DE112017004806T5

DE112017004806T5 - Optisches system zur sammlung von entfernungsinformationen in einem feld

Info

Publication number: DE112017004806T5
Application number: DE112017004806.0T
Authority: DE
Inventors: Angus Pacala; Mark Frichtl
Original assignee: Ouster Inc
Current assignee: Ouster Inc
Priority date: 2015-09-24
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2019-06-19
Also published as: IL265562A; KR20190058588A; SE1950477A1; DE202017007509U1; GB2601435B; JP7214629B2; US20210306609A1; US20200036959A1; DK201970244A1; US20180152691A1; IL265562B2; US20230319253A1; JP2020501109A; US9992477B2; CN109983312B; US11956410B2; US20170289524A1; CN114624728A; GB2601435A; US11178381B2

Abstract

Optisches System zum Erfassen von Abstandsinformation in einem Feld. Das optische System kann Linsen zum Sammeln von Photonen aus einem Feld und Linsen zum Verteilen von Photonen auf ein Feld beinhalten. Das optische System kann Linsen umfassen, die Photonen kollimieren, die durch eine Apertur geleitet werden, optische Filter, die normal einfallendes Licht außerhalb der Betriebswellenlänge zurückweisen, und Pixel, die einfallende Photonen erkennen. Das optische System kann ferner Beleuchtungsquellen umfassen, die Photonen bei einer Betriebswellenlänge ausgeben.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet von optischen Sensoren und insbesondere auf ein neues und nützliches optisches System zum Sammeln von Entfernungsinformationen im Felde der optischen Sensoren.
Figurenliste

1 ist die schematische Darstellung eines Systems.
2 ist eine schematische Darstellung in Übereinstimmung mit einer Variation des Systems.
3 ist eine schematische Darstellung in Übereinstimmung mit einer Variation des Systems.
4 ist eine schematische Darstellung in Übereinstimmung mit einer Variation des Systems.
5 ist eine schematische Darstellung in Übereinstimmung mit einer Variation des Systems.
6 ist eine schematische Darstellung in Übereinstimmung mit einer Variation des Systems.
7 ist eine schematische Darstellung in Übereinstimmung mit einer Variation des Systems.
8 ist eine schematische Darstellung in Übereinstimmung mit einer Variation des Systems.
9 ist ein Flussdiagramm Darstellung in Übereinstimmung mit einer Variation des Systems.
10 ist eine schematische Darstellung in Übereinstimmung mit einer Variation des Systems.
11 ist eine schematische Darstellung in Übereinstimmung mit einer Variation des Systems.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung soll die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränken, sondern vielmehr einem Fachmann ermöglichen, diese Erfindung herzustellen und zu verwenden. Variationen, Konfigurationen, Ausführungen, beispielhafte Ausführungen und Beispiele, die hierin beschrieben sind, sind optional und schließen die Variationen, Konfigurationen, Ausführungen, beispielhaften Ausführungen und Beispiele, die sie beschreiben, nicht aus. Die hier beschriebene Erfindung kann jede Kombination aus diesen Variationen, Konfigurationen, Ausführungen, beispielhaften Ausführungen und Beispielen enthalten.
EINDIMENSIONALES OPTISCHES SYSTEM: APERTURSANORDNUNG
Wie in 1 dargestellt, umfasst ein eindimensionales optisches Systems 100 zum Sammeln von Entfernungsinformationen in einem Feld Folgendes: einen Satz von Beleuchtungsquellen 110 entlang einer ersten Achse, wobei jede Beleuchtungsquelle in dem Satz von Beleuchtungsquellen 110 so ausgebildet ist, dass sie einen Beleuchtungsstrahl mit einer Arbeitswellenlänge zu einem diskreten Punkt in dem Bereich vor der Lichtquelle ausschickt; eine Massenbilderfassungsoptik 130, gekennzeichnet durch eine Fokalebene gegenüber dem Feld; eine Aperturschicht 140, die mit der Fokalebene zusammenfällt, und die einen Satz von Aperturen 144 in einem Linienarray parallel zur ersten Achse aufweist, und einen Anschlagsbereich 146 um den Satz von Aperturen 144 festlegt, wobei jede Apertur in dem Satz von Aperturen 144 ein Sichtfeld im Feld definiert, dass mit der diskreten Aussendung eines Punktes durch eine entsprechende Beleuchtungsquelle aus dem Satz von Beleuchtungsquellen 110 zusammenfällt, und wobei der Anschlagsbereich 146 Lichtstrahlen absorbiert, die von Oberflächen im Feld reflektiert werden und außerhalb der Gesichtsfelder liegen, die durch den Satz von Aperturen 144 und durch die Massenbilderfasssungsoptik 130 fallen; einen Satz aus Linsen 150, wobei jede Linse in dem Satz von Linsen 150 durch eine zweite Brennweite gekennzeichnet ist und deren Fokalebene gegenüber der Massenbilderfassungsoptik 130 durch die zweite Brennweite unterschiedlich ist, die jeweils auf eine Apertur in dem Satz von Aperturen 144 ausgerichtet und so konfiguriert sind, dass sie Lichtstrahlen durch die Apertur kollimieren; einen optischen Filter 160, der neben dem Satz von Linsen 150 gegenüber der Aperturschicht 140 ausgebildet ist und die Lichtstrahlen der Betriebswellenlänge durchlässt, ein Satz aus Pixeln 170, die neben dem optischen Filter 160 gegenüber dem Satz aus Linsen 150 liegen und wobei jedes Pixel in dem Satz aus Pixeln 170 einer Linse in dem Satz aus Linsen 150 entspricht und einen Satzes aus Subpixel entlang einer zweiten Achse umfasst, die nicht parallel zur ersten Achse ist; und einen Diffusor 180 zwischen dem optischen Filter 160 und dem Satz aus Pixeln 170, der so konfiguriert ist, dass er kollimiertes Licht von jeder Linse aus dem Satz aus Linsen 150 über einen Satz von Subpixeln eines entsprechenden Pixels in dem Satz aus Pixeln 170 verteilt.
ANWENDUNGEN
Im Allgemeinen funktioniert das eindimensionale optische System 100 (das „System“) als Bildsensor, der, wenn er um eine Achse parallel zu einer Spalte von Aperturen gedreht wird, dreidimensionale Abstandsdaten eines durch das System belegten Volumens sammelt. Genauer gesagt kann das eindimensionale optische System 100 ein Volumen zum Sammeln von dreidimensionalen Entfernungsdaten abtasten; diese Daten können dann rekonstruiert und in eine virtuelle dreidimensionale Darstellung des Volumens überführt werden; es basiert auf den aufgezeichneten Zeiten zwischen der Aussendung der Beleuchtungsstrahlen von den Beleuchtungsquellen und der Detektion von Photonen - wahrscheinlich aus den Beleuchtungsquellen -, die in den Satz aus Pixeln 170 einfallen, und auf Phasenmesstechniken oder auf anderen geeigneten Entfernungsmessverfahren. Das System 100 umfasst: eine Spalte von versetzten Aperturen hinter einer Massenbilderfassungsoptik 130, die diskrete Sichtfelder in einem Bereich vor der Massenbilderfassungsoptik 130 definiert (das heißt nicht überlappende Sichtfelder außerhalb einer Schwellenentfernung vom System); einen Satz aus Beleuchtungsquellen 110, die einzelne Beleuchtungsstrahlen mit einer Arbeitswellenlänge in (und im Wesentlichen nur in) die Sichtfelder, die durch die Aperturen festgelegt sind, aussendet; eine Spalte von Linsen, die Lichtstrahlen kollimierten, welche durch entsprechende Aperturen weitergeleitet werden; und einen optischen Filter 160, der selektiv ein schmales Band von Lichtwellenlängen leitet (d.h., elektromagnetische Strahlung), einschließlich der Betriebswellenlänge; und einen Satz von Pixeln 170 zur Erfassung von einfallenden Photonen (die z.B. die Anzahl der einfallenden Photonen zählt und die Zeiten zwischen nacheinander einfallenden Photonen nachverfolgt). Das System kann daher Beleuchtungsstrahlen selektiv in ein vor dem System befindliches Feld gemäß einem Beleuchtungsmuster projizieren, das im Wesentlichen - in Größe und Geometrie über einen Bereich von Entfernungen von dem System - den Sichtfeldern der Aperturen entspricht. Insbesondere sind die Beleuchtungsquellen so konfiguriert, dass sie im Wesentlichen nur Oberflächen im vor dem System liegenden Feld beleuchten, die von Pixeln im System erfasst werden können, so dass eine minimale Leistungsabgabe durch das System (über die Beleuchtungsquellen) durch Beleuchtungsflächen in dem Feld verschwendet wird, für das die Pixel blind sind. Das System kann daher ein relativ hohes Verhältnis zwischen Ausgangssignal (d. h. der Beleuchtungsstrahlleistung) und Eingangssignal (d. h. Photonen, die zu einem Auftreffen auf das Pixelarray geleitet werden) erreichen. Darüber hinaus kann der Satz aus Linsen 150 Lichtstrahlen kollimieren, die durch die benachbarten Aperturen gelangen, so dass einfallende Lichtstrahlen auf das optische Filter 160 den optischen Filter 160 mit einem Einfallswinkel von etwa 0° erreichen, wodurch ein relativ schmales Band von Lichtwellenlängen durch das optische Filter 160 gelangt und ein relativ hoher Rauschabstand („SNR“) für die Lichtstrahlen erreicht wird, die den Satz aus Pixeln 170 erreichen.
Das System umfasst Pixel, die in einer Spalte angeordnet und passend zu den Aperturen ausgerichtet sind, und jedes Pixel kann eine nicht quadratische Geometrie (z. B. kurz und breit) aufweisen, um den Erfassungsbereich des Systems für eine feste Apertursteigung und Pixelspaltenhöhe zu erweitern. Das System umfasst auch einen Diffusor 180, der Lichtstrahlen, die von einer Apertur durch das optische Filter 160 geleitet werden, über den Bereich eines entsprechenden Pixels verteilt, so dass das Pixel einfallende Photonen über seine volle Breite und Höhe detektieren kann, wodurch der Dynamikbereich des Systems vergrößert wird.
Das System ist hier als Projektion elektromagnetischer Strahlung in ein Feld und Erfassung der reflektierten elektromagnetischen Strahlung von einer Oberfläche aus dem Feld zur Massenbilderfassungsoptik. Die Begriffe „Beleuchtungsstrahl“, „Licht“, „Lichtstrahlen“ und „Photonen“, die hier angeführt sind, beziehen sich auf eine solche elektromagnetische Strahlung. Der Begriff „Kanal“, der hier zitiert wird, bezieht sich auf eine Apertur in der Aperturschicht 140, eine entsprechende Linse in dem Satz aus Linsen 150 und ein entsprechendes Pixel in dem Satz aus Pixeln 170.
