CN115398271A - 用于扫描式测量与物体的距离的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于扫描式测量与物体(12)的距离的装置(14)具有光源(16；16’)，该光源设计用于产生具有时间上变化的频率的光学信号。光学分布矩阵(20)将光学信号分配到多个输出波导(241至244；241a至244a、241b至244b；241‑1至241‑4、242‑1至242‑4、243‑1至243‑4、244‑1至244‑4)上。偏转光学系统(28)使从光学输出波导中出射的光学信号偏转成，使得它们在不同的方向上由该装置(14)发射。探测器(381至384)检测由光源(16)产生的光学信号与由物体(12)反射的光学信号的叠加，并且在绕过光学分布矩阵(20)的情况下被输送给探测器。评估装置(42)从由所述叠加中确定与物体(12)的距离。根据本发明，由所述物体(12)反射的光学信号(RL11至RL14)通过输出波导或通过与输出波导(241至244)无关的并且不与光源(16；16’)连接的输入波导(361至364)被输送给探测器(381至384)。

Description

用于扫描式测量与物体的距离的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于基于光雷达(LiDAR)技术扫描式测量与运动的或不运动的物体的距离的装置和方法。这样的装置例如可以在自动驾驶的车辆中使用并且实现为光子集成电路(PIC，Phonic Integrated Circuit)，其不包含运动部件。
背景技术
为了进行光学距离测量已知一种称为光雷达的测量原理，在所述测量原理中具有时间上变化的频率的光学信号对准待测量的物体并且在物体上反射之后进行检测和评估。如果附加地考虑多普勒频移，则也可以计算扫描装置与物体之间的相对速度。这种测量原理例如在DE102018203315A1中更详细地描述。
当基于所述测量原理的扫描器应当在车辆中使用时，其必须非常稳固且可靠。这尤其是适用于车辆自动驾驶的情况，因为自动驾驶时的安全性决定性地取决于用于产生周围环境的三维图像的扫描器。理想地，这种扫描器不包括诸如扫描镜的敏感可运动部件。
实现为光子集成电路的扫描器不需要可运动的部件并且因此特别适合于在车辆中使用。例如在US2017/0371227A1和US2019/0377135A1中公开了这种扫描器。在这些扫描器中使用具有多个树状级联的光学开关的分布矩阵，这些光学开关将光学信号分配到与不同扫描方向相关的不同输出通道上。由物体反射的并且非常弱的光学信号在其至探测器的路径上沿相反方向经过分布矩阵。通过所述光学开关进一步衰减这些信号，这对所述扫描器的信噪比(SNR，signal to noise ratio)产生不利影响。
由A.Martin等人在光波技术杂志2018年10月1日第36卷第19期上的论文“PhonicIntegrated Circuit-Based FMCW Coherent LiDAR”已知一种扫描器，其中由物体反射的光学信号能够在绕过光学分布矩阵的情况下被输送给探测器。这通过使用光学循环器来实现，所述光学循环器将在物体上反射的光引向探测器。光学循环器通常具有三个接口(端口)，其中，到达一个接口的光从循环器分别转发给下一个接口(即1→2，2→3和3→1)。然而，循环器衰减所接收的信号并且因此不利地影响信噪比。
发明内容
本发明的任务是，给出一种用于扫描式测量与物体的距离的装置，该装置可以实现为不具有可运动部件的光子集成电路，并且其中由物体反射的衰减信号尽可能少地通过布置在到探测器的光路中的光学部件衰减。
该任务通过一种用于扫描式测量至物体的距离的装置来解决，该装置具有光源，该光源设计用于产生具有时间上变化的频率的光学信号。此外，该装置包括具有多个光学开关和/或光学分束器(英语为splitter)并且同时或连读地将光学信号分配到多个输出波导上的光学分布矩阵。偏转光学系统使从光学输出波导中出射的光学信号偏转成，使得它们在不同的方向上由装置发射。多个探测器检测由光源产生的光学信号与由物体反射的光学信号的叠加。在此，由物体反射的光学信号可以在绕过光学分布矩阵的情况下被输送给探测器。评估装置从由探测器检测到的叠加中确定与物体的距离。根据本发明，由物体反射的光学信号可以
——通过所述输出波导被输送给探测器，或
——通过与输出波导无关的并且不与光源(即也不间接地通过循环器)连接的输入波导被输送给探测器。在此，输入波导与输出波导交叠地布置或相对于输出波导这样布置，使得从输出波导中出射的光学信号在物体上反射之后进入到输入波导中，该输入波导直接与输出波导相邻地布置。
本发明依据如下的认知，即当由物体反射的光学信号再次进入到它们之前已经从其耦合输出的相同输出波导中，或通过与输出波导无关的并且不与光源连接的输入波导被输送给探测器(所述探测器直接与输出波导邻接或与输出波导交叠地布置)时，可以放弃多个单独的光学循环器。在交叠的布置结构中更确切地说可以利用简单构造的且对于所有输入波导共同的光学循环器来保证耦合输入到“正确的”输入波导中。这种共同的光学循环器虽然同样衰减由物体反射的光学信号，但在比分别仅分配给一个输入波导的光学循环器更小的程度内。
