用于扫描式测量距物体的距离的装置和方法

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。

通过根据本发明提供多个并联布置的且很大程度上独立的处理单元(其与共同的光源相连接)，可能的是，同时执行多个距离测量。在此，可同时执行的距离测量的数量等于处理单元的数量，并且当光源同时提供多个频带时(对此下面更多地)这个数量可以被加倍。尽管如此，根据本发明的装置的特征在于非常可靠的测量结果，因为在处理单元的探测器上信噪比高。这与以下事实有关，即，由物体反射的并且本来非常弱的测量信号只需要通过单个处理单元的相对小的分配矩阵并且也只需要通过唯一的光学环形器，以便到达探测器。因此，在其到探测器的路径上，弱的测量信号仅被在此要穿过的光学部件很小地损耗。

各个处理单元的相对小的分配矩阵对于在相反方向上传播的输出信号也具有优点。因为这些输出信号仅穿过分配矩阵中的少数光学开关，所以在分配矩阵的输入端不必施加高的强度，以便在自由空间耦合器的输出端确保足够的强度。在这种类型的具有大型分配矩阵的传统装置中，在分配矩阵的输入端处的高强度是不可避免的，因为只有在高强度时才能确保输出信号在从自由空间耦合器输出时即使在通过大量光学开关之后仍具有足够高的强度。然而，非常高的强度可能损坏光学开关，因此必须加以避免。

如果在此和在下文中谈及，特定的光学部件或组件彼此连接，那么这也包括非永久的连接，即仅暂时经由光学开关建立的连接。

在一个实施例中，偏转光学器件具有如下前焦平面，自由空间耦合器或自由空间耦合器的图像位于该前焦平面中。由此，光学输出信号作为准直的光束离开偏转光学器件，其方向取决于光学输出信号从自由空间耦合器出射的位置。在这种布置中，为了准直的目的，可以省略自由空间耦合器之后的附加的微透镜。

对于探测器，对称的光电探测器(英语为“平衡的光电探测器、balancedphotodetector”，)已经被证明是特别合适的，不仅由物体反射的光学测量信号被提供给所述光电探测器，而且由光源产生的光学输出信号也被提供给所述光电探测器。这种探测器对由光源产生的光学噪声仅具有低灵敏度。

在一个实施例中，在光源和处理单元之间的光路中布置有一个共同的光学放大器。然而，光学放大也可以替代地在各个处理单元内进行。

在另一实施例中，光源被设置用于同时产生在不同频带中的具有在时间上变化的频率的多个光学输出信号。通过使用光栅，光可以在不同的频带中在不同的方向上射出，由此不仅可以在一个平面中、而且可以在所有三个空间方向上扫描。在这种情况下，光源例如可以具有多个单个光源，所述多个单个光源通过具有多个光学开关和/或光学耦合器的聚集矩阵与分配矩阵连接。代替光栅，也可以设置另一发散光学元件，并且特别是偏转光学器件的一部分，该发散光学器件以与波长相关的方式在第一平面中分解光学输出信号，该第一平面至少基本上垂直于如下第二平面布置，从自由空间耦合器出射的光学输出信号在该第二平面内传播。

但是，当自由空间耦合器以规则或不规则的二维阵列并排地和重叠地布置时，也可以实现在所有三个空间方向上的扫描。偏转光学器件随后将该阵列中的位置转换成光学输出信号传播所沿的方向。

光源可被设置用于产生其频率关于时间交替地线性上升和线性下降的光学输出信号。对此替代地，频率与时间的相关性可以通过锯数函数来描述。

自由空间耦合器优选是边缘耦合器(英文为“边缘耦合器、edge coupler”)或光栅耦合器(英文为“光栅耦合器、grating coupler)，如其本身在现有技术中已知的那样。

在一个实施例中，光学分配矩阵包括至少一个具有第一开关时间和第一插入损耗

这种有利的设计方案基于这样的认识，即在适当地操控开关矩阵中的光学开关的情况下，不必以短的开关时间来驱动所有光学开关。如果一个快速光学开关(即一个具有短开关时间的开关)布置在树状结构的低水平上，那么在树状结构的较高水平上的紧随其后的光学开关可以更慢，因此具有更长的开关时间。在此情况下，更慢的开关可以在没有光学信号通过更慢的开关的测量间隔期间改变其开关状态，以便为下一个测量间隔做准备。只有低水平的光学开关必须快速地开关，以便能够在两个彼此相继的测量间隔之间以尽可能小的延迟建立到树状结构的另一支路的连接。因此，在测量间隔中，与快速开关连接的支路是激活的，而在另一支路中，如果在测量间隔结束之后快速开关改变激活的支路，则慢速开关转换并且处于正确的位置。

