CN101276826A - 经过红外校正的颜色传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了经过红外校正的颜色传感器。一种光传感器生成第一输出信号，该第一输出信号指示从预定方向接收的第一波长带中的光的强度。所述光传感器包括具有第一和第二光电检测器的衬底、第一滤波层和控制器。光电检测器对对光谱的红外部分中的光以及第一波长带中的光敏感，并且生成第一和第二光电检测器信号。第一滤波层透射第一波长带中的光和光谱的红外部分中的光，而阻挡第一波长带之外的部分可见光谱中的光，而不改变第一光电检测器接收的光。控制器处理第一和第二光电检测器信号以产生第一输出信号，该第一输出信号被针对输入光中的红外光而校正。

Description

经过红外校正的颜色传感器
技术领域
本发明涉及经过红外校正的颜色传感器。
背景技术
在许多设备中需要测量许多波长带中的光的强度的便宜光电检测器。例如，利用红色、蓝色和绿色LED来生成被感测为特定颜色的光的光源经常在伺服回路中利用光电检测器来补偿老化，所述伺服回路将LED的输出保持为预定级别。光电检测器用于通过测量三个光谱带的每一个中由LED生成的光来测量每个LED的输出。控制器改变流至每个LED的平均电流，以使得测得的输出被保持在由将要生成的光的被感测颜色所确定的目标值。
每个光电检测器通常由覆盖以颜料滤波器(pigment filter)的光电二极管组成，所述颜料滤波器限制光电二极管对相应波长带中的光的响应。来自光电二极管的信号由入射光、颜料的带通滤波特性和各种与到达光电二极管的光的强度级别无关的背景信号来确定。与光无关的信号经常被称为“暗电流”。通过在不存在光时测量光电二极管的输出然后将测得的信号值从光电二极管在存在光的情况下生成的信号中减去，可以去除由暗电流生成的误差。例如，由阻挡所有光的不透明层覆盖的额外光电二极管可以包括在光电检测器中。来自该光电二极管的信号然后被从覆盖以各种颜料滤波器的光电二极管所生成的信号中减去。
不幸的是，可用于便宜的光电检测器的颜料滤波器在光谱的红外部分中具有显著的透射带，并且在光谱的可见光区域中具有透射带。在许多情况下，感兴趣的光源也包括光谱的红外区域中的光；因此，如果光源包括大量的红外光，则由利用这些颜料滤波器之一的光电二极管生成的信号可能包括不希望的红外背景信号。红外光或者是由受控制的光源生成，或者是由将光引入光传感器输入端的背景环境光源生成。
在一些现有技术系统中，在各种颜料滤波器上提供红外阻挡滤波器以阻挡不希望的红外光。但是，额外的滤波器增加了光传感器的成本。另外，红外滤波器在光谱的可见光区域中的透明度小于100％，因此，在颜料滤波器上增加的滤波器削弱了感兴趣的一部分光并且因此降低了光传感器的灵敏度。
发明内容
本发明包括一种光传感器，其生成第一输出信号，该第一输出信号指示从预定方向接收的第一波长带中的光的强度。所述光传感器包括衬底、第一滤波层和控制器。衬底具有从预定方向接收光的第一和第二光电检测器。第一和第二光电检测器对光谱的红外部分中的光以及第一波长带中的光敏感，并且生成第一和第二光电检测器信号，第一和第二光电检测器信号指示第一和第二光电检测器中的每一者接收的光的强度。第一滤波层透射第一波长带中的光和光谱的红外部分中的光，第一滤波层在光到达第二光电检测器之前截取所述光。第一滤波层阻挡第一波长带之外的部分可见光谱中的光，但不改变第一光电检测器接收的光。控制器处理第一和第二光电检测器信号以产生第一输出信号，第一输出信号与第二光电检测器信号相比，对光谱的红外部分中的光依赖更小。
在本发明的另一个方面中，传感器还可以包括生成第三光电检测器信号的第三光电检测器和防止光进入第三光电检测器的光阻挡层。控制器还可以在生成第一输出信号过程中利用第三光电检测器来校正暗电流。
在本发明的另一个方面中，可以包含额外的滤波层和相应的光电检测器以提供对其他光谱带中的光强度的测量。
附图说明
图1是利用颜料滤波器的现有技术光电检测器的剖视图。
图2是根据本发明的光传感器的一个实施例的剖视图。
具体实施方式
