CN109844470A - 使用孔口限制光检测器上的噪声 - Google Patents

Abstract

本公开涉及使用孔口限制光检测器上的噪声。一个示例实施例包括一种系统。该系统包括相对于场景设置并被配置为将来自场景的光聚焦到焦平面上的透镜。该系统还包括限定在设置在透镜的焦平面处的不透明材料内的孔口。该孔口具有横截面积。另外，该系统包括光检测器的阵列，该光检测器的阵列设置在与透镜相对的焦平面的一侧上，并且被配置为截取和检测由透镜聚焦并透射通过孔口的发散光。截取发散光的光检测器的阵列的横截面积大于孔口的横截面积。

Description

使用孔口限制光检测器上的噪声

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年10月13日提交的第15/292,251号美国专利申请的优先权，通过引用将该申请的全部内容并入本文。

背景技术

除非本文另有说明，否则本部分中描述的材料不是本申请权利要求的现有技术，并且不因包含在本部分中而承认其是现有技术。

光检测器(比如光电二极管、单光子雪崩二极管(SPAD)或其他类型的雪崩光电二极管(APD))可用于检测在其表面上施加的光(例如，通过输出与光的强度对应的电信号，比如电压或电流)。许多类型的这样的设备由半导电材料(比如硅)制成。为了在大几何区域上检测光，可以将多个光检测器布置成并联连接的阵列。这些阵列有时被称为硅光电倍增器(SiPM)或多像素光子计数器(MPPC)。

上述布置中的一些对相对低的光强度敏感，从而增强其检测质量。然而，这可能导致上述布置也不成比例地易受不利背景效应的影响(例如，来自外部源的外来光可能影响光检测器的测量)。因此，用于减小影响光检测的背景效应的方法或设备可以提高由这样的光检测器进行的测量的准确度。

发明内容

说明书和附图公开了涉及使用孔口限制光检测器上的噪声的实施例。

示例光检测系统可以包括透镜、孔口和光检测器的阵列。孔口可以放置在透镜的焦平面处，并且透镜可以聚焦由场景内的对象散射的光。孔口可以通过限制在透镜的焦平面处透射的光量来限制透射到光检测器的阵列的光量。通过限制透射通过孔口的光量，孔口可以减少透射到阵列的背景光。在通过孔口之后，随着光接近阵列，光可以发散。然后可以通过阵列内的一部分光检测器截取和检测光。通过允许光在通过孔口之后发散，与焦平面处的光的相同横截面积相比，阵列的检测区域增加(即，阵列的检测区域的横截面大于孔口的横截面)。因此，更多的光检测器可以遍布在检测区域上，从而增加光检测器的阵列的动态范围、灵敏度或成像分辨率。

在第一方面，本公开描述了一种系统。该系统包括相对于场景设置并被配置为将来自场景的光聚焦到焦平面上的透镜。该系统还包括限定在设置在透镜的焦平面处的不透明材料内的孔口。该孔口具有横截面积。该系统还包括光检测器的阵列，该光检测器的阵列设置在与透镜相对的焦平面的一侧上，并且被配置为截取和检测由透镜聚焦并透射通过孔口的发散光。截取发散光的光检测器的阵列的横截面积大于孔口的横截面积。

在第二方面，本公开描述了一种方法。该方法包括通过相对于场景设置的透镜将来自场景的光聚焦到焦平面上。该方法还包括使来自场景的光透射通过在设置在透镜的焦平面处的不透明材料内限定的孔口。该孔口具有横截面积。该方法还包括使来自场景的透射通过孔口的光发散。另外，该方法包括通过设置在与透镜相对的焦平面的一侧上的光检测器的阵列来截取来自场景的发散光。截取来自场景的发散光的光检测器的阵列的横截面积大于孔口的横截面积。该方法还包括通过光检测器的阵列检测所截取的光。

在第三方面，本公开描述了一种光检测和测距(LIDAR)设备。LIDAR设备包括LIDAR发射器，其被配置为用光照明场景。LIDAR设备还包括LIDAR接收器，其被配置为接收由场景内的一个或多个对象散射的光以标定场景。LIDAR接收器包括透镜，其被配置为将被场景内的一个或多个对象散射的光聚焦到焦平面上。LIDAR接收器还包括在设置在焦平面处的不透明材料内限定的孔口。该孔口具有横截面积。LIDAR接收器还包括光检测器的阵列，该光检测器的阵列设置在与透镜相对的焦平面的一侧上，并且被配置为截取和检测由透镜聚焦并透射通过孔口的发散光。截取发散光的光检测器的阵列的横截面积大于孔口的横截面积。

在另一方面，本公开描述了一种系统。该系统包括用于将来自场景的光聚焦到焦平面上的装置。用于聚焦的装置相对于场景设置。该系统还包括用于使来自场景的光透射通过在设置在透镜的焦平面处的不透明材料内限定的孔口的装置。该孔口具有横截面积。该系统还包括用于使来自场景的透射通过孔口的光发散的装置。此外，该系统包括用于截取来自场景的发散光的装置。用于截取的装置设置在与用于聚焦的装置相对的焦平面的一侧。截取来自场景的发散光的用于截取的装置的横截面积大于孔口的横截面积。该系统还包括用于检测所截取的光的装置。

