CN110036264A - 使用孔径检测光的波导漫射器阵列 - Google Patents

使用孔径检测光的波导漫射器阵列 Download PDF

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Abstract

本公开涉及使用孔径限制光检测器上的噪声。一个示例实施方式包括系统。该系统包括将来自场景的光聚焦到焦平面的透镜。该系统还包括限定在不透明材料内的孔径。该系统还包括多个波导。多个波导中的给定波导具有输入端，该输入端接收穿过孔径传输的光的部分，并且将接收到的部分引导到给定波导的输出端。输出端的被引导的部分横截面积大于输入端的接收到的部分横截面积。该系统还包括检测穿过输出端传输的被引导的光的光检测器阵列。

Description

使用孔径检测光的波导漫射器阵列
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年12月1日提交的美国专利申请No.15/366,746的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
背景技术
除非在此另有说明，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，并且不因包括在本部分中而被承认为现有技术。
诸如光电二极管、单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode，SPAD)或其他类型的雪崩光电二极管(avalanche photodiode，APD)的光检测器可以用来检测施加在它们表面上的光(例如，通过输出与光强度相对应的诸如电压或电流的电信号)。许多类型的这种设备由诸如硅的半导体材料制成。为了检测很大的几何区域上的光，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管(siliconphotomultiplier，SiPM)或多像素光子计数器(multi-pixel photon counter，MPPC)。
上述布置中的一些对相对低强度的光敏感，从而提高了它们的检测质量。然而，这也可能导致上述布置不成比例地受到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)。
发明内容
在一个示例中，系统包括透镜，该透镜相对于场景设置，并且被配置为将来自场景的光聚焦到透镜的焦平面。该系统还包括限定在平行于透镜焦平面设置的不透明材料内的孔径。该系统还包括多个波导，该多个波导包括给定波导。给定波导具有接收穿过孔径传输的光的部分的输入端。给定波导引导接收到的光的部分以穿过给定波导的输出端传输。输出端的被引导的光的横截面积大于输入端的接收到的光的部分的横截面积。该系统还包括检测穿过输出端传输的被引导的光的光检测器阵列。
在另一示例中，一种方法包括由相对于场景设置的透镜将来自场景的光聚焦到焦平面。该方法还包括穿过限定在平行于焦平面设置的不透明材料内的孔径传输来自场景的聚焦光。该方法还包括在多个波导中的给定波导的输入端接收穿过孔径传输的光的部分。该方法还包括由给定波导将接收到的光的部分引导到给定波导的输出端。该方法还包括在光检测器阵列处检测从输出端传播出的被引导的光。检测到的光的横截面积大于在输入端接收到的光的部分的横截面积。
在又一示例中，光检测和测距(light detection and ranging，LIDAR)设备包括照射场景的LIDAR发送器。LIDAR设备还包括LIDAR接收器，该LIDAR接收器接收由场景内的一个或多个对象散射的光。LIDAR接收器包括将接收到的光聚焦到焦平面的透镜。LIDAR接收器还包括限定在平行于焦平面设置的不透明材料内的孔径。LIDAR接收器还包括多个波导。多个波导中的给定波导具有接收穿过孔径传输的光的部分的输入端。给定波导将接收到的光的部分引导到给定波导的输出端。LIDAR接收器还包括光检测器阵列，光检测器阵列拦截并检测穿过输出端传输的被引导的光。拦截穿过输出端传输的被引导的光的阵列的检测区域的横截面积大于输入端的接收到的光的部分的横截面积。
在又一示例中，系统包括用于将来自场景的光聚焦到焦平面的装置。该系统还包括用于穿过限定在设置于焦平面上的不透明材料内的孔径传输来自场景的聚焦光的设备。该系统还包括用于在多个波导中的给定波导的输入端接收穿过孔径传输的光的部分的装置。该系统还包括用于由给定波导将接收到的光的部分引导到给定波导的输出端的装置。该系统还包括用于在光检测器阵列处检测从输出端传播出的被引导的光的装置。检测到的光的横截面积大于在输入端接收到的光的部分的横截面积。
前述概述仅是说明性的，并不意图以任何方式进行限制。除了上面描述的说明性方面、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而易见。
附图说明
图1A是根据示例实施例的包括孔径的噪声限制系统的图示。
图1B是根据示例实施例的图1A中的系统的另一图示。
图2是根据示例实施例的LIDAR设备的简化框图。
图3A是根据示例实施例的包括孔径和波导阵列的噪声限制系统的图示。
图3B示出了根据示例实施例的图3A中系统的横截面视图。
图4是根据示例实施例的方法的流程图。
具体实施方式
这里描述的任何示例性实施例或特征不必被解释为比其他实施例或特征更优选或更有利。这里描述的示例实施例不意味着限制。容易理解的是，所公开的实施方式的某些方面可以以多种不同的配置进行布置和组合。此外，图中所示的特定布置不应被视为限制。应当理解的是，其他实施方式可以或多或少地包括给定的图中所示的每个元件。此外，可以组合或省略所示元件中的一些。类似地，示例实施方式可以包括未在图中示出的元件。
I.概览
示例实施方式可以涉及用于减少施加到光检测器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，光检测器可以是光检测和测距(LIDAR)设备的感测组件。
一个示例系统包括透镜。透镜可以用于将来自场景的光聚焦到焦平面。然而，透镜也可以聚焦系统不打算观察的背景光(例如，场景内的太阳光)。为了选择性地过滤光(即，将背景光与对应于场景内的信息的光分离开)，可以将不透明材料(例如，选择性蚀刻的金属，被掩模部分覆盖的玻璃衬底)放置在透镜后面。在各种实施例中，不透明材料可以成形为板、片或各种其他形状。在不透明材料内，可以限定孔径。该孔径可以选择由透镜聚焦到不透明材料的场景的光的区域或全部。
