特開 2022-8880 開口部を用いた光検出器における雑音の制限

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022008880

(43)【公開日】2022-01-14

(54)【発明の名称】開口部を用いた光検出器における雑音の制限

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/481 20060101AFI20220106BHJP

【ＦＩ】

G01S7/481 A

【審査請求】有

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021164520

(22)【出願日】2021-10-06

(62)【分割の表示】P 2019514101の分割

【原出願日】2017-10-04

(31)【優先権主張番号】15/292,251

(32)【優先日】2016-10-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【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】ガッサン，ブレイズ

(72)【発明者】

【氏名】オナル，ケイナー

(72)【発明者】

【氏名】ハチソン，デイビッド

【テーマコード（参考）】

5J084

【Ｆターム（参考）】

5J084BA04

5J084BA20

5J084BA36

5J084BA40

5J084BB02

5J084BB20

5J084BB28

5J084BB35

5J084BB37

5J084DA01

5J084EA02

(57)【要約】

【課題】開口部を用いた光検出器における雑音を制限する。
【解決手段】１つの実施形態例は、システムを含む。システムは、シーンに対して配置され、シーンからの光を焦点面に集束するように構成されたレンズを含む。システムは、レンズの焦点面に配置された不透明材料内に画定された開口部も含む。開口部は断面積を有する。またシステムは、焦点面に対してレンズと反対の側に配置され、レンズによって集束され開口部を通って伝送された発散光を遮断し検出するように構成された光検出器のアレイを含む。発散光を遮断する光検出器のアレイの断面積は、開口部の断面積よりも大きい。
【選択図】図１Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

シーンに対して配置され、前記シーンからの光を焦点面に集束す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配置された不透明材料内に画定された、断面積を有する開口部と、
前記焦点面に対し前記レンズと反対の側に配置され、前記レンズによって集束され前記開口部を通って伝送された発散光を遮断し検出するように構成された光検出器のアレイであって、前記発散光を遮断する断面積が前記開口部の前記断面積よりも大きい、光検出器のアレイと
を備えるシステム。

【請求項2】

前記光検出器のアレイは、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3】

前記アレイ内の前記光検出器は、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4】

前記開口部の前記断面積は調整可能である、請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

前記不透明材料は、前記開口部の前記断面積を定めるように構成されたアイリスを備える、請求項４に記載のシステム。

【請求項6】

前記不透明材料は、２つの偏光子を有するパターン化導電性電極アレイと、前記２つの偏光子の間に配置された１または複数のアライメント層と、前記２つの偏光子の間に配置された液晶層とを備える、請求項４に記載のシステム。

【請求項7】

前記シーンからの前記光は、光検出測距（ＬＩＤＡＲ）システムの送信器によって照明される１または複数の物体によって散乱された光である、請求項１に記載のシステム。

【請求項8】

前記開口部を通って伝送された前記シーンからの前記光を、前記光検出器のアレイへ向けて反射するように構成された鏡を更に備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項9】

前記光検出器は、ある波長範囲内の光を感知可能である、請求項１に記載のシステム。

【請求項10】

前記光検出器は、赤外波長を有する光を感知可能である、請求項１に記載のシステム。

【請求項11】

１または複数の波長範囲内である前記シーンからの光が前記開口部を通過しないように、前記１または複数の波長範囲内である前記シーンからの前記光を前記開口部から逸らすように構成されたフィルタを更に備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項12】

前記不透明材料は、不透明マスクを重ねたガラス基板を備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項13】

前記不透明材料は金属を備え、前記金属は、前記開口部を画定するためにエッチングされる、請求項１に記載のシステム。

【請求項14】

各光検出器は、２００μｍ²～６００μｍ²の断面積を占める、請求項１に記載のシステム。

【請求項15】

前記光検出器のアレイと前記開口部との間に配置された拡散体を更に備え、前記拡散体は、前記開口部を通って伝送された前記シーンからの前記光を、前記光検出器のアレイ全体に均等に拡散するように構成される、請求項１に記載のシステム。

【請求項16】

前記開口部は、２つ以上の開口部のセットから選択可能である、請求項１に記載のシステム。

【請求項17】

前記２つ以上の開口部のセットから選択するように前記シーンからの前記光を前記開口部へ向けるために調整可能な１または複数の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）鏡を更に備える、請求項１６に記載のシステム。

【請求項18】

前記開口部は非円形状である、請求項１に記載のシステム。

【請求項19】

前記開口部と前記光検出器のアレイとの間に配置され、前記開口部を通って伝送された前記発散光を内面全反射する構造を更に備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項20】

前記焦点面における前記開口部の位置が調整可能である、請求項１に記載のシステム。

【請求項21】

前記開口部は、選択的に切替え可能なＭＥＭＳ鏡のアレイを備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項22】

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集束することと、
前記レンズの前記焦点面に配置された不透明材料内に画定された、断面積を有する開口部を通して、前記シーンからの前記光を伝送することと、
前記開口部を通って伝送された前記シーンからの前記光によって発散することと、
前記焦点面に対して前記レンズと反対の側面に配置された光検出器のアレイによって、前記シーンからの前記発散光を遮断することであって、前記シーンからの前記発散光を遮断する前記光検出器のアレイの断面積は、前記開口部の前記断面積よりも大きいことと、
前記光検出器のアレイによって、前記遮断された光を検出することと
を備える方法。

【請求項23】

光検出測距（ＬＩＤＡＲ）デバイスであって、
光によってシーンを照明するように構成されたＬＩＤＡＲ送信器と、
前記シーンをマッピングするために前記シーン内の１または複数の物体によって散乱された光を受け取るように構成されたＬＩＤＡＲ受信器と
を備え、前記ＬＩＤＡＲ受信器は、
前記シーン内の前記１または複数の物体によって散乱された前記光を焦点面に集束するように構成されたレンズと、
前記焦点面に配置された不透明材料内に画定され、断面積を有する開口部と、
前記焦点面に対し前記レンズと反対の側に配置され、前記レンズによって集束され前記開口部を通って伝送された発散光を遮断し検出するように構成された光検出器のアレイであって、前記発散光を遮断する断面積が前記開口部の前記断面積よりも大きい光検出器のアレイとを備える、
ＬＩＤＡＲデバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
［0001］ 本出願は、参照によってその全体が本明細書に組み込まれる、２０１６年１０月１３日に出願された米国特許出願第１５／２９２，２５１号に対する優先権を主張するものである。

【背景技術】

【0002】

［0002］ 特に記載されない限り、このセクションに記載される事項は、本出願のクレームに対する先行技術ではなく、またこのセクションに包含することによって先行技術として認められるものではない。

【0003】

［0003］ たとえばフォトダイオード、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）などの光検出器は、（たとえば、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）それらの表面に伝わる光を検出するために用いられ得る。多くの種類のそのようなデバイスは、たとえばシリコンなどの半導体材料から製造される。広い幾何面積にわたり光を検出するために、複数の光検出器が並列に接続されたアレイに配置され得る。これらのアレイは場合によっては、シリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）またはマルチピクセル光子計数管（ＭＰＰＣ）と称される。

【0004】

［0004］ 上記構成のいくつかは、比較的低い強度の光を感知可能であることによって検出品質を向上させる。ただし、それによって上記構成は、不利な背景効果の影響を不釣合に受けやすくもなり得る（たとえば、外部光源からの外来光が光検出器による測定に影響を及ぼし得る）。よって、光検出に影響を及ぼす背景効果を低減するための方法またはデバイスが、そのような光検出器によって行われる測定の精度を向上させ得る。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

［0005］ 本明細書および図面は、開口部を用いた光検出器における雑音の制限に関する実施形態を開示する。

【0006】

［0006］ 光検出システムの例は、レンズ、開口部、および光検出器のアレイを含んでよい。開口部は、レンズの焦点面に設けられてよく、レンズは、シーン内の物体によって散乱された光を集束してよい。開口部は、レンズの焦点面において伝送される光の量を制限することによって、光検出器のアレイへ伝送される光の量を制限してよい。開口部を通って伝送される光の量を制限することによって、開口部は、アレイへ伝送される背景光を低減してよい。開口部を通過した後、光は、アレイに接近するにつれて発散し得る。光はその後、アレイ内の光検出器の一部によって遮断され検出され得る。開口部を通過した後に光を発散させることによって、焦点面における光の同じ断面積と比べて、アレイの検出面積は増加する（すなわち、アレイの検出断面積は、開口部の断面積よりも大きい）。したがって、より多い数の光検出器が検出面積を覆い、光検出器のアレイの動的範囲、感度、または撮像分解能を増加させることができる。