开关时间在此被定义为使90％的光强转换到相应的另一开关状态所需的时间段。

只要不存在以什么顺序将自由空间耦合器从开关矩阵连接到光源的特殊要求，只要具有短的开关时间和较高的插入损耗的唯一的第一光学开关布置在树状结构的最低水平上并且在所有其他水平上仅布置较慢但具有较低的插入损耗的第二光学开关就足够了。在具有16个输出端的分配矩阵中，光学信号例如穿过四个1x2开关，但是根据本发明，其中只有在光路中作为第一个穿过的开关必须在最低水平上具有短的转换时间并且因此具有较高的插入损耗。通过不同开关类型的根据本发明的布置，可以如此程度地降低整个分配矩阵的插入损耗，使得由探测器检测的信号具有足够高的信噪比。整个分配矩阵的速度仅受快速第一开关的开关时间的限制。只要第二慢速开关具有短于测量频率的开关时间，第二光学开关就可以在最小插入损耗方面被优化。

具体使用哪些光学开关取决于具体的应用。特别是对于在自主行驶车辆中使用的距离扫描仪的应用，基于热光学或电光学马赫-曾德尔干涉仪的1x2开关已经证明是合适的。但是原则上也可以考虑其它的开关，例如1x3开关或者一般的nxm开关，其中优选地适用n

本发明的主题还包括一种用于扫描式测量距物体的距离的装置，该装置具有光源和多个光学处理单元，这些光学处理单元光学并联地与光源连接。每个处理单元包括具有多个光学开关的光学分配矩阵、探测器以及光学环形器，该光学环形器连如此与光源、光学分配矩阵和探测器连接，使得由光源提供的光学输出信号被引导至分配矩阵，并且来自分配矩阵的、从物体反射的光学测量信号被引导至探测器。该装置的分析机构设置用于，从由探测器检测的测量信号确定距物体的距离。

本发明的另一主题是一种用于扫描式测量距物体的距离的方法，其中产生光学输出信号，所述光学输出信号由多个光学并联布置的光学处理单元分配到光学波导上，每个处理单元具有光学环形器、包括多个光学开关的光学分配矩阵和探测器。在物体上反射的输出信号作为光学测量信号耦合输入到相应的处理单元的光学波导之一中并且从相应的环形器在穿过分配矩阵之后引导至探测器。从由探测器检测的测量信号确定距物体的距离。

附图说明

下面借助附图详细说明本发明的实施例。其中示出：

图1示出车辆接近一个由根据本发明的扫描装置检测到的物体的示意性侧视图；

图2示出图1所示扫描装置的俯视图；

图3以示意图示出了根据第一实施例的扫描装置的结构；

图4示出图3所示扫描装置的单个分配矩阵和偏转光学器件；

图5a至图5d示出了处于不同开关状态的两个相邻处理单元的分配矩阵；

图6a和6b示出了用于分配矩阵的一种变型，其中快速开关布置在分配矩阵的两个不同的水平上，以便能够更灵活地操控自由空间耦合器；

图7示出扫描装置的处理单元，其附加地包括放大器；以及

图8示出根据图7的多个处理单元的布置，其导致在二维阵列中的自由空间耦合器的规则布置。

具体实施方式

1.应用示例

图1以示意性侧视图示出了靠近物体12的车辆10，所述物体在图1中是树。车辆10具有至少一个扫描装置14，所述扫描装置借助光束L11、L21、L31和L41扫描车辆10的前方环境，由此计算出环境的三维图像。此外，扫描装置14确定相对于物体12的相对速度。当物体12是另一车辆并且同样运动时，该信息尤其重要。

由扫描装置14测定的关于车辆10的前方环境的信息例如可以用于辅助驾驶员地在车辆控制中支持车辆10的驾驶员，其方式是，当车辆10与物体12即将发生碰撞时产生警告通知。如果车辆10自主地行驶，则关于前方环境的信息将被控制车辆10的控制算法所需要。