在不透明材料的背面(即，与透镜相对的不透明材料的一侧)，由孔径选择的光可以穿过孔径传输。在光穿过孔径传输的方向上，该系统可以包括线性布置的多个相邻的波导。每个波导可以具有与孔径相邻的输入端和与该输入端相对的输出端(例如，在距孔径更远的距离处)。此外，对于每个波导，系统还可以包括沿着波导的输出端设置的光检测器(例如，SPAD)阵列。该光检测器阵列可以检测通过波导引导至输出端的光的部分(例如，其光强度)。因为光在波导内部发散，所以能够装配到检测区域中的光检测器(例如，拦截穿过波导的输出端传输的光的检测器)的数量可以大于能够装配到与孔径的部分相对应的检测区域中的光检测器的数量，其中，光的部分从该孔径的部分传输到波导的输入端。这是由于检测区域在孔径处比在从该孔径偏移的距离处更聚焦并且因此更小。
此外，在一些实施方式中，多个波导可以被配置为控制被引导的光的发散，使得发散沿着一个方向(例如，垂直于孔径的长轴)发生多于沿着另一方向(例如，平行于孔径的长轴)发生。举例来说，考虑横截面积为2000μm(长轴)乘以200μm(短轴)的孔径。在这个示例中，多个波导可以被实施为10个堆叠的波导，每个波导具有200μm的长度(沿着孔径的长轴)。在这个示例中，进入波导输入端的光的部分可以具有200μm乘以200μm的横截面积，这可以适合于容纳数百个SPAD(例如，每个SPAD具有在200μm2和600μm2之间的横截面积)。相比之下，在被引导的光在波导内部发散并穿过输出端离开之后，取决于例如波导的尺寸，输出端处的被引导的光的横截面积可以更大，并且因此可以容纳数千个或更多的SPAD。此外，在一些示例中，SPAD阵列可以彼此并联连接，这可以允许组合来自连接的SPAD的信号以提高系统的灵敏度(例如，增加SPAD的组合检测面积)。
另外，利用这种布置，耦合到第一波导的光检测器的第一阵列可以接收穿过孔径的第一部分传输的光，耦合到第二波导的光检测器的第二阵列可以接收穿过孔径的第二部分的光。结果，该系统可以确定场景的一维(one-dimensional，1D)图像，同时仍然允许相对于孔径尺寸更大的检测区域。例如，光检测器的每个阵列可以并联连接，以提供表示场景的单个图像像素的组合输出。
例如，在没有波导的情况下，穿过孔径传输的光的部分在到达光检测器阵列之前可能会发散和重叠。然而，在有多个波导的情况下，每个波导可以限制在其中被引导的光的部分的发散，使得被引导的部分不与相邻波导内的另一被引导的光的部分重叠。结果，光检测器的每个阵列可以接收与孔径的相应部分相对应的被引导的光，而不管孔径的部分的接近度或者孔径和光检测器的相应阵列之间的距离如何。另外或可替换地，该系统可以同时检测穿过多个近侧布置的孔径(或单个孔径的部分)传输的光，以生成场景的1D或2D图像，而不管孔径之间的距离或者光检测器阵列和孔径之间的距离如何。
在一些示例中，多个波导可以实施为与孔径相邻地堆叠的多个玻璃板。利用这种布置，穿过与玻璃板相邻的孔径的部分传输的光可以穿过玻璃板传播。例如，堆叠的玻璃板可以被低折射率材料(例如，聚合物涂层、氟掺杂玻璃等)分离开，以减少其中被引导的光在相邻波导方向上的发散(例如，经由全内反射(total internal reflection)等)，同时允许被引导的光在另一(例如，垂直)方向上发散。
在一些实施方式中，系统还可以包括位于相邻波导之间的吸收体(例如，炭黑)，以防止一个波导内的被引导的光泄漏到另一波导中。例如，光吸收层可以具有合适的厚度，以用于吸收穿过相邻波导表面倏逝的倏逝光，和/或用于吸收在波导的包层内传播的光(例如，包层模式)，而不吸收在波导的芯内传播的光。
II.示例系统和设备
图1A是根据示例实施例的包括孔径的噪声限制系统100的图示。如图所示，系统100包括光检测器阵列110(以检测器112和114为例)、限定在不透明材料120内的孔径122以及透镜130。系统100可以测量场景内由对象104散射的光102。光102也可以至少部分地来自背景源。因此，在一些示例中，系统100可以包括在光检测和测距(LIDAR)设备中。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，系统100或其部分可以被包含在除了通过透镜130和/或孔径122之外未暴露于外部光的区域内。这可以防止环境光触发阵列110中的检测器，从而影响测量。
阵列110包括光检测器的布置，以检测器112和114为例。在各种实施例中，阵列110可以具有不同的形状。如图所示，阵列110具有矩形形状。然而，在其他实施例中，阵列110可以是圆形的或者可以具有不同的形状。可以根据从孔径122发散的光110的预期横截面积来选择阵列110的尺寸，并且因此可以基于阵列110和孔径122之间的距离、孔径122的尺寸、透镜130的光学特性等来选择阵列110的尺寸。在一些实施例中，阵列110可以是可移动的。例如，阵列110可以被致动为更靠近或更远离孔径122。为此，例如，阵列110可以被安装在能够在一维、二维或三维上平移的电子平台上。
此外，在一些实施方式中，阵列110可以将一个或多个输出提供到计算设备或逻辑电路。例如，配备有微处理器的计算设备可以从阵列110接收电信号，该电信号指示入射到阵列110上的光102的强度。然后，计算设备可以使用电信号来确定关于对象104的信息(例如，对象104距离孔径122的距离等)。在一些实施例中，阵列110内的一些或所有光检测器可以彼此并联互连。为此，例如，取决于阵列110内光检测器的特定布置和类型，阵列110可以是SiPM或MPPC。
光检测器112、114等可以包括各种类型的光检测器。在一个示例中，检测器112、114等包括SPAD。SPAD可以在反向偏置的p-n结(即二极管)内采用雪崩击穿，以增加SPAD上给定入射照射的输出电流。此外，SPAD可能能够为单个入射光子生成多个电子-空穴对。在另一示例中，光检测器112、114等可以包括APD。在一些情况下，APD或SPAD可以被偏置到雪崩击穿电压以上。这种偏置条件可以产生环路增益大于1的正反馈环路。此外，被偏置到阈值雪崩击穿电压以上的APD或SPAD可以是单光子敏感的。在其他示例中，光检测器112、114等可以包括光敏电阻、电荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)和/或光伏电池等。
