KR20200024969A - 애퍼처를 사용하는 광 검출기들 상의 잡음의 제한 - Google Patents

애퍼처를 사용하는 광 검출기들 상의 잡음의 제한 Download PDF

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KR20200024969A
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Abstract

본 개시내용은 애퍼처를 사용하는 광 검출기들 상의 잡음의 제한에 관한 것이다. 하나의 예시적인 실시예는 시스템을 포함한다. 시스템은, 장면에 관련되어 배치되고 장면으로부터의 광을 초점 평면 상에 포커싱하도록 구성되는 렌즈를 포함한다. 시스템은, 렌즈의 초점 평면에 배치되는 불투명 재료 내에 규정되는 애퍼처를 또한 포함한다. 애퍼처는 단면적을 갖는다. 부가적으로, 시스템은, 렌즈와 반대쪽의 초점 평면의 한 측 상에 배치되고, 렌즈에 의해 포커싱되고 애퍼처를 통해 송신되는 발산 광을 인터셉트 및 검출하도록 구성되는 광 검출기들의 어레이를 포함한다. 발산 광을 인터셉트하는 광 검출기들의 어레이의 단면적이 애퍼처의 단면적보다 더 크다.

Description

애퍼처를 사용하는 광 검출기들 상의 잡음의 제한{LIMITATION OF NOISE ON LIGHT DETECTORS USING AN APERTURE}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2016년 10월 13일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/292,251호에 대한 우선권을 주장하고, 이 미국 특허 출원은 본 명세서에 그 전체가 참조로 포함된다.
본 명세서에 달리 나타내지 않는 한, 이 섹션에 설명된 자료들은 본 출원의 청구범위에 대한 종래 기술이 아니며 이 섹션에의 포함에 의해 종래 기술인 것으로 인정되지 않는다.
포토다이오드들, 단일 광자 애벌란시 다이오드(single photon avalanche diode)(SPAD)들, 또는 다른 타입들의 애벌란시 포토다이오드(avalanche photodiode)(APD)들과 같은 광 검출기들이 사용되어, (예를 들어, 광의 세기에 대응하는, 전압 또는 전류와 같은 전기 신호를 출력함으로써) 이들의 표면들 상에 전달되는 광을 검출할 수 있다. 그러한 디바이스들의 많은 타입들이 실리콘과 같은 반도체 재료들로 제조된다. 실질적인 기하학적 면적에 걸친 광을 검출하기 위해, 다수의 광 검출기들이 병렬로 연결된 어레이들로 배열될 수 있다. 이들 어레이들은 때때로 실리콘 포토멀티플라이어(silicon photomultiplier)(SiPM)들 또는 멀티-픽셀 광자 카운터(multi-pixel photon counter)(MPPC)들이라고 지칭된다.
상기의 배열체들 중 일부는 비교적 낮은 세기들의 광에 민감하여, 그에 의해 이들의 검출 품질들을 향상시킨다. 그러나, 이는 상기의 배열체들이 또한 불리한 배경 효과들에 대해 불균형하게 영향받기 쉬워진다는 것이 초래될 수 있다(예를 들어, 외측 소스들로부터의 외부 광이 광 검출기들에 의한 측정에 영향을 줄 수 있다). 이와 같이, 광 검출에 영향을 주는 배경 효과들을 감소시키기 위한 방법 또는 디바이스가 그러한 광 검출기들에 의해 이루어지는 측정들의 정확도를 증가시킬 수 있다.
본 명세서 및 도면들은, 애퍼처(aperture)를 사용하는 광 검출기들 상의 잡음의 제한에 관련된 실시예들을 개시한다.
예시적인 광 검출 시스템은 렌즈, 애퍼처, 및 광 검출기들의 어레이를 포함할 수도 있다. 애퍼처는 렌즈의 초점 평면에 배치될 수도 있고, 렌즈는 장면 내의 물체에 의해 산란되는 광을 포커싱할 수도 있다. 애퍼처는 렌즈의 초점 평면에서 송신되는 광의 양을 제한함으로써 광 검출기들의 어레이에 송신되는 광의 양을 제한할 수도 있다. 애퍼처를 통해 송신되는 광의 양을 제한함으로써, 애퍼처는 어레이에 송신되는 배경 광을 감소시킬 수도 있다. 애퍼처를 통과한 후에, 광이 어레이에 접근함에 따라 광이 발산될 수도 있다. 그 후에, 광은 어레이 내의 광 검출기들의 일부분에 의해 인터셉트 및 검출될 수도 있다. 애퍼처를 통과한 후에 광이 발산되게 함으로써, 어레이의 검출 면적은 초점 평면에서의 광의 동일한 단면과 비교하면 증가된다(즉, 어레이의 검출 면적의 단면은 애퍼처의 단면보다 더 크다). 따라서, 더 많은 광 검출기들이 검출 면적에 걸쳐 확산되어, 그에 의해 광 검출기들의 어레이의 동적 범위, 감도, 또는 이미징 해상도를 증가시킬 수 있다.
제1 양태에서, 본 개시내용은 시스템을 설명한다. 시스템은, 장면에 관련되어 배치되고 장면으로부터의 광을 초점 평면 상에 포커싱하도록 구성되는 렌즈를 포함한다. 시스템은, 렌즈의 초점 평면에 배치되는 불투명 재료 내에 규정되는 애퍼처를 또한 포함한다. 애퍼처는 단면적을 갖는다. 시스템은, 렌즈와 반대쪽의 초점 평면의 한 측 상에 배치되고, 렌즈에 의해 포커싱되고 애퍼처를 통해 송신되는 발산 광을 인터셉트 및 검출하도록 구성되는 광 검출기들의 어레이를 더 포함한다. 발산 광을 인터셉트하는 광 검출기들의 어레이의 단면적이 애퍼처의 단면적보다 더 크다.
제2 양태에서, 본 개시내용은 방법을 설명한다. 방법은, 장면에 관련되어 배치되는 렌즈에 의해, 장면으로부터의 광을 초점 평면 상에 포커싱하는 단계를 포함한다. 방법은, 렌즈의 초점 평면에 배치되는 불투명 재료 내에 규정되는 애퍼처를 통해, 장면으로부터의 광을 송신하는 단계를 또한 포함한다. 애퍼처는 단면적을 갖는다. 방법은, 애퍼처를 통해 송신되는 장면으로부터의 광에 의해 발산하는 단계를 더 포함한다. 부가적으로, 방법은, 렌즈와 반대쪽의 초점 평면의 한 측 상에 배치되는 광 검출기들의 어레이에 의해, 장면으로부터의 발산된 광을 인터셉트하는 단계를 포함한다. 장면으로부터의 발산된 광을 인터셉트하는 광 검출기들의 어레이의 단면적이 애퍼처의 단면적보다 더 크다. 방법은, 광 검출기들의 어레이에 의해, 인터셉트된 광을 검출하는 단계를 부가적으로 포함한다.
제3 양태에서, 본 개시내용은 광 검출 및 레인징(light detection and ranging)(LIDAR) 디바이스를 설명한다. LIDAR 디바이스는, 장면을 광으로 조명하도록 구성되는 LIDAR 송신기를 포함한다. LIDAR 디바이스는, 장면을 매핑하기 위해 장면 내의 하나 이상의 물체들에 의해 산란되는 광을 수신하도록 구성되는 LIDAR 수신기를 또한 포함한다. LIDAR 수신기는, 장면 내의 하나 이상의 물체들에 의해 산란되는 광을 초점 평면 상에 포커싱하도록 구성되는 렌즈를 포함한다. LIDAR 수신기는, 초점 평면에 배치되는 불투명 재료 내에 규정되는 애퍼처를 또한 포함한다. 애퍼처는 단면적을 갖는다. LIDAR 수신기는, 렌즈와 반대쪽의 초점 평면의 한 측 상에 배치되고, 렌즈에 의해 포커싱되고 애퍼처를 통해 송신되는 발산 광을 인터셉트 및 검출하도록 구성되는 광 검출기들의 어레이를 더 포함한다. 발산 광을 인터셉트하는 광 검출기들의 어레이의 단면적이 애퍼처의 단면적보다 더 크다.
부가적인 양태에서, 본 개시내용은 시스템을 설명한다. 시스템은, 장면으로부터의 광을 초점 평면 상에 포커싱하는 수단을 포함한다. 포커싱하는 수단은 장면에 관련되어 배치된다. 시스템은, 렌즈의 초점 평면에 배치되는 불투명 재료 내에 규정되는 애퍼처를 통해, 장면으로부터의 광을 송신하는 수단을 또한 포함한다. 애퍼처는 단면적을 갖는다. 시스템은, 애퍼처를 통해 송신되는 장면으로부터의 광을 발산하는 수단을 더 포함한다. 부가적으로, 시스템은, 장면으로부터의 발산된 광을 인터셉트하는 수단을 포함한다. 인터셉트하는 수단은, 포커싱하는 수단과 대향하는 초점 평면의 한 측 상에 배치된다. 장면으로부터의 발산된 광을 인터셉트하는, 인터셉트하는 수단의 단면적이, 애퍼처의 단면적보다 더 크다. 시스템은, 인터셉트된 광을 검출하는 수단을 부가적으로 포함한다.
전술한 요약은 단지 예시적인 것이고 어떠한 방식으로든 제한하려고 의도된 것이 아니다. 상술된 예시적인 양태들, 실시예들, 및 피처(feature)들에 부가적으로, 도면들 및 다음의 상세한 설명을 참조하여 추가의 양태들, 실시예들, 및 피처들이 명백해질 것이다.
도 1a는 예시적인 실시예들에 따른, 애퍼처를 포함하는 잡음 제한 시스템의 예시이다.
도 1b는 예시적인 실시예들에 따른, 애퍼처를 포함하는 잡음 제한 시스템의 예시이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른, 애퍼처를 포함하는 잡음 제한 LIDAR 디바이스의 예시이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른, 애퍼처를 포함하는 잡음 제한 시스템의 예시이다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른, 애퍼처를 포함하는 잡음 제한 시스템의 예시이다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른, 애퍼처를 포함하는 잡음 제한 시스템의 예시이다.
