收和处理具有不同入射角的射束。

每个分光器可以具有四个输出。两个分光器可以形成组合分光器，其包括第一输入和第二输入以及八个输出的阵列，其中来自第一输入的光和来自第二输入的光被引导到八个输出的阵列中的交替输出，使得没有两个相邻的输出接收来自同一输入的光。以这种方式，同时接收的射束可以以更大的角度分开，使得它们更容易区分。

每个相干接收器可以包括一对多模干涉部件(MMI)，每个MMI具有相干接收器的LO输入中的一个和信号输入中的一个，并且该对中的两个MMI输出到一个或多个公共光电检测器，其中该对中的两个LO输入各自耦合到光学开关的不同输出。

光学开关可以包括以下中的一个或多个：

具有一个输入和两个输出的1×2马赫-曾德尔开关，和/或

具有一个输入和三个输出的1×3马赫-曾德尔开关，和/或

具有一个输入和四个输出的1×4马赫-曾德尔开关，和/或

OPA开关，所述OPA开关包括输入、臂波导阵列和多个输出，所述OPA开关被配置为选择性地使所述臂波导中的光的相位偏移，所施加的相移的量取决于所述光在其中行进的所述臂波导，以便选择性地将光引导到所述输出中的一个。

光学开关可以具有二十四个输出，并且光学开关可以包括：

布置在树中的23个1×2马赫-曾德尔开关，或

布置在树中的1×3马赫-曾德尔开关和21个1×2马赫-曾德尔开关，或

1×4马赫-曾德尔开关和3个1×6OPA，或

1×24 OPA开关，其包括输入、臂波导阵列和24个输出，所述OPA开关被配置为选择性地使所述臂波导中的光的相位偏移，所施加的相移的量取决于所述光在其中行进的所述臂波导，以便选择性地将光引导到所述输出中的一个。

光转向部件的所述或每个OPA还可以包括臂波导阵列，以及被配置为使臂波导中的光的相位偏移的一个或多个移相器，所施加的相移量取决于光在其中行进的臂波导。相移可以跨臂波导阵列线性地变化。(一个或多个)移相器可以是一个或多个加热器。一个或多个加热器可以被配置为将热量施加到阵列中的臂波导中的每个相应臂波导的相应长度，相应长度跨臂波导的阵列变化。相应的长度可以线性地变化。一个或多个加热器中的每一个可具有三角形或圆角三角形的形状。

在另一方面，本发明的一些实施例可以提供LiDAR收发器，其包括如上所述的LiDAR发射器PIC和如上所述的LiDAR接收器PIC。

LiDAR发射器PIC和/或LiDAR接收器PIC可以设置在光子芯片上。LiDAR发射器PIC和LiDAR接收器PIC可以设置在同一单片光子芯片上。

LO源可以由光源提供。LO源可以是调制的或未调制的。从光源接收LO源是确保LO源与接收器中接收的光相干的简单方式。

光源可以包括多个激光器，每个激光器被配置为产生波长范围内的相应不同波长的光，并且发射体可以是被配置为将具有波长范围内的波长的光调整到相应方位角分量的光栅发射体，并且发射器PIC可以被配置为同时产生多个相应不同波长的光，收发器被配置为使得每个相干接收器的信号输入和LO输入承载波长范围内的相同波长的光。

光源可以被配置为对光进行编码，使得每个相应波长的光具有不同的相应代码。每个相应的代码可以是线性调频脉冲或幅度调制。或者，光源可以是适合于连接到如上所述的一个或多个外部激光器和/或调制器的输入波导。

LiDAR收发器还可以包括：第一光学器件，其被配置为将从每个OPA发出的光转换到第二极角范围，第二极角范围小于FOV的极角范围，以及第二光学器件，其被配置为将来自每个OPA的光转向相应的极转向角。极转向角可以是±ny，其中n是整数并且y是第二极角范围的大小。FOV的极角范围可以是±45度，和/或第二极角范围可以是±3.75度。

LiDAR接收器可以包括如上所述的LiDAR接收器PIC以及板和楔形件，楔形件具有前表面和相对的后表面，成像部件被布置成限定通过楔形件的前表面的接收光程，接收光程继续通过楔形件并通过板到达PIC接收器。LiDAR收发器可以包括如上所述的LiDAR接收器和LiDAR发射器PIC，收发器被布置为限定从发射器通过楔形件并通过楔形件的前表面的发射光程。PIC接收器可以位于板的后表面后面，并且板的远离楔形件的端处的端表面可以与板的后表面形成小于90度的角度，使得接收光程朝向PIC接收器离开板的后表面。

另外地或可替代地，透镜可以在板的远离楔形件的端处位于板的后表面处，并且可以由一个或多个微透镜形成。(一个或多个)透镜或(一个或多个)透镜中的一个可以设置在板和PIC接收器之间。透镜可以集成到楔形件和/或板和/或衍射光学元件中。

一个或多个透镜可以是圆形、椭圆形或圆柱形的，或者透镜可以由微透镜阵列形成。微透镜阵列可以集成到板的底表面中，并且可以通过蚀刻板的底表面来形成。还可以提供具有任何上述特性的一个或多个另外的透镜。PIC接收器可以具有一个或多个输入波导，并且每个微透镜可以被配置为将光聚焦在相应的输入波导上。

成像部件可以在楔形件的前表面处具有衍射光学元件，使得接收光程延伸通过衍射光学元件、通过楔形件的前表面、通过楔形件和板到达PIC接收器。

使用楔形件和板的几何形状，通过LiDAR接收器的光程可以折叠，使得成像部件可以被制造得更薄。使用楔形件和板布置，可以将光引导到基于波导的接收接收器中，同时控制所收集的光的相前，以便获得到波导中的高耦合效率。在纯粹基于检测反射光的功率的系统中，不需要通过接收收集光学器件维持反射光的相位，但是当反射光要耦合到PIC波导中时，可能需要控制收集光的相前，以便获得到波导中的高耦合效率。有利地，楔形件和板布置适用于任一应用。

本发明的一些实施例的楔形件布置意味着光学器件的厚度可以显著减小。所提供的楔形件、板、任何透镜和/或衍射光学元件用于聚焦、集中和偏移所接收的光，同时保持相前，以便提供到接收器的PIC波导中的良好耦合。

此外，在现有技术系统中，不可能在不使用楔形件的情况下将接收器和发射器PIC定位成足够靠近在一起以避免视差效应。通过实现楔形件和板布置，接收和发射光学电路可以在空间上分离，同时避免视差问题。接收器和发射器可以在空间上分离。它们可以保持在单个管芯上或者可以位于单独的管芯上。此外，这种布置可以使得能够将接收的光耦合到接收器PIC波导中，同时保持光的相位。这对于一些应用可能是有利的，例如FMCW和PMCWLiDAR系统。

使用楔形件和板(其示例在图33中示出)，接收的光被引导离开发射光程的路径，同时仍然保持接收的光和透射的光在表面处同轴，在该表面处，光被透射到正被扫描的环境/从正被扫描的环境接收。

根据另一方面，本发明的一些实施例可以提供一种用于扫描视场(FOV)上的环境的LiDAR发射器光子集成电路(PIC)，所述FOV具有方位角范围和极角范围，所述LiDAR发射器PIC包括：光源，具有输入和多个输出的光学开关，所述光学开关被配置为选择性地将在所述输入处接收的光引导到所述多个输出中的一个，以及具有多个输入和多个发射体的发光部件，所述发光部件被配置为在多个发射角上选择性地发出射束，所述多个发射角在所述FOV的极角范围内具有不同的相应极分量，其中所述光源耦合到所述光学开关的输入，并且所述光学开关的多个输出中的每一个耦合到所述发光部件的多个输入中的相应一个，使得所述光学开关和所述发光部件形成开关矩阵，并且所述开关矩阵被配置为选择光的发射角的极分量，所述极分量在所述极角范围内。

使用开关矩阵意味着可以使用慢速和快速切换元件的组合来实现要采样的点之间的高开关速度。例如，如果发光部件是慢速切换元件并且光学开关是快速开关，则仍然可以实现整个开关矩阵的快速切换速度，因为慢速发光部件的部分可以切换，而发光部件的其他部分正在发射光。以这种方式，发光部件的不发射光的部分可以使用发光部件的发射光的部分的(一个或多个)采样时间来切换，而不影响发射角之间的总切换时间。

例如，对于发光部件的四个发射角和两个输入的简单情况，光学开关可以将光引导到发光部件的第一输入，该第一输入对应于以第一发射角发射的发光部件的第一部分，而第二部分切换到第二发射角。然后，光学开关可以将光引导到发光部件的第二输入，使得光以第二发射角发射，同时发光部件的第一部分切换到第三发射角。然后，光学开关可以将光引导到发光部件的第一输入，使得光以第三发射角发射，同时发光部件的第二部分切换到第四发射角。然后，光学开关可以将光引导到发光部件的第二输入，使得光以第四发射角发射，同时发光部件的第一部分切换回第一发射角。以这种方式，整个矩阵的切换时间是光学开关(其是快速开关)的切换时间，并且发光部件的慢速切换不会减慢对FOV的采样。

在光学开关是慢速并且发光部件是快速的情况下，开关将停留在第一位置达一时间(Nt_pixel+N t_lec)，其中N是当开关处于第一位置时由发光部件采样的像素的数量。然后，光学开关将在时间t_switch内切换。因此，系统的效率高，因为慢速开关的数量减少。效率将是(Nt_pixel+N t_lec)/(N t_pixel+N t_lec+t_switch)，因此如果t_switch<<N×t_pixel则系统的效率高。

在OPA发光部件和/或开关包括作为加热器的移相器的情况下，OPA的切换时间可以由将加热器从一组相移重新配置到另一组相移所需的时间来确定。这可能导致OPA开关是慢速开关，因为加热器可能由于热量积聚或消散所花费的时间而慢速切换。

光学开关可以是比发光部件更快的开关，或者光学开关可以是比发光部件更慢的开关。快速开关可以是开关时间小于像素时间的开关。像素时间是LiDAR发射器花费在对FOV中的任何特定点进行采样的时间长度。元件的切换时间是元件从其输出中的一个输出重新配置到另一个输出所花费的时间。

发射器被配置为扫描发射角阵列并将光发射到所述发射角中的每个达像素时间(t_pixel)，并且所述光学开关能够在切换时间(t_switch)中在输出之间切换，并且t_pixel>t_switch。

发射器被配置为扫描发射角阵列并将光发射到所述发射角中的每个达像素时间(t_pixel)，并且所述光学开关能够在切换时间(t_switch)中在输出之间切换，并且t_pixel<t_switch。

发射器被配置为扫描发射角阵列并将光发射到所述发射角中的每个达像素时间(t_pixel)，并且所述发光部件能够在切换时间(t_lec)中在极分量之间切换，并且t_pixel>t_lec。

发射器被配置为扫描发射角阵列并将光发射到所述发射角中的每个达像素时间(t_pixel)，并且所述发光部件能够在切换时间(t_lec)中在极分量之间切换，并且t_pixel<t_lec。

发光部件可以被配置为使得发光部件的每个输入对应于极角范围的相应子范围，使得所述输入确定其中光能够从所述发光部件发出的所述极角的子范围，光在所述输入处到达所述发光部件。

发光部件可以包括至少一个光学相控阵列(OPA)，该光学相控阵列或每个光学相控阵列被配置为选择性地以多个发射角中的一个或多个发射角发出射束。

发光部件可以包括多个子发光部件，每个子发光部件具有发光部件的多个输入中的一个或多个，并且每个子发光部件对应于极角范围的相应子范围，使得光到达的子发光部件确定其中光可以从发光部件发出的极角的子范围。

