JP7434377B2 - 開口部を用いる光検出用の導波路拡散板 - Google Patents

開口部を用いる光検出用の導波路拡散板 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
［0001］ 本出願は、その全体が参照によって本明細書に援用される、２０１６年１２月３日に出願された米国特許出願第１５／３６８，５７９号に対する優先権を主張する。
［0002］ 本明細書中で別途記述されない限り、この項に記載される材料は、この出願における特許請求の範囲に対する先行技術ではなく、この項に包含することによって先行技術であると認められるものではない。
［0003］ フォトダイオード、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）、または他の種類のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）などの光検出器を用いて、それらの表面に付与される光を検出することができる（例えば、光の強度に対応する電圧または電流といった電気信号を出力することによって）。多くの種類のそうしたデバイスは、シリコンなどの半導体材料から製造される。大部分の幾何学的領域上の光を検出するために、複数の光検出器を、並列接続されたアレイ状に配置することができる。これらのアレイは、シリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）またはマルチピクセル光子計数器（ＭＰＰＣ）と称されることもある。
［0004］ 上記構成のいくつかは、相対的に低い光強度に感受性があり、それによって、それらの検出の質を高める。しかしながら、このことにより、上記構成は、背景の悪影響も不相応に受けやすくなり得る（例えば、外部光源からの外部光が、光検出器による測定値に影響を与え得る）。
［0005］ 一例では、システムは、シーンに対して配置されかつシーンからの光の焦点を合わせるように構成されているレンズを含む。システムはまた、不透明材料内に画定された開口部を含む。システムはまた、レンズによって焦点を合わせられ開口部を通して伝達された光を受ける第１の側部を有する導波路を含む。導波路は、受けた光を、第１の側部に対向する導波路の第２の側部に向けて案内する。導波路は、第１の側部と第２の側部の間に延在する第３の側部を有する。システムはまた、導波路の第３の側部から外に伝搬する光を受光し検出する光検出器のアレイも含む。
［0006］ 別の例では、方法は、シーンに対して配置されたレンズを介して、シーンからの光の焦点を合わせることを含む。方法はまた、焦点を合わせられた光を、不透明材料内に画定された開口部を通して伝達することを含む。方法はまた、導波路の第１の側部で、開口部を通して伝達された光を受けることを含む。方法はまた、受けた光を、導波路の第２の側部に向けて導波路によって案内することを含む。方法はまた、導波路の第３の側部から外に伝搬する光を、光検出器のアレイで検出することを含む。第３の側部は、第１の側部と第２の側部の間に延在する。
［0007］ さらに別の例では、光検出と測距（ＬＩＤＡＲ）デバイスは、シーンを照射するＬＩＤＡＲ送信器を含む。ＬＩＤＡＲデバイスはまた、シーン内の１つ以上の物体によって散乱された光を受けるＬＩＤＡＲ受信器を含む。ＬＩＤＡＲ受信器は、散乱光の焦点を合わせるレンズを含む。ＬＩＤＡＲ受信器はまた、不透明材料内に画定された開口部も含む。ＬＩＤＡＲ受信器はまた、レンズによって焦点を合わせられ開口部を通して伝達された光を受ける第１の側部を有する導波路も含む。導波路は、受けた光を、第１の側部に対向する導波路の第２の側部に向けて案内する。導波路は、第１の側部と第２の側部の間に延在する第３の側部を有する。ＬＩＤＡＲ受信器はまた、導波路の第３の側部から外に伝搬する光を受光し検出する光検出器のアレイも含む。
［0008］ さらに別の例では、システムは、シーンに対して配置されたレンズを介して、シーンからの光の焦点を合わせる手段を備える。システムはまた、焦点を合わせられた光を、不透明材料内に画定された開口部を通して伝達する手段も備える。システムはまた、導波路の第１の側部で、開口部を通して伝達された光を受ける手段も備える。システムはまた、受けた光を、導波路の第２の側部に向けて、導波路によって案内する手段も備える。システムはまた、導波路の第３の側部から外に伝搬する光を、光検出器のアレイで検出する手段も備える。第３の側部は、第１の側部と第２の側部の間に延在する。
［0009］ 前述の概要は、単なる例示であり、決して限定する意図はない。上述した例示的な態様、実施形態、および特徴に加えて、さらなる態様、実施形態、および特徴が、図面および以下の詳細な説明を参照することによって明らかとなろう。
［0010］例示的な実施形態による開口部を含む雑音制限システムの図である。 ［0011］図１Ａのシステムの別の図である。 ［0012］例示的な実施形態によるＬＩＤＡＲデバイスの簡略化されたブロック図である。 ［0013］例示的な実施形態による開口部および導波路を含む雑音制限システムの図である。 ［0014］図３Ａのシステムの断面図である。 ［0015］例示的な実施形態によるミラーに結合された導波路の断面図である。 ［0016］例示的な実施形態による複数の変形部を有するクラッド層を含む導波路の断面図である。 ［0017］例示的な実施形態による可変的に離間された変形部を有するクラッド層を含む導波路の断面図である。 ［0018］例示的な実施形態による開口部および複数の導波路を含む雑音制限システムの図である。 ［0019］例示的な実施形態による方法の流れ図である。
発明の詳細な説明
［0020］ 本明細書中に記載されたいずれの例示的な実施形態または特徴も、他の実施形態または特徴よりも好ましいまたは有利であるとは必ずしも解釈されない。本明細書中に記載された例示的な実施形態は、限定を意味するものではない。開示された実装例の特定の態様は、様々な異なる構成において変形されかつ組み合され得ると容易に理解されるであろう。さらに、図に示される特定の構成は、限定的であると理解されるべきではない。他の実装例は、所与の図に示される各要素よりも多いまたは少ない要素を含み得ると理解されるべきである。加えて、例示された要素のいくつかは、組み合わされまたは省略され得る。同様に、例示的な実装例は、図に例示されていない要素を含み得る。
１．概略
［0021］ 例示的な実装例は、光検出器のアレイ上に付与される背景光を低減させるデバイス、システム、および方法に関し得る。アレイ内の光検出器は、シーンからの光を感知するものであり得る。例えば、光検出器は、光検出と測距（ＬＩＤＡＲ）デバイスの感知コンポーネントであり得る。
［0022］ １つの例示的なシステムはレンズを含む。レンズを用いて、シーンからの光の焦点を合わせ得る。しかしながら、レンズはまた、システムによる観察を意図しない背景光（例えばシーン内の日光）にも焦点を合わせ得る。光を選択的にフィルタリングする（すなわち、シーン内の情報に対応する光から背景光を分離させる）ために、不透明材料（例えば、選択的にエッチングされた金属、マスクで部分的に被覆されたガラス基板など）がレンズの後ろに配置され得る。不透明材料は、様々な実施形態において、スラブ、シート、または様々な他の形状として成形され得る。不透明材料内に、開口部が画定され得る。開口部は、開口部を通して伝達するために、レンズによって焦点を合わせられたシーンの光のある領域またはその全体を選択し得る。
［0023］ 不透明材料の後部で（例えば、レンズからの焦点を合わせられた光が投影される１つの側部に対向する、不透明材料のもう１つの側部など）、開口部によって選択された光が、開口部を通して伝達され得る。開口部を通して伝達される光の伝搬方向に、システムは、第１の側部（例えば、開口部に隣接するなどの）および第１の側部に対向する第２の側部を有する導波路を含み得る。システムはまた、導波路の第３の側部の上にまたは隣接して配置された光検出器（例えばＳＰＡＤ）のアレイも含み得る。例えば、第３の側部は、導波路がその中で光の伝搬を第２の側部に向けて案内する案内方向に沿って、第１の側部から第２の側部まで延在し得る。かくして、光検出器のアレイは、導波路の第３の側部を通って伝播する光（例えば、エバネッセント光、および／または導波路のクラッド層を通って漏れる光）を検出し得る。
［0024］ 開口部からの光は導波路の長さに沿って案内されるので、検出領域（例えば第３の側部）に収まることが可能な光検出器の数は、開口部の断面積に収まり得る数よりも多くなり得る。これは、導波路の第３の側部に沿ってよりも開口部において、光の焦点がより強く合わせられ、したがって断面積がより小さいことに起因し得る。いくつかの例では、システムはまた、第２の側部に到達した案内光を反射して導波路内に戻すための、第２の側部に沿って配置されたミラー（例えば光反射器）も含み得る。結果として、例えば、導波路内で案内された光のより多くの量が、第３の側部から外にそして光検出器のアレイに向かって伝搬し得る。
