用于对光检测和测距系统中来自多个孔径的相干检测进行管理的装置和方法与流程

1.本公开涉及光信号检测系统和方法，比如光检测和测距(light detection and ranging，lidar)装置和使用该装置进行检测的方法，并且更具体地涉及用于对lidar系统中来自多个孔径的相干检测进行管理的装置和方法。


背景技术：

2.各种类型的lidar系统使用各种场景重建技术进行操作。在一些系统中，焦平面阵列被用于成像配置中，其中，视场的不同部分被成像在阵列的不同的相应元件上。在一些系统中，相干检测是通过混合来自不同元件的光信号以选择给定方向来使用的，该给定方向通过元件之间可变的物理相移可调节，但是来自这种相干检测的振幅和相位信息的使用可能以各种方式受到限制。


技术实现要素：

3.在一个方面中，通常，装置包括：第一光源或端口，用于提供对视场进行照明的调制照明光波；第二光源或端口，用于提供与所述调制照明光波具有限定相位关系的参考光波；孔径阵列，其包括布置在一个或多个维度上的多个孔径，并且其被配置为接收光波前，所述光波前包括对所述视场的至少一部分的贡献，其中：所述孔径中的两个或更多个中的每一个被配置为接收所接收的光波前的相应部分，并且所述孔径阵列中的至少两个不相邻的孔径被配置为对所接收的光波前中包括有来自所述视场的同一部分的贡献的相应部分进行接收，并且所述孔径中的两个或更多个中的每一个被耦合到相应的光混合器，所述光混合器用相应的本地振荡器光波相干干涉所接收的光波前的相应部分，其中，每个相应的本地振荡器光波来自于所述参考光波，使得对于每个相应的孔径，(i)在所述第二光源或端口和所述相应的光混合器之间，以及(ii)在所述相应的孔径和所述相应的光混合器之间，相应的组延迟差(respective differences in group delay)基本相等。
4.所述装置还包括处理模块，所述处理模块被配置为处理从所述光混合器的输出检测到的电信号，所述处理包括：对于多个所述光混合器的每个光混合器，根据该光混合器的至少一个输出端检测到的至少一个电信号确定至少一个相位或振幅信息，基于来自于多个所述光混合器的至少两个光混合器的相位或振幅信息，确定与所述视场的第一子集相关联的第一基于方向的信息；根据所述第一基于方向的信息确定第一距离信息；基于来自于多个所述光混合器的至少两个光混合器的相位或振幅信息，确定与所述视场的第二子集相关联的第二基于方向的信息；以及根据所述第二基于方向的信息确定第二距离信息。
5.在另一方面，通常用于管理来自多个孔径的相干检测的方法包括：从第一光源或端口提供对视场进行照明的调制照明光波；从第二光源或端口提供与所述调制照明光波具有限定相位关系的参考光波；在孔径阵列处接收光波前，所述光波前包括对所述视场的至少一部分的贡献，所述孔径阵列包括布置在一个或多个维度上的多个孔径，其中：所述孔径
中的两个或更多个中的每一个被配置为接收所接收光波前的相应部分，并且所述孔径阵列中的至少两个非相邻孔径被配置为对所接收的光波前中包括有来自所述视场的同一部分的贡献的相应部分进行接收，并且所述孔径中的两个或更多个中的每一个被耦合到相应的光混合器，所述光混合器用相应的本地振荡器光波相干干涉所接收光波前的相应部分。
6.从所述参考光波导出每个相应的本地振荡器光波，使得对于每个相应的孔径，(i)在所述第二光源或端口与所述相应的光混合器之间，以及(ii)在所述相应的孔径和所述相应的光混合器之间，相应的组延迟差基本相等。
7.所述方法还包括：在处理模块中处理从光混合器输出中检测到电信号，处理过程包括：对于多个光混合器的每个光混合器，根据该光混合器的至少一个输出端检测到的至少一个电信号确定至少一个相位或振幅信息，基于来自于多个所述光混合器的至少两个光混合器的相位或振幅信息确定与所述视场的第一子集相关联的第一基于方向的信息；根据所述第一基于方向的信息确定第一距离信息；基于来自于多个所述光混合器的至少两个光混合器的相位或振幅信息，确定与所述视场的第二子集相关联的第二基于方向的信息；以及根据所述第二基于方向的信息确定第二距离信息。