【0007】

［0007］ 第１の態様において、本開示は、システムを説明する。システムは、シーンに対して配置され、シーンからの光を焦点面に集束するように構成されたレンズを含む。システムは、レンズの焦点面に配置された不透明材料内に画定された開口部も含む。開口部は断面積を有する。システムは更に、焦点面に対してレンズと反対の側に配置され、レンズによって集束され開口部を通って伝送された発散光を遮断し検出するように構成された光検出器のアレイを含む。発散光を遮断する光検出器のアレイの断面積は、開口部の断面積よりも大きい。

【0008】

［0008］ 第２の態様において、本開示は、方法を説明する。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集束することを含む。方法は、レンズの焦点面に配置された不透明材料内に画定された開口部を通して、シーンからの光を伝送することも含む。開口部は断面積を有する。方法は更に、開口部を通って伝送されたシーンからの光によって発散することを含む。また方法は、焦点面に対してレンズと反対の側に配置された光検出器のアレイによって、シーンからの発散光を遮断することを含む。シーンからの発散光を遮断する光検出器のアレイの断面積は、開口部の断面積よりも大きい。方法は更に、光検出器のアレイによって、遮断された光を検出することを含む。

【0009】

［0009］ 第３の態様において、本開示は、光検出測距（ＬＩＤＡＲ）デバイスを説明する。ＬＩＤＡＲデバイスは、光によってシーンを照明するように構成されたＬＩＤＡＲ送信器を含む。ＬＩＤＡＲデバイスは、シーンをマッピングするためにシーン内の１または複数の物体によって散乱された光を受け取るように構成されたＬＩＤＡＲ受信器も含む。ＬＩＤＡＲ受信器は、シーン内の１または複数の物体によって散乱された光を焦点面に集束するように構成されたレンズを含む。ＬＩＤＡＲ受信器は、焦点面に配置された不透明材料内に画定された開口部も含む。開口部は断面積を有する。ＬＩＤＡＲ受信器は更に、焦点面に対してレンズと反対の側に配置され、レンズによって集束され開口部を通って伝送された発散光を遮断し検出するように構成された光検出器のアレイを含む。発散光を遮断する光検出器のアレイの断面積は、開口部の断面積よりも大きい。

【0010】

［0010］ 追加の態様において、本開示は、システムを説明する。システムは、シーンからの光を焦点面に集束するための手段を含む。集束するための手段は、シーンに対して配置される。システムは、レンズの焦点面に配置された不透明材料内に画定された開口部を通して、シーンからの光を伝送するための手段も含む。開口部は断面積を有する。システムは更に、開口部を通して伝送されたシーンからの光を発散するための手段を含む。またシステムは、シーンからの発散光を遮断するための手段を含む。遮断するための手段は、焦点面に対して集束するための手段と反対の側に配置される。シーンからの発散光を遮断する、遮断するための手段の断面積は、開口部の断面積よりも大きい。システムは更に、遮断された光を検出するための手段を含む。

【0011】

［0011］ 上記概要は、例示的なものにすぎず、いかなるようにも限定的であることは意図されない。上述した例示的な態様、実施形態、および特徴に加えて、追加の態様、実施形態、および特徴は、図面および以下の詳細な説明を参照することによって明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1A】［0012］実施形態例に係る、開口部を含む雑音制限システムの図である。

【図1B】［0013］実施形態例に係る、開口部を含む雑音制限システムの図である。

【図2】［0014］実施形態例に係る、開口部を含む雑音制限ＬＩＤＡＲデバイスの図である。

【図3】［0015］実施形態例に係る、開口部を含む雑音制限システムの図である。

【図4】［0016］実施形態例に係る、開口部を含む雑音制限システムの図である。

【図5】［0017］実施形態例に係る、開口部を含む雑音制限システムの図である。

【図6A】［0018］実施形態例に係る、様々な開口部が画定された不透明材料の図である。

【図6B】［0019］実施形態例に係る、開口部を含む雑音制限システムの一部の図である。

【図7A】［0020］実施形態例に係る、サイズ変更可能な開口部を有する不透明材料の図である。

【図7B】［0021］実施形態例に係る、サイズ変更可能な開口部を有する不透明材料の図である。

【図8】［0022］実施形態例に係る、調整可能な位置を有する開口部を有する不透明材料の図である。

【図9】［0023］実施形態例に係る方法のフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

［0024］ 方法およびシステムの例が本明細書で説明される。本明細書で説明される任意の実施形態または特徴の例は、必ずしも他の実施形態または特徴よりも好適または有利であると解釈されるものではない。本明細書で説明される実施形態例は、限定的であることは意図されない。容易に理解されるように、開示されるシステムおよび方法の特定の態様は、異なる様々な構成で配置および結合されてよく、それら全てが本明細書において考慮されるものである。

【0014】

［0025］ また、図に示す特定の配置は、限定的なものとみなされてはならない。理解すべき点として、他の実施形態は、所与の図に示す各要素よりも多いまたは少ない数を含んでよい。また、図示された要素のいくつかは、結合または省略され得る。同様に、実施形態例は、図に示されない要素を含んでもよい。
Ｉ．概観

【0015】

［0026］ 実施形態例は、光検出器のアレイに伝わる背景光を低減するためのデバイス、システム、および方法に関連してよい。アレイ内の光検出器は、シーンからの光を感知してよい（たとえば、光検出器はＬＩＤＡＲシステムの感知部品であってよい）。

【0016】

［0027］ １つのシステム例は、レンズを含んでよい。レンズは、シーンからの光を焦点面に集束するために用いられ得る。ただしレンズは、焦点面において観測されることが意図されていない背景光（たと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（すなわち、シーン内の情報に対応する光から背景光を分離）するために、不透明材料（たとえば、選択的にエッチングされた金属、またはマスクが重ねられたガラス基板）がレンズの焦点面に設けられ得る。不透明材料は、様々な実施形態において、スラブ、シート、または他の様々な形状であってよい。不透明材料内に開口部が画定され得る。開口部は、レンズによって焦点面に集束されたシーン光の一部分または全体を選択してよい。

【0017】

［0028］ 不透明材料の背面（すなわち、不透明材料のレンズと反対側の面）において、開口部によって選択された光が開口部から発散してよい。光の発散方向において、システムは、開口部からある程度の距離に配置された光検出器（たとえばＳＰＡＤ）のアレイを含んでよい。この光検出器のアレイは、発散光（たとえば、発散光の強度）を検出してよい。光は発散するので、検出面積に適合可能な光検出器の数は、レンズの焦点面における同じ円錐状の光に対応する検出面積に適合し得る数よりも大きくなり得る。これは、開口部からずれた距離におけるよりもレンズの焦点面において、検出面積はより緊密に集束され、小さくなるという事実に起因する。例として、２００μｍ×２００μｍの断面積を有する開口部は、ＳＰＡＤの数百倍に等しい面積を占め得る（たとえば、各ＳＰＡＤが２００μｍ²～６００μｍ²の断面積を有する）。比較すると、直径１．３３ｍｍを有する円形断面積に対応する距離まで開口部から光が発散する場合、その平面における検出面積は、ＳＰＡＤの数千倍または数万倍に等しい面積を占め得る。

【0018】

［0029］ また、光検出器アレイが開口部からずれた距離（すなわち、光検出器アレイがレンズの焦点面からずれた距離）は、様々な実施形態において様々であってよい。開口部から発散する光を検出する位置にある光検出器の数は、光検出器アレイと開口部との間の距離が長くなるほど多くなり得る。たとえば、より多くの量の背景光を有するシーンの場合、光検出器は、開口部からより長い距離にずらされ得る。

【0019】

［0030］ また、いくつかの実施形態において、開口部は調整可能であってよい。たとえば、開口部の断面積が変更され得る。いくつかの実施形態において、断面積は、開口部を画定する不透明材料内の穴を大きくまたは小さくするために開閉することができるアイリスによって定められ得る。あるいは開口部は、伸縮可能シェードによって部分的に被覆された不透明材料内のスリットであってよい。伸縮可能シェードは、開口部を通って伝送される光の量を変更するために収縮または拡張されてよく、それによって開口部の有効断面積を変更する。また更に、不透明材料は、画定された複数の開口部を有してよい。複数の開口部は、様々な形状および／またはサイズを有してよい。またシステムは、レンズからの光を不透明材料へ向けて反射する１または複数の鏡（たとえば、微小電気機械システム、ＭＥＭＳ、鏡）を含んでよい。１または複数の鏡は、鏡のうちの様々な１つが、レンズによって集束される光の経路にあるように、レンズに対して角度を変えることができ、または配向を変えることができる。これにより、不透明材料内に画定された開口部の様々な１つが選択され、有効開口部面積を変更することが可能である。
ＩＩ．システム例

