特許 6821024 アパーチャを用いる光検出用の導波路拡散器のアレイ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6821024

(24)【登録日】2021年1月7日

(45)【発行日】2021年1月27日

(54)【発明の名称】アパーチャを用いる光検出用の導波路拡散器のアレイ

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/481 20060101AFI20210114BHJP

   G01J 1/04 20060101ALI20210114BHJP

   G01N 21/49 20060101ALI20210114BHJP

【ＦＩ】

   G01S7/481 A

   G01J1/04 A

   G01N21/49 C

【請求項の数】20

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2019-527865(P2019-527865)

(86)(22)【出願日】2017年12月1日

(65)【公表番号】特表2020-501133(P2020-501133A)

(43)【公表日】2020年1月16日

(86)【国際出願番号】US2017064104

(87)【国際公開番号】WO2018102628

(87)【国際公開日】20180607

【審査請求日】2019年7月10日

(31)【優先権主張番号】15/366,746

(32)【優先日】2016年12月1日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】317015065

【氏名又は名称】ウェイモ エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100126480

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 睦

(72)【発明者】

【氏名】ドロズ，ピエール−イヴ

(72)【発明者】

【氏名】ハチソン，デイビッド

【審査官】 梶田 真也

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０１７８３２９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１５−１６１６８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０１４７２３９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０２３２４３０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｓ ７／４８ − ７／５１

Ｇ０１Ｓ １７／００ − １７／９５

Ｇ０１Ｂ １１／００ − １１／３０

Ｇ０１Ｎ ２１／００ − ２１／０１

Ｇ０１Ｎ ２１／１７ − ２１／６１

Ｇ０１Ｊ １／００ − １／６０

Ｇ０１Ｊ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シーンに対して配置されたレンズであって、前記シーンからの光を前記レンズの焦点面に向かって集束させるように構成されたレンズと、
前記レンズの前記焦点面に平行に配置された不透明材料内に画定されたアパーチャと、
複数の導波路であって、前記複数のうちの所与の複数の導波路のそれぞれが、共通の前記アパーチャを透過した光の一部を受光する入力端を有し、前記所与の複数の導波路のそれぞれが、前記所与の複数の導波路のそれぞれの出力端を透過するために前記光の受光部分を導波し、前記出力端における前記導波光の断面積が、前記入力端における前記光の受光部分の断面積よりも大きい、複数の導波路と、
前記出力端を透過した前記導波光を検出する光検出器のアレイと
を備えるシステム。

【請求項2】

前記所与の導波路が、前記共通のアパーチャの長手方向に沿った前記導波光の発散を低減する、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記複数の導波路が積層構成中に存在し、前記所与の導波路が前記積層構成の積層方向に沿った前記導波光の発散を低減する、請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

前記複数の導波路が平面導波路アレイを備え、前記積層方向が前記共通のアパーチャの長手方向と平行である、請求項３に記載のシステム。

【請求項5】

前記光検出器のアレイが複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

前記アレイ内の前記光検出器が互いに並列に接続される、請求項１に記載のシステム。

【請求項7】

前記光検出器のアレイが前記出力端に配置される、請求項１に記載のシステム。

【請求項8】

前記出力端が前記入力端の反対側にある、請求項１に記載のシステム。

【請求項9】

前記複数の導波路が、
第１の屈折率を有する第１のコアと、
前記第１の屈折率を有する第２のコアと、
前記第１のコアおよび前記第２のコアの間に少なくとも部分的に配置され、前記第１の屈折率未満の第２の屈折率を有するクラッドと
を備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項10】

前記複数の導波路の第１の導波路の入力端が、前記共通のアパーチャに隣接する前記第１のコアの表面に対応し、前記複数の導波路の第２の導波路の入力端が、前記共通のアパーチャに隣接する前記第２のコアの表面に対応する、請求項９に記載のシステム。

【請求項11】

前記クラッドが、（ｉ）前記第１の導波路の前記入力端を含む第１の側、および（ｉｉ）前記第１の導波路の前記出力端を含む第２の側、以外の前記第１のコアの複数の側に沿って配置される、請求項１０に記載のシステム。

【請求項12】

前記第１のコアと前記第２のコアとの間に配置された吸収材をさらに備え、前記吸収材は、前記第１のコアから前記クラッドを通って消えていくエバネッセント光が、前記第２のコアに伝播することを防止する、請求項９に記載のシステム。

【請求項13】

前記複数の導波路がガラス基板を備え、前記クラッドが、ドープされない前記ガラス基板の領域に対してより低い屈折率を有するようにドープされた前記ガラス基板の領域に対応し、前記第１のコアが、ドープされない前記ガラス基板の前記領域に対応する、請求項９に記載のシステム。

【請求項14】

シーンに対して配置されたレンズによって、前記シーンからの光を焦点面に向かって集束させること、
前記焦点面と平行に配置された不透明材料内に画定されたアパーチャを通して、前記シーンからの前記集束された光を透過させること、
複数の導波路のうちの所与の複数の導波路のそれぞれの入力端で、共通の前記アパーチャを透過した前記光の一部を受光すること、
前記所与の複数の導波路によって、前記光の受光部分を前記所与の複数の導波路のそれぞれの出力端に向かって導波すること、および
光検出器のアレイにおいて、前記出力端から伝播する前記導波光を検出することを含み、前記検出される光の断面積は前記入力端で受光された前記光の一部の断面積よりも大きい、方法。

【請求項15】

前記アレイ内の前記光検出器が互いに並列に接続されていることに基づいて前記アレイ内の前記光検出器からの出力を組み合わせることをさらに含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

光エミッタを介して、光パルスを前記シーンに向けて送出すること、
前記光検出器からの前記組み合わされた出力に基づいて前記光パルスの反射を検出すること、および
少なくとも前記検出された反射に基づいて前記シーン内の物体の位置を決定すること
をさらに含む、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

光検出測距（ＬＩＤＡＲ）装置であって、
シーンを照射するＬＩＤＡＲ送信機と、
前記シーン内の１つまたは複数の物体によって散乱された光を受信するＬＩＤＡＲ受信機であって、
前記受信した光を焦点面に向けて集束させるレンズと、
前記焦点面と平行に配置された不透明材料内に画定されたアパーチャと、
複数の導波路であって、前記複数のうちの所与の複数の導波路のそれぞれが、共通の前記アパーチャを透過した光の一部を受光する入力端を有し、前記所与の複数の導波路のそれぞれが前記光の受光部分を前記所与の複数の導波路のそれぞれの出力端に向かって導波する、複数の導波路と、
前記出力端を透過した前記導波光を遮断し検出する光検出器のアレイであって、前記出力端を透過した前記導波光を遮断する前記アレイの検出領域の断面積が、前記入力端における前記光の受光部分の断面積よりも大きい、光検出器のアレイと
を備えるＬＩＤＡＲ受信機と
を備える光検出測距（ＬＩＤＡＲ）装置。

【請求項18】

前記光検出器のアレイが複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を備える、請求項１７に記載のＬＩＤＡＲ装置。

【請求項19】

前記アレイ内の前記光検出器が互いに並列に接続される、請求項１７に記載のＬＩＤＡＲ装置。

【請求項20】

前記光検出器のアレイが前記出力端に沿って配置される、請求項１７に記載のＬＩＤＡＲ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［0001］ 本願は、２０１６年１２月１日に出願された米国特許出願第１５／３６６，７４６号に付与された優先権を主張する。この特許出願は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

【背景技術】

【0002】

［0002］ 本明細書中に他に示されない限り、本節に記載される材料は、本願の特許請求の範囲に対する先行技術ではなく、また本節に含まれることによって先行技術であると認められるわけではない。

【0003】

［0003］ フォトダイオード、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）、または他の種類のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）などの光検出器を使用して、それらの表面に与えられた光を（例えば、光の強度に対応する電圧または電流などの電気信号を出力することによって）検出することができる。そのような装置の多くの種類は、シリコンなどの半導体材料から製造される。かなりの幾何学的領域にわたって光を検出するために、複数の光検出器を、並列に接続されたアレイに配置することができる。これらのアレイは、シリコンフォトマルチプライヤ（ＳｉＰＭ）またはマルチピクセルフォトンカウンタ（ＭＰＰＣ）とよばれることがある。

【0004】

［0004］ 上記の構成のいくつかは、比較的低い強度の光に敏感であり、それによってそれらの検出の質を向上させる。しかしながら、これは、上記の構成がバックグラウンドの悪影響も過度に受け易いことにつながる可能性がある（例えば、外部光源からの外部光が光検出器による測定に影響を及ぼす可能性がある）。