在一些实施方式中，阵列110可以包括跨该阵列的多于一种类型的光检测器。例如，阵列110可以被配置为检测多个预定波长的光102。为此，例如，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其他SPAD。在一些实施例中，光检测器110可以对在400nm和1.6μm之间的波长(可见光和红外波长)敏感。此外，在给定的实施例中或者跨各种实施例，光检测器110可以具有各种尺寸和形状。在一些实施例中，光检测器112、114等可以包括封装尺寸为阵列110的面积的1％、0.1％或0.01％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的部分(例如，背景光)传输到阵列110。这样，不透明材料120可以被配置为阻挡可能对阵列110执行的测量的精度产生不利影响的某些背景光。不透明材料120可以位于或靠近透镜130的焦平面，并且因此孔径122也可以位于或靠近透镜130的焦平面。在一个示例中，不透明材料120可以通过吸收光102来阻挡传输。在另一示例中，不透明材料120可以通过反射光102来阻挡传输。不透明材料120的示例实施方式的非穷举列表包括蚀刻金属、聚合物衬底、双轴取向聚对苯二甲酸乙二醇酯(biaxially-oriented polyethylene terephthalate，BoPET)片(也称为片)或覆盖有不透明掩模的玻璃，以及其他可能性。
孔径122在不透明材料120内提供端口，光102可以穿过该端口传输。孔径122可以以多种方式限定在不透明材料120内。在一个示例中，在不透明材料120包括金属的情况下，可以蚀刻金属以限定孔径122。在另一示例中，当不透明材料120是覆盖有掩模的玻璃衬底时，该掩模可以包括(例如，经由光刻)限定孔径122的间隙。在各种实施例中，孔径122可以部分或完全透明。例如，在不透明材料120是覆盖有掩模的玻璃衬底的情况下，孔径122可以被限定为未被掩模覆盖的玻璃衬底的部分，使得孔径122不是完全中空的而是由玻璃制成。因此，例如，孔径122对于由对象104散射的一个或多个波长的光102可以几乎是透明的，但不是完全透明的(因为大多数玻璃衬底不是100％透明的)。
孔径122(与不透明材料120结合)可以被配置为在焦平面处对来自场景的光102进行空间滤波。例如，光102可以被聚焦到沿着表面不透明材料120的焦平面上，并且孔径122可以仅允许聚焦的光的部分传输到阵列110。这样，孔径122可以表现为光学针孔。在一个实施例中，孔径122可以具有在0.02mm2和0.06mm2之间(例如0.04mm2)的横截面积。在其他实施例中，取决于各种因素，诸如透镜130的光学特性、到阵列110的距离、阵列110中的光检测器的噪声抑制特性等，孔径122可以具有不同的横截面积。
尽管上面关于孔径122使用的术语“孔径”描述了光可以穿过其传输的不透明材料中的凹槽或孔，但是应当注意，术语“孔径”可以包括广泛的光学特征。在一个示例中，如贯穿说明书和权利要求所使用的，术语“孔径”可以另外包括光可以部分穿过其传输的、在不透明材料内限定的透明或半透明结构。在另一示例中，术语“孔径”可以描述另外选择性地限制光穿过(例如，通过反射或折射)的结构，诸如被不透明材料包围的镜子。在一个示例性实施例中，由不透明材料包围的镜子阵列可以布置成在特定方向反射光，从而限定反射部分。该反射部分可以被称为“孔径”。
尽管孔径122被示出为具有矩形形状，但是应当注意，孔径122可以具有不同的形状，例如圆形、圆形、椭圆形等。在一些示例中，孔径122可以可替换地具有不规则形状，其被特别设计以考虑系统100内的光学像差。例如，锁孔(keyhole)形孔径可以有助于考虑发射器(例如，发射光102的光源)和接收器(例如，透镜130和阵列110)之间出现的视差。例如，如果发射器和接收器位于不同位置，可能会出现视差。其他不规则孔径形状也是可能的，例如与预期在特定场景内的特定对象对应的特殊形状的孔径，或者选择光102的特定偏振(例如，水平偏振或垂直偏振)的不规则孔径。
透镜130可以将来自场景的光102聚焦到孔径122所在的焦平面上。利用这种布置，在透镜130处从场景收集的光强度可以被聚焦以减少光102投射的横截面积(即，增加光102的空间功率密度)。例如，透镜130可以包括会聚透镜、双凸透镜和/或球面透镜等。可替换地，透镜130可以被实施为一个接一个定位的一组连续透镜(例如，将光聚焦在第一方向上的双凸透镜和将光聚焦在第二方向上的额外的双凸透镜)。其他类型的透镜和/或透镜布置也是可能的。此外，系统100可以包括位于透镜130附近的其他光学元件(例如，镜子等)，以帮助将入射到透镜130上的光102聚焦到不透明材料120上。
对象104可以是位于系统100周围的场景中的任何对象。在系统100包括在LIDAR设备中的实施方式中，对象104可以由发射光102(或其一部分)的LIDAR发送器来照射。在LIDAR设备用于在自主车辆上导航的示例性实施例中，对象104可以包括行人、其他车辆、障碍物(例如，树木)或路标等。
如上所述，光102可以被对象104散射，被透镜130聚焦，穿过不透明材料120中的孔径122传输，并被阵列110中的光检测器测量。这个顺序可以(例如，在LIDAR设备中)发生以确定关于对象104的信息。在一些实施例中，由阵列110测量的光102可以另外或可替换地包括从多个对象散射的光、由另一LIDAR设备的发送器发射的光、环境光、太阳光以及其他可能性。
此外，用于分析对象104的(多个)波长的光102可以基于预期在场景内的对象的类型以及它们距透镜130的预期距离来选择。例如，如果对象预期在场景内吸收所有500nm波长的入射光，则可以选择500nm以外的波长来照射对象104并由系统100进行分析。光102的波长(例如，如果由LIDAR设备的发送器发射)可以与生成光102的光源相关联。例如，如果光由二极管激光器生成，则光102可以包括以900nm(或者二极管激光器的其他波长)为中心的波长范围内的光。因此，各种类型的光源可以用于生成光102(例如，光纤放大器、各种类型的激光器、带有滤波器的宽带源等)。