【0020】

［0031］ 図１Ａは、実施形態例に係る、開口部を含む雑音制限システム１００の図である。システム１００は、光検出器１１２のアレイ１１０、不透明材料１２０内に画定された開口部１２２、およびレンズ１３０を含んでよい。システム１００は、シーン内の物体１４０によって散乱される光１０２を測定してよい。光１０２は、少なくとも部分的に、背景光源からも到来してよい。雑音制限システム１００は、様々な実施形態において、ＬＩＤＡＲデバイス（たとえばＬＩＤＡＲ受信器）の一部であってよい。たとえばＬＩＤＡＲデバイスは、自律車両のナビゲーションのために用いられ得る。また、いくつかの実施形態において、雑音制限システム１００またはその一部は、レンズ１３０または開口部１２２以外の外光に晒されないエリアに含まれ得る。これによって、周囲光が光検出器１１２をトリガし、任意の測定に悪影響を及ぼすことが防がれ得る。

【0021】

［0032］ アレイ１１０は、光検出器１１２の配列である。様々な実施形態において、アレイ１１０は、様々な形状を有してよい。図１Ａに示すように、アレイ１１０は、長方形または正方形状であってよい。代替実施形態において、アレイ１１０は、円形であってよい。アレイ１１０のサイズは、アレイ１１０が位置する開口部１２２からの距離に基づいて、開口部１２２から発散する光１１０の断面積に対応してよい。いくつかの実施形態において、アレイ１１０は可動であってよい。アレイ１１０は、開口部１２２へ近づく方向へ、または開口部１２２から遠ざかる方向へ可動であってよい。たとえばアレイは、１、２、または３方向へ位置を変えることが可能な電気ステージ上にあってよい。

【0022】

［0033］ また、アレイ１１０は、コンピューティングデバイスへの１または複数の出力を有してよい。コンピューティングデバイス（たとえばマイクロプロセッサ）は、光検出器１１２に入射する光１０２の強度を示す、アレイ１１０からの電気信号を受信してよい。コンピューティングデバイスは、物体１４０に関する情報（たとえば開口部１２２からの物体１４０の距離）を決定するために電気信号を用いてよい。アレイ１１０とコンピューティングデバイスとの間の信号接続が存在する実施形態において、アレイ１１０内の光検出器１１２は、並列に相互接続され得る。よってアレイ１１０は、アレイ１１０における光検出器１１２の特定の配列および種類に依存して、ＳｉＰＭまたはＭＰＰＣであってよい。

【0023】

［0034］ 光検出器１１２は、様々な種類のいずれかであってよい。たとえば、光検出器１１２は、ＳＰＡＤであってよい。ＳＰＡＤは、光検出器における所与の入射照明に関する出力電流を増加させるために、逆バイアスされたｐｎ接合（すなわちダイオード）におけるアバランシェ降伏を利用してよい。また、ＳＰＡＤは、単一入射光子に関して複数の電子孔ペアを生成することが可能であり得る。代替実施形態において、光検出器１１２は、ＡＰＤであってよい。ＡＰＤおよびＳＡＰＤの両方が、アバランシェ降伏電圧より上でバイアスされ得る。そのようなバイアス条件は、１より大きいループゲインを有するポジティブフィードバックループをもたらし得る。したがって、閾値アバランシェ降伏電圧より上でバイアスされたＡＰＤおよびＳＡＰＤは、単一光子感光性であってよい。またほかの実施形態において、光検出器１１２は、光抵抗器、電荷結合素子（ＣＣＤ）、または光起電力セルであってよい。

【0024】

［0035］ 様々な実施形態において、アレイ１１０は、アレイ全体で複数の種類の光検出器を含んでよい。たとえば、複数の波長がアレイ１１０によって検出される場合、アレイ１１０は、１つの波長範囲を感知可能であるいくつかのＳＰＡＤ、および異なる波長範囲を感知可能であるいくつかのＳＰＡＤを備えてよい。いくつかの実施形態において、光検出器１１０は、４００ｎｍ～１．６μｍの波長（可視および赤外波長）を感知可能であってよい。また、光検出器１１０は、所与の実施形態において、または様々な実施形態にわたり、様々なサイズおよび形状を有してよい。実施形態例において、光検出器１１２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であってよい。

【0025】

［0036］ 不透明材料１２０は、レンズ１３０によって集束されたシーンからの光１０２（たとえば背景光）が、アレイ１１０へ伝送されることを防いでよい。よって不透明材料１２０は、光検出器１１２のアレイ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背景光を遮るように構成され得る。不透明材料１２０、およびそれに伴う開口部１２２は、レンズ１３０の焦点面またはその付近に位置してよい。不透明材料１２０は、光１０２を吸収することによって伝送を防いでよい。追加または代替として、不透明材料１２０は、光１０２を反射することによって伝送を防いでよい。いくつかの実施形態において、不透明材料１２０は、エッチングされた金属であってよい。代替実施形態において、不透明材料１２０は、ポリマ基板、２軸配向ポリエチレンテレフタレート（ＢｏＰＥＴ）シート（マイラ（登録商標）シートとも称される）、または不透明マスクが重ねられたガラスであってよい。様々な代替実施形態において、他の不透明材料も可能である。

【0026】

［0037］ 開口部１２２は、不透明材料１２０に出入口をもたらし、これを通って光１０２が伝送され得る。開口部１２２は、様々な方法で不透明材料１２０内に画定され得る。たとえば、不透明材料１２０が金属である場合、開口部１２２を画定するために金属はエッチングされ得る。あるいは、不透明材料１２０がマスクを重ねられたガラス基板である場合、マスクは、フォトリソグラフィを用いて画定された開口部１２２を含んでよい。様々な実施形態において、開口部１２２は、部分的または全体的に透明であってよい。たとえば、不透明材料１２０がマスクを重ねられたガラス基板である場合、開口部１２２は、マスクによって被覆されていないガラス基板の一部によって画定されてよく、すなわち開口部１２２は、完全な中空ではなくガラスでできている。したがって開口部１２２は、物体１４０によって散乱された光１０２の波長に対し、（多くのガラスは１００％透明ではないため）完全ではないがほぼ透過性であってよい。

【0027】

［0038］ 開口部１２２は（不透明材料１２０とともに）、焦点面においてシーンからの光１０２を空間的にフィルタするために機能してよい。たとえば、光１０２は、不透明材料１２０の表面において焦点面に集束されてよく、開口部１２２は、集束光の一部のみをアレイ１１０ヘ伝送させ得る。このように開口部１２２は、光ピンホールとして働いてよい。実施形態例において、開口部は、０．０２ｍｍ²～０．０６ｍｍ²（たとえば０．０４ｍｍ²）の断面積を有してよい。

【0028】

［0039］ 開口部１２２に関して上記で用いられる「開口部」という用語は、光がそこを通って伝送され得る、不透明材料における凹部または穴を表すが、理解されるように、「開口部」という用語は、幅広い光学特徴のアレイを含んでよい。たとえば、本説明および特許請求の範囲を通して用いられるように、「開口部」という用語は、光がそこを通って部分的に伝送され得る、不透明材料内に画定された透明または半透明構造を更に包括してよい。また、「開口部」という用語は、たとえば不透明材料に包囲された鏡など、（たとえば反射または屈折によって）光の通路を選択的に制限する構造を表してもよい。実施形態例の１つにおいて、不透明材料に包囲された鏡付きアレイは、特定の方向において光を反射するように配置され得ることによって反射部を画定する。この反射部は、「開口部」と称され得る。

【0029】

［0040］ レンズ１３０は、シーンからの光１０２を（たとえば、開口部１２２が位置する）焦点面に集束してよい。このように、レンズ１３０において、光が投射される断面積を低減しながら、シーンから収集された光強度は維持され得る（すなわち、光１０２の空間電力密度が増加する）。このように、レンズ１３０は、集光レンズであってよい。図１Ａに示すように、レンズ１３０は、両凸レンズであってよい。たとえばレンズは、球面レンズであってよい。代替実施形態において、レンズは、順に配置されたレンズの連続的セット（たとえば、第１の方向に光を集束する両凸レンズ、および第１の方向に直交する第２の面に光を集束する追加の両凸レンズ）であってよい。他の種類のレンズも可能である。加えて、レンズ１３０に入射する光を不透明材料１２０に集束することを補助するために、レンズ１３０の付近に他の自由空間光学部品（たとえば鏡）があってよい。

【0030】

［0041］ 物体１４０は、雑音制限システム１００を取り巻くシーン内に位置する任意の物体であってよい。雑音制限システム１００がＬＩＤＡＲシステムの受信器の部品である場合、物体１４０は、同じＬＩＤＡＲシステムの送信器によって光１０２を用いて照明され得る。ＬＩＤＡＲシステムが自律車両におけるナビゲーションに用いられる実施形態例において、物体１４０は、歩行者、他車両、障害物（たとえば木）、または道路標識であってよい。

