(57)【要約】  実施形態は、１または複数のマイクロ光学部品を含む光学撮像装置を説明する。一部の撮像装置は、フィールドからの周囲光を受信するための光検出システムを含むパッシブ撮像装置である。一部の撮像装置は、光検出システムに加えて発光システムを含むアクティブ撮像装置である。発光システムは、放出光がフィールド内の物体の表面で反射され、光検出システムによって受信されるように、フィールドに光を放出するように構成することができる。いくつかの実施形態では、光検出システム及び／または発光システムは、動作性能を改善するためのマイクロ光学系を含む。
2020521954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
距離測定を実行するための光学システムであって、
バルク送信器光学系と、
前記バルク送信器光学系を通して個別の光ビームを当該光学システムの前方のフィールド内に投射するように位置合わせされた複数の発光体を含む照明源と、
前記照明源と前記バルク送信器光学系との間に配設されたマイクロ光学チャネルアレイと、
を備え、
前記マイクロ光学チャネルアレイは、複数のマイクロ光学チャネルを画定し、
各マイクロ光学チャネルは、前記複数の発光体からの発光体から離れたマイクロ光学レンズを含み、
前記マイクロ光学レンズは、前記発光体から光円錐を受信し、かつ、前記発光体と前記バルク送信器光学系との間の場所で前記発光体から変位した焦点に前記発光体の縮小サイズのスポット画像を生成するように構成されている
ことを特徴とする光学システム。
【請求項２】
前記バルク送信器光学系が、前記マイクロ光学チャネルアレイを通して前記照明源から出力される前記個別の光ビームが互いに平行である画像空間テレセントリックレンズとして構成される１または複数のレンズを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項３】
前記照明源から放出され前記フィールド内の表面から反射された光子を検出するように構成された光感知モジュール
を更に備えたことを特徴とする請求項２に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項４】
前記光感知モジュールが、
バルク受信器光学系と、
複数の開口部を含む開口層と、
複数のレンズを含むレンズ層と、
複数の光センサを含む光センサ層と、
を有しており、
前記開口層、前記レンズ層及び前記光センサ層は、複数の受信器チャネルを形成するように配置されており、
前記複数の受信器チャネル内の各受信器チャネルが、前記複数の開口部からの開口部、前記複数のレンズからのレンズ、及び、前記複数の光センサからの光センサを含み、前記バルク受信器光学系から入射する光を前記受信器チャネルの前記光センサに伝達するように構成されている
ことを特徴とする請求項３に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項５】
前記照明源は、当該システムからの距離の範囲にわたってサイズ及び幾何学的形状において前記受信器チャネルの視野に一致する照明パターンに従って、前記バルク送信器光学系を通して前記個別の光ビームを選択的に投射するように構成されている
ことを特徴とする請求項４に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項６】
各チャネルの前記マイクロ光学レンズが、発光体から光円錐を受信し、当該マイクロ光学レンズと前記バルク送信器光学系との間の焦点で前記発光体の縮小サイズの実スポット画像を生成するように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項７】
各チャネルの前記マイクロ光学レンズが、前記発光体に面する側に屈折力を有する第１の光学面と、前記発光体から離れる方向に面する反対側に屈折力を有する第２の光学面と、を含み、
前記発光体の前記縮小サイズの実スポット画像が、前記第１及び第２の光学面の後の焦点に形成される
ことを特徴とする請求項６に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項８】
前記発光体からの前記光円錐の発散が、前記縮小サイズの実スポット画像を生成するための前記マイクロ光学レンズの前記第２の光学面からの光円錐の発散より小さい
ことを特徴とする請求項７に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項９】
前記マイクロ光学レンズが、当該マイクロ光学レンズと前記照明源との間に空間を画定するように前記照明源から分離されている
ことを特徴とする請求項７に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項１０】
各チャネルの前記マイクロ光学レンズが、前記発光体から離れる方向に面する側に屈折力を有する光学面を含み、
前記発光体の前記縮小サイズの実スポット画像が、前記光学面の後の焦点に形成される
ことを特徴とする請求項６に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項１１】
前記光学面が、基板上に位置付けられた複数の凸レンズを含み、
前記基板が、前記光学面が配設される第１の表面と、前記照明源の表面に直接取り付けられた前記第１の表面の反対側の第２の表面と、を有する
ことを特徴とする請求項６に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項１２】
各チャネルの前記マイクロ光学レンズが、発光体から光円錐を受信し、前記発光体の縮小サイズの仮想スポット画像を生成するように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項１３】
各チャネルの前記マイクロ光学レンズが、前記発光体から離れる方向に面する側に屈折力を有する光学面を含み、
前記発光体の前記縮小サイズの仮想スポット画像が、前記それぞれのチャネル内の焦点に形成される
ことを特徴とする請求項１２に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項１４】
前記光学面が、基板上に形成された複数の凹面を含み、
前記基板が、前記光学面が配設される第１の表面と、前記照明源の表面に直接取り付けられた前記第１の表面の反対側の第２の表面と、を有する
ことを特徴とする請求項１３に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項１５】
前記バルク送信器光学系が、当該光学システムによって放出される迷光を低減するように構成された複数の開口絞りを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項１６】
距離測定を実行するための光学システムであって、当該光学システムが、
発光システムであって、
バルク送信器光学系と、
前記バルク送信器光学系を通して個別の光ビームを当該光学システムの前方のフィールド内に投射するように位置合わせされた複数の発光体を含む照明源と、
前記照明源と前記バルク送信器光学系との間に配設されたマイクロ光学チャネルアレイであって、前記マイクロ光学チャネルアレイが、複数のマイクロ光学チャネルを画定し、各マイクロ光学チャネルが、前記複数の発光体からの発光体から離れたマイクロ光学レンズを含み、前記マイクロ光学レンズが、前記発光体から光円錐を受信しかつ前記発光体と前記バルク送信器光学系との間の場所で前記発光体から変位した焦点に前記発光体の縮小サイズのスポット画像を生成するように構成されている、マイクロ光学チャネルアレイと、
を含む発光システムと、
光検出システムであって、
前記フィールドからの前記個別の光ビームを受信するように構成されたバルク受信器光学系と、
前記フィールド内の複数の個別の非重複視野を画定する複数のマイクロ光学受信器チャネルを有する光学アセンブリと、
を含む光検出システムと、
を備え、
前記光学アセンブリは、
前記バルク受信器光学系の焦点面に沿って配置された複数の個別の開口部を有する開口層と、
前記開口層の背後に配設された光センサのアレイと、
前記開口層と前記光センサのアレイとの間に位置付けられた複数のレンズと、
を含む
ことを特徴とする光学システム。
【請求項１７】
前記バルク送信器光学系が、前記マイクロ光学チャネルアレイを通して前記照明源から出力される前記個別の光ビームが互いに平行である画像空間テレセントリックレンズとして構成される１または複数のレンズを含む
ことを特徴とする請求項１６に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項１８】
距離測定を実行するための光学システムであって、
光学的透明窓を有する固定ハウジングと、
前記ハウジング内に配設された光測距デバイスと、
を備え、
前記光測距デバイスは、プラットフォームに結合された光送信器を含み、
前記光送信器は、
バルク送信器光学系と、
前記バルク送信器光学系を通して個別の光ビームを前記光学システムの前方のフィールド内に投射するように位置合わせされた複数の発光体を含む照明源と、
前記照明源と前記バルク送信器光学系との間に配設されたマイクロ光学チャネルアレイであって、前記マイクロ光学チャネルアレイが、複数のマイクロ光学チャネルを画定し、各マイクロ光学チャネルが、前記複数の発光体からの発光体から離れたマイクロ光学レンズを含み、前記マイクロ光学レンズが、前記発光体から光円錐を受信しかつ前記発光体と前記バルク送信器光学系との間の場所で前記発光体から変位した焦点に前記発光体の縮小サイズのスポット画像を生成するように構成されている、マイクロ光学チャネルアレイと、を含む
ことを特徴とする光学システム。
【請求項１９】
前記光測距デバイスが、回転光測距デバイスであって、
前記ハウジング内に配設され、前記ハウジング内の前記プラットフォーム及び前記光送信器を含む当該光測距デバイスを回転させるように動作可能に結合されたモータと、
前記ハウジング内に配設され、前記モータを制御し、当該光測距デバイスの光検出動作を開始及び停止するように構成されたシステムコントローラと、
を更に含む
ことを特徴とする請求項１８に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項２０】
前記バルク送信器光学系が、前記マイクロ光学チャネルアレイを通して前記照明源から出力される前記個別の光ビームが互いに平行である画像空間テレセントリックレンズとして構成される１または複数のレンズを含む
ことを特徴とする請求項１８に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項２１】
光学システムであって、
当該光学システムの外部のフィールドから発生する光線を受信するように構成されたバルク受信器光学系と、
前記フィールド内に複数の個別の非重複視野を画定する複数のマイクロ光学受信器チャネルを有する光学アセンブリと、
を備え、
前記光学アセンブリは、
前記バルク受信器光学系の焦点面に沿って配置された複数の個別の開口部を有する開口層と、
前記開口層の背後に配設された光センサのアレイと、
異なるマイクロ光学チャネルが異なる波長範囲を測定できるように構成された不均一光学フィルタ層と、
を含む
ことを特徴とする光学システム。
【請求項２２】
前記不均一光学フィルタは、段階的光学フィルタを含む
ことを特徴とする請求項２１に記載の光学システム。
【請求項２３】
前記段階的光学フィルタは、一次元で厚さが徐々に増加する
ことを特徴とする請求項２２に記載の光学システム。
【請求項２４】
前記段階的光学フィルタは、各チャネルが一定の光学フィルタ層厚を有するように一次元で段階的に厚さが増加するが、異なるマイクロ光学チャネルの前記厚さが異なる
ことを特徴とする請求項２２に記載の光学システム。
【請求項２５】
前記光センサのアレイは、光検出器のアレイを含み、
各光検出器は、単一光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）のアレイを含む
ことを特徴とする請求項２１に記載の光学システム。
【請求項２６】
各チャネルは、前記複数の個別の開口部からの開口部と、前記光センサのアレイ内の光センサと、を含み、
前記開口部が前記レンズと軸方向に位置合わせされている
ことを特徴とする請求項２１に記載の光学システム。
【請求項２７】
前記光学アセンブリが、複数のレンズを更に含み、
各チャネルが、前記複数のレンズからのレンズを更に含み、
各チャネルの前記レンズが、その対応する開口部を通して受信される光線をコリメートし、当該コリメートされた光線をその対応する光センサに渡すように構成されている
ことを特徴とする請求項２６に記載の光学システム。
【請求項２８】
各チャネルの前記レンズが、前記バルク受信器光学系からの光路に沿って位置付けられた半球として構成され、
前記光学フィルタが、前記レンズの曲面にコーティングされている
ことを特徴とする請求項２６に記載の光学システム。
【請求項２９】
各チャネル内の前記光センサが、複数の単一光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）を含む
ことを特徴とする請求項２６に記載の光学システム。
【請求項３０】
各チャネルの前記光センサが、前記複数のＳＰＡＤに数において対応する第２の複数のレンズを更に含み、
前記第２の複数のレンズの各レンズが、前記複数のＳＰＡＤの個々のＳＰＡＤに前記光センサで受信する入射光子を集束するように構成されている
ことを特徴とする請求項２９に記載の光学システム。
【請求項３１】
前記光学アセンブリは、共通基板上に構築されたモノリシックＡＳＩＣを含み、その中に前記光センサのアレイが製造され、
前記開口層、前記複数のレンズ及び前記フィルタ層のための前記個別の層が、前記ＡＳＩＣの前記モノリシック構造の一部となるように、前記モノリシックＡＳＩＣ上に形成されている
ことを特徴とする請求項２１に記載の光学システム。
【請求項３２】
前記開口層、前記複数のレンズ、前記フィルタ層及び前記光センサのアレイのための前記個別の層の各々は、その隣接層に接合されている
ことを特徴とする請求項３１に記載の光学システム。
【請求項３３】
光学システムであって、
当該光学システムの外部のフィールドからの光を受信するように構成されたバルク受信器光学系と、
前記バルク光学系の背後に配設され、前記バルク光学系の焦点面に位置する複数の開口部を含む開口層と、
焦点距離を有する複数のコリメートレンズを含むレンズ層であって、当該レンズ層が前記開口層の背後に配設され、前記焦点距離によって前記開口層から分離されている、レンズ層と、
前記レンズ層の背後にある不均一光学フィルタ層と、
複数の光センサを含む光センサ層と、
を備え、
前記開口層、前記レンズ層、前記不均一光学フィルタ層及び前記光センサ層が、前記フィールド内に複数の個別の非重複視野を画定する複数のマイクロ光学チャネルを形成するように配置され、
前記複数のマイクロ光学チャネル内の各マイクロ光学チャネルが、前記複数の開口部からの開口部、前記複数のレンズからのレンズ、前記フィルタ層からのフィルタ、及び前記複数の光センサからの光センサを含み、前記バルク受信器光学系から入射する光を前記マイクロ光学チャネルの前記光センサに伝達するように構成されており、
前記不均一光学フィルタ層は、異なるマイクロ光学チャネルが異なる波長範囲を測定できるように構成されている
ことを特徴とする光学システム。
【請求項３４】
前記不均一光学フィルタは、段階的光学フィルタを含む
ことを特徴とする請求項３３に記載の光学システム。
【請求項３５】
前記段階的光学フィルタは、一次元で厚さが徐々に増加する
ことを特徴とする請求項３４に記載の光学システム。
【請求項３６】
前記段階的光学フィルタは、各チャネルが一定の光学フィルタ層厚を有するように一次元で段階的に厚さが増加するが、異なるマイクロ光学チャネルの前記厚さが異なる
ことを特徴とする請求項３４に記載の光学システム。
【請求項３７】
光学システムであって、
当該光学システムの外部のフィールドから発生する光線を受信するように構成されたバルク受信器光学系と、
前記フィールド内に複数の個別の非重複視野を画定する複数のマイクロ光学受信器チャネルを有する光学アセンブリと、
を備え、
前記光学アセンブリは、
当該ＡＳＩＣ内に製造されたプロセッサ、メモリ及び複数の光センサを含むモノリシックＡＳＩＣと、
前記バルク受信器光学系の焦点面に沿って配置された複数の個別の開口部を有する開口層であって、前記光センサのアレイが当該開口層の背後に配設されている、開口層と、
前記開口層と前記光センサのアレイとの間に位置付けられた複数のレンズと、
その構造全体にわたって異なる中心波長を有して、少なくとも２つの異なるマイクロ光学受信器チャネルが異なる波長範囲の光を測定できるようにする不均一光学フィルタ層であって、前記開口層、前記複数のレンズ及び前記不均一光学フィルタ層が、前記ＡＳＩＣの前記モノリシック構造の一部を形成するように、前記ＡＳＩＣ上に形成される、不均一光学フィルタ層と、
を含む
ことを特徴とする光学システム。
【請求項３８】
前記マイクロ光学受信器チャネルは、各マイクロ光学受信器チャネルが複数の発光体の発光体と対になるように構成されている
ことを特徴とする請求項３７に記載の光学システム。
【請求項３９】
前記不均一光学フィルタは、段階的光学フィルタを含む
ことを特徴とする請求項３７に記載の光学システム。
【請求項４０】
前記段階的光学フィルタは、一次元で厚さが徐々に増加する
ことを特徴とする請求項３９に記載の光学システム。
【請求項４１】
距離測定を実行するための光学システムであって、
光学的透明窓を有する固定ハウジングと、
前記ハウジング内に配設された回転光測距デバイスであって、
プラットフォームと、
前記プラットフォームに結合された光送信器であって、バルク送信器光学系及び複数の送信器チャネルを含み、各送信器チャネルが、狭帯域光を生成して前記バルク送信器光学系を通して当該光学システムの外部のフィールド内に送信するように構成された発光体を含む、光送信器と、
前記プラットフォームに結合された光受信器であって、バルク受信器光学系及び複数のマイクロ光学受信器チャネルを含み、各マイクロ光学チャネルが、前記バルク受信器光学系の焦点面と一致する開口部を含み、光学フィルタが、前記バルク受信器光学系からの光路に沿って位置付けられ前記開口部と軸方向に位置合わせされ、光センサが、前記開口部及び前記光学フィルタを通過する入射光子に応答する、光受信器と、
を含む、回転光測距デバイスと、
前記ハウジング内に配設され、前記ハウジング内の前記プラットフォーム、前記光送信器及び前記光受信器を含む前記光測距デバイスを回転させるように動作可能に結合されたモータと、
前記ハウジング内に配設されたシステムコントローラであって、前記モータを制御し、前記光測距デバイスの光検出動作を開始及び停止するように構成されたシステムコントローラと、
を備えたことを特徴とする距離測定を実行するための光学システム。
【請求項４２】
前記光受信器は、前記開口部の背後にあって前記光学フィルタに直接結合されたコリメートレンズを更に含み、
前記光学フィルタは、当該コリメートレンズの背後に位置付けられている
ことを特徴とする請求項４１に記載の光学システム。
【請求項４３】
前記光学フィルタは、前記開口部の上側または下側に直接位置付けられた半球レンズ上のフィルタ層である
ことを特徴とする請求項４１に記載の光学システム。
【請求項４４】
前記固定ハウジングが円筒形であり、前記光学的透明窓が前記固定ハウジングの周囲周りに完全に延びている
ことを特徴とする請求項４１に記載の光学システム。
【請求項４５】
前記透明窓によって引き起こされる光学収差を補正するための補正光学構造
を更に含むことを特徴とする請求項４４に記載の光学システム。
【請求項４６】
前記補正光学構造は、前記バルク受信器光学系の一部として含まれる円柱レンズ、前記バルク送信器光学系の一部として含まれる円柱レンズ、前記マイクロ光学受信器チャネルの一部として含まれる円柱レンズのアレイ、または、前記複数の送信器チャネルの一部として含まれる双円錐レンズのアレイ、として構築されている
ことを特徴とする請求項４５に記載の光学システム。
【請求項４７】
前記光送信器及び前記光受信器は、各送信器チャネルが受信器チャネルと対になり、それらの視野の中心が当該光学システムから特定の距離で非重複となるように位置合わせされるように構成されている
ことを特徴とする請求項４１に記載の光学システム。
【請求項４８】
前記複数のマイクロ光学受信器チャネルが、共通基板上に構築されたモノリシックＡＳＩＣの一部であり、その中に前記光センサのアレイが製造され、前記開口層及び前記フィルタ層のための前記個別の層が、前記ＡＳＩＣの前記モノリシック構造の一部になるように、前記モノリシックＡＳＩＣ上に形成されている
ことを特徴とする請求項４１に記載の光学システム。
【請求項４９】
距離測定を実行するための光学システムであって、
基部、上部、及び、前記基部と前記上部との間に配設された光学的透明窓、を有する固定ハウジングと、
前記ハウジング内に配設され、前記光学的透明窓と位置合わせされた回転光測距デバイスであって、
プラットフォームと、
前記プラットフォームに結合された光送信器であって、画像空間テレセントリックバルク送信器光学系及び複数の送信器チャネルを含み、各チャネルが、狭帯域光を生成して前記バルク送信器光学系を通して当該光学システムの外部のフィールド内に送信するように構成された発光体を含む、光送信器と、
前記プラットフォームに結合された光受信器であって、画像空間テレセントリックバルク受信器光学系及び複数のマイクロ光学受信器チャネルを含み、各マイクロ光学チャネルが、前記バルク受信器光学系の焦点面と一致する開口部と、前記開口部の背後のコリメートレンズと、前記コリメートレンズの背後の光学フィルタと、前記開口部を通過して前記コリメートレンズに入り前記フィルタを通過する入射光子に応答する光センサと、
を含む回転光測距デバイスと、
前記ハウジング内に配設され、前記ハウジング内の前記プラットフォーム、前記光送信器及び前記光受信器を含む前記光測距デバイスを回転させるように動作可能に結合されたモータと、
前記ハウジング内に配設されたシステムコントローラであって、前記モータを制御し、前記光測距デバイスの光検出動作を開始及び停止するように構成されたシステムコントローラと、
を備えたことを特徴とする距離測定を実行するための光学システム。
【請求項５０】
前記固定ハウジングが円筒形であり、前記光学的透明窓が前記固定ハウジングの周囲周りに完全に延びている
ことを特徴とする請求項４９に記載の光学システム。
【請求項５１】
前記光送信器及び前記光受信器は、各送信器チャネルが受信器チャネルと対になり、それらの視野の中心が当該光学システムから特定の距離で非重複となるように位置合わせされるように構成されている
ことを特徴とする請求項４９に記載の光学システム。
【請求項５２】
前記複数のマイクロ光学受信器チャネルが、共通基板上に構築されたモノリシックＡＳＩＣの一部であり、その中に前記光センサのアレイが製造され、前記開口層及び前記フィルタ層のための前記個別の層が、前記ＡＳＩＣの前記モノリシック構造の一部になるように、前記モノリシックＡＳＩＣ上に形成されている
ことを特徴とする請求項４９に記載の光学システム。
【請求項５３】
前記開口部、前記フィルタ層及び前記光センサのための前記個別の層の各々が、その隣接層に接合されている
ことを特徴とする請求項４９に記載の光学システム。
【請求項５４】
距離測定を実行するための光学システムであって、
基部、上部、及び、前記基部と前記上部との間に配設された光学的透明窓、を有する固定ハウジングと、
前記ハウジング内に配設され、前記光学的透明窓と位置合わせされた光測距デバイスであって、
プラットフォームと、
アレイ状に配置された複数の垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であって、当該複数のＶＣＳＥＬの各ＶＣＳＥＬが光の個別パルスを生成して当該光学システムの外部のフィールド内に送信するように構成されている、複数のＶＣＳＥＬと、
前記プラットフォームに結合された光受信器であって、バルク受信器光学系及び複数の光センサを含み、各光センサが、入射光子に応答する複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を含み、光学フィルタが、前記バルク受信器光学系と前記複数の光センサとの間に配設されており、光のある帯域が当該フィルタを通過して前記複数の光センサに到達する一方で、前記帯域外の光が前記複数の光センサに到達するのを遮断するように構成されている、光受信器と、
を含む光測距デバイスと、
前記ハウジング内に配設され、前記ハウジング内で前記光測距デバイスを回転させるように動作可能に結合されたモータと、
前記ハウジング内に配設されたシステムコントローラであって、前記モータを制御し、前記光測距デバイスの光検出動作を開始及び停止するように構成されたシステムコントローラと、
を備えたことを特徴とする距離測定を実行するための光学システム。
【請求項５５】
前記固定ハウジングが円筒形であり、前記光学的透明窓が前記固定ハウジングの周囲周りに完全に延びている
ことを特徴とする請求項５４に記載の光学システム。
【請求項５６】
前記光送信器及び前記光受信器は、各送信器チャネルが受信器チャネルと対になり、それらの視野の中心が当該光学システムから特定の距離で非重複となるように位置合わせされるように構成されている
ことを特徴とする請求項５４に記載の光学システム。
【請求項５７】
前記複数の光センサが、共通基板上に構築されたモノリシックＡＳＩＣ内に製造され、その一部を形成し、前記開口層及び前記フィルタ層のための前記個別の層が、前記ＡＳＩＣの前記モノリシック構造の一部になるように、前記モノリシックＡＳＩＣ上に形成されている
ことを特徴とする請求項５４に記載の光学システム。
【請求項５８】
前記複数のマイクロ光学受信器チャネルが、共通基板上に構築されたモノリシックＡＳＩＣの一部であり、その中に前記光センサのアレイが製造され、前記開口層及び前記フィルタ層のための前記個別の層が、前記ＡＳＩＣの前記モノリシック構造の一部になるように、前記モノリシックＡＳＩＣ上に形成されている
ことを特徴とする請求項５４に記載の光学システム。
【請求項５９】
前記開口部、前記フィルタ層及び前記光センサのための前記個別の層の各々が、その隣接層に接合されている
ことを特徴とする請求項５４に記載の光学システム。
【請求項６０】
前記光の個別パルスは、それぞれの光パルスの強度によって形成される埋め込まれた正の値のパルスコードでそれぞれコード化されている
ことを特徴とする請求項５４に記載の光学システム。
【請求項６１】
距離測定を実行するための光学システムであって、
回転可能なプラットフォームと、
前記回転可能なプラットフォームに結合され、バルク送信器光学系及び複数の送信器チャネルを含み、各送信器チャネルが、狭帯域光を生成して前記バルク送信器光学系を通して前記光学システムの外部のフィールド内に送信するように構成された発光体を含む、光送信器と、
前記回転可能なプラットフォームに結合され、バルク受信器光学系及び複数のマイクロ光学受信器チャネルを含み、各マイクロ光学チャネルが、前記バルク受信器光学系の焦点面と一致する開口部を含み、光学フィルタが、前記バルク受信器光学系からの光路に沿って位置付けられ前記開口部と軸方向に位置合わせされ、光センサが、前記開口部及び前記光学フィルタを通過する入射光子に応答する、光受信器と、
前記ハウジング内に配設され、前記プラットフォーム、前記光送信器及び前記光受信器を回転させるように動作可能に結合されたモータと、
当該光学システムの固定部品に取り付けられたシステムコントローラと、
前記システムコントローラと前記光受信器との間に動作可能に結合され、前記システムコントローラが前記光受信器と通信することを可能にする光通信リンクと、
を備えたことを特徴とする光学システム。
【請求項６２】
前記光通信リンクは、当該光学システムの固定部品と前記回転可能なプラットフォームとの間に延びて、前記システムコントローラを前記光受信器に動作可能に結合する
ことを特徴とする請求項６１に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項６３】
前記光受信器は、前記開口部の背後にあって前記光学フィルタに直接結合されたコリメートレンズを更に含み、
前記光学フィルタは、当該コリメートレンズの背後に位置付けられている
ことを特徴とする請求項６１に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項６４】
前記光学フィルタは、前記開口部の上側または下側に直接位置付けられた半球レンズ上のフィルタ層を含む
ことを特徴とする請求項６１に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項６５】
前記光送信器及び前記光受信器は、各送信器チャネルが受信器チャネルと対になり、それらの視野の中心が当該光学システムから特定の距離で非重複となるように位置合わせされるように構成されている
ことを特徴とする請求項６１に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項６６】
前記複数のマイクロ光学受信器チャネルが、共通基板上に構築されたモノリシックＡＳＩＣの一部であり、その中に前記光センサのアレイが製造され、前記開口層及び前記フィルタ層のための前記個別の層が、前記ＡＳＩＣの前記モノリシック構造の一部になるように、前記モノリシックＡＳＩＣ上に形成されている
ことを特徴とする請求項６１に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項６７】
基部、上部、及び、前記基部と前記上部との間に配設された光学的透明窓、を有する固定ハウジング
を更に含むことを特徴とする請求項６１に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項６８】
前記システムコントローラは、前記ベース内に位置付けられ、
前記回転可能なプラットフォームに結合された前記光受信器は、前記光学的透明窓内に配設され、
前記光通信リンクは、前記システムコントローラと前記光受信器との間に結合されている
ことを特徴とする請求項６７に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項６９】
距離測定を実行するための光学システムであって、
回転可能なプラットフォームと、
前記回転可能なプラットフォームに結合され、画像空間テレセントリックバルク送信器光学系及び複数の送信器チャネルを含み、各送信器チャネルが、狭帯域光を生成して前記バルク送信器光学系を通して当該光学システムの外部のフィールド内に送信するように構成された発光体を含む、光送信器と、
前記回転可能なプラットフォームに結合され、画像空間テレセントリックバルク受信器光学系及び複数のマイクロ光学受信器チャネルを含み、各マイクロ光学チャネルが、前記バルク受信器光学系の焦点面と一致する開口部と、前記開口部の背後のコリメートレンズと、前記コリメートレンズの背後の光学フィルタと、前記開口部を通過して前記コリメートレンズに入り前記フィルタを通過する入射光子に応答する光センサと、を含む、光受信器と、