【発明の概要】

【0005】

［0005］ 一例では、システムは、シーンに対して配置されかつシーンからの光をレンズの焦点面に向かって集束させるように構成されたレンズを含む。このシステムはまた、レンズの焦点面に平行に配置された不透明材料内に画定されたアパーチャを含む。このシステムはまた、所与の導波路を含む複数の導波路を含む。所与の導波路は、アパーチャを透過した光の一部を受光する入力端を有する。所与の導波路は、所与の導波路の出力端を透過するために光の受光部分を導波する。出力端における導波光の断面積は、入力端における光の受光部分の断面積よりも大きい。このシステムはまた、出力端を透過した導波光を検出する光検出器のアレイを含む。

【0006】

［0006］ 別の例では、方法は、シーンに対して配置されたレンズによって、シーンからの光を焦点面に向かって集束させることを含む。この方法はまた、焦点面と平行に配置された不透明材料内に画定されたアパーチャを通して、シーンからの集束された光を透過させることを含む。この方法はまた、複数の導波路のうちの所与の導波路の入力端で、アパーチャを透過した光の一部を受光することを含む。この方法はまた、所与の導波路によって、光の受光部分を所与の導波路の出力端に向かって導波することを含む。この方法はまた、光検出器のアレイにおいて、出力端から伝播する導波光を検出することを含む。検出される光の断面積は、入力端で受光された光の一部の断面積よりも大きい。

【0007】

［0007］ さらに別の例では、光検出測距（ＬＩＤＡＲ）装置は、シーンを照射するＬＩＤＡＲ送信機を含む。ＬＩＤＡＲ装置はまた、シーン内の１つまたは複数の物体によって散乱された光を受信するＬＩＤＡＲ受信機を含む。ＬＩＤＡＲ受信機は、受信した光を焦点面に向かって集束させるレンズを含む。ＬＩＤＡＲ受信機はまた、焦点面と平行に配置された不透明材料内に画定されたアパーチャを含む。ＬＩＤＡＲ受信機はまた複数の導波路を含む。複数のうちの所与の導波路は、アパーチャを透過した光の一部を受光する入力端を有する。所与の導波路は、光の受光部分を所与の導波路の出力端に向かって導波する。ＬＩＤＡＲ受信機はまた、出力端を透過した導波光を遮断し検出する光検出器のアレイを含む。出力端を透過した導波光を遮断するアレイの検出領域の断面積は、入力端における光の受光部分の断面積よりも大きい。

【0008】

［0008］ さらに別の例では、システムは、シーンからの光を焦点面に向かって集束させるための手段を備える。このシステムはまた、焦点面に配置された不透明材料内に画定されたアパーチャを通して、シーンからの集束された光を透過するための手段を備える。このシステムはまた、複数の導波路のうちの所与の導波路の入力端で、アパーチャを透過した光の一部を受光するための手段を備える。このシステムはまた、所与の導波路によって、光の受光部分を所与の導波路の出力端に向かって導波するための手段を備える。このシステムはまた、光検出器のアレイにおいて、出力端から伝播する導波光を検出するための手段を備える。検出される光の断面積は、入力端で受光された光の一部の断面積よりも大きい。

【0009】

［0009］ 前述の概要は例示的なものにすぎず、決して限定的であることを意図するものではない。上記の例示的な態様、実施形態、および特徴に加えて、さらなる態様、実施形態、および特徴が、図面および以下の詳細な記載を参照することによって明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1A】［0010］例示的な実施形態による、アパーチャを含むノイズ制限システムの図である。

【図1B】［0011］例示的な実施形態による、図１Ａのシステムの別の図である。

【図2】［0012］例示的な実施形態による、ＬＩＤＡＲ装置の簡略ブロック図である。

【図3A】［0013］例示的な実施形態による、アパーチャおよび導波路アレイを含むノイズ制限システムの図である。

【図3B】［0014］例示的な実施形態による、図３Ａのシステムの断面図を示す。

【図4】［0015］例示的な実施形態による、方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

［0016］ 本明細書に記載されるいずれの例示的な実施形態も特徴も、必ずしも他の実施形態または特徴よりも好ましいまたは有利であると解釈されるべきではない。本明細書に記載される例示的な実施形態は限定的であることを意味しない。開示された実装形態の特定の態様は、多種多様な異なる構成で配置されそして組み合わされ得ることが容易に理解されるであろう。さらに、図に示されている特定の構成は限定的なものと見なされるべきではない。他の実装形態が所与の図に示される各要素をより多くまたはより少なく含み得ることを理解されたい。さらに、図示された要素のいくつかは組み合わされても省略されてもよい。同様に、例示的な実践形態は、図には示されていない要素を含み得る。

【0012】

Ｉ．概要
［0017］ 例示的な実装形態は、光検出器のアレイに与えられるバックグラウンド光を低減するための装置、システム、および方法に関するものであり得る。アレイ内の光検出器は、シーンからの光を感知することができる。例えば、光検出器は、光検出測距（ＬＩＤＡＲ）装置の感知構成要素であり得る。

【0013】

［0018］ 一例のシステムはレンズを含む。レンズは、シーンからの光を焦点面に集束させるために使用されてもよい。しかしながら、レンズは、システムによって観察されることを意図しないバックグラウンド光（例えば、シーン内の太陽光）も集束し得る。光を選択的にフィルタリングする（すなわち、シーン内の情報に対応する光からバックグラウンド光を分離する）ために、不透明材料（例えば、選択的にエッチングされた金属、マスクで部分的に覆われたガラス基板）をレンズの後ろに置くことができる。不透明材料は、様々な実施形態においてスラブ、シート、または様々な他の形状として成形することができる。不透明材料内に、アパーチャを画定することができる。アパーチャは、レンズによって不透明材料に向かって集束されるシーンの光の領域または全体を選択することができる。

【0014】

［0019］ 不透明材料の裏側（すなわち、レンズとは反対側の不透明材料の側）では、アパーチャによって選択された光はアパーチャを透過し得る。アパーチャを透過する光の方向において、システムは複数の隣接する導波路を線形配置で含み得る。各導波路は、アパーチャに隣接する入力端と、入力端と反対側の（例えば、アパーチャからより遠い距離にある）出力端とを有することができる。さらに、各導波路について、システムはまた、導波路の出力端に沿って配置された光検出器（例えば、ＳＰＡＤ）のアレイを含み得る。この光検出器のアレイは、導波路を通って出力端に向かって導波される光の一部（例えばその光強度）を検出し得る。光は導波路の内側で発散するので、検出領域に収まることができる光検出器（例えば、導波路の出力端を透過する光を遮断する検出器）の数は、そこから光の一部が導波路の入力端中に透過されるアパーチャの部分に対応する検出領域に収まるよりも多くなり得る。これは、アパーチャから移動された距離の所よりもアパーチャの所で検出領域がより集束されること、したがってより小さいことによる。

【0015】

［0020］ さらに、いくつかの実装形態では、複数の導波路は、発散が１つの方向（たとえばアパーチャの長軸に垂直な方向）に沿って別の方向（たとえばアパーチャの長軸に平行な方向）よりも多く発生するように導波光の発散を制御するように構成することができる。例として、２０００μｍ（長軸）×２００μｍ（短軸）の断面積を有するアパーチャを考える。この例では、複数の導波路は、それぞれ２００μｍの（アパーチャの長軸に沿った）長さを有する１０個の積層導波路として実装することができる。この例では、導波路の入力端に入る光の部分は、２００μｍ×２００μｍの断面積を有することができ、それは数百のＳＰＡＤを収容するのに適し得る（例えば、各ＳＰＡＤは２００μｍ^２から６００μｍ^２の間の断面積を有する）。比較すると、導波光が導波路の内側で発散して出力端を通って出た後、出力端における導波光の断面積は、例えば導波路の寸法に応じてより大きくなることがあり、したがって数千またはそれ以上のＳＰＡＤを収容し得る。さらに、いくつかの例では、ＳＰＡＤのアレイを互いに並列に接続することができ、それによって、接続されたＳＰＡＤからの信号を組み合わせてシステムの感度を向上させる（例えば、ＳＰＡＤの組み合わせ検出領域を増やす）ことが可能であり得る。

【0016】

［0021］ さらに、この構成では、第１の導波路に結合された光検出器の第１のアレイはアパーチャの第１の部分を透過した光を受け取り得、第２の導波路に結合された光検出器の第２のアレイはアパーチャの第２の部分を介して光を受け取り得る。結果として、システムは、アパーチャのサイズに対してより大きい検出領域を依然として可能にしながら、シーンの一次元（１Ｄ）画像を決定することができる。例えば、光検出器の各アレイを並列に接続して、シーンの単一の画像画素を表す合成出力を提供することができる。