【0031】

［0042］ 上述したように、光１０２は、ＬＩＤＡＲデバイス内の送信器によって生成され得る。図示したように、光１０２は、物体１４０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内の開口部１２２を通って伝送され、光検出器１１２のアレイ１１０によって測定され得る。このシーケンスは、物体１４０に関する何らかを決定するために（たとえばＬＩＤＡＲデバイス内で）発生してよい。いくつかの実施形態において、アレイによって測定される光は、複数の物体から散乱される光または物体から散乱されない光であってもよい（たとえば、ＬＩＤＡＲデバイスの送信器によって伝送される光がＬＩＤＡＲデバイスへ反射されず、レンズは、たとえば太陽光などの周囲光のみを集束する）。

【0032】

［0043］ また、物体１４０を分析するために用いられる光１０２の波長は、シーン内にあると予想される物体の種類およびレンズ１３０からのそれらの予想距離に基づいて調整され得る。たとえば、シーン内にあると予想される物体が、５００ｎｍ波長の入来光全てを吸収する場合、物体１４０を照明し、雑音制限システム１００によって分析されるために、５００ｎｍ以外の波長が選択され得る。光１０２の波長は（たとえばＬＩＤＡＲデバイスの送信器によって伝送される場合）、光１０２を生成する光源に対応してよい。たとえば、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を中心とする波長範囲の光であってよい。多数の様々な光源（たとえば光ファイバ増幅器、様々な種類のレーザ、フィルタを有する広帯域光源など）が、光１０２を生成することができる。

【0033】

［0044］ 図１Ｂは、図１Ａに示す雑音制限システム１００の図である。図示したように、物体１４０とレンズ１３０との間の距離は「ｄ」であり、レンズ１３０と（図１Ａに示す円形開口部１２２ではなく、長方形開口部１２６が画定された）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。図示した実施形態において、不透明材料１２０および開口部１２６は、レンズの焦点面に位置してよい（すなわち、「ｆ」は、レンズの焦点距離に等しくなり得る）。また、レンズ１３０と不透明材料１２０との間に配置されたフィルタ１６０があってよい。また、アレイ１１０によって測定される信号を放出するエミッタ１５０（たとえばＬＩＤＡＲ送信器を有するレーザ）も物体１４０から距離「ｄ」に位置する。

【0034】

［0045］ 以下は、アレイ１１０によって検出される背景光の量と、アレイ１１０によって検出される信号光の量とを比較する数学的例である。例示のために、物体１４０は、直角入射で太陽光によって全体が照明されるものとし、太陽光は背景光源を表す。また、物体１４０を照明する光は全て、ランバートの余弦法則に従って散乱されるものとする。加えて、アレイ１１０の平面に到達する光（背景光および信号光の両方）は全て、アレイ１１０によって完全に検出されるものとする。

【0035】

［0046］ エミッタ１５０によって放出され、開口部１２４に到達し、アレイ１１０に到達する信号の電力は、以下のように計算され得る。

【数1】

式中、Ｐ_signalは、エミッタ１５０によって放出されアレイ１１０に到達する光信号の放射束を（たとえばＷ単位で）表し、Ｐ_txは、エミッタ１５０によって伝送される電力を（たとえばＷ単位で）表し、Ｔは、（たとえばランバートの余弦法則を考慮して）物体１４０の反射率を表し、Ａ_lensは、レンズ１３０の断面積を表す。

【0036】

［0047］ また、レンズ１３０に到達する背景光は、以下のように計算され得る。

【数2】

式中、

【数3】

は、フィルタ１６０を選択的に通過する波長帯域内にある、物体１４０から散乱しレンズ１３０に到達する太陽光によって生じる背景信号の放射輝度を（たとえば

【数4】

単位で）表し、

【数5】

は、太陽による照射密度を（たとえば

【数6】

単位で）表し、Ｔ_filterは、フィルタ１６０（たとえばバンドパス光フィルタ）の透過係数を表す。因数

【数7】

は、直角入射による物体１４０からのランバート散乱を前提とするものである。

【0037】

［0048］ 開口部１２４は、アレイ１１０へ伝送されることが可能な背景光の量を低減する。開口部１２４を通って伝送した後、アレイ１１０に到達する背景光のパワーを計算するために、開口部１２４の面積が考慮される。開口部の断面積は、以下のように計算され得る。
Ａ_aperture＝ｗ×ｈ
式中、Ａ_apertureは、物体１４０に対する開口部１２６の表面積を表し、ｗおよびｈは、それぞれ開口部１２４の幅および高さを表す。また、レンズ１３０が円形レンズである場合、レンズの断面積は、

【数8】

であり、式中、ｄ_lensは、レンズの直径を表す。

【0038】

［0049］ 開口部１２４を通ってアレイ１１０へ伝送される背景電力を計算するために、以下の式が用いられ得る。

【数9】

式中、Ｐ_backgroundは、アレイ１１０に入射する背景電力を表し、

【数10】

は、受光立体角をステラジアン単位で表す。上記式が示すように、Ｐ_backgroundは、レンズ１３０およびその後の開口部１２４によって低減された後の背景信号における発光量である。

【0039】

［0050］ 上で決定した値を

【数11】

、Ａ_aperture、およびＡ_lensに代入すると、以下が導出され得る。

【数12】

【0040】

［0051］ また、数量

【数13】

は、レンズ１３０の「Ｆ値」と称され得る。したがって、もう一度代入すると、背景電力に関して、以下を導き出すことができる。

【数14】

【0041】

［0052］ 同様の代入を行うと、エミッタ１５０から伝送されアレイ１１０に到達する信号電力に関して、以下を導き出すことができる。

【数15】

【0042】

［0053］ Ｐ_signalとＰ_backgroundとを比較することによって、信号対雑音比（ＳＮＲ）が決定され得る。論証したように、開口部１２４、特に小さなｗおよび／または小さなｈを有する開口部を包含することにより、背景電力は、信号電力に対して著しく低減され得る。開口部面積の低減に加えて、エミッタ１５０による伝送電力の増加、透過係数の低減（すなわち、フィルタを通って伝送される背景光量の低減）、および物体１４０の反射率の増加が、ＳＮＲを増加させる方法であり得る。パルス信号の場合、背景の電力ではなく背景のショット雑音が、ＳＮＲを計算する際に主に関連し得る。

【0043】

［0054］ 上述したように、開口部１２４を通って伝送される光は、アレイ１１０に接近するにつれて発散し得る。発散により、光検出器のアレイ１１０における検出面積は、焦点面における開口部１２４の断面積よりも大きくなり得る。所与の（たとえばＷ単位で測定される）光電力に関する（たとえばｍ²単位で測定される）検出面積の増加は、アレイ１１０に入射する（たとえば

【数16】

単位で測定される）光強度の低下をもたらす。

【0044】

［0055］ 光強度の低下は、アレイ１１０が、ＳＰＡＤまたは高い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。たとえば、ＳＰＡＤは、半導体におけるアバランシェ降伏をもたらす大きな逆バイアス電圧から感度を得る。このアバランシェ降伏は、単一光子の吸収によってトリガされ得る。ＳＰＡＤが単一光子を吸収し、アバランシェ降伏が始まると、ＳＰＡＤは、（たとえば逆バイアス電圧を回復させることによって）抑圧されるまで、追加の光子を検出することができない。ＳＰＡＤが抑圧されるまでの時間は、回復時間と称され得る。回復時間に近い時間間隔で（たとえば回復時間の１０倍以内に）追加の光子が到来する場合、ＳＰＡＤは飽和し始め、ＳＰＡＤによる測定は、ＳＰＡＤに入射する光の電力に直接関連しなくなり得る。したがって、アレイ１１０における任意の個々の光検出器（たとえばＳＰＡＤ）に入射する光電力を低減することによって、アレイ１１０内の光検出器（たとえばＳＰＡＤ）は、未飽和状態を保ち得る。よって、各個々のＳＰＡＤによる光測定は、より高い精度を有し得る。

【0045】

［0056］ 図２は、実施形態例に係る、開口部を含む雑音制限ＬＩＤＡＲデバイス２１０の図である。ＬＩＤＡＲデバイス２１０は、レーザエミッタ２１２、コンピューティングデバイス２１４、光検出器のアレイ１１０、開口部が画定された不透明材料１２０、およびレンズ１３０を含んでよい。ＬＩＤＡＲデバイス２１０は、シーン内の物体１４０をマッピングするために光１０２を用いてよい。ＬＩＤＡＲデバイス２１０は、実施形態例において、自律車両においてナビゲーション用に用いられ得る。