前記ハウジング内に配設され、前記プラットフォーム、前記光送信器及び前記光受信器を回転させるように動作可能に結合されたモータと、
前記光学システムの固定部品に取り付けられたシステムコントローラと、
前記システムコントローラと前記光受信器との間に動作可能に結合され、前記システムコントローラが前記光受信器と通信することを可能にする光通信リンクと、
を備えたことを特徴とする光学システム。
【請求項７０】
前記光通信リンクは、当該光学システムの固定部品と前記回転可能なプラットフォームとの間に延びて、前記システムコントローラを前記光受信器に動作可能に結合する
ことを特徴とする請求項６９に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項７１】
前記光受信器は、前記開口部の背後にあって前記光学フィルタに直接結合されたコリメートレンズを更に含み、
前記光学フィルタは、当該コリメートレンズの背後に位置付けられている
ことを特徴とする請求項６９に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項７２】
前記光学フィルタは、前記開口部の上側または下側に直接位置付けられた半球レンズ上のフィルタ層を含む
ことを特徴とする請求項６９に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項７３】
前記光送信器及び前記光受信器は、各送信器チャネルが受信器チャネルと対になり、それらの視野の中心が当該光学システムから特定の距離で非重複となるように位置合わせされるように構成されている
ことを特徴とする請求項６９に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項７４】
前記複数のマイクロ光学受信器チャネルが、共通基板上に構築されたモノリシックＡＳＩＣの一部であり、その中に前記光センサのアレイが製造され、前記開口層及び前記フィルタ層のための前記個別の層が、前記ＡＳＩＣの前記モノリシック構造の一部になるように、前記モノリシックＡＳＩＣ上に形成されている
ことを特徴とする請求項６９に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項７５】
距離測定を実行するための光学システムであって、
回転可能なプラットフォームと、
アレイ状に配置され前記回転可能なプラットフォームに結合された複数の垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であって、当該複数のＶＣＳＥＬの各ＶＣＳＥＬが光の個別パルスを生成して当該光学システムの外部のフィールド内に送信するように構成されている、複数のＶＣＳＥＬと、
前記回転可能なプラットフォームに結合された光受信器であって、バルク受信器光学系及び複数の光センサを含み、各光センサが、入射光子に応答する複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を含む、光受信器と、
前記ハウジング内に配設され、前記プラットフォーム、前記複数のＶＣＳＥＬ及び前記光受信器を回転させるように動作可能に結合されたモータと、
前記光学システムの固定部品に取り付けられたシステムコントローラと、
前記システムコントローラと前記光受信器との間に動作可能に結合され、前記システムコントローラが前記光受信器と通信することを可能にする光通信リンクと、
を備えたことを特徴とする光学システム。
【請求項７６】
前記光通信リンクは、当該光学システムの固定部品と前記回転可能なプラットフォームとの間に延びて、前記システムコントローラを前記光受信器に動作可能に結合する
ことを特徴とする請求項７５に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項７７】
前記光受信器は、前記開口部の背後にあって前記光学フィルタに直接結合されたコリメートレンズを更に含み、
前記光学フィルタは、当該コリメートレンズの背後に位置付けられている
ことを特徴とする請求項７５に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項７８】
前記光学フィルタは、前記開口部の上側または下側に直接位置付けられた半球レンズ上のフィルタ層を含む
ことを特徴とする請求項７５に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項７９】
前記光送信器及び前記光受信器は、各送信器チャネルが受信器チャネルと対になり、それらの視野の中心が当該光学システムから特定の距離で非重複となるように位置合わせされるように構成されている
ことを特徴とする請求項７５に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項８０】
前記複数のマイクロ光学受信器チャネルが、共通基板上に構築されたモノリシックＡＳＩＣの一部であり、その中に前記光センサのアレイが製造され、前記開口層及び前記フィルタ層のための前記個別の層が、前記ＡＳＩＣの前記モノリシック構造の一部になるように、前記モノリシックＡＳＩＣ上に形成されている
ことを特徴とする請求項７５に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項８１】
距離測定を実行するための光学システムであって、
バルク受信器光学系と、
複数の開口部を含む開口層と、
第１の複数のレンズを含む第１のレンズ層と、
前記バルク受信器光学系を通過した後の光を受信し、ある放出帯域を通過させる一方で当該帯域外の放出を遮断するように構成された光学フィルタ層と、
複数の光センサを含む光センサ層であって、各光センサが、光子を検出するように構成された複数の光検出器と、前記光センサで受信する入射光子を前記複数の光検出器に集束するように構成された第２の複数のレンズと、を含む、光センサ層と、
を備え、
当該光学システムは、複数の受信器チャネルを備え、当該複数の受信器チャネル内の各受信器チャネルが、前記複数の開口部からの開口部と、前記複数の第１のレンズからのレンズと、前記光学フィルタ層からの光学フィルタと、前記複数の光センサからの光センサと、を含み、各チャネルの前記開口部がそのそれぞれのチャネルの個別の非重複視野を画定する
ことを特徴とする光学システム。
【請求項８２】
前記複数の受信器チャネル内の各受信器チャネルについて、当該チャネルの前記光センサ内の前記複数の光検出器と前記第２の複数のレンズとの間に１対１の対応があり、
前記第２の複数のレンズ内の前記レンズの各々が、前記第２の複数のレンズ内のその対応するレンズに光子を集束させるように構成されている
ことを特徴とする請求項８１に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項８３】
前記第２の複数のレンズ内の各レンズは、共通の焦点距離を有する収束レンズである
ことを特徴とする請求項８２に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項８４】
前記第２の複数のレンズ内の各レンズは、前記共通の焦点距離だけそのそれぞれの光検出器から離れている
ことを特徴とする請求項８３に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項８５】
前記複数の受信器チャネル内の各受信器チャネルについて、前記光センサが、前記第２の複数のレンズと前記光センサ内の前記複数の光検出器との間に位置付けられた光学的不透明スペーサを含む
ことを特徴とする請求項８１に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項８６】
前記複数の受信器チャネルの各受信器チャネルについて、前記開口層が、第１及び第２の光学的不透明層の間に配設された光学的透明基板を含み、前記第１の光学的不透明層が、第１の直径を有する第１の開口部を有し、前記第２の光学的不透明層が、前記第１の開口部と位置合わせされ前記第１の直径とは異なる第２の直径を有する第２の開口部を有する
ことを特徴とする請求項８１に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項８７】
前記複数の受信器チャネル内の各受信器チャネルについて、前記レンズ層が、前記受信器チャネルの前記開口部と前記第１の複数のレンズからの前記レンズとの間に位置付けられた光学スペーサを含む
ことを特徴とする請求項８６に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項８８】
前記複数の受信器チャネル内の各受信器チャネルについて、前記光学スペーサが、前記レンズと実質的に同様の直径のチューブを含む
ことを特徴とする請求項８７に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項８９】
前記複数の受信器チャネル内の各受信器チャネルについて、前記光学スペーサが、光学的不透明材料を含む壁を含む
ことを特徴とする請求項８８に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項９０】
前記光学フィルタ層が、前記第１のレンズ層と前記光センサ層との間に配設され、
前記第１のレンズ層が、前記開口層と前記フィルタ層との間に配設される
ことを特徴とする請求項８１に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項９１】
前記複数の受信器チャネル内の各受信器チャネルについて、前記光学フィルタが、第１の帯域通過フィルタ及び第２の広帯域スペクトル遮断フィルタを含み、当該２つのフィルタ間の遷移領域における漏れを防止するように構成されている
ことを特徴とする請求項８１に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項９２】
個別の光ビームを当該光学システムの前方のフィールド内に投射するように位置合わせされた複数の発光体を含む照明源
を更に備えたことを特徴とする請求項８１に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項９３】
各受信器チャネルの前記レンズが、対応する開口部を通して受信される光線をコリメートし、当該コリメートした光線を対応する光センサに通過させるように構成されている
ことを特徴とする請求項８１に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項９４】
各受信器チャネルの前記レンズが、半球状の基板であり、各受信器チャネルの前記光学フィルタが、前記レンズの曲面上のフィルタ層である
ことを特徴とする請求項８１に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項９５】
距離測定を実行するための光学システムであって、
発光システムであって、
バルク送信器光学系と、
前記バルク送信器光学系を通して個別の光ビームを当該光学システムの前方のフィールド内に投射するように位置合わせされた複数の発光体を含む照明源と、
を含む発光システムと、
光検出システムであって、
バルク受信器光学系と、
複数の開口部を含む開口層と、
第１の複数のレンズを含む第１のレンズ層と、
前記バルク受信器光学系を通過した後の光を受信し、ある放出帯域を通過させる一方で当該帯域外の放出を遮断するように構成された光学フィルタ層と、
複数の光センサを含む光センサ層であって、各光センサが、光子を検出するように構成された複数の光検出器と、前記光センサで受信する入射光子を前記複数の光検出器に集束するように構成された第２の複数のレンズと、を含む、光センサ層と、
を含む光検出システムと、
を備え、
当該光学システムは、複数の受信器チャネルを備え、当該複数の受信器チャネル内の各受信器チャネルが、前記複数の開口部からの開口部と、前記複数の第１のレンズからのレンズと、前記光学フィルタ層からの光学フィルタと、前記複数の光センサからの光センサと、を含み、各チャネルの前記開口部がそのそれぞれのチャネルの個別の非重複視野を画定する
ことを特徴とする光学システム。
【請求項９６】
前記複数の受信器チャネル内の各受信器チャネルについて、当該チャネルの前記光センサ内の前記複数の光検出器と前記第２の複数のレンズとの間に１対１の対応があり、
前記第２の複数のレンズ内の前記レンズの各々が、前記第２の複数のレンズ内のその対応するレンズに光子を集束させるように構成されている
ことを特徴とする請求項９５に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項９７】
前記第２の複数のレンズ内の各レンズは、共通の焦点距離を有する収束レンズである
ことを特徴とする請求項９６に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項９８】
距離測定を実行するための光学システムであって、
光学的透明窓を有する固定ハウジングと、
前記ハウジング内に配設され、前記光学的透明窓と位置合わせされた光測距デバイスと、
を備え、
前記光測距デバイスは、
プラットフォームと、
前記プラットフォームに結合された光送信器であって、バルク送信器光学系及び複数の送信器チャネルを含み、各送信器チャネルが、狭帯域光を生成して前記バルク送信器光学系を通して当該光学システムの外部のフィールド内に送信するように構成された発光体を含む、光送信器と、
前記プラットフォームに結合された光受信器であって、
バルク受信器光学系と、
複数の開口部を含む開口層と、
第１の複数のレンズを含む第１のレンズ層と、
前記バルク受信器光学系を通過した後の光を受信し、ある放出帯域を通過させる一方で当該帯域外の放出を遮断するように構成された光学フィルタ層と、
複数の光センサを含む光センサ層であって、各光センサが、光子を検出するように構成された複数の光検出器と、前記光センサで受信する入射光子を前記複数の光検出器に集束するように構成された第２の複数のレンズと、を含む、光センサ層と、
を含む光受信器と、
を含んでおり、
当該光学システムは、複数の受信器チャネルを備え、当該複数の受信器チャネル内の各受信器チャネルが、前記複数の開口部からの開口部と、前記複数の第１のレンズからのレンズと、前記光学フィルタ層からの光学フィルタと、前記複数の光センサからの光センサと、を含み、各チャネルの前記開口部がそのそれぞれのチャネルの個別の非重複視野を画定し、
当該光学システムは、更に、
前記ハウジング内に配設され、前記ハウジング内の前記プラットフォーム、前記光送信器及び前記光受信器を含む前記光測距デバイスを回転させるように動作可能に結合されたモータと、
前記ハウジング内に配設され、前記モータを制御し、前記光測距デバイスの光検出動作を開始及び停止するように構成されたシステムコントローラと、
を備えたことを特徴とする距離測定を実行するための光学システム。
【請求項９９】
前記複数の受信器チャネル内の各受信器チャネルについて、当該チャネルの前記光センサ内の前記複数の光検出器と前記第２の複数のレンズとの間に１対１の対応があり、
前記第２の複数のレンズ内の前記レンズの各々が、前記第２の複数のレンズ内のその対応するレンズに光子を集束させるように構成されている
ことを特徴とする請求項９８に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【請求項１００】
前記第２の複数のレンズ内の各レンズは、共通の焦点距離を有する収束レンズである
ことを特徴とする請求項９９に記載の距離測定を実行するための光学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔関連出願の相互参照〕
本出願は、２０１７年５月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／５０６，４４９号、２０１７年５月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／５０６，４３７号、２０１７年５月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／５０６，４４５号、及び２０１７年６月５日に出願された米国仮特許出願第６２／５１５，２９１号の優先権を主張し、その開示は、その全体があらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
撮像装置は光を検出し、検出した光に基づいてシーンのデジタル画像を作成する。画像には、固定数のピクセルの行と列の数が含まれており、各ピクセルはシーン内の異なる視野にマッピングされる。電子撮像装置は通常、光検出器を使用して光を電気信号に変換する。各光検出器は、焦点面の異なる位置に配置されており、通常、画像内の単一ピクセルまたはピクセルの構成要素に対応する。電子撮像装置は通常、パッシブ照明撮像装置またはアクティブ照明撮像装置の２つの種類のうちの１つに分類できる。パッシブ照明撮像装置は、シーン内の物体によって反射される太陽光などの周囲光を収集するが、アクティブ照明撮像装置はシーンを照明し、アクティブ照明撮像装置システム自体によって生成される反射光を収集する。
【０００３】
狭帯域撮像装置は、限られた波長範囲内の光を収集する。これは、可視スペクトル全体、またはそれぞれが１００ｎｍ以上の３つの異なるＲＧＢカラーバンドに光を検出する従来のカメラとは対照的である。狭帯域撮像装置は、依存する光学フィルタの特性によっては、従来のカメラよりも開発が困難である。光学フィルタは、電磁スペクトルのいくつかの部分が光検出器に到達するのを防ぐのに役立つ。ほとんどの狭帯域フィルタは、薄膜干渉効果に依存して、光を選択的に透過または反射する（このようなフィルタは、しばしば誘電体ミラーまたはブラッグミラーと呼ばれる）。狭帯域フィルタのスペクトル透過率は、フィルタを構成する構成の数、厚さ、順序、及び屈折率に依存する。フィルタのスペクトル透過率は、狭帯域フィルタへの光の入射角にも依存する。
【０００４】
現在の狭帯域撮像装置は、視野が狭いか、５０ｎｍ程度より狭い波長帯域をフィルタリングする能力が制限されている。光学フィルタは入射光の角度に敏感であるため、狭い範囲の波長を達成するのが困難である。例えば、光学フィルタは、９４０−９４５ｎｍの波長の垂直光と、９３０−９３５ｎｍの波長のわずかに斜めの光を受け入れることができる。従来のカメラにおけるほとんどの光検出器は、入射光の角度範囲が広いため、単純に光学フィルタを前に置くだけでは、狭帯域フィルタリングを達成できない。通常、光検出器に入射する光の角度を制限するには、焦点距離の長いレンズを使用する必要があり、これによりカメラの視野が制限される。
【０００５】
広い視野を持つ撮像装置は、均一に鮮明な視覚画像を生成し、シーン全体で均一な測定を行うことが困難である。例えば、画像の中心にあるピクセルは、シーンの端にあるピクセルと比較して、明るく見えるか、異なる波長の光を表する。いくつかのアプリケーションでは、状況認識が向上するため、広い視野が望ましい。例えば、車両の周囲の歩行者を検出するカメラベースの自動車安全システムでは、車両の周囲３６０度の視野で監視する必要がある。同じジョブを実行する（つまり、３６０度の完全な視野の画像を生成する）ために必要な幅の広い視野センサが少なく、多くの狭いフィールドの視野センサと同じであるため、システムのコストが削減される。
【０００６】
狭帯域撮像装置には、地理的マッピング、天文学、ＬＩＤＡＲ（光検出と測距）などの多くのアプリケーションがある。狭帯域撮像装置は、クロロフィルを含む植物や星の中の元素によって生成される波長などの特徴的な光波長を検出できる。狭帯域撮像装置は、例えば、植生の健康状態を判断したり、油の堆積物を発見したりするために使用できる。ＬＩＤＡＲなどの光受信器システムは、物体の検出と測距に使用できる。ＬＩＤＡＲシステムは、ターゲットまたは風景に光を照射し、レーザからのパルスを使用して、光子がターゲットまたは風景に移動して反射後に狭帯域撮像装置に戻るまでの時間を測定することにより、風景内のターゲットまたは物体までの距離を測定する。光復調、コヒーレントＬＩＤＡＲ、レンジゲーテッドＬＩＤＡＲなどの他のＬＩＤＡＲ技術も、光子の透過と反射に依存しているが、レーザ光のパルスの飛行時間を直接測定することはできない。多くのＬＩＤＡＲアプリケーションでは、送信器と受信器の物理サイズが小さくコンパクトであると同時に、比較的低コストであることが有益である。長距離で正確に物体を感知する必要があるアプリケーションの場合、送信器から放出され、受信器に向かって反射される光子の数を増加または最大化すると同時に、レーザエネルギーの放出を指定された安全制限内に維持することが有益である。
【０００７】
マイクロ光学システムは、通常、数マイクロメートルから１ミリメートルのサイズの小型化された光学部品を含むシステムである。互いに隣接してアレイ化されたマイクロ光受信器は、クロストークの影響を受けやすくなっている。光学面の粗さ、透明媒体の欠陥、後方反射などによって生じる迷光は、受信器チャネル内または受信器チャネルの外部の様々な機能で生成され得る。複数の受信器チャネルが互いに隣接してアレイ化されている場合、ある受信器チャネルのこの迷光は、別のチャネルの光センサに吸収され、それにより、光子に固有のタイミング、位相、または他の情報が汚染される可能性がある。クロストークの最小化は、アクティブ照明システムでは特に重要である。近くのレトロリフレクタ（例えば、ナンバープレート）から反射される光は、遠くの暗いランベルトの表面（黒い綿の衣服など）から反射される光よりも数千または数百万時間強い場合がある。したがって、クロストークが最小化されていない場合、レトロリフレクタからの迷光光子は、近くのセンサの他の表面から反射された光子を大幅に上回る可能性がある。これにより、ＬＩＤＡＲシステムは、レトロリフレクタが占める視野の近くの視野を占める暗い物体を検出できなくなる。
【発明の概要】
【０００８】
本開示の実施形態は、クロストークを最小限に抑えて受信器チャネルアレイ全体で均一で厳密なスペクトル選択性を可能にするマイクロ光学受信器チャネルアレイを備えた広視野の狭帯域撮像を達成する光学撮像システムを提供する。本開示によるいくつかの光学撮像システムは、光感知モジュールに戻る光の電力レベルが増加するように、増強されたスポット照明を提供する光送信モジュールを含むことができ、同時に、測定画像の空間解像度を改善することができる。
【０００９】
いくつかの実施形態では、距離測定を実行するための光学システムは、バルク送信器光学系、照明源、及び照明源とバルク送信器光学系との間に配設されたマイクロ光学チャネルアレイを含む。照明源は、バルク送信器光学系を通して個別の光ビームを光学システムの前方のフィールドに投射するように位置合わせされた複数の発光体を含む。マイクロ光学チャネルアレイは、複数のマイクロ光学チャネルを画定し、各マイクロ光学チャネルは、複数の発光体からの発光体から離れたマイクロ光学レンズを含み、マイクロ光学レンズが、発光体から光円錐を受信し、かつ発光体とバルク送信器光学系との間の場所で発光体から変位した焦点で発光体の縮小サイズのスポット画像を生成するように構成されている。各チャネルのマイクロ光学レンズは、発光体から光円錐を受信し、かつマイクロ光学レンズとバルク送信器光学系との間の焦点で発光体の縮小サイズの実スポット画像を生成するように構成されている。発光体からの光円錐の発散は、縮小サイズの実スポット画像を生成するためのマイクロ光学レンズの第２の光学面からの光円錐の発散より小さくすることができる。
【００１０】
いくつかの追加の実施形態では、距離測定を実行するための光学システムは、発光システム及び光検出システムを含む。発光システムは、バルク送信器光学系と、バルク送信器光学系を通して個別の光ビームを光学システムの前方のフィールドに投射するように位置合わせされた複数の発光体を含む照明源と、照明源とバルク送信器光学系との間に配設されたマイクロ光学チャネルアレイと、を含む。マイクロ光学チャネルアレイは、複数のマイクロ光学チャネルを画定し、各マイクロ光学チャネルは、複数の発光体からの発光体から離れたマイクロ光学レンズを含み、マイクロ光学レンズが、発光体から光円錐を受信し、かつ発光体とバルク送信器光学系との間の場所で発光体から変位した焦点で発光体の縮小サイズのスポット画像を生成するように構成されている。光検出システムは、フィールドからの個別の光ビームを受信するように構成されたバルク受信器光学系と、フィールド内の複数の個別の非重複視野を画定する複数のマイクロ光学受信器チャネルを有する光学アセンブリと、を含む。光学アセンブリは、バルク受信器光学系の焦点面に沿って配置された複数の個別の開口部を有する開口層と、開口層の背後に配設された光センサのアレイと、開口層と光センサのアレイとの間に位置付けられた複数のレンズと、を含む。
【００１１】
特定の実施形態では、距離測定を実行するための光学システムは、光学的透明窓を有するハウジングと、ハウジング内に配設された光測距デバイスとを含む。光測距デバイスは、プラットフォームに結合された光送信器を含む。光送信器は、バルク送信器光学系、照明源、及び照明源とバルク送信器光学系との間に配設されたマイクロ光学チャネルアレイを含む。照明源は、バルク送信器光学系を通して個別の光ビームを光学システムの前方のフィールドに投射するように位置合わせされた複数の発光体を含む。マイクロ光学チャネルアレイは、照明源とバルク送信器光学系との間に配設されてもよく、マイクロ光学チャネルアレイは、複数のマイクロ光学チャネルを画定することができ、各マイクロ光学チャネルは、複数の発光体からの発光体から離れたマイクロ光学レンズを含むことができ、マイクロ光学レンズが、発光体から光円錐を受信し、かつ発光体とバルク送信器光学系との間の場所で発光体から変位した焦点で発光体の縮小サイズのスポット画像を生成するように構成されている。
【００１２】
いくつかの実施形態では、光検出システムは、光学システムの外部のフィールドから発生する光線を受信するように構成されたバルク受信器光学系と、フィールド内の複数の個別の非重複視野を画定する複数のマイクロ光学受信器チャネルを有する光学アセンブリと、を含む。光学アセンブリは、バルク受信器光学系の焦点面に沿って配置された複数の個別の開口部を有する開口層と、開口層の背後に配設された光センサのアレイと、異なるマイクロ光学チャネルが異なる波長範囲を測定できるように構成された不均一光学フィルタ層と、を含む。不均一光学フィルタは、一次元で段階的に厚さが増加し、または各チャネルが一定の光学フィルタ層厚を有するように一次元で段階的に厚さが増加するが、異なるマイクロ光学チャネルの厚さが異なる段階的光学フィルタを含むことができる。
【００１３】
いくつかの追加の実施形態では、光学システムは、光学システムの外部のフィールドからの光を受信するように構成されたバルク受信器光学系と、バルク光学系の背後に配設され、バルク光学系の焦点面に位置する複数の開口部を含む開口層と、焦点距離を有する複数のコリメートレンズを含むレンズ層であって、レンズ層が、開口層の背後に配設され、焦点距離によって開口層から分離される、レンズ層と、レンズ層の背後にある不均一光学フィルタ層と、複数の光センサを含む光センサ層と、を含む。開口層、レンズ層、不均一光学フィルタ層、及び光センサ層は、フィールド内の複数の個別の非重複視野を画定する複数のマイクロ光学チャネルを形成するように配置され、複数のマイクロ光学チャネル内の各マイクロ光学チャネルが、複数の開口部からの開口部、複数のレンズからのレンズ、フィルタ層からのフィルタ、及び複数の光センサからの光センサを含み、かつ、バルク受信器光学系からの入射光をマイクロ光学チャネルの光センサに伝達するように構成されている。不均一光学フィルタ層は、異なるマイクロ光学チャネルが異なる波長範囲を測定できるように構成されている。
【００１４】
特定の実施形態では、光検出システムは、光学システムの外部のフィールドから発生する光線を受信するように構成されたバルク受信器光学系と、フィールド内の複数の個別の非重複視野を画定する複数のマイクロ光学受信器チャネルを有する光学アセンブリと、を含む。光学アセンブリは、プロセッサ、メモリ、及びＡＳＩＣで製造された複数の光センサを含むモノリシックＡＳＩＣと、バルク受信器光学系の焦点面に沿って配置された複数の個別の開口部を有する開口層であって、光センサのアレイが開口層の背後に配設されている、開口層と、開口層と光センサのアレイとの間に位置付けられた複数のレンズと、その構造全体に異なる中心波長を有して、少なくとも２つの異なるマイクロ光学受信器チャネルが異なる波長範囲の光を測定できるようにする不均一光学フィルタ層であって、開口層、複数のレンズ、及び不均一光学フィルタ層が、ＡＳＩＣのモノリシック構造の一部を形成するようにＡＳＩＣ上に形成される、不均一光学フィルタ層と、を含む。
【００１５】
いくつかの実施形態では、距離測定を実行するための光学システムは、光学的透明窓を有するハウジングと、ハウジング内に配設された回転光測距デバイスと、ハウジング内に配設され、ハウジング内のプラットフォーム、光送信器、及び光受信器を含む光測距デバイスを回転させるように動作可能に結合されたモータと、ハウジング内に配設されたシステムコントローラであって、モータを制御し、光測距デバイスの光検出動作を開始及び停止するように構成されたシステムコントローラと、を含む。光測距デバイスは、プラットフォーム、プラットフォームに結合された光送信器、及びプラットフォームに結合された光受信器を含む。光送信器は、バルク送信器光学系及び複数の送信器チャネルを含み、各送信器チャネルが、狭帯域光を生成して、バルク送信器光学系を通して光学システムの外部のフィールドに送信するように構成された発光体を含む。光受信器は、バルク受信器光学系及び複数のマイクロ光学受信器チャネルを含み、各マイクロ光学チャネルが、バルク受信器光学系の焦点面と一致する開口部を含み、光学フィルタは、バルク受信器光学系からの光路に沿って位置付けられ、開口部と軸方向に位置合わせされ、光センサが、開口部及び光学フィルタを通過した入射光子に応答する。
【００１６】
いくつかの追加の実施形態では、距離測定を実行するための光学システムは、基部、上部、及び基部と上部との間に配設された光学的透明窓を有する固定ハウジングと、ハウジング内に配設され、光学的透明窓と位置合わせされた回転光測距デバイスと、ハウジング内に配設され、ハウジング内のプラットフォーム、光送信器、及び光受信器を含む光測距デバイスを回転させるように動作可能に結合されたモータと、ハウジング内に配設されたシステムコントローラであって、モータを制御し、光測距デバイスの光検出動作を開始及び停止するように構成されたシステムコントローラと、を含む。光測距デバイスは、プラットフォーム、プラットフォームに結合された光送信器、及びプラットフォームに結合された光受信器を含む。光送信器は、画像空間テレセントリックバルク送信器光学系及び複数の送信器チャネルを含み、各チャネルが、狭帯域光を生成して、バルク送信器光学系を通して光学システムの外部のフィールドに送信するように構成された発光体を含む。光受信器は、画像空間テレセントリックバルク受信器光学系及び複数のマイクロ光学受信器チャネルを含み、各マイクロ光学チャネルが、バルク受信器光学系の焦点面と一致する開口部を含み、開口部の背後のコリメートレンズ、コリメートレンズの背後の光学フィルタ、及び開口部を通過してコリメートレンズ及び光センサが、フィルタを通過した入射光子に応答する。