도 6a는 예시적인 실시예들에 따른, 내부에 규정되는 다양한 애퍼처들을 갖는 불투명 재료의 예시이다.
도 6b는 예시적인 실시예들에 따른, 애퍼처들을 포함하는 잡음 제한 시스템의 일부분의 예시이다.
도 7a는 예시적인 실시예들에 따른, 리사이징가능 애퍼처(resizable aperture)를 갖는 불투명 재료의 예시이다.
도 7b는 예시적인 실시예들에 따른, 리사이징가능 애퍼처를 갖는 불투명 재료의 예시이다.
도 8은 예시적인 실시예들에 따른, 조정가능 위치를 갖는 애퍼처를 갖는 불투명 재료의 예시이다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 방법의 흐름도이다.
예시적인 방법들 및 시스템들이 본 명세서에서 설명된다. 본 명세서에서 설명되는 임의의 예시적인 실시예 또는 피처는 반드시 다른 실시예들 또는 피처들보다 선호되거나 또는 유리한 것으로 해석될 필요는 없다. 본 명세서에서 설명되는 예시적인 실시예들은 제한하려는 것으로 의도된 것이 아니다. 개시된 시스템들 및 방법들의 특정 양태들은 본 명세서에서 모두가 고려되는 매우 다양한 상이한 구성들로 배열 및 조합될 수 있다는 것이 쉽게 이해될 것이다.
게다가, 도면들에 도시된 특정 배열들은 제한하는 것으로서 간주되어서는 안 된다. 다른 실시예들은 주어진 도면에 도시된 각각의 요소를 더 많이 또는 더 적게 포함할 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 부가적으로, 예시된 요소들 중 일부는 결합 또는 생략될 수도 있다. 유사하게, 예시적인 실시예는 도면들에 예시되지 않은 요소들을 포함할 수도 있다.
I. 개관
예시적인 실시예들은 광 검출기들의 어레이 상에 전달되는 배경 광을 감소시키기 위한 디바이스들, 시스템들, 및 방법들에 관한 것일 수도 있다. 어레이 내의 광 검출기들은 장면으로부터 광을 감지하고 있을 수도 있다(예를 들어, 광 검출기들은 LIDAR 시스템의 감지 컴포넌트일 수도 있다).
하나의 예시적인 시스템은 렌즈를 포함할 수 있다. 렌즈는 장면으로부터의 광을 초점 평면 상에 포커싱하는 데 사용될 수도 있다. 그러나, 렌즈는 초점 평면 상에 관측되도록 의도되지 않은 배경 광(예를 들어, 장면 내의 태양광)을 또한 포커싱할 수도 있다. 광을 선택적으로 필터링하기(즉, 장면 내의 정보에 대응하는 광으로부터 배경 광을 분리시키기) 위해, 불투명 재료(예를 들어, 선택적으로 에칭된 금속 또는 글래스 기판(glass substrate), 이때 마스크가 그 위에 배치됨)가 렌즈의 초점 평면에 배치될 수도 있다. 불투명 재료는 다양한 실시예들에서 슬래브, 시트, 또는 다양한 다른 형상들일 수 있다. 불투명 재료 내에는, 애퍼처가 규정될 수도 있다. 애퍼처는 렌즈에 의해 초점 평면 상에 포커싱된 장면의 광의 한 구역 또는 그 전체를 선택할 수도 있다.
불투명 재료의 뒤쪽(즉, 렌즈와 반대쪽의 불투명 재료의 한 측) 상에서, 애퍼처에 의해 선택된 광은 애퍼처로부터 발산될 수 있다. 광의 발산 방향에서, 시스템은, 애퍼처로부터의 얼마간의 거리에 배치되는 광 검출기들(예를 들어, SPAD들)의 어레이를 포함할 수도 있다. 이 광 검출기들의 어레이는 발산 광(예를 들어, 발산 광의 세기)을 검출할 수도 있다. 광이 발산되고 있기 때문에, 검출 면적에 피팅되는 것이 가능한 광 검출기들의 수는, 렌즈의 초점 평면에서의 광의 동일한 원뿔에 대응하는 검출 면적에 피팅될 수 있는 것보다 더 클 수 있다. 이는, 검출 면적이, 애퍼처로부터 변위된 거리에서보다 렌즈의 초점 평면에서, 더 타이트하게 포커싱되고 따라서 더 작아질 것이라는 사실로 인한 것이다. 예로서, 200 ㎛ × 200 ㎛의 단면적을 갖는 애퍼처는 수백 개의 SPAD들(예를 들어, 각각의 SPAD가 200 ㎛2 내지 600 ㎛2의 단면적을 가짐)과 동등한 면적을 차지할 수도 있다. 비교하면, 광이, 애퍼처로부터 멀리, 1.33 mm의 직경을 갖는 원형 단면적에 대응하는 거리까지 발산되는 경우, 그 평면에서의 검출 면적은 수천 또는 수만 개의 SPAD들과 동등한 면적을 차지할 수도 있다.
추가로, 광 검출기 어레이가 애퍼처로부터 변위되는 거리(즉, 광 검출기 어레이가 렌즈의 초점 평면으로부터 변위되는 거리)가 다양한 실시예들에서 변할 수 있다. 애퍼처로부터 발산하는 광을 검출하도록 포지셔닝된 광 검출기들의 수는 광 검출기 어레이와 애퍼처 사이의 거리를 증가시킴으로써 증가될 수도 있다. 예를 들어, 증가된 양의 배경 광을 갖는 장면들의 경우, 광 검출기 어레이는 애퍼처로부터 증가되는 거리로 변위될 수 있다.
부가적으로, 일부 실시예들에서, 애퍼처는 조정가능할 수도 있다. 예를 들어, 애퍼처의 단면적은 다양할 수 있다. 일부 실시예들에서, 단면적은, 애퍼처를 규정하는 불투명 재료 내의 개구를 증가 또는 감소시키기 위해 개방 또는 폐쇄시킬 수 있는 아이리스(iris)에 의해 규정될 수도 있다. 대안적으로, 애퍼처는, 인입가능 셰이드(retractable shade)에 의해 부분적으로 커버되는 불투명 재료 내의 슬릿일 수도 있다. 인입가능 셰이드가 인입 또는 인출되어, 애퍼처를 통해 송신되는 광의 양을 변경하고, 따라서, 애퍼처의 유효 단면적을 변화시킬 수 있다. 더 추가로, 불투명 재료는, 내부에 규정되는 다수의 애퍼처들을 가질 수도 있다. 다수의 애퍼처들은 상이한 형상들 및/또는 사이즈들을 가질 수도 있다. 추가로, 시스템은, 렌즈로부터의 광을 불투명 재료를 향해 반사시키는 하나 이상의 미러들(예를 들어, 마이크로전자기계 시스템들(microelectromechanical systems, MEMs) 미러들)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 미러들은 렌즈에 대해 각도를 변화시킬 수 있거나 또는 배향을 변화시킬 수 있어서, 미러들 중 상이한 하나의 미러가 렌즈에 의해 포커싱된 광의 경로에 있도록 한다. 이는 불투명 재료 내에 규정되는 애퍼처들 중 상이한 하나의 애퍼처가 선택되게 하여, 그에 의해 유효 애퍼처 면적을 변화시킬 수 있다.
II. 예시적인 시스템들
도 1a는 예시적인 실시예들에 따른, 애퍼처를 포함하는 잡음 제한 시스템(100)의 예시이다. 시스템(100)은, 광 검출기들(112)의 어레이(110), 불투명 재료(120) 내에 규정되는 애퍼처(122), 및 렌즈(130)를 포함할 수도 있다. 시스템(100)은 장면 내의 물체(140)에 의해 산란되는 광(102)을 측정할 수도 있다. 광(102)은, 적어도 부분적으로, 배경 소스들로부터 또한 도달할 수도 있다. 잡음 제한 시스템(100)은, 다양한 실시예들에서, LIDAR 디바이스의 부분(예를 들어, LIDAR 수신기)일 수도 있다. 예를 들어, LIDAR 디바이스는 자율 차량의 내비게이션을 위해 사용될 수도 있다. 추가로, 일부 실시예들에서, 잡음 제한 시스템(100) 또는 그의 부분들은, 렌즈(130) 또는 애퍼처(122) 이외의, 외부 광에 노출되지 않은 면적 내에 포함될 수도 있다. 이는 주변 광이 광 검출기들(112)을 트리거링하여 임의의 측정들에 악영향을 주는 것을 방지할 수도 있다.
어레이(110)는 광 검출기들(112)의 배열체이다. 다양한 실시예들에서, 어레이(110)는 상이한 형상들을 가질 수도 있다. 도 1a에 예시된 바와 같이, 어레이(110)는 직사각형 또는 정사각형 형상을 가질 수도 있다. 대안적인 실시예들에서, 어레이(110)는 원형일 수도 있다. 어레이(110)의 사이즈는, 어레이(110)가 애퍼처(122)로부터 포지셔닝되는 거리에 기초하여, 애퍼처(122)로부터 발산하는 광(110)의 단면적에 대응할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 어레이(110)는 이동가능할 수도 있다. 어레이(110)는 애퍼처(122)에 보다 가깝게 또는 그로부터 보다 멀리 이동가능할 수도 있다. 예를 들어, 어레이는 1, 2 또는 3차원으로 병진하는 것이 가능한 전기 스테이지 상에 있을 수도 있다.
추가로, 어레이(110)는 컴퓨팅 디바이스로의 하나 이상의 출력들을 가질 수도 있다. 컴퓨팅 디바이스(예를 들어, 마이크로프로세서)는 광 검출기들(112) 상에 입사되는 광(102)의 세기를 나타내는 전기 신호들을 어레이(110)로부터 수신할 수도 있다. 컴퓨팅 디바이스는 물체(140)에 관한 정보(예를 들어, 애퍼처(122)로부터의 물체(140)의 거리)를 결정하기 위해 전기 신호들을 사용할 수도 있다. 어레이(110)와 컴퓨팅 디바이스 사이에 단일 커넥션이 있는 실시예들에서, 어레이(110) 내의 광 검출기들(112)은 병렬로 서로 상호연결될 수도 있다. 이와 같이, 어레이(110)는 어레이(110) 내의 광 검출기들(112)의 특정 배열 및 타입에 따라 SiPM 또는 MPPC일 수도 있다.