【0046】

［0057］ レーザエミッタ２１２は、光検出器（たとえば、図１Ａに示す光検出器１０２）のアレイ１１０によって最終的に測定される、シーン内の物体１４０によって散乱される光１０２を放出してよい。いくつかの実施形態において、レーザエミッタ２１２は、レーザエミッタ２１２の電力出力を増加させるために、光ファイバ増幅器または他の増幅システムを含んでよい。また、レーザエミッタ２１２は、等しく継続的な電力出力を維持しながら増加したピーク電力を可能にするために、（連続波、ＣＷ、レーザではなく）パルスレーザであってよい。

【0047】

［0058］ コンピューティングデバイス２１４は、ＬＩＤＡＲデバイス２１０の構成要素を制御し、ＬＩＤＡＲデバイス２１０の構成要素（たとえば光検出器１１２のアレイ１１０）から受け取った信号を分析するように構成され得る。コンピューティングデバイス２１４は、様々なアクションを実行するためにメモリ内に格納された命令を実行するプロセッサ（たとえばマイクロコントローラのマイクロプロセッサ）を含んでよい。コンピューティングデバイス２１４は、物体１４０の位置（たとえばＬＩＤＡＲデバイス２１０からの距離）を決定するために、アレイ１１０によって測定された信号に関連するタイミングを用いてよい。たとえば、レーザエミッタ２１２がパルスレーザである実施形態において、コンピューティングデバイス２１４は、出力光パルスのタイミングを監視し、これらのタイミングを、アレイ１１０によって測定された信号パルスのタイミングと比較してよい。この比較により、コンピューティングデバイス２１４は、光の速度および光パルスの移動時間に基づいて、物体１４０の距離を計算することができる。出力光パルスのタイミングと、アレイ１１０によって測定された信号パルスのタイミングとの正確な比較を行うために、コンピューティングデバイス２１４は、（たとえば、レーザエミッタ２１２およびレンズ１３０が空間内の同じ位置にはないので）視差を考慮するように構成され得る。

【0048】

［0059］ いくつかの実施形態において、コンピューティングデバイス２１４は、ＬＩＤＡＲデバイス２１０のレーザエミッタ２１２を変調するように構成され得る。たとえば、コンピューティングデバイス２１４は、（たとえば、レーザエミッタ２１２が機械式ステージに搭載され、または機械式ステージを含む場合）レーザエミッタ２１２の投射方向を変更するように構成され得る。コンピューティングデバイス２１４は、レーザエミッタ２１２によって放出される光１０２のタイミング、パワー、または波長を変調するようにも構成され得る。そのような変調は、様々な実施形態において、光１０２の経路におけるフィルタを追加または除去することを含んでよい。

【0049】

［0060］ また、コンピューティングデバイス２１４は、レンズ１３０、不透明材料１２０、およびアレイ１１０の位置を互いに対して調整するように構成され得る。たとえばレンズ１３０は、レンズ１３０の位置、およびそれに伴うレンズ１３０の焦点面の位置を調整するためにコンピューティングデバイス２１４によって制御される可動ステージ上にあってよい。またアレイ１１０は、アレイ１１０が不透明材料１２０および開口部１２２に対して動かされることを可能にする別のステージ上にあってよい。アレイ１１０は、アレイ１１０における検出面積を変更するために、コンピューティングデバイス２１４によって動かされ得る。アレイ１１０が不透明材料１２０から離れる方向へ動くと、開口部１２２からの距離が増加して光１０２が発散するので、アレイ１１０における検出断面積は増加し得る。したがって、コンピューティングデバイス２１４は、光１０２を発散させることによって照明される光検出器１１２の数を変更するために、アレイ１１０を動かしてよい。

【0050】

［0061］ いくつかの実施形態において、コンピューティングデバイスは、開口部を制御するようにも構成され得る。たとえば開口部は、いくつかの実施形態において、不透明材料内に画定された複数の開口部から選択可能であってよい。そのような実施形態において、レンズと不透明材料との間にあるＭＥＭＳ鏡は、複数の開口部のどれに光が向けられるかを決定するために、コンピューティングデバイスによって調整可能であってよい。いくつかの実施形態において、様々な開口部が異なる形状およびサイズを有してよい。また他の実施形態において、開口部は、アイリス（または他の種類のダイアフラム）によって画定され得る。アイリスは、たとえば開口部のサイズを制御するために、コンピューティングデバイスによって拡張または収縮され得る。

【0051】

［0062］ 図３は、実施形態例に係る、開口部を含む雑音制限システム３００の図である、図１Ａに示すシステム１００と同様、システム３００は、光検出器１１２のアレイ１１０、不透明材料１２０内に画定された開口部１２２、およびレンズ１３０を含んでよい。加えてシステム３００は、光フィルタ３０２を含んでよい。システム３００は、シーン内の物体１４０によって散乱される光１０２を測定してよい。レンズ１３０、開口部１２２を有して画定された不透明材料１２０、および光検出器１１２のアレイ１１０は、図１Ａに関して説明したものと同様に作用してよい。

【0052】

［0063］ 光フィルタ３０２は、特定の波長の光をアレイ１１０から逸らすように構成され得る。たとえば、雑音制限システム３００がＬＩＤＡＲデバイスの構成要素（たとえば、ＬＩＤＡＲデバイスの検出器）である場合、光フィルタ３０２は、ＬＩＤＡＲデバイスのレーザエミッタによって発光される波長範囲ではない全ての光をアレイ１１０から逸らしてよい。したがって、光フィルタ３０２は、周囲光または背景光がアレイ１１０による測定に悪影響を及ぼすことを少なくとも部分的に防ぎ得る。

【0053】

［0064］ 様々な実施形態において、光フィルタ３０２は、アレイ１１０に対して様々な位置にあってよい。図３に示すように、光フィルタ３０２は、レンズ１３０と不透明材料１２０との間にあってよい。あるいは光フィルタは、レンズと物体との間、不透明材料とアレイとの間、またはアレイ自体にあってもよい（たとえば、アレイは、アレイの表面を被覆する、光フィルタを含むスクリーンを有してよく、あるいは光検出器の各々が、個別の光フィルタによって個々に被覆され得る）。

【0054】

［0065］ 光フィルタ３０２は、吸収フィルタであってよい。追加または代替として、光フィルタ３０２は、反射フィルタであってよい。光フィルタ３０２は、定められた波長範囲内の波長を選択的に伝送（すなわち、たとえば単色光フィルタなどのバンドパス光フィルタとして機能）し、定められた波長範囲外の波長を選択的に伝送（すなわち、帯域阻止光フィルタとして機能）し、定められた閾値を下回る波長を選択的に伝送（すなわち、ローパス光フィルタとして機能）し、あるいは定められた閾値を上回る波長を選択的に伝送（すなわち、ハイパス光フィルタとして機能）してよい。また、いくつかの実施形態において、最適なフィルタリング特性をもたらすために、複数の光フィルタがカスケード接続され得る（たとえば、バンドパスフィルタ特性をもたらすためにローパスフィルタおよびハイパスフィルタがカスケード接続される）。光フィルタ３０２は、いくつかの実施形態において、ダイクロイックフィルタまたはカスケードダイクロイックフィルタであってよい。代替実施形態において、光フィルタ３０２は、回析フィルタであってよい。回析フィルタは、背景光および信号光の光経路を分割し得る。これによって、いくつかの実施形態において、独立した背景追跡が可能であり得る。

【0055】

［0066］ また、光フィルタ３０２は、波長以外の光の品質に基づいて選択的に伝送してよい。たとえば光フィルタ３０２は、偏波（たとえば、水平偏波または垂直偏波）に基づいて光を選択的に伝送してよい。他の種類の光フィルタも可能である。

【0056】

［0067］ 図４は、実施形態例に係る、開口部を含む雑音制限システム４００の図である。図１Ａに示すシステム１００と同様、システム４００は、光検出器１１２のアレイ１１０、不透明材料１２０内に画定された開口部１２２、およびレンズ１３０を含んでよい。システム４００は、光拡散体４０２も含んでよい。システム４００は、シーン内の物体１４０によって散乱される光１０２を測定してよい。レンズ１３０、開口部１２２を有して画定された不透明材料１２０、および光検出器１１２のアレイ１１０は、図１Ａに関して説明したものと同様に作用してよい。

【0057】

［0068］ 光拡散体４０２は、光１０２を拡散することによって、開口部１２２を通って伝送される光のパワー密度を光検出器１１２に均等に拡散してよい。光拡散体４０２は、様々な実施形態において、サンドブラストガラス拡散体、すりガラス拡散体、またはホログラフィック拡散体を含んでよい。他の種類の光拡散体も可能である。光拡散体４０２は、光１０２が開口部１２２を通って伝送されると、光１０２の発散の性質を高めることができる構成要素のグループの１つである。発散を高める他の構成要素は、たとえば光導波路または単一ではない屈折率を有する流体を含んでよい。

