【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于基于fmcw lidar技术来扫描测量距移动或静止物体的距离的装置。此类装置可以例如用于自动驾驶车辆中，且可被实现为不具有移动组件或仅具有非常少移动组件的光子集成电路(pic)。
技术介绍
1、已经提出一种称为fmcw lidar的测量原理，以用于光学测量距离和速度。在fmcwlidar装置中，扫描仪在不同方向上将具有时变频率的光学信号(fmcw表示调频连续波)导向到待测量物体上。在物体处的反射之后，光学信号以低强度返回到扫描仪，且与未发射的信号(通常被称作本地振荡器信号)叠加。所得差频由检测器检测到且允许计算扫描仪与物体之间的距离。如果考虑多普勒频移，那么也可以计算扫描仪与物体之间的相对径向速度。
2、如果要在车辆中使用基于此测量原理的扫描仪，那么所述扫描仪必须非常稳定且可靠。这在自动驾驶车辆的情况下尤其如此，这是由于自动驾驶的安全性很大程度上取决于用于产生环境的三维图像的扫描仪。
3、实施为光子集成电路的扫描仪不需要旋转扫描镜或其它移动组件，且因此尤其适合于车辆中的应用。us2017/0371227 a1和us2019/0377135 a1中更详细地描述此类扫描仪等等。在这些扫描仪中，包括以树状方式布置的若干光学开关的分布矩阵用于将fmcw信号分布到不同的波导到自由空间耦合器。具有其中布置有耦合器的焦平面的准直光学件使从耦合器发出的光学信号准直，且使其在不同方向上辐射。
4、在从物体反射之后返回到扫描仪的光学信号的强度非常低。为了在检测这些信号时获得高信噪比，重要的是
5、高耦合效率的前提条件是用于将光学信号耦合进出波导的波导到自由空间耦合器尽可能精确地位于准直光学件的焦平面中。由于迄今为止，因技术原因，光子集成的波导到自由空间耦合器一直沿着直线或在平面中布置，因此必须使用能够将精确平坦的物体场成像到远场或无穷远的良好校正的准直光学件。因此，这些光学件的物体场是平面的，而不像较简单的光学系统通常的情况那样轻微弯曲。只有使用平面物体场，才可能对所有波导到自由空间耦合器进行最佳定位，且因此获得良好准直的光束以及最小的耦合损耗。
6、然而，具有精确平坦的物体场的准直光学件具有体积大、沉重且昂贵的缺点。
7、为了解决此问题，wo 2021/029969 a1提出在波导到自由空间耦合器与准直光学件之间布置微透镜阵列。微透镜将布置在平面中的波导到自由空间耦合器成像到弯曲场中，所述弯曲场与准直光学件的弯曲物体场重合。尽管波导到自由空间耦合器布置在平面中，但可以使用构造简单的准直光学件，其仅具有几个透镜、尺寸小、重量低并且可以以低成本制造。
8、尽管此现有技术解决方案在准直光学件的大小、重量和成本方面具有显著优势，但事实证明，已在物体处反射并耦合到波导中的光的部分仍然不令人满意。
技术实现思路
1、因此，本专利技术的目标为提供一种对于已经在物体处反射的光具有改进的耦合效率的lidar装置。
2、根据本专利技术，通过用于扫描测量距物体的距离的lidar装置来解决此目标。所述装置包括光子集成电路，所述光子集成电路包括多个光学波导和多个耦合器。每一耦合器与光学波导中的一个相关联，且被配置成将在光学波导中引导的光耦合到自由空间中和/或将在自由空间中传播的光耦合到光学波导中。所述装置进一步包括：准直光学系统，其被配置成使由耦合器发射的光束准直和/或聚集已准直的光束；及多个微透镜。每一微透镜与耦合器中的一个相关联，且形成相关联的耦合器的实像或虚像。耦合器的像布置在准直光学系统的物体场中。每一耦合器具有耦合器数值孔径，且准直光学系统具有大于耦合器数值孔径中的每一个的准直器数值孔径。每一微透镜在指向耦合器的一侧上具有耦合器侧数值孔径，且在指向准直光学系统的一侧上具有大于耦合器侧数值孔径的准直器侧数值孔径。
3、本专利技术是基于以下发现：耦合器与准直光学系统之间的数值孔径(na)的不匹配是对插入损耗的最显著影响。虽然例如光栅耦合器的可用耦合器通常具有较小na，但事实证明，准直光学系统必须具有相对较大的na。只有在此相对较大的na的情况下，才能确保光束具有足够大的直径。如果发射的激光束腰太小，那么光束直径在远场中会扩展到几米。在此类光束的情况下，无法实现所需空间分辨率。
4、通过提供具有小于准直器侧na的耦合器侧na的微透镜，可以减小耦合器和准直光学系统的na之间的不匹配。这产生改进的耦合效率。因此，在物体处反射的光的较高部分可以耦合到波导中且有助于与本地振荡器信号叠加，进而提高信噪比(snr)且因此提高距离测量的准确度。
5、理想地，每一耦合器的耦合器数值孔径至少基本上等于相关联的微透镜的耦合器侧数值孔径，且准直器数值孔径至少基本上等于微透镜的准直器侧数值孔径。在完美的na匹配的此情况下，耦合效率的益处达到其最大值。
6、然而，如果容忍一定的na不匹配，那么也可以实现耦合效率的非常显著的增加。更确切地说，每一耦合器的耦合器数值孔径可以与相关联的微透镜的耦合器侧数值孔径相差小于10％，且准直器数值孔径可以与微透镜的准直器侧数值孔径相差小于10％。举例来说，每一耦合器的耦合器na可以是0.09且相关联的微透镜的耦合器侧na可以是0.1，并且准直器na可以是0.3且微透镜的准直器侧na可以是0.27。尽管有小的na不匹配，但将实现耦合效率的显著提高。
7、为了将较小耦合器na变换成较大准直器na，最容易的方法是使用微透镜，所述微透镜包括具有不同的折射能力的两个弯曲表面。在其它实施例中，微透镜不是折射类型，而是由产生所需光学波前修改的衍射光学元件(doe)形成。