광 검출기들(112)은 다양한 타입들 중 하나일 수도 있다. 예를 들어, 광 검출기들(112)은 SPAD들일 수도 있다. SPAD들은 역 바이어싱된 p-n 접합(즉, 다이오드) 내에서 애벌란시 브레이크다운(avalanche breakdown)을 사용하여 광 검출기 상의 주어진 입사 조명에 대한 출력 전류를 증가시킬 수도 있다. 추가로, SPAD들은 단일 입사 광자에 대해 다수의 전자-정공 쌍들을 생성하는 것이 가능할 수도 있다. 대안적인 실시예들에서, 광 검출기들(112)은 APD들일 수도 있다. APD들과 SPAD들 양측 모두는 애벌란시 브레이크다운 전압을 초과하여 바이어싱될 수도 있다. 그러한 바이어싱 조건은 1보다 더 큰 루프 이득을 갖는 포지티브 피드백 루프를 생성할 수도 있다. 따라서, 임계 애벌란시 브레이크다운 전압을 초과하여 바이어싱된 APD들 및 SPAD들은 단일 광자 민감성일 수도 있다. 또 다른 실시예들에서, 광 검출기들(112)은 포토레지스터들, 전하 결합 디바이스(charge-coupled device)(CCD)들, 또는 광기전력 셀들일 수도 있다.
다양한 실시예들에서, 어레이(110)는 어레이에 걸친 하나 초과의 타입의 광 검출기를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 어레이(110)에 의해 다수의 파장들이 검출되고 있는 경우, 어레이(110)는, 하나의 범위의 파장들에 민감한 일부 SPAD들, 및 상이한 범위의 파장들에 민감한 일부 SPAD들을 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 광 검출기들(110)은 400 nm 내지 1.6 ㎛의 파장들(가시 파장 및 적외선 파장)에 민감할 수도 있다. 추가로, 광 검출기들(110)은 주어진 실시예 내에서 또는 다양한 실시예들에 걸쳐 다양한 사이즈들 및 형상들을 가질 수도 있다. 예시적인 실시예들에서, 광 검출기들(112)은, 어레이(110)의 면적의 1%, .1%, 또는 .01%인 패키지 사이즈들을 갖는 SPAD들일 수도 있다.
불투명 재료(120)는 렌즈(130)에 의해 포커싱되는 장면으로부터의 광(102)(예를 들어, 배경 광)이 어레이(110)에 송신되는 것을 차단할 수도 있다. 이와 같이, 불투명 재료(120)는 광 검출기들(112)의 어레이(110)에 의해 수행되는 측정의 정확도에 악영향을 줄 수 있는 특정 배경 광을 차단하도록 구성될 수도 있다. 불투명 재료(120), 그리고 그에 따라 애퍼처(122)는 렌즈(130)의 초점 평면에 또는 그 부근에 포지셔닝될 수도 있다. 불투명 재료(120)는 광(102)을 흡수함으로써 송신을 차단할 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 불투명 재료(120)는 광(102)을 반사시킴으로써 송신을 차단할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 불투명 재료(120)는 에칭된 금속일 수도 있다. 대안적인 실시예들에서, 불투명 재료(120)는 폴리머 기판, 이축 배향된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(biaxially-oriented polyethylene terephthalate)(BoPET) 시트(Mylar® 시트라고도 또한 지칭됨), 또는 불투명 마스크가 오버레이된 글래스일 수도 있다. 다양한 대안적인 실시예들에서 다른 불투명 재료들이 또한 가능하다.
애퍼처(122)는 광(102)이 송신될 수도 있게 하는 포트를 불투명 재료(120) 내에 제공한다. 애퍼처(122)는 다양한 방식들로 불투명 재료(120) 내에 규정될 수도 있다. 예를 들어, 불투명 재료(120)가 금속인 경우, 금속은 에칭되어 애퍼처(122)를 규정할 수도 있다. 대안적으로, 불투명 재료(120)가, 마스크가 오버레이된 글래스 기판인 경우, 마스크는, 포토리소그래피를 사용하여 규정되는 애퍼처(122)를 포함할 수도 있다. 다양한 실시예들에서, 애퍼처(122)는 부분적으로 또는 전체적으로 투명할 수도 있다. 예를 들어, 불투명 재료(120)가, 마스크가 오버레이된 글래스 기판인 경우, 애퍼처(122)는 마스크에 의해 커버되지 않은 글래스 기판의 부분에 의해 규정될 수도 있는데, 이는 애퍼처(122)가 완전히 중공(hollow)이 아니라, 오히려 글래스로 이루어진다는 것을 의미한다. 그에 따라, 애퍼처(122)는 (대부분의 글래스들이 100% 투명하지 않기 때문에) 물체(140)에 의해 산란되는 광(102)의 파장들에 거의 투명하지만, 전체적으로는 투명하지 않을 수도 있다.
애퍼처(122)는 (불투명 재료(120)와 관련하여) 초점 평면에서의 장면으로부터의 광(102)을 공간적으로 필터링하도록 수행할 수도 있다. 예를 들어, 광(102)은 불투명 재료(120)의 표면에서의 초점 평면 상에 포커싱될 수도 있고, 애퍼처(122)는 포커싱된 광의 일부분만이 어레이(110)에 송신되게 할 수도 있다. 이와 같이, 애퍼처(122)는 광학 핀홀(optical pinhole)로서 거동할 수도 있다. 예시적인 실시예들에서, 애퍼처는 0.02 mm2 내지 0.06 mm2(예를 들어, 0.04 mm2)의 단면적을 가질 수도 있다.
애퍼처(122)에 관련하여 상기에서 사용되는 바와 같은 "애퍼처"라는 용어는 광이 송신될 수도 있게 하는 불투명 재료에서의 리세스(recess) 또는 홀을 설명하지만, "애퍼처"라는 용어는 넓은 어레이의 광학 피처들을 포함할 수도 있다는 것이 이해된다. 예를 들어, 이 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐 사용되는 바와 같이, "애퍼처"라는 용어는, 광이 부분적으로 송신될 수 있게 하는, 불투명 재료 내에 규정되는 투명 또는 반투명 구조체들을 부가적으로 포괄할 수도 있다. 추가로, "애퍼처"라는 용어는, 불투명 재료에 의해 둘러싸인 미러와 같은, (예를 들어, 반사 또는 굴절을 통한) 광의 통과를 다른 방식으로 선택적으로 제한하는 구조체를 설명할 수도 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 불투명 재료에 의해 둘러싸인 미러링된 어레이들은 광을 특정 방향으로 반사시키도록 배열되어, 그에 의해 반사 부분을 규정할 수도 있다. 이 반사 부분은 "애퍼처"라고 지칭될 수도 있다.
렌즈(130)는 (예를 들어, 애퍼처(122)가 포지셔닝되는) 초점 평면 상에 장면으로부터의 광(102)을 포커싱할 수도 있다. 이러한 방식으로, 렌즈(130)에서의, 장면으로부터 수집되는 광 세기가 유지되는 동안, 광(102)이 투영되게 할 단면적을 감소(즉, 광(102)의 공간 전력 밀도를 증가)시킬 수도 있다. 이와 같이, 렌즈(130)는 수렴 렌즈일 수도 있다. 도 1a에 예시된 바와 같이, 렌즈(130)는 양면 볼록 렌즈일 수도 있다. 예를 들어, 렌즈는 구면 렌즈일 수도 있다. 대안적인 실시예들에서, 렌즈는, 하나 그 뒤에 또 하나가 포지셔닝되는 연속적인 세트의 렌즈(예를 들어, 제1 방향으로 광을 포커싱하는 양면 볼록 렌즈 및 제1 방향에 직교하는 제2 평면에서 광을 포커싱하는 부가적인 양면 볼록 렌즈)일 수도 있다. 다른 타입들의 렌즈들이 또한 가능하다. 부가적으로, 렌즈(130) 상에 입사되는 광(102)을 불투명 재료(120) 상에 포커싱하는 것을 돕기 위해 렌즈(130) 부근에 포지셔닝되는 다른 자유 공간 옵틱들(예를 들어, 미러들)이 있을 수도 있다.
물체(140)는, 잡음 제한 시스템(100)을 둘러싸는 장면 내에 포지셔닝되는 임의의 물체일 수도 있다. 잡음 제한 시스템(100)이 LIDAR 시스템의 수신기의 컴포넌트인 경우, 물체(140)는 광(102)을 사용하여 동일한 LIDAR 시스템의 송신기에 의해 조명될 수도 있다. LIDAR 시스템이 자율 차량 상의 내비게이션을 위해 사용되는 예시적인 실시예들에서, 물체(140)는 보행자들, 다른 차량들, 장애물들(예를 들어, 나무들), 또는 도로 표지들일 수도 있다.
상술된 바와 같이, 광(102)은 LIDAR 디바이스 내의 송신기에 의해 생성될 수도 있다. 예시된 바와 같이, 광(102)은 물체(140)에 의해 산란되고, 렌즈(130)에 의해 포커싱되고, 불투명 재료(120) 내의 애퍼처(122)를 통해 송신되며, 광 검출기들(112)의 어레이(110)에 의해 측정될 수도 있다. 이 시퀀스는 물체(140)에 관해 무언가를 결정하기 위해 (예를 들어, LIDAR 디바이스 내에서) 발생할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 어레이에 의해 측정되는 광은 그 대신에, 다수의 물체들로부터 산란되거나 또는 어떠한 물체들로부터도 산란되지 않은 광일 수도 있다(예를 들어, LIDAR 디바이스의 송신기에 의해 송신되는 광은 LIDAR 디바이스를 향해 다시 반사되지 않아서, 렌즈는 단지 태양광과 같은 주변 광만을 포커싱한다).
