测距装置、光集成电路和测距系统

技术领域

本公开涉及测距装置、光集成电路以及测距系统，并且更具体地，涉及允许以更高的角分辨率执行测距的测距装置、光集成电路以及测距系统。

背景技术

LiDAR(光检测和测距)是基于响应于激光照射的散射光的测量的距离测量技术，并且被应用于包括自动驱动的各种应用。需要一种LiDAR技术，其能够以更高的角分辨率进行测量以检测远处的小障碍物，尤其是在设想高速公路上的自动驾驶时。

LiDAR的关键元件之一是被称为扫描仪(偏转器)的装置，其在激光照射的方向上执行扫描。这种类型的扫描仪是使用MEMS(微电子机械系统)光栅开关的2D扫描仪。

专利文献1公开了一种光开关，该光开关设置在由硅光子制成的光波导的上部处，并且具有可通过静电MEMS移动的光栅结构。专利文献1还表明，光学开关作为能够将其作为光发射器或光接收器的功能控制在有效(开)状态与无效(关)状态之间的开关操作，并且像素通过光波导连接，在2D布置中这种开关用作一个像素，并且用作2D扫描仪。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]

PCT申请号2020-523630的日本翻译。

发明内容

[技术问题]

为了使用2D扫描仪实现高角分辨率，MEMS光栅开关需要小型化，这可能使得制造更困难并且导致更低的产量和可靠性。

鉴于上述情况，本公开旨在允许以更高的角分辨率执行测距。

[问题的解决方案]

根据本公开的一方面的测距装置包括扫描仪单元，扫描仪单元具有像素阵列，每个像素阵列包括通过一个波导连接的多个像素，其中所述像素在第一方向上以规定间距布置，盖第一方向与波导的方向在相同方向上，像素阵列用作一个通道，扫描仪单元包括多个通道，并且多个通道布置在与所述第一方向交叉的第二方向上，并且在通道之间以小于规定间距的规定宽度错开。

根据本公开的一个方面的测距装置包括扫描仪单元，扫描仪单元具有像素阵列，每个像素阵列包括通过一个波导连接的多个像素，其中像素在第一方向上以规定间距布置，第一方向与所述波导的方向在相同方向上。扫描仪单元包括多个通道，像素阵列用作一个通道，并且所述多个通道被布置在与第一方向交叉的第二方向上，并且在通道之间以小于规定间距的规定宽度错开。

根据本发明的另一方面，一种光集成电路，包括：光源单元，用于产生啁啾光；扫描仪单元，具有像素阵列，每个像素阵列包括通过一个波导连接的多个像素，像素在第一方向上以规定间距布置，第一方向与波导的方向在相同方向上；分光检测单元，用于将通过对啁啾光分光而获得的发送光提供给扫描仪单元，并检测从扫描仪单元提供的接收光，所述扫描仪单元包括多个通道，所述像素阵列用作一个通道，并且所述多个通道被布置在与所述第一方向交叉的第二方向上，以及在通道之间以小于规定间距的规定宽度错开。

根据本公开的一方面的光集成电路包括：光源单元，用于生成啁啾光；扫描仪单元，具有像素阵列，每个像素阵列包括通过一个波导连接的多个像素，像素在第一方向上以规定间距布置，第一方向与所述波导的方向在相同方向上；分光检测单元，被配置为将对所述啁啾光进行分光而获得的发送光提供给所述扫描仪单元，并检测从所述扫描仪单元提供的接收光。扫描仪单元包括多个通道，像素阵列用作一个通道，并且所述多个通道被布置在与第一方向交叉的第二方向上，并且在通道之间以小于规定间距的规定宽度错开。

根据本公开的另一方面的测距系统包括：光集成电路，包括：光源单元，被配置为生成啁啾光；扫描仪单元，具有像素阵列，每个像素阵列包括通过一个波导连接的多个像素，像素在第一方向上以规定间距布置，第一方向与波导的方向在相同方向上；分光检测单元，被配置为将通过对啁啾光分光而获得的发送光提供给扫描仪单元，并检测从扫描仪单元提供的接收光；以及外部扫描仪，被配置为至少在与第一方向交叉的第二方向上执行扫描，扫描仪单元包括多个通道，像素阵列用作一个通道，并且多个通道被布置在第二方向上，并且在通道之间以小于规定间距的规定宽度错开。

根据本公开的一方面的测距系统包括：光集成电路，包括：光源单元，被配置为生成啁啾光；扫描仪单元，具有像素阵列，每个像素阵列包括通过一个波导连接的多个像素，像素在第一方向上以规定间距布置，第一方向与波导的方向在相同方向上；分光检测单元，被配置为将通过对啁啾光分光而获得的发送光提供给扫描仪单元，并检测从扫描仪单元提供的接收光；以及外部扫描仪，被配置为至少在与第一方向交叉的第二方向上执行扫描。扫描仪单元包括多个通道，像素阵列用作一个通道，并且多个通道被布置在第二方向上，并且在通道之间以比规定间距小的规定宽度错开。