【0017】

［0022］ 導波路がないと、例えば、アパーチャを透過した光の一部は、光検出器のアレイに到達する前に発散して重なり合う可能性がある。これに対して、複数の導波路を用いると、各導波路は、導波部分が隣接する導波路の内側の光の別の導波部分と重ならないように、その中を導波される光の一部の発散を制限することができる。結果として、光検出器の各アレイは、アパーチャの各部分の近接度またはアパーチャと光検出器のそれぞれのアレイとの間の距離にかかわらず、アパーチャのそれぞれの部分に対応する導波光を受け取ることができる。追加的または代替的に、システムは、アパーチャ間の距離または光検出器アレイとアパーチャとの間の距離にかかわらず、シーンの１Ｄまたは２Ｄ画像を生成するために、複数の近接配置されたアパーチャ（または単一アパーチャの複数部分）を同時に透過する光を検出できる。

【0018】

［0023］ いくつかの例では、複数の導波路は、アパーチャに隣接して積み重ねられた複数のガラス板として実装することができる。この構成では、ガラス板に隣接するアパーチャの一部を透過した光はガラス板を通って伝播することができる。例えば、積層されたガラス板は、低屈折率材料（例えば、ポリマーコーティング、フッ素ドープガラス等）によって分離されて、（例えば、全内反射等によって）隣接する導波路の方向におけるその中の導波光の発散を低減させる一方、別の（例えば垂直な）方向における導波光の発散を可能にすることができる。

【0019】

［0024］ いくつかの実装形態では、システムはまた、１つの導波路内の導波光が別の導波路内に漏れるのを防ぐために、隣接する導波路間に配置された吸収材（例えば、カーボンブラック）を含み得る。例えば、光吸収層は、隣接する導波路の表面を通って漏れるエバネッセント光を吸収するのに、および／または導波路のコアの内部ではなく導波路のクラッドの内部（例えばクラッドモード）を伝播する光を吸収するのに適した厚さを有することができる。

【0020】

ＩＩ．例示的なシステムおよび装置
［0025］ 図１Ａは、例示的実施形態による、アパーチャを含むノイズ制限システム１００の図である。示されるように、システム１００は、（検出器１１２および１１４によって例示される）光検出器のアレイ１１０、不透明材料１２０内に画定されたアパーチャ１２２、およびレンズ１３０を含む。システム１００は、シーン内の物体１０４によって散乱された光１０２を測定し得る。光１０２はまた、少なくとも部分的にはバックグラウンド光源から来ることもある。したがって、いくつかの例では、システム１００は光検出測距（ＬＩＤＡＲ）装置に含まれ得る。例えば、ＬＩＤＡＲ装置は、自律車両のナビゲーションに使用することができる。さらに、いくつかの実施形態では、システム１００またはその一部は、レンズ１３０および／またはアパーチャ１２２を通る外光以外の外光にさらされない領域内に収容され得る。これは、周囲光がアレイ１１０内の検出器をトリガし、それにより測定値に影響を及ぼすことを防止し得る。

【0021】

［0026］ アレイ１１０は、検出器１１２および１１４によって例示される光検出器の配置を含む。様々な実施形態において、アレイ１１０は異なる形状を有してもよい。示されるように、アレイ１１０は長方形の形状を有する。しかしながら、他の実施形態では、アレイ１１０は円形でもよく、または異なる形状を有してもよい。アレイ１１０のサイズは、アパーチャ１２２から発散する光１１０の予想される断面積に従って選択されてもよく、したがって、アレイ１１０とアパーチャ１２２との間の距離、アパーチャ１２２の寸法、レンズ１３０の光学特性等に基づいてもよい。いくつかの実施形態では、アレイ１１０は移動可能であり得る。例えば、アレイ１１０は、アパーチャ１２２に接近して、またはアパーチャ１２２から離れて作動され得る。そのために、例えば、アレイ１１０は、一次元、二次元、または三次元に並進することができる電気ステージ上に取り付けられ得る。

【0022】

［0027］ さらに、いくつかの実装形態では、アレイ１１０は、コンピューティング装置または論理回路に１つまたは複数の出力を提供することができる。例えば、マイクロプロセッサ実装コンピューティング装置は、アレイ１１０に入射する光１０２の強度を示す電気信号をアレイ１１０から受信することができる。コンピューティング装置は次に、電気信号を使用して、物体１０４に関する情報（例えば、アパーチャ１２２からの物体１０４の距離等）を決定することができる。いくつかの実施形態では、アレイ１１０内の光検出器のいくつかまたはすべてを互いに並列に相互接続することができる。そのために、例えば、アレイ１１０は、アレイ１１０内の光検出器の特定の配置および種類に応じて、ＳｉＰＭまたはＭＰＰＣとすることができる。

【0023】

［0028］ 光検出器１１２、１１４等は、様々な種類の光検出器を含み得る。一例では、検出器１１２、１１４等はＳＰＡＤを含む。ＳＰＡＤは、ＳＰＡＤ上の所与の入射照明に対する出力電流を増加させるために、逆バイアスされたｐ‐ｎ接合（すなわち、ダイオード）内で電子なだれ降伏を利用することがある。さらに、ＳＰＡＤは、単一の入射光子に対して複数の電子−正孔対を生成することができ得る。別の例では、光検出器１１２、１１４等はＡＰＤを含み得る。いくつかの例では、ＡＰＤまたはＳＰＡＤは、電子なだれ降伏電圧を超えてバイアスをかけられることがある。そのようなバイアス条件は、１より大きいループ利得を有する正のフィードバックループを作り出す可能性がある。さらに、しきい値電子なだれ降伏電圧を超えてバイアスされたＡＰＤまたはＳＰＡＤは、単一光子感受性であり得る。他の例では、光検出器１１２、１１４等は、とりわけ、フォトレジスタ、電荷結合素子（ＣＣＤ）、および／または光電池を含むことができる。

【0024】

［0029］ いくつかの実装形態では、アレイ１１０は、アレイにわたって１つより多くの種類の光検出器を含み得る。例えば、アレイ１１０は、複数の所定の波長の光１０２を検出するように構成することができる。そのために、例えば、アレイ１１０は、１つの波長範囲に敏感ないくつかのＳＰＡＤおよび異なる波長範囲に敏感な他のＳＰＡＤを含むことができる。いくつかの実施形態では、光検出器１１０は、４００ｎｍから１．６μｍの間の波長（可視波長および赤外線波長）に敏感であり得る。さらに、光検出器１１０は、所与の実施形態内または様々な実施形態にわたって様々なサイズおよび形状を有することができる。いくつかの実施形態では、光検出器１１２、１１４等は、アレイ１１０の面積の１％、０．１％、または０．０１％のパッケージサイズを有するＳＰＡＤを含むことができる。

【0025】

［0030］ 不透明材料１２０は、レンズ１３０によって集束されるシーンからの光１０２の一部（例えばバックグラウンド光）がアレイ１１０に透過されるのを阻止することができる。したがって、不透明材料１２０は、アレイ１１０によって実行される測定の精度に悪影響を及ぼし得る特定のバックグラウンド光を阻止するように構成され得る。不透明材料１２０、したがってアパーチャ１２２は、レンズ１３０の焦点面またはその近くに配置され得る。一例では、不透明材料１２０は、光１０２を吸収することによって透過を阻止し得る。別の例では、不透明材料１２０は、光１０２を反射することによって透過を阻止し得る。不透明材料１２０の例示的な実装形態の非網羅的リストは、数ある可能性の中でも、エッチングされた金属、ポリマー基板、二軸配向ポリエチレンテレフタレート（ＢｏＰＥＴ）シート（Ｍｙｌａｒ（登録商標）シートともよばれる）、または不透明マスクで覆われたガラスを含む。

【0026】

［0031］ アパーチャ１２２は、光１０２を透過させることができるポートを不透明材料１２０内に提供する。アパーチャ１２２は、様々な方法で不透明材料１２０内に画定することができる。一例では、不透明材料１２０が金属を含む場合、金属をエッチングしてアパーチャ１２２を画定することができる。別の例では、不透明材料１２０がマスクで覆われたガラス基板である場合、マスクは（例えばフォトリソグラフィを介して）アパーチャ１２２を画定するギャップを含むことができる。様々な実施形態において、アパーチャ１２２は、部分的または全体的に透明であり得る。例えば、不透明材料１２０がマスクで覆われたガラス基板である場合、アパーチャ１２２は、マスクで覆われていないガラス基板の一部として画定することができ、その結果アパーチャ１２２は完全に中空ではなくむしろガラスでできている。したがって、例えば、アパーチャ１２２は、（大部分のガラス基板は１００％透明ではないので）物体１０４によって散乱された１つまたは複数の波長の光１０２に対して完全ではないがほぼ透明である。