부가적으로, 물체(140)를 분석하는 데 사용되는 광(102)의 파장은, 장면 내에 있을 것으로 예상되는 물체들의 타입들 및 렌즈(130)로부터의 이들의 예상된 거리에 기초하여 조정될 수도 있다. 예를 들어, 장면 내에 있을 것으로 예상되는 물체들이 500 nm 파장의 모든 유입 광을 흡수하는 경우, 500 nm 이외의 파장이 선택되어 물체(140)를 조명하고 잡음 제한 시스템(100)에 의해 분석될 수도 있다. 광(102)의 파장은 (예를 들어, LIDAR 디바이스의 송신기에 의해 송신되는 경우) 광(102)을 생성하는 소스에 대응할 수도 있다. 예를 들어, 광이 다이오드 레이저에 의해 생성되는 경우, 광(102)은 900 nm를 중심으로 하는 파장 범위로 될 수도 있다. 다수의 상이한 소스들(예를 들어, 광섬유 증폭기, 다양한 타입들의 레이저들, 필터를 갖는 광대역 소스 등)이 광(102)을 생성하는 것이 가능할 수도 있다.
도 1b는 도 1a에 예시된 잡음 제한 시스템(100)의 예시이다. 나타낸 바와 같이, 물체(140)와 렌즈(130) 사이의 거리는 'd'이고, (도 1a에 예시된 원형 애퍼처(122)와는 대조적으로, 내부에 규정되는 직사각형 애퍼처(126)를 갖는) 불투명 재료(120)와 렌즈(130) 사이의 거리는 'f'이며, 불투명 재료(120)와 어레이(110) 사이의 거리는 'x'이다. 예시된 실시예들에서, 불투명 재료(120) 및 애퍼처(126)는 렌즈의 초점 평면에 포지셔닝될 수도 있다(즉, 'f'는 렌즈의 초점 길이와 동등할 수도 있다). 추가로, 렌즈(130)와 불투명 재료(120) 사이에 필터(160)가 배치될 수도 있다. 또한, 어레이(110)에 의해 측정될 신호를 방출하는 방출기(emitter)(150)(예를 들어, LIDAR 송신기를 갖는 레이저)가 물체(140)로부터의 거리 'd'에 위치된다.
다음은, 어레이(110)에 의해 검출되는 배경 광의 양을, 어레이(110)에 의해 검출되는 신호 광의 양과 비교하는 수학적 예시이다. 예시를 위해, 물체(140)가 태양광에 의해 수직 입사로 완전히 조명되고, 여기서 태양광이 배경 광 소스를 표현한다고 가정된다. 추가로, 물체(140)를 조명하는 모든 광이 람베르트의 코사인 법칙(Lambert's cosine law)에 따라 산란된다고 가정된다. 부가적으로, 어레이(110)의 평면에 도달하는 모든 광(배경과 신호 양측 모두)이 어레이(110)에 의해 완전히 검출된다고 가정된다.
애퍼처(124), 그리고 따라서 어레이(110)에 도달하는, 방출기(150)에 의해 방출된 신호의 전력은 다음의 것을 사용하여 계산될 수 있다:
Figure pat00001
여기서
Figure pat00002
은 어레이(110)에 도달하는 방출기(150)에 의해 방출된 광 신호의 (예를 들어, W 단위의) 방사 플럭스(radiant flux)를 표현하고,
Figure pat00003
는 방출기(150)에 의해 송신되는 (예를 들어, W 단위의) 전력을 표현하고,
Figure pat00004
는 (예를 들어, 람베르트의 코사인 법칙을 고려하는) 물체(140)의 반사도를 표현하며,
Figure pat00005
는 렌즈(130)의 단면적을 표현한다.
부가적으로, 렌즈(130)에 도달하는 배경 광은 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure pat00006
여기서
Figure pat00007
는 필터(160)에 의해 선택적으로 전달될 파장 대역 내에 있는 렌즈(130) 상에 도달하는 물체(140)로부터의 태양광 산란에 의해 야기되는 배경 신호의 (예를 들어,
Figure pat00008
단위의) 방사 휘도(radiance)를 표현하고,
Figure pat00009
은 태양(즉, 배경 소스)으로 인한 (예를 들어,
Figure pat00010
단위의) 방사 조도의 밀도를 표현하며,
Figure pat00011
는 필터(160)(예를 들어, 대역 통과 광학 필터)의 송신 계수를 표현한다.
Figure pat00012
의 인자는 수직 입사로부터의 물체(140)에서의 람베르트 산란의 가정으로 인한 것이다.
애퍼처(124)는 어레이(110)에 송신되도록 허용되는 배경 광의 양을 감소시킨다. 애퍼처(124)를 통해 송신된 후에, 어레이(110)에 도달하는 배경 광의 전력을 계산하기 위해, 애퍼처(124)의 면적이 고려된다. 애퍼처의 단면적은 다음의 것을 사용하여 계산될 수 있다:
Figure pat00013
여기서
Figure pat00014
는 물체(140)에 대한 애퍼처(126)의 표면적을 표현하고,
Figure pat00015
및
Figure pat00016
는 애퍼처(124)의 폭 및 높이를 각각 표현한다. 부가적으로, 렌즈(130)가 원형 렌즈인 경우, 렌즈의 단면적은 다음과 같다:
Figure pat00017
여기서
Figure pat00018
는 렌즈의 직경을 표현한다.
애퍼처(124)를 통해 어레이(110)에 송신되는 배경 전력을 계산하기 위해, 다음의 것이 사용될 수 있다:
Figure pat00019
여기서
Figure pat00020
는 어레이(110) 상에 입사되는 배경 전력을 표현하고,
Figure pat00021
는 스테라디안(steradian) 단위의 허용 입체 각도를 표현한다. 상기의 공식은
Figure pat00022
가 렌즈(130) 그리고 그 후에 애퍼처(124)에 의해 감소된 후의 배경 신호에서의 방사 휘도의 양이라는 것을 보여준다.
Figure pat00023
,
Figure pat00024
, 및
Figure pat00025
에 대해 상기에 결정된 값들을 대입하면, 다음의 것이 유도될 수 있다:
Figure pat00026
추가로, 양
Figure pat00027
는 렌즈(130)의 "
Figure pat00028
넘버"라고 지칭될 수도 있다. 따라서, 한 번 더 대입하면, 배경 출력에 대해 다음의 것이 추론될 수 있다:
Figure pat00029
유사한 대입들을 행하면, 어레이(110)에 도달하는, 방출기(150)로부터 송신된 신호 전력에 대해 다음의 것이 추론될 수 있다:
Figure pat00030
Figure pat00031
을
Figure pat00032
와 비교함으로써, 신호 대 잡음비(SNR)가 결정될 수도 있다. 입증되는 바와 같이, 특히 작은
Figure pat00033
및/또는 작은
Figure pat00034
를 갖는 애퍼처들의 경우, 애퍼처(124)의 포함은 배경 전력이 신호 전력에 비해 상당히 감소될 수 있다. 애퍼처 면적을 감소시키는 것 외에도, 방출기(150)에 의한 송신 전력을 증가시키는 것, 송신 계수를 감소시키는 것(즉, 필터를 통해 송신되는 배경 광의 양을 감소시키는 것), 그리고 물체(140)의 반사도를 증가시키는 것은 SNR을 증가시키는 방식들일 수도 있다. 펄스 신호의 경우에, 배경의 전력과는 대조적으로, 배경의 신탄 잡음(shot noise)이 SNR을 컴퓨팅할 때 주로 관련이 있을 수도 있다.
상술된 바와 같이, 애퍼처(124)를 통해 송신되는 광은 그것이 어레이(110)에 접근함에 따라 발산할 수도 있다. 발산으로 인해, 광 검출기들의 어레이(110)에서의 검출 면적은 초점 평면에서의 애퍼처(124)의 단면적보다 더 클 수도 있다. (예를 들어, W 단위로 측정된) 주어진 광 전력에 대한 (예를 들어, m2 단위로 측정된) 증가된 검출 면적은 어레이(110) 위에 입사되는 (예를 들어,
Figure pat00035
단위로 측정된) 감소된 광 세기에 이르게 한다.
광 세기의 감소는 어레이(110)가 SPAD들 또는 고감도들을 갖는 다른 광 검출기들을 포함하는 실시예들에서 특히 유익할 수도 있다. 예를 들어, SPAD들은 반도체 내에서 애벌란시 브레이크다운을 생성하는 큰 역 바이어스 전압으로부터 이들의 감도를 유도한다. 이 애벌란시 브레이크다운은 단일 광자의 흡수에 의해 트리거링될 수 있다. 일단 SPAD가 단일 광자를 흡수하고 애벌란시 브레이크다운이 시작되면, SPAD는 (예를 들어, 역 바이어스 전압을 복원함으로써) SPAD가 퀀칭될(quenched) 때까지 부가적인 광자들을 검출할 수 없다. SPAD가 퀀칭될 때까지의 시간은 회복 시간이라고 지칭될 수도 있다. 부가적인 광자들이 회복 시간에 근접한 시간 간격들로(예를 들어, 회복 시간의 10배 내에) 도달할 경우, SPAD는 포화하기 시작하고, SPAD에 의한 측정들이 더 이상 SPAD 상에 입사되는 광의 전력과 직접적으로 상관되지 않을 수도 있다. 따라서, 어레이(110) 내의 임의의 개별 광 검출기(예를 들어, SPAD) 상에 입사되는 광 전력을 감소시킴으로써, 어레이(110) 내의 광 검출기들(예를 들어, SPAD들)은 불포화된 채로 남아있을 수도 있다. 이와 같이, 각각의 개별 SPAD에 의한 광 측정들은 증가된 정확도를 가질 수도 있다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른, 애퍼처를 포함하는 잡음 제한 LIDAR 디바이스(210)의 예시이다. LIDAR 디바이스(210)는 레이저 방출기(212), 컴퓨팅 디바이스(214), 광 검출기들의 어레이(110), 내부에 규정되는 애퍼처를 갖는 불투명 재료(120), 및 렌즈(130)를 포함할 수도 있다. LIDAR 디바이스(210)는 광(102)을 사용하여 장면 내의 물체(140)를 매핑할 수도 있다. LIDAR 디바이스(210)는, 예시적인 실시예들에서, 내비게이션을 위해 자율 차량 내에서 사용될 수도 있다.
