CN117836668A - 光收发器阵列 - Google Patents

Abstract

一种光电设备(20、50)包括平面衬底(30)、被设置在衬底上并被配置成通过总线传送相干辐射的光总线(40、82、84、96、140、150、180、182、224)和被设置在衬底上的感测单元(34、74、90、160、170、200、212、380)的阵列(32、72)。每个感测单元包括被耦合以提取通过光总线传播的相干辐射的一部分的至少一个抽头(92、94、144、146、226、228)、被配置成在感测单元和在衬底外部的目标之间耦合光辐射的光学换能器(36、108、162、172、202、204、214)以及接收器(114、174、178、216、218)，该接收器(114、174、178、216、218)被耦合以将由抽头提取的相干辐射与由光学换能器接收的光辐射混频并响应于所混频的辐射输出电信号。

Description

光收发器阵列

相关申请的交叉引用

本申请要求以下申请的利益：2021年8月18日提交的美国临时专利申请63/234,700；2021年9月2日提交的美国临时专利申请63/240,012；和2022年5月16日提交的美国临时专利申请63/342,176。本申请与同日提交的题为“Integrated arrays for coherentoptical detection”的另一PCT专利申请(代理人案号1458-2002.2)相关。所有这些相关申请的公开内容通过引用并入本文。

发明领域

本发明总体上涉及用于光学感测的系统和方法，且特别地，涉及集成光学感测设备。

背景

在许多光学感测应用中，目标上的多个点被一束或多束光束辐照，并且来自每个点的反射辐射被处理以分析目标的特性。在一些应用中，例如光学相干层析成像(OCT)和连续波(CW)LiDAR，相干光束被传输到目标，并且反射的辐射与所传输的辐射相干地被感测和处理。为了以高分辨率感测目标的特性，可以在目标区域内扫描所传输的光束，或者可以使用接收器阵列同时传输和感测多光束的阵列。

在本说明书和权利要求中使用的术语“光学(optical)”、“光(light)”和“光辐射(light radiation)”是指可见、红外和紫外光谱范围中的任何一个范围内的电磁辐射。

概述

下文描述的本发明的实施例提供了用于光学感测的改进的系统、设备和方法。

因此，根据本发明的实施例，提供了一种光电设备，该光电设备包括：平面衬底和光总线(optical bus)，该光总线包括被设置在衬底上并被配置成通过该总线传送相干辐射的至少一个波导。感测单元的阵列沿着光总线设置在衬底上。每个感测单元包括：至少一个抽头、光学换能器和接收器，该至少一个抽头被耦合以提取通过光总线传播的相干辐射的一部分；该光学换能器被配置成在感测单元和在衬底外部的目标之间耦合光辐射；该接收器被耦合以将由抽头提取的相干辐射与由光学换能器接收的光辐射混频，并响应于所混频的辐射输出电信号。

在一些实施例中，光总线包括服务于不同的、相应感测单元组的多条总线，并且，该设备包括被耦合以将来自辐射源的相干辐射分配到该多条总线的光网络。在一个实施例中，该光网络包括有源交换网络。可选地或附加地，该光网络包括无源分束器阵列。

在一些实施例中，感测单元具有由光学换能器的相应光学孔限定的相应视场，并且，该设备包括扫描器，该扫描器被配置成在目标内扫描视场。在所公开的实施例中，光学孔被设置成一行，该行具有垂直于扫描器的扫描方向的行轴。可选地或附加地，感测单元的光学孔位于二维矩形网格的相应的行和列上的相应的节点处，使得相应的行和列上的节点中的仅少数节点被光学换能器占据，以及，扫描器被配置成至少沿着网格的行在目标上扫描光学孔，使得光学孔中的每一个被连续地投影到目标上的矩形网格中的多个节点的相应序列上。

在一些实施例中，每个感测单元包括：传输波导和接收波导，该传输波导被配置成将相干辐射从至少一个抽头传送到光学换能器以朝向目标传输；该接收波导被配置成将由光学换能器接收的光辐射传送到接收器。

在所公开的实施例中，至少一个抽头包括第一抽头和第二抽头，该第一抽头被耦合以将相干辐射的第一部分从总线传送到传输波导，该第二抽头被耦合以将相干辐射的第二部分传送到接收器以与所接收的光辐射混频。在一个实施例中，光总线包括单个波导，第一抽头和第二抽头都耦合到该单个波导。在另一实施例中，光总线包括第一波导和第二波导，第一抽头耦合到该第一波导，第二抽头耦合到该第二波导。

在一个实施例中，在每个单元中，光学换能器包括第一换能器元件和第二换能器元件，该第一换能器元件被配置成将从传输波导出来的相干辐射朝向目标耦合，该第二换能器元件被配置成将入射到光学换能器上的光辐射耦合到接收波导中。

可选地或附加地，每个单元包括耦合器，该耦合器被配置成将来自传输波导的相干辐射耦合到光学换能器以朝向目标传输，并且将入射到光学换能器上的光辐射耦合到接收波导中。在一个实施例中，由传输波导传送的相干辐射具有第一偏振，并且，光学换能器被配置成接收具有第一偏振和与第一偏振正交的第二偏振两者的入射光辐射并将该入射光辐射传送到耦合器，并且该耦合器被配置成将所接收的具有第一偏振和第二偏振两者的光辐射耦合到接收器。

在所公开的实施例中，耦合器包括偏振分束器旋转器，该偏振分束器旋转器被配置成将所接收的具有第二偏振的光辐射旋转至第一偏振。在一个实施例中，光学换能器包括边缘耦合器，并且该偏振分束器旋转器与该边缘耦合器集成在一起。

在另一实施例中，光学换能器包括光栅耦合器，该光栅耦合器包括被耦合到传输波导的第一光栅和被耦合到接收波导的第二光栅。在所公开的实施例中，该第一光栅被配置成在传输波导和在该衬底上方的空间中的第一角度范围之间耦合相干辐射，并且该第二光栅被配置成在不同于该第一范围的第二角度范围内将入射到该光栅耦合器上的光辐射耦合到接收波导中。

在可选实施例中，光学换能器被配置成接收具有第一偏振和与该第一偏振正交的第二偏振两者的入射光辐射并将该入射光辐射传送到接收器，并且，接收器包括用于对所接收的具有第一偏振的光辐射进行混频和检测的第一混频器和第一检测器以及用于对所接收的具有第二偏振的光辐射进行混频和检测的第二混频器和第二检测器。

在一些实施例中，光学换能器包括边缘耦合器。在其他实施例中，光学换能器包括光栅耦合器。

在一些实施例中，由每个感测单元中的接收器输出的信号包括响应于目标相对于设备的范围的拍频。在所公开的实施例中，每个感测单元中的接收器包括光学混合器和一对检测器，该光学混合器和该一对检测器被耦合以接收所混频的辐射的同相(I)分量和正交(Q)分量，并输出电信号的相对应的I分量和Q分量。

根据本发明的实施例，还提供了一种光耦合器，该光耦合器包括平面衬底和设置在该衬底上的第一波导和第二波导。被设置在衬底上的第一光栅被耦合以在该第一波导与在衬底上方的空间中的第一角度范围之间衍射第一光辐射。第二光栅被设置在衬底上，在第一光栅上方，并被耦合以在第二波导与在衬底上方的空间中的第二角度范围之间衍射第二光辐射，该第二角度范围不同于第一范围。

在所公开的实施例中，第一角度范围和第二角度范围在第一光栅和第二光栅的远场中是不相交的。

附加地或可选地，光学元件被安装在衬底上方并且被配置成将第一光辐射和第二光辐射聚焦在第一角度范围和第二角度范围内。

根据本发明的实施例，还提供了一种光电装置，该光电装置包括载体衬底和双折叠式反射镜，该双折叠式反射镜被安装在载体衬底上，并且包括相对于载体衬底的法线以对角设置的第一反射表面和第二反射表面。第一感测设备包括：第一平面衬底，该第一平面衬底被设置在该载体衬底上，其中第一平面衬底的第一边缘靠近第一反射表面；和第一感测单元的第一阵列，该第一感测单元被设置在第一平面衬底上，并且包括相应的第一边缘耦合器，该第一边缘耦合器沿着第一平面衬底的第一边缘设置，以便在第一感测单元和第一反射表面之间耦合光辐射。第二感测设备包括：第二平面衬底，该第二平面衬底被设置在载体衬底上，其中第二平面衬底的第二边缘靠近第二反射表面；和第二感测单元的第二阵列，该第二感测单元被设置在第二平面衬底上，并且包括相应的第二边缘耦合器，该第二边缘耦合器沿着第二平面衬底的第二边缘设置，以便在第二感测单元和第二反射表面之间耦合光辐射。

在所公开的实施例中，双折叠式反射镜具有三角形轮廓，其中，第一反射表面和第二反射表面分别以相对于法线的+45°和-45°定向。

附加地或可选地，第一边缘和第二边缘都平行于公共轴线，其中，第一边缘耦合器和第二边缘耦合器沿着第一边缘和第二边缘设置，且边缘耦合器之间具有预定间距，并且其中，第二边缘耦合器相对于第一边缘耦合器沿着公共轴线偏移该预定间距的一半。

另外，附加地或可选地，第一感测单元和第二感测单元包括相应的接收器，该接收器通过设置在第一平面衬底和第二平面衬底上的波导耦合到边缘耦合器，其中，接收器具有大于预定间距的相应宽度，并且被设置在离第一边缘和第二边缘不同的相应距离处。

在一些实施例中，第一感测单元和第二感测单元包括光收发器单元，该光收发器单元被配置成：将相干辐射经由双折叠式反射镜通过相应的第一边缘耦合器和第二边缘耦合器朝向目标引导，通过相应的第一边缘耦合器和第二边缘耦合器经由双折叠式反射镜从目标接收光辐射，将相干辐射的一部分与通过第一边缘耦合器和第二边缘耦合器接收的光辐射混频，并响应于所混频的辐射输出电信号。

在所公开的实施例中，第一感测设备和第二感测设备包括相应的光总线，该光总线被设置在第一平面衬底和第二平面衬底上，并且被配置成通过该总线传送相干辐射，并且，第一感测单元和第二感测单元包括相应的抽头，该抽头被耦合以提取通过光总线传播的相干辐射的一部分以用于朝向目标传输并与所接收的光辐射混频。

附加地或可选地，第一边缘耦合器和第二边缘耦合器限定第一感测单元和第二感测单元的相应的光学孔，并且，该装置包括一个或更多个光学元件，该一个或更多个光学元件被配置成将光学孔成像到目标上。在所公开的实施例中，一个或更多个光学元件被配置成沿着光轴将光学孔成像到目标上，并且，该装置包括扫描器，该扫描器被配置成在横向于光轴的方向上移动光学元件中的至少一个，以便在目标上扫描被成像的光学孔。附加地或可选地，扫描器被配置成在横向于光轴的方向上移动载体衬底，以便在目标上扫描被成像的光学孔。

另外，附加地或可选地，该装置包括旋转镜(rotating mirror)，该旋转镜被设置在双折叠式反射镜和目标之间，并且被配置成在目标上扫描被成像的光学孔。

根据本发明的实施例，还提供了一种光电装置，该光电装置包括感测设备，该感测设备包括平面衬底和感测单元的阵列，该感测单元被设置在衬底上并包括相应的光学换能器，该光学换能器被配置成在感测单元和在衬底外部的目标之间耦合光辐射，从而限定该感测单元的相应的光学孔，并且该光学孔位于二维矩形网格的相应的行和列上的相应节点处，使得相应的行和列上的不超过一半的节点被光学换能器占据。扫描器被配置成至少沿着网格的行在目标上扫描光学孔，使得光学孔被连续投影到目标上的矩形网格中的多个节点的相应序列上。

在一些实施例中，该装置包括一个或更多个光学元件，该一个或更多个光学元件被配置成在目标上形成矩形网格的图像。

在所公开的实施例中，扫描器被配置成沿着矩形网格的行和列扫描光学孔。附加地或可选地，扫描器被配置成改变在目标的不同区域内扫描光学孔的速度。另外，附加地或可选地，该扫描器被配置成改变光学孔在目标的不同区域内被投影到的网格中的节点的密度。

在所公开的实施例中，该装置包括控制器，该控制器被配置成当在目标上扫描光学孔时选择性地致动感测单元，以便改变在目标的不同区域内，网格中被感测单元感测光辐射的节点的密度。

根据本发明的实施例，另外提供了一种光电装置，该光电装置包括感测设备，该感测设备包括至少一个平面衬底和感测单元的阵列，该感测单元被设置在该至少一个平面衬底上，并且包括相应的光学换能器，该光学换能器被配置成在该单元和在该衬底外部的目标之间耦合光辐射，从而限定单元的相应的光学孔，该光学孔沿着行轴布置在至少一行中。扫描器包括反射镜，该反射镜被配置成在围绕相对于行轴以斜角定向的旋转轴旋转时在目标上投影和扫描光学孔。

在所公开的实施例中，光学换能器包括边缘耦合器，该边缘耦合器沿着至少一个平面衬底的边缘设置。

附加地或可选地，至少一个平面衬底包括多个平面衬底，在该多个平面衬底上设置有光学换能器的相应行。在一个实施例中，平面衬底沿着垂直于光学换能器的行的方向堆叠。在另一实施例中，该装置包括分束器立方体，其中，平面衬底被安装在该分束器立方体的不同的相应面上。

根据本发明的实施例，另外提供了一种光电装置，该光电装置包括：具有光轴的聚焦元件和光学单元的第一阵列，该光学单元具有相应的光学孔。反射器的第二阵列沿着光轴设置在离聚焦元件不同的相应距离处。每个反射器被配置成偏转在光学单元的光学孔中的相应一个与聚焦元件之间传播的辐射。路径均衡器的第三阵列被配置成调整在聚焦元件和光学孔之间的相应的有效焦距，且使得所有有效焦距相等。

通常，除了离聚焦元件最远的一个反射器之外的反射器是部分反射器。在一个实施例中，除了离聚焦元件最远的一个反射器之外的反射器是二向色反射器。

在所公开的实施例中，路径均衡器包括具有不同相应高度的基座，光学单元被相应地安装在该基座上。

可选地或附加地，路径均衡器包括被设置在光学单元和反射器之间的具有不同相应厚度的透明电介质材料块。

根据本发明的实施例，还提供了用于感测的装置，该装置包括收发器单元的阵列，该收发器单元具有限定收发器单元的相应视场的相应的光学孔，并且被配置成向目标传输相应的相干辐射束，并通过相应的光学孔接收从目标反射的相干辐射。扫描器被配置成在目标上扫描收发器单元的视场。处理器被配置成控制收发器单元和扫描器以便在第一扫描中以第一分辨率在目标区域内扫描收发器单元的视场，处理在第一扫描期间由收发器单元输出的信号以便识别目标区域内的感兴趣区域，控制收发器单元和扫描器以便在第二扫描中以比第一分辨率更精细的第二分辨率在感兴趣区域上选择性地扫描收发器单元的视场，以及处理在第二扫描期间由收发器单元输出的信号以便产生该感兴趣区域的三维(3D)图。