8.在另一方面，通常，装置包括：第一光源或端口，用于提供对视场进行照明的调制照明光波；第二光源或端口，用于提供与所述调制照明光波具有限定相位关系的参考光波；孔径阵列，包括布置在一个或多个维度上的至少40个孔径，并且其被配置为接收光波前，所述光波前包括对所述视场的至少一部分的贡献，其中：所述孔径中的两个或更多个中的每一个被配置为接收所接收光波前的相应部分，所述孔径阵列中的至少两个非相邻孔径被配置为对所接收的光波前中包括有来自所述视场的同一部分的贡献的相应部分进行接收，并且所述孔径中的两个或更多个中的每一个被耦合到相应的光混合器，该混合器将所接收的光波前的相应部分与相应的本地振荡器光波进行相干干涉，所述本地振荡器光波是从所述参考光波导出的；以及处理模块，其被配置为处理从所述光混合器的输出检测到的电信号，处理过程包括：对于多个所述光混合器的每个光混合器，根据该光混合器的至少一个输出端检测到的至少一个电信号确定至少一个相位或振幅信息，基于来自于多个所述光混合器的至少两个光混合器的相位或振幅信息，确定与所述视场的第一子集相关联的第一基于方向的信息；根据所述第一基于方向的信息确定第一距离信息；基于来自于多个所述光混合器的至少两个光混合器的相位或振幅信息，确定与所述视场的第二子集相关联的第二基于方向的信息；以及根据所述第二基于方向的信息确定第二距离信息。
9.这些方面可以包括以下一个或多个特征。
10.所述调制照明光波具有频谱，所述频谱包括在可调谐频率处的峰值，以提供调频连续波(frequency modulated continuous wave，fmcw)照明光波。
11.所述调制照明光波是脉冲信号。
12.所述调制照明光波由两个波长的光交替形成。
13.所述调制照明光波具有覆盖不同频带的频谱。
14.相应的组延迟差，(1)在所述第二光源或端口与所述相应光混合器之间，以及(2)在所述相应的孔径与所述相应光混合器之间，对应小于10cm或小于1cm的光路长度差。
15.所述第一基于方向的信息和所述第二基于方向的信息被进一步处理为分别测量来自所述视场的所述第一子集和所述第二子集的光的第一强度和第二强度。
16.所述第一基于方向的信息和所述第二基于方向的信息被进一步处理以测量分别对来自所述视场的所述第一子集和所述第二子集的光进行反射的物体的相对速度。
17.并行地确定所述第一基于方向的信息的至少一部分和所述第二基于方向的信息的至少一部分。
18.所述照明光波被设置为同时对整个所述视场进行照明。
19.所述照明光波被设置为随时间扫描所述视场的不同部分。
20.所述孔径阵列中的一个或多个孔径用于发射所述照明光波的至少一部分。
21.所述装置还包括：不包括在所述孔径阵列中的至少一个照明孔径，其中，所述照明孔径被配置为发射所述照明光波的至少一部分。
22.所述孔径阵列的孔径位于一个规则间隔的矩形网格。
23.所述孔径阵列的孔径位于一个规则间隔的极坐标网格。
24.所述孔径阵列的孔径被设置为米尔斯十字(mills cross)结构。
25.所述孔径阵列的孔径被设置为伪随机结构。
26.所述孔径阵列由成像传感器的像素限定。
27.各个所述混合器被配置为通过使用所述参考光波的90
°
移位副本来提供同相/正交(in-phase/quadrature，i-q)检测。
28.各个所述混合器被配置为在多模干涉耦合器中通过使用与所述参考光波的干涉来提供同相/正交(i-q)检测。
29.所述混合器通过以下各项至少之一来实现：部分透射层、定向耦合器、渐逝耦合器、多模干涉耦合器或光栅耦合器。
30.所述处理模块被配置为补偿所述孔径阵列中孔径之间的相对相位的误差，相对相位的误差至少部分地基于所述调制照明光波的调制模式进行估计。
31.所述处理模块被配置为补偿所述孔径阵列中孔径之间的相对相位的误差，相对相位的误差至少部分地基于利用预定的波前获得的校准数据进行估计。
32.所述处理模块被配置为补偿所述孔径阵列中孔径之间的相对相位的误差，相对相位的误差使用测量所述装置和/或所述装置的环境中的温度和/或温度梯度的传感器进行估计。
33.所述处理模块包括模拟到数字转换部件。
34.所述处理模块包括数据串行器。
35.所述处理模块包括通过光纤链路进行数据输出的电光换能器。
36.所述第一光源或端口与所述第二光源或端口提供来自单个公共光源的光。
37.所述第二光源或端口通过对馈送到所述第一光源或端口的光进行相位调制来提供光。
38.所述第一光源或端口通过光扩散元件对所述视场进行照明。
39.这些方面可以具有以下一个或多个优势。