【００１７】
特定の実施形態では、距離測定を実行するための光学システムは、基部、上部、及び基部と上部との間に配設された光学的透明窓を有する固定ハウジングと、ハウジング内に配設され、光学的透明窓と位置合わせされた光測距デバイスと、ハウジング内に配設され、ハウジング内の光測距デバイスを回転させるように動作可能に結合されたモータと、ハウジング内に配設されたシステムコントローラであって、モータを制御し、光測距デバイスの光検出動作を開始及び停止するように構成されたシステムコントローラと、を含む。光測距デバイスは、プラットフォーム、アレイ状に配置された複数の垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、及びプラットフォームに結合された光受信器を含む。複数のＶＣＳＥＬの各ＶＣＳＥＬは、光の個別パルスを生成して光学システムの外部のフィールドに送信するように構成される。光受信器は、バルク受信器光学系、複数の光センサを含み、各光センサが、入射光子に応答する複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）、及びバルク受信器光学系と複数の光センサとの間に配設された光学フィルタを含み、光の帯域がフィルタを通過して複数の光センサに到達する一方で、帯域の外の光が複数の光センサに到達するのを遮断するように構成される。
【００１８】
いくつかの実施形態では、距離測定を実行するための光学システムは、回転可能なプラットフォームと、回転可能なプラットフォームに結合され、バルク送信器光学系及び複数の送信器チャネルを含む光送信器と、回転可能なプラットフォームに結合され、バルク受信器光学系及び複数のマイクロ光学受信器チャネルを含む光受信器と、ハウジング内に配設され、プラットフォーム、光送信器、及び光受信器を回転させるように動作可能に結合されたモータと、光学システムの固定部品に取り付けられたシステムコントローラと、システムコントローラと光受信器との間に動作可能に結合され、システムコントローラが光受信器と通信できるようにする光通信リンクと、を含む。各送信器チャネルは、狭帯域光を生成して、バルク送信器光学系を通して光学システムの外部のフィールドに送信するように構成された発光体を含む。各マイクロ光学チャネルは、バルク受信器光学系の焦点面と一致する開口部を含み、光学フィルタは、バルク受信器光学系からの光路に沿って位置付けられ、開口部と軸方向に位置合わせされ、光センサが、開口部及びフィルタを通過した入射光子に応答する。光通信リンクは、光学システムの固定部品と回転可能なプラットフォームとの間に延びて、システムコントローラを光受信器に動作可能に結合することができる。光受信器は、開口部の背後にあり、光学フィルタに直接結合されたコリメートレンズを更に含むことができ、光学フィルタが、コリメートレンズの背後に位置付けられる。
【００１９】
いくつかの追加の実施形態では、距離測定を実行するための光学システムは、回転可能なプラットフォームと、回転可能なプラットフォームに結合され、画像空間テレセントリックバルク送信器光学系及び複数の送信器チャネルを含む光送信器と、回転可能なプラットフォームに結合され、画像空間テレセントリックバルク受信器光学系及び複数のマイクロ光学受信器チャネルを含む光受信器と、ハウジング内に配設され、プラットフォーム、光送信器、及び光受信器を回転させるように動作可能に結合されたモータと、光学システムの固定部品に取り付けられたシステムコントローラと、システムコントローラと光受信器との間に動作可能に結合され、システムコントローラが光受信器と通信できるようにする光通信リンクと、を含む。各送信器チャネルは、狭帯域光を生成して、バルク送信器光学系を通して光学システムの外部のフィールドに送信するように構成された発光体を含む。各マイクロ光学チャネルは、バルク受信器光学系の焦点面と一致する開口部を含み、開口部の背後のコリメートレンズ、コリメートレンズの背後の光学フィルタ、及び開口部を通過してコリメートレンズ及び光センサが、フィルタを通過した入射光子に応答する。
【００２０】
特定の実施形態では、距離測定を実行するための光学システムは、回転可能なプラットフォームと、アレイ状に配置され、回転可能なプラットフォームに結合された複数の垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）と、回転可能なプラットフォームに結合された光受信器と、ハウジング内に配設され、プラットフォーム、複数のＶＣＳＥＬ、及び光受信器を回転させるように動作可能に結合されたモータと、光学システムの固定部品に取り付けられたシステムコントローラと、システムコントローラと光受信器との間に動作可能に結合され、システムコントローラが光受信器と通信できるようにする光通信リンクと、を含む。複数のＶＣＳＥＬの各ＶＣＳＥＬは、光の個別パルスを生成して光学システムの外部のフィールドに送信するように構成される。光受信器は、バルク受信器光学系及び複数の光センサを含み、各光センサが、入射光子に応答する複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を含む。
【００２１】
いくつかの実施形態では、距離測定を実行するための光学システムは、バルク受信器光学系と、複数の開口部を含む開口層と、第１の複数のレンズを含む第１のレンズ層と、バルク受信器光学系を通過した後に光を受信し、放出の帯域を通過させる一方で、帯域の外の放出を遮断するように構成された光学フィルタ層と、複数の光センサを含む光センサ層と、を含み、各光センサは、光子を検出するように構成された複数の光検出器と、光センサで受信した入射光子を複数の光検出器に集束するように構成された第２の複数のレンズとを含む。光学システムは、複数の開口部からの開口部を含む複数の受信器チャネル内の各受信器チャネルを備えた複数の受信器チャネルと、複数の第１のレンズからのレンズと、光学フィルタ層からの光学フィルタと、各チャネルの開口部が、そのそれぞれのチャネルの個別の非重複視野を画定する、複数の光センサからの光センサと、を含む。複数の受信器チャネル内の各受信器チャネルについて、そのチャネルの光センサ内の複数の光検出器と第２の複数のレンズとの間に１対１の対応があってもよく、第２の複数のレンズのレンズの各々が、第２の複数のレンズの対応するレンズに光子を集束させるように構成されてもよい。
【００２２】
いくつかの追加の実施形態では、距離測定を実行するための光学システムは、発光システム及び光検出システムを含む。発光システムは、バルク送信器光学系及び照明源を含む。照明源は、バルク送信器光学系を通して個別の光ビームを光学システムの前方のフィールドに投射するように位置合わせされた複数の発光体を含む。光検出システムは、バルク受信器光学系と、複数の開口部を含む開口層と、第１の複数のレンズを含む第１のレンズ層と、バルク受信器光学系を通過した後に光を受信し、放出の帯域を通過させる一方で、帯域の外の放出を遮断するように構成された光学フィルタ層と、複数の光センサを含む光センサ層と、を含む。各光センサは、光子を検出するように構成された複数の光検出器と、光センサで受信した入射光子を複数の光検出器に集束するように構成された第２の複数のレンズとを含む。光学システムは、複数の開口部からの開口部を含む複数の受信器チャネル内の各受信器チャネルを備えた複数の受信器チャネルと、複数の第１のレンズからのレンズと、光学フィルタ層からの光学フィルタと、各チャネルの開口部が、そのそれぞれのチャネルの個別の非重複視野を画定する、複数の光センサからの光センサと、を含む。
【００２３】
特定の実施形態では、距離測定を実行するための光学システムは、光学的透明窓を有するハウジングと、ハウジング内に配設され、光学的透明窓と位置合わせされた光測距デバイスと、ハウジング内に配設され、ハウジング内のプラットフォーム、光送信器、及び光受信器を含む光測距デバイスを回転させるように動作可能に結合されたモータと、ハウジング内に配設されたシステムコントローラと、を含む。システムコントローラは、モータを制御し、光測距デバイスの光検出動作を開始及び停止するように構成される。光測距デバイスは、プラットフォーム、プラットフォームに結合された光送信器、プラットフォームに結合された光受信器を含む。光送信器は、バルク送信器光学系及び複数の送信器チャネルを含み、各送信器チャネルが、狭帯域光を生成して、バルク送信器光学系を通して光学システムの外部のフィールドに送信するように構成された発光体を含む。光受信器は、バルク受信器光学系と、複数の開口部を含む開口層と、第１の複数のレンズを含む第１のレンズ層と、バルク受信器光学系を通過した後に光を受信し、放出の帯域を通過させる一方で、帯域の外の放出を遮断するように構成された光学フィルタ層と、複数の光センサを含む光センサ層と、を含む。各光センサは、光子を検出するように構成された複数の光検出器と、光センサで受信した入射光子を複数の光検出器に集束するように構成された第２の複数のレンズとを含む。光学システムは、複数の開口部からの開口部を含む複数の受信器チャネル内の各受信器チャネルを備えた複数の受信器チャネルと、複数の第１のレンズからのレンズと、光学フィルタ層からの光学フィルタと、各チャネルの開口部が、そのそれぞれのチャネルの個別の非重複視野を画定する、複数の光センサからの光センサと、を含む。
【００２４】
本開示の実施形態の性質及び利点のより良い理解は、以下の詳細な説明及び添付の図面を参照して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本開示のいくつかの実施形態による、例示的なパッシブ光学撮像システムのブロック図である。
【００２６】
【図２】本開示のいくつかの実施形態による、パッシブ光学撮像システム用の例示的な光検出システムの簡略図である。
【００２７】
【図３Ａ】本開示のいくつかの実施形態による、段階的フィルタ層を有するマイクロ光学受信器層の異なる実施形態の簡略図の斜視図である。
【図３Ｂ】本開示のいくつかの実施形態による、段階的フィルタ層を有するマイクロ光学受信器層の異なる実施形態の簡略図の斜視図である。
【００２８】
【図４】本開示のいくつかの実施形態による、回転式ＬＩＤＡＲシステムのブロック図である。
【００２９】
【図５Ａ】本開示のいくつかの実施形態による、固体ＬＩＤＡＲシステムの例示的な実装態様の簡単な図である。
【図５Ｂ】本開示のいくつかの実施形態による、固体ＬＩＤＡＲシステムの例示的な実装態様の簡単な図である。
【００３０】
【図６Ａ】本開示のいくつかの実施形態による、走査ＬＩＤＡＲシステムの例示的な実装態様の簡単な図である。
【図６Ｂ】本開示のいくつかの実施形態による、走査ＬＩＤＡＲシステムの例示的な実装態様の簡単な図である。
【００３１】
【図７】本開示のいくつかの実施形態による、３６０走査アーキテクチャを採用するＬＩＤＡＲシステムの実施形態を示す例示的な斜視図である。
【００３２】
【図８】いくつかの実施形態による、光測距システムの光送信及び検出動作の例示的な一実施例を示す。
【００３３】
【図９】本発明の実施形態による、光学測定システムにおいてコード化パルスを使用する方法を示すフローチャートである。
【００３４】
【図１０】本開示のいくつかの実施形態による、広い視野を有し、狭帯域撮像が可能な例示的なアクティブ光学撮像システムの詳細図を示す簡略図である。
【００３５】
【図１１】本開示のいくつかの実施形態による、様々な例示的な増強された発光システムの簡略断面図である。
【図１２】本開示のいくつかの実施形態による、様々な例示的な増強された発光システムの簡略断面図である。
【図１３】本開示のいくつかの実施形態による、様々な例示的な増強された発光システムの簡略断面図である。
【図１４】本開示のいくつかの実施形態による、様々な例示的な増強された発光システムの簡略断面図である。
【００３６】
【図１５Ａ】本開示のいくつかの実施形態による、非点収差に対する補正光学構造の異なる実装態様を有する例示的なアクティブ撮像装置システムの簡略図の断面図である。
【図１５Ｂ】本開示のいくつかの実施形態による、非点収差に対する補正光学構造の異なる実装態様を有する例示的なアクティブ撮像装置システムの簡略図の断面図である。
【図１５Ｃ】本開示のいくつかの実施形態による、非点収差に対する補正光学構造の異なる実装態様を有する例示的なアクティブ撮像装置システムの簡略図の断面図である。
【００３７】
【図１６Ａ】チャネル間にクロストークがない光検出システム１６００の一部の簡略断面図である。
【００３８】
【図１６Ｂ】チャネル間にクロストークがある光検出システム１６０１の一部の簡略断面図である。
【００３９】
【図１７】本開示のいくつかの実施形態による、例示的なマイクロ光学受信器チャネル構造の簡略断面図である。
【００４０】
【図１８Ａ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネルの様々な開口層の簡略断面図である。
【図１８Ｂ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネルの様々な開口層の簡略断面図である。
【図１８Ｃ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネルの様々な開口層の簡略断面図である。
【図１８Ｄ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネルの様々な開口層の簡略断面図である。
【００４１】
【図１９Ａ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネルの開口層と光学レンズ層との間の様々なスペーサ構造の簡略断面図である。
【図１９Ｂ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネルの開口層と光学レンズ層との間の様々なスペーサ構造の簡略断面図である。
【図１９Ｃ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネルの開口層と光学レンズ層との間の様々なスペーサ構造の簡略断面図である。
【図１９Ｄ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネルの開口層と光学レンズ層との間の様々なスペーサ構造の簡略断面図である。
【００４２】
【図２０Ａ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネルの様々な光学フィルタ層の簡略断面図である。
【図２０Ｂ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネルの様々な光学フィルタ層の簡略断面図である。
【図２０Ｃ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネルの様々な光学フィルタ層の簡略断面図である。
【図２０Ｄ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネルの様々な光学フィルタ層の簡略断面図である。
【図２０Ｅ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネルの様々な光学フィルタ層の簡略断面図である。
【図２０Ｆ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネルの様々な光学フィルタ層の簡略断面図である。
【図２０Ｇ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネルの様々な光学フィルタ層の簡略断面図である。
【００４３】
【図２１Ａ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の拡散器を備えた様々な光センサ層の簡略断面図である。
【図２１Ｂ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の拡散器を備えた様々な光センサ層の簡略断面図である。
【図２１Ｃ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の拡散器を備えた様々な光センサ層の簡略断面図である。
【図２１Ｄ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の拡散器を備えた様々な光センサ層の簡略断面図である。
【図２１Ｅ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の拡散器を備えた様々な光センサ層の簡略断面図である。
【図２１Ｆ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の拡散器を備えた様々な光センサ層の簡略断面図である。
【図２１Ｇ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の拡散器を備えた様々な光センサ層の簡略断面図である。
【図２１Ｈ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の拡散器を備えた様々な光センサ層の簡略断面図である。
【図２１Ｉ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の拡散器を備えた様々な光センサ層の簡略断面図である。
【図２１Ｊ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の拡散器を備えた様々な光センサ層の簡略断面図である。
【図２１Ｋ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の拡散器を備えた様々な光センサ層の簡略断面図である。
【００４４】
【図２２Ａ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の様々な半球受信器構造の簡略断面図である。
【図２２Ｂ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の様々な半球受信器構造の簡略断面図である。
【図２２Ｃ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の様々な半球受信器構造の簡略断面図である。
【図２２Ｄ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の様々な半球受信器構造の簡略断面図である。
【図２２Ｅ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の様々な半球受信器構造の簡略断面図である。
【図２２Ｆ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の様々な半球受信器構造の簡略断面図である。
【図２２Ｇ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の様々な半球受信器構造の簡略断面図である。
【図２２Ｈ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の様々な半球受信器構造の簡略断面図である。
【図２２Ｉ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の様々な半球受信器構造の簡略断面図である。
【００４５】
【図２３Ａ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の様々な下部マイクロレンズ層の簡略断面図である。
【図２３Ｂ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の様々な下部マイクロレンズ層の簡略断面図である。
【図２３Ｃ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の様々な下部マイクロレンズ層の簡略断面図である。
【図２３Ｄ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の様々な下部マイクロレンズ層の簡略断面図である。
【図２３Ｅ】本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用の様々な下部マイクロレンズ層の簡略断面図である。
【００４６】
【図２４】本開示のいくつかの実施形態による、例示的な受信器チャネルの簡略断面図である。
【図２５】本開示のいくつかの実施形態による、例示的な受信器チャネルの簡略断面図である。
【００４７】
【図２６】本開示のいくつかの実施形態による、例示的なマイクロ光受信器アレイの簡略化された上面図である。
【図２７】本開示のいくつかの実施形態による、例示的なマイクロ光受信器アレイの簡略化された上面図である。
【図２８】本開示のいくつかの実施形態による、例示的なマイクロ光受信器アレイの簡略化された上面図である。
【図２９】本開示のいくつかの実施形態による、例示的なマイクロ光受信器アレイの簡略化された上面図である。
【図３０】本開示のいくつかの実施形態による、例示的なマイクロ光受信器アレイの簡略化された上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
本開示のいくつかの実施形態は、フィールド内の周囲光及び／またはフィールド内の物体から反射した光送信器から放出された光から画像を生成できる光学撮像システムに関する。例えば、いくつかの実施形態では、光学撮像システムは、シーンまたは所与のエリアをアクティブに照明せず、代わりにシーンまたはエリア内の１または複数の物体から反射されるシーンまたはエリア内の周囲光を検出するパッシブシステムであり得る。パッシブ光学撮像装置システムには、フィールドの周囲光を受信するための光感知モジュールを含めることができる。光感知モジュールは、撮像情報を収集する広視野の狭帯域光学撮像システム（ＷＦＮＢＩ）である。光感知モジュールは、１または複数のバルク受信器光学系、マイクロ光学受信器システム、及び光感知モジュールを操作するためのシステムコントローラを含むことができる。本開示のいくつかの実施形態によれば、マイクロ光学受信器システムは、１または複数のマイクロ光学受信器層と１または複数の光センサを含むことができ、各光センサは、受信光を測定できる１または複数の光検出器を含むことができる。
【００４９】
本明細書で定義されるバルク撮像光学系は、複数のレンズ素子を含み得る、１または複数の光学面とすることができ、１ミリメートルを超える明確な開口部を有し、投射された光を受信するように位置付けられ、または、受信光をマイクロ光学送信器／受信器層に焦点を合わせる。マイクロ光学送信器層などの発光体から受信した光を投射するバルク撮像光学系は、本明細書ではバルク送信器光学系または出力バルク撮像光学系と呼ばれることがある。マイクロ光学受信器など、フィールドから受信した光を光検出器に集束させるバルク光学層は、本明細書ではバルク受信器光学系または入力バルク撮像光学系と呼ばれることがある。入力画像空間テレセントリックバルク撮像光学系により、システムは広視野（ＦＯＶ）にわたって狭帯域光を均一に測定できる。マイクロ光学受信器層には、マイクロ光学受信器チャネルの一次元または二次元アレイを含んでもよく、各マイクロ光学受信器チャネルは、１または複数の開口部、コリメートマイクロレンズ、光学フィルタ、及びと光センサを含む複数の構成要素を有する。場合によっては、マイクロ光受信器チャネル構造は、吸収性及び／または反射性の側壁及び／または集束漏斗を有するエンクロージャを備えた円柱状の構成を有する。マイクロ光学受信器チャネルは、以下で詳しく説明するように、開口部からの入射光線の収集を最大化し、光をコリメートして光学フィルタに垂直にし、隣接する開口部からの入力の混合による隣接するマイクロ光学受信器チャネルとのクロストークを最小限に抑える。様々な例において、本開示によるバルク撮像光学系は、発光体または光センサのアレイ全体の光または他の放出を修正する。マイクロ光学構造は、アレイの一部として含めることができ、アレイ内の異なる発光体及び／または光センサに対して光を異なる方法で修正できる。いくつかの実施形態では、個々のアレイ要素（光センサ及び／または発光体）ごとに１または複数のマイクロ光学要素が存在する。
【００５０】
いくつかの実施形態では、光学撮像システムは、フィールドに光を放出し、フィールド内の物体の表面で反射した後に放出光を検出できるアクティブシステムであり得る。アクティブ光学撮像システムは、光感知モジュールに加えて光送信モジュールを含むことができ、光測距デバイスとして構成できる。光送信モジュールには、個々の発光体のアレイで構成される送信器層を含んでもよく、各発光体は、光感知モジュール内の対応するマイクロ光学受信器チャネルと対にすることができ、個々の発光体と受信器チャネルとの間に特定の対にすることなく、シーン全体に均等に光を広げる均一な照明器とすることもできる。場合によっては、光送信モジュールは、発光体のアレイから出力される光を増強するためのマイクロ光学送信器チャネルアレイを含むことができる。動作中、発光体のアレイによって出力される光（例えば、レーザパルス）は、マイクロ光学送信器チャネルアレイを通過し、マイクロ光学送信器チャネルアレイからの光をよりよくキャプチャするために大きな開口数を有するバルク送信器光学系に入る。次に、光はバルク送信器光学系を出て、遠距離フィールドの複数のスポットを照明する。本明細書で更に詳細に説明するように、マイクロ光学送信器チャネルアレイは、バルク送信器光学系から発せられるビームの輝度を増強させ、スポット照明を増強すると同時に、測定画像の空間分解能を増強させることができる。
【００５１】
本開示のいくつかの実施形態によれば、撮像システムは、広視野の狭帯域光学システムである。したがって、撮像装置は画像をキャプチャし、少なくとも１０度のＦＯＶ全体の光を検出できる。特定の実施形態では、撮像装置は、画像をキャプチャし、少なくとも２０度のＦＯＶにわたる光、及びいくつかの実施形態では少なくとも３０度のＦＯＶにわたる光を検出することができる。更に、撮像装置は約１０ｎｍ以下の波長の光を検出できる。いくつかの特定の実施形態では、光感知モジュールは、約５ｎｍ以下の波長の光を検出することができる。いくつかの実施形態では、撮像システムは、約３２度のＦＯＶにわたって５ｎｍ未満の波長の検出光をキャプチャすることができる。ＦＯＶは、垂直方向または水平方向、またはその間のその他の角度にすることができる。
【００５２】
本開示の実施形態によるパッシブ及びアクティブ光学撮像システムの機能及び構成をよりよく理解するために、それぞれを本明細書で詳細に説明する。
【００５３】
Ｉ．パッシブ光撮像装置システム
パッシブ光学撮像装置システムは、周囲光を受信して画像を生成する。図１は、本開示のいくつかの実施形態による、例示的なパッシブ光学撮像システム１００のブロック図である。パッシブ光学撮像システム１００は、フィールド内に存在する光をキャプチャするためのパッシブ光キャプチャデバイス１０２を含む。パッシブ光キャプチャデバイス１０２は、システムコントローラ１０４及び光感知モジュール１０６を含むことができる。撮像データは、パッシブ光撮像装置システム１００が位置付けられているフィールドに存在する光を受信することにより、パッシブ光キャプチャデバイス１０２によって生成することができる。受信光は、システム１００内の送信器から放出された光とは対照的に、フィールドに自然に存在する光、すなわち周囲光であり得る。
【００５４】
光感知モジュール１０６は、例えば、光センサの一次元または二次元アレイであり得るセンサアレイ１０８を含むことができる。各光センサ（単に「センサ」とも呼ばれるか、または当業者によって「ピクセル」と呼ばれることもある）は、例えばＳＰＡＤなどの光検出器の集合体を含み得るか、またはセンサが単一の光子検出器（例えば、ＡＰＤ）であってもよい。光感知モジュール１０６は、光感知システム１１０を含み、センサアレイ１０８と一緒にされると、光検出システム１１２を形成することができる。いくつかの実施形態では、光感知システム１１０は、バルク受信器光学系１１４と、開口層、コリメートレンズ層、光学フィルタなどの光学部品１１６を含むことができ、センサアレイ１０８と組み合わせてマイクロ光学受信器チャネルのアレイを形成することができ、各マイクロ光学受信器チャネルは、システム１００が位置付けられている周囲の視野の異なる視野内の画像ピクセルに対応する光を測定する。本開示によるマイクロ光学受信器チャネルの様々な実施形態のさらなる詳細は、以下の図１７乃至図３０に関連して詳細に議論される。
【００５５】
いくつかの実施形態では、光感知モジュール１０６のセンサアレイ１０８は、アレイ内の個々の光センサ（または光センサのグループ）からの測定光を処理するための光センサのアレイ、プロセッサ１１８、及び信号用メモリ１２０の両方を含む単一基板上のモノリシックデバイスの一部として（例えば、ＣＭＯＳ技術を使用して）製造される。センサアレイ１０８、プロセッサ１１８、及びメモリ１２０を含むモノリシック構造は、専用のＡＳＩＣとして製造することができる。いくつかの実施形態では、光学部品１１６は、センサアレイ１０８、プロセッサ１１８、及びメモリ１２０が一部であるモノリシック構造の一部とすることもできる。そのような場合、以下で更に説明するように、光学部品１１６を形成することができ、例えば、ＡＳＩＣ上でエポキシで（非可逆的に）接合し、ＡＳＩＣをモノリシック構造の一部とすることができる。上述のように、プロセッサ１１８（例えば、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、マイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）など）及びメモリ１２０（例えば、ＳＲＡＭ）は、信号処理を実行することができる。信号処理の例として、光感知モジュール１０６のメモリ１２０は、各光センサまたは光センサのグループごとに、経時的に検出された光子を蓄積でき、これらの検出された光子はフィールドの画像を再現するために使用できる。
【００５６】
いくつかの実施形態では、プロセッサ１１８からの出力は、さらなる処理のためにシステムコントローラ１０４に送られ、例えば、データはシステムコントローラ１０４の１または複数のエンコーダにより符号化され、その後データパケットとしてユーザインターフェース１１５に送られる。システムコントローラ１０４は、例えば、ＡＳＩＣまたはＡＳＩＣの一部としてのＦＰＧＡなどのプログラマブルロジックデバイスを使用することによる、メモリ１２４を有するプロセッサ１２２を使用することによる、及び上記の何らかの組み合わせを含む複数の方法で実現され得る。システムコントローラ１０４は、固定ベースコントローラと連携するか、またはベースコントローラとは独立して（事前にプログラムされた命令を介して）動作して、光検出の開始及び停止を含み、光検出器パラメータを調整するコマンドを送信することにより、光感知モジュール１０６を制御することができる。いくつかの実施形態では、システムコントローラ１０４は、光感知モジュール１０６とデータを交換するための１または複数の有線インターフェースまたはコネクタを有する。他の実施形態では、システムコントローラ１０４は、光通信リンクなどの無線相互接続を介して、光感知モジュール１０６と通信する。
【００５７】