图1B是系统100的另一图示。如图所示，系统100还可以包括滤波器132。滤波器132可以包括被配置为选择性地传输预定波长范围内的光的任何光学滤波器。例如，滤波器132可以被配置为选择性地传输由发射器140发射的光信号的可见波长范围、红外波长范围或任何其他波长范围内的光。例如，光学滤波器132可以被配置为将特定波长的光从阵列110转移开。例如，光学滤波器132可以将不是由发射器140发射的波长范围的光102的部分从阵列110转移开。因此，光学滤波器132可以至少部分地减少环境光或背景光对阵列110测量的不利影响。
在各种实施例中，光学滤波器132可以相对于阵列110位于各种位置。如图所示，光学滤波器132位于透镜130和不透明材料120之间。然而，可替换地，光学滤波器132可以位于透镜130和对象104之间、材料120和阵列110之间，与阵列110组合(例如，阵列110可以具有光学滤波器132的表面屏，或者阵列110中的每个光检测器可以被分开的光学滤波器等单独地覆盖)、与孔径122组合(例如，孔径122可以仅对特定波长范围透明等)、或者与透镜130组合(例如，设置在透镜130上的表面屏、仅对特定波长范围透明的透镜130的材料等)。
此外，如图所示，系统100可以与发射器140一起使用，该发射器140发射将要由阵列110测量的光信号。发射器140可以包括光纤激光器、光电二极管、灯丝、LIDAR发送器或任何其他光源。如图所示，发射器140可以发射被场景中的对象104散射并最终由阵列110测量(至少其一部分)的光。在一些实施例中，发射器140可以是包括光纤放大器或增加激光发射器140的功率输出的其他放大系统的激光发射器。另外或可替换地，在一些实施例中，发射器140可以实施为脉冲激光器(与连续波激光器相反)，在保持等效的连续功率输出的同时允许增加峰值功率。
下面是比较由透镜130接收到的背景光量与由阵列110检测的信号光量的数学图示。如图所示，对象104和透镜130之间的距离是“d”，透镜130和不透明材料120之间的距离是“f”，不透明材料120和阵列110之间的距离是“x”。如上所述，材料120和孔径122可以位于透镜130的焦平面处(即，“f”可以等于焦距)。此外，如图所示，发射器140位于距对象104的距离“d”处。
为了举例，假设对象104被太阳光以正入射(normal incidence)完全照射，其中太阳光表示背景光源。此外，假设照射对象104的所有光根据Lambert余弦定律被散射。此外，假设到达阵列110的所有光(背景和信号)都被阵列110完全检测到。
由发射器140发射的、到达孔径122并且从而到达阵列110的信号的功率可以使用以下公式计算：
其中，P信号表示由发射器140发射的、到达阵列110的光信号的辐射通量(例如，以W为单位)，Ptx表示由发射器140传输的功率(例如，以W为单位)，Γ表示对象104的反射率(例如，考虑Lambert余弦定律)，以及A透镜表示透镜130的横截面积。
到达透镜130的背景光可以如下计算：
其中，表示到达透镜130的(由散射离开对象104的太阳光引起)背景光的辐射(例如，以为单位)，其中该背景光在将被滤波器132选择性地通过的波长带内，表示由于太阳(即，背景源)引起的辐射(例如，以为单位)密度，以及T滤波器表示滤波器132(例如，带通光学滤波器)的透射系数。因子涉及来自正入射的对象104的朗伯散射的假设。
孔径122减少被允许传输到阵列110的背景光量。为了计算到达阵列110的背景光的功率，在穿过孔径122传输之后，考虑孔径122的面积。孔径122的横截面积(A孔径)可以如下计算：
A孔径＝w×h
其中，A孔径表示孔径122相对于对象104的表面积，并且w和h分别表示孔径122的宽度和高度(或长度)。此外，如果透镜130是圆形透镜，透镜130的横截面积(A透镜)可以如下计算：
其中，d透镜表示透镜的直径。
因此，穿过孔径122传输到阵列110的背景功率可以如下计算：
其中P背景表示入射到阵列110上的背景功率，并且表示球面度的可接受立体角。上面的公式指示P背景是被透镜130和孔径122减少后的背景信号中的辐射量。
将以上确定值代入A孔径和A透镜，可以得出以下结果：
另外，数可以被称为透镜130的“F数”。因此，再进行一次替换，就可以推导出下面的背景功率：
进行类似的替换，可以推导出从发射器140传输的、到达阵列110的信号功率：
此外，系统100的信噪比(signal to noise ratio，SNR)可以通过比较P信号与P背景确定。如图所示，由于包括孔径122，背景功率(P背景)相对于信号功率可以显著降低，特别是对于具有小w和/或小h的孔径(上述公式的分子P背景)。除了减少孔径面积之外，增加发射器140的传输功率(Ptx)，降低传输系数(T滤波器)(即，减少穿过滤波器传输的背景光量)，以及增加对象104的反射率(Γ)可以是增加SNR的方式。此外，应当注意，在发射器140发射脉冲信号的实施方式中，与背景的功率相反，背景的散粒噪声在计算信噪比时可以是主要相关的。因此，在一些实施方式中，可替代地，SNR可以通过比较散粒噪声与信号功率来计算。
如图1A所示，光102在传播离开孔径122时发散。由于发散，阵列110处的检测区域(例如，被示出为由光102照射的阴影区域)可以大于焦平面处的孔径122的横截面积。对于给定的光功率(例如，以W为单位测量)，增加的检测面积(例如，以m2为单位测量)可以导致入射到阵列110上的光强度(例如，以为单位测量)降低。
在阵列110包括SPAD或具有高灵敏度的其他光检测器的实施例中，光强度的降低可以特别有益。例如，SPAD根据在半导体内产生雪崩击穿的大反向偏压来得到它们的灵敏度。例如，该雪崩击穿可以通过吸收单个光子来触发。一旦SPAD吸收了单个光子并且雪崩击穿开始，SPAD就不能检测到额外的光子，直到SPAD猝灭(quench)(例如，通过恢复反向偏压)。直到SPAD猝灭的时间可以被称为恢复时间。如果额外的光子以接近该恢复时间的时间间隔(例如，在十倍内)到达，则SPAD可能开始饱和，因此SPAD的测量可能变得不太可靠。通过减少入射到阵列110内任何单独光检测器(例如，SPAD)上的光功率，阵列110中的光检测器(例如，SPAD)可以保持不饱和。结果，通过每个单独的SPAD的光测量可以具有增加的精度。