前述发明内容仅是示意性的，并不打算以任何方式进行限制。除了以上描述的示意性方面、实施例和特征之外，通过参考附图和以下详细描述，其他方面、实施例和特征将变得显然。

附图说明

图1A是根据示例实施例的包括孔口的噪声限制系统的图示。

图1B是根据示例实施例的包括孔口的噪声限制系统的图示。

图2是根据示例实施例的包括孔口的噪声限制LIDAR设备的图示。

图3是根据示例实施例的包括孔口的噪声限制系统的图示。

图4是根据示例实施例的包括孔口的噪声限制系统的图示。

图5是根据示例实施例的包括孔口的噪声限制系统的图示。

图6A是根据示例实施例的其中限定有各种孔口的不透明材料的图示。

图6B是根据示例实施例的包括孔口的噪声限制系统的一部分的图示。

图7A是根据示例实施例的具有可调节大小的孔口的不透明材料的图示。

图7B是根据示例实施例的具有可调节大小的孔口的不透明材料的图示。

图8是根据示例实施例的具有包含可调节位置的孔口的不透明材料的图示。

图9是根据示例实施例的方法的流程图。

具体实施方式

本文描述了示例方法和系统。本文描述的任何示例实施例或特征不必被解释为比其他实施例或特征优选或有利。本文描述的示例实施例不打算进行限制。容易理解，所公开的系统和方法的某些方面可以以各种不同的配置来布置和组合，所有这些都在本文中考虑到。

此外，附图中所示的特定布置不应视为限制性的。应该理解，其他实施例可以包括给定附图中所示的更多或更少的每个元件。另外，可以组合或省略所示元件中的一些。类似地，示例实施例可以包括未在附图中示意的元件。

一、概述

示例实施例可以涉及用于减少施加到光检测器的阵列上的背景光的设备、系统和方法。阵列中的光检测器可以感测来自场景的光(例如，光检测器可以是LIDAR系统的感测部件)。

一个示例系统可以包括透镜。透镜可用于将来自场景的光聚焦到焦平面上。然而，透镜也可能将不打算观察的背景光(例如，场景内的日光)聚焦到焦平面上。为了选择性地过滤光(即，将背景光从与场景内的信息对应的光分离)，可以在透镜的焦平面处放置不透明材料(例如，被选择性蚀刻的金属或其上放置有掩模的玻璃基板)。在各种实施例中，不透明材料可以是平板(slab)、片材(sheet)或各种其他形状。在不透明材料内，可以限定孔口。孔口可以选择由透镜聚焦到焦平面上的场景的光的一个区域或全部。

在不透明材料的背侧(即，不透明材料与透镜相对的一侧)，由孔口选择的光可以从孔口发散。在光发散的方向上，系统可以包括在距孔口一定距离处设置的光检测器(例如，SPAD)阵列。该光检测器的阵列可以检测发散光(例如，发散光的强度)。因为光发散，所以能够装配到检测区域中的光检测器的数量可以大于可以装配在与透镜焦平面处的相同光锥对应的检测区域中的数量。这是因为与在从孔口移位一距离处相比，检测区域在透镜的焦平面处被更紧密地聚焦并且因此更小。作为示例，具有200μm×200μm的横截面积的孔口可以占据相当于数百个SPAD(例如，每个SPAD具有200μm²至600μm²之间的横截面积)的面积。相比之下，如果光从孔口发散到与直径为1.33mm的圆形横截面区域对应的距离，则检测区域在该平面处可以占据相当于数千或数万个SPAD的面积。

此外，在各种实施例中，光检测器的阵列从孔口移位的距离(即，光检测器的阵列从透镜的焦平面移位的距离)可以变化。可以通过增加光检测器的阵列和孔口之间的距离来增加定位成检测从孔口发散的光的光检测器的数量。例如，对于具有增加的背景光量的场景，光检测器的阵列可以从孔口移位增加的距离。

另外，在一些实施例中，孔口可以是可调节的。例如，孔口的横截面积可以改变。在一些实施例中，横截面区域可以由光圈(iris)限定，该光圈能够张开或闭合以增大或减小限定孔口的不透明材料内的开口。替代地，孔口可以是不透明材料内的狭缝，其被可伸缩遮帘部分地覆盖。可伸缩遮帘能够缩回或伸展以改变透射通过孔口的光量，从而改变孔口的有效横截面积。更进一步地，不透明材料可以具有限定在其中的多个孔口。该多个孔口可以具有不同的形状和/或大小。此外，该系统可以包括一个或多个反射镜(mirror)(例如，微机电系统(MEM)反射镜)，其将来自透镜的光朝向不透明材料反射。该一个或多个反射镜可以相对于透镜改变角度，或者可以改变取向，使得反射镜中的不同的一个位于由透镜聚焦的光的路径中。这可以允许选择在不透明材料内限定的孔口中的不同的一个，从而改变有效孔口面积。

二、示例系统

图1A是根据示例实施例的包括孔口的噪声限制系统100的图示。系统100可以包括光检测器112的阵列110、在不透明材料120内限定的孔口122、以及透镜130。系统100可以测量由场景内的对象140散射的光102。光102还可以至少部分地来自背景源。在各种实施例中，噪声限制系统100可以是LIDAR设备(例如，LIDAR接收器)的一部分。例如，LIDAR设备可以用于自主车辆的导航。此外，在一些实施例中，噪声限制系统100或其一些部分可以包含在除了透镜130或孔口122处之外未暴露于外部光的区域内。这可以防止环境光触发光检测器112和不利地影响任何测量。

阵列110是光检测器112的布置。在各种实施例中，阵列110可以具有不同的形状。如图1A中所示意，阵列110可以具有矩形或正方形形状。在替代实施例中，阵列110可以是圆形的。基于阵列110距孔口122定位的距离，阵列110的大小可以与从孔口122发散的光110的横截面积对应。在一些实施例中，阵列110可以是可移动的。阵列110可以更靠近孔口122移动或者进一步远离孔口122。例如，阵列可以位于能够在一维、二维或三维上平移的电动台上。

此外，阵列110可以具有到计算设备的一个或多个输出。计算设备(例如，微处理器)可以从阵列110接收指示入射在光检测器112上的光102的强度的电信号。计算设备可以使用该电信号来确定关于对象140的信息(例如，对象140距孔口122的距离)。在阵列110和计算设备之间存在单个连接的实施例中，阵列110内的光检测器112可以彼此并联互连。因此，阵列110可以是SiPM或MPPC，这取决于阵列110内的光检测器112的特定布置和类型。

