TW202242447A - 光學晶片、光學成像裝置、光學陣列、快速光學成像器、高解析度光學成像器、即時影像掃描之方法以及追蹤影像演變之方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供的裝置基於不使用任何機械移動部件之掃描使用雷射光來執行成像以獲得在視場上之掃描。光學晶片包含一列可選擇的發射元件，該列可選擇的發射元件包含：一列饋送光學波導；多個可選擇的電性致動固態光學開關；畫素光學波導，與各該光學開關相關聯，被配置成接收經切換之光學訊號；及固態第一垂直耦合器，與該畫素波導相關聯，被配置成將該光學訊號導出該光學晶片之平面。光學晶片可與電子電路板連接以控制光學晶片之操作。透鏡可被定位成沿特定方向對來自選定畫素之光進行導向，使畫素陣列上之掃描覆蓋該視場之期望部分。

Description

光學晶片、光學成像裝置、光學陣列、快速光學成像器、高解析度光學成像器、即時影像掃描之方法以及追蹤影像演變之方法

本發明係關於高效光學開關，該等高效光學開關利用對所提供視圖之掃描提供對一視場之雷射成像，該等高效光學開關在無任何機械運動之情況下藉由在一畫素陣列上之光學開關進行掃描，該等光學開關接收來自一特定角度之光並將其導向至保持該畫素陣列之一光學晶片。本發明還關於提供此種功能之組件以及使用同調（coherent）頻率調變之連續波雷射與相應偵測來獲得位置及速度資訊以實現無運動成像之方法。

分析及理解三維（three dimensional；3D）環境（3D感知）之能力為機器人應用（例如自主車輛、無人機（unmanned aerial vehicles；UAV）、工業機器人等）成功之關鍵。在行動環境中，3D感知需要準確且可靠之物件分類及追蹤，以理解物件之當前位置並預測其下一個可能的移動。請參Cho等人在2014年5月31日至6月7日在中國香港所召開的「 IEEE International Conference on Robotics & Automation (ICRA)」會議所發表的「A Multi-Sensor Fusion System for Moving Object Detection and Tracking in Urban Driving Environments」一文。在例如自動駕駛汽車／UAV等應用中，系統可能需要即時辨識及追蹤許多物件。因此，區分動態物件與靜態物件之能力可使處理任務具優先順序，以辨識及聚焦感興趣區域（regions of interest；ROI ），藉此實現更快的反應時間。光達（light detection and ranging；LIDAR）正在成為成像環境中之重要工具。請參美國專利公開案第2016/0274589號，其為Templeton等人所提出的「具有特別關注區之寬視野光達（Wide-View LIDAR With Areas of Special Attention）」，其內容被併入本案說明書中以供參考。

本揭露之一目的在於介紹一種方法，在該方法中，可使用單一LIDAR影像框將快速移動之物件及其軌跡標記為感興趣區域（ROI）。此ROI資訊接著被以機器視覺演算法處理以達成更準確的物件分類及追蹤。與當前之動態ROI辨識方法不同，在本申請案中所描述之方法不需要使用大量的影像框來辨識快速移動物件及其軌跡之ROI；取決於視場（field of view；FOV）中物件之相對速度，單一影像框可能便足以辨識對應於物件、其速度及軌跡之ROI。多訊框方法已描述於Rogan於2015年8月18日所獲證之發明名稱為「基於光達之物件移動分類（Lidar Based Classification of Object Movement）」之美國專利US 9,110,163 B2、Vallespi-Gonzales於2017年6月6日所獲證之發明名稱為「自動車輛之物件偵測（Object Detection for and Autonomous Vehicle）」之美國專利US 9,672,446　B1及Rogan之發明名稱為「基於光達之物件移動分類（LIDAR-Based Classification of Object Movement）」之美國專利公開案第US 2016/0162742號，所述三篇專利文獻皆併入本案說明書以供參考。

本揭露之另一目的係描述一種積體電路，該積體電路藉由利用在光子積體電路上實施之同調光達架構來實現上述ROI處理。在此文獻中描述之Lidar IC能夠基於焦平面陣列垂直發射體且以簡單的導通-關斷（ON-OFF）控制來進行2D波束轉向，因此能夠避免基於光學相位陣列之波束轉向的複雜類比控制（complex analog controls），包含抑制平均波束之旁波瓣（side lobe）及具有大的遠場波束大小等問題。

在一第一態樣中，本發明係關於一種光學晶片，該光學晶片包含一列可選擇的發射元件。該列可選擇的發射元件包含：一列饋送光學波導；複數個可選擇的電性致動固態光學開關；一畫素光學波導，與各該光學開關相關聯，被配置成接收經切換之光學訊號；以及一固態第一垂直耦合器，與該畫素波導相關聯。該固態第一垂直耦合器被配置成將該光學訊號導出該光學晶片之平面。

在一些實施例中，該光學晶片可包含附加的一列或複數列可選擇的發射元件，附加的各列可選擇的發射元件包含：一列饋送光學波導；複數個可選擇的電性致動固態光學開關，與該列饋送光學波導相關聯；一畫素光學波導，與各該光學開關相關聯；以及一機械固定的固態垂直轉向鏡，與目標波導相關聯。對於附加的該複數列可選擇的發射元件，該畫素光學波導可被配置成接收該經切換之光學訊號，且該垂直轉向鏡可被配置成將該光學訊號導出該光學晶片之平面。在一些實施例中，該光學晶片可包含一饋送光學波導、複數個列開關，以沿一列饋送光學波導對一光學訊號進行導向。在一些實施例中，該光學晶片可包含多個埠，其中各該埠被配置成向一列提供輸入。

在一些實施例中，每一畫素可包含被配置成接收來自該第一垂直耦合器之光之一平衡偵測器。在一些實施例中，每一畫素可包含一固態第二垂直耦合器及被配置成接收來自該第二垂直耦合器之光之一平衡偵測器。在一些實施例中，每一畫素可包含連接至該畫素光學波導並連接至一定向耦合器之一光學分接器。該定向耦合器可進一步連接至一接收器波導，該接收器波導光學耦合至一光學分離器／耦合器，該光學分離器／耦合器光學耦合至該第一垂直耦合器或光學耦合至該第二垂直耦合器。該平衡偵測器可包含二個光學偵測器，該二個光學偵測器分別光學連接至來自該定向耦合器之二個輸出波導。

在一些實施例中，該晶片可包含一平衡偵測器及一定向耦合器。該定向耦合器可被配置成接收來自一第二垂直耦合器及來自該列輸入波導之光。該平衡偵測器可包含二個光感測器，該二個光感測器被配置成接收來自該定向耦合器之對應臂（respective arms）之輸出。該平衡偵測器可位於與一可選擇的光學畫素分離之一接收器畫素內。

在一些實施例中，該可選擇的光學畫素可更包含連接至該畫素波導之一光學分接器以及被配置成接收來自該光學分接器之光之一監測光感測器。在一些實施例中，該可選擇的光學開關可包含具有熱-光學加熱器之一環形耦合器。在一些實施例中，該第一垂直耦合器可包含一垂直耦合器陣列。在一些實施例中，該第一垂直耦合器可包含具有一轉向鏡之一凹槽。在一些實施例中，該光學晶片具有以矽覆絕緣體形式形成之矽光子光學結構。在一些實施例中，該光學晶片具有包含

之平面光波電路結構，

。

在又一態樣中，本發明係關於一種光學成像裝置，該光學成像裝置包含一光學晶片及一透鏡。該透鏡之位置決定來自一可選擇的發射元件之光之一傳輸角度。在一些實施例中，該透鏡覆蓋該等畫素全部，與該光學晶片光發射表面大約間隔一焦距，且在一視場中對來自該等可選擇的發射元件之光以各自的角度進行導向。在一些實施例中，該透鏡可包含與一個可選擇的發射元件相關聯之一微透鏡。該透鏡可更包含多個附加微透鏡，且各該附加微透鏡與一單獨的可選擇的發射元件相關聯。

在一些實施例中，該光學成像裝置可包含電性連接至該光學晶片之一電子電路板。該電子電路板可包含多個電性開關，該等電性開關被配置成選擇性地導通該等可選擇的光學開關。在一些實施例中，一控制器被連接以操作該電子電路板。該控制器可包含一處理器及一電源。在一些實施例中，每一畫素可包含連接至該畫素光學波導並連接至一定向耦合器之一光學分接器。該定向耦合器可連接至一接收器波導，該接收器波導光學耦合至一光學分離器／耦合器，該光學分離器／耦合器光學耦合至該第一垂直耦合器或光學耦合至該第二垂直耦合器。該平衡偵測器可包含二個光學偵測器，該二個光學偵測器分別（respective）光學連接至來自該定向耦合器之二個輸出波導。該平衡偵測器可電性連接至該電子電路板。在一些實施例中，該光學成像裝置可包含與該光學晶片相鄰之一光學偵測器。該光學偵測器可包含光學連接至一垂直耦合器之一定向耦合器以及一平衡偵測器。該平衡偵測器可包含分別耦合至該定向耦合器之一輸出分支之二個光感測器。該垂直耦合器可被配置成接收來自該光學晶片並到達來自一本地振盪器之一光源之反射光。

在其他態樣中，本發明係關於一種用於傳輸光學連續波傳輸之一全景之光學陣列，該光學陣列包含：一二維陣列的可選擇的光學畫素；一或多個連續波雷射，向該二維陣列中提供輸入；以及一透鏡系統。該透鏡系統可包含尺寸係覆蓋該二維陣列的可選擇的光學畫素之一單一透鏡，或者與該等可選擇的光學畫素對齊之一陣列的透鏡。該透鏡或該等透鏡可被配置成沿與其他畫素之角度不同之一角度對來自該等可選擇的光學畫素之光學傳輸進行導向，使得該陣列的畫素共同覆蓋該視場之一選定的立體角。在一些實施例中，該二維陣列至少為3畫素乘3畫素，且其中該二維陣列的光學畫素位於單一光學晶片上。

在一些實施例中，該光學陣列可包含至少一個附加的二維陣列的光學畫素，附加的二維陣列佈置在一單獨的光學晶片上，並配置有一透鏡系統，使得每一光學晶片覆蓋該視場之一部分。在一些實施例中，各該可選擇的光學畫素可包含具有一電性連接之一光學開關，使得一電路藉由從該電性連接傳遞至該畫素之功率狀態之一變化來選擇該畫素。在一些實施例中，該光學開關可包含一環共振器，該環共振器具有連接至該電性連接之一熱-光學組件或電-光學組件。在一些實施例中，該可選擇的光學畫素可包含一第一垂直耦合器，該第一垂直耦合器係為一V形凹槽反射器或一光柵耦合器。在一些實施例中，該可選擇的光學畫素可包含連接至該畫素波導之一光學分接器以及被配置成接收來自該光學分接器之光之一監測光感測器。在一些實施例中，該可選擇的光學畫素可包含一平衡偵測器及一定向耦合器，該定向耦合器被配置成接收來自該第一垂直耦合器或來自一第二垂直耦合器之光，並接收來自該列輸入波導之光之一部分。該平衡偵測器可包含二個光感測器，該二個光感測器被配置成接收來自該定向耦合器之對應臂（respective arms）之輸出。

在又一態樣中，本發明係關於一種包含複數個光學陣列之快速光學成像器，其中該等光學陣列被定向成在交錯的時間對同一視場進行成像，以提高整體訊框速度。在一些實施例中，該等光學陣列係為4至16個光學陣列。該等光學陣列可光學連接至1至16個雷射。該等光學陣列可電性連接至一控制器，該控制器選擇用於傳輸之畫素。在其他態樣中，本發明係關於一種包含複數個光學陣列之高解析度光學成像器，其中該等光學陣列被定向為對一選定視場之交錯重疊部分進行成像，且一控制器電性連接至該等光學陣列，其中該控制器選擇用於傳輸之畫素，並基於自該等光學陣列接收之影像組合一完整影像。

在其他態樣中，本發明係關於一種包含一發光畫素之光學晶片，該發光畫素包含：一輸入波導；一畫素波導；一可致動固態光學開關；一第一分離器，光學連接至該畫素波導；一固態垂直耦合器；以及一透鏡。該可致動固態光學開關可包含一電性調諧元件，以用於將選定光學訊號自該輸入波導切換至該畫素波導中。該固態垂直耦合器可被配置成接收來自該分離器之一個分支之輸出。該透鏡可被配置成以相對於該光學晶片之一平面之一特定角度對自該垂直耦合器輸出之光進行導向。

在一些實施例中，該光學晶片包含一第一光學偵測器，該第一光學偵測器被配置成接收來自該第一分離器之另一分支之輸出，其中該第一分離器係為一分接器，且其中該第一光學偵測器監測被導向該轉向鏡之一光學訊號之存在。在一些實施例中，該光學晶片更包含一第二分離器、一差分耦合器及一平衡偵測器。該第二分離器配置於該第一分離器與該轉向鏡之間。該差分耦合器被配置成組合光學訊號以獲得來自該第一分離器之一差頻訊號及來自該第二分離器之一接收光學訊號。該平衡偵測器包含一第一光感測器及一第二光感測器，其中該第一光感測器及該第二光感測器自該差分耦合器之交替分支接收光學訊號。

此外，本發明係關於一種用於在無機械運動之情形下在一視場上進行即時影像掃描之方法，該方法包含：使用在選定時間導通之一陣列中之複數個畫素，並以經同調頻率調變之連續波雷射光進行掃描，以在該影像中之一個網格點提供一量測，其中以近似獨立於來自該影像點中其他網格之反射光的方式對反射光進行採樣；以及利用該影像中物件之位置及徑向速度之資訊填充一虛擬四維影像之體素（voxels）。

在一些實施例中，該等畫素可包含光學開關，該等光學開關可被選擇性地導通以沿該開關特定之一角度投射光。在一些實施例中，使用該畫素中之一平衡偵測器，或者使用與一列可選擇的畫素相關聯之一平衡偵測器，或者與該陣列的畫素相鄰之一偵測器來執行對反射光之偵測。在一些實施例中，複數個陣列的畫素被佈置成對該視場之重疊的間隔開之部分進行掃描。在一些實施例中，用於掃描畫素之複數個陣列被定向成對該同一視場進行掃描，以提高訊框速率。在一些實施例中，利用一雷射波長執行該掃描。在一些實施例中，利用複數個雷射波長執行該掃描。在一些實施例中，多普勒頻移（Doppler shift）被用來確定該影像中每一點之相對速度，其中相對速度及位置被用來對與一物件相關聯之體素進行分組，且其中經分組之該等體素被來確定該物件速度。