参照图1，可以更容易地理解本发明提供其优点的方式，图1是利用颜料滤波器的现有技术光电检测器的剖视图。光电检测器20通常由管芯21构成，管芯21上制造有4个光电二极管。光电二极管22-24用于测量分别由颜料滤波器25-27确定的三个波长带中的光的强度。光电二极管28由阻挡所有光到达光电二极管28的不透明层29覆盖，并且用于测量暗电流。颜料滤波器是通过需要若干个掩蔽和沉积步骤的光刻步骤而施加的。施加层29需要类似的光刻步骤。如上所述，颜料滤波器并不阻挡红外光到达光电二极管。原理上，可以在光电二极管22-24上提供额外的滤波层35，其阻挡红外光到达光电二极管。但是，这种滤波器的制造大大增加了光传感器的成本。此外，每个额外的滤波层减少了到达光电二极管的光量并且因此降低了光电检测器的灵敏度。
本发明通过包括额外的光电二极管而克服了这些问题，该额外的光电二极管测量包括红外分量在内的所有入射光。额外的光电二极管不干扰其他光电二极管的操作，也不需要额外的制造步骤。来自光电二极管的信号然后被组合以提供这样的信号：所述信号测量被针对暗电流和入射光中存在的红外辐射而进行过校正的各个期望波长带中的强度。
现在参照图2，图2是根据本发明的光传感器的一个实施例的剖视图。在本发明的该实施例中，测量所有到达光传感器的光的光电二极管31被包括在衬底36上。对于本申请中的讨论而言，将假设颜料层25是让光谱的红色部分中的光通过的带通滤波器，颜料层26是让光谱的绿色部分中的光通过的带通滤波器，并且颜料层27是让光谱的蓝色部分中的光通过的带通滤波器。如上所述，这些颜料层中的每一层对于光谱的红外部分中的光是透明的。将来自光电二极管22-24、28和31的信号分别用I22、I23、I24、I28和I31表示。于是
I23＝fr×Ired+f26×Ir            (1)
I24＝fg×Igreen+Id+f27×Ir       (2)
I22＝fb×Iblue+Id+f25×Ir        (3)
I31＝Ired+Igreen+Iblue+Id+Ir     (4)
I28＝Id            (5)
这里，fr、fg和fb分别是分别由滤波器25-27透射的红色、绿色和蓝色波长带中的光的分数。系数f25-f27分别是由滤波器25-27透射的输入光中红外光的分数。并且，Ired、Igreen、Iblue和Ir分别是光谱的红色、绿色、蓝色和红外区域中的输入光的强度。最后，Id是暗电流。对于本示例来说，假设所有的光电二极管的尺寸和结构基本相同，因此暗电流对于所有光电二极管来说是基本相同的。对于这里的讨论来说，如果个体光电二极管之间的差别在统计变动的范围内，就认为两个光电二极管具有基本相同的结构和暗电流，所述统计变动是针对由传统集成电路生产线上的相同工艺和掩模组构建的多个光电二极管而观测的。
代表通过每个滤波器透射的光的分数的各种系数可以被针对任何光传感器来测量。例如，可以在光电二极管被暴露于各种波长的单色光源时测量每个光电二极管生成的信号。因此，可以通过控制器37针对Ired、Igreen和Iblue来求解上面所示的方程组，以提供校正后的输出，即Ired等。
在一个实施例中，颜料滤波层25-27由对红外辐射基本上透明的材料构成。也就是说，f25＝f26＝f27＝1。应该注意，在这种情况下，可以用I’替换Id+Ir，即，并且5个方程的方程组可以被减少为4个方程的方程组。
I23＝fr×Ired+I’             (6)
I24＝fg×Igreen+I’           (7)
I22＝fb×Iblue+I’            (8)
I31＝Ired+Igreen+Iblue+I’    (9)
由于感兴趣的量是Ired、Igreen和Iblue，因此控制器仅需要求解这种更简单的方程组。结果，不再需要测量暗电流的光电二极管28。因此，本发明的该实施例与传统的光传感器相比不需要更多的光电二极管。另外，该实施例不需要与测量暗电流的光电二极管有关的不透明层，因此大大减少了制造步骤的数目。
本发明的上述实施例是基于现在将要更详细地讨论的进一步近似，一般而言，第k个光电二极管的输出可以写成如下形式
Ik＝∫Tk(x)R(x)I(x)dx            (10)