根据本公开内容的方面的测距装置和光集成电路可以是独立的装置或者可以是一个装置的内部块。

附图说明

图1示出应用了本公开的测距系统的示例性结构的示图。

图2是示出了图1中的SiP的详细示例性配置的示图。

图3示出应用了本公开的光集成电路的示例性结构。

图4示出应用了本公开的测距系统的测量工作原理。

图5示出应用了本公开的测距系统的测量工作原理。

图6示出图3中的扫描仪单元的详细示例性结构。

图7示出应用了本公开的测距系统的扫描方法。

图8示出应用了本公开的测距系统的扫描方法。

图9示出了应用了本公开的光集成电路的另一示例性结构。

具体实施方式

<1.本公开的实施方式>

(系统的概述)

图1为应用本公开的测距系统的示例性结构的示图。

测距系统1根据FMCW LiDAR(频率调制连续波光检测和测距)执行测距。根据FMCWLiDAR，通过对光源执行频率调制并且读取利用调制发送的光与其反射光之间的频率变化来进行测距。

在图1中，测距系统1包括SiP 10、准直器11和外部扫描仪12。图2示出了SiP 10的详细示例性配置。

在图2中，SiP 10以集成方式在一个封装基板上包括光集成电路100-1至100-3三个芯片、激光驱动器101的IC以及信号处理电路102的IC，作为SiP(系统级封装)。

信号处理电路102包括AFE 102A和DSP 102B。AFE 102A是将来自检测器的模拟输出转换成数字信号序列的AFE(模拟前端)。DSP 102B是执行频谱分析和峰值检测的DSP(数字信号处理器)。

在SiP10中，光集成电路100-1至100-3中的每个可配置有四个通道，每个通道均用作一个像素阵列，从而使得使用单个电路，可同时发射和接收四个光束并且可同时执行四点测距和速度测量。在SiP 10中，同时操作光集成电路100-1至100-3以允许在12个点处同时进行测距，换言之，SiP作为与12通道LiDAR系统兼容的测距装置进行操作。

如图2所示，光集成电路100-1至100-3中的位于中央的光集成电路100-2转动180°，以允许像素阵列几乎沿着直线被安装在封装件上，以提供1D扫描仪阵列20。这样，光集成电路100-1至100-3像具有各光集成电路的长边的尺寸的三倍长度的线传感器那样发挥功能。

这种封装能够以并排布置多个光集成电路而在更小的面积中提供与由单个大面积光集成电路实现的同等的有效光接收面积，因此可以降低总体制造成本。在以下描述中，除非有必要在它们之间进行区分，否则光集成电路100-1至100-3将分别被称为“光集成电路100”。

与SiP10组合，测距系统1包括作为将来自像素阵列的出射光和入射光转换成平行光的光学系统的准直器11和外部扫描仪12，使得利用从光集成电路100发送的光照射用于测距的目标的视场FoV，并且从其反射光可以获得距离信息。在图1中，通过2D网格区域表示用于由测距系统1进行测距的目标的视场(FoV)。

例如，Risley棱镜可以用作外部扫描仪12。Risley棱镜是一种光偏转器，该光偏转器包括具有规定的倾斜角的两个圆形棱镜(楔形棱镜)的组合，这两个棱镜中的每个都可以由电动机旋转。通过使两个棱镜以相同的转数相对于彼此反向旋转，允许沿单一方向往复扫描图案进行扫描(1D扫描)。

通过改变各棱镜的旋转开始位置，可以在水平方向和垂直方向或对角线方向上调节1D扫描方向。如图1所示，在测距系统1中，由于SiP 10具有在垂直方向(在图中的Y方向)上的1D像素阵列，所以通过使诸如Risley棱镜的外部扫描仪12在水平方向(在图中的X方向)上进行1D扫描，能够对2D视场FoV进行测距。

(光集成电路的配置)

图3示出了图2中的光集成电路100的示例性配置。

光集成电路100通过作为半导体光刻的应用的硅光子学，在半导体衬底上形成光波导，并且根据其材料成分和图案形状，将各种功能光学元件集成在单个芯片上。使用硅光子学的单芯片布置允许减少部件的数量，这导致成本更低并且更小尺寸的结构。

在图3中，光集成电路100包括光源单元111、分光检测单元112和扫描仪单元113。在光集成电路100中，光源单元111、分光检测单元112和扫描仪单元113形成并集成在同一半导体基板上。