【0058】

［0069］ 様々な実施形態において、光拡散体４０２は、アレイ１１０に対して様々な位置にあってよい。図４に示すように、光拡散体４０２は、不透明材料１２０とアレイ１１０との間にあってよい。あるいは光拡散体は、アレイ自体にあってもよい（たとえば、アレイは、アレイの表面を被覆する、光拡散体を含むスクリーンを有してよく、あるいは光検出器の各々が、個別の光拡散体によって個々に被覆され得る）。

【0059】

［0070］ 図５は、実施形態例に係る、開口部を含む雑音制限システム５００の図である。図１Ａに示すシステム１００と同様、システム５００は、光検出器１１２のアレイ１１０、不透明材料１２０内に画定された開口部１２２、およびレンズ１３０を含んでよい。システム５００は更に、鏡５０２を含んでよい。レンズ１３０、開口部１２２を有して画定された不透明材料１２０、および光検出器１１２のアレイ１１０は、図１Ａに関して説明したものと同様に作用してよい。

【0060】

［0071］ 鏡５０２は、開口部１２２を通って伝送され、（図５において細かい破線で示す）アレイ１１０から逸れた光１０２のいずれかを反射してよい。このプロセスは、「光子リサイクル」と称され得る。光の逸脱は、アレイ１１０の面による光の反射に起因して（たとえば、光検出器１１２の面の部分反射特性によって、または光検出器１１２の面間の介在領域から）生じ得る。そのような場合、鏡５０２は、アレイ１１０の面から反射した光を再びアレイ１１０へ向け直してよい。意図的ではない光逸脱の原因は他にも考えられる。

【0061】

［0072］ 図５に示すように、鏡５０２は、曲面鏡であってよい。代替実施形態において、より多いまたは少ない数の鏡があってよい。たとえばいくつかの実施形態において、光をアレイの方へ向ける一連の平面鏡があってよい。他の代替実施形態において、光をアレイの方へ向け直すための反射内面を有し、開口部とアレイとの間の光経路を内包する、単一の中空円筒体または中空円錐体が代わりにあってよい。あるいは、図５に示す鏡５０２の形状を有し、開口部とアレイとの間の光経路の周囲に位置する鏡が２つではなく４つあってもよい。また、いくつかの実施形態は、鏡ではなく、開口部からアレイへ進行する光を内面全反射する構造を開口部とアレイとの間に含んでよい（たとえば、構造は、内面全反射を誘発するために、周囲材料の屈折率と比較して十分大きい屈折率を有する）。そのような構造は、光パイプと称され得る。他の様々な構成、形状、およびサイズの鏡も可能である。

【0062】

［0073］ いくつかの実施形態は、図３～５に関して説明した複数の特徴を含んでよい。たとえば、実施形態例は、レンズと不透明材料との間の光フィルタ、不透明材料とアレイとの間の光拡散体、および光拡散体とアレイとの間の鏡を含んでよい。また、図２に示す雑音制限ＬＩＤＡＲデバイス２１０内の構成要素と同様、図３～５に示す追加の構成要素（たとえば光フィルタ３０２、光拡散体４０２、および鏡５０２）は、コンピューティングデバイスに接続可能かつコンピューティングデバイスによって制御可能な可動ステージ上にあってもよい。これらの構成要素の他の特徴（たとえば、光拡散体４０２の拡散率または鏡５０２の角度）は、様々な実施形態において、コンピューティングデバイスによって制御されてもよい。

【0063】

［0074］ 図６Ａは、実施形態例に係る、様々な開口部が画定された不透明材料６１０の図である。開口部は、様々なサイズの円形開口部６１２であってよい。追加または代替として、開口部は、不規則開口部６１４であってよい。様々な円形開口部６１２および不規則開口部６１４は、選択可能であってよい。たとえば不透明材料６１０は、開口部の１つを選択するために、レンズ（たとえば、図１Ａに示すレンズ１３０）および光検出器のアレイ（たとえば、図１Ａに示す光検出器１１２のアレイ１１０）に対して動くことができる機械式ステージ（たとえば、回転ステージまたは並進ステージ）上にあってよい。

【0064】

［0075］ 円形開口部６１２は、半径が様々であってよく、それによって、様々な量の光がそれぞれの開口部を通過することができる。いくつかの実施形態において、より大きな半径の開口部は、光検出器のアレイの照明を増加させることができ、これは、対応する雑音制限システム（たとえば、図１Ａに示す雑音制限システム１１０）の感度の増加をもたらし得る。ただし、より多い背景光量を有するシーンを測定する場合、より大きい割合の背景光を遮るためにより小さい半径を有する円形開口部６１２が用いられ得る。また、円形開口部６１２の各々は、（たとえば、それぞれの開口部に重なり、それぞれの開口部に組み込まれた）様々な関連光フィルタを有してよい。たとえば、円形開口部６１２の１つは、可視波長範囲内の光を選択的に伝送してよく、円形開口部６１２の他の１つは、赤外波長範囲内の光を選択的に伝送してよい。よって、複数の円形開口部６１２が画定された、単一の不透明材料６１０は、様々な光源（たとえば、図２に示すような様々なレーザエミッタ２１２）から放出された光を選択的に伝送することができる。様々な関連光フィルタを有する様々な円形開口部６１２は、同様のまたは様々な半径を有してよい。

【0065】

［0076］ 不規則開口部は、システム内の光学収差を許容するために特別に設計され得る。たとえば、図６Ａに示す鍵穴形状の不規則開口部６１４は、エミッタ（たとえば、図２に示すレーザエミッタ２１２）と受信器（たとえば、不透明材料６１０が間に位置する、図２に示すレンズ１３０および光検出器のアレイ１１０）との間で生じる視差を許容するために役立ち得る。視差は、たとえばエミッタおよび受信器が同じ位置にない場合、生じ得る。たとえば、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定の形状の開口部、または特定の偏波（たとえば、水平偏波または垂直偏波）の光を選択する不規則開口部など、他の不規則開口部も可能である。

【0066】

［0077］ 図６Ｂは、実施形態例に係る、開口部を含む雑音制限システムの一部を示す図である。図１Ａの雑音制限システム１００と同様、雑音制限システムは、レンズ１３０を含んでよい。雑音制限システムは更に、開口部６５２が画定された不透明材料６５０、および調整可能なＭＥＭＳ鏡６６０を含んでよい。システムは、シーン内の物体１４０によって散乱される光１０２を測定してよい。

【0067】

［0078］ 不透明材料６５０は、図１Ａに示す不透明材料１２０と同様、レンズ１３０によって集束されたシーンからの光１０２（たとえば背景光）がアレイ（たとえば、図１Ａに示すアレイ１１０）へ伝送されることを防いでよい。不透明材料６５０、およびそれに伴う開口部６５２は、不透明材料６５０の表面がレンズ１３０の焦点面またはその付近に位置するように、ＭＥＭＳ鏡６６０およびレンズ１３０に対して配置され得る。図１Ａに示す不透明材料１２０の実施形態と同様、不透明材料６５０は、金属層、ポリマ基板、ＢｏＰＥＴシート、または不透明マスクが重ねられたガラスを含んでよい。

【0068】

［0079］ 開口部６５２は、図示するように、円形であってよい。代替実施形態において、開口部は、様々な形状またはサイズであってよい。追加または代替として、いくつかの実施形態において、図６Ｂに示す数より多いまたは少ない数の開口部があってよい。開口部６５２は、ＭＥＭＳ鏡６６０によって反射される光１０２の一部が開口部６５２の１つを通過し、その後、光検出器のアレイ（たとえば、図１Ａに示す光検出器１１２のアレイ１１０）を捕えるように、ＭＥＭＳ鏡６６０に対して位置合わせされ得る。

【0069】

［0080］ ＭＥＭＳ鏡６６０は、レンズ１３０によって集束される光１０２を反射してよい。ＭＥＭＳ鏡６６０は、反射光１０２が開口部６５２の特定の１つまたは複数へ向けられるように、複数の軸に対して回転してよい。いくつかの実施形態において、ＭＥＭＳ鏡６６０の回転は、コンピューティングデバイス（たとえばマイクロコントローラ）によって制御され得る。また、代替実施形態において、開口部の１つまたは複数へ光を向けるために光を連続的に反射するＭＥＭＳ鏡のセットが存在してよい。複数のＭＥＭＳ鏡は、たとえば単一のＭＥＭＳマイクロチップに、または複数のＭＥＭＳマイクロチップにあってよい。