图2是根据示例实施例的LIDAR设备200的简化框图。在一些示例实施例中，LIDAR设备200可以安装到车辆上，并用于映射车辆的周围环境(例如，包括对象204等的场景)。如图所示，LIDAR设备200包括可以类似于发射器140的激光发射器240。此外，如图所示，LIDAR设备200包括控制器250。此外，如图所示，LIDAR设备200包括可以类似于系统100的噪声限制系统290。例如，如图所示，系统290包括光检测器阵列210、其中限定有孔径的不透明材料220(未示出)和透镜230，它们分别类似于阵列110、不透明材料120和透镜130。注意，LIDAR设备200可替换地包括比所示组件更多或更少的组件。例如，LIDAR设备200可以包括光学滤波器(例如，滤波器132)。因此，系统290可以类似于系统100和/或这里描述的任何其他噪声限制系统来实施。设备200可以操作发射器240向包括对象204的场景发射光202。然后，设备200可以检测散射光202以映射或以其他方式确定关于对象204的信息。
控制器250可以被配置为控制LIDAR设备200的组件，并分析从LIDAR设备200的组件(例如，光检测器阵列210)接收到的信号。为此，控制器250可以包括一个或多个处理器(例如，微处理器等)，该一个或多个处理器执行存储在设备200的存储器(未示出)中的指令以操作设备200。另外或可替换地，控制器250可以包括有线数字或模拟电路，以执行这里描述的各种功能中的一个或多个。
在一些实施方式中，控制器250可以使用与由阵列210测量的信号相关联的定时信息来确定对象204的位置(例如，距LIDAR设备200的距离)。例如，在激光发射器240是脉冲激光器的实施例中，控制器250可以监控输出光脉冲的定时，并将这些定时与由阵列210测量的信号脉冲的定时进行比较。例如，控制器250可以基于光速和光脉冲的行进时间(其可以通过比较定时来计算)来估计设备200和对象204之间的距离。在一些实施方式中，控制器250可以被配置为考虑视差(例如，由于激光发射器240和透镜230位于空间中的不同位置)。通过考虑该视差，控制器250可以提高输出光脉冲的定时和由阵列210测量的信号脉冲的定时之间的比较的精度。
在一些实施方式中，控制器250可以调制由发射器240发射的光202。例如，控制器250可以改变发射器240的投射(例如，指向)方向(例如，通过致动安装发射器240的机械平台)。作为另一示例，控制器250可以调制由发射器240发射的光202的定时、功率或波长。在一些实施方式中，控制器250还可以控制设备200的其他操作方面，诸如沿着光202的传播路径添加或移除滤波器(例如，滤波器132)、调整设备200的各种组件(例如阵列210、不透明材料220(以及其中的孔径)、透镜230等)的相对位置以及其他可能性。
在一些实施方式中，控制器250还可以调整材料220内的孔径(未示出)。例如，在一些实施例中，孔径可以从被限定在不透明材料内的多个孔径中选择。在这种实施例中，位于透镜和不透明材料之间的MEMS镜子可以由计算设备调整以确定光被引导到多个孔径中的哪一个孔径。在一些实施例中，各种孔径可以具有不同的形状和尺寸。在又一些实施例中，孔径可以由虹膜(或其他类型的光圈)限定。例如，该虹膜可以由控制器250扩张或收缩以控制孔径的尺寸或形状。
通过该过程，LIDAR设备200可以调整系统290以获得关于对象204和/或场景的额外或不同信息。在第一示例中，控制器250可以确定由系统290接收到的背景噪声当前相对较低(例如，在夜间)。在该示例中，控制器250可以增加孔径的尺寸，以提高捕获光202中的特定散射光脉冲的可能性，否则该光202中的特定散射光脉冲将被投射到孔径外部的不透明材料220的区域上。在第二个示例中，控制器250可以调整孔径的位置，以拦截从不同于对象204的对象反射离开的或从场景中不同区域反射的散射光202。
在一些情况下，可能期望在不显著影响SNR的情况下，同时获得上述额外信息(例如，不同的孔径位置等)和使用当前孔径配置获得的信息。例如，由发射器240发射的光脉冲可以从距LIDAR设备200不同距离处的几个对象散射离开，并且因此，散射光的部分可以经由透镜230聚焦到当前孔径外部的不透明材料220的区域上。因此，举例来说，再次参考图1A，可能期望检测聚焦到与孔径122相邻的区域上的光，同时检测聚焦到孔径122上的光。然而，如果额外的孔径位于与孔径122相邻(或者孔径122的尺寸增加)，则来自额外孔径的发散光可能在到达阵列110之前与发散光102重叠，从而降低检测信号的SNR。
因此，这里描述了用于检测聚焦到沿着透镜230的焦平面的相对较大区域上的光的示例实施，同时还减少背景噪声并增加可以部署光检测器的检测区域。
图3A是根据示例实施例的包括孔径和波导阵列的噪声限制系统300的图示。在一些实施方式中，代替系统290或除了系统290之外，系统300可以与LIDAR设备200一起使用。如图所示，分别类似于系统100、光102和对象104，系统300可以测量场景内由对象304散射的光302。
如图所示，系统300包括光检测器阵列310、316和318，每个光检测器阵列可以类似于光检测器阵列110。例如，光检测器阵列310可以包括类似于检测器112和114、被布置成拦截和/或检测入射到阵列310上的发散光部分302a的多个光检测器。此外，类似于阵列110中光检测器的输出，来自阵列310中的光检测器的输出可以组合(例如，并行电路连接、经由控制器250计算等)。例如，通过组合输出，与光部分302a在孔径322处的相应的横截面积相比，系统300可以增加用于检测光302a的检测面积(被示出为阵列310的阴影区域)。如图所示，系统300还包括不透明材料320、孔径322和透镜330，它们可以分别类似于不透明材料120、孔径122和透镜130。为了举例，孔径322被示出为具有与孔径122的形状(矩形)相比不同的形状(椭圆形)。如图所示，系统300还包括插在孔径322和阵列310、316、318之间的波导阵列360。
波导阵列360可以包括多个波导(未示出)，这些波导被布置成接收穿过孔径322传输并投射到阵列360的接收侧360a(被示出为侧360a的阴影区域)上的光302。
