CN117872318A - 使用波导和孔径的激光雷达接收器 - Google Patents

使用波导和孔径的激光雷达接收器 Download PDF

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Abstract

本公开涉及使用孔径限制光检测器的噪声。一个示例实现包括系统。所述系统包括相对于场景设置的透镜。所述透镜聚焦来自所述场景的光。所述系统还包括限定孔径的不透明材料。所述系统还包括具有第一侧的波导，所述波导接收由所述透镜聚焦并通过所述孔径透射的光。所述波导将所接收的光引导至与所述第一侧相对的所述波导的第二侧。所述波导具有在所述第一侧和所述第二侧之间延伸的第三侧。所述系统还包括反射镜，所述反射镜将所引导的光反射至所述波导的第三侧。所述系统还包括光检测器阵列，其检测从所述第三侧传播出的反射光。

Description

使用波导和孔径的激光雷达接收器
本申请是申请日为2018年07月12日、申请号为201880062708.6的发明专利申请的分案申请。
背景技术
除非本文另有说明，否则本部分中描述的材料在本申请中不是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。
光检测器，诸如光电二极管、单光子雪崩二极管(SPAD)或其它类型的雪崩光电二极管(APD)，可以用于检测施加在其表面上的光(例如，通过输出对应于光强度的电信号，诸如电压或电流)。许多类型的此种设备由半导体材料制成，诸如硅。为了在相当大的几何面积上检测光，可以将多个光检测器排列成并联连接的阵列。这些阵列有时被称为硅光电倍增器(Si PM)或多像素光子计数器(MPPC)。
上述一些装置对相对较低的光强度敏感，从而提高了它们的检测质量。然而，这可能也导致上述布置不成比例地容易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的并且配置成聚焦来自场景的光。系统还包括限定孔径的不透明材料。系统还包括具有第一侧的波导，该波导接收由透镜聚焦并通过孔径透射的光。波导将接收到的光引导至与第一侧相对的波导的第二侧。波导具有在第一侧和第二侧之间延伸的第三侧。系统还包括沿着引导光的传播路径设置的反射镜。反射镜将引导光反射到波导的第三侧。系统还包括光检测器阵列，其检测从波导的第三侧传播出的反射光。
在另一个示例中，一种方法包括经由相对于场景设置的透镜聚焦来自场景的光。方法还包括通过限定在不透明材料内的孔径透射聚焦的光。方法还包括在波导的第一侧处接收通过孔径透射的聚焦的光。方法还包括通过波导将接收光引导至波导的第二侧。方法还包括经由反射镜将引导光反射至波导的第三侧。第三侧在第一侧和第二侧之间延伸。方法还包括在光检测器阵列处检测从波导的第三侧传播出的反射光。
在又一个示例中，光检测和测距(LIDAR)设备包括照亮场景的激光雷达发射器。光检测和测距设备还包括激光雷达接收器，其接收由场景内的一个或多个物体反射的光。激光雷达接收器包括聚焦来自场景光线的透镜。激光雷达接收器还包括限定孔径的不透明材料。激光雷达接收器也包括具有第一侧的波导，该波导接收由透镜聚焦并通过孔径透射的光。波导将接收到的光引导至与第一侧相对的波导的第二侧。波导具有在第一侧和第二侧之间延伸的第三侧。激光雷达接收器还包括沿着引导光的路径设置的反射镜。反射镜将引导光反射到波导的第三侧。激光雷达接收器还包括光检测器阵列，其检测由反射镜反射并从波导的第三侧传播出的光。
在又一示例中，系统包括用于经由相对于场景设置的透镜聚焦来自场景的光的装置。系统还包括用于通过限定在不透明材料内的孔径透射聚焦的光的装置。系统也包括用于在波导的第一侧处接收通过孔径透射的聚焦的光的装置。系统还包括用于通过波导将接收光引导至波导的第二侧的装置。系统也包括用于经由反射镜将引导光反射至波导的第三侧的装置。第三侧在第一侧和第二侧之间延伸。系统还包括用于在光检测器阵列处检测从波导的第三侧传播出的反射光的装置。
前述发明内容仅是说明性的，并且不旨在以任何方式进行限制。除了上文描述的说明性方面、实施例以及特征之外，通过参考附图以及以下详细描述，其它方面、实施例以及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是图1A的系统的另一个图示。
图2A是根据示例实施例的激光雷达设备的简化框图。
图2B示出了图2A的激光雷达设备的透视图。
图3A是根据示例实施例的包括孔径和波导的噪声限制系统的图示。
图3B示出了图3A的系统的横截面视图。
图4A示出了根据示例实施例的包括多个波导的噪声限制系统的局部顶视图。
图4B示出了图4A的系统的横截面视图。
图4C示出了图4A的系统的另一个横截面视图。
图5是根据示例实施例的方法的流程图。
具体实施方式
本文描述的任何示例实施例或特征不必被解释优选或有利于其它实施例或特征。本文描述的示例实施例不旨在为限制性的。容易理解的是，所公开实现的某些方面可以以多种不同的配置来布置和组合。此外，附图中所示的特定布置不应视为限制性的。应当理解，其它实现可以或多或少地包括给定附图中所示的每个元件。另外，可以组合或省略一些示出的元件。类似地，示例实施例可以包括附图中未示出的元件。
|I.概述
示例实现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能正在感应来自场景的光。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。透镜可以用于聚焦来自场景的光。然而，透镜也可以聚焦系统不希望观察到的背景光(例如，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开)，可以将不透明的材料(例如，选择性蚀刻的金属、部分被掩模覆盖的玻璃基板等)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状、片材状或其它各种形状。在不透明材料内，可以限定孔径。通过这种布置，可以选择由透镜聚焦的光的一部分或全部光以用于透射通过孔径。
在通过孔径透射的光的传播方向上，系统可以包括具有第一侧(例如，与孔径等相邻)和与第一侧相对的第二侧的波导。系统还可以包括光检测器(例如SPAD)的阵列，其布置在波导的第三侧上或以其它方式邻近于波导的第三侧。例如，第三侧可以沿着引导方向从第一侧延伸到第二侧，在引导方向中，波导在其中将光的传播导向至第二侧的。此外，光检测器阵列可以定位成与第三侧相邻，以检测传播通过波导的第三侧的光。
作为示例，系统可以包括沿着在波导内部传播的引导光的传播路径的反射镜。此外，反射镜可以朝着波导的第三侧倾斜。例如，波导的第二侧可以朝向第三侧倾斜(例如，歪斜)，并且反射镜可以沿着第二侧设置(例如，施加到第二侧的反射材料涂层)。因此，例如，反射镜可以将引导的光(或其一部分)朝向与光检测器阵列相邻的第三侧的特定区域反射，并且反射光可以通过特定区域朝向光检测器阵列传播。
因为沿着波导的长度引导来自孔径的光，所以能够装配到检测区域(例如，邻近于第三侧)的光检测器的数量可以大于可以装配在孔径的横截面面积中的光检测器的数量。这可能是由于：与沿着光检测器阵列相邻的波导第三侧的特定区域相比，光在孔径处更紧密地聚焦，并因此具有更小的横截面积。
其它示例实现也是可能的，并且在本文的示例实施例内进行了更详细的描述。
I|I.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(例示为检测器112和114)，限定在不透明材料120内的孔径122以及透镜130。系统100可以测量场景内的物体104反射或散射的光102。光102也可以至少部分地来自背景源。在一些示例中，可以将系统100纳入光检测和测距(LIDAR)设备中。例如，激光雷达设备可以用于自动驾驶车辆的导航。此外，在一些实施例中，系统100或其部分可以包含在未暴露于外部光(除非是通过透镜130)的区域内。这可以减少到达阵列110中的检测器的环境光量(环境光可能会影响测量)。