在光集成电路100中，分光检测单元112和扫描仪单元113配置有四个通道，这允许单个电路同时发射和接收四个光束，使得可以在四个点处同时进行测距和速度测量。

光源单元111包括啁啾光源121和光源分光器122。啁啾光源121包括例如窄线宽激光器元件和光频检测器，以生成光频随时间线性变化的窄线宽光(啁啾光)。光源分光器122将啁啾光的功率分配给4个通道。注意，使用啁啾光的测量工作的原理将在后面参见图4和图5进行描述。

分光检测单元112-1至112-4各自包括分光器131、循环器132和检测器133。在下文中，除非有必要区分分光检测单元112-1至112-4，否则分光检测单元112-1至112-4将被简称为分光检测单元112。

分光器131将啁啾光的功率的一部分(例如，约10％)作为局部振荡光提供给检波器133，将啁啾光的功率的其余部分作为发送光提供给循环器132。局部振荡光也被称为LO(Local Oscillator)光，而发送光也被称为TX(Transmitter)光。

循环器132是能够根据传播方向而将光引导至不同端口的光学元件。循环器132将来自分光器131的发送光发送到扫描仪单元113，同时将来自扫描仪单元113的接收光引导到检测器133，以防止光回流到分光器131。所接收的光也称为RX(Receiver)光。

检测器133包括例如光学干涉仪和平衡光电二极管(BPD)。检测器133将来自分光器131的局部振荡光与来自循环器132的接收光之间的差频作为电流输出。差频通常也被称为拍频。

参考图4和图5，将描述测距系统1的测量工作的原理。如图4所示，假设在通过测距系统1测量到待测量的目标2的距离R和相对于目标2的相对速度v时，发送光(TX光)被发送并且接收光(RX光)作为其反射光被接收。

图5示出了当纵坐标表示激光频率并且横坐标表示时间时发送光和接收光之间的关系。在图5中，实心三角波表示发送光(TX光)，并且单点三角波表示接收光(RX光)。

此时，啁啾包括下降光频的周期(下啁啾)和上升光频的周期(上啁啾)，并且下啁啾和上啁啾的组合周期(图5中的T

测量下啁啾的拍频(图5中的f

[数学式1]

在表达式(1)中，R表示从测距系统1到目标2的距离(m)。另外，γ表示啁啾速度(Hz/s)，c表示光速(m/s)。图5中的ToF可以表示为τ＝2R/c，并且表达式(1)的右侧从τ和γ之间的关系导出。

[数学式2]

在表达式(2)中，v表示测距系统1和目标2之间的相对速度(m/s)。而且，λ

返回参考图3，扫描仪单元113包括并排布置的四个像素阵列，并且每个像素阵列包括20个像素，MEMS光栅开关作为一个像素。扫描仪单元113的详细示例性结构在图6中示出。图6示出了当一个像素阵列被称为一个通道时，包括Ch.0至Ch.3的四通道配置。

如图6所示，像素141在由硅制成的波导161上方，包括由诸如Poly-Si的导电材料形成的光栅151、像素框152和诸如弹簧的弹性构件153。

光栅151是例如在矩形导电材料上以规定间隔隔开多个狭缝状的孔的衍射光栅，狭缝之间的间隔是开关所使用的光的波长的大约0.1至10倍。像素框152固定于基板上，光栅151通过弹性构件153固定于像素框152上。

虽然未示出，但是像素框152和基板各自与电极连接并且彼此绝缘。当在像素框152与衬底之间施加规定的电压时，根据静电MEMS的原理，光栅151可以根据电压的大小相对于衬底上下移动。

当光栅151位于下位置，即远离基板时，穿过波导161的光从光栅151射出而不在像素141的下方通过，反之，入射到光栅151上的光被波导161捕获。该状态称为导通状态。

同时，当光栅151位于上位置，即更靠近基板时，穿过波导161的光在像素141的下方通过，且没有光从光栅151射出，并且入射到光栅151上的光被基板反射或吸收，并且不被波导161占用。该状态称为断开状态。

这样，像素141具有在自由空间和波导161之间耦合光的结构和在光对波导161的通过和阻挡之间切换的光学开关。这种结构允许控制光入射和出射的位置，换言之，允许作为与LiDAR兼容的扫描仪的操作。更具体地，像素141可以根据静电MEMS形成可移动光栅耦合器。使用静电MEMS的可移动光栅耦合器具有集成方式的光波导开关和光栅，从而可以提供高密度的像素阵列。

如图6所示，在扫描仪单元113中，在四个通道Ch.0至Ch.3中属于同一通道的20个像素141的每一个通过各像素141下方的波导161在垂直方向上(在图中的Y方向上)连接成一列。更具体地，扫描仪单元113具有像素阵列，每个像素阵列包括通过单个波导161连接的多个像素141，并且在与波导161相同的方向(图中的Y方向)上以规定的间距布置，并且设置四个通道Ch.0至Ch.3，像素阵列用作一个通道。