因此，由于对于每个输入波导可以放弃光学循环器或至少放弃单独的光学循环器，经反射的光学信号在其到探测器的路径上几乎不会被衰减，因为它们不需要如在已知的这种类型的装置中通常的情况那样通过在分布矩阵中的多个光学开关或分束器的级联。
优选地，所述输出波导分别具有一个输出耦合器，该输出耦合器设计用于将在输出波导中引导的光学信号耦合输出到自由空间中。所述输出耦合器可以是例如光栅耦合器(英语为diffraction coupler)或边缘耦合器(英语为edge coupler)。
为了获得高的方向敏感性，有利的是，在光路中在输出耦合器之后分别布置一个准直透镜以便准直。这是因为光学信号通常以大的发散角度离开输出耦合器，由此出射的光束会在更大的距离上被强烈扩宽。准直透镜可以防止这种扩宽。作为对此的替代方案，可以使用具有模斑转换器(英语为spot size converter)的输出耦合器。
在一些实施例中，偏转光学系统包括凸透镜，该凸透镜具有前焦平面。输出耦合器或输出耦合器的图像布置在凸透镜的前焦平面上。由此，光学信号作为准直的光束离开凸透镜，这些光束的方向取决于光从输出耦合器出射所处的位置。在这种布置结构中可以放弃设置附加的准直透镜。
光学分布矩阵典型地具有树状结构，该树状结构具有由光学开关或光学分束器构成的多个节点。然而特别是在使用多个光源的情况下，如果来自n个激光器的光应当被分配在总共m个输出波导上，则也可以考虑n×m个分布矩阵。
所述探测器优选是对称光电探测器(英语为balanced photodetector)，因为这种探测器对由光源产生的光学噪声仅具有低灵敏度。
优选地，每个光电探测器配设有一个定向耦合器，该定向耦合器包括第一对和第二对输入端，其中，该定向耦合器具有布置在第一对与第二对之间的耦合路径。光源的光学信号能够被输送给所述第一对的第一输入端，并且由物体反射的光学信号能够被输送给所述第一对的第二输入端。所述第二对的输入端与光电探测器连接。这样使用的3dB定向耦合器确保对称光电探测器的输入端保持相同的强度，并且光电探测器能够检测通过来自光源的光与由物体反射的光重叠而获得的差拍信号。
在一个实施例中，所述光源设计同时在不同的频带中产生具有时间上变化的频率的多个光学信号。通过使用光栅，所述光可以在不同频带中沿不同的方向发射，由此不仅可以在一个平面中、而且可以在所有三个空间方向上扫描。在这种情况下，所述光源例如可以具有多个单个光源，这些单个光源通过具有多个光学开关和/或光学分束器的会聚矩阵与分布矩阵连接。
如果偏转光学系统具有色散光学元件，该色散光学元件根据波长分离在第一平面中的光学信号，所述第一平面至少基本上垂直于第二平面布置，从输出波导出射的光学信号在所述第二平面内传播，则可以实现在三个空间方向上的扫描。
如果由物体反射的光学信号可以通过与输出波导无关的且不与光源(即也不间接地通过循环器)连接的输入波导被输送给探测器，则输入波导可以分别具有一个输入耦合器，该输入耦合器设计用于将在自由空间内传播的光束耦合输入到输入波导中。
为了获得尽可能高的耦合输入效率，在此有利的是，在光路中在输入耦合器之前分别布置一个准直透镜以便准直。
在一个优选的实施例中，在输出波导与偏转光学系统之间的光路中布置一个共同的光学循环器，该光学循环器设计用于将由物体反射的光学信号仅指向输入波导的输入耦合器。在此，输入波导可以与输出波导交叠地和/或直接与输出波导相邻地布置。由于所述共同的光学循环器使反射的光学信号都在相同方向上偏转，所以必须使输出波导的交叠布置结构与输入波导的布置结构相应地协调。
这种共同的光学循环器例如可以具有由双折射材料制成的板、法拉第旋转器和半波长板。但代替双折射材料也可以使用偏振选择性分束器。
通常，最有利的是，所述输出波导和输入波导布置在一个共同的平面中。然而也可以考虑，输出波导布置在输出平面中，而输入波导布置在平行于所述输出平面延伸的输入平面中。输入波导因此例如不直接位于所配属的输出波导旁边，而是直接位于所配属的输出波导上方。
如果由物体反射的光学信号可以通过输出波导被输送给探测器，则有利的是，在分布矩阵与输出波导之间的光路中布置有分束器，该分束器将在输出波导中引导的和由物体反射的光学信号引向探测器。
所述分束器例如可以是具有第一对和第二对输入端的2×2定向耦合器，其中，定向耦合器具有布置在第一对与第二对输入端之间的耦合路径。所述第一对的第一输入端与分布矩阵连接，所述第一对的第二输入端与探测器之一连接，所述第二对的第一输入端与第一输出波导连接，并且所述第二对的第二输入端与第二输出波导连接。
优选地，在定向耦合器与第一输出波导之间的光路中布置有移相器。移相器应当以更大的绝对数值(例如以2π*n＝3、4、5...)来相位移动。以这种方式，光电探测器上的信号通过定向耦合器的输出端与输入端之间的相位优化而得到改善。
在其它实施例中，在分布矩阵与分束器之间的输出波导的光路中布置有光学放大器。
在一个有利的实施例中，所述光学信号从光源到探测器和到输出波导的输送通过相同的波导实现。以这种方式，可以特别有效地产生大量的光束，并且可以利用探测器检测回射。