레이저 방출기(212)는, 장면 내의 물체(140)에 의해 산란되고 궁극적으로 광 검출기들(예를 들어, 도 1a에 예시된 광 검출기들(102))의 어레이(110)에 의해 측정되는 광(102)을 방출할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 레이저 방출기(212)는, 레이저 방출기(212)의 전력 출력에 대해 증가시키기 위한 광섬유 증폭기 또는 다른 증폭 시스템을 포함할 수도 있다. 추가로, 레이저 방출기(212)는 (연속파(continuous wave, CW) 레이저와는 대조적으로) 펄스 레이저여서, 증가된 피크 전력을 가능하게 하면서 동등한 연속 전력 출력을 유지할 수도 있다.
컴퓨팅 디바이스(214)는 LIDAR 디바이스(210)의 컴포넌트들을 제어하도록 그리고 LIDAR 디바이스(210)의 컴포넌트들(예를 들어, 광 검출기들(112)의 어레이(110))로부터 수신되는 신호들을 분석하도록 구성될 수도 있다. 컴퓨팅 디바이스(214)는, 다양한 액션들을 수행하기 위해 메모리 내에 저장되는 명령어들을 실행하는 프로세서(예를 들어, 마이크로제어기의 마이크로프로세서)를 포함할 수도 있다. 컴퓨팅 디바이스(214)는 물체(140)의 위치(예를 들어, LIDAR 디바이스(210)로부터의 거리)를 결정하기 위해 어레이(110)에 의해 측정되는 신호와 연관된 타이밍을 사용할 수도 있다. 예를 들어, 레이저 방출기(212)가 펄스 레이저인 실시예들에서, 컴퓨팅 디바이스(214)는 출력 광 펄스들의 타이밍들을 모니터링하고, 이들 타이밍들을 어레이(110)에 의해 측정되는 신호 펄스들의 타이밍들과 비교할 수 있다. 이 비교는 컴퓨팅 디바이스(214)가 광의 속도 및 광 펄스의 이동 시간에 기초하여 물체(140)의 거리를 컴퓨팅하게 할 수도 있다. 출력 광 펄스들의 타이밍과 어레이(110)에 의해 측정되는 신호 펄스들의 타이밍 사이의 정확한 비교를 행하기 위해, 컴퓨팅 디바이스(214)는 (예를 들어, 레이저 방출기(212)와 렌즈(130)가 공간에서의 동일한 위치에 위치되지 않기 때문에) 시차를 고려하도록 구성될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 컴퓨팅 디바이스(214)는 LIDAR 디바이스(210)의 레이저 방출기(212)를 변조하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 디바이스(214)는 (예를 들어, 레이저 방출기(212)가 기계적 스테이지에 장착되거나 또는 기계적 스테이지를 포함하는 경우) 레이저 방출기(212)의 투영 방향을 변화시키도록 구성될 수도 있다. 컴퓨팅 디바이스(214)는 레이저 방출기(212)에 의해 방출되는 광(102)의 타이밍, 전력, 또는 파장을 변조하도록 또한 구성될 수도 있다. 그러한 변조들은, 다양한 실시예들에서, 광(102)의 경로로부터의 필터들의 추가 또는 제거를 포함할 수도 있다.
부가적으로, 컴퓨팅 디바이스(214)는 렌즈(130), 불투명 재료(120), 및 어레이(110)의 서로에 대한 위치를 조정하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 렌즈(130)는 렌즈(130)의 위치, 그리고 따라서 렌즈(130)의 초점 평면의 위치를 조정하기 위해 컴퓨팅 디바이스(214)에 의해 제어되는 이동가능 스테이지 상에 있을 수도 있다. 추가로, 어레이(110)는 어레이(110)가 불투명 재료(120) 및 애퍼처(122)에 관련되어 이동되게 하는 별개의 스테이지 상에 있을 수도 있다. 어레이(110)는 컴퓨팅 디바이스(214)에 의해 이동되어 어레이(110) 상의 검출 면적을 변경시킬 수도 있다. 어레이(110)가 불투명 재료(120)로부터 보다 멀리 이동됨에 따라, 어레이(110) 상의 단면 검출 면적은 애퍼처(122)로부터의 거리가 증가됨에 따라 광(102)이 발산하기 때문에 증가할 수도 있다. 그에 따라, 컴퓨팅 디바이스(214)는 발산 광(102)에 의해 조명되는 광 검출기들(112)의 수를 변경하기 위해 어레이(110)를 이동시킬 수도 있다.
일부 실시예들에서, 컴퓨팅 디바이스는 애퍼처를 제어하도록 또한 구성될 수도 있다. 예를 들어, 애퍼처는, 일부 실시예들에서, 불투명 재료 내에 규정되는 다수의 애퍼처들로부터 선택가능할 수도 있다. 그러한 실시예들에서, 렌즈와 불투명 재료 사이에 위치되는 MEMS 미러는 다수의 애퍼처들 중 어느 것에 광이 지향되는지를 결정하기 위해 컴퓨팅 디바이스에 의해 조정가능할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 다양한 애퍼처들은 상이한 형상들 및 사이즈들을 가질 수도 있다. 또 다른 실시예들에서, 애퍼처는 아이리스(또는 다른 타입의 다이어프램)에 의해 규정될 수도 있다. 아이리스는, 예를 들어, 애퍼처의 사이즈를 제어하기 위해 컴퓨팅 디바이스에 의해 확장 또는 수축될 수도 있다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른, 애퍼처를 포함하는 잡음 제한 시스템(300)의 예시이다. 도 1a에 예시된 시스템(100)과 유사하게, 시스템(300)은 광 검출기들(112)의 어레이(110), 불투명 재료(120) 내에 규정되는 애퍼처(122), 및 렌즈(130)를 포함할 수도 있다. 부가적으로, 시스템(300)은 광학 필터(302)를 포함할 수도 있다. 시스템(300)은 장면 내의 물체(140)에 의해 산란되는 광(102)을 측정할 수도 있다. 렌즈(130), 애퍼처(122)가 규정되는 불투명 재료(120), 및 광 검출기들(112)의 어레이(110)는 도 1a에 관련하여 설명된 것과 유사하게 거동할 수도 있다.
광학 필터(302)는 특정 파장들의 광을 어레이(110)로부터 멀어지게 전환시키도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 잡음 제한 시스템(300)이 LIDAR 디바이스의 컴포넌트(예를 들어, LIDAR 디바이스의 검출기)인 경우, 광학 필터(302)는 LIDAR 디바이스의 레이저 방출기에 의해 방출되는 파장 범위로 있지 않은 임의의 광을 어레이(110)로부터 멀어지게 전환시킬 수도 있다. 그에 따라, 광학 필터(302)는, 적어도 부분적으로, 주변 광 또는 배경 광이 어레이(110)에 의한 측정에 악영향을 주는 것을 방지할 수도 있다.
다양한 실시예들에서, 광학 필터(302)는 어레이(110)에 관련되어 다양한 포지션들에 위치될 수도 있다. 도 3에 예시된 바와 같이, 광학 필터(302)는 렌즈(130)와 불투명 재료(120) 사이에 위치될 수도 있다. 광학 필터는 대안적으로 렌즈와 물체 사이에, 불투명 재료와 어레이 사이에, 또는 어레이 그 자체 상에 위치될 수도 있다(예를 들어, 어레이는, 광학 필터를 포함하는 어레이의 표면을 커버하는 스크린을 가질 수도 있거나 또는 광 검출기들 각각은 별개의 광학 필터에 의해 개별적으로 커버될 수도 있다).
광학 필터(302)는 흡수 필터일 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 광학 필터(302)는 반사 필터일 수도 있다. 광학 필터(302)는 규정된 파장 범위 내의 파장들(즉, 단색 광학 필터와 같은 대역 통과 광학 필터로서 작용함), 규정된 파장 범위 외측의 파장들(즉, 대역 차단 광학 필터로서 작용함), 규정된 임계치 미만의 파장들(즉, 저역 통과 광학 필터로서 작용함), 또는 규정된 임계치 초과의 파장들(즉, 고역 통과 광학 필터)을 선택적으로 송신할 수도 있다. 추가로, 일부 실시예들에서, 최적화된 필터링 특성들을 달성하기 위해 다수의 광학 필터들이 캐스케이드될 수도 있다(예를 들어, 대역 통과 필터 특성을 달성하기 위해 저역 통과 필터가 고역 통과 필터와 캐스케이드됨). 일부 실시예들에서, 광학 필터(302)는 다이크로익 필터 또는 캐스케이드된 다이크로익 필터들일 수도 있다. 대안적인 실시예들에서, 광학 필터(302)는 회절 필터일 수도 있다. 회절 필터는 배경 광과 신호 광의 광학 경로를 분리할 수도 있다. 이는, 일부 실시예들에서, 별개의 배경 추적을 가능하게 할 수도 있다.
추가로, 광학 필터(302)는 파장 이외의 광의 품질들에 기초하여 선택적으로 송신할 수도 있다. 예를 들어, 광학 필터(302)는 편광(예를 들어, 수평 편광 또는 수직 편광)에 기초하여 광을 선택적으로 송신할 수도 있다. 대안적인 타입들의 광학 필터들이 또한 가능하다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른, 애퍼처를 포함하는 잡음 제한 시스템(400)의 예시이다. 도 1a에 예시된 시스템(100)과 유사하게, 시스템(400)은 광 검출기들(112)의 어레이(110), 불투명 재료(120) 내에 규정되는 애퍼처(122), 및 렌즈(130)를 포함할 수도 있다. 시스템(400)은 광학 확산기(402)를 또한 포함할 수도 있다. 시스템(400)은 장면 내의 물체(140)에 의해 산란되는 광(102)을 측정할 수도 있다. 렌즈(130), 애퍼처(122)가 규정되는 불투명 재료(120), 및 광 검출기들(112)의 어레이(110)는 도 1a에 관련하여 설명된 것과 유사하게 거동할 수도 있다.