阵列110包括光检测器的布置，例示为检测器112和114。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，在其它实施例中，阵列110可以是圆形的或可以具有不同的形状。可以根据从孔径122发散的光110的预期横截面面积来选择阵列110的尺寸。例如，阵列110的尺寸可以基于阵列110与孔径122之间的距离、孔径122的尺寸、透镜130的光学特性以及其它因素。在一些实施例中，阵列110可以是可移动的。例如，阵列110的位置可以是可调节的，以使其更接近孔径122或远离孔径122。为此目的，例如，阵列110可以安装在能够以一维、二维或三维平移的电子平台上。
此外，在一些实施例中，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，该电信号指示入射在阵列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物体104的信息(例如，物体104与孔径122的距离等)。在一些实施例中，阵列110内的一些或全部光检测器可以彼此并联互连。为此目的，例如，取决于阵列110内的光检测器的特定布置和类型，阵列110可以是Si PM或MPPC。通过以并联电路配置连接光检测器，例如，可以组合来自光检测器的输出以有效地增大其中可以检测光102中的光子的检测区域(例如，图1A中所示的阵列110的阴影区域)。
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)内采用雪崩击穿来增加SPAD上给定入射照明的输出电流。此外，SPAD可能能够为单个入射光子生成多个电子-空穴对。在另一个示例中，光检测器112、114等可以包括线性模式雪崩光电二极管(APD)。在某些情况下，APD或SPAD可能会偏压高于雪崩击穿电压。此类偏压条件可以创建具有高于一的环路增益的正反馈环路。此外，偏压在阈值雪崩击穿电压之上的SPAD可以是单光子敏感的。在其它示例中，光检测器112、114等可以包括光敏电阻、电荷耦合器件(CCD)、光伏电池和/或任何其它类型的光检测器。
在一些实现中，阵列110可以在阵列上包括一种以上类型的光检测器。例如，阵列110可以配置成检测光102的多个预定波长。为此目的，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它SPAD。在一些实施例中，光检测器110可以对400nm和1.6μm之间的波长(可见和/或红外波长)敏感。此外，在给定实施例以内或在各个实施例中，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SPAD，其封装尺寸为阵列110的面积的1％、0.1％或0.01％。
不透明材料120可以阻挡场景130中由透镜130聚焦的一部分光102(例如背景光)透射到阵列110。例如，不透明材料120可以配置成阻挡某些背景光，背景光可能不利地影响由阵列110执行的测量的准确性。替代地或附加地，不透明材料120可以阻挡在可由检测器112、114等检测到的波长范围内的光。在一个示例中，不透明材料120可以通过吸收一部分入射光来阻挡透射。在另一个示例中，不透明材料120可以通过反射一部分入射光来阻挡透射。不透明材料120的示例实现的非穷举性列表包括蚀刻金属、聚合物基板、双轴取向聚对苯二甲酸乙二醇酯(BoPET)片材或覆盖有不透明掩模的玻璃，以及其它可能。在一些示例中，不透明材料120以及因此孔径122可以定位在透镜130的焦平面处或附近。
孔径122在不透明材料120内提供端口，光102可以通过该端口透射。孔径122可以以各种方式限定在不透明材料120内。在一个示例中，可以蚀刻不透明材料120(例如，金属等)以限定孔径122。在另一个示例中，不透明材料120可以配置为覆盖有掩模的玻璃基板，并且掩模可以包括限定孔径122的间隙(例如，经由光刻等)。在各种实施例中，孔径122可以至少对于可由光检测器112、114等检测的光的波长部分或全部透明。例如，在不透明材料120是覆盖有掩模的玻璃基板的情况下，孔径122可以定义为玻璃基板的未由掩模覆盖的部分，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可以对于由物体104散射的光102的一个或多个波长几乎但不完全透明(例如，玻璃基板通常不是100％透明的)。替代地，在一些示例中，孔径122可以形成为不透明材料120的中空区域。
在一些示例中，孔径122(与不透明材料120结合)可以配置成在焦平面处空间滤除来自场景的光102。为此目的，例如，光102可以沿着不透明材料120的表面聚焦到焦平面上，并且孔径122可以仅将聚焦光的一部分透射到阵列110。如此，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至0.06mm2之间的横截面积，例如0.04mm2。在其它实施例中，孔径122可以根据各种因素具有不同的横截面积，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。
因此，尽管以上关于孔径122使用的术语“孔径”可以描述不透明材料中的光可以通过其透射的凹口或孔，但是应注意，术语“孔径”可以包括较广泛的光学特征。在一个示例中，如在整个说明书和权利要求书中所使用的，术语“孔径”可以另外包括限定在不透明材料内的透明或半透明结构，光可以至少部分地通过透明或半透明结构透射。在另一个示例中，术语“孔径”可以描述以其它方式选择性地限制光的通过(例如，通过反射或折射)的结构，诸如由不透明材料包围的反射镜。在一个示例实施例中，由不透明材料包围的反射镜阵列可以布置成沿特定方向反射光，从而限定了反射部分，其可以被称为“孔径”。
尽管孔径122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，诸如圆形形状、环形形状、椭圆形形状等。在一些示例中，孔径122可以可替代地具有不规则的形状，其专门设计成解决系统100内的光学像差。例如，键孔形孔径可以帮助解决在发射器(例如，发射光102的光源)和接收器(例如，透镜130和阵列110)之间发生的视差。例如，如果发射器和接收器不位于同一位置，则可能会发生视差。其它不规则孔径形状也是可能的，诸如与预期在特定场景内的特定对象相对应的特定形状的孔径或选择光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聚焦到其中孔径122所定位的焦平面上。通过这种布置，可以在透镜130处将从场景收集的光强度聚焦以具有减小的截面面积，在该截面面积上投影光102(即，增加光102的空间功率密度)。例如，在其它示例中，透镜130可以包括会聚透镜，双凸透镜和/或球面透镜及其它。替代地，透镜130可以实现为彼此接连放置的连续的透镜组(例如，使光在第一方向上聚焦的双凸透镜和使光在第二方向上聚焦的附加的双凸透镜)。其它类型的透镜和/或透镜布置也是可能的。另外，系统100可以包括位于透镜130附近的其它光学元件(例如，反射镜等)，以帮助将入射在透镜130上的光102聚焦在不透明材料120上。
物体104可以是位于系统100周围的场景内的任何物体。在其中将系统100纳入激光雷达设备的实现中，物体104可以由发射光(其一部分可以作为光102返回)的激光雷达发射器照亮。在其中激光雷达设备用于在自动驾驶车辆上导航的示例实施例中，物体104可以是或包括行人、其它车辆、障碍物(例如，树木、垃圾等)或道路标志等。
如上所述，光102可以由物体104反射或散射，通过透镜130聚焦，透射通过不透明材料120中的孔径122，并由阵列110中的光检测器测量。该序列可以发生(例如，在激光雷达设备中)以确定关于物体104的信息。在一些实施例中，由阵列110测量的光102可以附加地或替代地包括由多个物体散射的、由另一激光雷达设备的发射器发射的光，环境光，阳光以及其它可能。
另外，可以基于预期在场景内的物体的类型及其与透镜130的预期距离来选择用于分析物体104的光102的波长。例如，如果预期在场景内的物体吸收了所有波长为500nm的入射光，则可以选择500nm以外的波长来照亮物体104并由系统100进行分析。光102的波长(例如，如果由激光雷达设备的发射器发射的话)可以与产生光102(或其一部分)的源相关联。例如，如果光是由激光二极管产生的，则光102可以包括在波长范围内的光，该波长范围包括900nm(或其它红外和/或可见波长)。因此，各种类型的光源都可以用于产生光102(例如，光纤放大器、各种类型的激光器、具有滤波器的宽带源等)。
