CN116325356A - 光学扫描仪 - Google Patents

Abstract

本发明的光学相控阵(3)构成为通过使用扫描用相位量分别独立地控制将从光源(2)供给的光分支而成的多个分支光的相位，并从具有多个天线元件的天线阵列放射，来实现光束的扫描。监视用受光部(6)构成为接受从光学相控阵放射的光。信号处理部(7)构成为根据监视用受光部中的检测结果来检测光束的特性，并生成用于修正扫描用相位量的相位调整量以使特性的检测值与预先准备的设计值一致。

Description

光学扫描仪

相关申请的交叉引用

本国际申请主张基于在2020年9月30日向日本专利厅申请的日本专利申请第2020－165997号的优先权，通过参照将日本专利申请第2020－165997号的全部内容引用到本国际申请。

技术领域

本公开涉及使用光学相控阵的光学扫描仪。

背景技术

已知有使用光学相控阵(以下，OPA)，来进行光束形成以及光束转向的技术。OPA是Optical Phased Array的缩写。在OPA中，使用具有放射光的多个天线元件的天线阵列，分别控制给予各天线元件的相移量。

根据天线阵列的配置和所使用的光的波长在理论上唯一地确定为了光束转向而对各天线元件给予的相移量。但是，若从光源到各天线元件的波导的特性根据温度变化等而变化，则在对各天线元件给予的相移量中产生误差，对于光束轮廓以及出射角度等得不到所需的性能。

在下述专利文献1中，提出了设置监视供给至各个天线元件的光的相位的相位监视器，并对通过与各天线元件连接的波导的光的相位进行反馈控制，以使监测值与目标值一致的技术。

专利文献1：美国专利申请公开第2020/0158839号说明书

然而，发明人详细研究的结果是，发现了在现有技术中无法应对由对天线元件的三维配置带来影响的基板的变形引起的误差这样的课题。

即，OPA形成在被称为PIC的基板上。PIC是Photonic Integrated Circuit(光子集成芯片)的缩写。在将OPA应用于车载LiDAR的情况下，假定由于周围温度环境、其他安装部件的发热，在PIC基板上产生变形(例如，基板的翘曲等)。LiDAR是Light Detection andRanging的缩写。若基板产生变形，则天线元件的配置三维地发生变化，从而发生光束轮廓的破坏、光束出射角度的偏移。但是，由于现有技术是以天线元件的三维配置恒定为前提的技术，因此无法应对由对天线元件的三维配置带来影响的基板的变形引起的误差。

发明内容

本公开的一个方面优选能够提供一种在使用光学相控阵的光学扫描仪中，修正基于天线元件的配置的变化的误差的技术。

本公开的一个方式是光学扫描仪，具备光源、光学相控阵、监视用受光部以及信号处理部。光学相控阵构成为通过使用扫描用相位量分别独立地控制将从光源供给的光分支而成的多个分支光的相位，并从具有多个天线元件的天线阵列放射，来实现光束的扫描。监视用受光部构成为接受从光学相控阵放射的光。信号处理部构成为根据监视用受光部中的检测结果来检测光束的特性，并生成用于修正扫描用相位量的相位调整量以使特性的检测值与预先准备的设计值一致。

根据这样的结构，通过直接检测从光学相控阵向空间放射的光束，将在空间中传播的光的相位直接反馈给相位调整量的生成。因此，能够补偿误差，不仅包含由构成光学相控阵的电路内的因素引起的误差，也包含由安装光学相控阵的基板的变形等产生的电路外的因素引起的误差。其结果是，能够高精度地实现光束的光束轮廓的优化和光束的扫描的优化。