パッシブ光学撮像システム１００は、ユーザがコンピュータシステム、例えばディスプレイ、タッチスクリーン、キーボード、マウス、及び／またはラップトップ、タブレット、及び／またはＣＰＵ及びメモリを含むハンドヘルドデバイスコンピューターシステムとインターフェースするためのトラックパッドと対話することを可能にするための任意の適切なユーザインターフェースであり得るユーザインターフェース１１５と対話することができる。ユーザインターフェース１１５は、パッシブ光学撮像システム１００が取り付けられる物体に対してローカルであってもよいが、遠隔操作システムであってもよい。例えば、パッシブ光学撮像システム１００への／からのコマンド及びデータは、セルラーネットワーク（ＬＴＥなど）、パーソナルエリアネットワーク（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｚｉｇｂｅｅなど）、ローカルエリアネットワーク（ＷｉＦｉ、ＩＲなど）、またはインターネットなどの広域ネットワークを介してルーティングすることができる。
【００５８】
ハードウェア及びソフトウェアのユーザインターフェース１１５は、デバイスからの撮像データをユーザに提示できるが、ユーザが１または複数のコマンドでパッシブ光学撮像システム１００を制御することも可能にし得る。コマンドの例には、撮像システムを作動させるまたは不作動にするコマンド、光検出器の露出レベル、バイアス、サンプリング期間、他の動作パラメータ（例えば、放出パルスパターン及び信号処理）を指定するコマンド、輝度などの発光体パラメータを指定するコマンドが含まれる。更に、結果を表示する方法をユーザが選択することを、コマンドで可能にすることができる。ユーザインターフェースは撮像システムの結果を表示することができ、これには、例えば、単一フレームのスナップショット画像、絶えず更新されるビデオ画像、及び／または一部またはすべてのピクセルについての他の光測定値の表示が含まれる。
【００５９】
本明細書で言及されるように、光感知システム１１０の１または複数の部品は、センサアレイ１０８、プロセッサ１１８、及びメモリ１２０を備えたモノリシック構造の一部であり得る。例えば、開口層、コリメートレンズ層、及び光学部品１１６の光学フィルタ層は、ダイシングの前後にウェハレベルで製造された複数のＡＳＩＣを有する半導体基板上に積み重ねられ、エポキシで接合され得る。例えば、光学フィルタ層は、光センサ層に対して置かれ、次いで光センサ層に接合されて光学フィルタ層を光センサ層と接合し、光学層がモノリシック構造の一部を形成する薄いウェハであり得る。コリメートレンズ層は、光学フィルタ層に射出成形できる。また、開口層は、透明基板の上に不透明基板を積層することにより、または透明基板に不透明フィルムをコーティングすることにより形成することができる。あるいは、光センサ層を製造してダイシングし、光学フィルタ層、コリメートレンズ層、及び開口層を製造してダイシングすることができる。次に、各ダイシングされた光センサ層と光学層を接合して、各モノリシック構造が光センサ層、光学フィルタ層、コリメートレンズ層、及び開口層を含むモノリシック構造を形成する。層をＡＳＩＣに接合することにより、ＡＳＩＣと接合層はモノリシック構造を形成できる。次いで、ウェハをデバイスにダイシングすることができ、各デバイスは、それぞれのバルク受信器光学系１１４と対にされて、光感知モジュール１０６を形成することができる。更に他の実施形態では、光感知モジュール１０６の１または複数の部品が、モノリシック構造の外側にあってもよい。例えば、開口層は、ピンホールを有する別個の金属シートとして実装されてもよい。本開示の一実施形態による光感知システム及びセンサアレイのより詳細な図は、図２に関して本明細書で説明される。
【００６０】
図２は、本開示のいくつかの実施形態による例示的な光検出システム２００の簡略図である。光検出システム２００は、図１に関して上述した光検出システム１１２を表すことができる。光検出システム２００は、光感知システム及びセンサアレイを含むことができる。光感知システムは、バルク受信器光学系、開口層、コリメートレンズ層、及び光学フィルタ層を含むことができ、センサアレイは光センサのアレイを含むことができ、各光センサは光を測定するための１または複数の光検出器を含むことができる。いくつかの実施形態によれば、これらの部品は一緒に動作して、フィールドから光を受信する。例えば、光検出システム２００は＜５＞バルク受信光学系＜／５＞２０２とマイクロ光学受信器（Ｒｘ）層２０４を含むことができる。動作中、光線２０６は複数の方向からバルク受信器光学系２０２に入り、バルク受信器光学系２０２によって集束されて光円錐２０８を形成する。マイクロ光学受信器層２０４は、開口部２１０がバルク受信器光学系２０２の焦点面と一致するように位置付けられる。いくつかの実施形態では、マイクロ光学受信器層２０４は、マイクロ光学受信器チャネル２１２の一次元または二次元アレイであり得、各マイクロ光学受信器チャネル２１２は、光の流れの方向に同じ軸に沿って、例えば図２に示すように左から右に水平に位置付けられたそれぞれの開口部２１０、コリメートレンズ２１４、及び光センサ２１６から形成される。更に、各マイクロ光学受信器チャネル２１２は、本明細書で更に議論されるように、光センサ間の迷光からの干渉を軽減するための様々な方法で構成され得る。動作中、各マイクロ光学受信器チャネル２１２は、異なるピクセル（すなわち、フィールド内の位置）の光情報を測定する。
【００６１】
光線２０６は、バルク受信器光学系２０２の焦点で集束し、開口層２１１の開口部２１０を通過し、それぞれのコリメートレンズ２１４に入る。各コリメートレンズ２１４は、光線がすべてほぼ同じ角度で、例えば互いに平行に光学フィルタに入るように、受信光をコリメートする。バルク受信器光学系２０２の開口部と焦点距離は、開口部２１０で焦点を結ぶそれぞれの光線の円錐角を決定する。コリメートレンズ２１４の開口部サイズと焦点距離は、入射光線がどれだけ両行にコリメートできるかを決定し、これにより、光学フィルタ２１８でどの程度狭い帯域通過を実装できるかが決定される。開口部２１０は、光検出システム２００の動作中に様々な機能を果たすことができる。例えば、開口部２１０は、（１）ピクセルＦＯＶを制約して、光センサ平面のピッチが大きいにもかかわらず、狭い空間選択性を持たせ、（２）コリメートレンズの焦点面に小さな点状の光源を提供して、光線の厳密なコリメーションを達成でき、フィルタを通過する前に、コリメーションを改善すると、フィルタを通過できる帯域が狭くなり、（３）迷光を排除することができる。
【００６２】
光学フィルタ２１８は、不要な波長の光を遮断する。干渉ベースのフィルタは、性能に強い角度依存性を示す傾向がある。例えば、０度の入射角で９００ｎｍの中心波長（ＣＷＬ）を持つ１ｎｍ幅の帯域通過フィルタは、１５度の入射角で８９８ｎｍのＣＷＬを有する場合がある。撮像システムは通常、この影響に対応するために幅数十ナノメートルのフィルタを使用するため、ＣＷＬのシフトは帯域通過幅よりもはるかに小さくなる。しかしながら、マイクロ光学層２０４の使用は、すべての光線がほぼ同じ入射角で光学フィルタ２１８に入ることを可能にし、したがって、ＣＷＬのシフトを最小限にし、非常にタイトなフィルタ（例えば１０ｎｍ未満の幅）の使用を可能にする。光センサ２１６は、入射光子に応答して電流または電圧を生成する。いくつかの実施形態において、光学フィルタ２１８は、マイクロ光学受信器チャネル２１２のアレイ全体にわたって均一であるため、アレイ内の各個々のマイクロ光学受信器チャネル２１２は、同じ波長範囲の光を受信する。
【００６３】
いくつかの実施形態では、光センサ２１６は、光線２０６がコリメートレンズ２１４及び光学フィルタ２１８を最初に通過してから光センサ２１６に露出するように、コリメートレンズ２１４の反対側に位置付けられる。各光センサ２１６は、複数の単一光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）のミニアレイなどの複数の光検出器であってもよい。ＳＰＡＤのミニアレイのアレイは、単一のモノリシックチップ上に製造できるため、製造が簡素化される。いくつかの代替実施形態では、各光センサ２１６は、単一の光検出器、例えば標準フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、共振空洞フォトダイオード、または別の種類の光検出器であってもよい。
【００６４】
いくつかの他の実施形態では、光学フィルタ２１８は不均一である。例えば、段階的フィルタを使用すると、様々なマイクロ光学チャネルで様々な波長範囲を測定できる。言い換えると、段階的フィルタを使用すると、マイクロ光学チャネルのアレイ内の異なるマイクロ光学チャネルが異なる中心波長（ＣＷＬ）を有することができる。段階フィルタは通常、一次元または二次元のいずれかで許容波長の範囲を徐々に変更する。ただし、段階的フィルタには、許容される波長の範囲が一次元または両方の次元で急速に（例えば、段階的に）変化するフィルタも含まれる。チャネルの様々なＣＷＬは、様々な方法で作成できる。例えば、フィルタの厚さを変更したり、屈折率を変更したりできる。屈折率は、化学組成を修正するなど、フィルタ層を変更することによって、例えば不均一なドーピング濃度を持つように修正することによって変更できる。結果として、各チャネル（またはチャネルの行／列）は、異なるドーピング濃度を有する光学フィルタ層を有することができ、それにより、変更された厚さを有さずに各チャネル（またはチャネルの行／列）に対して異なるＣＷＬをもたらす。段階的光学フィルタを使用してマイクロ光学チャネルの一次元アレイを回転させると、システムは各光センサの異なる波長の光を測定できる。段階的フィルタが走査の方向に沿って変化しているマイクロ光学チャネルの二次元アレイを走査すると、パッシブ光学撮像装置システムは空間内の各位置の複数の波長の光を測定できるが、そうするためには光センサの複数の光検出器を使用する。段階的フィルタを使用するこのような光学システムでは、同じ視野を持つ同じ光センサに対して異なる波長測定が行われるように、光センサのサンプリングの同期が必要である。多くの異なる波長を区別する撮像システムは、ハイパースペクトル撮像装置と呼ばれることもある。ハイパースペクトル撮像装置では、多くの場合、対象の波長の光をすべてほぼ同じ平面に集束させる必要がある。これは、色収差の影響を制限するように設計されたアクロマート、アポクロマート、スーパーアクロマート、または同様のレンズを使用することで達成できる。
【００６５】
ハイパースペクトル撮像装置は、電磁スペクトル全体の複数の波長帯域から情報を収集する。波長帯域の絶対または相対強度は、化学物質濃度に関する情報を提供できる。例えば、特定の作物のクロロフィル含有量は、少数の波長帯域のみを使用して推定できる。同様の手法を使用して、貴重なミネラルを見つけ、毒素を識別したりできる。スペクトル情報は、歩行者、自動車、及び自動車環境で同様に遭遇する他の物体の分類を支援するためにも使用できる。
【００６６】
段階的減光フィルタは、フィルタ全体で空間的に変化する透過率を有するが、透過率は、特定の場所で波長にほとんど依存しない（例えば、青色光と同様に赤色光に対しても透過性がある）。走査型撮像システムでは、段階的減光フィルタを使用して、空間の同じポイントを様々な減衰度で撮像することができ、それにより、非段階的フィルタで達成できるよりも高いダイナミックレンジでの複合測定が可能になる。段階フィルタを備えたマイクロ光学受信器層のより良い理解は、図３Ａ及び３Ｂを参照して達成することができる。
【００６７】
図３Ａ及び図３Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、段階的フィルタ層を有するマイクロ光学受信器層の異なる実施形態の簡略図の斜視図である。具体的には、図３Ａは、段階的フィルタ層３０２を備えたマイクロ光学受信器層３００の簡略図の斜視図であり、図３Ｂは、段階的フィルタ層３１２を備えたマイクロ光学受信器層３０１の簡略図の斜視図である。図３Ａ及び図３Ｂに示されるように、マイクロ光学受信器層３００及び３０１はそれぞれ、２×２アレイとして二次元に配置された４つのマイクロ光学受信器チャネル３０４、３０６、３０８及び３１０を含む。図３Ａ及び３Ｂは２×２アレイのみを有する実施形態を示しているが、当業者は、そのような実施形態が限定的ではなく、他の実施形態が任意の数のマイクロ光学受信器チャネルを有するように構成できることを理解する。これらの図において、フィルタ層３０２及び３１２の厚さ、及び縮尺通りに描かれていない周囲の層の厚さは、干渉フィルタ内の屈折材料の層の厚さとして解釈されるべきであることを理解されたい。これらの厚さが変化すると、干渉フィルタの特性（例えば、通過帯域ＣＷＬ）が変化する。これらの実施形態は、ハイパースペクトルパッシブ光学撮像システムで使用することができる。
【００６８】
図３Ａ及び図３Ｂに示されるように、段階的フィルタ層３０２は、マイクロ光学受信器チャネルの複数の列にわたって一次元で徐々に増加する厚さを有し、段階的フィルタ層３１２は、各マイクロ光学受信器チャネルに対して一定の厚さを有する一次元で段階的に増加する厚さを有する。マイクロ光学受信器チャネル３０４及び３０８は、同じフィルタ厚を有し、同じ波長の光を検出する。マイクロ光学受信器チャネル３０６及び３１０は、同じフィルタ厚を有し、同じ波長の光を検出する。マイクロ光学受信器チャネル３０４及び３０８は、マイクロ光学受信器チャネル３０６及び３１０とは異なるフィルタ厚さを有することができ、したがって異なる波長の光を検出することができる。第１の時間間隔の間、マイクロ光学受信器チャネル３０４及び３０８は、それぞれ２つのピクセルの光の第１の波長の強度を測定する。いくつかの実施形態では、ハイパースペクトルパッシブ光学撮像システムは、第２の時間間隔中に、マイクロ光学受信器チャネル３０６及び３１０がそれぞれ同じ２つのピクセルの光の第２の波長の強度を測定するようにマイクロ光学受信器層を移動または回転させる。他の実施形態では、本開示によるハイパースペクトルパッシブ光学撮像装置システムは、固定マイクロ光学受信器層を含み、移動するターゲットを走査することができる。
【００６９】
ＩＩ．アクティブ光学撮像システム
本明細書で説明するように、光学撮像システムは、アクティブ光学撮像システムとして構成することもできる。アクティブ光学撮像装置システムは、アクティブ光学撮像装置システムがフィールドに独自の光を放出し、フィールド内の物体の表面で反射した後に放出光を検出するという点で、パッシブ光学撮像装置システムとは異なる。いくつかの実施形態では、アクティブな光学撮像装置システムは、放出及び受信された反射光を相関させて、放出光が反射された物体までの距離を決定できるＬＩＤＡＲデバイスとして利用できる。アクティブな光学撮像装置システムのより良い理解は、図４を参照して確認できる。
【００７０】
図４は、本開示のいくつかの実施形態によるＬＩＤＡＲシステム４００のブロック図を示している。ＬＩＤＡＲシステム４００は、光測距デバイス４０２及びユーザインターフェース４１５を含むことができる。光測距デバイス４０２は、測距システムコントローラ４０４、光送信（Ｔｘ）モジュール４０６、及び光感知（Ｒｘ）モジュール４０８を含む。１または複数の光パルス４１０を光送信モジュール４０６から光測距デバイス４０２を囲む視野内の物体に送信することにより、測距データが光測距デバイス４０２によって生成され得る。次いで、透過光の反射部分４１２が、いくらかの遅延時間の後、光感知モジュール４０８によって検出される。遅延時間に基づいて、反射面までの距離が決定され得る。例えば連続波、ドップラーなどの他の測距法も使用することができる。
【００７１】
Ｔｘモジュール４０６は、発光体の一次元または二次元アレイであり得る発光体アレイ４１４と、発光体アレイ４１４と一緒になって発光システム４３８を形成できるＴｘ光学システム４１６とを含む。Ｔｘ光学システム４１６は、画像空間テレセントリックであるバルク送信器光学系を含むことができる。いくつかの実施形態では、Ｔｘ光学システム４１６は、図１１乃至図１４に関して、及び／またはビーム成形、ビームステアリングなどに関して本明細書で議論されるように、バルク送信器光学系から発するビームの輝度を高める１または複数のマイクロ光学構造を更に含むことができる。発光体アレイ４１４または個々の発光体はレーザ源であり得る。Ｔｘモジュール４０６は、オプションのプロセッサ４１８及びメモリ４２０を更に含むことができるが、いくつかの実施形態では、これらのコンピューティングリソースは測距システムコントローラ４０４に組み込むことができる。いくつかの実施形態では、例えばバーカーコードなどのパルスコーディング技術を使用することができる。そのような場合、メモリ４２０は、光をいつ送信すべきかを示すパルスコードを格納することができる。一実施形態では、パルスコードは、メモリに格納された整数のシーケンスとして格納される。
【００７２】
光感知モジュール４０８は、図１に関して本明細書で説明した光感知モジュール１０６と構造が実質的に同様であり得る。したがって、プロセッサ４２２、メモリ４２４、センサアレイ４２６、及びＲｘ光学システム４２８の詳細（センサアレイ４２６と一緒に光検出システム４３６を形成できる場合）は、図１に関して本明細書で参照することができ、これらの部品に関しては、簡潔にするためにここで説明する。ＬＩＤＡＲシステム４００の場合、センサアレイ４２６の各センサ（例えば、ＳＰＡＤの集合体）は、例えば、光感知モジュール４０８及び光送信モジュール４０６の幾何学的構成の結果として、発光体アレイ４１４の特定の発光体に対応し得る。例えば、いくつかの実施形態では、発光体アレイ４１４は、バルク送信器光学系の焦点面に沿って配置することができ、バルク送信器光学系からシステムの前方のフィールドに投射される各照明ビームは、システムから初期閾値距離を超えた任意の距離で、対応する受信器チャネルの視野と実質的に同じサイズと形状になる。
【００７３】
いくつかの実施形態では、プロセッサ４１８は、アレイ内の個々の光子検出器（または検出器のグループ）からの生のヒストグラムの信号処理を実行することができる。信号処理の例として、各光子検出器、または各光子検出器のグループに、メモリ４２４（例えば、ＳＲＡＭ）は、連続する時間ビンにわたって検出された光子のカウントを累積することができ、これらの時間ビンを組み合わせて使用して、反射光パルスの時系列（すなわち、光子のカウント対時間）を再作成することができる。集計された光子カウントのこの時系列は、本明細書では強度ヒストグラム（または単にヒストグラム）と称される。プロセッサ４１８は、整合フィルタとピーク検出処理とを実装して、適時に戻り信号を識別することができる。更に、プロセッサ４１８は、ＳＰＡＤの飽和及び消光に起因して起こり得るパルス形状歪みの影響を受けにくい光子時系列を回復するのに役立つ、マルチプロファイル整合フィルタリングなどの特定の信号処理技術を（例えば、プロセッサ４２２によって）完遂することができる。いくつかの実施形態では、そのようなフィルタリングのすべてまたは一部は、ＦＰＧＡで具体化され得るプロセッサ４５８によって実行され得る。
【００７４】
いくつかの実施形態では、プロセッサ４１８からの光子時系列は、さらなる処理のために測距システムコントローラ４０４に送られ、例えば、データは測距システムコントローラ４０４の１または複数のエンコーダにより符号化され、その後データパケットとしてユーザインターフェース４１５に送られる。測距システムコントローラ４０４は、例えば、ＡＳＩＣまたはＡＳＩＣの一部としてのＦＰＧＡなどのプログラマブルロジックデバイスを使用することによる、メモリ４３２を有するプロセッサ４３０を使用することによる、及び上記の何らかの組み合わせを含む複数の方法で実現され得る。測距システムコントローラ４０４は、固定ベースコントローラと連携するか、またはベースコントローラとは独立して（事前にプログラムされた命令を介して）動作して、光検出の開始及び停止を含み、光検出器パラメータを調整するコマンドを送信することにより、光感知モジュール４０８を制御することができる。同様に、測距システムコントローラ４０４は、発光開始及び停止制御、ならびに他の発光体パラメータ（例えば、パルスコード）を調整し得る制御を含むコマンドを送信するか、またはベースコントローラからのコマンドを中継することにより、光送信モジュール４０６を制御することができる。いくつかの実施形態では、測距システムコントローラ４０４は、光感知モジュール４０８及び光送信モジュール４０６とデータを交換するための１または複数の有線インターフェースまたはコネクタを有する。他の実施形態では、測距システムコントローラ４０４は、光通信リンクなどの無線相互接続を介して、光感知モジュール４０８及び光送信モジュール４０６と通信する。
【００７５】
光測距デバイス４０２は、固定及び走査アーキテクチャの両方で使用することができる。電気モータ４３４は、走査ＬＩＤＡＲアーキテクチャの一部として、Ｔｘモジュール４０６及びＲｘモジュール４０８などのシステム構成要素を回転させるために使用できるＬＩＤＡＲシステム４００のオプションの構成要素である。システムコントローラ４０４は、スキャンＬＩＤＡＲシステムを実装するために必要に応じて、電気モータ４３４を制御し、回転を開始し、回転を停止し、回転速度を変えることができる。例示的な固定ＬＩＤＡＲデバイスは、図５Ａ及び図５Ｂに関して以下で説明され、一方、例示的な走査ＬＩＤＡＲデバイスは、図６Ａ、図６Ｂ及び図７に関して本明細書で更に説明される。
【００７６】
ＬＩＤＡＲシステム４００は、ユーザインターフェース４１５の１または複数のインスタンス化と相互作用することができる。異なるインスタンス化は変化する場合があり、モニタ、キーボード、マウス、ＣＰＵ及びメモリを備えたコンピュータシステム、自動車またはその他の車両のタッチスクリーン、タッチスクリーンを有するハンドヘルドデバイス、またはその他の適切なユーザインターフェースを含み得るが、これらに限定されない。ユーザインターフェース４１５は、ＬＩＤＡＲシステム４００が取り付けられる物体に対してローカルであってもよいが、遠隔操作システムであってもよい。例えば、ＬＩＤＡＲシステム４００への、またはＬＩＤＡＲシステム４００からのコマンド及びデータは、セルラーネットワーク（ＬＴＥなど）、パーソナルエリアネットワーク（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｚｉｇｂｅｅなど）、ローカルエリアネットワーク（ＷｉＦｉ、ＩＲなど）、またはインターネットなどの広域ネットワークを介してルーティングすることができる。
【００７７】
ハードウェア及びソフトウェアのユーザインターフェース４１５は、デバイスからのＬＩＤＡＲデータをユーザに提示できるが、ユーザが１または複数のコマンドでＬＩＤＡＲシステム４００を制御することも可能にし得る。コマンドの例には、ＬＩＤＡＲシステムを作動させるまたは不作動にするコマンド、光検出器の露出レベル、バイアス、サンプリング期間、他の動作パラメータ（例えば、放出パルスパターン及び信号処理）を指定するコマンド、輝度などの発光体パラメータを指定するコマンドが含まれる。更に、結果を表示する方法をユーザが選択することを、コマンドで可能にすることができる。ユーザインターフェースはＬＩＤＡＲシステムの結果を表示することができ、これには、例えば、単一フレームのスナップショット画像、絶えず更新されるビデオ画像、及び／または一部またはすべてのピクセルについての他の光測定値の表示が含まれる。いくつかの実施形態では、ユーザインターフェース４１５は、車両からの物体の距離（近接性）を追跡し、場合によっては運転者に警告を提供したり、運転者の行動の分析のためにそのような追跡情報を提供したりすることができる。
【００７８】
いくつかの実施形態では、例えば、ＬＩＤＡＲシステム４００が車両ナビゲーションに使用される場合、ユーザインターフェース４１５は、出力を受信するか、車両制御ユニットの一部であり得、そうでなければ、上記の有線または無線ネットワークのいずれか１つなどのネットワークを介して光測距デバイス４０２及び／またはユーザインターフェース４１５と通信する、車両の制御に関連する１または複数のパラメータは、受信したＬＩＤＡＲデータに基づいて車両制御ユニットによって修正できる。例えば、完全自律走行車両では、ＬＩＤＡＲシステム４００は、ＧＰＳ及び他のデータと連携してナビゲーションを支援するために、車を取り巻く環境のリアルタイム３Ｄ画像を提供できる。他の場合には、ＬＩＤＡＲシステム４００は、先進運転支援システム（ＡＤＡＳ）の一部として、または、例えば、アダプティブクルーズコントロール、自動駐車、運転者の眠気監視、死角監視、衝突回避システムなどの任意の数の異なるシステムに３Ｄ撮像データを提供できる安全システムの一部として、使用され得る。ユーザインターフェース４１５が車両制御ユニットの一部として実装される場合、運転者に警告を提供することができるか、または物体のトラッキングを追跡することができる。
【００７９】
Ａ．固体アーキテクチャ
本開示のいくつかの実施形態によれば、ＬＩＤＡＲシステムは、固定アーキテクチャを有する固体ＬＩＤＡＲシステムとして構成され得る。そのようなＬＩＤＡＲシステムは回転せず、したがって、センサ及び送信器モジュールを回転させるために、例えば図４の電気モータ４３４などの別個のモータを必要としない。固体ＬＩＤＡＲシステムの例を図５Ａ及び図５Ｂに示す。
【００８０】
図５Ａ及び図５Ｂは、固体ＬＩＤＡＲシステムの例示的な実装態様の簡単な図である。具体的には、図５Ａは、本開示のいくつかの実施形態による、自動車などの道路車両５０５の外側領域に固体ＬＩＤＡＲシステム５０２ａ〜ｄが実装される実装態様５００を示す。図５Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、固体ＬＩＤＡＲシステム５０４ａ〜ｂが道路車両５０５の上部に実装される実装態様５０１を示す図である。各実装態様では、ＬＩＤＡＲシステムの数、ＬＩＤＡＲシステムの配置、及び各ＬＩＤＡＲシステムの視野は、全体ではないにしても、車両を囲む環境の３６０度の視野の大部分を取得できる。ＬＩＤＡＲシステムの自動車実装態様は、本明細書では単に説明のために選択したものであり、本明細書で説明されるセンサは、例えば、ボート、航空機、列車などの他の種類の車両で、ならびに医用撮像、携帯電話、拡張現実、測地学、ジオマティクス、考古学、地理学、地質学、地形学、地震学、林業、大気物理学、レーザ誘導、空中レーザスワスマッピング（ＡＬＳＭ）、レーザ高度計などの、３Ｄ深度画像が有用な様々な他の用途で、利用され得る。
【００８１】
図５Ａを参照すると、固体ＬＩＤＡＲシステム５０２ａ〜ｄは、車両の外側領域、フロント及びバックフェンダーの近くに取り付けることができる。ＬＩＤＡＲシステム５０２ａ〜ｄはそれぞれ、車両５０５の最も外側のコーナーの近くに位置付けられるように、車両５０５のそれぞれのコーナーに位置付けることができる。そのようにして、ＬＩＤＡＲシステム５０２ａ〜ｄは、領域５０６ａ〜ｄのフィールド内の物体からの車両５０５の距離をより良く測定することができる。各固体ＬＩＤＡＲユニットは、各ユニットがそれ自体でキャプチャできるよりも大きい複合視野をキャプチャできるように、異なる方向を（おそらくユニット間で部分的に重複する及び／または非重複の視野を有して）向くことができる。シーン内の物体は、ＬＩＤＡＲ  Ｔｘモジュール５０８から放出される光パルス５１０の部分を反射することができる。次いで、光パルス５１０の１または複数の反射部分５１２は、ＬＩＤＡＲシステム５０２ａに戻り、Ｒｘモジュール５０９により受信され得る。Ｒｘモジュール５０９は、Ｔｘモジュール５０８と同じハウジングに配設することができる。
【００８２】
図５Ａは、車両の四隅に取り付けられた４つの固体ＬＩＤＡＲシステムを示しているが、実施形態はそのような構成に限定されない。他の実施形態は、車両の他の領域に搭載されたより少ないまたはより多い固体ＬＩＤＡＲシステムを有することができる。例えば、図５Ｂに示すように、ＬＩＤＡＲシステムは車両５０５の屋根に取り付けることができる。そのような実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムは、車両５０５の周囲の領域５０６ａ〜ｄをより良く観察するためにより高い視点を有することができる。
【００８３】
Ｂ．走査アーキテクチャ
いくつかの実施形態では、本開示によるＬＩＤＡＲシステムは、ＬＩＤＡＲシステムが３６０度未満の角度の間で振動する走査アーキテクチャを採用することができる。例えば、図５Ｂの実装態様５０１のＬＩＤＡＲシステム５０４ａ〜ｂはそれぞれ、例えば視野５０６ａと５０６ｂとの間の領域５１４、及び視野５０６ｃと５０６ｄとの間の領域５１６で、車両５０５の前及び／または背後のシーン全体を走査するために走査アーキテクチャを使用することができる。走査ＬＩＤＡＲシステムに位置する１または複数の光源（図示せず、赤外線、近赤外線、紫外線、可視光、例えば緑色レーザ波長スペクトルなどのＬＩＤＡＲシステムに適した波長スペクトルのレーザを含むがこれに限定されない、放射を放出ための様々な異なる適切な光源であり得る）の出力ビームを光のパルスとして出力し、走査して、例えば３６０度未満の角度で回転させて、車両の周囲のシーンを照明することができる。いくつかの実施形態では、回転矢印５１４及び５１６によって表される走査は、機械的手段、例えば、発光体を回転柱または回転プラットフォームに取り付けることによって実施することができる。例えば、デジタルマイクロミラー（ＤＭＤ）デバイス、デジタル光処理（ＤＬＰ）デバイスなどの１または複数のＭＥＭＳベースの反射器を使用するマイクロチップを使用するなど、チップベースのビームステアリング技術を使用することもできる。いくつかの実施形態では、スキャンは、非機械的手段を介して、例えば、電子信号を使用して１または複数の光フェーズドアレイを操縦することにより達成することができる。
【００８４】
他の実施形態は、車両を取り巻く環境の３６０度全体を走査する走査アーキテクチャを実装することができる。そのような走査ＬＩＤＡＲシステムは、時計回りまたは反時計回りの方向に３６０度連続的に繰り返し回転することができ、したがって、別個のモータ、例えば図４の電気モータ４３４を利用して、センサ及び送信器モジュールを回転させることができる。例示的な回転式ＬＩＤＡＲシステムを図６Ａ及び図６Ｂに示す。
【００８５】
図６Ａは、本開示のいくつかの実施形態による、自動車などの車両６０５用に実装され、連続的な３６０度走査が可能な例示的な走査ＬＩＤＡＲシステム６００の簡略図のトップダウン図である。例えば、ＬＩＤＡＲシステム６００内に位置付けられた１または複数の光源（赤外線または近赤外線パルスＩＲレーザなど、図示せず）の出力ビームは、車両の周りのシーン６２０を照明するために走査、例えば回転され得る。いくつかの実施形態では、回転矢印６１５によって表される走査は、図５Ｂに関して本明細書で説明する任意の適切な機械的手段、例えば、発光体を回転柱またはプラットフォームに取り付けること、または、検流計やチップベースのステアリング技術の使用などの任意の他の機械的手段によって実施することができる。動作中、任意の方向及びＬＩＤＡＲシステム６００のビュー内の車両６０５の周囲の物体は、ＬＩＤＡＲシステム６００の送信モジュール６０８から放出される光パルス６１１の一部を反射することができる。次に、光パルス６１１の１または複数の反射部分６１７がＬＩＤＡＲシステム６００に戻り、その感知モジュール６０９によって検出することができる。場合によっては、感知モジュール６０９は、送信モジュール６０８と同じハウジングに配設することができる。