MASSENBILDERFASSUNGSOPTIK
Das System umfasst eine Massenbilderfasssungsoptik 130, die durch eine dem Feld gegenüberliegende Fokalebene gekennzeichnet ist. Allgemein funktioniert die Massenbilderfassungsoptik 130 so, dass sie von außerhalb des Systems einfallende Lichtstrahlen auf die Fokalebene projiziert, wo Lichtstrahlen, die auf einen Stoppbereich 146 der Aperturschicht 140 fallen, verworfen werden (z.B. Gespiegelt oder absorbiert werden) und wobei Lichtstrahlen, die auf Aperturen in der Aperturschicht 140 fallen, in eine Linse fallen, die eine Brennweite und einen Versatz von der Fokalebene um die Brennweite aufweisen.
In einer Verkörperung beinhaltet die Massenbilderfassungsoptik 130 eine Sammellinse, wie eine bikonvexe Linse (in 2 dargestellt) oder eine plankonvexe Linse, gekennzeichnet durch eine bestimmte Brennweite bei der Betriebswellenlänge des Systems. Die Massenbilderfassungsoptik 130 kann auch mehrere einzelne Linsen beinhalten, die gemeinsam die Lichtstrahlen in Richtung auf die Aperturschicht 140 projizieren und sich dadurch auszeichnen, dass sie eine zusammengesetzte Fokalebene gegenüber dem Feld bilden, wie in 11 dargestellt ist. Jedoch kann die Massenbilderfassungsoptik 130 auch jede andere geeignete Art von Linse oder Kombination von Linsen eines beliebigen anderen Typs oder mit einer beliebigen anderen Geometrie sein.
APERTURSCHICHT
Wie in den 1 und 2 dargestellt, umfasst das System eine Aperturschicht 140, die mit der Fokalebene zusammenfällt und einen Satz aus Aperturen 144 in einer Linienanordnung parallel zu den Achsen der Beleuchtungsquellen festlegt, und die einen Stoppbereich 146 um den Satz aus Aperturen 144 herum festlegt, wobei jede Apertur in dem Satz von Aperturen 144 ein Sichtfeld in dem Feld definiert, das mit einer diskreten Punktausstrahlung von einer entsprechenden Beleuchtungsquelle aus dem Satz von Beleuchtungsquellen 110 zusammenfällt, und wobei der Stoppbereich 146 Lichtstrahlen, die von Oberflächen im Bereich außerhalb der Gesichtsfelder, die durch den Satz von Aperturen 144 und durch die Massenbilderfassungsoptik 130 festgelegt sind, absorbiert und/oder reflektiert. Allgemein definiert die Aperturschicht 140 eine Anordnung der offenen Bereiche (i.e., Aperturen, einschließlich einer Apertur pro Linse) und der geschlossene Bereich („Stoppbereiche“) zwischen benachbarten Aperturen. Jede Apertur in der Aperturschicht 140 definiert eine „Lochblende“ und damit ein Sichtfeld für den entsprechenden Messkanal und leitet Licht, das von einer externen Oberfläche innerhalb ihres Sichtfeldes reflektiert wird, in die entsprechende Linse weiter, und jeder Stoppbereich 146 kann Lichtstrahlen, die in ausgewählte Bereichen der Fokalebene einfallen, daran hindern, in die Linsenanordnung zu gelangen; siehe hierzu 6.
Die Aperturschicht 140 schließt eine relativ dünne undurchsichtige Struktur ein, die mit der Fokalebene der Massenbilderfassungsoptik 130 zusammenfällt (z. B. entlang derselben angeordnet ist), wie in den 1 und 2 dargestellt. Zum Beispiel kann die Aperturschicht 140 eine 10 Mikrometer dicke abgeschiedene Kupfer-, Silber-, oder Nickelschicht (also plattiert) über einer durch Lichteinwirkung aushärtbaren Polymerschicht sein; sie wird dann selektiv geätzt, um die Anordnung der Aperturen herzustellen. In einem ähnlichen Beispiel kann eine reflektierende metallisierte Schicht oder ein lichtabsorbierendes Photopolymer (z.B. ein Photopolymer gemischt mit einem lichtabsorbierenden Farbstoff) auf einen Glaswafer abgeschieden und selektiv mit einer Fotomaske belichtet werden, um die Aperturschicht 140 und den Satz aus Aperturen 144 zu bilden. Alternativ kann die Aperturschicht 140 einen diskreten metallischen Film umfassen, der mechanisch oder chemisch perforiert ist, um die Anordnung von Aperturen zu bilden, mit der Linsenanordnung verbunden und dann über der Massenbilderfassungsoptik 130 entlang der Fokalebene installiert werden. Jedoch kann die Aperturschicht 140 auch jedes andere reflektierende (z. B. spiegelnde) oder Licht absorbierende Material umfassen, das auf jede andere Weise gebildet wird, um die Anordnung von Aperturen entlang der Fokalebene der Massenbilderfassungsoptik 130 zu definieren.
Im eindimensionalen optischen Systems 100 kann die Aperturschicht 140 eine einzelne Spalte von mehreren diskreten kreisförmigen Aperturen mit im Wesentlichen einheitlichem Durchmesser definieren, wobei jede Apertur eine Achse definiert, die im Wesentlichen parallel zu einer Linse der Linsenanordnung ist und darauf ausgerichtet ist, wie in 3 dargestellt. Benachbarte Aperturen sind um einen Aperturabstand von mehr als dem Durchmesser der Apertur und im Wesentlichen um den Linsenabstand versetzt, und die Aperturschicht 140 definiert einen Stoppbereich 146 (also einen undurchsichtigen oder reflektierenden Bereich) zwischen benachbarten Aperturen, so dass die Aperturen diskrete, nicht überlappende Sichtfelder für ihre entsprechenden Messkanäle definieren. Bei immer kleiner werdenden Durchmessern bis zu einem beugungsbegrenzten Durchmesser - in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichts und der numerischen Apertur der Massenbilderfassungslinse - definiert eine Apertur ein immer schmaleres Gesichtsfeld (also ein Sichtfeld mit kleinerem Durchmesser) und leitet eine schärferes Signal mit niedrigerer Intensität (gedämpft) von der Massenbilderfassungsoptik 130 in die entsprechende Linse. Die Aperturschicht 140 kann daher Aperturen definieren, deren Durchmesser: größer als der beugungsbegrenzte Durchmesser für die Wellenlänge von Licht der Lichtquellen ist (z.B. 900 nm); im wesentlich größer ist als die Dicke der Aperturschicht 140; und kleiner ist als der Aperturabstand, welcher im Wesentlichen gleich dem Linsenabstand und Pixelabstand ist. In einem Beispiel kann die Aperturschicht 140 Aperturen mit Durchmessern definieren, die sich dem beugungsbegrenzten Durchmesser nähern, um die geometrische Selektivität des Sichtfeldes jedes einzelnen Erfassungskanals zu maximieren. Alternativ können die Aperturen einen Durchmesser aufweisen, der für die Wellenlänge des von den Beleuchtungsquellen abgegebenen Lichts kleiner als der beugungsbegrenzte Durchmesser ist. In einem Beispiel kann die Aperturschicht 140 Aperturen mit Durchmessern definieren, die passend zu einer Leistungsabgabe der Beleuchtungsquellen im System und zur Anzahl und Photonendetektionskapazität der Subpixel-Photodetektoren in jedem Pixel in dem Satz aus Pixeln 170 ausgelegt sind, so dass eine Zielanzahl von Photoneneinfällen innerhalb jeder Abtastperiode auf jedem Pixel erreicht wird. In diesem Beispiel kann jede Apertur einen bestimmten Durchmesser definieren, der einen Zieldämpfungsbereich für Pixel definiert, die von einer entsprechenden Lichtquelle stammen und während einer Abtastperiode auf die Massenbilderfasssungsoptik 130 einfallen. Da insbesondere eine Apertur in der Aperturschicht 140 ein Signal dämpft, das zu ihrer entsprechenden Linse und zu ihrem entsprechenden Pixel geleitet wird, kann der Durchmesser der Apertur an den dynamischen Bereich ihres entsprechenden Pixels angepasst werden.
In einer Ausführung kann eine erste Apertur 141 in der Aperturschicht 140 Lichtstrahlen - die von einem bestimmten Bereich einer Oberfläche im Feld (dem Sichtfeld der Messkanals) vor der Massenbildverarbeitungsoptik 130 reflektiert werden - in ihre entsprechende Linse durchlassen; ein Stoppbereich 146 zwischen der ersten Apertur 141 und benachbarten Aperturen in der Aperturschicht 140 blockiert Lichtstrahlen - die von einem Bereich der Oberfläche außerhalb des Sichtfeldes der ersten Apertur 141 reflektiert werden -, so dass diese nicht in die Linse mit Entsprechung zur ersten Apertur 141 fallen. In dem eindimensionalen optischen Systems 100 definiert die Aperturschicht 140 daher eine Reihe von Aperturen zur Festlegung einer Vielzahl von diskreten, nicht überlappenden Sichtbereichen mit im Wesentlichen unbegrenzter Feldtiefe, wie in 2 dargestellt.
In dieser Ausführung definiert eine erste Apertur 141 in der Aperturschicht 140 ein Sichtfeld, das verschieden ist und sich mit keinem Sichtfeld überschneidet, das durch eine andere Apertur in der Aperturschicht 140 definiert ist, wie in 2 dargestellt. Der Satz aus Beleuchtungsquellen 110 enthält eine erste Beleuchtungsquelle 111, die mit der ersten Apertur 141 gepaart und so konfiguriert ist, dass sie einen Beleuchtungsstrahl projiziert, der im Wesentlichen mit dem Sichtfeld der ersten Apertur 141 im Feld vor der Massenbilderfassungsoptik 130 zusammenfällt (d. h., sich mit ihm überlappt). Darüber hinaus können die erste Beleuchtungsquelle 111 und eine Massensendeoptik 120 zusammenwirken und einen Beleuchtungsstrahl mit einem Querschnitt im Wesentlichen gleich (und etwas größer als) dem Querschnitt des Sichtfeldes der ersten Apertur 141 bei verschiedenen Entfernungen von der Massenbilderfassungsoptik 130 projizieren. Daher kann Licht, das von der ersten Beleuchtungsquelle 111 - gepaart mit der ersten Apertur 141 - ausgesendet und in das Sichtfeld der ersten Apertur 141 projiziert wird, im Wesentlichen außerhalb der Sichtfelder anderer Aperturen in der Aperturschicht 140 bleiben.
