CN101231190B - 估计混合光中一个光谱的强度的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种响应于混合光中的一个或多个其它光谱的感测强度估计混合光中的一个光谱的强度的设备和方法。在一个实施例中，从混合光过滤具有第一光谱的光。还从混合光过滤具有第二光谱的光，所述第二光谱不同于第一光谱。然后对具有第一光谱的光的强度以及具有第二光谱的光的强度进行感测。根据具有第一光谱的光和具有第二光谱的光的感测强度，来估计具有第三光谱的光的强度。

Description

估计混合光中一个光谱的强度的方法和设备
技术领域
本发明涉及响应于混合光中的一个或多个其它光谱的感测强度，来估计混合光中的一个光谱的强度的方法和设备。
背景技术
诸如液晶显示器(LCD)背光的照明系统有时包括红、绿和蓝(RGB)发光二极管(LED)。RGB LED可以一起被用于产生混合光(例如，在LCD背光的情况下是白光)。
系统制造偏差、操作条件、LED老化以及其它因素可能导致照明系统的LED中的单个LED的强度和颜色发生漂移。因此，常常使用采用一个或者多个光电传感器的光学反馈系统来测量由LED照明系统产生的混合光的强度和/或色点(color point)。然后，反馈系统的输出被用于调节驱动信号，从而调节照明系统的单个LED或LED组的强度。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种设备，包括：第一光过滤器，其具有第一透光特性；第二光过滤器，其具有第二透光特性，其中，所述第二透光特性不同于所述第一透光特性；至少一个光电传感器，其被布置来感测i)所述第一光过滤器通过的光波长的强度，以及ii)所述第二光过滤器通过的光波长的强度；以及颜色估计系统，其通过ii)接收所述第一和第二光过滤器通过的所述光波长的所述强度并对其应用算法，来i)合成带通过滤器的输出。
根据本发明的另一个方法，提供了一种设备，包括：光过滤器，其具有透光特性；光电传感器，其被布置来感测由所述光过滤器通过的光波长的强度；以及颜色估计系统，其接收由所述光过滤器通过的所述光波长的所述强度，并且响应于其而估计具有如下的光谱的光的强度，所述光谱与所述光过滤器的所述透光特性交叠但相对于所述透光特性存在频移。
根据本发明的另一个方法，提供了一种方法，包括：从混合光中过滤具有第一光谱的光；从所述混合光中过滤具有第二光谱的光，其中，所述第二光谱不同于所述第一光谱；感测所述具有第一光谱的光的强度和所述具有第二光谱的光的强度；以及根据所述具有第一光谱的光和所述具有第二光谱的光的强度，估计具有第三光谱的光的强度。
根据本发明的另一个方法，提供了一种方法，包括：从混合光过滤具有第一光谱的光；感测所述具有第一光谱的光的强度；根据所述具有第一光谱的光的强度，估计具有第二光谱的光的强度，其中，所述第二光谱与所述第一光谱交叠，但相对于所述第一光谱存在频移。
附图说明
附图中示出了本发明的示例性实施例，其中：
图1示出了用于测量混合光的红色、绿色和蓝色波长的强度的第一示例性系统；
图2示出了可以由图1的系统感测的示例性的红光、绿光和蓝光的强度的图线；
图3示出了用于测量混合光中不同范围的红光波长的强度、并响应于此估计混合光的可见红光波长的强度的示例性设备；
图4示出了可以由图3的系统感测的示例性的第一红光、第二红光、绿光和蓝光的强度的图线；
图5示出了用于测量混合光中红光和黄光波长的强度、并响应于此估计混合光的可见红光波长的强度的示例性设备；
图6示出了可以由图5的系统感测的红光、绿光、蓝光和黄光的强度的第一示例性图线；
图7示出了可以由图5的系统感测的红光、绿光、蓝光和黄光的强度的第二示例性图线；
图8示出了用于测量混合光中黄光波长的强度、并响应于此估计混合光的可见红光波长的强度的示例性设备。
具体实施方式
如前面所指明的，诸如LCD背光的照明系统有时包括RGB LED。RGB LED可以一起被用于产生混合光(例如，在LCD背光的情况下是白光)。
