專利名稱：利用非發(fā)散元件的高光譜分辨率顏色傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明描述了用于確定入射光的發(fā)源方向和/或光譜構(gòu)成的光傳感器和光傳感器設(shè)備。本發(fā)明還描述了收集入射光的方法以及確定入射光的發(fā)源方向和/或光譜構(gòu)成的方法。
背景技術(shù)：
在許多照明系統(tǒng)中，例如在其中應(yīng)當(dāng)獲得均勻照明效果的辦公室環(huán)境或者任何受照室內(nèi)空間中，對于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(qū)段具有附加的自然光(例如窗戶區(qū)域)而同時其他區(qū)段僅由人工光照射。對于使用諸如生成實質(zhì)上為白色光的白熾燈、鹵素?zé)艋驘晒鉄糁惖陌咨庠吹默F(xiàn)有技術(shù)照明系統(tǒng)來說，所述控制受限于檢測環(huán)境中的過亮或過暗區(qū)段并且調(diào)節(jié)相應(yīng)的光源。在房間或環(huán)境中的光的分布被稱作光的“角度分布”。對于使用包括例如被組合來產(chǎn)生白色光的不同顏色光源的發(fā)光器的更為先進的照明系統(tǒng)來說，所述控制更加復(fù)雜，這是因為紅色、藍色和綠色成分當(dāng)中的每一個都會影響光的總體色點或色溫。因此，房間內(nèi)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(shè)置，已經(jīng)基于發(fā)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(fā)散元件比如有充當(dāng)帶通濾波器的棱鏡或光柵。在這里，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(xiàn)的連續(xù)調(diào)節(jié)包括這種發(fā)散元件的傳感器的幾何配置，并且隨后將所述光透射投影到光電二極管或光電倍增器上。為了對利用現(xiàn)有技術(shù)的光源進行光譜表征，必須把發(fā)散傳感器安裝在關(guān)于光源的固定已知位置處，并且必須把受光角限制到較窄的錐形，以便獲得對應(yīng)于各個單獨的濾波器的明確定義的透射光譜。但是，為了獲得對于房間或環(huán)境中的光的角度分布的準確印象，必須在較寬角度內(nèi)收集光。利用當(dāng)前的方法，將必須在房間周圍分布大量傳感器以便獲得對于該房間內(nèi)的光的光譜構(gòu)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復(fù)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(nèi)的(多個)光源的適當(dāng)控制信號。因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種精確地確定光的光譜構(gòu)成和空間分布的直接明了并且經(jīng)濟的方式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過根據(jù)權(quán)利要求1的光傳感器、根據(jù)權(quán)利要求8的光傳感器設(shè)備、根據(jù)權(quán)利要求11的收集入射光的方法以及根據(jù)權(quán)利要求12的確定入射光的發(fā)源方向和/或光譜構(gòu)成的方法而實現(xiàn)的。根據(jù)本發(fā)明的光傳感器包括濾波器設(shè)置，所述濾波器設(shè)置包括多個用于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(xiàn)為令入射光的不同分量通過。所述光傳感器還包括用于準入入射光的一部分的孔徑設(shè)置以及被實現(xiàn)來收集所準入的經(jīng)過濾波的光的傳感器設(shè)置，所述傳感器設(shè)置包括用于生成圖像相關(guān)信號的傳感器元件的陣列 (或“傳感器陣列”)，并且所述傳感器陣列被細分成多個區(qū)段，其中傳感器陣列的區(qū)段被分配給相應(yīng)的光譜濾波器，從而使得由特定區(qū)段的傳感器元件生成的圖像相關(guān)信號包括關(guān)于由相應(yīng)的光譜濾波器通過的光的發(fā)源方向和/或光譜構(gòu)成的信息。在下文中將把術(shù)語“光的不同分量”或“特定光波長”解釋為特定光波長范圍，其可能相對較窄或者相對較寬，這取決于濾波器特性。所述濾波器設(shè)置的光譜濾波器優(yōu)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，后面依次類推。如果使用截止濾波器，即短通或長通濾波器，則所述波長范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(dāng)提到由濾波器設(shè)置的濾波器通過的光的“波長”時應(yīng)當(dāng)被理解成意味著相關(guān)的波長帶。此外，光譜濾波器應(yīng)當(dāng)被理解成任何與角度相關(guān)或與角度無關(guān)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(xiàn)為令特定波長或波長范圍通過，正如下面將要更加詳細地描述的那樣。有利的是，根據(jù)本發(fā)明的光傳感器允許利用單個濾波器/傳感器設(shè)置同時進行光譜分析和角度分析。根據(jù)本發(fā)明的光傳感器中的傳感器設(shè)置可以是單個傳感器芯片，正如下面將要更加詳細地解釋的那樣。這種簡便性與現(xiàn)有技術(shù)傳感器不同，現(xiàn)有技術(shù)傳感器需要幾個傳感器，并因此需要關(guān)于(多個)光源有策略地設(shè)置幾個傳感器芯片。