图3B示出了根据示例实施例的系统300的横截面视图。如图所示，波导阵列360包括包层362、366、372、376、382和386，芯层364、374和384，以及吸收层368和378。例如，包层362、366、372、376、382和386可以包括相对低折射率的材料，诸如聚合物涂覆或氟掺杂的玻璃衬底。例如，芯层364、374和384可以包括对于至少一些波长的光302透明的相对高折射率的材料，诸如玻璃或高折射率聚合物衬底。吸收层368和378可以包括由适于吸收在波导阵列360内引导的光302的波长的任何材料形成的吸收体。为此，示例吸收体的非穷尽列表包括炭黑、黑铬等。
在一些示例中，波导阵列360可以由玻璃衬底形成，该玻璃衬底包括与包层362、366、372、376和386相对应的掺杂区域。因此，未掺杂的玻璃衬底的区域可以与芯层364、374和378相对应。利用这种布置，阵列360中的多个波导中的第一波导可以包括包层362、芯364和包层366。类似地，第二波导可以包括包层372、芯374和包层376。类似地，第三波导可以包括包层382、芯384和包层386。
此外，如图所示，阵列360中的每个波导可以具有沿着侧360a的表面的相应输入端(例如，相应芯的暴露表面)，以及沿着输出侧360b的表面(与侧360a相对)的相应输出端(例如，相应芯的另一暴露表面)。此外，阵列360中的波导可以具有基于孔径322的尺寸、孔径322和透镜330之间的距离、透镜330的特性(例如焦距)以及其他因素的预定尺寸。阵列360中的波导也可以与孔径322堆叠或以其他方式与孔径322对准，使得每个波导接收投射到侧360a上的光302的相应部分。例如，如图所示，阵列360中的波导可以是平行于孔径322的长度方向(例如，长轴)的堆叠布置(例如，垂直堆叠在侧360c和360d之间)。
结果，第一波导可以接收投射在侧360a上并在包层362和366(即，第一波导的输入端)之间延伸的光302的部分。然后，第一波导可以例如经由全内反射，引导光302的第一部分朝向和离开第一波导的输出端(例如，侧360b处的芯364的表面)以作为第一发散光部分302a。此外，如图所示，光检测器阵列310可以位于与第一波导的输出端相邻处，以拦截和检测发散光部分302a。类似地，第二波导可以引导第二发散光部分302b朝向光检测器阵列316，并且第三波导可以引导第三发散光部分302c朝向光检测器阵列318。
如图所示，每个波导可以在侧360c和360d之间垂直(例如，平行于孔径322的长轴)延伸，并且在侧360e和与该侧360e相对的阵列360的另一侧之间水平(例如，平行于孔径322的短轴，该短轴在图3B中指向页面之外)延伸。此外，如图所示，每个波导可以减少在波导的堆叠方向(例如，垂直方向)上的发散(例如，由于被引导的光在包层的反射等)，同时允许在垂直于该堆叠方向的方向(例如，水平方向)上有更大程度的发散。结果，例如，阵列360可以防止在相邻波导中被引导的相应发散光部分302a、302b、302c之间的重叠，同时相对于孔径322的横截面积增加光检测器阵列处的相应检测面积。
此外，利用这种布置，系统300可以通过分离地且同时地检测入射到每个光检测器阵列310、316、318上的光部分来捕获场景的多像素图像。例如，如图所示，来自光检测器阵列(310、316或318)的每个输出可以与表示场景的像素的垂直布置的图像像素相对应。此外，在比进入相应输入端的光302的部分的横截面积更大的横截面积上检测图像像素。这样，例如，波导阵列360可以用作光学漫射器，该光学漫射器在各种光检测器阵列之间分配穿过孔径322传输的光302的功率密度。
在一些情况下，被引导的光部分可能泄漏到相邻波导。举例来说，在第一波导中，这种泄漏可能是由于在包层366和芯364之间的界面处被引导的光的入射角接近临界角。结果，随着倏逝场朝向第二波导倏逝，第一波导中的被引导的光可能穿过包层366泄漏。为了减轻这种泄漏，如图所示，吸收层368包括吸收体(例如炭黑)，该吸收体具有合适的厚度以吸收从第一波导和/或第二波导倏逝的倏逝场。类似地，吸收层378可以被配置为吸收第二波导和第三波导之间的倏逝光。
在一些实施方式中，除波导的暴露的输入端和输出端之外，阵列360中波导的芯可以被沿着芯的所有侧的包层包围。例如，包层362可以在侧360e(和阵列360的相对侧)围绕芯364延伸以与包层366连接。在这些实施方式中，第一波导可以被配置为非平面波导，其提供在第一波导内部引导的光部分302a的二维横向光学限制。可替换地，在其他实施方式中，芯可以仅沿着芯的两侧夹在平面包层之间。例如，包层372和376可以沿着芯374的两个相对侧设置，但是不沿着阵列360的侧360e(及其相对侧)设置。因此，在这些实施方式中，第二波导可以被配置为平面波导，其仅在第二波导内部引导的光部分302b的一个横向方向上提供光学限制。
注意，图3A和3B中示出的各种组件和特征的尺寸、位置和形状不一定按比例绘制，而是为了便于描述而示出的。此外，在一些实施例中，系统300可以包括比所示组件更少或更多的组件。此外，在一些实施例中，所示出组件中的一个或多个可以被组合，或者被分成分离的组件。
在第一实施例中，尽管光检测器阵列310、316、318被示为设置在距波导阵列360的侧360b一定距离处，但是光检测器阵列310、316、318中的一个或多个可以可替换地设置在侧360b。例如，阵列310可以被设置(例如，建模等)在第一波导的输出端(芯364的暴露表面)，光检测器阵列316可以设置在第二波导的输出端(芯374的暴露表面)，和/或光检测器318可以设置在第三波导的输出端(芯384的暴露表面)。
在第二实施例中，波导阵列360和孔径322之间的距离可以变化。在一个示例中，如图所示，波导阵列360可以沿着不透明材料320设置(例如，与不透明材料320接触等)。因此，例如，阵列360中波导的输入端可以与孔径322基本共面。利用这种布置，孔径322可以被配置为在一个方向(例如，平行于孔径322的长轴或长度方向)上的限制孔径，并且阵列360中波导的输入端可以被配置为在另一方向(例如，平行于孔径322的短轴或宽度方向)上的限制孔径。此外，利用这种布置，例如，波导阵列360可以在光部分302a、302b、302c穿过孔径302传输之后、在该光部分发散和/或混合之前，引导该光部分302a、302b、302c。然而，在其他示例中，波导阵列360可以可替换地位于距不透明材料320(和孔径322)一定距离(例如，间隙)处。例如，光检测器阵列310、316、318的输出可以被处理(例如，通过控制器250)，以考虑穿过孔径传输322的光302的发散/混合。
