[发明专利]用于扫描式测量距物体的距离的装置和方法

说明书

本发明涉及一种用于扫描式测量距物体(12)的距离的装置(14)，该装置具有光源(16)，该光源产生具有在时间上变化的频率的光学输出信号。该装置包括光学上与光源(16)并联连接的多个光学处理单元(PU1至PU4)，其中每个处理单元(PU1至PU4)具有光学分配矩阵(M1至M4)，所述光学分配矩阵具有多个光学开关(S11、S21、S22、S31至S34)，借助这些光学开关可以将光学输出信号选择性地分配到不同的光学波导(W11至W14)。经由自由空间耦合器(FSC11至FSC14)将光学输出信号耦合输出到自由空间中并且将在物体(12)上反射的光学输出信号作为光学测量信号耦合输入到波导中。探测器(D1至D4)检测光学测量信号与由光源(16)产生的光学输出信号的叠加。环形器(C1至C4)将由光源(16)提供的光学输出信号引导至分配矩阵(M1至M4)，并且将来自分配矩阵(M1至M4)的光学测量信号引导至探测器(D1至D4)。

技术领域

本发明涉及一种用于基于FMCW-LiDAR技术来扫描式测量与运动的或静止的物体的距离的装置和方法。这样的装置例如可以使用在自主行驶的车辆中并且实现为光子集成电路(PIC，英语为“光子集成电路、Phonic Integrated Circuit”)，其不包含可活动的部分。

背景技术

为了进行光学的距离测量，已知一种称为FMCW-LiDAR的测量原理，其中具有在时间上变化的频率的光学信号(FMCW代表调频连续波)对准待测量的物体并且在物体上反射之后被检测和分析。如果附加地考虑多普勒频移，则也可以计算扫描装置与物体之间的相对速度。这种测量原理例如在DE10 2018 203 315A1中更详细地描述。

当基于该测量原理的扫描仪应在车辆中使用时，其必须非常耐用和可靠。这尤其适用于车辆自主行驶的情况，因为自主行驶时的安全性决定性地取决于用于产生环境的三维图像的扫描仪。理想地，这种扫描仪不包括诸如扫描镜的敏感可活动构件。

实现为光子集成电路的扫描仪不需要可活动构件并且因此特别适合于在车辆中的应用。例如在US 2017/0371227 A1和US 2019/0377135 A1中公开了这种扫描仪。这些扫描仪采用具有多个树状层联的光学开关的分配矩阵，它们将光学信号分配到配属于不同扫描方向的不同光学波导上。

然而，利用迄今为止的方案，难以在短时间内收集如此多的距离信息，以便能够实时产生环境的三维图像。

发明内容

本发明的任务在于，给出一种用于扫描式测量距物体的距离的装置和方法，其解决了上述问题。

根据本发明，该任务通过一种用于扫描式测量距物体的距离的装置来实现，该装置具有光源，该光源被设置为产生具有在时间上变化的频率的光学输出信号。该装置还包括多个光学处理单元，其与光源光学地并联连接。每个处理单元包括光学分配矩阵，该光学分配矩阵具有多个光学开关并且设置用于将提供给相应的处理单元的光学输出信号选择性地分配到不同光学波导。此外，每个处理单元包括多个自由空间耦合器，所述自由空间耦合器与光学波导连接并且分别设置用于将在光学波导之一中导引的输出信号耦合输出到自由空间中并且耦合输入在物体上反射的光学输出信号作为光学测量信号。此外，处理单元分别包括探测器，其设置用于检测光学测量信号与由光源产生的输出信号的叠加。此外，每个处理单元包括光学环形器，其与光源、光学分配矩阵和探测器如此联接，从而将由光源提供的输出信号引导至分配矩阵，并将来自分配矩阵的测量光信号引导至探测器。此外，该装置具有偏转光学器件，该偏转光学器件设置用于使从自由空间耦合器耦合输出的输出信号如此偏转，使得这些输出信号在不同的方向上射出。该装置的分析机构设置用于，从由探测器检测的叠加中确定距物体的距离。