如图1所示，扫描装置14在垂直平面(图1中该平面为纸平面)中沿不同方向射出光束L11至L41，由此沿垂直方向扫描环境。同时，扫描也在水平方向上进行，如图2以扫描装置14的俯视图所示。在那里示出四条光束L11、L12、L13和L14，所述光束在水平平面中沿不同的方向射出。

出于清晰的原因，在图1和图2中假定，由扫描装置14在四个不同的平面中分别仅产生四条光束Ln1至Ln4，即总共16条光束。优选地，扫描装置14发射更多的光束。优选例如k·2

2.结构

图3以示意图示出扫描装置14的结构。扫描装置14优选地被构造为光子集成电路，其实际上尤其是在光学波导的尺寸和走向方面可能看起来不同。

扫描装置14包括如下光源16，所述光源产生光学FMCW信号。因此，与传统扫描装置相反，光源16不产生具有高脉冲功率的短光脉冲，而是产生其频率v在时间上变化的连续信号。频率v与时间t的相关性例如可以通过锯齿函数或通过周期性的三角函数来得到，这如这两个在图3中包含的曲线图所示出的那样。在锯齿函数的情况下，频率v在测量间隔Δt期间线性地增加，然后返回到其原始值，以相同斜率再次线性地增加，等等。测量间隔Δt的持续时间长于由所述扫描装置14所发射的光所需的持续时间，以便在物体12处反射之后再次返回到所述扫描装置14中。在周期性三角函数的情况下，频率v是时间t的线性函数，其中斜率的符号在彼此相继的测量间隔Δt之间变换。

光源16可以包括例如DFB激光器，其发射具有1550nm波长的光并且具有在约200nm与300nm之间的带宽。频率调制(英文“线性调频、chirp”)通过光锁相环OPPL(英语为“光锁相环、optical phased-locked loop”)强制于信号。例如，锁相环的VCO块可以具有注入马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的可调谐激光器，随后是光电二极管PD。测量间隔Δt具有优选地在10μs与100μs之间的持续时间。

由光源16产生的光学输出信号的一部分通过分束器17(英语为“分束器、splitter”)引导给放大器18，在该放大器中放大，然后通过另外三个分束器19均匀地分到在图3中分别以虚线框出的四个处理单元PU1至PU4上。处理单元PU1至PU4由此彼此光学并联地布置。优选地，布置在放大器18和处理单元PU1至PU4之间的分束器19被如此设计，使得在给定时间点，处理单元PU1至PU4的输入端上施加具有相同强度的相同的光学输出信号。然而原则上，如果从扫描装置14射出的光在特定方向上具有较高的强度，则也可以不均匀地划分输出信号的光学强度。

所有四个处理单元PU1至PU4的结构相同，并且下面将以处理单元PU1为例进行详细描述。

处理单元PU1包括具有多个水平的树状结构的分配矩阵M1，并且将由光源12产生的光学输出信号分配到多个光学波导W11到W14上。在所示的实施例中，为了简化起见，树状结构仅具有两个水平。在第一水平上布置有一个光学开关S11，并且在第二水平上布置有两个光学开关S21、S22。每个开关S11、S21、S22被构造为1x2开关并且可以包括例如一个热光马赫-曾德尔干涉仪。由于树状结构，分配矩阵M1可以选择性地将在输入侧施加的输出信号分配到四个光学波导W11到W14中的每一个。

四个波导W11至W14中的每一个与自由空间耦合器FSC11至FSC14连接。自由空间耦合器FSC11至FSC14例如可以构造为光栅耦合器或者构造为边缘耦合器，如这本身在现有技术中已知的那样。自由空间耦合器FSC11至FSC14用于将在光学波导W11至W14中导引的光学输出信号耦合输出到邻接的自由空间中，并且将在物体12处反射的光学输出信号作为光学测量信号重新耦合输入到波导W11至W14中。

处理单元PU1还包括探测器D1，该探测器D1检测从物体12反射的光学测量信号与参考信号的叠加，该参考信号由从光源16产生的光学输出信号的支路部分组成。为此，探测器D1被构造为对称的光电探测器并通过分束器21和17与光源16相连。

处理单元PU1还包括光学环形器C1，其与光源16、分配矩阵M1和探测器D1如此连接，使得由光源16提供的光学输出信号被引导至分配矩阵M1，并且来自分配矩阵M1的光学测量信号被引导至探测器D1。光学环形器通常具有三个端口(端口)，其中到达一个端口的光从环形器分别转发到下一个端口(即1→2，2→3和3→1)。能光子集成的光学环形器在现有技术中是已知的，因此在此不详细探讨它们的结构。