对于四个通道Ch.0至Ch.3中的每个，属于相邻通道的像素141在垂直方向(图中的Y方向)上彼此错开规定的偏移量，或者在图6的实例中彼此错开像素垂直间距的1/4(相当于在图中由A1表示的通道Ch.2与Ch.3之间的偏移量)。换言之，在每个通道中的像素141与另一个相邻通道中的像素141之间，光发射器(光接收器/发射器142)在与波导161相同的方向(图中的Y方向)交叉的方向(图中的X方向)上至少部分重叠。如下面将详细描述的，每个像素具有与其相邻像素重叠的Y坐标覆盖，这允许通过信号处理替换有缺陷的开关。

在图6的实例中，通道之间的偏移量是像素垂直间距的1/4，但是通道之间的偏移量仅需要是小于像素垂直间距的规定宽度。例如，可以基于像素垂直间距与通道数量之间的关系来确定通道之间的偏移量。注意，只要存在多个通道，则通道的数量不限于4个。

在图6所示的圆圈中的放大区域E中，光接收器/发射器142的区域对应于各像素141中的光栅151的狭缝所在的区域，并且该区域表示像素141中的有效光发射和接收区域。该像素布置与在水平方向(在图中由B1表示的X方向)上执行扫描(扫描)的外部扫描仪12(图1)组合，通过将描述的信号分离处理，允许获得比像素141的分辨率小的分辨率。在图6的实例中，最小分辨率对应于由框C1包围的面积，即，像素面积的1/4。

(扫描方法)

现在，将参考图7和图8对测距系统1的示例性扫描方法进行描述。

在图7和图8中，两种类型的线被标记为网格形状，网格形状的线D1表示信号分离处理之后的分辨率，并且每个网格对应于图6中的框C1。以网格形状的D2表示待测量的视场(FoV)，并且外部扫描仪12在水平方向(图中由B2表示的X方向)上扫描视场。每个像素141中的光接收器/发射器142具有MEMS光栅开关(下面也称为MEMS开关)，对每个MEMS开关进行编号以标识MEMS开关。

在图2中所示的SiP 10中，布置在光集成电路100-1至100-3中的扫描仪单元113中的像素141的数量是240(3x 80像素)，但是在此，为了便于描述，将描述具有较少像素的简化实例。

在图7和图8中，像素阵列(MEMS开关阵列)具有四个通道Ch.0至Ch.3的总共8个像素。假设用于2D扫描的视场(FoV)在水平方向上为4像素并且在垂直方向上为7像素，即，4x7像素＝28像素。在图7和图8中，从时刻T＝1到时刻T＝14，28个像素的测量通过14个时间步骤完成。一个时间步骤对应于参考图5描述的下啁啾和上啁啾(Tmod)的组合周期。

(A)T＝1，2，X＝0

在时刻T＝1、2时，属于Ch.0的两个MEMS开关(0，4)的出射光和入射光通过外部扫描仪12与视场X＝0对准。在时刻T＝1，MEMS开关(0)以及在时刻T＝2，MEMS开关(4)依次发射光以接收来自目标2的反射光。来自检测器133的输出由AFE 102A转换成接收数据(数字信号串)。

使用对应视场的坐标(X，Y)将标签{X，Y}分配给以这种方式获得的接收数据，这进而可以表示为{0，0}，{0，3&4}。此处，“3&4”表示Y＝3和Y＝4的接收信号被混合。类似地，在以下描述中，用“&”表示多个Y坐标的接收信号的混合。

这样，在时刻T＝1、2，Ch.0处于视场X＝0处，并且MEMS开关(0)和MEMS开关(4)发射光，并且分别在时刻T＝1和T＝2处检测光，使得根据对应的视场获得并标记接收的数据。

(B)T＝3、4、X＝1

在时刻T＝3，4，MEMS开关(1，5)的出射光和入射光与视场X＝0对准，并且MEMS开关(0，4)的出射光和入射光与视场X＝1对准。MEMS开关(0，1)和MEMS开关(4，5)分别在时刻T＝3和时刻T＝4依次发射和接收光。当根据视野的坐标将标签分配给这里获得的接收数据时，标签依次表示为{1，0}，{0，0&1}，{1，3&4}，{0，4&5}。

(C)T＝5、6、X＝2

在时刻T＝5、6，MEMS开关(2、6)的出射光和入射光与视场X＝0对准，MEMS开关(1、5)的出射光和入射光与视场X＝1对准，并且MEMS开关(0、4)的出射光和入射光与视场X＝2对准。MEMS开关(0，1，2)和MEMS开关(4，5，6)分别在时刻T＝5和时刻T＝6依次发射和接收光。当根据视野的坐标向在此获得的接收数据分配标签时，标签依次表示为{2，0}，{1，0&1}，{0，1&2}，{2，3&4}，{1，4&5}，{0，5&6}。

