CN117980772A - 测距装置及测距系统 - Google Patents

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CN117980772A CN202280064518.4A CN202280064518A CN117980772A CN 117980772 A CN117980772 A CN 117980772A CN 202280064518 A CN202280064518 A CN 202280064518A CN 117980772 A CN117980772 A CN 117980772A
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Abstract

本公开涉及一种能够抑制信道之间的干扰的测距装置和测距系统。提供了一种测距装置，设置有光子集成电路，该光子集成电路具有与相干LiDAR方法兼容的功能，相干LiDAR方法用于通过接收光与参考光之间的干涉执行测距，所述接收光是由已经照射到目标上的发射光的反射产生的光，其中所述光子集成电路彼此独立地包括用于所述发射光的第一耦合器和用于所述参考光的第二耦合器，作为用于耦合光波导的内部和外部的光耦合器。本公开可应用于通过相干LiDAR方法执行测距的测距装置。

Description

测距装置及测距系统
技术领域
本发明涉及一种测距装置及测距系统，尤其涉及一种能够抑制信道间串扰的测距装置及测距系统。
背景技术
LiDAR(光检测和测距)是基于响应于激光照射的散射光的测量的测距技术，并且应用于包括自动驱动的各种应用。已经提出了几种LiDAR测量方法，并且具体地，使用光学干涉仪来检测接收光与参考光之间的差异频率并且测量距离的方法被称为相干LiDAR。所谓的FMCW(调频连续波)LiDAR是一种相干LiDAR。
当在高速公路上执行自动驾驶等时，必须以高分辨率和高帧速率测量视野内的距离，使得可以快速并且安全地避免距离中的小障碍物。即，需要增加点比率，该点比率是每单位时间的测距点的数量。为了获得高点速率，需要增加同时的LiDAR测量点的数量，即，信道的数量。
例如，PTL 1公开了与具有大量信道的多信道相干LiDAR相关的技术。PTL1公开了一种多信道相干LiDAR，其中，光源配置有光子集成电路(PIC)并且光学干涉仪配置有离散光学元件。
[引用列表]
[专利文献]
[PTL 1]
美国专利申请公开第2021/0018598号(说明书)
发明内容
[技术问题]
需要大量信道的多信道相干LiDAR来抑制信道之间的串扰(干扰)。在专利文献1中公开的多信道相干LiDAR中，针对串扰的对策是不充分的，并且存在实际上不存在的目标可能被错误地检测到的风险。
鉴于这种情况已经设计了本公开，并且本公开旨在抑制信道之间的串扰。
[问题的解决方案]
根据本公开的一方面的测距装置包括光子集成电路，该光子集成电路具有与相干LiDAR方法兼容的功能，该相干LiDAR方法基于接收光与参考光之间的干涉进行测距，该接收光是照射在目标上的发射光的反射光，其中所述光子集成电路独立地包括用于所述发射光的第一耦合器和用于所述参考光的第二耦合器，作为耦合光波导内部和外部的光耦合器。
根据本公开的一个方面的测距系统包括：测距装置，包括光子集成电路，该光子集成电路具有与相干LiDAR方法兼容的功能，相干LiDAR方法基于接收光与参考光之间的干涉进行测距，接收光是照射在目标上的发射光的反射光；以及外部光学系统，包括望远镜和扫描仪，所述望远镜针对每个像素将所述发射光偏转至不同的发射角，所述扫描仪能够使来自所述望远镜的所述发射光至少在与像素的布置方向交叉的方向上偏转，其中所述光子集成电路独立地包括用于所述发射光的第一耦合器和用于所述参考光的第二耦合器，作为耦合光波导内部和外部的光耦合器。
根据本公开的一个方面的测距装置和测距系统设置有光子集成电路，其具有与基于接收光(即，照射在目标上的发射光的反射光)与参考光之间的干涉进行测距的相干LiDAR方法兼容的功能。此外，光子集成电路独立地设置有用于发射光的第一耦合器和用于参考光的第二耦合器，作为耦合光波导内部和外部的光耦合器。
注意，根据本公开的一个方面的测距装置可以是独立的装置，或者可以是形成一个装置的内部块。
附图说明
图1为示出了应用了本公开的测距装置的配置实施例的横截面图。
图2是示出了图1中所示的测距装置的配置的实施例的顶视图。
图3是示出图1中所示的微透镜阵列的配置的实施例的顶视图。
图4是示出TX-PIC的布局的第一实施例的示图。
图5是示出光开关或调制器的配置实施例的示图。
图6是示出光栅耦合器的配置的实施例的示图。
图7是用于说明测距和测速的具体实施例的曲线图。
图8是示出TX-PIC的布局的第二实施例的示图。
图9是示出TX-PIC的发光图案的第一实施例的示图。
图10是示出TX-PIC的发光图案的第二实施例的示图。
图11是示出TX-PIC的发光图案的第三实施例的示图。
图12是示出应用了本公开的测距系统的配置实施例的框图。
图13是示出目标扫描的实施例的示图。
图14是示出测距系统的操作的流程的流程图。
图15是示出应用了本公开的测距装置的另一配置实施例的截面图。
图16是示出图15中所示的测距装置的配置实施例的顶视图。
