利用非發散元件的高光譜解析度顏色傳感器的製作方法

2023-10-09 23:01:24

專利名稱：利用非發散元件的高光譜解析度顏色傳感器的製作方法
技術領域：
本發明描述了用於確定入射光的發源方向和/或光譜構成的光傳感器和光傳感器設備。本發明還描述了收集入射光的方法以及確定入射光的發源方向和/或光譜構成的方法。
背景技術：
在許多照明系統中，例如在其中應當獲得均勻照明效果的辦公室環境或者任何受照室內空間中，對於光強度和光顏色的精確控制將是合乎期望的，而不管是否某些區段具有附加的自然光(例如窗戶區域)而同時其他區段僅由人工光照射。對於使用諸如生成實質上為白色光的白熾燈、滷素燈或螢光燈之類的白色光源的現有技術照明系統來說，所述控制受限於檢測環境中的過亮或過暗區段並且調節相應的光源。在房間或環境中的光的分布被稱作光的「角度分布」。對於使用包括例如被組合來產生白色光的不同顏色光源的發光器的更為先進的照明系統來說，所述控制更加複雜，這是因為紅色、藍色和綠色成分當中的每一個都會影響光的總體色點或色溫。因此，房間內的光可能具有不均勻的「光譜分布」，其中方間的不同部分由不同色溫的光照射。為了控制照明設置，已經基於發散元件的使用在分析這種光譜和角度光分布方面做了一些嘗試，所述發散元件比如有充當帶通濾波器的稜鏡或光柵。在這裡，通過測量在其角度跨距上的光透射來獲得光譜分布。這通常是通過以下方式實現的連續調節包括這種發散元件的傳感器的幾何配置，並且隨後將所述光透射投影到光電二極體或光電倍增器上。為了對利用現有技術的光源進行光譜表徵，必須把發散傳感器安裝在關於光源的固定已知位置處，並且必須把受光角限制到較窄的錐形，以便獲得對應於各個單獨的濾波器的明確定義的透射光譜。但是，為了獲得對於房間或環境中的光的角度分布的準確印象，必須在較寬角度內收集光。利用當前的方法，將必須在房間周圍分布大量傳感器以便獲得對於該房間內的光的光譜構成和空間分布的精確的確定。顯而易見的是，這樣的解決方案將極為昂貴且複雜，這是因為將必須對所有傳感器的輸出進行比較及分析，以便生成針對房間內的(多個)光源的適當控制信號。因此，本發明的一個目的是提供一種精確地確定光的光譜構成和空間分布的直接明了並且經濟的方式。

發明內容
本發明的目的是通過根據權利要求1的光傳感器、根據權利要求8的光傳感器設備、根據權利要求11的收集入射光的方法以及根據權利要求12的確定入射光的發源方向和/或光譜構成的方法而實現的。根據本發明的光傳感器包括濾波器設置，所述濾波器設置包括多個用於對入射光進行濾波的光譜濾波器，其中每一個光譜濾波器被實現為令入射光的不同分量通過。所述光傳感器還包括用於準入入射光的一部分的孔徑設置以及被實現來收集所準入的經過濾波的光的傳感器設置，所述傳感器設置包括用於生成圖像相關信號的傳感器元件的陣列 (或「傳感器陣列」)，並且所述傳感器陣列被細分成多個區段，其中傳感器陣列的區段被分配給相應的光譜濾波器，從而使得由特定區段的傳感器元件生成的圖像相關信號包括關於由相應的光譜濾波器通過的光的發源方向和/或光譜構成的信息。在下文中將把術語「光的不同分量」或「特定光波長」解釋為特定光波長範圍，其可能相對較窄或者相對較寬，這取決於濾波器特性。所述濾波器設置的光譜濾波器優選地被選擇成令各個波長帶的光通過。舉例來說，一個濾波器可以令波長從400nm到440nm的光通過；另一個可以令波長從440nm到480nm的光通過，後面依次類推。如果使用截止濾波器，即短通或長通濾波器，則所述波長範圍分別從零擴展到濾波器的截止波長，或者從濾波器的截止波長擴展到無限大。為了簡單起見，在下文中每當提到由濾波器設置的濾波器通過的光的「波長」時應當被理解成意味著相關的波長帶。此外，光譜濾波器應當被理解成任何與角度相關或與角度無關的濾波器，例如有色玻璃之類的彩色濾波器、光濾波器、二色濾波器等等，其被實現為令特定波長或波長範圍通過，正如下面將要更加詳細地描述的那樣。有利的是，根據本發明的光傳感器允許利用單個濾波器/傳感器設置同時進行光譜分析和角度分析。根據本發明的光傳感器中的傳感器設置可以是單個傳感器晶片，正如下面將要更加詳細地解釋的那樣。這種簡便性與現有技術傳感器不同，現有技術傳感器需要幾個傳感器，並因此需要關於(多個)光源有策略地設置幾個傳感器晶片。在根據本發明的光傳感器中，使用不同的光譜濾波器來選擇性地令入射光根據其波長而通過到所述單個傳感器陣列的不同區段上。