(D)T＝7、8、X＝3

在时刻T＝7、8，MEMS开关(3、7)的出射光和入射光与视场X＝0对准，MEMS开关(2、6)的出射光和入射光与视场X＝1对准，MEMS开关(1、5)的出射光和入射光与视场X＝2对准，MEMS开关(0、4)的出射光和入射光与X＝3对准。MEMS开关(0，1，2，3)和MEMS开关(4，5，6，7)分别在时刻T＝7和时刻T＝8依次发射和接收光。当根据视场的坐标向在此获得的接收数据分配标签时，标签被表示为{3，0}，{2，0&1}，{1，1&2}，{0，2&3}，{3，3&4}，{2，4&5}，{1，5&6}和{0，6&7}。

(E)T＝9、10、X＝4

在时刻T＝9、10，来自MEMS开关(3、7)的出射光和入射光与视场X＝1对准，来自MEMS开关(2、6)的出射光和入射光与视场X＝2对准，并且来自MEMS开关(1、5)的出射光和入射光与视场X＝3对准。MEMS开关(1，2，3)和MEMS开关(5，6，7)分别在时刻T＝9和时刻T＝10依次发射和接收光。当根据视场的坐标向这里获得的接收数据分配标签时，标签被表示为{3，0&1}，{2，1&2}，{1，2&3}，{3，4&5}，{2，5&6}和{1，6&7}。

(F)T＝11、12、X＝5

在时刻T＝11、12，MEMS开关(3、7)的出射光和入射光与视场X＝2对准，并且MEMS开关(2、6)的出射光和入射光与视场X＝3对准。MEMS开关(2，3)和MEMS开关(6，7)分别在时刻T＝11和时刻T＝12依次发射和接收光。当根据视场的坐标将标签分配给在此获得的接收数据时，标签被表示为{3，1&2}，{2，2&3}，{3，5&6}，和{2，6&7}。

(G)T＝13，14，X＝6

在时刻T＝13、14处，MEMS开关(3、7)的出射光和入射光与视场X＝3对准。MEMS开关(3)和MEMS开关(7)分别在时刻T＝13和时刻T＝14依次发光和接收光。当根据视场的坐标将标签分配给在此获得的接收数据时，标签被表示为{3，2&3}，以及{3，6&7}。

在测距系统1中，执行如上所述的扫描，使得在从时刻T＝1到时刻T＝14的14个时间步骤中进行28个像素的测量，并且获得根据相应的视场(FoV)标记的接收数据。

(距离和速度计算方法)

在测距系统1中，使用通过上述扫描获得的接收数据来计算距被指定为标签的每组坐标{X，Y}的距离和速度。例如，DSP 102B对每个接收的数据序列进行离散傅立叶变换(DFT)以获得频谱。这里，由于在一次测量的时间步骤中存在下啁啾和上啁啾周期，所以对每个周期执行离散傅立叶变换计算，以获得每次测量的两个频谱。

对于每个频率，将在时刻T＝1从MEMS开关(0)中获得的频谱{0，0}与在时刻T＝3从MEMS开关(1)中获得的频谱{0，0&1}相乘，以检测所产生的频谱积的强度达到峰值的频率。这样，获得与视场中的坐标{0，0}对应的拍频(f

同样，将在时刻T＝3从MEMS开关(1)中获得的频谱{0，0&1}与在时刻T＝5从MEMS开关(2)中获得的频谱{0，1&2}与每个频率相乘，并且检测所产生的频谱乘积的强度出现峰值的频率。这样，可以获得对应于视场坐标{0，1}的拍频，并且可以计算距离和速度。

频谱的乘积提供对应于视场的坐标的距离和速度(图7和8的实例中的28个像素(4x7个像素))。

测距系统1包括光集成电路100，该光集成电路100包括扫描仪单元113，该扫描仪单元113包括多个通道，每个通道作为一个通道与1D像素阵列(MEMS开关阵列)相对应，该1D像素阵列包括多个像素，各像素具有光辐射结构和光波导开关(具有MEMS光栅开关的像素)，并且多个通道在通道之间以小于像素间距的宽度错开。包括光集成电路100的SiP10与用于扫描的外部扫描仪12组合，使得可提供高于像素间距的角分辨率。以此方式，可以实施具有较高角分辨率的测距。

特别地，根据专利文献1中公开的特征，为了增加角度分辨率，像素必须被小型化以减小像素间距。具有诸如MEMS光栅开关之类的可移动部件的结构可能遭受降低的机械强度和可归因于小型化时的降低的缺陷。同时，因为根据本公开的角分辨率可在不需要像素小型化的情况下增加，所以可避免机械强度降低的问题，并且因此，可防止缺陷。