光学开关可以被配置为顺序地将光引导到子发光部件，使得每个子发光部件接收光达相应的时间(t_on)，然后不接收光达相应的时间(t_off)，其中对于每个子发光部件，t_off≥t_lec。

每个子发光部件可以被配置为使得子发光部件的每个输入对应于极角范围的相应子范围，使得所述输入确定其中光能够从所述发光部件发出的所述极角的子范围，光在所述输入处到达所述子发光部件。

每个子发光部件可以是OPA。

LiDAR发射器PIC还可以包括多个分光器，每个分光器具有输入和多个输出，并且被配置为在多个输出之间分离在输入处接收的光，其中光学开关的每个输出耦合到分光器的相应输入，并且每个分光器的每个输出耦合到发射部件的输入中的相应一个。

光学开关可以是快速开关，并且发光部件可以是慢速切换元件。光学开关可以是慢速开关，并且发光部件可以是快速切换元件。

发光部件可以包括一个或多个移相器，其可以是一个或多个加热器。光源可以由至少一个激光器形成。

根据另一方面，本发明的一些实施例可以提供一种LiDAR系统，包括用于在第一维度上扫描的第一扫描级和用于在第二维度上扫描的第二扫描级，第一扫描级包括调谐和/或折射光学器件；并且所述第二扫描级包括液晶。

本发明包括上述方面和优选特征的组合，除非这种组合是明显不允许的或明确避免的。

例如，第一、第二和/或第三方面的可选特征可以与第四方面组合。第一方面的成像部件的特征中的任一个或特征的组合可以与根据第二、第三或第四方面中的任一个的收发器组合。此外，LiDAR发射器和/或接收器和/或收发器PIC和/或其可选特征中的任何特征可以与前四个方面的任何特征组合。

附图说明

现在将参考附图讨论说明本发明原理的实施例和实验，在附图中：

图1示出了透镜、接收器和发射器的现有技术布置的示例。

图2是示出接收孔和发射孔的同轴布置的图。

图3A示出了衍射光学元件、透镜、接收器OPA和发射器OPA的布置的横截面图。

图3B示出了用于将接收的光调整并聚焦到光子集成电路上的接收光学器件的示意图。

图4示出了示出使用楔形件和板来收集光的原理的示意图。

图5示出了根据本发明的一些实施例的楔形件和板以及光子集成电路(PIC)的示例的示意图。

图6A示出了根据本发明的一些实施例的楔形件和板、透镜和衍射光学元件的横截面图，并且图6B示出了根据本发明的一些实施例的楔形件和板、透镜和衍射光学元件的透视图。

图7A示出了根据本发明的一些实施例的楔形件、板和衍射光学元件的横截面图，并且图7B示出了衍射光学元件的透视图。

图8示出了根据本发明的一些实施例的示例衍射光学元件(DOE)的透视图以及DOE的前表面和后表面的部分视图横截面图。

图9A示出了根据本发明的一些实施例的具有发射器OPA和四个接收器OPA的PIC的透视图、楔形件和板以及DOE的透视示意图，以及安装在PIC上的楔形件、板和DOE的透视图。图9B示出了包括PIC、发射和接收光学器件以及控制设备的芯片的示例布置。

图10A和10B示出了根据本发明的一些实施例的DOE的示意图，其示出了具有两个不同波长的射束的转向。图10A示出了DOE的透视图，并且图10B示出了DOE的截面图。

图11A和11B示出了根据本发明的一些实施例的DOE的示意图，其示出了具有单个波长的射束的转向。图11A示出了DOE的透视图，并且图11B示出了DOE的截面图。

图12(i)示出了根据本发明的一些实施例的DOE的示意图，其示出了根据到达DOE的每个射束创建三个射束。

图12(ii)示出了根据本发明的一些实施例的DOE的示意图，其示出了射束在较大视场上的扩散。

图13A示出了LiDAR发射器PIC的示意图，并且图13B示出了另一LiDAR发射器PIC的示意图。

图14示出了供作为发光部件使用的OPA的示意图。

图15示出了单级OPA发射器的示意图。

图16A示出了两个1×4分光器的示意图。图16B示出了2×8分光器的示意图。

图17A示出了由1×2光学开关的树形成的1×24光学开关的示意图。图17B示出1×2MZI开关的更详细的图。

图18A示出了由包括1×3光学开关和1×2光学开关的树形成的1×24光学开关的示意图。图18B示出了1×3MZI开关的更详细的图。

图19示出了由基于1×24OPA的开关形成的1×24光学开关的示意图。

图20示出了由1×4MZI开关和四个基于1×6OPA的开关形成的1×24光学开关的示意图。

图21示出了LiDAR接收器PIC的示意图。

图22示出了供接收器PIC中使用的光子透镜的示意图。

图23示出了供接收器PIC中使用的一组相干接收器的示意图。

图24示出了供LiDAR收发器中使用的光源的布置的示意图。

图25示出了供LiDAR收发器中使用的光源的另一布置的示意图。

图26示出了供LiDAR收发器中使用的光源的另一布置的示意图。

图27示出了供光源中使用的可调谐激光器的示意图。

图28示出了供光源中使用的可调谐激光器的示意图。

图29示出了供光源中使用的可调谐激光器的示意图，其中RF电流I_RF1至I_RF8被输入以用于FM啁啾(chirping)。

图30示出了供调整发光部件的输出中使用以覆盖发射器的FOV的光学器件的示意图。

图31示出了覆盖45度乘45度视场的OPA的设置的示例的示意图。

图32示出了用于基于波长在方位角方向上引导光的光学器件的示例的分解图。

图33示出了具有楔形件/板折叠光学器件和衍射光学发射和收集光学元件的收发器PIC的构建。

图34示出了供在本发明的一些实施例中使用的激光器和MUX设置的示意图。

图35示出了根据本发明的包含液晶移相器的LiDAR系统。

具体实施方式

现在将参考附图讨论本发明的方面和实施例。其他方面和实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。本文中提及的所有文献均通过引用并入本文中。

现在将更详细地解释楔形件和板的效果。图4是示出在具有一系列反射镜4a-4g的楔形件2和板3中产生的效果的理论示例，其可以类似于接收/成像部件的楔形件和板中的情况。

由图4中的箭头指示的光束入射在透镜和光栅1上，并且在楔形件的前表面2a处进入楔形件2，并且行进到后表面2b，在后表面2b处，光束从反射镜4a反射。楔形件的后表面2b从前表面2a倾斜，因此当射束从反射镜4a反射时，射束被引导朝向从楔形件的较厚端延伸的板。在从反射镜4a反射之后，射束行进返回通过楔形件2到达前表面2a，在前表面2a处，射束从反射镜4b反射，然后行进通过楔形件2和板3，在楔形件和板的前表面2a、3a和后表面2b、3b上从反射镜4c、4d、4e、4f和4g反射。

当入射束从彼此不平行的反射镜序列反射时，射束相对于顶表面的垂线的角度增加，并且射束偏移并且能够通过长的工作距离。该原理可以使用在楔形件2和板3的前表面和后表面上的三个长连续反射镜(而不是一系列离散反射镜)来实现。

在成像/接收部件中的楔形件和板中，图4中的理论示例的反射镜由楔形件2和板3的前表面和后表面形成。表面2a、2b、3a、3b可以使用全内反射(TIR)反射光，或者表面中的一个或多个可以涂覆有高反射(HR)涂层。

可以使用TIR代替楔形件的前表面2a上的反射镜，以便允许光进入楔形件。楔形件2的前表面2a可以具有抗反射(AR)涂层，以改进光到楔形件中的耦合。然后，光被保持在楔形件2中，因为当光返回到前表面时，前表面2a上的入射角已经通过来自楔形件的倾斜后表面2b的反射而增加。取决于所使用的材料和角度，TIR也可以用在其他表面2b、3a、3b中的一个或多个上。例如，可以省略板的前表面3a和后表面3b上的HR涂层，其中TIR用于将光保持在板中。

楔形件和板结构允许入射的外部光耦合到楔形件中，但是然后在其以与法线成增加的角度撞击楔形件的前表面时被捕获在楔形件和板中，其中该角度超过TIR的临界角。

如果底部成角度反射镜是HR涂覆的(不依赖于TIR)，则楔形角可以等于用于楔材料的TIR临界角的至少一半，以将光保持在楔中。对于依赖于TIR的底表面，楔角可以至少等于楔形件材料中的TIR临界角，以将所有光保持在楔形件中。为了使楔形件是薄的，可以使用小的楔形角，并且因此可以使用楔形件的后表面的HR涂层，因为它可以导致较小的楔形角和较薄的楔形件。楔形件前表面也可具有转向膜。

图5中示出了楔形件的典型实现方式，其中楔形件2由指数为2或更大的高指数材料(例如Si)制成，以产生具有小临界角的TIR。底表面2b是高反射(HR)涂覆的(例如，金属或多层)，并且顶表面2a是抗反射(AR)涂覆的，以允许所有入射光传递到楔形材料中。AR涂层不影响界面的TIR属性。对于Si，临界角约为16.8°，因此楔角约为8.4°。对于10mm的捕获孔A，楔形件厚度像楔形角的切线一样增长，并且在这种情况下为1.5mm厚，并且长达20-40mm，因此楔形件和板的使用将折叠20-40mm高度，这在例如图3B的布置中可能需要为1.5mm厚度。

如图5所示，板3从楔形件2延伸，使得射束b1和b2传播通过楔形件并通过板。由于楔形件的后表面2b的多次反射，射束b1将在板3中以更水平的角度传播，其在每次反射时产生更接近水平传播的射束，而不是射束b2，射束b2在板3中以与水平成更陡的角度传播，因为它已经看到楔形件的后表面2b的较少反射。因此，射束b1在楔形件2中传播更长，但是在板3中传播更少(因为它更水平)，而射束b2在楔形件2中传播更少，并且在板3中传播更多。在楔形件的薄侧进入的射束b1的总传播距离可以近似等于在楔形件的厚侧进入的射束b2的总传播距离，这取决于楔形件和板的长度。在这种情况下，相等的距离意味着距离之间的差小于透镜的焦深。

在板的端处，射束从板的端表面3c反射，该端表面3c倾斜以便将射束朝向板的后表面3b引导并从板出来到达PIC。端表面3c可以是HR涂覆的或者可以依赖于TIR以将射束朝向板的后表面3b反射。如果板的后表面3b是HR涂覆的，则HR涂层中可能存在间隙，以允许从端表面3c反射的光通过板的后表面3c。无论后表面3b具有HR涂层还是依赖于TIR，都可以在后表面3b的区上提供AR涂层，光通过该AR涂层传递到PIC接收器，以便一旦光从端表面3c反射，就最大化光通过后表面3b的透射。

当在收发器中使用楔形件和板布置时，接收的光可以行进通过楔形件和板，以便如上所述地折叠工作距离，但是对于不存在等效工作距离来折叠的发射的光，这可能不是需要的。因此，发射的光可以通过楔形件而不是板。例如，光可以遵循从PIC发射器8到楔形件2b的后表面、通过楔形件2并且离开楔形件2a的前表面的发射光程。这可以在图6A和7A中看到。为了减少发射的光的损失，可以通过楔形件2提供物理孔，或者可以通过将楔形件2的后表面2b的涂层从HR涂层局部改变为AR涂层来通过楔形件2提供虚拟孔，其中发射的射束传播通过楔形件2。

为了使发射和接收光程同轴，从而避免视差误差，发射的射束通过楔形件2的中心，如图6A和6B所示。

在其他实施例中，发射器可以与成像部件分开提供。在这样的实施例中，不需要楔形件中的虚拟或真实孔，并且因此楔形件中接收的光的损失减少。在这种情况下，接收的光和发射的光可以不是同轴的，并且系统可以被配置为在接收的信号的处理期间计及视差误差。在这些实施例中，楔形件和板布置可以用于使PIC接收器远离PIC发射器偏移。在这些实施例中，楔形件和板件布置仍然提供工作距离折叠并且因此系统的高度减小的优点。