【0027】

［0032］ （不透明材料１２０と関連して）アパーチャ１２２は、焦点面においてシーンからの光１０２を空間的にフィルタリングするように構成されてもよい。例えば、光１０２は表面不透明材料１２０に沿って焦点面上に集束され得、アパーチャ１２２は集束された光の一部のみがアレイ１１０に透過されることを可能にし得る。したがって、アパーチャ１２２は光ピンホールとして振る舞い得る。一実施形態では、アパーチャ１２２は、０．０２ｍｍ^２〜０．０６ｍｍ^２（例えば、０．０４ｍｍ^２）の断面積を有することができる。他の実施形態では、アパーチャ１２２は、レンズ１３０の光学特性、アレイ１１０までの距離、アレイ１１０内の光検出器のノイズ除去特性等などの様々な要因に応じて異なる断面積を有することができる。

【0028】

［0033］ アパーチャ１２２に関して上で使用した「アパーチャ」という用語は、それを通して光が透過され得る不透明材料中の凹部または穴を表すが、「アパーチャ」という用語は、幅広い光学的特徴を含み得ることに留意されたい。一例では、本記載および特許請求の範囲を通して使用されるとき、「アパーチャ」という用語は、それを通して光が部分的に透過され得る不透明材料内に画定された透明または半透明の構造をさらに包含し得る。別の例では、「アパーチャ」という用語は、不透明材料で囲まれた鏡など、別の方法で選択的に光の通過を（例えば、反射または屈折を通して）制限する構造を表すことができる。１つの例示的な実施形態では、不透明材料で囲まれた鏡アレイが、特定の方向に光を反射するように配置されてもよく、それによって反射部分を画定する。この反射部分は「アパーチャ」とよばれることがある。

【0029】

［0034］ アパーチャ１２２は長方形の形状を有するように示されているが、アパーチャ１２２は、とりわけ、丸みを帯びた形状、円形、楕円形などの異なる形状を有することができることに留意されたい。いくつかの例では、アパーチャ１２２は代替的に、システム１００内の光学収差を考慮するように特に設計された不規則な形状を有することができる。例えば、鍵穴形状のアパーチャは、エミッタ（例えば光１０２を発する光源）と受光器（例えばレンズ１３０およびアレイ１１０）と間に生じる視差を考慮するのに一役買うかもしれない。例えば、エミッタと受光器が同じ位置に配置されない場合、視差が生じることがある。特定のシーン内にあると予想される特定の物体に対応する特別に成形されたアパーチャ、または光１０２の特定の偏光（例えば水平偏光または垂直偏光）を選択する不規則なアパーチャなど、他の不規則なアパーチャ形状も可能である。

【0030】

［0035］ レンズ１３０は、シーンからの光１０２を、アパーチャ１２２が配置されている焦点面に集束させることができる。この構成では、レンズ１３０でシーンから収集された光強度は、光１０２が投影される断面積が小さくなるように（すなわち、光１０２の空間パワー密度を増加させるように）集束することができる。例えば、レンズ１３０は、数ある例の中でも、収束レンズ、両凸レンズ、および／または球面レンズを含み得る。あるいは、レンズ１３０は、連続して配置された一連のレンズ（例えば、光を第１の方向に集束させる両凸レンズと光を第２の方向に集束させる追加の両凸レンズ）として実装することができる。他の種類のレンズおよび／またはレンズ構成も可能である。さらに、システム１００は、レンズ１３０に入射する光１０２を不透明材料１２０に集束させるのを助けるために、レンズ１３０の近くに配置された他の光学素子（例えば、ミラー等）を含むことができる。

【0031】

［0036］ 物体１０４は、システム１００を取り囲むシーン内に配置されたいずれかの物体であり得る。システム１００がＬＩＤＡＲ装置に含まれる実装形態では、物体１０４は、光１０２（またはその一部）を放射するＬＩＤＡＲ送信機によって照射され得る。ＬＩＤＡＲ装置が自律車両のナビゲーションに使用される例示的な実施形態では、物体１０４は、とりわけ、歩行者、他の車両、障害物（例えば、木）、または道路標識を含み得る。

【0032】

［0037］ 上述のように、光１０２は、物体１０４によって散乱され、レンズ１３０によって集束され、不透明材料１２０内のアパーチャ１２２を透過し、アレイ１１０内の光検出器によって測定され得る。このシーケンスは物体１０４に関する情報を決定するために（例えば、ＬＩＤＡＲ装置内で）起こり得る。いくつかの実施形態では、アレイ１１０によって測定される光１０２は、追加的にまたは代替的に、他の可能性の中でも、複数の物体から散乱された光、別のＬＩＤＡＲ装置の送信機によって送信された光、周囲光、太陽光を含み得る。

【0033】

［0038］ さらに、物体１０４を分析するために使用される光１０２の波長は、シーン内にあると予想される物体の種類とレンズ１３０からのそれらの予想距離とに基づいて選択されてもよい。例えば、物体がシーン内にあると予想され５００ｎｍ波長のすべての入射光を吸収する場合、５００ｎｍ以外の波長が、物体１０４を照射し、システム１００によって分析されるように選択されてもよい。（例えば、ＬＩＤＡＲ装置の送信機によって送信される場合）光１０２の波長は、光１０２を生成する光源に関連付けられ得る。例えば、光がダイオードレーザによって生成される場合、光１０２は、９００ｎｍ（またはダイオードレーザの他の波長）を中心とする波長範囲内の光を含み得る。したがって、光１０２を生成するために様々な種類の光源（例えば、光ファイバ増幅器、様々な種類のレーザ、フィルタを備えた広帯域光源等）が可能である。

【0034】

［0039］ 図１Ｂは、システム１００の別の図である。示されるように、システム１００はフィルタ１３２も含み得る。フィルタ１３２は、所定の波長範囲内の光を選択的に透過するように構成された任意の光学フィルタを含み得る。例えば、フィルタ１３２は、可視波長範囲、赤外線波長範囲、またはエミッタ１４０によって放射された光信号の他の任意の波長範囲内の光を選択的に透過するように構成することができる。例えば、光学フィルタ１３２は、特定の波長の光をアレイ１１０から逸らすように構成することができる。例えば、光学フィルタ１３２は、エミッタ１４０によって放射された波長範囲の光ではない光１０２の一部をアレイ１１０から逸らすことができる。したがって、光学フィルタ１３２は、アレイ１１０による測定に悪影響を及ぼす周囲光またはバックグラウンド光を少なくとも部分的に減らすことができる。

【0035】

［0040］ 様々な実施形態において、光学フィルタ１３２はアレイ１１０に対して様々な位置に配置されてもよい。示されるように、光学フィルタ１３２はレンズ１３０と不透明材料１２０との間に配置される。しかしながら、光学フィルタ１３２は代替的に、レンズ１３０と物体１０４との間、材料１２０とアレイ１１０との間に配置されてもよく、アレイ１１０と組み合わせてもよく（例えば、アレイ１１０は、表面スクリーンその光学フィルタ１３２を有し得る、またはアレイ１１０内の光検出器のそれぞれが個別の光学フィルタによって個別に覆われ得る、等）、アパーチャ１２２と組み合わせてもよく（例えば、アパーチャ１２２は特定の波長範囲に対してのみ透明であり得る等）、またはレンズ１３０と組み合わせてもよい（例えば、レンズ１３０上に配置された表面スクリーン、特定の波長範囲に対してのみ透明なレンズ１３０の材料等）。

【0036】

［0041］ さらに、示されるように、システム１００は、アレイ１１０によって測定されるべき光信号を放射するエミッタ１４０と共に使用され得る。エミッタ１４０は、ファイバレーザ、フォトダイオード、フィラメント、ＬＩＤＡＲ送信機、または任意の他の光源を含み得る。示されるように、エミッタ１４０は、シーン内の物体１０４によって散乱され、アレイ１１０によって最終的に測定される（少なくともその一部）光を放射することができる。いくつかの実施形態では、エミッタ１４０は光ファイバ増幅器またはレーザエミッタ１４０のパワー出力を増大する他の増幅システムを含むレーザエミッタであり得る。追加的または代替的に、いくつかの実施形態では、エミッタ１４０は、（連続波レーザとは対照的に）パルスレーザとして実装されてもよく、同等の連続パワー出力を維持しながらピークパワーを増加することを可能にする。

【0037】

［0042］ 以下は、レンズ１３０によって受光されるバックグラウンド光の量をアレイ１１０によって検出される信号光の量と比較する数学的説明図である。示されるように、物体１０４とレンズ１３０との間の距離は「ｄ」であり、レンズ１３０と不透明材料１２０との間の距離は「ｆ」であり、不透明材料１２０とアレイ１１０との間の距離は「ｘ」である。上述のように、材料１２０およびアパーチャ１２２はレンズ１３０の焦点面に配置されてもよい（すなわち、「ｆ」は焦点距離に等しくてもよい）。さらに、示されるように、エミッタ１４０は物体１０４から距離「ｄ」の所に配置されている。