由於來自任何或所有方向的入射光根據波長由此被各個光譜濾波器單獨成像在傳感器的不同位置處，因此根據本發明的單個光傳感器的光譜解析度與現有技術光傳感器的光譜解析度相比非常有利。由於根據本發明的光傳感器可以既給出關於傳入光的光顏色又給出關於傳入光的發源方向的信息，因此可以獲得房間或其他環境內的光分布的準確「畫面」。因為其構造簡單，並且由於不像現有技術傳感器那樣需要機械或電子旋轉或平移機制來獲得不同入射角度下的測量以便在操作期間「調諧」光傳感器，因此根據本發明的光傳感器的製造成本與現有技術傳感器相比有利地較低。相應地，根據本發明的收集入射光的方法包括以下步驟通過濾波器設置對入射光進行濾波，所述濾波器設置包括多個用於對入射光進行濾波的光譜濾波器，其中光譜濾波器被實現為令入射光的不同分量通過；以及通過孔徑設置準入濾波器設置處入射的光。 所述方法還包括在傳感器設置處收集所準入的經過濾波的光的步驟，所述傳感器設置包括用於生成圖像相關信號的傳感器元件陣列，所述傳感器陣列被細分成多個區段，並且其中傳感器陣列的區段被分配給相應的光譜濾波器，從而使得由特定區段的傳感器元件生成的圖像相關信號包括關於由相應的光譜濾波器通過的光的發源方向和/或光譜構成的信息。根據本發明的光傳感器設備用於確定所述光傳感器設備處入射的光的發源方向和/或光譜構成，其包括這樣的光傳感器，其響應於由所述光傳感器收集的所準入的經過濾波的光生成圖像相關信號；以及分析單元，其用於分析所述圖像相關信號以便確定所述光傳感器設備處入射的光的發源方向和/或光譜構成。根據本發明的確定入射光的發源方向和/或光譜構成的相應方法包括以下步驟
5利用前面的方法在光傳感器中收集光，以便響應於由所述光傳感器收集的所準入的經過濾波的光生成圖像相關信號；以及分析所述圖像相關信號，以便確定所述光傳感器設備處入射的光的發源方向和/或光譜構成。從屬權利要求和後面的描述特別公開了本發明的有利實施例和特徵。由光傳感器測量的傳入光可能源自許多光源和/或源自自然光，例如從窗戶進入的光。光傳感器可以位於房間、走廊或建築物的任何部分內，但是也可以位於室外的地點。 為了簡單起見，光傳感器的位置在下文中可以被取作「在房間內」，但是這並非以任何方式限制本發明。為了獲得傳入光的有利圖像，在本發明的一個特別優選的實施例中，光傳感器被實現為使得孔徑設置的孔徑位於濾波器設置的光譜濾波器與傳感器設置的相應區段之間。 術語「孔徑」應當按照其最廣泛的含義來解釋，即包括準入到達濾波器的部分光的開口。所述開口可以(但不必需)是在其他地方不透明的層當中的「孔洞」。舉例來說，孔徑可以由在其他地方透明的層當中的不透明區段給出，所述透明層被放置成使得通過濾波器的傳入光在傳感器陣列的相應區段上投下「陰影」。如果所述孔徑是不透明層中的簡單孔洞，則其充當某種針孔攝影機以便獲得光的角度分布的(顛倒)圖像。所述孔徑還用來改進在傳感器陣列處獲得的圖像的質量，這是通過減少任何彗差或模糊以便給出更加銳利的圖像而實現的。由於所述濾波器設置優選地包括被設置在傳感器陣列上方的多個光譜濾波器，因此所述孔徑設置也優選地包括相應的多個孔徑，以便準入通過每一個光譜濾波器的光的一部分。在根據本發明的光傳感器的一種可能的實現方式中，於是將光譜濾波器的陣列放置在相應的孔徑陣列之上，從而在傳感器陣列的相應區段中收集所得到的傳入光的圖像陣列。 傳感器陣列上的每一個「圖像」由一個不同的光譜濾波器產生，並因此與特定的角度和光譜信息相關聯。濾波器、孔徑、透鏡和傳感器陣列被「組裝」的順序可以取決於將對之使用所述光傳感器的應用。舉例來說，在特定情況中可能希望具有其中孔徑處於濾波器陣列「上方」 的光傳感器設備。根據本發明的光傳感器，其中濾波器設置的位置與傳感器陣列相距一定距離，並且其中濾波器設置的每一個濾波器對應於傳感器陣列的一個區段，每一個區段包括多個傳感器元件，所述光傳感器不應與諸如Bayer濾波器之類的「彩色濾波器陣列」混淆，所述彩色濾波器陣列的特徵在於一種不同的構造(即放置在傳感器陣列的每一個像素之上的單個小型濾波器)並且用於完全不同的目的。前面描述的孔徑設置在相當有利地準入傳入光的同時，可以與傳感器陣列上的所準入的經過濾波的光的「擴散」相關聯。因此，在本發明的另一個優選實施例中，為了改進光傳感器的光收集性能，所述光傳感器優選地包括透鏡設置以用於把所準入的經過濾波的光聚焦到傳感器設置的區段上。