图1B是系统100的另一个图示。如图所示，系统100还可以包括滤光器132。滤光器132可以包括任何滤光器，其配置成选择性地透射预定波长范围内的光。例如，滤光器132可以配置成选择性地透射在由发射器140发射的光信号的可见波长范围、红外波长范围或任何其它波长范围内的光。例如，滤光器132可以配置成使特定波长的光衰减或使特定波长的光远离阵列110转移。例如，滤光器132可以使在发射器140发射的波长范围之外的光102的波长衰减或转移。因此，滤光器132可以至少部分地减少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，滤光器132可以相对于阵列110位于各种位置。如图所示，滤光器132位于透镜130和不透明材料120之间。然而，替代地，滤光器132可以位于透镜130与物体104之间，不透明材料120与阵列110之间，与阵列110结合(例如，阵列110可以具有表面屏幕，其中滤光器132或阵列110中的光检测器的每个光检测器可以由单独的滤光器单独覆盖，等等)，与孔径122组合(例如，孔径122可以仅对特定波长范围是透明的，等等)，或者与透镜130组合(例如，设置在透镜130上的表面屏幕、透镜130的材料仅对特定波长范围是透明的，等等)，以及其它可能。
此外，如图1B所示，系统100可以与发射器140一起使用，发射器140发射待由阵列110测量的光信号。发射器140可以包括激光二极管，光纤激光器，发光二极管，激光棒，纳米堆叠二极管棒，灯丝，激光雷达发射器或任何其它光源。如图所示，发射器140可以发射光，光由场景中的物体104散射并最终由阵列110测量(其至少一部分)。在一些实施例中，发射器140可以实现为脉冲激光器(与连续波激光器相反)，从而允许增加的峰值功率，同时保持等效的连续功率输出。
下面是将由透镜130接收的背景光的量与由阵列110检测的信号光的量进行比较的数学图示。如图所示，物体104与透镜130之间的距离为“d”，透镜130与不透明材料120之间的距离为“f”，并且不透明材料120与阵列110之间的距离为“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距物体104的距离为“d”。
出于示例的目的，假设垂直入射的阳光完全照亮物体104，其中阳光代表背景光源。此外，假设照亮物体104的所有光根据朗伯特的余弦定律进行散射。另外，假设阵列110完全检测到到达阵列110的所有光(背景光和信号光)。
可以使用以下等式计算由发射器140发射的到达孔径122并进而到达阵列110的信号(si gnal)的功率：
其中Psignal代表由发射器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代表发射器140发射的功率(以W为单位)，Γ代表物体104的反射率(例如，根据朗伯特余弦定律)，以及Alens代表透镜130的横截面面积。
可以如下计算到达透镜130的背景光：
其中代表到达透镜130的背景光(由阳光从物体104散射而引起)的辐射度(例如，以/>为单位)，背景光位于将由滤光器132选择性地通过的波长带内，/>代表由于太阳(即背景源)引起的辐照度(例如，以/>为单位)，以及Tfilter代表滤光器132(例如，带通滤光器)的透射系数。/>的因子与垂直入射时物体104的朗伯特散射假设相关。
孔径122减少了被允许传输到阵列110的背景光的量。在透射通过孔径122之后，为了计算到达阵列110的背景光的功率，要考虑孔径122的面积。可以如下计算孔径122的横截面面积(Aaperture)：
Aaperture＝w×h
其中Aaperture代表孔径122相对于物体104的表面积，以及w和h分别代表孔径122的宽度和高度(或长度)。另外，如果透镜130是圆形透镜，则可以如下计算透镜130的横截面面积(Alens)：
其中dlens代表透镜的直径。
因此，可以如下计算通过孔径122透射到阵列110的背景功率：
其中Pbackground代表入射在阵列110上的背景功率，以及代表以弧度表示的接受立体角。上式表明，Pbackground是由透镜130和孔径122减少后的背景信号中的辐射度的量。
将以上确定的值替换为Aaperture和Alens，可以得出：
另外，数量可以称为透镜130的“F数量”。因此，再进行一次替代后下面可以推断出背景功率：
进行类似的替换，下面可以推断出对于从发射器140发射的到达阵列110的信号功率：
此外，可以通过将Psignal与Pbackground进行比较来确定系统100的信噪比(SNR)。如展示的，由于包括孔径122，特别是对于具有较小w和/或较小的h的孔径(上面Pbackground等式的分子)，背景功率(Pbackground)可以相对于信号功率显著降低。除了减小孔径面积之外，通过发射器140增加发射功率(Ptx)，减小透射系数(Tfilter)(即，减少通过滤光器透射的背景光的量)以及增加物体104的反射率(Γ)也可能是增大SNR的方法。此外，应注意，在其中发射器140发射脉冲信号的实现中，与背景功率相反，背景的散粒噪声在计算SNR时可能是主要相关的。因此，在一些实现中，可以通过将散粒噪声与信号功率进行比较来替代地计算SNR。
如图1A所示，光102在其传播离开孔径122时发散。由于发散，阵列110处的检测区域(例如，示出为由光102照射的阴影区域)可以大于孔径122的横截面面积。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)可以导致入射在阵列110上的光强度(例如，以为单位测量)降低。
在其中阵列110包括SPAD或其它具有高灵敏度的光检测器的实施例中，光强度的降低可能特别有益。例如，SPAD的灵敏度来自较大的反向偏置电压，该反向偏置电压会在半导体内部产生雪崩击穿。例如，可以通过吸收单个光子来触发雪崩击穿。一旦SPAD吸收了单个光子并且雪崩击穿开始，SPAD就无法检测到其它光子，直到SPAD淬灭(例如，通过恢复反向偏置电压)。直到SPAD淬灭的时间可以被称为恢复时间。如果其它光子以接近恢复时间的时间间隔到达(例如，在十倍以内)，则SPAD可能开始饱和，因此SPAD的测量可能变得不太可靠。通过降低入射在阵列110内的任何单独的光检测器(例如SPAD)上的光功率，阵列110中的光检测器(例如SPAD)可以保持不饱和。结果，由每个单独的SPAD的光测量可以具有提高的准确性。
图2A是根据示例实施例的激光雷达设备200的简化框图。在一些示例实施例中，可以将激光雷达设备200安装到车辆，并用于绘制车辆的周围环境(例如，包括物体204的场景等)。如图所示，激光雷达设备200包括可以类似于发射器140的激光发射器240，控制器250以及可以类似于系统100的噪声限制系统290，旋转平台294和一个或多个致动器296。在本示例中，系统290包括光检测器阵列210，在其中限定有孔径的不透明材料220(未示出)以及透镜230，其可以分别类似于阵列110、不透明材料120和透镜130。应注意，替代地，激光雷达设备200可以包括比所示出的组件更多或更少的组件。例如，激光雷达设备200可以包括滤光器(例如，滤光器132)。因此，系统290可以实现成类似于系统100和/或本文描述的任何其它噪声限制系统。设备200可以操作发射器240朝着包括物体204的场景发射光202，其可以分别类似于发射器140、光102和物体104。然后，设备200可以检测散射光202以绘制或以其它方式确定关于对象204的信息。
控制器250可以配置成控制激光雷达设备200的组件并分析从激光雷达设备200的组件(例如，光检测器的阵列210)接收的信号。为此目的，控制器250可以包括一个或多个处理器(例如，微处理器等)，其执行存储在设备200的存储器(未示出)中的指令以操作设备200。附加地或替代地，控制器250可以包括数字或模拟电路，其接线以执行本文描述的各种功能中的一个或多个功能。