图17是示出图15中所示的微透镜阵列的配置实施例的顶视图。
具体实施方式
<1.本公开的实施方式>
(系统配置)
将参考图1至图3描述应用了本公开的测距系统的配置实施例。图1为示出了应用了本公开的测距装置10的配置实施例的剖视图。图2是示出了图1的测距装置10的配置实施例的顶视图。图3是示出图1中的微透镜阵列15的配置的实施例的顶视图。
在图1中，测距系统1包括测距装置10和外部光学系统31。测距装置10被配置为支持多信道的相干LiDAR模块。在测距装置10中，两个IC芯片TX-PIC 12和RX-IC 13安装在封装基板11上。
TX-PIC 12是光子集成电路(PIC)，其中使用半导体光刻技术在半导体基板上形成光波导，并且根据材料成分和图案形状将各种功能光学元件集成在单个芯片上。TX-PIC 12生成用于相干LiDAR的发射光(TX光)和参考光(LO光)。
用于从光子集成电路出射光的方法的实施例包括用于从芯片的端面出射光的边缘耦合器(EC)以及用于从芯片表面出射光的光栅耦合器(GC)。在TX-PIC 12中，优选使用在布置出射位置时具有高自由度的光栅耦合器，并且在以下描述中，将例示使用光栅耦合器的情况。
TX-PIC 12具有18个出射参考光的LO GCs 111和18个出射发射光的TX GCs 112。如图2的俯视图所示，六个LO GCs 111和六个TX GCs 112可布置在每行中，偏移三行。TX-PIC 12的光波导由硅(Si)制成，并且发射光的中心波长可以是1550nm，但是不限于此。
RX-IC 13是具有用于每个像素的差分光电检测器(PD)的半导体集成电路，并且被配置为接收电路。差分光检测器(以下称为差分PD)是将具有匹配特性的两个光电二极管(PD)串联连接并且输出光电流的差分的元件。在下文中，两个光电二极管也将被称为下部PD 113和上部PD 114。如在图2的俯视图中所示，六个下部PD 113和六个上部PD 114可以布置在每行中，并偏移三行。
RX-IC 13还包括TIA(跨阻抗放大器)121、ADC(模数转换器)122和DSP(数字信号处理器)123，如在图2的俯视图中所示。可分别提供多个TIAs 121、ADCs 122和DSPs 123。TIA121将差分PD的输出电流波形转换成电压波形。ADC 122将作为模拟电压波形的TIA 121的输出转换成数字输出。DSP 123基于ADC 122的输出执行数字信号处理并且提取与每个像素对应的目标信息。
目标信息是诸如接收信号的频谱、频谱的峰值检测结果或者基于峰值检测结果的目标距离/速度信息的信息。例如，当发射光的中心波长为1550nm时，安装在RX-IC 13上的差分PD需要具有1550nm的高灵敏度。可以使用在硅基板上生长锗晶体的所谓的Ge-on-Si或者含有诸如铟(In)、磷(P)、镓(Ga)、砷(As)和锗(Ge)的元素的化合物半导体制造差分PD。
另一方面，RX-IC 13的除了差分PD之外的电路元件(例如，TIA 121和ADC 122)在所要求的微制造的程度(最小线宽等)和最佳退火温度方面与差分PDs不同。从性能和成本的观点来看，优选使用先进CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺在单独的晶片上制造器件。
具体地，在Ge-on-Si PDs的情况下，RX-IC 13可以通过使用晶圆至晶圆接合工艺接合其上形成PDs和电极的硅晶圆和包含除PDs之外的电路元件的CMOS晶圆来制造。此外，在化合物半导体PD的情况下，RX-IC 13可以通过使用化合物半导体仅制造PD本身或PD阵列、切割该PD本身或PD阵列、并且使用晶粒至晶圆接合工艺将其接合至Si CMOS来制造。
优选的是，RX-IC 13上的差分PD的像素数量和像素间距与TX-PIC 12的像素数和像素间距相同。具体地，如图2的顶视图所示，通过在每行中以三行的偏移布置TX-PIC 12的六个LO GCs 111和六个TX GCs 112以及RX-IC 13的六个下部PDs 113和六个上部PDs 114，可以以相应的方式布置每个像素。
即，作为RX-IC 13的像素的下部PD 113和上部PD 114可以被布置在分别与作为TX-PIC 12的像素的LO GC 111和TX GC 112相同的Y坐标处。这允许来自光栅耦合器(GC)的出射光和来自目标41的反射光由与各像素对应的差分PD接收。
虽然光栅耦合器的输出角度取决于光栅耦合器的设计，但是其相对于TX-PIC 12的PIC基板从垂直方向通常具有约10°的倾斜度。楔形棱镜(WeP)14可以设置在TX-PIC 12上，以便校正垂直方向上的这种倾斜并且使光入射在光学干涉仪块21上。
此外，微透镜阵列(MLA)15可以设置在楔形棱镜14上。如在图3的顶视图中所示，微透镜阵列15是具有与像素数目对应的多个微透镜131的光学元件。微透镜阵列15A和15B根据光栅耦合器的节距布置，使得一个微透镜131覆盖LO GC 111和TX GC 112的像素。从光栅耦合器出射的光通常具有预定的扩展角(例如，20°)，但是由于微透镜阵列15A和15B充当准直器，所以当光进入光学干涉仪块21时，光被转换成平行光(准直光)。