在其他態樣中，本發明係關於一種使用一同調（coherent）光學發射器／接收器追蹤一視場中影像演變之方法，該方法包含：使用一同調連續波雷射光學陣列沿一視場量測四維（位置加上徑向速度）；基於對一移動物件之辨識，將該視場之一部分確定為一感興趣區域；藉由對該光學陣列中指向該感興趣區域之畫素進行定址來提供指向該感興趣區域之後續量測；以及基於該等後續量測獲得該影像之時間演變。

在一些實施例中，該光學陣列可包含具有可選擇的光學開關之畫素，該等可選擇的光學開關用於導通一畫素，以沿該視場中該畫素特定之一角度發光。在一些實施例中，使用該畫素中之一平衡偵測器，或使用與一列可選擇的畫素相關聯之一平衡偵測器，或鄰近該陣列的畫素之一偵測器來執行對反射光之偵測。在一些實施例中，複數個陣列的畫素被佈置成對該視場之重疊的間隔開之部分進行掃描及／或被定向成對該同一視場進行掃描，以增加訊框速率。在一些實施例中，藉由使用具有角發射（angular emission）之畫素執行一掃描來執行提供後續量測，該角發射使該等畫素覆蓋該視場中之該等感興趣區域。在一些實施例中，該方法可包含執行該全視場之附加掃描，並穿插提供後續量測。

光學陣列在一光學晶片上配置有複數個可定址的畫素，其中該等畫素被配置成自表面向外發射光，其中透鏡被佈置成將所發射之光沿一特定角度導向至表面，使得陣列可覆蓋視場中之一特定立體角。該系統使用連續波雷射光源來執行同調的（coherent）頻率調變之連續波（FMCW）操作。所發射之光由一同調、連續之雷射產生，該雷射沿一光學晶片輸出至波導中，該光學晶片具有高效的電子可定址光學開關，以將雷射光導向至一選定畫素。一光學晶片可包含具有高效開關（例如，可調諧環共振器）之一列畫素以及將光學訊號導向至一波束轉向元件之一畫素波導，該畫素波導通常藉由一透鏡對來自光學晶片之表面之光學訊號進行導向。各種適當配置可用於偵測器。一畫素可包含各種分離器及組合器，以分接光學訊號作為偵測之參考。畫素可類似地配置有光學偵測器，以充當具有分離孔徑（二個波束轉向元件）或一共用孔徑（單一波束轉向元件）之一接收器，且一畫素中之二個光學偵測器可作為連接至一定向耦合器之平衡偵測器進行操作，該定向耦合器之輸入連接至波束分離器，使得定向耦合器之一臂具有接收的光學訊號，且定向耦合器之另一臂具有自光學輸入分離出來之參考訊號。在替代實施例中，具有平衡偵測器之一個接收器可用於一列發射畫素，且在另一些實施例中，一接收器可與執行波束轉向功能之一光學晶片分離。複數個陣列的發射器可提供更寬的視場範圍及／或更高的訊框速率。可設計高效率且符合成本效益之成像系統以在光達系統中提供有效益的應用。

光學雷射陣列為影像生成及接收提供動力，其可產生具有關於視場中物件之位置及徑向速度之資訊之大量四維資料雲。追蹤物件之當前位置及預測未來位置之能力為光達之一重要目標，其可實現更好的自動駕駛車輛。在本文中描述之進步係基於使用一個或複數個雷射與相應光學器之訊號產生，以在不具有一基於移動之掃描功能之情形下在一寬視場上提供投射及接收。為沿適當輸出方向有效地輸出來自雷射陣列之發射，一低損耗光學開關陣列提供期望的角度解析度。使用有效的開關功能來沿選定的列及行路徑對光學訊號進行導向。個別畫素執行發送及接收功能，以獲得對於四維（four-dimensional；4D）影像之構建有用之特定方向之資料。一處理器協調影像產生及影像處理。

傳統成像可包含一掃描功能，在其中光發射及／或接收元件被機械移動以對一場景進行掃描。為減少移動較大元件之負擔，可配置反射鏡來對所發射及接收的波束進行轉向。在不移動部件之情況下進行固態波束轉向可藉由避免機械運動對波束進行導向而大幅度地促進掃描功能。更概括而言，現今光達裝置中使用之掃描技術為光學器件之機械運動或者基於光學相控陣列（optical phased array）的技術。機械掃描係藉由光學總成之旋轉或藉由類似反射鏡之反射器（即，微機電系統（micro-electromechanical system；MEMS））來達成。基於旋轉之技術通常被認為體積大、壽命較短且製造成本高。基於MEMS之掃描儀則面臨小的FOV、較低的訊框速率以及對機械衝擊及振動高靈敏等困境。基於光學相位陣列之波束掃描依賴於大量緊密間隔之光學元件及對每一元件之精確控制來對具有低旁波瓣之波束進行導向。

在一FMCW系統中，雷射頻率在具有一最大線性調頻頻寬B之頻率中進行線性調頻，且雷射輸出發送至目標（Tx訊號）。來自目標之反射光與Tx訊號（本地振盪器）之副本在一平衡偵測器對（balanced detector pair）中混合。此將差頻訊號向下轉換。差頻訊號之頻率代表目標距離及其徑向速度。當用一三角波形對雷射頻率進行調變時，可計算徑向速度及距離，如以下進一步描述。此可藉由關於掃描視場以構建影像之各種方式來實施。此在本文中之系統中基於一固態波束轉向畫素陣列來執行，該固態波束轉向畫素陣列具有適當的光學器件以將所傳輸的光導向至視場上之一網格，且具有執行切換功能之固態光學開關。在本文論述之上下文中，靜止（stationary）是指特定光達組件（例如，一光學晶片）之參考架構，以致其排除由移動而實行之組件，例如相對於光達組件並非靜止之MEMS開關或機械掃描成像組件，並且光學掃描裝置不使用內部運動來進行切換。靜止開關有時亦被稱為「固態光學開關」。如在本文中所使用之固態及靜止兩者是指在光學掃描裝置中無內部運動且光學元件相對於光達裝置無掃描運動。因此，光學開關及畫素陣列為固態的，此反映了組件及其功能之非移動部件態樣。當然，整個光達裝置可為一車輛之一部分，使得整個光達系統可移動，但在本文中，除非明確提及，否則不明確考量此議題。

相對於倚賴相鄰波束之相位變化之技術，在本文中描述之基於畫素之波束轉向允許使用較便宜之雷射以藉由波束干涉提供一轉向功能。基於畫素之波束轉向倚賴於創造具有低串擾之有效光學開關之能力，且光學開關沿低損耗波導整合在一光學晶片上。一接收器可整合至晶片中，以提供一緊湊的發射器／接收器陣列。光學晶片上之開關的控制可採用一電子晶片（例如：一CMOS積體晶片）來執行，該電子晶片可藉由適當的對齊焊接與光學晶片進行結合。此種易於擴展之架構可提供高解析度及高訊框速率。

同調光達（基於FMCW之光達）可在單次量測中提供深度及徑向速度資訊。速度資訊係由返回訊號（return signal）之光學頻率之多普勒頻移獲得的。在潛在的同調光達配置中，雷射之光學頻率可如第1A圖所示被調變成一三角形式。參照第1A圖，其描繪一FMCW同調LIDAR配置，用於一單一畫素輸出與返回的一反射訊號。第1B圖示出發射的光學訊號及接收的光學訊號作為時間以及基於該二個訊號獲得之IF頻率之函數之曲線圖。

一雷射100（例如，一窄線寬雷射）發射一光學訊號101，該光學訊號101可由雷射直接調變，或者該訊號可藉由外部調變器103達成。經調變的訊號穿過一透鏡105並反射離開目標107。目標107位於距透鏡105一特定距離或範圍109處。若目標正在移動，則其亦將具有一速度111及軌跡119。一延時光學反射訊號113經由透鏡105返回，在透鏡105處，該延時光學反射訊號113被導向至一混合器115，混合器115可為能將接收的訊號與自光學輸入分離之一參考訊號LO混合之一定向耦合器。

雷射光之頻率調變可藉由一外部調變器或雷射之直接調變來達成。將雷射輸出（本地振盪器）與自目標反射之延時光學場混合會產生一時變中頻（intermediate frequency；IF），如第1B圖所示。IF頻率係為範圍、頻率調變頻寬及調變週期之函數。對於一移動目標之情形，一多普勒頻移將被疊加至IF（顯示為波形斜升中之頻率變化以及斜降期間之下降）。應注意，多普勒頻移係為目標速度及軌跡之函數。

參照第1B圖，將參考光學訊號101與來自目標107之延時光學反射訊號113混合會產生一時變中頻（IF）117。IF頻率係為範圍、頻率調變頻寬及調變週期之函數。對於一移動目標107之情形，一多普勒頻移被疊加至IF（顯示為波形斜升中之頻率變化以及斜降期間之下降）。應注意，多普勒頻移係為目標速度111及軌跡119之函數。以下進一步闡釋自該等值中擷取位置及速度。

第2A圖及第2B圖示出實例性的光達影像之一實例性俯視圖，其示出以不同速度運動之4輛汽車及3名行人。在由一傳統光達系統產生之第2A圖中，畫素被著色以示出由傳統飛行時間光達感測器量測之距離。第2B圖示出由本案提議的光達系統捕獲之相同影像，該系統提供一三維影像加上每一體素的徑向速度資料。在第2B圖中，體素顏色示出每一畫素之速度（為清楚起見，未示出距離）。人類大腦容易從該等圖片辨識不同物件，但對於無先驗知識之電腦演算法而言該等圖片則難以理解。在第2B圖之情形中，一電腦演算法可被簡化為使用速度資料來辨識一物件之一畫素群集（pixel cluster）。在此種情形中，可組合空間群集及基於速度之群集二者來提供改善的分割，而無需使用多個訊框。

對於機器視覺應用，物件分類牽涉影像分割，在其中一或多個三維影像框中之體素（體積畫素）藉由在此項技術中描述之方法被辨識為相關體素之群集。請參考例如：Himmelsbach等人2008年在「 Proceedings of 1st International national Workshop on Cognition for Technical Systems」所發表的「基於光達之三維物件感知（LIDAR-based 3D Object Perception）」、Borcs等人在2013年12月2日至5日在匈牙利布達佩斯所召開的「 4th IEEE International Conference on Cognitive Infocommunications, CogInfoCom 2013」所發表的「動態城市場景中之機載三維物件感知（On board 3D Object Perception in Dynamic Urban Scenes）」以及Remebida等人在「 Intelligent Transportation Systems Conference, ITSC 2007」中所發表之「基於光達及視覺之行人及車輛偵測及追蹤方法（A Lidar and Vision-based Approach for Pedestrian and Vehicle Detection and Tracking）」，所述三者的內容皆併入本案說明書中以供參考。該等方法使用體素間之距離之相關性來建立一群集以分割三維影像框。該等方法中絕大多數對模型參數的選擇及影像中點之密度極為敏感。在一些方法中，需要進行訓練，參見Delp所獲證之發明名稱為「對三維感測器所偵測到之物件進行分類以用於對自動駕駛車輛操作（Classifying objects detected by 3D sensors for autonomous vehicle operation）」之美國專利9,576,185 B1，該美國專利併入本案說明書以供參考。在大多數情形中，單一影像框可能不足以正確地辨識出對應於一物件之一體素群集。在該等情形中，演算法使用多訊框影像來改善分割。特別是對於物件速度及軌跡而言，在目前演算法中需要進行多訊框影像處理。有關影像分割之進一步論述，參見Douillard等人在2011年在中國上海所召開的「 IEEE International Conference on Robotics and Automation ； ICRA」所發表的「關於三維光達點之分割（On the segmentation of 3D Lidar point）」。

在所有該等感測器中，光達在三維感知中扮演一越來越重要的角色，因其解析度及視場超過雷達及超音波感測器。一般而言，光達系統可為脈衝、相位編碼或頻率調變連續波（FMCW）的雷射。脈衝光達藉由以雷射脈衝（峰值功率約為100瓦，對於100米至200米範圍脈衝寬度約為1奈秒）照亮場景並量測返回脈衝之飛行時間（time of flight；TOF）以進行操作。另一方面，FMCW光達使用低峰值功率之連續波雷射輸出，並光學混和返回訊號與參考訊號。同調（coherent）混和返回訊號與參考訊號可同時提供大的動態範圍及優異的測距解析度。

光達資料之每一影像框包含三維中之點的集合（三維點雲），其對應於感測器孔徑（視場-FOV）內之多次TOF量測。這些點可被組織成多個體素，而這些體素代表一三維空間中一規則網格上之值。在三維成像中使用之體素類似於在二維成像裝置中使用之畫素。這些訊框可被處理以重建三維影像以及辨識三維影像中之物件。三維點雲為由一三維空間（x,y,z）中的多個位置的空間量測所構成的一資料集，該三維空間中的多個反射點對應至光達所偵測到的反射點。分類器很少使用來自光達之反射光強度，乃因物件可能由多種具有不同程度的反射率的材料製成，且環境條件／老化會影響材料反射率。與基於脈衝雷射之光達系統不同，同調光達（基於FMCW-頻率調變連續波之光達）可在單次量測中提供深度及速度資訊。徑向速度資訊係藉由返回訊號之光學頻率之多普勒頻移而獲得。在典型的同調光達配置中，雷射之光學頻率被調變。

利用來自四維光達之上述量測，一種簡化影像分割之演算法被呈現出來。基於影像分割及四維量測，一光達模組可預處理影像框，且不僅提供體素之X、Y、Z座標，還提供徑向速度資訊（與體素徑向速度相關之多普勒頻移）以及體素之分割倉（bin）辨識符，以指示視場中之物件之軌跡。