旋转平台294可以配置成围绕轴线旋转以调整激光雷达200的指向方向(例如，发射光202相对于环境的方向等)。为此目的，旋转平台294可以由适合于支撑激光雷达200的一个或多个组件的任何固体材料形成。例如，系统290(和/或发射器240)可以由旋转平台294(直接或间接)支撑，以使得这些组件中的每个组件相对于环境移动，同时响应于旋转平台294的旋转而保持在特定的相对布置中。特别地，安装的组件可以围绕轴线(同时)旋转，以便激光雷达200可以在扫描周围环境的同时调整其指向方向。以这种方式，可以通过将旋转平台294致动到围绕旋转轴线的不同方向来水平地调整激光雷达200的指向方向。在一个示例中，可以将激光雷达200安装在车辆上，并且可以将旋转平台294旋转以在从车辆的各个方向上扫描周围环境的区域。
为了以这种方式旋转平台294，一个或多个致动器296可以致动旋转平台294。为此目的，致动器296可以包括电动机，气动致动器，液压活塞和/或压电致动器，以及其它可能。
通过这种布置，控制器250可以操作致动器296以各种方式旋转旋转平台294，以便获得关于环境的信息。在一个示例中，旋转平台294可以围绕轴线在任一方向上旋转。在另一个示例中，旋转平台294可以执行围绕轴线的完整旋转，使得激光雷达200扫描环境的360°视野(FOV)。在又一个示例中，旋转平台294可以在特定范围内旋转(例如，通过围绕轴线从第一角度位置重复旋转到第二角度位置，然后返回到第一角度位置等)以扫描环境的较窄的FOV。其它示例是可能的。
此外，旋转平台294可以以各种频率旋转，以便使激光雷达200以各种刷新率扫描环境。在一个实施例中，激光雷达200可以配置成具有10Hz的刷新率。例如，在激光雷达200配置成扫描360°FOV的情况下，致动器296可以以每秒十次的完整旋转使平台294旋转。
图2B示出了激光雷达设备200的透视图。如图所示，设备200还包括发射器透镜231，其将发射器240发出的光引向设备200的环境。
为此目的，图2B示出了设备200的示例实现，其中发射器240和系统290各自具有单独的相应光学透镜231和230。然而，在其它实施例中，设备200可以替代地配置成具有用于发射器240和系统290两者的单个共享透镜。通过使用共享的透镜来引导发射光并接收入射光(例如，光202)，可以提供关于尺寸、成本和/或复杂性方面的优点。例如，利用共享的透镜布置，设备200可以从与(由系统290)从其接收光202的角度不同的角度减小与(由发射器240)透射光相关的视差。
如图2B所示，由发射器240发射的光束沿着激光雷达200的指向方向从透镜231传播到激光雷达200的环境，然后可以反射环境中的一个或多个物体作为光202。然后，激光雷达200可以接收反射光202(例如，通过透镜230)，并提供与一个或多个物体有关的数据(例如，一个或多个物体与激光雷达200之间的距离等)。
此外，如图2B所示，旋转平台294以所示的特定相对布置安装系统290和发射器240。作为示例，如果旋转平台294围绕轴线201旋转，则可以根据所示的特定相对布置同时改变系统290和发射器240的指向方向。通过此过程，激光雷达200可以根据激光雷达200围绕轴线201的不同指向方向来扫描周围环境的不同区域。因此，例如，设备200(和/或另一个计算系统)可以通过处理与围绕轴线201的激光雷达200的不同指向方向相关联的数据来确定设备200的环境的360°(或更小角度)视图的三维地图。
在一些示例中，轴线201可以是基本垂直的。在这些示例中，可以通过围绕轴线201旋转系统290(和发射器240)来水平调整设备200的指向方向。
在某些示例中，系统290(和发射器240)可以(相对于轴线201)倾斜以调整激光雷达200的FOV的垂直程度。作为示例，激光雷达设备200可以安装在车辆的顶部。在本示例中，系统290(和发射器240)可以(例如，朝向车辆)倾斜以从更靠近其中车辆所在的驾驶表面的环境区域收集比来自车辆上方的环境区域的数据点更多的数据点。激光雷达设备200的其它安装位置、倾斜配置和/或应用也是可能的(例如，在车辆的不同侧上，在机器人设备上或在任何其它安装表面上)。
应注意，设备200的各种组件的形状、位置和大小可以变化，并且如图2B所示仅出于示例的目的。
现在返回到图2A，在一些实现中，控制器250可以使用与阵列210测量的信号相关的定时信息来确定物体204的位置(例如，距激光雷达设备200的距离)。例如，在其中激光发射器240是脉冲激光器的实施例中，控制器250可以监视输出光脉冲的定时，并将这些定时与阵列210测量的信号脉冲的定时进行比较。例如，控制器250可以基于光的速度和光脉冲的传播时间(这可以通过比较定时来计算)来估计设备200与物体204之间的距离。在一种实现中，在平台294的旋转期间，发射器240可以发射光脉冲(例如，光202)，并且系统290可以检测所发射的光脉冲的反射。然后，设备200(或处理来自设备200的数据的另一个计算机系统)可以基于所发射的光脉冲的一个或多个特征(例如，定时、脉冲长度、光强度等)与其检测到的反射的比较来生成扫描环境的三维(3D)表示。
在一些实现中，控制器250可以配置成考虑视差(例如，由于激光发射器240和透镜230未位于空间中的相同位置处而引起)。通过考虑视差，控制器250可以提高输出光脉冲的定时与由阵列210测量的信号脉冲的定时之间的比较精度。
在一些实现中，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，诸如平台294)。作为另一个示例，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。在一些实现中，控制器250还可以控制设备200的其它操作方面，诸如沿着光202的传播路径添加或移除滤光器(例如滤光器132)，调整设备200的各个组件(例如阵列210，不透明材料220(和其中的孔径)，透镜230等)的相对位置，以及其它可能。
在一些实现中，控制器250还可以调节材料220内的孔径(未示出)。在一些实施例中，可以从在不透明材料内限定的多个孔径中选择孔径。在此类实施例中，MEMS镜可以位于透镜230和不透明材料220之间，并且可以由控制器250调节以将聚焦光从透镜230引导到多个孔径中的一个孔径。在一些实施例中，各种孔径可以具有不同的形状和尺寸。在其它实施例中，可以由虹膜(或其它类型的隔膜)限定孔径。虹膜可以由控制器250扩展或收缩，例如以控制孔径的尺寸或形状。
因此，在一些示例中，激光雷达设备200可以修改系统290的配置以获得关于对象204和/或场景的附加或不同信息。在一个示例中，控制器250可以响应于确定系统从场景接收的背景噪声当前相对较低(例如，在夜间)而选择较大的孔径。例如，较大的孔径可以允许系统290检测光202的一部分，否则其将由透镜230聚焦到孔径外部。在另一个示例中，控制器250可以选择不同的孔径位置来拦截光202的该部分。在又一个示例中，控制器250可以调整孔径和光检测器阵列210之间的距离(例如，图1B中所示的距离“x”)。通过这样做，例如，也可以调节阵列210中的检测区域的横截面面积(即，阵列210处的光202的横截面面积)(例如，图1A中所示的阴影区域)。
然而，在某些情况下，系统290的配置可以修改的程度可能取决于各种因素，诸如激光雷达设备200或系统290的尺寸以及其它因素。例如，返回参考图1A，阵列110的尺寸可以取决于光102从孔径122的位置到阵列110的位置的发散程度(例如，图1B中所示的距离“x”)。因此，例如，阵列110的最大垂直程度和水平程度可以取决于可用于在激光雷达设备内容纳系统100的物理空间。类似地，例如，阵列110与孔径122之间的距离“x”的可用值范围(如图1B所示)也可能受到其中采用系统100的激光雷达设备的物理限制。
因此，本文描述了用于空间有效的噪声限制系统的示例实现，其增加了其中光检测器可以拦截来自场景的光并减少背景噪声的检测面积。