在根據(jù)本發(fā)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(jù)其波長而通過到所述單個傳感器陣列的不同區(qū)段上。由于來自任何或所有方向的入射光根據(jù)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(jù)本發(fā)明的單個光傳感器的光譜分辨率與現(xiàn)有技術(shù)光傳感器的光譜分辨率相比非常有利。由于根據(jù)本發(fā)明的光傳感器可以既給出關(guān)于傳入光的光顏色又給出關(guān)于傳入光的發(fā)源方向的信息，因此可以獲得房間或其他環(huán)境內(nèi)的光分布的準確“畫面”。因為其構(gòu)造簡單，并且由于不像現(xiàn)有技術(shù)傳感器那樣需要機械或電子旋轉(zhuǎn)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(diào)諧”光傳感器，因此根據(jù)本發(fā)明的光傳感器的制造成本與現(xiàn)有技術(shù)傳感器相比有利地較低。相應(yīng)地，根據(jù)本發(fā)明的收集入射光的方法包括以下步驟通過濾波器設(shè)置對入射光進行濾波，所述濾波器設(shè)置包括多個用于對入射光進行濾波的光譜濾波器，其中光譜濾波器被實現(xiàn)為令入射光的不同分量通過；以及通過孔徑設(shè)置準入濾波器設(shè)置處入射的光。 所述方法還包括在傳感器設(shè)置處收集所準入的經(jīng)過濾波的光的步驟，所述傳感器設(shè)置包括用于生成圖像相關(guān)信號的傳感器元件陣列，所述傳感器陣列被細分成多個區(qū)段，并且其中傳感器陣列的區(qū)段被分配給相應(yīng)的光譜濾波器，從而使得由特定區(qū)段的傳感器元件生成的圖像相關(guān)信號包括關(guān)于由相應(yīng)的光譜濾波器通過的光的發(fā)源方向和/或光譜構(gòu)成的信息。根據(jù)本發(fā)明的光傳感器設(shè)備用于確定所述光傳感器設(shè)備處入射的光的發(fā)源方向和/或光譜構(gòu)成，其包括這樣的光傳感器，其響應(yīng)于由所述光傳感器收集的所準入的經(jīng)過濾波的光生成圖像相關(guān)信號；以及分析單元，其用于分析所述圖像相關(guān)信號以便確定所述光傳感器設(shè)備處入射的光的發(fā)源方向和/或光譜構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的確定入射光的發(fā)源方向和/或光譜構(gòu)成的相應(yīng)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(yīng)于由所述光傳感器收集的所準入的經(jīng)過濾波的光生成圖像相關(guān)信號；以及分析所述圖像相關(guān)信號，以便確定所述光傳感器設(shè)備處入射的光的發(fā)源方向和/或光譜構(gòu)成。從屬權(quán)利要求和后面的描述特別公開了本發(fā)明的有利實施例和特征。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。光傳感器可以位于房間、走廊或建筑物的任何部分內(nèi)，但是也可以位于室外的地點。 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(nèi)”，但是這并非以任何方式限制本發(fā)明。為了獲得傳入光的有利圖像，在本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的實施例中，光傳感器被實現(xiàn)為使得孔徑設(shè)置的孔徑位于濾波器設(shè)置的光譜濾波器與傳感器設(shè)置的相應(yīng)區(qū)段之間。 術(shù)語“孔徑”應(yīng)當(dāng)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(dāng)中的“孔洞”。舉例來說，孔徑可以由在其他地方透明的層當(dāng)中的不透明區(qū)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(yīng)區(qū)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(dāng)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(zhì)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(xiàn)的。由于所述濾波器設(shè)置優(yōu)選地包括被設(shè)置在傳感器陣列上方的多個光譜濾波器，因此所述孔徑設(shè)置也優(yōu)選地包括相應(yīng)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(jù)本發(fā)明的光傳感器的一種可能的實現(xiàn)方式中，于是將光譜濾波器的陣列放置在相應(yīng)的孔徑陣列之上，從而在傳感器陣列的相應(yīng)區(qū)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(chǎn)生，并因此與特定的角度和光譜信息相關(guān)聯(lián)。濾波器、孔徑、透鏡和傳感器陣列被“組裝”的順序可以取決于將對之使用所述光傳感器的應(yīng)用。舉例來說，在特定情況中可能希望具有其中孔徑處于濾波器陣列“上方” 的光傳感器設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的光傳感器，其中濾波器設(shè)置的位置與傳感器陣列相距一定距離，并且其中濾波器設(shè)置的每一個濾波器對應(yīng)于傳感器陣列的一個區(qū)段，每一個區(qū)段包括多個傳感器元件，所述光傳感器不應(yīng)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征在于一種不同的構(gòu)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)并且用于完全不同的目的。