改进的检测设备和相关联的激光雷达系统的制作方法

1.本发明涉及相干激光雷达成像领域，并且更特别地，涉及在这样的系统中使用的检测器。


背景技术：

2.使用相干激光雷达对场景进行成像利用了激光源的发射的相干性质，以便使用来自与有用信号相干的参考路径的信号来放大由场景反射的有用信号。
3.相干激光雷达的原理在现有技术中是公知。相干激光雷达包括发射相干光波(ir、可见或近uv范围)的相干源(通常为激光器)、允许照射空间体积的发射设备、以及收集由目标t反向散射的光波的一部分的接收设备。反向散射波的多普勒频移取决于目标t的径向速度v：在接收时，所接收的信号频率fs的反向散射光波(被称为信号波s)与所发射的波的尚未穿过场景的部分(被称为lo(本机振荡器)波，其具有本机振荡器频率flo)混合。这两个波的干涉由光电检测器pd检测，并且在检测器的输出处的电信号除了与接收功率和本机振荡器功率成比例的项之外，还具有被称为差拍信号sb的振荡项。该信号被数字化，并且从中提取关于目标t的速度的信息。
4.在图1中示意性地示出的被称为fmcw(调频连续波)激光雷达的调频相干激光雷达中，通常使用周期性线性斜变来调制相关源f的光频率。
5.在光电检测器上干涉的两个路径产生差拍，拍频与两条路径之间的延迟成比例，并且因此与距离成比例
6.更具体地，对于线性斜变，振荡的频率为：
[0007][0008]
其中，b是斜变的持续时间t内的光频率偏移或“啁啾(chirp)”，z是距离并且，c是光的速度。
[0009]
距离z可以从在持续时间t内测量的周期的数量n(n≈tf
r
)导出：
[0010][0011]
距离分辨率为还可以通过经由差拍信号的傅里叶变换的频谱分析来测量f
r
。
[0012]
干涉信号包含一般地大且无用的dc分量，如果感光器是光电二极管，则通过高通电子滤波来去除该分量。在基于光纤的设置中，实际上使用3db耦合器，其基于输入处的两个路径(对象路径和参考路径)提供反相的两个输出信号，这两个输出信号照射串联的两个光电二极管(平衡光电二极管)。检测电路使得可以区分两个光电流，并且因此去除dc(共模)部分，并且检测ac(差拍信号)部分。ac部分一般地在外部由跨阻抗放大器(tia)放大，之后由外部电子设备(例如，示波器)处理，以便测量频率。
[0013]
fmcw激光雷达技术是一种光外差测量技术(也就是说，其涉及多个光频率)。该技
术对杂散的环境光(例如，阳光)高度不敏感。
[0014]
为了产生场景的完整图像，激光雷达使用扫描设备(“卷帘式快门”图像)顺序地扫描场景。
[0015]
实际上，对于高分辨率图像(例如，vga或xga)，难以实现以视频帧速率(通常50hz)获取距离图像，因为在每个点处可用于测量距离的时间非常短。
[0016]
作为逐点测量的代替，公开文献aflatouni"nanophotonic coherent imager"(2015,optics express vol.23no.4,5117)(其也使用fmcw技术)描述了一种设备，其中，整个场景由已经被发散的激光束同时地照射，并且针对整个场景并行地执行光电检测。在该公开文献(参见图2)中，激光源las由调制器mod调频，对象路径照射要分析的对象o，并且透镜l在用集成光器件制造的相干成像器ic上(更具体地，在4x4光耦合光栅res的矩阵阵列上)形成对象的图像。每个光栅res经由波导(参见图3)将耦合光发送到位于图像外部的横向耦合光电二极管pd中。参考路径经由光纤fib并且经由波导和y结的网络直接发送到光电二极管。光电流到电压的转换由用于16个光电二极管中的每一个的跨阻抗放大器tia执行。在电子检测系统sed中，在芯片外部执行电子滤波和信号处理。
[0017]
这种并行检测整个场景的技术在原理上更合适于提高距离图像的获取速率。
[0018]
然而，在aflatouni公开文献中描述的成像器的架构中，相干成像器的构造不容易扩展到大量像素。对于n个像素，需要具有2n个波导(n个用于参考路径，并且n个用于对象路径)，也就是说，对于1000x1000像素成像器，需要2百万个波导，由此在布线和占据空间方面导致很大问题。为了人为地增加其成像器的有效像素数量，作者求助于用成像器的连续机械平移的多个图像捕获技术，这不合适于移动场景。
[0019]
另外，所提出的架构对由来自场景的相干光的反向散射所生成的激光粒度(被称为散斑)敏感。传感器的平面中的对象的图像被散斑粒损坏，散斑粒的横向尺寸值在统计上为：
[0020]
φg＝2.λ.f#
[0021]
其中，f#＝f/d，其中，f是成像物镜的焦距，并且d是其出射光瞳的直径。
[0022]