图3A是根据示例实施例的包括孔径和波导的噪声限制系统300的图示。图3B示出了根据示例实施例的系统300的横截面视图。在一些实现中，代替系统290或者除了系统290之外，系统300可以与设备200一起使用。如图所示，系统300可以测量由场景内的物体304反射或散射的光302，其分别类似于系统100、光102和物体104。此外，如图所示，系统300包括光检测器阵列310、不透明材料320、孔径322和透镜330，其分别类似于阵列110、材料120、孔径122和透镜130。为了举例，与孔径122的形状(矩形)相比，孔径322示出为具有不同的形状(椭圆形)。然而，根据上面的讨论，孔径322的各种形状是可能的。如图所示，系统300还包括波导360(例如，光波导等)，其设置成接收透过孔径322透射并投射到波导360的接收侧360a(例如阴影区域)上的光302(或其一部分)。如图所示，系统300还包括设置在波导360的侧360b上的反射镜352。
可以由玻璃基板(例如，玻璃板等)，光致抗蚀剂材料(例如，SU-8等)、或至少对光302的一种或多种波长部分透明的任何其它材料形成波导360。此外，在一些示例中，可以由折射率与波导360周围的材料不同的材料形成波导360。因此，例如，波导360可以在波导360的一个或多个边缘、侧、壁等处经由内反射(例如，全内反射等)来引导在其中传播的光。
反射镜352可以包括任何反射材料，该反射材料具有适于(至少部分地)反射在波导360中引导的光302的波长的反射特性。为此目的，示例反射材料的非穷举列表包括金、铝、其它金属或金属氧化物、合成聚合物、混合颜料(例如，纤维粘土和染料等)，以及其它示例。如图所示，反射镜352朝向波导360的侧360c以偏移角390(即，反射镜352和侧360a之间的角度)倾斜(例如，相对于侧360a的取向和/或波导360的引导方向)。通常，反射镜352沿着在波导360内传播的至少一部分引导光302的路径定位(从侧360a朝向侧360b)。在一个实施例中，如图所示，反射镜352可以设置在波导360的侧360b上。例如，侧360b可以形成为相对于侧360a的取向具有偏移角或倾斜角390，并且反射镜352可以设置在侧360b上(例如，经由化学气相沉积、溅射、机械联接或任何其它沉积处理)。然而，在其它实施例中，可选地，反射镜352可以设置在波导360内部(例如，在侧360a和360b之间)。在一个实施例中，反射镜352的偏移角或倾斜角390是45°。然而，其它偏移角也是可能的。
如图所示，波导360可以位于不透明材料320附近和/或与不透明材料320接触，使得波导360的接收侧360a(例如，输入端部)接收通过孔径322透射的光302。然后，波导360可以经由例如全内反射或受抑全内反射(FTI R)将波导360内的至少一部分接收光302导向至波导360的输出端部。例如，在图3A和图3B所示的实施例中，波导360可以将接收光302导向至与侧360a相对的侧360b。
此外，如图3B最佳所示，波导360可以在侧360c和360d之间垂直延伸。侧360c和360d可以各自在侧360a和360b之间延伸(例如，沿着波导360的引导方向)。在一些示例中，侧360c可以对应于波导360的相对较高折射率介质(例如，玻璃、光致抗蚀剂、环氧树脂等)和邻近侧360c(和/或波导360的一个或多个其它侧)的相对较低折射率介质(例如空气、真空、光学粘合剂等)之间的界面。因此，例如，如果引导光302以小于临界角的角度传播到侧360c(例如，这可以基于侧360c处的材料的折射率的比率等)，则入射在侧360c上的引导光(或其一部分)可以反射回波导360。类似地，如图3A中最佳示出的，波导360可以在侧360e和波导360的与侧360e相对的另一侧(未示出)之间水平延伸，以例如控制引导光的水平发散。
反射镜352可以将至少一部分引导光302(在波导360内引导)朝向侧360c的特定区域反射并离开波导360，如图3B所示的箭头302a和302b所指示的。例如，可以选择反射镜352的偏移角或倾斜角390，使得来自反射镜352的反射光302a、302b以大于临界角的角度朝向侧360c的特定区域传播，并且因此，反射光302a、302b可以(至少部分地)透射通过侧360c，而不是反射回波导360(例如，经由全内反射等)。此外，光检测器阵列310可以定位在侧360c的特定区域附近(反射光302a、302b通过该区域透射)以接收反射光302a、302b。
因此，与光检测器阵列110不同，光检测器阵列310可以与波导360的引导方向(如图3A和图3B所示)对准(例如，邻近侧360c)，以拦截和检测从侧360c传播出的反射光302a、302b。利用这种配置，系统300可以提供用于拦截光302的增加的检测面积，并同时还有效地利用不透明材料320后面的空间。
应注意，图3A和图3B所示的各种组件和特征的尺寸、位置、取向和形状不一定是按比例的，而是为了描述方便而示出的。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，可以组合所示的一个或多个组件，或者将其分成单独的组件。
在第一实施例中，光检测器阵列310可以替代地设置(例如，成型等)在侧360c。
在第二实施例中，波导360和孔径322之间的距离可以变化。在一个示例中，如图3A和图3B所示，波导360可以沿着不透明材料320设置(例如，与其接触等)。因此，例如，侧360a(即，波导360的输入端部)可以基本上与孔径322共面或接近孔径322。例如，利用这种布置，波导360可以在通过孔径302透射的光302发散之前接收和引导光302。然而，在其它他示例中，波导360可以替代地定位在离不透明材料320(和孔径322)一定距离(例如，间隙)的位置处。例如，光学粘合剂可以用于将不透明材料320与波导360联接。
在第三实施例中，孔径322(和/或波导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/或波导360的输入端部)可以沿着透镜330的焦平面设置。在另一个示例中，孔径322(和/或波导360的输入端部)可以平行于透镜330的焦平面设置，但是与焦平面和透镜330之间的距离相比，其与透镜330的距离不同。因此，在本示例中，可以根据系统300的应用调整系统300的光学特性(例如，焦点配置等)。如此，在一些情况下，聚焦光302可以在开始向侧360b发散之前继续在波导360内会聚(在通过孔径322透射之后)。在一些情况下，系统300还可以包括致动器，其移动透镜330、不透明材料320和/或波导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/或波导360的侧360a)可以相对于透镜330的焦平面以偏移取向布置。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)，以调节光302进入波导360的入射角。通过这样做，控制器(例如，控制器250)可以根据各种因素(诸如透镜330的透镜特性、系统300的环境(例如，以减少来自扫描场景的特定区域的噪声/干扰等)，以及其它他因素)进一步控制系统300的光学特性。
在第四实施例中，可以省略材料320，并且侧360a可以替代地沿着或平行于透镜330的焦平面定位。在本实施例中，侧360a因此可以对应于孔径。
在第五实施例中，阵列310中的光检测器可以替代地实现为联接到波导360(例如，设置在其上或对其成型等)的独立物理结构。
在第六实施例中，光检测器阵列310可以实现为替代地或附加地重叠波导360的其它各侧(例如，侧360e、侧360d等)。因此，在本实施例中，阵列310中的光检测器可以在更大的检测区域上检测传播出波导360的光。
在第七实施例中，波导360可以替代地具有圆柱形形状，诸如光纤，或任何其它形状。在本实施例中，阵列310中的光检测器可以替代地布置成(至少部分地)围绕光纤的外表面，以接收从光纤的圆柱形外表面传播出的反射光302a、302b。因此，在一些示例中，波导360可以实现为刚性结构(例如，平板波导)或柔性结构(例如，光纤)。例如，波导360可以替代地配置为波导扩散器，该波导扩散器将通过孔径322透射的光302(或其一部分)扩散到检测区域，与垂直于发散光102的传播方向的平坦表面(例如，图1A所示的阴影区域)相反，该检测区域可以具有各种形状或位置。
图4A示出了根据示例实施例的包括多个波导460、462、464、466的噪声限制系统400的局部顶视图。应注意，为了描述方便，在图4A的图示中省略了系统400的一些组件，诸如光检测器等。为了便于说明，图4A示出了x-y-z轴，其中z轴指向页面外。