40.用于多个孔径的相干检测可以使用单个本地振荡器以保持所述孔径之间的相对相位信息，并且可以允许通过单点采集的数字后处理来选择所述视场内的任何方向，而不需要物理波束控制。
41.所需波前或波束方向的重构可以在后处理中执行，例如数字后处理。
42.所述阵列中每个孔径的振幅和相对相位信息可以被数字化记录和存储，并可以组合产生虚拟的波束控制和图像扫描效果。
43.外差检测可以用来提取多个孔径之间的相位信息，并在复数域中对这些信息进行处理，以分离不同的观察方向。可以针对每个方向解析所述视场的不同部分的多个贡献的距离和强度，并且以这种方式可以重建关于所述视场中的体积的层析成像信息。
44.所描述的技术与集成光学器件实施方式兼容。
45.可以使用技术来最小化和估计相位误差，这些误差可以被补偿，以促进系统的良好性能。
46.在允许的眼睛安全标准内，可以同时成像完整的视场，从而允许宽视场照明，并因此具有更高的照明功率。
47.由于可以承受较高的照明功率，可以实现更快的成像、更长的范围和/或更高分辨率的成像。
附图说明
48.为了补充所做的描述，并且为了帮助更好地理解本发明的特征，根据本发明的实际实施例的优选示例，附上一组附图作为所述描述的组成部分，其中，具有说明性和非限制性的特征，表示如下：
49.图1a和1b示出通过本地振荡器分别使用平衡检测和非平衡检测来产生干涉的示例性相干检测方案的示意图。
50.图2a和2b示出了其中本地振荡器与输入场的两个副本混合的示例性相干检测方案的示意图。
51.图3示出了一个示例性接收子系统的示意图。
52.图4示出了一个示例性接收子系统的示意图。
53.图5示出了一个示例性接收子系统的示意图，其中每个混合器分配了一个具有均衡臂长度的本地振荡器。
54.图6示出了一个具有均衡臂长度的本地振荡器的掩模布局的示意图，其中孔径的分布限定了两个同心圆。
55.图7示出了长度相等但在水平方向上移位的两个波导段的示意图。
56.图8示出了一个示例性lidar系统的光学配置示意图。
57.图9a和9b示出了孔径的平面布置的球面辐射图案的角度分布的三维图。
具体实施方式
58.lidar系统(或lidar系统)的各种示例可以合成孔径来实现，该合成孔径由耦合到接收子系统的接收波导中的检测阵列的多个单独收集孔径的已知空间分布来形成。
59.在每个电磁波被耦合到相应的接收波导之后，在每个孔径处收集的电磁波场(或“收集场”)与本地振荡器(local oscillator，lo)场混合，以使得可以推断孔径的输入处收集场的相位信息并可以测量孔径之间的相对相位差。
60.这可以通过引入同相/正交(iq)光学解调器来实现，例如，该解调器使用两个90
°
相移的本地振荡器。替代性地，本地振荡器可以相对于在孔径处所收集的场的频率进行频
率移位，以使得可以相对于由频率移位产生的载波频率来测量在孔径处所收集的场之间的相对相位差。
61.在图1a和1b中示出了检测选项示例。在图1a中，相干探测器(或“混合器”)(100a)包括2
×
2耦合器(102)(例如，多模干涉(multimode interference，mmi)耦合器)，2
×
2耦合器用于产生来自lo源(104)的本地振荡器(lo)和在输入孔径(101)处所收集的场的外差混频。两个探测器(106a)和(106b)(例如，诸如光电二极管的光探测器(photodetector，pd))用于产生检测到的光干涉信号的180
°
移位版本，从而产生光电流，所述光电流通过平衡检测被求和以产生表示差模信号的电流。这具有抑制信号中的可增加噪声和干扰的共模元素的优点。
62.替代性地，在图1b中，相干探测器(100b)包括单个探测器(106c)(例如，诸如光电二极管的光探测器)，这可以提供更好的简化，带来了损失共模抑制效果这一折中。这种非平衡检测方案代替平衡检测方案的潜在缺点是，如果本地振荡器场和收集场是相同频率的，则依赖于信号振幅和信号之间的相移的、探测器(106c)上干涉的dc(direct current，直流电)分量将与主要依赖于本地振荡器振幅的、非平衡检测的非干涉dc分量混合。如果例如由于lo的频率调制而在两者之间存在频移，则可以解析收集场的相位和幅值两者。
63.在任何给定的实施方式中，所限定的耦合器(102)可以是mmi耦合器、渐逝(evanescent)耦合器或任何其他形式的合适的耦合器。为了提高系统的灵敏度以及增加系统的有效范围，必须减小这些器件的过度损耗。相对于例如相控阵中通常使用的长二叉树，在收集孔径和探测器之间的减少数量的器件有助于减少器件过度损耗的影响。