光检测器112可以是各种类型中的一种。例如，光检测器112可以是SPAD。SPAD可以利用反向偏置的p-n结(即，二极管)内的雪崩击穿来增加光电检测器上的给定入射照明的输出电流。此外，SPAD可以能够为单个入射光子生成多个电子-空穴对。在替代实施例中，光检测器112可以是APD。APD和SPAD都可以被偏置在雪崩击穿电压之上。这样的偏置条件可以产生具有大于1的环路增益的正反馈环路。因此，被偏置在阈值雪崩击穿电压之上的APD和SPAD可以是单光子敏感的。在另外的其他实施例中，光检测器112可以是光敏电阻、电荷耦合器件(CCD)或光伏电池。

在各种实施例中，阵列110可以包括跨阵列的多于一种类型的光检测器。例如，如果阵列110要检测多个波长，则阵列110可以包括对一个波长范围敏感的一些SPAD和对不同波长范围敏感的一些SPAD。在一些实施例中，光检测器110可以对400nm至1.6μm之间的波长(可见和红外波长)敏感。此外，光检测器110可以在给定实施例内或在各种实施例中具有各种大小和形状。在示例实施例中，光检测器112可以是具有作为阵列110的面积的1％、0.1％或0.01％的封装大小的SPAD。

不透明材料120可以阻挡由透镜130聚焦的来自场景的光102(例如，背景光)被透射到阵列110。因此，不透明材料120可以被配置为阻挡可能不利地影响由光检测器112的阵列110执行的测量的准确度的某些背景光。不透明材料120，并且因此孔口122，可以定位在透镜130的焦平面处或附近。不透明材料120可以通过吸收光102来阻挡透射。另外地或替代地，不透明材料120可以通过将光102反射来阻挡透射。在一些实施例中，不透明材料120可以是经蚀刻的金属。在替代实施例中，不透明材料120可以是聚合物基板、双轴取向聚对苯二甲酸乙二醇酯(BoPET)片材(也称为片材)或覆盖有不透明掩模的玻璃。在各种替代实施例中，其他不透明材料也是可能的。

孔口122在不透明材料120内提供端口，光102可以透射通过该端口。孔口122可以以各种方式限定在不透明材料120内。例如，如果不透明材料120是金属，则可以蚀刻该金属以限定孔口122。替代地，如果不透明材料120是覆盖有掩模的玻璃基板，则掩模可以包括使用光刻限定的孔口122。在各种实施例中，孔口122可以部分或全部透明。例如，如果不透明材料120是覆盖有掩模的玻璃基板，则孔口122可以由玻璃基板的未被掩模覆盖的部分限定，这意味着孔口122不是完全中空的，而是由玻璃制成。因此，孔口122可以对于由对象140散射的光102的波长几乎但不是完全透明(因为大多数玻璃不是100％透明的)。

孔口122(与不透明材料120结合)可以在焦平面处对来自场景的光102执行空间滤波。例如，光102可以被聚焦到不透明材料120的表面处的焦平面上，并且孔口122可以仅允许被聚焦光的一部分被透射到阵列110。因此，孔口122可以表现为光学针孔。在示例实施例中，孔口可以具有0.02mm²至0.06mm²之间的横截面积(例如，0.04mm²)。

尽管针对孔口122在上面使用的术语“孔口”描述了不透明材料中可以使光透射过的凹槽或孔，但是应理解术语“孔口”可以包括一系列光学特征。例如，当在整个说明书和权利要求书中使用时，术语“孔口”可以另外地包含在不透明材料内限定的透明或半透明结构，光可以部分地透射通过该透明或半透明结构。此外，术语“孔口”可以描述以其他方式选择性地限制光通过(例如，通过反射或折射)的结构，例如由不透明材料围绕的反射镜。在一个示例实施例中，由不透明材料围绕的反射镜阵列可以布置成在某个方向上反射光，从而限定反射部分。该反射部分可以被称为“孔口”。

透镜130可以将来自场景的光102聚焦到焦平面上(例如，孔口122被定位的位置)。以这种方式，可以保持在透镜130处从场景收集的光强度，同时减小光102被投射在之上的横截面积(即，增加光102的空间功率密度)。因此，透镜130可以是会聚透镜。如在图1A中所示意，透镜130可以是双凸透镜。例如，透镜可以是球面透镜。在替代实施例中，透镜可以是一个接一个地定位的连续透镜组(例如，将第一方向上的光聚焦双凸透镜和将将与第一方向正交的第二平面中的光聚焦的附加双凸透镜)。其他类型的透镜也是可能的。另外，可以存在定位于透镜130附近的其他自由空间光学器件(例如，反射镜)，以帮助将入射在透镜130上的光102聚焦到不透明材料120上。

对象140可以是位于噪声限制系统100周围的场景内的任何对象。如果噪声限制系统100是LIDAR系统的接收器的部件，则对象140可以由使用光102的同一LIDAR系统的发射器照明。在LIDAR系统用于在自主车辆上导航的示例实施例中，对象140可以是行人、其他车辆、障碍物(例如，树木)或道路标志。

如上所述，光102可以由LIDAR设备内的发射器产生。如图所示，光102可以被对象140散射，被透镜130聚焦，透射通过不透明材料120中的孔口122，并且被光检测器112的阵列110测量。可以发生该继发事件(例如，在LIDAR设备内)以确定关于对象140的情况。在一些实施例中，由阵列测量的光可以替代地是从多个对象或不从对象散射的光(例如，由LIDAR设备的发射器发射的光不反射回到LIDAR设备，因此透镜只聚焦环境光，比如日光)。