微透镜阵列15C和15D还可设置在RX-IC 13上。这里，微透镜阵列15C和15D起会聚从光学干涉仪块21入射的准直光的作用，并且使其有效地进入下部PD 113和上部PD 114。
在测距装置10中，光学干涉仪块21被附接成横跨TX-PIC 12和RX-IC 13。如图1的横截面图所示，光学干涉仪块21是包括半波片(HWP)211和215、四分之一波片(QWP)214、全反射镜212和217以及偏振分束器213和216的光学块。
光学干涉仪块21内的各光路长度上的轻微偏差(几十纳米)可以影响接收灵敏度。考虑到热膨胀等的影响，优选尽可能小地设计光学干涉仪块21并且缩短光路长度的绝对值。此外，优选尽可能避免由于振动引起的测距装置10内的各元件的配置的位移。
因此，如在图2的俯视图中所示，优选地将TX-PIC 12和RX-IC 13的像素部分布置为彼此靠近，并且以跨越两者的形式固定光学干涉仪块21。为了将每个光学元件牢固地固定在光学干涉仪块21中，优选地，光学干涉仪块21的内部填充有透射发射光的波长的透明光学材料。具体地，如图1的横截面图所示，在光学干涉仪块21中，包括半波片211和215、四分之一波片214、全反射镜212和217以及偏振分束器213和216的多个光学元件之间的间隙22可以填充有光学材料，例如，玻璃或光学塑料。
如图1的横截面图所示，半波片211和215以及四分之一波片214可以被布置为使得入射光束(准直光)垂直入射在其上。全反射镜212和217以及偏振分束器213和216可以相对于入射光束以45°的角度布置。
在图1的截面图中，来自LO GC 111和TX GC 112的出射光在垂直于纸面的方向上偏振，并且光穿过设置在光学干涉仪块21的入射位置处的半波片211，由此光变得相对于纸面水平偏振(水平偏振光)。
从TX GC 112入射在光学干涉仪块21上的光穿过偏振分束器213并且进一步穿过四分之一波片214，其中，将水平偏振光转换成圆偏振光，并且从光学干涉仪块21输出光。
微透镜阵列15E可以进一步设置在光学干涉仪块21上方。微透镜阵列15E将来自准直光的发射光转换为具有预定扩展角的光。已经穿过微透镜阵列15E的发射光经由外部光学系统31被照射到目标41上。
发射光由目标41反射，作为接收光(RX光)通过外部光学系统31，作为会聚光进入微透镜阵列15E，由微透镜阵列15E准直，并且进入光学干涉仪块21。当发射光是圆偏振光时，假设被目标41镜面反射，接收光也将是圆偏振光。因此，接收光通过穿过四分之一波片214被变换为垂直偏振光。
接下来，接收光由偏振分束器213反射并且在图1的纸中行进至右侧，并且与在纸中从左侧进入偏振分束器213的参考光(水平偏振光)同时混合。该混合的光穿过半波片215，然后进入偏振分束器216，以将其分成垂直偏振分量和水平偏振分量。通过使分离的垂直偏振光分量和水平偏振光分量分别进入上部PD 114和下部PD 113，可以提取参考光和接收光之间的差频率作为差分PD的输出。
在测距装置10中，为了实现期望的信号检测，需要将光学干涉仪块21中的半波片211和215以及四分之一波片214的光轴调整为预定倾斜度。例如，参考光和接收光的混合光入射到的半波片215的光轴可以优选地被调整为22.5°的方位角。
外部光学系统31包括望远镜31A和扫描仪31B。望远镜31A是光学系统，其以扩展角重新校准从测距装置10进入的发射光，并且对于每个像素将其偏转至不同的出射角。作为这种光学系统，例如，可以使用跨越十八个像素的单个凸透镜。扫描器31B是至少能够使来自望远镜31A的发射光在与像素排列方向相交的方向上偏转的光学偏转装置。虽然扫描器31B可以使光偏转的方向不受特别限制，但是其通常可以是垂直于像素排列方向的方向。
扫描仪31B可以被配置为机械扫描设备，诸如多边形镜、音圈镜、电流镜、MEMS(微电子机械系统)镜或Rrisley棱镜。可替代地，可以使用所谓的头旋转型扫描仪，其中，被配置为LiDAR模块的测距装置10本身安装在旋转台上以实现机械扫描。可替代地，可以使用使用液晶或衍射光学元件(DOE)的固态扫描仪。
在测距系统1中，2D视场(FoV)通过包括在测距装置10中的像素部分(像素阵列)和包括在外部光学系统31中的扫描器31B的组合来扫描。以这种方式，可以从针对每个点获得的测距信息获得三维空间中的距离点群(3D点云)。
(TX-PIC配置)
图4是示出图1中的TX-PIC 12的布局的第一实施例的示图。在图4的TX-PIC 12中，示出了LO GC 111和TX GC 112中的每一个具有六个像素的布局。
要注意的是，在图4中，由虚线圆表示的logc表示LO GC 111的光束直径，并且由从0到5的编号识别各像素。此外，由虚点圆圈表示的txgc表示TX GC 112的光束直径，并且每个像素由从0到5的编号标识。在图4中，连接每个元件的实线表示光波导151。光波导151通常由硅制成，但是不限于此，并且例如，可以使用氮化硅(Si3N4)等。
在图4中，TX-PIC 12具有啁啾光源141。啁啾光源141是可以随时间线性扫描光学频率的窄线宽激光光源(这被称为啁啾)。
虽然未示出，但是啁啾光源141例如通过包括光学锁相环电路(OPLL)来实现，在该光学锁相环电路中，包括化合物半导体的分布式反馈(DFB)激光器、或分布式布拉格反射器(DBR)激光器、使用光波导的延迟线和光学干涉仪、以及光电二极管被安装在TX-PIC 12上，从而维持光源的窄线宽并且实现高度线性的啁啾。作为光电二极管，例如，可以使用在硅基板上生长锗晶体的Ge-on-Si PD。