［0025］ １つの例示的な実装例では、システムは、フラストレイテッド全反射（ＦＴＩＲ）を用いて、導波路内の案内光の一部を、光検出器のアレイに伝達することができる。例えば、導波路は、ガラス板（または、案内光の波長（複数可）に対して透過性を有する他の材料）として形成され得る。ガラス板（すなわち導波路）はまた、案内光のＦＴＩＲを促進するための、導波路の第３の側部に配置された相対的に低い屈折率の（例えば、ポリマーコーティング、フッ素をドープしたガラスなど）クラッド層も含み得る。クラッド層は、隙間（例えば、くぼみなど）を含んでもよく、隙間の位置でクラッド層を通って漏れる光の量を増加させる。各隙間は、隙間から漏れる光が対応する光検出器によって検出され得るように、アレイ内の対応する光検出器と整列され得る。かくして、この例では、導波路は、光が、光検出器に対応する位置で第３の側部から漏出する漏れ波導波路として構成され得る。さらに、いくつかの例では、クラッド層における隙間の間の分離距離は、光が第２の側部に向かって伝搬するにつれて、徐々に小さくなり得る。結果として、漏れた光のより均一な光強度を達成することができる。
［0026］ 別の例示的な実装例では、システムは、光をアレイ内の光検出器に向けて第３の側部を通して伝達するために散乱結合を用い得る。例えば、導波路は、第３の側部を通って消えていく散乱光の強度を所定の方法で変化させる光子結合器として実装することができる。さらに、いくつかの例では、システムはまた、導波部の第４の側部（第３の側部に対向する）に沿って配置されたミラーも含み得る。そうすることによって、導波路は、さらに、第３の側部上の格子構造に沿って分離距離を調整することによって、波長フィルタとして構成することができる。
［0027］ 他の例示的な実装例が、同じく可能であり、本明細書中の例示的な実施形態内にさらなる詳細が記載される。
２．例示的なシステムおよびデバイス
［0028］ 図１Ａは、例示的な実施形態による開口部を含む雑音制限システム１００の図である。示すように、システム１００は、光検出器のアレイ１１０（検出器１１２および１１４によって例示される）、不透明材料１２０内に画定された開口部１２２、およびレンズ１３０を含む。システム１００は、シーン内の物体１０４によって散乱された光１０２を測定し得る。光１０２はまた、少なくとも部分的に背景光源からももたらされ得る。かくして、いくつかの例では、システム１００は、光検出と測距（ＬＩＤＡＲ）デバイスに含まれ得る。例えば、ＬＩＤＡＲデバイスは、自律走行車のナビゲーションに用いられ得る。さらに、いくつかの実施形態では、システム１００またはその一部は、レンズ１３０および／または開口部１２２を通る以外、外部光にさらされないエリア内に含まれ得る。これは、周囲光がアレイ１１０内の検出器を動作させそれによって測定に影響を及ぼすことを防ぎ得る。
［0029］ アレイ１１０は、検出器１１２および１１４によって例示される光検出器の構成を含む。様々な実施形態では、アレイ１１０は、異なる形状を有し得る。示すように、アレイ１１０は矩形を有する。しかしながら、他の実施形態では、アレイ１１０は円形であり得、または、異なる形状を有し得る。アレイ１１０のサイズは、開口部１２２から発散する光１１０の予測される断面積に応じて選択され得、したがって、アレイ１１０と開口部１２２の距離、開口部１２２の次元、レンズ１３０の光学特性などに基づいてもよい。いくつかの実施形態では、アレイ１１０は可動であり得る。例えば、アレイ１１０は、開口部１２２により近接してまたはより離れて作動され得る。その目的のために、例えば、アレイ１１０は、１次元、２次元、または３次元で移動可能である電動ステージに搭載され得る。
［0030］ さらに、いくつかの実装例では、アレイ１１０は、コンピューティングデバイスまたは論理回路に１つ以上の出力を提供し得る。例えば、マイクロプロセッサが搭載されたコンピューティングデバイスは、アレイ１１０から、アレイ１１０に入射する光１０２の強度を示す電気信号を受信し得る。そして、コンピューティングデバイスは、電気信号を用いて、物体１０４に関する情報（例えば、物体１０４の、開口部１２２からの距離など）を判定し得る。いくつかの実施形態では、アレイ１１０内の光検出器の一部または全部は、並列に互いと相互接続され得る。その目的のために、例えば、アレイ１１０は、アレイ１１０内の光検出器の特定の配置および種類次第で、ＳｉＰＭまたはＭＰＰＣであってもよい。並列回路構成において光検出器を接続することによって、例えば、光検出器からの出力を合成して、光１０２における光子を検出することができる検出領域（例えば、図１Ａに示すアレイ１１０の影付きの領域）を効率的に増大させることができる。
［0031］ 光検出器１１２、１１４などは、様々な種類の光検出器を含み得る。一例では、検出器１１２、１１４などはＳＰＡＤを含む。ＳＰＡＤは、ＳＰＡＤ上への所与の入射照明に対する出力電流を増大させるために、逆バイアスされたｐ－ｎ接合（すなわちダイオード）内のアバランシェ降伏を用い得る。さらに、ＳＰＡＤは、単一の入射光子に対して複数の電子正孔対を生成可能であり得る。別の例では、光検出器１１２、１１４などは、ＡＰＤを含み得る。いくつかの例では、ＡＰＤまたはＳＰＡＤは、アバランシェ降伏電圧を超えてバイアスされ得る。そうしたバイアス条件は、１より大きいループゲインを有する正帰還ループを生成し得る。さらに、閾値のアバランシェ降伏電圧を超えてバイアスされたＡＰＤまたはＳＰＡＤは、単一光子に感受性があり得る。他の例では、光検出器１１２、１１４などは、数ある中でも、フォトレジスタ、電荷結合素子（ＣＣＤ）、および／または太陽電池を含み得る。
［0032］ いくつかの実装例では、アレイ１１０は、アレイ全体において、１つより多い種類の光検出器を含み得る。例えば、アレイ１１０は、光１０２の複数の所定波長を検出するように構成され得る。その目的のために、例えば、アレイ１１０は、波長の１つの範囲に感受性があるいくつかのＳＰＡＤおよび波長の異なる範囲に感受性がある他のＳＰＡＤを備え得る。いくつかの実施形態では、光検出器１１０は、４００ｎｍ～１．６μｍの波長（可視および赤外波長）に感受性があり得る。さらに、光検出器１１０は、所与の実施形態内でまたは様々な実施形態全体において、様々なサイズおよび形状を有し得る。いくつかの実施形態では、光検出器１１２、１１４などは、アレイ１１０の面積の１％、．１％、または．０１％であるパッケージサイズを有するＳＰＡＤを含み得る。
［0033］ 不透明材料１２０は、レンズ１３０によって焦点を合わせられたシーンからの光１０２の一部（例えば背景光）がアレイ１１０に伝達されることを遮断し得る。そのようにして、不透明材料１２０は、アレイ１１０によって行われる測定の精度に悪影響を与え得る特定の背景光を遮断するように構成され得る。不透明材料１２０、したがって開口部１２２は、レンズ１３０の焦点面にまたはその近傍に配置され得る。一例では、不透明材料１２０は、光１０２を吸収することによって伝達を遮断し得る。別の例では、不透明材料１２０は、光１０２を反射することによって伝達を遮断し得る。不透明材料１２０の例示的な実装例の包括的でないリストは、数ある実現可能な材料の中でも、エッチングされた金属、ポリマー基板、二軸配向ポリエチレンテレフタレート（ＢｏＰＥＴ）シート（Ｍｙｌａｒ（登録商標）シートとも称される）、または、不透明マスクで覆われたガラスを含む。
［0034］ 開口部１２２は、光１０２がそれを通って伝達され得る、不透明材料１２０内のポートを提供する。開口部１２２は、不透明材料１２０内に様々な形で画定され得る。一例では、不透明材料１２０が金属を含む場合、金属はエッチングされて、開口部１２２を画定し得る。別の例では、不透明材料１２０がマスクで覆われたガラス基板である場合、マスクは、開口部１２２を画定する隙間を含み得る（例えば、フォトリソグラフィを介して）。様々な実施形態では、開口部１２２は、部分的にまたは全体的に透過性を有し得る。例えば、不透明材料１２０がマスクで覆われたガラス基板である場合、開口部１２２は、マスクによって被覆されていないガラス基板の一部として画定され得、開口部１２２は完全に中空というよりも、ガラスで作られている。かくして、例えば、開口部１２２は、物体１０４によって散乱された光１０２の１つ以上の波長に対して、完全ではないがほぼ透過性を有し得る（大部分のガラス基板は１００％の透過性を有さないため）。
［0035］ 開口部１２２（不透明材料１２０と併せて）は、シーンからの光１０２を焦点面で空間的にフィルタリングするように構成され得る。例えば、光１０２は、不透明材料１２０の面に沿って焦点面上で焦点を合わせられ得、開口部１２２により、焦点を合わせられた光の一部のみがアレイ１１０に伝達されることが可能となり得る。かくして、開口部１２２は、光学ピンホールとして挙動し得る。一実施形態では、開口部１２２は、．０２ｍｍ2～．０６ｍｍ2（例えば．０４ｍｍ2）の断面積を有し得る。他の実施形態では、開口部１２２は、レンズ１３０の光学特性、アレイ１１０までの距離、アレイ１１０内の光検出器の雑音除去特性などといった様々な要因次第で、異なる断面積を有し得る。
［0036］ 開口部１２２に対して上記で用いられた「開口部」という用語は、光がそれを通して伝達され得る、不透明材料内の凹部または穴を記載するが、「開口部」という用語は、多岐にわたる光学的特徴を含み得ることに留意されたい。一例では、明細書および特許請求の範囲全体で用いられるように、「開口部」という用語は、光がそれを通って部分的に伝達され得る、不透明材料内に画定された透明または半透明の構造をさらに網羅し得る。別の例では、「開口部」という用語は、不透明材料に囲まれたミラーといった、それ以外の方法で光の経路を選択的に制限する（例えば、反射または屈折を介して）構造を記載し得る。１つの例示的な実施形態では、不透明材料に囲まれたミラーアレイが、光を特定の方向に反射させるように配置され得、それによって反射部を画定する。この反射部は、「開口部」と称され得る。