另外，可以基于预期在场景内的对象的类型以及它们距透镜130的预期距离来调节用于分析对象140的光102的波长。例如，如果预期在场景内的对象吸收500nm波长的所有到来光，则可以选择500nm以外的波长来照明对象140并由噪声限制系统100进行分析。光102的波长(例如，如果由LIDAR设备的发射器发射)可以与产生光102的源对应。例如，如果光由二极管激光器产生，则光102可以具有以900nm为中心的波长范围。多个不同的源可以能够产生光102(例如，光纤放大器、各种类型的激光器、具有滤光器的宽带光源等)。

图1B是图1A中所示意的噪声限制系统100的图示。如图所示，对象140和透镜130之间的距离是“d”，透镜130和不透明材料120(其中限定有矩形孔口126，与图1A中所示意的圆形孔口122不同)之间的距离是“f”，并且不透明材料120和阵列110之间的距离是“x”。在所示意的实施例中，不透明材料120和孔口126可以定位在透镜的焦平面处(即，“f”可以等于透镜的焦距)。此外，可以在透镜130和不透明材料120之间放置滤光器160。发射器150(例如，具有LIDAR发射器的激光器)也位于距对象140的距离“d”处，发射器150发射要由阵列110测量的信号。

以下是将阵列110检测的背景光量与阵列110检测的信号光量进行比较的数学示意。为了进行示意，假设对象140被法向入射的日光完全照明，其中日光表示背景光源。此外，假设照明对象140的所有光根据朗伯(Lambert)余弦定律被散射。另外，假设到达阵列110的平面的所有(背景和信号)光被阵列110完全检测。

可以使用下式计算由发射器150发射的到达孔口124并因此到达阵列110的信号的功率：

其中，P_signal表示由发射器150发射的到达阵列110的光信号的辐射通量(例如，以W为单位)，P_tx表示由发射器150发射的功率(例如，以W为单位)，Γ表示对象140的反射率(例如，将朗伯余弦定律考虑在内)，并且A_lens表示透镜130的横截面积。

另外，到达透镜130的背景光可以如下计算：

其中，表示由在将选择性地通过滤光器160的波长带内的从对象140散射到达透镜130的日光引起的背景信号的辐射(例如，以)为单位)，表示由于太阳(即，背景源)引起的辐照度(例如，以为单位)强度，并且T_filter表示滤光器160(例如，带通光学滤光器)的透射系数。由于假设对象140的法线入射引起的朗伯(Lambertian)散射，因此代入的因子。

孔口124减少了允许透射到阵列110的背景光量。为了计算到达阵列110的背景光的功率，在透射通过孔口124之后，将孔口124的面积考虑在内。可以使用下式计算孔口的横截面积：

A_aperture＝w×h

其中，A_aperture表示孔口126相对于对象140的表面积，并且w和h分别表示孔口124的宽度和高度。另外，如果透镜130是圆形透镜，则透镜的横截面积为：

其中，d_lens表示透镜的直径。

为了计算通过孔口124透射到阵列110的背景功率，可以使用下式：

其中，P_background表示入射在阵列110上的背景功率，表示球面度中的接受立体角。上式表明P_background是在被透镜130然后孔口124减小之后背景信号中的辐射量。

将A_aperture和A_lens的以上确定的值代入，可以得出：

此外，量可以被称为透镜130的“F数”。因此，通过一次或多次代入，可以推导出以下背景功率：

进行类似的代入，可以推导出从发射器150发射到达阵列110的以下信号功率：

通过将P_signal与P_background进行比较，可以确定信噪比(SNR)。如所展示地，通过包括孔口124，特别是对于具有小w和/或小h的孔口，背景功率相对于信号功率可以显著降低。除了减小孔口面积之外，增加发射器150的发射功率、减小透射系数(即，减少透射通过滤光器的背景光量)以及增加对象140的反射率可以是增加SNR的方式。在脉冲信号的情况下，与背景的功率相比，在计算SNR时背景的散粒噪声(shot noise)可能是主要相关的。

如上所述，透射通过孔口124的光可随着其接近阵列110而发散。由于发散，光检测器的阵列110处的检测区域可以大于焦平面处孔口124的横截面积。对于给定光功率(例如，以W为单位测量)，增加的检测区域(例如，以m²为单位测量)导致入射在阵列110上的光强度降低(例如，以为单位测量)。

在阵列110包括具有高灵敏度的SPAD或其他光检测器的实施例中，光强度的降低可能是特别有益的。例如，SPAD从在半导体内产生雪崩击穿的大反向偏置电压获得其灵敏度。这种雪崩击穿可以通过吸收单个光子来触发。一旦SPAD吸收单个光子并且雪崩击穿开始，SPAD就不能检测额外的光子，直到SPAD被猝灭(例如，通过恢复反向偏置电压)。到SPAD被淬灭为止的时间可以被称为恢复时间。如果额外的光子在接近恢复时间的时间间隔到达(例如，在恢复时间的量级内)，则SPAD开始饱和，并且SPAD的测量可能不再与入射在SPAD上的光的功率直接相关。因此，通过减少入射在阵列110内的任何单独的光检测器(例如，SPAD)上的光功率，阵列110内的光检测器(例如，SPAD)可以保持不饱和。因此，每个单独的SPAD的光测量可以具有增加的准确度。

图2是根据示例实施例的包括孔口的噪声限制LIDAR设备210的图示。LIDAR设备210可包括激光发射器212、计算设备214、光检测器的阵列110、其中限定有孔口的不透明材料120、以及透镜130。LIDAR设备210可以使用光102来标定(map)场景内的对象140。在示例实施例中，LIDAR设备210可以在自主车辆内用于导航。

激光发射器212可以发射由场景中的对象140散射并且最终由光检测器(例如，图1A中所示意的光检测器102)的阵列110测量的光102。在一些实施例中，激光发射器212可以包括光纤放大器或其他放大系统以增加激光发射器212的功率输出。此外，激光发射器212可以是脉冲激光器(与连续波(CW)激光器不同)，其允许增加峰值功率，同时保持相等的连续功率输出。