由于参考路径与受散斑影响的对象路径之间的干涉导致的差拍具有相同的频率，但是在相邻散斑粒之间随机相移。如果像素(也就是说，收集光的矩阵阵列)具有比散斑粒的尺寸φg大的尺寸apix，如图4中的左侧所示，则所产生的振荡的幅度被衰减，并且可能变得不可检测。给定所示的衍射光栅的尺寸(17x17μm)和1.55μm的波长，将需要大的孔径数量(f#>6)以具有大于像素的散斑粒。然而，这样的窄孔径光器件不利于检测相对非反射的对象或者位于相当远的距离处的那些对象，它们将给出非常小的反向散射光子通量；为了补偿，这意味着使用具有更高功率的激光源，并且因此具有更高的电消耗，具有超过眼睛安全极限的风险。因此，对于允许捕获大量光子的宽孔径光器件，1.55μm的眼睛安全波长处的散斑粒的尺寸通常小于像素的光收集表面的尺寸，这呈现检测问题。
[0023]
本发明的一个目的在于通过提出一种用于相干激光雷达的集成检测器来克服上文所述的缺点，该集成检测器与大量像素以及小尺寸的散斑粒兼容。


技术实现要素：

[0024]
本发明涉及一种用于相干激光雷达成像系统的检测设备，所述检测设备包括集成
检测器，所述集成检测器包括分布在n列和m行之上的像素的矩阵阵列，并且包括：
[0025]
‑
光引导件，光引导件被称为参考引导件，光引导件被配置为接收激光束，激光束被称为参考束，
[0026]
‑
n个光引导件，n个光引导件被称为列引导件，n个光引导件耦合到参考引导件，并且被设计为将参考束的一部分路由到检测器的n列中，
[0027]
‑
每个列引导件耦合到m个光引导件，m个光引导件被称为行引导件，m个光引导件分别与列的检测器的m行的m个像素相关联，m个行引导件被配置为将参考束的一部分路由到列的每个像素中，被路由到列的每个像素中的参考束的部分被称为像素参考束，参考引导件与n个列引导件之间的耦合以及每个列引导件与m个相关联的行引导件之间的耦合是无源的，
[0028]
‑
集成检测器的每个像素包括：
[0029]
‑
引导光电二极管，引导光电二极管耦合到光检测引导件，
[0030]
‑
衍射光栅，衍射光栅被称为像素光栅，衍射光栅被配置为将照射像素的束的一部分耦合到引导光电二极管中，照射像素的束的一部分被称为像素耦合束，
[0031]
‑
耦合器，耦合器被称为像素耦合器，耦合器被配置为将像素参考束的至少一部分和像素耦合束耦合到检测引导件中，
[0032]
引导光电二极管因此被配置为接收像素参考束的至少部分和像素耦合束，
[0033]
‑
电子电路，电子电路用于读出由光电二极管检测的信号，并且用于预处理由光电二极管检测的信号，预处理包括放大和滤波。
[0034]
根据一个实施例，检测设备还包括至少一个电子处理电路，至少一个电子处理电路被配置为针对每个像素计算像素参考束与像素耦合束之间的拍频。根据一个选项，每个像素包括其自己的电子处理电路，每个像素的电子处理电路被设计为计算与像素相关联的拍频。根据另一选项，每列连接到电子处理电路，电子处理电路被配置为计算与列的每个像素相关联的拍频。
[0035]
根据一个实施例，参考引导件与n个列引导件之间的耦合以及每个列引导件与m个相关联的行引导件之间的耦合是渐逝性的。
[0036]
根据一个变型，根据本发明的检测设备还包括：
[0037]
‑
透射偏转元件的矩阵阵列，偏转元件与像素或者像素组相关联，并且被配置为能够由电信号单独地定向，以便偏转照射一个或多个像素的一个或多个束，
[0038]
‑
每个像素或像素组还包括控制回路，控制回路与偏转元件相关联，并且被配置为致动偏转元件，以便使由引导光电二极管生成的检测的信号的信噪比(snr)最大化。
[0039]
偏转元件优选地选自棱柱、多面体、球形圆顶和衍射光元件。
[0040]
根据一个实施例，偏转元件的矩阵阵列与集成检测器之间的距离在偏转元件的横向尺寸的一倍与十倍之间。
[0041]
根据另一变型，检测设备还包括与像素矩阵阵列相关联的微透镜矩阵阵列，微透镜被配置为将照射相关联的像素的束聚焦在像素光栅上。
[0042]
根据根据本发明的检测设备的第一变型：
[0043]
‑
像素光栅和像素耦合器是两个不同部件，
[0044]
‑
行引导件连接到像素耦合器，
[0045]
‑
每个像素还包括像素波导，像素波导在上游耦合到像素光栅并且在下游耦合到像素耦合器，并且被配置为将像素耦合束路由到像素耦合器。
[0046]
根据一个实施例，像素耦合器是y结。
[0047]
根据根据本发明的检测设备的第二变型：
[0048]
‑
像素光栅还是像素耦合器，
[0049]
‑
像素光栅在上游耦合到行引导件并且在下游耦合到检测引导件，以便将像素参考束的部分路由到检测引导件中，
[0050]
‑
像素光栅还被配置为在与照射像素的束的方向相反的至少一个方向上将像素参考束的另一部分耦合到自由空间中，像素参考束的另一部分被称为像素对象束。