［0037］ 開口部１２２は矩形を有するとして示されるが、開口部１２２は、数ある中でも、丸い形、円形、楕円形などの異なる形状を有し得ることに留意されたい。いくつかの例では、開口部１２２は、代替として、システム１００内の光学収差を考慮するように特別に設計された不規則な形状を有し得る。例えば、鍵穴型の開口部は、エミッタ（例えば、光１０２を放出する光源）と受信器（例えば、レンズ１３０およびアレイ１１０）の間に生じる視差を考慮することを支援し得る。視差は、例えばエミッタおよび受信器が同一位置に位置しない場合に生じ得る。特定のシーン内に存在することが予想される特定の物体と一致する特別に成形された開口部または光１０２の特定の偏光（例えば水平偏光または垂直偏光）を選択する不規則な開口部といった他の不規則な開口部形状もやはり可能である。
［0038］ レンズ１３０は、シーンからの光１０２を、開口部１２２が位置する焦点面上に焦点を合わせ得る。この構成を用いることによって、シーンから収集された光強度はレンズ１３０において焦点を合わせられて、光１０２が投影される断面積を低減させ得る（すなわち、光１０２の空間的なパワー密度を増加させる）。例えば、レンズ１３０は、数ある例の中でも、収束レンズ、両凸レンズ、および／または球面レンズを含み得る。代替として、レンズ１３０は、相次いで配置されたレンズの連続的なセット（例えば、光を第１の方向に焦点を合わせる両凸レンズおよび光を第２の方向に焦点を合わせる追加の両凸レンズ）として実装することができる。他のタイプのレンズおよび／またはレンズ配置もやはり可能である。加えて、システム１００は、レンズ１３０に入射した光１０２を不透明材料１２０上で焦点を合わせることを支援するためにレンズ１３０の近傍に配置された他の光学要素（例えばミラーなど）を含み得る。
［0039］ 物体１０４は、システム１００を囲むシーン内に位置する任意の物体であり得る。システム１００がＬＩＤＡＲデバイスに含まれる実装例において、物体１０４は、光１０２（またはその一部）を放出するＬＩＤＡＲ送信器によって照射され得る。ＬＩＤＡＲデバイスが自律走行車上でナビゲーションのために用いられる例示的な実施形態において、物体１０４は、数ある中でも、歩行者、他の車両、障害物（例えば木）、または道路標識を備え得る。
［0040］ 上述のように、光１０２は、物体１０４によって散乱され、レンズ１３０によって焦点を合わせられ、不透明材料１２０内の開口部１２２を通して伝達され、アレイ１１０内の光検出器によって測定され得る。この並びは、物体１０４に関する情報を判定するために存在し得る（例えばＬＩＤＡＲデバイスにおいて）。いくつかの実施形態では、アレイ１１０によって測定される光１０２は、さらにまたは代替として、数ある実現可能な光の中でも、複数の物体に散乱され、別のＬＩＤＡＲデバイスの送信器によって送信された光、周囲光、日光を含み得る。
［0041］ 加えて、物体１０４を分析するのに用いられる光１０２の波長（複数可）は、シーン内に存在すると予想される物体の種類およびそれらのレンズ１３０からの予想距離に基づいて選択され得る。例えば、シーン内に存在すると予想される物体が５００ｎｍの波長の入射光を全て吸収する場合、５００ｎｍ以外の波長が、物体１０４を照射するためにかつシステム１００によって分析されるために選択され得る。光１０２の波長（例えば、ＬＩＤＡＲデバイスの送信器によって送信される場合）は、光１０２を生成する光源に関連し得る。例えば、光がダイオードレーザによって生成される場合、光１０２は、９００ｎｍを中心とした波長範囲内の光（またはダイオードレーザの他の波長）を備え得る。かくして、様々な種類の光源が、光１０２を生成するのに可能である（例えば、光ファイバ増幅器、様々な種類のレーザ、フィルタ付きの広帯域光源など）。
［0042］ 図１Ｂは、システム１００の別の図である。示すように、システム１００はまた、フィルタ１３２も含み得る。フィルタ１３２として、所定の波長範囲内の光を選択的に伝達するように構成された任意の光学フィルタが挙げられ得る。例えば、フィルタ１３２は、可視波長範囲、赤外波長範囲、またはエミッタ１４０によって放出された光信号の任意の他の波長範囲内の光を選択的に伝達するように構成され得る。例えば、光学フィルタ１３２は、特定の波長の光を、アレイ１１０から離れるように発散させるように構成され得る。例えば、光学フィルタ１３２は、エミッタ１４０によって放出された波長範囲でない、光１０２の一部を、アレイ１１０から離れるように発散させ得る。したがって、光学フィルタ１３２は、周囲光または背景光の、アレイ１１０による測定への悪影響を少なくとも部分的に低減させ得る。
［0043］ 様々な実施形態では、光学フィルタ１３２は、アレイ１１０に対して様々な位置に配置され得る。示すように、光学フィルタ１３２は、レンズ１３０と不透明材料１２０の間に配置される。しかしながら、光学フィルタ１３２は、代替として、レンズ１３０と物体１０４の間、材料１２０とアレイ１１０の間に配置され得、アレイ１１０と組み合わされ得（例えば、アレイ１１０が、光学フィルタ１３２である面スクリーンを有し得る、または、アレイ１１０内の光検出器の各々が、別々の光学フィルタによって個別に被覆され得る、など）、開口部１２２と組み合わされ得（例えば、開口部１２２は、特定の波長範囲に対してのみ透過性を有し得る、など）、または、レンズ１３０と組み合わされ得る（例えば、面スクリーンがレンズ１３０に配置される、レンズ１３０の材料が特定の波長範囲に対してのみ透過性を有する、など）。
［0044］ さらに、図１Ｂに示すように、システム１００は、アレイ１１０によって測定される光信号を放出するエミッタ１４０と共に用いられ得る。エミッタ１４０は、ファイバーレーザ、フォトダイオード、フィラメント、ＬＩＤＡＲ送信器、または任意の他の光源を含み得る。示すように、エミッタ１４０は、シーンにおける物体１０４によって散乱され最終的にアレイ１１０によって（少なくともその一部が）測定される光を放出し得る。いくつかの実施形態では、エミッタ１４０は、光ファイバ増幅器、またはレーザエミッタ１４０のパワー出力を増大させる他の増幅システムを備えるレーザエミッタであり得る。さらにまたは代替として、いくつかの実施形態では、エミッタ１４０は、パルス状レーザ（連続波レーザとは対照的な）として実装され得、等価連続パワー出力を維持しながら、ピークパワーの増大を可能にする。
［0045］ 以下は、レンズ１３０によって受けられる背景光の量を、アレイ１１０によって検出される信号光の量と比較した数学的な説明である。示すように、物体１０４とレンズ１３０の距離は「ｄ」であり、レンズ１３０と不透明材料１２０の距離は「ｆ」であり、不透明材料１２０とアレイ１１０の距離は「ｘ」である。上述したように、材料１２０および開口部１２２は、レンズ１３０の焦点面に位置し得る（すなわち、「ｆ」は、焦点長さと同等であり得る）。さらに、示すように、エミッタ１４０は、物体１０４から距離「ｄ」に配置される。
［0046］ 例示の目的で、物体１０４は、太陽光によって垂直入射で完全照射されると仮定する。ここで日光は、背景光源を表す。さらに、物体１０４を照射する光の全てはランベルトの余弦則にしたがって散乱されると仮定する。加えて、アレイ１１０に到達する光（背景および信号の両方）は全て、アレイ１１０によって完全に検出されると仮定する。
［0047］ エミッタ１４０によって放出され、開口部１２２ひいてはアレイ１１０に到達する信号のパワーは、以下を用いて計算することができる。
Ｐsignalは、アレイ１１０に到達する、エミッタ１４０によって放出された光学信号の放射束（例えば、Ｗ単位）を表し、Ｐtxは、エミッタ１４０によって送信されたパワー（例えば、Ｗ単位）を表し、Γは、物体１０４の反射率を表し（例えば、ランベルトの余弦則を考慮して）、Ａlensは、レンズ１３０の断面積を表す。
［0048］ レンズ１３０に到達する背景光は、以下のように計算することができる。



は、フィルタ１３２によって選択的に通過させられるだろう波長帯域内にある、レンズ１３０上に到達する背景光（物体１０４に散乱した日光によって生じる）の放射輝度
（例えば、

単位）を表し、
は、太陽（すなわち背景光源）による放射照度（例えば、

単位）密度を表し、Ｔfilterは、フィルタ１３２（例えば、帯域通過光学フィルタ）の透過係数を表す。

という因数は、垂直入射からの物体１０４のランバート散乱の仮定に関連する。
［0049］ 開口部１２２は、アレイ１１０への伝達を許される背景光の量を低減させる。開口部１２２を通して伝達された後にアレイ１１０に到達する背景光のパワーを計算するのに、開口部１２２の面積が考慮に入れられる。開口部１２２の断面積（Ａaperture）は、以下のように計算することができる。

Ａapertureは、物体１０４に対する開口部１２２の表面積を表し、ｗおよびｈは、開口部１２２のそれぞれ幅および高さ（または長さ）を表す。加えて、レンズ１３０が円形レンズである場合、レンズ１３０の断面積（Ａlens）は、以下のように計算することができる。


ｄlensは、レンズの直径を表す。
［0050］ かくして、開口部１２２を通してアレイ１１０に伝達される背景パワーは、以下のように計算することができる。

Ｐbackgroundは、アレイ１１０に入射する背景パワーを表し、


は、ステラジアン単位での許容立体角を表す。上記の式は、Ｐbackgroundがレンズ１３０および開口部１２２によって低減された後の背景信号における放射輝度の量であることを示す。
［0051］ 上記の
Ａaperture、およびＡlensにおける決定値を代入すると、以下を導き出すことができる。
［0052］ 加えて、量