Allgemein beleuchten Photonen, die von der ersten Beleuchtungsquelle 111 in das Feld geworfen werden, einen bestimmten Bereich einer Oberfläche (oder mehrere Oberflächen) im Feld innerhalb des Sichtfeldes des ersten Messkanals und werden von der Oberfläche bzw. den Oberflächen) reflektiert (z.B. gestreut); mindestens einige von diesen Photonen, die durch einen bestimmten Bereich einer Oberfläche reflektiert wurden, können die Massenbildbearbeitungsoptik 130 erreichen, welche diese Photonen auf die Fokalebene leitet. Da diese Photonen von einem Bereich einer Oberfläche innerhalb des Sichtfeldes der ersten Apertur 141 reflektiert wurden, kann die Massenbildverarbeitungsoptik 130 diese Photonen in die erste Apertur 141 projizieren, und die erste Apertur 141 kann diese Photonen zur ersten Linse 151 weiterleiten (oder eine Teilmenge dieser Photonen, die in einem Winkel relativ zur Achse der ersten Apertur 141 unterhalb eines bestimmten Schwellwinkels einfallen). Da jedoch eine zweite Apertur 142 in der Aperturschicht 140 gegenüber der ersten Apertur 141 versetzt ist und da insbesondere der Bereich der Oberfläche im Feld, welcher über die erste Beleuchtungsquelle 111 ausgeleuchtet ist, (im Wesentlichen) nicht mit dem Sichtfeld der zweiten Apertur 142 zusammenfällt, werden Photonen, die durch den bestimmten Bereich der Oberfläche reflektiert werden und die Massenbildverarbeitungsoptik 130 erreichen, auf die zweite Apertur 142 projiziert und an eine zweite Linse 152 hinter der zweiten Apertur 142 weitergeleitet, und umgekehrt, wie in 2 dargestellt. Weiterhin kann ein Stoppbereich 146 zwischen der ersten und zweiten Apertur 142 Photonen blockieren, die in Richtung der Fokalebene zwischen der ersten und der zweiten Apertur 142 gerichtet sind, die von der Massenbildverarbeitungsoptik 130 reflektiert werden, wodurch das Übersprechen zwischen dem ersten und dem zweiten Messkanal verringert wird.
Für eine erste Apertur 141 in der Aperturschicht 140 gepaart mit einer ersten Beleuchtungsquelle 111 in dem Satz aus Beleuchtungsquellen 110 definiert die erste Apertur 141 in der Aperturschicht 140 ein erstes Sichtfeld und leitet einfallende Lichtstrahlen, die von einer Oberfläche im Feld ausgehen oder reflektiert werden, die mit diesem ersten Sichtfeld zusammenfällt, in die Linse 151 weiter. Da die erste Beleuchtungsquelle 111 einen Beleuchtungsstrahl projiziert, dessen Größe im Wesentlichen gleich groß (oder minimal größer als) das Sichtfeld ist, das durch die erste Apertur 141 definiert ist (siehe 4), kann ein Signal, das in die erste Linse 151 durch die erste Apertur 141 in der Aperturschicht 140 gelangt, ein relativ hohes Verhältnis zwischen ausgehenden Lichtstrahlen von der ersten Lichtquelle 111 und Lichtstrahlen, die von anderen Lichtquellen im System ausgehen, aufweisen. Da im Allgemeinen verschiedene Lichtquellen im System Beleuchtungsstrahlen mit verschiedenen Frequenzen, Tastverhältnissen und/oder Leistungspegeln etc. zu einer bestimmten Zeit während des Betriebs aussenden können, stellen Lichtstrahlen, die von der Massenbildverarbeitungsoptik 130 au ein erstes Pixel 171 im Satz aus Pixeln 170 geleitet werden, die aber von einer anderen Beleuchtungsquelle stammen als der ersten Beleuchtungsquelle 111, die mit dem ersten Pixel 171 gepaart ist, am ersten Pixel 171 Signalrauschen dar. Obwohl die relativ kleinen Durchmesser der Aperturen in der Aperturschicht 140 ein Gesamtlichtsignal, das von der Massenbildverarbeitungsoptik 130 in den Satz aus Linsen 150 geleitet wird, abschwächen können, kann jede Apertur in der Aperturschicht 140 einen relativ großen Anteil an Photonen mit Ursprung in ihrer entsprechenden Beleuchtungsquelle durchleiten, im Vergleich zu anderen Beleuchtungsquellen im System; denn aufgrund der Geometrie einer bestimmten Apertur und ihrer entsprechenden Beleuchtungsquelle kann eine bestimmte Apertur ein Signal zur ihrer entsprechenden Linse und damit an das entsprechende Pixel weiterleiten, das einen relativ hohen Rauschabstand aufweist. Ferner gilt: je kleiner die Lochdurchmesser in der Aperturschicht 140 sind - und damit die Sichtfelder der entsprechenden Messkanäle -, desto weniger kann das System Rauschen durch Sonnenstrahlung oder anderen umgebenden Lichtquellen an dem Satz aus Pixeln 170 weiterleiten.
In einer Variation umfasst das System eine zweite Aperturschicht, die zwischen der Linsenanordnung und dem optischen Filter 160 angeordnet ist, wobei die zweite Aperturschicht einen zweiten Satz aus Aperturen 144 definiert, die jeweils auf eine entsprechenden Linse in dem Satz aus Linsen 150 ausgerichtet sind, wie oben beschrieben. In dieser Variation kann eine Apertur in der zweiten Aperturschicht 140 fehlerhafte Lichtstrahlen absorbieren oder reflektieren, die von einer entsprechenden Linse durchlaufen werden, wie oben beschrieben, um das Übersprechen zwischen den Messkanälen weiter zu reduzieren, wodurch der Signal-/Rauschabstand innerhalb des Systems verbessert wird. In gleicher Weise kann das System zusätzlich oder alternativ eine dritte Aperturschicht zwischen dem optischen Filter 160 und dem/den Diffusor(en) 180 beinhalten, wobei die dritte Aperturschicht einen dritten Satz aus Aperturen 144 definiert, die jeweils fluchtend mit einer entsprechenden Linse in dem Satz von Linsen 150 liegen, wie oben beschrieben. In dieser Variation kann eine Apertur in der dritten Aperturschicht fehlerhafte Lichtstrahlen absorbieren oder reflektieren, die den Lichtfilter passiert haben, wie oben beschrieben, um das Übersprechen zwischen Messkanälen weiter zu reduzieren, wodurch der Signal-/Rauschabstand innerhalb des Systems verbessert wird.
LINSENANORDNUNG
Das System umfasst einen Satz aus Linsen 150, wobei jede Linse in dem Satz aus Linsen 150 durch eine zweite Brennweite gekennzeichnet ist, durch die zweite Brennweite versetzt von der Fokalebene gegenüber der Massenbildverarbeitungsoptik 130 ist, auf eine entsprechende Apertur im Satz aus Aperturen 144 ausgerichtet ist, und so konfiguriert ist, dass sie Lichtstrahlen, die durch die entsprechende Apertur fallen, kollimiert. Im Allgemeinen dient eine Linse in dem Satz aus Linsen 150 dazu, Lichtstrahlen zu kollimieren, die durch ihre entsprechende Apertur fallen, und diese kollimierten Lichtstrahlen in das optische Filter 160 zu leiten.
In dem eindimensionalen optischen System 100 sind die Linsen in einer einzigen Spalte angeordnet, und benachbarte Linsen sind um einen gleichförmigen Linsenabstand versetzt (d. h. um einen Mittenabstand zwischen benachbarten Pixeln), wie in 3 dargestellt. Der Satz aus Linsen 150 ist zwischen der Aperturschicht und dem optischen Filter 160 angeordnet. Insbesondere kann jede Linse eine Sammellinse umfassen, die durch eine zweite Brennweite gekennzeichnet ist und durch die zweite Brennweite zur Fokalebene der Massenbildverarbeitungsoptik 130 - gegenüber der Massenbildverarbeitungsoptik 130 - versetzt sein kann, um die Apertur der Massenbildverarbeitungsoptik 130 zu erhalten und um Licht, das in die Massenbildverarbeitungsoptik 130 und durch eine entsprechende Apertur einfällt, zu kollimieren. Jede Linse in dem Satz aus Linsen kann durch eine relativ kurze Brennweite gekennzeichnet sein (also weniger als eine Brennweite der Massenbildverarbeitungsoptik 130) und einer relativ großen Randstrahlwinkel (z.B. eine relativ hohe numerische Apertur der Linse), so dass die Linse auch stark abgewinkelte Lichtstrahlen, die von der Massenbildverarbeitungsoptik 130 in Richtung der Linse projiziert werden, noch erfassen kann. Das heißt, jede Linse in dem Linsensatz kann durch einen Strahlkegel charakterisiert sein, der im Wesentlichen an einen Strahlkegel der Massenbildverarbeitungsoptik 130 angepasst ist.
Linsen in dem Satz aus Linsen 150 können im Wesentlichen ähnlich sein. Eine Linse in dem Satz aus Linsen 150 ist zur Kollimation von Lichtstrahlen konfiguriert, die von der Massenbildverarbeitungsoptik 130 in ihre entsprechende Apertur fokussiert werden. Beispielsweise kann eine Linse in dem Satz aus Linsen 150 eine bikonvexe oder plankonvexe Linse umfassen, die durch eine Brennweite gekennzeichnet ist, welche basierend auf der Größe (z. B. Durchmesser) ihrer entsprechenden Apertur und der Betriebswellenlänge des Systems ausgewählt wird. In diesem Beispiel kann die Brennweite (f) einer Linse in dem Satz aus Linsen 150 gemäß der Formel berechnet werden: $f = \frac{d^{2}}{2 λ}$
wobei d der Durchmesser der entsprechenden Apertur in der Aperturschicht ist und λ die Betriebswellenlänge des von der Beleuchtungsquelle abgegebenen Lichts (z. B. 900 nm). Die Geometrie einer Linse in dem Satz aus Linsen 150 kann daher an die Geometrie einer entsprechenden Apertur in der Aperturschicht angepasst werden, so dass die Linse ein im Wesentlichen scharfes Bild von Lichtstrahlen - bei oder nahe der Betriebswellenlänge - in das optische Filter 160 und somit weiter zur Pixelanordnung durchlässt.
Jedoch kann der Satz aus Linsen 150 auch Linsen einer beliebigen anderen Geometrie umfassen und auf irgendeine andere Weise benachbart zur Aperturschicht angeordnet sein.
OPTISCHER FILTER
Wie in 3 dargestellt, enthält das System einen optischen Filter 160 neben dem Satz aus Linsen 150 gegenüber der Aperturschicht und ist so konfiguriert, dass es Lichtstrahlen bei der Betriebswellenlänge durchlässt. Allgemein empfängt d optische Filter 160 ein Spektrum elektromagnetischer Strahlung von dem Satz aus Linsen 150, leitet ein relativ schmales Band von elektromagnetischer Strahlung - einschließlich der Strahlung mit Betriebswellenlänge - an die Pixelanordnung weiter und blockiert die elektromagnetische Strahlung außerhalb des Bandes. Insbesondere stellt jede andere elektromagnetische Strahlung als die von der Beleuchtungsquelle ausgegebene elektromagnetische Strahlung - wie Umgebungslicht -, die auf ein Pixel im Satz aus Pixeln 170 fällt, Rauschen im System dar. Das optische Filter 160 arbeitet daher so, dass elektromagnetische Strahlung außerhalb der Arbeitswellenlänge oder allgemeiner außerhalb eines schmalen Wellenlängenbandes zurückgewiesen wird, wodurch Rauschen in dem System reduziert und der Signal-/Rauschabstand erhöht wird.
In einer Ausführung umfasst das optische Filter 160 ein optisches Bandpassfilter, das ein schmales Band elektromagnetischer Strahlung durchlässt, das im Wesentlichen auf die Betriebswellenlänge des Systems zentriert ist. In einem Beispiel geben die Beleuchtungsquellen Licht (überwiegend) bei einer Betriebswellenlänge von 900 nm aus, und das optische Filter 160 ist so konfiguriert, dass es Licht zwischen 899,95 nm und 900,05 nm durchlässt und Licht außerhalb dieses Bandes blockiert.