【0038】

［0043］ 例示のために、物体１０４は垂直入射で太陽光によって完全に照射されると仮定され、ここで太陽光はバックグラウンド光源を表す。さらに、物体１０４を照射する光はすべて、ランベルトの余弦則に従って散乱されると仮定される。さらに、アレイ１１０に到達するすべての光（バックグラウンドおよび信号の両方）がアレイ１１０によって完全に検出されると仮定する。

【0039】

［0044］ アパーチャ１２２、したがってアレイ１１０に到達するエミッタ１４０によって放射される信号のパワーは、以下を用いて計算することができる：

【数1】

式中、Ｐ_{ｓｉｇｎａｌ}はアレイ１１０に到達するエミッタ１４０によって放射された光学信号の放射束（例えば単位Ｗ）を表し、Ｐ_ｔｘはエミッタ１４０によって送信されたパワー（例えば単位Ｗ）を表し、Γは物体１０４の反射率を表し（例えばランベルトの余弦則を考慮して）、Ａ_ｌｅｎｓはレンズ１３０の断面積を表す。

【0040】

［0045］ レンズ１３０に到達するバックグラウンド光は以下のように計算することができる：

【数2】

式中、

【数3】

はフィルタ１３２によって選択的に通過される波長帯内にあるレンズ１３０に到達する（物体１０４から散乱される太陽光によって引き起こされる）バックグラウンド光の放射輝度（例えば単位Ｗ／ｍ^２・ｓｒ）を表し、

【数4】

は、太陽（すなわちバックグラウンド光源）による放射照度（例えば単位Ｗ／ｍ^２）密度を表し、Ｔ_{ｆｉｌｔｅｒ}はフィルタ１３２（例えば、帯域光学フィルタ）の透過係数を表す。係数１／πは垂直入射からの物体１０４のランベルト拡散の仮定に関連する。

【0041】

［0046］ アパーチャ１２２は、アレイ１１０へ透過されることを許されるバックグラウンド光の量を低減する。アレイ１１０に到達するバックグラウンド光のパワーを計算するために、アパーチャ１２２を透過した後、アパーチャ１２２の面積は考慮される。アパーチャ１２２の断面積（Ａ_{ａｐｅｒｔｕｒｅ}）は、以下のように計算することができる：
Ａ_{ａｐｅｒｔｕｒｅ}＝ｗ×ｈ
式中、Ａ_{ａｐｅｒｔｕｒｅ}は物体１０４に関するアパーチャ１２２の表面積を表し、ｗおよびｈはアパーチャ１２２のそれぞれ幅および高さ（または長さ）を表す。さらに、レンズ１３０が円形レンズの場合、レンズ１３０の断面積（Ａ_ｌｅｎｓ）は以下のように計算することができる：

【数5】

式中、ｄ_ｌｅｎｓはレンズの直径を表す。

【0042】

［0047］ したがって、アパーチャ１２２を通してアレイ１１０に透過されるバックグラウンドパワーは、以下のように計算することができる：

【数6】

式中、Ｐ_{ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ}はアレイ１１０上のバックグラウンドパワー入射を表し、Ａ_{ａｐｅｒｔｕｒｅ}／ｆ^２は、受け入れ立体角をステラジアンで表す。上記式は、Ｐ_{ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ}が、レンズ１３０およびアパーチャ１２２によって低減された後のバックグラウンド信号中の放射輝度の量であることを示す。

【0043】

【数7】

［0048］Ａ_{ａｐｅｒｔｕｒｅ}、およびＡ_ｌｅｎｓに上で定義された値を代入すると、以下を導き出すことができる：

【数8】

【0044】

［0049］ さらに、量Ｆ＝ｆ／ｄ_ｌｅｎｓは、レンズ１３０の「Ｆ値」と称されることがある。したがって、もう１つの代入によれば、バックグラウンドパワーとして以下を推論することができる：

【数9】

【0045】

［0050］ 同様の代入をすると、アレイ１１０に到達するエミッタ１４０から送信される信号パワーについて以下を推論することができる：

【数10】

【0046】

［0051］ さらに、システム１００の信号対ノイズ比（ＳＮＲ）は、Ｐ_{ｓｉｇｎａｌ}をＰ_{ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ}と比較することによって決定され得る。実証されるように、バックグラウンドパワー（Ｐ_{ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ}）は、特に小さいｗおよび／または小さいｈ（上記のＰ_{ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ}式の分子）を有するアパーチャについて、アパーチャ１２２を含むことにより、信号パワーに対して大幅に低減され得る。アパーチャ面積を減少させることに加えて、エミッタ１４０による送信パワー（Ｐ_ｔｘ）を増大すること、透過係数（Ｔ_{ｆｉｌｔｅｒ}）を減少させること（すなわち、フィルタを透過するバックグラウンド光の量を低減させること）、および物体１０４の反射率（Γ）を増大させることが、ＳＮＲを改善する方法であり得る。さらに、エミッタ１４０がパルス信号を放射する実装形態では、バックグラウンドのパワーとは対照的に、バックグラウンドのショットノイズが、ＳＮＲを計算するときに主に関連し得ることに留意されたい。したがって、いくつかの実装形態では、ショットノイズを信号パワーと比較することによってＳＮＲを代替的に計算することができる。

【0047】

［0052］ 図１Ａに示されるように、光１０２は、それがアパーチャ１２２から離れるように伝播するにつれて発散する。発散のため、アレイ１１０における検出領域（例えば、光１０２によって照射される陰影領域として示される）は、焦点面におけるアパーチャ１２２の断面積よりも大きい可能性がある。所与の光パワー（例えばＷで測定）に対する検出面積（例えばｍ^２で測定）の増加は、アレイ１１０上の入射光強度（例えばＷ／ｍ^２で測定）の減少をもたらし得る。

【0048】

［0053］ 光強度の低減は、アレイ１１０がＳＰＡＤまたは高感度を有する他の光検出器を含む実施形態において特に有益であり得る。例えば、ＳＰＡＤは、半導体内に電子なだれ降伏をもたらす大きな逆バイアス電圧からそれらの感度を引き出す。この電子なだれ降伏は、例えば単一光子の吸収によって引き起こされる可能性がある。ＳＰＡＤが単一の光子を吸収して電子なだれ降伏が始まると、ＳＰＡＤは、（例えば、逆バイアス電圧を回復することによって）クエンチされるまで追加の光子を検出することができない。ＳＰＡＤがクエンチされるまでの時間は回復時間とよばれることがある。追加の光子が回復時間に近い時間間隔（例えば、１０倍以内）で到着している場合、ＳＰＡＤは飽和し始め、したがってＳＰＡＤによる測定は信頼性が低くなる可能性がある。アレイ１１０内のいずれかの個々の光検出器（例えば、ＳＰＡＤ）に入射する光パワーを減少させることによって、アレイ１１０内の光検出器（例えば、ＳＰＡＤ）は不飽和のままであり得る。その結果、各個別のＳＰＡＤによる光測定は、向上した精度を有し得る。

【0049】

［0054］ 図２は、例示的実施形態による、ＬＩＤＡＲ装置２００の簡略ブロック図である。いくつかの例示的な実施形態では、ＬＩＤＡＲ装置２００は車両に搭載し、その車両の周囲環境（例えば、物体２０４などを含むシーン等）をマッピングするために使用することができる。示されるように、ＬＩＤＡＲ装置２００は、エミッタ１４０と同様であり得るレーザエミッタ２４０を含む。さらに、示されるように、ＬＩＤＡＲ装置２００は、コントローラ２５０を含む。さらに、示されるように、ＬＩＤＡＲ装置２００は、システム１００と同様であり得るノイズ制限システム２９０を含む。例えば、示されるように、システム２９０は、光検出器のアレイ２１０と、その中にアパーチャが画定された（図示せず）不透明材料２２０と、レンズ２３０とを含み、それらはそれぞれアレイ１１０、不透明材料１２０およびレンズ１３０と同様である。ＬＩＤＡＲ装置２００は、代替的に、示されているものよりも多いまたは少ない構成要素を含み得ることに留意されたい。例えば、ＬＩＤＡＲ装置２００は光学フィルタ（例えばフィルタ１３２）を含むことができる。したがって、システム２９０は、システム１００および／または本明細書に記載の他の任意のノイズ制限システムと同様に実装することができる。装置２００は、物体２０４を含むシーンに向けて光２０２を放射するようにエミッタ２４０を動作させることができる。次に、装置２００は、散乱光２０２を検出して、物体２０４に関する情報をマッピングまたは別の方法で決定することができる。