這樣的透鏡設置的一個實例可以是微透鏡陣列，並且可以被放置在孔徑設置的上方或下方，這取決於其實現方式。可以獲得多種不同類型的微透鏡， 比如可以具有一個平面表面和一個球形凸表面的微透鏡。另一種類型的微透鏡可以具有非球形表面。另一種類型可以包括具有不同折射率的各個平坦光學材料層，以便按照所期望的方式折射傳入光。微透鏡的尺寸可以是從幾微米到大約一毫米的任何尺寸。優選地，微透鏡陣列簡單地包括作為單個結構製造的微透鏡的重複設置。光譜濾波器的一個實例是「光濾波器」，即減少通過其中的光或特定波長的光的透明濾波器，比如吸收濾波器。另一個實例是二色濾波器，其根據幹涉原理操作以便選擇性地令較小顏色範圍的光通過，同時反射其他顏色，從而實際上充當對於入射光的帶通濾波器。 這樣的光譜濾波器在下文中可以被稱作與角度相關的濾波器，這是因為光根據其波長以及根據其入射角度而被濾波器通過。在二色濾波器中，在通常是玻璃的基板上施加交替的光學塗料層，以便選擇性地「增強」光的特定波長並且與其他波長發生「幹擾」。通過適當地選擇各層的厚度和數目，可以按照期望使得由濾波器通過的光的頻帶較寬或較窄。本領域技術人員將認識到，這樣的濾波器在每一個入射角度下具有獨特的光譜響應，也就是說，對於傳入光的每一個入射角度，透射是從表面法向角度情況下的長波長透射到對應於不斷增大的入射角度的較短波長透射變化的明確定義的窄洛倫茲分布。換句話說，當從正上方擊中濾波器時，偏向光譜的「紅色」末端的光的通過性強，而當與光譜濾波器成一定傾斜角度到達時，偏向光譜的「藍色」末端的光的通過性強。這有時被稱作濾波器響應的「藍移」。根據本發明的光傳感器的一個實施例包括濾波器設置，其中各個光譜濾波器包括與角度相關的濾波器。本領域技術人員將認識到，透射峰值將取決於濾波器處入射的光的顏色、光的入射角度以及當然還有濾波器的光譜屬性。因此，對於由傳感器陣列的各個區段給出的信號的分析優選地將這些因素納入考慮。通過把不同的光譜濾波器組合在濾波器設置中，可以分析傳入光的基本上整個波長光譜。舉例來說，可以使用具有由10-100個或更多光譜濾波器構成的陣列的濾波器設置，其中各個光譜濾波器被選擇成在從400nm到SOOnm的波長範圍內的光譜峰值位置具有遞增的步長。一個光譜濾波器可能僅令400nm-440nm範圍內的光通過，另一個可能僅令從大約440nm-470nm的光通過，後面依次類推，從而基本上覆蓋可見光譜的波長。所述濾波器設置可以只包括與角度無關的濾波器、只包括與角度相關的濾波器或者包括兩種類型的組合。還可以使用長通濾波器或短通濾波器。還可以層疊各個濾波器，例如將長通濾波器與短通濾波器相組合以便給出帶通濾波器。還可以結合對於通過具有鄰近截止波長的一對濾波器的光的差分檢測使用具有不同截止波長的短通濾波器或長通濾波器的集合。這一點例如可以藉助於測量通過兩個鄰近濾波器的對應光強度並且將所測得的信號相減而實現。顯而易見的是，通過使用具有更窄帶通區段的更多光譜濾波器將給出關於傳入光的光譜和角度分布的更加準確的「畫面」。當使用與角度相關的濾波器時，可以使用在傳感器陣列的相應區段處獲得的角度信息來導出傳入光的光譜屬性。在與角度無關的濾波器的情況下，可以彼此獨立地考慮在傳感器陣列的相應區段處獲得的光譜和角度信息。可以通過使用具有陡峭邊沿的吸收濾波器來減小濾波器的角度相關性。實際的傳感器陣列或「圖像傳感器」可以包括任何適當的光電傳感器以作為傳感器元件。舉例來說，可以使用電荷耦合器件。由於近年來半導體光電傳感器的發展，可以獲得基於有源像素傳感器(APS)技術的精確且經濟的CMOS設備，其中圖像的每一個「像素」或傳感器元件包括光電傳感器和有源放大器。因此優選的是，根據本發明的光傳感器中的傳感器設置包括由有源像素傳感器構成的傳感器陣列。這樣的APS傳感器陣列是利用CMOS (互補金屬氧化物半導體)工藝製造的，並且還常常被簡單地稱作CMOS傳感器。陣列中的每一個有源像素生成與該像素處的傳入光的強度直接相關的信號值。於是與光譜濾波器相組合，APS圖像傳感器的像素可以給出輸出信號，所述輸出信號提供關於該特定光譜分量的強度以及關於傳入光的入射角度的信息。