前面描述的孔徑設(shè)置在相當(dāng)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(jīng)過濾波的光的“擴散”相關(guān)聯(lián)。因此，在本發(fā)明的另一個優(yōu)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(yōu)選地包括透鏡設(shè)置以用于把所準入的經(jīng)過濾波的光聚焦到傳感器設(shè)置的區(qū)段上。這樣的透鏡設(shè)置的一個實例可以是微透鏡陣列，并且可以被放置在孔徑設(shè)置的上方或下方，這取決于其實現(xiàn)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(xué)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(yōu)選地，微透鏡陣列簡單地包括作為單個結(jié)構(gòu)制造的微透鏡的重復(fù)設(shè)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(jù)干涉原理操作以便選擇性地令較小顏色范圍的光通過，同時反射其他顏色，從而實際上充當(dāng)對于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(guān)的濾波器，這是因為光根據(jù)其波長以及根據(jù)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(xué)涂料層，以便選擇性地“增強”光的特定波長并且與其他波長發(fā)生“干擾”。通過適當(dāng)?shù)剡x擇各層的厚度和數(shù)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(lǐng)域技術(shù)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(yīng)，也就是說，對于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(yīng)于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(dāng)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(dāng)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(yīng)的“藍移”。根據(jù)本發(fā)明的光傳感器的一個實施例包括濾波器設(shè)置，其中各個光譜濾波器包括與角度相關(guān)的濾波器。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，透射峰值將取決于濾波器處入射的光的顏色、光的入射角度以及當(dāng)然還有濾波器的光譜屬性。因此，對于由傳感器陣列的各個區(qū)段給出的信號的分析優(yōu)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(shè)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(gòu)成的陣列的濾波器設(shè)置，其中各個光譜濾波器被選擇成在從400nm到SOOnm的波長范圍內(nèi)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范圍內(nèi)的光通過，另一個可能僅令從大約440nm-470nm的光通過，后面依次類推，從而基本上覆蓋可見光譜的波長。所述濾波器設(shè)置可以只包括與角度無關(guān)的濾波器、只包括與角度相關(guān)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(jié)合對于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。這一點例如可以借助于測量通過兩個鄰近濾波器的對應(yīng)光強度并且將所測得的信號相減而實現(xiàn)。顯而易見的是，通過使用具有更窄帶通區(qū)段的更多光譜濾波器將給出關(guān)于傳入光的光譜和角度分布的更加準確的“畫面”。當(dāng)使用與角度相關(guān)的濾波器時，可以使用在傳感器陣列的相應(yīng)區(qū)段處獲得的角度信息來導(dǎo)出傳入光的光譜屬性。在與角度無關(guān)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(yīng)區(qū)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(guān)性。實際的傳感器陣列或“圖像傳感器”可以包括任何適當(dāng)?shù)墓怆妭鞲衅饕宰鳛閭鞲衅髟?。舉例來說，可以使用電荷耦合器件。由于近年來半導(dǎo)體光電傳感器的發(fā)展，可以獲得基于有源像素傳感器(APS)技術(shù)的精確且經(jīng)濟的CMOS設(shè)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(yōu)選的是，根據(jù)本發(fā)明的光傳感器中的傳感器設(shè)置包括由有源像素傳感器構(gòu)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(dǎo)體)工藝制造的，并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(guān)的信號值。于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(guān)于該特定光譜分量的強度以及關(guān)于傳入光的入射角度的信息。