尤其是，所述分束器可以包括具有第一对和第二对输入端的2×2定向耦合器，该定向耦合器具有布置在第一对与第二对之间的耦合路径。所述第一对的第一输入端直接或通过其它定向耦合器与分布矩阵连接，所述第一对的第二输入端与所述探测器之一连接，所述第二对的第一输入端与另一个定向耦合器连接，并且所述第二对的第二输入端与输出波导连接。
优选地，所述定向耦合器具有耦合系数，这些耦合系数这样设计，使得在所有输出波导上施加由光源产生的相同强度的光学信号。
本发明的任务还在于，给出一种用于测量物体距离的方法，该方法不需要运动的部件，并且在该方法中，由物体反射的衰弱信号尽可能少地通过布置在至探测器的光路中的光学部件衰减。
该任务通过一种用于扫描式测量与物体的距离的方法来解决，该方法具有以下步骤：
光源产生具有时间上变化的频率的光学信号；
包括多个光学开关和/或光学分束器的光学分布矩阵将光学信号同时或连续地分配到多个输出波导上；
偏转光学系统使从光学输出波导中出射的光学信号偏转成，使得它们沿不同的方向发射；
多个探测器检测由光源产生的光学信号与由物体反射的光学信号的叠加，并且在绕过光学分布矩阵的情况下被输送给探测器；
评估装置从由探测器检测到的叠加中确定与物体的距离；
由物体反射的光学信号
a)通过所述输出波导被输送给探测器，或
b)通过与输出波导无关的并且不与光源连接的输入波导被输送给探测器，其中，该输入波导
b1)与输出波导交叠地布置，或
b2)相对于输出波导这样布置，使得从输出波导中出射的光学信号在物体上反射之后进入到输入波导中，该输入波导直接与输出波导相邻地布置。
附图说明
下面借助附图详细说明本发明的实施例。在这些图中：
图1示出车辆接近由根据本发明的扫描装置检测到的物体的示意性侧视图；
图2示出扫描装置的俯视图；
图3以示意图示出根据第一实施例的扫描装置的结构；
图4a和4b示出在图3中所示的扫描装置的分布矩阵和偏转光学系统在两个不同的切换位置中；
图5示出根据本发明的根据第二实施例的扫描装置，其中，探测器构造为对称光电探测器；
图6示出根据本发明的根据第三实施例的扫描装置，其中光信号在多个频带中产生，并且在光电探测器的上游连接有多路复用器；
图7示出根据本发明的根据第四实施例的扫描装置，其中共同的光学循环器将回射的光指向输入波导；
图8示出根据本发明的根据第五实施例的扫描装置，其中微透镜对准或聚束在自由空间中传播的光；
图9示出根据本发明的根据第六实施例的扫描装置，其中输出波导和输入波导布置在不同的平面中；
图10示出根据本发明的根据第七实施例的扫描装置，其中输出波导和输入波导交叠地布置，使得彼此相关联的输出波导和输入波导不直接彼此相邻；
图11示出根据本发明的根据第八实施例的扫描装置，其中由物体回射的光被耦合输入到同一输出波导中，从该输出波导中出射由光源产生的光；
图12示出根据本发明的根据第九实施例的扫描装置，其与第八实施例的区别仅在于，该另一分布矩阵不具有开关，而是具有无源分束器；
图13示出根据本发明的根据第十实施例的扫描装置，其中通过会聚矩阵相互连接来自多个DBR激光器的光学信号以产生波长和时间复用；
图14示出根据本发明的根据第十一实施例的扫描装置，其中光学信号从光源到探测器和输出波导的输送通过相同的波导实现。
具体实施方式
1.第一实施例
图1以示意性的侧视图示出车辆10，该车辆靠近物体12，该物体在图1中是一棵树。车辆10具有至少一个扫描装置14，所述扫描装置借助光束L11、L21、L31和L41扫描车辆10的位于前方的周围环境，由此计算出周围环境的三维图像。此外，所述扫描装置14确定相对于物体12的相对速度。当物体12是另一个车辆并且同样运动时，这些信息尤其是重要的。
由所述扫描装置14确定的关于车辆10的位于前方的周围环境的信息例如可以用于辅助驾驶员在车辆控制中辅助车辆10的驾驶员，其方式为当车辆10与物体12即将发生碰撞时产生警告报告。如果车辆10自动驾驶，则关于位于前方的周围环境的信息将被控制车辆10的控制算法所需要。
如在图1中可看出，所述扫描装置14在竖直平面(在图1中这是纸平面)中沿不同的方向发射光束L11至L41，由此沿竖直方向扫描周围环境。同时，也在水平方向上进行扫描，如图2以扫描装置14的俯视图所示的那样。在那里示出四个光束L11、L12、L13和L14，这些光束在水平平面中沿不同的方向发射。
出于清楚的原因，在图1和图2中假设仅分别四个光束Ln1至Ln4在四个不同的平面中、即总共16个光束由扫描装置14产生。实际上然而所述扫描装置14同时或依次优选发射数百个或数千个光束L。
图3以示意图示出扫描装置14的结构。扫描装置14优选构造为光子集成电路，该光子集成电路实际上可能在例如光学波导的尺寸和走向方面看起来不同。
所述扫描装置14包括光源16，该光源产生FMCW光学信号，其中，FMCW代表调频连续波。因此，与传统扫描装置不同，光源16不产生具有高脉冲功率的短光脉冲，而是产生其频率v随时间变化的连续信号。频率v与时间t的相关性例如可以通过锯齿函数来预先给定，如这在图3中包含的图形说明的那样。因此，频率v在时间段Δt线性上升，然后返回到其原始值，以相同的斜率再次线性上升等等。上升的持续时间Δt比由扫描装置14发射的光所需的持续时间更长，以便在物体12上反射之后要求重新返回到扫描装置14中。
例如，光源16可以包括发射具有1308nm波长的光的DFB激光器。频率调制(英语为chirp)通过后置的调制器对信号进行调制，如这本身在现有技术中已知的那样。