在第三实施例中，孔径322(和/或阵列360的侧360a)相对于透镜330的布置可以变化。
在一个示例中，孔径322(和/或阵列360中的波导的输入端)可以沿着透镜330的焦平面设置。
在另一示例中，孔径322(和/或阵列360中的波导的输入端)可以平行于透镜330的焦平面设置，但是距透镜330的距离不同于焦平面和透镜330之间的距离。因此，在该示例中，系统300的光学特性(例如，聚焦配置等)可以根据系统300的应用来调整。这样，在一些情况下，聚焦的光302在开始朝向光检测器阵列310、316、318发散之前，可以(在穿过孔径322传输之后)继续在波导360内部会聚。在一些情况下，系统300还可以包括致动器，该致动器移动透镜330、不透明材料320和/或阵列360以在扫描场景时实现特定的光学配置。
在又一个示例中，孔径322(和/或阵列360的侧60a)可以相对于透镜330的焦平面布置在偏移取向上。例如，系统300可以旋转(例如，经由致动器)不透明材料320(和/或阵列360)，以调整光302进入阵列360的相应波导的入射角。通过这样做，控制器(例如，控制器250)可以根据诸如透镜330的透镜特性、系统300的环境等等的各种因素来进一步控制系统300的光学特性(例如，减少来自扫描场景的特定区域的噪声/干扰等)。
在第四实施例中，可以从系统300省略不透明材料320。例如，利用这种布置，阵列360中的波导的每个相应输入端可以与系统300的相应孔径相对应。
在第五实施例中，尽管波导阵列360被示出为包括平行于孔径322的长轴垂直布置的多个波导，但是阵列360可以可替换地包括平行于孔径322的短轴布置的(例如，水平堆叠的)波导。可替换地或另外地，波导阵列360可以包括水平和垂直两者布置的波导网格，使得系统300可以获得场景的二维(two-dimensional，2D)图像。
在第六实施例中，尽管波导阵列360被示出为单个物理结构，但是阵列360中的波导可以可替换地被实施为分离的物理结构，并且分离的物理波导可以与适当地插入在各种波导之间的吸收器368和378堆叠(例如，垂直地)。例如，波导可以被实施为玻璃板，该玻璃板在平行于孔径322的长度方向的堆叠方向上彼此堆叠。
在第七实施例中，可以省略包层362、366、372、376、382、386和/或吸收体368、378中的一个或多个。
在第八实施例中，包层362、366、372、376、382和/或吸收体368、378中任一个的厚度可以在侧360a和360b之间变化。例如，包层(和/或吸收体)相对于靠近侧360b的厚度，靠近侧360a的厚度可以更小(例如，逐渐增加、逐渐变细等)。例如，利用这种布置，入射在侧360a上的更大范围的光302可以投射到芯364、374、384的暴露表面上，并由此通过阵列360中的波导被引导到光检测器阵列310、316、318。
在第九实施例中，波导阵列360可以包括比所示的三个波导更少或更多的波导。
在第十实施例中，尽管阵列360中波导的输入端被示出为具有相似的尺寸，但是波导的输入端可以可替换地具有不同的尺寸。举例来说，在包层362和366之间延伸的第一波导的输入端可以具有与在包层372和376之间延伸的第二波导的输入端不同的尺寸。在该示例中，与在视场(field-of-view，FOV)内扫描并在光检测器阵列316处检测为光部分302b的角度范围相比，在光检测器阵列310处检测到的光部分302a可以对应于在系统300的视场(FOV)内扫描的更大或更小的角度范围。
在第十一实施例中，尽管光检测器阵列310、316、318被示为分离的物理结构，但是光检测器阵列310、316、318可以可替换地在单个物理衬底上实施，其中一行或多行光检测器彼此连接，但不连接到单个衬底中的其他行的光检测器。
在第十二实施例中，控制系统300的设备(例如，LIDAR设备200等)，可以被配置为组合来自两个或多个光检测器阵列的输出，以增加检测面积以及与组合的检测到的光部分相关联的有效孔径尺寸。例如，可以组合来自阵列310和316的输出，使得与与仅入射到两个输入端中一个的单个光部分相对应的更小的有效孔径尺寸相反，可以实现与入射到第一和第二波导的两个输入端的光302的两个部分相对应的更大的有效孔径尺寸。
III.示例方法和计算机可读介质
图4是根据示例实施例的方法400的流程图。方法400呈现了可以与例如系统100、300和/或设备200中的任何一个一起使用的方法的实施例。方法400可以包括如框402-410中的一个或多个所示的一个或多个操作、功能或动作。尽管这些框是以顺序示出的，但是在一些情况下，这些框可以并行执行，和/或以不同于这里描述的顺序执行。此外，各种框可以被组合成更少的框，被分成额外的框，和/或基于期望的实施方式被移除。
此外，对于方法400和这里公开的其他过程和方法，流程图示出了本实施例的一个可能实施的功能和操作。在这点上，每个框可以表示模块、段、制造或操作过程的部分、或者包括可由处理器执行以用于实施过程中的特定逻辑功能或步骤的一个或多个指令的程序代码的部分。程序代码可以被存储在任何类型的计算机可读介质上，例如，诸如包括磁盘或硬盘驱动器的存储设备。计算机可读介质可以包括非暂时性计算机可读介质，例如，诸如短时间存储数据的计算机可读介质，如寄存器存储器、处理器高速缓存和随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)。计算机可读介质还可以包括非暂时性介质，诸如二级或持久长期存储装置，如例如只读存储器(read only memory，ROM)、光盘或磁盘、紧凑型光盘只读储存器(compact-disc read only memory，CD-ROM)。计算机可读介质也可以是任何其他易失性或非易失性存储系统。计算机可读介质可以被认为是例如计算机可读存储介质，或者有形存储设备。
另外或可替换地，对于方法400和这里公开的其他过程和方法，图4中的每个框可以表示被有线连接以在过程中执行特定逻辑功能的电路。
在框402，方法400包括由相对于场景设置的透镜(例如，透镜130)将来自场景的光聚焦到透镜的焦平面。在一些示例中，来自场景的光可以被场景内的对象(例如，对象104)散射。在一些示例中，计算设备(例如，控制器250)可以致动或以其他方式调整透镜的特性(例如，焦平面、焦距等)。