傳感器陣列的各個區(qū)段可以被分配給相應(yīng)的光譜濾波器，這取決于圖像傳感器的規(guī)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(yīng)于每一個光譜濾波器的包括51x51像素(2601個像素)的各個區(qū)段。當(dāng)然也可以使用其他傳感器陣列幾何結(jié)構(gòu)，比如具有M個通道或區(qū)段的“狹窄” 1280x51陣列，其中每一個通道或區(qū)段的尺寸為51x51像素。取決于各個光譜濾波器的空間設(shè)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(qū)段之間的“條帶”之類的一些區(qū)段可以保持實際上不被使用或者是冗余的。還可以基于應(yīng)用來選擇圖像傳感器。舉例來說，包括硅的圖像傳感器對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(yīng)。砷化鎵銦傳感器對于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(yīng)。由于光譜濾波器由其將傳入光偏向較長波長移動來表征，因此在紅外區(qū)段(較長波長)內(nèi)響應(yīng)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(jù)本發(fā)明的光傳感器中，與光譜濾波器相關(guān)聯(lián)的一個區(qū)段內(nèi)的每一個像素與特定光波長和/或特定入射角度相關(guān)聯(lián)?？紤]到光通過孔徑并且可能由微透鏡聚焦，顯而易見的是，到達所述區(qū)段的特定像素處的光與特定波長和特定入射角度相關(guān)聯(lián)。因此，到達所述濾波器設(shè)置的各個光譜濾波器處的一個房間內(nèi)的光將在傳感器陣列的每一個區(qū)段上得到不同的“圖像”。因此，根據(jù)本發(fā)明的光傳感器的分析單元優(yōu)選地還包括用于存儲參考值集合的存儲器，其中每一個參考值與傳感器設(shè)置的傳感器元件或像素相關(guān)聯(lián)。如果在所述濾波器設(shè)置中使用了與角度相關(guān)的濾波器，則對應(yīng)于傳感器陣列的區(qū)段的每一個傳感器元件的參考值優(yōu)選地被計算成考慮到相應(yīng)濾波器的與角度相關(guān)的光譜屬性，以及每一個像素或傳感器元件關(guān)于該濾波器的中心的相對位置。隨后可以把由各個區(qū)段的傳感器元件所生成的像素值或光構(gòu)成值與相應(yīng)的參考值進行比較。為此，所述光傳感器設(shè)備優(yōu)選地還包括比較器，以用于把由有源像素傳感器生成的光構(gòu)成值與相應(yīng)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。低于該閾值的數(shù)值對應(yīng)于相應(yīng)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，可以對于每一個像素存儲對應(yīng)于光的紅色、藍色和綠色分量的不同參考值。對于圖像傳感器(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件/軟件復(fù)雜度水平的基礎(chǔ)上來做出。為了使用比較器結(jié)果，所述光傳感器設(shè)備于是優(yōu)選地包括控制信號發(fā)生器，其基于與入射光的構(gòu)成有關(guān)的光構(gòu)成值生成用于光源的控制信號，以便調(diào)節(jié)所述光源的顏色和/或強度。舉例來說，傳感器陣列的特定區(qū)段可能表明來自房間的特定部分的光過涼并且強度不足。在這種情況下，可以為相應(yīng)的發(fā)光器生成適當(dāng)?shù)目刂菩盘?，以便在房間的該區(qū)域內(nèi)生成更暖、更亮的光。根據(jù)本發(fā)明的照明設(shè)置包括多個用于生成光的光源以及光傳感器設(shè)備，所述光傳感器設(shè)備用于確定入射在所述光傳感器設(shè)備處的源自所述光源的傳入光(并且可能還有日光)的發(fā)源方向和/或光譜構(gòu)成，并且相應(yīng)地生成用于至少其中一個光源的控制信號。所述照明設(shè)置還包括控制接口，其用于向相應(yīng)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)，并且可以利用適當(dāng)?shù)膮f(xié)議生成及傳送控制信號。所述照明設(shè)置的每一個光源優(yōu)選地包括適當(dāng)?shù)慕邮掌?，以用于接收及?yīng)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(qū)、走廊區(qū)以
8及具有分布在所述房間內(nèi)的多個光源的照明設(shè)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(nèi)的某處，其獲得光分布的“圖像”集合。由于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(dāng)?shù)目刂菩盘杹硌a償任何不令人滿意的光質(zhì)量。舉例來說，如果觀察到對應(yīng)于窗戶區(qū)域的圖像相對較亮(發(fā)黃的日光)，同時觀察到對應(yīng)于走廊區(qū)域的圖像過涼(發(fā)藍的人工光)，則可以由所述光傳感器設(shè)備為房間內(nèi)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”?？商鎿Q地，可以產(chǎn)生并保持特定的“光氛圍”，例如對于特定區(qū)域的特定顏色的照明?？梢圆粫r地實施這種類型的閉環(huán)反饋分析，從而在一天當(dāng)中執(zhí)行對于光質(zhì)量的平滑適配。經(jīng)過優(yōu)化的光控制導(dǎo)致能量消耗的有利減少。通過下面結(jié)合附圖考慮的詳細描述，本發(fā)明的其他目的和特征將變得顯而易見。 但是應(yīng)當(dāng)理解的是，附圖的設(shè)計目的僅僅是為了說明而不是限制本發(fā)明。