附图说明

图1是表示第一实施方式的光学扫描仪的结构的框图。

图2是表示光学相控阵的原理的说明图。

图3是表示光学相控阵的照射图案的图表。

图4是表示基板的变形对光束轮廓带来的影响的说明图。

图5是表示基板的变形方式与光束轮廓的关系的说明图。

图6是第一实施方式中的通常处理的流程图。

图7是第一实施方式中的修正处理的流程图。

图8是表示第二实施方式的光学扫描仪的结构的框图。

图9是第二实施方式中的通常处理的流程图。

图10是第二实施方式中的修正处理的流程图。

图11是表示监视用受光部的其他配置方法的说明图。

图12是表示监视用受光部经由反射镜受光的情况下的配置例的说明图。

图13是表示监视用受光部经由反射镜受光的情况下的配置例的说明图。

具体实施方式

以下，参照附图对本公开的实施方式进行说明。

[1.第一实施方式]

[1－1.结构]

图1所示的光学扫描仪1具备光源2、光学相控阵(即，OPA)3、探测器4、相位控制器5、监视用受光部6以及信号处理部7。

光学扫描仪1被收纳于框体10，从形成于框体10的前壁的开口部11照射光。开口部11具有不妨碍由从OPA3照射的光束进行扫描的角度范围(即，扫描范围)亦即FOV的大小。FOV是Field Of View(视场)的缩写。

光源2是产生激光的设备。在这里，使用FM调制后的具有1.5μm频带或者1.3μm频带的波长的连续波。

OPA3是利用光的衍射、干涉来控制光束的剖面形状(即，光束轮廓)、行进方向的设备。OPA3具备分离器31、移相器32以及天线阵列33。OPA3与光源2一起安装在单个PIC基板上。

分离器31将来自光源2的入射光分配给由多个波导构成的波导阵列。另外，分离器31生成将来自波导阵列的入射光混合而成的混合光。该混合光与来自光源2的入射光一起将光入射至探测器4。

移相器32设置于构成波导阵列的多个波导中的每个波导，通过根据来自相位控制器5的指示，利用电光效应、热光效应等使波导的折射率变化，来使通过各波导的光的相位分别独立地变化。

天线阵列33具有以一定间隔配置的K个(例如，K＝数百～数千左右)天线元件(以下，元件)。也可以使用在波导阵列中和与分离器31的连接端相反侧的端部作为各个元件。

天线阵列33向FOV照射从波导阵列供给的光，并且接受从FOV到来的光，并供给至波导阵列。此外，天线阵列33也可以构成为经由使光衍射、干涉的衍射光栅进行光的照射和受光。

如图2所示，OPA3用(1)式表示从由标识符k确定的元件的放射引起的θ方向的电场Ek。其中，E0是电场振幅，EF(θ)是表示元件单体的指向性(即，照射图案)的元件系数。λ是波长，θ是电波面行进/到来方向，dk是距由k确定的元件的基准元件的距离，φk是通过移相器32对由k确定的元件给予的相位。此外，基准元件是位于天线阵列33的一端(例如，在图2中为左端)的元件，用k＝0来表示。以下，k的值从接近基准元件的元件开始依次增大。

[数1]

由具有K个元件的天线阵列33整体形成的合成电场Esum(θ)用(2)式来表示。其中，AF(θ，λ)是表示天线阵列33整体的指向性的阵列系数，用(3)式来表示。

[数2]

E_sum(θ)＝E₀*AF(θ，λ) (2)

(4)式是从(3)式提取出的相位条件式，在满足相位条件式的方向θ0形成主瓣。换句话说，通过使相位φk成为适当的值，能够任意地设定形成主瓣的方向θ0。其中，将m设为0以外的整数，在满足(5)式的情况下，在θgm方位也形成较强的峰值，即，光栅瓣。

[数3]

因此，在OPA3中，得到如图3所示的照射图案。一般而言，FOV设定在以形成主瓣的方向θ0为中心，不包含形成m＝±1的光栅瓣的方向θgm的范围内，但也有利用光栅瓣，扩大FOV的情况，并不限于上述范围。

探测器4使用光电二极管等受光元件而构成，将通过由OPA3接受并混合而生成的光转换为电信号，并作为受光信号供给至信号处理部7。受光信号成为具有FMCW波的发送波(即，参照波)与接收波之差的频率成分的差拍信号。