は、レンズ１３０の「Ｆ値」と見なされ得る。したがって、もう一度代入を行うことによって、背景パワーとして以下を推定することができる。

［0053］ 同様の代入を行って、アレイ１１０に到達する、エミッタ１４０から送信された信号パワーに対して、以下を推定することができる。
［0054］ さらに、システム１００の信号対雑音比（ＳＮＲ）は、ＰsignalをＰbackgroundと比較することによって判定され得る。説明するように、背景パワー（Ｐbackground）は、開口部１２２、特に、小さなｗおよび／または小さなｈを有する開口部（上記のＰbackgroundの式の分子）を含むことによって、信号パワーに対してかなり低減され得る。開口部の面積を小さくすること以外にも、エミッタ１４０による伝達パワー（Ｐtx）を増大させること、伝達係数（Ｔfilter）を減少させること（すなわち、フィルタを通って伝達される背景光の量を低減させること）、および物体１０４の反射率（ Γ）を増大させることは、ＳＮＲを増加させる方法であり得る。さらに、エミッタ１４０がパルス状信号を放出する実装例において、背景のパワーと異なり、背景のショット雑音が、ＳＮＲを計算するときに主として関連があり得ることに留意されたい。したがって、いくつかの実装例では、ＳＮＲは、代替として、ショット雑音を信号パワーと比較することによって計算することができる。
［0055］ 図１Ａに示すように、光１０２は、開口部１２２から離れるように伝搬するにつれて発散する。発散により、アレイ１１０における検出エリア（例えば、光１０２によって照射される影付きのエリアとして示される）は、焦点面における開口部１２２の断面積より大きくなり得る。所与の光パワー（例えばＷ単位で測定される）に対する増大された検出エリア（例えばｍ2単位で測定される）は、アレイ１１０に入射する低減された光強度（例えば、
単位で測定される）をもたらし得る。
［0056］ 光強度の低減は、アレイ１１０がＳＰＡＤまたは高感度を有する他の光検出器を含む実施形態において、特に有益であり得る。例えば、ＳＰＡＤは、それらの感度を、半導体内にアバランシェ降伏を生成する大きな逆バイアス電圧に由来する。このアバランシェ降伏は、例えば単一光子の吸収によって引き起こされ得る。ＳＰＡＤが単一光子を吸収しアバランシェ降伏が始まると、ＳＰＡＤは、ＳＰＡＤがクエンチされるまで（例えば、逆バイアス電圧を回復することによって）、さらなる光子を検出し得ない。ＳＰＡＤがクエンチされるまでの時間は、回復時間と称され得る。さらなる光子が回復時間に接近する時間間隔で到達している場合（例えば、１０倍以内）ＳＰＡＤは、飽和し始め得、そうして、ＳＰＡＤによる測定値は信頼性を失い得る。アレイ１１０内の任意の個別の光検出器（例えばＳＰＡＤ）に入射する光パワーを低減させることによって、アレイ１１０における光検出器（例えばＳＰＡＤ）は不飽和のままであり得る。結果として、各個別のＳＰＡＤによる光測定値は、精度が高くなり得る。
［0057］ 図２は、例示的な実施形態によるＬＩＤＡＲデバイス２００の簡略化されたブロック図である。いくつかの例示的な実施形態では、ＬＩＤＡＲデバイス２００は、車両に搭載され、車両の周辺環境（例えば、物体２０４を含むシーンなど）をマッピングするのに用いることができる。示すように、ＬＩＤＡＲデバイス２００は、エミッタ１４０と同様であり得るレーザエミッタ２４０を含む。さらに、示すように、ＬＩＤＡＲデバイス２００は、コントローラ２５０を含む。さらに、示すように、ＬＩＤＡＲデバイス２００は、システム１００と同様であり得る雑音制限システム２９０を含む。例えば、示すように、システム２９０は、光検出器のアレイ２１０、内部に開口部が画定された（図示せず）不透明材料２２０、およびレンズ２３０を含み、これらは、それぞれアレイ１１０、不透明材料１２０、およびレンズ１３０と同様である。ＬＩＤＡＲデバイス２００は、代替として、示すコンポーネントよりも多いまたは少ないコンポーネントを含み得ることに留意されたい。例えば、ＬＩＤＡＲデバイス２００は、光学フィルタ（例えばフィルタ１３２）を含み得る。かくして、システム２９０は、システム１００および／または本明細書中に記載された任意の他の雑音制限システムと同様に実装することができる。デバイス２００は、エミッタ２４０を、物体２０４を含むシーンに向けて光２０２を放出するように動作させ得る。そして、デバイス２００は、散乱光２０２を検出して、物体２０４に関する情報をマッピングまたはそれ以外の方法で判定し得る。
［0058］ コントローラ２５０は、ＬＩＤＡＲデバイス２００のコンポーネントを制御するようにかつＬＩＤＡＲデバイス２００のコンポーネント（例えば光検出器のアレイ２１０）から受信した信号を分析するように構成され得る。その目的のために、コントローラ２５０は、デバイス２００を動作させるためにデバイス２００のメモリ（図示せず）に格納されている命令を実行する１つ以上のプロセッサ（例えばマイクロプロセッサなど）を含み得る。さらにまたは代替として、コントローラ２５０は、本明細書中に記載された様々な機能の１つ以上を行うように配線されたデジタルまたはアナログ回路を含み得る。
［0059］ いくつかの実装例では、コントローラ２５０は、物体２０４の位置（例えば、ＬＩＤＡＲデバイス２００からの距離）を判定するために、アレイ２１０によって測定される信号に関連するタイミング情報を用い得る。例えば、レーザエミッタ２４０がパルス状レーザである実施形態において、コントローラ２５０は、出力光パルスのタイミングをモニタリングし、それらのタイミングをアレイ２１０によって測定される信号パルスのタイミングと比較することができる。例えば、コントローラ２５０は、デバイス２００と物体２０４の距離を、光の速度および光パルスの進行の時間（タイミングを比較することによって計算することができる）に基づいて推定することができる。いくつかの実装例では、コントローラ２５０は、視差（例えば、レーザエミッタ２４０とレンズ２３０が空間的に同一の位置に配置されていないことによる）を考慮するように構成され得る。視差を考慮することによって、コントローラ２５０は、出力光パルスのタイミングとアレイ２１０によって測定される信号パルスのタイミングの比較の精度を向上させることができる。
［0060］ いくつかの実装例では、コントローラ２５０は、エミッタ２４０によって放出される光２０２を変調し得る。例えば、コントローラ２５０は、エミッタ２４０の投影（例えば指向）方向を変え得る（例えば、エミッタ２４０を実装するメカニカルステージを作動させることによって）。別の例として、コントローラ２５０は、エミッタ２４０によって放出される光２０２のタイミング、パワー、または波長を変調し得る。いくつかの実装例では、コントローラ２５０はまた、数ある実現可能な制御の中でも、フィルタ（例えばフィルタ１３２）を光２０２の伝搬経路に沿って追加または削除する、デバイス２００の様々なコンポーネント（例えばアレイ２１０、不透明材料２２０（およびその中の開口部）、レンズ２３０など）の相対位置を調整するといった、デバイス２００の他の動作態様も制御し得る。
［0061］ いくつかの実装例では、コントローラ２５０はまた、材料２２０内の開口部（図示せず）も調整し得る。例えば、開口部は、いくつかの実施形態では、不透明材料内に画定されたいくつかの開口部から選択可能であってもよい。そうした実施形態では、レンズと不透明材料の間に配置されたＭＥＭＳミラーが、複数の開口部のうちいずれに光が方向付けられるかを決めるためにコンピューティングデバイスによって調整可能であってもよい。いくつかの実施形態では、様々な開口部が、異なる形状およびサイズを有し得る。さらに他の実施形態では、開口部は、虹彩（または他の種類の絞り）によって画定され得る。虹彩は、例えば開口部のサイズまたは形状を制御するために、コントローラ２５０によって拡大または縮小され得る。
［0062］ かくして、いくつかの例では、ＬＩＤＡＲデバイス２００は、物体２０４および／またはシーンに関する追加のまたは異なる情報を取得するために、システム２９０の構成を修正することができる。一例では、コントローラ２５０は、シーンからシステムによって受信される背景雑音が現在のところ相対的に低い（例えば、夜間）という判定に応じて、より大きな開口部を選択し得る。より大きな開口部は、例えば、システム２９０が、そうでなかったら開口部の外でレンズ１３０によって焦点を合わせられるだろう光２０２の一部を検出することを可能にし得る。別の例では、コントローラ２５０は、光２０２の一部を受光するために異なる開口部の位置を選択し得る。さらに別の例では、コントローラ２５０は、開口部と光検出器アレイ２１０の距離（例えば図１Ｂに示す距離「ｘ」）を調整し得る。そうすることによって、例えば、アレイ２１０における検出領域の断面積（すなわち、アレイ２１０における光２０２の断面積）も同じく調整することができる（例えば、図１Ａに示す影付きの領域）。
［0063］ しかしながら、いくつかのシナリオでは、システム２９０の構成を修正することができる程度は、数ある要因の中でも、ＬＩＤＡＲデバイス２００またはシステム２９０のサイズといった様々な要因に依存し得る。例えば、図１Ａに戻って参照すると、アレイ１１０のサイズは、開口部１２２の位置からアレイ１１０の位置までの（例えば、図１Ｂに示す距離「ｘ」）光１０２の発散の範囲に依存し得る。かくして、例えば、アレイ１１０の最大垂直かつ水平範囲は、ＬＩＤＡＲデバイス内のシステム１００を収容するのに利用可能な物理的空間に依存し得る。同様に、例えば、アレイ１１０と開口部１２２の距離「ｘ」（図１Ｂに示す）に対する値の利用可能な範囲も、システム１００が用いられるＬＩＤＡＲデバイスの物理的制限によって制限され得る。