圖1示出了在通過二色光譜濾波器進行濾波之前和之后的光的光譜分布的曲線圖2示出了對應(yīng)于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(xiàn)；
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的光傳感器的傳感器設(shè)置的區(qū)段的簡化呈現(xiàn)，并且示出了與不同光波長相關(guān)聯(lián)的各個角度區(qū)段；
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光傳感器的濾波器設(shè)置和傳感器設(shè)置； 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的光傳感器的一個實施例中的傳感器設(shè)置的孔徑、微透鏡陣列和區(qū)段；
圖6示出了到達圖5的設(shè)置的光束路徑；
圖7a示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光傳感器中的光譜濾波器和傳感器設(shè)置的簡化呈現(xiàn)，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(jù)本發(fā)明的一個實施例的光傳感器中的光譜濾波器和傳感器設(shè)置的簡化呈現(xiàn)，其中光束從光譜濾波器正上方到達；
圖8通過根據(jù)本發(fā)明的光傳感器的一個實施例示出了側(cè)視圖； 圖9示出了用于控制多個光源的根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光傳感器設(shè)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制的。
具體實施例方式圖1示出了通過二色或與角度相關(guān)的光譜濾波器10進行濾波之前和之后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(dāng)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，并且其他波長被反射。這一點由圖中左側(cè)的濾波器10示出。從上方(即對于濾波器的表面法向)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，并且示出了具有對應(yīng)于“藍色”波長(虛線)的較低最大值和對應(yīng)于“紅色”波長(點線)的高最大值的洛倫茲分布。圖2示出了對應(yīng)于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(xiàn)。Y軸代表以百分比計的透射T，并且X軸代表以納米計的波長λ。在這里，對于在表面法向(即對于濾波器成0° )到達的光的更長波長獲得最強峰值。對于逐漸增大的入射角度觀察到相繼更低的峰值，即15° (發(fā)紅)、30° (綠色)和45° (藍色)，從而表現(xiàn)出二色光譜濾波器的偏移屬性。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的光傳感器的傳感器設(shè)置的區(qū)段30的簡化呈現(xiàn)，其具有與不同光波長相關(guān)聯(lián)的角度區(qū)段31、32。在這里，二色濾波器被用作光譜濾波器，正如前面借助于圖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(xiàn)為有源像素傳感器(APS)。(單個孔徑或孔徑/透鏡組合下方的)區(qū)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(guān)。內(nèi)環(huán)31對應(yīng)于具有較長波長的光，而外環(huán) 32則對應(yīng)于具有較短波長的光。環(huán)31、32內(nèi)的像素可以記錄相應(yīng)波長下的傳入光強度，并且區(qū)段30的每一個像素可以與特定波長相關(guān)聯(lián)。轉(zhuǎn)角中的像素可以保持實際上不被使用。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光傳感器1的濾波器設(shè)置11和傳感器設(shè)置13。為了清楚起見，圖中沒有示出孔徑設(shè)置和微透鏡陣列，但是其可以被顯現(xiàn)為位于傳感器設(shè)置13與濾波器設(shè)置11之間。這一非常簡化的圖示僅僅表明了像素設(shè)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,…，F(xiàn)n以用于將光成像到傳感器的51x51個像素陣列區(qū)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(guī)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,…，F(xiàn)n的尺寸大約是1mm2。每一個濾波器F1, F2,…，F(xiàn)n又與一個區(qū)段或像素陣列相關(guān)聯(lián)，例如51x51像素的陣列。對于1. 3兆像素CMOS傳感器來說，這對于傳感器陣列的每一個區(qū)段給出了大約0. 255mmx0. 255mm的面積。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的光傳感器的一個實施例中的孔徑設(shè)置12的孔徑120、微透鏡陣列14和傳感器設(shè)置的區(qū)段隊。