(MEMS开关的替换方法)

接着，说明故障MEMS的替换方法。

MEMS开关的可能的故障模式是开关被卡在关断状态的固定断开故障和开关被卡在接通状态的固定接通故障。在固定断开故障中，只有包括所讨论的MEMS开关的像素(缺陷像素)不能发射和接收光，而其他像素不受影响。

同时，固定导通故障导致所谓的线路故障，该线路故障具有显著影响，这是因为包括所讨论的MEMS开关的像素(故障像素)保持耦接至像素下方的波导，并且与故障像素共享波导并且布置为比故障像素更靠近线路的远端的像素也不能发射和接收光。

以此方式，固定接通故障通常导致包括所讨论的MEMS开关的整个通道不可用于测量。即使在MEMS开关中发生这种故障，也可以通过利用DSP 102B执行以下计算来继续对于所有像素的测量。

在图7和图8所示的示例中，假定MEMS开关(2)具有固定关断故障。Y＝1，2对应的视场的坐标受MEMS开关(2)故障的影响。例如，代替上述频谱的乘积，通过从在时刻间T＝5从MEMS开关(1)获得的频谱{1，0&1}中减去在时刻T＝3从MEMS开关(0)获得的频谱{1，0}获得的频谱差并且检测强度峰值所在的频率，可获得对应于视场的坐标{1，1}的距离和速度。这允许在不使用从MEMS开关(2)接收的数据的情况下计算距离和速度。

可使用通过从在时刻T＝7从MEMS开关(1)获得的频谱{2，0&1}中减去在时刻T＝5从MEMS开关(0)获得的频谱{2，0}获得的频谱差来计算对应于视场的坐标{2，1}的距离和速度。

可以使用通过从在时刻T＝11从MEMS开关(3)中获得的频谱{2，2&3}中减去频谱{2，3}获得的频谱差来计算对应于视场的坐标{2，2}的距离和速度。这里，通过将{2，2&3}的频谱乘以在时刻T＝6针对每个频率从MEMS开关(4)获得的{2，3&4}的频谱，然后求出其根，即，计算频谱积的平方根，来获得频谱{2，3}。

此后，无需使用从MEMS开关(2)接收的数据，可以使用对应于Y＝1，2的视场的每个坐标的频谱差以相同方式计算距离和速度。然而，对于某些坐标，频谱乘积的平方根与频谱差一起使用。如果除了MEMS开关(2)之外的具有任何开关编号的开关具有固定断开故障，对于受影响的视场的坐标，也可以使用频谱差(并且对于某些坐标，也使用频谱乘积的平方根)以相同的方式继续测量。

现在，假设在图7和图8所示的实例中，MEMS开关(2)具有固定接通故障。在这种情况下，属于与MEMS开关(2)相同的通道(Ch.2)的MEMS开关(6)的光发射和接收被禁用。对应于Y＝5、6的视场的坐标受MEMS开关(6)的故障影响。

例如，可使用在时刻T＝6从MEMS开关(5)的频谱{1，4&5}中减去频谱{1，4}所获得的频谱差来计算对应于视场的坐标{1，5}的距离和速度。这里，通过计算{1，4&5}的频谱与在时刻T＝4从MEMS开关(4)获得的频谱{1，3&4}的频谱乘积的平方根来获得频谱{1，4}。

此后，当MEMS开关(2)具有固定接通故障时，对于对应于Y＝5、6的视场的各坐标，可以类似地使用频谱差(但是对于一些坐标也可以使用频谱乘积的平方根)来计算距离和速度，而不使用从MEMS开关(6)接收的数据。如果MEMS开关(2)之外的具有任何开关编号的开关具有固定接通故障，则可以以相同的方式继续测量。

在以上描述中，存在用于四个通道的八个MEMS开关，并且视场FoV对应于28个像素，但是使用更多数量的像素中的MEMS开关来扫描更高分辨率的视场(FoV)可以使用相同的信号处理。换句话说，当扫描较高分辨率视场时，对应于由于固定断开或固定接通故障而丢失的MEMS开关的测量点可由信号处理替代，所述信号处理使用例如频谱差和从来自相邻正常MEMS开关的接收数据获得的频谱乘积等频谱。

即使在像素发生故障时，替换处理也允许继续测距。注意，专利文献1中公开的特征不包括用于解决故障模式的方法，并且一旦在像素中发生故障，则不能继续测距。

<2.变形例>

(光集成电路的替代配置)

图9示出了图2中的光集成电路的另一示例性配置。

在图9中的光集成电路200中，与在图3中的光集成电路100的元件相对应的元件由相同的参考标号表示，并且将不酌情提供其描述。更具体地，代替分光检测单元112，光集成电路200设置有分光检测单元212。分光检测单元212包括分光检测单元212-1至212-4。

