評估環(huán)境光中的光譜貢獻(xiàn)以及校正視場誤差的系統(tǒng)和方法
【專利說明】評估環(huán)境光中的光譜貢獻(xiàn)以及校正視場誤差的系統(tǒng)和方法
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請根據(jù)35U.S.C. § 119要求于2014年8月5日提交的、名稱為"SYSTEMAND METHODOFESTIMATINGSOLARSPECTRAL"、申請?zhí)枮?62/033, 280 的美國臨時申請的權(quán)益。 美國臨時申請N0. 62/033, 280以全文引用的方式并入本文中。
【背景技術(shù)】
[0003] 紫外（UV)光既以有益的方式（例如，維生素D和曬黑）影響人體又以有害的方式 (例如，皮膚皺紋、皮膚癌和曬傷或紅斑）影響人體。通常，UV光比可見光和近紅外線更難 測量，因為UV光的光譜成分比可見光和短波長弱很多，這為探測系統(tǒng)提供了許多挑戰(zhàn)。在 UV光和可見光系統(tǒng)中通常光學(xué)濾波器是角度靈敏的，在所述光學(xué)濾波器中通頻帶在較大入 射角處移至較短波長，限制了傳感器的有效視場。希望有通過補償測量光譜和目標(biāo)光譜之 間的差異以及在期望的視場方面的差異來將測量光譜轉(zhuǎn)換為期望的光譜的解決方案。
[0004] UV光譜由三個區(qū)域組成：UVA、UVB和UVC。地球的大氣層阻擋了太陽的UVC輻射。 平流層的臭氧層部分阻擋了太陽的UVB光，而UVA光則大部分透射過去。UVA和UVB光都 經(jīng)歷了顯著的瑞利散射（使天空成為藍(lán)色的現(xiàn)象）。UVB的光譜范圍（~280-315nm)包括 短于UVA光譜范圍（~315-400nm)的波長，并且主要引起曬傷、皮膚癌以及維生素D生成。 UVA包括引起曬黑、皺紋和皮膚老化效果的較長波長。
[0005]UV光的較短波長對采用普通光電二極管材料的有效探測提出了挑戰(zhàn)。為了探測UV光，可以采用諸如硅之類的典型光電材料的特定淺結(jié)光電二極管，例如SOI或較低量供 給、寬帶隙材料（例如，SiC或AlGaN)上的橫結(jié)。在該方面，測量UVB比測量UVA更有挑戰(zhàn) 性。大部分光學(xué)窗口或透鏡材料對于UVA是高度透射或部分透射的。極少數(shù)對UVB是高度 透射的，并且他們通常都更貴。此外，UVA是20%的帶寬，而UVB是10%的帶寬，這使得光學(xué) 濾波器的設(shè)計對于UVB更具有挑戰(zhàn)性并且更容易受到角度依賴性的影響。另外，濾光片層 較薄，并且厚度控制容差在價格程度上迅速變得至關(guān)重要。最后最重要的是，在任何給定時 間的太陽光譜中存在極少的UVB，取決于大氣狀況約為全部UV輻射的0-4%。例如，圖5示 出了具有可見光阻擋濾光器的橫結(jié)光電二極管的光譜光電流響應(yīng)，且覆蓋有太陽光譜。從 圖5中可見，對探測光來說，UVB光譜貢獻(xiàn)比UVA光譜貢獻(xiàn)小得多。
[0006]UVB不僅難以利用探測器測量；由于濾光器響應(yīng)、雜質(zhì)分布、視場、表面狀態(tài)、應(yīng)力 等所需的緊密度容限，以經(jīng)濟有效的方式來制造UVB探測器也有挑戰(zhàn)性。較大暗電流惡化 了較窄帶隙探測器（例如硅）的不良響應(yīng)度。此外，寬帶隙半導(dǎo)體存在很多制造問題，尤其 是位錯密度和產(chǎn)量。在這兩種情況下，所需的大面積以及漫射體限制光學(xué)濾波器的角度靈 敏度的傾向擴大了探測器的尺寸并且增加了系統(tǒng)成本。微調(diào)和/或校準(zhǔn)UVB探測器也需要 UVB光源（優(yōu)選寬帶的），例如氙氣燈。這些光源傾向于體積較大、笨重昂貴、有噪音的且維 護成本高。