由光源16产生的光学信号通过分束器18进入到包括多个光学开关22a、22b、22c的分布矩阵20中。光学开关22a、22b、22c例如可以是马赫-曾德干涉仪(MZI)，如本身在现有技术中已知的那样。光学分布矩阵22具有树状结构，该树状结构具有由光学开关22a、22b、22c构成的多个节点。借助所述分布矩阵22，由光源16产生的光学信号可以选择性地被分配到四个输出波导241至244中的一个上。在图3中所示的光学开关22a、22b、22c的位置中，光学信号例如被置于输出波导244上。
每个输出波导241至244终止于输出耦合器261至264，在输出波导241至244中引导的光学信号从所述输出耦合器耦合输出到自由空间中。所述输出耦合器例如可以构造为光栅耦合器(diffraction coupler)或边缘耦合器(edge coupler)，如同样本身在现有技术中已知的那样。从输出耦合器261至264中出射的光束被偏转光学系统28沿不同的方向偏转。在此，偏转角度取决于光学信号进入到偏转光学系统28中的位置。
所述偏转光学系统28例如可以是凸透镜30，如图4a和4b所示的那样。在那里在左侧示出分布矩阵20和输出耦合器261至264，它们布置在凸透镜30的前焦平面29中。由于这种布置结构，从输出耦合器261至264中出射的发散的光被凸透镜30校准并且在从凸透镜30中出射时被偏转。随后，所述光穿过光瞳平面32，该光瞳平面位于凸透镜30的后焦平面中。
图4a示出在切换位置中的分布矩阵20，其中光学信号从上输出耦合器264出射。而如果将在分布矩阵20中的光学信号施加到下输出耦合器263上，如图4b所示，则光也作为准直光束从扫描装置14出射，但相对于光轴OA以更小的角度出射。以这种方式，分布矩阵20确定光学信号从扫描装置14朝向哪个方向发射。
下文中再次参考图3。如果在水平平面中发射的光束L11至L14射到物体12上，则这些光束通常在物体的表面上被漫反射并且因此超过较大的空间角范围被射回。射到物体12上的光的一小部分被回射，即沿相同方向被射回，光在朝向物体12的路径上沿所述方向传播。在图3中示出四个这种光束RL11至RL14，其中，经反射的光束RL11配属于光束L11，经反射的光束RL12配属于光束L12等。偏转光学系统28使经反射的光束RL11至RL14指向输入耦合器341至344，该输入耦合器将入射的经反射的光耦合输入到输入波导361至364中。输入耦合器341至344可以具有与输出耦合器261至264相同的结构。
输入波导361至364将所接收的光学信号引导至探测器381-384，其中所接收的光学信号被叠加有由光源16产生的光学信号。为此，由光源16产生的光的一部分借助分束器18分支并且通过另外的分束器40引向探测器381至384。
在光用于到物体12的路径并且返回所需的时间段期间，由光源16产生的信号的频率已经改变。具有类似频率的两个信号的叠加导致了差拍，差拍的频率可以通过计算FFT(快速傅里叶变换)来确定。此外，从多普勒频移可以推导出车辆10与物体12之间的相对速度。来自环境光或来自其它车辆10的扫描装置的干扰信号由于缺乏与光源16产生的光学信号的相干性而不能影响测量。
这些计算由评估装置42实施，该评估装置与探测器381至384连接并且此外操控分布矩阵20的光源16和光学开关22a、22b和22c。
如果用无源分束器(例如3dB定向耦合器)代替分布矩阵20的光学开关22，则由光源16产生的光学信号全部同时从输出耦合器261至264出射。然而，在物体12上反射的光学信号可以明确地与不同的方向相关联，因为偏转光学系统28确保每个光方向恰好与一个位置相关联并且因此与输入耦合器341至344相关联。光束L11的在物体12上在对应于光束L12的方向上反射的部分几乎不首先到达偏转光学系统28中。然而，借助有源分布矩阵20来连续地分布光学信号具有以下优点：在给定的时刻，每个方向的可用光功率比同时测量所有方向的距离和速度更大。
2.第二实施例
图5示出在上文中借助图3描述的扫描装置14的变型方案，其中可以看到进一步的实现细节。
在该实施例中，探测器381至384构造为对称光电探测器(英语为balancedphotodetector)，其通常包含两个串联连接的光电二极管。每个探测器381至384配设有一个3dB定向耦合器421至424，该3dB定向耦合器将深入的信号半分成两个输出端。
在下文中参照配属于探测器384的定向耦合器424来解释定向耦合器的功能。定向耦合器424具有第一对输入端46a、46b以及第二对输入端48a、48b，在它们之间设置有耦合路径44。通过输入波导364，光源16的光学信号能被输送给所述第一对的第一输入端46a并且由物体12反射的光学信号能被输送给所述第一对的第二输入端46b。所述第二对的两个输入端48a、48b与光电探测器424连接。这样使用的3dB定向耦合器424确保存在于对称光电探测器384的输入端上的信号具有相同的强度，但相位移动。由此，将光学信号的不期望的噪声彼此相减，使得噪声不干扰叠加的信号的评估。
3.第三实施例
在图6中所示的实施例与在图5中所示的实施例的不同之处尤其是在于光源16同时在多个彼此分开的频带中产生光学信号。这可以通过使用信号在多路复用器中叠加的多个激光器来实现。