啁啾光源141的光输出被输入到分光器142，并且光功率被分配到三个光波导151。接下来，通过半导体光学放大器(SOA)143放大光功率。半导体光学放大器143具有由例如化合物半导体制成的增益区域和电极，并且能够在根据通过电极注入的电流维持光频率(啁啾波形)的同时放大入射光功率。
接下来，光开关144控制各个像素的LO GC 111的发光和消光。如图5的A和B所示，光开关144具有波导结构，该波导结构具有相移器161，并且通过电极161A对波导施加电场或电流来改变光的相位。根据电场或电流的大小，光学开关144可以选择是将开关设置为入射在入端口上的光被引导至导通端口的导通状态，还是将入射在入端口上的光被引导至截止端口的截止状态。
图5的A中所示的方法称为马赫-曾德尔型，图5的B中所示的方法称为微环型，并且可以使用任一种方法。移相器161包括各种类型的移相器，诸如利用加热器的热光效应的TO(Thermo Optic)移相器和利用诸如由于PN结的电场的载流子密度的变化的电光效应的EO(Electro Optic)移相器，并且可以使用任一种方法。
这里，三个光开关144中的每一个被称为sw0、sw1和sw2。例如，当sw0导通时，光被LO分光器145分成三个，并且LO GC 111的logc 0和logc 1发光。三个分支中的一个被引导至调制器146。可以使用强度调制、相位调制等作为可以集成到TX-PIC 12中的光调制，但是在此，作为强度调制的最简单的情况，对开关键控(OOK)描述。
例如，当三个调制器146分别被称为m0、m1和m2时，TX GC 112的txgc0或txgc1根据m0是导通或截止而发光。例如，当txgc0根据代码(0101)发射光时，txgc1根据其互补代码，代码(1010)发射光。
调制器146类似光开关144使用移相器来实现，并且例如可使用图5中所示的结构。但是，由于调制器146需要以比光开关144短的间隔导通和截止并且需要更高的响应速度，所以优选使用EO移相器而不是TO移相器。
此外，通过以多值或模拟方式而不是简单的开/关二进制方式控制相移，可以改变相邻光栅耦合器(GC)之间的光强度分配，诸如10％：90％、20％：80％。
LO GC 111和TX GC 112通过如图6所示的布局来实现。即，LO GC 111和TX GC 112具有通过锥形部分171逐渐加宽波导的宽度并且连接至光栅耦合器172的结构。
光栅耦合器172是具有所谓的光栅结构的光学元件，在光栅结构中，周期性狭缝被设置在波导中，并且在TX-PIC 12的表面的方向上将光从波导发射到空间中。光栅耦合器172可以具有如图6中的A所示的具有弯曲狭缝的结构，或者可以具有如图6中的B所示的直狭缝结构。
在图4中，在LO GC 111和TX GC 112中，与各个像素对应的光栅耦合器被布置为具有三行的偏移。尽管行数不受限制，但是通过以N行(N：2以上的整数)的偏移布置光栅耦合器，从光栅耦合器发射的光束直径(图4中由虚线圆或点划线圆表示的光束直径)与简单的一行布置相比可以扩展到N倍而不彼此重叠。当光束窄时，由于光学衍射极限和光学组件(干涉仪、微透镜阵列等)的非理想性，光束直径趋于变宽。因此，优选以多行的偏移布置它们。
(测距/测速的具体实施例)
接下来，参照图7，将描述在图1的测距装置10中的测距和测速的具体实施例。图7示出了发射光与接收光之间的关系，其中，纵轴为光频率[Hz]，横轴为时间[μsec]。在图7中，三角波L1表示发射光(TX光)或参考光(LO光)，并且三角波L2表示接收光(RX光)。在三角波L1和L2中，发光区间由粗线表示，并且消光区间由虚线表示。此外，三角波L3表示干涉光(干扰源)。
在这个具体实施例中，导通-截止调制用作啁啾内的调制，并且将解释txgc0中的编码发射光(码长4，码(1010))的实施例。在图7中，一个点处的测量间隔Tmod为14μsec，并且光学频率在前一半(0至7μsec)中降低以产生下行啁啾，并且在后一半(7至14μsec)中升高以产生上行啁啾。
例如，在测距装置10中，当待检测的最大目标距离为300m时，测距装置10和目标41之间的光的飞行时间(ToF：飞行时间)最大为2μsec。为了通过使相对于发射光延迟高达2μsec的接收光与从与发射光相同的光源生成的参考光(LO光)干涉来检测差频率(Fbeat)，除了下啁啾和上啁啾的每个周期(7μsec)的最后2μsec以外的5μsec变为发射光的有效期间Tcode。然而，除了不存在消光区间之外，参考光具有与发射光相同的光频率。
这里，如图4所示，TX-PIC 12可以通过使用对于六个像素中的每一个唯一的代码控制调制器146来控制发光图案，调制器146是m0、m1和m2。举具体实施例，使用开关调制(OOK)，其中代长为4，代码0是消光并且代码1是发射，有效期间Tcode被划分成1.25μsec的四个时间间隔，并且发光图案被控制如下：txgc0＝(1010)、txgc1＝(0101)、txgc2＝(1001)、txgc3＝(0110)、txgc4＝(1100)、以及txgc5＝(0011)。