系统制造偏差、操作条件、LED老化以及其它因素可能导致照明系统的LED中的单个LED的强度和颜色发生漂移。因此，常常使用采用一个或者多个光电传感器的光学反馈系统来测量由LED照明系统产生的混合光的强度和/或色点。然后，反馈系统的输出被用于调节驱动信号，从而调节照明系统的单个LED或LED组的强度。
传统的光学反馈系统的问题在于，其测量混合光中的“可见红光”波长的强度的效果很差。这是因为用于过滤混合光的红光波长的颜料不能过滤掉更长的和“非可见红光”波长(诸如红外(IR)波长)。
图1示出了一种示例性系统100，其包括用于产生混合光(λ)的光源102。暂时假定不存在IR过滤器112(FIR)，混合光(λ)入射到多个过滤器110，112，114(FR，FG，FB)上，所述过滤器110，112，114分别仅通过混合光的红光、绿光和蓝光波长(λR，λG，λB)。然后，混合光的经过滤的红光、绿光和蓝光波长(λR，λG，λB)分别入射到红光、绿光和蓝光光电传感器116，118，120(PSR，PSG，PSB)上，所述红光、绿光和蓝光光电传感器116，118，120被布置来分别感测红光、绿光和蓝光波长的强度。控制系统124利用由光电传感器116，118，120产生的信号122，以判定红光、绿光和蓝光波长的强度是否需要被调节以产生具有所期望的强度和/或色点的混合光。然后，合适的驱动信号126被提供，用于调节光源102的各个元件的光输出。例如，如果光源102包含红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)LED 104，106，108，则控制系统124可以向RGB LED中的不同颜色的LED提供不同的驱动信号。
图2示出了可以由系统100(图1)感测的示例性RGB光强度的图线。请注意，光电传感器116，118，120中的每一个产生信号，该信号指示在特定光波长范围内的光的合计强度。因此，例如，图1所示的红光、绿光和蓝光光电传感器116，118，120可以产生分别对应于图2所示图线的R、G和B“凸峰”内的光合计强度的信号。但是请注意，当使用典型的基于颜料的红光过滤器110时，对于通过红光过滤器110的光的波长没有上限。因此，图2的图像中的R“凸峰”不是封闭的。此不封闭的凸峰表明红光过滤器通常允许超过可见光波段的红光波长通过。这是有问题的，因为光学反馈系统通常需要感测和调节由照明系统产生的“可见”光。
对于上述问题的一种解决方案是从混合光中过滤IR波长。系统100(图1)因此示出了可以用于该目的的IR过滤器128(FIR)。IR过滤器128与红光过滤器110相结合，用于封闭图2所示的R“凸峰”。
如图2所示，IR过滤器128的特性可能导致其它波长(诸如绿色波长)的强度被剪切。然而更重要地，IR过滤器128通常由玻璃形成，这增加了光学反馈系统的成本和高度。
图3示出了系统100的第一示例性替代方案。在系统300中，IR过滤器128被去除，而是代之以包括第二红光过滤器302(FR2)和相应的光电传感器304(PSR2)。第二红光过滤器302接收混合光(λ)，并且仅仅通过混合光的红光波长(λR2)。但是，第二红光过滤器302的透光特性不同于第一红光过滤器110，使得通过第二红光过滤器302的红光波长(λR2)的范围不同于通过第一红光过滤器110的红光波长(λR)的范围。注意，红光过滤器110，302两者都是末端敞通的过滤器(即，各过滤器仅仅过滤掉或者去除其范围一端的波长)。
光电传感器304被布置来感测第二红光过滤器302通过的红光波长的强度。颜色估计和/或控制系统306随后接收来自绿光和蓝光光电传感器118，120的信号122，并且以常规方式产生驱动信号126，以调节光源102的绿色和蓝色元件106，108。但是，颜色估计和/或控制系统306通过如下方式产生用于调节光源102的红色元件104的驱动信号126：1)接收与由第一和第二红光光电传感器116，304所感测的第一和第二红光波长(λR，λR2)的强度对应的信号122；然后2)通过接收第一和第二红光波长(λR，λR2)的强度并对其应用算法，来合成用于可见红光的带通过滤器的输出。