[0051]
根据另一方面，本发明涉及相干激光雷达成像系统。
[0052]
根据第一变型，激光雷达包括：
[0053]
‑
根据第一变型的检测设备，
[0054]
‑
激光源，激光源被配置为发射具有时间调制的光频率的激光辐射，
[0055]
‑
分束器设备，分束器设备被设计为将激光辐射空间地分为被称为参考束的束和被称为对象束的束，被称为对象束的束被导向要观察的场景，
[0056]
‑
耦合设备，耦合设备被配置为将参考束耦合到集成检测器中，
[0057]
‑
光成像系统，光成像系统通过将由场景反射的束聚焦在检测设备上来产生场景的图像，
[0058]
‑
处理单元，处理单元连接到集成检测器并且连接到激光源，在处理单元不位于集成检测器上时，在需要时，处理单元包括电子处理电路，电子处理电路被配置为确定针对每个像素计算的像素参考束与像素耦合束之间的拍频，处理单元被配置为基于拍频来确定场景的在集成检测器的像素上成像的点的距离。
[0059]
根据一个实施例，分束器设备、耦合设备和集成检测器制造在同一基板上，分束器设备包括集成光路，集成光路被细分为多个波导，每个波导包括至少一个衍射光栅，衍射光栅被称为对象光栅，对象光栅被配置为将激光束的一部分与集成光路的平面解耦，以便形成对象束，并且集成光路被细分为至少一个没有光栅的波导，至少一个波导将参考束引导到检测器，并且形成耦合设备。
[0060]
根据第二变型，激光雷达包括：
[0061]
‑
根据第二变型的检测设备，
[0062]
‑
激光源，激光源被配置为发射具有时间调制的光频率的激光辐射，并且耦合到集成检测器，激光辐射耦合到集成检测器中，从而形成参考束，
[0063]
‑
光成像系统，光成像系统在集成检测器上产生要观察的场景的图像，
[0064]
来自像素光栅并且穿过光成像系统的像素对象束的叠加，用于形成照射场景的对象束，以及
[0065]
由场景反射并且聚焦在集成检测器上的束，用于形成用于每个像素的照射束，
[0066]
成像系统还包括处理单元，处理单元连接到集成检测器并且连接到激光源，在处理单元不位于检测器上时，处理单元包括电子处理电路，在需要时，电子处理电路被配置为确定针对每个像素计算的像素参考束与像素耦合束之间的拍频(f(i,j))，处理单元被配置为基于拍频来确定场景的在检测器的像素上成像的点的距离。
[0067]
下文的描述给出了本发明的设备的多个示例性实施例：这些示例不限制本发明的范围。这些示例性实施例不仅具有对于本发明来说必要的特征，还具有对于所讨论的实施例来说特定的附加特征。
附图说明
[0068]
通过下文的具体实施方式并且参考附图，本发明将被更好地理解，并且本发明的其他特征、目的和优点将变得显而易见，附图通过非限制性示例的方式给出，并且在附图中：
[0069]
[图1]如上所述，图1示出了fmcw调频激光雷达的原理。
[0070]
[图2]如上所述，图2示出了根据现有技术的部分集成fmcw架构。
[0071]
[图3]如上所述，图3示出了由图2中描述的系统执行的相干复合。
[0072]
[图4]如上所述，图4示出了关于像素的散斑几何形状的两种情况，左侧的图对应于散斑粒小于像素的尺寸，并且右侧的图对应于散斑粒大于像素的尺寸。
[0073]
[图5]图5示出了根据本发明的用于相干激光雷达成像系统的检测设备。
[0074]
[图6a]图6a示出了根据本发明的“背侧”(bsi)检测器的一个优选实施例。
[0075]
[图6b]图6b示出了“正侧”(fsi)检测器的一个实施例。
[0076]
[图7a]图7a示出了根据本发明的检测设备的第一变型，其中，像素光栅和像素耦合器是两个不同部件。
[0077]
[图7b]图7b示出了第一变型的像素光栅的截面图。
[0078]
[图8a]图8a示出了根据本发明的检测设备的第二变型，其中，像素光栅还形成像素耦合器。
[0079]
[图8b]图8b示出了第二变型的像素光栅的截面图。
[0080]
[图9]图9示出了根据本发明的检测设备的一个实施例，其包括偏转元件的矩阵阵列。
[0081]
[图10]图10示出了偏转元件的矩阵阵列修改像素平面中的照射束的散斑场的形貌的方式。
[0082]
[图11a]图11a示出了具有棱柱形状的偏转元件。
[0083]
[图11b]图11b示出了具有屋顶形状的多面体形状的偏转元件
[0084]
[图12]图12示出了根据结合了偏转元件的第一变型的检测设备。
[0085]
[图13]图13示出了根据结合了偏转元件的第二变型的检测设备。
[0086]
[图14]图14示出了根据本发明的另一方面的第一激光雷达变型，其包括根据第一变型的根据本发明的检测设备。
[0087]
[图15]图15示出了第一激光雷达变型的一个实施例，其中，分束器设备、耦合设备和集成检测器制造在同一基板上。