【００８６】
図６Ａは、車両６０５の屋根に取り付けられた固体ＬＩＤＡＲシステムを示しているが、実施形態はそのような構成に限定されない。他の実施形態は、車両の他の領域に取り付けられた固体ＬＩＤＡＲシステムを有することができる。例えば、ＬＩＤＡＲシステムは、図６Ｂに示すように、車両のコーナーに取り付けることができる。図６Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、固体ＬＩＤＡＲシステム６０４ａ〜ｄが、自動車などの路上走行車の外側領域に実装される実装態様６０１を示す。この実装態様では、各ＬＩＤＡＲシステム６０４ａ〜ｄは、３６０度全体の距離を測定できる回転式ＬＩＤＡＲシステムであり得る。しかしながら、これらの測定値の少なくともいくつかは車両６０５に関して測定されるため、これらの測定値は無視することができる。したがって、各ＬＩＤＡＲシステム６０５ａ〜ｄは、３６０度の走査からの測定値のサブセットのみを利用することができ、例えば、車両６０５をキャプチャしない領域６１９ａ〜ｄをカバーする角度のみが利用される。
【００８７】
図７は、本開示のいくつかの実施形態による、３６０走査アーキテクチャを採用するＬＩＤＡＲシステム７００の簡略化された例示的な斜視図である。いくつかの実施形態では、ＬＩＤＡＲシステム７００は、時計回りまたは反時計回りの方向に回転して車両の周囲のフィールドを観察する光測距デバイス７０１を含むことができる。システム７００は、固定ハウジング７０２、光学的透明窓７０４、及びＬＩＤＡＲシステム７００の内部部品の保護を提供する固定蓋７０６を含むことができる。窓７０４は、円筒形状を有するように構成することができる固定ハウジング７０２の周囲に完全に延びることができる。システム７００の内部部品は、回転プラットフォーム７０８と、回転プラットフォーム７０８に取り付けられた感知及び送信モジュール７１０とを含み得る光測距デバイス７０１を含むことができる。いくつかの実施形態では、光測距デバイス７０１は、モジュール７１０が窓７０４を介して光を放出及び受信するように位置付けられ、放出光が固定ハウジング７０２または固定蓋７０６に放出されないように窓７０４と位置合わせされる。例えば、位置合わせされた位置では、光測距デバイス７０１の水平方向の中心は窓７０４の水平方向の中心と一致する。感知及び送信モジュール７１０は、例えば、光感知モジュール４０８及び光送信モジュール４０６であり得、任意選択で、マイクロ光学層を冷却するヒートシンク（図示せず）を含み得る。ＬＩＤＡＲシステム７００はまた、固定ハウジング７０２内にあるシステムコントローラ７１２（例えば、コントローラ４０４）及び電気モータ７１４（例えば、モータ４３４）を含むことができる。電気モータ７１４は、プラットフォーム７０８を回転させ、それにより、感知及び送信モジュール７１０を、例えば時計回りまたは反時計回り方向に３６０度連続して回転するように回転させる。システムコントローラ７１２は、光通信リンク７１６を使用して感知及び送信モジュール７１０と通信することができる。光通信リンク７１６により、感知及び送信モジュール７１０は、固定ハウジング７０２に機械的に結合され、プラットフォーム７０８とともに回転しない固定システムコントローラ７１２と、機械的摩耗及び破損なしに光通信リンク７１６を介して通信できる。いくつかの実施形態では、システムコントローラ７１２は、モータを制御し、ＬＩＤＡＲシステム７００の光検出動作を開始及び停止することができる。システムコントローラ７１２は、平行関係に配置された２つ以上の積み重ねられた平面回路基板を含むことができ、これは、弁護士ドケット番号１０３０３３−Ｐ０１０ＵＳ１−１０７３２７８「Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｌｉｄａｒ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の共有及び同時出願の特許出願で詳細に議論されており、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００８８】
ＩＩＩ．アクティブ撮像システムの動作
図８は、いくつかの実施形態による、光測距システムの光送信及び検出プロセスの例示的な一実施例を示す。図８は、システムを囲む容積またはシーンの３次元距離データを収集する光測距システム８００（例えば、固体型もしくは、及び／または走査型）を示す。図８は、発光体とセンサとの間の関係を強調する理想化された図であり、したがって、他のコンポーネントは示されていない。
【００８９】
光測距システム８００は、発光体アレイ８１０と光センサアレイ８２０とを含む。発光体アレイ８１０は、発光体８１２及び発光体８１６などの発光体のアレイ、例えば、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などのアレイを含む。光センサアレイ８２０は、例えばセンサ８２２及び８２６などの光センサのアレイを含む。光センサは、各光センサに対して、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）などの個別の光検出器のセットを使用するピクセル化照明センサであってもよい。しかしながら、様々な実施形態は、任意の種類の光子センサを配置することができる。
【００９０】
各発光体は、隣接する発光体からわずかにオフセットされ得、かつ隣接する発光体から異なる視野内に光パルスを送信するように構成され得るため、その発光体のみに関連付けられたそれぞれの視野を照明することができる。例えば、発光体８１２は、（１または複数の光パルスから形成された）照明ビーム８１４を円形視野８３２（そのサイズは明確にするために誇張されている）内に放出する。同様に、発光体８１６は、照明ビーム８１８（発光体チャネルとも呼ばれる）を円形視野８３４内に放出する。複雑さを避けるために図８には示されていないが、各発光体は対応する視野内に対応する照明ビームを放出し、結果として２Ｄの視野のアレイが照明される（この例では２１個の異なる視野）。
【００９１】
発光体によって照明される各視野は、測距データから生成される対応する３Ｄ画像内のピクセルまたはスポットと考えられ得る。各発光体チャネルは、各発光体に個別で、他の発光体チャネルと非重複とすることができる、つまり、発光体のセットと非重複フィールドまたはビューのセットとの間に１対１のマッピングがある。したがって、図８の実施例では、システムは３Ｄ空間で２１個の異なるポイントをサンプリングし得る。より高密度の発光体アレイを有することにより、または１つの発光体が空間内の複数のポイントをサンプリングできるように、発光体ビームの角度位置を経時的にスキャンすることにより、ポイントの高密度サンプリングを実現することができる。上記のように、スキャンは、発光体／センサアセンブリ全体を回転させることにより実行できる。
【００９２】
各センサは、上述の発光体のように、隣接するセンサからわずかにオフセットすることができ、各センサはセンサの前のシーンの異なる視野を見ることができる。更に、各センサの視野は、例えば、それぞれの発光体チャネルの視野と実質的に一致し、例えば重なり合い、同じサイズである。
【００９３】
図８において、対応する発光体−受信器チャネル間の距離は、視野内の物体までの距離に対して誇張されている。実際には、わずかなフィールド内の物体までの距離は、対応する発光体−受信器チャネル間の距離よりはるかに大きいため、発光体から物体までの光の経路は、物体からセンサまで戻る反射光の経路にほぼ平行である（すなわち、光はほとんど「後方反射」される）。したがって、システム８００の前には、個々のセンサの視野と個々の発光体の視野とが重なる距離の範囲がある。
【００９４】
発光体の視野はそれぞれのセンサの視野と重なっているため、各受信器チャネルは理想的には、それぞれの発光体チャネルを起源とし、理想的にはクロストークのない反射照明ビームを検出できる、つまり、他の照明ビームからの反射光は検出されない。したがって、各光センサは、それぞれの光源に対応し得る。例えば、発光体８１２は照明ビーム８１４を円形視野８３２内に放出し、照明ビームの一部は物体８３０から反射する。理想的には、反射ビーム８２４はセンサ８２２のみによって検出される。したがって、発光体８１２及びセンサ８２２は同じ視野、例えば視野８３２を共有し、発光体−センサ対を形成する。同様に、発光体８１６及びセンサ８２６は発光体−センサ対を形成し、視野８３４を共有する。図８では発光体−センサ対は、それぞれのアレイ内の同じ相対位置にあるものとして示されているが、システムで使用される光学系の設計に応じて、任意の発光体を任意のセンサと対にすることができる。
【００９５】
測距測定中、ＬＩＤＡＲシステムを取り巻く容積の周りに分布する様々な視野からの反射光が様々なセンサによって収集されて処理され、それぞれの視野内の任意の物体の範囲情報をもたらす。上記のように、正確にタイミングを合わせたパルスを発光体が放出し、ある経過時間の後にパルスの反射がそれぞれのセンサによって検出される、飛行時間技術を使用することができる。次に、放出と検出との間の経過時間と、既知の光速度とを使用して、反射面までの距離を計算する。いくつかの実施形態では、範囲に加えて、反射面の他の特性を決定するために、センサにより追加情報を取得することができる。例えば、パルスのドップラーシフトをセンサで測定し、センサと反射面との間の相対速度を計算するために使用することができる。パルス強度を使用して標的の反射率を推定することができ、パルス形状を使用して、標的が硬質または拡散材料であるかどうかを判断することができる。
【００９６】
いくつかの実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムは、発光体チャネル及び受信器チャネルの比較的大きな２Ｄアレイで構成され、固体ＬＩＤＡＲとして動作することができる、つまり、ＬＩＤＡＲシステムは、発光体及び／またはセンサの方向を走査する必要なしに、範囲データのフレームを取得することができる。他の実施形態では、発光体及びセンサのセットの視野が、周囲容積の完全な３６０度領域（または３６０度領域の何らかの有用な部分）をサンプリングすることを確実にするために、発光体及びセンサをスキャンさせる、例えば軸を中心に回転させることができる。例えば、ある所定の時間にわたってスキャンシステムから収集された範囲データを、次に後処理して１または複数のフレームのデータにし、これを更に処理して、１または複数の深度画像または３Ｄ点群にすることがでる。深度画像及び／または３Ｄ点群を更に処理して、３Ｄマッピング及びナビゲーションアプリケーションで使用するためのマップファイルにすることができる。
【００９７】
いくつかの実施形態によれば、光測距システム（符号化パルス光受信器システムとも呼ばれる）は、複数の光パルスを送信することができる。いくつかの実施形態では、各コード化パルスは、光強度によって形成される埋め込まれた正の値のパルスコードを有する。システムは、異なる時間ビンにおいて検出された反射光の強度ヒストグラムを作成することによって、背景光の存在下で、光パルスの時間的位置及び／または振幅を決定することができる。各時間ビンに対して、システムは、検出された光の強度に依存する強度ヒストグラムに加重値を加える。加重値は、正または負で、様々な大きさを有することができる。
【００９８】
正値のパルス符号の異なる組み合わせを選択し、異なる重みを適用することによって、システムは、標準デジタル信号処理アルゴリズムに好適な正値及び負値コードを検出することができる。この方法は、反射光パルスの測定された時間的位置における低い不確定度を維持しながら、高い信号対ノイズ比を与える。
【００９９】
図９は、本発明の実施形態による、光学測定システムにおいてコード化パルスを使用する方法９００を示すフローチャートである。光学測定システムは、光測距システムであってもよい。方法９００は、複数のコード化パルスを使用して、標的からの反射パルスの時間的位置を検出することができる。リアルタイムの３次元アプリケーションでは、方法９００は周囲の環境にある物体までの距離を常に検出できる。方法９００は、本明細書で説明される光学測定システムのいずれかによって実施することができる。
【０１００】
９１０で、コード化パルス光学システム（ＣＰＯＳ）が初期化を実行する。例えば、ＣＰＯＳは、開始、停止、及びパラメータを変更するためのユーザインターフェースコマンドに応答することができる。ＣＰＯＳは、光送信器を初期化して、パラメータ、例えば、パルスコード、光度レベル、ならびに（例えば、検出間隔、検出間隔の間の一次停止のための間隔、及び全体的な測定時間間隔に対する）様々な時間間隔を示すことができる。ＣＰＯＳは、光感知モジュールを初期化して、パルス時間間隔及び光サンプリング間隔などのパラメータを示すことができる。ＣＰＯＳはまた、例えばヒストグラム内の、ヒストグラム値をクリアすることもできる。
【０１０１】
９２０で、パルス列が、光学測定の一部として光源（例えば、レーザ）から送信される。パルス列は、測定のために送信されるＮ個のパルス列の一部として送信することができる。Ｎ個のパルス列は、物体から反射し、それにより、物体までの測距測定を可能にすることができる。Ｎ個のパルス列の各々は、光源（例えば、ＶＣＳＥＬ）からの１または複数のパルスを含むことができ、開始信号によってトリガされる異なる時間間隔に対応し得る。
【０１０２】
いくつかの実施形態において、ＣＰＯＳは、指定された時間にわたって待機して、以前のパルス列（コード化パルス送信）が消散することを可能にすることができる。ＣＰＯＳは、次いで、Ｎ個の測定パルス列の次のパルス列を送信することができ、Ｎ個のパルス列は、コードを形成する。例えば、測定が完了する、例えば（例えば、任意の反射に対して予期される所定の時間の後に）Ｎ個のうちの最後のパルス列が消散すると、ＣＰＯＳは、次いで、適切なパルスコードを使用して、第１の／次のコード化パルス送信を開始することができる。Ｎは、１よりも大きい整数、例えば、２、３、４、５、またはそれ以上であり得る。
【０１０３】
９３０で、例えば送信されるべきパルス列をトリガする開始信号に応答して、光検出を開始することができる。したがって、ＣＰＯＳは、コード化パルス送信を開始したのと同時に光検出を開始することができる。光検出の一部として、パルス列は、（例えば、ピクセルに対応する）光測定システムの光センサによって検出することができ、それにより、複数の時点でのデータ値を生成することができる。いくつかの実施形態において、光センサは、一群の光検出器（例えば、ＳＰＡＤ）である。データ値は、様々な形態、例えば（例えば、ヒストグラムの時間ビン内の）時点でトリガしたＳＰＡＤの数のカウントであり得る。別の例として、データ値は、アナログ光センサ（例えば、ＡＰＤ）に続くＡＤＣからのデジタル化された値であり得る。どちらの例も、強度に対応し得る。合計で、Ｎ個のパルス列を検出することができる。更に、プロセスは、光測定デバイスの各光センサに対して別個に実行することができる。
【０１０４】
９４０で、パルス列に対応する時間間隔内の時点でのデータ値に重みが割り当てられ、それにより、加重値を取得する。重みは、Ｎ個のパルス列の各々に対して指定することができる。異なるパルス列に対するこのような重みのいくつかは、他のパルス列と同じであり得る。いくつかの実施形態において、Ｎ個のパルス列のうちの少なくとも２つは、異なる重みが割り当てられ、異なるパルスパターンを有する。２つパルス列にはいくつかの類似性がある（例えば、パルスの一部分が重複し得る）が、少なくとも何回か存在し、一方のパルス列がオンであり、他方のパルス列がオフである。このような異なるパルスパターンは、類似する形状を有し得るが、異なる遅延を有し得、例えば、１，０，１，１，０｝は、｛０，１，０，１，１｝までの非ゼロ値の類似する形状を有するが、それらは、第１の信号に対する第２の信号の遅延によって達成され得るようなオフセットにより、異なるパルスパターンである。
【０１０５】
したがって、ＣＰＯＳは、各光サンプリング間隔にわたって光を検出し、デジタル化された強度値を作成することができる。各光サンプリング間隔に対して、ＣＰＯＳは、パルス重みをデジタル化された強度値に適用し、その結果を強度ヒストグラムの適切な時間ビンに加算することができる。
【０１０６】
９５０で、ＣＰＯＳがコード化パルスの必要な数を送信したかどうか、ＣＰＯＳを試験する。ＣＰＯＳがコード化パルスの必要な数を送信した場合、ＣＰＯＳは、ブロック９６０を続け、送信していない場合は、ブロック９２０にループバックする。
【０１０７】
９６０で、複数の時間ビンの加重値に対応するヒストグラムが決定される。上で説明したように、複数の時間間隔にわたる特定の時間ビン内の時点での加重値を累積することによって、特定の時間ビンでのヒストグラムのカウンタを決定することができる。
【０１０８】
９７０で、ヒストグラムを使用して、Ｎ個のパルス列に対応する信号を検出する。例えば、ＣＰＯＳは、ヒストグラムがマッチコード（フィルタ）に整合する一連の値を有するかどうかを判定することができる。ＣＰＯＳは、マッチコードが見つかったかどうか、及びマッチの振幅を報告することができる。マッチは、他の光源からのノイズまたは干渉に対する所望の信号の検出を可能にすることができる。
【０１０９】
フィルタは、ヒストグラムの時間ビンの窓に適用されるべき値のセットを含むことができる。フィルタは、ヒストグラム上をスライドさせて、ヒストグラムに対するプロファイルフィルタの異なるスライド位置に対応するカウンタを有する、フィルタ処理されたヒストグラムを計算することができる。フィルタ処理されたヒストグラムのカウンタの各々は、プロファイルフィルタの重複及び特定のスライド位置でのヒストグラムに対応し得る。フィルタ処理されたヒストグラムのカウンタの最大値を識別し、それにより、例えば最大値が閾値を超えたときの検出を可能にすることができる。カウンタの最大値の特定のスライド位置は、受信時間に対応することができ、これを測距測定に使用することができる。
【０１１０】
いくつかの実施形態において、信号は、例えば光測定システムが測距測定を実行するように構成されたときに、物体から反射するＮ個のパルス列によって引き起こされる反射信号であり得る。他の実施形態において、信号は、例えば光源がある場所にあり、光センサが異なる場所にあるときの、通信信号であり得る。このような構成は、通信の目的で使用することができる。例えば、マイクロ波送信塔は、データを受信塔に送信することができる。送信データは、コード化パルスを含むことができ、これは、他の源のノイズまたは干渉によって引き起こされ得るような、データ受信におけるエラーを低減させるのに役立ち得る。受信塔は、２つのパルス列の間の任意の時間を第１の時間ビンの開始時間として選択することによって、パルス列を識別し、ヒストグラムを作成することができる。次いで、（例えば、ヒストグラム上をスライドさせることによって）整合フィルタを適用することができ、十分な整合を見つけた場合に、その通信信号を検出することができる。取得したフィルタ処理されたヒストグラムの最大値によって、十分な整合を測定することができる。さらなる実施形態として、システムは、通信信号を検出するために使用される様態に類似する様態で、別のＣＰＯＳから干渉信号を検出することができる。干渉が測定される場合、いくつかの実装態様は、例えば、現在使用されているコードに類似する干渉コードの、送信コードを変更することができる。
【０１１１】
９８０で、物体までの距離を決定することができる。例えば、開始信号に対するＮ個のパルス列に対応する受信時間を決定することができる。物体までの距離は、受信時間を使用して決定することができる。受信時間は、パルス列の送信時間からオフセットすることができるが、このようなオフセットを考慮することができる。したがって、ＣＰＯＳは、それが検出された時間を報告することができる。距離は、開始信号の受信時間と開始時間との間の往復時間に対応することができ、したがって、距離は、時間的に表すことができる。
【０１１２】
検出信号は、測距以外の他の目的に使用することができる。例えば、検出信号の質を使用して、物体の反射率を測定することができる。例えば、検出信号が強い強度を有する場合、システムは、物体が高反射率を有すると判定することができる。通信及び干渉測定のための実装態様は、上で考察されている。別の光源からの干渉を検出する場合、検出信号は、干渉光源によって送信されるパルス列の別のセットからのものである。
【０１１３】
概念として、実施形態は、Ｎ＋１個の一意の重みを有するＮ＋１個の一意のコードを送信して、Ｎ次元のベクトル空間ヒストグラムを生成することができる。例えば、符号付きの数を保持するビンの代わりに、ビンは、１つが正で１つが負である少なくとも２つの一意のコードを送信することによって、１Ｄベクトル（例えば、符号付きの数に等しい）を保持することができる。２Ｄベクトルを（例えば、極座標またはデカルト座標で）保存するために、システムは、少なくとも３つの一意のコードを送信することができ、これは、３つの異なる極角を用いて重み付けし、合計して単一の２Ｄベクトルにすることができる。Ｎ−Ｄベクトル（すべてが単一の「ビン」内に保持されるＮ個の別々の数を用いて定義される）は、Ｎ＋１個の異なるコードを必要とし、それぞれが、ベクトル和を行うときに、（すべての他の重みに対して直角であるその重みに対する成分を有する他の世界において）異なる角度で重み付けされる。次元を増加させることによって、ＲＦ通信に使用される直交位相コード化または符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）のようなより高度なコード化技術を使用することができる。この文脈では、Ｎ次元整合フィルタを使用することができる。
【０１１４】
ＬＩＤＡＲシステムはその動作中に方法９００を実施するので、ＬＩＤＡＲシステムはフィールド内の物体までの距離を連続的に測定することができる。したがって、物体までの距離が決定されると、方法９００はブロック９２０にループバックして、別の一連の放出パルス列を開始し、放出されたパルス列を検出して、フィールド内の物体までの距離を決定するためのヒストグラムを決定することができる。ＬＩＤＡＲシステムはナビゲーション目的で使用され、ＬＩＤＡＲシステムがフィールド内を移動している場合など、ＬＩＤＡＲシステムはフィールド内の物体までの距離を絶えず測定する必要があるため、方法９００で距離を絶えず測定する必要がある。
【０１１５】
いくつかの実施形態では、ブロック９８０で物体までの距離を決定した後、方法９００は、ブロック９９０で退出コマンドがＣＰＯＳによって受信されたかどうかを決定することができる。終了コマンドを受信した場合、方法９００はブロック９９９で距離の測定を停止できる。それ以外の場合、方法９００はブロック９２０にループバックすることで物体までの距離の測定を続行できる。
【０１１６】
上で述べたように、方法９００を使用して、チャネルの間の干渉を低減させることができる。例えば、方法９００は、複数の光測定の一部として、光源及び光センサの複数のチャネルに対して繰り返すことができる。複数の光測定は、時間的に重複させる、例えば実質的に同時に実行することができる。したがって、各チャネルは、同時に測定を実行することができる。干渉を低減させるために、コードは、チャネルの少なくともいくつかに対して異なり得る。例えば、複数のチャネルのうちの少なくとも２つのチャネルのＮ個のパルス列のパルスパターンが異なり得、それにより、異なるチャネルに対する異なるヒストグラムパターンを引き起こし得る。加えて、または代わりに、複数のチャネルのうちの少なくとも２つのチャネルのＮ個のパルス列に割り当てられる重みが異なり得、それにより、異なるチャネルに対する異なるヒストグラムパターンを引き起こし得る。
【０１１７】
ＩＶ．アクティブ撮像システムの構築
図１０は、本開示のいくつかの実施形態による、広い視野を有し、狭帯域撮像が可能な例示的なアクティブ光学撮像システム１０００の詳細図を示す簡略図である。アクティブ光学撮像システム１０００は、本明細書で前述したように、固体または走査アーキテクチャを使用することができる。いくつかの実施形態では、アクティブ光学撮像システム１０００は、パッシブ光学撮像システムとは異なる光検出システム１００１及び発光システム１００２を含むことができる。発光システム１００２は、システム１０００が狭帯域光線１００４で位置付けられたフィールドの少なくとも一部のアクティブ照明を提供する。光検出システム１００１は、発光システム１００２から放出された狭帯域光を、フィールド内の物体によって反射光線１００６として反射した後に検出する。光検出システム１００１は、図２に関して本明細書で説明した光検出システム２００と実質的に同様とすることができる。したがって、バルク受信器光学系１００８、光円錐１０１０、マイクロ光学受信器層１０１４のマイクロ光学受信器チャネル１０１２、及び光検出器１０１６の詳細は、図２に関して本明細書で参照することができ、簡潔にするために本明細書では説明しない。
【０１１８】
いくつかの実施形態では、発光システム１００２は、バルク送信器光学系１０１８と、発光体１０２２の一次元または二次元アレイで形成された発光層１０２０とを含む。各発光体１０２２は、狭帯域光の個別のビームを生成するように構成することができる。いくつかの実施形態では、発光層１０２０は、発光システム１００２からの距離の範囲にわたってサイズ及び幾何学的形状がマイクロ光学受信器チャネルアレイ１０１４の受信器チャネルの視野に一致する照明パターンに従って、バルク送信器光学系１０１８を通して個別の光ビームを選択的に投射するように構成される。発光体１０２２は、１または複数のモノリシックチップ上に統合された垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬＳ）または任意の他の種類のレーザダイオードなどの任意の適切な発光デバイスであり得る。発光体１０２２は、バルク送信器光学系１０１８に向けられた狭帯域光１０２４の円錐を生成することができ、それは光の円錐１０２４をコリメートし、放出光線１００４としてフィールド内の遠方のターゲットにコリメートされた光を出力することができる。いくつかの実施形態では、バルク送信器光学系１０１８は画像空間テレセントリックである。
【０１１９】
追加及び代替の実施形態では、光円錐１０２４からの光線１００４は、バルク送信器光学系１０１８によって遠くのターゲットに向けられる前に、マイクロ光学送信器層（図示せず）によって空間の中間面に焦点を合わせて、発光システム１００２から放出される光の輝度と強度を増強させる。そのような実施形態において、発光システム１００２及び光検出システム１００１は、各マイクロ光学送信器チャネル（図示せず）が対応するマイクロ光学受信器チャネル１０１２と対になるように構成され、それらの視野の中心は、センサから一定の距離で重なり合うように位置合わせされているか、主光線が平行になっている。さらなる追加及び代替の実施形態では、発光システム１００２によって放出される遠視のビームは、各マイクロ光学受信器チャネル１０１２の遠視の視野と同様のサイズ及び発散角を有する。出力される光の輝度及び強度を高めるためのマイクロ光学送信器層を有する発光システム１００２の詳細は、以下で詳細に議論される。
【０１２０】
図１０の平行光線１００４及び１００６の図から明らかなように、各マイクロ光学受信器チャネル１０１２は、閾値距離を超えて非重複視野を有する。図１０に示すように、各マイクロ光学受信器チャネル１０１２は、複数の開口部からの開口部、複数のレンズからのレンズ、及び複数の光検出器からの光検出器を含み、各チャネルの開口部は、他のマイクロ光学受信器チャネルの視野内で閾値距離を超えて非重複のチャネル内のピクセルの個別の視野を画定する。そのようにして、各マイクロ光学受信器チャネルは、マイクロ光学受信器チャネル層１０１４内の他のマイクロ光学受信器チャネルによって測定されないフィールド内の個別の位置に対応する反射光を受信する。
【０１２１】
Ａ．アクティブ撮像装置システムの送信器の輝度と強度の増強
本開示の実施形態は、他の用途の中でもとりわけ、自律車両における障害物検出及び回避に使用することができるＬＩＤＡＲセンサに関する。いくつかの特定の実施形態は、センサを十分に安価で十分な信頼性をもって製造し、大量市場の自動車、トラック、及び他の車両での使用に十分に小さいフットプリントを可能にする設計機能を含むＬＩＤＡＲセンサに関する。例えば、いくつかの実施形態は、放出線をフィールドに放出する照明源として垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のセットを含み、光センサ（検出器）のセットとして単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）検出器のアレイを含むフィールド内の表面から反射された放出線を検出する。ＶＣＳＥＬを発光体として使用し、ＳＰＡＤを検出器として使用すると、複数の測定を同時に行うことができ（つまり、ＶＣＳＥＬ発光体を同時に起動できる）、かつ、発光体のセットと光センサのセットをそれぞれ単一チップ上の標準ＣＭＯＳプロセスを使用して製造できるため、製造及び組み立てプロセスが大幅に簡素化される。
【０１２２】
しかし、特定の実施形態でＶＣＳＥＬ及びＳＰＡＤを使用することは、本開示の様々な実施形態が克服する課題を提示する。例えば、ＶＣＳＥＬは、既存のＬＩＤＡＲアーキテクチャで使用される一般的なレーザに比べそれほど強力ではなく、ＳＰＡＤは、既存のＬＩＤＡＲアーキテクチャで使用される一般的な検出器よりもはるかに効率が劣る。これらの課題、及び複数の発光体を同時に発射させることによって提示される課題に対処するために、本開示の特定の実施形態は、様々な光学部品（例えば、レンズ、フィルタ、及び開口層）を含み、これは、本明細書で説明するように、各アレイが異なるピクセル（たとえば、フィールド内の位置）に対応するＳＰＡＤの複数のアレイと連携して機能することができる。例えば、図２に関して本明細書で説明するように、光検出システム２００は、光センサ２１６、例えばＳＰＡＤにより検出される光を増強するためのマイクロ光学受信器層２０４を含むことができる。
【０１２３】
ＶＣＳＥＬは、既存のＬＩＤＡＲアーキテクチャの典型的なレーザよりも強力ではないため、いくつかの実施形態では、発光システム１００２は、撮像システム１０００の光測距機能を実行する能力を改善するように構成できる。すなわち、発光システム１００２によって放出される光の品質を増強させて、光測距の精度及び効率を改善することができる。光測距と撮像のための透過光の品質は、輝度と強度の観点から定義できる。本明細書で更に説明するように、バルク送信器光学系１０１８から放出される光線１００４の輝度及び強度は、１または複数の光学送信器層を修正及び／または実装することによって増強させることができる。
【０１２４】
送信光の輝度は、立体角ごとの光パワー（ワット）で定義できる。したがって、厳密なコリメーションで光を出力する光源、つまり発散が少ない光源は、輝度の高い光を生成する。逆に、発散の大きい光を出力する光源は、輝度の低い光を生成する。光の強度は、エリアごとの光パワーで定義でき、つまり、特定のパワーで放出された光は、狭いエリアで密に圧縮された場合、より高い強度を有する。したがって、両方の光源が発散性の低い光を出力する場合でも、密に密集した光線で光を出力する光源は、密集していない光線で光を出力する光源よりも強度が高くなる。本明細書で理解されるように、本開示の実施形態におけるＬＩＤＡＲシステムの送信器部品は、マイクロ光学部品のない類似の送信器と比較して、送信器が輝度と強度を増強させた光を出力できるようにするマイクロ光学部品で構成され得る。