在图6A和6B中示出了楔形件和板在3D激光成像部件中的使用以及透镜和DOE。稍后将更详细地解释透镜和DOE。在一些实施例中，本文中描述的DOE和透镜可以在没有楔形件和板的情况下使用，例如在其中收发器的厚度可能较大的应用中使用。

在图6A和6B所示的示例中，DOE 5和透镜6安装在楔形件的前表面2a上。发射器8使用波长扫描来扫描竖直方向或方位角范围(在图6A和6B所示的横截面中的页面平面中)，并且使用OPA来扫描水平方向或极角范围(在图6A和6B所示的横截面中垂直于页面的平面)以引导光。光遵循从发射器8通过校正光学器件并且然后在后表面2b处进入楔形件2的光程。然后，光行进通过楔形件2并在前表面2a处离开楔形件。然后，光行进通过透镜6和DOE 5，其中通过根据其波长调整光的方位角分量，通过衍射在竖直方向上产生不同波长的多个射束。

在其他示例中，可以提供楔形件中的孔，使得发射的射束不进入楔形件。在图6A和6B中的示例中，发射光程行进通过楔形件的前表面的中心。

来自多个方向的反射光到达DOE 5的前表面，并通过DOE 5和透镜6行进到楔形件的前表面2a。在该示例中，楔形件的前表面上的接收光程的区在楔形件的长度方向上位于楔形件的前表面处的发射光程的相对侧上，使得在楔形件的前表面上，接收光程的区比发射光程更靠近楔形件的薄端，并且接收光程的区比发射光程更远离楔形件的薄端。

然后，光通过楔形件行进到后表面2b，在后表面2b，光由于TIR或由于后表面上的HR涂层而反射。楔形件的后表面从前表面倾斜，并且因此以上述方式将光朝向楔形件的厚端和板3引导。在板的远离楔形件的端处，光通过端表面3c被引导朝向板的后表面，端表面3c与板的后表面3b形成小于90度的内角。然后，光离开板并朝向接收器行进。在该示例中，接收器包括4个OPA。

在图6A和图6B的示例中，楔形件2和板3可以由硅制成，并且板3为0.5mm至2mm厚。从板的后表面到DOE 5的前表面的光学器件的厚度在2mm和4mm之间。光学器件的宽度在5和20mm之间，例如在5和10mm之间。在其他实施例中，可以使用不同的尺寸来适应收发器的应用。

图7A示出了楔形件2和板3在3D激光成像接收器光学器件中的类似使用以及DOE15。图7A中的3D射束转向在第一维度(作为FOV的极角范围)和第二维度(作为方位角范围)中使用一个或多个OPA，通过变化激光的波长并从DOE 15衍射来处理。

图7A示出了楔形件2和板3，楔形件2和板3形成为单个集成部件。板的离楔形件最远的端表面3c与板的后表面3b形成小于90度的内角。端表面3c可以涂覆有HR涂层，以便形成反射镜。包括四个接收器OPA 7的接收器位于PIC上的板的后表面3b后面。发射器OPA 8位于PIC上的楔形件的后表面2b后面。DOE 15位于楔形件的前表面2a处，并且具有透射区15t和四个接收区15r₁、15r₂、15r₃、15r₄。下面将更详细地描述DOE。

在图7A的示例中，板和楔形件具有小于1mm的高度、约20mm的长度和约10mm的宽度。DOE 15安装在楔形件2的前表面上。DOE表面约为10mm×10mm。在其他实施例中，可以使用不同的尺寸来适应收发器的应用。

接收的光到达DOE 15的前表面并且通过DOE 15的接收区15r₁、15r₂、15r₃、15r₄到楔形件2的前表面2a。然后，光通过楔形件到达后表面2b，在后表面2b处，光经由TIR或由于后表面上的HR涂层而反射。如上所述，由于楔形件的后表面2b的倾斜，光被引导朝向板。然后，光通过楔形件2和板3，并且通过来自楔形件和板的前表面2a和3a以及后表面2b和3b的反射而维持在楔形件和板中。当光到达板的远离楔形件的端时，光从端表面3c反射并且被引导朝向板3的后表面3b。光从板3离开传递到接收器OPA 7。

待透射的光从发射器OPA 8传递到楔形件的后表面2b并进入楔形件中。如果出于将所接收的光保持在楔形件中的目的在楔形件的后表面2b上使用HR涂层，则该涂层可以不存在于楔形件的后表面的区中，待透射的光通过该区，使得光可以有效地进入楔形件中。然后，待透射的光通过楔形件2到达前表面2a并离开楔形件。然后，光通过DOE的透射区15t并进入待测量的环境中。

图9A示出了在PIC 10的顶部上使用楔形件和板来收集光，将其集中并聚焦到(一个或多个)接收器OPA 7上。PIC 10包括四个接收器OPA 7和发射器OPA 8。楔形件2和板3位于PIC上，使得楔形件2覆盖发射器OPA 8，并且板的端覆盖接收器OPA 7。DOE 15位于楔形件2的前表面上。DOE 15位于楔形件的前表面2a处，并且具有透射区15t和四个接收区。下面将更详细地描述DOE。这种布置提供了低轮廓(low profile)收集和发射光学器件。

接收的光到达DOE 15的前表面，并且通过DOE 15的接收区到达楔形件2的前表面，然后通过楔形件和板，如上所述。当光到达板的远离楔形件的端时，光从端表面3c反射并且被引导朝向板3的后表面3b。光从板3离开传递到接收器OPA 7。在其他实施例中，可以使用不同类型的(一个或多个)接收器来代替OPA 7。

待透射的光从发射器OPA 8传递到楔形件的后表面并进入楔形件中。如果出于将所接收的光保持在楔形件中的目的在楔形件的后表面2b上使用HR涂层，则在楔形件的后表面的区中不存在该涂层，待透射的光通过该区，使得光可以传递进入楔形件。然后，待透射的光通过楔形件2并通过楔形件的前表面离开楔形件。然后，光通过DOE的透射区15t并进入待测量的环境中。

在该示例中，发射器OPA 8和接收器OPA 7具有对应的设计，例如，相同数量的臂波导以及对应数量的输入波导和输出波导。接收器和发射器OPA可以用相同的控制元件(例如DAC)来控制。它们用于同时在相同方向上发射/接收，即它们保持对齐。在该示例中，OPA是1D的并且处理极角范围中的扫描。扫描方位角范围不需要主动控制，因为从发射器发送出的波长在返回到接收器时将由同一光栅以该竖直角度自然地恢复。方位角以波长编码。

图9B示出了包括PIC 10、发射和接收光学器件35以及控制设备36的芯片30的示例布置。PIC 10具有发射块32和接收块33以及包括发射器OPA和接收器OPA的射束转向和接收块34。控制设备36可以是电子集成电路(EIC)，其可以控制、驱动、接收来自光学部件的输出和/或为光学部件提供数据接口。PIC 10和控制设备36安装在诸如PCB的基板上，并且发射和接收光学器件35安装在PIC上。发射和接收光学器件包括板3、楔形件2和DOE15，如图9A所示，并且楔形件覆盖发射器OPA，并且板覆盖接收器OPA。来自发射器OPA的光行进通过楔形件和DOE，并且接收的光行进通过DOE、通过楔形件、通过板并到达接收器OPA。在该示例中，提供4个接收器OPA并且使用1个发射器OPA，但是在其他示例中，可以选择OPA的数量以匹配性能要求。此外，可以取决于性能要求来实现其他类型的发射器和接收器。PIC 10上的发射块32包括激光器和波导，以产生要由发射器OPA发射的光。PIC10上的接收块33包含处理由接收器OPA接收的光的光子电路。芯片30可以是大约5至10mm宽，但是尺寸可以根据性能要求而变化。

图3A和3B中所示的透镜和DOE可以与本发明的一些实施例的楔形件和板组合应用。接收器是OPA接收器，并且所示的发射器是OPA发射器，但是可以使用其他类型的接收器。所示的OPA是1D OPA，意味着所有波导小面都在单条线上(平行于图3B中的x轴)。在图3A和3B中，使用DOE和透镜。在图3B所示的示例中，所接收的光在通过透镜之前通过DOE。可以使用(一个或多个)DOE和(一个或多个)透镜的其他布置来代替或附加于根据应用的要求示出的那些布置(例如，可以进行改变以调节范围或分辨率)。也可以考虑其中接收的光首先通过透镜然后通过DOE的解决方案，尽管在后一种情况下，DOE可能更复杂。

透镜可以用于将入射在透镜孔径(～10mm×10mm)上的所有光成像成针对耦合到PIC波导中而优化的光斑尺寸(10μm×10μm或更小)。在xy平面中，接收的光的图像的位置将取决于xy平面中的入射角，如由图3B所示。通常，孔直径D(例如10mm)的透镜的焦距至少是孔直径(或在我们的示例中为40mm)的4倍。由于接收的光来自对于大多数成像应用来说足够远的地方，因此其可以近似为平面波，因此聚焦的图像将处于工作距离处，出于所有实际目的，该工作距离等于焦距。对于该示例，对于具有D＝10mm和f＝40mm的透镜可实现的光斑尺寸具有大约5-6μm的FWHM(对于1550nm范围内的波长和在空气中测量的光斑)。

透镜可以位于楔形件前表面的前面，如图4、图7、图8和图9A所示。透镜可以位于DOE和楔形件的前表面之间，如图6A和6B所示，可以与DOE集成，如图4、7和9A所示，或者可以位于DOE的前面，该DOE位于楔形件的前表面的前面。当透镜集成在DOE中时，它可以集成为菲涅耳透镜，如图7A和7B所示。

透镜不需要是圆形透镜，这意味着在一些实施例中，xy平面中的焦距与yz平面中的焦距相同。2个焦距中的一个甚至可以是无限的，导致圆柱透镜在yz或xy平面中操作。

另外，可以在板的后表面和接收器之间使用另一个透镜，可能是圆柱形或微透镜阵列。圆柱透镜可以沿着第一透镜的相同维度或其他维度操作。

如上所述，可以在LiDAR系统中提供诸如DOE的一个或多个光学部件，以调整、聚焦和/或校正光，以所需的方式扫描FOV。DOE的接收区还可以基于光的波长来调整接收的光的方位角分量。

为了在具有同轴发射和接收光程的LiDAR系统中调整光，可以提供DOE，其具有在其中心的透射区和分布在透射区的相对侧上的接收区。DOE具有前表面和与前表面相对的后表面，并且发射的光从后表面通过DOE行进到前表面，并且接收的光从前表面通过DOE行进到后表面。DOE可由多于一个单独部件形成。透射区可以包括空对空光栅，以便从来自发射器的一个射束创建多个射束。DOE还可以包括在透射区和/或接收区中的透镜元件和/或校正光学器件。这里描述的衍射光学元件可以通过3D激光光刻来产生。接收区可以由DOE的90％或更多提供。

接收区将在DOE的前表面处接收的光调整到DOE的后表面处的输出角度。光的转向程度取决于波长。

接收区可以根据波长(图3B中的平面yz)仅调整光的分量，例如，光的角度的方位角分量。接收区可以被配置为使得接收的光的角度的极分量(图3B中的平面xy)在光行进通过DOE时是恒定的。可替代地，接收区可以被配置为独立于光的波长而更改角度的极分量。可替代地，接收区可以被配置为根据光的波长来更改角度的极分量。