該圖示出了孔徑設(shè)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(yōu)選設(shè)置。在這里，孔徑120被顯示為矩形開口，但是當(dāng)然可以具有任何其他適當(dāng)?shù)男螤?，比如圓形開口或者沿著孔徑設(shè)置12的長度的縫隙。為了清楚起見，在圖中沒有示出與該區(qū)段R1相關(guān)聯(lián)的濾波器設(shè)置的光譜濾波器。實際上，對于傳感器陣列的一個區(qū)段札僅僅使用一個微透鏡，但是更容易把各個微透鏡制造成“整體的”。在圖中僅僅示出了與一個區(qū)段R1相關(guān)聯(lián)的孔徑設(shè)置12的該部分，但是這基本上是重復(fù)的，從而使得圖像傳感器的每一個區(qū)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(shè)置的另一個視圖，以及在由相關(guān)聯(lián)的光譜濾波器(未在圖中示出)進行了濾波之后到達所述孔徑的光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(qū)段隊的相應(yīng)節(jié)段61中的各個像素。只有這些像素將響應(yīng)于光的傳入光束60而生成適當(dāng)?shù)男盘枺⑶乙虼税ㄖT如對應(yīng)于該光的光束60的光強度和波長的光構(gòu)成信息。該圖還示出，在定位于與一個濾波器相對應(yīng)的傳感器區(qū)段之上的微透鏡當(dāng)中，只有一個透鏡被用于對光進行聚焦，而該區(qū)段之上的其他透鏡則是冗余的。這一點對于所述光傳感器的所有其他區(qū)段/濾波器當(dāng)然都適用，并且在這里出于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(jù)本發(fā)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(shè)置的相應(yīng)區(qū)段R1的簡化呈現(xiàn)。在這里，光譜濾波器Fp F2可以是沒有角度相關(guān)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(shè)其存在，正如對于所準入的經(jīng)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。取決于光譜濾波器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(qū)段R1的區(qū)域71內(nèi)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(guān)于傳入光的光譜信息。在知曉區(qū)域71關(guān)于區(qū)段R1的中心70的位置的情況下，所述信號 S1產(chǎn)生關(guān)于傳入光的角度信息。舉例來說，該光譜濾波器F1把關(guān)于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(shè)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。在這里，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(qū)段71。同樣地，所得到的信號&產(chǎn)生關(guān)于到達濾波器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(jù)各個濾波器的角度相關(guān)性來解釋所得到的信號。所述入射角度與光L關(guān)于光傳感器1的發(fā)源直接相關(guān)，并且可以從傳感器陣列上的“圖像”的位置導(dǎo)出。在分析單元2中相應(yīng)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(guān)的濾波器，則可以使用由傳感器元件提供的角度信息來導(dǎo)出關(guān)于傳入光 L的光譜信息。來自光傳感器的濾波器設(shè)置中的所有光譜濾波器的組合信息給出關(guān)于房間內(nèi)的光的角度和光譜分布的總體“畫面”。圖8通過根據(jù)本發(fā)明的光傳感器1的一個實施例示出了非常簡單的側(cè)視圖，并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(shè)置12上方的一種設(shè)置，孔徑120 又位于微透鏡140上方。到達光譜濾波器F1的光L的一部分由孔徑120準入并且由微透鏡 140聚焦。如圖所示在一定傾斜角度下到達的光由孔徑120收集并且由透鏡140聚焦。所準入的經(jīng)過濾波的光L’擊中CMOS傳感器13的相應(yīng)區(qū)段R1的一些像素(由影線表示)，所述像素與區(qū)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(yīng)于傳入光生成信號。每一個有源像素傳感器130的信號被組合以給出對應(yīng)于該區(qū)段R1的信號S1并且被轉(zhuǎn)發(fā)到分析單元，正如借助于圖9將解釋的那樣。圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光傳感器設(shè)備10的照明設(shè)置的方框圖，其用于控制多個光源Ρ”Ρ2、Ρ3。在這里，光傳感器設(shè)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(dāng)?shù)臄?shù)字處理單元(DPU) 2。由與光譜濾波器F1, F2，…，F(xiàn)n相關(guān)聯(lián)的傳感器陣列的各個區(qū)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(dǎo)出對應(yīng)于傳入光的光構(gòu)成值210。