［0064］ よって、光検出器がシーンから光を受光することができる検出エリアを増大させ、同時に、背景雑音の低減およびシステム２９０を収容するのに利用可能な空間の効率的な使用も行う例示的な実装例が、本明細書中に記載される。
［0065］ 図３Ａは、例示的な実施形態による開口部および導波路を含む雑音制限システム３００の図である。図３Ｂは、例示的な実施形態によるシステム３００の断面図である。いくつかの実装例では、システム３００は、システム２９０の代わりにまたは加えて、デバイス２００と共に用いることができる。示すように、システム３００は、シーン内の物体３０４によって散乱された光３０２を測定し得、それぞれシステム１００、光１０２、および物体１０４と同様である。さらに、示すように、システム３００は、それぞれアレイ１１０、材料１２０、開口部１２２、およびレンズ１３０と同様であり得る、光検出器アレイ３１０、不透明材料３２０、開口部３２２、およびレンズ３３０を含む。例示の目的で、開口部３２２は、開口部１２２の形状（矩形）と比較して異なる形状（楕円形）を有するとして示される。示すように、システム３００はまた、開口部３２２を通って伝達され導波路３６０の受信側部３６０ａ（例えば、影付きの領域）上に投影される光３０２（またはその一部）を受けるように配置された導波路３６０（例えば、光導波路など）も含む。
［0066］ 導波路３６０は、ガラス基板（例えばガラス板など）または光３０２の１つ以上の波長に対して少なくとも部分的に透過性を有する任意の他の材料で形成され得る。いくつかの例では、示すように、導波路３６０は、開口部３２２を通して伝達された光３０２が導波路３６０の受信側部３６０ａ（例えば入力端部）上に投影されるように、不透明材料３２０に近接して配置され得かつ／または接触し得る。そして導波路３６０は、受けた光３０２の少なくとも一部を、例えば全反射またはフラストレイテッド全反射（ＦＴＩＲ）を介して、導波路３６０内で、導波路３６０の別の端部に向けて案内し得る。例えば、導波路３６０が示すような矩形の導波路である場合、導波路３６０は、受けた光３０２を、側部３６０ａに対向する側部３６０ｂに向けて案内することができる。
［0067］ 示すように、例えば、導波路３６０は、側部３６０ｃと側部３６０ｄの間で垂直に延在し得る。その目的のために、側部３６０ｃおよび３６０ｄは、導波路３６０の相対的に高い屈折率の媒体（例えばガラスなど）と、側部３６０ｃおよび３６０ｄに隣接する相対的に低い屈折率の媒体（例えば空気、真空など）の界面に対応し得る。かくして、例えば、案内光３０２が臨界角（例えば、側部３６０ｃに隣接する屈折率の比率に基づくものであり得る、など）未満で側部３６０ｃに伝搬する場合、側部３６０ｃに入射する案内光（またはその一部）は、反射されて導波路３６０内に戻り得る。同様に、示すように、導波路３６０は、側部３６０ｅと側部３６０ｅに対向する導波路３６０の別の側部（図示せず）の間に水平に延在して、例えば案内光の発散を水平に低減し得る。
［0068］ さらに、示すように、光３０２の光の一部３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃは、導波路３６０の案内方向（例えば、側部３６０ａと３６０ｂの間）に沿って延在する側部３６０ｃから外に伝搬し得る。一例では、案内光の一部３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃは、側部３６０ｃを通って消えていく光のエバネッセント場に対応し得る。この例では、エバネッセント光３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃは、様々な理由で、導波路３６０から漏出し得る。例えば、光の一部３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃは、臨界角より大きな角度で側部３６０ｃに到達する光に対応し得る。結果として、案内光の一部３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃは、かくして、反射して（例えば全反射を介して）導波路３６０内に戻るのではなく導波路３６０から漏れ得る。別の例では、導波路３６０は、光の一部３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃが導波路３６０から外に伝搬することを可能にし、その一方、案内光３０２の残りの部分を側部３６０ｂに向けて引き続き伝搬させる変形部（例えばくぼみなど）を、側部３６０ｃの表面に沿って備え得る。
［0069］ かくして、光検出器アレイ１１０とは異なり、光検出器アレイ３１０は、側部３６０ｃから外に伝搬する光の一部３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃを受光かつ／または検出するために、導波路３６０の案内方向に沿って（例えば側部３６０ｃに隣接して）配置され得る（示すように）。このプロセスを通して、システム３００は、光３０２を受光する増大された検出エリアを提供し、同時に不透明材料３２０の後ろの空間も効率的に利用し得る。
［0070］ 図３Ａおよび３Ｂに示す様々なコンポ―ネントおよび特徴のサイズ、位置、および形状は必ずしも縮尺通りではなく、説明の便宜のため示すように例示されることに留意されたい。さらに、いくつかの実施形態では、システム３００は、示されるコンポーネントよりも少ないまたは多いコンポーネントを含み得る。さらに、いくつかの実施形態では、示すコンポーネントの１つ以上は組み合わされ得、または、別々のコンポーネントに分割され得る。
［0071］ 第１の実施形態では、光検出器アレイ３１０は、代替として、側部３６０ｃ上に配置され得る（例えば、成型されるなど）。
［0072］ 第２の実施形態では、導波路３６０と開口部３２２の距離は変わり得る。一例では、示すように、導波路３６０は、不透明材料３２０に沿って（例えば接触してなど）配置され得る。かくして、例えば、側部３６０ａ（すなわち、導波路３６０の入力端部）は、開口部３２２と実質的に同一平面上にあり得またはそれに近接し得る。例えばこの構成を用いることによって、導波路３６０は、開口部３０２を通して伝達された光３０２が発散する前に、光３０２を受け案内することができる。しかしながら、他の例では、導波路３６０は、代替として、不透明材料３２０（および開口部３２２）から距離（例えば隙間）をあけて配置され得る。
［0073］ 第３の実施形態では、レンズ３３０に対する開口部３２２（および／または導波路３６０の側部３６０ａ）の配置は変わり得る。
［0074］ 一例では、開口部３２２（および／または導波路３６０の入力端部）は、レンズ３３０の焦点面に沿って配置され得る。
［0075］ 別の例では、開口部３２２（および／または導波路３６０の入力端部）は、レンズ３３０の焦点面に平行するが、焦点面とレンズ３３０の距離とは異なるレンズ３３０までの距離で配置され得る。かくして、この例では、システム３００の光学特性（例えば、焦点構成など）は、システム３００の用途次第で調整することができる。このようにして、いくつかの例では、焦点を合わせられた光３０２は、側部３６０ｂに向けて発散し始める前に、導波路３６０内で収束を続け得る（開口部３２２を通して伝達された後）。いくつかの例では、システム３００はまた、レンズ３３０、不透明材料３２０、および／または導波路３６０を移動させて、シーンをスキャンしながら特定の光学構成を達成するアクチュエータも含み得る。
［0076］ さらに別の例では、開口部３２２（および／または導波路３６０の側部３６０ａ）は、レンズ３３０の焦点面に対してオフセット方向に配置され得る。例えば、システム３００は、光３０２の導波路３６０内への入射角を調整するために、不透明材料３２０（および／またはアレイ３６０）を回転させ得る（例えばアクチュエータを介して）。そうすることによって、コントローラ（例えばコントローラ２５０）は、さらに、数ある要因の中でも、レンズ３３０のレンズ特性、システム３００の環境といった様々な要因次第で、システム３００の光学特性を制御し得る（例えば、スキャンされたシーンの特定の領域から到達する雑音／干渉を低減させるため、など）。
［0077］ 第４の実施形態では、材料３２０は省略することができ、側部３６０ａが代替としてレンズ３３０の焦点面に沿ってまたは平行して配置され得る。この実施形態では、側部３６０ａが、かくして、開口部に対応し得る。
［0078］ 第５の実施形態では、アレイ３１０内の光検出器は、代替として、導波路３６０に結合された（例えば、その上に配置されたまたはそれに成型された、など）別々の物理的構造として実装することができる。
［0079］ 第６の実施形態では、光検出器アレイ３１０は、代替としてまたはさらに、導波路３６０の他の側部（例えば、側部３６０ｅ、側部３６０ｄなど）に重なるように実装することができる。かくして、この実施形態では、アレイ３１０内の光検出器は、より大きな検出エリアにわたって、導波路３６０から漏出する光を検出することができる。
［0080］ 第７の実施形態では、導波路３６０は、代替として、光ファイバなどの円筒形状を有し得る。この実施形態では、アレイ３６０内の光検出器は、代替として、光ファイバの円筒状の外面から消えていくまたはそれ以外の方法で漏出する光の一部３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃなどを検出するために、光ファイバの外面を囲むように配置され得る。かくして、様々な実施形態では、導波路３６０は、剛構造（例えばスラブ導波路）としてまたは柔構造（例えば光ファイバ）として実装され得る。