如上所述，其它三个处理单元PU2至PU4以相同的方式构造。四个处理单元PU1至PU4的自由空间耦合器FSC在所示实施例中沿着一条线彼此并排地排成行，更确切地说以间距p(英语为“间距、pitch”)排成行，其值位于25μm和400μm之间。自由空间耦合器FSC在此位于偏转光学器件20的前焦平面中，所述偏转光学器件将从自由空间耦合器FSC耦合输出的输出信号如此偏转，使得所述输出信号在不同的方向上射出。由于在前焦平面中的这种布置，在每个自由空间耦合器FSC和射出方向之间存在明确的关联。

图4以简化的图示说明了这种关系。仅示出唯一的分配矩阵M，所述分配矩阵将光学输出信号分配到四个自由空间耦合器FSC1至FSC4上。在前焦平面21中以发散方式从自由空间耦合器FSC1到FSC4出射的输出信号通过偏转光学器件20准直并且在不同方向上偏转，如图4所示。

如果光信号被按行地接入到自由空间耦合器FSC1至FSC4上，则从扫描装置14发出的光束从以实线示出的方向(光束L11)逐渐地朝以虚线示出的方向(光束L14)移动。

下面再次参考图3。在偏转光学器件20的右侧示出的结构是发散光学元件22，其含义在下面进一步详细解释。

分配矩阵M1至M4的光学开关S11、S21、S22和光源16由控制和分析机构24控制，该控制和分析机构在图3中作为微处理器μP示出。此外，控制和分析机构24与探测器D1至D4的电输出端连接。

3.功能

以下假设光源16产生光学输出信号er-16，其频率产生周期性三角信号，如上所述。

光学输出信号在由放大器18放大之后被分到处理单元PU1至PU4，并且在那里由环形器C1至C4转交给分配矩阵M1至M4，所述分配矩阵选择性地将光学输出信号引导给自由空间耦合器FSC之一。因此，由于处理单元PU1至PPU4的并联布置，在每个测量间隔Δt期间从每个处理单元PU1至PU4输出恰好一个光学输出信号，并且由偏转光学器件20在由偏转光学器件20的焦平面中的所涉及的自由空间耦合器FSC的位置确定的方向上进行对准。

以下假定，这些光束是指在图2中所示的光束L11-L14。如果这些在水平平面中射出的光束L11至L14射到物体12上，则它们在物体的表面上被漫反射并且因此在更大的空间角度范围上反射回来。入射到物体12上的光的一小部分被回射，即，在光在去往物体12的路径上已经沿着其传播的相同方向上被回射。在图3中，用于自由空间耦合器FSC11的光学输出信号和在物体12上反射的测量信号的光路通过用于光束L11的箭头来表示。

测量信号耦合输入到自由空间耦合器FSC中，并且通过分配矩阵M1至M4到达相应的处理单元PU1至PU4的环形器C1至C4，所述环形器C1至C4将所述测量信号引导至相应的探测器D1至D4。在那里，测量信号与由光源16产生的光学输出信号叠加。

在光行进到物体12和返回所需的时间段期间，由光源16产生的光学输出的频率已经改变。由于光学输出信号和测量信号具有相似的频率，叠加导致了差拍(Schwebung)，差拍的频率可以通过计算FFT(快速傅里叶变换)来测定。差拍频率可以直接换算为距离值。此外，从多普勒频移可以推断出车辆10与物体12之间的相对速度。来自环境光或来自其它车辆10的扫描装置的干扰信号由于缺乏与由光源16产生的输出信号的相干而不能影响测量。

这些计算由控制和分析机构24执行。该控制和分析机构将所计算的距离和相对速度分配给光学输出信号已由偏转光学器件20射出的方向。由此获得环境的三维图像。

下面解释可选的发散光学元件22的含义，该发散光学元件例如可以被构造为光学光栅。发散光学元件22以与波长相关的方式在如下平面中分解光学信号，该平面至少基本上垂直于从自由空间耦合器FSC出射的光学输出信号在其内传播的平面布置。这种与波长相关的垂直于纸平面的分解在图3中通过射线束26表示。在图2所示的水平扫描平面内，光束L11至L14具有例如第一频带内的频率，下一个扫描平面和与之倾斜的扫描平面的光束L21至L24具有不同于第一频带的第二频带内的频率，等等。