计算设备214可以被配置为控制LIDAR设备210的部件并分析从LIDAR设备210的部件(例如，光检测器112的阵列110)接收到的信号。计算设备214可以包括处理器(例如，微控制器或微处理器)，其执行在存储器内存储的指令以执行各种动作。计算设备214可以使用与由阵列110测量的信号相关联的定时来确定对象140的位置(例如，距LIDAR设备210的距离)。例如，在激光发射器212是脉冲激光器的实施例中，计算设备214可以监测输出光脉冲的定时，并将这些定时与由阵列110测量的信号脉冲的定时进行比较。该比较可以允许计算设备214基于光速和光脉冲的行进时间来计算对象140的距离。为了在输出光脉冲的定时和由阵列110测量的信号脉冲的定时之间进行准确比较，计算设备214可以被配置为考虑视差(例如，因为激光发射器212和透镜130不位于空间中的相同位置)。

在一些实施例中，计算设备214可以被配置为调节LIDAR设备210的激光发射器212。例如，计算设备214可以被配置为改变激光发射器212的投射方向(例如，如果激光发射器212安装到机械台或包括机械台)。计算设备214还可以被配置为调节由激光发射器212发射的光102的定时、功率或波长。在各种实施例中，这样的调节可以包括从光102的路径添加或去除滤光器。

另外，计算设备214可以被配置为相对于彼此调节透镜130、不透明材料120和阵列110的位置。例如，透镜130可以位于由计算装置214控制的可移动台上以调节透镜130的位置，从而调节透镜130的焦平面的位置。此外，阵列110可以位于允许阵列110相对于不透明材料120和孔口122移动的单独的台上。阵列110可以由计算设备214移动以改变阵列110上的检测区域。随着远离不透明材料120移动阵列110，阵列110上的横截面检测区域可以增加，因为光102随着距孔口122的距离增加而发散。因此，计算设备214可以移动阵列110以改变由发散光102照明的光检测器112的数量。

在一些实施例中，计算设备还可以被配置为控制孔口。例如，在一些实施例中，孔口可以从在不透明材料内限定的多个孔口中选择。在这样的实施例中，位于透镜和不透明材料之间的MEMS反射镜可以由计算装置调节，以确定光被引导到该多个孔口中的哪个孔口。在一些实施例中，各个孔口可以具有不同的形状和大小。在另外的其他实施例中，孔口可以由光圈(或其他类型的快门(diaphragm))限定。光圈可以由计算设备扩张或收缩，例如，以控制孔口的大小。

图3是根据示例实施例的包括孔口的噪声限制系统300的图示。类似于图1A中所示意的系统100，系统300可以包括光检测器112的阵列110、在不透明材料120内限定的孔口122、以及透镜130。此外，系统300可包括光学滤光器302。系统300可以测量由场景内的对象140散射的光102。透镜130、限定有孔口122不透明材料120和光检测器112的阵列110可以类似于关于图1A所描述的方式操作。

光学滤光器302可以被配置为将特定波长的光转向以远离阵列110。例如，如果噪声限制系统300是LIDAR设备的部件(例如，LIDAR设备的检测器)，则光学滤光器302可以使不具有由LIDAR设备的激光发射器发射的波长范围的任何光转向以远离阵列110。因此，光学滤光器302可以至少部分地防止环境光或背景光不利地影响阵列110的测量。

在各种实施例中，光学滤光器302可以位于相对于阵列110的不同位置。如图3中所示意，光学滤光器302可以位于透镜130和不透明材料120之间。光学滤光器可以替代地位于透镜和对象之间、不透明材料和阵列之间或者阵列本身上(例如，阵列可以具有覆盖阵列表面的包括光学滤光器的屏蔽物，或者每个光检测器可以单独被单独的光学滤光器覆盖)。

光学滤光器302可以是吸收式滤光器。附加地或替代地，光学滤光器302可以是反射式滤光器。光学滤光器302可以选择性地透射限定波长范围内的波长(即，用作带通光学滤光器，比如单色光学滤光器)、在限定波长范围之外的波长(即，用作带阻光学滤光器)、低于限定阈值的波长(即，用作低通光学滤光器)或高于限定阈值的波长(即，高通光学滤光器)。此外，在一些实施例中，可以级联多个光学滤光器以实现优化的滤光特性(例如，与高通滤光器级联以实现带通滤光器特性的低通滤光器)。在一些实施例中，光学滤光器302可以是二向色滤光器或级联二向色滤光器。在替代实施例中，光学滤光器302可以是衍射式滤光器。衍射式滤光器可以分离背景光和信号光的光路。在一些实施例中，这可以允许单独的背景跟踪。

此外，光学滤光器302可以基于除波长之外的光的特性来选择性地透射。例如，光学滤光器302可以基于偏振(例如，水平偏振或垂直偏振)选择性地透射光。替代类型的光学滤光器也是可能的。

图4是根据示例实施例的包括孔口的噪声限制系统400的图示。类似于图1A中所示意的系统100，系统400可以包括光检测器112的阵列110、在不透明材料120内限定的孔口122、以及透镜130。系统400还可以包括光学漫射器402。系统400可以测量由场景内的对象140散射的光102。透镜130、限定有孔口122的不透明材料120和光检测器112的阵列110可以类似于关于图1A所描述的方式操作。

光学漫射器402可以通过使光102漫射来在光检测器112之间均匀分布透射通过孔口122的光102的功率密度。在各种实施例中，光学漫射器402可以包括喷砂玻璃漫射器、磨砂玻璃漫射器或全息漫射器。其他类型的光学漫射器也是可能的。光学漫射器402是一旦光102透射通过孔口122就增强光102的发散的视界(aspect)的一组可能的部件中的一种。其他发散增强部件可以例如包括具有非单一折射率的光学波导或流体。