在该实施例中，在定向耦合器421至424和光电探测器481至484之间的光路中分别设置有多路复用器50。所述多路复用器用作波长滤波器，所述波长滤波器仅对于确定的频带是透明的。对此替代地，多路复用器50也可以是可切换的。然后可改变多路复用器50对其透明的频带。
如果偏转光学系统28具有色散光学元件，则可以实现在附加空间方向上的扫描。这在下面参照图6更详细地阐述。
4.第四实施例
图7以根据图3的示意图示出本发明的另一个实施例。
在该实施例中，在偏转光学系统28与耦合器261至264以及341至344之间设置有一个共同的光学循环器52。所述光学循环器任务是将由物体12反射的光学信号仅指向输入波导361至364的端部上的输入耦合器341至344。如在图7中可看出，所述共同的光学循环器52使反射的光学信号的方向全部为相同方向，因此需要使输出波导241至244的布置结构与输入波导361至364的布置结构相协调。
在所示实施例中，所述共同的光学循环器52包括由双折射材料构成的平面平行的板54、法拉第旋转器56和半波长板58。法拉第旋转器56使从输出波导241至244出射的光的偏振方向旋转45°，半波长板58旋转另外的90°。由物体12反射的光的偏振方向在穿过半波长片58时经历再一次90°的旋转。由于法拉第旋转器56不是共有的，所以其在第二次穿过时不再使偏振方向旋转返回，而是旋转另外的45°。经反射的光由此以相对于偏振方向旋转90°的偏振方向进入到板54中，光在物体12上的反射之前第一次穿过。由于板54的双折射，板54中的经反射的光不同于入射光折射，并且与入射光偏移地从板54中出来。所述偏移确定为，使得经反射的光被精确地指向输入耦合器341至344。
经反射的光穿过所述共同的循环器52仅引起很小的损耗，这可以通过光学边界面的合适的抗反射来最小化。为此，在物体12上回射的光实际上完全指向输入耦合器341至344，这对于上述实施例仅非常近似地适用。
在该实施例中，偏转光学系统28不仅包括凸透镜30，而且还包括光栅60或其它色散光学元件。光栅60在一个平面内根据波长分离光学信号，该平面至少基本上垂直于输出波导241至244出射的光学信号在其之内传播的平面。所述与波长有关的分离在图7中通过光束61示出。在此，光束的分离垂直于纸平面进行。如在图2中所示的水平扫描平面之内，光束L11至L14例如具有在第一频带中的频率。与所述水平扫描平面倾斜的下一个扫描平面的光束L21至L24具有在与所述第一频带不同的第二频带中的频率等等。
如果探测器381至384设配有如图6所示的多路复用器50，则可以根据波长评估反射的信号。如果多路复用器50不可调节的，则必须提供多个层面的探测器381到384，以便能够单独检测每个反射的光束RL11至RL44。相反地，如果多路复用器50是可调节的，则不同的波长可以在时间上相继被检测和评估。
5.第五实施例
图8以根据图7的示图示出一种变型方案，其中在输出耦合器261至264或341至344之前的平面中布置有第一微透镜阵列62。第一微透镜阵列的微透镜使从输出耦合器261至264发散地出射的光准直。进入到输入耦合器341至344中的、由于在物体12长的漫反射而扩展的光被聚束为，使得其以尽可能高的效率经由输入耦合器341至344耦合输入到输入波导361至364中。
在该实施例中，还设置有第二微透镜阵列64，该第二微透镜阵列布置在光学循环器52与偏转光学系统28之间的光路中。第二微透镜阵列64的微透镜使准直的光在穿过偏转光学系统28之前聚束，以便在物体12上获得小的光斑直径并且因此获得具有尽可能高的横向分辨率的图像。
6.第六实施例
在至今所描述的实施例中，输出波导241至244和输入波导361至364布置在一个共同的平面中。但也可以考虑如在图9中所示的实施例那样，将输出波导241至244布置在输出平面66中，并且将输入轴361至364布置在与所述输出平面平行的输入平面68中。输入波导361至364因此例如不位于侧向上，而是直接位于相应配属的输出波导241至244旁边的高度上。
为了能够进行这种划分，所述共同的光学循环器52具有偏振选择性分束器70来代替板64。在那里，由物体12反射的光转向90°，因为其偏振方向旋转90°。经反射的光在折叠镜72处进一步偏转90°之后入射到输入波导361的输入耦合器341上。这相应地适用于其余的垂直于纸平面依次相继布置的输入波导362至364。
7.第七实施例
在图10中所示的实施例与在图7中所示的实施例的不同之处仅在于所述共同的光学循环器52的板54具有较大的厚度。因此，经反射的光在所述共同的循环器52中横向偏移一个更大的量。在该实施例中，所述偏移如此大，使得输出波导241至244和输入波导361至364虽然像之前一样交叠地布置，但彼此相应的输出波导和输入波导不再直接并排地布置。输入波导364大致不与所属的输出波导244相邻地布置，而是与输出波导243相邻地布置。
8.第八实施例
在图11中所示的实施例与之前所述的实施例的不同之处主要在于由物体12反射的光学信号不是通过自身的输入波导而是通过它们在从扫描装置14出射之前穿过的输出波导被输送给探测器。因此，在该实施例中存在被所发射的光学信号和所接收的光学信号两者穿过的波导。