【0050】

［0055］ コントローラ２５０は、ＬＩＤＡＲ装置２００の構成要素を制御し、ＬＩＤＡＲ装置２００の構成要素（例えば、光検出器のアレイ２１０）から受信した信号を分析するように構成されてもよい。そのために、コントローラ２５０は、装置２００を操作するために装置２００のメモリ（図示せず）に格納されている命令を実行する１つまたは複数のプロセッサ（たとえば、マイクロプロセッサ等）を含むことができる。追加的にまたは代替的に、コントローラ２５０は、本明細書に記載の様々な機能のうちの１つまたは複数を実行するように配線されたデジタルまたはアナログ回路を含み得る。

【0051】

［0056］ いくつかの実装形態では、コントローラ２５０は、アレイ２１０によって測定された信号に関連するタイミング情報を使用して、物体２０４の位置（例えば、ＬＩＤＡＲ装置２００からの距離）を決定することができる。例えば、レーザエミッタ２４０がパルスレーザである実施形態において、コントローラ２５０は、出力光パルスのタイミングを監視し、それらのタイミングをアレイ２１０によって測定された信号パルスのタイミングと比較することができる。例えば、コントローラ２５０は、光の速度および光パルスの移動時間（これはタイミングを比較することによって計算することができる）に基づいて装置２００と物体２０４との間の距離を推定することができる。いくつかの実装形態では、コントローラ２５０は、（例えば、レーザエミッタ２４０とレンズ２３０とが空間内の同じ位置に配置されていないために）視差を考慮するように構成され得る。視差を考慮することによって、コントローラ２５０は、出力光パルスのタイミングとアレイ２１０によって測定された信号パルスのタイミングとの間の比較の精度を改善することができる。

【0052】

［0057］ いくつかの実装形態では、コントローラ２５０は、エミッタ２４０によって放射される光２０２を変調することができる。例えば、コントローラ２５０は、（たとえばエミッタ２４０を取り付ける機械的ステージを作動させることによって）エミッタ２４０の投影（例えば指向）方向を変更することができる。別の例として、コントローラ２５０は、エミッタ２４０によって放射される光２０２のタイミング、パワー、または波長を変調することができる。いくつかの実装形態では、コントローラ２５０は、数ある可能性の中でも、光２０２の伝播経路に沿ったフィルタ（例えばフィルタ１３２）の追加または除去、装置２００の様々な構成要素（例えば、アレイ２１０、不透明材料２２０（およびその中のアパーチャ）、レンズ２３０、等）の相対位置の調整など、装置２００の他の動作局面も制御し得る。

【0053】

［0058］ いくつかの実装形態では、コントローラ２５０は、材料２２０内のアパーチャ（図示せず）を調整することもできる。例えば、いくつかの実施形態では、アパーチャは不透明材料内に画定された複数のアパーチャから選択可能であり得る。そのような実施形態では、レンズと不透明材料との間に配置されたＭＥＭＳミラーは、光が複数のアパーチャのうちのどれに向けられているかを決定するためにコンピューティング装置によって調整可能であり得る。いくつかの実施形態では、様々なアパーチャは異なる形状およびサイズを有してもよい。さらに他の実施形態では、アパーチャはアイリス（または他の種類の絞り）によって画定されてもよい。アイリスは、例えばアパーチャのサイズまたは形状を制御するために、コントローラ２５０によって拡大または縮小されてもよい。

【0054】

［0059］ このプロセスを通して、ＬＩＤＡＲ装置２００は、物体２０４および／またはシーンに関する追加のまたは異なる情報を取得するためにシステム２９０を調整することができる。第１の例では、コントローラ２５０は、システム２９０によって受信されたバックグラウンドノイズが現在比較的低い（例えば夜の間）と判断することができる。この例では、コントローラ２５０は、アパーチャのサイズを大きくして、通常であればアパーチャの外側の不透明材料２２０の領域に投影され得る光２０２の特定の散乱光パルスを捕捉する可能性を向上させることができる。第２の例では、コントローラ２５０は、物体２０４とは異なる物体から、またはシーン内の異なる領域から反射された散乱光２０２を遮断するようにアパーチャの位置を調整することができる。

【0055】

［0060］ いくつかのシナリオでは、ＳＮＲに大きな影響を及ぼすことなく、現在のアパーチャ構成を使用して取得された情報と同時に上述の追加情報（例えば、異なるアパーチャ位置等）を取得することが望ましい場合がある。例えば、エミッタ２４０によって放射された光パルスは、ＬＩＤＡＲ装置２００まで異なる距離にあるいくつかの物体から散乱することがあり、したがって散乱光の一部はレンズ２３０を介して現在のアパーチャの外側の不透明材料２２０の領域に集束されることがある。したがって、例として図１Ａを参照し直すと、アパーチャ１２２に集束した光を同時に検出しながらアパーチャ１２２に隣接する領域に集束した光を検出することが望ましい場合がある。しかしながら、追加のアパーチャがアパーチャ１２２に隣接して配置される（またはアパーチャ１２２のサイズが増加する）場合、追加のアパーチャからの発散光は、アレイ１１０に到達する前に発散光１０２と重なり合う可能性があり、それによって検出信号のＳＮＲが低下する。

【0056】

［0061］ したがって、レンズ２３０の焦点面に沿った比較的より広い領域に集束した光を検出し、同時にバックグラウンドノイズを低減し、光検出器を配置できる検出領域を増加させるための例示的な実装形態を本明細書に記載する。

【0057】

［0062］ 図３Ａは、例示的実施形態による、アパーチャおよび導波路アレイを含むノイズ制限システム３００の図である。いくつかの実装形態では、システム３００は、システム２９０の代わりに、またはシステム２９０に加えて、ＬＩＤＡＲ装置２００とともに使用することができる。示されるように、それぞれシステム１００、物体１０４および光１０２と同様に、システム３００はシーン内の物体３０４によって散乱される光３０２を測定し得る。

【0058】

［0063］ 示されるように、システム３００は、光検出器アレイ３１０、３１６、および３１８を含み、それらのそれぞれは、光検出器アレイ１１０と同様であり得る。例えば、光検出器アレイ３１０は、アレイ３１０に入射する発散光部分３０２ａを遮断および／または検出するために配置された、検出器１１２および１１４と同様の複数の光検出器を含み得る。さらに、アレイ３１０内の光検出器からの出力は、アレイ１１０内の光検出器の出力と同様に組み合わせることができる（例えば、並列回路接続、コントローラ２５０を介した計算等）。出力を組み合わせることによって、例えば、システム３００は、アパーチャ３２２における光部分３０２ａの対応する断面積と比較して、光３０２ａを検出するための検出面積（アレイ３１０の陰影領域として示される）を増大させることができる。示されるように、システム３００はまた、不透明材料３２０、アパーチャ３２２、およびレンズ３３０を含み、それらはそれぞれ不透明材料１２０、アパーチャ１２２、およびレンズ１３０と同様であり得る。例示のために、アパーチャ３２２は、アパーチャ１２２の形状（長方形）と比較して異なる形状（楕円形）を有するように示されている。示されるように、システム３００はまた、アパーチャ３２２とアレイ３１０、３１６、３１８との間に挿入された導波路アレイ３６０を含む。

【0059】

［0064］ 導波路アレイ３６０は、アパーチャ３２２を透過してアレイ３６０の受光側３６０ａ（陰影の付いた側の領域３６０ａとして示す）上に投影される光３０２を受光するように構成された複数の導波路（図示せず）を含むことができる。

【0060】

［0065］ 図３Ｂは、例示的実施形態によるシステム３００の断面図を示す。示されるように、導波路アレイ３６０は、クラッド層３６２、３６６、３７２、３７６、３８２、および３８６、コア層３６４、３７４、および３８４、ならびに吸収層３６８および３７８を含む。クラッド層３６２、３６６、３７２、３７６、３８２および３８６は、例えばポリマー被覆またはフッ素ドープガラス基板などの比較的低い屈折率の材料を含んでもよい。コア層３６４、３７４、および３８４は、たとえばガラスまたは高屈折率のポリマー基板など、少なくともいくつかの光３０２の波長に対して透明である比較的高い屈折率の材料を含むことができる。吸収層３６８および３７８は、導波路アレイ３６０内を導波される光３０２の波長を吸収するのに適した任意の材料から形成された吸収材を含むことができる。そのために、例示的な吸収材の非網羅的リストには、とりわけ、カーボンブラック、ブラッククロムが含まれる。

【0061】

［0066］ いくつかの例では、導波路アレイ３６０は、クラッド層３６２、３６６、３７２、３７６、および３８６に対応するドープ領域を含むガラス基板から形成することができる。したがって、ドープされていないガラス基板の領域は、コア層３６４、３７４および３７８に対応し得る。この構成では、アレイ３６０内の複数の導波路のうちの第１の導波路は、クラッド３６２、コア３６４、およびクラッド３６６を含み得る。同様に、第２の導波路は、クラッド３７２、コア３７４、およびクラッド３７６を含み得る。同様に、第３の導波路は、クラッド３８２、コア３８４、およびクラッド３８６を含み得る。