相位控制器5通过根据OPA3的光束的照射方向θ，使给予移相器32的扫描相位量φ(θ)变化，来实现光束的扫描。扫描相位量φ(θ)是以按天线阵列33的每个元件设定的相移量φ1～φK为要素的矢量。扫描相位量φ(θ)是根据元件的配置和光束的照射方向θ在理论上确定的值。

相位控制器5将以从信号处理部7供给的相位调整量ψ对扫描相位量φ(θ)进行修正后的值给予移相器32。相位调整量ψ是以按每个元件设定的调整量ψ1～ψK为要素的矢量。相位调整量ψ是用于除去因安装OPA3的基板的变形等而天线阵列33的配置发生三维变化而产生的相位的误差量的调整量。

如图1所示，监视用受光部6配置在通过OPA3可控制的光束照射方向的范围内并且配置在FOV的外侧。具体而言，在框体10中，设置在形成有开口部11的前壁的内壁面等。监视用受光部6例如使用将多个光电二极管(以下，PD)一维或者二维地排列的PD阵列。

信号处理部7具备具有CPU71和例如ROM或RAM等半导体存储器(以下，存储器)72的微型计算机。信号处理部7至少执行通常处理和修正处理。在存储器72中，除了用于执行通常处理和修正处理的程序以外，还至少存储用于修正处理的光束轮廓的设计值和检查表(以下，LUT)。

[1－2.光束轮廓]

光束轮廓是表示由OPA3形成的光束的特征的信息。光束轮廓也可以包含光束的扩展角以及光束照射方向的偏移量中的至少一个。光束轮廓由于安装OPA3的PIC基板因热等变形，而产生相对于本来的设计值的误差E。误差E具有根据变形量、变形的方向而不同的倾向。

具体而言，如图4所示，具有随着变形量增大，而光束的扩展角增大，并且光束照射方向(即，主瓣的中心方向)的偏移量也增大的倾向。

另外，如图5所示，在PIC基板的左端从相当于设计值的基准面向正方向变形的情况下、以及PIC基板的右端从基准面向负方向变形的情况下，照射方向均向右方偏移。在PIC基板的右端从基准面向正方向变形的情况下、以及PIC基板的左端从基准面向负方向变形的情况下，照射方向均向左方偏移。

LUT是利用该光束轮廓中的误差E的倾向来创建的，具体而言，具有对误差E和用于相位调整量ψ的更新的修正量Δψ建立了对应关系的内容。另外，LUT根据照射方向偏离的方向(即，是右方还是左方)和变形方式(即，是正方向还是负方向)的组合准备四种不同的LUT。

[1－3.处理]

使用图6的流程图，对由信号处理部7执行的通常处理进行说明。

通常处理以预先设定的通常处理周期，被反复执行。

在S110中，信号处理部7将相位调整量ψ输出至相位控制器5。相位调整量ψ使用通过修正处理最后更新的值。其中，在进行最近的修正处理后，经过了预先设定的允许时间以上的情况下，相位调整量ψ也可以设定为0。

在接下来的S120中，信号处理部7在FOV的扫描所需的时间期间，使光源2发光。

此时，相位控制器5一边使扫描相位量φ(θ)依次变化一边将对扫描相位量φ(θ)加上相位调整量ψ所得的相移量φ(θ)+ψ供给至移相器32。其结果是，从OPA3照射扫描FOV的光束。

在接下来的S130中，信号处理部7从探测器4获取受光信号，并基于受光信号使用FMCW雷达中的已知的方法来执行测距处理，并结束处理。

接下来，使用图7的流程图对由信号处理部7执行的修正处理进行说明。

每当执行通常处理，就在通常处理之前或者之后执行修正处理。修正处理也可以按每个被设定为比通常处理周期长的修正处理周期、或者每当启动光学扫描仪1就执行。

在S210中，信号处理部7对相位控制器5发出指示，以使得修正用的相移量φ(θh+ψ)供给至移相器32。θh是从OPA3的放射中心观察时监视用受光部6所处的方位角度，是由光学扫描仪1的结构决定的固定值。ψ是当前设定的相位调整量。