在各种实施例中，光学漫射器402可以位于相对于阵列110的各种位置。如图4中所示意，光学漫射器402可以位于不透明材料120和阵列110之间。替代地，光学漫射器可以位于阵列本身上(例如，阵列可以具有覆盖阵列表面的包括光学漫射器的屏蔽物，或者每个光检测器可以单独被单独的光学漫射器覆盖)。

图5是根据示例实施例的包括孔口的噪声限制系统500的图示。类似于图1A中所示意的系统100，系统500可以包括光检测器112的阵列110、在不透明材料120内限定的孔口122、以及透镜130。系统500还可以包括反射镜502。透镜130、限定有孔口122的不透明材料120和光检测器112的阵列110可以类似于关于图1A所描述的方式操作。

反射镜502可以反射透射通过孔口122被转向以远离阵列110的任何光102(在图5中由细虚线示意)。该过程可以被称为“光子再循环”。光的转向可能由于光从阵列110的面反射而发生(例如，由于光检测器112的面的部分反射特性或者来自光检测器112的面之间的间隙区域)。在这样的情况下，反射镜502可以将从阵列110的面反射的光重新引导回阵列110。光转向的其他无意的原因也是可能的。

如图5中所示意，反射镜502可以是弯曲反射镜。在替代实施例中，可以有更多或更少的反射镜。例如，在一些实施例中，可以存在一系列将光引向阵列的平面镜。在另一替代实施例中，可以替代地存在单个中空圆柱或中空圆锥，其包封孔口和阵列之间的光路，所述单个中空圆柱或中空圆锥具有反射内表面以将光重引向到阵列。替代地，可以存在四个反射镜，而不是两个反射镜，该四个反射镜具有图5中所示意的反射镜502的形状并且定位在孔口和阵列之间的光路周围。此外，一些实施例可以在孔口和阵列之间包括不是反射镜的结构，该结构全内反射从孔口行进到阵列的光(例如，该结构具有与周围材料的折射率相比足够大的折射率，以引起全内反射)。这样的结构可以称为光管(lightpipe)。反射镜的各种其他布置/形状和大小也是可能的。

一些实施例可以包括关于图3-5描述的多个特征。例如，示例实施例可以包括在透镜和不透明材料之间的光学滤光器、在不透明材料和阵列之间的光学漫射器以及在光学漫射器和阵列之间的反射镜。此外，类似于图2中所示意的噪声限制LIDAR设备210内的部件、图3-5中所示意的附加部件(例如，光学滤光器302、光学漫射器402和反射镜502)也可以位于可连接到计算设备并可由计算设备控制的可移动台之上。在各种实施例中，这些部件的其他特性(例如，光学漫射器402的漫射率或反射镜502的角度)也可以由计算设备控制。

图6A是根据示例实施例的其中限定有各种孔口的不透明材料610的图示。孔口可以是不同大小的圆形孔口612。附加地或替代地，孔口可以是不规则孔口614。各种圆形孔口612和不规则孔口614可以是可选择的。例如，不透明材料610可以位于能够相对于透镜(例如，图1A中所示意的透镜130)和光检测器的阵列(例如，图1A中所示意的光检测器112的阵列110)移动的机械台(例如，旋转台或平移台)之上，以便选择一个孔口。

圆形孔口612的半径可以变化，从而允许变化的光量通过相应的孔口。在一些实施例中，较大半径的孔口可以允许对光检测器的阵列增加的照明，这可以导致对应的噪声限制系统(例如，图1A中所示意的噪声限制系统110)灵敏度增加。然而，当测量具有增加的背景光量的场景时，具有较小半径的圆形孔口612可用于阻挡更大比例的背景光。此外，每个圆形孔口612可以具有不同的相关光学滤光器(例如，覆盖相应的孔口或嵌入相应的孔口内)。例如，圆形孔口612中的一个可以选择性地透射可见波长范围内的光，而圆形孔口612中的另一个可以选择性地透射红外波长范围内的光。因此，具有限定在其中的多个圆形孔口612的单个不透明材料610可以能够选择性地透射从各种源(例如，各种激光发射器212，如图2中所示意)发射的光。具有各种相关光学滤光器的各种圆形孔口612可具有相似或不同的半径。

可以特别地设计不规则孔口以解决系统内的光学像差。例如，图6A中所示意的不规则孔口614的钥匙孔形状可以帮助解决在发射器(例如，图2中示意的激光发射器212)和接收器(例如，图2中所示意的不透明材料610位于其间的透镜130和光检测器的阵列110)之间发生的视差。例如，如果发射器和接收器不位于相同位置，则可能发生视差。其他不规则孔口也是可能的，比如，与预期在特定场景内的特定对象对应的特定成形的孔口或选择特定的光偏振(例如，水平偏振或垂直偏振)的不规则孔口。

图6B是根据示例实施例的包括孔口的噪声限制系统的一部分的图示。类似于图1A的噪声限制系统100，该噪声限制系统可以包括透镜130。该噪声限制系统可以附加地包括其中限定有孔口652的不透明材料650，以及可调节的MEMS反射镜660。该系统可以测量由场景内的对象140散射的光102。

类似于图1A中所示意的不透明材料120，不透明材料650可阻挡来自场景的由透镜130聚焦的光102(例如，背景光)透射到阵列(例如，图1A中所示意的阵列110)。不透明材料650，并且因此孔口652可以相对于MEMS反射镜660和透镜130定位成使得不透明材料650的表面位于透镜130的焦平面处或附近。类似于图1A中所示意的不透明材料120的实施例，不透明材料650可包括金属层、聚合物基板、BoPET片材或覆盖有不透明掩模的玻璃。

如所示意地，孔口652可以是圆形的。在替代实施例中，孔口的形状或大小可以不同。附加地或替代地，在一些实施例中，可以存在比图6B中所示意的更多或更少的孔口。孔口652可以相对于MEMS反射镜660校准(align)，使得由MEMS反射镜660反射的光102的一部分通过孔口652中的一个，然后截取光检测器的阵列(例如，图1A中所示意的光检测器112的阵列110)。