根据本发明的实施例，另外提供了一种用于感测的方法，该方法包括提供收发器单元的阵列，该收发器单元具有限定收发器单元的相应视场的相应的光学孔，并且被配置成朝向目标传输相应的相干辐射束，并通过相应的光学孔接收从目标反射的相干辐射。在第一扫描中以第一分辨率在目标区域上扫描收发器单元的视场。处理在第一扫描期间由收发器单元输出的信号，以便识别目标区域内的感兴趣区域。在第二扫描中以比第一分辨率更精细的第二分辨率在感兴趣区域上选择性地扫描收发器单元的视场。处理在第二扫描期间由收发器单元输出的信号，以便产生感兴趣区域的三维(3D)图。

在一些实施例中，处理在第一扫描期间由收发器单元输出的信号包括识别感兴趣区域的横向边界。在一个实施例中，在第一扫描中扫描视场包括在第一扫描中以第一扫描速度扫描该视场，以及，在第二扫描中扫描视场包括在第二扫描中以小于第一扫描速度的第二扫描速度在所识别的横向边界之间扫描该视场。在所公开的实施例中，处理在第一扫描期间由收发器单元输出的信号包括识别该感兴趣区域的深度，并且，以第二扫描速度扫描视场包括响应于所识别的深度设置第二扫描速度。

附加地或可选地，在第一扫描中扫描视场包括在第一扫描中仅从收发器单元中的第一组接收信号，以及，在第二扫描中扫描视场包括在第二扫描中从收发器单元中的第二组接收信号，该收发器单元中的第二组是该收发器第一组的超集，被包含在所识别的横向边界内。

附加地或可选地，处理在第一扫描期间由收发器单元输出的信号包括识别感兴趣区域的深度。在所公开的实施例中，在第一扫描中扫描视场包括在第一扫描中传输具有第一强度的相干辐射束，以及，在第二扫描中扫描视场包括响应于所识别的深度选择大于第一强度的第二强度，并且当在第二扫描中在感兴趣区域内进行扫描时，以该第二强度传输相干辐射束。附加地或可选地，在第一扫描中扫描视场包括在第一扫描中在第一积分时间内接收来自收发器单元的信号，以及，在第二扫描中扫描视场包括当在第二扫描中在感兴趣区域内进行扫描时，在大于第一积分时间的第二积分时间内接收来自收发器单元的信号。

根据本发明的实施例，还提供了一种用于感测的方法，该方法包括通过光总线传送相干辐射，该光总线包括被设置在衬底上的至少一个波导。感测单元的阵列沿着光总线设置在衬底上，每个感测单元包括至少一个抽头，该至少一个抽头被耦合以提取通过光总线传播的相干辐射的一部分。经由与感测单元相关联的光学换能器在每个感测单元和在衬底外部的目标之间耦合光辐射。将由每个感测单元中的抽头提取的相干辐射与由光学换能器接收的光辐射混频。响应于所混频的辐射从至少一些感测单元中的每一个输出电信号。

根据本发明的实施例，另外提供了一种用于耦合的方法，该方法包括提供被设置在平面衬底上的第一波导和第二波导。衬底上的第一光栅被耦合以在第一波导与在衬底上方的空间中的第一角度范围之间衍射第一光辐射。第二光栅被设置在衬底上，在第一光栅上方，并且被耦合以在第二波导与在衬底上方的空间中的第二角度范围之间衍射第二光辐射，该第二角度范围不同于第一范围。

根据本发明的实施例，还提供了一种用于光学感测的方法，该方法包括将双折叠式反射镜安装在载体衬底上，该双折叠式反射镜包括相对于载体衬底的法线以对角设置的第一反射表面和第二反射表面。第一感测设备被放置在载体衬底上，该第一感测设备包括第一平面衬底和被设置在该第一平面衬底上的第一感测单元的第一阵列，并且该第一感测单元包括相应的第一边缘耦合器，该第一边缘耦合器沿着第一平面衬底的第一边缘设置，使得第一平面衬底的第一边缘靠近第一反射表面，从而第一边缘耦合器在第一感测单元和第一反射表面之间耦合光辐射。第二感测设备被放置在载体衬底上，该第二感测设备包括第二平面衬底和被设置在该第二平面衬底上的第二感测单元的第二阵列，并且该第二感测单元包括相应的第二边缘耦合器，该第二边缘耦合器沿着第二平面衬底的第二边缘设置，使得第二平面衬底的第二边缘靠近该第二反射表面，从而第二边缘耦合器在第二感测单元和第二反射表面之间耦合光辐射。

根据本发明的实施例，还提供了一种用于光学感测的方法，该方法包括在平面衬底上提供感测单元的阵列。该感测单元包括相应的光学换能器，该光学换能器在感测单元和在衬底外部的目标之间耦合光辐射，从而限定感测单元的相应的光学孔，并且该光学孔位于二维矩形网格的相应的行和列上的相应的节点处，使得相应的行和列上的不超过一半的节点被光学换能器占据。至少沿着网格的行在目标上扫描光学孔，使得光学孔被连续投影到目标上的矩形网格中的多个节点的相应序列上。

根据本发明的实施例，另外提供了一种用于光学感测的方法，该方法包括提供感测单元的阵列，该感测单元被设置在至少一个平面衬底上，并且包括相应的光学换能器，该光学换能器在单元和在衬底外部的目标之间耦合光辐射，从而限定单元的相应的光学孔，该光学孔沿着行轴布置在至少一行中。使用反射镜在目标上投影和扫描光学孔，该反射镜围绕相对于该行轴以斜角定向的旋转轴旋转。

根据本发明的实施例，还提供了一种用于光学对准的方法，该方法包括提供具有光轴的聚焦元件和光学单元的第一阵列，该光学单元具有相应的光学孔。沿着光轴在离聚焦元件不同的相应距离处设置反射器的第二阵列，使得每个反射器偏转在光学单元的光学孔中的相应一个与聚焦元件之间传播的辐射。应用路径均衡器的第三阵列来调整在聚焦元件和光学孔之间的相应的有效焦距，且使得所有有效焦距相等。

根据本发明的实施例的以下详细描述并结合附图，本发明将得到更充分的理解，在附图中：

附图简述

图1是根据本发明的实施例示意性地示出光学感测系统的框图；

图2是根据本发明的实施例示意性地示出光学感测系统的细节的框图；

图3是根据本发明的实施例示意性地示出集成光收发器单元的框图；

图4和图5是根据本发明的实施例示意性地示出集成光接收器的框图；

图6和图7是根据本发明的实施例示意性地示出集成光收发器阵列的细节的框图；

图8和图9是根据本发明的其他实施例示意性地示出集成光收发器单元的框图；

图10是根据本发明的实施例示意性地示出光学换能器的细节的框图；

图11是根据本发明的实施例示意性地示出集成光收发器单元的框图；

图12是根据本发明的另一实施例示意性地示出集成光接收器阵列的细节的框图；

图13、图14和图15是根据本发明实施例的光栅耦合器的示意性俯视图；

图16是根据本发明实施例的光栅耦合器的示意图；

图17是根据本发明另一实施例的光学边缘耦合器的示意图；

图18是根据本发明实施例的光栅耦合器的示意性剖视图；

图19是根据本发明实施例的具有分裂孔(split aperture)的光学系统的示意性侧视图；

图20A是根据本发明实施例的光学感测系统的示意图；

图20B是图20A的光学感测系统的示意性剖视图；

图20C是根据本发明的实施例示出在光学感测系统中使用的耦合布置的细节的示意性正面视图；

图21是根据本发明实施例的在扫描时间序列上被光学感测系统辐照的目标的示意性正面视图；

图22是根据本发明实施例的在光学感测系统中使用的光收发器阵列和相关联的耦合布置的示意性正面视图；

图23是根据本发明另一实施例的光学感测系统的示意图；

图24是根据本发明实施例的光收发器阵列和由该阵列创建的扫描图案的示意性正面视图；

图25A、图25B和图25C是根据本发明实施例的在扫描时间序列上被光学感测系统辐照的目标的示意性正面视图；

图26A是根据本发明又一实施例的光学感测系统的示意图；

图26B和图26C分别是根据本发明实施例的在图26A的光学感测系统中使用的光学模块的示意性俯视图和侧视图；

图27是根据本发明实施例的在扫描时间序列上被图26A的光学感测系统辐照的目标的示意性正面视图；

图28A是根据本发明又一实施例的光学感测系统的示意图；

图28B和图28C分别是根据本发明实施例的在图28A的光学感测系统中使用的光学模块的示意性俯视图和侧视图；

图29是根据本发明实施例的在扫描时间序列上被图28A的光学感测系统辐照的目标的示意性正面视图；

图30和图31是根据本发明实施例的包括光学单元的阵列的光学系统的示意性侧视图；

图32是根据本发明的实施例示意性地示出光学感测系统中的信号处理电路的框图；

图33是根据本发明的实施例示意性地示出与光学感测系统相关联的电子电路部件的框图；

图34是根据本发明的实施例示意性地示出用于光学感测系统的选择性扫描的方法的流程图；

图35是根据本发明实施例的通过光学感测系统扫描的场景的示意性正面视图；和

图36是根据本发明实施例的通过光学感测系统在场景上应用的扫描图案的示意性正面视图。

具体实施方式

综述

如前所述，在相干感测应用中，例如OCT和CW LiDAR，相干光束朝向目标传输，并且反射的辐射与传输的辐射相干地被感测和处理。为了以高分辨率感测目标的特性，应该通过在该区域内扫描传输的光束或者通过同时传输和感测多个光束的阵列来密集地探测感兴趣区域。然而，扫描解决方案通常遭遇低吞吐量。发射器和接收器的阵列可以提高吞吐量，但是它们的分辨率受到阵列间距的限制，而阵列的间距又受到发射器和接收器本身尺寸的限制。

本发明的实施例通过提供能够以高分辨率和高吞吐量扫描目标的收发器阵列和扫描系统来解决这些问题。这些实施例使用光子感测单元的阵列。在一些实施例中，阵列包括收发器单元，其中，每个单元包括用于传输辐射束以及用于接收和检测反射的辐射的光学部件和光电部件以及辅助电子器件。在其他实施例中，单元可以包括仅用于接收和检测辐射的部件。

为了减小感测单元的尺寸、功率和复杂性要求，要被传输和/或要与接收的辐射混频以用于相干检测的光束可以由核心收发器引擎集中生成和调制，且然后在感测单元之间复用。扫描器，例如光学机械扫描设备，在感兴趣区域内扫描所有单元的视场，使得该区域被密集覆盖——其中分辨率比感测单元的阵列的物理间距更精细——并且具有高吞吐量。可以控制复用和扫描以使扫描区域和分辨率适应应用要求。下面描述可用于这些目的的多种阵列几何结构和扫描图案。

在所公开的实施例中，感测单元本身通常使用光子集成电路(PIC)技术生产。这些单元被设计成满足应用要求，例如感测模式和灵敏度、输入/输出耦合的模式(例如，竖直或穿过芯片的边缘、经由光栅或经由反射镜)以及波长特征(光谱范围和单波长感测或多波长感测)。下面描述多种代表性实施例。

下面以示例的方式描述本发明感测单元阵列和扫描系统的许多应用。然而，本发明实施例的原理可以容易地被扩展并适用于涉及多光束感测的其他应用。此外，尽管所公开的实施例针对可见光、红外或紫外范围内的光学感测，但是可以替代地将本发明的原理经适当修改后应用于其他光谱范围，如微波和毫米波辐射。所有这样的替代应用都被认为在本发明的范围内。

利用光总线的感测单元阵列

生产紧凑型相干感测阵列的挑战之一是在光学质量和功率水平足以实现高分辨率和高信噪比(SNR)的情况下向阵列的所有单元提供相干光辐射。对于一些应用，例如光学相干层析成像(OCT)和连续波(CW)LiDAR，光辐射也应该被调制。在每个单元中结合单独的激光源大大增加了单元的占用面积和功耗，并且可能无法实现期望的光学质量。

为了克服这些限制，本发明的一些实施例使用核心收发器(TRx)引擎向整个感测单元阵列供应相干辐射。包括被设置在与感测单元相同的平面衬底上的波导的一个或更多个光总线被用于将相干辐射分配给单元。每个单元包括至少一个抽头，抽头被耦合以提取通过光总线传播的相干辐射的一部分。每个单元中的光学换能器(例如光栅耦合器或边缘耦合器)在单元和在衬底外部的目标之间耦合光辐射。接收器将由抽头提取的相干辐射与由光学换能器接收的光辐射混频，并响应于所混频的辐射输出电信号。下文描述了多种不同的总线和单元结构。

图1是根据本发明的实施例示意性地示出光学感测系统20的框图。

在系统20中，核心TRx引擎22包括一个或更多个激光光源以及用于控制、调制和分配由光源生成的相干辐射的光子和电子电路部件。TRx引擎22可以实现各种不同的调制方案，例如振幅调制、频率调制和/或相位调制，并且包括用于频率调制连续波(FMCW)LIDAR和相位调制连续波(PMCW)LIDAR的啁啾调制。可以通过控制被供应给一个或多个激光器的驱动电流来施加调制。可选地或附加地，调制可以在外部施加，例如通过对激光束的光调制。TRx引擎22通过一个或更多个光波导24，也可能通过电气总线26，连接到形成在衬底30上的光电感测设备28。

在下面描述的实施例中，使用光子集成电路(PIC)技术制造设备28，并且衬底30包括硅晶片(silicon die)，例如采用绝缘体上硅(SOI)配置。可选地，衬底30可以包括其他种类的半导体或电介质材料。核心TRx引擎22也可以设置在衬底30上，在这种情况下，波导24和总线26可以方便地形成在衬底30上，例如通过光刻工艺形成在衬底30上。可选地，核心TRx引擎22可以经由一个或更多个边缘耦合器或一个或更多个光栅耦合器(未示出)耦合到衬底30。此外，可选地，波导24和总线26可以分别包括光纤和导线。

设备28包括形成在衬底30上的感测单元34的阵列32。每个感测单元34包括光学换能器36，该光学换能器36与光子和电子部件一起耦合进出单元的光，如随附的附图中详细所示。感测单元34可以都是相同类型，或者可选地，设备28可以包括两种或更多种不同类型的感测单元。在一些实施例中，感测单元34包括收发器(TRx)单元，该收发器(TRx)单元包括用于光的传输和接收的光子部件；在这种情况下，换能器36既向目标传输光，又接收从目标反射的光。可选地或附加地，感测单元34可以仅包括接收部件，该接收部件在光通过其他通道(未示出)传输之后接收从目标反射的光。