在接下来的S220中，信号处理部7使光源2发光。若光源2发光，则从OPA3向监视用受光部6照射光束。

在接下来的S230中，信号处理部7从监视用受光部6获取监视用受光信号，并基于获取到的监视用受光信号来检测从OPA3照射的光束的光束轮廓。具体而言，检测光束的扩展角和光束照射方向的偏移量。

在接下来的S240中，信号处理部7计算检测值相对于S230中的光束轮廓的设计值的误差E。误差E通过绝对值来表示偏移的大小，通过正负的符号来表示偏移的方向。因此，误差E也可以直接使用照射方向的偏移量作为检测值来计算，也可以使用对光束的扩展角组合光束照射方向的偏移量的符号(即，偏移的方向)而得到的值作为检测值来计算。

在接下来的S250中，判定在S240中计算的误差E的绝对值|E|是否小于预先设定的阈值Eth，若|E|＜Eth则结束处理，若|E|≥Eth，则将处理移至S260。

在S260中，信号处理部7判定是否满足结束条件。结束条件例如能够使用处理的反复次数是否达到上限值。在满足结束条件的情况下，信号处理部7结束处理，在不满足结束条件的情况下，信号处理部7使处理移至S270。

在S270中，信号处理部7判定本次的修正周期中的S210～S250的处理的反复次数是否是第一次，若是第一次，则使处理移至S280，若是第二次以后，则使处理移至S290。

在S280中，信号处理部7对表示成为产生误差E的原因的PIC基板的变形方式是向正侧的变形还是向负侧的变形的变形设定值进行初始化，并使处理前进到S310。在变形设定值的初始化中，成为与在前一次的修正处理被启动时最终设定的变形设定值相同的值。其中，在从前一次的修正处理经过了预先设定的允许时间以上的情况下，可以设定为任意的值。

在S290中，信号处理部7对在S240中计算出的误差|E|和在前一次的反复周期中的S240中计算出的误差|E|进行比较，判定误差|E|是否增加。若误差|E|增加，则信号处理部7使处理移至S290，若未增加，则信号处理部7使处理移至S310。

在S300中，信号处理部7使变形设定值反转，并使处理前进到S310。

在S310中，信号处理部7使用与变形设定值对应的LUT求出用于使在S240中计算出的误差E接近零的修正量Δψ，并通过将求出的修正量Δψ与相位调整量ψ的当前值相加，来更新相位调整量ψ，并将处理返回到S210。此外，相位调整量ψ的更新也可以代替使用LUT而使用计算式等来进行。

在这里，S270～S310的处理的意思如下。即，如图5所示，由于存在仅通过光束轮廓的误差E无法区分变形方式的状况，因此首先，例如，假设左端在正方向上变形，使用与该状况对应的LUT来更新相位调整量ψ。然后，若反复S210～S250的处理的结果是误差|E|减少，则推断为变形方式的假设正确，因此使用相同的LUT反复更新相位调整量ψ。若反复S210～S250的处理的结果是误差|E|增加，则推断为变形方式的假设错误，因此使变形方式的假设反转，即，假设右端在负方向上变形，使用与该状况对应的LUT来更新相位调整量ψ。

[1－3.效果]

根据以上详细叙述的第一实施方式，起到以下的效果。

(1a)在光学扫描仪1中，通过利用监视用受光部6直接检测来自OPA3的照射光，将在空间传播的光的相位直接反馈给对OPA3的移相器32给予的相位调整量ψ。因此，不仅能够补偿因从光源2到天线阵列3的波导间的特性的偏差等而产生的安装于PIC基板的电路内的因素引起的误差，也能够一并补偿因PIC基板的变形等而产生的电路外的因素引起的误差。其结果是，能够高精度地实现光束的光束轮廓的优化和光束的扫描的优化。

(1b)在光学扫描仪1中，根据PIC基板的变形方式准备不同的LUT，并使用任意选择的LUT来计算修正量Δψ。并且，根据以计算出的修正量Δψ更新相位调整量ψ后的误差|E|的增减，来判定是否选择了适当的LUT，即，变形方式的推断是否正确。因此，在光学扫描仪1中，能够推断在根据监视用受光信号检测的光束轮廓中难以确定的PIC基板的变形方式，因此能够准确地更新相位调整量ψ。