[0088]
[图16]图16示出了根据本发明的另一方面的第二激光雷达变型，其包括根据第二变型的根据本发明的检测设备。
具体实施方式
[0089]
图5中示意性地示出了根据本发明的用于相干激光雷达成像系统的检测设备10。
检测设备10包括集成检测器det，集成检测器det包括分布在n列(索引i)和m行(索引j)之上的像素p(i,j)的矩阵阵列。
[0090]
检测器det包括光引导件(被称为参考引导件ogref)，检测器det被配置为接收激光束(被称为参考束lref)。检测器det还包括耦合到参考引导件ogref的n个光引导件ogc(i)(被称为列引导件)，并且n个光引导件ogc(i)被设计为将参考束的一部分路由到检测器的n列中。每个列引导件i耦合到m个光引导件ogl(i,j)(被称为行引导件)，m个光引导件ogl(i,j)分别与列i的检测器的m行(索引为j)的m个像素相关联。m个行引导件被配置为将参考束的一部分路由到列的每个像素中。参考束的到达每个像素的部分被称为像素参考束lref(i,j)。参考引导件与n个列引导件之间的耦合以及每个列引导件与m个相关联的行引导件之间的耦合是无源的。根据一个优选实施例，参考引导件ogref与n个列引导件之间的耦合以及每个列引导件与m个相关联的行引导件之间的耦合是渐逝性的。根据另一实施例，耦合是y结。对于n列中的分布，优选地提供耦合系数(耦合力)以便在第一列与最后一列之间增加，以确保每列中的相似发光强度。这例如通过逐渐地增加定向耦合器中的耦合区域的长度来实现。可以对每列重复相同的原理，以便供应与沿着该列定位的行中的m个像素相关联的m个引导件。
[0091]
在检测器与激光雷达集成时，用被设计为在检测器上提供某一图像质量(关于检测器的特征(例如，像素的数量和尺寸)的几何像差的最小化)的成像系统，在检测器上对要观察的场景成像。
[0092]
集成检测器的每个像素p(i,j)包括耦合到光检测引导件ogd(i,j)的引导光电二极管phd(i,j)。
[0093]
像素还包括衍射光栅(被称为像素光栅rpix(i,j))，衍射光栅被配置为将照射像素的束lo,r(i,j)(经由光成像系统来自场景)的一部分lo,rc(i,j)(被称为像素耦合束)耦合到引导光电二极管phd(i,j)中。像素光栅是例如在波导的表面上蚀刻的光栅。
[0094]
像素还包括耦合器(被称为像素耦合器coup(i,j))，耦合器被配置为将像素参考束lref(i,j)的至少一部分lref’(i,j)和像素耦合束lo,rc(i,j)耦合到检测引导件ogd(i,j)中。
[0095]
用这种构造，引导光电二极管phd(i,j)因此被配置为接收像素参考束lref(i,j)的至少一部分lref’(i,j)和像素耦合束lo,rc(i,j)。
[0096]
使用常规方法，通过对接耦合或通过渐逝耦合将光耦合到光电二极管中。由光电二极管接收的两个束干涉，如上文截止的。
[0097]
最后，像素包括电子电路cept，以用于读出由光电二极管检测的信号的并且用于预处理由光电二极管检测的信号，预处理包括放大和滤波。
[0098]
检测器像素因此由集成光部件(引导件、光栅、耦合器)和集成电子部件(光电二极管)组成。根据本发明的检测器det的基于矩阵阵列并且集成的性质使得其与大量像素兼容，从而可以产生高分辨率的激光雷达图像。具体地，与aflatouni架构相比，每个像素包括其光电二极管的事实使得可以显著地减少在路由束方面以及在由多个波导引起的体积方面的问题。外差混频在此在每个像素中发生。
[0099]
光电二极管在半导体基板(例如，硅、锗、例如asga、ingaas等的iii
‑
v族半导体)中制造。
[0100]
像素光栅通常是蚀刻到波导中的周期性结构。
[0101]
根据一个优选变型，根据本发明的检测器det还包括至少一个电子处理电路，至少一个电子处理电路被配置为针对每个像素计算像素参考束与像素耦合束之间的拍频f(i,j)。在这种情况下，检测器结合了处理电子设备，由此减少从矩阵阵列检测器到外部处理器的数据流，并且使得可以仅针对距离数据而离开检测器。
[0102]
根据该变型的一个优选实施例，每个像素包括其自己的电子处理电路ce(i,j)，每个像素的电子处理电路ce(i,j)被设计为计算与像素相关联的拍频。因此，所有处理都在像素上局部地执行，该处理被称为“全局式快门”处理，这意味着在每个像素和足够尺寸的像素处的高度集成。
[0103]
根据另一实施例，按列执行处理，其被称为“卷帘式快门”处理。为此，每列连接到电子处理电路cc(i)，电子处理电路cc(i)被配置为计算与列的每个像素相关联的拍频。针对行的所有像素(这对应于每列一个像素)逐行地执行读出，从而连续地通过所有行。这种架构限制了像素中的集成约束，从而允许减小其尺寸，同时在检测器的外围上局部地执行处理。