MEMS反射镜660可以反射由透镜130聚焦的光102。MEMS反射镜660可以绕多个轴旋转，使得被反射的光102被引向孔口652中的特定一个或多个。在一些实施例中，MEMS反射镜660的旋转可以由计算设备(例如，微控制器)控制。此外，在替代实施例中，可以存在一组MEMS反射镜，其顺序地反射光以将光引向孔口中的一个或多个。例如，多个MEMS反射镜可以位于单个MEMS微芯片上或多个MEMS微芯片上。

在替代实施例中，MEMS反射镜(或其他类型的反射镜)可以代替具有多个孔口的不透明材料。例如，MEMS反射镜(或MEMS反射镜阵列)的反射表面可以由不透明材料围绕，并且反射表面可以用于限定孔口。因此，MEMS反射镜可以选择由透镜聚焦的光的一部分以朝向阵列反射。例如，光的未选择部分可以被不透明材料吸收。在这样的示例实施例中，透镜和阵列可以设置在反射镜的同一侧。此外，在反射镜是MEMS反射镜阵列的这样的实施例中，可以选择性地切换MEMS反射镜阵列中的元件以动态地限定用于限定孔口的反射表面的形状、位置或大小。

图7A是根据示例实施例的具有可调节大小的孔口的不透明材料710的图示。不透明材料710可以具有限定在其中的狭缝712。不透明挡板(shutter)714可以覆盖不透明材料710。可以通过相对于不透明材料710移动不透明挡板714来调节孔口的大小，从而改变狭缝712的被覆盖部分。以这样的方式，可以在不改变噪声限制系统100内的光投射方向的情况下调节孔口大小(例如，如在图6B中所示的实施例中所做的那样)。

类似于图1A中所示意的不透明材料120，不透明材料710可以阻挡来自场景的光被透射到阵列(例如，图1A中所示意的阵列110)。在一些实施例中，不透明材料710可以位于透镜的焦平面处。

没有不透明挡板714的狭缝712类似于其他实施例的孔口。例如，如果不透明材料710是由不透明掩模覆盖的一块玻璃，则狭缝712是掩模的阴(negative)区域(即，掩模的已经去除掩模材料(例如通过光刻)的区域)。此外，狭缝712的尺寸限定对应噪声限制系统的最大孔口大小。这样，当不透明挡板714已从覆盖狭缝712完全缩回时，狭缝712的大小等于孔口的大小。在替代实施例中，狭缝可以具有不同的形状。例如，狭缝可以成形为使得当不透明挡板在狭缝上方线性平移时，狭缝的大小以指数方式增大或减小。替代地，狭缝可以是圆形或不规则形状(例如，钥匙孔形状，比如图6A中所示意的不规则孔口614)。在另外的其他实施例中，可以存在多个狭缝，其可以根据不透明挡板的位置进行选择和/或基于不透明挡板的位置调节大小。

不透明挡板714是可以对一波长范围的光吸收和/或反射的材料。该波长范围可以包括场景内的背景光的波长(例如，如果不透明挡板714是LIDAR设备内的噪声限制系统的部件)。在一些实施例中，不透明挡板714可包括金属片材、BoPET片材或聚合物基板。不透明挡板714可以被配置为相对于不透明材料710和狭缝712移动。例如，在一些实施例中，不透明挡板714可以附接到机械台，该机械台可以相对于不透明材料710和狭缝712平移移动。这样的移动可以由计算设备(例如，微控制器)控制。在替代实施例中，不透明材料和狭缝可以替代地相对于不透明挡板移动(例如，不透明材料和狭缝附接到机械台，而不是不透明挡板)。

图7B是根据示例实施例的具有可调节大小的孔口的不透明材料760的图示。不透明材料760可以嵌有光圈762。光圈762和不透明材料760可以由相同或不同材料制成。孔口可以是由光圈762限定的开口。此外，光圈762可以扩张或收缩以调节孔口的大小。以这样的方式，可以在不改变噪声限制系统100内光的投射方向(例如，如图6B中所示意的实施例中所做的那样)的情况下调节孔口大小。在一些实施例中，光圈可以是独立的自由空间光学部件，而不是嵌入在不透明材料内。

光圈762可以限定有多个不透明翼片(例如，如图7B所示意的十六个不透明翼片)，其伸展或缩回以调节由光圈762限定的孔口的大小。在一些实施例中，光圈762可以是MEMS光圈。不透明翼片可以例如是金属的。此外，在一些实施例中，光圈762的翼片的伸展或缩回可以由计算设备(例如，微控制器)控制。不透明翼片的最大伸展可以导致孔口具有最小大小。相反，不透明翼片的最大缩回可以导致孔口具有最大大小。

在替代实施例中，不透明材料可以包括液晶光调节器的有源或无源矩阵，而不是光圈。在一些实施例中，该矩阵可以包括具有两个偏振器的图案化导电电极阵列。取向层(alignment layer)和液晶层可以位于两个偏振器之间。这样的布置可以类似于液晶显示设备。该矩阵可以限定不透明材料内的孔口。例如，可以任意调节该矩阵(例如，通过计算设备)以选择孔口的大小、位置或形状。替代地，在一些实施例中，光学滤光器可以集成在矩阵内(例如，在矩阵顶部或底部，或夹在矩阵的层之间)。

图8是根据示例实施例的带有具有可调节的位置的孔口812的不透明材料810的图示。例如，不透明材料810可以相对于透镜和光检测器的阵列(例如，图1A中所示意的噪声限制系统100内的透镜130和光检测器112的阵列110)在二维平面中平移以移动孔口812。在各种实施例中，不透明材料810可以由台或电动机驱动。此外，这样的台或电动机可以由计算设备(例如，微控制器)控制。类似于图1A中所示意的不透明材料120，不透明材料810可以是蚀刻的金属、BoPET片材或覆盖有不透明掩模的玻璃。其他材料也是可能的。