傳感器陣列的各個區段可以被分配給相應的光譜濾波器，這取決於圖像傳感器的規格。舉例來說，1. 3兆像素CMOS傳感器(USOxlOM像素)可以實際上被劃分成對應於每一個光譜濾波器的包括51x51像素(2601個像素)的各個區段。當然也可以使用其他傳感器陣列幾何結構，比如具有M個通道或區段的「狹窄」 1280x51陣列，其中每一個通道或區段的尺寸為51x51像素。取決於各個光譜濾波器的空間設置，不管其是正方形還是矩形，諸如圖像傳感器的外部邊沿或各個區段之間的「條帶」之類的一些區段可以保持實際上不被使用或者是冗餘的。還可以基於應用來選擇圖像傳感器。舉例來說，包括矽的圖像傳感器對190nm到IlOOnm之間的光波長敏感。鍺傳感器元件會對從400nm到1700nm的波長做出響應。砷化鎵銦傳感器對於800nm到^OOnm之間的波長敏感，而硫化鉛傳感器元件則對從大約IOOOnm到3500nm的波長做出響應。由於光譜濾波器由其將傳入光偏向較長波長移動來表徵，因此在紅外區段(較長波長)內響應良好的材料可以更好地檢測傳入光的「紅色」水平。因此，在根據本發明的光傳感器中，與光譜濾波器相關聯的一個區段內的每一個像素與特定光波長和/或特定入射角度相關聯。考慮到光通過孔徑並且可能由微透鏡聚焦，顯而易見的是，到達所述區段的特定像素處的光與特定波長和特定入射角度相關聯。因此，到達所述濾波器設置的各個光譜濾波器處的一個房間內的光將在傳感器陣列的每一個區段上得到不同的「圖像」。因此，根據本發明的光傳感器的分析單元優選地還包括用於存儲參考值集合的存儲器，其中每一個參考值與傳感器設置的傳感器元件或像素相關聯。如果在所述濾波器設置中使用了與角度相關的濾波器，則對應於傳感器陣列的區段的每一個傳感器元件的參考值優選地被計算成考慮到相應濾波器的與角度相關的光譜屬性，以及每一個像素或傳感器元件關於該濾波器的中心的相對位置。隨後可以把由各個區段的傳感器元件所生成的像素值或光構成值與相應的參考值進行比較。為此，所述光傳感器設備優選地還包括比較器，以用於把由有源像素傳感器生成的光構成值與相應的參考值進行比較。 如果圖像傳感器是單色的，則所述參考值可以包括簡單的最小強度閾值。低於該閾值的數值對應於相應的波長和入射角度下的「弱」光強度，其例如可以被忽略。在RGB圖像傳感器的情況下，可以對於每一個像素存儲對應於光的紅色、藍色和綠色分量的不同參考值。對於圖像傳感器(不管是單色還是RGB)的選擇可以在所使用的光譜濾波器類型以及所期望的硬體/軟體複雜度水平的基礎上來做出。為了使用比較器結果，所述光傳感器設備於是優選地包括控制信號發生器，其基於與入射光的構成有關的光構成值生成用於光源的控制信號，以便調節所述光源的顏色和/或強度。舉例來說，傳感器陣列的特定區段可能表明來自房間的特定部分的光過涼並且強度不足。在這種情況下，可以為相應的發光器生成適當的控制信號，以便在房間的該區域內生成更暖、更亮的光。根據本發明的照明設置包括多個用於生成光的光源以及光傳感器設備，所述光傳感器設備用於確定入射在所述光傳感器設備處的源自所述光源的傳入光(並且可能還有日光)的發源方向和/或光譜構成，並且相應地生成用於至少其中一個光源的控制信號。所述照明設置還包括控制接口，其用於向相應的光源施加控制信號。所述控制接口可以是有線的或無線的(例如機11討0討『或21813擾接口)，並且可以利用適當的協議生成及傳送控制信號。所述照明設置的每一個光源優選地包括適當的接收器，以用於接收及應用控制信號。最好可以利用一個實例來對此進行解釋，比如一個房間，其具有窗戶區、走廊區以
8及具有分布在所述房間內的多個光源的照明設置。所述光傳感器連同其光譜濾波器陣列被定位在所述房間內的某處，其獲得光分布的「圖像」集合。由於通過分析這些圖像可以容易地確定光的角度和光譜分布，因此正如下面將參照附圖更加詳細地解釋的那樣，可以通過生成適當的控制信號來補償任何不令人滿意的光質量。舉例來說，如果觀察到對應於窗戶區域的圖像相對較亮(發黃的日光)，同時觀察到對應於走廊區域的圖像過涼(發藍的人工光)，則可以由所述光傳感器設備為房間內的各個光源生成控制信號，以便改動光強度或色點，從而補償任何「不均勻性」。可替換地，可以產生並保持特定的「光氛圍」，例如對於特定區域的特定顏色的照明。可以不時地實施這種類型的閉環反饋分析，從而在一天當中執行對於光質量的平滑適配。經過優化的光控制導致能量消耗的有利減少。通過下面結合附圖考慮的詳細描述，本發明的其他目的和特徵將變得顯而易見。 但是應當理解的是，附圖的設計目的僅僅是為了說明而不是限制本發明。