感测单元34具有相应的视场，该视场由光学换能器36的相应的光学孔和聚焦光学器件44限定，该聚焦光学器件44将光学孔投影到目标上。扫描器46在目标内扫描视场。(尽管为了简单起见，图1中示出扫描器46仅在平行于阵列32的纵向轴线的方向上扫描，但扫描器46通常在垂直方向上或在两个方向上扫描。)每个换能器36发射(并接收)由光学器件44准直的光锥，并且从每个换能器产生的光束在视场中被投影成不同角度。此外，扫描器46可以扫描光束以控制系统20的视场的覆盖密度，包括改变视场的不同区域中的覆盖密度。以这种方式，即使当换能器本身的视场仅稀疏地覆盖目标时，覆盖密度也将根据需要填充目标内的感兴趣区域的整个目标。

在图示的实施例中，扫描器46包括一个或更多个旋转镜，旋转镜沿着一个或两个扫描轴在目标内进行扫描。可选地或附加地，例如，扫描器可以包括在横向方向上移动光学器件44的运动组件(如图20A所示)或者任何其他合适类型的机械、光学或基于波长的扫描器。一般来说，扫描器46可以通过以下方式来操作：机械扫描(例如使用检流计镜或具有一个或两个扫描方向的MEMS镜)；透镜和/或传感器的移动(例如使用压电致动器、VCM或热扫描器)；与诸如棱镜或光栅的色散元件组合的波长扫描；基于偏振的扫描；相控阵列扫描；液体透镜或反射镜的调制；硅基液晶(LCOS)扫描；数字微镜设备；或本领域已知的任何其他合适的机构。

衬底30上的交换网络38将通过波导24接收的光在多条光总线40之间进行分配，这些光总线40包括被耦合以将光传递到不同的、相应感测单元34组的波导。交换网络38还在电气总线26和电气总线42之间耦合电信号，以用于将电信号输送到感测单元34和从感测单元34输送电信号。交换网络38可以包括有源光网络，该有源光网络包括选择光将被分配到的总线40的光电部件。可选地或附加地，交换网络38可以包括无源光分束器阵列。

有源光切换的使用增加了设备28的复杂性，但是使得通过波导24提供的光能能够选择性地在感测单元34之间分配。这种有源交换网络可用于选择单独的感测单元或感测单元组，以便当在目标内进行扫描时被激活。以这种方式，例如，可以选择光栅扫描(rasterscan)的特定行来用于在目标的不同区域中进行感测；并且栅格行(raster row)之间的间距可以根据所需的分辨率而改变。因此，可用的光能可以集中在对应于目标中的感兴趣区域的位置处的感测单元中。

总之，图1中大体上示出的方案使得能够通过适当地选择阵列32的几何布局、由扫描器46扫描感测单元34的视场以及交换网络38来灵活地选择扫描特征和扫描图案。因此，可以在空间和时间两个维度上控制系统20的操作，以丰富所投影的和接收的图像的信息内容。因此，给定的空间位置可以接收来自几个不同的模态的、通过时间扫描进行复用的信息。此外，在任何一个维度上的扫描沿着时间轴有效地沿着另一个维度投射点，且因此打开了时空复用的可能性，从而丰富了信息的收集。此外，交换网络38的(光和/或电)快速切换和上述扫描模态之间的相互作用产生了额外的扫描可能性，例如根据需要动态改变在目标上的停留时间、以及对分辨率和帧速率的自适应控制和对感兴趣区域的可配置定义。

处理器48控制系统20的操作，并响应于由设备28接收的光，而接收由感测单元34输出的信号。处理器48通常包括通用微处理器，具有合适的模拟接口和数字接口，以用于控制和接收来自系统20的部件的信号。可选地或附加地，处理器48可以包括专用数字逻辑和其他硬件部件，它们可以是硬连线的或可编程的。处理器48处理由感测单元34输出的信号，以便重建目标的特征。例如，处理器48可以使用用于近距离目标的光学相干层析成像(OCT)技术或用于远距离目标的CW LiDAR技术来生成目标的深度图。

在一些实施例中，处理器48选择性地致动感测单元34，即，处理器在扫描器46的不同扫描中或者甚至在单次扫描期间接收来自不同感测单元的信号。如前所述，当交换网络38包括有源光网络时，在这种情况下可以控制交换网络38将光从核心TRx引擎22引导到在任何给定时刻为有源的感测单元，从而更有效地使用可用的光功率。通过选择性激活感测单元34，处理器48可以改变扫描的分辨率和/或将感测资源集中在目标的特定感兴趣区域。附加地或可选地，处理器48可以控制参数，包括扫描器46的范围和速度、向目标传输的光束的强度以及感测单元34的积分时间，以便调整任何给定扫描的范围、分辨率和SNR。在下文参考图34-图36进一步描述了该功能的细节。

图2是根据本发明的实施例示意性地示出光学感测系统50的细节的框图。系统50在其构造和操作原理上类似于系统20，并且在此被描述以说明特定的实现特征。具有与系统20的对应元件相似的功能的系统50的元件用相同的附图标记来标记。

由光源52发射的光辐射由RF调制器54调制，例如为了调频CW(FMCW)LIDAR的目的而施加频率啁啾。分束器56在参考分路(reference arm)58、信号分路60和校准单元62之间分离被调制的光束。参考分路58和/或信号分路60中的光束可以由光放大器64、66(诸如半导体光放大器(SOA))放大。参考分路58中的光束由交换网络68路由到无源分束器阵列70中的无源分束器的子集，且然后作为本机振荡器(LO)光束经由光总线82馈送到阵列72中的TRx单元74的子集。

信号分路60中的光束由交换网络76通过无源分束器阵列78经由光总线84通常(尽管不一定)路由到与LO光束相同的TRx单元74的子集。交换网络70和76在处理器48的控制下一起操作，以选择和激活TRx单元74的期望子集。所选择的TRx单元74朝向目标传输由总线84提供的光束，且然后接收从目标反射的辐射，并将接收的辐射与由总线82提供的LO光束混频。由此产生的电信号由模拟前端(AFE)86放大和滤波，且然后被输入到数字处理块88。例如，数字处理块88包括：模拟/数字转换器(ADC)，该模拟/数字转换器将模拟信号转换成数字样本；数字信号处理器(DSP)，该数字信号处理器处理信号以提取数据，例如深度和速度信息；以及控制器，例如处理器48(图1)，该控制器调配系统操作并且例如可以包括交换控制、扫描控制和激光控制。例如，在FMCW感测中，数字处理块88提取信号的拍频，且因此测量在目标上的点的范围和速度。为了降低系统50的成本和功耗，AFE 86和/或数字处理块88的处理资源可以在TRx单元74之间复用，如在下文参考图32进一步所述。

校准单元62从其从分束器62接收的调制的光束中提取相位同步时钟信号。校准单元62还可以监测传输参数，例如调制、相干性、功率等。

图3是根据本发明的实施例示意性地示出集成光收发器单元90的框图。收发器单元90以及如在随附的附图中所示的收发器和接收器单元可以用来代替图1中的感测单元34或图2中的TRx单元74。

单元90包括一对抽头92和94，该一对抽头92和94提取在总线96中传播的相干辐射的相应部分，以分别输入到传输波导98和LO波导100。总线96可以包括两个抽头都连接到的单个波导或者多个波导，该多个波导在单独的通道中承载Tx光束和LO光束。在可选实施例中(图中未示出)，单元90可以包括到总线96的单个抽头，具有内部分束器(未示出)，以分离出Tx光束中的一小部分作为LO光束。

单元90中的光子电路102包括耦合器104，耦合器104将输出的相干辐射经由双向波导106传到光学换能器108，例如光栅耦合器或边缘耦合器，以用于朝向目标传输。例如，耦合器104可以包括定向耦合器或分束耦合器，例如偏振分束器旋转器(PBSR)。

换能器108还接收从目标传入的辐射，并经由波导106和耦合器104将传入的辐射传送到接收波导110。被耦合器104拒绝的辐射可以被传送到光电二极管112以用于终止和监测。接收器114将来自LO波导100的相干辐射与通过接收波导110接收的传入的辐射混频，并生成相对应的电输出信号。

图4是根据本发明的实施例示意性地示出接收器114的实现的框图。混频器120，例如2x2光耦合器，接收来自LO波导100和接收(Rx)波导110的相干光束并对该相干光束进行混频。所混频的光信号被传到平衡光电二极管检测器122，该平衡光电二极管检测器122包括一对光电二极管124和输出所产生的电信号的模拟前端(AFE)电路126。假设总线96携带的相干光束被适当地调制，例如利用频率啁啾调制，电输出信号将包括指示目标的范围和速度的拍频。

图5是根据本发明的实施例示意性地示出接收器130的框图，该接收器130可以替代收发器单元90中的接收器114。在这种情况下，来自LO波导100和接收(Rx)波导110的相干光束被输入到90°光学混合器132，该90°光学混合器132包含两个混频器(未示出)，其中90°相移被施加到被输入到混频器之一的光束之一。因此，其中一个混频器向第一平衡光电二极管检测器134输出同相(I)混频光学分量，而另一个混频器向第二平衡光电二极管检测器136输出正交(Q)混频光学分量。检测器134和136输出电输出信号的相对应的I分量和Q分量。这种I/Q检测配置有助于改善拍频检测的信噪比(SNR)和线性度。

在下面描述的实施例中，接收器可以是图4中所示的单输出类型或图5中所示的I/Q类型。可选地，根据应用要求，可以使用其他合适的接收器配置。

图6是根据本发明的实施例示意性地示出集成光收发器阵列中的光收发器单元90与光总线140的连接的细节的框图。该实施例中的总线140包括单个波导142，例如，该单个波导142传送来自核心TRx引擎22(图1)的相干光辐射。传输抽头144提取在波导142中传播的辐射的一部分，以用于经由传输波导98和光学换能器108朝向目标传输。LO抽头146提取辐射的另一部分，以用于经由LO波导100输入到接收器114。

考虑到传输的光束和LO光束的不同功率要求，传输抽头144通常被配置成提取比LO抽头146大得多的传播能量部分。然而，即使抽头144也仅可以提取在波导142中传播能量的一小部分，使得总线140也可以为阵列中的其他收发器单元供应能量。尽管在图6中仅示出了单条总线140，但是光收发器阵列可以包括这种类型的多条总线，每条总线服务于不同的收发器单元组90。

图7是根据本发明的可选实施例示意性地示出集成光收发器阵列中的光收发器单元90到光总线150的连接的细节的框图。在该实施例中，总线150包括传输抽头144耦合到的Tx波导152和LO抽头146耦合到的LO波导154。该配置可有助于平衡被提供给Tx波导98和LO波导100的光功率的相对水平。

典型地，从总线96传送到波导98和100且然后经由光学换能器传输的光辐射被偏振，例如TE偏振。从目标反射的光辐射通常具有正交的TE偏振分量和TM偏振分量。然而，在前面的实施例中，接收到的偏振分量中只有一个分量通过光学换能器和耦合器耦合到接收器114。

图8是根据本发明的实施例示意性地示出包括双端口光学换能器162的集成光收发器单元160的框图。例如，光学换能器162可以包括光栅耦合器，该光栅耦合器包括两个光栅，其中一个光栅将来自第一波导166的辐射耦合到目标，而另一个光栅将从目标传入的辐射耦合到第二波导168中。可选地，其中一个光栅可以耦合往来于波导166的具有第一偏振(例如TE偏振)的辐射，而另一个光栅将具有正交(TM)偏振的辐射耦合到波导168中。(可选地，TE偏振和TM偏振的角色可以颠倒。)具有这些能力的光栅耦合器的示例如图13-图16所示。

假设换能器162是双偏振换能器，2×2耦合器164将从Tx波导98传出的TE辐射传送到波导166，以便经由光学换能器162朝向目标传输，以及将从TE波导166传入的TE辐射传送到Rx波导110，以便输入到接收器114。光学换能器162将传入的TM辐射转换成TE，并将其耦合到波导168中。然后，耦合器164将波导166和168中的TE辐射耦合到Rx波导110中。因此，因为两种偏振都被接收和检测，收发器单元160在收集从目标反射的辐射方面实现了增强的效率。

图9是根据本发明的可选实施例示意性地示出具有双偏振光学换能器172的集成光收发器单元170的框图。例如，光学换能器172可以包括具有集成偏振分束器旋转器(PBSR)的边缘耦合器，如图10所示。双向波导106将(例如)从耦合器104传出的TE辐射传送到光学换能器172，并且还接收从光学换能器传入的TE辐射。耦合器164将该传入的TE辐射传到第一接收器174。光学换能器172分离从目标接收的传入的TM辐射，将该偏振旋转到TE，并将该TE辐射经由输入波导174传到第二接收器178。

本实施例中的收发器单元170由传输总线180和单独的LO总线182服务，例如如在系统50中那样(图2)。分束器184在接收器174和178之间分离由LO波导100接收的LO光束。每个接收器174、178包括相应的混频器，例如如图4或图5所示，以用于对接收的具有相应偏振的辐射进行混频和检测。相对于捕获仅具有单个偏振的传入的辐射或使用单个接收器来检测具有两种偏振的辐射的设计，这种布置增强了光收发器单元170的检测效率。

图10是根据本发明的实施例示意性地示出光学换能器172的细节的框图。换能器172包括PBSR 190，该PBSR 190在分离和旋转TM辐射的偏振时传递TE辐射。因此，PBSR 190将从波导106传出的TE辐射传递到边缘耦合器192以朝向目标传输，并且还将传入的TE辐射通过波导106传回。PBSR 190旋转由边缘耦合器192接收的传入的TM辐射，并将该辐射耦合到波导176中。在图17中示出了光学换能器172的物理结构的示例。

可选地，光学换能器172可以被配置成接收和传输TM辐射并旋转传入的TE辐射。

图11是根据本发明的另一实施例示意性地示出集成光收发器单元200的框图。与其中收发器单元被设计用于单稳态操作(其中传输的光束和接收的光束共享相同的光轴)的前述实施例相比，光收发器单元200被配置用于双稳态操作，其中在传输轴和接收轴之间具有一定的位移。

因此，单元200的光学换能器包括：Tx换能器元件202，该Tx换能器元件202将来自传输波导98的相干辐射向外耦合到目标；以及RX换能器元件204，该RX换能器元件204将入射光辐射耦合到接收波导110中。例如，换能器元件202和204可以包括光栅耦合器或单独的边缘耦合器。单元200的双稳态布置有利于提高传输和接收的效率，因为在传输辐射路径和接收辐射路径之间的耦合中没有能量损失。这种布置需要额外的外部光学器件(未示出)来建立Tx换能器元件202和Rx换能器元件204的视场的适当重叠。

图12是根据本发明的另一实施例示意性地示出集成光接收器阵列210的细节的框图。与前面的实施例相比，阵列210包括接收器单元212，该接收器单元212感测从目标反射的辐射。相干辐射通过其他通道(未示出)朝向目标传输。

如上所述，接收器单元212包括双偏振光学换能器214，该双偏振光学换能器214经由相应的波导220和222接收具有一种偏振的辐射并将其传送到第一接收器216以及接收具有另一种正交偏振的辐射并将其传送到第二接收器218。LO总线224经由相应的抽头226、228以及LO波导230和232将LO光束分配到接收器216和218。接收器216和218对接收到的光束和本地光束进行混频并生成所产生的电信号，其在图12中被标记为I/Q A和I/Q B。