对应于编码的发射光的接收光在光学干涉仪块21(图1)中与参考光混合，穿过RX-IC 13(图1)中的差分PD、TIA 121等，并且通过DSP 123进行光谱分析。此时，通过使用整个啁啾周期作为FFT窗口(Tfft＝7微秒)并且检测频谱的峰值，ToF可以使用每个检测的峰值的频率通过等式(1)和(2)计算。
[数学式1]
[数学式2]
注意，在等式(1)中，fdown表示下啁啾的差频率，fup表示上啁啾的差频率，fbw表示与有效期间Tcode对应的频带宽。此外，R表示从测距系统1(测距装置10)到待测量目标41的距离，并且C表示光速[m/s]。在等式(2)中，v表示测距系统1(范围测量装置10)与目标41之间的相对速度[m/s]，并且λlaser表示光源的中心波长[nm]。fdoppler可以表示为fdoppler＝(v/c)flaser，并且根据这些关系，导出等式(2)中的关系。
基于以此方式计算的ToF和符号，计算接收光的发光区间和消光区间，并且确认在接收光的消光区间中没有检测到峰值频率(光谱强度等于或低于预定值)。如果在接收光的消光区间中还检测到峰值频率，则认为峰值频率是由于由三角波L3表示的干涉光引起的。这里，干涉光是指，例如，从另一个测距装置(另一个LiDAR模块)照射的光，或通过所谓的多路径进入同一测距装置10的其他像素(同一LiDAR模块)的光，其中，来自多个目标的反复地反射来自其他像素的发射光。
通过使用上述调制方法，图4中所示的TX-PIC 12可以在每个测量周期(图7中的Tmod)并行地操作六个像素，并且发射其中每个像素被唯一地编码的传输脉冲序列(TX脉冲序列)。如图4所示，由于光从相邻像素交替地发射以产生互补码，所以六个像素的并行操作所需的半导体光学放大器143、光学开关144以及调制器146的数量均为三个，小于像素的数量。因此，实现了有利于降低成本的结构。
(扩展配置)
图8是示出了图1中的TX-PIC 12的布局的第二实施例的示图。在图8的布局中，与图4的布局相比，LO GC 111和TX GC 112中的像素的数量从六个像素增加至十八个像素，但是半导体光学放大器143的数量保持为与三个相同，并且通过使连接至光学开关144的截止端口的光波导151成环来扩展像素的数量。
例如，通过截止光开关144的sw0和导通sw3，可以使LO GC 111的logc6和logc7以及TX GC 112的txgc6和txgc7发光。
这里，将参考图9至图11描述图8中的TX-PIC 12的发光图案的实施例。要注意的是，在图8中由双向箭头表示的方向D表示外部光学系统31的扫描仪31B的扫描方向。图8中的TX-PIC 12可以在十八个像素中并行地操作多达六个像素。因此，当获得测距装置10的最大视场时，如图9所示，在以纸的右方向作为时间方向的三个周期中，以gc0至gc5、gc6至gc11、以及gc12至gc17的顺序获得十八条扫描线。
另一方面，当将测距装置10的视野集中在中央(例如，在gc4至gc15的范围内)时，如图10所示，以纸的右方向作为时间方向，在按照gc4至gc9和gc10至gc15的顺序的两个周期中获得十二条扫描线。进一步缩小视野，如图11所示，例如在gc6至gc11的范围内，在一个周期内得到六条扫描线。
以这种方式，图8中所示的TX-PIC 12具有光波导151成环的特征布局结构，使得从偶数光栅耦合器开始的六个任意连续的光栅耦合器(GCs)可以并行操作。换言之，即使将视野缩小至某个范围，也能够以更少的周期完成测量，因此与上述专利文献1公开的技术不同，不存在点速率的下降或下降的程度降低。
如上所述，测距装置10包括TX-PIC 12，该TX-PIC 12具有与基于接收光和参考光之间的干涉来进行测距的相干LiDAR方法兼容的功能。TX-PIC 12独立地包括发射光用的TXGC 112和参照光用的LO GC 111，作为对光波导151的内部和外部进行耦合的光耦合器。换言之，为了抑制与其他测距装置(其他LiDAR模块)或测距装置10的其他像素的串扰(干扰)，即使当发射光被编码时，由于参考光是独立的端口，所以参考光也可以在不编码的情况下连续发光。结果，可以使用参考光可靠地检测接收光。此外，在测距装置10中，由于TX-PIC12包括对发射光进行调制的调制器146，所以可以通过对发射光进行编码来采取针对串扰的对策。
在TX-PIC 12中，TX GC 112和LO GC 111的光耦合器中的至少一些可以是光栅耦合器。与边缘耦合器相比，光栅耦合器可布置在TX-PIC 12内的任何位置，并且在布置上具有更高的自由度。因此，光栅耦合器适于实现例如如图8所示的光波导151成环的结构。结果，TX-PIC 12包括其中成行布置的多个光栅耦合器通过螺旋光波导151连接的结构(图8中所示的结构)。利用该环状结构，当从偶数光栅耦合器开始的2n个任意连续光栅耦合器(n：1以上的整数)被并行操作并且视野如图9至11中所示变窄时，可以在几个周期中完成测量，并且可以抑制点速率的降低。
除了TX-PIC 12之外，测距装置10还包括：光学干涉仪块21，其引起接收光和参考光之间的干涉；以及RX-IC 13，其接收干涉后的接收光和参考光。光学干涉仪块21被布置成横跨TX-PIC 12和RX-IC 13。这样的配置有助于测距装置10的小型化和成本降低，并且还使得能够将测量系统的光路长度保持为最小，并且使由于温度变化引起的光路长度的变化引起的检测性能劣化最小化。