[0104]
在该变型中，在外部单元中仅执行图像后处理。
[0105]
根据另一变型，在外部单元中计算用于每个像素的拍频。
[0106]
对于矩形和正方形形状，像素光栅优选地具有小的表面面积，例如，在一侧上的尺寸为几μm，小于10μm。这允许光栅具有相对高的角度接受度，与来自成像系统的光的角度范围兼容，成像系统通常具有相对宽的孔径，以便恢复最大量的光。
[0107]
小的光栅还使得可以更接近于这种情况，其中，入射到像素上的光的散斑粒与光栅具有相同的数量级，从而使得可以在像素中收集来自单个粒的光。通常，对于1.55μm的波长和3的光成像系统的数值孔径，散斑粒在统计上具有具有大约10μm的尺寸。
[0108]
集成光电二极管phd的矩阵阵列制造在半导体基板sub中和/或半导体基板sub上，在半导体基板sub上布置有互连层il，互连层il是电介质绝缘层，其中形成有迹线和金属过孔(互连im)。
[0109]
图6a和图6b示出了根据本发明的检测器det的两个示例性结构。图6a和图6b中的检测器还包括微透镜ml的可选矩阵阵列。微透镜ml与检测器的像素相关联，并且将照射相关联的像素的束聚焦在光栅rpix上：像素上的所有入射光被重导向到光栅。这些微透镜常规地通过树脂层的流动来制造。
[0110]
图6a基于所谓的“正侧照射”(fsi)成像器的结构示出了检测器det的结构的一个示例。
[0111]
光部件(波导、光栅、引导光电二极管)通常使用用于在硅上制造用于光子的集成电路的已知的微电子技术来形成。在该示例中，通过蚀刻位于沉积在基板sub上的掩埋氧化物(box)层上的硅soi薄层(被称为绝缘体上硅)来制造波导和光栅。这种包括box层和soi层的基板被称为soi基板。通过沉积填充氧化物6和化学机械抛光来平坦化部件。
[0112]
引导光电二极管使用附加的已知步骤，例如，在硅soi上外延生长吸收材料(例如：锗)，注入p区域和n区域，电介质包封以及形成电接触部。
[0113]
在这种fsi构造中，照射经由正面发生，也就是说，经由金属互连所在的基板sub的面发生。检测器的操作所需的所有电子电路(由晶体管、滤波器等组成)可以形成在半导体
表面上(在硅soi层中和/或在硅soi层上)：用于光电二极管的驱动器和读出电路cept、用于测量拍频的信号处理电路ce/cc。
[0114]
图6b基于所谓的“背侧”(bsi)成像器的结构示出了检测器det的结构的一个示例。
[0115]
通过将soi基板/层il组件键合到载体基板sub’/层il’组件，可以制造这种bsi检测器，载体基板sub’/层il’组件可以包括cmos电路(成像器则被称为“3d堆叠的”)，例如，处理电路ce/cc(位于像素中或者外围上)。然后，减薄soi基板，通常直到基板sub(以及可选地box)消失。然后，在工艺结束时可以添加氧化物层5，以便执行“基座”的作用，以便确保微透镜与光栅之间的正确焦距。
[0116]
在微电子领域中已知的这种构造中，光入射在与金属互连相对的基板sub(其被减薄)外部的一侧上。
[0117]
3d堆叠通过将信号处理电路移位到载体基板而允许电子设备设计中的更大自由度。像素的表面面积的较大部分可用于读出电路。
[0118]
与使用非引导光电二极管的常规fsi和bsi架构相比，在上述根据本发明的两种架构中，光基本上在基板的平面中传播。
[0119]
根据本发明的检测器det的像素可以具有两种不同架构。在图7a中示出了检测设备10a的第一变型。在该第一变型中，像素光栅rpix和像素耦合器coup是两个不同部件，并且行引导件ogl连接到像素耦合器coup。像素波导ogpix在上游耦合到像素光栅rpix并且在下游耦合到像素耦合器coup，并且将像素耦合束lor,c路由到像素耦合器coup。在该变型中，整个像素参考束lref(i,j)被导向到耦合器coup。图7b示出了通常被蚀刻到波导ogpix中的像素光栅rpix的截面图。像素光栅将照射像素的束lo,r(i,j)的一部分lo,rc(i,j)导向到波导ogpix(i,j)中。像素耦合器coup优选地为y结。因此然后，分别由其波导ogpix(i,j)和ogl(i,j)承载的对象路径(lo,rc(i,j))和参考路径(lref(i,j))经由y结(coup(i,j))组合，并且经由ogd(i,j)发送到引导光电二极管phd(i,j)。
[0120]