为了能够同时在不同频带中产生多个光学输出信号，光源16包含多个未示出的单个源，其输出信号位于不同的频带中并且叠加，使得所有处理单元PU1至PU4同时获得在多个频带中的光学输出信号。

垂直于纸平面的扫描也可以以传统的方式借助旋转的反射镜来引起。因为这种反射镜仅须围绕一根轴线旋转，所以其可以在机械上牢固地构造。然而优选地，对于该扫描方向，省去使用可活动的构件。

通过处理单元PU1至PU4(其分别具有相对较少数量的光学开关S11、S21、S22)的并联布置，被物体12反射的测量光在其到探测器D1至D4之一的路径上仅需要通过少数光学开关以及仅通过环形器C1至C4之一。在具有8个输出端的分配矩阵M中，整个分配矩阵的插入损耗例如为3dB，这对应于大约50％的损耗。由此，反射的测量信号在其到各自的探测器D的路径上仅相对小地削弱并且能够以足够高的信噪比被探测。尽管如此，由于可以同时产生多条(这里为四条)光束，所以实现了高的像素率。

并联结构的优点还在于，通过将光学输出信号分到多个处理单元PU1至PU4，在每个分配矩阵M1至M4的输入端上不施加非常高的光学强度，如在具有唯一的大分配矩阵的距离扫描仪的情况下由于于是更大的总插入损耗而必须施加的那样。也就是说，已经表明，尤其在分配矩阵的最低水平上暴露于最高强度的光学开关(在此即开关S11)不能持久地承受非常高的强度。

4.光学分配矩阵的结构和功能

图5a至图5d示出了用于一个实施例的、处于不同开关位置中的两个相邻的分配矩阵M1、M2，其中，每个分配矩阵M1、M2可以选择性地将进入的光学输出信号分配到与自由空间耦合器FSC连接的相应八个光学波导中的一个。为了简单起见，在右边示出的自由空间耦合器FSC仅以阿拉伯数字编号，并且按照它们输出光学输出信号的顺序来编号。在图5a至5d中通过暗的背衬和相邻布置的箭头突出那些在光学开关的给定的开关位置中与相应的分配矩阵M1、M2的输入端连接的自由空间耦合器FSC。因此，光学输出信号可以从如此突出的自由空间耦合器FSC中出射并且在物体12上反射之后作为测量信号又出现。

与图3中所示的实施例相反，分配矩阵M1、M2分别具有三个水平N1、N2、N3，其中光学开关1x2的数量在过渡到下一个较高水平时分别加倍。如果使用1x3开关作为光学开关，则在彼此相继的水平之间光学开关的数量相应地增至三倍。代替1xn开关，当然也可以采用例如nxn开关，其中输入端分别保持未被占用。

在开关矩阵M1、M2中使用两种不同类型的光学开关，其在下面简称为快速光学开关和慢速光学开关。快速光学开关在图5a至5d中以灰色背景和圆化的角来突出。快速光学开关具有的特性是，它们具有短的开关时间，也就是说，它们可以在非常短的时间内改变其开关状态。但由此伴随有相对高的插入损耗。

而在慢速开关中，开关时间较长，使得这些慢速开关不能像快速开关那样快速地变换其开关状态。为此，慢速开关具有比快速开关更低的插入损耗，使得光学信号在穿过慢速开关时比在穿过快速开关时更少地被削弱。

在所示的实施例中，快速开关仅仅位于最低水平N1上并且因此位于分配矩阵M1、M2的输入端上。对于较高的水平N2和N3，仅采用慢速光学开关。通过适当地操控分配矩阵M1、M2可以实现，分配矩阵M1、M2总体上具有非常低的插入损耗，但是尽管如此仍能够以快速开关的短的开关时间来运行。下面将更详细地解释这种操控。

图5a示出了在第一测量间隔Δt1期间的两个分配矩阵M1、M2。每个分配矩阵M1中的快速光学开关S11将光学输出信号引导至慢速开关S21，并且将它们引导至慢速开关S31，以便光学输出信号从自由空间耦合器FSC1出射。因此，在该开关位置中仅开关S11、S21和S31激活；在第一测量间隔Δt1期间光学输出信号不通过其余的光学开关。