如果光譜濾波器F1, F2,…，F(xiàn)n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,…，F(xiàn)n相關(guān)聯(lián)的傳感器元件生成的一對信號S1, S2,…，Sn相減而實現(xiàn)。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(yīng)于光源P1的過亮區(qū)段，對應(yīng)于光源P2的過于發(fā)紅的區(qū)段，以及對應(yīng)于光源P3的過于發(fā)綠的區(qū)段。隨后可以在控制信號發(fā)生器22中生成控制信號Cp C2, C3以便適當(dāng)?shù)乜刂乒庠碢pP2、P3。在該例中，控制信號C1可以用來對光源P1進行調(diào)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，并且控制信號C3可以用來減小由光源P3生成的光的綠色分量。借助于通信接口 23、對將所述信號轉(zhuǎn)發(fā)到各個光源，所述通信接口包括光傳感器設(shè)備10中的發(fā)送器23以及對應(yīng)于每一個光源ΡρΡ2、Ρ3的接收器對?？梢赃B續(xù)地或者以預(yù)定間隔實施對信號的分析，例如按照適當(dāng)情況每10分鐘或者每半小時實施分析。例如還可以根據(jù)通過窗戶進來的任何自然光的亮度來動態(tài)地適配所述間隔。所述照明設(shè)置例如可以被安裝在商店櫥窗中，其中對產(chǎn)品進行人工照射以便產(chǎn)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(yù)定義的照明參數(shù)，以便例如盡可能自然地照射商店櫥窗中的對象或產(chǎn)品。當(dāng)把照明設(shè)置安裝在辦公室環(huán)境中時，在其中應(yīng)當(dāng)優(yōu)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，并且可以在一天當(dāng)中連續(xù)地調(diào)節(jié)光源的強度和色溫。為了清楚起見，應(yīng)當(dāng)理解的是，在本申請中使用的“一”或“一個”不排除多個，并且“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(quán)利要求
1.一種光傳感器(1)，其包括濾波器設(shè)置(11)，所述濾波器設(shè)置(11)包括多個用于對入射光(L)進行濾波的光譜濾波器(F1, F2,…，F(xiàn)n)，其中光譜濾波器(F1, F2,…，F(xiàn)n)被實現(xiàn)為令入射光(L)的不同分量通過；用于準入入射光(L)的一部分的孔徑設(shè)置(12)；被實現(xiàn)來收集所準入的經(jīng)過濾波的光(L’)的傳感器設(shè)置(13)，所述傳感器設(shè)置(13) 包括用于生成圖像相關(guān)信號(S，S1, S2, -,Sn)的傳感器元件(130)的陣列，并且所述傳感器陣列被細分成多個區(qū)段(R1, R2,…，I n)，其中所述傳感器陣列的區(qū)段(R1, R2,…，被分配給相應(yīng)的光譜濾波器(F1, F2,…，F(xiàn)n)，從而使得由特定區(qū)段(R1, R2,…，Rn)的傳感器元件(130) 生成的圖像相關(guān)信號(S)包括關(guān)于由相應(yīng)的光譜濾波器(F1, F2，…，F(xiàn)n)通過的光的發(fā)源方向和/或光譜構(gòu)成的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光傳感器(1)，其被實現(xiàn)為使得孔徑設(shè)置(12)的孔徑(120)位于濾波器設(shè)置(11)的光譜濾波器(F1, F2，…，F(xiàn)n)與傳感器設(shè)置(13)的相應(yīng)區(qū)段(R1, R2，…，IU 之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的光傳感器(1)，其包括透鏡設(shè)置(14)以用于把所準入的經(jīng)過濾波的光(L’)聚焦到傳感器設(shè)置(13)的區(qū)段(R1, R2，…，Rn)上。
4.根據(jù)任一條在前權(quán)利要求的光傳感器(1)，其中，濾波器設(shè)置(11)包括由至少30個濾波器(F1, F2，…，F(xiàn)n)構(gòu)成的陣列，并且所述傳感器元件(130)的陣列被細分成相應(yīng)數(shù)目的區(qū)段(R1, R2,...，Rn),從而使得每一個區(qū)段(R1, R2,...，Rn)對應(yīng)于特定的濾波器(F1, F2,... ，F(xiàn)n),并且其中每一個濾波器(F1, F2,…，F(xiàn)n)被分配給孔徑設(shè)置(12)的特定孔徑(120)和透鏡設(shè)置(14)的特定透鏡(140)。
5.根據(jù)任一條在前權(quán)利要求的光傳感器(1)，其中，濾波器設(shè)置(11)的濾波器 (F1, F2, ...，F(xiàn)n)包括與角度相關(guān)的濾波器(F1, F2, ...，F(xiàn)n)0
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4當(dāng)中的任一條的光傳感器(1)，其中，濾波器設(shè)置(11)的濾波器 (F1, F2, ...，F(xiàn)n)包括與角度無關(guān)的濾波器(F1, F2, ...，F(xiàn)n)0
7.根據(jù)任一條在前權(quán)利要求的光傳感器(1)，其中，傳感器設(shè)置(13)包括有源像素傳感器(130)的陣列。