可利用一光學陣列來執行靜態掃描，該光學陣列具有與一透鏡或微透鏡陣列相介接之發光畫素，該透鏡或微透鏡陣列提供來自畫素之輸出光之瞄準。基於光學陣列掃描視場係基於低損耗光學開關，在本文中基於微環波導增刪結構（add/drop structure）對其進行詳細描述。微環增刪配置之優點之一係為：取決於設計及波導材料，其非共振直通損耗（off-resonance pass through loss）可為極低（即，0.001-0.01分貝（dB））。參見Bogaerts等人發表於「Laser Photonics Rev vol. 6, no. 1, pp. 47-73, 2012」的「矽微環共振器（Silicon microring resonators）」一文，該參考文獻併入本案說明書以供參考。

一焦平面陣列由以下組成：將輸入訊號分配至每一列之一輸入訊號分配匯流排部分、可選調變器部分以及充當一1xN光學開關之重複畫素部分。每一畫素由列訊號匯流排、光學開關及垂直發射體製成。只有當畫素中之光學開關導通時，才會發射光。在一給定時間，一給定列中僅有一個畫素被導通，而同一列中之其他畫素被設置為關斷。可同時導通多個列，以實現行掃描而非逐畫素掃描。在一些實施例中，當開關被導通時，可期望光學強度幾乎全部轉移至畫素中，而在其他實施例中，可期望一些剩餘強度沿列繼續存在。

一基於微環之開關可藉由調節其非共振頻率來導通及關斷。取決於所使用之技術，微環共振頻率可藉由電流注入、溫度變化或機械應力來改變。作為另一選擇，輸入雷射頻率可被調諧至微環共振以導通畫素，或者調諧至非共振以關斷一畫素。對於焦平面陣列，一訊號輸入波導可作為在以下描述之圖中之一列訊號匯流排來操作，且一開關直通埠（switch pass through port）連接至同一列中之下一畫素。該列中最後一個畫素之總損耗係為該列中畫素之數量及波導長度／損耗之函數。因此，每一畫素具有極小的直通開關損耗（pass through switch loss）會減少該列中最後一個畫素經歷之總損耗。

為能夠自一畫素輸出光，光學開關之分出埠（drop port）連接至一垂直發射體。在一些實施例中，一畫素可使用一V形凹槽反射器來將光導出平面。在此實施方式中，一V形凹槽被蝕刻成波導，並且塗佈有部分反射器或高度反射器。部分反射器及光感測器可用於監測在垂直發射體處之輸出光學訊號位準。

儘管一基於光柵之垂直耦合器可增加複雜性並引入額外的光學損耗，但其波長靈敏度可用於對輸出角度進行微調。微環開關操作及聚焦光柵發射體角度兩者皆為光學頻率之函數。因此，藉由改變雷射之光學頻率，可調節輸出角度。此可導致發射光之配置之更精細的角度調諧。在聚焦光柵垂直耦合器之情形中，光柵結構之定向可決定在輸出處角度調諧之方向。

同調光達僅能量測三維空間中之單一點。為捕獲光達視場（FOV）之一三維影像，一發射器波束被導向至視場內網格之不同點，此傳統上可藉由以二維進行掃描來完成。使用在本文中描述之可定址畫素陣列，每一畫素可對視場中之一點進行成像，且可達成高訊框速率。自向外投射之點返回之反射光在一個角度範圍內傳播，使得對所接收到的反射光之收集可基於或可不基於定位於發射位置附近之一接收器。因此，可在一方便的位置收集所接收到的光，但一般而言基於接收器位置，期望收集盡可能多的返回光以改善訊雜比。接收器之一較高訊雜比可提高量測之精度。在本文中描述之基於開關之掃描儀之實施例在發射器之畫素內提供整合之接收器，此提供一緊湊的構造，尤其是由於所接收到的光是相對於輸出光之一部分來參考的。在替代實施例中，一接收器可被放置於一列發射器之末端，以提供對一參考光學訊號之方便存取，並提供一略微更大的接收器孔徑。在又一些實施例中，一接收器可被放置成鄰近發射器陣列，使得一甚至更大的孔徑可用於接收器，此簡化光學晶片之結構。

使用在本文中描述之波束轉向陣列，可藉由啟用光學開關以導通陣列中之一特定畫素來掃描視場，該陣列中的該特定畫素被構造成沿一特定方向對光進行導向。開關之導通會開始對該方向進行量測。若光照射至一物件上，則依據鏡面反射及漫反射之相對量以及傳播中之散射與空氣中微粒之散射，以及其他影響傳輸的因素，光會沿一角錐的角度反射回來。至物件之距離決定了返回光之飛行時間。對於在陣列上之掃描，一次量測係藉由導通一畫素開始，並在一量測時間內對偵測到之訊號進行積分，使得一畫素量測之總數為：

。訊框速率係為對整個視場掃描之時間，其取決於解析度，即陣列網格點之數量。粗略而言，視場上的一250×250網格點可沿立體角在為一1000×1000網格點之十六分之一的時間內掃描。

為增加訊框速率，可藉由使用一可調諧雷射或者將多個固定波長雷射調諧至不同波長的方式來使用多個雷射頻率，只要波長差大於由於物件運動引起之多普勒頻移即可。若可使用多個偵測器來分別接收不同的頻率傳輸，則可同時或重疊地掃描不同的雷射頻率。以下描述之接收器之各種配置允許進行此種掃描。如此一來，訊框速率可據以倍增。另一種倍增訊框速率之方法為使用複數個使用相同或不同波長之掃描陣列。若陣列彼此充分移位，則其間之串擾可足夠低，使得其可用於同時或至少在重疊的量測時間內掃描視場之相同或移位部分。在以下示出此種實施例之實例。

對於以一採用一特定波長之陣列進行掃描，光到達物件並反射回來之飛行時間會限制量測時間。如在先前段落中所述，可藉由使用多個波長及／或使用複數個掃描陣列來倍增訊框速率。此外，動態控制陣列中之切換之能力可提供一種動力工具以用於有效地改善視場中感興趣的特定區域之解析度。在執行對整個視場之一掃描之後，可辨識、移動及／或固定物件，且可選擇該等物件其中的一些或全部以進行視場上之一有限掃描。為僅掃描視場之一部分，可辨識選定之畫素，且此種有限掃描可在相應較短的時間段內執行，因為被掃描的點數相應地小於一全掃描。類似地，可在一小解析度上執行一全掃描。舉例而言，對於一1000×1000之陣列，可僅在一250×250之畫素組上執行一全掃描，此可藉由跳過一列中每4個畫素中之3個畫素及一行中每4畫素中之3畫素來執行，使得解析度相應地為較小。當然，此四個取一個的實例僅為代表性的，可根據需要選擇使用任何更低的解析度，例如二個取一個，或三個取一個等。若較低解析度之掃描辨識出感興趣區域，則可在感興趣區域上執行一較高解析度之掃描。可定址陣列為視場之高效且有效的掃描提供極大之靈活性。

在本申請案中，我們提出以下內容： （1）使用一光子積體晶片以產生四維影像（三維位置之X、Y、Z及（徑向）速度V）之一光達系統，該光子積體晶片由一二維波束掃描儀及一二維同調光學接收器組成，其具有整合高速切換功能以及畫素選擇性。 （2）一光達影像處理方法，其使用具有由單一訊框光達影像提供之徑向速度資訊之高訊框速率四維影像來執行用於物件分類之影像分割，以及使用單一光達影像框來計算物件軌跡之方法，其可藉由辨識可與畫素相關之感興趣區域來提供增加的效率；二維掃描儀的選擇以允許對感興趣區域進行特定的增強監測。

利用四維光達輸出改善影像分割

在動態環境中，在不理會成像視角的情況下，屬於一移動物件之影像畫素彼此具有類似的徑向速度。因此，在一三維點雲影像中，除了體素之空間接近度之外，還使用徑向速度來對體素進行群集，能夠改善影像之分割，並且更準確地定義物件邊界。儘管人類大腦容易從該等圖片辨識出不同物件，但電腦演算法在無先驗知識之情況下則難以理解該等圖片。在第2B圖之情形中，電腦演算法可被簡化為使用徑向速度資料來辨識一物件之畫素群集。在此種情形中，可整合空間分群及基於速度之分群兩者，以在不使用多個訊框之情況下提供改善的影像分割。此種方式在一給定的訊框速率下提供改善的影像分析。以下進一步論述分析演算法。

發射器／接收器及二維波束轉向

一光達光學電路之發射器部分提供來自一可定址陣列的畫素中之每一者之輸出，其中該等畫素被構造為沿視場內之一特定方向發射光，其中特定畫素通常沿與其他畫素不同之方向對光進行導向。集體地，畫素可藉由發送及接收來自陣列中每一畫素之光學訊號來沿視場之一立體角對一網格進行掃描，該陣列沿視場中之一特定網格點對光進行導向。

第3圖示出自一二維波束導向陣列輸出之光之定向向量之示意性陣列。立體角可在所有方向上接近180度或其一子集，如以下進一步描述。對於每一畫素，光束可以不同角度自一垂直開關陣列出射。參考第3圖，其示出自垂直開關陣列300出射之光束301.1、301.2、301.3、……之頂視圖。每一光束301.1、301.2、301.3、……可自一不同角度出射。光學器件決定覆蓋的立體角的範圍，且畫素數量決定該立體角上之角解析度。若一較低的解析度為可接受的，則畫素可與另一畫素掃描相同之角方向，以增加掃描影像之訊框速率。

發射機功能依賴於一焦平面陣列以進行二維波束轉向，如第4圖所示。焦平面陣列由低損耗光學開關組成，該等光學開關將輸入光沿波導路由至位於光學晶片上之M×N個輸出畫素位置。焦平面陣列之輸出係藉由一透鏡進行準直，以針對每一畫素在光達視場中照亮一特定角度。換言之，焦平面陣列中之每一畫素對應於視場中之一特定角度。單一透鏡可用於每一陣列，或者一微透鏡可與每一畫素相關聯。

第4A圖示出垂直開關陣列400自一第一畫素403發射一第一光束401並自一第二畫素407發射一第二光束405之之示意性側視圖。第一畫素403與第二畫素407分離開一距離409。垂直開關陣列400包含一透鏡411，透鏡411位於距第一畫素403及第二畫素407一設定焦距413處。第一光束401及第二光束405在透鏡之不同點處與透鏡411相交，使得它們以相對於彼此之角度

自透鏡被導向。第一光束401與第二光束405之間的一角度414（表示為

）可藉由計算畫素之間的距離409（表示為

）與焦距413之商之反正切來確定（

）。第4B圖例示具有一二維畫素陣列415及單一透鏡417之一垂直開關陣列400。二維畫素陣列415係為佈置在一積體電路421頂部之一矩形網格中之光發射及接收畫素419之一陣列。在實施例中，單一透鏡417可被成形為一平凸（plano-convex）透鏡，該平凸透鏡之一平面表面朝向垂直開關陣列400定向，且被定位成使得對朝向視場定向之每一畫素而言，所有發射的光以一相應角度穿過單一透鏡417。可使用替代的透鏡實施例，例如可包含多個透鏡之替代透鏡配置或透鏡系統。電性積體電路放置於遠離光發射表面之光學電路表面上，使得透鏡位於電性積體電路之相對側上。

參照第5A圖，在實施例中，垂直開關陣列500可將一二維畫素陣列503聯合一微透鏡陣列501使用。微透鏡陣列501由佈置成一網格狀結構之複數個微透鏡505組成。網格狀結構遵循下面的垂直開關陣列500之形狀。如圖所示，微透鏡505被排列成一10×10之網格，其中10個微透鏡505被線性地佈置在第一軸上，且10個微透鏡505被線性佈置在一垂直軸上。任何合理大小之網格皆適合於一垂直開關陣列。舉例而言，實際上，一網格沿每一維度可具有100個或大於100個畫素。網格中之每一微透鏡505對應於畫素陣列503中之一畫素507。對於微透鏡實施例，一透鏡與其相應畫素之對齊決定了相對於垂直開關陣列之傳輸角度。微透鏡之適當設計及放置在本發明所屬技術領域中為眾所周知的。例如：參Lee等人之發明名稱為「具有隨機圖案之微透鏡陣列及其製造方法（Microlens Array Having Random Pattern and Method of Manufacturing Same）」之美國專利公開案第US 2022/0050229號，該篇美國專利文獻併入本案說明書以供參考。

第5B圖示出一微透鏡及畫素之三種實例性佈置與出射光束之相應方向。此圖例示微透鏡對畫素之對齊定義波束角度。在一第一佈置中，一畫素507.1概括地在一微透鏡505.1右下角，其導致一指向左上方之光束509.1。在一第二佈置中，一畫素507.2概括地在微透鏡505.2中心，其導致一直接出射之光束509.2。在一第三實例性佈置中，畫素507.3概括地在微透鏡505.3之左上角，此導致一向下向右出射之光束509.3。

參照第5C圖，其示出具有不同透鏡配置之三個實例性畫素垂直耦合器之側視圖。畫素503.1包含位於基板513之下之一波導511。輸入光學訊號515沿波導511行進，其中反射器517經由垂直光柵耦合器519及基板513使輸入光學訊號515發生偏轉。在所示第一實施例中，透鏡521.1在基板513之外部。輸入光學訊號515以角偏移

523離開透鏡521.1。在所示第二實施例中，畫素503.2之基板513被蝕刻（例如微影）以產生與垂直光柵耦合器519對齊之整合的透鏡521.2，使得光學訊號515以無角偏移之一準直波束525離開透鏡521.2。在所示第三實施例中，畫素503.3之基板513具有整合的透鏡521.3，其係自垂直光柵耦合器519偏移一距離

527。偏移的距離

527使得準直波束525以角偏移

523自畫素503.3出射。在基於一球面透鏡之一實施例中，偏移的距離

527與角偏移

523之間之關係可表徵為

，其中f為透鏡521.3之焦距。

在與視場中之物件交互作用之後，相應的接收器接收來自發射器之反射光學訊號。接收器可與發射器整合至單一陣列中，且可藉由將接收器整合至與發射器相同之畫素中來形成高效結構。以下描述具有發射功能及接收功能兩者之整合畫素之若干實施例。

發射器／接收器陣列可有效地由具有提供可定址畫素之整合光學開關之一光學電路形成。光學開關可被電性控制（例如：以提供一熱-光學效應之電阻加熱器），但亦可實施其他電性誘導之折射率變化。此外，接收器具有涉及功率傳遞以及與處理器之連接之電性組件。光學電路可在形成期間設置有金屬觸點，該等金屬觸點將光學功能與適當的電性連接整合在一起。金屬觸點可配備有焊球，以便於連接至例如電子電路板、CMOS晶片或其他電性晶片結構。