圖1示出了在通過二色光譜濾波器進行濾波之前和之後的光的光譜分布的曲線圖2示出了對應於通過二色光譜濾波器進行了濾波的光的透射峰值的更加詳細的呈
現；
圖3示出了根據本發明的光傳感器的傳感器設置的區段的簡化呈現，並且示出了與不同光波長相關聯的各個角度區段；
圖4示出了根據本發明的一個實施例的光傳感器的濾波器設置和傳感器設置； 圖5示出了根據本發明的光傳感器的一個實施例中的傳感器設置的孔徑、微透鏡陣列和區段；
圖6示出了到達圖5的設置的光束路徑；
圖7a示出了根據本發明的一個實施例的光傳感器中的光譜濾波器和傳感器設置的簡化呈現，其中光束與光譜濾波器成一定傾斜角度到達；
圖7b示出了根據本發明的一個實施例的光傳感器中的光譜濾波器和傳感器設置的簡化呈現，其中光束從光譜濾波器正上方到達；
圖8通過根據本發明的光傳感器的一個實施例示出了側視圖； 圖9示出了用於控制多個光源的根據本發明的一個實施例的光傳感器設備的方框圖。在附圖中，相同的附圖標記始終指代相同的對象。附圖中的各個對象不必需是按比例繪製的。
具體實施例方式圖1示出了通過二色或與角度相關的光譜濾波器10進行濾波之前和之後的光的光譜分布的曲線圖。圖中的上半部分中的曲線圖示出了光的基本上均勻的光譜分布，也就是說所述光包括多個不同的波長分量。當光與光譜濾波器成一定傾斜角度到達時，只有偏向光譜的藍端的光被通過，並且其他波長被反射。這一點由圖中左側的濾波器10示出。從上方(即對於濾波器的表面法向)到達的光被濾波成使得主要具有紅色波長的光被通過，而其他波長則被反射。圖中的下半部分示出了所得到的透射峰值，並且示出了具有對應於「藍色」波長(虛線)的較低最大值和對應於「紅色」波長(點線)的高最大值的洛倫茲分布。圖2示出了對應於由二色光譜濾波器進行濾波的光的透射峰值的更加詳細的呈現。Y軸代表以百分比計的透射T，並且X軸代表以納米計的波長λ。在這裡，對於在表面法向(即對於濾波器成0° )到達的光的更長波長獲得最強峰值。對於逐漸增大的入射角度觀察到相繼更低的峰值，即15° (發紅)、30° (綠色)和45° (藍色)，從而表現出二色光譜濾波器的偏移屬性。圖3示出了根據本發明的光傳感器的傳感器設置的區段30的簡化呈現，其具有與不同光波長相關聯的角度區段31、32。在這裡，二色濾波器被用作光譜濾波器，正如前面藉助於圖1和2所解釋的那樣。每一個正方形代表一個傳感器元件130或像素130，其可以被實現為有源像素傳感器(APS)。(單個孔徑或孔徑/透鏡組合下方的)區段30的各個像素上的徑向模式與圖2中所描述的不同光譜線有關。內環31對應於具有較長波長的光，而外環 32則對應於具有較短波長的光。環31、32內的像素可以記錄相應波長下的傳入光強度，並且區段30的每一個像素可以與特定波長相關聯。轉角中的像素可以保持實際上不被使用。圖4示出了根據本發明的一個實施例的光傳感器1的濾波器設置11和傳感器設置13。為了清楚起見，圖中沒有示出孔徑設置和微透鏡陣列，但是其可以被顯現為位於傳感器設置13與濾波器設置11之間。這一非常簡化的圖示僅僅表明了像素設置。在實際情況中將使用大得多的像素陣列，例如1. 3兆像素COMS傳感器。這將允許近似50個光譜濾波器F1, F2,…，Fn以用於將光成像到傳感器的51x51個像素陣列區段上。在1. 3兆像素CMOS 傳感器的情況下，所述圖像傳感器的規格可以包括大約6. 6x5. 32mm。圖中所示的每一個二色濾波器F1, F2,…，Fn的尺寸大約是1mm2。每一個濾波器F1, F2,…，Fn又與一個區段或像素陣列相關聯，例如51x51像素的陣列。對於1. 3兆像素CMOS傳感器來說，這對於傳感器陣列的每一個區段給出了大約0. 255mmx0. 255mm的面積。圖5示出了根據本發明的光傳感器的一個實施例中的孔徑設置12的孔徑120、微透鏡陣列14和傳感器設置的區段隊。該圖示出了孔徑設置12與圖像傳感器13之間的微透鏡陣列14的各個微透鏡的優選設置。在這裡，孔徑120被顯示為矩形開口，但是當然可以具有任何其他適當的形狀，比如圓形開口或者沿著孔徑設置12的長度的縫隙。為了清楚起見，在圖中沒有示出與該區段R1相關聯的濾波器設置的光譜濾波器。實際上，對於傳感器陣列的一個區段札僅僅使用一個微透鏡，但是更容易把各個微透鏡製造成「整體的」。