光源在此包括DBR激光器，该DBR激光器的光经由分束器18被分配到分布矩阵20和另一个分布矩阵74中。所述分布矩阵20如在其它实施例中那样将光分配到输出波导241至244上。所述另一个分布矩阵74也包括开关22a至22c并且替代前述实施例的无源分束器40，该无源分束器将由光源16产生的光引向探测器381至384。以这种方式，因为仅那些恰好接收经反射的光学信号的探测器381至384获得光源16的光，因为相应的输出波导241-244已经从分布矩阵20被连接至光源16，所以可以更有效地使用可供使用的光。
输出波导241至244通过放大器76与3dB2×2定向耦合器781至784连接，该定向耦合器将在输出波导241至244中引导的光学信号分别半分成两个输出波导241a、241b至244a、244b。所述光学信号经由耦合器79出射并且如在其它实施例中那样经由偏转光学系统28沿不同的方向发射。
由物体12回射的光束经由耦合器79耦合输入到输出波导241a、241b至244a、244b中。所接收的光学信号的强度的50％经由布置在分布矩阵22与输出波导241a、241b至244a、244b之间的光路中的定向耦合器78被引导到输入波导801至804中，该输入波导将经反射的光学信号输送给探测器381至384。
定向耦合器781至784中的每个具有第一对和第二对输入端以及布置在所述对输入端之间的耦合路径44。第一对的第一输入端通过放大器76与分布矩阵22连接，第一对的第二输入端与所述探测器381至384之一连接，第二对的第一输入端与第一输出波导241a至244a连接，并且第二对的第二输入端与第二输出波导241b至244b连接。
为了提高探测器381至384的信号质量，在输出波导241a、242a、243a和244a中分别布置有移相器82。该移相器应当以更大的数值例如以2π*n来移动，其中n＝3、4、5并且优选5＞n＞100。
9.第九实施例
在图12中所示的实施例与在图11中所示的实施例的不同之处仅在于所述另一个分布矩阵74不具有开关22a、22b、22c，而是具有无源分束器40。
10.第十实施例
图13示出在图12中所示的实施例的变型方案，其中设置有附加的波长复用，如上面已经结合图6至图8所解释的那样。在该实施例中，光源16’包括四个DBR激光器171至174，这些DBR激光器光学信号位于不同的频带中并且可以经由具有开关86a、86b、86c的会聚矩阵84按顺序被接入到波导88上。以这种方式附加地实现了时间复用。
在图6中所示的实施例中布置在所接收的光学信号的光路中的多路复用器50在该实施例中不需要，因为在给定的时间点只有由DBR激光器171至174所产生的所述四个频带之一的光学信号被扫描装置14处理。
在该实施例中，所述不同的频带也可以用于与光栅60或其它色散光学元件一起沿竖直方向扫描周围环境，如上面结合图6至图8所示的实施例所解释的那样。
11.第十一实施例
在图14中所示的实施例中，由光源16产生的光学信号首先在放大器176中放大，并且然后在分布矩阵20中由多个光学开关22a、22b、22c分配到总共四个输出通道K1至K4上。在该实施例中，输出通道K1包括波导241’，在该波导中串联地集成有四个第一2×2定向耦合器781-1至781-4。这些第一定向耦合器781-1至781-4将在波导241’中被引导的光学信号的一部分经由输出波导241-1至241-4分别输送给耦合器791-1至791-4，光学信号可以从所述耦合器出射并且在物体12上反射之后可以再次进入。
为此目的，定向耦合器781-1至781-4分别具有第一对和第二对输入端以及布置在所述对输入端之间的耦合路径44。在定向耦合器781-1中，第一对的第一输入端与输出波导241的一个区段连接，并且第一对的第二输入端与探测器381-1连接。第二对的第一输入端与下一个定向耦合器781-2连接，并且第二对的第二输入端经由输出波导241-1与耦合器791-1连接。相应地适用于通道K1的其余的定向耦合器781-2至781-5。
探测器381-1至381-4在此也被构造为对称光电探测器，并且因此如在其它实施例中那样附加地获得光源16的光学信号。该实施例的特点在于，所述输送通过也与定向耦合器781-1至781-4连接的同样的波导241’实现。为此，波导241’与第二1×2定向耦合器901-1至901-4连接，将在波导241-1中被引导的光的一部分引向探测器381-1至381-4。在每个波导241’至244’的端部处设有一个吸收剩余光的吸收器92。
其余的输出通道K2至K4相应地构造。
因此，在图14中所示的实施例中，由物体12反射的信号也经由耦合器791-1至791-4、792-1至792-4等耦合输入到相同的输出波导241-1至241-4、242-1至242-4等中，信号之前从所述输出波导中被耦合输出。
该实施例的特点在于，输出通道K1至K4的每个输出波导241至244通过集成在其中的定向耦合器不仅与用于将光学信号耦合输出到自由空间中的耦合器连接而且与多个探测器连接。
优选地，集成在输出波导241至244中的定向耦合器781-1至781-4、782-1至782-4等均具有耦合系数，这些耦合系数相互协调，使得在输出信道Ki的所有耦合器79i-1至79i-4处输出相同强度的光学信号。