光学干涉仪块21具有包括偏振分束器213和216、半波片211和215、以及四分之一波片214的多个光学元件，并且多个光学元件之间的间隙22填充有透射发射光的波长的光学材料。通过使多个像素的光束入射在一组光学元件块上，可以以低成本实现多信道干涉仪。此外，可以避免由于振动等引起的光路长度的变化，并且使检测性能的劣化最小化。
在测距装置10中，微透镜阵列15可至少布置在光学干涉仪块21与TX-PIC 12之间和/或光学干涉仪块21与RX-IC 13之间。通过布置具有对应于像素布置布置的微透镜131的微透镜阵列15，可以并行操作从偶数光栅耦合器开始的2n个任意连续光栅耦合器。诸如楔形棱镜14的光学偏转元件可布置在光学干涉仪块21和TX-PIC 12之间。通过布置光偏转元件，即使光栅耦合器的输出角不是垂直的，输出角也可形成为垂直的，并且光可形成为垂直入射在光学干涉仪块21上。
(系统操作流程)
图12是示出测距系统1的配置实施例的框图。
在图12中，测距系统1包括：测距装置10，其包括TX-PIC 12、RX-IC 13和光学干涉仪块21；外部光学系统31，包括扫描仪31B；以及主机系统100，控制它们。
主机系统100控制测距系统1的每装置的操作。主机系统100设置测距装置10的扫描范围和测量时间间隔。主机系统100还设置扫描器31B的扫描范围和扫描速度。
测距装置10和外部光学系统31基于由主机系统100设置的信息进行操作。如图13所示，通过组合具有以预定配置布置的多个像素(光栅耦合器)的测距装置10和能够在X方向和Y方向的2D方向上扫描的扫描器31B，可以在目标41的照射表面上绘制扫描图案P。
测距装置10基于从通过混合从目标41反射的光的接收光和参考光而获得的混合光获得的接收信号来提取或分析目标信息，并将目标信息输出到主机系统100。主机系统100基于从测距装置10输入的目标信息执行预定处理。
接着，参照图14的流程图说明图12的测距系统1的动作的流程。
在步骤S11中，主机系统100设置扫描范围、测量时间间隔和扫描速度。一旦这些参数被设置，测量就开始。
具体地，主机系统100设置测距装置10的扫描范围和测量时间间隔。作为测距装置10的扫描范围，设定要激活的光栅耦合器(GC)和光电二极管(PD)的编号。
主机系统100还设置扫描器31B的扫描范围和扫描速度。作为扫描器31B的扫描范围，设定X方向和Y方向上的扫描范围。
在步骤S12中，主机系统100基于测量时间间隔设置光源控制电路(未示出)。光源控制电路是安装在测距装置10中的电路，并控制啁啾光源141。光源控制电路控制啁啾光源141，使得图7所示的啁啾相关特性值(Tmod、Tcode、fbw等)变为期望值。
主机系统100根据啁啾光源141的特性等待预定的等待时间过去以便使光源输出稳定，然后使处理从步骤S12前进到步骤S13。
在步骤S13中，主机系统100设置半导体光学放大器143以获得预定的发射光功率。这里，主系统100控制半导体光学放大器143的电流。
在步骤S14中，光学开关144激活与在图9至图11中所示的预定周期对应的像素，并且根据每个信道特有的编码控制调制器146以对发射光进行编码。然后，编码的发射光与参考光一起从TX-PIC 12出射。来自TX-PIC 12的发射光经由光学干涉仪块21等被照射到目标41上。
在步骤S15中，作为从目标41反射的光的接收光和参考光由光学干涉仪块21干涉，并且由RX-IC 13的差分PD接收，并且DSP 123从接收信号中提取(或分析)目标信息。目标信息被输出到主机系统100。
当通过步骤S14和S15的处理完成测距的一个周期时，处理返回到步骤S14，并且通过用光开关144激活与下一个周期相对应的像素，重复通过TX-PIC 12的发射光以及通过RX-IC 13的接收信号和测距。扫描器31B与该循环同步地在由主机系统100设置的视野内进行扫描。
在具有大量信道的多信道相干LiDAR中，需要抑制信道间的串扰(干扰)。在本公开中，提供一种作为多信道相干LiDAR的测距装置10，为了抑制信道间的串扰的目的，该多信道相干LiDAR使用用于每个信道的唯一代码来调制发射光。
在测距装置10中，将光源集成到TX-PIC 12中，以便以低成本实现支持大量信道的光源部。在测距装置10中，光开关也被集成到TX-PIC 12中，用于对发射光进行编码。此外，在测距装置10中，在不编码参考光的情况下连续发射参考光，使得在光学干涉仪块21内将接收光(即，从用编码的发射光照射的目标41反射的光)与参考光可靠地混合。在TX-PIC 12中，为了仅连续地发射参考光，为每个信道独立地设置作为用于发射光的耦合器的TX GC112和作为用于参考光的耦合器的LO GC 111，使得耦合器具有独立的光出射端口。
另一方面，PTL1公开了多信道相干LiDAR，其中，光源配置有光子集成电路(PIC)并且光学干涉仪配置有离散光学元件，但是其具有以下问题。即，第一问题是对串扰的对策不足，第二问题是当扫描范围变窄时点速率降低。
更具体地，在专利文献1中公开的多信道相干LiDAR中，具有相同光学频率的光源被用作用于多信道的发射光的光源。因此，当来自一个信道的发射光被目标反射并且被另一信道接收时，存在错误地检测出实际不存在的目标的风险，导致所谓的信道间干扰(串扰)。因此，针对串扰的对策是不够的。