64.所使用的电磁波可以具有落在特定光波长范围内(例如，在约100nm至约1mm之间，或其某些子范围内)的峰值波长，本文中也简称为“光”。
65.光电探测器可以通过pin光电二极管、雪崩光电二极管、光电倍增管和其他适合应用的光敏器件来实现。特别地，它们至少对用于lidar系统的光波长敏感，并且具有足够的带宽以允许读出感兴趣的信号。这些光电探测器的暗电流和量子效率可以被优化以最大限度地提高系统灵敏度和量程。
66.参考图2a，在相干探测器(200)的替代实施方式中，2
×
2耦合器(202a)从lo源(204)接收lo光波，并产生本地振荡器的两个版本，其相对于彼此移位90
°
。在相应的2
×
2耦合器(202c)和(202d)中，这些移位的lo分别与由1
×
2分路器(202b)产生的输入场的两个副本混合以获得iq解调，该分路器将来自输入孔径(201)的输入场分路为两个输出，其在两个输出之间不产生相移。耦合器(202a)、(202b)、(202c)和(202d)可以是例如mmi耦合器。在这种情况下，四个探测器(206a)、(206b)、(206c)和(206d)(例如，诸如光电二极管的光探测器)用于i和q通道中每个通道的平衡检测。
67.利用这种构造，可以在不需要频移载波的情况下恢复相位。单混合器方案中的不平衡检测也是可能的，但有类似的限制。图2b示出相干探测器(210)的另一替代实施方式，其中使用2
×
4耦合器(212)代替两个分离的2
×
2耦合器(202c)和(202d)。在该实施方式中，2
×
4耦合器(212)是mmi耦合器，该mmi耦合器将来自输入孔径(201)的入射场与来自lo源(204)的lo混合，从而在四个探测器(206a)、(206b)、(206c)和(206d)处具有适当的相移。
68.为了扫描包括多个收集孔径的检测阵列的合成孔径所覆盖的视场，并恢复在视场中反射光的物体的表示(例如，3d云图)，在每个收集孔径处相量的数字化版本被组合。该组
合有效地限定了与视场内的期望方向相对应的虚拟波前。由于这是一个数值计算，通过调整复数域中的相移，可以同时对lidar系统视场内所有可能的接收方向进行计算。这对应于复数矩阵乘法，其可以通过串行计算进行，例如使用计算机的cpu(central processing unit，中央处理器)，或者可以通过并行计算进行，例如使用fpga/gpu(field programmable gate array/graphics processing unit，现场可编程逻辑门阵列/图形处理器)硬件。这些或各种计算模块中的任何一个可用于任何串行计算、并行计算或串行与并行的组合计算。
69.在不受理论约束的情况下，作为可用于执行某些计算的某些方程的公式的一个例子，对于视场中的一个期望方向(θj,φj)，相对于本地振荡器基准，应用于阵列上坐标(xi,yi,0)的特定孔径并具有相位误差ξi的相移可表示为：
[0070][0071]
如果a是阵列中所有孔径处复振幅的矩阵，计算模块可以如下重建视场：
[0072]
f＝a
·m[0073]
并且，统一的变换矩阵可以表示为：
[0074][0075]
其他变换矩阵也是可能的，其中引入一系列振幅因子来锥化阵列的等效辐射图案。在具有规则间距的线性阵列中，一些特征设计包括从阵列中心起的三角形状和二项分布形状的场强。这些设计以更宽的主辐射瓣为代价来抑制次级瓣。另一种设计可以基于采用多尔夫(dolph)变换或泰勒(taylor)变换的切比雪夫(chebychev)多项式，其允许在最小化主瓣宽度的同时设置次瓣的上边界。
[0076]
收集孔径的空间分布与天线相控阵设计的采样问题类似。根据所需的天线方向图和波瓣轮廓，不同的配置是可能的。收集孔径阵列的示例布置可以包括诸如圆形阵列、矩形网格等布置，这些布置可以类似于使用天线阵列的系统(例如，雷达系统)那样使用。在一些实施方式中，孔径的数量足够大，以使得能够进行非平凡场景的高分辨率成像，以及使得能够进行用于远距离成像(例如》300m)的足够光收集。
[0077]