在使用OPA和波长扫描方法对FOV进行采样的LiDAR系统中，发射的光的角度的方位角分量可以取决于光的波长。光从环境反射，并且接收的光的角度的方位角分量类似地取决于光的波长。DOE的接收区被配置为根据波长来调整接收的光的方位角分量，以使来自跨FOV的方位角范围的接收的光具有共同的方位角分量，使得它可以入射在一个1D OPA接收器上，如图10A和10B所示。接收区保持接收的光的角度的极分量，因为光的角度的极分量取决于发射器中的OPA转向而不取决于波长。极化分量可以由OPA接收器在空间上解码。可以在DOE处接收来自不同极角和/或方位角的多个同时射束，并且根据它们的波长同时调整这些射束。

DOE的透射区可以被配置为根据其波长来调整光的角度的方位角分量。发射的光可以替代地或另外地由PIC发射器中的光栅发射体基于其波长来调整。使用PIC发射器中的光栅发射体提供对波长的角度依赖性可能比在DOE中具有该功能有效。在透射区中，DOE可以简单地让光行进通过DOE而没有相互作用。透射区可以被配置为对从后表面行进到前表面的射束进行整形和/或改进射束的转向效率和/或校正角度发射的光。

DOE和透镜的接收区的操作由图3B以及图10A和10B示出。图3B中的左上图示出了来自视场的DOE、透镜和PIC的视图。xz平面平行于DOE的前表面。右上图示出了通过第二平面(标记为xy)中的DOE、透镜和PIC的侧横截面图，其中光由发射器中的OPA引导。左下图示出了通过第一平面(标记为yz)中的DOE、透镜和PIC的侧横截面图，其中光根据其波长被引导。xy平面示出了光的极分量如何被调整，yz平面示出了光的方位角分量如何被调整。

虚线箭头描绘了从FOV中的第一位置到达DOE的光，其中方位角分量为W1并且极分量为O1。实线箭头描绘了从FOV中的第二位置到达DOE的光，其中方位角分量为W2并且极分量为O2。

如右上图所示，光的角度的极分量确定光到达PIC接收器的位置。接收的光所源自的FOV中的极角被编码在光到达的接收器上的位置中。

如左下图所示，DOE调整光的方位角分量，使得射束具有共同的输出方位角分量。从取决于光的波长的不同方位角入射角接收光，并且DOE基于波长以与DOE的PIC发射器和/或透射区互补的方式调整光，使得不同波长的光以共同的方位角分量离开DOE的后表面。DOE可以包括透镜特征以将接收的光聚焦在(一个或多个)接收器上。在这种情况下，来自DOE的接收的光的输出方位角分量可以取决于DOE上的位置，以便将光聚焦在接收器上，但是输出方位角分量仍然被认为是共同的，因为它们被引导到共同的接收器。

透镜将光聚焦到接收器上。楔形件和板也可以以上述方式设置在透镜和PIC之间。

因此，第一射束和第二射束(实线箭头和虚线箭头)都到达PIC上的同一接收器。每个射束(W1和W2)的入射角的方位角分量不影响在PIC上接收射束的位置。接收的光所源自的FOV中的方位角被编码在光的波长和/或给予PIC发射器中的射束的啁啾中。

入射角(yz平面)的方位角分量与光的波长对应，并且DOE中的光栅将方位角(yz)入射角分量转换为独立于波长的单个后光栅方位角分量(在图3B、左下图中示出为竖直)。因此，透镜将yz平面中的所有入射方位角聚焦到单条线上(示出为与x轴平行，该轴垂直于图3B中的yz平面)。

光栅不需要沿z在yz平面中操作，它可以沿x操作在xy平面中操作。光栅在其中转向角由波长控制的平面中操作。当使用楔形件时，楔形件的长度的方向可以在方位角可以被调整的方向上。以这种方式，DOE可以被配置为使得公共输出方位角分量处于从垂直于楔形件的前表面并且朝向楔形件的厚端倾斜的角度，使得所有光都保持在楔形件中。可以在一个方向上使用光栅，而在正交方向上使用圆柱透镜。

图10A和10B图示了DOE的接收区，其示出了八个入射射束。图10A示出了DOE接收区和接收器以及两组射束的示意性透视图，所述组具有彼此不同的波长和不同的入射方位角分量，每组具有四个射束，所述四个射束具有不同的极角分量。图10B示出了其中可以观察方位角分量的横截面图。

在图10A和10B中，八个射束同时入射在DOE上。八个射束覆盖由(一个或多个)OPAPIC发射器管理的四个不同极角分量(O1、O2、O3、O4)和已经由PIC发射器和/或DOE的透射区(为简单起见未示出)中的射束的衍射产生的两个不同方位角(W1、W2)。

DOE的接收区根据射束的波长来调整射束的方位角分量，使得方位角分量W1、W2中的每一个被转换成相同的输出方位角分量，因此所有射束将被引导到相同的接收器。不同波长的射束的原点在发射器中产生的波长和/或编码中被编码，因此在接收器中不需要不同波长的射束之间的空间分离。维持不同的极分量，使得在OPA接收器上的不同位置处接收具有不同极分量的射束，并且可以以这种方式确定接收的光的入射角的极分量。

接收区可以包括多个子区。子区中的每一个可以被配置为调整来自环境的相应不同方位角或极角的光。这可能是有利的，因为DOE的每个子区然后仅需要处理较窄的角度范围，这可以容易地设计每个子区DOE。如果使用两个子区，则每个子区可以被配置为调整从FOV的相应一半接收的光。

例如，如果提供四个子区，并且FOV的方位角范围是从与垂直于接收表面的方向呈-90度至+90度，则第一子区可以被配置为调整从方位角接收的光，所述方位角在与DOE的前表面的法线呈-90度和-45度之间，第二子区可以被配置为调整从-45度和0度之间的方位角接收的光，第三子区可以被配置为调整从0度和+45度之间的方位角接收的光，并且第四子区可以被配置为调整从+45度和+90度之间的方位角接收的光。同时+/-90度的发射角可能正好是不可能的；这里我们指的是尽可能接近90度的角度。

在另一示例中，如果提供四个子区并且FOV的方位角范围是从-45度到+45度，则第一子区可以被配置为调整从方位角接收的光，所述方位角与DOE的前表面的法线成-45度和-22.5度之间，第二子区可以被配置为调整从-22.5度和0度之间的方位角接收的光，第三子区可以被配置为调整从0度和+22.5度之间的方位角接收的光，并且第四子区可以被配置为调整从+22.5度和+45度之间的方位角接收的光。

在一些实施例中，DOE的透射区可以被配置为分离发射的光以便产生多个射束，多个射束中的每一个具有不同的方位角分量。在这些实施例中，当一个射束在透射区中的后表面处进入DOE时，多个射束将离开透射区的前表面，每个射束具有不同的方位角分量。例如，当PIC发射器不能产生足够宽的波长范围以覆盖期望的FOV的角度范围时，这可能是有利的。由(一个或多个)光栅发射体发出的(一个或多个)射束可以各自被分成在不同方向上行进的多个射束，使得可以对期望的FOV的整个角度范围进行采样。

例如，如果PIC光栅发射体可以发出15度角度范围内的射束，并且期望的FOV为45度宽，则DOE的透射区可以被配置为将每个射束分成三个射束，三个创建的射束相隔15度。以这种方式，可以对整个期望的FOV进行采样。

这在图12(i)中示出，其中射束由PIC发射器中的光栅发射体在方位角的第一范围上引导。然后，射束到达DOE的后表面，并且DOE从行进通过DOE到前表面的每个射束创建多个射束，所创建的射束在第二、更大的方位角范围上被引导。在图12(i)中，DOE从到达后表面的每个射束创建三个射束，使得第二方位角范围是第一方位角范围的三倍宽。

当DOE用于创建在不同方向上行进的相同波长的多个射束时，这些多个射束可以在它们经由DOE的接收区被接收时保持分离。因此，接收区可以被配置为将相同波长的多个射束中的每个射束的光调整到不同的输出角度，如图11A和11B所示。

图11A示出了DOE接收区和接收器以及两组射束的示意性透视图，该组具有彼此相同的波长，但是具有不同的入射方位角，每组具有不同极角的四个射束。图11B示出了允许看到方位角的横截面图。

在该图中，八个射束同时入射在DOE上。八个射束覆盖由(一个或多个)OPA PIC发射器管理的四个不同极角分量(O1、O2、O3、O4)和通过在DOE的透射区中创建射束而已经产生的两个不同方位角分量(W1、W2)(为简单起见未示出)。DOE根据射束的波长来调整射束的方位角分量，使得方位角W1、W2中的每一个被转换成不同的输出方位角，并且因此将被引导到不同的接收器。当由具有相同波长和不同方位角分量的透射区创建射束时，DOE的接收区将这些射束引导到不同的PIC接收器，使得可以识别FOV中射束所源自的方向。

在一些实施例中，还可以同时接收多于一个波长，使得图10和图11中所示的机制同时发生。

以图11A和11B的方式创建多个射束的优点在于，同时发射相同波长的多个射束意味着可以同时测量视场中的若干点，从而提高采样率。

DOE可以被设计为具有子区，该子区被布置为从一方向接收并使调整光，由DOE的透射区向所述方向发送分离的发射的射束。以这种方式，多个接收的射束可以被调整并聚焦到不同的PIC接收器，诸如具有如图7A和7B所示的四个不同透镜的OPA，或者作为单个较大的接收透镜，以便收集更多的光。由于四个射束将具有不同的方位角分量，因此在相同的波长下，它们可以由DOE引导到不同的接收器线(参见图3A中的x线)。以这种方式，系统可以借助于接收器来区分四个射束，其聚焦在所述接收器上。

图6和图7中所示的光学器件中的DOE各自具有位于发射光程中的透射区和位于接收光程中的接收区，透射区用于创建多个射束和/或调整待透射到待成像环境的光和/或使待透射到待成像环境的光成型，接收区用于调整接收的光以确保其被引导到PIC接收器。透射区可以在DOE的中心，并且接收区可以在如图7A和7B所示的所有方向上或仅在如图6A和6B所示的竖直方向(方位角分量的方向)上围绕透射区。

图6A和图6B和图7中所示的DOE具有四个子接收区，每个子区被配置为调整来自FOV内的方位角分量的不同子范围的光，以便将来自方位角分量的该子范围的光引导到相应的接收器。在图6A和6B中，接收子区和透射区在竖直方向(方位角分量的方向)上线性布置，其中两个接收子区5r₁和5r₂，之后接着透射区5t，之后接着其他的两个子接收区5r₃和5r₄。子区可以被配置为将光从其相应的角度的子范围调整到多个接收器中的相应接收器。这可以是当透射区用于创建具有不同方位角的多个射束时的情况，使得具有相同波长但源自不同方位角的多个射束各自到达不同的PIC接收器。在其他实施例中，整个接收区可以被配置为将光从FOV的方位角范围内的任何方位角调整到一个接收器。

在图7A和7B中，透射区位于方形DOE的中心，并且四个接收子区布置在透射区周围，每个接收子区位于邻近DOE的相应角。

在图6A和图6B以及图3A中，DOE在中心具有条带或矩形区，其调整来自发射器的入射束，可以将其分成多个射束，校正方向和/或准直，并且还可以提供方位角波长依赖性以根据发射器波长调整多个射束。由于发射的射束不水平地通过楔形件，因此发射光学器件的工作距离可以比接收光学器件的工作距离短得多，例如，大约2-5mm。

相位板可用于DOE中以提供许多设计自由度，如例如图7A和7B(其中透镜功能已集成在衍射光学元件中)和图8中所示。图7A和7B示出了组合波长依赖性、射束整形、聚焦、空间多路复用和射束分离的单个DOE。图8示出了可以通过DOE的两个部分由DOE执行的三个功能。在该示例中，DOE的前表面10a是波长敏感衍射光栅，并且后表面10b是射束转向结构。