Claims (17)

1.一种用于扫描式测量与物体(12)的距离的装置(14)，该装置具有：
光源(16；16’)，所述光源(16；16’)设计用于产生具有时间上变化的频率的光学信号，
光学分布矩阵(20)，所述光学分布矩阵(20)具有多个光学开关(22a、22b、22c)和/或光学分束器并且设计用于将光学信号同时或连续地分配到多个输出波导(241至244；241a至244a、241b至244b；241-1至241-4、242-1至242-4、243-1至243-4、244-1至244-4)上，
偏转光学系统(28)，所述偏转光学系统(28)使从所述光学输出波导中出射的光学信号偏转成，使得它们在不同的方向上由所述装置(14)发射，
多个探测器(381至384)，这些探测器(381至384)设计用于检测由所述光源(16；16’)产生的光学信号与由所述物体(12)反射的光学信号的叠加，其中，由所述物体(12)反射的光学信号在绕过所述光学分布矩阵(20)的情况下被输送给所述探测器(381至384)，
评估装置(42)，所述评估装置设计用于从由所述探测器(381至384)检测到的叠加中确定与所述物体(12)的距离，
其特征在于，由所述物体(12)反射的光学信号(RL11至RL14)
a)通过所述输出波导(241a至244a、241b至244b；241-1至241-4、242-1至242-4、243-1至243-4、244-1至244-4)被输送给所述探测器(381至384)，或
b)通过与所述输出波导(241至244)无关的并且不与所述光源(16；16’)连接的输入波导(361至364)可被输送给所述探测器(381至384)，其中，所述输入波导
b1)与所述输出波导(241至244)交叠地布置，和/或
b2)相对于所述输出波导(241至244)这样布置，使得从所述输出波导中出射的光学信号在所述物体(12)上反射之后进入到所述输入波导(361至364)中，所述输入波导直接与所述输出波导(241至244)相邻地布置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输出波导(241a至244a、241b至244b；241-1至241-4、242-1至242-4、243-1至243-4、244-1至244-4)分别具有一个输出耦合器(261至264；79；791-1至791-4、792-1至792-4、793-1至793-4、794-1至794-4)，所述输出耦合器设计用于将在所述输出波导中引导的光学信号耦合输出到自由空间中。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，在光路中在所述输出耦合器(261至264)之后分别布置一个准直透镜(62)以便准直。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述偏转光学系统(28)包含凸透镜(30)，所述凸透镜具有前焦平面(29)，并且所述输出耦合器(261至264)或所述输出耦合器的图像布置在所述凸透镜(30)的前焦平面(29)中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述光源(16’)设计用于同时在不同的频带中产生具有时间上变化的频率的多个光学信号。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述偏转光学系统(28)具有色散光学元件(60)，所述色散光学元件根据波长分离在第一平面中的光学信号，所述第一平面至少基本上垂直于第二平面布置，从所述输出波导出射的光学信号在所述第二平面内传播。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，由所述物体(12)反射的光学信号可通过与所述输出波导(241至244)无关的并且不与所述光源(16；16’)连接的输入波导(361至364)被输送给所述探测器(381至384)。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述输入波导(361至364)能够分别具有一个输入耦合器(341至344)，所述输入耦合器(341至344)设计用于将在自由空间内传播的光束(RL11至RL14)耦合输入到所述输入波导(361至364)中。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，在光路中在所述输入耦合器(361至344)之前分别布置一个准直透镜(62)以便准直。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，在所述输出波导(241至244)与所述偏转光学系统(28)之间的光路中布置一个共同的光学循环器(52)，所述光学循环器(52)设计用于将由所述物体(12)反射的光学信号仅指向所述输入波导(361至364)的所述输入耦合器(341至344)。