[0007] 最后，（除非高度擴散）典型的光學(xué)探測器具有受限于光學(xué)封裝的視場（F0V)。為 理想的平面探測器（例如，具有至少120度F0V)定義了UV指數(shù)。需要一種使窄F0V(例如， < 90度）UVA或全部UV測量與將由寬FOVUVB或紅斑作用光譜加權(quán)的探測器所測量的相 關(guān)的方法。評估生物學(xué)上相關(guān)光譜的貢獻(xiàn)（例如，人類健康相關(guān)的UV指數(shù)或CIE1931XYZ 色值）的高準(zhǔn)確度的解決方案也期望在用于移動終端消費者應(yīng)用等的可生產(chǎn)探測系統(tǒng)方 面是可取的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本公開內(nèi)容描述了一種用于評估在環(huán)境光中的光譜貢獻(xiàn)的系統(tǒng)、方法和設(shè)備。本 公開內(nèi)容還描述了用于補償視場誤差的系統(tǒng)、方法和設(shè)備，所述視場誤差由以下因素引起： 用戶、環(huán)境結(jié)構(gòu)（例如，建筑物、樹、固定裝置或地質(zhì)構(gòu)造）、大氣效應(yīng)（例如，臭氧覆蓋、煙、 濃霧、薄霧或云）、設(shè)備結(jié)構(gòu)和/或設(shè)備相對于被測光源（例如，太陽、室內(nèi)/室外光輻射體 或至少部分反射的表面）的方向/傾斜角。本公開內(nèi)容還描述了用于評估光測量結(jié)果或顏 色測量結(jié)果中的光譜貢獻(xiàn)以及解釋視場誤差的原因以便獲得精確的評估的系統(tǒng)、方法和設(shè) 備。
[0009] 在某些實施方式中，評估在環(huán)境光中的光譜貢獻(xiàn)的方法包括：接收移動設(shè)備的光 測量結(jié)果，所述光測量結(jié)果具有光譜響應(yīng)；接收與移動設(shè)備的光測量結(jié)果相關(guān)聯(lián)的位置和 時間；提供適用于與移動設(shè)備的光測量結(jié)果相關(guān)聯(lián)的位置和時間的光譜校正因子；以及， 利用光譜校正因子來縮放移動設(shè)備的光測量結(jié)果從而獲得目標(biāo)測量。
[0010] 在某些實施方式中，校正影響光測量結(jié)果或顏色測量結(jié)果的視場誤差的方法包 括：接收移動設(shè)備的光測量結(jié)果或顏色測量結(jié)果，所述光測量結(jié)果或顏色測量結(jié)果與第一 視場相關(guān)聯(lián)；在兩個或更多個不同的視場內(nèi)對光進(jìn)行探測；以及，利用校正因子來縮放移 動設(shè)備的光測量結(jié)果或顏色測量結(jié)果，所述校正因子基于兩個或更多個不同的視場內(nèi)的探 測到光。
[0011] 以上描述的一種或多種方法可以被實施為一種用于評估在環(huán)境光中的光譜貢獻(xiàn) 的系統(tǒng)。在某些實施例中，該系統(tǒng)可以包括被配置為在第一視場內(nèi)探測光的第一傳感器。與 第一傳感器通信的一個或多個處理器可以被配置為：通過第一傳感器接收光測量結(jié)果，所 述光測量結(jié)果具有光譜響應(yīng)；接收與第一傳感器的光測量結(jié)果相關(guān)聯(lián)的位置和時間；提供 適用于與第一傳感器的光測量結(jié)果相關(guān)聯(lián)的位置和時間的光譜校正因子；以及，利用光譜 校正因子縮放第一傳感器的光測量結(jié)果以便獲得目標(biāo)測量。
[0012] 在某些實施例中，該系統(tǒng)可以包括第二傳感器，將所述第二傳感器配置為在不同 于光測量結(jié)果的第一視場的第二視場內(nèi)對光進(jìn)行探測。該系統(tǒng)還包括第三傳感器，所述第 三傳感器被配置為在不同于第一視場和第二視場的第三視場內(nèi)對光進(jìn)行探測。一個或多 個處理器可以與第二傳感器和第三傳感器通信耦合，并且可以被配置為利用視場校正因子 縮放第一傳感器的光測量結(jié)果，所述視場校正因子基于在第二視場和第三視場內(nèi)的探測到 光。在某些實施例中，該系統(tǒng)還可以包括具有不同的視場的額外的傳感器（例如，第四傳感 器、第五傳感器等），其中，校正因子基于來自部分或全部副傳感器的測量。
[0013] 提供這個
【發(fā)明內(nèi)容】
是為了以簡化的形式介紹一系列概念，將在以下【具體實施方式】 中進(jìn)一步描述這些概念。這個