注意，波长相关光栅可以被产生为闪耀光栅，其可以被认为是许多折射元件。射束分离和聚焦(波长无关函数)可以最好地用阶梯状相位板图案产生，其中每个特征为约1μm正方形并且高达一个波长深，如图8所示。当设计这样的相位板时，相位板中的深度阶梯的数量被选择为满足所需的应用FOV和分辨率(以与OPA中的发射体的数量的选择类似的方式)。转向和聚焦元件也可以并入DOE中或用作附加元件，以便将光引导到所需的PIC接收器。

图8示出了DOE的示例，其示出了DOE可以被认为具有三个单独的功能。图8中所示的示例DOE具有两个单独的元件部分：前表面提供波长敏感衍射光栅，并且后表面以类似于OPA的方式提供射束转向。DOE的后表面还提供射束聚焦。在其他示例中，波长敏感衍射光栅可以由后表面而不是前表面提供。射束转向可以由前表面而不是后表面提供。射束聚焦可以由前表面代替后表面或以及后表面来提供。或者，射束的聚焦可以由单独的透镜提供，在这种情况下，DOE可以不提供射束的聚焦。

在一些实施例中，诸如透镜之类的光学器件可以用于将发射的光扩散到更大的视场上，如图12(ii)所示。例如，当PIC发射器不能产生足够宽的波长范围以覆盖期望FOV的角度范围时，这可能是有利的。如果PIC发射器可以在有限的角度范围内发出射束，并且期望的FOV是更大的角度范围，则光学器件的透射区可以被配置为增加角度，发射的光以所述角度行进。以这种方式，可以对整个期望的FOV进行采样。

例如，如果PIC光栅发射体可以在15度角上发出射束，并且期望的FOV为45度宽，则光学器件的透射区可以被配置为将角度增加三倍，发射的光以所述角度行进。以这种方式，可以对整个期望的FOV进行采样。

图32示出了用于引导光的方位角分量的光学器件的示例。下部部件示出了接收区和透射区，透射区在中心并且被接收区包围。该下部部件在发射器的(一个或多个)发光部件的前面，并且也可以在楔形件的前面。透射区被配置为在方位角方向上使光准直并且使发光部件中的每个OPA的极FOV变窄，例如从90度变窄到7.5度，从而导致0.1度的分辨率。接收区用作透镜以聚焦所接收的光。

中间分量是衍射光栅，其根据光的波长来调整光的方位角分量。这有效地对发射的光的方位角分量进行解复用，并且对不同波长的接收光的方位角分量进行复用。

上部分量增加了发射的光的方位角分量并且减小了接收光的方位角分量，从而加宽了FOV。例如，FOV的方位角分量可以从15度增加到45度，其中分辨率从0.03度降低到0.1度。

在一个示例中，实现覆盖100nm波长调谐的32个激光器，意味着每个激光器调谐约3.2nm。这可以通过具有硅光栅和加热器的DBR激光器的大约42度的加热实现。在图12(i)的方法之后，FOV中的每点0.67nm的步长实现了150个不同的角度，这提供了0.1度的平均像素宽度。在图12(ii)的方法之后，FOV中的每点0.22nm的步长实现450个不同的角度，这提供0.1度的平均像素宽度。

图13A示出了供LiDAR发射器中使用的发射器PIC架构的示例。提供来自至少一个激光器的光的光源41向光学开关42供应光，光学开关42具有来自光源的输入和向发光部件45供应光的多个输出。发光部件45具有多个输入和多个发射体，并且发光部件被配置为在多个发射角上选择性地发出射束，所述多个发射角在FOVθ_FOV的极角范围内具有不同的相应极分量。

图13B示出了供LiDAR发射器中使用的发射器PIC架构的示例。由至少一个激光器形成的光源41向光学开关42供应光，光学开关42具有来自光源的输入和向分光器43供应光的多个输出。然后，分光器43将光供应给OPA发光部件45。图13B的示例具有分光器，这意味着可以同时在不同方向上发出多个射束，从而提高采样速度。然而，在其他实施例中，诸如图13A中所示的实施例，可以不使用分光器。

在图13B的示例中，光源41是同时提供四个不同波长的可调谐发射器。这意味着可以同时对四个方位角进行采样，从而提高LiDAR发射器PIC的扫描速度。在其他实施例中，取决于期望的应用，可以同时发射仅一个或任何其他数量的波长。在其他实施例中，(一个或多个)激光器可以被提供在与其他部件不同的芯片上，并且光源可以是可连接到(一个或多个)单独激光器的(一个或多个)输入波导。

光源通过同时承载四个波长的波导耦合到开关。在其他实施例中，光源可以在任何一个时间仅提供一个波长或多个波长。PIC中的波导可以能够同时承载多个波长。波导可以是宽带波导。相邻波长可以分开30nm。

光源41还输出与输出到光学开关42的(一个或多个)波长相同的波长的LO信号13。LO信号可以由接收器使用，并且将在下面更详细地讨论。

图13B的LiDAR发射器PIC具有1×24开关，但是在其他实施例中，(一个或多个)开关的输出的数量可以是不同的，并且可以被选择为适于应用。

波导将开关输出耦合到分光器的输入。光学开关42的每个输出耦合到分光器4343的相应输入。分光器的输出各自通过波导耦合到它们到发光部件45的相应输入。

图13B中的发光部件包括十二个OPA，每个OPA具有八个输入和七十八个发射体。光到达的输入确定其将被发出的粗略方向，并且OPA主动地确定精细输出角度。在图13B中，OPA具有移相器以使OPA中的光的相位偏移，以便沿着期望的极角引导射束。移相器可以是三角形移相器，例如三角形加热器。每个OPA可以以1.2度的射束宽度将光引导到六十八个不同的极角，从而给出接近90度(+/-45度)的每个OPA的极FOV。因此，用这些OPA中的十二个可解析的点的总数是816。光学器件可以用于将OPA输出中的每一个转换到作为整个θ_FOV的发射器的极FOV的子范围。

在其他实施例中，其他数量的OPA可以与不同数量的输入和发射体一起使用。OPA的这些属性可以被选择为适于发射器的应用。

图14示出了供发光部件中使用的OPA的示例。输入波导46耦合到高斯分光器47，高斯分光器47耦合到路径匹配臂波导48的阵列。三角形移相器49被布置成引起跨臂波导48的变化的相移。臂波导各自耦合到扇入(fan in)波导50中的相应一个，扇入波导50各自耦合到路径长度匹配的发射体51中的相应一个。由臂波导中的三角形移相器49赋予的相移影响来自发射体51的光的发射角。高斯分光器是99％截止分光器。在I₁和I₂处提供用于三角形移相器49的功率。

图14中的示例具有八个输入、78个臂波导和78个发射体，其可以以衍射受限的68个不同极角引导光。OPA的八个输入46中的每一个覆盖OPA的FOV的+/-5.6度(11.25度范围)，并且在臂波导48中赋予的相移用于选择赋予光的该范围内的精细方向。在其他实施例中，OPA的FOV可以被不同地分离。

图14中的三角形移相器49被“从上到尾”布置，并且能够实现高达10pi的相移。对于1550nm波长的光，对于+/-45度的FOV，发射体具有1.1微米间距。在0度处发射的射束宽度为1.2度。发射体是光栅发射体，以便允许波长转向，这将在下面更详细地讨论。

使用具有多个输入的OPA和使用多个OPA各自降低了LiDAR收发器的FOV的充分采样所需的部件的复杂性。出于比较的目的，图15中示出了单级OPA发射器。

OPA具有耦合到高斯分光器47的一个输入波导46，高斯分光器47耦合到路径匹配臂波导48的阵列。各个移相器52被布置成引起跨臂波导48的变化的相移。臂波导各自耦合到扇入波导50中的相应一个，扇入波导50各自耦合到路径长度匹配发射体51中的相应一个。由臂波导中的移相器52赋予的相移完全确定来自发射体51的光的发射角。移相器可以是加热器。

图15中的示例具有一个输入、912个臂波导和912个发射体，其可以以衍射受限的810个不同极角引导光。存在912个2pi移相器，每个移相器需要控制信号。在臂波导8中赋予的相移用于选择跨OPA的整个FOV的方向。

该图示出了与图14的分层架构相比需要更复杂的电子和系统控制的单级OPA。对于1550nm波长的光的+/-45度的FOV，图15中的OPA具有具有1.1微米间距的发射体。912个发射体给出了810个衍射受限点，其是0度处的为0.1度的射束宽度。发射体是关于图14的光栅发射体，并且波导支持四个波长以允许在方位角方向上的波长转向。

如图14所示，可以同时向发光部件提供多个输入(参见表示输入1和输入8处的同时输入的虚线和实线)。这可以使用分光器来实现。相同的(一个或多个)分光器可用于供接收器中使用的选择，这将在下面更详细地讨论。

为了更好地分离同时的射束，分光器可以耦合到发光部件，使得同时的射束不被发送到相邻的输入。在图14的示例中，这意味着在彼此分开两个的输入(例如，输入1和3)处接收的同时射束分开22.5度，并且因此在接收器处比在同时射束源自相邻的发光部件输入(这将意味着同时射束仅分开11.25度)的情况下更容易区分。

在图16A中示出了允许同时射束的这种分离的配置的示例。在该示例中，示出了两个1×4分光器43a、43b，并且输出波导O1-8交叉，以便交替地耦合到发光部件的输入。由于来自光学开关42的输入，分光器43a、43b中的最多一个将在任何一个时间被供应有光。如果顶部分光器43a由光学开关供应，则输出O1、O3、O5和O7将供应它们对应的发光部件输入，并且如果底部分光器43b由光学开关42供应，则输出O2、O4、O6和O8将供应发光部件。

在图16B中示出了替代的分光器43c。这里，分光器是2×8MMI，其中两个输入I1、I2经由分光器中的干扰供应八个输出O1-8。由于来自光学开关42的输入，输入I1、I2中的最多一个将在任何一个时间被供应有光。如果顶部输入I1由光学开关供应，则输出O1、O3、O5和O7将供应它们对应的发光部件输入，并且如果底部输入I2由光学开关42供应，则输出O2、O4、O6和O8将关于发光部件。

可以使用具有其他数量的输入和输出的其他类型的分光器来代替1×4或2×8，并且这些分光器可以被选择为适于应用。

在每个分光器的输出的数量是到发光部件中的所述或每个OPA的输入的数量的一半的情况下，来自两个分光器的输出可以交替地耦合到OPA中的一个的输入。因此，两个分光器供应发光部件中的每个OPA。这种交替原理可以同样地应用于其他数量的分光器。例如，发光部件可以由三个或四个分光器提供。当存在多个分光器时，来自每个分光器的第一输出可以顺序地连接到发光部件的输入，之后接着来自每个分光器的第二输出，以此类推，以将来自每个分光器的输出跨到发光部件的输入分离。换句话说，发光部件的相邻输入连接到不同的分光器。

如上所述，在图13A和B中，在发射器中提供1×24光学开关。相同的开关可用于供在接收器中使用的选择，这将在下面更详细地讨论。开关可以由开关树或单个开关部件形成。现在将讨论合适开关的类型的一些示例，但是开关和输出的数量可以被选择为适于应用。

图17A示出了由1×2光学开关树形成的1×24光学开关的示例。在每个级别，(一个或多个)1×2开关中的每个的输出供应在另一级别的两个1×2开关的输入。开关的级别和耦合的数量可以被布置为提供所需的输出的数量。