Das optische Filter 160 kann selektiv Lichtwellenlängen als Funktion des Einfallswinkels auf das optische Filter 160 weiterleiten und zurückweisen. Allgemein können optische Bandpassfilter Wellenlängen von Licht umgekehrt proportional zu ihrem Einfallswinkel auf das lichtoptische Bandpassfilter weiterleiten. Zum Beispiel, bei einem optischen Filter 160 einschließlich einem 0,5 nm breiten optischen Bandpassfilter, kann das optische Filter 160 für auf das optische Filter 160 einfallende Lichtstrahlen unter einem Einfallswinkel von etwa 0° über 95% der elektromagnetischen Strahlung über ein scharfes Band von 899,75 nm bis 900,25 nm durchlassen und ungefähr 100% der elektromagnetischen Strahlung unter 899,70 nm und oberhalb von 900,30 nm ausfiltern. Jedoch kann in diesem Beispiel das optische Filter 160 für Lichtstrahlen, die unter einem Einfallswinkel von etwa 15° in das optische Filter 160 einfallen, über 95% der elektromagnetischen Strahlung über ein schmales Band von 899,5 nm bis über 900,00 nm durchlassen und elektromagnetische Strahlung über ein viel breiteres Band unterhalb von 899,50 nm und oberhalb von 900,30 nm zu 100% ausfiltern. Daher kann die Einfallsebene des optischen Filters 160 im Wesentlichen senkrecht zu den Achsen der Linsen sein, und der Satz aus Linsen 150 kann Lichtstrahlen kollimieren, die durch eine entsprechende Apertur einfallen, und diese Lichtstrahlen im Wesentlichen senkrecht zur Einfallsebene des optischen Filters 160 ausgeben (d. h. mit einem Einfallswinkel von ungefähr 0° auf das optische Filter). Insbesondere kann der Satz aus Linsen 150 Lichtstrahlen in Richtung des optischen Filters 160 aus Einfallswinkeln ausgeben, die sich 0° annähern, so dass im Wesentlichen die gesamte elektromagnetische Strahlung, die durch das optische Filter 160 geleitet wird, bei oder sehr nahe an der Betriebswellenlänge des Systems liegt.
In dem eindimensionalen optischen Systems 100 kann das System einen einzelnen optischen Filter 160 enthalten, der die Spalte der Linse in dem Satz aus Linsen 150 überspannt. Alternativ kann das System mehrere optische Filter 160 enthalten, die jeweils benachbart zu einer einzelnen Linse oder einer Teilmenge von Linsen in der Gruppe aus Linsen 150 angeordnet sind. Jedoch kann das optische Filter 160 jede andere Geometrie festlegen und auf jede andere Weise funktionieren, um nur ein begrenztes Band von Lichtwellenlängen durchzulassen.
PIXELANORDNUNG UND DIFFUSER
Das System umfasst einen Satz aus Pixeln 170 angrenzend an den optischen Filter 160 gegenüber dem Satz aus Linsen 150, wobei jedes Pixel in dem Satz aus Pixeln 170 einer Linse in dem Satz aus Linsen 150 entspricht und einen Satz aus Subpixeln entlang einer zweiten Achse nicht parallel zu der ersten Achse einschließt. Der Satz aus Pixeln 170 ist allgemein gegenüber dem optischen Filter 160 gegenüber dem Satz von Linsen 150 versetzt, und jedes Pixel in dem Satz aus Pixeln 170 übernimmt die Ausgabe eines einzelnen Signals oder eines Signalstroms entsprechend der Anzahl der in einer oder mehreren Abtastperioden auf die Pixel einfallenden Photonen.
Das System umfasst auch einen Diffusor 180, der zwischen dem optischen Filter 160 und dem Satz aus Pixeln 170 angeordnet ist und so konfiguriert ist, dass er kollimiertes Licht, das von jeder Linse in dem Satz aus Linsen 150 ausgegeben wird, über einen Satz von Subpixeln eines einzelnen entsprechenden Pixels in dem Satz aus Pixeln 170 verteilt. Im Allgemeinen funktioniert der Diffusor 180 für jede Linse in dem Satz aus Linsen 150 so, dass er Lichtstrahlen - die zuvor durch die Linse kollimiert und durch das optische Filter 160 durchgelassen wurden - über die Breite und Höhe eines Erfassungsbereichs innerhalb eines entsprechenden Pixels streut. Der Diffusor 180 kann als ein einzelnes optisches Element ausgebildet sein, das den Satz von Linsen 150 überspannt, oder der Diffusor 180 kann mehrere diskrete optische Elemente beinhalten, wie zum Beispiel jeweils einen optischen Diffusor, der auf einen entsprechenden Messkanal ausgerichteten ist.
In einer Ausführung umfasst ein erstes Pixel 171 in dem Satz aus Pixeln 170 eine Anordnung von einzelnen Photonenlawinendiodendetektoren (nachfolgend „SPADs“), und der Diffusor 180 streut Lichtstrahlen - die vorher durch eine entsprechende erste Apertur 141 durchgelassen wurden, durch eine erste Linse 151 kollimiert wurden und durch das optische Filter 160 durchgegangen sind - über den Bereich des ersten Pixels 171, siehe die 3, 5, und 6. Im Allgemeinen können angrenzende Aperturen vertikal um einen Aperturabstand ausgerichtet und versetzt werden, angrenzende Linsen können vertikal um einen Linsenabstand ausgerichtet und versetzt werden, der im Wesentlichen identisch mit dem Aperturabstand ist, und benachbarte Pixel können vertikal um einen Pixelabstand ausgerichtet und versetzt werden, der im Wesentlichen identisch mit den Linsen- und Aperturabständen ist. Jedoch kann der Pixelabstand nur eine relativ kleine Anzahl von (z. B. zwei) vertikal gestapelten SPADs aufnehmen. Jedes Pixel in dem Satz von Pixeln 170 kann daher ein Seitenverhältnis von mehr als 1:1 definieren, und der Diffusor 180 die vom optischen Filter 160 durchgelassenen Lichtstrahlen entsprechend der Geometrie eines entsprechenden Pixels verteilen, um einen größeren Erfassungsbereich pro Pixel aufzunehmen.
In einem Beispiel ist jedes Pixel in dem Satz von Pixeln 170 auf einem Bildsensor angeordnet, und ein erstes Pixel 171 in dem Satz von Pixeln 170 umfasst eine einzelne Reihe von 16 SPADs, die entlang einer Querachse senkrecht zu einer vertikalen Achse verteilt sind, die die Spalte der Aperturen und Linsen halbiert. In diesem Beispiel kann die Höhe eines einzelnen SPAD im ersten Pixel 171 geringer sein als die Höhe (z. B. Durchmesser) der ersten Linse 151, aber die Gesamtlänge der 16 SPADs kann größer sein als die Breite (z. B. Durchmesser) der ersten Linse 151; der Diffusor 180 kann daher die von der ersten Linse 151 abgegebenen Lichtstrahlen auf eine Höhe konvergieren, die der Höhe eines SPAD in der Ebene des ersten Pixels 171 entspricht, und die von der ersten Linse 151 abgegebenen Lichtstrahlen auf eine Breite divergieren, die der Breite der 16 SPADs in der Ebene des ersten Pixels 171 entspricht. In diesem Beispiel können die verbleibenden Pixel in dem Satz von Pixeln 170 ähnliche Reihen von SPADs enthalten, und der Diffusor 180 kann gleichermaßen Lichtstrahlen konvergieren und divergieren, die durch entsprechende Aperturen zu entsprechenden Pixeln geleitet werden.
Bei dem vorstehenden Beispiel kann die Aperturschicht eine Spalte von 16 gleichartigen Aperturen beinhalten, der Satz von Linsen 150 kann eine Spalte mit 16 gleichartigen Linsen beinhalten, die hinter der Aperturschicht angeordnet sind, und der Satz von Pixeln 170 kann einen Satz von 16 gleichartigen Pixeln beinhalten - jedes mit einer ähnlichen Anordnung von SPADs - die hinter dem Satz von Linsen 150 angeordnet sind. Bei einem 6,4 mm breiten, 6,4 mm hohen Bildsensor kann jedes Pixel eine einzelne Reihe von 16 SPADs umfassen, wobei jedes SPAD elektrisch mit einer entfernten analogen Front-End-Verarbeitungselektronik/ Digitalverarbeitungselektronikschaltung 240 gekoppelt ist. Jede SPAD kann in einem 400 µm breiten, 400 µm hohen SPAD-Bereich angeordnet sein und kann einen aktiven Erfassungsbereich von bis zu 400 µm Durchmesser definieren. Angrenzende SPADs können um einen SPAD-Abstand von 400 µm versetzt werden. In diesem Beispiel können der Aperturabstand entlang der vertikalen Spalte der Aperturen, der Linsenabstand entlang der vertikalen Spalte der Linsen und der Pixelabstand entlang der vertikalen Spalte der Pixel jeweils etwa 400 µm betragen. Für den ersten Messkanal im System (d. h., die erste Apertur 141, die erste Linse 151, und das erste Pixel 171, etc.), kann ein erster Diffusor 180 eine zylindrische Lichtsäule aus Lichtstrahlen divergieren, die von der ersten Linse 151 durch das optische Filter 160 geleitet wird - wie beispielsweise eine Lichtsäule mit einem Durchmesser von etwa 100 µm für ein Aperturschicht-Bildverhältnis von 1:4 - bis zu einer Höhe von etwa 400 µm, die vertikal mit der Reihe von SPADs im ersten Pixel 171 ausgerichtet ist. Der erste Diffusor kann in ähnlicher Weise die zylindrische Säule von Lichtstrahlen, die von der ersten Linse 151 durch das optische Filter 160 geleitet werden, auf eine Breite von ungefähr 6,4 µm divergieren, die horizontal über die Reihe von SPADs im Pixel 171 zentriert ist. Andere Diffusoren 180 in dem System können gleichermaßen kollimiertes Licht divergieren (oder konvergieren), das von entsprechenden Linsen über entsprechende Pixel in dem Satz von Pixeln 170 geleitet wird. Daher kann das System in diesem Beispiel durch die Verbindung jedes SPAD (oder jedes Pixels) mit einer entfernten analogen Front-End-Verarbeitungselektronik 240 und durch die Integration von Diffusoren 180, die das vom optischen Filter 160 durchgelassene Licht über die Breiten und Höhen der entsprechenden Pixel verteilen, einen relativ hohen Füllfaktor des Erfassungsbereichs über den Bildsensor erreichen.