可使用一印刷電子電路板來建立具有光學電路之一高效電性介面，該印刷電子電路板可具有對齊的電性觸點以與電路上之電性觸點介接。與光學晶片電極之電性連接可藉由引線接合（wire bonding）來實現，但在一些實施例中，可使用電性副載具（electrical submount）上之配對接合接墊來執行適當組裝，使得光學晶片與電性副載具之定位係將每一者上之接合接墊對齊，該等接合接墊然後可例如利用焊料回流來進行連接。由於引線接合球會被放置於合適的位置，因此可不必擔心其因元件之間無相應的絕緣結構而為導電的。可使用其他合適的處理方法。電性印刷電路板可連接至適當的處理器及驅動器。

第6A圖至第6C圖例示一垂直開關陣列600，其具有10×10網格之微透鏡603及相應的畫素605，且與積體電路板607結合。每一畫素605具有一發射器被配置成發射射出光束615以及一接收器被配置成接收射入光束617。一畫素之發射器具有源自一雷射光源之一可選擇光學路徑，並且接收器包含一光學偵測器。在此實施例中，每一畫素605藉由焊料凸塊613加入積體電路板607，使得每一畫素605與積體電路板607電性連接，積體電路板607作為一電源及一電性開關裝置運轉。每一畫素605可由積體電路板607個別定址，以控制光學開關功能並收集來自接收器之光學偵測器之輸出。參照第6C圖，十行微透鏡603.1、603.2、…、603.10與位於微透鏡下方之相應畫素相關聯，且關於微透鏡與畫素之接合處，在上文中已針對其會沿不同角度傳輸進行描述。

如第6C圖所示，積體電路板607沿三個側面具有用於對畫素605進行定址之觸點。可藉由沿積體電路板607之一個邊緣的觸點609.1、609.2、609.3、…、609.10選擇列。可藉由沿積體電路板607之另一邊緣的觸點611.1、611.2、611.3、…、611.10對行進行定址，且沿一列之畫素可利用觸點613.1、613.2、613.3、...、613.10進行選擇性地存取。藉由一合適的觸點配置及數量，可實現選擇一畫素以用於傳輸，且可達成對光學偵測器訊號之接收。如上所述，一二維畫素陣列可具有所需尺寸之網格，可用於達成實際限制內之設計規格，例如基板處理大小及高效畫素尺寸。電路板607之電性觸點之數量可基於畫素之數量及相應功能來調整。此外，藉由將多個垂直開關陣列連接至一通訊匯流排，該系統可擴展至更大的陣列，如以下進一步所述。

第7A圖至第7C圖提供可設置於一光學晶片上之一光學電路之一示意性佈局之三個實施例，其中繪示了傳輸功能。基於偵測器之位置，第7A圖至第7C圖彼此不同。為形成陣列，存在一系列的行及列。儘管各種光學晶片技術可適用於此種應用，但原則上矽光子學較為理想，基於矽覆絕緣體處理中會形成矽波導且空氣可提供包覆層。Sun等人在「IEEE Journal of Selected Topics  in Quantum Electronics, Vol. 20, No. 4, July/August 2014」所發表的「用於光學相控陣列之大規模矽光子電路（Large-Scale Silicon Photonic Circuits for Optical Phased Arrays）」一文中對將矽光子學用於此種應用提供概括描述，該篇文獻併入本案說明書中以供參考。在替代實施例中，光學晶片可基於使用SiO _xN _y之平面光波電路技術，

，其中2x + 3y可大約為4。基於二氧化矽之結構之形成係為眾所習知的，而基於二氧化矽之光學分離器／組合器之形成已描述於Ticknor等人之發明名稱為「平面光波電路光學分離器混頻器（Planar Lightwave Circuit Optical SplitterMixer）」之美國第10,330,863號專利，該篇美國專利併入本案說明書已供參考。氮化矽及氮氧化矽可以類似方式處理。另參Tiecke等人在「Optica Vol. 2(2), February 2015 70-75」所發表之「用於奈米光子裝置之高效光纖-光學介面（Efficient Fiber-Optical Interface for Nanophotonic Devices）」一文，該文獻併入本案說明書以供參考。每一列具有向該列提供光之一輸入波導。每一畫素因此具有一低損耗開關，該低損耗開關用於在開關被導通時捕獲來自輸入波導之光。當開關關斷時，光沿輸入波導下行前進以存取下行路徑畫素。如以下詳細描述，可為每一列供應一雷射光源，或者一饋送波導（feed waveguide）可向所有列或列之一子集供應光。若使用一饋送波導，開關可將光自饋送波導導向至該列。用於一列之開關可在一始終導通狀態中為波長具選擇性的，或者其可為可調諧的以藉由一電性訊號選擇性地導通及關斷開關，且開關設計通常取決於單色或多色光源。用於雷射光之調變器可內置於雷射中，沿光學路徑交替放置，或者沿著通往一列（外部調變器）之光路徑放置於適當位置處。

參照第7A圖之具體特徵，垂直開關陣列700之一示意性佈局被例示為一積體光學晶片701。二維畫素陣列703係為在一積體光學晶片上組織成M個列及N個行之一系列畫素705，藉此產生一M×N陣列的畫素705。每一畫素705具有連接至一輸入訊號匯流排（波導）709之一列訊號匯流排（波導）707。輸入訊號匯流排709可為連接至一雷射之一波導或具有一列開關之一波導，提供給多個列之一雷射訊號可自該列開關被選擇性地切換至一列中。實際上，一列中之畫素之列訊號匯流排707形成一連續波導，該連續波導在經過開關時在該列上提供低損耗，但波導之結構反映其與每一畫素之低損耗開關之交互作用。在實施例中，每一列可在輸入訊號匯流排（波導）709與列訊號匯流排（波導）707之間具有一列調變器711。在替代實施例中，一輸入調變器713可放置於光學輸入訊號715與輸入訊號匯流排（波導）709之間，使得所有訊號在其到達輸入訊號匯流排（波導）709之前被調變。在實施例中，光學輸入訊號715在被積體光學晶片701接收之前可被調變，例如在雷射源處。在此類實施例中，積體光學晶片701不需要輸入調變器713或列調變器711。在一些使用情形中，將一列調變器711放置於垂直開關陣列700之每一列處可減少串擾，特別是當轉向涉及使用多波束時。每一畫素705更包含連接於列訊號匯流排（波導）707與一垂直發射體717之間之一低損耗開關719。當被啟用時，低損耗開關719將光學輸入訊號715自列訊號匯流排707路由至垂直發射體717。當低損耗開關719被停用時，光學輸入訊號715不會到達垂直發射體717。

參照第7B圖，一垂直開關陣列730之一替代佈局涉及將一接收器放置於每列發射畫素之末端處。此配置允許在利用列訊號匯流排上可用之本地振盪器之情況下，具有更簡單的畫素設計及更大孔徑之接收器。參照第7B圖，二維畫素陣列733包含在一積體光學晶片上組織成M個列及N個行之一系列發射器畫素735，藉此產生一M×N陣列的畫素。每一畫素735具有連接至一輸入訊號匯流排（本地振盪波導）739之一列訊號匯流排（波導）737。輸入訊號匯流排739可為連接至一雷射之一波導或具有一列開關之一波導，提供給多個列之一雷射訊號可自該列開關被選擇性地切換至一列中。在一些實施例中，一列中之畫素之列訊號匯流排737形成一連續波導，該連續波導在經過開關時在該列上提供低損耗，但波導之結構反映其與每一畫素之低損耗開關之交互作用。

在實施例中，每一列可在輸入訊號匯流排（波導）739與列訊號匯流排（波導）737之間具有一列調變器，但在第7B圖中，係假定來自輸入訊號匯流排739之訊號為調變過的。在替代實施例中，一輸入調變器可放置於一光學輸入訊號與輸入訊號匯流排（波導）739之間，使得所有訊號在其到達列訊號匯流排737之前被調變。在實施例中，光學輸入訊號可在被垂直開關陣列730接收之前被調變，例如在一調變雷射源處。在此類實施例中，垂直開關陣列730不具有輸入調變器或列訊號調變器。每一發射畫素735更包含連接於列訊號匯流排（波導）737與一垂直發射體749之間之一低損耗開關747。當被啟用時，低損耗開關747將一光學輸入訊號由列訊號匯流排737路由至垂直發射體749。被導通之一開關可將大部分光導向至畫素中，同時留下一剩餘量之光（例如10%）以供發射至偵測器，從而充當一參考訊號來對所接收到的光學訊號進行調變。在一些實施例中，列訊號匯流排737可包含具有一偵測器波導之一分接器，以接收輸入光學訊號之一部分（例如10%）以供發射至偵測器，同時將剩餘之光導向至一列波導，以藉由畫素各自之開關向該等畫素提供光學訊號。在該等配置其中之任一者中，列偵測器751接收一適當的參考光學訊號。列偵測器通常包含接收反射訊號之一垂直耦合器、將參考本地振盪器訊號與所接收的光學訊號耦合之一定向耦合器以及具有二個光感測器以量測自定向耦合器輸出之差頻訊號之一平衡偵測器。當低損耗開關747被停用時，輸入訊號不會到達垂直發射體747，且光學訊號繼續沿列訊號匯流排737向下行進。儘管為防止圖式過於雜亂而未在第7B圖中標示出所有的符號，但在M×N陣列中之發射畫素735一般而言係彼此等效的。以下更全面地描述接收器之結構，但基本上而言，接收器具有一垂直耦合器，使得所接收的光可被導向至一差分耦合器以與本地振盪器（來自列訊號匯流排之光學訊號）混合，且接著被導向至具有二個光學偵測器之平衡接收器。一般而言，垂直開關陣列730具有M個等效的光學偵測器畫素。

參照第7C圖，其繪示一光達整合（無移動）掃描儀770之一實施例，以及用於一光學晶片773上之發射畫素之陣列的單一接收器771。如圖所示，光學晶片773及接收器771安裝於一共用電子電路板775上，該電子電路板775可為一CMOS積體電路。接收器771通常具有其自己的透鏡，以將入射光聚焦至垂直耦合器上，進而將光導向至一光感測器。如第7C圖所示，一窄線寬雷射777僅靠著光學晶片773安裝。為自所接收到的光學訊號中提取位置資訊，所接收到的光學訊號應與進入視場中特定角度之發射相協調。因此，一旦一發射畫素被導通且接著關斷，便允許存在一段時間讓光來撞擊一物件並返回。光返回之時間取決於至一目標779之距離，且可為一微秒量級。此實施例具有允許一甚至更大孔徑之接收器之優點，且收集更多光之能力可允許改善接收器之訊雜比。此外，雷射輸入光之一分接器可被高效地導向至接收器以充當一參考本地振盪器，進而允許光自轉向陣列中之一畫素發射後便有效地瞬間對光進行接收。

畫素一般而言係藉由電性訊號與光學開關之協調進行控制。參照第8A圖及第8B圖，光學開關由電路（例如，一CMOS積體電路）啟用，而電路可由一相關聯的電子電路板提供。設置於一積體光學晶片800上之光學開關描繪於第8A圖。一電路用以啟用光學開關之相應電流描繪於第8B圖。關於發射，分別在第8A圖及第8B圖中示意性地示出相應的光學開關、相關聯的光學波導以及電路徑（electrical pathway）。所示的網格狀結構表示具有光學開關（第8A圖）及電性控制線（第8B圖）之光學波導，該光學開關及電性控制線連接至一積體電路之觸點（這類實施例已詳細描述於上文），使得每一光學列開關及光學畫素開關可被定址。參照第8A圖，光學列開關811概括地示出於陣列之第一行803.1與列控制線805之交點處。光學畫素開關801概括地示出於每一列控制線805與行控制線803之交點處。光學輸入訊號807沿陣列之第一行所對應之一波導被路由，直至其遇到一被啟用的光學列開關811.7，該光學列開關811.7將光學輸入訊號807重新導向成沿列805.7行進。當光學訊號到達一啟用的光學開關801.6時，其再次被轉移，而這次係經由一垂直發射體813離開相關聯的畫素。光學開關801、811可藉由啟用與開關相關聯之一加熱器或其他啟用的電子-光學效應來啟用。

參照第8B圖，電性開關815具有沿一行817之第一組的電性連接以及沿一列819之第二組的或正交的電性連接，其具有未繪出的適當絕緣以絕緣交點並避免一短路。如圖所示，陣列中之二個電性開關（二極體）815.1:3、815.3:3被啟用。一電性開關（二極體）之啟用係藉由在開關／二極體上產生一電差而達成。舉例而言，可藉由將一正電壓施加至開關之一第一連接並將零電壓施加至開關之第二連接來啟用一開關。在第8B圖所示的實例中，第一行817.1及第三行817.3具有一正電壓，而所有剩餘的行具有一零電壓。第三列819.3之外的所有列819皆具有一正電壓，而第三列819.3具有一零電壓。因此，僅二個開關815.1:3、815.3:3在連接之間具有一電壓差。具體而言，在第一行817.1及第三列819.3中之第一開關815.1:3，其與一列光學開關相關聯，而在第三列819.3及第三行817.3處之第三開關815.3:3，其與一畫素中之一光學開關相關聯。作為光達系統之一部分，一控制器851包含一處理器853及電源855，且控制器851可與電路板802整合、分離但電性連接至電路板802或者其某種組合。

第8C圖至第8E圖繪示具有可定址畫素之一光學晶片之代表性的示意性佈局。具體而言，第8C圖至第8E圖係圖解與一畫素陣列相關聯之波導及光學開關。為進行發射，光學訊號沿一列行進，直至其到達第一個打開的光學開關，在該點光學訊號被轉移至畫素中。光學訊號繼續沿一畫素波導到達一垂直發射體元件。垂直發射體將平面光學傳播反射成透過基板至透鏡之一垂直發射，以將光導向至該畫素結構之特定方向中。