在一些实施方式中，孔径可以布置在能够通过施加磁力而自行组装的非平面结构的子单元上，如在2019年5月3日提交的美国临时申请专利序号62/842,924中更详细的描述，该专利通过引用并入本文。例如，在平面衬底上制造多个子单元，其中每个子单元包括：光学感测结构，其被配置为接收撞击在一个或多个子单元上的光波前的至少一部分；以及一种材料，该材料在与至少一个相邻子单元的边界附近形成铰链的至少一部分。在至少三对不同的子单元中的每一对之间的相应边界上移除衬底的至少一部分，以使每对中的子单元之间的相对运动受到由材料形成的铰链之一的约束。一个或多个致动器被配置为施加力以将多个子单元的连接网络折叠成非平面结构。
[0078]
例如，如果包含所述lidar系统的部件的装置通过集成光学器件实现，则波导和孔径的布置可在晶片表面的平面内完成，并且波导末端的光学元件可用于将光辐射偏转离平面(例如，垂直于晶片表面)。此类光学元件可包括光栅耦合器、蚀刻45
°
镜、3d打印微镜或外部微镜等。此外，例如微透镜的衍射元件可以引入到设计中，以适应美国公开号2017/0350965a1中所描述的设计的视场，该公开通过引用并入本文。这些微透镜可以使用灰度光刻、抗回流(resist reflow)、压印成型或3d打印技术以及其他方法来生产。
[0079]
在集成光学器件实施方式中，光电二极管和电子放大器(例如，跨阻放大器(transimpedance amplifier，tia))可以在同一衬底上生产，从而最小化系统成本并减小器件占地面积。这可以通过应用cmos(complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体)兼容技术来实现。例如，电子器件可以使用cmos工艺制造，波导可以使用硅、二氧化硅、氮化硅或氧氮化硅在电子器件层的顶部制造。例如，可以使用生长在硅片上的锗来制造更长波长的光电探测器，或者如果波长允许，通过cmos平台上可用的硅探测器来制造光电探测器。
[0080]
用于所述lidar系统的一些实施方式的电子器件可包括一个或多个放大级，所述放大级被配置为给所述装置中的每个探测器或探测器对提供足够的跨阻增益。一旦放大，信号就可以被数字化和数字处理(例如，根据上面的等式)以产生对应于视场上的每个期望的观察方向的独立数据流。然后可以使用在一些其他lidar系统中使用的深度提取(或距离提取)算法来处理这些数据流以提取深度信息(也称距离信息)。在啁啾或调频连续波(fmcw)系统中，深度被编码为本地振荡器与接收光的频率之间的瞬时频率差。在其他方案中，可以应用在两个波长之间切换时的相位差或用于具有外差检测的脉冲方案的时间测量。
[0081]
数字处理电子器件可以制作在与光学器件相同的衬底上，或者可以在单独的专用器件例如asic(application specific integrated circuit，专用集成电路)芯片上实现。现成的部件也可用于此目的，如fpga、dsp(digital signal process，数字信号处理)或运行在cpu或gpu上的软件实施方式。图3示出了数字信号处理(dsp)模块300的示例，其被耦合到iq探测器(302a)
…
(302b)的阵列(用于孔径阵列中相应的孔径)，所述iq探测器阵列可以集成在同一装置上，或者以其他方式组合在接收子系统中。iq探测器(302a)包括一对用于同相(i)分量的光电二极管(304a)和一对用于正交(q)分量的光电二极管(304b)。来自光电二极管(304a)和(304b)的信号由相应的tia(306a)和(306b)放大，其由相应的dac(digital to analog converter，数模转换器)(308a)和(308b)转换到数字域。类似地，iq探测器(302b)包括一对用于i分量的光电二极管(304c)和一对用于q分量的光电二极管(304d)。来自光电二极管(304c)和(304d)的信号由相应的tia(306c)和(306d)放大，其由相应的dac(308c)和(308d)转换到数字域。
[0082]
由多个收集孔径的通道数目、特定场景的视场上的扫描范围和/或场景获取速率产生的数据吞吐量可以很大。在一些应用中，用于实现所描述装置的相同光子学平台可用于编码信息并以光学方式将信息发送回系统的其余部分。
[0083]
例如，这可以通过基于pin器件中载流子注入的快速调制器或通过其他电光效应来实现。图4示出了接收子系统的示例，其中来自(用于孔径阵列中相应孔径的)iq探测器(402a)