如图8中所示意，孔口812可以是圆形孔口。替代地，孔口可以具有另一种形状，例如椭圆形、矩形或不规则形状(例如，类似于图6A中所示意的不规则孔口614的形状的钥匙孔形状)。此外，在一些实施例中，不透明材料可以具有限定在其中的多个孔口(例如，类似于图6A中所示意的不透明材料610)。

三、示例过程

图9是根据示例实施例的方法900的流程图图示。例如，方法900可以由图1A中所示意的噪声限制系统100执行。

在框902处，方法900包括通过相对于场景设置的透镜(例如，图1A中所示意的透镜130)将来自场景的光聚焦到焦平面上。在一些实施例中，来自场景的光可以被场景内的对象(例如，图1A中所示意的对象140)散射。

在框904处，方法900包括使来自场景的光透射通过在透镜焦平面处设置的不透明材料(例如，图1A中所示意的不透明材料120)内限定的孔口(例如，图1A中所示意的孔口122)。该孔口具有横截面积。

在框906处，方法900包括使来自场景的透射通过孔口的光发散。

在框908处，方法900包括通过设置在与透镜相对的焦平面的一侧上的光检测器的阵列截取来自场景的发散光。截取来自场景的发散光的光检测器的阵列的横截面积大于孔口的横截面积。

在框910处，方法900包括通过光检测器的阵列检测截取的光。

四、结论

以上详细描述参考附图描述了所公开的系统、设备和方法的各种特征和功能。虽然本文已经公开了各种方面和实施例，但是其他方面和实施例将是显然的。本文公开的各个方面和实施例仅用于示意目的，而不打算进行限制，真正的范围由所附权利要求指示。

Claims (23)

1.一种系统，包括：

透镜，相对于场景设置并被配置为将来自所述场景的光聚焦到焦平面上；

孔口，限定在设置在所述透镜的焦平面处的不透明材料内，其中，所述孔口具有横截面积；和

光检测器的阵列，设置在与所述透镜相对的所述焦平面的一侧上，并被配置为截取和检测由所述透镜聚焦并透射通过所述孔口的发散光，其中，截取所述发散光的所述光检测器的阵列的横截面积大于所述孔口的横截面积。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光检测器的阵列包括多个单光子雪崩二极管(SPAD)。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阵列中的光检测器彼此并联连接。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述孔口的横截面积是可调节的。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述不透明材料包括光圈，所述光圈被配置为限定所述孔口的横截面积。

6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述不透明材料包括具有两个偏振器的图案化导电电极阵列；设置在所述两个偏振器之间的一个或多个取向层；以及设置在所述两个偏振器之间的液晶层。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，来自所述场景的光是被由光检测和测距(LIDAR)系统的发射器照明的一个或多个对象散射的光。

8.根据权利要求1所述的系统，还包括反射镜，所述反射镜被配置为将透射通过所述孔口的来自所述场景的光朝向所述光检测器的阵列反射。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光检测器对一波长范围内的光敏感。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光检测器对具有红外波长的光敏感。

11.根据权利要求1所述的系统，还包括滤光器，所述滤光器被配置为将来自所述场景的在一个或多个波长范围内的光转向以远离所述孔口，使得来自所述场景的在所述一个或多个波长范围内的光不通过所述孔口。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述不透明材料包括覆盖玻璃基板的不透明掩模。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述不透明材料包括金属，并且其中，所述金属被蚀刻以限定所述孔口。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，每个光检测器占据200μm²与600μm²之间的横截面积。

15.根据权利要求1所述的系统，还包括设置在所述光检测器的阵列和所述孔口之间的漫射器，其中，所述漫射器被配置为将透射通过所述孔口的来自所述场景的光均匀地漫射在所述光检测器的阵列上。

16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述孔口可从一组两个或更多个孔口中选择。

17.根据权利要求16所述的系统，还包括一个或多个微机电系统(MEMS)反射镜，所述一个或多个微机电系统反射镜可调节以将来自所述场景的光引向所述孔口，以从该组两个或更多个孔口中进行选择。

18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述孔口具有非圆形形状。

19.根据权利要求1所述的系统，还包括设置在所述孔口和所述光检测器的阵列之间的结构，所述结构将透射通过所述孔口的发散光进行全内反射。

20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述孔口在焦平面中的位置是可调节的。

21.根据权利要求1所述的系统，其中，所述孔口包括选择性地可切换的MEMS反射镜的阵列。

22.一种方法，包括：

通过相对于场景设置的透镜将来自所述场景的光聚焦到焦平面上；

使来自所述场景的光透射通过设置在所述透镜的焦平面处的不透明材料内限定的孔口，其中所述孔口具有横截面积；

使来自所述场景的透射通过所述孔口的光发散；

通过设置在与所述透镜相对的所述焦平面的一侧上的光检测器的阵列截取来自所述场景的发散光，其中，截取来自所述场景的发散光的所述光检测器的阵列的横截面积大于所述孔口的横截面积；和

通过所述光检测器的阵列检测所截取的光。

23.一种光检测和测距(LIDAR)设备，包括：

LIDAR发射器，被配置为用光照明场景；

LIDAR接收器，被配置为接收由所述场景内的一个或多个对象散射的光以标定所述场景，其中，所述LIDAR接收器包括：

透镜，被配置为将被所述场景内的一个或多个对象散射的光聚焦到焦平面上；

孔口，限定在设置在所述焦平面处的不透明材料内，其中，所述孔口具有横截面积；和

光检测器的阵列，设置在与所述透镜相对的所述焦平面的一侧上，并被配置为截取和检测由所述透镜聚焦并透射通过所述孔口的发散光，其中，截取所述发散光的所述光检测器的阵列的横截面积大于所述孔口的横截面积。