在第8C圖所示的實施例中，一單一光學輸入訊號817用於整個陣列，該陣列中代表性的元件標記有符號。在單一輸入訊號的實施例中，陣列包含沿第一行之一波導818及沿每一列之一波導821。微環被用來作為一列光學開關823、824以將單一光學訊號轉移至陣列中之一特定列。如第8C圖所示，列光學開關823係為關斷開關，且列光學開關824係為導通開關，使得用箭頭表示之光學強度在列光學開關824處切換至其列中。每一列具有畫素825、826，畫素825、826包含一微環共振器827及具有一垂直發射體831之波導829。當一畫素825之微環共振器827被啟用時（畫素826，關斷畫素為825），沿列波導821行進之輸入訊號817將訊號817轉移至畫素825之波導829，波導829又將該訊號導向成經由垂直發射體831離開。波導中之箭頭指出一輸入訊號被轉移至一列中並隨後被轉移至啟用的畫素826中。使用具有多個波長之輸入允許多個畫素同時發射訊號，藉此實現多波束掃描，如第8D圖所示。

可使用局部加熱元件及隔離熱流之溝槽來形成環共振器。這類設計的環共振器可更高效率且具有更快的響應時間。此處所描述的高效率環共振器設計係進一步地描述於Gao等人的發明名稱為「矽光子外腔可調雷射之波長控制方法（Method for Wavelength Control of Silicon Photonic External Cavity Tunable Laser）」的美國發明公開案第2020/0280173號（以下稱「'173申請案」），該美國專利公開案併入本案說明書已供參考。

參照第8D圖，一陣列可接收多個光學訊號輸入817.1、817.2、817.3。舉例而言，每一列可與一不同的輸入雷射837相關聯。在實施例中，每一輸入雷射可產生一不同波長之訊號。將不同的輸入訊號817.1、817.2、817.3直接提供至陣列之每一列便不需要沿第一行之一波導以及列光學開關。使用不同的波長允許從陣列之不同畫素同時發射光。每一列具有畫素825，畫素825包含一微環共振器827及具有一垂直發射體831之波導829。當一畫素之微環共振器827被啟用時，沿列波導821行進之輸入訊號817將訊號817轉移至畫素之波導829，波導829又將訊號導向成經由一垂直發射體離開。如第8D圖所示，三個列中的每一列具有一在活動中的發射畫素825，這些發射畫素825為可用的因為三個不同的波長。依據其餘列之輸入配置，每一列可具有或可不具有一列開關，且依據提供至該等列之光之波長，其餘列中之畫素可具有或可不具有同時在活動中的畫素。

在第8E圖所示的實施例中，垂直發射體或耦合器功能係由一V形凹槽反射條847提供。在本實施例中，畫素僅被設計用於發射功能，因此接收器可設置於一列之末端，例如第7B圖所示，或者具有一相鄰的接收器，例如第7C圖所示。儘管可為每一畫素分別提供單獨的V形凹槽反射器如第8D圖所示，但分別為每一列形成單一V形凹槽反射器，從而耦合至該列中每一畫素之一畫素波導中。V形凹槽反射器之使用不依賴於對每一列使用一單獨的光源，因此光柵垂直耦合器可用於第8D圖之畫素中，且類似地，用於垂直耦合之一V形凹槽反射器可用作第8A圖至第8C圖之實施例中光柵垂直耦合器之一替代物。

利用頻率調變的連續波（FMCW）雷射執行同調光達。一般而言，可使用可調諧雷射，或者可使用固定波長雷射，此可提供一成本節省。應向畫素提供經調變的雷射光。光可由一或多個雷射提供，且配置受雷射選擇之影響。藉由使用低損耗光學開關，相應的較少的雷射功率即已足夠，但光學電路可根據需要包含光學放大器。固態雷射可有效地用於供應雷射功率，但亦可使用替代的雷射。在一些實施例中，雷射可整合至光學電路中。在其他實施例中，可在一單獨的光學晶片上設置一雷射或雷射陣列，且雷射光學晶片可光學連接至光學晶片以形成用作發射器／接收器之開關陣列。

固態可調諧雷射描述於例如上述的'173申請案中。一基於高功率可調諧矽光子學之雷射可自申請人美商新飛通光電公司（Applicant NeoPhotonics Corp.）獲得。在Vorobeichik等人之發明名稱為「用於光纖放大器之動態可分配多輸出泵浦（Dynamically-Distributable Multi-Output Pump for Fiber Optic Amplifier）」之美國專利第9,660,421號中描述一個具有可單獨控制之雷射二極體之陣列，該美國專利案併入本案說明書以供參考。雷射功率可與所使用的雷射數量、系統中可被同時供電之畫素數量以及成像範圍相關。一般而言，雷射功率高達100毫瓦（mW）（20分貝毫瓦（dBm）），但可使用更大功率之雷射。

第8E圖例示一可選的雷射陣列833，該雷射陣列833可用於為一垂直開關陣列提供複數個光學輸入訊號835.1、835.2。雷射陣列833包含將一訊號導向至列波導839之複數個雷射837。在實施例中，雷射837可藉由模式轉換器841直接到達列波導839。在實施例中，分離器可用於將一雷射連接至多個列波導。舉例而言，一第一雷射可將其輸出分成耦合至一垂直開關陣列之前四列之四個訊號，一第二雷射可將其輸出分成耦合至一垂直開關陣列之第五列至第八列之四個訊號，依此類推。在實施例中，光學輸入訊號837在到達畫素845之前穿過一調變器843。在實施例中，調變器可被結合至雷射837或雷射陣列833中或光學晶片上。

再次參照第7圖，可將調變器放置於系統之不同部分。具體而言，可視情況將一調變器沿波導放置於光學晶片上，該波導位於通向連接該列之一輸入訊號匯流排之輸入線處，或者可視情況將一調變器沿著將輸入提供至一列中之一波導進行放置。如上所述，光學訊號可在到達光學開關晶片之前被調變，且該等實施例在以下進一步地描述。簡單直接的調變可能為有效的，例如利用一三角頻率變化進行調變，如第1B圖所示。

一些雷射適合進行直接調變，其係藉由控制雷射調諧來對雷射光輸出進行調變。在其他實施例中，可使用外部調變器。合適的外部調變器包含例如電-光學調變器。電-光學調變器可藉由摻雜波導之一部分以及附接電性觸點來形成。電-光學調變器改變相位，但藉由時間相關之相位變化，頻率被相應地調變。因此，電性訊號驅動相位變化係根據所需的頻率調變來進行調變。

雷射數量之選擇可基於畫素陣列之大小、每分鐘所需之訊框數量、成像器之所需範圍、雷射性質以及其他設計考量因素。雷射之數量可為1個或多於1個，在一些實施例中不超過100個雷射，但一般而言，除了受大小及成本之實際考量因素限制之外，雷射之數量一般不受限制。雷射功率可為約20毫瓦至約5瓦，在一些實施例中為約45毫瓦至約2瓦，且在其他實施例中為約75毫瓦至約1瓦。雷射可為固定波長的固態雷射，例如一雷射二極體-分佈式回饋雷射（laser diode–distributed feedback laser）。儘管每一畫素陣列可由複數個雷射驅動，但單一雷射可有效地驅動複數個陣列。相對於可調諧雷射，可以更低的成本供應固定波長的雷射。本發明所屬技術領域中具有通常知識者將認識到，在上述明確範圍內之其他範圍之雷射功率可被設想到，且在本揭露之範圍內。

對與畫素陣列之雷射介接之設計可由雷射選擇、畫素數量及開關功能之設計來指導。利用一個雷射對所有的透射率進行驅動，則開關功能提供所有的畫素選擇及操作。可使用複數個雷射，該等雷射可為固定波長或可調波長，且可被配置成沿相同的波導或彼此不同的波導進行發射。若不同的波長被導向沿一公共波導，則可使用一光學組合器對該等波長進行多工處理（multiplexed），且沿一陣列饋送波導之波長選擇開關可用於多工分解（demultiplex），使得一特定的波長可沿一列進行導向。在一些實施例中，一單一波長的光被導向一饋送波導，且一開關被啟用以將光導向一選定列。

在附加或替代實施例中，可為每一列提供雷射。利用此種配置，列不需要用於列選擇之開關。雷射可鄰接光學晶片連接，其中雷射被耦合至列波導中，或者可使用此項技術中已知的用於光學元件之任何其他合理的連接，例如用於將光纖連接至光學晶片之特徵。

為將一畫素切換至一導通狀態以進行發送及隨後的接收，可將二個開關（即，一列選擇器開關及一畫素選擇器開關）放置於導通位置中。若列具有一單獨的輸入，則可能不具有一列選擇器開關。一般而言，使開關處於一預設關斷模式為最有效率的，使得開關被致動以導通開關。導通一開關通常涉及施加一電流以引起一些光學變化，例如折射率之一變化。熱-光學效應可用於實現折射率之此種變化，且環共振器在本文中被描述以作為一低損耗光學開關運作。一列選擇開關可為一固定波長選擇開關或者類似於一畫素選擇開關之一可致動開關。作為另一選擇，一列可具有一專用輸入，使得僅一畫素開關被導通，以將光導向畫素中以在選定方向上傳輸。

第9圖以一部分視圖示出一可選的外部調變器901之實施例，其沿著位於一光學晶片905上之波導903之一部分放置。一光學晶片上之光學開關陣列之各種實施例描述第9圖中所示的調變器之替代放置，第9圖具有可相應地放置於適當位置中之部分視圖。外部調變器901可為適當放置於波導中或放置於其表面上之一電子-光學材料。舉例而言，對於一矽波導，可在外部調變器處將摻雜劑放置於波導中，以提供電子-光學性質。電極907、909放置於外部調變器901之相應端處，以提供電流來誘發調變。觸點911、913將電極907、909連接至一電路，例如第8B圖所示。來自一施加的電流之電場提供藉由波導發射之一光學訊號之相位調變、以及電流根據所需調變之時間變化，以提供光學訊號之相應頻率調變。

合適的垂直發射體元件可為一鏡像V形凹槽。參照第10圖，一V形凹槽可適於透過基板或遠離基板，在一垂直方向對光進行反射。參照第10圖，在圖左側示出一畫素1000之一部分，其具有自一列波導1003穿過低損耗開關1005並進入畫素波導1007之一光學輸入訊號1001，且在畫素波導1007處，光學輸入訊號1001經由一V形凹槽反射器1009發射。在實施例中，V形凹槽反射器1009包含蝕刻至畫素波導1007中之一V形凹槽1011。圖中之箭頭指向基於V形凹槽結構之代表性實施例。

具體而言，第10圖中箭頭右側示出V形凹槽反射器1009之四個實例性實施例。在第一實施例1009.1中，V形凹槽1011經由一基板1013並經由一外部透鏡（未示出）對光學訊號1001進行重新導向。V形凹槽1011之一些部分可塗佈有反射材料。在實施例中，V形凹槽1011可被金屬化。例如， Won等人之發明名稱為「具有波導電路之積體電路耦合系統及其製造方法（Integrated Circuit Coupling System With Waveguide Circuitry and Methods of Manufacturing Thereof）」之美國專利第9,052,460號，該美國專利併入本案說明書以供參考。

在第二實施例1009.2中，V形凹槽1011具有允許光學訊號1001穿過之一非反射面1015以及對光學訊號1001進行導向以使其離開畫素遠離基板之一反射面1017。儘管反射面1017可被金屬化，但其可能不如替代結構可取，因為非反射面1015應無金屬以具有高透射性。在實施例中，V形凹槽1011可被填充以一適當形狀之反射聚合物沈積物，以形成反射面1017。據此，藉由改變V形凹槽反射器1009之定向，可達成一陣列內之各種畫素定向。

在所示的第三實施例1009.3中，畫素1000之基板1013被圖案化以產生與V形凹槽1011對齊之整合的透鏡1019.1，使得光學訊號1001以無角偏移之一準直波束1021離開透鏡1019.1。在所示的第四實施例1009.4中，畫素1000之基板1013具有整合的透鏡1019.2，整合的透鏡1019.2自V形凹槽1011偏移一距離

1023。偏移的距離

1023使得準直波束1025以角偏移

1027自畫素1000出射。整合的透鏡1019.2可為一球面透鏡或者可不為一球面透鏡。對於一球面透鏡而言，

1023與角偏移

1027之間之關係可表徵為

，其中f為透鏡1019.2之焦距。可使用其他形狀之透鏡來達成由幾何光學器件確定之所需角傳播。

第11A圖及第11B圖示出適用於V形凹槽垂直偏轉器1100之實施例之一基於聚合物之轉向鏡之一實施例。第11A圖及第11B圖分別示出一波導錐形1113及轉向鏡1103之一俯視圖及一側視圖。Noriko等人在「Optics Express, Vol 27, No. 14, 8 July 2019）所發表之「用於矽光子晶片之垂直光學I/O之45度彎曲微反射鏡（45-degree curved micro-mirror for vertical optical I/O of silicon photonics chip）」一文已展示了利用聚合物及灰階微影在氧化物溝槽中製作之轉向鏡，該文獻併入本案說明書以供參考。然而，使用一較小的光斑（spot）及一較大的發散度會節省晶片上之空間。垂直發射體之一重要設計參數為錐形1113之長度，其從波導1107的波導寬度1111逐漸變細。錐形尖端處1109之導向件（guide）之最小寬度1105由製程規則設定，且可保持固定在最小尺寸0.18微米。若錐形1113太短，則模式將無時間擴展。此將導致轉向鏡之高反射及低通量。光學功率在恰好位於SiO ₂刻面內及在空氣中超過刻面1微米之平面處整合。大致趨勢為隨著錐形長度減小，傳輸損耗更高。空氣與玻璃透射之間的差異為在空氣／玻璃介面之刻面上之菲涅耳反射（Fresnel reflection）。隨著錐形1113變得更短，且模式更小，會有光學模式之高角度平面波分量。更寬的入射角範圍增加總模式反射率。

在替代實施例中，表面光柵耦合器可用於執行光學路徑之垂直轉向。第12A圖示出一代表性表面光柵耦合器。Ishikawa等人之發明名稱為「光學連接結構（Optical Connection Structure）」之美國專利公開案第2021/0373232號及Vallance等之發明名稱為「光纖至光柵耦合器之光學連接（Optical Connection of Optical Fibers to Grating Couplers）」之美國專利公開案第2022/0026649號進一步描述光柵耦合器之設計及構造，該二篇美國專利公開案併入本案說明書以供參考。相對於在該等參考專利公開案中之結構，光柵耦合器將傳播至自由空間中而非傳播至一光纖中。一表面光柵耦合器在此種配置中之效率，可藉由在光傳輸所透過之基板之相對表面上施加金屬來提高，使得光不會洩漏出該表面並被金屬反射。