［0081］ 上記で論じたことにしたがって、例えば、導波路３６０は、開口部３２２を通して伝達された光３０２（またはその一部）を、発散光１０２の伝搬の方向と直交する平面（例えば、図１Ａに示す影付きの領域）とは異なり、様々な形状または位置を有し得る検出エリア内に拡散する導波路拡散板として構成され得る。
［0082］ 図４は、例示的な実施形態によるミラー４７０に結合された導波路４６０を例示する。導波路４６０は、導波路３６０と同様であり得る。かくして、例えば、導波路４６０は、導波路３６０に代えてまたは加えて、システム３００で用いられ得る。その目的のために、光４０２、光の一部４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ、および側部４６０ａ、４６０ｂ、４６０ｃ、４６０ｄは、それぞれ光３０２、光の一部３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、および側部３６０ａ、３６０ｂ、３６０ｃ、３６０ｄと同様であり得る。
［0083］ ミラー４７０は、側部４６０ｂから外に伝搬する光を反射させて導波路４６０内に戻す任意の反射材料を備え得る。結果として、例えば、側部４６０ｃを通って拡散しなかった光は導波路４６０内に戻されて、側部４６０ｃに隣接する光検出器（図示せず）に向けて拡散する可能性をさらに高め得る。
［0084］ 示すように、導波路４６０は、クラッド層４６４によって部分的に囲まれているコア領域４６２を含む。コア領域４６２は、光３０２の少なくとも一部の波長に対して透過性を有する、例えばガラス基板などの相対的に高い屈折率の材料を備え得る。クラッド層４６４は、例えばポリマーをコーティングしたまたはフッ素をドープしたガラス基板などの、相対的に低い屈折率の材料を備え得る。いくつかの例では、導波路３６０は、クラッド層４６４に対応するドープ領域を含むガラス基板から形成され得る。したがって、ドープされていないガラス基板の領域が、コア４６２に対応し得る。
［0085］ 示すように、クラッド層４６４は、側部４６０ｃではなく側部４６０ｄに配置される。この構成を用いることによって、例えば、拡散光の一部４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃは、側部４６０ｄよりも側部４６０ｃを通って導波路４６０から出る可能性が高くなり得る。例えば、クラッド層４６４の存在によって、コア４６２とクラッド層４６４の界面に入射する光に対する臨界角は、側部４６０ｃにおける対応する臨界角より大きなものとなり得る。結果として、導波路４６０内のより大きな範囲の案内光が、例えばシステム３００のアレイ３１０内の光検出器などの光検出器（図示せず）に向かって側部４６０ｃから外に拡散し得る。
［0086］ いくつかの例では、クラッド層４６４は、側部４６０ｄに加えてまたはその代わりに、導波路４６０の他の側部に沿って延在し得る。例えば図３Ａおよび３Ｂに戻って参照すると、クラッド層は、側部３６０ｅおよび側部３６０ｅに対向する導波路３６０の側部（図示せず）に沿って導波路３６０を囲むように構成され得る。この構成を用いることによって、例えば、側部４６０ｃを通る光の一部４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃの拡散は、さらに、クラッド４６４によって囲まれる他の側部に対して向上され得る。
［0087］ 側部４６０ｃを通る光の一部４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃの拡散を強化するために、いくつかの実装例では、側部４６０ｃの表面のテクスチャは、加えてまたは代替として、導波路４６０の他の側部（例えば側部４６０ｄ）よりも大きな粗度を有し得る。かくして、例えば、導波路４６０は、疑似ランダムな粗面４６０ｃを有する粗い導波路として実装され得る。代替としてまたは加えて、いくつかの例では、側部４６０ｃの表面は、光検出器（図示せず）と重なる所定位置に配置された散乱特徴（例えば、くぼみ、刻み目など）を有し得る。これらの例では、散乱特徴は、光の一部４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃの拡散の可能性を、対応する光検出器が配置されている特定の位置で増大させ得る。
［0088］ いくつかの実装例では、クラッド層を同じく側部４６０ｃに含むことが望ましいこともある。例えば、側部４６０ａと４６０ｂの間の導波路４６０の長さが増大するにつれて、案内光４０２のうちより多くが、側部４６０ｂにより近い側部４６０ｃの領域よりも、側部４６０ａにより近い側部４６０ｃの領域から出得る。
［0089］ よって、図５は、例示的な実施形態による、複数の変形部５６６、５６７、５６８を有するクラッド層５６４を含む導波路５６０の断面図を示す。導波路５６０は、導波路３６０と同様であり得る。かくして、例えば、導波路５６０は、導波路３６０の代わりにまたは加えて、システム３００で用いられ得る。その目的のために、発散光５０２、光の一部５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、および側部５６０ａ、５６０ｂ、５６０ｃ、５６０ｄは、それぞれ、発散光３０２、光の一部３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、および側部３６０ａ、３６０ｂ、３６０ｃ、３６０ｄと同様であり得る。さらに、導波路５６０は、それぞれコア４６２およびクラッド層４６４と同様であり得るコア５６２およびクラッド層５６４を含む。
［0090］ 示すように、導波路４６０とは異なり、クラッド層５６４は、光の一部５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃがそこから導波路５６０の外に拡散する側部５６０ｃにわたって延在する。変形部５６６、５６７、５６８に対して様々な構成が可能である。一例では、変形部５６６、５６７、５６８は、クラッド層５６４の除去された、薄肉化された、かつ／またはそれ以外の方法でひずまされた部分に対応し得る。その目的のために、変形部５６６、５６７、５６８は、機械的摩擦（例えばサンドペーパーなど）、機械加工、エッチングなどといった様々な技術を用いて形成され得る。別の例では、変形部５６６、５６７、５６８は、コア５６２と同一のまたはより高い屈折率を有する材料に対応し得る。例えば、変形部５６６、５６７、５６８は、コア領域５６２と同一のポリマーまたは同様の（またはより高い）屈折率を有する別のポリマーを含み得る。さらに別の例では、変形部５６６、５６７、５６８は、クラッド層５６４の他の領域より小さな厚さを有する、クラッド層５６４の領域に対応し得る。
［0091］ 実装例を問わず、光の一部５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃは、それぞれ変形部５６６、５６７、５６８を介して、これらの領域におけるより高い屈折率により、導波路５６０から出得る。ひいては、例えば、光検出器（図示せず）は、拡散光の一部５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃを検出するために、変形部５６６、５６７、５６８と整列され得る。例えば、各光検出器は、変形部と接触してまたは近接して配置され得る。さらに、例えば、変形部５６６、５６７、５６８の間のクラッド層５６４の存在により、導波路５６０内の案内光のより多くを側部５６０ｂに向かって引き続き伝搬させ得る。
［0092］ 代替の実装例では、示さないが、変形部５６６、５６７、５６８は、代替として、光検出器と整列されていない他の領域と比較すると薄い厚さを有する、クラッド層５６４の領域として実装され得る。さらに別の代替実装例では、示さないが、コア５６２の厚さは、代替として、光検出器それぞれと重なる領域において薄くなり得る。実装例を問わず、フラストレイテッド全反射（ＦＴＩＲ）は、変形部５６６、５６７、５６８の位置で、これらの位置における屈折率の歪みにより、生じ得る。
［0093］ 導波路５６０における変形部およびクラッド層の結果として、案内光５０２は、案内光４０２がそこから拡散する、導波路４６０の側部４６０ｃの表面積と比較して、側部５６０ｃの相対的に大きな表面積にわたって拡散し得る。
［0094］ 図６は、例示的な実施形態による、変形部６６６、６６７、６６８によって例示される可変的に離間する複数の変形部を有するクラッド層６６４を含む導波路６６０を示す。導波路６６０は、導波路５６０と同様であり得る。かくして、例えば、導波路６６０は、導波路３６０の代わりにまたは加えて、システム３００で用いられ得る。その目的のために、発散光６０２、光の一部６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃ、側部６６０ａ、６６０ｂ、６６０ｃ、６６０ｄ、コア６６２、クラッド６６４、および変形部６６６、６６７、６６８は、それぞれ発散光５０２、光の一部５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、側部５６０ａ、５６０ｂ、５６０ｃ、５６０ｄ、コア５６２、およびクラッド５６４と同様であり得る。