【０１２５】
図１１は、本開示のいくつかの実施形態による、第１の例示的な増強された発光システム１１００の簡略断面図である。発光システム１１００は、例えば、光１１１３を放出するためのＬＥＤ、レーザダイオード、ＶＣＳＥＬなどのいずれかを制限なく含む発光体１１０４を有する発光体アレイ１１０２を含むことができる。ＶＣＳＥＬは、上面から垂直にレーザビームを放出する半導体レーザダイオードの一種である。図１１に示される線形アレイは、円形、長方形、線形、または他の幾何学的形状を含むがこれらに限定されない発光体アレイの任意の幾何学的形態であり得ることに留意されたい。
【０１２６】
増強された発光システム１１００は、開放空間１１１８によって発光体アレイ１１０２から分離されたマイクロ光学送信器チャネルアレイ１１０６を含むことができる。各マイクロ光学送信器チャネル１１０８は、対応する受信器チャネル（例えば、図１０の受信器チャネル１０１２）と対にされ、それらの視野の中心は、光学撮像装置システムから特定の距離で重なるように位置合わせされる。マイクロ光学送信器チャネルアレイ１１０６は、発光体アレイ１１０２に面する側に位置する第１の光学面１１２０と、発光体アレイ１１０２から離れた反対側に位置付けられた第２の光学面１１２１との間に挟まれた基板１１１９から形成され得る。第１及び第２の光学面１１２０及び１１２１の両方は、第１の光学面１１２０の各凸レンズが第２の光学面１１２０の各凸レンズと光学的に位置合わせされるように構成される、凸状のマイクロ光学レンズのアレイとしてそれぞれ構成され得、第１の光学面１１２０を透過する光は、その後、第２の光学面１１２１を透過することができる。第１及び第２の光学面１１２０及び１１２１からの対応する凸レンズは、図１１に示されるように互いに反対側を向くことができる。特定の実施形態では、第１の光学面１１２０の凸レンズは、第１の屈折力を有し、第２の光学面１１２１の凸レンズは、第１の屈折力とは異なる第２の屈折力を有する。例えば、第２の屈折力の焦点距離が第１の屈折力の焦点距離よりも短くなるように、第２の屈折力は第１の屈折力より大きくてもよい。基板１１１９は、シリコン、二酸化ケイ素、ホウケイ酸ガラス、ポリマーなどの発光体１１０４の波長範囲で透過性の任意の適切な材料で形成することができる。第１及び第２の光学面１１２０及び１１２１は、基板１１１９のそれぞれの対向する表面に刻印された透明なポリマーで形成することができる。
【０１２７】
いくつかの実施形態では、マイクロ光学送信器チャネルアレイ１１０６は、マイクロ光学送信器チャネル１１０８のモノリシックアレイで形成することができる。各マイクロ光学送信器チャネル１１０８は、第１の光学面１１２０からの第１の凸レンズ、第２の光学面１１２１からの対応する第２の凸レンズ、及び２つの凸レンズの間に位置付けられた基板１１１９の対応する部分を含むことができる。各マイクロ光学送信器チャネル１１０８は、それぞれの発光体１１０４に対応することができ、発光体１１０４から出力された光は、最初に第１の凸レンズ、基板１１１９の対応する領域、次に動作中に第２の凸レンズを通過する。
【０１２８】
光が第２の光学面１１２１の第２の凸レンズから放出されると、光は、対応する発光体１１０４の実像であるが対応する発光体１１０４の縮小サイズである小型スポット画像１１１０を形成する。いくつかの実施形態では、小型スポット画像１１１０は、マイクロ光学送信器チャネルアレイ１１０６とバルク送信器光学系１１１４との間に位置付けられる。例えば、小型スポット画像１１１０は、開口層１１０９のそれぞれの開口部内に形成され得る。各開口部は、放出光が焦点を合わせて小型スポット画像１１１０を形成する反射層または不透明層のピンホールとすることができる。そこから、発光体とマイクロ光学チャネルの両方から離れていくと、光は、光円錐１１１２を形成し、バルク送信器光学系１１１４に向かって伸びる。
【０１２９】
本開示のいくつかの実施形態によれば、放出光１１１３の発散の程度は、光円錐１１１２の発散の程度よりも小さくてもよい。発散におけるこの不一致は、マイクロ光学送信器チャネル１１０８、特に第２の光学面１１２１の光出力によって生成され得る。マイクロ光学送信器チャネル１１０８からの光の発散は、発光体１１０４からの放出光１１１３の発散よりも大きいため、小型スポット画像１１１０は、発光体１１０４の実際の画像であり得るが、発光体１１０４のサイズよりも小さく、放出光１１１３と同じ数の光子を有する多数のものであり得る。実スポット画像が形成された後に形成される結果として生じる光円錐１１１２は、バルク送信器光学系１１１４を通過した後、各発光体１１０４に対する個別の光ビームとしてフィールドに投射される。結果として生じる発光システム１１００から発せられる光線は、小さな断面積（発光体１１０４の表面積より小さい）を有する高度にコリメートされた光ビームであり、それにより、増強された輝度と強度を有する光を出力できる発光システム１１００をもたらす。
【０１３０】
バルク送信器光学系１１１４は、単一のレンズまたは２つ以上のレンズが一緒に機能してバルク送信器光学系１１１４を形成するレンズのクラスタのいずれかを含むことができることに留意されたい。バルク送信器光学系１１１４内で複数のレンズを使用すると、開口数を増やし、ＲＭＳスポットサイズを小さくし、画像面を平坦化し、テレセントリック性を改善するか、バルク送信器光学系１１１４の性能を改善できる。また、いくつかの実施形態では、光円錐１１１２が重なり合って円錐重複領域１１１６を形成することに留意されたい。
【０１３１】
マイクロ光学送信器チャネルアレイ１１０６の動作及び有効性をよりよく理解するために、発光システム１１００の動作のより詳細な説明が議論される。ＶＣＳＥＬ発光体で形成された発光体アレイを利用する増強された発光システム１１００の場合、発光体の例示的な初期半径は、１０°半角円錐で入射する光で１２．５μｍであり得る。そのような発光体は、通常、アクティブエリアの平方ミクロンあたり５０ｕＷを出力する。各発光体１１０４からの発散光円錐は、マイクロ光学送信器チャネル１１０８に受け入れられ、次いで、同じマイクロ光学チャネルによって収束光円錐が出力され、例えば、２０°の半角を有する収束光円錐が生成される。したがって、いくつかの実施形態では、発光体１１０４によって生成される円錐角は、対応するマイクロ光学送信器チャネル１１０８によって生成される円錐角よりも小さい。次いで、マイクロ光学送信器チャネル１１０８により発せられる収束光円錐は、発光体の小型スポット画像１１１０を生成する。図１１による実施形態では、小型スポット画像１１１０は実像であり、対応する発光体１１０４のサイズよりも小さいサイズを有する。特定の発光体からのすべての光線が任意の小さなスポットにすべて集束するわけではないことに留意されたい。小型スポット画像のサイズは、通常「光学不変量」によって制御される。
Θ＿ｓ＊ｒ＿ｓ＞＝Θ＿ｅ＊ｒ＿ｅ
ここで、Θ＿ｓは集束スポットの周辺光線半角、ｒ＿ｓは集束スポットの半径、Θ＿ｅは元の発光体の周辺光線半角、ｒ＿ｅは元の発光体の半径である。したがって、この例では、（発光体からのすべての光線をキャプチャしながら）形成できる最小の小型スポット画像半径は次のとおりである。
１０／２０＊１２．５ｕｍ＝６．２５ｕｍ
【０１３２】
この小さなスポットは、元の発光体の４分の１の面積を持つため、スポット面積１平方ミクロンあたり２００ｕＷの電力密度を持つことに留意されたい。各マイクロ光学送信器チャネル１１０８は、典型的には、例えば５０μｍの焦点距離、及び８０μｍのレンズ直径を含み得るがこれらに限定されない特性を有する１または複数の光学面を有する。いくつかの実施形態では、発光体１１０４と対応するマイクロ光学送信器チャネル１１０８との間の距離は、例えば、限定されないが、１５０ｕｍであってもよい。図１１に示される発光体アレイ１１０２とマイクロ光学送信器チャネルアレイ１１０６との間の開放空間１１１８は、例えば、限定されないが、ＭＥＭＳデバイスを製造するために通常使用される方法によって生成されるようなエアギャップであり得る。発光体アレイ１１０２とマイクロ光学送信器チャネルアレイ１１０６との間の距離は、例えば１５０μｍであり得る。
【０１３３】
バルク送信器光学素子１１１４は、バルク撮像光学素子の焦点面が小型スポット画像１１１０と一致するように、マイクロ光学層及び発光層の前に位置付けられる。バルク送信器光学系１１１４は、発散光円錐１１１２を受け入れ、コリメートビームを出力する。その開口数は、発散光線円錐の角度の全範囲をキャプチャするのに少なくとも十分に大きい可能性があるため、例えば、この例では開口数（ＮＡ）＝０．３４に制限されない。また、マイクロ送信器光学系１１１４は、マイクロ光学層を出る光円錐１１１２が（バルク光学の中心を中心軸とするのではなく）すべて平行であり得る、画像空間テレセントリックとすることができる。一実施形態では、光は、ほぼコリメートされたバルク送信器光学系１１１４を出ることができる。ビームコリメーションの品質は、焦点面での「発光物体」（小型スポット画像１１１０）のサイズに関連することに留意されたい。この「発光物体」のサイズは、マイクロ光学スタックを使用することで縮小されているため、発光体物体を単純に直接撮像する場合よりも優れた視準角が得られる。
【０１３４】
図１１は、第１及び第２の光学面の間に挟まれた基板で形成され、発光システムから出力される光の輝度と強度を改善するために開放空間によって発光体アレイから距離を置いて位置付けられたマイクロ光学チャネルアレイを有する増強された発光システムを示しているが、実施形態は、そのような構成に限定されない。むしろ、他の実施形態は、図１２に関して本明細書で更に説明されるように、必ずしも開放空間または２つの光学面を実装しなくてもよい。
【０１３５】
図１２は、本開示のいくつかの実施形態による、第２の例示的な増強された発光システム１２００の簡略断面図である。第１の例示的な増強された発光システム１１００と同様に、第２の例示的な増強された発光システム１２００は、バルク撮像光学系１２１４及び発光体アレイ１２０２を含むことができる。しかし、図１２に示すように、第１の例示的な発光システム１１００とは異なり、第２の例示的な発光システム１２００は、開放空間／エアギャップによって分離される代わりに、発光体アレイ１２０２の発光面上に直接位置付けられるマイクロ光学送信器チャネルアレイ１２０６を含むことができる。
【０１３６】
そのような実施形態では、マイクロ光学送信器チャネルアレイ１２０６は、基板１２１９及び光学面１２２０から形成され得る。光学面１２２０は、基板１２１９の第１の表面１２３０上に位置付けられてもよい。基板１２１９の第２の表面１２３１は、第１の表面１２３０の反対側に位置され、発光体アレイ１２０２に対して位置付けられ、発光体１２０４から放出された光が最初に基板１２１９を通過してから光学面１２２０を通過することができる。光学面１２２０は、凸面レンズのアレイとして構成することができ、光学面１２２０の各凸面レンズは、それぞれの発光体１２０４と出力される光が光学面１２２０のそれぞれの凸面レンズを透過できるように、それぞれの発光体１２０４と光学的に位置合わせするように構成される。光学面１２２０からの凸レンズは、図１２に示されるように、それぞれの発光体１２０４から離れて面することができ、その結果、それらの焦点は発光体１２０４からより遠くに位置付けられる。特定の実施形態では、光学面１２２０の凸レンズは、放出光を、対応する発光体１２０４の実像であるが図１１の第２の光学面１１２１の凸レンズのような対応する発光体１２０４の縮小サイズ画像である実小型スポット画像１２１０に収束するのに適した屈折力を有する。光学面１１２０により、放出光は、バルク撮像光学系１２１４を通して投射する前に光円錐１２１２に発散することが可能になる。基板１２１９及び光学面１２２０は、図１１に関して本明細書で説明した基板１１１９及び光学面１１２０及び１１２１と同様の材料で形成することができる。いくつかの実施形態では、光円錐１２１２は重なり合って円錐重複領域１２１６を形成してもよい。
【０１３７】
本明細書の実施形態は、凸レンズを含まず、発光体の実像を生成しないマイクロ光学チャネルアレイを実装することもできる。むしろ、いくつかの実施形態は、図１３に関して本明細書で更に説明するように、発光体の仮想画像を生成するために凹面を実装してもよい。
【０１３８】
図１３は、本開示のいくつかの実施形態による、第３の例示的な増強された発光システム１３００の簡略断面図である。第１及び第２の例示的な増強された発光システム１１００及び１２００と同様に、第３の例示的な増強された発光システム１３００は、バルク撮像光学系１３１４及び発光体アレイ１３０２を含むことができる。しかし、第１及び第２の例示的な発光システム１１００及び１２００とは異なり、第３の例示的な発光システム１３００は、図１３に示すように、凸レンズのアレイの代わりに凹面のアレイを含むマイクロ光学送信器チャネルアレイ１３０６を含むことができる。
【０１３９】
そのような実施形態では、マイクロ光学送信器チャネルアレイ１３０６は、基板１３１９及び光学面１３２０から形成され得る。光学面１３２０は、バルク撮像光学系１３１４に向かって、発光体１３０４から離れて位置付けられた基板１３１９の第１の表面１３３０であり得る。基板１３１９の第２の表面１３３１は、第１の表面１３３０の反対側に位置され、発光体アレイ１３０２に対して位置付けられ、発光体１３０４から放出された光が最初に基板１３１９を通過してから光学面１３２０を通過することができる。光学面１３２０はそれぞれ、凹面のアレイとして構成することができ、光学面１３２０の各凹面は、各発光体１３０４によって出力される光が光学面１３２０の各凹面を透過できるように、各発光体１３０４と光学的に位置合わせされるように構成される。特定の実施形態では、光学面１３２０の凹面は、対応する発光体１３０４の仮想画像であるが対応する発光体１３０４の縮小サイズ画像である仮想小型スポット画像１３１０を形成するのに適した屈折力を有し、更に放出光がバルク撮像光学系１３１４を通して投射する前に光円錐１３１２に発散することを可能にする。いくつかの実施形態では、図１３に示されるように、仮想小型スポット画像１３１０が基板１３１９内に形成される。いくつかの実施形態では、光円錐１３１２は重なり合って円錐重複領域１３１６を形成してもよい。基板１３１９は、図１１に関して本明細書で説明した基板１１１９と同様の材料で形成することができる。
【０１４０】
図１１、図１２及び図１３のそれぞれに記載されている実施形態のマイクロ光学チャネルのレンズ構成は、いくつの表面が屈折力を有するか、及びそれらの表面の形状に関して異なることに留意されたい。図１１に示す第１の実施形態は、基板の両側に２つの屈折力面を使用する能力の恩恵を受けており、各面を浅くしたり、非球面ではなく球面にしたり、またはより簡単に製造することができる。この実施形態は、マイクロ光学チャネルアレイ１１０６と発光体アレイ１１０２との間のオフセットを維持するためのスペーサ構造（図示せず）を含む。そのようなスペーサ構造の例は、深層反応性イオンエッチングにより形成されたチャネルを備えたシリコンウェハである。図１２に示される第２の実施形態は、発光体アレイに取り付けられた基板上にただ１つの光出力面を有することから利益を得る。この種類の構成により、製造が簡素化されると同時に、輝度と強度が増強する。図１３に示される第３の実施形態は、図１２に示される実施形態の利点を共有するが、凸レンズではなく凹面で形成される単一の光学面を有し、凹状特徴は、多くの場合、マイクロスケールで簡単に作成できる。
【０１４１】
いくつかの実施形態では、発光システム用のバルク撮像光学系は、システムによって放出される迷光を低減するために１または複数の開口絞りを含むことができる。例えば、図１４は、本開示のいくつかの実施形態による、開口絞りを有するバルク光学系で構成された例示的な増強された発光システム１４００の簡略断面図である。図１４は、バルク送信器光学系１４１４に対して開口絞りバリアント１４０３、１４０５、及び１４０６が追加されていることを除いて、図１と実質的に同様である。図１４に示す開口絞りは、図１１から図１３のいずれかで使用できる。図１４では、開口絞り１４０３、１４０５、及び１４０７は、光が通過するための円形または楕円形の開口部を有することができるが、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、任意の開口部形状を利用することができる。
【０１４２】
いくつかの実施形態では、開口絞り１４０３は、発光体アレイ１４０２及びマイクロ光学送信器チャネルアレイ１４０６から離れて面するバルク送信器光学系１４１４の側面に位置することができる。いくつかの追加及び代替の実施形態では、開口絞り１４０５は、発光体アレイ１４０２及びマイクロ光学送信器チャネルアレイ１４０６に面するバルク送信器光学系１４１４の側面に位置することができる。バルク受信器光学系１１４が一緒に機能する複数のレンズを含む更にいくつかの追加及び代替実施形態では、開口絞り１４０７は、バルク送信器光学系１４１４を形成する複数のレンズ内に置かれた１または複数の開口絞りで形成することができる。
【０１４３】
開口絞り１４０３、１４０５、及び１４０７の様々な構成及び場所は、各開口絞りが発光システムで機能する方法を規定することができる。例えば、すべての光円錐１４１２が開口絞り１４０７の場所の近くで実質的に重なるように圧縮される場合、開口絞り１４０７のサイズは、放出コリメートビームの初期直径の両方を制御し、発光体１４０４によって放出された周辺光線を排除することができる。特定の光線角度を排除すると、多くの種類のレーザによって放出される光の波長が角度によって異なるため、バルク光学系から放出される光のスペクトルを効果的に狭めることができる。あるいは、開口絞りのこの最適な場所は、バルク送信器光学系１４１４の設計に応じて、１４０２または１４０３で発生する可能性がある。複数の開口絞り（例えば、すべて１つのバルク送信器光学系１４１４内の１４０２、１４０３、及び１４０４）を同時に使用して、発光システム１４００によって放出される迷光を低減することができる。
【０１４４】
Ｂ．非点収差の光学補正
図７に関して本明細書で述べたように、光検出システム及び発光システムは、同じ保護構造、例えば図７の固定ハウジング７０２、光学的透明窓７０４、及び固定蓋７０６内に封入することができる。いくつかの実施形態では、発光システムから放出された光は透明窓７０４から出て、光検出システムによって検出された光は最初に透明窓７０４に入ることができる。透明窓７０４の湾曲は、非点収差などのいくつかの光学収差を誘発する可能性がある。透明窓は円柱構造を有し、適切に制御できるため、１または複数の追加の光学構造で修正できる。いくつかの実施形態では、発光及び／または検出システムは、本明細書で更に説明されるように、透明窓によって引き起こされる非点収差を補償する補正光学構造で構成され得る。
【０１４５】
図１５Ａ乃至図１５Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による、非点収差に対する補正光学構造の異なる実装態様を有する例示的なアクティブ撮像システムの簡略図の断面図である。具体的には、図１５Ａは、バルク撮像光学系の一部として補正光学構造を有するアクティブ撮像システム１５００の簡略断面図であり、図１５Ｂは、マイクロ光学受信器チャネルアレイの一部として補正光学構造を有するアクティブ撮像システム１５０１の簡略断面図であり、及び、図１５Ｃは、マイクロ光学送信器チャネルアレイの一部として補正光学構造を有するアクティブ撮像装置システム１５０２の簡略断面図である。アクティブ撮像システム１５００、１５０１、及び１５０２はそれぞれ、光検出システム１５０４及び発光システム１５０６を含む。アクティブ撮像装置システム１５００、１５０１、及び１５０２の構成要素は、補正光学構造が追加された図１０のアクティブ光学撮像システム１０００と実質的に同様である。したがって、アクティブ光学撮像システム１０００と共有される構成要素は、簡潔にするために説明されていない。
【０１４６】
図１５Ａに示されるように、アクティブな撮像装置システム１５００は、透明窓１５０８を含むエンクロージャ内に収容することができる。透明窓１５０８は、発光体１５１０が動作する光の波長に対して少なくとも透明である。透明窓１５０８の湾曲形状は、光線１５１１が透明窓１５０８を通ってエンクロージャを出るときに、発光システム１５０６から放出される光線１５１１に非点収差などの光学収差を誘発する可能性がある。次に、光線１５１２は、フィールド内の物体で反射した後、透明窓１５０８を通ってエンクロージャに戻り、受信光線に追加の光学収差を誘発する可能性がある。これらの光学収差を補正するために、光検出システム１５０４は、透明窓１５０８によって誘発される予想非点収差を補償するように特別に設計された補正バルク撮像光学系１５１４を含むことができる。例えば、補正バルク撮像光学系１５１４は、バルク受信器光学系１５１８に加えて補正レンズ１５１６を含むことができる。補正レンズ１５１６は、円柱レンズなどの透明窓１５０８によって引き起こされる非点収差を打ち消すことができる任意の適切なレンズとすることができる。補正レンズ１５１６は、いくつかの実施形態では透明窓１５０８とバルク受信器光学系１５１８との間に、またはいくつかの他の実施形態ではバルク受信器光学系１５１８とマイクロ光受信器チャネルアレイ１５０５との間に位置付けられてもよい。同様に、発光システム１５０６のバルク送信器光学部品に修正バルク光学部品を含めることができる。
【０１４７】
補正光学系をバルク撮像光学系に組み込む代わりに、いくつかの実施形態では、補正光学系をマイクロ光受信器チャネルアレイに実装することができる。例えば、図１５Ｂを参照すると、光検出システム１５０４は、開口部１５２２の前、例えば、光センサ１５２６が位置付けられている開口部１５２２の反対側に、補正レンズアレイ１５２０を含むことができる。そのようにして、光円錐１５２４は、光センサ１５２６に投射する前に、透明窓１５０８によって引き起こされる非点収差を補償するために、それぞれの補正レンズを通って伝播することができる。いくつかの実施形態では、補正レンズアレイ１５２０は、透明窓１５０８によって引き起こされる非点収差を打ち消すことができる円柱レンズのアレイで形成される。補正レンズアレイ１５２０の各補正レンズは、各レンズ１５２２と位置合わせして位置付けることができ、それにより、補正レンズアレイ１５２０は、各光センサ１５２６によって受信される光の透明窓１５０８によって引き起こされる非点収差を打ち消すことができる。
【０１４８】
図１５Ａ及び図１５Ｂは、ＬＩＤＡＲシステムの光検出システム部分を修正して、透明窓１５０８によって引き起こされる非点収差を補正する方法を示しているが、実施形態はそのような構成に限定されず、補正光学系も発光システムに実装することができる。例えば、図１５Ｃを参照すると、アクティブ撮像装置システム１５０２は、開口層１５３０の前、例えば、開口層１５３０の発光体１５１０が位置付けられている側とは反対側に、補正レンズアレイ１５２８を含むことができる。そのようにして、発光体１５１０から放出された光は、バルク送信器光学系１５３４に放出する前に、それぞれの補正レンズ１５２８を通して伝播することができる。この場合、それぞれの補正レンズ１５２８は、光が発光システム１５０６から放出されるときに透明窓１５０８によって引き起こされる非点収差を見越して、それを補償するために、放出光に補正度の非点収差を誘発することができる。いくつかの実施形態では、補正レンズアレイ１５２８は、透明窓１５０８によって引き起こされる等しいが反対の程度の非点収差を誘発することができる双円錐レンズのアレイで形成される。したがって、補正レンズ層１５２８によって誘発される非点収差の量は、透明窓１５０８によって引き起こされる非点収差の程度によって相殺することができ、それにより、アクティブ撮像システム１５０２の動作中に正味の非点収差をほとんどまたは全く達成しない。補正レンズアレイ１５２８の各補正レンズは、各レンズ１５３２と位置合わせして位置付けることができ、それにより、補正レンズアレイ１５２８は、各光センサ１５２６によって受信される光の透明窓１５０８によって引き起こされる非点収差を打ち消すために、補正度の非点収差を誘発することができる。いくつかの実施形態では、補正レンズアレイ１５２８は不要であり得るがある。代わりに、光学面１５３６は、円柱レンズのアレイではなく、双円錐レンズのアレイにすることができる。レンズの双円錐構造は、透明窓１５０８によって引き起こされる非点収差の程度を相殺するために、非点収差の量を誘発する可能性がある。これらの実施形態では、補正レンズアレイ１５２８は、発光システム１５０６に実装されていなくてもよい。更に、いくつかの実施形態では、補正マイクロ光学レンズアレイの代わりに（または組み合わせて）、補正バルク円柱レンズをバルク受信器光学系１５３４で実装することができる（図１５Ａに示される光検出システム１５０４の実施形態と同様）。したがって、発光システム１５０６は、透明窓１５０８によって引き起こされる非点収差を打ち消すために、バルク受信器光学系１５３４の前に補正バルク撮像光学系を含むことができる。
【０１４９】
Ｖ．受信器チャネルクロストークの軽減
本明細書の開示によって理解されるように、マイクロ光学受信器内のチャネルは、互いに非常に近接して、しばしば互いのミクロン以内に位置付けられることが多い。各チャネル間のこの小さな間隔は、問題が発生する機会を招く可能性がある。例えば、バルク撮像光学系を伝播する光によって、迷光が隣接するチャネルに流れ込むことがあり、その結果、フィールド内の各ピクセルの反射光の読み取りが不正確になる。理想的には、図１６Ａに示すように、迷光はどのチャネルでも受信されない。
【０１５０】
図１６Ａは、チャネル間にクロストークがない光検出システム１６００の一部の簡略断面図である。動作中、垂直光線１６０２及び主光線１６０４はバルク撮像光学系１６０６に入り、光円錐１６０８を生成する。光線１６０２及び１６０４は、開口層１６１０の開口部に入り、コリメートレンズ１６１１に入る。コリメートレンズ１６１１は、限られた範囲の入射光角度を受け入れる。例えば、コリメートレンズ１６１１は、垂線に対して＋２５〜−２５度の入射角の光線を受け入れることができる。図１６Ａは、入射角が＋２５度から−２５度の間の光円錐１６０８を示す。主光線１６０４は、開口部の中心を通過する光線である。この例では、主光線１６０４はコリメートレンズ１６１１への入射角が０度である。
【０１５１】
図１６Ｂは、チャネル間にクロストークがある光検出システム１６０１の一部の簡略断面図である。この場合、動作中に、斜め光線１６１２及び主光線１６１４はバルク受信器光学系１６１６に入り、後にコリメートレンズ１６２１に入る。この例では、コリメートレンズ１６２１は、画像の中心から更に離れた光センサに対応するマイクロ光学チャネルに属する。この例では、主光線１６１４の入射角は−１２度で、集束光の円錐の入射角は＋１２度から−３５度である。コリメートレンズ１６２１は、＋２５〜−２５度の入射角の光のみを受け入れるため、光線の一部を排除する。更に、コリメートレンズの受け入れ円錐の外側にある光線は、他の光学面に進み、迷光になる可能性がある。したがって、非テレセントリックバルク撮像光学系は、誤った光線１６２２で他のチャネルを汚染する可能性がある一方で、光検出器に送信する信号光子が大幅に少なくなる。一方、テレセントリックバルク撮像光学系は、入射角が約＋２５〜−２５度の光円錐と、コリメートレンズへの入射角が約０度の主光線を、斜め光線１６１２及び主光線１６１４の角度に関係なく生成する。レーザがテレセントリックである場合（主光線がすべて平行である場合）、ＶＣＳＥＬＳまたはサイド発光体ダイオードレーザバーの場合と同様に、テレセントリックバルク撮像光学系には送信器と同様の利点がある。
【０１５２】
いくつかの実施形態では、光感知モジュールの光検出システムは、入力画像空間テレセントリックバルク撮像光学系を使用する。他のいくつかの実施形態では、例えばコストよりも視野の拡大が性能よりも重要である場合、光検出システムは両凸レンズなどのより標準的な入力バルク撮像光学系を使用してもよい。画像空間テレセントリックレンズへの任意の入力フィールドに対して、結果の主光線は光軸に平行であり、画像側光線円錐はすべてほぼ同じ角度セットに広がる。これにより、光検出システムの光軸から遠く離れたマイクロ光学チャネルで、軸上のマイクロ光学チャネルと同様の性能を達成できる。光検出システムは、これが機能するために完全な画像空間テレセントリック性を必要としないが、しかし、完全なテレセントリック性に近いほど優れている。＋／−２５度の光のみを受け入れることができるマイクロ光学受信器の光学層レンズの場合、入力バルク撮像光学系は、焦点面のすべてのポイントに対して角度が２５度以下の画像側光線を生成することが好ましい。
【０１５３】
特定の実施形態において、広視野及び狭帯域撮像を有する特定の光検出システムは、０．３４に等しい開口数（ＮＡ）及び２０ｍｍの焦点距離を有する入力画像空間テレセントリックバルク撮像光学系を有し得る。同様に、他のいくつかの実施形態は、１ｎｍ幅の帯域通過フィルタを有することができ、それにより、非常に特定の波長の光を検出することが可能になる。光検出システムは、３０度を超えるＦＯＶをサポートできる。
【０１５４】
本開示のいくつかの実施形態によれば、マイクロ光学受信器チャネルアレイの各チャネルの設計は、それぞれの光検出器への迷光の侵入を最小限に抑える特徴を有するように具体的に構成され、これにより、迷光の発生によって引き起こされる悪影響を低減または排除する。図１７は、本明細書の議論においてマイクロ光学受信器チャネルとも呼ばれる例示的なマイクロ光学受信器チャネル構造１７００の簡略断面図である。受信器チャネル１７００は、とりわけ図２及び図１０にそれぞれ示されるマイクロ光学受信器チャネル２３２及び１０３２を表すことができ、広範囲の波長を含む光の入力円錐を受け入れ、動作波長を中心とするこれらの波長の狭い帯域を除くすべてを除外する役割を果たし、光センサ１７７１が、前述の波長の狭帯域内の光子のみまたは実質的に光子のみを検出することを可能にする。本開示のいくつかの実施形態によれば、受信器チャネル１７００などのマイクロ光学受信器チャネル構造は、以下の層を含むことができる。
●バルク受信器光学系２０２または１００８（それぞれ図２及び図１０に示され、図１７には示されない）などの撮像光学系の焦点面に置かれたときに狭い視野を画定するように構成された光学的に透明な開口部１７４４及び光学的に不透明な停止領域１７４６を含む入力開口層１７４０。開口層１７４０は、入力周辺光線ライン１７３３を受信するように構成される。本明細書における「光学的に透明」という用語は、ほとんどまたはすべての光を通過させることを指す。本明細書における光は、近紫外、可視、及び近赤外範囲（例えば３００ｎｍ〜５０００ｎｍ）の光のスペクトルを指す。本明細書における光学的に不透明とは、光をほとんどまたは全く通過させず、むしろ光を吸収または反射することを指す。開口層１７４０は、光学的に不透明な停止領域によって互いに分離された光学的に透明な開口部を含むことができる。開口部と停止領域は、光学的に透明な基板などの単一のモノリシック部品上に構築できる。開口層１７４０は、開口部１７４４の一次元または二次元アレイを任意選択で含むことができる。