標準矽光子學表面光柵粗略在幾十微米或小於幾十微米之數量級上，可能為個位數之微米。為支持進一步縮小畫素大小，需要一種更緊湊的垂直地發射光的方法。第12A圖所示的光柵耦合器1203被設計成產生大約8微米之模場直徑（mode field diameter；MFD）光斑，該MFD光斑之一數值孔徑為0.1，以匹配標準單模光纖。藉由將0.5微米通道波導1201逐漸變細至0.18微米，光學模式擴展至SiO ₂包覆層中，藉此允許其自高指數矽高效地輻射。

在如第12B圖所示的一替代實施例中，光柵耦合器1210可具有帶有積體光柵1213之一微環1211。由於聚焦光柵發射體角度係為光學頻率之函數，因此藉由改變一光學訊號之光學頻率，可對訊號之一輸出角度進行調節。藉此，包含帶有積體光柵1213之一微環1211允許對所發射訊號之更精細的角度調諧。在聚焦光柵垂直耦合器1200、1210之情形中，光柵結構之定向可決定輸出處角調諧之方向。在此種配置中，光自微環垂直地發射。收錄在「 IEEE Photonics Technology Letters,Vol. 27, no. 1, pp. 97-100, January 1, 2015）之Werquin之「用於密集多工應用之具有垂直耦合光柵之環共振器（Ring Resonators With Vertically Coupling Grating for Densely Multiplexed Applications）」一文中可找到對該等結構之進一步描述，該文獻併入本案說明書以供參考。

一種特別緊湊的結構係將一畫素內之接收功能與發射功能結合起來。此可提供一種結構，在該結構中所發射的訊號可被分離以作為一參考訊號，以對在波導之一短幅度（short span）中接收之訊號進行評估。使用用於傳輸之垂直發射體元件進行接收，或者使用一平行結構接收，該平行結構可位於發射器元件附近。在任一情形中，元件可使用相同的透鏡。第13圖示出一獨立接收器或一組合發射器接收器畫素之實施例。

因此，畫素陣列內之一畫素可包含一光學開關，以相對於接收輸入雷射光來導通畫素。輸入光可被分離成其中一部分光被導向至一接收器，以為所接收的訊號提供一參考。視情況，一分接器可移除剩餘訊號之一部分，以將其導向至一接收器組件，例如用於監測之一光電二極體。監測接收器可確認一畫素之啟用。剩餘的光訊號可被導向至一垂直耦合器。如上所述，同一垂直耦合器可作為一接收器，或者一單獨的相鄰垂直耦合器可用於接收一訊號。接著，所接收到的訊號被傳輸回一光學組合器／分離器（針對單孔徑配置），該光學組合器／分離器將至少一部分接收到的光學訊號朝向平衡偵測器或直接朝向平衡偵測器進行導向。所接收到的光學訊號被導向至一定向耦合器，該定向耦合器其另一輸入端亦連接至輸入參考訊號。定向耦合器之二個輸出分別被導向平衡接收器之二個光感測器其中之一。該畫素可耦合至控制光學開關以導通畫素之適當的電性連接、光學偵測器以及可選擇地光學監測器。

接收功能如第13圖所示。自一物件反射之訊號在一垂直耦合器處被接收，該垂直耦合器本質上可為用於垂直傳輸但以相反方式（共用孔徑）操作之元件其中之一，或者為可相鄰或可不相鄰之一單獨垂直耦合器。經調變的輸入光係作為一接收器之一參考。為自返回的光學訊號中擷取資訊，所接收的光學訊號及參考（輸入振盪器）訊號被導向一定向耦合器之相對臂，該定向耦合器在相鄰波導之間分配功率，每一波導將各自的光學訊號傳送至定向耦合器。相鄰波導彼此相鄰佈置，且可具有一選定長度以在定向耦合器之兩條輸出線之間大致相等地分割功率。每一輸出接著被導向能形成一同調平衡接收器之一單獨的光學偵測器，例如一光電倍增器、一光電二極體或其他光接收組件。

併入畫素中之一平衡接收器允許每一畫素充當一同調接收器以及一定向發射器，儘管接收器元件可與轉向發射器陣列分離。同調接收器自與本地振盪器（即，雷射源）相關聯之一參考訊號與返回訊號之卷積中接收光學訊號。在如第13A圖所示之實施例中，一平衡接收器1300包含一對偵測器1301、1303。低損耗環開關1311將輸入訊號1302自列波導1307路由至畫素波導1308。垂直偏轉器1319耦合至延伸的波導1304，延伸的波導1304光學連接至偵測波導1306。畫素波導1308及偵測波導1306中之訊號在定向耦合器1309處混合。定向耦合器1309在二個緊密穿過之波導之間提供功率交換，同時在二個訊號之間建立一差頻，此繼而在波導分離時提供對訊號資訊之提取，用於在偵測器1301及1303處進行的單獨偵測。

如第13B圖所示，一畫素之光學部分被示為提供傳輸及接收功能。輸入訊號1313沿列波導1305被導向。若環開關1311被導通，則光學訊號被轉移至畫素波導1308，而若環開關1311被關斷，則輸入訊號繼續沿列波導1305向下行進。藉由分離器1312，輸入訊號1313之一部分被分離且被導向至作為一本地振盪器1315之定向耦合器1309，且進入參考波導1320。分離器1312可充當一分接器，其中一小部分光學強度（例如10%）沿參考波導1314被導向，而大部分光學強度被導向至垂直偏轉器1319，但一般而言，沿參考波導進行導向之光學強度可為約1%至約50%。輸入訊號1313之另一部分作為一發射訊號1317沿輸入／輸出波導1314被發送至垂直偏轉器1319，在垂直偏轉器1319處其離開畫素。垂直偏轉器1319還充當一接收器，並沿輸入／輸出波導1314對接收到的光學訊號進行導向，為方便起見，在圖中將其繪示為兩條線，但其係為單一結構。分離器／耦合器1309將畫素波導1308及偵測器波導1318與輸入／輸出波導1314耦合。參考波導1320及偵測器波導1318被路由通過一定向耦合器1309，然後被分離以導向至一平衡接收器1310。平衡接收器1310包含一第一光感測器z及一第二光感測器1327。本地振盪器1315及返回訊號1321在定向耦合器處混合，且在平衡接收器偵測到所得的差頻訊號。在實施例中，平衡接收器可與一跨阻抗放大器電路配對以放大訊號。在實施例中，電阻器可被添加至光電二極體電性連接，以使得能夠監測開關狀態。

參照第14A圖，其示出一畫素之一實例性佈局，該實例性佈局呈現畫素組件、光路徑及電路徑。畫素1400包含一垂直偏轉器1401、一平衡接收器1403及一低損耗開關1405。在實施例中，畫素1400可包含一監測光接收器1407，例如一光電二極體。低損耗開關1405、垂直偏轉器1401、平衡接收器1403及可選的監測光電二極體1407利用適當的分離器／耦合器與光學波導之一網路光學連接。列波導1411提供自一雷射輸入源經由低損耗開關1405至畫素1400之一光路，且一般而言列波導1411沿其路徑連接一畫素陣列，其中若低損耗開關1405被關斷，則路徑上較早的畫素可轉移光學輸入，且下游畫素可接收輸入光學訊號。光學波導之畫素網路包含與低損耗開關1405耦合之畫素波導1431，低損耗開關1405隨後連接至分離器／分接器1435，分離器／分接器1435將訊號分成傳輸波導1437及參考波導1439。傳輸波導1437延續至一輸入／輸出分離器／分接器／組合器1441，在輸入／輸出分離器／分接器／組合器1441處，其在結構之第一側上與一偵測器波導1443組合。在輸入／輸出分離器／分接器／組合器1441之第二側上，其與輸入／輸出波導1445及監測波導1447連接。參考波導1439及偵測器波導1443來自定向耦合器1449，在定向耦合器1449處，所接收的光學訊號及參考光學訊號被混合以形成具有共用功率之一差頻訊號，該差頻訊號接著被導向至包含第一光感測器1417及第二光感測器1419之平衡接收器1403。

畫素1400包含電性觸點以用於連接至一覆蓋光學電路連接，例如由一電路板提供，且第14A圖示出相應的電路及觸點與光學晶片。具體而言，至畫素之電路徑與一組四行電線及一組四列電線互連。電線可傳輸例如一正電壓或一負電壓，或者一電線可為一中性線或地線以適於提供所需的連接。電路被示出為由多列及多行導電電線提供，該等導電電線允許藉由光學晶片上之組件完成適當的電路。電性觸點1461、1463提供用於操作低損耗開關1405之電流，其中電性觸點1461與列線1465連接，且電性觸點1463與行線1467連接。電性觸點1469、1471提供與監測光電二極體1407之電性連接，其中電性觸點1469與列線1473連接，且電性觸點1471與行線1475連接。列線1479、1481連接至與光感測器1419及1417相關聯之觸點，且行線1483、1485連接至與光感測器1419、1417相關聯之觸點。

第14B圖繪示畫素1402之一替代實施例，其具有一第一垂直發射體1421及一第二垂直發射體1423。在實施例中，第一垂直發射體1421僅用於發射光學訊號，且第二垂直發射體1423僅用於接收光學傳輸。此可被稱為一雙孔徑結構，而第14A圖中之結構可被稱為一單孔徑結構以作為區分。

畫素尺寸一般而言決定整個晶片大小，此將影響製作產率以及大小與光學效能，此可能影響與自由空間耦合光學器件間之一介面。較大的畫素會涉及較長的傳播距離，此會降低輸出功率、範圍及靈敏度。藉由仔細進行組件最佳化，可達成面積的減小。

在一FMCW系統中，雷射頻率可在具有一最大線性調頻頻寬B之頻率中進行線性調頻，且雷射輸出發送至目標（Tx訊號）。來自目標之反射光與Tx訊號（本地振盪器）之副本在一平衡偵測器對（balanced detector pair）中混合。此將差頻訊號向下轉換。差頻訊號之頻率代表目標距離及其徑向速度。當用一三角波形對雷射頻率進行調變時，可計算徑向速度及距離。雷射頻率之調變可根據如第1B圖所示之一三角波形式，其中週期被稱為線性調頻時間（T），且調變上之頻率變化為線性調頻頻寬（B）。當定向耦合器在二個波導之間分割功率時，該二個訊號在該二個訊號之間建立一差頻。上差頻（up beat frequency）及下差頻（down beat frequency）給出距離及徑向速度。

將雷射輸出（本地振盪器）與自目標反射之延時光學場混合會產生一時變中頻（IF），如第1B圖所示。中頻頻率係為範圍、頻率調變（線性調頻）頻寬（B）及調變（線性調頻）週期（T）之函數，如方程式（1）所示，其中c係為光速。

（1）

二個中頻（即，fdiff_down及fdiff_up）係從由二個接收器接收的訊號的傅立葉轉換（ Fourier transform）以及在傅立葉轉換中選擇與功率譜之峰值對應之中心頻率而獲得的。對於一移動目標之情形，一多普勒頻移將被疊加至中頻（示出為波形斜升中之頻率變化及斜降期間之下降），參見第1B圖。應注意，多普勒頻移為目標徑向速度及軌跡之函數。多普勒（徑向）速度可自以下方程式獲得。

（2）

（3） 其中λ係為雷射波長。物件速度（V）被評估為

，其中

係為物件之一邊緣之雷射波束方向與運動方向之間之角度，此將在以下進一步描述。可使用已知的同調偵測技術從來自平衡偵測器之作為時間之函數的電流和之傅立葉變換中提取差頻（beat frequencies）。

接著，可使用範圍及徑向速度資訊來填充體素。距離係在一特定解析度內確定的。解析度（

）：描述二個可解析之半透明表面之間的最小距離。半透明表面之間小於最小距離將會呈現為單一表面。解析度與調諧頻寬成反比

。距離的確定亦在一特定精度或數值誤差內進行評估。精度（

）：描述量測準確性且取決於所接收的訊號SNR及線性調頻頻寬。在大多數系統中，精度（

）

解析度（

），且由

決定，其中SNR為訊雜比。

在FMCW系統設計中，可選擇雷射晶片頻寬來滿足系統精度要求。一般而言，使用至少約13分貝之SNR，此在B=1GHz時轉化為

精度。為獲得更高的精度，可增加雷射線性調頻頻寬。此精度值代表在SNR最低值之最壞情況值，對於較近的目標或具有更高反射率之目標，接收訊號SNR增加，且因此精度提高。舉例而言，對於相同的線性調頻頻寬1GHz，若SNR自13分貝增加至30分貝，精度會自

增加至

。應注意，若需要更高的精度，則可增加線性調頻頻寬。

利用四維光達輸出改善影像分割

在動態環境中，不論成像視角為何，屬於一移動物件之影像畫素具有類似的多普勒（徑向）速度，但多普勒（徑向）速度之值為角度之一函數，如下所述。因此，在一三維點雲影像中，使用多普勒（徑向）速度對體素進行群集加上體素之空間接近度，使得能夠改善影像之分割，且更準確地定義物件邊界。基於此原理，利用被填充的體素，可辨識物件。具體而言，角分佈中處於近似相同範圍並且以相同速度行進之相鄰點可被分組為同一物件之一部分。相應地，對物件之辨識提供自多普勒速度中回退軌跡。該過程可被安排成以下演算法。

演算法 1. 辨識影訊框中速度倉（Velocity Bins）（Vi ）之數量： a. 對每一群集使用

，其中

為每一群集中徑向速度之變化 2. 對於每一（徑向）速度倉Vi a. 使用例如高斯雜訊模型（Gaussian Noise Model，GNM）、K最近鄰（K-Nearest Neighbor，K-NN）或卷積神經網路（Convolutional Neural Network，CNN）等空間群集技術，定義物件邊界。此操作用於分割相鄰空間位置中具有相似多普勒（徑向）速度之物件。

上述演算法可用於快速辨識單一訊框中之動態物件，而不需要使用來自其他影像框之資訊。

利用四維資料自單一光達訊框估算物件軌跡及速度

在同調光達中，多普勒頻移與被量測之點之徑向速度及軌跡有關。此在第15圖中以二維方式示意性地示出，該圖概述了根據多普勒徑向速度及物件邊界之影像對徑向速度之評估。如上所述，自單一訊框四維影像、體素之分組並使用影像之二個邊緣點來估計二維中之物件軌跡：