Daher können Pixel im eindimensionalen optischen System 100 im Satz von Pixeln 170 eine Anordnung von mehreren SPADS beinhalten, die im Verhältnis größer als 1:1 angeordnet sind, und der Diffusor 180 kann Lichtstrahlen über entsprechende nichtquadratische Pixel verteilen, wodurch eine relativ große Anzahl von SPADs über ein einzelnes Pixel angezeigt werden kann, um einen größeren dynamischen Bereich über den Bildsensor zu erreichen, als ein Bildsensor mit einem einzelnen SPAD pro Pixel, wie in 3. dargestellt. Insbesondere kann ein erster Messkanal im System durch die Integration mehrerer SPADs pro Pixel (d.h. pro Messkanal) mehrere einfallende Photonen - die von einer Oberfläche in dem durch ein durch die erste Apertur 141 definiertes Sichtfeld begrenzten Feld stammen - innerhalb der Spanne der für die SPADs charakteristischen Totzeit erkennen. Der erste Messkanal kann also eine „hellere“ Oberfläche in seinem Blickfeld erfassen. Zusätzlich oder alternativ kann das erste Pixel 171 im ersten Messkanal schneller abgetastet werden als die für SPADs im ersten Pixel 171 charakteristische Totzeit, denn obwohl eine erste Teilmenge von SPADs im ersten Pixel 171 während einer ersten Abtastzeit aufgrund der Sammlung von einfallenden Photonen während der ersten Abtastzeit unten (oder „tot“) sein kann, bleiben andere SPADs im ersten Pixel 171 eingeschaltet (oder „lebendig“) und können daher einfallende Photonen während einer nachfolgenden Abtastzeit sammeln. Zudem kann der Bildsensor durch Einbeziehen von Pixeln, die durch relativ hohe Seitenverhältnisse von Fotodetektoren gekennzeichnet sind, Pixel beinhalten, die um einen relativ kleinen Pixelabstand versetzt sind, aber das System 100 kann dennoch ein Pixel mit relativ hohem Dynamikbereich erreichen.
Jedoch können Pixel in dem Satz von Pixeln 170 jede andere Anzahl von SPADs umfassen, die in beliebigen anderen Anordnungen angeordnet sind, wie beispielsweise in einer 64x1 Gitteranordnung (wie oben beschrieben), in einer 32x2 Gitteranordnung oder in einer 16x4 Gitteranordnung, und der Diffusor 180 kann entsprechende Pixel in anderer geeigneter Weise konvergieren und/oder divergieren. Darüber hinaus kann jedes Pixel in der Pixelmenge 170 anstelle der (oder zusätzlich zu den) SPADs eine oder mehrere lineare Lawinenphotodioden, Geiger-Lawinenphotodioden, Photomultiplikatoren, Resonanzkavitätsphotodioden, QUANTUM DOT-Detektoren oder andere Arten von Photodetektoren beinhalten, die wie vorstehend beschrieben angeordnet sind, und der/die Diffusor(en) 180 kann/können Signale, die von den optischen Filtern 160 über entsprechende Pixel geleitet werden, wie hier beschrieben, ähnlich konvergieren und divergieren.
BELEUCHTUNGSQUELLEN
Das System enthält einen Satz Beleuchtungsquellen 110, die entlang einer ersten Achse angeordnet sind, wobei jede Beleuchtungsquelle in dem Satz von Beleuchtungsquellen 110 konfiguriert ist, um einen Beleuchtungsstrahl einer Betriebswellenlänge zu einem diskreten Punkt in einem Feld vor der Beleuchtungsquelle auszugeben. Im Allgemeinen dient jede Beleuchtungsquelle dazu, einen Lichtstrahl auszugeben, der mit einem Sichtfeld übereinstimmt, das durch eine entsprechende Apertur in der Menge der Aperturen 144 definiert ist, wie in 1 und 2 dargestellt.
In einer Implementierung umfasst der Satz von Beleuchtungsquellen 110 eine Bulk-Senderoptik und einen getrennten Emitter pro Lese-Kanal. So kann beispielsweise der Satz von Beleuchtungsquellen 110 monolithische VCSEL-Arrays mit einem Satz von getrennten Emittern beinhalten. Bei dieser Implementierung kann die Bulk-Senderoptik im Wesentlichen identisch mit der Bulk-Abbildungsoptik 130 in Material, Geometrie (z. B. Brennweite), thermischer Isolierung usw. sein, und die Bulk-Senderoptik ist angrenzend und lateral und/oder vertikal von der Bulk-Abbildungsoptik 130 versetzt. In einem ersten Beispiel umfasst der Satz von Beleuchtungsquellen 110 eine Laseranordnung mit getrennten Emittern, die in einer Spalte angeordnet sind, wobei angrenzende Emitter um einen Emitterabstand versetzt sind, der im Wesentlichen identisch mit dem Aperturabstand ist. In diesem ersten Beispiel gibt jeder Emitter einen Lichtstrahl aus, dessen Durchmesser im Wesentlichen identisch oder geringfügig größer als der Durchmesser einer entsprechenden Apertur in der Aperturschicht ist, und die Säule der Emitter ist entlang der Fokusebene der Bulk-Senderoptik so angeordnet, dass jeder von der Bulk-Senderoptik in das Feld projizierte Lichtstrahl sich schneidet und im Wesentlichen die gleiche Größe und Geometrie aufweist wie das Sichtfeld des entsprechenden Lesekanals, wie in 4. dargestellt. Daher kann im Wesentlichen die gesamte Ausgangsleistung jedes Emitters in dem Satz von Beleuchtungsquellen 110 mit relativ geringem Energieverlust in das Sichtfeld seines entsprechenden Messkanals projiziert werden und die Oberflächen im Feld außerhalb der Sichtfelder der Messkanäle beleuchten.
In einem zweiten Beispiel sind die getrennten Emitter ähnlich in einer Spalte angeordnet, wobei benachbarte Emitter um einen Emitterabstand versetzt sind, der doppelt so groß ist wie der Aperturabstand, wie in 2. dargestellt. In diesem zweiten Beispiel ist jeder Emitter durch einen leuchtenden aktiven Bereich (oder Apertur) mit einem Durchmesser von etwa (oder etwas größer als) dem doppelten des Durchmessers einer entsprechenden Apertur in der Aperturschicht gekennzeichnet, und die Säule der Emitter ist hinter der Bulk-Senderoptik um das Doppelte der Brennweite der Bulk-Senderoptik versetzt, sodass jeder von der Bulk-Senderoptik in das Feld projizierte Lichtstrahl sich schneidet und von im Wesentlichen der gleichen Größe und Geometrie wie das Sichtfeld des entsprechenden Lesekanals ist, wie oben beschrieben. Zudem kann für dieselbe Beleuchtungsstrahlleistungsdichte ein Beleuchtungsstrahl, der von einem Emitter in diesem zweiten Beispiel ausgegeben wird, die vierfache Leistung eines Beleuchtungsstrahls enthalten, der von einem Emitter in dem ersten oben beschriebenen Beispiel ausgegeben wird. Das System kann daher einen Satz von Emittern beinhalten, die entsprechend einem Emitterneigungsabstand angeordnet sind, der konfiguriert ist, um beleuchtete Strahlen mit einem Durchmesser auszugeben, und hinter der Bulk-Senderoptik um einen Versatzabstand in Abhängigkeit von einem Skalenfaktor (z.B. 2,0 oder 3,0) und 1) dem Aperturabstand in der Aperturschicht, 2) dem Durchmesser der Aperturen in der Aperturschicht und 3) der Brennweite der Bulk-Senderoptik. Das System kann daher ein beleuchtetes Subsystem umfassen, das proportional größer ist als ein entsprechendes Empfängersubsystem, um eine größere Gesamtleistung der Beleuchtung innerhalb der gleichen Strahlwinkel und Sichtfelder der entsprechenden Kanäle im Empfängersubsystem zu erzielen.
Das System kann auch mehrere getrennte Sätze von Lichtquellen umfassen, wobei jeder Satz von Beleuchtungsquellen 110 mit einer getrennten Bulk-Senderoptik neben der Bulk-Abbildungsoptik 130 gekoppelt ist. Beispielsweise kann das System eine erste Bulk-Senderoptik, eine zweite Bulk-Senderoptik und eine dritte Bulk-Senderoptik umfassen, die radial um die Bulk-Abbildungsoptik 130 in einem gleichmäßigen radialen Abstand von der Mitte der Bulk-Abbildungsoptik 130 angeordnet und um einen Winkelabstand von 120° beabstandet ist. In diesem Beispiel kann das System eine Laseranordnung mit einem Emitter - wie oben beschrieben - hinter jeder der ersten, zweiten, und dritten Bulk-Senderoptik beinhalten. Jeder getrennte Laseranordnung und seine entsprechende Bulk-Senderoptik kann somit einen Satz von Beleuchtungsstrahlen in die Sichtfelder projizieren, die durch entsprechende Aperturen in der Aperturschicht definiert sind. Daher können in diesem Beispiel die drei getrennten Laseranordnungen und die drei entsprechenden Bulk-Senderoptiken zusammenarbeiten, um die dreifache Leistung auf die Sichtfelder der Lesekanäle im System zu projizieren, verglichen mit einer einzigen Laseranordnung und einer Bulk-Senderoptik. Zusätzlich oder alternativ kann das System mehrere getrennte Schichtanordnungen und Bulk-Senderoptiken zu beiden umfassen: 1) Erreichen einer Soll-Beleuchtungsleistung, die in das Sichtfeld jedes Abtastkanals im Empfänger-Subsystem mit mehreren Sendern mit geringerer Leistung pro Abtastkanal abgegeben wird; und 2) Verteilung der optischen Energie über einen größeren Bereich im Nahfeld, um eine optische Energiedichte zu erreichen, die kleiner als eine zulässige optische Energiedichte für das menschliche Auge ist.
Das System kann jedoch jede andere Anzahl und Konfiguration von Beleuchtungsquellen und Großsenderoptiken beinhalten, die konfiguriert sind, um die durch die Lesekanäle definierten Sichtfelder zu beleuchten. Der Satz von Beleuchtungsquellen 110 kann auch jeden anderen geeigneten Typ eines optischen Senders umfassen, wie beispielsweise einen 1x16 optischen Splitter, der von einer einzelnen Laserdiode gespeist wird, eine seitlich emittierende Laserdiodenanordnung, eine LED-Anordnung oder eine Quantenpunkt-LED-Anordnung, etc.
FERTIGUNG
In einer Implementierung werden die Massenempfängerlinse, die Aperturschicht, der Linsensatz 150, der optische Filter 160 und der Diffusor 180 hergestellt und dann mit einem Bildsensor ausgerichtet und auf diesem montiert. Zum Beispiel kann das optische Filter 160 durch Beschichten eines Quarzglassubstrats hergestellt werden. Das photoaktive optische Polymer kann dann über dem optischen Filter 160 abgeschieden werden, und eine Linsenform kann über das photoaktive optische Polymer gelegt und eine UV-Lichtquelle aktiviert werden, um das photoaktive optische Polymer in Form von Linsen zu härten, die über den optischen Filter 160 gemustert sind. Abstandshalter können ähnlich geformt oder über den optischen Filter 160 mittels PhotolithographieTechniken gebildet werden, und eine Aperturschicht, die durch einen selektiv gehärteten, metallisierten Glaswafer definiert ist, kann dann an die Abstandshalter gebunden oder anderweitig montiert werden, um die Aperturschicht zu bilden. Die Anordnung kann dann umgekehrt werden, und ein Satz getrennter Diffusoren und Abstandshalter kann auf ähnliche Weise auf der gegenüberliegenden Seite des optischen Filters 160 hergestellt werden. Ein getrennter Bildsensor kann dann mit den Abstandshaltern ausgerichtet und verbunden werden, und eine Bulk-Abbildungsoptik 130 kann auf ähnliche Weise über der Aperturschicht angebracht werden.