分光检测单元212-1至212-4除了分光器131、循环器132、以及检测器133之外还各自包括SOA 231。

SOA(半导体光放大器：Semiconductor Optical Amplifier)231是具有用于光波导的输入/输出端口和至少两个电极，根据在电极之间通过的电流的大小放大输入光的功率，并且输出所产生的光的装置。由于SOA 231仅仅放大功率，而不改变光学频率，所以光源单元111的啁啾形状不会通过放大而改变。

设置在光集成电路200的每个通道中的SOA 231允许将通道的激光输出功率增大到更高的水平，以便能够在长距离上进行测距。尤其是，如果光集成电路200有许多通道，则希望为每个通道提供额外的SOA 231，因为将单个啁啾光源分光成许多通道可能很容易导致每个通道的发送光功率不足。

对于LiDAR兼容的测距装置，根据激光产品的安全标准(所谓的眼睛安全)(例如，JIS C 6802：2014)，限制在每单位时间在相同方向上可发射的激光能量。与正常开关不同，具有固定接通故障的MEMS开关继续在相同方向上发射发送光，并且存在通道中的光的输出量可能超过眼睛安全标准的限制的风险。此时，为每个通道设置独立的SOA 231，以便在具有固定接通故障的通道中的SOA 231的驱动电流可被控制为大约0，以保持发送光的功率较低，从而可防止与安全标准的偏离。

(测距装置的替代配置)

已经描述了FMCW LiDAR作为一种LiDAR，但是FMCW LiDAR之外的其他类型的LiDAR可以应用于本公开所应用的测距装置。例如，可以使用dToF LiDAR(直接飞行时间LiDAR)，其中，光源不经受频率调制，而是使用例如通过时间数字转换器(TDC：时间数字转换器)电路测量从发送至接收的延迟时间。

根据FMCW LiDAR，从接收信号的频谱中获得距离，但是根据dToF LiDAR，通过创建表示在每个时刻接收信号的强度的直方图并且检测其峰值，获得到目标的距离。对于FMCWLiDAR，使用频谱的乘积，从每个开关的接收信号获得视场(FoV)的每个坐标的接收信号，而根据dToF LiDAR，通过获得从两个开关获得的直方图中的每个时间的强度的乘积，类似地允许视场(FoV)的每个坐标的信号分离。

类似地，当开关具有固定接通或固定断开故障时，可以基于从相邻的正常开关接收的数据，使用直方图的乘积和直方图之间的差来计算距离。

(外部扫描仪的替代配置)

在以上描述中，Risley棱镜用作外部扫描仪12，但是本公开不限于该实例，并且可以使用能够用于LiDAR的任何扫描仪。具体地，例如，可以使用MEMS镜、音圈镜、电流镜、多面旋转镜、头旋转型机械扫描仪或液晶扫描仪(包括LCOS(硅基液晶))。

(像素的替代结构)

在前面的描述中，以像素141为MEMS光栅开关为例，但开关不限于基于静电MEMS的开关，可以采用任何其他的像素结构。例如，可以使用能够在自由空间与光波导之间耦合光的任何结构以及控制该光波导的通道和阻挡的任何光开关。具体的，可以将热光开关、电光开关等光波导开关与非移动光栅耦合器相结合，形成功能相同的像素。

(测距系统的替代结构)

在以上描述中，MEMS开关用于发送和接收，但是本公开不限于该实例。例如，可以为光发送和接收提供单独的光集成电路，并且应用本公开的扫描仪结构可以用于这些电路中的一个或两个。虽然单独提供用于发射和接收的电路增加了部件的数量，但是该结构的优点在于，消除了对分光检测单元112和212(图3和图9)的循环器132的需要，并且该结构还消除了非理想因素，诸如可能引起噪声部件叠加到接收光上的波导或光电路的路径中发送光的非预期反射。

应注意，本公开的实施方式不限于所描述的实施方式，并且在不背离本公开的范围和精神的前提下，可以各种方式进行修改。此处描述的有利效果仅是示例性的并且不是限制性的，并且可以展示其他有利效果。

在本文中，术语系统是指多个要素(例如，装置和模块(部件))的集合，并且所有要素可以或可以不位于同一壳体中。因此，容纳在单独的壳体中并且通过网络连接的多个装置和容纳在一个壳体中的多个模块的单个装置均构成系统。在本文中，“1D”表示一维并且“2D”表示二维。

此外，本公开可以如下配置：

(1)

一种测距装置，包括扫描仪单元，所述扫描仪单元具有像素阵列，每个所述像素阵列包括通过波导连接的多个像素，所述像素在第一方向上以规定间距布置，所述第一方向与所述波导的方向在相同的方向上，其中，