[2.第二实施方式]

[2－1.与第一实施方式的不同点]

第二实施方式由于基本结构与第一实施方式相同，因此以下对不同点进行说明。此外，与第一实施方式相同的附图标记表示相同的结构，参照前面的说明。

在第二实施方式中，相位调整量ψ的计算方法与第一实施方式不同。

如图8所示，本实施方式的光学扫描仪1a除了第一实施方式的光学扫描仪1的结构以外，还具备相位监视器8。

相位监视器8分别独立地检测对形成天线阵列33的各元件供给的光的相位。

信号处理部7除了使用来自监视用受光部6的检测信号外，还使用来自相位监视器8的检测信号，来计算相位调整量ψ。

[2－2.处理]

使用图9的流程图，对由第二实施方式的信号处理部7代替图6所示的通常处理而执行的通常处理进行说明。

在S115中，信号处理部7将外在因素调整量ψa和内在因素调整量ψb的合计值作为相位调整量ψ输出至相位控制器5。ψa、ψb使用通过通常处理或者修正处理最后更新的值。其中，对于外在因素调整量ψa，也可以在进行最后的更新后，在经过预先设定的允许时间以上的情况下设定为0。

接下来的S120～S130的处理与第一实施方式的情况相同，因此省略说明。

在接下来的S140中，信号处理部7获取来自相位监视器8的检测信号，并基于获取到的检测信号，来判定在被供给至各元件间的光的相位差中是否存在与设计值的偏移(以下，相移)。信号处理部7在判定为存在相移的情况下，将处理移至S150，在判定为不存在相移的情况下，结束处理。

在S150中，信号处理部7通过计算用于使被供给至各元件间的光的相位差与设计值一致(即，使相移为0)的修正量Δψb，并与当前的内在因素调整量ψb相加，来更新内在因素调整量ψb，并结束处理。

接下来，使用图10的流程图对由第二实施方式的信号处理部7代替图7所示的修正处理而执行的修正处理进行说明。

在S215中，信号处理部7对相位控制器5发出指示，以使得修正用相移量φ(θh+ψ)供给至移相器32。θh是从OPA3的放射中心观察时监视用受光部6所位于的方位角度，是由光学扫描仪1的结构决定的固定值。ψ是外在因素调整量ψa和内在因素调整量ψb的合计值。

接下来的S220～S240的处理由于与第一实施方式的情况相同，因此省略说明。

在接下来的S242中，与S140中的处理相同，信号处理部7获取来自相位监视器8的检测信号，并基于获取到的检测信号，来判定是否存在相移。信号处理部7在判定为存在相移的情况下，将处理移至S244，在判定为不存在相移的情况下，将处理移至S250。

在S244中，与S150中的处理相同，信号处理部7计算修正量Δψb，使用修正量Δψb来更新内在因素调整量ψ2，并使处理前进到S250。

S250～S310的处理由于与第一实施方式的情况相同，因此省略说明。其中，在S250～S310的说明中使用的相位调整量ψ替换为外在因素调整量ψ1。

[2－3.效果]

根据以上详细叙述的第二实施方式，起到上述的第一实施方式的效果(1a)(1b)，并且起到以下的效果。

(2a)在光学扫描仪1a中，将相位调整量ψ分离为外在因素调整量ψa和内在因素调整量ψb来计算。因此，能够更高精度地计算相位调整量ψ，能够提高OPA3的控制精度。

[3.其他实施方式]

以上，对本公开的实施方式进行了说明，但本公开并不限定于上述的实施方式，能够进行各种变形并实施。

(3a)在上述实施方式中，将监视用受光部6设置于在框体10形成有开口部11的前壁的内壁面，但也可以如图11所示，设置于框体10的侧壁的内壁面。

(3b)在上述实施方式中，在能够朝向主瓣的位置配置有监视用受光部6，但监视用受光部6的配置并不限定于能够朝向主瓣的位置。例如，如图11所示，也可以在主瓣位于规定方向(例如正面方向)时，光栅瓣照射的位置配置监视用受光部6。在该情况下，能够不需要修正处理用的光束控制。