在圖中僅僅示出了與一個區段R1相關聯的孔徑設置12的該部分，但是這基本上是重複的，從而使得圖像傳感器的每一個區段具有其自身的孔徑以及其自身的光譜濾波器。圖6示出了圖4的設置的另一個視圖，以及在由相關聯的光譜濾波器(未在圖中示出)進行了濾波之後到達所述孔徑的光L的光束60的路徑。如圖中清楚地示出的那樣，光的光束60由所述孔徑/透鏡組合聚焦，從而激勵區段隊的相應節段61中的各個像素。只有這些像素將響應於光的傳入光束60而生成適當的信號，並且因此包括諸如對應於該光的光束60的光強度和波長的光構成信息。該圖還示出，在定位於與一個濾波器相對應的傳感器區段之上的微透鏡當中，只有一個透鏡被用於對光進行聚焦，而該區段之上的其他透鏡則是冗餘的。這一點對於所述光傳感器的所有其他區段/濾波器當然都適用，並且在這裡出於說明的目的僅僅示出了一種這樣的組合。為了更好地理解根據本發明的光傳感器1的運作，圖7a和7b示出了光譜濾波器F1和傳感器設置的相應區段R1的簡化呈現。在這裡，光譜濾波器Fp F2可以是沒有角度相關性的簡單光濾波器。為了清楚起見，在圖中沒有示出孔徑也沒有示出微透鏡，但是假設其存在，正如對於所準入的經過濾波的光L』的光束的聚焦所表明的那樣。在圖7a中，光L的光束與光譜濾波器F1成一定傾斜角度α到達。取決於光譜濾波器F1的屬性，只有特定波長的光才被濾波器F1通過，從而到達傳感器陣列的該區段R1的區域71內的像素，其他波長則簡單地被反射。在知曉濾波器F1的屬性的情況下，可以分析所得到的信號S1,以便推斷出關於傳入光的光譜信息。在知曉區域71關於區段R1的中心70的位置的情況下，所述信號 S1產生關於傳入光的角度信息。舉例來說，該光譜濾波器F1把關於該波長的光存在的信息貢獻到在一定角度α下到達光傳感器的光的特定強度。所述濾波器設置中的每一個光譜濾波器都貢獻這樣的信息。舉例來說，圖7b示出了另一個光譜濾波器F2，其僅令第二波長的光通過。在這裡，基本上從表面法向到達(入射角度實際上=0° )的該波長的光被通過， 從而到達區段71。同樣地，所得到的信號&產生關於到達濾波器F2的光L的光譜和角度信息。如果將使用二色光譜濾波器，則將根據各個濾波器的角度相關性來解釋所得到的信號。所述入射角度與光L關於光傳感器1的發源直接相關，並且可以從傳感器陣列上的「圖像」的位置導出。在分析單元2中相應地分析由傳感器元件生成的信號SpS215如果替換地將使用與角度相關的濾波器，則可以使用由傳感器元件提供的角度信息來導出關於傳入光 L的光譜信息。來自光傳感器的濾波器設置中的所有光譜濾波器的組合信息給出關於房間內的光的角度和光譜分布的總體「畫面」。圖8通過根據本發明的光傳感器1的一個實施例示出了非常簡單的側視圖，並且示出了其中光譜濾波器F1被放置在具有孔徑120的孔徑設置12上方的一種設置，孔徑120 又位於微透鏡140上方。到達光譜濾波器F1的光L的一部分由孔徑120準入並且由微透鏡 140聚焦。如圖所示在一定傾斜角度下到達的光由孔徑120收集並且由透鏡140聚焦。所準入的經過濾波的光L』擊中CMOS傳感器13的相應區段R1的一些像素(由影線表示)，所述像素與區段R1的中心相距一定距離。傳感器13包括有源像素傳感器130的陣列，其中每一個有源像素傳感器可以響應於傳入光生成信號。每一個有源像素傳感器130的信號被組合以給出對應於該區段R1的信號S1並且被轉發到分析單元，正如藉助於圖9將解釋的那樣。圖9示出了根據本發明的一個實施例的光傳感器設備10的照明設置的方框圖，其用於控制多個光源Ρ」Ρ2、Ρ3。在這裡，光傳感器設備10包括光傳感器1和分析單元2。分析單元2可以是任何適當的數字處理單元(DPU) 2。由與光譜濾波器F1, F2，…，Fn相關聯的傳感器陣列的各個區段的傳感器元件生成的信號S1, S2,…，&被傳遞到分析單元2的比較器21，其中把各個單獨的像素值與獲取自存儲器20的參考值200進行比較，以便導出對應於傳入光的光構成值210。如果光譜濾波器F1, F2,…，Fn是短通或長通濾波器的話，比較器210還可以被配置成提供差分檢測。這可以通過把與具有鄰近截止波長的一對光譜濾波器F1, F2,…，Fn相關聯的傳感器元件生成的一對信號S1, S2,…，Sn相減而實現。對信號 S1, S2, -,Sn的分析可以表明，來自光源Pp P2, P3的傳入光具有一定的光譜和角度分布，例如對應於光源P1的過亮區段，對應於光源P2的過於發紅的區段，以及對應於光源P3的過於發綠的區段。