在图8a中示出了检测设备10b的第二变型。在该第二变型中，像素光栅rpix还是像素耦合器coup，也就是说，其执行两种功能，将照射光lo,r耦合到像素中并且与参考束耦合。像素光栅rpix(i,j)在上游耦合到行引导件ogl(i,j)并且在下游耦合到检测引导件ogd(i,j)，以便将像素参考束lref(i,j)的一部分lref’(i,j)路由到检测引导件中。此外，像素光栅还被配置为在与照射像素的束(来自场景)的方向相反的至少一个方向上将像素参考束的另一部分(被称为像素对象束lo(i,j))耦合到自由空间中。
[0121]
在将检测器集成到激光雷达中时，这种架构经由像素光栅rpix允许像素参考束lref(i,j)的双重使用，如图8b中所示。
[0122]
图8b 1)示出了将波lo,r(i,j)耦合到波导ogd(i,j)中以及将耦合波lo,rc(i,j)与像素参考束lref(i,j)的一部分lref’(i,j)叠加的第一函数。
[0123]
图8b 2)示出了第二照射函数：像素参考束lref(i,j)的另一部分不被发送到光电二极管，而是由像素光栅发送到自由空间，以便形成像素对象束lo(i,j)。由所有像素对象束的叠加产生的波穿过成像系统，并且照射要观察的场景。
[0124]
简化了包括根据该第二变型10b的检测器det的激光雷达的架构，基于由激光器生成并且注入到检测器中的单个相干束，检测器既用于照射场景，又用于检测由其反向散射的光。
[0125]
为了能够执行这种双重功能，衍射光栅必须具有高的角度接受度，与来自成像光器件的光的角度范围和参考束的入射角两者兼容。
[0126]
作为示例，光栅的角度接受度为的量级，其中，dc是光栅的宽度。为了对应于来自成像光器件(n＝孔径数)的光的角度范围光栅的尺寸应当使得：dc＜nλ，也就是说：对于n＝3和λ＝1.55μm，dc<5。
[0127]
根据上文描述的两个变型的一个兼容实施例，根据本发明的检测设备10还包括用于将光聚焦在像素中的微透镜的矩阵阵列：微透镜与像素相关联，并且被配置为将照射相关联的像素的束(或者该束的至少一部分)聚焦在像素光栅上。这些矩阵阵列使用已知的微电子学方法制造，例如树脂流或者灰度光刻。
[0128]
根据另一实施例，根据本发明的检测设备10包括对使用波长是透明的透射偏转元件de的矩阵阵列。偏转元件de与像素或者像素组相关联，并且被配置为能够通过电信号单独地定向，以便偏转照射一个或多个像素的一个或多个束。图9示出了用于每个像素有一个元件de的非限制性情况的该实施例。这些元件的功能在于改进由光栅rpix对光的检测。为此，每个像素或像素组还包括与偏转元件de相关联的控制回路sl，控制回路sl被配置为致动偏转元件，以便最大化由引导光电二极管生成的检测的信号的信噪比snr。
[0129]
元件de具有非恒定厚度，并且能够围绕一个轴或者围绕两个轴定向，这一个或多个旋转轴垂直于检测器的平面。优选地，其选自棱柱(围绕一个轴旋转)、多面体、球形圆顶(参见图9，其示出了这三种形状)或衍射光元件。
[0130]
在激光雷达中，来自场景并且入射在偏转元件的矩阵阵列上的束是被认识是主观的散斑场，因为它是由光成像系统在场景的图像中形成的散斑。忽略光系统的几何像差，散斑粒的横向特征尺寸为2.λ.f#，其具有与光系统的艾里斑或衍射斑相同的数量级，从而忽略该光系统的几何像差。
[0131]
偏转元件de的矩阵阵列全局地修改了像素的平面中的照射束的散斑场的形貌，并且特别地修改了散斑粒sg的分布，如图10中所示。φg表示像素平面中的散斑粒的截面的平均直径，其保持与偏转元件的矩阵阵列的上游相同的数量级，给出(参见上文)：
[0132]
φg＝2.λ.f#
[0133]
在偏转元件的取向被修改时，这也修改了散斑粒在像素平面中的分布，并且因此修改了粒相对于光栅rpix的布置，从而允许入射光耦合到波导中。试图将散斑粒集中在光栅上。偏转元件的致动旨在增加由光电二极管phd检测的外差信号。散斑场的这种修改一般地是复杂的，并且难以分析地描述，因为偏转元件以衍射模式操作，也就是说，与它们的相对小的个体横向尺寸以及它们的矩阵阵列组织相关的衍射效应是不可忽略的。
[0134]
实际上，相对于像素表面的局部散斑场被盲修改。散斑在像素表面处的初始分布和最终分布都是未知的。这开始于由光电检测器传递的初始ac信号，其对应于激光雷达的差拍信号(检测的信号的可变分量)。偏转元件的取向在一个方向上被修改：如果ac信号增加，则这继续，并且如果ac信号减小，则其定向在另一方向上。根据旋转元件的旋转轴的数量是一个还是两个，通过在一维或二维的问题中遵循优化算法来寻找ac信号的最佳值。可以达到局部或绝对最大值，但是在任何情况下都高于ac信号的初始值。如果ac信号初始为零或者接近零，则扫描可用空间直到获得信号。因此，由每个光电二极管检测的ac振荡信号
用作用于偏转元件的致动的反馈信号：正是该ac信号在致动偏转元件时被最大化。使ac信号最大化使检测的信噪比最大化，也就是说，通过限制散斑的影响来提高外差效率。