Alternativ können Photolithographie- und Wafer-Level-Bonding-Techniken eingesetzt werden, um die Bulk-Imaging-Optik, die Aperturschicht, den Linsensatz 150, den optischen Filter 160 und den Diffusor 180 direkt auf den nicht gewürfelten Halbleiterwafer mit den Detektorchips herzustellen, um die Herstellung zu vereinfachen, Kosten zu reduzieren und die optische Stapelhöhe für ein geringeres Pixel-Nebensprechen zu reduzieren.
EINDIMENSIONALES OPTISCHES SYSTEM: LINSENROHR
Eine Variation des Systems umfasst: einen Satz von Beleuchtungsquellen 110, die entlang einer ersten Achse angeordnet sind, wobei jede Beleuchtungsquelle in dem Satz von Beleuchtungsquellen 110 konfiguriert ist, um einen Beleuchtungsstrahl einer Betriebswellenlänge in Richtung eines diskreten Punktes in einem Feld vor der Beleuchtungsquelle auszugeben; eine Massenbildoptik 130, die durch eine dem Feld gegenüberliegende Fokusebene gekennzeichnet ist; einen Satz von Linsenrohren 210, die in einer Linienanordnung parallel zur ersten Achse angeordnet sind, wobei jedes Linsenrohr in dem Satz von Linsenrohren 210 folgendes beinhaltet: eine Linse, gekennzeichnet durch eine Brennweite, die um die Brennweite von der Brennebene versetzt ist, und konfiguriert ist, um Lichtstrahlen, die in die Massenbildoptik 130 reflektiert werden, von einem diskreten Punkt in dem von einer entsprechenden Lichtquelle in dem Satz von Optiken beleuchteten Feld in die Massenbildoptik 130 zu kollimieren; und eine zylindrische Wand 218, die sich von der Linse gegenüber der Brennebene erstreckt und eine lange Achse im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse definiert, und konfiguriert ist, um einfallende Lichtstrahlen, die in die Massenbildoptik 130 reflektiert werden, aus einem Bereich in dem Feld außerhalb des von der entsprechenden Lichtquelle beleuchteten diskreten Punktes zu absorbieren. Bei dieser Variante umfasst das System auch: ein optisches Filter 160 angrenzend an den Satz von Linsenrohren 210 gegenüber der Fokusebene und konfiguriert, um Lichtstrahlen bei der Betriebswellenlänge zu leiten; einen Satz von Pixeln 170 angrenzend an das optische Filter 160 gegenüber dem Satz von Linsen 150, wobei jedes Pixel in dem Satz von Pixeln 170 einer Linse in dem Satz von Linsen 150 entspricht und einen Satz von Subpixeln beinhaltet, die entlang einer dritten Achse senkrecht zur ersten Achse ausgerichtet sind; und einen Diffusor 180, der zwischen dem optischen Filter 160 und dem Satz von Pixeln 170 angeordnet ist und konfiguriert ist, um die kollimierte Lichtausgabe von jeder Linse in dem Satz von Linsen 150 über einen Satz von Subpixeln eines entsprechenden Pixels in dem Satz von Pixeln 170 zu verteilen.
Im Allgemeinen beinhaltet das System bei dieser Variante ein Linsenrohr als Ersatz für (oder zusätzlich zu) jeder der oben beschriebenen Blenden und Linsenpaare. In dieser Variation kann jedes Linsenrohr durch eine zweite (kurze) Brennweite charakterisiert werden und kann von der Brennebene der Massenbildoptik 130 um die zweite Brennweite versetzt werden, um die Apertur der Massenbildoptik 130 zu erhalten und einfallendes Licht, das von der Massenbildoptik 130 empfangen wird, wie oben beschrieben und in 5 und 7 dargestellt.
Jedes Linsenrohr definiert auch eine opake zylindrische Wand 218, die eine Achse senkrecht zur Einfallsebene des benachbarten optischen Filters 160 definiert und konfiguriert ist, um einfallende Lichtstrahlen zu absorbieren, wie in 5. dargestellt. Im Allgemeinen kann die zylindrische Wand 218 eines Linsenrohrs bei größeren axialen Längen Lichtstrahlen absorbieren, die in geringeren Winkeln zur Achse des Linsenrohrs durch das Linsenrohr hindurchgehen, wodurch das Sichtfeld des Linsenrohrs reduziert wird (was einer Verringerung des Durchmessers einer Apertur in der Aperturschicht bis zum beugungsbegrenzten Durchmesser, wie vorstehend beschrieben, ähnlich sein kann) und ein Ausgangssignal kollimierter Lichtstrahlen ergibt, das näher an der Einfallsebene des optischen Filters 160 liegt. Jedes Linsenrohr kann daher eine längliche zylindrische Wand 218 einer Länge definieren, die ausreichend ist, um ein Zielblickfeld zu erreichen und kollimierte Lichtstrahlen unter maximalen Winkeln zur Achse des Linsenrohrs kleiner als einen Schwellwinkel zu leiten. In dieser Variation kann ein Linsenrohr somit als ein vorstehend beschriebenes Apertur-Sensor-Paar fungieren, um ein enges Sichtfeld zu definieren und im Wesentlichen kollimiertes Licht an den angrenzenden optischen Filter 160 abzugeben.
Die zylindrische Wand 218 eines Linsenrohrs kann eine grobe oder gemusterte undurchsichtige Oberfläche um ein transparentes (oder transluzentes) Linsenmaterial definieren, wie in 5 dargestellt, um die Absorption zu erhöhen und die Reflexion von Lichtstrahlen zu verringern, die auf die zylindrische Wand 218 fallen. Jedes Linsenrohr (und jede Linse, die oben beschrieben wurde) kann auch mit einer AntiReflex-Beschichtung beschichtet sein.
Wie in 9 dargestellt, kann bei dieser Variation der Satz von Linsenrohren 210 durch Implementieren photolithographischer Techniken hergestellt werden, um ein photoaktives optisches Polymer (z. B. SU8) auf das optische Filter 160 (z. B. auf einen Siliziumwafer, der das optische Filter definiert) aufzumustern. Ein lichtabsorbierendes Polymer kann dann zwischen die Linsenrohre gegossen und gehärtet werden. Ein Satz von Linsen 150 kann dann separat hergestellt (z. B. geformt) und dann mit über die Linsenrohre geklebt werden. Alternativ können die Linsen direkt auf den Linsenrohren durch Photolithographietechniken hergestellt werden. Alternativ kann jedoch auch eine Form für Linsen direkt auf die Linsenrohre durch Einspritzen von Polymer in eine Form gegossen werden, die über den Linsenrohren angeordnet ist. Ein einzelner Diffusor 180 oder mehrere getrennte Diffusoren 180 können auf ähnliche Weise auf dem optischen Filter 160 gegenüber den Linsenrohren hergestellt und/oder montiert werden. Abstandshalter, die sich vom optischen Filter 160 erstrecken, können ebenfalls hergestellt oder um den/die Diffusor(en) 180 herum installiert werden, und der Bildsensor kann mit den Abstandshaltern gegenüber dem optischen Filter 160 ausgerichtet und verbunden werden. Andere optische Elemente innerhalb des Systems (z. B. die Bulk-Abbildungslinse, die Bulk-Transmissionslinse usw.) können gemäß ähnlichen Techniken und mit ähnlichen Materialien hergestellt werden.
ZWEIDIMENSIONALES OPTISCHES SYSTEM
Eine weitere Variante des Systems beinhaltet: einen Satz von Beleuchtungsquellen 110, die in einer ersten geradlinigen Gitteranordnung angeordnet sind, wobei jede Beleuchtungsquelle in dem Satz von Beleuchtungsquellen 110 konfiguriert ist, um einen Beleuchtungsstrahl mit einer Betriebswellenlänge zu einem diskreten Punkt in einem Feld vor der Beleuchtungsquelle auszugeben; eine Bulk-Abbildungsoptik 130, die durch eine dem Feld gegenüberliegende Fokusebene gekennzeichnet ist; eine Aperturschicht, die mit der Fokusebene übereinstimmt, die einen Satz von Aperturen 144 in einem zweiten geradlinigen Gitterarray definiert, das proportional zu dem ersten geradlinigen Gitterarray ist, und einen Stoppbereich 146 um den Satz von Aperturen 144 definiert, wobei jede Apertur in dem Satz von Aperturen 144 ein Sichtfeld in dem Feld definiert, das mit einem diskreten Punkt übereinstimmt, der von einer entsprechenden Lichtquelle in dem Satz von Beleuchtungsquellen 110 ausgegeben wird, wobei der Stoppbereich 146 Lichtstrahlen absorbiert, die von Oberflächen in dem Feld außerhalb von Sichtfeldern reflektiert werden, die durch den Satz von Aperturen 144 definiert sind und durch die Massenbildoptik 130 verlaufen; einen Satz von Linsen 150, wobei jede Linse in dem Satz von Linsen 150 durch eine zweite Brennweite gekennzeichnet ist, die von der Brennebene gegenüber der Massenbildoptik 130 um die zweite Brennweite versetzt ist, mit einer Apertur in dem Satz von Aperturen 144 ausgerichtet ist und konfiguriert ist, um von der Apertur durchgelassene Lichtstrahlen zu kollimieren; ein optisches Filter 160 angrenzend an den Satz von Linsen 150 gegenüber der Aperturschicht und konfiguriert, um Lichtstrahlen bei der Betriebswellenlänge zu leiten; einen Satz von Pixeln 170 angrenzend an den optischen Filter 160 gegenüber dem Satz von Linsen 150, wobei jedes Pixel im Satz von Pixeln 170 mit einem Teilsatz von Linsen im Satz von Linsen 150 ausgerichtet ist; und einen Diffusor 180, der zwischen dem optischen Filter 160 und dem Satz von Pixeln 170 angeordnet ist und konfiguriert ist, um die kollimierte Lichtabgabe von jeder Linse im Satz von Linsen 150 über ein entsprechendes Pixel im Satz von Pixeln 170 zu verteilen.
Im Allgemeinen enthält das System in dieser Variation ein zweidimensionales Gitterarray von Kanälen (d. h. Apertur-, Linsen- und Pixelsätze oder Linsenrohr- und Pixelsätze) und ist konfiguriert, um ein Volumen, das durch das System eingenommen wird, in zwei Dimensionen abzubilden. Das System kann eindimensionale Abstandsdaten - wie z. B. Zählungen von einfallenden Photonen innerhalb einer Abtastzeit und/oder Zeiten zwischen aufeinanderfolgenden Photonen sammeln, die auf Pixel einer bekannten Position einfallen, die bekannten Sichtfeldern auf dem Feld entsprechen - über ein zweidimensionales Feld. Die eindimensionalen Abstandsdaten können dann mit bekannten Positionen der Sichtfelder für jeden Kanal in dem System zusammengeführt werden, um eine virtuelle dreidimensionale Darstellung des Feldes vor dem System zu rekonstruieren.