隨後可以在控制信號發生器22中生成控制信號Cp C2, C3以便適當地控制光源PpP2、P3。在該例中，控制信號C1可以用來對光源P1進行調光，控制信號C2可以用來減小由光源P2生成的光的紅色分量，並且控制信號C3可以用來減小由光源P3生成的光的綠色分量。藉助於通信接口 23、對將所述信號轉發到各個光源，所述通信接口包括光傳感器設備10中的發送器23以及對應於每一個光源ΡρΡ2、Ρ3的接收器對。可以連續地或者以預定間隔實施對信號的分析，例如按照適當情況每10分鐘或者每半小時實施分析。例如還可以根據通過窗戶進來的任何自然光的亮度來動態地適配所述間隔。所述照明設置例如可以被安裝在商店櫥窗中，其中對產品進行人工照射以便產生特定的彩色效果、「光氛圍」或陰影效果，即使在日光或陽光改變外部照射時也是如此。在分析信號S1, S2,…，&時可以考慮到預定義的照明參數，以便例如儘可能自然地照射商店櫥窗中的對象或產品。當把照明設置安裝在辦公室環境中時，在其中應當優選地模仿日光而不管外部天氣狀況或日間時的情況，可以定義光的所期望的特定光譜特性，並且可以在一天當中連續地調節光源的強度和色溫。為了清楚起見，應當理解的是，在本申請中使用的「一」或「一個」不排除多個，並且「包括」不排除其他步驟或元件。除非另行聲明，否則「單元」或「模塊」可以包括多個單元或模塊。
權利要求
1.一種光傳感器(1)，其包括濾波器設置(11)，所述濾波器設置(11)包括多個用於對入射光(L)進行濾波的光譜濾波器(F1, F2,…，Fn)，其中光譜濾波器(F1, F2,…，Fn)被實現為令入射光(L)的不同分量通過；用於準入入射光(L)的一部分的孔徑設置(12)；被實現來收集所準入的經過濾波的光(L』)的傳感器設置(13)，所述傳感器設置(13) 包括用於生成圖像相關信號(S，S1, S2, -,Sn)的傳感器元件(130)的陣列，並且所述傳感器陣列被細分成多個區段(R1, R2,…，I n)，其中所述傳感器陣列的區段(R1, R2,…，被分配給相應的光譜濾波器(F1, F2,…，Fn)，從而使得由特定區段(R1, R2,…，Rn)的傳感器元件(130) 生成的圖像相關信號(S)包括關於由相應的光譜濾波器(F1, F2，…，Fn)通過的光的發源方向和/或光譜構成的信息。
2.根據權利要求1的光傳感器(1)，其被實現為使得孔徑設置(12)的孔徑(120)位於濾波器設置(11)的光譜濾波器(F1, F2，…，Fn)與傳感器設置(13)的相應區段(R1, R2，…，IU 之間。
3.根據權利要求1或權利要求2的光傳感器(1)，其包括透鏡設置(14)以用於把所準入的經過濾波的光(L』)聚焦到傳感器設置(13)的區段(R1, R2，…，Rn)上。
4.根據任一條在前權利要求的光傳感器(1)，其中，濾波器設置(11)包括由至少30個濾波器(F1, F2，…，Fn)構成的陣列，並且所述傳感器元件(130)的陣列被細分成相應數目的區段(R1, R2,...，Rn),從而使得每一個區段(R1, R2,...，Rn)對應於特定的濾波器(F1, F2,... ，Fn),並且其中每一個濾波器(F1, F2,…，Fn)被分配給孔徑設置(12)的特定孔徑(120)和透鏡設置(14)的特定透鏡(140)。
5.根據任一條在前權利要求的光傳感器(1)，其中，濾波器設置(11)的濾波器 (F1, F2, ...，Fn)包括與角度相關的濾波器(F1, F2, ...，Fn)0
6.根據權利要求1-4當中的任一條的光傳感器(1)，其中，濾波器設置(11)的濾波器 (F1, F2, ...，Fn)包括與角度無關的濾波器(F1, F2, ...，Fn)0
7.根據任一條在前權利要求的光傳感器(1)，其中，傳感器設置(13)包括有源像素傳感器(130)的陣列。
8.一種光傳感器設備(10)，其用於確定所述光傳感器設備(10)處入射的光(L)的發源方向和/或光譜構成，其包括根據權利要求1到7當中的任一條的光傳感器(1)，其響應於由光傳感器(1)收集的所準入的經過濾波的光(L』 )生成圖像相關信號(S，S1, S2, -,Sn)；分析單元(2)，其用於分析所述圖像相關信號(S1, S2,-,Sn)以便確定光傳感器設備 (10)處入射的光(L)的發源方向和/或光譜構成。