●焦点距離により特徴付けられるコリメートレンズ１７５１を含み、焦点距離により開口部１７４４及び停止領域１７４６からオフセットされ、開口部１７４４と軸方向に位置合わせされ、開口部を通過した光子をコリメートして、それらが受信器チャネル１７００の光軸と位置合わせされたコリメートレンズ１７５１の軸にほぼ平行に移動するように構成される、光学レンズ層１７５０。光学レンズ層１７５０は、クロストークを低減するために、開口部、光学的に不透明な領域、及びチューブ構造を任意選択で含むことができる。
●コリメートレンズ１７５１に隣接し、開口部１７４４の反対側にある、典型的にはブラッグ反射型フィルタである光学フィルタ１７６１を含む、光学フィルタ層１７６０。光学フィルタ層１７６０は、特定の動作波長及び通過帯域で通常入射する光子を通過させるように構成することができる。光学フィルタ層１７６０は、任意の数の光学フィルタ１７６１を含むことができる。光学フィルタ層１７６０は、クロストークを低減するために、開口部、光学的に不透明な領域、及びチューブ構造を任意選択で含むことができる。
●光学フィルタ層１７６０に隣接し、光センサ１７７１に入射する光子を検出するように構成された光センサ１７７１を含む、光センサ層１７７０。本明細書の光センサ１７７１は、光子を検出できる単一の光検出器、例えば、アバランシェフォトダイオード、ＳＰＡＤ（単一光子アバランシェ検出器）、ＲＣＰ（共振空洞フォトダイオード）など、または、単一の大きなフォトン検出領域と比較して、より高いダイナミックレンジ、低いダークカウントレート、またはその他の有益な特性を備えた単一の光センサとして機能するために一緒に協力するＳＰＡＤのアレイなどのいくつかの光検出器を指す。各光検出器は、光子、つまり光を感知できるアクティブエリアにすることができる。光センサ層１７７０は、光検出器で作られた層を指し、検出効率を改善し、隣接する受信器構造とのクロストークを低減するオプションの構造を含む。光センサ層１７７０は、必要に応じて、拡散器、収束レンズ、開口部、光学的に不透明なチューブスペーサ構造、光学的に不透明な円錐スペーサ構造などを含み得る。
【０１５５】
迷光は、光学面の粗さ、透明媒体の欠陥、後方反射などによって引き起こされる可能性があり、受信器チャネル１７００内または受信器チャネル１７００の外部の多くの特徴で生成される可能性がある。迷光の方向は、コリメートレンズ１７５１の光軸に非平行な経路に沿ってフィルタ領域１７６１を通り、開口部１７４４とコリメートレンズ１７５１との間で反射し、一般的には、多くの反射と屈折を含む可能性のある他の経路または軌跡を取る。複数の受信器チャネルが互いに隣接してアレイ化されている場合、ある受信器チャネルのこの迷光は、別のチャネルの光センサに吸収され、それにより、光子に固有のタイミング、位相、または他の情報が汚染される可能性がある。したがって、受信器チャネル１７００は、受信器チャネル間のクロストークを低減するためのいくつかの構造を特徴とする場合がある。
【０１５６】
本明細書で更に理解されるように、マイクロ光学チャネル層構造の各層は、迷光の有害な影響を軽減する特定の方法で設計することができる。各層の様々な設計について、以下で更に詳しく説明する。
【０１５７】
Ａ．開口層
図１７に示すように、開口層１７４０を有する実施形態では、光学的に透明な開口部１７４４及び光学的に不透明な停止領域１７４６は、ピンホールを有する金属箔などの単一のモノリシックピースから、またはエッチングされた開口部を有する堆積不透明材料または反射材料の単一層から形成することができる。
【０１５８】
図１８Ａは、開口層１８４０が２つの開口部１８４４を有する異なる実施形態１８００の簡略断面図である。光学的に透明な開口部１８４４及び対応する光学的に不透明な光学停止領域１８４６の両方が、光学的に透明な基板１８４５上に支持されている。下部開口部１８４４はより小さく、バルク光学部品の焦点面に位置付けられてもよい。開口層１８４０の後には、開口部１８４４と受信器チャネルのコリメートレンズ１８５１との間に位置付けられた光学的に透明なスペーサ構造１８５６が続くことができる。光学的に透明なスペーサ構造１８５６は、コリメートレンズ１８５１と実質的に同様またはより大きい直径のチューブを形成する。
【０１５９】
図１８Ｂは、開口層１８４０の異なる実施形態１８０１の簡略断面図である。光学的に透明な開口部１８４４及び光学的に不透明な停止領域１８４６は、光学的に透明な基板１８４５上で支持されている。開口層１８４０に続き、開口部１８４４とコリメートレンズ１８５１との間に位置付けられた光学的に透明なスペーサ構造１８５６は、コリメートレンズ１８５１と実質的に同様またはより大きい直径のチューブを形成する。
【０１６０】
図１８Ｃは、光学的に透明な基板１８４５上に支持された複数の光学的に不透明な停止領域１８４６からなる開口層１８４０の実施形態１８０２の簡略断面図である。これらの層（停止領域１８４６）は、周辺光線（図示せず、図１７の光線１７３３と同様）の輪郭をたどり、受信器チャネルへの迷光を低減する。開口層１８４０の下の光学的に透明なスペーサ構造１８５６は、コリメートレンズ１８５１と実質的に同様またはより大きい直径のチューブを形成する。
【０１６１】
図１８Ｄは、複数の光学的に透明な基板１８４５上に支持された複数の光学的に不透明な停止層１８４６を有する開口層１８４０の実施形態１８０３の簡略断面図である。開口層１８４０は、周辺光線（図示せず、図１７の光線１７３３と同様）の輪郭をたどり、受信器チャネルへの迷光を低減する。開口層１８４０の下の光学的に透明なスペーサ構造１８５６は、コリメートレンズ１８５１と実質的に同様またはより大きい直径のチューブを形成する。
【０１６２】
本開示のいくつかの他の実施形態では、図１８Ａ乃至図１８Ｄに示されるスペーサ構造１８５６は、光学的に不透明であり得る。この場合の光学的に不透明なスペーサ構造は、シリコンまたはガラスのウェハをエッチングすることにより形成でき、光学的に不透明な材料（例えば、黒色クロム）でコーティングすることができる。更に、この場合のスペーサ構造は、スペーサ領域の光が受信器チャネルの外側に移動するのを防ぐ。
【０１６３】
Ｂ．開口層と光学レンズ層との間のスペーサ構造
図１９Ａは、開口層とレンズ層との間に光学的に不透明なスペーサ構造を備えた本開示の実施形態１９００の簡略断面図である。図１９Ａは、開口部１９４４と受信器チャネルのコリメートレンズ１９５１との間に位置付けられた光学的に不透明なスペーサ構造１９５６を示している。光学的に不透明なスペーサ構造１９５６は、コリメートレンズ１９５１と実質的に同じまたはより大きな直径のチューブを形成し、光が開口部１９４４とコリメートレンズ１９５１との間の領域で受信器チャネルの外側に移動するのを防ぐ。光学的に不透明なスペーサ構造１９５６は、シリコンまたはガラスウエハをエッチングすることにより形成でき、光学的に不透明な材料（例えば黒色クロム）でコーティングすることができる。あるいは、光学的に不透明なスペーサ構造１９５６は、成形ポリマーまたは任意の他の適切な方法から製造される固体の不透明な構造であり得る。図１９Ａは、上部に光学的に透明な基板１９４５を有する開口層を示し、その後に光学的に不透明な停止領域１９４６及び開口部１９４４が続き、次に光学的に不透明なスペーサ構造１９５６が続く。
【０１６４】
図１９Ｂは、開口層とレンズ層との間に光学的に不透明な構造を備えた本開示の実施形態１９０１の簡略断面図である。図１９０１は、開口部１９４４とコリメートレンズ１９５１との間に位置付けらえた光学的に不透明なスペーサ構造１９５６を示している。光学的に不透明なスペーサ構造１９５６は、コリメートレンズ１９５１と実質的に同じまたはより大きな直径のチューブを形成し、光が開口部１９４４とコリメートレンズ１９５１との間の領域で受信器チャネルの外側に移動するのを防ぐ。図１９Ｂは、光学的に透明な基板１９４５上に支持された複数の光学的に不透明な停止領域１９４６を示す。
【０１６５】
図１９Ｃは、開口部１９４４が円錐状に位置合わせされ、光学的に透明な材料上にコーティングされた光学的不透明層としての円錐構造の開口層１９４０の実施形態１９０２の簡略断面図である。
【０１６６】
図１９Ｄは、開口部１９４４が円錐状に位置合わせされ、円錐構造が光学的に不透明な材料で形成された中実構造である、開口層１９４０の実施形態１９０３の簡略断面図である。図１９Ｃ及び１９Ｄに示すように、光学的に透明な開口部１９４４及び光学的に不透明な停止領域１９４６は、受信器チャネルの光軸と位置合わせされ、周辺光線ラインの形状に適合するように構成された円錐空洞を有するモノリシック層に組み合わされている（図示せず、図１７の光線１７３３と同様）。
【０１６７】
Ｃ．光学フィルタ層
図２０Ａは、本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用のフィルタ層２０６０の実施形態２０００の簡略断面図である。光学フィルタ層２０６０は、光学的に透明な基板２０６５上に支持された単一の光学フィルタ２０６１を含むことができる。光学フィルタ層２０６０は、光学的に透明な基板２０６５の上または光学的に透明な基板２０６５の下に置かれてもよい。光学フィルタ２０６１は、定義された波長のセット（例えば、９４５〜９５０ｎｍ）の外側の入射光を遮断する帯域通過フィルタであり得る。しかし、いくつかの他の実施形態では、光学フィルタ２０６１は、エッジパスフィルタ、または波長範囲内の光がそれ自体を選択的に通過させる任意の他の適切な種類のフィルタであり得る。
【０１６８】
図２０Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用のフィルタ層２０６０の実施形態２００１の簡略断面図である。光学フィルタ層２０６０は、光学的に透明な基板２０６５に挟まれて支持される２つの光学フィルタ２０６１を含むことができる。光学フィルタ層２０６０は、任意の数の基板２０６５上に任意の数の光学フィルタ２０６１を含むことができる。図２０Ｂに示すような光学フィルタ２０６１の１つは、帯域通過フィルタであり、定義された波長のセット（例えば、９００−９４５ｎｍ及び９５０−９９５ｎｍ）のすべての入射光を遮断する光学的に透明な基板２０６５の上または真下に位置付けられてもよい。光学基板２０６５の反対側に置かれた他の光学フィルタ２０６１は、例えば２００〜９１５ｎｍ及び９８０〜１６００ｎｍをカバーするワイドスペクトル遮断フィルタ（帯域通過フィルタによってカバーされる領域を除く）とすることができる。帯域通過フィルタと遮断フィルタは、２つのフィルタ間の遷移領域に漏れがないように設計されている。ただし、フィルタは、帯域通過フィルタまたはその他の種類のフィルタとして機能するように設計された２つのエッジパスフィルタにすることができる。
【０１６９】
本開示の他のいくつかの実施形態では、帯域通過フィルタ及び広域スペクトル遮断フィルタは、単一の光学フィルタ２０６１に統合され、光学的に透明な基板２０６５の上部または下部のいずれかに置かれる。
【０１７０】
１．開口部を備えたフィルタ層
図２０Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用のフィルタ層２０６０の実施形態２００２の簡略断面図である。光学フィルタ層２０６０は、対応する光学的に不透明な停止領域２０６３及び２０５５とともに、光学フィルタ層２０６０の上部に追加の開口部２０４９及び下部に追加の開口部２０５４を有することができる。開口部２０４９は、光学フィルタ２０６１によって光学フィルタ層２０６０に通過させたい所望の光の最大円筒を画定し、停止領域２０６３は、開口部２０４９の直径の外側の入射迷光を吸収または反射する。開口部２０５４は、光学フィルタ層２０６０から出ることが望ましい光の最大円筒を画定し、停止領域２０５５は、開口部２０５４の直径の外側の入射迷光を吸収または反射する。光学フィルタ２０６１は、光学的に透明な基板２０６５上に支持され得る。
【０１７１】
本開示のいくつかの実施形態では、フィルタ層２０６０は、光学フィルタ層２０６０の上部に置かれた単一の開口部２０４９を有することができる。本開示のいくつかの追加及び代替の実施形態では、フィルタ層２０６０は、光学フィルタ層２０６０の下部に置かれた単一の開口部２０５４を有することができる。
【０１７２】
図２０Ｄは、本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用のフィルタ層２０６０の実施形態２００３の簡略断面図である。光学フィルタ層２０６０は、複数の光学的に透明な基板２０６５と、それらの間に交互の順序で複数の光学的に不透明な開口層とを含むことができる。図２０Ｄは、追加の開口部２０４９及び対応する光学的に不透明な停止領域２０６３を示し、光学フィルタ２０６１の上部に位置付けられ、光学的に透明な基板２０６５によって支持される。開口部２０４９は、光学フィルタ２０６１によって光学フィルタ層２０６０に通過させたい光の最大円筒を画定することができ、停止領域２０６３は、開口部２０４９の直径の外側の入射迷光を吸収または反射することができる。図２０Ｄは、追加の開口部２０５４と、光学フィルタ層２０６０と光センサ層（図示せず、図１７の光センサ層１７７０と同様）との間に位置付けられた対応する光学的に不透明な停止領域２０５５を示す。開口部２０５４は、光学フィルタ層２０６０から光センサに向かって通過させたい光の最大円筒を画定することができ、停止領域２０５５は、開口部２０５４の直径の外側の入射迷光を吸収または反射することができる。集合的に、これらのインターリーブされた層は、１つの光学フィルタ層２０６０内の迷光がマルチ受信器チャネルシステム内の隣接する受信器チャネルの光学フィルタ領域に移動するのを防ぐ。
【０１７３】
２．チューブ構造のフィルタ層
図２０Ｅは、本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用のフィルタ層２０６０の実施形態２００４の簡略断面図である。光学フィルタ層２０６０は、光学フィルタ２０６１及び光学的に透明な基板２０６５を含むことができ、光学的に不透明なチューブ構造２１１１に囲まれ、１つの光学フィルタ層２０６０の迷光が、マルチ受信器チャネルシステムの隣接する受信器チャネルの光学フィルタ領域に移動するのを防ぐ。チューブ構造２１１１は、シリコン、金属、ポリマー、またはガラスを含むがこれらに限定されない様々な材料で形成することができる。
【０１７４】
図２０Ｆは、本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用のフィルタ層２０６０の実施形態２００５の簡略断面図である。光学フィルタ層２０６０は、光学フィルタ２０６１及び光学的に透明な基板２０６５を含むことができ、光学的に不透明なチューブ構造２１１１に囲まれ、１つの光学フィルタ層２０６０の迷光が、マルチ受信器チャネルシステムの隣接する受信器チャネルの光学フィルタ領域に移動するのを防ぐ。チューブ構造２１１１は、シリコン、金属、ポリマー、またはガラスを含むがこれらに限定されない様々な材料で形成することができる。図２０Ｆに示すように、チューブ構造２１１１は、光学フィルタ層２０６０を部分的にのみ通過してもよい。この種類の構造は、フィルタ基板２０６５の各面に深い異方性エッチングを行い、後で金属またはポリマーを選択的に堆積させることで形成できる。
【０１７５】
図２０Ｇは、本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル用のフィルタ層２０６０の実施形態２００６の簡略断面図である。光学フィルタ層２０６０は、光学的に透明な基板２０６５に支持され、光学的に不透明なチューブ構造２１１１に囲まれた２つの光学フィルタ２０６１を含むことができ、１つの光学フィルタ層２０６０の迷光が、マルチ受信器チャネルシステムの隣接する受信器チャネルの光学フィルタ領域に移動するのを防ぐ。しかし、光学フィルタ領域は、光学フィルタ層２０６０内の任意の数の基板２０６５上に任意の数の光学フィルタ２０６１を含むことができる。図２０Ｇは、追加の開口部２０４９及び対応する光学的に不透明な停止領域２０６３を示し、光学フィルタ２０６１の上部に位置付けられ、光学的に透明な基板２０６５によって支持される。開口部２０４９は、光学フィルタ層２０６０に通過させたい光の最大円筒を画定することができ、停止領域２０６３は、開口部２０４９の直径の外側の入射迷光を吸収または反射することができる。
【０１７６】
図２０Ｇの光学フィルタ層２０６０の実施形態２００６は、追加の開口部２０５４を有することができ、対応する光学的に不透明な停止領域２０５５は、光学フィルタ層２０６０と光センサ層との間に位置付けられてもよい（図示せず、図１７の光センサ層１７７０と同様）。開口部２０５４は、光学フィルタ層２０６０から光センサに向かって通過させたい光の最大円筒を画定することができ、停止領域２０５５は、開口部２０５４の直径の外側の入射迷光を吸収または反射することができる。チューブ構造２１１１は、シリコン、金属、ポリマー、またはガラスを含むがこれらに限定されない様々な材料で形成することができる。
【０１７７】
Ｄ．光センサ層
本明細書で理解できるように、様々な異なる光センサ層設計をマイクロ光学受信器チャネルに実装することができる。
【０１７８】
１．拡散器を備えた光センサ層
図２１Ａは、本開示のいくつかの実施形態による、光学フィルタ２１６１と光センサ２１７３との間の光センサ層２１７０に位置する任意の拡散器２１８１を含む受信器チャネル２１３２の実施形態２１００の簡略断面図である。拡散器２１８１は、コリメートレンズ２１５１から出力され、光学フィルタ領域２１６０を通過したコリメートされた光子を、対応する光センサ２１７３の全幅にわたって広げるように構成することができる。光センサ２１７３は、光センサ２１７３の感知エリアを、受信器チャネル２１３２内の他の構成要素の幅または高さよりも広くまたはより高く拡張するために、幾何学的形状が非正方形または非円形（例えば、短くて幅広）であってもよい。
【０１７９】
拡散器２１８１は、光センサ２１７３がその全幅と高さにわたって入射光子を検出できるように、光センサ２１７３の領域全体に光線を拡散するように構成され、それにより、受信器チャネル２１３２の全体の高さを実際的な考慮のために制限する必要がある場合でも、受信器チャネル２１３２のダイナミックレンジが増加する。特に、この実施形態では、受信器チャネル２１３２は、より大きな光検出器２１７１（すなわち、入射光子に敏感な領域）を示す幅広の光センサと、光学フィルタ２１６１を通過した光を光センサ２１７３の全領域に広げて、ダイナミックレンジを拡大する光センサ２１７３上に配置された拡散器２１８１を含むことができる。
【０１８０】
いくつかの実施形態では、光センサ２１７３は、単一光子アバランシェダイオード検出器２１７１（以下「ＳＰＡＤ」）のアレイを含む。受信器チャネルの高さ及び幅（通常、コリメートレンズ２１５１の直径によって定義される）は、比較的少数（例えば２つ）の垂直に積み重ねられたＳＰＡＤのみを収容する場合がある。したがって、光センサ２１７３は、１：１より大きいアスペクト比を画定することができ、拡散器２１８１は、光センサ当たりのより大きな感知面積に対応するために、光センサ２１７３の幾何形状に従って光学フィルタ領域２１６０を通過した光線を広げることができる。すべてのＳＰＡＤが同時に光子を検出できない（つまり「死んでいる」）可能性は低いため、光センサごとにより多くのＳＰＡＤを組み込むことにより、光センサのダイナミックレンジを拡大できる。
【０１８１】
いくつかの他の実施形態では、光センサ２１７３は、光検出器２１７１のアレイを含む。受信器チャネルの高さ及び幅（通常、コリメートレンズ２１５１の直径によって定義される）は、比較的少数（例えば２つ）の垂直に積み重ねられたフォトダイオードのみを収容する場合がある。したがって、光センサ２１７３は、１：１より大きいアスペクト比を画定することができ、拡散器２１８１は、光センサ当たりのより大きな感知面積に対応するために、光センサ２１７３の幾何形状に従って光学フィルタ領域２１６０を通過した光線を広げることができる。すべてのフォトダイオードが同時に飽和する可能性は低いため、光センサごとにより多くのフォトダイオードを組み込むことにより、光センサのダイナミックレンジを拡大できる。
【０１８２】
受信器チャネル２１３２は、追加的または代替的に、光学フィルタ領域２１６０と拡散器２１８１との間、または光学フィルタ領域２１６０と光センサ２１７３との間に挿入された開口層を含むことができ、開口部２１４４は対応するコリメートレンズ２１５１と位置合わせされる。この変形例では、開口部２１４４は、光学フィルタを通過するかまたは光センサによって反射される誤った光線を吸収または反射して、受信器チャネル間のクロストークを更に低減し、それによりシステムのＳＮＲ（信号対雑音比）を更に増加させることができる。
【０１８３】
２．収束レンズセットを備えた光センサ層
図２１Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル２１３２の実施形態２１０１の簡略断面図である。実施形態２１００の光センサ層２１７０は、個別の光検出器２１７１（例えば、ＳＰＡＤ）のセットと、光検出器のセットを包含する非アクティブ領域２１７２（例えば、統合ロジック）のセットで形成される光センサ２１７３を含むことができ、各光検出器は、入射光子を検出するように構成される。光センサ層２１７０は、光学フィルタ領域２１６０と光検出器２１７１を備えた光センサ２１７３との間に挿入され、光センサ２１７３内の個別の光検出器２１７１ごとに１つの収束レンズ２１９１を含む収束レンズセット２１９１も含むことができ、収束レンズセット２１９１の各レンズは、光学フィルタ領域２１６０を通過した入射光子を、対応する個別の光検出器２１７１に集束させる。各収束レンズは共通の焦点距離を示すことができ、収束レンズセット２１９１は、この共通の焦点距離（またはこの共通の焦点距離と実質的に同様の距離）だけ光センサ２１７３上でオフセットでき、各収束レンズは、光学レンズ層２１５０でコリメートされ、光学フィルタ領域２１６０を通過した入射光を、光センサ２１７３の対応する光検出器２１７１に収束することができる。
【０１８４】
いくつかの実施形態において、光学フィルタ領域２１６０と光検出器２１７１を備えた光センサ２１７３との間に挿入された収束レンズセット２１９１は、屈折要素に加えて、または屈折要素の置換の回折要素を使用する。
【０１８５】
３．収束レンズセット及び追加の開口部を備えた光センサ層
図２１Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による、光センサ層２１７０の実施形態２１０２の簡略断面図である。光センサ層２１７０は、収束レンズセット２１９１と、開口部２１５７のセットとを含むことができ、各開口部２１５７は、対応する収束レンズ２１９１と位置合わせされる。この変形例では、各開口部２１５７は、光学フィルタを通過するかまたは光センサによって反射される誤った光線を吸収または反射して、受信器チャネル間のクロストークを更に低減し、それによりシステムのＳＮＲを更に増加させることができる。開口部２１５７のセット及び対応する光学的に不透明な停止領域２１５９は、光学的に透明な基板２１５８上に構築される。
【０１８６】
図２１Ｄは、本開示のいくつかの実施形態による、光センサ層２１７０の実施形態２１０３の簡略断面図である。光センサ層２１７０は、収束レンズセット２１９１と、開口部２１５７のセットとを含むことができ、各開口部２１５７は、対応する収束レンズ２１９１と位置合わせされる。開口部２１５７及び対応する光学的に不透明な停止領域２１５９は、光学的に透明な基板２１５８上に構築される。この変形例では、開口部２１５７は、光検出器２１７１まで完全には通らない。
【０１８７】
図２１Ｅは、本開示のいくつかの実施形態による、光センサ層２１７０の実施形態２１０４の簡略断面図である。レンズセット２１９１と光検出器２１７１との間に、所望の最大光円錐を画定する追加の開口部２１５７及び対応する光学的に不透明な停止領域２１５９のセットを位置付けることができる。開口部２１５７のセット及び対応する不透明停止領域２１５９は、レンズセット２１９１内のすべてのレンズに対して光円錐を画定し、所望の光円錐に含まれない経路に沿って移動する迷光を吸収または反射する機能を果たす。開口部は、標準的な半導体プロセスを使用して製造することができる。
【０１８８】
４．収束レンズセット、及びレンズセットと光センサとの間のスペーサ構造を備えた光センサ層
図２１Ｆは、本開示のいくつかの実施形態による、光センサ層２１７０の実施形態２１０５の簡略断面図である。ここで、光学的に不透明なスペーサ構造２１６３は、レンズセット２１９１と、受信器チャネル２１３２に光検出器２１７１を有する光センサ２１７３との間に位置付けられる。光学的に不透明なスペーサ構造２１６３は、コリメートレンズ（例えば、図１７に示されるコリメートレンズ１７５１）と実質的に同様またはより大きい直径のチューブを形成し、レンズセット２１９１と光センサ２１７３との間の領域で、光が受信器チャネル２１３２の外側に移動するのを防ぐ。光学的に不透明なスペーサ構造２１６３は、光学的に不透明なバルク媒体（例えば、シリコンまたはポリマー）から作成され得る。
【０１８９】
図２１Ｇは、本開示のいくつかの実施形態による、光センサ層２１７０の実施形態２１０６の簡略断面図である。ここで、光学的に不透明なスペーサ構造２１６３は、レンズセット２１９１と光センサ２１７３との間に位置付けられ、光学的に透明な基板（例えばガラス上の黒色クロム）上の光学的に不透明なコーティングから作られる。光学的に不透明なスペーサ構造２１６３は、コリメートレンズ２１５１と実質的に同様またはより大きい直径のチューブを形成し、レンズセット２１９１と光検出器２１７１との間の領域で、光が受信器チャネル２１３２の外側に移動するのを防ぐ。
【０１９０】
５．フィルタ層と光センサ層との間の光センサ層スペーサ構造
図２１Ｈは、本開示のいくつかの実施形態による、光センサ層２１７０の実施形態２１０７の簡略断面図である。光学的に不透明なスペーサ構造２１６３は、光学フィルタ層（例えば、上述の光学フィルタ層のいずれか）と光センサ層２１７０との間に位置付けることができる。光学的に不透明なスペーサ構造２１６３は、コリメートレンズ（例えば、図１７のコリメートレンズ１７５１）と実質的に同様またはより大きい直径のチューブを形成し、光学フィルタ層と光センサ層２１７０との間の領域で、光が受信器チャネル（例えば、図１７のチャネル１７００）の外側に移動するのを防ぐ。光学的に不透明なスペーサ構造２１６３は、シリコンまたはガラスウエハをエッチングすることにより形成でき、光学的に不透明な材料（例えば黒色クロム）でコーティングすることができる。あるいは、光学的に不透明なスペーサ構造２１６３は、成形ポリマーから製造され得る。この実施形態では、レンズセット２１９１は光センサ２１７３に直接接合されている。前の実施形態におけるその機能と同様に、レンズセット２１９１は、非アクティブ領域ではなく、光センサ２１７３の光検出器２１７１上に光を集束させる役割を果たす。これらのレンズは、ウェハ製造プロセスで光センサ２１７３を含むＡＳＩＣの上に直接統合でき、生産が容易になる。
【０１９１】
６．円錐スペーサ構造を備えた光センサ層
図２１Ｉは、本開示のいくつかの実施形態による、光センサ層２１７０の実施形態２１０８の簡略断面図である。この実施形態では、光センサ層２１７０は、レンズセット（図示せず、例えば図２１Ｆ及び図２１Ｇのレンズセット２１９１）と光センサ２１７３との間に位置付けられた円錐状の光学的に不透明なスペーサ構造２１６４のセットを含む。円錐状の光学的に不透明なスペーサ構造２１６４のセットは、それぞれがレンズセット内の個々のレンズとほぼ同様の入射直径を持ち、それぞれが光センサ２１７３の個々の光検出器２１７１と実質的に同様の出口直径を持つ先細チューブを形成できる。円錐状の光学的に不透明なスペーサ構造２１６４のセットは、レンズセットと光センサ２１７３との間の領域で受信器チャネルの外側に光が移動するのを防ぎ、光センサ２１７３の光検出器２１７１に光を導く。円錐状の光学的に不透明なスペーサ構造２１６４のセットは、シリコンまたはガラスウエハをエッチングすることにより形成でき、光学的に不透明な材料（例えば黒色クロム）でコーティングすることができる。代替的に、円錐状の光学的に不透明なスペーサ構造２１６４のセットは、成形ポリマーから製造され得る。
【０１９２】
図２１Ｊは、本開示のいくつかの実施形態による、光センサ層２１７３の実施形態２１０９の簡略断面図である。この実施形態では、光センサ層２１７３は、レンズセット（図示せず、例えば図２１Ｆ及び２１Ｇのレンズセット２１９１）と光検出器２１７１との間に位置付けられた円錐状の光学的に不透明なスペーサ構造２１６４のセットを含む。円錐状の光学的に不透明なスペーサ構造２１６４のセットの内壁は、構造のライトパイプとしての機能を更に増強するために、反射材料（例えばクロム）でコーティングされている。円錐形の光学的に不透明なスペーサ構造２１６４のセットは、それぞれがレンズセット内の個々のレンズとほぼ同様の入射直径を持ち、それぞれが光センサ２１７３の個々の光検出器２１７１と実質的に同様の出口直径を持つ先細チューブを形成する。円錐形の光学的に不透明なスペーサ構造２１６４のセットは、レンズセットと光センサ２１７１の間の領域で受信器チャネルの外側に光が移動するのを防ぎ、光センサ２１７３の光検出器２１７１に光を導く。
【０１９３】
７．共振光共振器ダイオードを備えた光センサ層
図２１Ｋは、本開示のいくつかの実施形態による、光センサ層２１７０の実施形態２１１０を含む受信器チャネル２１３２の簡略断面図である。この実施形態では、光センサ層２１７０は、光子検出効率を改善するために、感光性ダイオードの周りの共振空洞で構成される。各光センサ２１７３は、１または複数の共振光空洞ダイオードを含む。各光センサ２１７３は、１または複数のフォトダイオード２１７４（光検出器）と、領域（共振空洞）の上部及び下部に面する高反射性（例えば、部分鏡面化された）表面とを含む。一般に、非共振空洞ダイオードの光検出器は、比較的低い量子効率を有し得る。光検出器によって検出される光子の割合を改善するために、光検出器の下方で光検出器に面する第１の鏡面２１７５、及び光検出器の上方で光検出器に面する第２の部分鏡面２１７６を含む共振光空洞ダイオード２１７４が使用され、図２１Ｋに示すように光が空洞に入ることも可能にする。したがって、光子が共振光空洞ダイオード２１７４の光検出器を通過して検出されない場合、共振光空洞ダイオード２１７４の光検出器を囲む第１の鏡面２１７５は、空洞の上部反射面２１７６に向かって光子を反射し、再び光検出器を通過させ、光検出器を介した２回目の遷移時に光子を検出する場合がある。ただし、光検出器がこの２回目の衝突で光子を検出できない場合、反射プロセスが繰り返され、２回目の鏡面が光子を反射して光検出器に戻し、光検出器との３回目の衝突時に光子を検出する場合がある。このプロセスは、光センサの光検出器によって光子が検出されるか、光子が逃げるか、空洞に吸収されるまで繰り返される。したがって、共振光空洞ダイオード２１７４は、比較的高い割合の光子検出（すなわち、１００％に近づく）を達成することができる。前述の説明では光の粒子解釈が使用されているが、共振空洞フォトダイオードの完全な説明には波干渉効果の考慮が重要であることに留意されたい。また、共振光空洞ダイオード２１７４のアクティブ領域は、標準のフォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、ＳＰＡＤ、または他の光センサで構成できることに留意されたい。