【0062】

［0067］ さらに、示されるように、アレイ３６０内の各導波路は、側３６０ａの表面に沿ったそれぞれの入力端（例えば、それぞれのコアの露出面）と、（側３６０ａの反対側の）出力側３６０ｂの表面に沿ったそれぞれの出力端（例えば、それぞれのコアの別の露出面）とを有することができる。さらに、アレイ３６０内の導波路は、数ある要因の中でも、アパーチャ３２２のサイズ、アパーチャ３２２とレンズ３３０との間の距離、およびレンズ３３０の特性（例えば、焦点距離）に基づいて所定の寸法を有することができる。アレイ３６０内の導波路はまた、各導波路が側３６０ａに投影された光３０２のそれぞれの部分を受光するように積層されるか、別の方法でアパーチャ３２２と整列されてもよい。示されるように、例えば、アレイ３６０内の導波路は、アパーチャ３２２の長手方向（例えば、長軸）に平行な（例えば、側３６０ｃと３６０ｄとの間に垂直に積層された）積層配置であり得る。

【0063】

［0068］ その結果、第１の導波路は、側３６０ａに投影されクラッド層３６２と３６６との間に延びる光３０２の一部（すなわち、第１の導波路の入力端）を受光することができる。次いで、第１の導波路は、光３０２のこの第１の部分を、例えば全内反射を介して、第１の発散光部分３０２ａとして第１の導波路の出力端（例えば、側３６０ｂのコア３６４の表面）に向かって、およびそこから出るように導波し得る。さらに、示されるように、光検出器アレイ３１０は、発散光部分３０２ａを遮断および検出するために第１の導波路の出力端に隣接して配置されてもよい。同様に、第２の導波路は第２の発散光部分３０２ｂを光検出器アレイ３１６に向けて導波することができ、第３の導波路は第３の発散光部分３０２ｃを光検出器アレイ３１８に向けて導波することができる。

【0064】

［0069］ 示されるように、各導波路は、側３６０ｃと３６０ｄとの間で垂直に（例えば、アパーチャ３２２の長軸に平行に）、そして側３６０ｅと側３６０ｅの反対側のアレイ３６０の別の側との間で水平に（例えば、図３Ｂのページ外を向くアパーチャ３２２の短軸に平行に）延在し得る。さらに、示されるように、各導波路は、導波路の積層方向（例えば、垂直方向）における（例えば、クラッド層での導波光の反射等による）発散を低減させ得る一方で、積層方向に対して垂直な方向（例えば水平方向）においてより大きな発散を許容する。その結果、例えば、アレイ３６０は、アパーチャ３２２の断面積に対して光検出器アレイにおけるそれぞれの検出面積を増大させながら、隣接する導波路内を導波されるそれぞれの発散光部分３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ間の重なりを防止し得る。

【0065】

［0070］ さらに、この構成では、システム３００は、各光検出器アレイ３１０、３１６、３１８に入射する光部分を別々にかつ同時に検出することによってシーンのマルチ画素画像を取り込むことができる。示されるように、例えば、光検出器アレイ（３１０、３１６、または３１８）からの各出力は、シーンを表す画素の垂直配置の画像画素に対応し得る。さらに、画像画素は、それぞれの入力端に入る光３０２の一部の断面積よりも大きい断面積にわたって検出される。したがって、例えば、導波路アレイ３６０は、様々な光検出器アレイの間でアパーチャ３２２を透過した光３０２のパワー密度を分散する光拡散器として使用することができる。

【0066】

［0071］ いくつかのシナリオでは、導波光部分は隣接する導波路に漏れる可能性がある。例としての第１の導波路では、そのような漏れは、クラッド３６６とコア３６４との間の界面における導波光の入射角が臨界角に近づくことに起因し得る。その結果、第１の導波路内の導波光は、第２の導波路に向かって消えていくエバネッセント場としてクラッド３６６を通って漏れる可能性がある。この漏れを軽減するために、示されるように、吸収層３６８は、第１の導波路および／または第２の導波路から消えていくエバネッセント場を吸収するのに適した厚さを有する吸収材（例えば、カーボンブラック）を含む。同様に、吸収層３７８は、第２の導波路と第３の導波路との間のエバネッセント光を吸収するように構成されてもよい。

【0067】

［0072］ いくつかの実装形態では、アレイ３６０内の導波路のコアは、導波路の露出した入力端および出力端以外のコアのすべての側に沿ってクラッド層によって囲まれることができる。例えば、クラッド３６２は側３６０ｅ（およびアレイ３６０の反対側）でコア３６４の周りに延びてクラッド層３６６と接続することができる。これらの実装形態では、第１の導波路は、第１の導波路の内側を導波される光部分３０２ａの二次元の横方向の光学的閉じ込めを提供する非平面導波路として構成することができる。あるいは、他の実装態様では、コアはコアの２つの側だけに沿って平面クラッド層の間に挟むことができる。例えば、クラッド層３７２および３７６は、アレイ３６０の側３６０ｅ（およびその反対側）に沿ってではなく、コア３７４の２つの対向する側に沿って配置されてもよい。したがって、これらの実装形態では、第２の導波路は第２の導波路の内側を導波される光部分３０２ｂの一方の横方向のみに光学的閉じ込めを提供する平面導波路として構成され得る。

【0068】

［0073］ 図３Ａおよび図３Ｂに示される様々な構成要素および特徴のサイズ、位置、および形状は、必ずしも一定の縮尺ではなく、説明の便宜上示されるように図示されていることに留意されたい。さらに、いくつかの実施形態では、システム３００は、示されているものより少ないまたは多い構成要素を含み得る。さらに、いくつかの実施形態では、示されている構成要素のうちの１つまたは複数を組み合わせるか、別々の構成要素に分割することができる。

【0069】

［0074］ 第１の実施形態では、光検出器アレイ３１０、３１６、３１８は、導波路アレイ３６０の側３６０ｂから距離を置いて配置されるように示されているが、光検出器アレイ３１０、３１６、３１８のうちの１つまたは複数は代替的に側３６０ｂ上に配置することができる。例えば、アレイ３１０は、第１の導波路の出力端（コア３６４の露出面）に配置（例えば、モールド成形等）することができ、光検出器アレイ３１６は、第２の導波路の出力端（コア３７４の露出面）に配置することができ、および／または光検出器３１８は、第３の導波路の出力端（コア３８４の露出面）に配置することができる。

【0070】

［0075］ 第２の実施形態では、導波路アレイ３６０とアパーチャ３２２との間の距離は変化し得る。一例では、示されるように、導波路アレイ３６０は、不透明材料３２０に沿って（例えば、それと接触した状態で等）配置することができる。したがって、例えば、アレイ３６０内の導波路の入力端は、アパーチャ３２２と実質的に同一平面上にあることができる。この構成では、アパーチャ３２２は（例えば、アパーチャ３２２の長軸または長手方向に平行な）１つの方向の制限アパーチャとして構成することができ、アレイ３６０内の導波路の入力端は（例えば、アパーチャ３２２の短軸または幅方向に平行な）別の方向の制限アパーチャとして構成することができる。さらに、例えばこの構成では、導波路アレイ３６０は、アパーチャ３０２を透過した後の光部分の発散および／または混合の前に、光部分３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃを導波することができる。しかしながら、他の例では、導波路アレイ３６０は代替的に不透明材料３２０（およびアパーチャ３２２）から距離（たとえばギャップ）を置いて配置することができる。例えば、光検出器アレイ３１０、３１６、３１８の出力は、アパーチャ３２２を透過した光３０２の発散／混合を考慮するように（例えば、コントローラ２５０を介して）処理することができる。

【0071】

［0076］ 第３の実施形態では、レンズ３３０に対するアパーチャ３２２（および／またはアレイ３６０の側３６０ａ）の配置は変化し得る。

【0072】

［0077］ 一例では、アパーチャ３２２（および／またはアレイ３６０内の導波路の入力端）はレンズ３３０の焦点面に沿って配置することができる。

【0073】

［0078］ 別の例では、アパーチャ３２２（および／またはアレイ３６０内の導波路の入力端）は、レンズ３３０の焦点面と平行であるが、焦点面とレンズ３３０との間の距離とは異なるレンズ３３０までの距離の所に配置され得る。したがって、この例では、システム３００の光学特性（たとえば焦点構成等）は、システム３００の用途に応じて調整することができる。したがって、いくつかの例では、集束された光３０２は、光検出器アレイ３１０、３１６、３１８に向かって発散し始める前に導波路３６０の内側で（アパーチャ３２２を透過した後）収束し続けることができる。いくつかの例では、システム３００はまた、シーンを走査しながら特定の光学的構成を達成するためにレンズ３３０、不透明材料３２０、および／またはアレイ３６０を動かすアクチュエータを含むことができる。