其中，k＝red，blue或green，Tk(x)是作为波长x的函数的、第k个滤波层的透射，R(x)是作为波长的函数的、在被用单位强度的光照明时由第k个光电二极管生成的信号，I(x)是作为波长的函数的、输入光的强度。在整个光谱上或者至少在函数Tk(x)、R(x)和I(x)不全为零的区域上执行积分。该方程可以以如下形式重写：
Figure A20081008807400101
通过比较方程(11)与方程(1)-(5)，可以看出方程(1)-(3)假设
Figure A20081008807400102
等式(12)与强度函数I(x)的形状和滤波函数Tk(x)的形状无关。这种假设不是对于所有的光源和颜料滤波器而言都精确满足的。但是，本发明基于这样的观察：它对于能够对输入信号中存在的任何红外光进行近似校正而无需额外的红外滤波器而言足够准确了。
上述实施例利用三种彩色颜料滤波器，这三种彩色颜料滤波器在可见光谱的红色、绿色和蓝色区域中提供带通滤波器。这种颜料彩色滤波器在本领域中已知，因此在这里不对其进行详细讨论。对于这里的讨论来说，注意到用于相机的集成电路中使用了这种滤波器就足够了。但是，在不脱离本发明的教导的情况下，也可以构建利用不同光谱区域中的滤波器的实施例。
此外，带通滤波器的数目可以不同于上面所讨论的三个。例如，在许多应用中利用基于四种颜色的颜色滤波系统，以针对颜色再现扩展到全范围(gamut)。这种系统经常需要也用来跟踪4个分量光源的强度的光传感器。类似地，带通滤波器和相应的光电二极管的数目也可以小于3。具有单个光电二极管并且利用反馈系统来校正老化效应的光源在本领域中已知，它们需要在具有红外背景光的环境下跟踪该光源的强度的光传感器。
本发明的上述实施例利用光电二极管作为光电检测器。但是，可以利用诸如光电三极管之类的其他形式的光电检测器。
本发明的上述实施例利用彼此基本相同的光电检测器。但是，在光电检测器接收的光和光电检测器生成的输出信号之间的关系已知的情况下，也可以构建光电检测器彼此显著不同的实施例。例如，用于测量光传感器接收的全部光的光电检测器可以有不同于其他光电检测器的尺寸。在这种情况下，需要改变方程(1)-(9)中所示的常量以考虑结构的差别。
对于本领域技术人员而言，对本发明的各种修改将从以上的描述和附图中变得清楚。因此，本发明仅由权利要求书的范围来限制。

Claims (20)

1.一种光传感器，其生成第一输出信号，该第一输出信号指示从预定方向接收的第一波长带中的光的强度，所述光传感器包括：
衬底，该衬底具有从所述预定方向接收光的第一光电检测器和第二光电检测器，所述第一和第二光电检测器对光谱的红外部分中的光以及所述第一波长带中的光敏感，所述第一和第二光电检测器生成第一和第二光电检测器信号，所述第一和第二光电检测器信号分别指示所述第一和第二光电检测器中每一者接收的光的强度；
第一滤波层，该第一滤波层透射所述第一波长带中的光和所述光谱的红外部分中的光，所述第一滤波层在来自所述预定方向的光到达所述第二光电检测器之前截取所述光，并且阻挡所述第一波长带之外的部分可见光谱中的光，所述第一滤波层不改变所述第一光电检测器接收的光；以及
控制器，该控制器处理所述第一和第二光电检测器信号以产生所述第一输出信号，所述第一输出信号与所述第二光电检测器信号相比，对光谱的所述红外部分中的光的依赖更小。
2.如权利要求1所述的光传感器，还包括生成第三光电检测器信号的第三光电检测器和防止光进入所述第三光电检测器的光阻挡层，所述控制器在生成所述第一输出信号过程中利用所述第三光电检测器。
3.如权利要求1所述的光传感器，还包括生成第四光电检测器信号的第四光电检测器和透射第二波长带中的光的第二滤波层，所述第二波长带不同于所述第一波长带，所述第二滤波层在来自所述预定方向的光到达所述第四光电检测器之前截取所述光，并且阻挡所述第二波长带之外的部分可见光谱中的光，所述第二滤波层不改变所述第一光电检测器接收的光，其中，所述控制器生成第二输出信号，所述第二输出信号与所述第四光电检测器信号相比，对光谱的所述红外部分中的光的依赖更小。
4.如权利要求1所述的光传感器，其中，所述光电检测器生成大小基本相同的暗电流。