(3c)在上述实施方式中，在直接接受来自OPE3的照射光的位置配置有监视用受光部6，但也可以在来自OPE3的照射光照射的位置配置反射镜9，并在接受被反射镜9反射的反射光的位置配置监视用受光部6。在该情况下，监视用受光部6也可以如图12所示，配置于框体10的侧壁，也可以如图13所示，配置于与配置有OPA3等相同的壁面。通过设置反射镜9，能够提高监视用受光部6的配置的自由度。

(3d)本公开所记载的信号处理部7及其方法也可以由通过构成被编程为执行由计算机程序具体化的一个或多个功能的处理器以及存储器而提供的专用计算机来实现。或者，本公开所记载的信号处理部7及其方法也可以由通过由一个以上的专用硬件逻辑电路构成处理器而提供的专用计算机来实现。或，本公开所记载的信号处理部7及其方法也可以由通过被编程为执行一个或多个功能的处理器和存储器以及由一个以上的硬件逻辑电路构成的处理器的组合构成的一个以上的专用计算机来实现。另外，计算机程序也可以作为由计算机执行的指令，存储于计算机可读取的非过渡有形记录介质。实现信号处理部7所包含的各部的功能的方法未必需要包含软件，也可以使用一个或多个硬件来实现其全部功能。

(3e)也可以通过多个构成要素来实现上述实施方式中的一个构成要素所具有的多个功能、或通过多个构成要素来实现一个构成要素所具有的一个功能。另外，也可以通过一个构成要素来实现多个构成要素所具有的多个功能、或通过一个构成要素来实现由多个构成要素实现的一个功能。另外，也可以省略上述实施方式的结构的一部分。另外，也可以将上述实施方式的结构的至少一部分附加到其他的上述实施方式的结构、或者用上述实施方式的结构的至少一部分置换其他的上述实施方式的结构。

(3f)本公开除了上述的光学扫描仪以外，也能够以将该光学扫描仪作为构成要素的系统、用于使计算机作为该光学扫描仪的信号处理部发挥作用的程序、记录有该程序的半导体存储器等非过渡性实体记录介质、OPA的相位调整方法等各种形式来实现。

Claims (7)

1.一种光学扫描仪，具备：

光源(2)；

光学相控阵(3)，构成为通过使用扫描用相位量分别独立地控制将从上述光源供给的光分支而成的多个分支光的相位，并从具有多个天线元件的天线阵列放射，来实现光束的扫描；

监视用受光部(6)，构成为接受从上述光学相控阵放射的光；以及

信号处理部(7)，构成为根据上述监视用受光部中的检测结果来检测上述光束的特性，并生成用于修正上述扫描用相位量的相位调整量以使上述特性的检测值与预先准备的设计值一致。

2.根据权利要求1所述的光学扫描仪，其中，

上述信号处理部使用光束的扩展角以及光束照射方向的偏移量中的至少一个作为上述光束的特性。

3.根据权利要求1或2所述的光学扫描仪，其中，

上述监视用受光部配置在接受由上述光学相控阵形成的光栅瓣的位置。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的光学扫描仪，其中，

上述监视用受光部配置在上述光学相控阵的扫描范围的外侧。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的光学扫描仪，其中，

还具备相位监视器(9)，上述相位监视器构成为分别独立地检测上述多个分支光的相位，

上述信号处理部构成为将对内在因素调整量加上外在因素调整量所得的结果设定为上述相位调整量，其中，上述内在因素调整量是根据上述相位监视器中的检测结果计算出的，并以分别传播上述多个分支光的波导间的特性的偏差为因素，上述外在因素调整量是根据上述监视用受光部中的检测结果计算出的，并以配置有天线元件的面的变形为因素。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的光学扫描仪，其中，

上述信号处理部构成为根据上述检测值相对于与上述光束的特性相关的上述设计值的误差，使用预先准备的检查表来计算用于更新上述相位调整量的修正量。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的光学扫描仪，其中，

上述光源和上述光学相控阵被安装在同一基板上。

Images