尽管上面描述的图示出了光学换能器单元的某些特定配置以及光学部件和光子部件的特定布置，但是本发明的范围决不限于这些配置。相反，在阅读本公开之后，上述各种实施例的原理和部件的其他组合对于本领域技术人员来说将是明显的。所有这样的替代实现都被认为在本发明的范围内。

光学换能器设计

在本说明书和权利要求中使用的术语“光学换能器”是指在一种介质和另一种介质之间耦合光辐射的部件或设备。本文描述的光学换能器执行将来自波导的光辐射耦合到自由空间以及将来自自由空间光辐射耦合到波导的功能。作为其他示例，这些和其他类型的光学换能器可用于在PIC上的波导和光纤之间或者在波导和生物组织之间耦合光辐射。

图13是根据本发明实施例的光栅耦合器231的示意性俯视图。耦合器231可以用作上述收发器单元中的光学换能器，特别是在包括双端口或双偏振换能器的实施例中。

光栅耦合器231包括两个光栅233和234，它们彼此垂直定向并被耦合到相应的波导236和238。两个光栅233、234可以在收发器阵列的衬底上的单独层中制造，其中一层覆盖另一层，例如在图案化的SiN和/或Si层中；或者它们可以被制造为在单层中包括两个光栅的单一结构。由于它们的几何取向，光栅233和234在收发器单元上方的自由空间和相应的波导236和238之间耦合具有两种正交偏振的光辐射。然而，由于光栅233、234和相应的波导236、238之间的正交几何关系，由光栅耦合到两个波导中的光辐射将在波导内具有TE偏振。

图14是根据本发明另一实施例的光栅耦合器240的示意性俯视图，该光栅耦合器240可以类似地用作上述一些收发器单元中的光学换能器。耦合器240包括具有两个输入/输出端口244、246的光栅242，这两个端口连接到相应的波导248、250。这种双端口配置可用于增加从耦合器240传输出去和传输到耦合器240中的功率的水平，同时潜在地消除了在收发器单元的传输分路和接收分路之间对分束器的需要。可选地，两个波导248和250可以耦合在一起以传输和/或接收相同的光束。

图15是根据本发明可选实施例的光栅耦合器260的示意性俯视图。光栅耦合器260是双端口耦合器，在操作上类似于(图14的)光栅耦合器240。然而，耦合器260中的光栅262、264的并排几何布置有利于使光栅在衬底上更紧密地封装在一起，且因此可用于减小收发器单元的尺寸。在可选实施例中，光栅262和264中的一个可以用于传输光，而另一个用于接收光。紧密的封装确保接收的光耦合到接收光栅中，即使光栅占据名义上不同的物理空间。

图16是根据本发明实施例的双端口光栅耦合器270的示意图。光栅耦合器270被形成在PIC上，PIC包括衬底272(例如SOI芯片)以及沉积在衬底上的连续波导层274、276。例如，波导层274、276可以包括硅和SiN，并且通常被电介质(SiO₂)层隔开(例如，如图18所示)。通过蚀刻层274形成第一光栅278以及耦合到光栅278的波导。然后，在光栅278上方沉积电介质层，接着是波导层276。通过蚀刻层276形成覆盖光栅278的第二光栅282以及耦合到光栅282的波导284。

图16所示的结构和技术可以在光栅和波导的适当定向下用于实现各种双端口光学换能器设计，例如图13中所示的设计。可选地，这种设计可以用在分裂孔光学换能器中，如下文参考图18和图19进一步所述。

图17是根据本发明另一实施例的光学边缘耦合器290的示意图。例如，该设计可用于实现光学换能器172(图10)。边缘耦合器290通过图案化被沉积在PIC衬底292上的一个或更多个波导层294而形成。波导层294被图案化以限定波导296，波导296终止于模斑转换器(spot-size converter)298中的收发器芯片的边缘。转换器298对从光学换能器传出的TE光束进行整形，以给出期望的光束特征(例如光斑尺寸和数值孔径)，并且还在传入的光束从目标反射之后分离和旋转传入的光束的TM分量。

图18是根据本发明实施例的光栅耦合器300的示意性剖视图。例如，耦合器300可以以上面参考图16描述的方式制造，且因此在图18中使用相同的附图标记来表示两个图中的相同部件。光栅278和282被封装在诸如SiO₂的电介质302中并被电介质302隔开。

在本实施例中，假设波导284是传输波导，而波导280是接收波导。光栅282在传输波导和在衬底272上方的空间中的第一角度范围之间耦合相干辐射。光栅278在不同于第一范围的第二角度范围内将入射到光栅耦合器300上的光辐射耦合到接收波导中。这两个角度范围在光栅278和282的远场中是不相交的。因此，传输的光束和接收的光束共享相同的光学孔，但在孔内占据不同的角度范围。

图18所示的设计可以提高双端口光栅耦合器中的传输和接收效率。可选地，这种“分裂孔”设计的原理可以用于其他种类的耦合方案，例如涉及具有两种不同偏振或两种不同波长的光的传输和/或接收的方案。

图19是根据本发明实施例的具有分裂孔的光学系统310的示意性侧视图。系统包括如上所述的光栅耦合器300，以及被安装在光栅耦合器的衬底上方的光学器件312，例如准直光学器件。从光栅282传出的(Tx)光束耦合到角度范围314中，而传入的辐射从角度范围316耦合到光栅278中。

阵列和扫描器配置

当前的PIC技术在可在合理尺寸的芯片上制造的感测单元的数量和密度方面受到限制。因此，在扫描器46的任何给定角度(图1)，感测单元的光学孔和相对应的视场针对应用可能不足以密集地覆盖目标。换句话说，相对于目标的期望覆盖密度，感测单元在物理上是稀疏的。在下面描述的实施例中，处理器48以多个不同的扫描角度从感测单元的稀疏阵列收集信号，并组合它们从而以期望像素密度绘制目标。

在一些实施例中，感测单元的光学孔设置成一行，其行轴垂直于扫描器的扫描方向。扫描器在目标上扫描感测单元的视场，以创建期望密度的完整图。

附加地或可选地，在一些实施例中，单元的光学孔位于二维矩形网格的相应的行和列上的相应的节点处，使得相应的行和列上仅少数节点被光学换能器占据。换句话说，光学孔稀疏分布，仅占据网格节点的子集。扫描器沿着网格的行在目标上扫描感测单元的光学孔，使得每个光学孔被连续投影到在目标上的矩形网格中的多个节点的相应的序列上。在一些实施例中，扫描器还沿着网格的列扫描光学孔。以这种方式，处理器能够在网格中所有期望点上方扫描光学孔，其中密度由扫描参数确定。

现在参考图20A、图20B和图20C，它们示意性地示出了根据本发明实施例的光学感测系统320。图20A是光学感测系统320的示意图，而图20B是光学感测系统的剖视图。图20C是示出在光学感测系统320中使用的耦合布置的细节的示意性正面视图。

系统320包括感测子组件322，该感测子组件322包括载体衬底324，其中在载体衬底上安装有一个或更多个双折叠式反射镜326。双折叠式反射镜326包括一对反射表面328，该一对反射表面328相对于载体衬底324的法线以对角设置。在图示的实施例中，双折叠式反射镜326具有三角形轮廓，其反射表面328分别以相对于法线的+45°和-45°定向，法线平行于如图所示坐标系中的Z轴。这种配置的优点解释如下。可选地，可以使用其他种类的折叠式反射镜。尽管子组件322在图20A中被示出为包括两个双折叠式反射镜326和相关联的感测设备330、332，但是在可选实施例中，感测子组件可以仅包括单个双折叠式反射镜和相关联的感测设备；或者，其可以包括三个或更多个双折叠式反射镜和感测设备。

感测子组件322包括一对感测设备330和332，该一对感测设备330和332在双折叠式反射镜326的相对侧上被安装在载体衬底324上。每个感测设备330、332包括平面设备衬底336，该平面设备衬底336被安装在载体衬底324上，使得设备衬底336的边缘靠近双折叠式反射镜326的相对应的反射表面328。每个感测设备330、332包括形成在相对应的设备衬底336上的感测单元的相应阵列，例如如图1和图2或如下所描述的图22所示。感测单元通常包括收发器单元，如前面的图所示，或者可能包括接收器单元，例如如图12所示。

设备330和332中的感测单元包括相应的边缘耦合器334形式的光学换能器，其沿着设备衬底336的边缘338排列，以便在单元和靠近的反射表面328之间耦合光辐射。边缘338都平行于Y轴，双折叠式反射镜326的纵向轴线也是如此。边缘耦合器334具有特定的间距，即相邻边缘耦合器之间沿Y轴的中心到中心的距离，该间距受到用于生产设备330和332的PIC技术的约束的限制。为了增加扫描密度，边缘耦合器334可以交错，即，设备332中的边缘耦合器334可以相对于设备330中的边缘耦合器334沿Y轴偏移间距的一半，如图20C所示。图21示出了利用这种交错的扫描图案。

边缘耦合器334限定了设备330和332上阵列中的感测单元的相应的光学孔。包括一个或更多个光学元件342的成像光学器件340沿着光轴344将这些光学孔成像到目标上，从而限定每个感测单元的相应视场。扫描器在目标上扫描感测元件的视场。在图20A所示的实施例中，扫描器包括旋转镜346，旋转镜346被设置在双折叠式反射镜326和目标之间，并且在目标上扫描被成像的光学孔。例如，旋转镜346可以包括单轴或双轴检流计或MEMS(微机电系统)镜组件或旋转多边形镜。可选地，可以使用其他种类的扫描器，例如Risley棱镜。

附加地或可选地，系统320中的扫描器可以通过在横向于光轴344的方向上移动光学元件342中的至少一个和/或移动载体衬底324来操作。光学元件342之一的移动在图20A中用箭头346表示，而载体衬底324的移动用箭头348表示。在图示的实施例中，这两种移动都平行于Y轴，并且将相应地在Y方向上移动感测单元的视场，同时旋转镜346沿着X轴扫描感测单元的视场。

图21是根据本发明实施例的在扫描时间序列上被光学感测系统320辐照的目标350的示意性正面视图。初始扫描图案352(在时间t_0,0)表示设备330和332中的感测单元的视场的几何形状，其对应于双折叠式反射镜326的相对侧上的边缘耦合器334的相应的光学孔354。由于反射镜326相对侧上的边缘耦合器334之间的偏移，光学孔354以上述交错配置设置在矩形网格的相应的行356和列358上。如前所述，成像光学器件340在目标350上形成矩形网格的图像。在扫描图案352中，矩形网格的一半节点被光学孔354占据。在其他实施例中(例如如图24所示)，矩形网格的覆盖甚至可以更稀疏，光学孔仅位于矩形网格的少数节点处。

诸如旋转镜346的扫描器沿着网格的行356在目标上扫描光学孔354，使得光学孔连续地投影到目标上矩形网格中多个节点的相应序列上。在本实施例中，反射镜346仅沿着行356扫描光学孔354，而衬底324或光学元件342移动以沿着列358扫描光学元件。可选地，如上所述，反射镜346可以沿着行方向和列方向扫描光学孔。此外，可选地，对于一些应用，沿着行或列的一维扫描可能就足够了。又如另外的可选方案，扫描器可以实现其他种类的扫描图案，不一定沿着行356或列358扫描。

在图21所示的扫描图案中，反射镜346沿着行356在X方向上扫描光学孔354，从而在连续时间t_0,1、t_0,2、……、t_0,n沿着相对应的行添加连续的扫描点366，这在图中由帧360、362、……、364表示。在沿着这些行的扫描已经完成之后，衬底324或光学元件342沿着Y轴移动，导致光学孔354在目标350上的图像相应地移动。当反射镜346沿着X方向往回扫描时，沿着网格的下一行添加额外的扫描点368，如时间t_1,1、t_1,2等处的帧370、372、……所示。重复该过程，直到目标350被扫描点366、368、……覆盖到期望的密度。

在图21中，以均匀的速度和扫描密度扫描目标350。在可选实施例中，扫描器(例如旋转镜346和/或衬底324或光学元件342的运动)可以被配置成改变在目标的不同区域内扫描光学孔的速度和/或改变光学孔在目标的不同区域内被投影到的网格节点的密度。附加地或可选地，控制器，例如处理器48，可以当在目标上扫描光学孔时选择性地致动设备330和332的感测单元，以便改变光学孔在目标的不同区域内被投影到的网格中节点的密度。例如，这些原理的实现在图34-图36中示出。

图22是根据本发明实施例的系统320中的感测设备332的示意性正面视图。在该实施例中可以看出，设备332(以及类似的设备330)包括光收发器单元380的阵列，光收发器单元380通过设置在设备衬底336上的波导386耦合到相应的边缘耦合器334。每个收发器单元380包括相应的光子部件382和电气部件384，如上文所示和描述的各种收发器单元中所示。因此，单元380的相应宽度(在Y方向上)大于边缘耦合器334的期望间距。为了避免必须增加该间距，如图22所示，单元380的光子部件382和电气部件384被设置在离衬底336(边缘耦合器334形成在该衬底336处)的边缘不同的相应距离处。不同长度的波导386将边缘耦合器连接到相应单元的光子部件。

单元380的设计和功能可以结合来自上文示出和描述的任何实施例的合适特征和部件。因此，单元380通常包括传输波导以及接收和LO波导，传输波导用于将相干辐射通过边缘耦合器334朝向双折叠式反射镜326引导以投影到目标上，接收和LO波导用于接收反射的光辐射并将其与一部分传出的相干辐射混频。如在前面的实施例中，每个单元380中的检测器，例如平衡光电二极管对，检测所混频的辐射并输出相对应的电信号。(可选地，如在图12的实施例中，例如，单元380可以被配置成仅用于对所接收的辐射进行接收、混频和检测，而没有传输功能。)

附加地或可选地，如在上述实施例中，设备330和332可以包括用于将相干辐射传送到单元380的相应光总线，并且收发器单元380可以包括抽头，抽头被耦合以提取通过光总线传播的相干辐射的一部分用于朝向目标传输并与接收的光辐射混频。

此外，可选地，本文所描述的用于扫描相干感测的系统和方法可以使用其他种类的感测单元来实现，在阅读本说明书后，这对于本领域技术人员来说将是明显的。附加地或可选地，除了或代替上述感测应用，这样的系统和方法可以用于投影图像。

图23是根据本发明另一实施例的光学感测系统390的示意图。系统390包括感测子组件392，感测子组件392包括被安装在载体衬底324上的感测设备394。感测设备394包括收发器单元的阵列，相应的光学换能器沿着矩形网格的行和列以稀疏的二维图案布置。例如，该实施例中的光学换能器可以包括光栅耦合器，如上面所示和描述的。每个这样的光学换能器限定了相对应的收发器单元的光学孔。