具体地，车载LiDAR不需要不断地测量LiDAR可以覆盖的整个视野。例如，如果假设PTL 1中公开的多信道相干LiDAR用作能够水平覆盖60°和垂直覆盖30°的视野的用于前方监控的车载LiDAR，则当配备有LiDAR的车辆在平坦、笔直的道路上行驶时，假设车辆仅需要注意视野的中央部分，例如，水平10°和垂直10°。在这种情况下，只有一些信道有效并且点速率将下降。因此，缩小扫描范围将降低点速率。此外，存在在缩小扫描范围时不能有效利用冗余硬件的问题。
<2.变形例>
(调制器的其他实施例)
在以上描述中，为了防止干扰，使用包括开-关调制的强度调制来对发射光进行编码，但是这仅是实施例，并且本发明不限于强度调制。例如，在TX-PIC 12中，可以设置频率调制器或相位调制器来代替执行强度调制的调制器146。即使当使用频率调制器或相位调制器时，通过对每个信道的发射光施加唯一的调制并且不调制参考光，与使用调制器146的情况同样地通过RX-IC 13的信号处理，可以减小信道之间的干扰。
关于频率调制器，例如，使用RF信号来调制输入光频率的光单边带(SSB)调制器可用作可在TX-PIC 12中实现的实施例。相位调制器可通过直接使用描述为执行强度调制的调制器146的一部分的移相器161(图5)来实现。如上所述，T0移相器或E0移相器可以用作移相器161。
可替代地，在TX-PIC 12中，可以使用多种调制方法的组合(例如，强度调制和相位调制的组合)来编码发射光，并且可以通过RX-IC 13中的信号处理来类似地去除干扰。
(像素阵列的其他实施例)
在以上描述中，TX-PIC 12的LO GC 111和TX GC 112和RX-IC 13的下部PD 113和上部PD 114均被布置为具有三行的偏移，但是可以使用其他像素布置。图15至图17示出应用了本公开的测距系统的其他配置实施例。图15是示出应用了本公开的测距装置10的另一配置实施例的截面图。图16是示出图15的测距装置10的配置实施例的顶视图。图17是示出图15的微透镜阵列19的配置实施例的顶视图。
在图15中，与图1中的测距装置10相比，测距装置10具有TX-PIC 16和RX-IC 17，代替TX-PIC 12和RX-IC 13。此外，设置微透镜阵列19A至19E代替微透镜阵列15A至15E。
与TX-PIC 12一样，TX-PIC 16具有18个LO GC 111和18个TX GC 112，但是如图16的俯视图中所示，LO GC 111和TX GC 112均布置成一行。与RX-IC 13一样，RX-IC 17具有18个下部PD 113和18个上部PD 114，但是如图16的俯视图中所示，下部PD 113和上部PD 114均布置成一行。
也就是说，与作为TX-PIC 16的各个像素布置成一行的LO GC 111和TX GC 112分别相同的Y坐标上，可以布置作为RX-IC 17的各个像素布置成一行的下部PD 113和上部PD114。这允许从光栅耦合器(GC)发射的光和从目标41反射的光由对应于每个像素的差分PD接收。
在微透镜阵列19A至19E中，如在图17的俯视图中所示，对应于TX-PIC 16和RX-IC17的各个像素，十八个微透镜131布置成一行。
此外，在图1和图15的截面图中，示出了TX-PIC 12和RX-IC 13以及TX-PIC 16和RX-IC 17被配置为单独的芯片的实施例。然而，TX-PIC和RX-IC不必是单独的芯片，并且可以形成在同一半导体基板上。
(光学干涉仪的其他实施例)
尽管在图1的截面图中示出的配置被示出为光学干涉仪块21的配置，但是配置不限于此，并且可以使用可以实现类似检测的其他配置。例如，即使当在图1的截面图中，布置在两个偏振分束器213和216之间的半波片215(方位角22.5°)被四分之一波片(方位角45°)替换时，也可以实现类似的干涉仪。此外，关于偏振分束器213和216，代替在图1的截面图中示出的透射水平偏振光和反射垂直偏振光的类型，可以使用以约20°的分离角分离两种偏振光的所谓的沃拉斯顿棱镜等。
要注意的是，本公开的实施方式不限于所描述的实施方式，并且在不背离本公开的要旨的情况下，可以各种方式进行修改。此处描述的有利效果仅是示例性的并且不是限制性的，并且可以展示其他有利效果。
在本说明书中，系统是多个组成元件(装置、模块(部件)等)的集合，并且所有组成元件是否在同一壳体中无关紧要。因此，容纳在分开的壳体中并且通过网络连接的多个装置和多个模块容纳在一个壳体中的单个装置均构成系统。注意，在本说明书中，“2D”表示二维，“3D”表示三维。
本公开还可配置如下。
(1)
一种测距装置，包括：
光子集成电路，具有与相干LiDAR方法兼容的功能，所述相干LiDAR方法基于接收光与参考光之间的干涉进行测距，所述接收光是照射在目标上的发射光的反射光，其中，
所述光子集成电路独立地包括用于所述发射光的第一耦合器和用于所述参考光的第二耦合器，作为耦合光波导内部和外部的光耦合器。
(2)
根据(1)所述的测距装置，其中，
该光子集成电路进一步包括对该发射光进行调制的转换器。
(3)
根据(1)或(2)所述的测距装置，其中，
所述第一耦合器和所述第二耦合器中至少部分光耦合器为光栅耦合器。