如图4所示，第一红光过滤器110的透过特性去除了波长短于第一值的光，并且第二红光过滤器302的透光特性去除了波长短于第二值的光。如果过滤器110，302被选择成使第一和第二值界定了一个基本上限定了可见红光光谱的波长范围，则颜色估计和/或控制系统306可以通过将第一红光波长(λR)的强度减去第二红光波长(λR2)的强度，来估计可见红光波长的强度。在系统300的一个实施例中，“第一值”将第一红光过滤器110的透光特性的下限截止值限定在620到650nm之间(优选地，约630nm)的光波长上。类似地，“第二值”将第二红光过滤器302的透光特性的下限截止值限定在650到680nm之间(优选地，约670nm)的波长上。
在系统300(图3)的一些实施例中，第一红光过滤器110和第二红光过滤器302可以被选择成使其透光特性的下限截止值不界定出可见红光光谱，而是界定出可见红光光谱的仅仅一部分，或者，两个过滤器110，302的下限截止值可以界定出可见红光光谱的部分或全部以及诸如橙色或黄色波长的其它光波长。在这些实施例中，系统300可能不能像过滤器110，302的下限截止值仅仅界定可见红光光谱的系统那样精确地估计可见红光光谱的强度。但是，在此段落中描述的系统对于在一些应用中调节红光光源来说已足够精确。
图5示出了系统100的第二示例性替代方案。在系统500中，IR过滤器128被去除，而是代之以包括黄光或橙光过滤器502(FY)和相应的光电传感器504(PSY)。黄光(或橙光)过滤器502接收混合光(λ)，并且除了混合光的红光波长范围之外，还通过包括黄色和/或橙色光波长(λY)的光波长范围。光电传感器504(PSY)被布置来感测过滤器502所通过的光波长的强度。颜色估计和/或控制系统506随后接收来自绿光和蓝光光电传感器118，120的信号122，并且以常规方式产生驱动信号126，以调节光源102的绿色和蓝色元件106，108。但是，颜色估计和/或控制系统506通过如下方式产生用于调节光源102的红色元件104的驱动信号126:1)接收与由红光和黄光光电传感器116，504所感测的红光和黄光波长(λR，λY)的强度对应的信号122；然后2)响应于红光和黄光波长两者的强度(并且在某些情况下，响应于由绿光光电传感器118感测的绿光波长(λG)的强度)，估计混合光(λ)的可见红光波长的强度。
图6示出了图5所示的过滤器116，118，120，504的第一组示例性响应。在图6中，假定过滤器116，118，120，504是基于颜料的过滤器。图7示出了过滤器116，118，120，504的第二组示例性响应。在图7中，假定过滤器116，118，120，504中的一个或者多个是干涉型过滤器。下面将更详细讨论图6和7所示的示例性过滤器响应。
如图6所示，基于颜料的黄色过滤器502的透光特性通常仅仅去除波长短于第一值的光。如果此第一值是黄光波长，则黄光过滤器502可以通过黄光波长以及可见和不可见的红光波长。类似于黄光过滤器502，基于颜料的红光过滤器110的透光特性可以去除波长短于第二值的光。如果此第二值是处于或接近可见和不可见红光波长之间的边界的波长，则红光过滤器110可以通过不可见红光波长。与黄光过滤器502和红光过滤器110不同，基于颜料的绿光和蓝光过滤器112，114的透光特性(G，B)可以是在绿光波长和蓝光波长附近基本封闭的。但是，基于颜料的绿光和蓝光过滤器112，114可能在约700nm处开始“敞通”(即，它们可以允许700nm或者更大的光波长通过)。