图17B中示出了1×2开关类型的示例。马赫-曾德尔1×2开关具有两个移相器和两个2×2MMI。在任何一个时间只有一个移相器是激活的。这些开关适合供发射器PIC中使用。它们在图17A的1×24开关中的使用需要23个1×2开关，因此需要46个移相器，但是在任何一个时间将操作最多5个移相器。

1×24光学开关的另一个示例在图18A中示出，图18A示出了由1×3光学开关和21个1×2光学开关组成的树。1×3光学开关形成第一层，其余层由1×2光学开关形成。

1×3开关的示例在图18B中示出。马赫-曾德尔干涉仪(MZI)1×3开关具有三个移相器和两个3×3MMI。在任何一个时间只有两个移相器是激活的。这些开关适合供发射器PIC中使用。图18A中所示的1×24光学开关需要45个移相器，但是在任何一个时间将操作最多5个移相器。

图19中示出了1×24光学开关的另一个示例。该开关是具有1个输入和24个输出的OPA开关。光从输入波导通过高斯分光器(99％截断高斯)行进到28路径长度匹配的臂波导。每个臂波导具有移相器。然后，光通过自由衍射区行进到输出波导，并且赋予臂波导中的光的相移确定光将到达哪个输出波导。图19中示出了臂波导与第六和第十九输出的输出波导之间的光程。所有移相器在0和2pi之间是激活的。臂波导在构造上类似于阵列波导光栅(AWG)臂，但是它们是路径长度匹配的并且在每个臂上具有移相器。

通过改变输出波导和臂波导的数量，OPA可以被设计为具有不同数量的输出。

图20示出了1×24开关的另一示例。该示例具有1×4马赫-曾德尔干涉仪(MZI)开关和四个1×6OPA开关。1×4MZI开关具有六个移相器，但是在任何一个时间只有两个在操作中。1×6OPA在构造上类似于图19中所示的OPA开关，但是在每个OPA中存在6个输出和8个臂波导以及8个移相器。第一层光学开关(在该示例中为1×4)可以是快速开关，并且OPA可以是慢速开关。以这种方式，第一层MZI开关的速度可以通过允许非激活的OPA开关在OPA中的一个是激活的时切换来利用。

开关布置的其他可能性是1×3MZI开关，之后接着3个1×8OPA开关，或1×6MZI开关，之后接着6个1×4OPA开关。

图21示出了接收器PIC的示例。接收器PIC具有光转向部件25，光转向部件25具有多个输入波导和多个输出，每个输出耦合到相干接收器29和本机振荡器(LO)源13，向光学开关22提供一个或多个LO信号。光学开关22具有输入和多个输出，并且将LO信号提供给多个分光器23中的一个，分光器23继而向相干接收器供应有LO信号。

对于上述发射器，接收器的其他实施例可以不具有分光器，在这种情况下，LO信号可以从光学开关直接供应给相干接收器。输入与输出的分光器比在接收器中与发射器中将是相同的，使得接收器可以处理由发射器产生的所有同时射束。

图21中的示例具有接收器光学器件28，其将FOV上的射束的入射角的极分量转换到输入波导27中的一个。光学器件28还引导入射角的方位角分量，以便将接收的光耦合到输入波导中。输入波导28将光传送到一层平面Si光子透镜，每个透镜具有78个接收器。这将输入波导转换成用于光转向部件的OPA的输入角。下面将更详细地讨论光子透镜。

然后，光进入光转向部件的OPA，该光转向部件被设置为以与发射器的发光部件相对应的方式“取消调整(unsteer)”光。光转向部件处理精细调谐转向并将光引导到光转向部件的输出中的一个。光到达的光转向部件的输出对应于发射器处的发光部件的输入，使得可以确定光的入射角的极分量。

当由发射器以不同的极角发出多个同时射束时，它们在接收器处被分离，因为它们将被调整到光转向部件的不同输出，每个输出连接到相干接收器中的不同光电检测器。

然后，光到达相干接收器，其中可以通过与从发射器的光源接收的LO信号拍频(beat)来检测信号。

在其他实施例中，LO源可以从独立源(不是从发射器)供应。

在图21所示的示例中，接收器上的光的入射角的816个离散极分量由接收器光学器件28引导到816个输入波导27。这些输入波导各自耦合到十二个光子透镜26中的一个的输入，每个光子透镜26具有78个输出。来自光子透镜26的输出耦合到光转向部件的输入，该光转向部件由十二个OPA组成，每个OPA具有78个输入波导和8个输出波导。光转向部件的每个输出耦合到相干接收器，该相干接收器也接收LO信号输入。当由于发射器中的1×4(或2×8)分光器而由发射器发出四个同时射束时，每个射束具有不同的极角分量，接收器OPA的八个输出波导中的仅四个输出波导承载光。这4个输出中的每一个连接到不同的光电检测器电路。

光子透镜的示例在图22中示出。透镜采用68个输入波导30，在任何一个时间只有一些波导承载光，并且在78个波导31上输出光，波导31形成到光转向部件中的OPA的输入。透镜以99％截断的高斯方式将来自单个输入波导的光分布在78个输出上。来自输入波导n₁和另一输入波导n₂的光程在图中作为示例示出。

输出波导31是与圆路径长度的，并且输入波导30在罗兰圆上是路径长度匹配的。波导的数量可以被调整为适于所需的应用和FOV。

图23示出了相干接收器29的示例集合。在图21的示例接收器中，提供了这些接收器集合中的十二个；一个用于十二个OPA中的每一个。LO信号13由分光器23分离，然后到达相干接收器。如上面关于发射器所讨论的，分光器可以具有任何数量的输出以适应应用，但是在该示例中，分光器具有两个输入和八个输出。在任何一个时间，只有一个输入将承载光。输出交叉以便向相干接收器供应交替输入。

相干接收器被布置成使得来自光转向部件的四个信号输入和对应的LO信号输入到达相同的相干接收器和相干接收器中的相同MMI。两个输入之间的拍频导致光电检测器处的信号。

每个相干接收器具有一对多模干涉分量32(MMI)，每个MMI具有相干接收器的LO输入中的一个和信号输入中的一个，并且该对中的两个MMI输出到一个或多个公共光电检测器33。由于分光器的交替布置，该对中的两个LO输入各自耦合到光学开关的不同输出。因此，在任何一个时间只有一对MMI中的一个将是激活的。这种布置允许对相干接收器进行更多使用并减少所需部件的数量。光电检测器的输出被路由到跨阻抗放大器(TIA)以放大信号。如果光电检测器连接到多于一个MMI，则系统可以被配置为使得在任何一个时间只有一个MMI承载来自LO的光。此外，如果MMI承载LO光，则MMI的对应信号输入承载来自接收射束的信号。

图21中的接收器中的OPA层在结构上与关于图14描述的OPA相同，但是相反地使用。图21的接收器中的开关和分光器在结构上也与关于图16A至图20描述的那些相同。

发射器中的光源可以由一个或多个激光器134提供。激光器134的布置的示例在图24至图29中示出。如上所述，可以提供不同的波长，使得FOV的方位角分量可以通过波长相关的转向来采样。在图24的示例中，提供四个单独的激光器，使得可以同时提供四个波长的光。四个激光器134提供总共32个不同的粗略波长。每个激光器可在覆盖总共32个波长的子范围的八个不同波长之间调谐。

激光器134各自具有在用于发射器的光源与用于接收器的LO源之间分离的输出。

在光在LO源和光源之间分离之后，来自所有激光器的光由频带多路复用器(MUX)135多路复用，以便由作为光源的单个波导承载。LO源的光也由频带多路复用器136多路复用，以由单个波导作为LO源承载。

来自每个激光器134的光由相位调制器(PM)进行相位调制。调制可以被配置为允许确定距离(例如，通过用于飞行时间系统的脉冲检测或用于FMCW系统的频率啁啾)。此外，可以对光进行编码，以便指示发射器中的光的起源。然后，接收器可以对方位角进行解码。调制可以在光(如图25所示)在LO源和光源之间分离之前发生，或者在之后发生，如图24所示。LO源可以根本不被调制，如图25所示。或者，调制可以在激光器本身内发生，如图26所示，其实现可调谐的FM调制激光器。

在多路复用来自每个激光器的光之前或之后，还可以通过利用半导体光放大器来放大光。图24至图26中所示的SOA是SOA的可能位置的示例。

LO信号的光可以由可变光衰减器(VOA)衰减，以降低LO功率和/或改进接收的光的信噪比性能。

图27示出了适合于发射器PIC的光源中的一组激光器G1-G4，例如在根据图24至图26中的一个的布置中。它由32个分布布拉格反射(DBR)激光器组成，总共覆盖100nm的波长范围。每个激光器可在约3nm上以0.11nm的增量调谐。激光器被分组为四组，每组八个激光器，并且一组中的所有激光器输出到一组波导。在该波中，可以同时提供四个不同的波长。

多路复用器可以是AWG或中阶梯光栅或级联MZI MUX，其具有热匹配以匹配输入。

图28中示出了可调谐激光器的示例。激光器是八通道可调谐CW激光器。反射半导体光放大器(RSOA)接收八个不同的激光器增益电流I_LD1至I_LD8以用于功率和波长精细调谐，并且具有有大约30nm增益的单个EPI。它还在背向待成像环境的后表面处具有高反射涂层，并且在前(输出)表面上具有抗反射涂层。

硅光栅λ₁至λ₈具有接收电流I_HT1至I_HT8的加热器，用于在50摄氏度的温度改变上进行高达3.6nm的温度调谐。硅光栅具有八个不同的时段。然后由8×1多路复用器对通道进行多路复用。在任何一个时间只有一个激光器元件操作，并且还可以在多路复用器之后提供监测抽头。

图29示出了可以实现的另一激光器。它类似于关于图28描述的结构，除了激光器RF电流I_RF1至I_RF8也被输入以用于FM啁啾。

图34示出了激光器和MUX的示例，其中两个八通道激光器供应一个1×16复用器(MUX)。还提供由MUX的输出的一部分供应的波长监测器。波长监测器可以是片外的。激光器的波长控制可以是片外的。激光器的振幅和波长是可调节的。MUX具有均衡包络响应，其可以有助于使光功率输出随波长变平。16个激光器可以覆盖50nm波长范围，因为每个激光器具有4nm调谐范围。

图30示出了可以用于转换发射器PIC的发光部件的输出以覆盖发射器的FOV的光学器件。图13A和B的发光部件的每个OPA可以在+/-45度的范围内产生极角分量。图30中的光学器件具有两个层。第一层将每个OPA的视场从+/-45度转换为+/-3.75度的较小FOV。该第一层可以是12个微透镜的阵列。第二光学器件层向每个输出添加增量转向，使得整个发光部件覆盖FOV的整个范围。在该示例中，转向是(7.5n-3.75)度，其中n是-5和6之间的整数。

图31示出了发射器的示例，其中视场的方位角分量被分成三个区段，每个区段使用相应的OPA、OPA1-3来扫描。在其他实施例中，可以提供不同数量的发光部件，使得方位角FOV可以分成两个或多于三个区段。分光器55设置在光源41和发光部件(在该示例中是OPA，但是在其他示例中可以是其他类型的发光部件)之间。每个发光部件被配置为在方位角的其相应部分上引导光。分光器被配置为将在输入处接收的光在所述多个输出之间分离。每个发光部件具有多个输入和多个发射体，所述发光部件包括至少一个OPA。每个发光部件被配置为在多个发射角上选择性地发出射束，多个发射角在FOV的极角范围内具有不同的相应极分量，并且其中发光部件和所述或每个另外的发光部件被配置为各自在方位角分量的不同的相应范围上选择性地发出射束。到分光器的输入耦合到光源，并且分光器的输出中的每一个耦合到发光部件中的相应一个的输入。在该示例中，OPA由移相器和光栅发射体的块组成。相位调谐用于引导光的方位角分量，并且光的极分量被划分成三个区段以用于波长调谐。该示例使用具有3nm调谐的32个激光器，并且每个区段覆盖极FOV的15度。三个发光部件中的每一个中的光栅发射体被配置为将光引导到FOV的极分量的其相应区段。