[0135]
在偏转元件与一组n
×
m个像素相关联时，基于由该组像素的光电二极管检测的n
×
m个信号产生反馈，并且优化算法具有n
×
m个输入。元件de的偏转则对应于该组的各个像素之间的折中。
[0136]
在散斑粒的尺寸小于像素的尺寸，达到光栅rpix(dc)的尺寸的数量级，或者甚至稍微更小时，使用偏转元件是特别合适。由于光栅rpix较小(dc从几微米到大约十微米)，因此这种情况对应于相对宽孔径的成像光器件的情况，这是用于感测来自场景的最大光量的优选选项。
[0137]
作为示例，对于λ＝1.55μm和f#＝3，φg～10μm。
[0138]
限制在于光栅表面上一定不能有多个散斑粒。
[0139]
从上文可见，偏转元件采用具有非恒定厚度的板的形状，其能够围绕至少一个水平轴ra枢转，并且在垂直于该旋转轴的方向上由两个横向臂2在侧面上保持，如图11a中所示的棱柱(一个旋转轴)和图11b中所示的屋顶形状多面体。这些臂连接到像素外围上的固定且刚性的框架3。在两个旋转轴的情况下，存在两个框架，并且一个能够相对于另一个枢转(图11b)。
[0140]
致动优选地是静电的，并且使用一组电极。每个偏转元件包括至少两个电极e’1、e’2，它们分别面对布置在检测器表面上的至少两个电极e1、e2，通过在平行于检测器平面的至少一个旋转轴的方向上向电极施加电压来静电地致动偏转元件。电极e1和e2(以及，在需要时，两个附加的电极)位于像素的面对偏转元件的电极的表面处。偏转元件的电极e’1、e’2(以及，在需要时，e’3、e’4，参见图11b)位于偏转元件的上表面上或其内部。
[0141]
像素上的电极可以处于相同电位，并且偏转元件的电极处于不同电位，反之亦然。施加不同的电压使得可以产生垂直定向的电磁场并且使各个电极彼此吸引。
[0142]
允许电极电压的反馈控制的电子部件可以位于cmos中，该cmos与用于该像素或者用于该组中的一个像素(在一组像素具有一个偏转元件)的读出电子设备处于相同的电平。
[0143]
优选地，偏转元件的矩阵阵列与集成检测器之间的距离在偏转元件的横向尺寸的一倍与十倍之间。
[0144]
图12示出了根据第一变型的检测设备10，其结合了这些偏转元件de，并且图13示出了根据第二变型的检测设备10。在第一变型中，仅照射像素的束lo,r(i,j)(来自场景)穿过元件de，而在第二变型中，来自检测器并且被导向场景的一部分lo(i,j)也以相反的方向穿过元件de。
[0145]
根据另一方面，本发明涉及一种结合根据本发明的检测设备的相干激光雷达成像系统。
[0146]
在图14中示出了相干激光雷达20的第一变型，并且其包括根据第一变型的检测设备(光栅和耦合器是两个不同部件)。激光雷达还包括激光源sl，激光源sl被配置为发射具有时间调制的光频率f
l
的激光辐射l。激光源被配置为使得源的相干长度是离场景最远的对象与激光雷达之间的预定最大距离zmax的两倍大，优选地是10倍大。具体地，为了实现相干检测，源的相干长度lc需要大于对象路径与参考路径之间的光程差。操作波长λ通常在0.8μm与10μm之间。在1.3μm与1.55μm之间，特别是1.55μm(具有眼睛安全性)的电信波长是
特别令人感兴趣的。例如，激光源是边缘发射激光器(eel)、或垂直腔面发射激光器(vcsel)、或量子级联激光器(qcl)。eel或vcsel激光器优选地用于在小于3μm的波长发射激光，而qcl则优选地用于在大于3μm的波长发射激光发射。
[0147]
相干激光雷达20还包括分束器设备ls和耦合设备cd，分束器设备ls被设计为将激光辐射l空间地分为被称为参考束lref的束和被称为对象束lo的束，对象束lo被导向要观察的场景obj，耦合设备cd被配置为将参考束耦合到集成检测器中。例如，cd是光纤。
[0148]
激光雷达还包括光成像系统im，光成像系统im通过将由场景反射的束lo,r聚焦在检测设备10上来产生场景的图像。光器件im具有数值孔径f#，数值孔径f#被设计为使得散斑粒的尺寸φg与衍射光栅的(平均)尺寸dc兼容，如上文进一步解释的。最佳情况是在光栅的表面面积小于散斑粒的表面面积时。然而，从上文已经可以看出，宽孔径光器件是期望的，并因此可能达到：
[0149]
2.λ.f#≥dc/2
[0150]
限制在于避免两个散斑粒被同一光栅检测到。
[0151]
检测设备10大致放置在光成像系统的图像焦平面中。根据一个实施例，光成像系统具有远小于场景与检测器之间的典型距离的焦距(在这种情况下，场景被认为是在离光成像系统的视点无穷远处)。光成像系统im是包括限定系统的物理光瞳的孔径光阑diaph的物镜。光成像系统通常由一个透镜或多个透镜(例如，三重高斯)形成。