［0095］ しかしながら、導波路５６０の変形部５６６、５６７、５６８とは異なり、変形部６６６、６６７、６６８は、クラッド層６６４に沿って可変的に離間され得る。そうすることによって、例えば、導波路６６０は、変形部６６６、６６７、６６８から外に伝搬する光の一部６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃの均一性を高め、かつ／または、案内光がそれを通って導波路６６０から外に引き続き拡散する側部６６０ｃの領域（例えば、側部６６０ａと６６０ｂの間の長さ方向）を増大させ得る。
［0096］ 例示的なシナリオでは、導波路６６８から外に伝搬する光の一部６０２ｃは、変形部６６６から外に伝搬する光の一部６０２ａよりも、少ない量、強度、輝度などを有し得る。そうした相違は、様々な要因によって生じ得る。例えば、変形部６６６から外に伝搬する光６０２ａの量は、変形部６６６が側部６６０ａにより近いので、より多くなり得る。案内光６０２が側部６６０ｂに向かって伝搬するにつれて、例えば、導波路６６０における連続的な変形部を介した案内光６０２の一部の拡散によって、より少ない案内光が、変形部６６８を通る拡散のために残り得る。よって、いくつかの例では、変形部６６６、６６７、６６８などは、拡散される光の一部６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃのより均一な強度を提供するために、可変的に離間され得る。例えば、図６に示すように、変形部６６７と６６８の距離は、変形部６６６と６６７の距離よりも小さくなり得る。拡散される光の一部６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃは、アレイ３１０における光検出器などの光検出器（図示せず）によって受光され得る。
［0097］ よって、いくつかの例では、隣接する変形部間の距離は、隣接する変形部から側部６６０ａまでの所与の距離に基づくものであり得る。例えば、導波路６６０における隣接する変形部間の距離は、変形部が側部６６０ａからどのくらい離れているか次第で、徐々に低減され得る。
［0098］ 代替としてまたは加えて、導波路６６０における隣接する変形部間の距離は、光６０２の期待波長に応じて選択され得る。例えば、光６０２がＬＩＤＡＲレーザエミッタ（例えばエミッタ２４０）によって放出される光パルスを備える場合、変形部６６６、６６７、６６８間の間隔などは、導波路６６０が、それぞれの光検出器に向けて変形部を介して拡散するための特定の波長を選択する光子結合器として構成されるように、選択され得る。このことを容易にするために、いくつかの実装例では、クラッド６６４の厚さもまた、選択された波長（複数可）を有する光の建設的干渉を増幅させるように予め定義され得る。加えて、示さないが、ミラー（ミラー４７０と同様の）は、クラッド６６４を通って漏れるエバネッセント光を反射して導波路６６０に戻し、それによって、建設的干渉をさらに増幅させるために、側部６６０ｄに隣接して配置され得る。
［0099］ 図２に戻って参照すると、いくつかのシナリオでは、目的のＳＮＲを達成しながらも、複数の開口部（または大きな開口部）から追加の情報を、現在の開口部の構成を用いて取得される情報と同時に取得することが望ましい場合がある。例として、エミッタ２４０によって放出された光パルスは、ＬＩＤＡＲデバイス２００に対して様々な距離におけるいくつかの物体に散乱され得、そうして、散乱光の一部は、レンズ２３０を介して、現在の開口部外の不透明材料２２０の領域上に焦点を合わせられ得る。したがって、例えば図１Ａに戻って参照すると、開口部１２２に隣接する領域上に焦点を合わせられた光を検出しながら、同時に開口部１２２上で焦点を合わせられた光を検出することが望ましい場合がある。しかしながら、追加の開口部が開口部１２２に隣接して配置される（または開口部１２２のサイズが増大する）場合、追加の開口部からの発散光は、アレイ１１０に到達する前に発散光１０２と重なり得、それによって、検出信号のＳＮＲを低減させる。
［0100］ 図７は、例示的な実施形態による開口部および複数の導波路を含む雑音制限システム７００の図である。システム７００は、例えばシステム３００と同様であり得る。その目的のために、レンズ７３０は、光７０２を、不透明材料７２０内に画定された開口部７２２内に焦点を合わせ得、それらはそれぞれ、レンズ３３０、光３０２、開口部３２２、および不透明材料３２０と同様である。かくして、光７０２は、開口部７２２を通して伝達され得る。さらに、システム７００は、各々がアレイ３１０と同様である光検出器アレイ７１０、７１２、および７１４を含む。例えば、アレイ７１０は、アレイ７１０に入射する光の一部７０２ａを示す合成出力を提供するための、互いと並列接続されている（例えば、並列回路構成）複数の光検出器（図示せず）を含みる。同様に、例えば、アレイ７１２は、光の一部７０２ｂを受光する別の複数の接続された光検出器を含み得、アレイ７１４は、光７０２ｃを受光するさらに別の複数の接続された光検出器を含み得る。
［0101］ しかしながらシステム３００とは異なり、示すように、システム７００は、発散光７０２のそれぞれの部分を受けるための、不透明材料７２０の後ろに配置された複数の導波路７６０、７６２、７６４を含む。かくして、例えば、導波路７６０は、側部７６０ａで光７０２の第１の部分を受け、受けた部分を導波路７６０の対向側部７６０ｂに向けて案内し得る。案内光の一部は、その後アレイ７１０における光検出器によって受光され検出され得る光７０２ａとして、側部７６０ｃ（側部７６０ａと７６０ｂの間に、導波路７６０の案内方向に沿って延在する）を通って拡散され得る。同様に、例えば、導波路７６２は、側部７６２ａで光７０２の第２の部分を受け、第２の部分を導波路７６２の対向側部７６２ｂに向けて案内し得る。案内光の一部はかくして、アレイ７１２における光検出器によって受光され検出され得る光７０２ｂとして、側部７６２ｃを通って拡散され得る。同様に、例えば、導波路７６４は、側部７６４ａで光７０２の第３の部分を受け、第３の部分を導波路７６４の対向側部７６４ｂに向けて案内し得る。案内光の一部はかくして、アレイ７１４における光検出器によって受光され検出され得る光７０２ｃとして、側部７６４ｃを通って拡散され得る。
［0102］ かくして、この構成を用いることによって、システム７００は、それぞれ隣接する開口部からの光の重なりを防止しつつ、より小さな隣接する開口部（すなわち、開口部７２２の一部に対応する）を通し、同時に相対的により大きな検出エリアにわたって、伝搬している光の検出を可能にし得る。このことを容易にするために、示すように、隣接する導波路の各対は、導波路を受けるそれぞれの案内方向に沿って互いから離れるように延在し得る。例えば、示すように、導波路７６０は、導波路７６２から離れるように延在し、導波路７６４は、導波路７６２から離れるように延在する。
［0103］ 導波路７６０、７６２、７６４の入力端部７６０ａ、７６２ａ、７６４ａは類似のサイズを有するとして示されるが、いくつかの例では、入力端部７６０ａ、７６２ａ、７６４ａは、互いに対して異なるサイズを有し得る。例として、導波路７６２の入力端部７６２ａは、導波路７６０の入力端部７６０ａより大きなサイズを有し得る。この例では、導波路７６０および７６２それぞれに入射する光７０２のそれぞれの部分の断面積の違いによって、アレイ７１２で検出される光７０２ｂは、光７０２ａによって示され光検出器７１０に入射する画角に対して、スキャンされたシーンのより大きな画角（ＦＯＶ）を表し得る。
［0104］ いくつかの例では、導波路間のクロストークを防ぐために、各導波路は、それぞれの光検出器アレイ上への光の拡散を、隣接する導波路が十分に離れている位置で開始するように構成され得る。例えば、導波路７６０は、クラッド（例えばクラッド４６４）を備え得、クラッドは、導波路７６０が導波路７６２から離れて曲がって（例えば、湾曲側部７６０ｃの湾曲に基づいて）導波路７６０と７６２の間での案内光の漏れを低減または防止するのに十分な分離距離がもたらされるまで、いかなる変形も含まなくてもよい。
［0105］ いくつかの例では、システム７００はまた、隣接する導波路間の潜在的なクロストークをさらに防ぐために、様々な導波路間に位置する（図示せず）吸収材層（複数可）（例えばカーボンブラック、黒クロムなど）も含み得る。例えば、吸収材層は、エバネッセント光、または隣接する導波路間を伝播している他の光（例えば、導波路クラッド内を伝播している光のクラッドモード）を吸収し得る。
［0106］ かくして、システム７００は、開口部７２２を通して伝達された発散光７０２によって示される、シーンの多画素撮像を可能にし得ると同時に、光（およびその関連する背景雑音）の小さな各部分のみを各導波路によって案内するので、背景雑音を低減もする。例えば、示すように、アレイ７１０における光検出器からの合成出力は、開口部７２２の第１の長さ方向部分を通って伝達された光を示す第１の画素に対応し得、アレイ７１２における光検出器からの合成出力は、開口部７２２の第２の長さ方向部分を通って伝達された光を示す第２の画素に対応し得、アレイ７１４における光検出器からの合成出力は、開口部７２２の第３の長さ方向部分を通って伝達された光を示す第３の画素に対応し得る。このように、例えば、デバイス２００のコントローラ２５０は、３つの画素を合成することによって、シーンの１次元（１Ｄ）画像（例えば、開口部７２２の長さ方向で垂直に）を計算し得る。