图33示出了PIC收发器、楔形件和板以及光学器件的布置的示例。如图所示，在侧视图中，光学器件可以定位在楔形件的前部(顶部)上，并且楔形件和板可以定位在PIC上，使得发射器发光部件与楔形件对准，并且PIC上的光收集部件在板的后部后面。板的端可以设置有45度转向镜，以将光从板引导离开到(一个或多个)接收器光收集部件。

可以设想，本文中描述的任何一个实施例可以适于包括液晶移相器。图35示出了根据本发明的包含液晶移相器的LiDAR系统的一个这样的示例。所示的实施例是具有第一组16个射束和第二组16个射束的32射束LiDAR，在任何时间只有一组射束开启。然而，应当注意，相同的设置可以应用于任何整数数量x的射束，其中一次开启x/2的射束。

存在两种类型的扫描发生。在第一维度上提供扫描的第一扫描步骤和在第二维度上提供扫描的第二扫描步骤。第一扫描步骤是具有相对于第二“慢扫描”步骤的更快的扫描速度的“快扫描”过程。使用激光调谐和折射光学器件来执行在第一维度上发生的第一扫描步骤。折射光学器件可以采取板、楔形件和透镜的形式。在第二维度上发生的第二扫描步骤使用液晶。在所示的实施例中，第一组16个激光器在第一维度上快速扫描，而第二组16个激光器的液晶重置到新角度。一旦液晶被设置在第二角度，系统就从第一组激光器切换到第二组激光器，然后第二组激光器使用它们各自的折射光学器件执行快速扫描。

每个激光器可以采用DFB激光器的形式，其在给定波长范围内是可调谐的，合适的波长范围的示例是2.5μm。

两组激光器可以位于单个光子集成电路(PIC)上。从PIC输出的光通过扩展和准直光学器件，之后接着控制第一维度上的扫描的折射光学器件，然后最终通过控制第二维度上的扫描的液晶。液晶之后的孔可以具有1、2、3、4或5mm的直径。

重要的是，如图35所示，整个系统可以被配置为在传输(tx)和接收器(rx)模式下操作。

可以使用发射器上的光栅和波长来形成示例布置，以便使用1μm高度或更小的波导有效地对FOV进行采样，并且这可以组合为跨OPA波导的1D集合的光栅。然而，小波导(例如，1μm或更小)可能对OPA相位误差制造公差更敏感，并且复杂的光栅(例如，闪耀轮廓或相位板)更加工艺密集并且花费更长时间来集成到制造硅光子工艺中。使用外部光栅(例如玻璃)或相位板元件可以给出更多的自由度并简化整体生产。光栅和透镜的配置可以被选择为适于应用。

在前面的描述中、或在后面的权利要求中、或在附图中公开的特征(以其具体形式或根据用于执行所公开的功能的装置、或用于获得所公开的结果的方法或过程表达)(视情况而定)可以单独地或以这些特征的任何组合被用于以其各种形式实现本发明。

本文中描述的任何LiDAR系统可以应用于更大的汽车系统，包括一个或多个车辆或供车辆上使用的一个或多个部件。

虽然已经结合上述示例性实施例描述了本发明，但是当给出本公开时，许多等同的修改和变化对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，上述本发明的示例性实施例被认为是说明性的而非限制性的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对所描述的实施例进行各种改变。

为了避免任何疑问，提供本文中提供的任何理论解释是出于提高读者的理解的目的。发明人不希望受这些理论解释中的任何一个的束缚。

本文中使用的任何章节标题仅出于组织目的，而不应被解释为限制所描述的主题。

在整个说明书中，包括随后的权利要求书，除非上下文另有要求，否则词语“包括”和“包含”以及诸如“包括”、“包含”和“包含”的变体将被理解为暗示包括所述整体或步骤或者整体或步骤的组，但不排除任何其他整体或步骤或者整体或步骤的组。

必须注意的是，如说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物，除非上下文另有明确规定。范围在本文中可以表示为从“约”一个特定值、和/或到“约”另一个特定值。当表示这样的范围时，另一个实施例包括从一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当通过使用先行词“约”将值表示为近似值时，应当理解，特定值形成另一个实施例。关于数值的术语“约”是可选的，并且意指例如+/-10％。

Claims (84)

1.一种用于接收光的成像部件，所述成像部件包括光子集成电路PIC接收器、板、楔形件、和透镜，所述楔形件具有前表面和相对的后表面，所述成像部件被布置成限定通过所述楔形件的所述前表面的接收光程，所述接收光程继续通过所述楔形件并通过所述板到所述PIC接收器，所述透镜被配置为将所述接收光程的光聚焦到所述PIC接收器上。

2.根据权利要求1所述的成像部件，其中所述成像部件是用于接收光的LiDAR部件。

3.根据任何前述权利要求所述的成像部件，其中所述楔形件具有厚端和相对的薄端，所述板从所述楔形件的所述厚端延伸，其中所述楔形件具有从所述厚端到所述薄端的长度，并且所述板具有从所述楔形件的靠近所述厚端的端到远离所述楔形件的端的长度。

4.根据权利要求3所述的成像部件，其中所述楔形件的所述长度在所述板的所述长度的50％和150％之间。

5.根据权利要求3或权利要求4所述的成像部件，其中组合长度是所述板的所述长度加上所述楔形件的所述长度，并且所述组合长度在20mm和40mm之间。

6.根据任何前述权利要求所述的成像部件，其中所述PIC接收器位于所述板的远离所述楔形件的端处。

7.根据权利要求6所述的成像部件，其中所述PIC接收器位于所述板的后表面后面，并且所述板的远离所述楔形件的所述端处的端表面与所述板的后表面形成小于90度的角度，使得所述接收光程朝向所述PIC接收器离开所述板的后表面。

8.根据权利要求3至7中的任何所述的成像部件，其中在所述楔形件的所述厚端处的所述前表面所述后表面之间的所述楔形件的厚度在0.5mm与2mm之间。

9.根据任何前述权利要求所述的成像部件，其中所述透镜是圆柱形或椭圆形透镜。

10.根据任何前述权利要求所述的成像部件，其中所述透镜位于所述楔形件的所述前表面的前面。

11.根据权利要求3至8中的任何所述的成像部件，其中另外的透镜位于所述板的远离所述楔形件的端处的所述板的后表面处，并且由一个或多个微透镜形成。

12.根据权利要求11所述的成像部件，其中所述PIC接收器具有一个或多个输入波导，并且每个微透镜被配置为将光聚焦在相应的输入波导上。

13.根据任何前述权利要求所述的成像部件，其中所述楔形件的所述后表面涂覆有高反射涂层。

14.根据权利要求13所述的成像部件，其中所述高反射涂层是金属涂层或多层涂层。

15.根据任何前述权利要求所述的成像部件，其中所述楔形件的所述前表面涂覆有抗反射涂层。

16.根据任何前述权利要求所述的成像部件，其中所述板和/或所述楔形件由具有折射率为2或更大的材料形成。

17.根据任何前述权利要求所述的成像部件，其中所述楔形件的所述后表面从所述楔形件的所述前表面倾斜了8度和9度之间，并且优选地为8.4度。

18.根据任何前述权利要求所述的成像部件，其中所述楔形件的所述后表面从所述楔形件的所述前表面倾斜了8.4度。

19.根据任何前述权利要求所述的成像部件，其中所述接收光程穿过所述楔形件的所述前表面的至少90％。

20.根据任何前述权利要求所述的成像部件，其中入射束将在所述楔形件和板中行进穿过的接收光学长度被限定在所述楔形件的所述前表面上的每个点与所述PIC接收器之间，并且其中所述成像部件被配置为使得所述接收光学长度相差小于所述透镜的焦深。

21.根据任何前述权利要求所述的成像部件，其中所述PIC接收器包括一个或多个接收器光学相控阵列。

22.根据权利要求21所述的成像部件，其中所述板覆盖(一个或多个)所述接收器光学相控阵列。

23.根据任何前述权利要求所述的成像部件，其中所述楔形件和/或所述板由硅或锗形成。

24.根据任何前述权利要求所述的成像部件，其中所述成像部件还包括在所述楔形件的所述前表面处的衍射光学元件，使得所述接收光程延伸通过所述衍射光学元件、通过所述楔形件的所述前表面、通过所述楔形件和所述板到达所述PIC接收器。

25.一种用于接收光的成像部件，所述成像部件包括光子集成电路PIC接收器、板和楔形件，所述楔形件具有前表面和相对的后表面，所述成像部件被布置成限定通过所述楔形件的所述前表面的接收光程，所述接收光程继续通过所述楔形件并通过所述板到达所述PIC接收器。

26.一种LiDAR收发器，其包括用于接收光的成像部件、和PIC发射器，

所述成像部件包括：

光子集成电路PIC接收器、板、楔形件、和透镜，其中所述楔形件具有前表面和相对的后表面，并且所述成像部件被布置成限定通过所述楔形件的所述前表面的接收光程，所述接收光程继续通过所述楔形件并通过所述板到达所述PIC接收器，所述透镜被配置为将所述接收光程的光聚焦到所述PIC接收器上；以及

所述收发器被布置成限定从所述发射器通过所述楔形件并且通过所述楔形件的所述前表面的发射光程。

27.根据权利要求26所述的LiDAR收发器，其中所述楔形件包括发射窗口，所述发射光程穿过所述发射窗口，所述发射窗口具有被配置为允许光在所述后表面处进入所述楔形件、穿过所述楔形件并在所述前表面处离开所述楔形件的光学特性。

28.根据权利要求27所述的LiDAR收发器，其中所述楔形件的所述后表面具有高反射涂层，并且所述发射窗口位于所述涂层中的间隙处。

29.根据权利要求28所述的LiDAR收发器，其中所述高反射涂层是金属涂层或多层涂层。

30.根据权利要求27所述的LiDAR收发器，其中所述发射窗口是从所述后表面到所述前表面通过所述楔形件形成的孔。

31.根据权利要求26至30中的任何所述的LiDAR收发器，其中在所述楔形件的所述前表面处，所述接收光程的横截面积是所述发射光程的横截面积的20至200倍。

32.根据权利要求26至31中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述发射器被配置为使得在所述楔形件的所述前表面处，所述发射光程位于所述楔形件的所述前表面的中心，并且其中所述接收光程围绕所述发射光程。

33.根据权利要求26至32中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述发射器包括发射器光学相控阵列。

34.根据权利要求33所述的LiDAR收发器，其中所述发射器光学相控阵列位于光子集成电路上，并且所述楔形件覆盖所述光子集成电路上的所述发射器光学相控阵列。

35.根据权利要求26至34中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述发射器位于所述楔形件的所述后表面后面。

36.根据权利要求26至35中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述收发器还包括在所述楔形件的所述前表面处的衍射光学元件DOE，使得所述接收光程延伸通过所述衍射光学元件、通过所述楔形件的所述前表面、通过所述楔形件和所述板到达所述PIC接收器，并且所述发射光程从所述发射器延伸通过所述楔形件、通过所述楔形件的所述前表面并通过所述衍射光学元件。