광학 확산기(402)는 광(102)을 확산시킴으로써 애퍼처(122)를 통해 송신되는 광(102)의 전력 밀도를 광 검출기들(112) 간에 균일하게 분포시킬 수도 있다. 다양한 실시예들에서, 광학 확산기(402)는 샌드블라스팅된 글래스 확산기, 그라운드 글래스 확산기, 또는 홀로그래픽 확산기를 포함할 수도 있다. 다른 타입들의 광학 확산기들이 또한 가능하다. 광학 확산기(402)는 일단 광(102)이 애퍼처(122)를 통해 송신되면 광(102)의 발산 양태를 향상시키는 가능한 컴포넌트들의 그룹 중 하나이다. 다른 발산 향상 컴포넌트들은, 예를 들어, 1이 아닌 굴절률들을 갖는 광학 도파관들 또는 유체들을 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에서, 광학 확산기(402)는 어레이(110)에 관련되어 다양한 포지션들에 위치될 수도 있다. 도 4에 예시된 바와 같이, 광학 확산기(402)는 불투명 재료(120)와 어레이(110) 사이에 위치될 수도 있다. 대안적으로, 광학 확산기는 어레이 그 자체 상에 위치될 수도 있다(예를 들어, 어레이는, 광학 확산기를 포함하는 어레이의 표면을 커버하는 스크린을 가질 수도 있거나 또는 광 검출기들 각각은 별개의 광학 확산기에 의해 개별적으로 커버될 수도 있다).
도 5는 예시적인 실시예들에 따른, 애퍼처를 포함하는 잡음 제한 시스템(500)의 예시이다. 도 1a에 예시된 시스템(100)과 유사하게, 시스템(500)은 광 검출기들(112)의 어레이(110), 불투명 재료(120) 내에 규정되는 애퍼처(122), 및 렌즈(130)를 포함할 수도 있다. 시스템(500)은 미러들(502)을 더 포함할 수도 있다. 렌즈(130), 애퍼처(122)가 규정되는 불투명 재료(120), 및 광 검출기들(112)의 어레이(110)는 도 1a에 관련하여 설명된 것과 유사하게 거동할 수도 있다.
미러들(502)은, 어레이(110)로부터 멀어지게 전환되는, 애퍼처(122)를 통해 송신되는 광(102) 중 임의의 것(도 5에서 미세한 파선들로 예시됨)을 반사시킬 수도 있다. 이 프로세스는 "광자 리사이클링"이라고 지칭될 수도 있다. 광의 전환은 어레이(110)의 면으로부터의 광의 반사로 인해(예를 들어, 광 검출기들(112)의 면들의 부분 반사 품질로 인해 또는 광 검출기들(112)의 면들 사이의 간극 구역들로부터) 발생할 수도 있다. 그러한 경우에, 미러들(502)은 어레이(110)의 면으로부터 반사된 광을 다시 어레이(110)를 향해 재지향시킬 수도 있다. 다른 우연한 원인들의 광 전환이 또한 가능하다.
도 5에 예시된 바와 같이, 미러들(502)은 곡면 미러들일 수도 있다. 대안적인 실시예들에서, 더 많은 또는 더 적은 미러들이 있을 수도 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 어레이를 향해 광을 지향시키는 일련의 평면 미러들이 있을 수도 있다. 다른 대안적인 실시예에서, 애퍼처와 어레이 사이의 광 경로를 캡슐화하고 광을 어레이를 향해 재지향시키기 위한 반사 내부 표면을 갖는 단일 중공 원통 또는 중공 원뿔이 그 대신에 있을 수도 있다. 대안적으로, 도 5에 예시된 미러들(502)의 형상을 가지며 애퍼처와 어레이 사이의 광 경로 주위에 포지셔닝되는, 2개와는 대조적인, 4개의 미러들이 있을 수 있다. 추가로, 미러들보다는 오히려, 일부 실시예들은, 애퍼처로부터 어레이로 이동하는 광을 내부적으로 전반사시키는, 애퍼처와 어레이 사이의 구조체를 포함할 수도 있다(예를 들어, 구조체는 내부 전반사를 유도하기 위해 주변 재료의 굴절률과 비교하여 충분히 큰 굴절률을 갖는다). 그러한 구조체는 광-파이프(light-pipe)라고 지칭될 수도 있다. 다양한 다른 배열들, 형상들, 및 사이즈들의 미러들이 또한 가능하다.
일부 실시예들은, 도 3 내지 도 5에 관련하여 설명된 다수의 피처들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 예시적인 실시예는, 렌즈와 불투명 재료 사이의 광학 필터, 불투명 재료와 어레이 사이의 광학 확산기, 및 광학 확산기와 어레이 사이의 미러들을 포함할 수도 있다. 추가로, 도 2에 예시된 잡음 제한 LIDAR 디바이스(210) 내의 컴포넌트들과 유사하게, 도 3 내지 도 5에 예시된 부가적인 컴포넌트들(예를 들어, 광학 필터(302), 광학 확산기(402), 및 미러들(502))은, 컴퓨팅 디바이스에 연결가능하고 컴퓨팅 디바이스에 의해 제어가능한 이동가능 스테이지들 상에 또한 있을 수도 있다. 이들 컴포넌트들의 다른 특성들(예를 들어, 광학 확산기(402)의 확산성 또는 미러들(502)의 각도)은, 다양한 실시예들에서, 컴퓨팅 디바이스에 의해 또한 제어될 수 있다.
도 6a는 예시적인 실시예들에 따른, 내부에 규정되는 다양한 애퍼처들을 갖는 불투명 재료(610)의 예시이다. 애퍼처들은 다양한 사이즈들의 원형 애퍼처들(612)일 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 애퍼처들은 불규칙한 애퍼처들(614)일 수도 있다. 다양한 원형 애퍼처들(612) 및 불규칙한 애퍼처(614)가 선택가능할 수도 있다. 예를 들어, 불투명 재료(610)는 애퍼처들 중 하나를 선택하도록 렌즈(예를 들어, 도 1a에 예시된 렌즈(130)) 및 광 검출기들의 어레이(예를 들어, 도 1a에 예시된 광 검출기들(112)의 어레이(110))에 관련하여 이동할 수 있는 기계적 스테이지(예를 들어, 회전 스테이지 또는 병진 스테이지) 상에 있을 수도 있다.
원형 애퍼처들(612)은 반경이 변하여, 그에 의해 다양한 양들의 광이 각각의 애퍼처들을 통과하게 할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 보다 큰 반경의 애퍼처들은 광 검출기들의 어레이의 증가된 조명을 가능하게 할 수도 있는데, 이는 대응하는 잡음 제한 시스템(예를 들어, 도 1a에 예시된 잡음 제한 시스템(110))의 증가된 감도에 이르게 할 수도 있다. 그러나, 증가된 양의 배경 광을 갖는 장면들을 측정할 때, 보다 작은 반경을 갖는 원형 애퍼처들(612)이 보다 큰 비율의 배경 광을 차단하는 데 사용될 수도 있다. 추가로, 원형 애퍼처들(612) 각각은 (예를 들어, 각각의 애퍼처에 오버레이되거나 또는 각각의 애퍼처 내에 매립되는) 상이한 연관된 광학 필터들을 가질 수도 있다. 예를 들어, 원형 애퍼처들(612) 중 하나는 가시 파장 범위 내의 광을 선택적으로 송신할 수도 있고, 원형 애퍼처들(612) 중 다른 하나는 적외선 파장 범위 내의 광을 선택적으로 송신할 수도 있다. 이와 같이, 내부에 규정되는 다수의 원형 애퍼처들(612)을 갖는 단일 불투명 재료(610)는, 다양한 소스들(예를 들어, 도 2에 예시된 바와 같은, 다양한 레이저 방출기들(212))로부터 방출되는 광을 선택적으로 송신하는 것이 가능할 수도 있다. 다양한 연관된 광학 필터들을 갖는 다양한 원형 애퍼처들(612)은 유사한 또는 상이한 반경들을 가질 수도 있다.
불규칙한 애퍼처들은 시스템 내의 광학 수차들을 고려하도록 특수하게 설계될 수도 있다. 예를 들어, 도 6a에 예시된 불규칙한 애퍼처(614)의 키홀(keyhole) 형상은 방출기(예를 들어, 도 2에 예시된 레이저 방출기(212))와 수신기(예를 들어, 도 2에 예시된 렌즈(130)와 광 검출기들의 어레이(110), 이때 불투명 재료(610)가 그 사이에 위치됨) 사이에서 발생하는 시차를 고려하는 것을 도울 수도 있다. 예를 들어, 방출기와 수신기가 동일한 포지션에 위치되지 않은 경우, 시차가 발생할 수도 있다. 특정 장면 내에 있을 것으로 예상되는 특정 물체들과 대응하는 특정하게 형상화된 애퍼처들 또는 광의 특정 편광들(예를 들어, 수평 편광들 또는 수직 편광들)을 위해 선택하는 불규칙한 애퍼처들과 같은 다른 불규칙한 애퍼처들이 또한 가능하다.
도 6b는 예시적인 실시예들에 따른, 애퍼처들을 포함하는 잡음 제한 시스템의 일부분의 예시이다. 도 1a의 잡음 제한 시스템(100)과 유사하게, 잡음 제한 시스템은 렌즈(130)를 포함할 수도 있다. 잡음 제한 시스템은, 내부에 규정되는 애퍼처들(652)을 갖는 불투명 재료(650), 및 조정가능 MEMS 미러(660)를 부가적으로 포함할 수도 있다. 시스템은 장면 내의 물체(140)에 의해 산란되는 광(102)을 측정할 수도 있다.
도 1a에 예시된 불투명 재료(120)와 유사한 불투명 재료(650)는 렌즈(130)에 의해 포커싱되는 장면으로부터의 광(102)(예를 들어, 배경 광)이 어레이(예를 들어, 도 1a에 예시된 어레이(110))에 송신되는 것을 차단할 수도 있다. 불투명 재료(650), 그리고 그에 따라 애퍼처들(652)은 불투명 재료(650)의 표면이 렌즈(130)의 초점 평면에 또는 그 부근에 위치되도록 MEMS 미러(660) 및 렌즈(130)에 관련하여 위치될 수도 있다. 도 1a에 예시된 불투명 재료(120)의 실시예와 유사하게, 불투명 재료(650)는, 금속 층, 폴리머 기판, BoPET 시트, 또는 불투명 마스크가 오버레이된 글래스를 포함할 수도 있다.