在设备394中的光学换能器的二维布置中，有至少一个光学换能器被定位在要覆盖目标的扫描点的矩形网格的每一行上。因此，在本实施例中，如图23所示，沿单一方向(即沿X方向)扫描收发器单元的光学孔可能就足够了。例如，该扫描可以通过以下方式来完成：通过旋转反射镜346或通过横向移动衬底324或光学元件342之一，或通过这些或其他手段的组合。

图24是根据本发明实施例的感测设备394中的光收发器阵列的光学孔400以及由该阵列创建的扫描图案的单个列402的示意性正面视图。整个扫描图案包括这种类型的多个列402，每个列包括多个扫描点404。

当在目标上沿X方向扫描光学孔400时，每个孔描述目标上的相对应的水平路径406。每个列402包含每条路径406上的相应点404。点404的间距由光学孔400的竖直(Y)间距确定；但是因为孔在水平(X)方向上分散，所以间距可能比设备394中收发器单元的实际宽度小得多。因为光学孔400在水平方向上分散开，所以将在扫描期间的不同时间(在图24中标记为t₁、……、t_n)遍历任何给定列402。处理器48使用阵列的已知几何形状和已知扫描速度将在不同时间从不同收发器单元采集的数据点组合成适当的几何列402。

在一些实施例中，系统390可以被配置成非均匀地扫描目标。如一个示例，反射镜346可以以不同的速度扫过目标的不同区域。如另一示例，光学孔400可以不均匀地分布在设备394的区域上。因此，如图24所示，光学孔400在阵列的中心区408中比在外围区410中分布得更密集。因此，列402中的点404的间距在扫描的中心区域将比在外围区域更精细。附加地或可选地，可以通过激活特定感测单元和去激活其他感测单元来动态地控制间距。

图25A、图25B和图25C是根据本发明实施例的在扫描时间序列上被光学感测系统辐照的目标420的示意性正面视图。在该实施例中，光学感测设备包括大量的收发器单元，每个收发器单元具有由相应的光学换能器限定的光学孔400。例如，这些换能器可以包括光栅耦合器或具有相对应的转向镜的边缘耦合器或任何其他合适类型的竖直耦合器。如在前面的实施例中，扫描图案的竖直(Y)间距由矩形网格的不同节点处的光学孔400之间的竖直偏移来定义。节点的图案在阵列的水平(X)宽度上重复四次，其周期由箭头422指示。大量的收发器单元和重复图案使得系统能够仅用有限的扫描范围(对应于由箭头422指示的重复周期的角度范围)覆盖目标的较大面积。在本实施例和本文描述的其他实施例中，为了方便和清晰起见，水平和竖直(X和Y)轴被任意定义，并且可以自由互换。

在可选实施例中(图中未示出)，可以使用基于波长的扫描。例如，反射镜346可以由色散元件(诸如衍射光栅)代替，并且辐射源可以在波长范围内扫描。色散元件将变化的波长转换成角度扫描，从而增加目标的覆盖密度。

图25A表示扫描器(例如反射镜，或设备衬底或光学器件的移动，或者用色散元件代替反射镜346的波长扫描)处于其起始位置的初始扫描帧。在下一个扫描帧中，如图25B所示，以单个增量水平扫描每个光学孔400。如图25C所示，这些水平增量在角度扫描范围内继续，直到覆盖了整个目标。

使用倾斜阵列的间距增强

上述实施例提供了使用基于PIC的感测阵列实现精细扫描间距的技术，其中感测设备的光学孔以二维图案布置。然而，在一些应用中，例如由于尺寸和成本的限制，使用线性阵列。在这些应用中，还需要将扫描间距减小到小于感测阵列的物理间距的角度尺寸。

本发明的一些实施例通过相对于扫描的旋转轴倾斜感测单元阵列(或者等效地，相对于感测阵列的光学孔的行倾斜扫描的旋转轴)来解决这一需要。在这些实施例中，感测设备包括至少一个平面衬底，其中感测单元阵列被设置在该衬底上。感测单元包括被布置在一行中的相应的光学换能器，例如沿衬底的边缘布置的边缘耦合器，其限定单元的相应的光学孔。扫描器包括反射镜，反射镜在目标上投影并扫描光学孔，同时围绕相对于光学孔的行轴以倾斜角度定向的旋转轴旋转。

旋转轴和行轴之间的这种倾斜有效地减小了光学孔之间在垂直于扫描方向的方向上的角间距，如随附的附图中所示。这种几何布置也可以被应用于其中感测设备包括多个平面衬底的装置中，其中在每个衬底上设置相应的一行光学换能器。

现在参考图26A、图26B和图26C，它们根据本发明的实施例示意性地示出了光学感测系统430。图26A是系统的示意图，而图26B和图26C分别是系统430中使用的光学模块432的示意性俯视图和侧视图。

光学模块432包括本领域已知的被配置为X立方体(X-cube)的分束器立方体434。三个感测设备436被固定在分束器立方体434的相应的面上。例如，这种布置在组合具有不同操作波长范围的两个或三个感测设备的视场时是有用的，其中分束器立方体从每个感测设备引导相应波长范围内的光辐射，和将相应波长范围内的光辐射引导到每个感测设备。可选地，分束器立方体可用于组合传输和/或接收具有正交偏振的光辐射的两个感测设备的视场。

每个感测设备436包括平面衬底438，该平面衬底438具有一行感测单元440，例如如上所描述的形成在衬底438上的光收发器单元。每个感测单元440包括相应的光学换能器442，例如位于衬底438边缘处的边缘耦合器，该边缘耦合器与分束器立方体434相邻。光学换能器442限定感测单元440的相应的光学孔。每个感测设备436中的光学孔沿着平行于衬底438边缘(即平行于图中的X轴)的行轴布置。成像光学器件444将光学孔投影到目标上。

扫描器446包括一对旋转镜448和450，该一对旋转镜448和450以二维方式在目标上扫描被投影的光学孔。反射镜448围绕旋转轴452旋转，该旋转轴452相对于光学孔的行轴以倾斜角度(α)定向。由于轴之间的这种倾斜，光学孔在垂直于扫描的方向上的有效间距减小。

图27是根据本发明实施例的在扫描时间序列上被光学感测系统430(图26A)辐照的目标460的示意性正面视图。初始帧462示出了对应于换能器442的视轴对准(bore-sighted)光学孔在目标上的投影的一行倾斜的扫描点464。扫描点行的倾斜对应于反射镜448的行轴和旋转轴之间的倾斜。该倾斜导致扫描点464之间在竖直方向上的精细间距。帧466、……、468示出了然后当扫描器446在目标460上水平扫描光学孔时采集的扫描点464。

在扫描由帧462至468中的光学孔的投影所覆盖的整个水平带之后，扫描器446竖直步进光学孔，并采集下一个水平带上的扫描点464，如帧470所示。重复该过程，直到整个目标460被扫描至期望的分辨率。

现在参考图28A、图28B和图28C，它们根据本发明的又一实施例示意性地示出了光学感测系统480。图28A是系统480的示意图，而图28B和图28C分别是系统480中使用的光学模块482的示意性俯视图和侧视图。如上文所示和描述的，系统480的构造和操作原理类似于系统430的构造和操作原理，并且使用与用于指定系统430中的相对应的部件相同的附图标记来指示系统480的部件。

然而，与系统430相对比，光学模块482中的感测设备436的平面衬底438沿着垂直于光学换能器440的行的方向(图28A-图28C中的Y方向)堆叠。这种布置使得系统480能够将感测设备436的多行平行的光学孔投影到目标上。如在前面的实施例中，行轴相对于反射镜448的旋转轴452倾斜角度α。

图29是根据本发明实施例的在扫描时间序列上被光学感测系统480辐照的目标490的示意性正面视图。初始帧498显示了三行倾斜的扫描点492、494、496，该三行倾斜的扫描点492、494、496对应于三个平行感测设备436中的换能器442的光学孔在目标上的投影。如在前面的实施例中，扫描点的行的倾斜对应于行轴和反射镜448的旋转轴之间的倾斜。帧500、……、502示出了当扫描器446在目标490上水平扫描光学孔时所采集的扫描点。因此，覆盖相对应的水平带504、506、508的三组扫描点492、494、496使得系统480能够以高分辨率快速扫描目标。

附加地或可选地，系统480可以被驱动来以多个不同的波长扫描目标490上的每个点。为此，每个感测设备436在不同的波长下操作。扫描器446扫描所有感测设备中的换能器442的光学孔，使得每个扫描点492、494、496由换能器在扫描中的不同点以每个不同波长扫描。处理器组合来自所有设备436的信号，以在每个点提取多波长数据。

尽管上述实施例专门针对减小光收发器单元的扫描间距，但是可以将这些实施例的原理经过适当地修改后类似地应用于其他类型的扫描阵列。例如，感测单元440可以包括没有传输能力的接收器单元。可选地，感测单元440可以由发射器(例如红色、绿色和蓝色VCSEL、边缘发射器或微型LED)代替，并且前述附图中所示的扫描布置可以应用于具有精细分辨率的投影图案或图像。

多个光学单元的视轴对准(boresighting)

图26A的实施例用于沿着公共光轴对准多个光学单元，例如感测单元或光发射器单元；但是它要求每个单元或发射器被设置在不同的衬底上，其中衬底被安装在分束器立方体的不同侧面上。可选地，例如，使用被安装在衬底上方的反射镜和分束器的合适布置，可以对齐并排安装在同一衬底上的多个单元的轴线。然而，当相同的聚焦元件(例如准直透镜或投影透镜)要服务于所有光学单元时，这种类型的布置可能是有问题的：如果从所有单元到聚焦元件的光路长度不相等，则聚焦元件将会使光学单元的光学孔投影到具有不同的相应的角度尺寸的相应的视场上。

本章节中描述的本发明的实施例使用路径均衡器(即调整聚焦元件和光学单元阵列的相应的光学孔之间的有效焦距的光学或机械元件)来解决这个问题。术语“有效焦距”是指从聚焦元件到其后焦平面的距离，同时考虑到每段光路的几何长度和光通过其在该段上传播的介质的折射率。

因此，在本实施例中，反射器的阵列沿着聚焦元件的光轴设置在离聚焦元件不同的相应距离处。每个反射器被定位和配置成偏转在光学单元的相应的一个光学孔和聚焦元件之间传播的辐射。路径均衡器调整每个光学孔和聚焦元件之间的相应光路长度，使得所有有效焦距相等(在所需的光学和机械公差内)。因此，聚焦元件将对所有光学孔应用相同的聚焦或准直特性，就好像它们物理上并置在同一点一样。尽管随附的图中所示的实施例说明了这种焦距均衡对三个光学单元的阵列的应用，但是这些实施例的原理可以可选地应用于两个光学单元的阵列或者四个或更多个光学单元的阵列。

图30是根据本发明实施例的光学系统509的示意性侧视图，该光学系统509包括光学单元510、512、514的阵列。光学单元510、512、514被安装在衬底516上，并且具有相应的光学孔518。聚焦元件520，例如透镜，沿着光轴522将光学孔518投影到目标上。反射器524、526、528的阵列沿着光轴522设置，以便分别偏转单元510、512、514和聚焦元件520之间的辐射。典型地，反射器524和526是部分反射器，而离聚焦元件520最远的反射器528是完全反射的。例如，假设光学单元510、512、514中的每一个在不同的相应波长范围内传输和/或接收光辐射，反射器524和526可以有利地包括截止波长在光学单元的波长范围之间的二向色反射器。

为了补偿单元510、512、514和聚焦元件520之间的光路的不同物理长度，分别将具有不同相应厚度的透明电介质块530和532引入光学单元512、514和反射器526、528之间的光束路径中。块530和532用作路径均衡器。根据几何光学原理，在聚焦元件520和给定光学单元之间添加厚度为d和折射率为n的电介质材料，使聚焦元件的后焦平面移动一段距离Δf＝d(1-1/n)。基于该原理，选择块530和532的厚度，使得所有单元510、512、514的光学孔518位于后焦平面，如图30所示。

图31是根据本发明另一实施例的光学系统540的示意性侧视图，该光学系统540包括光学单元510、512、514的阵列。光学单元510、512、514和相对应的反射器524、526、528相对于聚焦元件520的布置类似于系统510中的布置(图30)。然而，在系统540中，具有不同相应高度的基座542、544用作路径均衡器。光学单元512和514分别被安装在基座542和544上，从而缩短了到聚焦元件520的总光路，使得所有光学单元都位于后焦平面上。如果基座542和544的机械公差不够紧，不足以达到所需的光学精度，则光学单元512和514可以使用主动或基于视觉的对准来定位。

感兴趣区域的系统控制和扫描

到目前为止，集中描述了用于光学感测的系统和设备中的光学元件和光子元件。如现在将要描述的，这些光学元件和光子元件由电子控制和处理电路支持。就电子部件而言，上述阵列中的每个感测单元通常包括模拟前端(例如AFE电路126(图4))以及可能的其他处理电路。感测单元中的电子部件通常通过电气总线42(图1)连接以将输出信号传送到中央处理电路，例如处理器48。在一些实施例中，感测单元和中央处理电路的电子功能被交换和复用，以便节省电力和芯片有效面积，以及将系统的处理资源集中在感兴趣区域。

图32是根据本发明的实施例示意性地示出光学感测系统中的信号处理电路550的框图。例如，这些电路可以与系统20(图1)的光学部件以及上面示出和描述的其他感测单元和设备结合使用。

电路550被假定连接到感测单元的二维m×n阵列。每个感测单元包括作为其模拟前端的相应的跨阻放大器(TIA)552。阵列的每一行连接到相应的多路总线554，该多路总线554又连接到读出电路556，该读出电路556包括模拟处理电路558和模拟/数字转换器(ADC)560。每个TIA 552可以通过相应的开关564接通或断开。因此，感测单元的阵列的给定列562通过闭合相应的开关564而接通，而其余列通过打开开关而断开。可选地，TIA 552可以单独地接通和断开，而不一定按列接通和断开。

来自列562中的感测单元的信号经由总线554传送到读出电路556，读出电路556将数字输出值传递给处理器48(图1)。列562可以以这种方式被顺序激活。可选地，只有某个感兴趣区域中的列可以被接通，而其余的列保持休眠。处理器48还可以通过设置开关564闭合的时间长度来控制感测单元的积分时间。例如，可以使用更长的积分时间来增强在感兴趣区域和/或给出弱信号的区域(例如在LIDAR图中的远区域)中进行的测量的信噪比(SNR)。

图33是根据本发明的实施例示意性地示出光学感测系统(例如系统20(图1))中与处理器48相关联的电子电路部件的框图。如前所述，这些功能中的一些通常由可编程处理器(例如微处理器或微控制器)在软件或固件中执行。其他功能可以由数字逻辑以及数字和模拟处理和接口电路来实现。