…
(402b)阵列的数据被耦合到串行器(404)，在串行化输出被来自外部光源(408)的光学载波上的调制器(406)进行振幅调制之前，该串行器在芯片上串行化数字信号。然后，直接检测光电转换器(410)和解串器(412)可以将数字信号提供给dsp模块(414)。
[0084]
使用波分复用通过隔离器/耦合器以分离两个传播方向或使用时间复用等技术，该片上光通信信道可以在用于向装置提供本地振荡器的相同光路上被复用。替代性地，单独的物理路径可以用于编码的光学信息，该单独的物理路径的类型可以不同于用于提供发射光和收集光以及本地振荡器光的激光器的单模光纤。例如，用于编码的光信息的该单独
路径可以是多模光纤。这种数据的光纤通信可以将与感测元件的接口简化为少许功率/控制电信号以及一根或两根光纤。
[0085]
波导的布置可以被配置为改善器件的性能。光子集成电路(photonic integrated circuit，pic)中的集成光学器件具有现代光刻技术所能达到的精度优势，其精度可以显著优于100nm。在一些实施方式中，代替光子集成电路中的集成光学器件或除了光子集成电路中的集成光学器件，可以使用体光学器件和/或光纤来组装器件。但是，在将lidar系统的所有主要光学部件集成到pic中的一些实施方式中，由这样的实施方式所允许的尺寸和公差可能有助于更稳定的系统，并且信息可能更容易恢复。
[0086]
另一种可能的实施方式是使用具有足够分辨率和令人满意的波导质量的3d打印技术来制作分配网络。充分的指数对比度来实现弯曲和低损失可能是实现这种系统的一个因素。用于提供混合功能的耦合器可以使用类平面结构或真3d部件如光子灯笼(photonic lantern)来制造。3d打印的波导可以在混合到合适的探测器阵列后被引导。
[0087]
在fmcw系统的情况下，在一些实施方式中，对于阵列中的所有通道，首先，在连接每个孔径和相应的混合器输入的每个光路之间，以及其次，在连接本地振荡器的公共输入到产生干涉的耦合器的光路之间，路径长度差基本相等。这将使在fmcw系统的波数啁啾特性中通道之间的相移最小化，并将减少对上述变换矩阵的校准和数字补偿的需要。类似地，在特别影响本地振荡器光波长的其他光源调制方案中，路径长度差可被最小化，以避免在孔径之间的相对相位测量中引入阻碍合适方向恢复的依赖调制的相位误差。
[0088]
臂长的相等也有助于提高温度敏感性。一些可以用来实现这个示例系统的材料，如单晶硅，具有中等到高的热光效应。如果从本地振荡器输入到每个混合器的长度，或者从孔径到混合器的长度不同，温度变化可能会在阵列中引起不可控的相移，导致校准损失。对于1.3μm下热光系数为2.4
×
10-4的硅，假设阵列中可接受的最大相位误差为λ/100，则在1.3μm波长下，最大可容忍路径长度差可选择为每1k可容忍温度变化不大于54μm。如果芯片不需要加热，且必须在-20℃至80℃的温度范围内工作，则最大允许路径长度差可选为不超过0.54μm。
[0089]
在该装置与散发出热的电子器件或电光部件一起封装或制造的情况下，可以额外注意以减少结构中的任何热梯度。替代性地，具有较低热光系数的材料，例如氧化硅、氮化物或氧氮化物，可以用于所有波导或用于光学电路的某些部分。此外，一个或多个温度传感器可以包括在用于制造该单元的衬底上，以便估计相位误差以及能够在后处理中对相位误差进行补偿。
[0090]
针对总振荡器的总路径长度的相等可以通过二叉分裂树等方式来实现。该方案的一个例子为如图5所示的用于接收子系统(500)的示例，该接收子系统包括耦合到iq相干探测器(例如，上述相干探测器200)的n个孔径(例如，在该示例中n＝8)的小线性阵列。假定在它们的两个输出之间存在不引起相移的1
×
2分路器(502)类型，并且二叉树可以被配置为在每个级上对称，则通用输入端(504)和每个iq相干探测器的输入端之间的lo的相位和组延迟(phase and group delay)可以被配置为基本相同。从孔径到混合器的距离可以保持恒定，以确保相位延迟对于所有孔径都是相同的。
[0091]
孔径布置的几何形状可以分布在二维或三维布置上，而不是在孔径阵列中孔径的线性布置上。例如，在圆形几何形状的情况下，每个分路器之后的角跨度和段长度可以被布
置成基本相等，如图6所示的示例掩模布局(600)中所例示的。
[0092]