如果选择对黄光和红光过滤器502，110的下限光截止值进行限定的第一值和第二值，使得所述第一和第二值界定的波长范围包括：i)落入可见红光光谱的光波长中的至少一部分，以及ii)与绿光过滤器112通过的波长中的至少一部分(例如，黄光波长)交叠的波长范围，则颜色估计和/或控制系统506可以通过对通过黄光过滤器502、红光过滤器110和绿光过滤器112的光强度应用一定的算法，来估计可见红光光谱的强度。例如，可以将3)通过黄光过滤器502的光波长的强度减去1)通过红光过滤器110的光波长的强度和2)通过绿光过滤器112的光波长的强度的一部分。这样，通过绿光过滤器112的绿光波长的强度可以用于至少部分地补偿过滤器502，所述过滤器502使比落入可见红光光谱的波长短的波长通过。或者，如果绿光过滤器112在700nm以上的充分“敞通”，则可以不必将红光波长的强度从黄光波长的强度减去。这是因为减去通过绿光过滤器112的光波长的强度(包括700nm以上的红光波长的强度)可足以从通过黄光过滤器502的光波长的强度中去除不可见红光波长的强度。
如图7所示，干涉型黄光过滤器的透光特性可以允许通过封闭的波长带(与单一黄光波长的情况相反)。此波长带(Y)可以基本位于红色和绿色波长带之间，并且在一种情况下可以包括范围从约565-590nm的波长。但是，波长带(Y)也可以与其它波长带(包括红光波长(R))明显交叠。因此，通过实验和/或模拟，可以获得红光波长和黄光波长的感测强度之间的关系，此关系然后可以被用于估计混合光的“可见红光”波长的强度(并且最终调节光源的红色元件(例如，红色LED))。在一个实施例中，颜色估计和/或控制系统506可以使用通过黄光过滤器502和红光过滤器110的光波长的强度，来标引(index)确定了如下光谱的强度的表，所述光谱基本由“Y”波长带的上限波长截止值和“R”波长带的下限波长截止值界定。在另一个实施例中，在一个实施例中，颜色估计和/或控制系统506可以使用通过黄光过滤器502和红光过滤器110的光波长的强度，来标引确定了如下光谱的强度的表，所述光谱朝向“Y”或“R”波长带中的一个或者另一个频移更多。如针对图6所述的，绿光波长的强度可以被用于调节任意的上述估计强度。
虽然在上面的段落中的教导特别适用于确定可见红光波长的强度，但是其也可以用于确定任何光波长光谱的强度。在此方面，光感测设备可以大体上包括具有第一透光特性的第一光过滤器以及具有第二透光特性的第二光过滤器，其中，所述第二透光特性不同于第一透光特性。然后，一个或者多个光电传感器可以被布置来感测：i)通过第一光过滤器的光波长的强度以及ii)通过第二光过滤器的光波长的强度。此后，颜色估计系统可以接收通过第一和第二光过滤器的光强度，并响应于此，通过ii)接收通过第一和第二过滤器的光强度并对其应用算法，来i)合成带通过滤器的输出。在一些实施例中，由其它过滤器感测的光的强度也可以被包括在算法中。
除了减法之外(或者代替减法)，在上面的段落中提到的算法可以包括其它操作，诸如：加法，平均，将一个或者多个光强度乘以一个百分比，或者使用一个或者多个光强度查找一个或者多个数据值。对颜色估计系统接收的强度进行组合、微分或者使用的方式取决于期望实施的具体估计算法。
除了上述用于感测光的设备之外，还可以使用下面的方法来估计光谱的强度。首先，具有第一光谱的光和具有第二光谱的光可以被从混合光中过滤。然后，感测具有第一光谱的光的强度和具有第二光谱的光的强度。此后，可以使用第一和第二光谱的被感测强度估计具有第三光谱的光的强度。
图8示出了系统100的第三示例性替代方案。在系统800中，系统100(图1)中的IR过滤器128被去除，并且以黄光(或橙光)过滤器502(FY)和相应的光电传感器504(PSY)代替红光过滤器110和红光光电传感器116。颜色估计和/或控制系统802随后通过如下方式产生用于调节光源102的红色元件104的驱动信号126：1)接收与由黄光光电传感器504所感测的黄光或橙光波长的强度对应的信号122；然后2)单独响应于黄光波长的强度，估计混合光(λ)的可见红光波长的强度。
通过实验和/或模拟，可以获得红光波长和黄光波长的强度之间的关系，此关系然后可以被系统802用于估计混合光的“可见红光”波长的强度(并且最终调节光源的红色元件(例如，红色LED))。