在测量间隔Δt1结束之后，切换分配矩阵M1、M2的快速光学开关S11。这种切换非常快地进行，因为快速光学开关S11具有短的开关时间。因此，在两个彼此相继的测量间隔之间，仅丢失很少的时间用于切换分配矩阵M1、M2。

由于开关S11的切换，光学输出信号现在通过慢速开关S22和S33引导至自由空间耦合器FSC2，但是该自由空间耦合器不与自由空间耦合器FSC1相邻地布置，如这在图5b中可见。

在第二测量间隔Δt2期间，在每个分配矩阵M1、M2中，慢速光学开关S31被切换到水平N3。在图5b至5d中，那些在测量间隔期间被调节的慢速光学开关通过灰色背景和箭头来来突出。对于该切换，整个测量间隔Δt2可用，从而慢速开关的最大开关速度仅须比测量间隔的长度更短。

在第二测量间隔Δt2结束之后，在分配矩阵M1、M2中，快速开关S11在水平N1上分别再次返回其原始开关位置。由于慢速开关S31的这种切换和事先进行的切换，光学输出信号现在分别被引导至自由空间耦合器FSC3上，如这在图5c中示出。自由空间耦合器FSC3也不与先前激活的自由空间耦合器FSC2相邻地布置。在第三测量间隔Δt3期间，再次切换未激活的慢速光学开关，在此为开关S33。

如果在第三测量间隔Δt3结束之后快速光学开关S11又变换其位置，则将光学信号立即提供给自由空间耦合器FSC4，如图5d所示。在第四测量间隔Δt4期间，慢速开关S21从第二水平N2切换，以便能够在紧随其后的第五测量间隔中将分配矩阵M1、M2的输入端与自由空间耦合器FSC5连接，等等。

因为沿着一条线并排布置的自由空间耦合器FSC不是相继地接通，而是快速光学开关S11始终在分别由四个自由空间耦合器构成的两组之间来回切换，所以分配矩阵M1、M2的最大切换速度仅通过快速开关S11的短的切换时间来限制。尽管如此，两个分配矩阵M1、M2的插入损耗是低的，因为光学输出信号(以及在返回方向上由物体12反射的测量信号)主要通过水平N2和N3上具有在特别低的插入损耗的光学开关。

水平的数量越大，快速开关S11的更高的插入损耗越小。另一方面，水平的数量也不应过大，因为较高水平上的慢速开关也明显地损耗光学信号。三个或四个水平并且因此分配到八个或十六个光学波导上已经被证明是理想的。

5.其他实施例

图6a和6b示出一个实施例，其中快速光学开关不仅布置在最低水平N1，而且布置在下一最高水平N2。如图6a和6b的比较所示，由此在彼此相继的测量间隔Δt中出射光学输出信号的自由空间耦合器FSC比在图5a至5d中所示的实施例中更紧密地彼此相邻。这对于某些应用可能是有利的。

然而，对于大多数应用-其中也包括用于车辆的距离扫描仪而言，自由空间耦合器FSC输出光学输出信号的顺序并不重要。由于通过附加的快速光学开关在N2水平上产生了较高的插入损耗，因此在图5a至5d中示出的布置通常是优选的。

图7以基于图3的示意图示出了根据一个实施例的处理单元PU1，其中，由光源16产生的光学输出信号在分配到处理单元PU1至PU4之前并没有借助放大器18而是仅在单个处理单元内被放大。为此，每个处理单元包含一个自己的放大器，该放大器对于处理单元PU1在图7中以A1表示。此外，处理单元PU1的分配矩阵M1不包括两个水平而是包括三个水平，从而可以操控八个自由空间耦合器FSC。

图8示出了六个处理单元PU1至PU6的布置，所述处理单元分别具有图7所示的结构。由于这种布置，自由空间耦合器FSC1总体上不是沿着一条线布置，而是以规则的二维阵列彼此并排地和叠置地布置。如果这种布置被布置在偏转光学器件20的焦平面中，那么在水平和垂直方向上的环境也可以在不使用发散光学元件22和更复杂的光源16的情况下被扫描。各个紧邻布置的处理单元PU1和PU2、PU3和PU4以及PU5和PU6例如可以分别实现在水平平面中的扫描，这些水平平面在垂直方向上相对于彼此倾斜地布置，如图1和2所示。