主控制器570与主机处理器584一起控制和协调系统的功能，包括根据识别的感兴趣区域和感测任务来分配系统资源。因此，例如，主控制器570驱动激光控制器572，该激光控制器572设置被供应给感测单元并朝向目标传输的激光的功率和调制简表(power andmodulation profile)。附加地或可选地，激光控制器572可以根据应用要求，在选定的范围内或以随机存取的方式扫描激光波长。主控制器570同时驱动扫描器控制器578，该扫描器控制器578控制感测单元的光学孔在目标上扫描的速度和扫描的范围。此外，主控制器570驱动多路复用电路574，该多路复用电路574在扫描中的任何给定点选择要激活的感测单元。例如，多路复用电路574可以通过诸如交换网络68和76(图2)开关电子部件(例如TIA552(图32)的接通和关断)以及控制相干辐射到感测单元的分配。

上述切换和选择功能使系统能够将其检测和处理资源集中在特定的感兴趣区域，如下文进一步描述的。主控制器570接收来自扫描器控制器578的关于任何时刻的实际扫描器位置的反馈，使得从感测单元接收的信号可以与由控制器570产生的目标图中的正确坐标相关联。

为了精确感测，主控制器570还与校准功能576交互，并控制模拟前端(AFE)电路580的设置。校准功能包括时钟同步、定时和功率监测。AFE设置包括诸如放大器增益控制和滤波等功能。此外，主控制器570为模拟/数字转换(ADC)和数字数据采集(DAQ)电路588设置采样时钟和参数。主控制器570接收和处理来自电路588的数字数据，以便提取关于目标的范围、形状和速度的信息。

在本发明的一些实施例中，这些处理和控制能力用于选择性地扫描目标，以识别和提取关于感兴趣区域的详细信息。如上所述，这些实施例使用具有限定相应视场的相应光学孔的收发器单元的阵列。这些收发器单元当被主控制器570激活时，朝向目标传输相应的相干辐射束，并通过相应的光学孔接收从目标反射的相干辐射。

为了最优地利用可用的感测和处理资源，首先以特定的(通常是粗的)分辨率在目标区域上扫描收发器单元的视场，并且处理由收发器单元输出的信号以识别目标区域内的感兴趣区域。例如，处理器48可以在该第一次扫描中识别对象的形状和范围，并选择包含感兴趣对象的一个或更多个区域。

在以这种方式识别感兴趣区域之后，通常以比第一次扫描的分辨率更精细的分辨率，在感兴趣区域上选择性地扫描收发器单元的视场。在高分辨率扫描期间由收发器单元输出的信号被处理，以便产生感兴趣区域的高质量三维(3D)图。参考随附的图描述了用于选择和扫描感兴趣区域以及增强该区域中的3D绘图的质量的特定技术。

图34是根据本发明的实施例示意性地示出用于光学感测系统的选择性扫描的方法的流程图。为了方便和清楚起见，将参考系统20(图1)的元件来描述该方法。可选地，该方法的各个方面可以使用上文参考其他附图描述的特征，以及使用具有合适能力的其他种类的扫描相干感测阵列来实现。

在初始扫描步骤590，系统20以粗分辨率执行目标区域的初始扫描。通常，在该步骤中，扫描器46以高扫描速度扫描整个目标区域和/或分配短积分时间以在扫描中的每个点收集信号。(“高”扫描速度和“短”积分时间是相对于将在后续扫描中应用的扫描速度和积分时间的值而言的。)附加地或可选地，处理器48设置系统20中的光学和电子复用电路，使得只有感测单元34的子集传输相干辐射和接收信号以及将信号输出到处理器。因此，在步骤590生成的深度图将覆盖相对于后续扫描具有粗分辨率和低信噪比(SNR)的大角度范围。

在区域识别步骤592中，处理器48分析在步骤590创建的深度图，以将扫描的视场分割成多个区域。例如，这些区域可以通过特定的深度或细节范围来表征。处理器48选择满足适合于绘图任务的标准的区域，例如在特定范围内的区域或包含特定种类细节的区域。在对象识别步骤594，处理器分割所选择的区域内的深度图，以识别和标记所选择的区域中的对象和特征。例如，在LIDAR应用中，处理器可以识别看起来是人或车辆的形状；或者在OCT应用中，处理器可以识别特定解剖特征。

基于在步骤592中识别的区域的位置和深度以及在步骤594中识别的对象和特征，在ROI定义步骤596，处理器48定义一个或更多个感兴趣区域用于高分辨率扫描。在该步骤中，处理器定义感兴趣区域的横向边界和相应的深度。

对于每个ROI，在参数更新步骤598，处理器48设置将在每个ROI内的后续扫描中应用的扫描参数。这些参数可以包括：

·扫描速度——通常(尽管不一定)，ROI将以比初始扫描更慢的速度被扫描，以获得更精细的分辨率和更好的SNR。在每个ROI内的扫描速度也可以取决于ROI的深度。具体而言，可以以比近距离ROI更低的角度扫描速率扫描更远的ROI，以便减少空间分辨率随距离的损失。

·横向分辨率——如前所述，在步骤590的初始扫描期间，处理器48可以仅激活感测单元34的子集。在步骤598，处理器48可以当在ROI内进行扫描时，决定激活较大的感测单元组，通常是在初始扫描中激活的感测单元的超集。因此，ROI将以更高的扫描密度被扫描，从而获得更高的分辨率。

·传输的辐射强度——特别是对于感兴趣的远距离区域，处理器48可以将传输的相干辐射的强度设置为较高的值。增加的强度将增强由感测单元34接收的信号的幅度，从而提高SNR。可选地，对于感兴趣的附近区域，可以降低强度。例如，通过将来自激光器的相干辐射切换到服务于该单元的总线，以及选择辐射将被划分到其中的单元的数量，可以调整来自给定感测单元的传输强度。

·积分时间——如前所述，感测单元34的积分时间可以通过以下方式增加：延长单元接收和传输来自激光器的相干辐射的时间周期，以及延长单元被主动复用到读出电路的周期。因此，在感兴趣区域内进行扫描的期间，积分时间可以被设置为比初始扫描期间更大的值。附加地或可选地，由AFE施加的放大器增益可以适当地增加或减少。

基于在步骤598确定的扫描参数设置，在调度更新步骤600，处理器48为随后的一次或多次扫描设置调度。该调度规定了扫描窗口的几何边界和每个窗口内的系统资源的分配，例如扫描速度、分辨率和感测单元34之间相干辐射强度的分配。然后，在扫描捕获步骤602，处理器48驱动系统20以用更新的扫描参数来扫描后续帧。在分析步骤604，处理器48将图像分析算法应用于由第二帧产生的深度图，以便识别感兴趣的对象。分析结果可用作重复步骤596和598中的输入，以更新用于后续扫描的扫描参数。

图35是根据本发明实施例的由光学感测系统(例如系统20(图1))扫描的场景610的示意性正面视图。系统20在步骤590以粗分辨率扫描场景610，从而在步骤592和594识别场景的区域和特征。在本示例中，这些区域包括：

·近距离区域612。在该区域内没有感兴趣的对象的情况下，处理器48将在步骤598中为该区域设置低扫描分辨率。

·感兴趣区域614、616。处理器48识别出这些中等距离区域包含可能重要的对象。因此，处理器48将在步骤598中为这些区域设置高扫描分辨率和低扫描速度。

·感兴趣的远距离区域618。处理器48识别出该区域包含离感测系统很远的重要的对象，包括道路和其他交通工具。因此，在步骤598，处理器48将为扫描该区域分配降低的扫描速度和增加的传输辐射强度。

图36是根据本发明实施例的通过光学感测系统施加在场景上的扫描图案620的示意性正面视图。该附图对应于使用在步骤600设置的调度在步骤602捕获的帧(图34)。扫描图案620中的每个光斑622标记由系统采集的扫描点，而光斑的大小代表该点处的传输强度或积分时间。

图36示出了在场景(例如场景610)的被认为包含有价值信息的区域中优先切换的使用和光功率的施加，同时减少了不太感兴趣的区域中的资源使用。因此，扫描图案620的上部对应于以粗分辨率扫描的场景的近距离区域624。以更高的速度(例如通过增大扫描器46的移动速率(图1))扫描该近距离区域的外围部分626。用更高的扫描密度、积分时间和传输功率扫描包含感兴趣特征的更远距离区域628。同样，在感兴趣的局部区域630的界限内，扫描密度、积分时间和传输功率增加。如上所述，使用切换、复用、积分时间、传输功率和扫描速度之间的相互作用，自适应地定义和扫描场景中的感兴趣区域。

应当理解，上述实施例是通过示例的方式引用的，并且本发明不限于已经在上文具体示出和描述的内容。更确切地说，本发明的范围包括上文所描述的各种特征的组合和子组合，以及本领域技术人员在阅读前述描述后会想到的并且在现有技术中未被公开的这些特征的变型和修改。

Claims (129)

1.一种光电设备，包括：

平面衬底；

光总线，所述光总线包括被设置在所述衬底上并被配置成通过所述总线传送相干辐射的至少一个波导；和

感测单元的阵列，所述感测单元的阵列沿着所述光总线设置在所述衬底上，每个感测单元包括：

至少一个抽头，所述至少一个抽头被耦合以提取通过所述光总线传播的相干辐射的一部分；

光学换能器，所述光学换能器被配置成在所述感测单元和在所述衬底外部的目标之间耦合光辐射；和

接收器，所述接收器被耦合以将由所述抽头提取的相干辐射与由所述光学换能器接收的光辐射混频，并响应于所混频的辐射输出电信号。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光总线包括服务于不同的、相应的感测单元组的多条总线，并且其中，所述设备包括被耦合以将来自辐射源的相干辐射分配到所述多条总线的光网络。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述光网络包括有源交换网络。

4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述光网络包括无源分束器阵列。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述感测单元具有由所述光学换能器的相应光学孔限定的相应视场，并且其中，所述设备包括扫描器，所述扫描器被配置成在所述目标内扫描视场。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述光学孔被设置成一行，所述行具有垂直于所述扫描器的扫描方向的行轴。

7.根据权利要求5所述的设备，其中，所述感测单元的光学孔位于二维矩形网格的相应的行和列上的相应节点处，使得所述相应的行和列上的节点中的仅少数节点被所述光学换能器占据，并且

其中，所述扫描器被配置成至少沿着所述网格的行在所述目标上扫描所述光学孔，使得所述光学孔中的每一个被连续地被投影到所述目标上的矩形网格中的多个节点的相应的序列上。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的设备，其中，每个感测单元包括：

传输波导，所述传输波导被配置成将所述相干辐射从所述至少一个抽头传送到所述光学换能器以朝向所述目标传输；和

接收波导，所述接收波导被配置成将由所述光学换能器接收的光辐射传送到所述接收器。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述至少一个抽头包括第一抽头和第二抽头，所述第一抽头被耦合以将所述相干辐射的第一部分从所述总线传送到所述传输波导，所述第二抽头被耦合以将所述相干辐射的第二部分传送到所述接收器以与所接收的光辐射混频。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述光总线包括单个波导，所述第一抽头和所述第二抽头都耦合到所述单个波导。

11.根据权利要求9所述的设备，其中，所述光总线包括第一波导和第二波导，所述第一抽头耦合到所述第一波导，所述第二抽头耦合到所述第二波导。

12.根据权利要求8所述的设备，其中，在每个单元中，所述光学换能器包括第一换能器元件和第二换能器元件，所述第一换能器元件被配置成将从所述传输波导出来的相干辐射朝向所述目标耦合，所述第二换能器元件被配置成将入射到所述光学换能器上的光辐射耦合到所述接收波导中。

13.根据权利要求8所述的设备，其中，每个单元包括耦合器，所述耦合器被配置成将来自所述传输波导的相干辐射耦合到所述光学换能器以朝向所述目标传输，并且将入射到所述光学换能器上的光辐射耦合到所述接收波导中。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，由所述传输波导传送的相干辐射具有第一偏振，并且

其中，所述光学换能器被配置成接收具有所述第一偏振和与所述第一偏振正交的第二偏振两者的入射光辐射并将所述入射光辐射传送到所述耦合器，并且所述耦合器被配置成将所接收的具有所述第一偏振和所述第二偏振两者的光辐射耦合到所述接收器。

15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述耦合器包括偏振分束器旋转器，所述偏振分束器旋转器被配置成将所接收的具有所述第二偏振的光辐射旋转至所述第一偏振。

16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述光学换能器包括边缘耦合器，并且所述偏振分束器旋转器与所述边缘耦合器集成在一起。

17.根据权利要求8所述的设备，其中，所述光学换能器包括光栅耦合器，所述光栅耦合器包括被耦合到所述传输波导的第一光栅和被耦合到所述接收波导的第二光栅。

18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述第一光栅被配置成在所述传输波导和在所述衬底上方的空间中的第一角度范围之间耦合所述相干辐射，并且所述第二光栅被配置成在不同于所述第一范围的第二角度范围内将入射到所述光栅耦合器上的光辐射耦合到所述接收波导中。

19.根据权利要求1-7中任一项所述的设备，其中，所述光学换能器被配置成接收具有第一偏振和与所述第一偏振正交的第二偏振两者的入射光辐射并将所述入射光辐射传送到所述接收器，并且

其中，所述接收器包括用于对所接收的具有所述第一偏振的光辐射进行混频和检测的第一混频器和第一检测器以及用于对所接收的具有所述第二偏振的光辐射进行混频和检测的第二混频器和第二检测器。

20.根据权利要求1-7中任一项所述的设备，其中，所述光学换能器包括边缘耦合器。

21.根据权利要求1-7中任一项所述的设备，其中，所述光学换能器包括光栅耦合器。

22.根据权利要求1-7中任一项所述的设备，其中，由每个感测单元中的接收器输出的信号包括响应于所述目标相对于所述设备的范围的拍频。

23.根据权利要求22所述的设备，其中，每个感测单元中的接收器包括光学混合器和一对检测器，所述光学混合器和所述一对检测器被耦合以接收所混频的辐射的同相(I)分量和正交(Q)分量，并输出所述电信号的相对应的I分量和Q分量。

24.一种光耦合器，包括：

平面衬底；

第一波导和第二波导，所述第一波导和所述第二波导被设置在所述衬底上；

第一光栅，所述第一光栅被设置在所述衬底上，并且被耦合以在所述第一波导与在所述衬底上方的空间中的第一角度范围之间衍射第一光辐射；和

第二光栅，所述第二光栅被设置在所述衬底上，在所述第一光栅上方，并且被耦合以在所述第二波导与在所述衬底上方的空间中的第二角度范围之间衍射第二光辐射，所述第二角度范围不同于所述第一范围。

25.根据权利要求24所述的耦合器，其中，所述第一角度范围和所述第二角度范围在所述第一光栅和所述第二光栅的远场中是不相交的。

26.根据权利要求24或25所述的耦合器，并且包括光学元件，所述光学元件被安装在所述衬底上方并且被配置成将所述第一光辐射和所述第二光辐射聚焦在所述第一角度范围和所述第二角度范围内。