11.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，由所述物体(12)反射的光学信号能够通过输出波导241a至244a、241b至244b；241-1至241-4、242-1至242-4、243-1至243-4、244-1至244-4被输送给所述探测器(381至384)，并且在所述分布矩阵(20)与所述输出波导之间的光路中布置有分束器(781至784；781-至781-4、782-1至782-4、783-1至783-4、784-1至784-4)，所述分束器将在所述输出波导中引导的和由所述物体(12)反射的光学信号引向所述探测器(381至384)。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述分束器包括具有第一对和第二对输入端的2×2定向耦合器(781至784)，其中，所述定向耦合器具有布置在第一对与第二对之间的耦合路径(44)，并且其中，所述第一对的第一输入端与所述分布矩阵(20)连接，所述第一对的第二输入端与所述探测器(381至384)之一连接，所述第二对的第一输入端与第一输出波导(241a至244a)连接，所述第二对的第二输入端与第二输出波导(241b至244b)连接。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，在所述定向耦合器(781至784)与所述第一输出波导(241a至244a)之间的光路中布置有移相器(82)。
14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述光学信号从所述光源(16；16’)到所述探测器(381-1至381-4、382-1至382-4、383-1至383-4、384-1至384-4)和到所述输出波导(241-1至241-4、242-1至242-4、243-1至243-4、244-1至244-4)的输送通过相同的波导(241’至244’)来实现。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述分束器包括具有第一对和第二对输入端的2×2定向耦合器(781-1至781-4、782-1至782-4、783-1至783-4)，其中，所述定向耦合器具有布置在第一对与第二对之间的耦合路径(44)，并且其中，所述第一对的第一输入端直接或通过其它定向耦合器(781-1至781-4、782-1至782-4、783-1至783-4)与所述分布矩阵(20)连接，所述第一对的第二输入端与所述探测器(381-1至381-4、382-1至382-4、383-1至383-4、384-1至384-4)之一连接，所述第二对的第一输入端与另一个定向耦合器(781-1至781-4、782-1至782-4、783-1至783-4、784-1至7844)连接，所述第二对的第二输入端与输出波导(241-1至241-4、242-1至242-4、243-1至243-4、244-1至244-4)连接。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述定向耦合器具有耦合系数，这些耦合系数这样设计，使得在所有输出波导(241-1至241-4、242-1至242-4、243-1至243-4、244-1至244-4)上施加由所述光源产生的相同强度的光学信号。
17.一种用于扫描式测量与物体(12)的距离的方法，该方法具有以下步骤：
光源(16；16’)产生具有时间上变化的频率的光学信号；
具有多个光学开关(22a、22b、22c)和/或光学分束器的光学分布矩阵(20)将光学信号同时或连续地分配到多个输出波导(241至244；241a至244a、241b至244b；241-1至241-4、242-1至242-4、243-1至243-4、244-1至244-4)上，
偏转光学系统(28)使从所述光学输出波导中出射的光学信号偏转成，使得它们沿不同的方向发射；
多个探测器(381至384)检测由所述光源(16；16’)产生的光学信号与由所述物体(12)反射的光学信号的叠加，并且在绕过所述光学分布矩阵(22)的情况下被输送给所述探测器(381至384)；
评估装置(42)从由所述探测器(381至384)检测到的叠加中确定与所述物体(12)的距离；
由物体(12)反射的光学信号(RL11至RL14)
a)通过所述输出波导(241a至244a、241b至244b；241-1至241-4、242-1至242-4、243-1至243-4、244-1至244-4)被输送给所述探测器(381至384)，或
b)通过与所述输出波导(241至244)无关的并且不与所述光源(16；16’)连接的输入波导(361至364)被输送给所述探测器(381至384)，其中，所述输入波导
b1)与所述输出波导(241至244)交叠地布置，或
b2)相对于所述输出波导(241至244)这样布置，使得从输出波导中出射的光学信号在所述物体(12)上反射之后进入到所述输入波导(361至364)中，所述输入波导直接与所述输出波导(241至244)相邻地布置。
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