在图示的布局中，孔径沿着两个同心环布置，从孔径到混合器的距离保持不变。这具有为混合器生成交替位置的优势，混合器通常比单独波导更宽。这种交错允许环中孔径密度的增加。然而，由于缺乏对称性，本地振荡器到器件的输入端和不同混合器输入端之间的路径长度可以调整。为此，可以引入补偿元件调节晶片上变化的物理距离而保持总光学延迟恒定，如图7所示。波导段(700a)和波导段(700b)在水平方向上(例如，在阵列的平面上)的端点之间具有不同的距离，但通过这些端点之间的波导段的传播距离相同。
[0093]
lidar系统结合了使用这里描述的检测阵列和处理技术的接收子系统，该lidar系统的发射子系统可以采取各种形式中的任何一种，使得照明光束覆盖相关的场景的区域。例如，单个波导或孔径可以单独使用，或与波束形成光学器件结合使用，以产生由发射光束完全覆盖视场的照明模式。在这种情况下，接收子系统负责以期望的分辨率解析视场(field of view，fov)。
[0094]
图8示出了包括发射子系统(或“发射器”)和接收子系统(或“接收器”)的lidar系统(800)的发射器和接收器的光学配置示例，并示出了发射器如何覆盖整个fov(802)，并且是接收器中处理的信号根据阵列分辨率(804)选择fov(802)中的特定方向。在该示例中，激光源(806)提供作为本地振荡器(808)的光并提供光给对fov(802)进行照明的lidar发射器(810)。平行相干接收器(812)接收多个孔径阵列上的光波前。每个孔径被配置为接收所接收的光波前的相应部分。此外，不同的孔径(包括不同的不相邻的孔径)被配置为接收所接收的光波前的相应部分，其中，光波前的这些部分中的每个部分包括来自视场的同一部分的贡献。
[0095]
替代性地，可以使用相控阵来引导激励波束并扫描视场。对于这种相控阵的设计，可以应用各种技术和分配方案中的任何一种。图9a和9b示出了矩形网格(图9a)和圆形阵列(图9b)的球状辐射图案，其中最大光束强度限定了规模的最大值并指向了向目标对象传播的方向。图9a示出了由间距为3.8λ的40
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40矩形网格产生的球状辐射图案(900)，以及图9b示出了由具有掩模布局(600)元件和间距为1.6λ的圆形阵列产生的球状辐射图案(902)。每个辐射图案下面是一个图例，显示了遮光强度和相对辐射强度之间的对应关系(以db为单位)。在这些例子中没有考虑孔径的天线功能。
[0096]
作为进一步的选择，mems(micro-electro-mechanical system，微机电系统)设备或另一种机电设备可用于为发射器提供扫描功能。在这些情况下，通过在激励扫描仪和收集阵列之间的重叠来选择角方向，可以作为抗混叠抑制方案的基础(例如，通过发射和收集阵列的混叠副本的游标分布，或者通过在激励中使用小于混叠角周期的fov的空间滤波)。
[0097]
当激励光束被引导以在较大视场的不同子集上扫描时，用于确定基于方向的信息，例如对应于视场上不同观察方向的数据流，该信息的计算可用于在每个子集上扫描。此外，当收集给定子集的接收数据时，不同的参数(例如，积分时间)可以用于视场的不同子集。
[0098]
本文描述的技术可以解决各种潜在的技术问题，其中一些与确保高速远程lidar检测相关。这可能有助于提高自动驾驶车辆和其他应用的安全性，如航空航天，在这些应用中，扩展范围是有益的。
[0099]
现有系统中的范围限制与在给定波长下可以使用的最大功率以及使用给定探测
器技术可以达到的灵敏度有关。用于对场景进行照明的最大光束功率可能受到仪器中的实际考虑因素和眼睛暴露的安全限制的限制。这些限制取决于波长，较短的光波长由于在眼睛中的吸收较低而有更严格的限制。更长的波长内在的就更安全。此外，光束的物理性质也与眼睛安全性的计算有关。lidar中使用的准直光束的最大功率取决于光束的直径和光束与瞳孔的可能交汇点。在任何情况下，对于给定的波长和光学设计的选择，都有一个可以安全使用的最大功率。本说明示出了如何通过将场景成像功能移动到接收器阵列，可以使用与完整视场一样宽且给定其较大发散度的照明光束，该照明光束功率更大或内在地更安全。
[0100]