【0074】

［0079］ さらに別の例では、アパーチャ３２２（および／またはアレイ３６０の側６０ａ）は、レンズ３３０の焦点面に対してオフセットした向きに配置することができる。例えば、システム３００は不透明材料３２０（および／またはアレイ３６０）を（例えばアクチュエータを介して）回転させ、アレイ３６０の各導波路への光３０２の入射角度を調整することができる。そうすることによって、コントローラ（例えばコントローラ２５０）は、数ある要因の中でも、レンズ３３０のレンズ特性、システム３００の環境（例えば、走査されたシーンの特定の領域から到来するノイズ／干渉などを低減するために等）など、様々な要因に応じてシステム３００の光学特性をさらに制御することができる。

【0075】

［0080］ 第４の実施形態では、不透明材料３２０はシステム３００から省略することができる。例えば、この構成では、アレイ３６０内の導波路のそれぞれの各入力端は、システム３００のそれぞれのアパーチャに対応し得る。

【0076】

［0081］ 第５の実施形態では、導波路アレイ３６０は、アパーチャ３２２の長軸と平行に垂直に配置された複数の導波路を含むように示されているが、アレイ３６０は代替的にアパーチャ３２２の短軸と平行に配置された（例えば水平方向に積層された）導波路を含むことができる。代替的または追加的に、導波路アレイ３６０は、システム３００がシーンの二次元（２Ｄ）画像を取得できるように、水平方向および垂直方向の両方に配置された導波路グリッドを含むことができる。

【0077】

［0082］ 第６の実施形態では、導波路アレイ３６０は単一の物理的構造物として示されているが、アレイ３６０内の導波路は別個の物理的構造物として代替的に実装することができ、別個の物理的導波路は吸収材３６８および３７８が様々な導波路間に適切に挿入された状態で（例えば垂直に）積層することができる。例えば、導波路は、アパーチャ３２２の長手方向と平行な積層方向に互いに積層されたガラス板として実装することができる。

【0078】

［0083］ 第７の実施形態では、クラッド層３６２、３６６、３７２、３７６、３８２、３８６、および／または吸収材３６８、３７８のうちの１つまたは複数を省略することができる。

【0079】

［0084］ 第８の実施形態では、クラッド層３６２、３６６、３７２、３７６、３８２、および／または吸収材３６８、３７８のいずれかの厚さを側３６０ａと３６０ｂとの間で変えることができる。例えば、クラッド層（および／または吸収材）は、側３６０ｂ付近の対応する厚さと比較して、側３６０ａの付近でより薄い厚さを有することができる（例えば、漸増、テーパ状等）。このような構成では、例えば、側３６０ａに入射するより広い範囲の光３０２をコア３６４、３７４、３８４の露出面に投影し、それによってアレイ３６０内の導波路を通して光検出器アレイ３１０、３１６、３１８に向けて導波することができる。

【0080】

［0085］ 第９の実施形態では、導波路アレイ３６０は、示されている３つの導波路よりも少ないまたは多い導波路を含むことができる。

【0081】

［0086］ 第１０の実施形態では、アレイ３６０内の導波路の入力端は同様のサイズを有するように示されているが、導波路の入力端は代替的に異なるサイズを有することができる。例として、クラッド層３６２と３６６との間に延在する第１の導波路の入力端は、クラッド層３７２と３７６との間に延在する第２の導波路の入力端とは異なるサイズを有することができる。この例では、光検出器アレイ３１０で検出される光部分３０２ａは、システム３００の視野（ＦＯＶ）内で走査されて光検出器アレイ３１６で光部分３０２ｂとして検出される角度範囲と比較して、そのＦＯＶ内で走査されるより広いまたはより狭い角度範囲に対応し得る。

【0082】

［0087］ 第１１の実施形態では、光検出器アレイ３１０、３１６、３１８は別個の物理的構造物として示されているが、光検出器アレイ３１０、３１６、３１８は代替的に単一の物理的基板上に実装することができ、ここで光検出器の１つまたは複数の列は互いに接続されるが単一基板内の他の光検出器の列には接続されない。

【0083】

［0088］ 第１２の実施形態では、システム３００を制御する装置（例えば、ＬＩＤＡＲ装置２００等）は、２つ以上の光検出器アレイからの出力を組み合わせて、組み合わされて検出される光部分に関連する検出領域および有効アパーチャサイズを増大するように構成することができる。例えば、アレイ３１０および３１６からの出力は、２つの入力端のうちの１つのみに入射する単一の光部分に対応するより小さい有効アパーチャサイズと比較して、第１および第２の導波路の２つの入力端に入射する光３０２の２つの部分に対応するより大きい有効アパーチャサイズが達成され得るように組み合わせることができる。

【0084】

ＩＩＩ．例示的な方法およびコンピュータ可読媒体
［0089］ 図４は、例示的実施形態による方法４００のフローチャートである。方法４００は、例えば、システム１００、３００、および／または装置２００のうちのいずれかとともに使用され得る方法の実施形態を提示する。方法４００は、ブロック４０２〜４１０のうちの１つまたは複数によって示されるような１つまたは複数の動作、機能、またはアクションを含み得る。ブロックは連続した順序で示されているが、これらのブロックはいくつかの例では並行して、および／または本明細書に記載されたものとは異なる順序で実行されてもよい。また、様々なブロックは、所望の実装形態に基づいて、より少ないブロックに結合されても、追加のブロックに分割されても、および／または除去されてもよい。

【0085】

［0090］ さらに、方法４００および本明細書に開示されている他のプロセスおよび方法について、フローチャートは、本実施形態の１つの可能な実装形態の機能および動作を示している。これに関して、各ブロックは、製造または動作プロセスのモジュール、セグメント、一部、またはプログラムコードの一部を示し得るものであり、プログラムコードはプロセス内の特定の論理機能またはステップを実装するためにプロセッサによって実行可能な１つまたは複数の命令を含む。プログラムコードは、例えば、ディスクまたはハードドライブを含む記憶装置などの任意の種類のコンピュータ可読媒体に記憶することができる。コンピュータ可読媒体は、例えばレジスタメモリ、プロセッサキャッシュ、およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）のような短期間データを記憶するコンピュータ可読媒体などの非一時的コンピュータ可読媒体を含み得る。コンピュータ可読媒体はまた、例えば、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、光ディスクまたは磁気ディスク、コンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ‐ＲＯＭ）のような、二次的または持続的長期記憶装置などの非一時的媒体を含み得る。コンピュータ可読媒体はまた、他の任意の揮発性または不揮発性記憶システムであり得る。コンピュータ可読媒体は、例えばコンピュータ可読記憶媒体、または有形記憶装置と見なすことができる。

【0086】

［0091］ 追加的または代替的に、方法４００ならびに本明細書に開示される他のプロセスおよび方法に関して、図４の各ブロックは、プロセス内の特定の論理機能を実行するように配線されている回路を表し得る。

【0087】

［0092］ ブロック４０２において、方法４００は、シーンに対して配置されたレンズ（例えばレンズ１３０）によって、シーンからの光をレンズの焦点面に向けて集束させることを含む。いくつかの例では、シーンからの光は、シーン内の物体（例えば物体１０４）によって散乱されることがある。いくつかの例では、コンピューティング装置（たとえば、コントローラ２５０）は、レンズの特性（たとえば、焦点面、焦点距離等）を作動させるか調整することができる。

【0088】

［0093］ ブロック４０４において、方法４００は、不透明材料（例えば不透明材料１２０）内に画定されたアパーチャ（例えばアパーチャ１２２）を介して、シーンからの集束された光を透過することを含む。

【0089】

［0094］ ブロック４０６において、方法４００は、複数の導波路のうちの所与の導波路の入力端において、アパーチャを透過した光の一部を受光することを含む。

【0090】

［0095］ ブロック４０８において、方法４００は、所与の導波路によって、光の受光部分を所与の導波路の出力端に向かって導波することを含む。

【0091】

［0096］ ブロック４１０において、方法４００は、光検出器のアレイを介して、出力端から伝播する導波光を検出することを含む。検出される光の断面積は、入力端で受光された光の一部の断面積よりも大きい場合がある。

【0092】

［0097］ 上記の詳細な記載は、添付の図面を参照しながら、開示されたシステム、装置、および方法の様々な特徴および機能を記載している。様々な態様および実施形態が本明細書に開示されているが、他の態様および実施形態が明らかであろう。本明細書に開示されている様々な態様および実施形態は単に例示を目的としており、限定を意図するものではなく、真の範囲は以下の特許請求の範囲によって示されている。

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】