9.根據權利要求8的光傳感器設備(10)，其中，傳感器設置(13)的每一個傳感器 (130)與特定光波長和/或特定入射角度相關聯，並且所述分析單元(2)包括用於存儲參考值(200)的集合的存儲器(20)，其中每一個參考值(200)與傳感器設置 (13)的傳感器元件(130)相關聯；以及比較器(21)，其用於把由傳感器設置(13)的傳感器元件(130)生成的信號(S)與相應的參考值(200)進行比較，以便導出對應於該波長和/或入射角度的光構成值(210)。
10.根據權利要求8或9的光傳感器設備(10)，其包括控制信號發生器(22)，所述控制信號發生器(22)基於與入射光(L)的構成有關的光構成值(210)生成用於光源(P1, P2，P3) 的控制信號(C1, C2, C3),以便調節光源(P1, P2, P3)的顏色和/或強度。
11.一種照明設置(90)，其包括用於生成光(L)的多個光源(P1, P2, P3)；根據權利要求8-10當中的任一條的光傳感器設備(10)，其用於確定所述光傳感器設備(10)的光傳感器(1)處入射的光(L)的發源方向和/或光譜構成，並且相應地生成用於至少其中一個光源(P1, P2, P3)的控制信號(C1, C2, C3)；以及用於向相應的光源(P1, P2，P3)施加控制信號(C1, C2, C3)的通信接口(23，24).
12.一種收集入射光(L)的方法，所述方法包括以下步驟通過濾波器設置(11)對入射光(L)進行濾波，所述濾波器設置(11)包括多個用於對入射光(L)進行濾波的光譜濾波器(F1, F2,…，Fn)，其中光譜濾波器(F1, F2,…，Fn)被實現為令入射光(L)的不同分量通過；通過孔徑設置(12)準入入射光(L)的一部分；在傳感器設置(13)處收集所準入的經過濾波的光(L』)，所述傳感器設置(13)包括用於生成圖像相關信號(S，S1, S2,…，Sn)的傳感器元件(130)的陣列，所述傳感器陣列(13)被細分成多個區段(R1, R2,...，Rn),並且其中所述傳感器陣列(13)的區段(R1, R2,...，Rn)被分配給相應的光譜濾波器(F1J2, ···』 )，從而使得由特定區段(R1A2，…，的傳感器元件 (130)生成的圖像相關信號(S)包括關於由相應的光譜濾波器(F1, F2,…，Fn)通過的光的發源方向和/或光譜構成的信息。
13.一種確定入射光(L)的發源方向和/或光譜構成的方法，所述方法包括以下步驟在光傳感器(1)中收集光(L)，以便響應於由光傳感器(1)利用根據權利要求11的方法收集的所準入的經過濾波的光(L』)生成圖像相關信號(S，S1, S2, -,Sn)；以及分析所述圖像相關信號(S1, S2, -,Sn),以便確定光傳感器設備(10)處入射的光(L)的發源方向和/或光譜構成。
全文摘要
本發明描述了一種光傳感器(1)，其包括濾波器設置(11)，所述濾波器設置(11)包括多個用於對入射光(L)進行濾波的光譜濾波器(F1,F2,…,Fn)，其中光譜濾波器(F1,F2,…,Fn)被實現為令入射光(L)的不同分量通過；用於準入入射光(L)的一部分的孔徑設置(12)；以及被實現來收集所準入的經過濾波的光(L』)的傳感器設置(13)，所述傳感器設置(13)包括用於生成圖像相關信號(S,S1,S2,…,Sn)的傳感器元件(130)的陣列，所述傳感器陣列被細分成多個區段(R1,R2,…,Rn)，其中所述傳感器陣列的區段(R1,R2,…,Rn)被分配給相應的光譜濾波器(F1,F2,…,Fn)，從而使得由特定區段(R1,R2,…,Rn)的傳感器元件(130)生成的圖像相關信號(S)包括關於由相應的光譜濾波器(F1,F2,…,Fn)通過的光的發源方向和/或光譜構成的信息。本發明還描述了一種光傳感器設備(10)，其用於確定所述光傳感器設備(10)處入射的光(L)的發源方向和/或光譜構成，本發明還涉及一種確定入射光(L)的發源方向和/或光譜構成的方法。
文檔編號H05B33/08GK102483353SQ201080038886
公開日2012年5月30日 申請日期2010年8月25日 優先權日2009年9月1日
發明者H. P. 戈曼斯 H., J. 科內利森 H., P. C. M. 克裡恩 M. 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司