5.如权利要求1所述的光传感器，其中，所述光电检测器彼此基本相同。
6.如权利要求1所述的光传感器，其中，所述光电检测器包括光电二极管。
7.如权利要求1所述的光传感器，其中，所述光电检测器包括光电三极管。
8.一种用于生成对从预定方向接收的第一波长带中的光的强度的第一估值的方法，所述方法包括：
提供衬底，该衬底具有从所述预定方向接收光的第一光电检测器和第二光电检测器，所述第一和第二光电检测器对光谱的红外部分中的光以及所述第一波长带中的光敏感，所述第一和第二光电检测器生成第一和第二光电检测器信号，所述第一和第二光电检测器信号分别指示所述第一和第二光电检测器中每一者接收的光的强度；
提供第一滤波层，该第一滤波层透射所述第一波长带中的光和所述光谱的红外部分中的光，所述第一滤波层在来自所述预定方向的光到达所述第二光电检测器之前截取所述光，并且阻挡所述第一波长带之外的部分可见光谱中的光，所述第一滤波层不改变所述第一光电检测器接收的光；以及
处理所述第一和第二光电检测器信号以产生所述第一估值，所述第一估值与所述第二光电检测器信号相比，对光谱的所述红外部分中的光依赖更小。
9.如权利要求8所述的方法，还包括：提供生成第三光电检测器信号的第三光电检测器和防止光进入所述第三光电检测器的光阻挡层，并且在生成所述第一估值过程中利用所述第三光电检测器。
10.如权利要求8所述的方法，还包括：提供生成第四光电检测器信号的第四光电检测器和透射第二波长带中的光的第二滤波层，并且生成第二波长带中的光强度的第二估值，所述第二波长带不同于所述第一波长带，所述第二滤波层在来自所述预定方向的光到达所述第四光电检测器之前截取所述光并且阻挡所述第二波长带之外的部分可见光谱中的光，所述第二滤波层不改变所述第一光电检测器接收的光，所述第二估值与所述第四光电检测器信号相比，对光谱的所述红外部分中的光依赖更小。
11.如权利要求8所述的方法，其中，所述光电检测器生成大小基本相同的暗电流。
12.如权利要求8所述的方法，其中，所述光电检测器彼此基本相同。
13.如权利要求8所述的方法，其中，所述光电检测器包括光电二极管。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述光电二极管具有基本相同的尺寸。
15.如权利要求8所述的方法，其中，所述光电检测器包括光电三极管。
16.一种用于制造光传感器的方法，所述方法包括以下步骤：
提供衬底，该衬底具有从预定方向接收光的第一光电检测器和第二光电检测器，所述第一和第二光电检测器对光谱的红外部分中的光以及第一波长带中的光敏感，所述第一和第二光电检测器生成第一和第二光电检测器信号，所述第一和第二光电检测器信号分别指示所述第一和第二光电检测器中每一者接收的光的强度；
沉积第一滤波层，该第一滤波层透射所述第一波长带中的光和所述光谱的红外部分中的光，所述第一滤波层在来自所述预定方向的光到达所述第二光电检测器之前截取所述光，并且阻挡所述第一波长带之外的部分可见光谱中的光，所述第一滤波层不改变所述第一光电检测器接收的光。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述衬底还包括生成第三光电检测器信号的第三光电检测器，并且其中，防止光进入所述第三光电检测器的光阻挡层被沉积在所述第三光电检测器上。
18.如权利要求16所述的方法，其中，所述衬底还包括生成第四光电检测器信号的第四光电检测器，并且其中，透射第二波长带中的光的第二滤波层被沉积在所述第四光电检测器上，所述第二波长带不同于所述第一波长带，所述第二滤波层在来自所述预定方向的光到达所述第四光电检测器之前截取所述光，并且阻挡所述第二波长带之外的部分可见光谱中的光，所述第二滤波层不改变所述第一光电检测器接收的光。
19.如权利要求16所述的方法，其中，所述光电检测器生成大小基本相同的暗电流。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述光电检测器包括具有基本相同尺寸的光电二极管。
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