[0152]
相干激光雷达20还包括处理单元ut，处理单元ut连接到集成检测器det并且连接到激光源sl，并且被配置为基于拍频和基于激光辐射的光频率的调制来确定场景中被成像在集成检测器的像素上的点的距离。其还可以构建场景的瞬时距离图像。距离图像在此被理解为意味着所观察的场景的各个点的距离的映射(每个点对应于不同的像素)。
[0153]
处理单元ut还包括电子处理电路，以用于在其不位于集成检测器上时针对每个像素计算拍频。
[0154]
与现有技术的fmcw激光雷达相比，根据本发明的激光雷达20使得可以创建瞬时图像，其中，在检测器det允许此(“卷帘式快门”操作)条件下，与对于所有像素相同的测量开始和测量结束同时地测量场景的所有点。“卷帘式快门”操作也是可能的，并且然后将逐行地获取图像，这是较慢的，但是允许实施较小的像素。
[0155]
此外，激光雷达20不需要任何用于以快速率扫描场景的束操纵装置。对于以视频帧速率的操作，测量的持续时间通常可以高达20ms的，由此放宽在成像器的速度方面和在由源提供的光频率的调制方面的约束。因此，根据本发明的激光雷达提出了具有高空间分辨率(图像中的点的数量由像素的数量给出)的距离有源成像系统，其相对于可能是“全局式快门”类型的环境杂散光是鲁棒的，并且能够以视频帧速率操作。
[0156]
此外，与常规激光雷达相比，直接将参考束注入到检测器中显著地简化了激光雷达的架构。
[0157]
根据图15中所示的一个实施例，分束器设备ls、耦合设备cd和集成检测器制造在同一基板sub上。这使得可以避免与激光束到检测器中的传输和耦合相关的流动损失。分束器设备包括集成光路oc，集成光路oc被细分为多个波导，每个波导包括至少一个衍射光栅(被称为对象光栅og)，对象光栅被配置为将激光束的一部分与集成光路的平面解耦，以便形成对象束，并且集成光路oc被细分为至少一个没有光栅的波导，至少一个波导将参考束
引导到检测器，并且形成耦合设备。通常是ogref从光路oc延伸到检测器。
[0158]
激光雷达还可选地包括投影系统，以用于将光投影到要观察的场景的预定区域上，随后在检测器上形成要观察的场景的图像，因此该预定区域通常是矩形区域。优选地，光投影系统用角度孔径的圆锥照射场景，角度孔径基本上等于光成像系统的场角(由其焦距和检测器的尺寸确定)。因此，无论场景的距离如何，其图像都对应于检测器的尺寸。光投影系统优选地被设计为均匀地照射场景的预定区域，以便随后确保照射和信噪比，如果场景是朗伯型的，则该信噪比在检测器上是均匀的。
[0159]
激光雷达还可选地包括形光设备，例如，doe(衍射光元件)，其由周期性图案组成，周期性图案具有激光辐射的波长量级的周期，该形光设备布置在光路oc与场景之间，以便允许改进照射的均匀性。
[0160]
图16中示出了相干激光雷达30的第二变型，并且其包括根据第二变型(光栅还形成耦合器)的检测设备，以便执行照射以及将由场景反射的辐射耦合到检测器中的双重功能。激光源sl、成像系统im和处理单元具有与前述激光雷达20类似的特征。
[0161]
激光雷达30不包括分束器设备ls，并且用于将辐射从激光器耦合/传输到检测器的耦合/传输设备cd(使用光纤或集成光器件)是可选的，该辐射能够直接被注入到检测器中。
[0162]
在该变型中，来自像素光栅的像素对象束lo(i,j)穿过光成像系统im(从检测器朝向场景的方向)，像素对象束lo(i,j)然后形成照射场景的对象束lo。由场景反射的束lo,r在相反方向上(从场景朝向检测器的方向)也穿过系统im，束lo,r聚焦在集成检测器上，以便形成用于每个像素的照射束。
[0163]
与激光雷达20的架构相比，激光雷达30具有简化的架构，照射功能被集成到检测器中。
[0164]
系统的一个尺寸通过示例给出：
[0165]
像素尺寸：20μm
[0166]
像素的数量：320x240(qvga格式)
[0167]
检测器尺寸：6.4x4.8mm
[0168]
fov：49x38.
[0169]
焦距：7mm
[0170]
f#：2至3
[0171]
λ：1.55μm
[0172]
φg：6至9μm
[0173]
光栅尺寸：3至5μm
[0174]
在根据本发明的两个激光雷达系统20和30中，要观察的整个场景同时地被照射。不存在用调频束扫描场景，因此不需要用检测器的像素扫描参考束。因此，可以在检测设备的各个光引导件之间使用无源耦合。
[0175]
此外，在根据本发明的两个激光雷达系统20和30中，对两个(参考和对象)路径执行调频。在这种情况下，拍频较低(通常在10hz与10mhz之间，优选地在50hz与2mhz之间)，并且光电检测带宽与简化的信号处理电子设备兼容。