【０１９４】
図２１Ｋは更に、１または複数の共振空洞フォトダイオード（または「ＲＣＰ」）２１７４が、開口部２１４４、コリメートレンズ２１５１、光学フィルタ領域２１６０、及び前述の拡散器、収束レンズセット、またはクロストーク軽減構造の任意の組み合わせと組み合わせて、受信器チャネル２１３２の変形を形成し得ることを示す。典型的なＲＣＰは、光学フィルタ領域２１６０と同様の波長感度を有し、光学フィルタ領域２１６０と同様の一連の波長の光に敏感になるように設計することができる。ただし、製造またはその他の制限により、ＲＣＰには、ＲＣＰの動作スペクトルの中心波長の部分ごとのばらつきがある場合があるため、すべての光センサがシステムの動作波長で光子を検出できるようにするには、より広い動作波長帯域が必要となる。あるいは、フィルタの通過帯域と同程度に狭い動作波長帯域でＲＣＰを確実に製造することは単に不可能であり得る。例えば、光学フィルタ領域２１６０は０．１ｎｍほど狭い通過帯域を有してもよく、一方、ＲＣＰは１０ｎｍの動作帯域を有してもよい。ＲＣＰ２１７４の上部に光学フィルタ領域２１６０があるため、フィルタとＲＣＰの組み合わせシステムは、光学フィルタ領域２１６０と実質的に同様の有効動作波長帯域を有する。更に、図２１Ｋに示されるように、コリメートレンズ２１５１の結果として提供される集束光とは対照的に、コリメート光を感知するときのＲＣＰ性能が改善される。このようにして、開口部２１４４、コリメートレンズ２１５１、光学フィルタ領域２１６０、及びＲＣＰ２１７４を採用するシステムは、高い光子検出効率及び狭い波長選択性を達成して、受信器チャネル２１３２内のＳＮＲを最大化することができる。
【０１９５】
Ｅ．半球受信器構造
図２２Ａは、本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル２２３２の実施形態２２００の簡略断面図である。実施形態２２００の受信器チャネル２２３２は、光学的に不透明な材料上に支持された凸状半球を含むことができる。この実施形態では、開口層２２４０は、半球２２６７の中心が入射光（周辺光線ライン２２３３）の焦点またはその近くに位置する凸状半球２２６７上にコーティングされた光学フィルタ２２６１と組み合わされる。半球２２６７の中心も、開口部２２４４の中心に対応するか、ほぼ対応する。いくつかの実施形態では、半球２２６７は、図２２Ａに示されるように、開口部２２４４の下にあってもよい。実施形態の利点は、十分によく焦点を合わせた光線円錐のために、光線ライン２２３３がフィルタの表面に垂直な光学フィルタ２２６１を通過し、それにより、光学フィルタ２２６１上の光（例えば、光線２２３３）の入射角の変動によるＣＷＬ（中心波長）シフトがなくなり、それにより、非常に狭い帯域通過（例えば、８５０−８５２ｎｍ）フィルタの使用が可能になる。
【０１９６】
これは、本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル２２３２の実施形態２２０１の簡略断面図である図２２Ｂに更に示されている。図２２Ａの実施形態２２００とは異なり、図２Ｂの実施形態２２０１は、半球２２６７が開口部２２４４の上に位置付けられるように構成され、同様の機能性を達成するが、フットプリントはよりコンパクトである。図２２Ｂに示すように、光学フィルタ２２６１への入射角は、半球２２６７の中心を通過する周辺光線ライン２２３３（及び図２２Ｂに明示的に示されていない他のすべての光線ライン）に対して垂直である。図２２Ｂまたは図２２Ｃには示されていないが、光線は、半球構造を出る際に屈折することに留意されたい。なぜなら、光線は、平面の出口表面に垂直ではないからである。同様に、図２２Ａでは、光線が半球構造の平らな側面に入ると、ある程度の屈折がある。
【０１９７】
図２２Ａから図２２Ｂに示されるように、受信器チャネル２２３２は、クロストークを低減するために、光学的に不透明な停止領域２２４６と光検出器２２７１を備えた光センサ層２２７０との間に側壁２２６３を含む。側壁２２６３は、光学的に不透明な材料で構成するか、光学的に透明な材料で構成することができる。更に、側壁２２６３は、反射性または吸収性の材料でコーティングすることもできる。
【０１９８】
凸状半球表面の拡大図が図２２Ｃに示されており、これは図２２Ａ及び図２２Ｂの凸状半球２２６７の簡略断面図である。凸状半球２２６７は、光学フィルタ２２６１でコーティングされ、金属、シリコン、ポリマーなどの自己支持性の光学的に不透明な停止領域２２４６上に位置付けられてもよい。マイクロ光学チャネルの凸状半球表面がハイパースペクトル撮像装置に使用されるいくつかの実施形態では、光学フィルタ２２６１は不均一になるように構成することができる。例えば、光学フィルタ２２６１は、異なるマイクロ光学チャネルが異なる厚さを有する異なる光学フィルタ層を有する一方向（例えば、厚さ方向）に徐々にまたは段階的に増加する段階的フィルタであり得る。これにより、図３Ａ及び図３Ｂに関して本明細書で説明するように、異なるマイクロ光学チャネルが異なる波長範囲を測定することが可能になる。
【０１９９】
図２２Ｄは、本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル２２３２の実施形態２２０２の簡略断面図である。実施形態２２０２の受信器チャネル２２３２は、剛性の光学的に透明な層上に支持された凸状半球２２６７を含むことができる。この実施形態では、開口層２２４０は光学フィルタ２２６１と組み合わされ、凸状半球２２６７上にコーティングされ、半球２２６７の中心は入射光（光線ライン２２３３）の焦点またはその近くに位置する。半球２２６７の中心も、開口部２２４４の中心に対応するか、ほぼ対応する。図２２Ｄに示すように、半球２２６７は開口層２２４０の下にあってもよい。いくつかの他の実施形態では、半球２２６７は、図２２Ｅに示されるように、開口層２２４０の上にあってもよい。
【０２００】
図２２Ｅは、本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル２２３２の実施形態２２０３の簡略断面図である。図２２Ｄの実施形態２２０２とは異なり、図２Ｅの実施形態２２１５は、半球２２６７が開口部２２４４の上に位置付けられるように構成され、実施形態２２０２と同様の機能を達成するが、フットプリントはよりコンパクトである。
【０２０１】
図２２Ｄ及び図２２Ｅは、凸状半球２２６７が光学フィルタ２２６１でコーティングされ、対応する光学的に不透明な停止領域２２４６とともに開口部２２４４を備えた剛性の光学的に透明な層２２４５（例えばガラス、ポリマー）上に支持された開口層２２４０に刻印されているものを示す。図２２Ｄ及び図２２Ｅに示すように、受信器チャネル２２３２は、クロストークを低減するために、光透過層２２４５と光検出器２２７１を備えた光センサ層２２７０との間に側壁２２６３を含む。側壁２２６３は、光学的に不透明な材料で構成するか、光学的に透明な材料で構成することができる。更に、側壁２２６３は、反射性または吸収性の材料でコーティングすることもできる。図２２Ｄ及び図２２Ｅには示されていないが、剛性の光学的に透明な層２２４５に出入りする光線２２３３の屈折があり得ることに留意されたい。
【０２０２】
図２２Ｆは、本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル２２３２の実施形態２２０４の簡略断面図である。実施形態２２０４は、コーティングされた光学フィルタ２２６１を備えた光学的に透明な材料（例えば、ガラス、ポリマー）で作られた凹状半球２２６７を含むことができる。自己支持開口層２２４０は、凹状半球２２６７に張り出すことができ、光学的に不透明な剛性材料（例えば金属フィルム）で穿孔またはエッチングして、光学的に不透明な停止領域２２４６を形成することができる。図２２Ｆに示すように、半球２２６７は、開口層２２４０の下に位置付けることができる。開口部２２４４の中心は、入射光（光線２２３３）の焦点またはその近くに位置することができる。加えて、半球２２６７の中心は、入射光（光線２２３３）の焦点またはその近くに位置することができる。図２２Ｆに示すように、受信器チャネル２２３２は、クロストークを低減するために、光透過層２２４５と光検出器２２７１を備えた光センサ層２２７０との間に側壁２２６３を含む。側壁２２６３は、光学的に不透明な材料で構成するか、光学的に透明な材料で構成することができる。更に、側壁２２６３は、反射性または吸収性の材料でコーティングすることもできる。
【０２０３】
図２２Ｇは、本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル２２３２の実施形態２２０５の簡略断面図である。図２２Ｆの実施形態２２０４とは異なり、図２Ｇの実施形態２２０５は、半球２２６７が開口部２２４４の上に位置付けられるように構成され、実施形態２２０４と同様の機能を達成するが、実施形態２２０４はよりコンパクトなフットプリントを有し得る。
【０２０４】
図２２Ｈは、本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル２２３２の実施形態２２０６の簡略断面図である。実施形態２２０６の受信器チャネル２２３２は、剛性の光学的に透明な層２２４５によって支持された凹状半球２２６７及び開口層２２４０を含むことができる。いくつかの実施形態では、凹状半球２２６７は、図２２Ｈに示すように、開口層２２４０の下にあってもよい。凹状半球２６７は、コーティングされた光学フィルタ２２６１を備えた光学的に透明な材料（例えば、ガラス、ポリマー）で作ることができる。光学的に透明な開口部２２４４及び対応する光学的に不透明な停止領域２４４を有する開口層２２４０は、開口層２２４０の上面及び下面の両方で光学的に透明な層２２４５によって支持される。開口部２２４４の中心は、入射光（光線２２３３）の焦点またはその近くに位置する。更に、凹状半球２２６７の中心は、入射光（光線２２３３）の焦点またはその近くに位置する。図２２Ｈに示すように、受信器チャネル２２３２は、クロストークを低減するために、光透過層２２４５と光検出器２２７１を備えた光センサ層２２７０との間に側壁２２６３を含む。側壁２２６３は、光学的に不透明な材料で構成するか、光学的に透明な材料で構成することができる。更に、側壁２２６３は、反射性または吸収性の材料でコーティングすることもできる。
【０２０５】
図２２Ｉは、本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル２２３２の実施形態２２０７の簡略断面図である。図２２Ｈの実施形態２２０６とは異なり、図２Ｉの実施形態２２０７は、半球２２６７が開口部２２４４の上に位置付けられるように構成され、実施形態２２０６と同様の機能を達成することができる。
【０２０６】
Ｆ．下部マイクロレンズ層
図２３Ａは、本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル２３３２の実施形態２３００の簡略断面図である。実施形態２３００の受信器チャネル２３３２は、発散光線を光センサのアクティブ部分に導くように構成された１または複数のマイクロレンズ２３９１からなる下部マイクロレンズ層（ＢＭＬＬ）を含むことができる。ＢＭＬＬは光線角度補正を実行して、異なる角度の光を等間隔の光センサに導く。光線角度補正は、レンズの中心と光センサの中心との間の横方向のオフセットを制御したり、レンズを傾けたり、レンズの形状を調整したりすることで達成できる。この動作のより良い説明は、図２３Ｂに見ることができる。
【０２０７】
図２３Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、ＢＭＬＬによる光線角度補正中の光の伝播の拡大図の簡略断面図である。図示のように、発散光線（２３３３）を光センサ層の光検出器２３７１のアクティブ部分に向けるために、マイクロ光学のピッチは一定ではないか、レンズ２３９１のピッチに等しくない。図２３Ａに戻ると、各マイクロレンズ２３９１は、それぞれの光検出器２３７１に対応するように位置付けることができる。
【０２０８】
図２３Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル２３３２の実施形態２３０１の簡略断面図である。実施形態２３０１の受信器チャネル２３３２は、図２３Ａに示されるような複数のマイクロレンズの代わりに、単一のマイクロレンズ２３９１を含むことができる。単一のマイクロレンズ２３９１は、単一の光検出器２３７１の中央に位置付けることができる。マイクロレンズ２３９１は、光を単一の光検出器２３７１に導くように構成できる。
【０２０９】
図２３Ｄ及び図２３Ｅは、本開示のいくつかの実施形態による、それぞれ受信器チャネル２３３２の実施形態２３０２及び２３０３の簡略断面図である。実施形態２３０２の受信器チャネル２３３２は、開口層２３４０及び光学フィルタ２３６１がコーティングされた半球２３６７を支持する光学的に透明な層２３４５の下側に位置付けられたＢＭＬＬを含むことができる。図２３Ｄに示すように、ＢＭＬＬは、発散光を複数の光検出器２３７１に導くための複数のレンズ２３９３で形成することができる。図２３Ｅに示されるように、ＢＭＬＬは、発散光を光検出器２３７１に導くための単一のマイクロレンズ２３９１で形成することができる。
【０２１０】
図２３Ｄ及び図２３Ｅの実施形態２３０２及び２３０３はそれぞれ、剛性の光学的に透明な層２３４５上に支持された凸状半球２３６７を含む。これらの図では、開口層２３４０は光学フィルタ２３６１と組み合わされ、半球２３６７上にコーティングされ、半球２３６７の中心は入射光（周辺光線ライン２３３３）の焦点またはその近くに位置する。半球２３６７の中心は、開口部２３４４の中心に対応するか、ほぼ対応することもできる。凸状半球２３６７は、光学フィルタ２３６１でコーティングされ、剛性の光学的に透明な層２３４５（例えば、ガラス、ポリマーで形成された層）及び対応する光学的に不透明な停止領域２３４６で支持される開口層２３４０に刻印することができる。図２３Ｄ及び図２３Ｅに示すように、受信器チャネル２３３２は、クロストークを低減するために、光学的に透明な層２３４５と光センサ層２３７０との間に側壁２３６３を含む。側壁２３６３は、光学的に不透明な材料で構成するか、光学的に透明な材料で構成することができる。更に、側壁２３６３は、反射性または吸収性の材料でコーティングすることもできる。
【０２１１】
Ｇ．追加の例示的な受信器チャネル
受信器チャネルは、例えば、上述のマイクロ光学受信器チャネルなどのマイクロ光学レベルの構造であり、１または複数の開口層、開口層の下の光学レンズ層、開口部及び光学レンズ層の下の光学フィルタ層、及び他のすべての層の下の光センサ層を含む複数の層から形成できることを理解されたい。このような各層は、クロストークを軽減するための様々な方法、すなわち、図１７〜図２３Ｅに関して本明細書で説明されるように、迷光を隣接する受信器チャネルに露出させる方法で構成できる。受信器チャネルの様々な例は、図１７、図２２Ａ〜図２２Ｉ、及び、図２３Ａ〜図２３Ｅに関して上で説明されている。本開示による受信器チャネルの他の２つの例が図２４及び図２５に示されている。本開示の実施形態は、本明細書で説明される特定の受信器チャネルに限定されない。代わりに、本開示に基づいて、当業者は、他の実施形態では、本開示による受信器チャネルが、他のオプションの中でも、図１８Ａ〜図１８Ｄまたは図１９Ａ〜図１９Ｄのいずれかに関して上述した開口層、図２０Ａ〜図２０Ｇのいずれかに関して上述したフィルタ層、及び／または図２１Ａ〜図２１Ｋのいずれかに関して上述した光センサ層を含むことができることを理解するであろう。
【０２１２】
図２４は、本開示のいくつかの実施形態による、受信器チャネル２４００の例示的実施形態の簡略断面図である。受信器チャネル２４００は、それぞれが光学的に不透明な層２４４６ａ及び２４４６ｂにそれぞれ形成された第１及び第２の開口部２４４４からなる開口層２４４０を含むことができる。いくつかの実施形態では、第１及び／または第２の開口部２４４４は、層２４４６ａ及び２４４６ｂ内の開口部によって画定される空隙で形成することができ、他のいくつかの実施形態では、第１及び／または第２の開口部２４４４は、光学的に透明な材料で形成することができる。第１及び第２の光学的に不透明な層２４４６ａ及び２４４６ｂは、第１及び第２の光学的に不透明な層２４４６ａ及び２４４６ｂの間に挟まれた光学的に透明な基板２４４５によって支持され得る。
【０２１３】
受信器チャネル２４００は、開口層２４４０の下に配設された光学レンズ層２４５０も含むことができる。光学レンズ層２４５０は、コリメートレンズ２４５１及び光学的に不透明なスペーサ構造２４５６を含むことができる。視準レンズ２４５１は、光学的に不透明なスペーサ構造２４５６によって開口層２４４０から分離することができる。いくつかの実施形態において、光学的に不透明なスペーサ構造２４５６は、コリメートレンズ２４５１を囲み、開口層２４４０に向かって延びる円周を有するチューブを形成する。光学的に不透明なスペーサ構造２４５６は、光が開口層２４４０とコリメートレンズ２４５１との間の領域で受信器チャネル２４００の外側に移動するのを防ぐ光学反射材料または吸収材料で形成することができる。
【０２１４】
開口層２４４０及び光学レンズ層２４５０に加えて、受信器チャネル２４００は、光学レンズ層２４５０の真下に位置付けられた光学フィルタ層２４６０を更に含むことができる。光学フィルタ層２４６０は、光学フィルタ２４６１を構造的に支持する光学的に透明な基板２４６５を挟む２つの光学フィルタ２４６１を含むことができる。光学フィルタ層２４６０は、任意の数の基板２０６５上に任意の数及び種類の光学フィルタ２４６１を含むことができる。例えば、光学フィルタ２４６１の１つは、帯域通過フィルタであり、定義された波長のセット（例えば、９００−９４５ｎｍ及び９５０−９９５ｎｍ）のすべての入射光を遮断する光学的に透明な基板２４６５の上または真下に位置付けられてもよい。光学的に透明な基板２４６５の反対側に配置かれた他の光学フィルタ２４６１は、例えば２００−９１５ｎｍ及び９８０−１６００ｎｍをカバーするワイドスペクトル遮断フィルタ（帯域通過フィルタによってカバーされる領域を除く）などの異なるフィルタであり得る。帯域通過フィルタと遮断フィルタは、２つのフィルタ間の遷移領域に漏れがないように設計されている。ただし、フィルタは、帯域通過フィルタまたはその他の種類のフィルタとして機能するように設計された２つのエッジパスフィルタにすることができる。
【０２１５】
光学フィルタ層２４６０のすぐ下に、光センサ層２４７０があってもよい。いくつかの実施形態では、実施形態２４００の光センサ層２４７０は、収束レンズセット２４９１と光センサ２４７３との間に位置付けられた光学的に不透明なスペーサ構造２４６３を含むことができる。光センサ２４７３は、交互配置の非アクティブ領域２１７２（例えば、統合ロジック）の間に位置付けられた個別の光検出器２４７１（例えば、ＳＰＡＤ）のセットで形成することができ、各個別の光検出器は、入射光子を検出するように構成される。収束レンズセット２４９１は、光学フィルタ２４６０と光検出器２４７１を備えた光センサ２４７３との間に挿入でき、光センサ２１７３内の個別の光検出器２４７１ごとに１つの収束レンズ２４９１も含むことができ、収束レンズセット２４９１の各レンズは、光学フィルタ層２４６０を通過した入射光子を、対応する個別の光検出器２４７１に集束させる。各収束レンズは共通の焦点距離を示すことができ、収束レンズセット２４９１は、この共通の焦点距離（またはこの共通の焦点距離と実質的に同様の距離）だけ光センサの感知面上でオフセットでき、各収束レンズは、光学レンズ層２４５０でコリメートされ、光学フィルタ層２４６０を通過した入射光を、光センサ２４７３の対応する光検出器２４７１に収束することができる。光学的に不透明なスペーサ構造２４６３は、コリメートレンズ２４５１と実質的に同様またはより大きい直径のチューブを形成し、レンズセット２４９１と光センサ２４７３との間の領域で、光が受信器チャネル２４００の外側に移動するのを防ぐ。光学的に不透明なスペーサ構造２１６３は、光学的に不透明なバルク媒体（例えば、シリコンまたはポリマー）から作成され得る。
【０２１６】
受信器チャネルの別の例示的な実施形態が図２５に示されている。図２５は、本開示のいくつかの実施形態による、例示的な受信器チャネル２５００の簡略断面図である。受信器チャネル２５００は、開口層２５４０、開口層２５４０の下に配設された光学レンズ層２５５０、及び開口層２５４０及び光学レンズ層２５５０の両方の下の光学フィルタ層２５６０を含むことができる。開口層２５４０、光学レンズ層２５５０、及び光学フィルタ層２５６０は、図２４の対応する構成要素と同じ構造及び機能を有することができる。
【０２１７】
受信器チャネル２５００はまた、光学フィルタ層２５６０のすぐ下に位置付けられた光センサ層２５７０を含むことができる。いくつかの実施形態では、実施形態２４００の光センサ層２５７０は、光学的に不透明なスペーサ構造２５６３、収束レンズセット２５９１、及び光センサ２５７３を含むことができる。図２４の受信器チャネル２４００の収束レンズセット２４９１とは異なり、受信器チャネル２５００の収束レンズセット２５９１は、光学フィルタ層２５６０の下側に直接ではなく、光センサ２５７３の上面に直接位置付けることができる。更に、光学的に不透明なスペーサ構造２５６３は、例えば、図２４の受信器チャネル２４００の光学的に不透明なスペーサ構造２４６３のような固体の光学的に不透明な構造の代わりに、シリコンまたはガラス基板などの光学的に透明な層にコーティングされた光学的に不透明な材料（例えば、黒色クロム）で形成することができる。レンズセット２５９１は、非アクティブ領域２５７２ではなく、光センサ２５７３の光検出器２５７１に光を集束させる役割を果たす。
【０２１８】
実施形態２４００及び２５００のいずれかに従って受信器チャネルを実装することにより、誤った光が隣接する受信器チャネルに露出することを防止することができ、それにより、撮像のために光子をキャプチャする各光センサの能力の精度が増強する。
【０２１９】
ＶＩ．マイクロ光受信器チャネルアレイの変形例
本開示のいくつかの実施形態によれば、マイクロ光受信器チャネルはアレイに編成され得る。アレイは、設計に応じて様々な次元を有することができる。例えば、マイクロ光受信器チャネルのアレイは、ＭとＮが１以上のＭｘＮアレイに配置できる。したがって、マイクロ光受信器チャネルは、図２６〜図３０に関して本明細書で更に議論されるように、一次元及び二次元アレイであり得、各ドットがマイクロ光受信器チャネルを表すマイクロ光受信器チャネルアレイの異なる実施形態を示す。本明細書で前述したように、各受信器チャネルは、互いに積み重ねられた複数の層を含むことができる。したがって、アレイに配置された場合、各マイクロ光学受信器チャネルは、ＭｘＮ配置で何度も再生される個々の要素で構成されるモノリシック層、例えばＭｘＮ開口層アレイ、ＭｘＮマイクロレンズ層アレイ、及びＭｘＮ光センサ層アレイの一部である。接合すると、これらのアレイ層はモノリシックマルチチャネルマイクロ光受信器アレイを作成する。
【０２２０】
図２６は、本開示のいくつかの実施形態による、例示的なマイクロ光受信器アレイ２６００の簡略図である。マイクロ光受信器アレイ２６００は、線形（Ｍｘ１）アレイ、特に１６ｘ１アレイとして構成されている。このレイアウトは、実装態様が一次元でアレイを走査するのに適しているため、高解像度（例えば、１６ｘ１０２４）を達成できる。一例として、５００ミクロンの受信器チャネルピッチの場合、図示されたレイアウトは、約５００ミクロン×８０００ミクロンのサイズのチップに実装することができる。
【０２２１】
図２７は、本開示のいくつかの実施形態による、例示的なマイクロ光受信器アレイ２７００の簡略図である。マイクロ光受信器アレイ２７００は、長方形（ＭｘＮ）アレイ、特に１６ｘ３２アレイとして構成されている。したがって、５００ミクロンの受信器チャネルピッチの場合、図示されたレイアウトは、８，０００ミクロンｘ１２０００ミクロンのサイズのチップに実装することができる。
【０２２２】
図２８は、本開示のいくつかの実施形態による、例示的なマイクロ光受信器アレイ２８００の簡略図である。マイクロ光受信器アレイ２８００は、ＭｘＮ千鳥アレイとして構成されている。この図では、受信器チャネル２８３２は１６ｘ４の千鳥アレイに配置されている。このレイアウトは、実装態様が掃引に適しているため、高解像度（例えば、６４ｘ１０２４）を達成できる。５００ミクロンの受信器チャネルピッチの場合、図２８に示されたレイアウトは、約２０００ミクロン×８３７５ミクロンのサイズのチップに実装することができる。
【０２２３】
図２９は、本開示のいくつかの実施形態による、例示的なマイクロ光受信器アレイ２９００の簡略図である。マイクロ光受信器アレイ２９００は、ワープ線形（Ｍ×１）アレイとして構成されている。この実施形態では、受信器チャネル２９３２間の間隔は不均一である。２９３２−０１として示されている中央付近の受信器チャネルは、互いに近接して（４００ミクロン間隔で）置かれており、２９３２−０２として示されている外部チャネルは、更に離れて（例えば４００ミクロン以上）置かれている。このレイアウトは、レンズの歪み曲線を補正できるという利点を有する（つまり、受信器チャネルの視野間の角度は、物体空間で等間隔になる）。図２９に示される構成は、実装態様が掃引に適しているため、高解像度（例えば、１６×１０２４）を達成するために使用することができる。５００ミクロンの平均受信器チャネルピッチの場合、図示されたレイアウトは、約５００ミクロンｘ８０００ミクロンのサイズのチップに実装することができる。
【０２２４】
いくつかの実施形態では、受信器チャネルは、Ｍ×Ｎワープアレイ（Ｎ≧１）で構成され得る。そのような実施形態では、中央の受信器チャネルは、外部受信器チャネルよりもｘ方向及びｙ方向の両方で互いに遠くに置かれる。これは、レンズの歪みの別の可能な形を修正する。
【０２２５】
図２９は、本開示のいくつかの実施形態による、例示的なマイクロ光受信器アレイ２９００の簡略図である。マイクロ光受信器アレイ２９００は、任意のパターンで構成されている。このレイアウト構成には、レンズの歪みに対応し、タイミングやルーティングの変動を補正する調整を行い、照明源からの任意のパターンを一致させることができるという利点がある。
【０２２６】
本開示を特定の実施形態に関して説明してきたが、本開示は、添付の特許請求の範囲内のすべての修正及び同等物を網羅することを意図していることが理解されよう。
【図１】
2020521954.tif 000003
【図２】
2020521954.tif 000004
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2020521954.tif 000006
【図４】
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【図５Ａ】
2020521954.tif 000008
【図５Ｂ】
2020521954.tif 000009
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2020521954.tif 000015
【図１１】
2020521954.tif 000016
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
2020521954.tif 000020
【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１９Ａ】
2020521954.tif 000030
【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図１９Ｄ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２０Ｄ】
2020521954.tif 000037
【図２０Ｅ】
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【図２０Ｆ】
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【図２０Ｇ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
2020521954.tif 000042
【図２１Ｃ】
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【図２１Ｄ】
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【図２１Ｅ】
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【図２１Ｆ】
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【図２１Ｇ】
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【図２１Ｈ】
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【図２１Ｉ】
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【図２１Ｊ】
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【図２１Ｋ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２２Ｄ】
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【図２２Ｅ】
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【図２２Ｆ】
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【図２２Ｇ】
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【図２２Ｈ】
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【図２２Ｉ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２３Ｄ】
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【図２３Ｅ】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
2020521954.tif 000070
【図２９】
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【図３０】
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【国際調査報告】
2020521954.tif 000073
2020521954.tif 000074
2020521954.tif 000075