在一个实施例中，颜色估计和/或控制系统802可以使用通过黄光过滤器502的光波长的强度，来标引确定了可见红光光谱的估计强度的表。
虽然单独基于黄光波长的感测强度来对红光光源(或混合光源的元件)进行调控可能不能提供与基于红光和黄光波长两者的感测强度来调控红光光源相同的精确度，但是由单独的黄光系统提供的精确度也常常是1)可接受的，2)优于由仅仅基于红光波长的感测强度来调控红光光源的系统所提供的精确度；和/或3)较之基于红光和黄光波长两者的感测强度来调控红光光源的系统更便宜。
虽然在上面的段落中的教导特别适用于确定可见红光波长的强度，但是其也可以用于确定任何光波长光谱的强度。在此方面，光感测设备可以大体上包括1)具有某一透光特性的光过滤器，2)布置来感测通过光过滤器的光波长的强度的光电传感器，以及3)颜色估计系统，所述颜色估计系统接收通过光过滤器的光波长的强度，并响应于此，估计具有如下光谱的光的强度，所述光谱与光过滤器的透光特性交叠，但是相对于透光特性存在频移。
除了上述用于感测光的设备之外，还可以使用下面的方法来估计光谱的强度。首先，具有第一光谱的光可以被从混合光中过滤。然后，可以感测具有第一光谱的光的强度，并且可以基于具有第一光谱的光的强度来估计具有第二光谱的光的强度。第二光谱与第一光谱交叠，但是相对于第一光谱存在频移。
在此讨论的光电传感器可以具有各种形式，包括光电二极管或者光电三极管。优选地，系统中所有的光电传感器利用同一制造工艺并行地(即，在同一时间)形成在一个衬底上。
在此讨论的过滤器也可以具有各种形式，但是优选地以涂层方式施加在衬底上，其中，光电传感器中的一个或者多个被形成于所述衬底中。或者，过滤器可以被形成在一个或者多个玻璃或塑料板上，或者可以被包括在色轮中。在后一种情形中，色轮可以相对于单个光电传感器移动，并且该单个光电传感器可以交替地感测不同颜色的光波长的强度。
在此讨论的光源(其有时可以采用其它光源的组件或元件的形式)可以是诸如LED或激光二极管的固态光源的形式。或者，其可以是白炽、荧光或其它光源的形式。
作为示例，颜色估计和/或控制系统306、506、802被示为单元结构。但是，其功能也可以分布在两个或者更多个结构之间。例如，颜色估计功能可以被归入到第一结构(例如逻辑电路或处理器)，驱动信号的产生可以被归入到第二结构(例如，第二逻辑电路或处理器)。
在某些情况下，颜色估计系统可以不被用于调控光源的驱动信号，而是可以被用于向为了其它目的(例如，为了指示光源应该被替换的时间，或者用于指示应该如何对颜色输出进行后处理或校正)而监视光源的强度或色点的系统报告颜色信息(例如，不同颜色的光的强度，或者色点)。

Claims (24)

1.一种用于对光进行感测的设备，包括：
第一光过滤器，其具有第一透光特性；
第二光过滤器，其具有第二透光特性，其中，所述第二透光特性不同于所述第一透光特性；
至少一个光电传感器，其被布置来感测所述第一光过滤器通过的光波长的强度，以及所述第二光过滤器通过的光波长的强度；
颜色估计系统，其通过接收所述第一和第二光过滤器通过的所述光波长的所述强度并对其应用算法，来合成带通过滤器的输出；以及
控制系统，所述控制系统响应于所述带通过滤器的合成输出，产生用于调控红光光源的信号，其中所述红光光源与混合光中的其它光一起照射所述第一和第二光过滤器。
2.如权利要求1所述的设备，其中：
所述第一透光特性将波长短于第一值的光去除；以及
所述第二透光特性将波长短于第二值的光去除。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所述第一值为约630nm，所述第二值为约670nm。
4.如权利要求2所述的设备，其中，所述第一值在620nm和650nm之间，并且所述第二值在650nm和680nm之间。
5.如权利要求2所述的设备，其中，所述第一值和所述第二值基本界定出可见红光光谱。
6.如权利要求2所述的设备，其中，所述第一值和所述第二值界定出这样的波长范围：所述波长范围包括了可见红光光谱的至少一部分。