［0107］ しかしながら、システム７００は代替として、より多いまたはより少ない画素を有する１Ｄ画像を生成するためのより多いまたはより少ない導波路を含み得ることに留意されたい。さらに、導波路７６０、７６２、７６４は開口部７２２に対して長さ方向（例えば垂直）配置で示されるが、いくつかの例では、システム７００は、異なる配置での導波路を含み得る。一例では、導波路の受信側部（例えば７６０ａ、７６２ａ、７６４ａ）は、代替として、シーンの水平な１Ｄ画像を取得するために、水平に（例えば、ページに垂直な方向に沿って）配置され得る。別の例では、導波路の受信側部は、代替として、開口部７２２に隣接して水平にかつ垂直の両方に（例えば、２次元格子として）配置され得る。かくして、この例では、コントローラ２５０は、シーンの２次元（２Ｄ）画像を生成するために、導波路からの出力を合成し得る。
３．例示的な方法およびコンピュータ可読媒体
［0108］ 図８は、例示的な実施形態による方法８００の流れ図である。方法８００は、例えばシステム１００、３００、７００、デバイス２００、および／または導波路４６０、５６０、および６６０のいずれかと共に用いられ得る方法の実施形態を提示する。方法８００は、ブロック８０２～８１０の１つ以上によって示される１つ以上の動作、機能、またはアクションを含み得る。ブロックは順次示されるが、これらのブロックは、いくつかの例では、並行して、かつ／または本明細書中に記載された順序とは異なる順序で行われ得る。また、様々なブロックは、より少ないブロックに組み合され得、さらなるブロックに分割され得、かつ／または、所望の実装例に基づいて削除され得る。
［0109］ 加えて、方法８００ならびに本明細書中に開示された他のプロセスおよび方法において、流れ図は、本実施形態の１つの可能な実装例の機能および動作を示す。この点に関連して、各ブロックは、プロセスにおける具体的な論理機能またはステップを実装するための、プロセッサによって実行可能な１つ以上の命令を含むモジュール、セグメント、製造あるいは動作プロセスの一部、またはプログラムコードの一部を表し得る。プログラムコードは、例えばディスクまたはハードドライブを含むストレージデバイスといった任意の種類のコンピュータ可読媒体に格納され得る。コンピュータ可読媒体は、例えばレジスタメモリ、プロセッサキャッシュ、およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）のようなデータを短期間格納するコンピュータ可読媒体といった非一時的なコンピュータ可読媒体を含み得る。コンピュータ可読媒体はまた、例えば読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、光学または磁気ディスク、コンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）のような二次または永続長期ストレージといった非一時的な媒体も含み得る。コンピュータ可読媒体はまた、任意の他の揮発性または不揮発性のストレージシステムであってもよい。コンピュータ可読媒体は、例えばコンピュータ可読ストレージ媒体、または有形のストレージデバイスと考えられ得る。加えて、方法８００ならびに本明細書中に開示された他のプロセスおよび方法において、図８の各ブロックは、プロセスにおける具体的な論理機能を行うように配線されている回路を表し得る。
［0110］ ブロック８０２において、方法８００は、シーンに対して配置されたレンズ（例えばレンズ１３０）によってシーンからの光の焦点を合わせることを含む。いくつかの例では、シーンからの光は、シーン内の物体（例えば物体１０４）によって散乱され得る。いくつかの例では、コンピューティングデバイス（例えばコントローラ２５０）は、レンズの特性（例えば焦点面、焦点長さなど）を作動またはそれ以外の方法で調整し得る。ブロック８０４において、方法８００は、焦点を合わせられた光を、不透明材料（例えば不透明材料１２０）内に画定された開口部（例えば開口部３２２）を通して伝達することを含む。ブロック８０６において、方法８００は、導波路の第１の側部（例えば側部３６０ａ）で、開口部を通して伝達された光の少なくとも一部を受けることを含む。ブロック８０８において、方法８００は、受けた光を、導波路の第２の側部（例えば側部３６０ｂ）に向けて、導波路によって案内することを含む。ブロック８１０において、方法８００は、第１の側部と第２の側部の間に延在する第３の側部（例えば、側部３６０ｃなど）から外に伝搬する光を検出することを含む。
［0111］ 上記の詳細な説明は、添付の図を参照して、開示されたシステム、デバイス、および方法の様々な特徴および機能を記載する。様々な態様および実施形態を本明細書中に開示してきたが、他の態様および実施形態は明らかであるだろう。本明細書中に開示された様々な態様および実施形態は、単に例示の目的のためであり、限定の意図はなく、真の範囲については以下の特許請求の範囲によって示される。

Claims (18)

  1. レンズと、
    媒体に隣接する第１の側部及び第２の側部を有し、第３の側部から、前記第３の側部に対向する第４の側部に光を案内するように構成された導波路であって、前記媒体の屈折率よりも高い屈折率を有する透明材料を含み、前記透明材料が前記第１の側部及び前記第２の側部の間に延在し、ミラーが当該導波路の前記第４の側部に結合されている、導波路と、
    不透明材料内に画定された開口部であって、前記開口部は、前記レンズと前記導波路の間に配置され、前記レンズは、発散光が前記開口部の外に伝達されるように、シーンからの光の焦点を前記開口部内に合わせるように構成され、前記開口部の外に伝達された前記発散光の少なくとも一部は、前記導波路上に投影される、開口部と、
    前記発散光の少なくとも一部を受光し検出する光検出器のアレイとを備える、システム。
  2. 前記導波路が、前記不透明材料に沿って配置される、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記導波路が、前記不透明材料から距離をあけて配置される、請求項１に記載のシステム。
  4. 前記距離が、前記導波路と前記開口部の間に隙間を提供する、請求項３に記載のシステム。
  5. 前記開口部が、前記レンズの焦点面に配置される、請求項１に記載のシステム。
  6. 光検出器の前記アレイが、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を備える、請求項１に記載のシステム。
  7. 前記アレイ内の前記光検出器が、互いと並列接続される、請求項１に記載のシステム。
  8. 光検出器の前記アレイが、シリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を備える、請求項１に記載のシステム。
  9. 光検出と測距（ＬＩＤＡＲ）デバイスであって、
    シーンを照射するＬＩＤＡＲ送信器と、
    前記シーン内の１つ以上の物体によって散乱された光を受けるＬＩＤＡＲ受信器とを備え、
    前記ＬＩＤＡＲ受信器は、
    レンズと、
    媒体に隣接する第１の側部及び第２の側部を有し、第３の側部から、前記第３の側部に対向する第４の側部に光を案内するように構成された導波路であって、前記媒体の屈折率よりも高い屈折率を有する透明材料を含み、前記透明材料が前記第１の側部及び前記第２の側部の間に延在し、ミラーが当該導波路の前記第４の側部に結合されている、導波路と、
    不透明材料内に画定された開口部であって、前記開口部は、前記レンズと前記導波路の間に配置され、前記レンズは、発散光が前記開口部の外に伝達されるように、シーンからの光の焦点を前記開口部内に合わせるように構成され、前記開口部の外に伝達された前記発散光の少なくとも一部は、前記導波路上に投影される、開口部と、
    前記発散光の少なくとも一部を受光し検出する光検出器のアレイとを備える、ＬＩＤＡＲデバイス。
  10. 前記導波路が、前記不透明材料に沿って配置される、請求項９に記載のＬＩＤＡＲデバイス。
  11. 前記導波路が、前記不透明材料から距離をあけて配置される、請求項９に記載のＬＩＤＡＲデバイス。
  12. 前記距離が、前記導波路と前記開口部の間に隙間を提供する、請求項１１に記載のＬＩＤＡＲデバイス。
  13. 前記開口部が、前記レンズの焦点面に配置される、請求項９に記載のＬＩＤＡＲデバイス。
  14. 光検出器の前記アレイが、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を備える、請求項９に記載のＬＩＤＡＲデバイス。
  15. 前記アレイ内の前記光検出器が、互いと並列接続されている、請求項９に記載のＬＩＤＡＲデバイス。
  16. 光検出器の前記アレイが、シリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を備える、請求項９に記載のＬＩＤＡＲデバイス。
  17. 前記導波路は、複数の導波路を含み、前記光検出器のアレイは複数の光検出器のアレイを含み、各光検出器のアレイは、当該光検出器のアレイに対応する導波路が受け付けた前記発散光の部分の少なくとも一部を受光し検出する、請求項１に記載のシステム。
  18. 前記導波路は、複数の導波路を含み、前記光検出器のアレイは複数の光検出器のアレイを含み、各光検出器のアレイは、当該光検出器のアレイに対応する導波路が受け付けた前記発散光の部分の少なくとも一部を受光し検出する、請求項９に記載のＬＩＤＡＲデバイス。
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