27.一种光电装置，包括：

载体衬底；

双折叠式反射镜，所述双折叠式反射镜被安装在所述载体衬底上，并且包括相对于所述载体衬底的法线以对角设置的第一反射表面和第二反射表面；

第一感测设备，所述第一感测设备包括：

第一平面衬底，所述第一平面衬底被设置在所述载体衬底上，其中所述第一平面衬底的第一边缘靠近所述第一反射表面；和

第一感测单元的第一阵列，所述第一感测单元被设置在所述第一平面衬底上，并且包括相应的第一边缘耦合器，所述相应的第一边缘耦合器沿着所述第一平面衬底的所述第一边缘设置，以便在所述第一感测单元和所述第一反射表面之间耦合光辐射；和第二感测设备，所述第二感测设备包括：

第二平面衬底，所述第二平面衬底被设置在所述载体衬底上，其中所述第二平面衬底的第二边缘靠近所述第二反射表面；和

第二感测单元的第二阵列，所述第二感测单元被设置在所述第二平面衬底上，并且包括相应的第二边缘耦合器，所述相应的第二边缘耦合器沿着所述第二平面衬底的所述第二边缘设置，以便在所述第二感测单元和所述第二反射表面之间耦合光辐射。

28.根据权利要求27所述的装置，其中，所述双折叠式反射镜具有三角形轮廓，其中，所述第一反射表面和所述第二反射表面分别以相对于所述法线的+45°和-45°定向。

29.根据权利要求27所述的装置，其中，所述第一边缘和所述第二边缘都平行于公共轴线，其中，所述第一边缘耦合器和所述第二边缘耦合器沿着所述第一边缘和所述第二边缘设置，其中边缘耦合器之间具有预定间距，并且其中，所述第二边缘耦合器相对于所述第一边缘耦合器沿着所述公共轴线偏移所述预定间距的一半。

30.根据权利要求27所述的装置，其中，所述第一边缘耦合器和所述第二边缘耦合器沿着所述第一边缘和所述第二边缘设置，其中边缘耦合器之间具有预定间距，并且

其中，所述第一感测单元和所述第二感测单元包括相应的接收器，所述接收器通过设置在所述第一平面衬底和所述第二平面衬底上的波导耦合到所述边缘耦合器，其中，所述接收器具有大于所述预定间距的相应宽度，并且被设置在离所述第一边缘和所述第二边缘不同的相应距离处。

31.根据权利要求27-30中任一项所述的装置，其中，所述第一感测单元和所述第二感测单元包括光收发器单元，所述光收发器单元被配置成：将相干辐射经由所述双折叠式反射镜通过相应的第一边缘耦合器和第二边缘耦合器朝向目标引导，通过所述相应的第一边缘耦合器和第二边缘耦合器经由所述双折叠式反射镜从所述目标接收光辐射，将所述相干辐射的一部分与通过所述第一边缘耦合器和所述第二边缘耦合器接收的光辐射混频，并响应于所混频的辐射输出电信号。

32.根据权利要求31所述的装置，其中，所述第一感测设备和所述第二感测设备包括相应的光总线，并且所述光总线被设置在所述第一平面衬底和所述第二平面衬底上，并且被配置成通过所述总线传送所述相干辐射，并且

其中，所述第一感测单元和所述第二感测单元包括相应的抽头，所述抽头被耦合以提取通过所述光总线传播的相干辐射的一部分以用于朝向所述目标传输并与所接收的光辐射混频。

33.根据权利要求31所述的装置，其中，所述第一边缘耦合器和所述第二边缘耦合器限定所述第一感测单元和所述第二感测单元的相应的光学孔，并且其中，所述装置包括一个或更多个光学元件，所述一个或更多个光学元件被配置成将所述光学孔成像到所述目标上。

34.根据权利要求33所述的装置，其中，所述一个或更多个光学元件被配置成沿着光轴将所述光学孔成像到所述目标上，并且其中，所述装置包括扫描器，所述扫描器被配置成在横向于所述光轴的方向上移动所述光学元件中的至少一个，以便在所述目标上扫描被成像的光学孔。

35.根据权利要求33所述的装置，其中，所述一个或更多个光学元件被配置成沿着光轴将所述光学孔成像到所述目标上，并且其中，所述装置包括扫描器，所述扫描器被配置成在横向于所述光轴的方向上移动所述载体衬底，以便在所述目标上扫描被成像的光学孔。

36.根据权利要求33所述的装置，并且包括旋转镜，所述旋转镜被设置在所述双折叠式反射镜和所述目标之间，并且被配置成在所述目标上扫描被成像的光学孔。

37.一种光电装置，包括：

感测设备，所述感测设备包括：

平面衬底；和

感测单元的阵列，所述感测单元被设置在所述衬底上并包括相应的光学换能器，所述光学换能器被配置成在所述感测单元和在所述衬底外部的目标之间耦合光辐射，从而限定所述感测单元的相应的光学孔，并且所述光学孔位于二维矩形网格的相应的行和列上的相应的节点处，使得所述相应的行和列上的不超过一半的节点被所述光学换能器占据；和

扫描器，所述扫描器被配置成至少沿着所述网格的行在所述目标上扫描所述光学孔，使得所述光学孔被连续投影到所述目标上的矩形网格中的多个节点的相应的序列上。

38.根据权利要求37所述的装置，并且包括一个或更多个光学元件，所述一个或更多个光学元件被配置成在所述目标上形成所述矩形网格的图像。

39.根据权利要求38所述的装置，其中，所述扫描器被配置成在平行于所述平面衬底的方向上移动所述光学元件中的至少一个，以便在所述目标上扫描被投影的光学孔。

40.根据权利要求38所述的装置，其中，所述扫描器被配置成移动所述平面衬底，以便在所述目标上扫描被投影的光学孔。

41.根据权利要求37所述的装置，其中，所述扫描器包括旋转镜，所述旋转镜被配置成在所述目标上扫描被投影的光学孔。

42.根据权利要求37所述的装置，其中，所述扫描器被配置成沿着所述矩形网格的行和列扫描所述光学孔。

43.根据权利要求37-42中任一项所述的装置，其中，所述扫描器被配置成改变在所述目标的不同区域内扫描所述光学孔的速度。

44.根据权利要求37-42中任一项所述的装置，其中，所述扫描器被配置成改变所述光学孔在所述目标的不同区域内被投影到的所述网格中的节点的密度。

45.根据权利要求37-42中任一项所述的装置，并且包括控制器，所述控制器被配置成当在所述目标上扫描所述光学孔时选择性地致动所述感测单元，以便改变在所述目标的不同区域内，所述网格中被所述感测单元感测光辐射的节点的密度。

46.根据权利要求37-42中任一项所述的装置，其中，所述感测单元包括光收发器单元，所述光收发器单元被配置成：将相干辐射通过相应的光学换能器朝向所述目标引导，经由相应的光学换能器接收来自所述目标的光辐射，将所述相干辐射的一部分与通过相应的光学换能器接收的光辐射混频，以及响应于所混频的辐射输出电信号。

47.一种光电装置，包括：

感测设备，所述感测设备包括：

至少一个平面衬底；和

感测单元的阵列，所述感测单元被设置在所述至少一个平面衬底上，并且包括相应的光学换能器，所述光学换能器被配置成在所述单元和在所述衬底外部的目标之间耦合光辐射，从而限定所述单元的相应的光学孔，所述光学孔沿着行轴布置在至少一行中；和

扫描器，所述扫描器包括反射镜，所述反射镜被配置成在围绕相对于所述行轴以斜角定向的旋转轴旋转时在所述目标上投影和扫描所述光学孔。

48.根据权利要求47所述的装置，其中，所述光学换能器包括边缘耦合器，所述边缘耦合器沿着所述至少一个平面衬底的边缘设置。

49.根据权利要求47或48所述的装置，其中，所述至少一个平面衬底包括多个平面衬底，在所述多个平面衬底上设置有所述光学换能器的相应行。

50.根据权利要求49所述的装置，其中，所述平面衬底沿着垂直于所述光学换能器的行的方向堆叠。

51.根据权利要求49所述的装置，并且包括分束器立方体，其中，所述平面衬底被安装在所述分束器立方体的不同的相应的面上。

52.一种光电装置，包括：

聚焦元件，所述聚焦元件具有光轴；

光学单元的第一阵列，所述光学单元具有相应的光学孔；

反射器的第二阵列，所述反射器沿着所述光轴设置在离所述聚焦元件不同的相应的距离处，每个反射器被配置成偏转在所述光学单元的光学孔中的相应的一个与所述聚焦元件之间传播的辐射；和

路径均衡器的第三阵列，所述路径均衡器被配置成调整在所述聚焦元件和所述光学孔之间的相应有效焦距，且使得所有所述有效焦距相等。

53.根据权利要求52所述的装置，其中，除了离所述聚焦元件最远的一个反射器之外，所述反射器是部分反射器。

54.根据权利要求53所述的装置，其中，除了离所述聚焦元件最远的一个反射器之外，所述反射器是二向色反射器。

55.根据权利要求52-54中任一项所述的装置，其中，所述路径均衡器包括具有不同相应高度的基座，所述光学单元被相应地安装在所述基座上。

56.根据权利要求52-54中任一项所述的装置，其中，所述路径均衡器包括被设置在所述光学单元和所述反射器之间的具有不同相应厚度的透明电介质材料块。

57.用于感测的装置，包括：

收发器单元的阵列，所述收发器单元具有限定所述收发器单元的相应视场的相应的光学孔，并且被配置成朝向目标传输相应的相干辐射束，并通过相应的光学孔接收从所述目标反射的相干辐射；

扫描器，所述扫描器被配置成在所述目标上扫描所述收发器单元的视场；和

处理器，所述处理器被配置成控制所述收发器单元和所述扫描器以便在第一扫描中以第一分辨率在目标区域内扫描所述收发器单元的视场，处理在所述第一扫描期间由所述收发器单元输出的信号以便识别在所述目标区域内的感兴趣区域，控制所述收发器单元和所述扫描器以便在第二扫描中以比所述第一分辨率更精细的第二分辨率在所述感兴趣区域上选择性地扫描所述收发器单元的视场，以及处理在所述第二扫描期间由所述收发器单元输出的信号以便产生所述感兴趣区域的三维(3D)图。

58.根据权利要求57所述的装置，其中，所述处理器被配置成基于由所述收发器单元在所述第一扫描期间输出的信号来识别所述感兴趣区域的横向边界。

59.根据权利要求58所述的装置，其中，所述处理器被配置成使所述扫描器在所述第一扫描中以第一扫描速度扫描所述视场，以及在所述第二扫描中以小于所述第一扫描速度的第二扫描速度在所识别的横向边界之间扫描所述视场。

60.根据权利要求59所述的装置，其中，所述处理器被配置成基于由所述收发器单元在所述第一扫描期间输出的信号来识别所述感兴趣区域的深度，以及响应于所识别的深度来设置所述第二扫描速度。

61.根据权利要求58所述的装置，其中，所述处理器被配置成控制所述阵列，以便在所述第一扫描中仅从所述收发器单元中的第一组接收信号，以及在所述第二扫描中从所述收发器单元中的第二组接收信号，所述收发器单元中的第二组是所述收发器第一组的超集，被包含在所识别的横向边界内。

62.根据权利要求57-61中任一项所述的装置，其中，所述处理器被配置成基于由所述收发器单元在所述第一扫描期间输出的信号来识别所述感兴趣区域的深度。

63.根据权利要求62所述的装置，其中，所述处理器被配置成控制所述收发器单元以在所述第一扫描中传输具有第一强度的相干辐射束，以及响应于所识别的深度选择大于所述第一强度的第二强度，以及控制所述收发器单元以当在所述第二扫描中在所述感兴趣区域内进行扫描时，以所述第二强度传输相干辐射束。

64.根据权利要求62所述的装置，其中，所述处理器被配置成控制所述收发器单元以在所述第一扫描中在第一积分时间内接收来自所述收发器单元的信号，以及控制所述收发器单元以便当在所述第二扫描中在所述感兴趣区域内进行扫描时，在大于所述第一积分时间的第二积分时间内接收来自所述收发器单元的信号。

65.一种用于感测的方法，包括：

提供收发器单元的阵列，所述收发器单元具有限定所述收发器单元的相应视场的相应的光学孔，并且被配置成朝向目标传输相应的相干辐射束，并通过所述相应的光学孔接收从所述目标反射的相干辐射；

在第一扫描中以第一分辨率在目标区域上扫描所述收发器单元的视场；

处理在所述第一扫描期间由所述收发器单元输出的信号，以便识别在所述目标区域内的感兴趣区域；

在第二扫描中以比所述第一分辨率更精细的第二分辨率在所述感兴趣区域上选择性地扫描所述收发器单元的视场；和

处理在所述第二扫描期间由所述收发器单元输出的信号，以便产生所述感兴趣区域的三维(3D)图。

66.根据权利要求65所述的方法，其中，处理在所述第一扫描期间由所述收发器单元输出的信号包括识别所述感兴趣区域的横向边界。

67.根据权利要求66所述的方法，其中，在所述第一扫描中扫描所述视场包括在所述第一扫描中以第一扫描速度扫描所述视场，并且

其中，在所述第二扫描中扫描所述视场包括在所述第二扫描中以小于所述第一扫描速度的第二扫描速度在所识别的横向边界之间扫描所述视场。

68.根据权利要求67所述的方法，其中，处理在所述第一扫描期间由所述收发器单元输出的信号包括识别所述感兴趣区域的深度，并且其中，以所述第二扫描速度扫描所述视场包括响应于所识别的深度设置所述第二扫描速度。

69.根据权利要求66所述的方法，其中，在所述第一扫描中扫描所述视场包括在所述第一扫描中仅从所述收发器单元中的第一组接收信号，并且

其中，在所述第二扫描中扫描所述视场包括在所述第二扫描中从所述收发器单元中的第二组接收信号，所述收发器单元中的第二组是所述收发器第一组的超集，被包含在所识别的横向边界内。

70.根据权利要求65-69中任一项所述的方法，其中，处理在所述第一扫描期间由所述收发器单元输出的信号包括识别所述感兴趣区域的深度。

71.根据权利要求70所述的方法，其中，在所述第一扫描中扫描所述视场包括在所述第一扫描中传输具有第一强度的相干辐射束，并且

其中，在所述第二扫描中扫描所述视场包括响应于所识别的深度选择大于所述第一强度的第二强度，并且当在所述第二扫描中在所述感兴趣区域内进行扫描时，以所述第二强度传输相干辐射束。

72.根据权利要求70所述的方法，其中，在所述第一扫描中扫描所述视场包括在所述第一扫描中在第一积分时间内接收来自所述收发器单元的信号，并且

其中，在所述第二扫描中扫描所述视场包括当在所述第二扫描中在所述感兴趣区域内进行扫描时，在大于所述第一积分时间的第二积分时间内接收来自所述收发器单元的信号。

73.一种用于感测的方法，包括：

通过光总线传送相干辐射，所述光总线包括被设置在衬底上的至少一个波导；

提供沿着所述光总线设置在所述衬底上的感测单元的阵列，每个感测单元包括至少一个抽头，所述至少一个抽头被耦合以提取通过所述光总线传播的相干辐射的一部分；

经由与所述感测单元相关联的光学换能器在每个感测单元和在所述衬底外部的目标之间耦合光辐射；

将由每个感测单元中的抽头提取的相干辐射与由所述光学换能器接收的光辐射混频；和

响应于所混频的辐射从至少一些感测单元中的每一个输出电信号。

74.根据权利要求73所述的方法，其中，所述光总线包括服务于不同的、相应的感测单元组的多条总线，并且其中，所述方法包括将来自辐射源的相干辐射经由光网络分配到所述多条总线。