Bei dieser Variation kann die Aperturschicht ein Gitterarray von Aperturen definieren, der Satz von Linsen 150 kann in einem ähnlichen Gitterarray angeordnet sein, wobei eine Linse mit einer Apertur in der Aperturschicht ausgerichtet ist, und der Satz von Pixeln 170 kann, wie oben beschrieben, ein Pixel pro Apertur und Linsenpaar umfassen. Die Aperturschicht kann beispielsweise ein 24×24 Gitterarray mit Aperturen von 200 µm Durchmesser definieren, die vertikal und lateral um einen Aperturabstand von 300 µm versetzt sind, und der Satz von Linsen 150 kann ebenfalls ein 24×24 Gitterarray von Linsen definieren, das vertikal und lateral um einen Linsenpitchabstand von 300 µm versetzt ist. In diesem Beispiel kann der Satz von Pixeln 170 ein 24x24 Gitterarray von 300 µm quadratischen Pixeln beinhalten, wobei jedes Pixel eine 3×3 quadratische Anordnung von neun 100 µm quadratischen SPADs beinhaltet.
Alternativ kann bei dieser Variante der Satz von Pixeln 170 ein Pixel pro Gruppe von mehreren Aperturen- und Linsenpaaren beinhalten. In dem vorstehenden Beispiel kann der Satz von Pixeln 170 alternativ ein 12x12 Gitterarray von 600 µm quadratischen Pixeln umfassen, wobei jedes Pixel eine 6x6 quadratische Anordnung von 36 100 µm quadratischen SPADs umfasst und wobei jedes Pixel mit einer Gruppe von vier benachbarten Linsen in einem quadratischen Gitter ausgerichtet ist. In diesem Beispiel kann der Diffusor 180 für jede Gruppe von vier angrenzenden Linsen: kollimierte Lichtstrahlen, die von einer Linse in der (1, 1)-Position in dem quadratischen Gitter nach oben und nach rechts abgegeben werden, um Lichtstrahlen, die durch die (1,1)-Linse hindurchgehen, über die volle Breite und Breite des entsprechenden Pixels verteilen; kann kollimierte Lichtstrahlen, die von einer Linse in der (2,1)-Position in dem quadratischen Gitter nach oben und nach links gerichtet werden, um Lichtstrahlen, die durch die (2,1)-Linse hindurchgehen, über die volle Breite und Breite des entsprechenden Pixels verteilen; kann kollimierte Lichtstrahlen, die von einer Linse in der (1,2)-Position in dem quadratischen Gitter abgegeben werden, nach unten und rechts vorspannen, um Lichtstrahlen, die durch die (1,2)-Linse hindurchgehen, über die volle Breite und Breite des entsprechenden Pixels zu verteilen, und kann kollimierte Lichtstrahlen, die von einer Linse in der (2,2)-Position in dem quadratischen Gitter abgegeben werden, nach unten und nach links vorspannen, um Lichtstrahlen, die durch die (2,2)-Linse hindurchgehen, über die volle Breite und Breite des entsprechenden Pixels zu verteilen, wie in 8. dargestellt.
Im vorstehenden Beispiel kann das System für jede Gruppe von vier Beleuchtungsquellen in einem quadratischen Gitter und entsprechend einer Gruppe von vier Linsen in einem quadratischen Raster zu jedem gegebenen Zeitpunkt eine Beleuchtungsquelle in der Gruppe von vier Beleuchtungsquellen betätigen. Insbesondere kann das System für jede Gruppe von vier Beleuchtungsquellen in einem quadratischen Raster, das einem Pixel in dem Satz von Pixeln 170 entspricht, eine erste Beleuchtungsquelle 111 in einer (1, 1) Position während einer ersten Abtastperiode betätigen, um ein Sichtfeld zu beleuchten, das durch eine erste Apertur 141 definiert ist, die einem Objektiv in der (1,1)-Position in der entsprechenden Gruppe von vier Linsen entspricht, und das System kann alle 36 SPADs in dem entsprechenden Pixel während der ersten Abtastperiode abtasten. Das System kann dann die erste Beleuchtungsquelle 111 abschalten und eine zweite Beleuchtungsquelle 112 in einer (1, 2) Position während einer nachfolgenden zweiten Abtastperiode betätigen, um ein Sichtfeld zu beleuchten, das durch eine zweite Apertur 142 definiert ist, die einer Linse in der (1,2) Position in der entsprechenden Gruppe von vier Linsen entspricht, und das System kann alle 36 SPADs in dem entsprechenden Pixel während der zweiten Abtastperiode erfassen. Anschließend kann das System die erste und zweite Beleuchtungsquelle 112 abschalten und eine dritte Beleuchtungsquelle in einer (2,1) Position während einer nachfolgenden dritten Abtastperiode betätigen, um ein Sichtfeld zu beleuchten, das durch eine dritte Apertur definiert ist, die einem Objektiv in der (2,1) Position in der entsprechenden Gruppe von vier Linsen entspricht, und das System kann alle 36 SPADs in dem entsprechenden Pixel während der dritten Abtastperiode erfassen. Schließlich kann das System die erste, zweite und dritte Lichtquelle abschalten und eine vierte Lichtquelle in einer (2,2) Position während einer vierten Abtastperiode betätigen, um ein Sichtfeld zu beleuchten, das durch eine vierte Apertur definiert ist, die einem Objektiv in der (2,2) Position in der entsprechenden Gruppe von vier Linsen entspricht, und das System kann alle 36 SPADs in dem entsprechenden Pixel während der vierten Abtastperiode erfassen. Das System kann diesen Vorgang während des gesamten Betriebs wiederholen.
Daher kann das System im vorstehenden Beispiel einen Satz von Pixeln 170 beinhalten, die über einen Bildsensor mit einer Breite von 7,2 mm und einer Länge von 7,2 mm angeordnet sind, und ein Scanschema implementieren, so dass jeder Kanal im System auf eine Reihe von SPADs zugreifen kann (Lichtstrahlen projizieren kann), die ansonsten einen wesentlich größeren Bildsensor erfordern (z.B. einen 14,4 mm × 14,4 mm Bildsensor). Insbesondere kann das System ein serielles Scanschema pro Gruppe von Beleuchtungsquellen implementieren, um eine exponentielle Zunahme des Dynamikbereichs jedes Kanals im System zu erreichen. Insbesondere bei dieser Variante kann das System die vorgenannten bildgebenden Verfahren implementieren, um die Bildauflösung des Systems zu erhöhen.
In der vorhergehenden Implementierung kann das System auch einen Verschluss 182 zwischen jedem Kanal und dem Bildsensor beinhalten, und das System kann jeden Verschluss 182 selektiv öffnen und schließen, wenn die Beleuchtungsquelle für den entsprechenden Kanal aktiviert bzw. deaktiviert wird. Das System kann beispielsweise einen unabhängig bedienbaren elektrochromen Verschluss 182 zwischen jeder Linse beinhalten, und das System kann den elektrochromen Verschluss 182 über der (1, 1) Linse in der quadratischen Gittergruppe von vier Linsen öffnen und elektrochrome Verschlüsse 182 über der (1, 2), (2, 1), und (2, 2) Linse schließen, wenn die (1, 1) Beleuchtungsquelle aktiviert ist, wodurch das Rauschen, das durch die (1, 2), (2, 1), und (2, 2) Linse geht, vor dem Erreichen des entsprechenden Pixels auf dem Bildsensor ausgeschlossen wird. Das System kann daher die Verschlüsse 182 zwischen jedem Kanal und dem Bildsensor selektiv öffnen und schließen, um das SNR pro Kanal während des Betriebs zu erhöhen. Alternativ kann das System einen unabhängig bedienbaren elektrochromen Verschluss 182 enthalten, der über ausgewählten Regionen jedes Pixels angeordnet ist, wie in 8 dargestellt, wobei jeder elektrochrome Verschluss 182 mit einem einzelnen Kanal (d. h. mit einer einzelnen Linse in dem Satz von Linsen) ausgerichtet ist. Das System kann alternativ mechanische MEMS-Verschlüsse oder irgendeine andere geeignete Art von Verschluss umfassen, die zwischen dem Satz von Linsen 150 und dem Bildsensor angeordnet ist.
Bei dieser Variation kann das System zweidimensionale Gitterarrays von Aperturen, Linsen, Diffusoren und/oder Pixeln definieren, die durch eine erste Teilungsdistanz entlang einer ersten (z. B. X) Achse und eine zweite Teilungsdistanz - die sich von der ersten Teilungsdistanz unterscheidet- entlang einer zweiten (z. B. Y) Achse gekennzeichnet sind. Beispielsweise kann der Bildsensor Pixel umfassen, die um einen horizontalen Abstand von 25 µm und einen vertikalen Abstand von 300 µm versetzt sind, wobei jedes Pixel eine einzelne Reihe von zwölf Subpixeln umfasst.
Jedoch kann in dieser Variation das zweidimensionale optische System eine Anordnung irgendeiner anderen Anzahl und eines Musters von Kanälen (z. B. Aperturen, Linsen (oder Linsenröhren) und Diffusoren) und Pixel umfassen, und kann jedes andere geeignete Scanschema ausführen, um höhere räumliche Auflösungen pro Kanal als die Rohpixelauflösung des Bildsensors zu erreichen. Das System kann zusätzlich oder alternativ eine konvergierende Optik, eine divergierende Optik und/oder jede andere geeignete Art von optischem Element umfassen, um Lichtrechte zu verteilen, die von einem Kanal über die Breite eines entsprechenden Pixels geleitet werden.
Wie ein Fachmann aus der vorhergehenden detaillierten Beschreibung und aus den Figuren und Ansprüchen erkennen wird, können Änderungen und Ergänzungen an den Ausführungsformen der Erfindung vorgenommen werden, ohne vom Umfang dieser Erfindung abzuweichen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Ein mikrooptischer Empfängerkanal, bestehend aus: einer Eingangsaperturschicht; einer optischen Linsenschicht, die an die Eingangsaperturschicht angrenzt; einer optischen Filterschicht, die an die optische Linsenschicht angrenzt; und einer Pixelschicht, die an die optische Filterschicht angrenzt.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 1, wobei die Eingangsaperturschicht eine Apertur umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 1, wobei die Eingangsaperturschicht eine Apertur und ein die Apertur umgebendes Anschlagmaterial umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 3, wobei das Stoppmaterial ein reflektierendes Material umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 3, wobei das Stoppmaterial ein lichtabsorbierendes Material umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 1, wobei die optische Linsenschicht eine Kollimatorlinse umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 1, wobei die Eingangsaperturschicht eine Apertur umfasst und wobei die optische Linsenschicht eine Linse umfasst, wobei die Apertur mit der Linse ausgerichtet ist.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 1, der mit einer zweiten Aperturschicht zwischen der optischen Linsenschicht und der optischen Filterschicht.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 1, wobei die optische Filterschicht einen optischen Bandfilter aufweist.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 1, wobei die Pixelschicht mindestens einen Einzel-Photonen-Lawinen-Diodendetektor umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 1, wobei die Pixelschicht eine Mehrzahl von Einzel-Photonen-Lawinen-Diodendetektoren umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 1, wobei die Pixelschicht mindestens eine resonante Hohlraum-Photodiode umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 1, wobei die Pixelschicht eine Vielzahl von resonanten Hohlraum-Photodioden umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 1, wobei das Pixel eine Vielzahl von Subpixeln umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 1, der ferner einen Diffusor zwischen dem optischen Filter und der Pixelschicht umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 15, der ferner eine dritte Apertur zwischen dem optischen Filter und dem Diffusor umfasst.