37.根据权利要求36所述的LiDAR收发器，所述LiDAR收发器用于扫描视场FOV上的环境，所述FOV具有方位角范围和极角范围，

所述DOE包括：

透射区，其被配置为从所述DOE的前表面透射在所述DOE的后表面处接收的光束，

接收区，其被配置为使入射在所述DOE的所述前表面上的光的所述方位角分量调整取决于波长的量且透射来自所述DOE的所述后表面的所述光，

其中所述接收区分布在所述透射区的两个相对侧上，且所述收发器被配置为：

将来自所述PIC发射器的光发射通过所述发射光程并通过所述DOE的所述透射区，并将所述光发出到所述环境，所述光具有发射角，所述发射角具有在所述FOV的所述方位角范围内的方位角分量和在所述FOV的所述极角范围内的极分量，所述发射角的所述方位角分量取决于所述光的波长，

从所述环境接收所述光，

将所述光通过所述DOE的所述接收区从所述前表面引导到所述后表面且通过所述接收光程引导到所述PIC接收器，以及

使用所述透镜将所述光聚焦在所述PIC接收器上，其中所述DOE的所述接收区被配置为使得当所述光从所述DOE的所述后表面透射时，所述方位角分量独立于所述光的所述波长。

38.根据权利要求37所述的LiDAR收发器，其中所述PIC发射器包括光栅发射体，所述光栅发射体被配置为将所述光的角度的所述方位角分量调整取决于所述光的所述波长的量。

39.根据权利要求37或权利要求38所述的LiDAR收发器，其中所述DOE的所述透射区还被配置为取决于所述光的所述波长来调整所述光的角度的所述方位角分量。

40.根据权利要求37至39中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述DOE的所述透射区还被配置为将在所述DOE的所述后表面处接收的光分成多个射束，并且以不同的相应方位角从所述DOE的所述前表面透射所述多个射束中的每一个。

41.根据权利要求40所述的LiDAR收发器，其中所述收发器还包括一个或多个另外的PIC接收器，并且所述DOE的所述接收区被配置为将所述多个射束中的每个射束调整到所述PIC接收器中的相应一个PIC接收器。

42.根据权利要求41所述的LiDAR收发器，其中所述接收区包括多个子区，所述子区中的每个子区被配置为将所述多个射束中的相应一个射束调整到其相应的接收器。

43.根据权利要求37至42中任一项所述的LiDAR收发器，其中所述透射区位于所述衍射光学元件的中心，并且所述接收区围绕所述透射区。

44.根据权利要求37至43中任一项所述的LiDAR收发器，其中所述透镜位于所述DOE和所述PIC接收器之间。

45.根据权利要求37至43中任一项所述的LiDAR收发器，其中所述透镜位于所述DOE的所述前表面处。

46.根据权利要求37至43中任一项所述的LiDAR收发器，其中所述透镜和所述DOE由具有聚焦和衍射特征的单个部件一体地形成。

47.根据权利要求26至46中任一项所述的LiDAR收发器，其中所述楔形件具有厚端和相对的薄端，所述板从所述楔形件的所述厚端延伸，其中所述楔形件具有从所述厚端到所述薄端的长度，并且所述板具有从所述楔形件的靠近所述厚端的端到远离所述楔形件的端的长度。

48.一种用于扫描视场FOV上的环境的LiDAR收发器，所述FOV具有方位角范围和极角范围，所述LiDAR收发器包括光子集成电路PIC接收器、PIC发射器和衍射光学元件DOE，所述DOE具有前表面和后表面，

所述DOE包括：

透射区，其被配置为从所述DOE的所述前表面透射在所述DOE的所述后表面处接收的光束，

接收区，其被配置为将入射在所述DOE的所述前表面上的光的所述方位角分量调整取决于波长的量且透射来自所述DOE的所述后表面的所述光，

其中所述接收区分布在所述透射区的两个相对侧上，且所述收发器被配置为：

将来自所述PIC发射器的光发射通过所述DOE的所述透射区并将所述光发出到所述环境，所述光具有发射角，所述发射角具有在所述FOV的所述方位角范围内的方位角分量和在所述FOV的所述极角范围内的极分量，所述发射角的所述方位角分量取决于所述光的波长，从所述环境接收所述光，

将所述光通过所述DOE的所述接收区从所述前表面引导到所述后表面且引导到所述PIC接收器，以及

其中所述DOE的所述接收区被配置为使得当所述光从所述DOE的所述后表面透射时，所述方位角分量独立于所述光的所述波长。

49.根据权利要求48所述的LiDAR收发器，所述收发器还包括透镜，所述透镜被配置为将所述光聚焦在所述PIC接收器上。

50.根据权利要求48至49中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述PIC发射器包括光栅发射体，所述光栅发射体被配置为将所述光的角度的所述方位角分量调整取决于所述光的所述波长的量。

51.根据权利要求48至50中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述DOE的所述透射区还被配置为取决于所述光的所述波长来调整所述光的角度的所述方位角分量。

52.根据权利要求48至51中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述DOE的所述透射区还被配置为将在所述DOE的所述后表面处接收的光分成多个射束，并且以不同的相应方位角从所述DOE的所述前表面透射所述多个射束中的每个射束。

53.根据权利要求52所述的LiDAR收发器，其中所述收发器还包括一个或多个另外的PIC接收器，并且所述DOE的所述接收区被配置为将所述多个射束中的每个射束调整到所述PIC接收器中的相应一个PIC接收器。

54.根据权利要求53所述的LiDAR收发器，其中所述接收区包括多个子区，所述子区中的每个子区被配置为将所述多个射束中的相应一个射束调整到其相应的接收器。

55.根据权利要求48至54中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述透射区位于所述衍射光学元件的中心，并且所述接收区围绕所述透射区。

56.根据权利要求48至55中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述透镜位于所述DOE和所述PIC接收器之间。

57.根据权利要求48至55中任一项所述的LiDAR收发器，其中所述透镜位于所述DOE的所述前表面处。

58.根据权利要求48至55中任一项所述的LiDAR收发器，其中所述透镜和所述DOE由具有聚焦和衍射特征的单个部件一体地形成。

59.根据权利要求48至58中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述接收区包括所述DOE的所述前表面的至少90％。

60.根据权利要求48至59中的任何所述的LiDAR收发器，所述收发器还包括板和楔形件，所述楔形件具有前表面和相对的后表面，所述收发器被布置成限定通过所述楔形件的所述前表面的接收光程，所述接收光程继续通过所述楔形件并通过所述板到达所述PIC接收器，所述透镜被配置为将所述接收光程的光聚焦到所述PIC接收器上，所述收发器被布置成限定从所述发射器通过所述楔形件并且通过所述楔形件的所述前表面的发射光程。

61.根据权利要求60所述的LiDAR收发器，其中所述楔形件具有厚端和相对的薄端，所述板从所述楔形件的所述厚端延伸，其中所述楔形件具有从所述厚端到所述薄端的长度，并且所述板具有从所述楔形件的靠近所述厚端的端到远离所述楔形件的端的长度。

62.根据权利要求60或61所述的成像部件，其中所述楔形件的所述前表面涂覆有抗反射涂层。

63.一种用于扫描视场FOV上的环境的LiDAR收发器，所述FOV具有方位角范围和极角范围，所述LiDAR收发器包括光子集成电路PIC接收器、PIC发射器、板、楔形件、透镜和衍射光学元件DOE，所述楔形件具有前表面和相对的后表面，并且所述DOE具有前表面和后表面，

所述DOE包括：

透射区，其被配置为从所述DOE的所述前表面透射在所述DOE的所述后表面处接收的光束，

接收区，其被配置为将入射在所述DOE的所述前表面上的光的所述方位角分量调整取决于波长的量且透射来自所述DOE的所述后表面的所述光，

其中所述接收区分布在所述透射区的两个相对侧上，且所述收发器被配置为：

沿着通过所述楔形件并通过所述楔形件的所述前表面的发射光程从所述PIC发射器发射光，通过所述DOE的所述透射区透射所述光并将所述光发出到所述环境，所述光具有发射角，所述发射角具有在所述FOV的所述方位角范围内的方位角分量和在所述FOV的所述极角范围内的极分量，所述发射角的所述方位角分量取决于所述光的波长，

从所述环境接收所述光，

将所述光通过所述DOE的所述接收区从所述前表面引导到所述后表面并且沿着通过所述楔形件的所述前表面的接收光程，所述接收光程继续通过所述楔形件并且通过所述板到达所述PIC接收器，所述透镜被配置为将所述接收光程的光聚焦到所述PIC接收器上，以及

其中所述DOE的所述接收区被配置为使得当所述光从所述DOE的所述后表面透射时，所述方位角分量独立于所述光的所述波长。

64.根据权利要求63所述的LiDAR收发器，其中所述楔形件具有厚端和相对的薄端，所述板从所述楔形件的所述厚端延伸，其中所述楔形件具有从所述厚端到所述薄端的长度，并且所述板具有从所述楔形件的靠近所述厚端的端到远离所述楔形件的端的长度。

65.根据权利要求64所述的LiDAR收发器，其中所述楔形件的所述长度在所述板的所述长度的50％和150％之间。

66.根据权利要求64或权利要求65所述的LiDAR收发器，其中组合长度是所述板的所述长度加上所述楔形件的所述长度，并且所述组合长度在20mm和40mm之间。

67.根据权利要求63至66中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述PIC接收器位于所述板的远离所述楔形件的端处。

68.根据权利要求63至67中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述楔形件的所述前表面涂覆有抗反射涂层。

69.根据权利要求63至68中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述板和/或所述楔形件由具有折射率为2或更大的材料形成。

70.根据权利要求63至69中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述楔形件和/或所述板由硅或锗形成。

71.根据权利要求63至70中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述楔形件包括发射窗口，所述发射光程穿过所述发射窗口，所述发射窗口具有被配置为允许光在所述后表面处进入所述楔形件、穿过所述楔形件并在所述前表面处离开所述楔形件的光学特性。

72.根据权利要求71所述的LiDAR收发器，其中所述楔形件的所述后表面具有高反射涂层，并且所述发射窗口位于所述涂层中的间隙处。

73.根据权利要求72所述的LiDAR收发器，其中所述高反射涂层是金属涂层或多层涂层。

74.根据权利要求71所述的LiDAR收发器，其中所述发射窗口是从所述后表面到所述前表面通过所述楔形件形成的孔。

75.根据权利要求63至74中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述PIC发射器包括光栅发射体，所述光栅发射体被配置为将所述光的角度的所述方位角分量调整取决于所述光的所述波长的量。

76.根据权利要求63至75中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述DOE的所述透射区还被配置为取决于所述光的所述波长来调整所述光的角度的所述方位角分量。

77.根据权利要求63至76中的任何中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述DOE的所述透射区还被配置为将在所述DOE的所述后表面处接收的光分成多个射束，并且以不同的相应方位角从所述DOE的所述前表面透射所述多个射束中的每个射束。

78.根据权利要求77所述的LiDAR收发器，其中所述收发器还包括一个或多个另外的PIC接收器，并且所述DOE的所述接收区被配置为将所述多个射束中的每个射束调整到所述PIC接收器中的相应一个PIC接收器。

79.根据权利要求78所述的LiDAR收发器，其中所述接收区包括多个子区，所述子区中的每个子区被配置为将所述多个射束中的相应射束调整到其相应的接收器。

80.根据权利要求63至79中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述透射区位于所述衍射光学元件的中心，并且所述接收区围绕所述透射区。

81.根据权利要求63至80中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述透镜位于所述DOE和所述PIC接收器之间。

82.根据权利要求63至81中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述透镜位于所述DOE的所述前表面处。

83.根据权利要求63至82中的任何所述的LiDAR收发器，其中所述透镜和所述DOE由具有聚焦和衍射特征的单个部件一体地形成。

84.一种LiDAR系统，包括用于在第一维度上扫描的第一扫描级和用于在第二维度上扫描的第二扫描级，

所述第一扫描级包括调谐和/或折射光学器件；以及

所述第二扫描级包括液晶。

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