【0070】

［0081］ 代替実施形態において、ＭＥＭＳ鏡（または他の種類の鏡）は、複数の開口部を有する不透明材料の代わりに用いられ得る。たとえば、ＭＥＭＳ鏡（またはＭＥＭＳ鏡アレイ）の反射表面は、不透明材料に包囲されてよく、反射表面が開口部を画定するように作用してよい。よってＭＥＭＳ鏡は、レンズによって集束される光の一部を、アレイへ向けて反射するために選択してよい。光の選択されなかった部分は、たとえば不透明材料によって吸収され得る。そのような実施形態例において、レンズおよびアレイは、鏡の同じ側に配置され得る。また、鏡がＭＥＭＳ鏡アレイであるそのような実施形態において、ＭＥＭＳ鏡アレイ内の要素は、開口部を画定する反射表面の形状、位置、またはサイズを動的に定めるために選択的に切り替えられ得る。

【0071】

［0082］ 図７Ａは、実施形態例に係る、サイズ変更可能な開口部を有する不透明材料７１０の図である。不透明材料７１０は、画定されたスリット７１２を有してよい。不透明材料７１０に重なるように、不透明シャッタ７１４が存在してよい。開口部は、不透明材料７１０に対して不透明シャッタ７１４を動かすことによってスリット７１２の被覆部分を変えることにより、サイズを調整され得る。そのような方法において、開口部サイズは、雑音制限システム１００内で（たとえば、図６Ｂに示す実施形態において行われるように）光の投射方向を変えることなく、調整され得る。

【0072】

［0083］ 不透明材料７１０は、図１Ａに示す不透明材料１２０と同様、シーンからの光がアレイ（たとえば、図１Ａに示すアレイ１１０）へ伝送されることを防いでよい。不透明材料７１０は、いくつかの実施形態において、レンズの焦点面に位置してよい。

【0073】

［0084］ 不透明シャッタ７１４を有さないスリット７１２は、他の実施形態の開口部と類似する。たとえば、不透明材料７１０が、不透明マスクを重ねられたガラス片である場合、スリット７１２は、マスクの負領域（すなわち、たとえばフォトリソグラフィによってマスク材料が除去されたマスク領域）である。また、スリット７１２の寸法は、対応する雑音制限システムに関して最大の開口部サイズを定める。よって、スリット７１２のサイズは、不透明シャッタ７１４がスリット７１２の被覆から完全に後退した時の開口部のサイズに等しい。代替実施形態において、スリットは様々な形状を有してよい。たとえばスリットは、不透明シャッタがスリットの上を直線的に移動すると、スリットのサイズが指数関数的に増加または減少するような形状であってよい。あるいはスリットは、円形状または不規則形状（たとえば、図６Ａに示す不規則開口部６１４のような鍵穴形状）であってよい。また他の実施形態において、不透明シャッタの位置に基づいてサイズ調整または選択され得る複数のスリットが存在してもよい。

【0074】

［0085］ 不透明シャッタ７１４は、光の波長範囲に対して吸収性および／または反射性であり得る材料である。波長範囲は、（たとえば、不透明シャッタ７１４がＬＩＤＡＲデバイス内の雑音制限システムの構成要素である場合）シーン内の背景光の波長を含んでよい。いくつかの実施形態において、不透明シャッタ７１４は、金属シート、ＢｏＰＥＴシート、またはポリマ基板を含んでよい。不透明シャッタ７１４は、不透明材料７１０およびスリット７１２に対して動くように構成され得る。たとえば、いくつかの実施形態において、不透明シャッタ７１４は、不透明材料７１０およびスリット７１２に対して並進移動することができる機械式ステージに取り付けられ得る。そのような動きは、コンピューティングデバイス（たとえばマイクロコントローラ）によって制御され得る。代替実施形態において、代わりに不透明材料およびスリットが不透明シャッタに対して動いてもよい（たとえば、不透明シャッタではなく不透明材料およびスリットが機械式ステージに取り付けられる）。

【0075】

［0086］ 図７Ｂは、実施形態例に係る、サイズ変更可能な開口部を有する不透明材料７６０の図である。不透明材料７６０にアイリス７６２が組み込まれ得る。アイリス７６２および不透明材料７６０は、同じまたは異なる材料から製造され得る。開口部は、アイリス７６２によって画定された穴であってよい。またアイリス７６２は、開口部のサイズを調整するために拡張または収縮してよい。そのような方法において、開口部サイズは、雑音制限システム１００内で（たとえば図６Ｂに示す実施形態において行われるように）光の投射方向を変えることなく、調整され得る。いくつかの実施形態において、アイリスは、不透明材料に組み込まれるのではなく、独立型自由空間光学部品であってよい。

【0076】

［0087］ アイリス７６２は、アイリス７６２によって画定された開口部のサイズを調整するために拡張または収縮する複数の不透明フィン（たとえば、図７Ｂに示すような１６の不透明フィン）によって画定され得る。アイリス７６２は、いくつかの実施形態において、ＭＥＭＳアイリスであってよい。不透明フィンは、たとえば金属であってよい。また、いくつかの実施形態において、アイリス７６２のフィンの拡張または収縮は、コンピューティングデバイス（たとえばマイクロコントローラ）によって制御され得る。不透明フィンの最大限の拡張は、最小サイズを有する開口部をもたらし得る。逆に、不透明フィンの最大限の収縮は、最大サイズを有する開口部をもたらし得る。

【0077】

［0088］ 代替実施形態において、不透明材料は、アイリスではなく、液晶光変調器の能動または受動マトリックスを含んでよい。いくつかの実施形態において、マトリックスは、２つの偏光子を有するパターン化導電性電極を含んでよい。２つの偏光子の間に、アライメント層および液晶層があってよい。そのような構成は、液晶ディスプレイデバイスと類似し得る。マトリックスは、不透明材料内に開口部を画定してよい。たとえばマトリックスは、開口部のサイズ、位置、または形状を選択するために（たとえばコンピューティングデバイスによって）任意に調整され得る。また、いくつかの実施形態において、光フィルタは、（たとえば、マトリックスの頂部または底部に、あるいはマトリックスの層間に挟まれて）マトリックスに統合され得る。

【0078】

［0089］ 図８は、実施形態例に係る、調整可能な位置を有する開口部８１２を有する不透明材料８１０の図である。たとえば不透明材料８１０は、開口部８１２を動かすために、レンズおよび光検出器のアレイ（たとえば、図１Ａに示す雑音制限システム１００内のレンズ１３０および光検出器１１２のアレイ１１０）に対して２次元面において移動してよい。不透明材料８１０は、様々な実施形態において、ステージまたは電気モータによって駆動され得る。また、そのようなステージまたは電気モータは、コンピューティングデバイス（たとえばマイクロコントローラ）によって制御され得る。図１Ａに示す不透明材料１２０と同様、不透明材料８１０は、エッチングされた金属、ＢｏＰＥＴシート、または不透明マスクが重ねられたガラスであってよい。他の材料も可能である。

【0079】

［0090］ 開口部８１２は、図８に示すように、円形開口部であってよい。あるいは開口部は、たとえば楕円形、長方形、または不規則形（たとえば、図６Ａに示す不規則開口部６１４の形状と同様の鍵穴形）など、他の形状を有してよい。また、いくつかの実施形態において、不透明材料は、（たとえば、図６Ａに示す不透明材料６１０と同様に）画定された複数の開口部を有してよい。
ＩＩＩ．プロセス例

【0080】

［0091］ 図９は、実施形態例に係る方法９００のフローチャート図である。方法９００は、たとえば図１Ａに示す雑音制限システム１００によって実行され得る。

【0081】

［0092］ ブロック９０２において、方法９００は、シーンに対して配置されたレンズ（たとえば、図１Ａに示すレンズ１３０）によって、シーンからの光を焦点面に集束することを含む。シーンからの光は、いくつかの実施形態において、シーン内の物体（たとえば、図１Ａに示す物体１４０）によって散乱され得る。

【0082】

［0093］ ブロック９０４において、方法９００は、レンズの焦点面に配置された不透明材料（たとえば、図１Ａに示す不透明材料１２０）内に画定された開口部（たとえば、図１Ａに示す開口部１２２）を通して、シーンからの光を伝送することを含む。開口部は断面積を有する。

【0083】

［0094］ ブロック９０６において、方法９００は、開口部を通って伝送されたシーンからの光によって発散することを含む。

【0084】

［0095］ ブロック９０８において、方法９００は、焦点面に対してレンズの反対の側に配置された光検出器のアレイによって、シーンからの発散光を遮断することを含む。シーンからの発散光を遮断する光検出器のアレイの断面積は、開口部の断面積よりも大きい。