在框404，方法400包括穿过限定在不透明材料(例如，不透明材料120)内的孔径(例如，孔径122)传输来自场景的聚焦光。
在框406，方法400包括在多个波导中给定波导的输入端接收穿过孔径传输的光的部分。
在框408，方法400包括由给定波导将接收到的光部分引导到给定波导的输出端。
在框410，方法400包括经由光检测器阵列检测从输出端传播出的被引导的光。检测到的光的横截面积可以大于在输入端接收到的光的部分的横截面积。
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。虽然这里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而易见的。这里公开的各方面和实施例仅仅是为了说明的目的，并不意图是限制性的，真正的范围由所附权利要求指示。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
透镜，相对于场景设置，并且被配置为将来自所述场景的光聚焦到所述透镜的焦平面；
孔径，被限定在平行于所述透镜的焦平面设置的不透明材料内；
多个波导，其中，所述多个波导中的给定波导具有接收穿过所述孔径传输的光的部分的输入端，其中，所述给定波导引导接收到的光的部分以穿过所述给定波导的输出端传输，并且其中，所述输出端的被引导的光的横截面积大于所述输入端的接收到的光的部分的横截面积；和
光检测器阵列，检测穿过所述输出端传输的所述被引导的光。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述给定波导减少所述被引导的光沿着所述孔径的长度方向的发散。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个波导处于堆叠布置，并且其中，所述给定波导减少所述被引导的光沿着所述堆叠布置的堆叠方向的发散。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述多个波导包括平面波导阵列，并且其中，所述堆叠方向平行于所述孔径的长度方向。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光检测器阵列包括多个单光子雪崩二极管(SPAD)。
6.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。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光检测器阵列设置在所述输出端。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述输出端与所述输入端相对。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个波导包括：
第一芯，具有第一折射率；
第二芯，具有所述第一折射率；和
包层，至少部分设置在所述第一芯和所述第二芯之间，其中，所述包层具有小于所述第一折射率的第二折射率。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述多个波导中的第一波导的输入端对应于与所述孔径相邻的所述第一芯的表面，并且其中，所述多个波导中的第二波导的输入端对应于与所述孔径相邻的所述第二芯的表面。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，除了：(i)包括所述第一波导的输入端的第一侧和(ii)包括所述第一波导的输出端的第二侧之外，所述包层沿着所述第一芯的多个侧设置。
12.根据权利要求9所述的系统，还包括设置在所述第一芯和所述第二芯之间的吸收体，其中，所述吸收体防止从所述第一芯穿过所述包层倏逝的倏逝光传播到所述第二芯中。
13.根据权利要求9所述的系统，其中，所述多个波导包括玻璃衬底，其中，所述包层对应于所述玻璃衬底的被掺杂为相对于所述玻璃衬底的相邻区域具有较低的折射率的掺杂区域，其中，所述第一芯对应于所述玻璃衬底的未掺杂区域。
14.一种方法，包括：
由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；
穿过限定在平行于所述焦平面的不透明材料内的孔径传输来自所述场景的聚焦光；
在多个波导中的给定波导的输入端接收穿过所述孔径传输的光的部分；
由所述给定波导将接收到的光的部分引导到所述给定波导的输出端；以及
在光检测器阵列处检测从所述输出端传播出的被引导的光，其中，检测到的光的横截面积大于在所述输入端接收到的光的部分的横截面积。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括基于所述阵列中的光检测器彼此并联连接来组合来自所述阵列中的光检测器的输出。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
经由光发射器向所述场景传输光脉冲；
基于来自所述光检测器的组合输出来检测所述光脉冲的反射；以及
至少基于检测到的反射确定所述场景中的对象的位置。
17.一种光检测和测距(LIDAR)设备，包括：
LIDAR发送器，照射场景；
LIDAR接收器，接收由所述场景内的一个或多个对象散射的光，其中，所述LIDAR接收器包括：
透镜，将接收到的光聚焦到焦平面；
孔径，被限定在平行于所述焦平面设置的不透明材料内；
多个波导，其中，所述多个波导中的给定波导具有接收穿过所述孔径传输的光的部分的输入端，并且其中，所述给定波导将接收到的光的部分引导到所述给定波导的输出端；以及
光检测器阵列，拦截并检测穿过所述输出端传输的被引导的光，其中，拦截穿过所述输出端传输的被引导的光的所述阵列的检测区域的横截面积大于所述输入端的接收到的光的部分的横截面积。
18.根据权利要求17所述的LIDAR设备，其中，所述光检测器阵列包括多个单光子雪崩二极管(SPAD)。
19.根据权利要求17所述的LIDAR设备，其中，所述阵列中的光检测器彼此并联连接。
20.根据权利要求17所述的LIDAR设备，其中，所述光检测器阵列沿着所述输出端设置。
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