【發(fā)明內(nèi)容】
并非旨在確定要求保護的主題的關(guān)鍵特征或必要特 征，也并非旨在用作確定所要求保護的主題的范圍的手段。
【附圖說明】
[0014] 參考附圖描述了【具體實施方式】。在說明書和附圖中，不同實例中所使用的相同附 圖標(biāo)記可以表示相似或相同的部件。
[0015] 圖1是根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例對用于評估在環(huán)境光中的光譜貢獻(xiàn)的系統(tǒng)進(jìn)行 說明的框圖。
[0016] 圖2是根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例對評估在環(huán)境光中的光譜貢獻(xiàn)的方法進(jìn)行說明 的流程圖。
[0017] 圖3是根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例對校正影響所測量的在環(huán)境光中的光譜貢獻(xiàn)的 視場誤差的方法進(jìn)行說明的流程圖。
[0018] 圖4是根據(jù)本公開的實施例對評估在環(huán)境光中的光譜貢獻(xiàn)以及校正影響所測量 的光譜貢獻(xiàn)的視場誤差的方法進(jìn)行說明的流程圖。
[0019] 圖5是示出了具有可見光阻擋濾波器的橫結(jié)光電二極管的光譜光電流響應(yīng)且覆 蓋有太陽光譜的曲線圖。
[0020] 圖6是示出了來自太空（ΑΜ0)以及地球表面（AM1. 5)處的示例性太陽光譜相對于 5800K黑體輻射源的曲線圖。
[0021] 圖7是示出了y軸的響應(yīng)率R( λ)[A/W]相對于X軸的波長λ[nm]的示例性響應(yīng) 度曲線的曲線圖。
[0022] 圖8是示出了人體曬傷（紅斑）敏感性光譜的曲線圖。
[0023] 圖9說明了包括對光進(jìn)行阻擋、反射或散射的一個或多個結(jié)構(gòu)的示例性環(huán)境。
[0024] 圖10是示出了UV指數(shù)和相對于日時間的基準(zhǔn)尺的曲線圖，所述UV指數(shù)是利用根 據(jù)本公開內(nèi)容實施的傳感器系統(tǒng)（例如，圖1中所示的傳感器系統(tǒng)）來測量的。
[0025] 圖11是示出了平均臭氧含量相對于煒度和月份的年度表現(xiàn)的圖。
[0026] 圖12A說明了在基本上沒有云量的環(huán)境下進(jìn)行傳輸?shù)奶柟饩€。
[0027] 圖12B說明了在被云量影響的環(huán)境下進(jìn)行傳輸?shù)奶柟饩€。
[0028] 圖13是根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例對用于評估在環(huán)境光中的光譜貢獻(xiàn)的系統(tǒng)進(jìn)行 說明的框圖，其中，所述系統(tǒng)還包括用于在不同于主傳感器的視場的額外視場內(nèi)探測光的 至少兩個副光傳感器。
[0029] 圖14說明了在基本上沒有云量的環(huán)境下相對于圖13的系統(tǒng)進(jìn)行傳播的太陽光 線。
[0030] 圖15說明了在被云量影響的環(huán)境下相對于圖13的系統(tǒng)進(jìn)行傳播的太陽光線。
[0031] 圖16是根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例對用于評估在環(huán)境光中的光譜貢獻(xiàn)的系統(tǒng)進(jìn)行 說明的框圖，其中，所述系統(tǒng)包括位于系統(tǒng)的主光傳感器上方的封蓋窗。
[0032] 圖17是根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例對用于評估在環(huán)境光中的光譜貢獻(xiàn)的系統(tǒng)進(jìn)行 說明的框圖，其中，移動手持終端向應(yīng)用程序驅(qū)動程序提供數(shù)據(jù)輸入以便確定光譜校正因 子。
[0033] 圖18是示出了光電二極管手勢探測器的示例性響應(yīng)曲