예시된 바와 같은 애퍼처들(652)은 원형일 수도 있다. 대안적인 실시예들에서, 애퍼처들은 상이한 형상들 또는 사이즈들일 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 일부 실시예들에서, 도 6b에 예시된 것보다 더 많은 또는 더 적은 애퍼처들이 있을 수도 있다. MEMS 미러(660)에 의해 반사된 광(102)의 일부분이 애퍼처(652) 중 하나를 통과한 후에 광 검출기들의 어레이(예를 들어, 도 1a에 예시된 광 검출기들(112)의 어레이(110))를 인터셉트하도록, 애퍼처들(652)이 MEMS 미러(660)에 관련하여 정렬될 수도 있다.
MEMS 미러(660)는 렌즈(130)에 의해 포커싱되는 광(102)을 반사시킬 수도 있다. MEMS 미러(660)는 반사된 광(102)이 애퍼처들(652) 중 특정된 하나 또는 다수를 향해 지향되도록 다수의 축들을 중심으로 회전할 수도 있다. 일부 실시예들에서, MEMS 미러(660)의 회전은 컴퓨팅 디바이스(예를 들어, 마이크로제어기)에 의해 제어될 수도 있다. 추가로, 대안적인 실시예들에서, 광을 순차적으로 반사시켜 광을 애퍼처들 중 하나 또는 다수를 향해 지향시키는 MEMS 미러들의 세트가 있을 수도 있다. 다수의 MEMS 미러들은, 예를 들어, 단일 MEMS 마이크로칩 상에 또는 다수의 MEMS 마이크로칩들에 걸쳐 위치될 수 있다.
대안적인 실시예들에서, MEMS 미러(또는 다른 타입의 미러)는 다수의 애퍼처들을 갖는 불투명 재료를 대체할 수도 있다. 예를 들어, MEMS 미러(또는 MEMS 미러 어레이)의 반사 표면은 불투명 재료로 둘러싸일 수도 있고, 반사 표면은 애퍼처를 규정하도록 작용할 수도 있다. 이와 같이, MEMS 미러는 어레이를 향해 반사시키기 위해, 렌즈에 의해 포커싱되는 광의 일부분을 선택할 수도 있다. 광의 선택되지 않은 부분은, 예를 들어, 불투명 재료에 의해 흡수될 수도 있다. 그러한 예시적인 실시예들에서, 렌즈 및 어레이는 미러의 동일한 면 상에 배치될 수도 있다. 추가로, 미러가 MEMS 미러 어레이인 그러한 실시예들에서, MEMS 미러 어레이 내의 요소들은 애퍼처를 규정하는 반사 표면의 형상, 포지션, 또는 사이즈를 동적으로 규정하도록 선택적으로 스위칭될 수 있다.
도 7a는 예시적인 실시예들에 따른, 리사이징가능 애퍼처를 갖는 불투명 재료(710)의 예시이다. 불투명 재료(710)는, 내부에 규정되는 슬릿(712)을 가질 수도 있다. 불투명 재료(710)에 오버레이한 것은 불투명 셔터(714)일 수도 있다. 애퍼처는 불투명 재료(710)에 관련되어 불투명 셔터(714)를 이동시켜서, 그에 의해 슬릿(712)의 커버된 부분을 변화시킴으로써 사이즈가 조정될 수도 있다. 그러한 방식으로, 애퍼처 사이즈는 잡음 제한 시스템(100) 내에서 (예를 들어, 도 6b에 예시된 실시예에서 행해지는 바와 같이) 광의 투영 방향을 변화시키는 일 없이 조정될 수 있다.
도 1a에 예시된 불투명 재료(120)와 유사한 불투명 재료(710)는 장면으로부터의 광이 어레이(예를 들어, 도 1a에 예시된 어레이(110))에 송신되는 것을 차단할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 불투명 재료(710)는 렌즈의 초점 평면에 위치될 수도 있다.
불투명 셔터(714)가 없는 슬릿(712)은 다른 실시예들의 애퍼처와 유사하다. 예를 들어, 불투명 재료(710)가 불투명 마스크에 의해 오버레이되는 글래스의 조각인 경우, 슬릿(712)은 마스크의 네거티브 구역(즉, 예를 들어, 포토리소그래피에 의해 마스크 재료가 제거된 마스크의 구역)이다. 추가로, 슬릿(712)의 치수들은 대응하는 잡음 제한 시스템에 대한 최대 애퍼처 사이즈를 규정한다. 이와 같이, 슬릿(712)의 사이즈는 불투명 셔터(714)가 슬릿(712)을 커버하는 것으로부터 완전히 인입되었을 때의 애퍼처의 사이즈와 동등하다. 대안적인 실시예들에서, 슬릿은 상이한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 슬릿은, 불투명 셔터가 슬릿을 통해 선형으로 병진될 때, 슬릿의 사이즈가 기하급수적으로 증가 또는 감소하도록 형상화될 수도 있다. 대안적으로, 슬릿은 원형으로 형상화되거나 또는 불규칙하게 형상화(예를 들어, 도 6a에 예시된 불규칙한 애퍼처(614)과 같은 키홀 형상화)될 수도 있다. 또 다른 실시예들에서, 불투명 셔터의 위치에 기초하여 사이즈로부터 선택되거나 그리고/또는 사이즈가 조정될 수 있는 다수의 슬릿들이 있을 수 있다.
불투명 셔터(714)는, 광의 파장들의 범위에 대해 흡수 및/또는 반사될 수도 있는 재료이다. 파장들의 범위는, (예를 들어, 불투명 셔터(714)가 LIDAR 디바이스 내의 잡음 제한 시스템의 컴포넌트인 경우) 장면 내의 배경 광의 파장들을 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 불투명 셔터(714)는 금속 시트, BoPET 시트, 또는 폴리머 기판을 포함할 수 있다. 불투명 셔터(714)는 불투명 재료(710) 및 슬릿(712)에 관련하여 이동하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 불투명 셔터(714)는 불투명 재료(710) 및 슬릿(712)에 관련하여 병진 이동할 수 있는 기계적 스테이지에 부착될 수도 있다. 그러한 이동은 컴퓨팅 디바이스(예를 들어, 마이크로제어기)에 의해 제어될 수도 있다. 대안적인 실시예들에서, 불투명 재료 및 슬릿은, 그 대신에, 불투명 셔터에 관련하여 이동할 수도 있다(예를 들어, 불투명 재료 및 슬릿은 불투명 셔터보다는 오히려 기계적 스테이지에 부착된다).
도 7b는 예시적인 실시예들에 따른, 리사이징가능 애퍼처를 갖는 불투명 재료(760)의 예시이다. 불투명 재료(760)에는 아이리스(762)가 매립될 수도 있다. 아이리스(762) 및 불투명 재료(760)는 동일한 또는 상이한 재료들로 제조될 수도 있다. 애퍼처는, 아이리스(762)에 의해 규정되는 개구일 수도 있다. 추가로, 아이리스(762)는 애퍼처의 사이즈를 조정하도록 확장 또는 수축될 수도 있다. 그러한 방식으로, 애퍼처 사이즈는 잡음 제한 시스템(100) 내에서 (예를 들어, 도 6b에 예시된 실시예에서 행해지는 바와 같이) 광의 투영 방향을 변화시키는 일 없이 조정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 아이리스는, 불투명 재료 내에 매립되기보다는 오히려, 독립형 자유 공간 광학 컴포넌트일 수도 있다.
아이리스(762)에는, 아이리스(762)에 의해 규정되는 애퍼처의 사이즈를 조정하도록 인출 또는 인입되는 다수의 불투명 핀들(예를 들어, 도 7b에 예시된 바와 같은 16개의 불투명 핀들)이 규정될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 아이리스(762)는 MEMS 아이리스일 수도 있다. 예를 들어, 불투명 핀들은 금속성일 수도 있다. 추가로, 일부 실시예들에서, 아이리스(762)의 핀들의 인출 또는 인입은 컴퓨팅 디바이스(예를 들어, 마이크로제어기)에 의해 제어될 수도 있다. 불투명 핀들의 최대 인출은 애퍼처가 최소 사이즈를 갖게 할 수도 있다. 역으로, 불투명 핀들의 최대 인입은 애퍼처가 최대 사이즈를 갖게 할 수도 있다.
대안적인 실시예들에서, 불투명 재료는, 아이리스보다는 오히려, 액정 광 변조기들의 능동 또는 수동 매트릭스를 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 매트릭스는, 2개의 편광자들을 갖는 패터닝된 전도성 전극 어레이를 포함할 수도 있다. 2개의 편광자들 사이에는 정렬 층들 및 액정 층이 있을 수도 있다. 그러한 배열체는 액정 디스플레이 디바이스와 유사할 수도 있다. 매트릭스는 불투명 재료 내의 애퍼처를 규정할 수 있다. 예를 들어, 매트릭스는 애퍼처의 사이즈, 포지션, 또는 형상을 선택하기 위해 (예를 들어, 컴퓨팅 디바이스에 의해) 임의로 조정될 수 있다. 부가적으로, 일부 실시예들에서, 광학 필터는 매트릭스 내에 집적될(예를 들어, 매트릭스의 상부에 또는 하부에 집적되거나, 또는 매트릭스의 층들 사이에 샌드위치될) 수도 있다.
도 8은 예시적인 실시예들에 따른, 조정가능 위치를 갖는 애퍼처(812)를 갖는 불투명 재료(810)의 예시이다. 예를 들어, 불투명 재료(810)는 애퍼처(812)를 이동시키기 위해, 렌즈 및 광 검출기들의 어레이(예를 들어, 도 1a에 예시된 잡음 제한 시스템(100) 내의 렌즈(130) 및 광 검출기들(112)의 어레이(110))에 관련되어 2차원 평면에서 병진할 수도 있다. 불투명 재료(810)는, 다양한 실시예들에서, 스테이지 또는 전기 모터에 의해 구동될 수도 있다. 추가로, 그러한 스테이지 또는 전기 모터는 컴퓨팅 디바이스(예를 들어, 마이크로제어기)에 의해 제어될 수도 있다. 도 1a에 예시된 불투명 재료(120)와 유사하게, 불투명 재료(810)는 에칭 금속, BoPET 시트, 또는 불투명 마스크가 오버레이된 글래스일 수도 있다. 다른 재료들이 또한 가능하다.