【0085】

［0096］ ブロック９１０において、方法９００は、光検出器のアレイによって、遮断された光を検出することを含む。
ＩＶ．結論

【0086】

［0097］ 上記発明を実施するための形態は、添付図面を参照して、開示されるシステム、デバイス、および方法の様々な特徴および機能を説明するものである。様々な態様および実施形態が本明細書において開示されたが、他の態様および実施形態が明らかである。本明細書に開示された様々な態様および実施形態は、例示を目的としたものにすぎず、限定的であることは意図されておらず、適正な範囲は、以下の特許請求の範囲によって示されるものである。

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【手続補正書】

【提出日】2021-11-05

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

シーンに対して配置され、前記シーンからの光を焦点面に集束す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配置された不透明材料内に画定された、断面積を有する開口部と、
前記焦点面に対し前記レンズと反対の側に配置され、前記レンズによって集束され前記開口部を通って伝送された発散光を遮断し検出するように構成された光検出器のアレイであって、前記発散光を遮断する断面積が前記開口部の前記断面積よりも大きい、光検出器のアレイと
を備えるシステム。

【請求項2】

前記光検出器のアレイは、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3】

前記アレイ内の前記光検出器は、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4】

前記開口部の前記断面積は調整可能である、請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

前記不透明材料は、前記開口部の前記断面積を定めるように構成されたアイリスを備える、請求項４に記載のシステム。

【請求項6】

前記不透明材料は、２つの偏光子を有するパターン化導電性電極アレイと、前記２つの偏光子の間に配置された１または複数のアライメント層と、前記２つの偏光子の間に配置された液晶層とを備える、請求項４に記載のシステム。

【請求項7】

前記シーンからの前記光は、光検出測距（ＬＩＤＡＲ）システムの送信器によって照明される１または複数の物体によって散乱された光である、請求項１に記載のシステム。

【請求項8】

前記開口部を通って伝送された前記シーンからの前記光を、前記光検出器のアレイへ向けて反射するように構成された鏡を更に備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項9】

前記光検出器は、ある波長範囲内の光を感知可能である、請求項１に記載のシステム。

【請求項10】

前記光検出器は、赤外波長を有する光を感知可能である、請求項１に記載のシステム。

【請求項11】

１または複数の波長範囲内である前記シーンからの光が前記開口部を通過しないように、前記１または複数の波長範囲内である前記シーンからの前記光を前記開口部から逸らすように構成されたフィルタを更に備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項12】

前記不透明材料は、不透明マスクを重ねたガラス基板を備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項13】

前記不透明材料は金属を備え、前記金属は、前記開口部を画定するためにエッチングされる、請求項１に記載のシステム。

【請求項14】

各光検出器は、２００μｍ²～６００μｍ²の断面積を占める、請求項１に記載のシステム。

【請求項15】

前記光検出器のアレイと前記開口部との間に配置された拡散体を更に備え、前記拡散体は、前記開口部を通って伝送された前記シーンからの前記光を、前記光検出器のアレイ全体に均等に拡散するように構成される、請求項１に記載のシステム。

【請求項16】

前記開口部は、２つ以上の開口部のセットから選択可能である、請求項１に記載のシステム。

【請求項17】

前記２つ以上の開口部のセットから選択するように前記シーンからの前記光を前記開口部へ向けるために調整可能な１または複数の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）鏡を更に備える、請求項１６に記載のシステム。

【請求項18】

前記開口部は非円形状である、請求項１に記載のシステム。

【請求項19】

前記開口部と前記光検出器のアレイとの間に配置され、前記開口部を通って伝送された前記発散光を内面全反射する構造を更に備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項20】

前記焦点面における前記開口部の位置が調整可能である、請求項１に記載のシステム。

【手続補正書】

【提出日】2021-11-09

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光検出測距（ＬＩＤＡＲ）デバイスであって、
光のパルスによってシーンを照明するように構成されたＬＩＤＡＲ送信器と、
前記シーン内の１または複数の物体によって散乱された前記光のパルスを受け取るように構成されたＬＩＤＡＲ受信器と
を備え、前記ＬＩＤＡＲ受信器は、
前記シーン内の前記１または複数の物体によって散乱された前記光のパルスを焦点面に集束するように構成されたレンズと、
前記焦点面に配置された不透明材料内に画定され、断面積を有する円形開口部と、
前記焦点面に対し前記レンズと反対の側に配置され、前記レンズによって集束され前記円形開口部を通って伝送された発散光を遮断し検出するように構成された光検出器のアレイとを備え、
前記光検出器のアレイは、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を備え、
前記アレイ内の前記光検出器が、前記１または複数の物体によって散乱された前記光のパルスにより未飽和状態を保つように、前記発散光を遮断する前記光検出器のアレイの断面積は、前記円形開口部の前記断面積よりも大きい、
ＬＩＤＡＲデバイス。

【請求項2】

前記光は、前記円形開口部から前記レンズによって画定される光経路に沿って前記光検出器のアレイまで発散する、請求項１に記載のＬＩＤＡＲデバイス。

【請求項3】

前記アレイ内の前記光検出器は、互いに並列に接続される、請求項１に記載のＬＩＤＡＲデバイス。

【請求項4】

前記レンズと前記不透明材料との間に位置する波長選択フィルタをさらに備える、請求項１に記載のＬＩＤＡＲデバイス。

【請求項5】

前記不透明材料と前記光検出器のアレイとの間に位置する波長選択フィルタをさらに備える、請求項１に記載のＬＩＤＡＲデバイス。

【請求項6】

光拡散体をさらに備え、前記光拡散体は、前記円形開口部を通って伝送される前記光を前記光検出器のアレイに均等に拡散するように構成される、請求項１に記載のＬＩＤＡＲデバイス。

【請求項7】

前記円形開口部の前記断面積は調整可能である、請求項１に記載のＬＩＤＡＲデバイス。

【請求項8】

前記焦点面における前記円形開口部の位置が調整可能である、請求項１に記載のＬＩＤＡＲデバイス。

【請求項9】

前記不透明材料は、不透明マスクを重ねたガラス基板を備える、請求項１に記載のＬＩＤＡＲデバイス。

【請求項10】

前記不透明材料は金属を備え、前記金属は、前記円形開口部を画定するためにエッチングされる、請求項１に記載のＬＩＤＡＲデバイス。

【請求項11】

光検出測距（ＬＩＤＡＲ）デバイスの送信器によって、光のパルスでシーンを照明することと、
前記ＬＩＤＡＲデバイスの受信器によって、前記シーン内の１または複数の物体によって散乱された前記光のパルスを受け取ることであって、前記受信器は、レンズ、不透明材料、および光検出器のアレイを備えることと、
前記レンズによって、前記シーン内の前記１または複数の物体によって散乱された前記光のパルスを焦点面に集束することと、
前記不透明材料内に画定され、かつ前記焦点面に配置された円形開口部を通して、前記レンズによって収束された前記光を伝送することであって、前記円形開口部は断面積を有することと、
前記円形開口部を通って伝送された前記光によって前記円形開口部から前記光検出器のアレイへと発散することと、
前記光検出器のアレイによって、前記円形開口部から発散する前記光を遮断することと、
前記光検出器のアレイによって、前記円形開口部から発散し、前記遮断された光を検出することであって、前記光検出器のアレイは、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を備え、前記アレイ内の前記光検出器が、前記１または複数の物体によって散乱された前記光のパルスにより未飽和状態を保つように、前記光を遮断する前記光検出器のアレイの断面積は、前記円形開口部の前記断面積よりも大きいことと、
を備える方法。

【請求項12】

前記光は、前記円形開口部から前記レンズによって画定される光経路に沿って前記光検出器のアレイまで発散する、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記アレイ内の前記光検出器は、互いに並列に接続される、請求項１１に記載の方法。

【請求項14】

前記レンズと前記不透明材料との間に位置する波長選択フィルタによって、前記レンズによって収束された前記光をフィルタすることをさらに備える、請求項１１に記載の方法。

【請求項15】

前記不透明材料と前記光検出器のアレイとの間に位置する波長選択フィルタによって、前記円形開口部から発散する前記光をフィルタすることをさらに備える、請求項１１に記載の方法。

【請求項16】

光拡散体によって、前記円形開口部を通って伝送される前記光を前記光検出器のアレイに均等に拡散する、請求項１１に記載の方法。

【請求項17】

前記円形開口部の前記断面積は調整可能である、請求項１１に記載の方法。

【請求項18】

前記焦点面における前記円形開口部の位置が調整可能である、請求項１１に記載の方法。

【請求項19】

前記不透明材料は、不透明マスクを重ねたガラス基板を備える、請求項１１に記載の方法。

【請求項20】

前記不透明材料は金属を備え、前記金属は、前記円形開口部を画定するためにエッチングされる、請求項１１に記載の方法。

【外国語明細書】