8、通常，由装置发射的光可以被引导通过第一光学波导，且从物体反射的光可以耦合到不同于第一波导的第二光学波导中。参见例如申请人2020年4月14日提交的de 102020110 142。在此类配置中，存在仅将光从第一光学波导耦合到自由空间中的耦合器，和仅将光从自由空间耦合到第二光学波导中的其它耦合器。
9、在其它实施例中，光学波导引导所发射的光和所接收的光两者，使得耦合器也具有双重功能。
10、在一些实施例中，耦合器布置在光子集成电路的表面中且被配置成发射和/或接收光束，所述光束各自具有与局部表面法线形成角度的质心射线，其中所述角度是在5°与70°之间。微透镜的光轴和相关联的质心射线的方向重合，且平行于准直光学系统的光轴。
11、此布置背后的基本原理是，大多数常规的光栅耦合器以及边缘耦合器不垂直于耦合器表面而是倾斜地发射或接收光。换句话说，光束的质心射线不平行于局部表面法线，而是与其形成角度。那么通常优选的是微透镜的光轴与相关联的质心射线的方向重合，因为这确保了最佳耦合效率。光子集成电路的所述表面不必为完全平面的，而是可以是阶梯状的或甚至是弯曲的。
12、然而，通常，所述表面将为平面的。那么优选的是具有带有表面本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于扫描测量距物体(12)的距离的LiDAR装置(14)，其中所述装置(14)包括：
2.根据权利要求1所述的装置，其中每一耦合器(40)的所述耦合器数值孔径至少基本上等于相关联的微透镜(54；54a，54b)的所述耦合器侧数值孔径，且其中所述准直器数值孔径至少基本上等于所述微透镜(54；54a，54b)的所述准直器侧数值孔径。
3.根据权利要求2所述的装置，其中每一耦合器(40)的所述耦合器数值孔径与所述相关联的微透镜(54；54a，54b)的所述耦合器侧数值孔径相差小于10％，且其中所述准直器数值孔径与所述微透镜(54；54a，54b)的所述准直器侧数值孔径相差小于10％。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述每一微透镜(54；54a，54b)包括具有不同的折射能力的两个弯曲表面(58，60)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述表面(62)是平面的且具有表面法线(64)，所述表面法线与所述准直光学系统(44)的所述光轴(42)形成非零角度(β)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述微透镜(54；54a，54b)具有不同的厚度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中每一微透镜(54；54a，54b)被配置成将由所述相关联的耦合器(40)产生的输入角光能分布变换成比所述输入角光能分布更平坦和/或更宽的输出角光能分布。
9.根据权利要求7所述的装置，其中所述输出角光能分布至少基本上是矩形分布。
10.根据权利要求7或8中任一项所述的装置，其中两个或更多个微透镜(54a，54b)与每一耦合器(40)相关联。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中至少一些微透镜(54；54a，54b)具有至少一个非球面透镜表面。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其包括布置在所述微透镜(54)与所述准直光学系统(44)之间的透明平面平行板(70)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述准直光学件(44)的所述物体场(56)是弯曲的。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于扫描测量距物体(12)的距离的lidar装置(14)，其中所述装置(14)包括：
2.根据权利要求1所述的装置，其中每一耦合器(40)的所述耦合器数值孔径至少基本上等于相关联的微透镜(54；54a，54b)的所述耦合器侧数值孔径，且其中所述准直器数值孔径至少基本上等于所述微透镜(54；54a，54b)的所述准直器侧数值孔径。
3.根据权利要求2所述的装置，其中每一耦合器(40)的所述耦合器数值孔径与所述相关联的微透镜(54；54a，54b)的所述耦合器侧数值孔径相差小于10％，且其中所述准直器数值孔径与所述微透镜(54；54a，54b)的所述准直器侧数值孔径相差小于10％。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述每一微透镜(54；54a，54b)包括具有不同的折射能力的两个弯曲表面(58，60)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述表面(62)是平面的且具有表面法线(64)，所述表面法线与所述准直光学系统(44...
【专利技术属性】
技术研发人员：V·布拉尼克，M·佩施卡，H·蒙茨，
申请(专利权)人：司康纳光电子有限公司，
类型：发明
国别省市：
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