所述扫描仪单元包括多个通道，所述像素阵列用作一个通道，并且

所述多个通道布置在与所述第一方向交叉的第二方向上，并且在所述通道之间以小于所述规定间距的规定宽度错开。

(2)

根据(1)所述的测距装置，其中，所述像素具有：

在自由空间与所述波导之间耦合光的结构，以及

光学开关，被配置为在光到所述波导的通过与阻挡之间切换。

(3)

根据(2)所述的测距装置，

其中，所述像素由使用静电MEMS的可移动光栅耦合器配置。

(4)

根据(1)至(3)中任一项所述的测距装置，

其中，光发射器在每个通道中的像素与另一个相邻通道中的像素之间在该第二方向上至少部分重叠。

(5)

根据(1)至(4)中任一项所述的测距装置，

其中，所述第一方向和所述第二方向彼此正交。

(6)

根据(1)至(5)中任一项所述的测距装置，进一步包括：光源单元，被配置为产生啁啾光；以及

分光检测单元，被配置为将通过分光啁啾光而获得的发射光提供给扫描仪单元，并检测从扫描仪单元提供的接收光，

其中，

所述扫描仪单元使来自所述分光检测单元的所述发送光从所述像素的光发射器发光，并且

在所述像素的光接收器处接收由目标反射的光，以及

将所接收的光提供至所述分光检测单元。

(7)

根据(6)所述的测距装置，进一步包括信号处理单元，被配置为基于从接收光获得的接收数据计算与目标相关的测距信息。

(8)

根据(7)所述的测距装置，

其中，所述信号处理单元通过使用在第一时间从第一像素获得的第一频谱与在第二时间从第二像素获得的第二频谱的乘积来计算到所述目标的所述距离或相对于所述目标的相对速度。

(9)

根据(7)所述的测距装置，

其中，所述信号处理单元通过使用在第一时间从第一像素获得的第一频谱与在第二时间从第二像素获得的第二频谱之间的差来计算到所述目标的距离或者相对于所述目标的相对速度。

(10)

根据(9)所述的测距装置，

其中，所述信号处理单元根据需要通过将所述第一频谱与在第三时间从第三像素获得的第三频谱相乘然后获得其平方根来计算所述第二频谱。

(11)

根据(1)至(10)中任一项所述的测距装置，

其中，该规定宽度基于该规定间距与这些通道的数量之间的关系来确定。

(12)

根据(1)至(11)中任一项所述的测距装置，

其中，根据FMCW LiDAR进行测距。

(13)

一种光集成电路，包括光源单元，用于产生啁啾光，

扫描仪单元，具有像素阵列，每个所述像素阵列包括通过一个波导连接的多个像素，所述像素在第一方向上以规定间距布置，所述第一方向与所述波导的方向在相同方向上；以及

分光检测单元，被配置为将通过对啁啾光分光而获得的发送光提供给扫描仪单元，并检测从扫描仪单元的接收光，

其中，

所述扫描仪单元包括多个通道，所述像素阵列用作一个通道，并且

所述多个通道布置在与所述第一方向交叉的第二方向上，并且在所述通道之间以小于所述规定间距的规定宽度错开。

(14)

根据(13)所述的光集成电路，

其中，所述光源单元、所述扫描仪单元和所述分光检测单元集成在半导体基板上。

(15)

一种测距系统，包括光集成电路，所述光集成电路包括：光源单元，被配置为产生啁啾光，

扫描仪单元，具有像素阵列，每个所述像素阵列包括通过一个波导连接的多个像素，所述像素在第一方向上以规定间距布置，所述第一方向与所述波导的方向在相同方向上，以及

分光检测单元，被配置为将通过对啁啾光分光而获得的发送光提供给扫描仪单元，并检测从扫描仪单元提供的接收光，以及

外部扫描仪，被配置为至少在与所述第一方向交叉的第二方向上执行扫描，

其中，

所述扫描仪单元包括多个通道，所述像素阵列用作一个通道，并且

所述多个通道布置在所述第二方向上，并且在通道之间以小于所述规定间距的规定宽度错开。

(16)

根据(15)所述的测距系统，

其中，多个所述光集成电路布置在所述第一方向上，并且

所述外部扫描仪在所述第二方向上执行一维扫描。

(17)

根据(15)或(16)所述的测距系统，

其中，所述第一方向与所述第二方向正交。

(18)

根据(15)至(17)中任一项所述的测距系统，

其中，根据FMCW LiDAR进行测距。

[符号说明]

1测距系统10SiP 11准直器12外部扫描仪

20 1D扫描仪阵列100、100-1至100-3光集成电路

111光源单元112、112-1至112-4分光检测单元

113扫描仪单元121啁啾光源122光源分光器131分光器

132循环器133检测器141像素142光接收器/发射器

151光栅152像素框153弹性构件161波导

200光集成电路212、212-1至212-4分光检测单元231SOA。