8.一種光傳感器設(shè)備(10)，其用于確定所述光傳感器設(shè)備(10)處入射的光(L)的發(fā)源方向和/或光譜構(gòu)成，其包括根據(jù)權(quán)利要求1到7當(dāng)中的任一條的光傳感器(1)，其響應(yīng)于由光傳感器(1)收集的所準入的經(jīng)過濾波的光(L’ )生成圖像相關(guān)信號(S，S1, S2, -,Sn)；分析單元(2)，其用于分析所述圖像相關(guān)信號(S1, S2,-,Sn)以便確定光傳感器設(shè)備 (10)處入射的光(L)的發(fā)源方向和/或光譜構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的光傳感器設(shè)備(10)，其中，傳感器設(shè)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(guān)聯(lián)，并且所述分析單元(2)包括用于存儲參考值(200)的集合的存儲器(20)，其中每一個參考值(200)與傳感器設(shè)置 (13)的傳感器元件(130)相關(guān)聯(lián)；以及比較器(21)，其用于把由傳感器設(shè)置(13)的傳感器元件(130)生成的信號(S)與相應(yīng)的參考值(200)進行比較，以便導(dǎo)出對應(yīng)于該波長和/或入射角度的光構(gòu)成值(210)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的光傳感器設(shè)備(10)，其包括控制信號發(fā)生器(22)，所述控制信號發(fā)生器(22)基于與入射光(L)的構(gòu)成有關(guān)的光構(gòu)成值(210)生成用于光源(P1, P2，P3) 的控制信號(C1, C2, C3),以便調(diào)節(jié)光源(P1, P2, P3)的顏色和/或強度。
11.一種照明設(shè)置(90)，其包括用于生成光(L)的多個光源(P1, P2, P3)；根據(jù)權(quán)利要求8-10當(dāng)中的任一條的光傳感器設(shè)備(10)，其用于確定所述光傳感器設(shè)備(10)的光傳感器(1)處入射的光(L)的發(fā)源方向和/或光譜構(gòu)成，并且相應(yīng)地生成用于至少其中一個光源(P1, P2, P3)的控制信號(C1, C2, C3)；以及用于向相應(yīng)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(shè)置(11)對入射光(L)進行濾波，所述濾波器設(shè)置(11)包括多個用于對入射光(L)進行濾波的光譜濾波器(F1, F2,…，F(xiàn)n)，其中光譜濾波器(F1, F2,…，F(xiàn)n)被實現(xiàn)為令入射光(L)的不同分量通過；通過孔徑設(shè)置(12)準入入射光(L)的一部分；在傳感器設(shè)置(13)處收集所準入的經(jīng)過濾波的光(L’)，所述傳感器設(shè)置(13)包括用于生成圖像相關(guān)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(qū)段(R1, R2,...，Rn),并且其中所述傳感器陣列(13)的區(qū)段(R1, R2,...，Rn)被分配給相應(yīng)的光譜濾波器(F1J2, ···』 )，從而使得由特定區(qū)段(R1A2，…，的傳感器元件 (130)生成的圖像相關(guān)信號(S)包括關(guān)于由相應(yīng)的光譜濾波器(F1, F2,…，F(xiàn)n)通過的光的發(fā)源方向和/或光譜構(gòu)成的信息。
13.一種確定入射光(L)的發(fā)源方向和/或光譜構(gòu)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(yīng)于由光傳感器(1)利用根據(jù)權(quán)利要求11的方法收集的所準入的經(jīng)過濾波的光(L’)生成圖像相關(guān)信號(S，S1, S2, -,Sn)；以及分析所述圖像相關(guān)信號(S1, S2, -,Sn),以便確定光傳感器設(shè)備(10)處入射的光(L)的發(fā)源方向和/或光譜構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種光傳感器(1)，其包括濾波器設(shè)置(11)，所述濾波器設(shè)置(11)包括多個用于對入射光(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(xiàn)為令入射光(L)的不同分量通過；用于準入入射光(L)的一部分的孔徑設(shè)置(12)；以及被實現(xiàn)來收集所準入的經(jīng)過濾波的光(L’)的傳感器設(shè)置(13)，所述傳感器設(shè)置(13)包括用于生成圖像相關(guān)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(qū)段(R1,R2,…,Rn)，其中所述傳感器陣列的區(qū)段(R1,R2,…,Rn)被分配給相應(yīng)的光譜濾波器(F1,F2,…,Fn)，從而使得由特定區(qū)段(R1,R2,…,Rn)的傳感器元件(130)生成的圖像相關(guān)信號(S)包括關(guān)于由相應(yīng)的光譜濾波器(F1,F2,…,Fn)通過的光的發(fā)源方向和/或光譜構(gòu)成的信息。本發(fā)明還描述了一種光傳感器設(shè)備(10)，其用于確定所述光傳感器設(shè)備(10)處入射的光(L)的發(fā)源方向和/或光譜構(gòu)成，本發(fā)明還涉及一種確定入射光(L)的發(fā)源方向和/或光譜構(gòu)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(yōu)先權(quán)日2009年9月1日
發(fā)明者H. P. 戈曼斯 H., J. 科內(nèi)利森 H., P. C. M. 克里恩 M. 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司