系统400可以类似于系统100、290和/或300中的任何一个系统，并且可以代替设备200的系统290或者附加于其进行使用。如图所示，系统400包括不透明材料420和透镜430，其可以分别类似于不透明材料320和透镜330。此外，如图所示，系统400包括多个波导460、462、464、466，波导中的每个波导可以类似于波导360。
例如，类似于系统300的透镜330、光302和不透明材料320，透镜430可以将来自场景的光402聚焦到不透明材料420上。然而，与系统300不同，不透明材料420可以限定分别与波导460、462、464、466对准(例如，邻近)的多个孔径422、424、426、428。因此，利用这种布置，系统400可以配置成在孔径422、424、426、428的相应位置处同时捕获来自由透镜430投射在不透明材料420上的聚焦光402的多个区域的光部分。每个光部分可以由波导460、462、464、466中的相应一个波导引导到光检测器的相应阵列上，该光检测器相应阵列的横截面检测面积大于相应孔径的横截面面积。通过这个过程，例如，系统400可以通过沿着透镜430的焦平面以水平排列(例如，在x-y平面中)定义多个接收通道来捕获扫描场景的1D图像。
此外，如图所示，波导460、462、464、466中的每个波导在邻近不透明材料420的相应输入端部和相应波导的相应的相对输出端部(例如，类似于侧360b等)之间可以具有不同的长度。例如，利用这种布置，系统400可以允许有效地利用空间，其中可以为波导460、462、464、466中的每一个波导设置相应的光检测器阵列。
尽管图4A示出了四个波导460、462、464、466，但是系统400可以替代地包括更少或更多的波导(并因此包括不同数量的接收信道)。在一个实施例中，系统400可以包括邻近不透明材料420水平排列(例如，在x-y平面中)的64个波导。其它波导布置也是可能的。此外，应注意为系统400的各种组件示出的各种尺寸、形状和位置(例如，相邻波导之间的距离等)不一定是按比例绘制的，而是为了描述方便而示出的。
图4B示出了图4A的系统400的横截面视图。在图4B所示的横截面视图中，y轴延伸穿过页面。应注意，为了描述方便，在图4B的图示中省略了系统400的一些组件，诸如透镜430。
如图所示，系统400还包括光检测器阵列410、反射镜452(也在图4A中示出)、第一基板470、第二基板472、第三基板474、第一光学粘合剂476、第二光学粘合剂478、滤光器480、一个或多个光学屏蔽482、支撑结构484和光学元件486。此外，如图所示，不透明材料420(例如，炭黑等)限定了与波导460的第一侧相邻的孔径422，其分别类似于不透明材料320和波导360的布置。
阵列410和反射镜452可以分别类似于阵列310和反射镜352。例如，反射镜452可以将波导460内部引导的光朝向阵列410反射出波导460。例如，如图所示，反射镜452可以设置在波导460的倾斜侧(与邻近不透明材料420的侧相对)，以将引导光朝向阵列410反射。
基板470、472、474可以由任何透明固体材料形成，该材料配置成允许光通过相应的基板传播(例如，光的波长透射通过孔径422、由波导460引导和/或由反射镜452朝向阵列410反射)。例如，基板470、472、474可以包括玻璃基板。
光学粘合剂476、478可以由任何类型的材料形成，该材料从液体形式固化成固体形式，以将系统400的一个或多个组件彼此附接。示例性光学粘合剂可以包括光聚合物或其它聚合物，其可以从透明、无色的液体形式转变成固体形式(例如，响应于暴露于紫外光或其它能量源)。
如图所示，粘合剂476可以设置在基板470和472之间并围绕波导460的一个或多个侧，以将基板470与基板472联接。利用这种布置，例如，沿着x-y平面的多个波导(例如，波导460、462、464、466等)可以相对于彼此支撑在特定的布置中(例如，在x-y平面中水平地布置)。此外，如图所示，粘合剂478可以设置在不透明材料420和波导之间，波导夹在基板470和472之间。
在一个示例场景中，基板470、472之间的波导布置可以组装成“芯片”，然后在基板470、472的边缘附近切割该“芯片”而不切断两个基板之间的“夹层”波导中的任何波导。例如，在切割之后，粘合剂476的一部分仍然可以包围波导460的邻近不透明材料420的侧。接下来，在本示例中，第二粘合剂478可以用于将不透明材料420附接到波导夹层结构。此外，例如，可以由与476类似的材料形成(例如，相同的折射率等)粘合剂478。结果，通过孔径传播的光可以在基本均匀的光学介质(例如，粘合剂476、478)中继续朝向波导460传播，以减少或防止光在到达波导460之前的反射或折射。为此目的，如图所示，粘合剂478可以延伸穿过由不透明材料420限定的孔径，以将基板474联接(例如，附接)到基板470和472。
可选地，在一些实施例中，系统400可以包括夹层波导布置，而在基板470、472的边缘和波导之间没有间隙。例如，可以通过切割基板470、472和波导来形成波导夹层布置。在本示例中，波导可以由具有足够硬度的材料形成，以减轻由于切割造成的损坏。此外，在本示例中，可选地，可以在切割后对波导的切割面进行抛光，以改善切割面的平滑度。
滤光器480可以包括配置成衰减朝向波导460传播的光的任何滤光器。例如，在系统400用于激光雷达设备的情况下，滤光器480可以配置成衰减激光雷达设备的发射器发射的光的波长范围之外的光的波长。通过这样做，例如，滤光器480可以减少到达阵列410的环境光或背景光的量，从而提高使用阵列410获得的测量的精度。如图所示，滤光器480可以设置在基板474的一侧上(与邻近不透明材料420的侧相对的侧)。
在另一个实施例中，滤光器480可以可选地设置在邻近不透明材料420的一侧上或者设置在光到达阵列410之前，沿着光的传播路径的任何其它位置处。在又一个实施例中，基板474可以由具有滤光器480的滤光特性的材料形成。因此，在本实施例中，可以从系统400中省略滤光器480(即，滤光器480的功能可以由基板474执行)。在另一个实施例中，滤光器480可以实现为多个(例如，更小的)滤光器，其各自设置在基板474和光检测器阵列中的相应一个阵列之间。例如，第一滤光器可以用于衰减朝向阵列410传播的光，以及第二独立滤光器可以用于衰减朝向另一个光检测器阵列(未示出)传播的光，等等。
在一些示例中，基板474(和滤光器480)可以延伸穿过图4B中所示的页面(例如，沿着y轴)，以类似地衰减朝向波导462、464和466传播的光。
光学屏蔽或光屏蔽482可以包括一种或多种光吸收材料(例如，炭黑、黑铬、黑色塑料等)，其布置在阵列410周围，以减少或防止光(除了反射镜452反射的光)到达阵列410。返回参考图4A，例如，类似于阵列410的一个或多个光检测器阵列可以彼此靠近地设置在支撑结构484上。例如，来自每个阵列的数据可以对应于系统400的接收信道。因此，在本示例中，光屏蔽482可以通过将每个阵列屏蔽于旨在由另一个附近阵列接收的光来防止相应接收信道之间的串扰。附加地或替代地，光屏蔽482可以帮助减少来自其它源(例如，环境光等)的光到达阵列410。此外，利用这种布置，例如，多个光检测器阵列可以彼此密集地包装，以实现系统400中空间的有效利用。
例如，支撑结构484可以包括安装光检测器组(包括阵列410)的印刷电路板(PCB)，其中每个组由光学屏蔽分开，诸如光学屏蔽482。替代地或附加地，结构484可以包括任何其它固体材料，其具有适于支撑阵列410和/或一个或多个其它光检测器阵列的材料特性。
在一些实现中，系统400包括设置在反射镜452和阵列410之间的光学元件486。光学元件486可以包括任何光学元件或光学元件的组合，其修改由反射镜452朝向阵列410反射的光的光学特性。在一个示例中，光学元件486包括混合棒或均化器，其配置成在到达阵列410之前分配反射光的能量密度。当由反射镜452反射的光具有不均匀的能量分布时，这可能是有用的。此外，在一些情况下，阵列410中的光检测器可以包括单光子检测器(例如，雪崩光电二极管等)，其与检测到光子后的“猝灭”时间段相关联。使用光学元件486分配光的能量可以降低第二光子在“猝灭”时间段到达相同光检测器的可能性，因为可以引导第二光子朝向阵列410中的不同光检测器。在一些示例中，光学元件486可以替代地或附加地包括其它类型的光学元件，诸如透镜、滤光器等。