애퍼처(812)는 도 8에 예시된 바와 같이 원형 애퍼처일 수도 있다. 대안적으로, 애퍼처는 타원형, 직사각형, 또는 불규칙한 형상(예를 들어, 도 6a에 예시된 불규칙한 애퍼처(614)의 형상과 유사한 키홀 형상)과 같은 다른 형상을 가질 수도 있다. 추가로, 일부 실시예들에서, 불투명 재료는 (예를 들어, 도 6a에 예시된 불투명 재료(610)와 유사한) 내부에 규정되는 다수의 애퍼처들을 가질 수도 있다.
III. 예시적인 프로세스들
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 방법(900)의 흐름도 예시이다. 방법(900)은, 예를 들어, 도 1a에 예시된 잡음 제한 시스템(100)에 의해 수행될 수도 있다.
블록 902에서, 방법(900)은, 장면에 관련되어 배치되는 렌즈(예를 들어, 도 1a에 예시된 렌즈(130))에 의해, 장면으로부터의 광을 초점 평면 상에 포커싱하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 장면으로부터의 광은 장면 내의 물체(예를 들어, 도 1a에 예시된 물체(140))에 의해 산란될 수도 있다.
블록 904에서, 방법(900)은, 렌즈의 초점 평면에 배치되는 불투명 재료(예를 들어, 도 1a에 예시된 불투명 재료(120)) 내에 규정되는 애퍼처(예를 들어, 도 1a에 예시된 애퍼처(122))를 통해, 장면으로부터의 광을 송신하는 단계를 포함한다. 애퍼처는 단면적을 갖는다.
블록 906에서, 방법(900)은, 애퍼처를 통해 송신되는 장면으로부터의 광에 의해 발산하는 단계를 포함한다.
블록 908에서, 방법(900)은, 렌즈와 반대쪽의 초점 평면의 한 측 상에 배치되는 광 검출기들의 어레이에 의해, 장면으로부터의 발산된 광을 인터셉트하는 단계를 포함한다. 장면으로부터의 발산된 광을 인터셉트하는 광 검출기들의 어레이의 단면적이 애퍼처의 단면적보다 더 크다.
블록 910에서, 방법(900)은, 광 검출기들의 어레이에 의해, 인터셉트된 광을 검출하는 단계를 포함한다.
IV. 결론
상기의 상세한 설명은 첨부 도면들을 참조하여 개시된 시스템들, 디바이스들, 및 방법들의 다양한 피처들 및 기능들을 설명한다. 다양한 양태들 및 실시예들이 본 명세서에 개시되었지만, 다른 양태들 및 실시예들이 명백해질 것이다. 본 명세서에 개시된 다양한 양태들 및 실시예들은 단지 예시의 목적들을 위한 것이고 제한하려는 것으로 의도된 것이 아니며, 진정한 범주는 다음의 청구범위에 의해 나타내어진다.

Claims (23)

  1. 시스템으로서,
    장면에 관련되어 배치되고 상기 장면으로부터의 광을 초점 평면 상에 포커싱하도록 구성되는 렌즈;
    상기 렌즈의 상기 초점 평면에 배치되는 불투명 재료 내에 규정되는 키홀(keyhole) 형상의 애퍼처(aperture) - 상기 키홀 형상의 애퍼처는 단면적을 가짐 -; 및
    상기 렌즈와 반대쪽의 상기 초점 평면의 한 측 상에 배치되고, 상기 렌즈에 의해 포커싱되고 상기 키홀 형상의 애퍼처를 통해 송신되는 발산 광을 인터셉트 및 검출하도록 구성되는 광 검출기들의 어레이 - 상기 발산 광을 인터셉트하는 상기 광 검출기들의 어레이의 단면적이 상기 키홀 형상의 애퍼처의 단면적보다 더 큼 -
    를 포함하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 검출기들의 어레이는 복수의 단일 광자 애벌란시 다이오드(single photon avalanche diode)(SPAD)들을 포함하는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 어레이 내의 광 검출기들은 서로 병렬로 연결되는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 키홀 형상의 애퍼처의 단면적은 조정가능한, 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 불투명 재료는, 상기 키홀 형상의 애퍼처의 단면적을 규정하도록 구성되는 아이리스(iris)를 포함하는, 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 불투명 재료는, 2개의 편광자들을 갖는 패터닝된 전도성 전극 어레이; 상기 2개의 편광자들 사이에 배치되는 하나 이상의 정렬 층; 및 상기 2개의 편광자들 사이에 배치되는 액정 층을 포함하는, 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 장면으로부터의 광은, 광 검출 및 레인징(light detection and ranging)(LIDAR) 시스템의 송신기에 의해 조명되는 하나 이상의 물체에 의해 산란되는 광인, 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 키홀 형상의 애퍼처를 통해 송신되는 상기 장면으로부터의 광을 상기 광 검출기들의 어레이를 향해 반사시키도록 구성되는 미러를 더 포함하는, 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광 검출기들은 파장들의 범위 내의 광에 민감한, 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광 검출기들은 적외선 파장들을 갖는 광에 민감한, 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 파장 범위 내의 상기 장면으로부터의 광을 상기 키홀 형상의 애퍼처로부터 멀어지게 전환시켜 상기 하나 이상의 파장 범위 내의 상기 장면으로부터의 광이 상기 키홀 형상의 애퍼처를 통과하지 않게 하도록 구성되는 필터를 더 포함하는, 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 필터와 캐스케이드(cascade)되는 부가적인 필터를 더 포함하고,
    상기 부가적인 필터는 하나 이상의 파장 범위 내의 상기 장면으로부터의 광을 상기 키홀 형상의 애퍼처로부터 멀어지게 전환시켜 상기 하나 이상의 파장 범위 내의 상기 장면으로부터의 광이 상기 키홀 형상의 애퍼처를 통과하지 않게 하도록 구성되는, 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 불투명 재료는, 글래스 기판(glass substrate)에 오버레이되는 불투명 마스크를 포함하는, 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 불투명 재료는 금속을 포함하고, 상기 금속은 상기 키홀 형상의 애퍼처를 규정하도록 에칭되는, 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    각각의 광 검출기는 200 ㎛2 내지 600 ㎛2의 단면적을 차지하는, 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 광 검출기들의 어레이와 상기 키홀 형상의 애퍼처 사이에 배치되는 확산기를 더 포함하고,
    상기 확산기는 상기 키홀 형상의 애퍼처를 통해 송신되는 상기 장면으로부터의 광을 상기 광 검출기들의 어레이에 걸쳐 균일하게 확산시키도록 구성되는, 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 키홀 형상의 애퍼처는 2개 이상의 애퍼처들의 세트로부터 선택가능한, 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 2개 이상의 애퍼처들의 세트로부터 선택하기 위해 상기 장면으로부터의 광을 상기 키홀 형상의 애퍼처를 향해 지향시키도록 조정가능한 하나 이상의 마이크로전자기계 시스템(microelectromechanical system)(MEMS) 미러를 더 포함하는, 시스템.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 키홀 형상의 애퍼처를 통해 송신되는 발산 광을 내부적으로 전반사시키는, 상기 키홀 형상의 애퍼처와 상기 광 검출기들의 어레이 사이에 배치되는 구조체를 더 포함하는, 시스템.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 초점 평면 내의 상기 키홀 형상의 애퍼처의 위치가 조정가능한, 시스템.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 키홀 형상의 애퍼처는, 선택적으로 스위칭가능한 MEMS 미러들의 어레이를 포함하는, 시스템.
  22. 방법으로서,
    장면에 관련되어 배치되는 렌즈에 의해, 상기 장면으로부터의 광을 초점 평면 상에 포커싱하는 단계;
    상기 렌즈의 상기 초점 평면에 배치되는 불투명 재료 내에 규정되는 키홀 형상의 애퍼처를 통해, 상기 장면으로부터의 광을 송신하는 단계 - 상기 키홀 형상의 애퍼처는 단면적을 가짐 -;
    상기 키홀 형상의 애퍼처를 통해 송신되는 상기 장면으로부터의 광에 의해 발산하는 단계;
    상기 렌즈와 반대쪽의 상기 초점 평면의 한 측 상에 배치되는 광 검출기들의 어레이에 의해, 상기 장면으로부터의 발산된 광을 인터셉트하는 단계 - 상기 장면으로부터의 발산된 광을 인터셉트하는 상기 광 검출기들의 어레이의 단면적이 상기 키홀 형상의 애퍼처의 단면적보다 더 큼 -; 및
    상기 광 검출기들의 어레이에 의해, 상기 인터셉트된 광을 검출하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  23. 광 검출 및 레인징(LIDAR) 디바이스로서,
    장면을 광으로 조명하도록 구성되는 LIDAR 송신기;
    상기 장면을 매핑하기 위해 상기 장면 내의 하나 이상의 물체에 의해 산란되는 광을 수신하도록 구성되는 LIDAR 수신기
    를 포함하고,
    상기 LIDAR 수신기는,
    상기 장면 내의 상기 하나 이상의 물체에 의해 산란되는 광을 초점 평면 상에 포커싱하도록 구성되는 렌즈;
    상기 초점 평면에 배치되는 불투명 재료 내에 규정되는 키홀 형상의 애퍼처 - 상기 키홀 형상의 애퍼처는 단면적을 가짐 -; 및
    상기 렌즈와 반대쪽의 상기 초점 평면의 한 측 상에 배치되고, 상기 렌즈에 의해 포커싱되고 상기 키홀 형상의 애퍼처를 통해 송신되는 발산 광을 인터셉트 및 검출하도록 구성되는 광 검출기들의 어레이 - 상기 발산 광을 인터셉트하는 상기 광 검출기들의 어레이의 단면적이 상기 키홀 형상의 애퍼처의 단면적보다 더 큼 -
    를 포함하는, LIDAR 디바이스.
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