方程式4 其中

方程式5

角度

_、

、

、

、

示出於第15圖中，且

以及

。此外，

且

。未知數

及

可根據已知的

、

、

及

來評估。此可使用三維位置影像之一第三點及該第三點之徑向速度被歸納至三維。

參照第15圖，光達1501在其視場中形成一影像，其中法線1503為其視場之中心。利用光達1501對物件1509進行成像，且使用其影像來填充體素。基於多普勒速度及位置，辨識出兩個邊緣且以射線1505、1507標記，射線1505、1507分別相對於法線1503形成角度

、

。

參照第16A圖，影像感測器1600可具有與一雷射晶片1603耦合之一垂直開關陣列1601。在實施例中，垂直開關陣列1601可為一N×M陣列的畫素1605，該陣列具有例如沿水平之40度視場及例如垂直的30度視場。多個影像感測器1600可被聚集成組，以產生具有一增大視場之一較大有效垂直開關陣列。如第16B圖所示，四個影像感測器1600.1、1600.2、1600.3、1600.4彼此並排定位，藉此產生一N×4M陣列的畫素1605。影像感測器1600.1、1600.2、1600.3、1600.4分別具有對應的垂直開關陣列1601.1, 1601.2, 1601.3, 1601.4。每一影像感測器1600.1、1600.2、1600.3、1600.4具有一40度視場1607.1、1607.2、1607.3、1607.4。然而，視場1607.1、1607.2、1607.3、1607.4部分重疊，因此產生大於120度但小於160度之一視場。藉由對更多影像感測器或更少的影像感測器進行配對，可進一步增大或減小視場。如上所述，若陣列在不同的頻率上操作或者若各自的接收器具有足夠低之串擾，則可同時單獨掃描該等陣列。

在本文中描述之垂直陣列開關裝置通常依賴於藉由導通或關斷畫素內之一低損耗開關來對每一畫素進行掃描。在一N×M畫素陣列這類最簡單配置中，訊框速率與陣列中之畫素總數成比例。依序掃描一大的陣列中的每一畫素降低訊框速率。第17A圖至第17C圖示出若垂直掃描陣列之陣列可被形成為其間的串擾足夠低使得分離的陣列能夠在相同或重疊的時間被掃描，則在不減少總畫素數之情況下增加訊框速率之方法。參照第17A圖，一影像感測器1700可包含具有一垂直開關陣列1711之多個光學晶片，該垂直開關陣列1711具有一陣列之發射畫素1707。由雷射1703產生之一光學訊號1701被分成16個，其係藉由將光學訊號1701穿過第一四路分離器1705，而該等四路光學訊號各自穿過一附加的四路分離器1705。因此，單一雷射源1703為16個垂直開關陣列1711提供光學訊號以同時具有16個發射畫素1707。每一發射畫素1707提供一輸出訊號1709，使得能夠同時讀取16個畫素的輸出訊號1709，藉此將訊框速率增加16倍。然而，由於雷射光在16個子陣列1711之間共用，因此來自畫素1707之發射光減少大約12分貝，因此量測範圍減少了約4倍。此種架構對於例如短範圍、高訊框速率之應用而言可為較佳的。為了保持16X的較高訊框速率且同時提高範圍，一種方法為增加雷射功率，例如在分離器之後包含放大器1713以增強訊號，如第17B圖所示。

如第17C圖所示之另一實施例，其係使用多個高功率雷射來增加16個畫素其中之每一者所共用之雷射功率，以適用更長範圍之應用。舉例而言，可使用四個雷射1703.1、1703.2、1703.3、1703.4，其中每一雷射的光學訊號1701.1, 1701.2, 1701.3, 1701.4僅被分成4路，藉此將提供至每一畫素之功率增加四倍。增加的功率消耗及組裝複雜性可能會對可併入行動應用之一多陣列系統中之雷射數量造成一些限制。

舉例而言，為支援一600×400畫素陣列，可使用16個垂直開關陣列。在雷射輸出接著被分成16路以為垂直開關陣列中之每一者提供功率之一配置中，組合的600×400畫素解析度可以20訊框／秒之速率進行掃描。根據該等實例，可清楚如何調整陣列大小來達成一影像感測器之訊框速率。

操作

利用單一垂直耦合陣列，對於每一雷射頻率，一次僅可導通一列中之單一發射畫素，以允許對反射訊號進行量測。若一垂直耦合陣列連接至多色光（無論是多工還是非多工），則可分別掃描不同的雷射頻率用於發射及接收。作為另一選擇，若不同的雷射光源被配置成沿多組列中的不同的列發送光學訊號，則若訊號之間之串擾足夠低，則可單獨地被掃描。畫素之掃描可不沿網格線性進行，且基於開關時間（導通及關斷），在一些實施例中，若連續的導通畫素可在空間上分離，則可出現更少的雜訊、更低的串擾及更短的掃描時間。另一方面，對於感興趣區域之聚焦掃描，自有限的聚焦掃描中獲得足夠的掃描效率，即使每次掃描速率可能略有減慢，相鄰畫素中之依序掃描亦可能極為高效。

在本文中描述之光達系統提供相當大的靈活性及效率，其允許依據觀察到的情況來適應或選擇替代操作週期。會影響對掃描協定之選擇之參數可包含：物件之距離、物件運動之速度、反射訊號之訊雜比等。儘管訊雜比取決於物件距離及所發射的雷射功率如上所述，但其亦可取決於物件之反射率及天氣條件，例如雨或雪可散射大量的出射光及反射光。與虛擬瞬時程式化能力具有一寬範圍的可調節性之能力為一大優點。

本申請案主張Canoglu等人於2021年3月10日提出申請之發明名稱為「基於來自光達之四維點雲資料之改善物件分類之方法以及用於產生四維點雲資料之光子積體電路實施（Method of Improved Object Classification Based on 4D Point Cloud Data from Lidar and Photonic Integrated Circuit Implementation for Generating 4D Point Cloud Data）」之美國臨時專利申請案第63/159,252號之優先權，該美國臨時專利申請案併入本案說明書以供參考。

上述實施例係作為例示性而非限制性而提出的。附加的實施例在申請專利範圍之範圍內。此外，儘管已參照特定實施例描述本發明，但本發明所屬技術領域中具有通常知識者應理解，在不背離本發明之精神及範圍之情況下，可在形式及細節上作出各種變化。上述文獻之任何引用併入皆受到限制，使得不會併入與本文中明確的揭露內容相反之標的。就此而言，在本文中利用組件、元件、成分或其他劃分來描述具體的結構、組成及／或過程，應理解，本文中之揭露內容涵蓋具體實施例、包含具體組件、元件、成分、其他劃分或其組合之實施例以及基本上由此類具體組件、成分或其他劃分或其組合組成之實施例，如在論述中所建議，除非另有具體說明，該揭露內容可包含不改變標的之基本性質之附加特徵。除非另有明確說明，否則本發明所屬技術領域中具有通常知識者能理解本文中使用之用語「約」係指由於特定參數之量測而導致之不精確性。

100、1703.1、1703.2、1703.3、1703.4:雷射 101、1701、1701.1,1701.2,1701.3,1701.4:光學訊號 103:外部調變器 105:透鏡 107、779:目標 109:範圍 111:速度 113:延時光學反射訊號 115:混合器 117:時變中頻 119:軌跡 300、500、600、700、730:垂直開關陣列 301.1、301.2、301.3:光束 400:垂直開關陣列 401:第一光束 403:第一畫素 405:第二光束 407:第二畫素 409:距離 411:透鏡 413:焦距 414:角度 415:二維畫素陣列 417:單一透鏡 419、503.1、503.2、503.3、507、507.1、507.2、507.3:畫素 605、705、735、825、826、845、1000、1400、1402、1605:畫素 421:積體電路 501:微透鏡陣列 503:畫素陣列 505、505.1、505.2、505.3:微透鏡 509.1、509.2、509.3:光束 511:波導 513:基板 515:光學訊號 517:反射器 519:垂直光柵耦合器 521.1、521.2、521.3:透鏡 523、1027:角偏移θ 525、1021、1025:準直波束 527、1023:距離 603、603.1、603.2~603.10:微透鏡 607:積體電路板 609.1、609.2、609.3~609.10、611.1、611.2、611.3~611.10:觸點 613.1、613.2、613.3~613.10:觸點 613:焊料凸塊 615:射出光束 617:射入光束 701:積體光學晶片 703、733:二維畫素陣列 707:列訊號匯流排（波導） 709:輸入訊號匯流排（波導） 711:列調變器 713:輸入調變器 715:光學輸入訊號 717:垂直發射體 719:低損耗開關 737:列訊號匯流排 747:低損耗開關 749、813、831:垂直發射體 739:輸入訊號匯流排 751:列偵測器 770:光達積體（無移動）掃描儀 771:接收器 773、905:光學晶片 775:電子電路板 777:窄線寬雷射 800:積體光學晶片 801:光學開關／光學畫素開關 801.6:光學開關 802:電路板 803:行控制線 803.1:第一行 805:列控制線 805.7:列 807:光學輸入訊號 811:光學列開關／光學開關 811.7:光學列開關 815:電性開關 815.1:3、815.3:3:開關 817:行／光學輸入訊號／輸入訊號 817.1:第一行／光學訊號輸入／輸入訊號 817.2:光學訊號輸入／輸入訊號 817.3:第三行／光學訊號輸入／輸入訊號 818:波導 819:列 819.3:第三列 821、829、903、1304:波導 823、824:列光學開關 827:微環共振器 833:雷射陣列 835.1、835.2:光學輸入訊號 837:雷射／光學輸入訊號 839、1003、1307、1411:列波導 841:模式轉換器 843:調變器 847:V形凹槽反射條 851:控制器 853:處理器 855:電源 901:外部調變器 907、909:電極 911、913:觸點 1001:光學輸入訊號／光學訊號 1005、1405:低損耗開關 1007:畫素波導 1009:V形凹槽反射器 1009.1:第一實施例 1009.2:第二實施例 1009.3:第三實施例 1009.4:第四實施例 1011:V形凹槽 1013:基板 1015:非反射面 1017:反射面 1019.1、1019.2:透鏡 1100:V形凹槽垂直偏轉器 1103:轉向鏡 1105:最小寬度 1107:波導 1109:錐形尖端處 1111:波導寬度 1113:錐形 1200:聚焦光柵垂直耦合器 1201:波導 1203、1210:光柵耦合器 1211:微環 1213:積體光柵 1300、1310:平衡接收器 1301、1303:偵測器 1302:輸入訊號 1305:列波導 1306:偵測波導 1308、1431:畫素波導 1309:定向耦合器 1311:環開關 1312:分離器 1313:輸入訊號 1314:波導 1315:本地振盪器 1317:發射訊號 1318:偵測器波導 1319、1401:垂直偏轉器 1320、1439:參考波導 1321:返回訊號 1325:第一光感測器 1327:第二光感測器 1403:平衡接收器 1407:監測光接收器／監測光電二極體 1417、1419:光感測器 1421:第一垂直發射體 1423:第二垂直發射體 1435:分離器／分接器 1437:傳輸波導 1441:輸入／輸出分離器／分接器／組合器 1443:偵測器波導 1445:輸入／輸出波導 1447:監測波導 1449:定向耦合器 1461、1463、1471:電性觸點 1465、1473、1479、1481:列線 1467、1475、1483、1485:行線 1501:光達 1503:法線 1505、1507:射線 1509:物件 1600、1600.1、1600.2、1600.3、1600.4、1700:影像感測器 1601、1601.1,1601.2,1601.3,1601.4:垂直開關陣列 1603:雷射晶片 1607.1、1607.2、1607.3、1607.4:視場 1703:雷射源／雷射 1705:四路分離器 1707:發射畫素 1709:輸出訊號 1711:垂直開關陣列／子陣列 1713:放大器 B:最大線性調頻頻寬 IF:中頻 LO:參考訊號 T:調變（線性調頻）週期

:角偏移

、

:角度

第1A圖為一頻率調變的連續波（frequency modulated continuous-wave，FMCW）同調（coherent）光達配置之示意圖。

第1B圖為比較一FMCW光達輸出光學頻率、具有多普勒頻移之一接收光學頻率以及一時變中頻（time varying intermediate frequency）之圖表。

第2A圖為捕獲以不同速度運動之4輛汽車及3名行人之單一先前技術LIDAR影像框之俯視圖之實例。

第2B圖為由本發明之一實施例所捕獲之第2A圖所涉情境之影像，其中藉由使用顏色示出每一體素之速度資料。

第3圖描繪自一垂直開關陣列以不同角度出射之光束之俯視圖。

第4A圖描繪自一垂直開關陣列射出並通過單一透鏡的不同角度之光束之側視圖。

第4B圖為具有單一透鏡之一二維畫素陣列之透視圖。

第5A圖為具有一相應微透鏡陣列之一二維畫素陣列之透視圖。

第5B圖描繪畫素及透鏡佈置的相關性與一出射光束之方向之俯視圖。

第5C圖為具有不同透鏡配置之三個實例性畫素垂直耦合器之側視圖。

第6A圖為一垂直開關陣列之透視俯視圖，其示出一第一光束離開一微透鏡及一第二光束進入一微透鏡。

第6B圖為第6A圖之垂直開關陣列之側視圖。

第6C圖為第6A圖之垂直開關陣列之俯視圖。

第7A圖為一垂直開關陣列之示意性佈局，其中每一畫素包含一發射器及接收器。

第7B圖為一垂直開關陣列之示意性佈局，其中該垂直開關陣列在具有一發射器之每列畫素之末端具有一偵測器。

第7C圖為一光達掃描儀之示意性佈局，該光達掃描儀在一常見的互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）積體電路上安裝有發射畫素之一二維波束轉向陣列及一相鄰接收器。

第8A圖為在一垂直開關陣列中具有一網格狀光路徑（grid like optical pathway）之一光學晶片之示意圖，該垂直開關陣列由行波導及列波導產生，且在行與列之交點處具有光學開關。