图4C示出了系统400的另一个横截面视图。在图4C的横截面视图中，安装阵列410的支撑结构484的表面平行于页面(例如，所示的x-y-z轴的x-y平面)。如图所示，支撑结构484安装多个光检测器阵列410、412、414、418。为此目的，阵列412、414和416可以包括多个光检测器，其类似于阵列310、410等中的任何一个阵列。例如，阵列412、414、416中的每一个阵列可以包括彼此并联连接的多个APD(或SPAD)(例如，Si PM、MPCC等)。此外，阵列412、414、418可以分别与从波导462、464、468传播出的反射光对准(如图4A所示)，其类似于阵列410与波导460的对准。
此外，如图所示，光屏蔽482(例如，炭黑等)布置为蜂窝结构，其中蜂窝结构的每个单元屏蔽阵列410、412、414、418的光检测器的相应阵列。然而，光屏蔽482的其它布置也是可能的(例如，矩形单元、其它形状的单元等)。因此，在一些示例中，系统400的这种布置可以允许光检测器的多个阵列的空间有效放置(例如，各自沿着与系统400中的相应波导对准的标志)，同时屏蔽朝向每个相应阵列传播的光到达相邻的阵列)。
尽管在图4A至图4C中未示出，但是系统400可以包括附加的波导，其各自与蜂窝形光屏蔽482中的不同单元对准。在一个示例中，系统400可以包括类似于波导460(例如，在x-y平面中水平布置的波导阵列)设置在基板472上的多于四个的波导(如图4B所示)。
在另一个示例中，系统400可以包括附加波导，其沿着不同的水平面安装(例如，设置在基板470上)，并且还与蜂窝形光屏蔽482中的相应光检测器阵列(未示出)对准。在本示例中，不透明材料420可以包括与这些附加波导对准的附加孔径。利用这种布置，系统400可以对透镜430的焦平面的附加区域成像，以提供与聚焦光402相关联的场景的二维(2D)扫描图像。可选地或附加地，可以旋转或移动系统400的整个组件以生成场景的2D扫描图像。
因此，在示例中，系统400可以配置成在相对较大的检测区域(例如，阵列410、412、414、416)上同时检测通过相邻孔径传播的光(即，对应于聚焦光402的部分)，同时防止来自相应相邻孔径的光之间的重叠。作为示例，不透明材料420可以包括沿着透镜430的焦平面的孔径的网格，并且网格中的每个孔径可以检测来自透镜430的FOV的特定部分的光。在一个实施例中，不透明材料420可以包括四行孔径、每行64个孔径，其中每行沿着图4A所示的y轴，并且与邻排的孔径以偏移量相隔(例如，沿着z轴)。在本实施例中，系统400可以提供4*64＝256个接收信道。其它实施例也是可能的。
因此，系统400可以允许通过不透明材料420中的孔径透射的光402所指示的场景的多像素成像，同时还减少了背景噪声，因为只有一小部分相应的光(及其相关的背景噪声)透射通过每个相应的波导。例如，来自阵列410中的光检测器的组合输出可以对应于指示通过第一孔径透射的光的第一像素，来自阵列412中的光检测器的组合输出可以对应于指示通过第二孔径透射的光的第二像素，来自阵列414中的光检测器的组合输出可以对应于指示通过第三孔径透射的光的第三像素，以及来自阵列416中的光检测器的组合输出可以对应于指示通过第四孔径透射的光的第四像素。如此，例如，设备200的控制器250可以通过组合四个(相邻)像素来计算场景的一维(1D)图像(例如，在y-z平面中水平地设置)。
尽管波导460、462、464、466在图4A中示出为水平布置(例如，沿着x-y平面布置)，但是在一些示例中，系统400可以包括不同布置的波导。在第一示例中，波导的接收侧可以可选地或附加地垂直布置(例如，沿着y-z平面)，以获得场景的垂直1D图像。在第二示例中，波导的接收侧可以可选地与不透明材料420相邻地水平和垂直布置(例如，作为二维网格)。例如，系统400可以包括水平布置的附加波导(例如，设置在图4B的基板470上，等等)。在这种情况下，系统400可以类似地基于沿着y-z平面的孔径组装多个水平像素(但是在不同于波导460、462、464、466的孔径的z高度处(垂直位置))。因此，在本示例中，控制器250可以组合来自波导的输出以生成场景的二维(2D)图像(例如，系统400可以组合来自z轴上的多个垂直位置的水平像素以生成场景的2D图像)。
在一些示例中，由不透明材料420限定的各个孔径可以相对于彼此具有不同的尺寸。作为示例，邻近波导460的第一孔径可以具有比邻近波导462的第二孔径更大的尺寸。在本示例中，由于入射到相应波导460和462上的光402的相应部分的横截面面积之间的差异，在阵列410处检测到的光可以代表相对于由入射到阵列412上的光指示的角度视野(FOV)的扫描场景的更大角度FOV。
替代地或附加地，在一些示例中，波导460、462、464、466可以具有彼此不同的宽度。在这些示例中，相应波导的横截面面积之间的差异可以类似地导致经由相应波导检测到的扫描场景的不同的相应角度视野。
III.示例方法和计算机可读介质
图5是根据示例实施例的方法500的流程图。方法500体现了例如可以与系统100、300、400和/或设备200中的任何一个一起使用的方法的实施例。方法500可以包括如框502至512中的一个或多个框所示的一个或多个操作、功能或动作。尽管以顺序的序列示出这些框，但是在某些情况下，这些框可以并行执行，和/或以不同于本文描述的顺序执行。此外，多个框可以组合成更少的框，拆分成附加的框，和/或基于目标实现进行删除。
此外，对于在本文公开的方法500和其它过程和方法，流程图示出了本实施例的一种可能实现的功能和操作。在这点上，每个框可以代表模块、段、制造或操作过程的一部分或程序代码的一部分，其包括可由处理器执行的一个或多个指令以用于实现过程中的特定逻辑功能或步骤。程序代码可以存储在任何类型的计算机可读介质上，例如，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态性计算机可读介质，例如，计算机可读介质，其存储用于短时间的数据，如寄存器存储器、处理器高速缓存和随机存取存储器(RAM)。计算机可读介质还可以包括非暂态性介质，诸如二级或永久长期存储，如只读存储器(ROM)、光盘或磁盘、光盘只读存储器(CD-ROM)。计算机可读介质也可以是任何其它易失性或非易失性存储系统。可以认为计算机可读介质是例如计算机可读存储介质或有形存储设备。此外，对于本文公开的方法500和其它过程和方法，图5中的每个框可以表示连线以执行过程中的特定逻辑功能的电路。
在框502，方法500包括通过相对于场景设置的透镜(例如，透镜330)聚焦来自场景的光。在一些示例中，来自场景的光可以由场景内的物体(例如，物体304)反射或散射。在一些示例中，计算设备(例如，控制器250)可以启动或以其它方式调整透镜的特性(例如，焦平面、焦距等)。在框504，方法500包括通过在不透明材料(例如，不透明材料320)内限定的孔径(例如，孔径322)透射聚焦的光。在框506，方法500包括在波导的第一侧(例如，侧360a)接收透射通过孔径的光的至少一部分。在框508，方法500包括通过波导将接收光引导至波导的第二侧(例如，侧360b)。在框510，方法500包括经由反射镜将引导光反射至在第一侧和第二侧之间延伸的波导的第三侧(例如，侧360c)。在框512，方法500包括在光检测器阵列处检测从波导的第三侧传播出的反射光(例如，302a、302b)。
在一些示例中，方法500还包括基于阵列(例如，110)中彼此并联连接的光检测器(例如，112、114等)(例如，Si PM)来组合来自阵列中的光检测器的输出。
I V.结论
以上具体实施方式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。虽然本文已公开各种方面和实施例，但其它方面和实施例将是显而易见的。本文公开的各种方面和实施例仅为了说明的目的，而且并不旨在进行限制，其中真实的范围由以下权利要求书指示。

Claims (40)

1.一种系统，包括:
不透明材料，其限定多个孔径；
透镜，其相对于场景设置，其中所述透镜聚焦来自场景的光到所述多个孔径上；
多个光检测器阵列；和
多个波导，其中所述多个波导中的每个波导将所述多个孔径中的相应孔径与所述多个光检测器阵列中的相应的光检测器光学耦合。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个波导中的每个波导通过相应孔径接收来自场景的光的相应部分，并通过全内反射将来自场景的光的相应部分引导相应的光检测器阵列。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，每个波导照亮大于相应孔径的面积的面积的相应的光检测器阵列。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述多个波导中的每个波导具有接近相应孔径的第一侧和接近相应光检测器阵列的第二侧。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，每个波导包括反射镜，所述反射镜将由波导引导的光的一部分反射至相应的光检测器阵列。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，每个波导具有在第一侧和第二侧之间延伸的第三侧，其中所述反射镜被配置为将由波导引导的光的一部分反射至波导的第三侧，并且其中相应的光检测器阵列被配置为检测从波导的第三侧传播出的反射光。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，每个光检测器阵列包括并联连接的单光子光检测器阵列。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，单光子光检测器是单光子雪崩二极管(SPAD)。
9.一种方法，包括:
通过相对于场景设置的透镜将来自场景的光聚焦到多个孔径上；
由多个波导中的每个波导通过所述多个孔径中的相应孔径接收来自场景的光的相应部分；和
由所述多个波导中的每个波导通过全内反射将来自场景的光的相应部分引导至多个光检测器阵列中的相应的光检测器阵列。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
由所述多个波导中的每个波导照亮大于相应孔径的面积的面积的相应的光检测器阵列。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
由每个波导的相应的光检测器阵列检测被照亮的面积上的光。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，每个波导的相应的光检测器阵列包括单光子光检测器阵列，并且其中由每个波导的相应的光检测器阵列检测被照亮的面积上的光包括组合单光子光检测器的输出。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，由所述多个波导中的每个波导通过全内反射将来自场景的光的相应部分引导至多个光检测器阵列中的相应的光检测器阵列包括：
由所述多个波导中的每个波导通过全内反射将来自场景的光的相应部分从接近相应孔径的第一侧引导至接近相应光检测器阵列的第二侧。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
由设置在每个相应波导上的反射镜将由相应波导引导的光的一部分反射至相应的光检测器阵列。
15.一种光检测和测距(LIDAR)设备，包括：
LIDAR发射器，其照亮场景；以及
LIDAR接收器，其接收由场景内的一个或多个物体反射的光，其中所述LIDAR接收器包括:
多个孔径；
透镜，其相对于场景设置，其中所述透镜聚焦来自场景的光到所述多个孔径上；
多个光检测器阵列；和
多个波导，其中所述多个波导中的每个波导将所述多个孔径中的相应孔径与所述多个光检测器阵列中的相应的光检测器光学耦合。
16.根据权利要求15所述的LIDAR设备，其中，所述多个波导中的每个波导通过相应孔径接收来自场景的光的相应部分，并通过全内反射将来自场景的光的相应部分引导至相应的光检测器阵列。
17.根据权利要求16所述的LIDAR设备，其中，每个波导照亮大于相应孔径的面积的面积的相应的光检测器阵列。
18.根据权利要求16所述的LIDAR设备，其中，所述多个波导中的每个波导具有接近相应孔径的第一侧和接近相应光检测器阵列的第二侧。
19.根据权利要求15所述的LIDAR设备，其中，每个光检测器阵列包括并联连接的单光子光检测器阵列。
20.根据权利要求19所述的LIDAR设备，其中，单光子光检测器是单光子雪崩二极管(SPAD)。
21.一种系统，包括：
波导，其中所述波导具有被配置为将入射光接收到波导中的第一侧、从第一侧延伸的第二侧、以及被配置为将所接收的入射光导向第二侧的结构；
光检测器阵列，其光学耦合到波导，其中所述光检测器阵列被配置为基于所接收的入射光输出信号；和
控制器，其中所述控制器被配置为基于从光检测器阵列输出的信号来确定到物体的距离。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，结构包括反射镜。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，反射镜包括反射材料。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，反射材料包括金属或金属氧化物。
25.根据权利要求21所述的系统，其中，结构设置在波导的一侧。
26.根据权利要求21所述的系统，其中，结构设置在波导内部。
27.根据权利要求21所述的系统，其中，所接收的指向第二侧的入射光通过第二侧被传输至光检测器阵列。
28.根据权利要求27所述的系统，还包括至少一个光学元件，所述至少一个光学元件设置在波导和光检测器阵列之间，其中所述至少一个光学元件被配置为修改通过第二侧传输到光检测器的所接收的入射光的光学特性。
29.根据权利要求21所述的系统，还包括：
光发射器，其中入射光包括由光发射器发射的已经被物体反射的光。
30.根据权利要求21所述的系统，还包括：
多个波导，其包括波导和一个或多个附加波导；和
多个光检测器阵列，其包括光检测器阵列和一个或多个附加光检测器阵列，其中所述多个光检测器阵列中的每个给定光检测器阵列光学耦合到所述多个波导中的相应波导。
31.根据权利要求21所述的系统，还包括：
不透明材料，其限定孔径，其中第一侧被布置为接收通过孔径的入射光。
32.根据权利要求21所述的系统，还包括：
透镜，其聚焦来自场景的光，其中入射光包括来自场景的已被透镜聚焦并通过孔径传输的光。
33.根据权利要求21所述的系统，其中，光检测器阵列包括多个单光子雪崩二极管(SPAD)。
34.根据权利要求21所述的系统，其中，控制器被配置为使用与从光检测器阵列输出的信号相关联的定时信息来确定到物体的距离。
35.一种方法，包括:
通过波导的第一侧将入射光接收到波导中；
通过设置在波导上或波导内的结构将所接收的入射光引导至波导的第二侧，其中第二侧从第一侧延伸；
由光耦合到波导的光检测器阵列检测所接收的入射光，其中检测包括从光检测器阵列输出信号；和
由控制器基于从光检测器阵列输出的信号来确定到物体的距离。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，结构包括反射镜。
37.根据权利要求35所述的方法，其中，所接收的指向第二侧的入射光通过第二侧被传输至光检测器阵列。
38.根据权利要求35所述的方法，还包括：
由光发射器发射光，其中入射光包括由光发射器发射的已经被物体反射的光。
39.根据权利要求35所述的方法，还包括：
通过透镜聚焦来自场景的光；和
通过孔径传输聚焦的光，其中入射光包括来自场景的已被透镜聚焦并通过孔径传输的光。
40.根据权利要求35所述的方法，其中由控制器基于从光检测器阵列输出的信号来确定到物体的距离包括：
由控制器使用与从光检测器阵列输出的信号相关联的定时信息来确定到物体的距离。
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