在灵敏度方面，对于不同的系统，如飞行时间系统与外差或cw(continuous-wave，连续波)系统，会产生不同的灵敏度问题。相对于外差系统，飞行时间系统的灵敏度可能较低，因为对于非常微弱的信号，电子噪声很容易超过散粒噪声。外差系统可以从第一级光学“增益”中受益，该第一级光学“增益”源于视场中检测到的反射与参考信号之间的干涉。
[0101]
尽管开发基于单光子雪崩二极管(single-photon avalanche diode，spad)的探测器阵列可以提高基于强度的系统的灵敏度，但这种改进可能受到器件的非理想因素限制，并可能引入其他设计妥协。由于硅的高集成能力和低成本，所以光电二极管阵列通常由硅制成。实际上，这将飞行时间lidar系统的运行范围限制在《1μm波长，这是给定硅带隙产生电子空穴对的最小能量。反过来，从允许的光学功率角度看，这可能是次优的。
[0102]
外差系统的另一个潜在优势是，它们提供了一个内在的保护，以防止在同一视场上多个设备之间的串扰。在飞行时间系统中，可能无法区分来自不同发射器的脉冲。然而，考虑到外差系统使用本地振荡器对反射信号产生干涉，所以独立的发射器通常彼此不相干。
[0103]
fmcw系统的一个潜在问题是它们通常具有一个有限的扩展(aω)，因为每个光束的立体角决定了lidar分辨率。这限制了系统收集反射光子的能力。本说明示出了如何能够解决这一限制，在将成像功能移动到探测器阵列并仍然能够实现静态单光束照明的同时，增加系统扩展和光吞吐量。在旋转扫描仪中复制光束数量可以提高扫描速度，但可能会增加复杂性和成本。
[0104]
所描述的特征可以通过不同的机制提高lidar系统的性能，包括以下两种机制：
[0105]
1、在相移天线阵列中，通过互易损失在不限制亮度的情况下增加收集孔径的数量。更高的信号意味着可以实现更长的范围，以及更快的扫描是可能的。
[0106]
2、通过对每个孔径的复数域的单一测量和数学变换来重建视场。这消除了扫描每个孔径的相位的需要，以便为阵列产生可移动的辐射图案。
[0107]
为了增加这些益处，可以使用fmcw检测方案，因为可以使用外差增益将信号增加到电气噪声水平以上，并且可以获得良好的轴向分辨率和范围。其他外差方案，如双波长lidar，也适用于该系统的一些实施方式。
[0108]
通过提高发射器的输出光学功率，可以同时解决范围和速度问题。然而，可以输入到准直光束的激光功率总量有安全限制。这个安全功率阈值会对某些系统的性能造成限制。
[0109]
可以通过移相器来实际引导光束，而不是将扫描简化为对从阵列收集的数据进行数学变换。然而，由于制造公差，这些移相器可能需要校准。此外，接收信号的级联混合降低
了接收时的光收集效率，并且根据用于移相器的执行机构，所产生的光束控制对于某些应用来说可能导致过慢。
[0110]
所描述技术的一个潜在优势是从阵列中获得的扩展(aω)的增加。对于单个收集孔径，这个扩展度是最小的，基本上由波长限定：aω～λ2。这限制了孔径在一般照明设置中收集后向散射光的能力。如果使用典型的相控阵结构将多个波导组合起来，基本上可以得到与单个波导相同的扩展度和亮度结果。
[0111]
一种方法是通过耦合器中的互易损耗，因为不同的孔径的贡献结合在一起。然而，在所描述的技术中，在每个孔径收集的光与本地振荡器混合，并在没有本征损耗的情况下被检测。由于从所有孔径收集的所有光子都相互干涉，因此对于均匀照明的场景，系统的信噪比以因子n增加。这使得系统能够以更高的速度扫描，并且需要等待更短的时间来达到足够的光子水平以调用探测。
[0112]
一些实施方式的潜在问题是孔径之间存在相位和组延迟误差。在设计过程中，利用高分辨率光刻的能力来减少lo路径之间的几何差异，可以减少这种情况。此外，可以考虑影响组折射率和相位折射率的外部参数；为此，相应的波导可以保持相对较短，和/或可以彼此接近并表现出对称性以最小化微分误差。
[0113]
还可以使用众所周知的激励(例如，准直光束)执行器件校准，并将其存储为与上面定义的几何变换矩阵相乘的补偿矩阵。
[0114]
所描述技术的一些实施方式使用具有足够相干长度的相干源，以在整个期望的深度扫描范围内确保干涉。
[0115]
尽管已经结合某些实施例描述了本公开，但应当理解，本公开不限于所公开的实施例，相反，其旨在覆盖包括在所附权利要求范围内的各种修改和等效布置，所述范围应给予最广泛的解释，以便包括法律允许的所有此类修改和等效结构。