Ein optischer Mikroempfängerkanal, bestehend aus: einer Apertur, die von einem Anschlagbereich umgeben ist; einer optischen Linse angrenzend an die Apertur; einem optischen Filter angrenzend an die optische Linse; und einem an den optischen Filter benachbarter Pixel, wobei die Apertur einen Eingangskegel aus Licht annimmt, der einen breiten Wellenlängenbereich enthält, und der optische Filter alle bis auf ein schmales Band der Wellenlängen herausfiltert, die bei einer Betriebswellenlänge zentriert sind, und wobei das Pixel konfiguriert ist, um Photonen nur innerhalb des schmalen Wellenlängenbereichs zu erfassen.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 17, wobei der Anschlagbereich ein reflektierendes Material umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 17, wobei der Anschlagbereich ein lichtabsorbierendes Material umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 17, wobei die optische Linse eine Kollimatorlinse umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 17, wobei die Apertur mit der Linse ausgerichtet ist.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 17, ferner mit einer zweiten Apertur zwischen der optischen Linse und dem optischen Filter.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 17, wobei die optische Filterschicht ein optisches Bandfilter aufweist.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 17, wobei das Pixel mindestens einen Einzel-Photonen-Lawinen-Diodendetektor umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 17, wobei das Pixel eine Mehrzahl von Einzel-Photonen-Lawinen-Diodendetektoren umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 17, wobei das Pixel mindestens eine Resonanzhohlraum-Photodiode umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 17, wobei das Pixel eine Mehrzahl von Resonanzhohlraum-Photodioden umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 17, wobei das Pixel eine Vielzahl von Subpixeln umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 17, der ferner einen Diffusor zwischen dem optischen Filter und der Pixelschicht umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 29, der ferner eine dritte Apertur zwischen dem optischen Filter und dem Diffusor umfasst.
Ein Bildsensor mit: einer Vielzahl von mikrooptischen Empfängerkanälen, jeder mikrooptische Empfängerkanal mit: einer Apertur; einer optischen Linse angrenzend an die Apertur; einen optischem Filter angrenzend an die optische Linse; und ein Pixel angrenzend an den optischen Filter.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 31, wobei der Anschlagbereich ein reflektierendes Material umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 31, wobei der Anschlagbereich ein lichtabsorbierendes Material umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 31, wobei die optische Linse eine Kollimatorlinse umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 31, wobei die Apertur mit der Linse ausgerichtet ist.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 31, ferner mit einer zweiten Apertur zwischen der optischen Linse und dem optischen Filter.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 31, wobei die optische Filterschicht ein optisches Bandfilter aufweist.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 31, wobei das Pixel mindestens einen Einzel-Photonen-Lawinen-Diodendetektor umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 31, wobei das Pixel eine Mehrzahl von Einzel-Photonen-Lawinen-Diodendetektoren umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 31, wobei das Pixel mindestens eine Resonanzhohlraum-Photodiode umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 31, wobei das Pixel eine Vielzahl von Resonanzhohlraum-Photodioden umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 31, wobei das Pixel eine Vielzahl von Subpixeln umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 31, der ferner einen Diffusor zwischen dem optischen Filter und der Pixelschicht umfasst.
Mikrooptischer Empfängerkanal nach Anspruch 43, der ferner eine dritte Apertur zwischen dem optischen Filter und dem Diffusor umfasst.
Ein Verfahren, das Folgendes umfasst: Bereitstellen eines mikrooptischen Empfängerkanals, der folgendes umfasst: Eine Apertur, die von einem Anschlagbereich umgeben ist; Eine optische Linse, angrenzend an die Apertur Ein optischer Filter, angrenzend an die optische Linse; und ein dem optischen Filter benachbartes Pixel, wobei die Apertur einen Eingangslichtkegel annimmt, der einen breiten Wellenlängenbereich enthält, und der optische Filter alle bis auf ein schmales Band der Wellenlängen herausfiltert, die bei einer Betriebswellenlänge zentriert sind, und wobei das Pixel konfiguriert ist, um Photonen nur innerhalb des schmalen Wellenlängenbereichs zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei der Anschlagbereich ein reflektierendes Material umfasst.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei der Anschlagbereich ein lichtabsorbierendes Material umfasst.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei die optische Linse eine Kollimatorlinse umfasst.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei die Apertur mit der Linse ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 45, zusätzlich mit einer zweiten Apertur zwischen der optischen Linse und dem optischen Filter.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei die optische Filterschicht ein optisches Bandpassfilter aufweist.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei das Pixel mindestens einen Einzel-Photonen-Lawinen-Diodendetektor umfasst.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei das Pixel eine Mehrzahl von Einzel-Photonen-Lawinen-Diodendetektoren umfasst.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei das Pixel mindestens eine Resonanzhohlraum-Photodiode umfasst.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei das Pixel eine Mehrzahl von Resonanzhohlraum-Photodioden umfasst.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei das Pixel eine Vielzahl von Subpixeln umfasst.
Verfahren nach Anspruch 45, zusätzlich mit einem Diffusor zwischen dem optischen Filter und der Pixelschicht.
Verfahren nach Anspruch 57, zusätzlich mit einer dritten Apertur zwischen dem optischen Filter und dem Diffusor.
Ein Verfahren, das Folgendes umfasst: Verwenden eines mikrooptischen Empfängerkanals, der folgendes umfassend: einer Apertur, die von einem Anschlagbereich umgeben ist; einer optischen Linse angrenzend an die Apertur einen optischen Filter angrenzend an die optische Linse; und ein dem optischen Filter benachbartes Pixel, wobei die Apertur einen Eingangslichtkegel annimmt, der einen breiten Wellenlängenbereich enthält, und der optische Filter alle bis auf ein schmales Band der Wellenlängen herausfiltert, die bei einer Betriebswellenlänge zentriert sind, und wobei das Pixel konfiguriert ist, um Photonen nur innerhalb des schmalen Wellenlängenbereichs zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 59, wobei der Anschlagbereich ein reflektierendes Material umfasst.
Verfahren nach Anspruch 59, wobei der Anschlagbereich ein lichtabsorbierendes Material umfasst.
Verfahren nach Anspruch 59, wobei die optische Linse eine Kollimatorlinse umfasst.
Verfahren nach Anspruch 59, wobei die Apertur mit der Linse ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 59, zusätzlich mit einer zweiten Apertur zwischen der optischen Linse und dem optischen Filter.
Verfahren nach Anspruch 59, wobei die optische Filterschicht ein optisches Bandpassfilter aufweist.
Verfahren nach Anspruch 59, wobei das Pixel mindestens einen Einzel-Photonen-Lawinen-Diodendetektor umfasst.
Verfahren nach Anspruch 59, wobei das Pixel eine Mehrzahl von Einzel-Photonen-Lawinen-Diodendetektoren umfasst.
Verfahren nach Anspruch 59, wobei das Pixel mindestens eine Resonanzhohlraum-Photodiode umfasst.
Verfahren nach Anspruch 59, wobei das Pixel eine Mehrzahl von Resonanzhohlraum-Photodioden umfasst.
Verfahren nach Anspruch 59, wobei das Pixel eine Vielzahl von Subpixeln umfasst.
Verfahren nach Anspruch 59, zusätzlich mit einem Diffusor zwischen dem optischen Filter und der Pixelschicht.
Verfahren nach Anspruch 71, zusätzlich mit einer dritten Apertur zwischen dem optischen Filter und dem Diffusor.
Ein optischer Kanal zum Empfangen von Photonen und zum Detektieren der Photonen, der folgendes umfasst: eine Bulk-Abbildungsoptik; eine Aperturschicht, die sich in einer Bildebene der Bulk-Optik befindet; eine Kollimatorlinsenschicht hinter der Aperturschicht, die durch eine Brennweite der Kollimatorlinsenschicht davon getrennt ist; einen optischen Filter hinter der Kollimatorlinsenschicht; und ein Pixel, das gegenüber der Kollimatorlinsenschicht gegenüber dem optischen Filter versetzt ist und auf Photonen anspricht, die auf das Pixel fallen.
Optischer Kanal nach Anspruch 73, zusätzlich mit einem Diffusor, der von der Aperturschicht durch das optische Filter geleitete Lichtstrahlen über einen Bereich eines entsprechenden Pixels verteilt, wodurch das Pixel einfallende Photonen über seine gesamte Breite und Höhe erfassen kann, um den Dynamikbereich des Systems zu erhöhen.
Optischer Kanal nach Anspruch 73, wobei das Pixel mindestens einen Einzel-Photonen-Lawinen-Diodendetektor umfasst.
Optischer Kanal nach Anspruch 73, wobei das Pixel mindestens eine Resonanzhohlraum-Photodiode umfasst.
Optischer Kanal nach Anspruch 63, wobei die Bulk-Abbildungsoptik telezentrisch ist.
Satz optischer Kanäle nach Anspruch 73, wobei der Satz von Pixeln des Satzes optischer Kanäle auf einem einzelnen Bildsensor angeordnet ist.
Satz optischer Kanäle nach Anspruch 78, wobei mehrere Sätze optischer Kanäle auf dem gleichen Wafer hergestellt und gewürfelt werden, um mehrere Sätze optischer Kanäle zu erhalten.
Satz optischer Kanäle nach Anspruch 78, zusätzlich mit einer Bulk-Abbildungsoptik mit Aperturen in einer Brennebene, die in ein Feld projiziert wird, das Sichtfelder für jeden optischen Kanal definiert.
Satz optischer Kanäle mit der Bulk-Abbildungsoptik nach Anspruch 80 umfasst zusätzlich eine Bulk-Senderoptik mit einem Satz optischer Emitter in einer Brennebene, die Licht in ein Feld projizieren, das Sichtfelder definiert, die sich mit den Sichtfeldern überlappen, die durch den Satz optischer Kanäle definiert sind, und die mit derselben Wellenlänge arbeitet wie der Satz optischer Kanäle und eine Steuerung, um einen aktiven optischen Beleuchtungssensor zu bilden.
Optischer Sensor für aktive Beleuchtung nach Anspruch 81, wobei die Bulk-Abbildungsoptik telezentrisch ist.
Optischer Sensor für aktive Beleuchtung nach Anspruch 81, wobei der Satz optischer Emitter auf einem einzelnen Halbleiterchip angeordnet ist.
Optischer Sensor für aktive Beleuchtung nach Anspruch 81, wobei der Satz optischer Emitter Laser sind.
Optischer Sensor für aktive Beleuchtung nach Anspruch 81, wobei der optische Sensor für aktive Beleuchtung konfiguriert ist, den Abstand zu einem Objekt in der Szene für jedes Sendeempfängerpaar zu messen.
Optischer Sensor für aktive Beleuchtung nach Anspruch 85, wobei der optische Sensor für aktive Beleuchtung ein 3D-Tiefensensor ist.