7.如权利要求2所述的设备，其中，所述算法包括减法。
8.如权利要求2所述的设备，其中，所述第一透光特性和所述第二透光特性不对长波长进行截止。
9.如权利要求2所述的设备，还包括：
第三光过滤器，其具有第三透光特性，其中，所述第三透光特性不同于所述第一和第二透光特性，
其中，所述至少一个光电传感器中的一个被布置来感测由所述第三光过滤器通过的光波长的强度；并且
其中，所述颜色估计系统通过进一步接收由所述第三光过滤器通过的所述光波长的所述强度并对其应用算法，来合成所述带通过滤器的所述输出。
10.如权利要求9所述的设备，其中，所述第三透光特性去除波长短于第三值并且长于第四值的光，并且其中，由所述第三和第四值界定的光波长的范围包括由所述第一和第二值所界定的所述光波长的至少一部分。
11.如权利要求10所述的设备，其中，所述第三光过滤器是绿光过滤器，并且其中，所述第一和第二值界定的光波长的范围包括可见红光光谱的至少一部分。
12.如权利要求1所述的设备，其中，所述算法包括减法。
13.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一和第二透光特性被基本上限定在不同的红光波长范围。
14.如权利要求1所述的设备，还包括：
绿光过滤器；
蓝光过滤器；
绿光光电传感器，其被布置来感测由所述绿光过滤器通过的光波长的强度；
蓝光光电传感器，其被布置来感测由所述蓝光过滤器通过的光波长的强度；以及
控制系统，其响应于由所述绿光过滤器和所述蓝光过滤器所分别通过的光波长的强度，来分别产生用于调控绿光光源和蓝光光源的信号，所述绿光光源和蓝光光源分别至少照射所述绿光过滤器和所述蓝光过滤器。
15.如权利要求14所述的设备，还包括所述红光光源、所述绿光光源和所述蓝光光源，其中所述红光、绿光和蓝光光源包括红光、绿光和蓝光固态发光元件。
16.如权利要求14所述的设备，还包括所述红光光源、所述绿光光源和所述蓝光光源，其中所述红光、绿光和蓝光光源至少包括红光、绿光和蓝光发光二极管。
17.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一光过滤器是黄光过滤器，所述第二光过滤器是红光过滤器。
18.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一光过滤器是橙光过滤器，所述第二光过滤器是红光过滤器。
19.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个光电传感器中的每一者包括光电二极管。
20.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个光电传感器包括：
第一光电传感器，用于感测由所述第一光过滤器通过的光波长的强度；以及
第二光电传感器，用于感测由所述第二光过滤器通过的光波长的强度。
21.一种用于对光进行感测的方法，包括：
从混合光中过滤具有第一光谱的光；
从所述混合光中过滤具有第二光谱的光，其中，所述第二光谱不同于所述第一光谱；
感测所述具有第一光谱的光的强度和所述具有第二光谱的光的强度；以及
根据所述具有第一光谱的光和所述具有第二光谱的光的强度，估计具有第三光谱的光的强度。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述第三光谱被基本限定在所述混合光的可见红光波长。
23.如权利要求21所述的方法，其中，估计具有第三光谱的光的强度的操作包括将所述具有第二光谱的光的强度从所述具有第一光谱的光的强度中减去。
24.如权利要求21所述的方法，其中，估计所述具有第三光谱的光的强度的操作包括使用所述具有第一光谱的光的强度和所述具有第二光谱的光的强度来标引表，所述表确定了所述具有第三光谱的光的强度。
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