75.根据权利要求74所述的方法，其中，所述光网络包括有源交换网络。

76.根据权利要求74所述的方法，其中，所述光网络包括无源分束器阵列。

77.根据权利要求73所述的方法，其中，所述感测单元具有相应的视场，所述视场由所述光学换能器的相应的光学孔限定，并且其中，所述方法包括在目标上扫描所述视场。

78.根据权利要求77所述的方法，其中，所述光学孔被设置成具有行轴的行，并且其中，扫描所述视场包括在垂直于所述行轴的扫描方向上扫描。

79.根据权利要求77所述的方法，其中，所述感测单元的光学孔位于二维矩形网格的相应的行和列上的相应节点处，使得所述相应的行和列上的仅少数节点被所述光学换能器占据，并且

其中，扫描所述视场包括至少沿着所述网格的行在所述目标上扫描所述光学孔，使得每个光学孔被连续投影到所述目标上的矩形网格中的多个节点的相应序列上。

80.根据权利要求73-79中任一项所述的方法，其中，每个感测单元包括：

传输波导，所述传输波导被配置成将所述相干辐射从所述至少一个抽头传送到所述光学换能器以朝向所述目标传输；和

接收波导，所述接收波导被配置成将由所述光学换能器接收的光辐射传送到接收器。

81.根据权利要求80所述的方法，其中，所述至少一个抽头包括被耦合以将所述相干辐射的第一部分从所述总线传送到所述传输波导的第一抽头和被耦合以将所述相干辐射的第二部分传送到所述接收器以与所接收的光辐射混频的第二抽头。

82.根据权利要求81所述的方法，其中，所述光总线包括单个波导，所述第一抽头和所述第二抽头都耦合到所述单个波导。

83.根据权利要求81所述的方法，其中，所述光总线包括第一波导和第二波导，所述第一抽头耦合到所述第一波导，所述第二抽头耦合到所述第二波导。

84.根据权利要求80所述的方法，其中，每个光学换能器包括第一换能器元件和第二换能器元件，所述第一换能器元件被配置成将从所述传输波导出来的相干辐射朝向所述目标耦合，所述第二换能器元件被配置成将入射到所述光学换能器上的光辐射耦合到所述接收波导中。

85.根据权利要求80所述的方法，其中，耦合所述光辐射包括将来自所述传输波导的相干辐射耦合到所述光学换能器以朝向所述目标传输，并将入射到所述光学换能器上的光辐射耦合到所述接收波导中。

86.根据权利要求85所述的方法，其中，由所述传输波导传送的相干辐射具有第一偏振，并且

其中，耦合入射到所述光学换能器上的光辐射包括经由所述光学换能器接收具有所述第一偏振和与所述第一偏振正交的第二偏振两者的入射光辐射，以及将所接收的具有所述第一偏振和所述第二偏振两者的光辐射耦合到接收器，所述接收器输出所述电信号。

87.根据权利要求86所述的方法，其中，接收具有所述第一偏振和所述第二偏振两者的入射光辐射包括将所接收的光辐射耦合到偏振分束器旋转器中，所述偏振分束器旋转器使所接收的具有所述第二偏振的光辐射旋转至所述第一偏振。

88.根据权利要求87所述的方法，其中，所述光学换能器包括边缘耦合器，并且所述偏振分束器旋转器与所述边缘耦合器集成在一起。

89.根据权利要求80所述的方法，其中，所述光学换能器包括光栅耦合器，所述光栅耦合器包括耦合到所述传输波导的第一光栅和耦合到所述接收波导的第二光栅。

90.根据权利要求89所述的方法，其中，耦合所述光辐射包括经由所述第一光栅在所述传输波导和在所述衬底上方的空间中的第一角度范围之间耦合所述相干辐射以及经由所述第二光栅在不同于所述第一范围的第二角度范围内将入射到所述光栅耦合器上的光辐射耦合到所述接收波导中。

91.根据权利要求73-79中任一项所述的方法，其中，耦合所述光辐射包括接收具有第一偏振和与所述第一偏振正交的第二偏振两者的入射光辐射和向接收器传送具有所述第一偏振和所述第二偏振两者的入射光辐射，并且

其中，对所述相干辐射进行混频包括在第一检测器中对所接收的具有所述第一偏振的光辐射进行混频和检测以及在第二检测器中对所接收的具有所述第二偏振的光辐射进行混频和检测。

92.根据权利要求73-79中任一项所述的方法，其中，所述光学换能器包括边缘耦合器。

93.根据权利要求73-79中任一项所述的方法，其中，所述光学换能器包括光栅耦合器。

94.根据权利要求73-79中任一项所述的方法，其中，由每个感测单元输出的电信号包括响应于所述目标的范围的拍频。

95.根据权利要求94所述的方法，其中，每个感测单元包括光学混合器和一对检测器，所述光学混合器和所述一对检测器被耦合以接收所混频的辐射的同相(I)分量和正交(Q)分量，并输出所述电信号的相对应的I分量和Q分量。

96.一种用于耦合的方法，包括：

提供被设置在平面衬底上的第一波导和第二波导；

耦合在所述衬底上的第一光栅，以在所述第一波导与在所述衬底上方的空间中的第一角度范围之间衍射第一光辐射；和

耦合在所述第一光栅上方被设置在所述衬底上的第二光栅，以在所述第二波导与在所述衬底上方的空间中的不同于所述第一范围的第二角度范围之间衍射第二光辐射。

97.根据权利要求96所述的方法，其中，所述第一角度范围和所述第二角度范围在所述第一光栅和所述第二光栅的远场中是不相交的。

98.根据权利要求96或97所述的方法，并且包括在所述衬底上方安装光学元件，以将所述第一光辐射和所述第二光辐射聚焦在所述第一角度范围和所述第二角度范围内。

99.一种用于光学感测的方法，包括：

将双折叠式反射镜安装在载体衬底上，所述双折叠式反射镜包括相对于所述载体衬底的法线以对角设置的第一反射表面和第二反射表面；

将第一感测设备放置在所述载体衬底上，所述第一感测设备包括第一平面衬底和被设置在所述第一平面衬底上的第一感测单元的第一阵列，并且所述第一感测单元包括相应的第一边缘耦合器，所述第一边缘耦合器沿着所述第一平面衬底的第一边缘设置，使得所述第一平面衬底的第一边缘靠近所述第一反射表面，从而所述第一边缘耦合器在所述第一感测单元和所述第一反射表面之间耦合光辐射；和

将第二感测设备放置在所述载体衬底上，所述第二感测设备包括第二平面衬底和被设置在所述第二平面衬底上的第二感测单元的第二阵列，并且所述第二感测单元包括相应的第二边缘耦合器，所述第二边缘耦合器沿着所述第二平面衬底的第二边缘设置，使得所述第二平面衬底的第二边缘靠近所述第二反射表面，从而所述第二边缘耦合器在所述第二感测单元和所述第二反射表面之间耦合光辐射。

100.根据权利要求99所述的方法，其中，所述双折叠式反射镜具有三角形轮廓，其中，所述第一反射表面和所述第二反射表面分别以相对于所述法线的+45°和-45°定向。

101.根据权利要求99所述的方法，其中，所述第一边缘和所述第二边缘都平行于公共轴线，其中，所述第一边缘耦合器和所述第二边缘耦合器沿着所述第一边缘和所述第二边缘设置，且在边缘耦合器之间具有预定间距，并且其中，放置所述第二感测设备包括对准所述第二平面衬底，使得所述第二边缘耦合器相对于所述第一边缘耦合器沿着所述公共轴线偏移所述预定间距的一半。

102.根据权利要求99所述的方法，其中，所述第一边缘耦合器和所述第二边缘耦合器沿着所述第一边缘和所述第二边缘设置，且在边缘耦合器之间具有预定间距，并且

其中，所述第一感测单元和所述第二感测单元包括相应的接收器，所述接收器通过设置在所述第一平面衬底和所述第二平面衬底上的波导耦合到所述边缘耦合器，其中，所述接收器具有大于所述预定间距的相应宽度，并且被设置在离所述第一边缘和所述第二边缘不同的相应距离处。

103.根据权利要求99-102中任一项所述的方法，其中，所述第一感测单元和所述第二感测单元包括光收发器单元，并且其中，所述方法包括：

将相干辐射经由所述双折叠式反射镜通过相应的第一边缘耦合器和第二边缘耦合器朝向目标引导；

通过相应的第一边缘耦合器和第二边缘耦合器经由所述双折叠式反射镜从所述目标接收光辐射；

将所述相干辐射的一部分与通过所述第一边缘耦合器和所述第二边缘耦合器接收的光辐射混频；和

响应于所混频的辐射输出电信号。

104.根据权利要求103所述的方法，其中，所述第一感测设备和所述第二感测设备包括相应的光总线，所述光总线被设置在所述第一平面衬底和所述第二平面衬底上，并且被配置成通过所述总线传送相干辐射，并且

其中，引导所述相干辐射包括经由在所述第一感测单元和所述第二感测单元中的相应抽头，提取通过所述光总线传播的相干辐射的一部分以用于朝向所述目标传输并与所接收的光辐射混频。

105.根据权利要求103所述的方法，其中，所述第一边缘耦合器和所述第二边缘耦合器限定所述第一感测单元和所述第二感测单元的相应的光学孔，并且其中，所述方法包括将所述光学孔成像到所述目标上。

106.根据权利要求105所述的方法，并且包括在所述目标上扫描被成像的光学孔。

107.根据权利要求106所述的方法，其中，成像所述光学孔包括应用一个或更多个光学元件以沿着光轴将所述光学孔成像到所述目标上，并且其中，扫描被成像的光学孔包括在横向于所述光轴的方向上移动所述光学元件中的至少一个，以便在所述目标上扫描被成像的光学孔。

108.根据权利要求106所述的方法，其中，扫描被成像的光学孔包括移动所述载体衬底，以便在所述目标上扫描被成像的光学孔。

109.根据权利要求106所述的方法，其中，扫描被成像的光学孔包括使用旋转镜在所述目标上扫描被成像的光学孔。

110.一种用于光学感测的方法，包括：

在平面衬底上提供感测单元的阵列，所述感测单元包括相应的光学换能器，所述光学换能器在所述感测单元和在所述衬底外部的目标之间耦合光辐射，从而限定所述感测单元的相应的光学孔，并且所述光学孔位于二维矩形网格的相应的行和列上的相应节点处，使得所述相应的行和列上的不超过一半的节点被所述光学换能器占据；和

至少沿着所述网格的行在所述目标上扫描所述光学孔，使得所述光学孔被连续投影到所述目标上的矩形网格中的多个节点的相应序列上。

111.根据权利要求110所述的方法，并且包括使用一个或更多个光学元件在所述目标上形成所述矩形网格的图像。

112.根据权利要求111所述的方法，其中，扫描所述光学孔包括在平行于所述平面衬底的方向上移动所述光学元件中的至少一个，以便在所述目标上扫描被投影的光学孔。

113.根据权利要求111所述的方法，其中，扫描所述光学孔包括移动所述平面衬底，以便在所述目标上扫描被投影的光学孔。

114.根据权利要求110所述的方法，其中，扫描所述光学孔包括应用旋转镜来在所述目标上扫描被投影的光学孔。

115.根据权利要求110所述的方法，其中，扫描所述光学孔包括沿所述矩形网格的行和列移动所述光学孔。

116.根据权利要求110-115中任一项所述的方法，其中，扫描所述光学孔包括改变在所述目标的不同区域内扫描所述光学孔的速度。

117.根据权利要求110-115中任一项所述的方法，其中，扫描所述光学孔包括改变所述光学孔在所述目标的不同区域内被投影到的所述网格中的节点的密度。

118.根据权利要求110-115中任一项所述的方法，并且包括当在所述目标上扫描所述光学孔时选择性地致动所述感测单元，以便改变在所述目标的不同区域内，所述网格中被所述感测单元感测光辐射的节点的密度。

119.根据权利要求110-115中任一项所述的方法，其中，扫描所述光学孔包括：

将相干辐射通过所述感测单元的相应的光学换能器朝向所述目标引导；

在所述感测单元中经由相应的光学换能器接收来自所述目标的光辐射；

将所述相干辐射的一部分与通过相应的光学换能器接收的光辐射混频；和

响应于所混频的辐射从所述感测单元输出电信号。

120.一种用于光学感测的方法，包括：

提供感测单元的阵列，所述感测单元被设置在至少一个平面衬底上，并且包括相应的光学换能器，所述光学换能器在所述单元和在所述衬底外部的目标之间耦合光辐射，从而限定所述单元的相应的光学孔，所述光学孔沿着行轴布置在至少一行中；和

使用反射镜在所述目标上投影和扫描所述光学孔，所述反射镜围绕相对于所述行轴以斜角定向的旋转轴旋转。

121.根据权利要求120所述的方法，其中，所述光学换能器包括边缘耦合器，所述边缘耦合器沿着所述至少一个平面衬底的边缘设置。

122.根据权利要求120或121所述的方法，其中，提供所述感测单元的阵列包括提供多个平面衬底，在所述多个平面衬底上设置有所述光学换能器的相应行。

123.根据权利要求122所述的方法，其中，提供所述多个平面衬底包括沿着垂直于所述光学换能器的行的方向堆叠所述平面衬底。

124.根据权利要求122所述的方法，其中，提供所述多个平面衬底包括将所述平面衬底安装在分束器立方体的不同的相应的面上。

125.一种用于光学对准的方法，包括：

提供具有光轴的聚焦元件和光学单元的第一阵列，所述光学单元具有相应的光学孔；

沿着所述光轴在离所述聚焦元件不同的相应距离处设置反射器的第二阵列，使得每个反射器偏转在所述光学单元的光学孔中的相应的一个与所述聚焦元件之间传播的辐射；和

应用路径均衡器的第三阵列来调整在所述聚焦元件和所述光学孔之间的相应的有效焦距，使得所有所述有效焦距相等。

126.根据权利要求125所述的方法，其中，除了离所述聚焦元件最远的一个反射器之外，所述反射器是部分反射器。

127.根据权利要求126所述的方法，其中，除了离所述聚焦元件最远的一个反射器之外，所述反射器是二向色反射器。

128.根据权利要求125-127中任一项所述的方法，其中，应用所述路径均衡器的第三阵列包括在具有不同相应高度的基座上安装所述光学单元。

129.根据权利要求125-127中任一项所述的方法，其中，应用所述路径均衡器的第三阵列包括在所述光学单元和所述反射器之间放置具有不同相应厚度的透明电介质材料块。