第8B圖為具有電性控制線之一電子電路板之俯視示意圖，當電子電路板焊接至光學晶片時，該等電性控制線與第8A圖之垂直開關陣列介接。

第8C圖為第8A圖之垂直開關陣列之示意圖，該垂直開關陣列具有一單一光學輸入訊號，其可被路由至陣列中任一列。

第8D圖為一垂直開關陣列之一替代實施例之示意圖，該垂直開關陣列之每一列具有一單獨的光學輸入訊號。

第8E圖為一垂直開關陣列之一替代實施例之示意圖，該垂直開關陣列具有產生輸入光學訊號之一雷射陣列。

第9圖為一實例性外部調變器之示意性部分俯視圖，該外部調變器係由一電子-光學材料沿著一波導形成。

第10圖為具有一V形凹槽及不同透鏡配置之實例性畫素垂直耦合器之側視圖。

第11A圖為一實例性光柵耦合器。

第11B圖繪示一波導錐形及轉向鏡之俯視圖。

第11C圖繪示第11B圖之波導錐形及轉向鏡之側視圖。

第12A圖為在一波導末端離開波導之一錐形段之一實例性光柵耦合器之示意性俯視圖。

第12B圖為一光柵耦合器之替代實施例之示意性透視圖。

第13A圖為一接收器之示意圖，該接收器具有多個平衡偵測器以接收各自的光學訊號，該等光學訊號具有一差頻（beat frequency），該差頻來自一本地振盪器與在一垂直耦合器處接收之一訊號之耦合。

第13B圖示出使用單一垂直耦合器來發射及接收一光學訊號之發射器接收器，在其中一平衡接收器包含一對光感測器。

第14A圖為一畫素之一實例性佈局。

第14B圖為具有二個垂直發射體之一畫素之替代佈局。

第15圖為描繪光達成像過程之圖式，在其中可自單一四維雲影像中提取速度資訊。

第16A圖為具有一雷射晶片及一垂直開關陣列之影像感測器。

第16B圖描繪被配置成覆蓋一更寬視場之四個影像感測器。

第17A圖為具有單一雷射之一實例性影像感測器，該單一雷射被配置成同時照射16個畫素並產生16個同步輸出以提高掃描速率。

第17B圖為第17A圖之影像感測器之一替代實施例，該影像感測器具有單一雷射及用於放大範圍之放大器，其被配置成同時照射16個畫素並產生16個同步輸出以提高掃描速率。

第17C圖為第17A圖之影像感測器之一替代實施例，其具有四個雷射，且每一雷射被配置成同時照射4個畫素，藉此產生16個同步輸出以提高掃描速率。

無

300:垂直開關陣列

301.1、301.2、301.3:光束

Claims (47)

1. 一種光學晶片，包含： 一列可選擇的發射元件，包含：一列饋送光學波導；複數個可選擇的電性致動固態光學開關；一畫素光學波導，與各該光學開關相關聯，被配置成接收經切換之光學訊號；以及一固態第一垂直耦合器，與該畫素波導相關聯，被配置成將該光學訊號導出該光學晶片之一平面。
2. 如請求項1所述之光學晶片，更包含附加的一列或複數列可選擇的發射元件，附加的各列可選擇的發射元件包含：一列饋送光學波導；複數個可選擇的電性致動固態光學開關，與該列饋送光學波導相關聯；一畫素光學波導，與各該光學開關相關聯，被配置成接收該經切換之光學訊號；以及一固態垂直轉向鏡，與一目標波導相關聯，被配置成將該光學訊號導出該光學晶片之該平面。
3. 如請求項2所述之光學晶片，更包含一饋送光學波導、複數個列開關以沿一列饋送光學波導對一光學訊號進行導向。
4. 如請求項2所述之光學晶片，更包含複數個埠，其中各該埠被配置成向一列提供輸入。
5. 如請求項1所述之光學晶片，其中各畫素更包含被配置成接收來自該第一垂直耦合器之光之一平衡偵測器，或者其中各畫素更包含一固態第二垂直耦合器及被配置成接收來自該第二垂直耦合器之光之一平衡偵測器。
6. 如請求項5所述之光學晶片，其中各畫素包含連接至該畫素光學波導並連接至一定向耦合器之一光學分接器，其中該定向耦合器進一步連接至一接收器波導，該接收器波導光學耦合至一光學分離器／耦合器，該光學分離器／耦合器光學耦合至該第一垂直耦合器或光學耦合至該第二垂直耦合器，其中該平衡偵測器包含二個光學偵測器，該二個光學偵測器分別光學連接至來自該定向耦合器之二個輸出波導。
7. 如請求項1所述之光學晶片，更包含一平衡偵測器及一定向耦合器，該定向耦合器被配置成接收來自一第二垂直耦合器及來自一列輸入波導之光，其中該平衡偵測器包含二個光感測器，該二個光感測器被配置成接收來自該定向耦合器之對應臂（respective arms）之輸出，且其中該平衡偵測器位於與一可選擇的光學畫素分離之一接收器畫素內。
8. 如請求項1所述之光學晶片，其中該可選擇的發射元件更包含連接至該畫素波導之一光學分接器，以及被配置成接收來自該光學分接器之光之一監測光感測器。
9. 如請求項1所述之光學晶片，其中該等可選擇的光學開關包含具有熱-光學加熱器之一環形耦合器。
10. 如請求項1所述之光學晶片，其中該第一垂直耦合器包含一垂直耦合器陣列。
11. 如請求項1所述之光學晶片，其中該第一垂直耦合器包含具有一轉向鏡之一凹槽。
12. 如請求項1所述之光學晶片，其中該光學晶片具有以矽覆絕緣體形式形成之矽光子光學結構。
13. 如請求項1所述之光學晶片，其中該光學晶片具有包含

    

    之平面光波電路結構，

    

    。
14. 一種光學成像裝置，包含：一個如請求項2所述之光學晶片及一透鏡，其中該透鏡之位置決定來自一可選擇的發射元件之光之一傳輸角度。
15. 如請求項14所述之光學成像裝置，其中該透鏡覆蓋該等畫素全部，與該光學晶片光發射表面大約間隔一焦距，且在一視場中對來自該等可選擇的發射元件之光以各自的角度進行導向。
16. 如請求項15所述之光學成像裝置，其中該透鏡包含與一個可選擇的發射光元件相關聯之一微透鏡，且更包含多個附加微透鏡，各該附加微透鏡與一單獨的可選擇的發射元件相關聯。
17. 如請求項14所述之光學成像裝置，更包含電性連接至該光學晶片之一電子電路板，其中該電子電路板包含複數個電性開關，該等電性開關被配置成選擇性地導通該等可選擇的光學開關。
18. 如請求項17所述之光學成像裝置，其中一控制器被連接以操作該電子電路板，其中該控制器包含一處理器及一電源。
19. 如請求項17所述之光學成像裝置，其中各畫素包含連接至該畫素光學波導並連接至一定向耦合器之一光學分接器，其中該定向耦合器進一步連接至一接收器波導，該接收器波導光學耦合至一光學分離器／耦合器，該光學分離器／耦合器光學耦合至該第一垂直耦合器或光學耦合至該第二垂直耦合器，其中該平衡偵測器包含二個光學偵測器，該二個光學偵測器分別光學連接至來自該定向耦合器之二個輸出波導，且其中該平衡偵測器電性連接至該電子電路板。
20. 如請求項14所述之光學成像裝置，更包含與該光學晶片相鄰之一光學偵測器，該光學偵測器包含：一定向耦合器，光學連接至一垂直耦合器，該垂直耦合器被配置成接收來自該光學晶片並到達來自一本地振盪器之一光源之反射光；以及一平衡偵測器，包含分別耦合至該定向耦合器之一輸出分支之二個光感測器。
21. 一種用於傳輸光學連續波傳輸之一全景之光學陣列，包含： 一二維陣列的可選擇的光學畫素； 一或多個連續波雷射，向該二維陣列中提供輸入；以及 一透鏡系統，包含尺寸係覆蓋該二維陣列的可選擇的光學畫素之一單一透鏡或者與該等可選擇的光學畫素對齊之一陣列的透鏡，其中該透鏡或該等透鏡被配置成沿與其他畫素之角度不同的一角度對來自該等可選擇的光學畫素之光學傳輸進行導向，使得該陣列的畫素共同覆蓋該視場之一選定的立體角。
22. 如請求項21所述之光學陣列，其中該二維陣列至少為3畫素乘3畫素，且其中該二維陣列的該等光學畫素位於一單一光學晶片上。
23. 如請求項22所述之光學陣列，更包含至少一附加的二維陣列的光學畫素，該二維陣列佈置在一單獨的光學晶片上，並配置有一透鏡系統，使得各光學晶片覆蓋該視場之一部分。
24. 如請求項21所述之光學陣列，其中各該可選擇的光學畫素包含具有一電性連接之一光學開關，使得一電路藉由從該電性連接傳遞至該畫素之功率狀態之一變化來選擇該畫素。
25. 如請求項24所述之光學陣列，其中該光學開關包含一環共振器，該環共振器具有連接至該電性連接之一熱-光學組件或電-光學組件，且其中該可選擇的光學畫素包含一第一垂直耦合器，該第一垂直耦合器係為一V形凹槽反射器或一光柵耦合器。
26. 如請求項25所述之光學陣列，其中該可選擇的光學畫素更包含連接至該畫素波導之一光學分接器以及被配置成接收來自該光學分接器之光之一監測光感測器。
27. 如請求項25所述之光學陣列，其中該可選擇的光學畫素更包含一平衡偵測器及一定向耦合器，該定向耦合器被配置成接收來自該第一垂直耦合器或來自一第二垂直耦合器之光，並接收來自一列輸入波導之光之一部分，其中該平衡偵測器包含二個光感測器，該二個光感測器被配置成接收來自該定向耦合器之對應臂（respective arms）之輸出。
28. 一種快速光學成像器，包含複數個如請求項21所述之光學陣列，其中該等光學陣列被定向成在交錯的時間對同一視場進行成像，以提高整體訊框速度。
29. 如請求項28所述之快速光學成像器，其中該等光學陣列係為4至16個光學陣列，其中該等光學陣列光學連接至1至16個雷射，且其中該等光學陣列電性連接至選擇用於傳輸之畫素之一控制器。
30. 一種高解析度光學成像器，包含複數個如請求項21所述之光學陣列，其中該等光學陣列被定向為對一選定視場之交錯重疊部分進行成像，且一控制器電性連接至該等光學陣列，其中該控制器選擇用於傳輸之畫素，並基於自該等光學陣列接收的影像組合一完整影像。
31. 一種包含一發光畫素之光學晶片，該發光畫素包含： 一輸入波導； 一畫素波導； 一可致動固態光學開關，具有一電性調諧元件，用於將選定光學訊號自該輸入波導切換至該畫素波導中； 一第一分離器，光學連接至該畫素波導； 一固態垂直耦合器，被配置成接收來自該第一分離器之一個分支之輸出；以及 一透鏡，被配置成以相對於該光學晶片之一平面之一特定角度對自該垂直耦合器輸出之光進行導向。
32. 如請求項31所述之光學晶片，更包含一第一光學偵測器，該第一光學偵測器被配置成接收來自該第一分離器之另一分支之輸出，其中該第一分離器係為一分接器，且其中該第一光學偵測器監測被導向一轉向鏡之一光學訊號之存在。
33. 如請求項32所述之光學晶片，更包含配置於該第一分離器與該轉向鏡之間之一第二分離器；被配置成組合光學訊號以獲得來自該第一分離器之一差頻訊號及來自該第二分離器之一接收光學訊號之一差分耦合器；以及包含一第一光感測器及一第二光感測器之一平衡偵測器，其中該第一光感測器及該第二光感測器自該差分耦合器之交替分支接收光學訊號。
34. 一種在無機械運動之情形下在一視場上進行即時影像掃描之方法，該方法包含： 使用在選定時間導通之一陣列中之複數個畫素，並以經同調頻率調變之連續波雷射光進行掃描，以在一影像中之一個網格點提供一量測，其中以近似獨立於來自該影像點中其他網格之反射光的方式對反射光進行採樣；以及 利用該影像中物件之位置及徑向速度之資訊填充一虛擬四維影像之體素。
35. 如請求項34所述之方法，其中該等畫素包含光學開關，該等光學開關可被選擇性地導通以沿該開關特定之一角度投射光。
36. 如請求項35所述之方法，其中使用該畫素中之一平衡偵測器、或者使用與一列可選擇的畫素相關聯之一平衡偵測器，或者與該陣列相鄰之一偵測器來執行對反射光之偵測。
37. 如請求項35所述之方法，其中複數個陣列的畫素被佈置成對該視場之重疊的間隔開的部分進行掃描。
38. 如請求項35所述之方法，其中用於掃描畫素之複數個陣列被定向成對該同一視場進行掃描，以提高訊框速率。
39. 如請求項34所述之方法，其中該掃描係以一雷射波長執行。
40. 如請求項34所述之方法，其中該掃描係以複數個雷射波長執行。
41. 如請求項34所述之方法，其中多普勒頻移被用來確定該影像中每一點之相對速度，其中相對速度及位置被用來對與一物件相關聯之體素進行分組，且其中經分組之該等體素被用來確定該物件速度。
42. 一種使用一同調光學發射器／接收器追蹤一視場中影像演變之方法，該方法包含： 使用一同調連續波雷射光學陣列沿一視場量測四維（位置加上徑向速度）； 基於對一移動物件之辨識，將該視場之一部分確定為一感興趣區域； 藉由對該光學陣列中指向該感興趣區域之畫素進行定址來提供指向該感興趣區域之後續量測；以及 基於該等後續量測獲得該影像之時間演變。
43. 如請求項42所述之方法，其中該光學陣列包含具有可選擇的光學開關之畫素，該等可選擇的光學開關用於導通一畫素，以沿該視場中該畫素特定之一角度發光。
44. 如請求項43所述之方法，其中使用該畫素中之一平衡偵測器，或使用與一列可選擇的畫素相關聯之一平衡偵測器，或鄰近該光學陣列之一偵測器來執行對反射光之偵測。
45. 如請求項43所述之方法，其中複數個陣列的畫素被佈置成對該視場之重疊的間隔開之部分進行掃描及／或被定向成對該同一視場進行掃描，以增加訊框速率。
46. 如請求項43所述之方法，其中藉由使用具有角發射之畫素執行一掃描來執行提供後續量測，該角發射使該等畫素覆蓋該視場中之該等感興趣區域。
47. 如請求項46所述之方法，更包含執行一全視場之附加掃描，並穿插提供後續量測。

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