(4)
根据(3)所述的测距装置，其中，
所述光子集成电路包括将排列成一行的多个光栅耦合器通过螺旋状的光波导连接而成的结构。
(5)
根据(1)至(4)中任一项所述的测距装置，进一步包括：
光学干涉仪块，引起所述接收光与所述参考光之间的干涉；以及
接收电路，接收干涉后的接收光和参考光。
(6)
根据(5)所述的测距装置，其中，
所述光学干涉仪块被布置成横跨所述光子集成电路和所述接收电路。
(7)
根据(5)或(6)所述的测距装置，其中，
所述光学干涉仪块具有包括偏振分束器和波片的多个光学元件。
(8)
根据(7)所述的测距装置，其中，
所述光学干涉仪块中的所述多个光学元件之间的间隙填充有透射所述发射光的波长的光学材料。
(9)
根据(5)至(8)中任一项所述的测距装置，其中，
在所述光学干涉仪块与所述光子集成电路之间和/或所述光学干涉仪块与所述接收电路之间至少布置有微透镜阵列。
(10)
根据(5)至(9)中的任一项所述的测距装置，其中，
在所述光学干涉仪块与所述光子集成电路之间布置有光学偏转元件。
(11)
根据(5)至(10)中任一项所述的测距装置，其中，
所述接收电路基于从所述干扰后的接收光和参考光获得的接收信号提取关于所述目标的目标信息。
(12)
一种测距系统，包括：
测距装置，包括光子集成电路，所述光子集成电路具有与相干LiDAR方法兼容的功能，所述相干LiDAR方法基于接收光与参考光之间的干涉进行测距，所述接收光是照射在目标上的发射光的反射光；以及
外部光学系统，包括：望远镜，针对每个像素将所述发射光偏转至不同的发射角；以及扫描仪，能够使来自所述望远镜的所述发射光至少在与像素的布置方向交叉的方向上偏转，其中
所述光子集成电路独立地包括用于所述发射光的第一耦合器和用于所述参考光的第二耦合器，作为耦合光波导内部和外部的光耦合器。
[符号说明]
1 测距系统 10 测距装置 11 封装基板 12 TX-PIC 13 RX-IC
14 楔形棱镜 15、15A至15E 微透镜阵列 16 TX-PIC 17 RX-IC
19、19A至19E 微透镜阵列 21 光学干涉仪块 22 间隙
31 外部光学系统 31A 望远镜 31B 扫描仪 41 目标
100 主机系统 111 LO GC 112 TX GC 113 下部PD
114 上部PD 121 TIA 122 ADC 123 DSP 131 微透镜
141 啁啾光源 142 分光器 143 半导体光学放大器 144 光开关
145 LO分光器 146 调制器 161 移相器 161A 电极
171 锥形部分 172 光栅耦合器 211 半波片 212 全反射镜
213 偏振分束器 214 四分之一波片 215 半波片
216 偏振分束器 217 全反射镜。

Claims (12)

1.一种测距装置，包括：
光子集成电路，具有与相干LiDAR方法兼容的功能，所述相干LiDAR方法基于接收光与参考光之间的干涉进行测距，所述接收光是照射在目标上的发射光的反射光，其中，
所述光子集成电路独立地包括用于所述发射光的第一耦合器和用于所述参考光的第二耦合器，作为耦合光波导的内部和外部的光耦合器。
2.根据权利要求1所述的测距装置，其中，
所述光子集成电路进一步包括对所述发射光进行调制的转换器。
3.根据权利要求1所述的测距装置，其中，
所述第一耦合器和所述第二耦合器中至少部分光耦合器为光栅耦合器。
4.根据权利要求3所述的测距装置，其中，
所述光子集成电路包括将排列成一行的多个光栅耦合器通过螺旋状的光波导连接而成的结构。
5.根据权利要求1所述的测距装置，进一步包括：
光学干涉仪块，引起所述接收光与所述参考光之间的干涉；以及
接收电路，接收干涉后的接收光和参考光。
6.根据权利要求5所述的测距装置，其中，
所述光学干涉仪块被布置成横跨所述光子集成电路和所述接收电路。
7.根据权利要求5所述的测距装置，其中，
所述光学干涉仪块具有包括偏振分束器和波片的多个光学元件。
8.根据权利要求7所述的测距装置，其中，
所述光学干涉仪块中的所述多个光学元件之间的间隙填充有透射所述发射光的波长的光学材料。
9.根据权利要求6所述的测距装置，其中，
在所述光学干涉仪块与所述光子集成电路之间和/或所述光学干涉仪块与所述接收电路之间至少布置有微透镜阵列。
10.根据权利要求6所述的测距装置，其中，
在所述光学干涉仪块与所述光子集成电路之间布置有光学偏转元件。
11.根据权利要求5所述的测距装置，其中，
所述接收电路基于从所述干涉后的接收光和参考光获得的接收信号提取关于所述目标的目标信息。
12.一种测距系统，包括：
测距装置，包括光子集成电路，所述光子集成电路具有与相干LiDAR方法兼容的功能，所述相干LiDAR方法基于接收光与参考光之间的干涉进行测距，所述接收光是照射在目标上的发射光的反射光；以及
外部光学系统，包括：望远镜，针对每个像素将发射光偏转至不同的发射角；以及扫描仪，能够使来自所述望远镜的所述发射光至少在与像素的布置方向交叉的方向上偏转，其中，
所述光子集成电路独立地包括用于所述发射光的第一耦合器和用于所述参考光的第二耦合器，作为耦合光波导的内部和外部的光耦合器。
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