CN101535786A - 集成图像识别和光谱探测设备以及通过光的光谱探测和图像识别来自动控制光的设定的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种特别适合监控光的设定的集成图像识别和光谱探测装置。本发明还涉及通过光的光谱探测和图像识别来自动控制光的设定，特别地涉及响应于图像识别来自动控制光的色点。本发明提供一种集成图像识别和光谱探测设备(10)，其包括：图像传感器阵列(12)，其用于识别图像和运动；以及覆盖图像传感器阵列(12)的至少部分光敏面的滤光结构(14)，其用于探测接收的光的光谱成分。本发明的主要优点是：它将图像和运动的识别与光谱成分的探测结合，并因此允许实现对光的设定的复杂的自动控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种特别适合监控光的设定的集成图像识别和光谱探测设备。本发明还涉及通过光的光谱探测和图像识别来自动控制光的设定，特别地涉及响应于图像识别和光谱探测来自动控制光的色点。
背景技术
在环境智能(ambient intelligence)的环境中的直观交互构成调节系统的用户友好方式，该系统诸如音响系统、电影信道或照明系统。由这种直观交互所引起的改变需要被监控以获得希望的效果，例如照明设备的调光、改变聚光灯或者增大音量。在照明系统的情况中，可以监控若干参数，诸如光的强度和颜色。直观交互的典型实例是橱窗中的照明：由于设定可能改变或者目标可能放置在不同点，可能有必要调节光的强度和/或光源的颜色，从而维持橱窗中的一定的照明效果。
特别是在现代照明系统中，白光由发光二极管(LEDs)产生，例如用红、绿和蓝(RGB)LED(或者更多的和/或不同颜色的LEDs)，光的颜色的监控是重要的，这是由于如果来自各个LED的光与来自其他LED的光适当组合，则来自LED的混合光仅引起白光的产生。这种基于LED的照明广泛地用于例如LCD背光照明、商用冷冻箱照明和白光照明的应用中。包括用于产生混合的白光的独立RGB光源的每个照明系统都存在疑难问题，这是因为各RGB光源的光学特性通常随温度、电源和老化而变化。例如，随着温度升高，LED表现如下行为：由典型的LED产生的光的光谱向更长波长移动，光强减小，并出现光谱展宽。随着典型的LED的正向电流的增大，出现光谱向更短波长移动并且强度增大。此外，老化具有这样的影响：光强减小，并出现光谱改变。而且，各LED显示了批次间的变化，其引起峰值波长扩展以及强度扩展。另外，各个LED的特性对于相同的LED制造工艺从一批到另一批以及从一个制造商到另一个制造商发生显著变化。因此，在没有适合的监控及反馈系统的情况下，基于LED的照明产生的光的质量可能显著变化并且不能获得白光的所需照明水平和所希望的颜色。
发明内容
本发明的目的是提供一种适于监控光的设定并提供用于控制光的反馈的设备，以及一种用于自动控制光(例如基于RGB的LED光)的设定的设备和方法。
为了实现以上定义的目的，本发明提供一种集成图像识别和光谱探测设备，其包括
-图像传感器阵列，其用于识别图像和运动，以及
-滤光结构，其覆盖所述图像传感器阵列的至少部分光敏面，用于过滤接收的光的光谱成分。
为了实现以上定义的目的，本发明还提供一种通过光的光谱探测和图像识别来自动控制光的设定的设备，其包括
-图像感测装置，其适于识别图像和运动，
-光谱探测装置，其适于探测接收的光的光谱成分，以及
-控制装置，其适于响应于识别的图像和运动以及光谱成分来自动控制由光源发射的光。
为了实现以上定义的目的，本发明还提供一种通过光的光谱探测和图像识别来自动控制光的设定的方法，其中
-图像感测装置识别图像和运动，
-光谱探测装置探测接收的光的光谱成分，并且
-控制装置响应于识别的图像和运动以及光谱成分来自动控制由光源发射的光。
根据本发明的特有特征提供的优点有：可以探测例如用于直观交互的目标的运动和光的光谱成分。因此，可以通过允许与系统的直观交互来增加使用复杂照明系统的舒适性，并且可以通过探测并监控照明系统的光谱成分来改进对于光设定的监控。特别地，根据本发明的集成设备提供的优点有：其在单个的设备中结合图像传感器阵列与滤光结构。这允许将两个部件电连接，从而不需要部件之间的单独的连接。这样的集成设备可以例如应用于有效控制复杂照明系统，特别是基于RGB LED的照明系统，同时也可以通过探测空间中诸如照明系统的用户的目标的运动来实现直观交互。例如，可以因此通过设备的图像传感器阵列来探测可用于指示光设定中所希望的改变的具体运动，并且光设定中所希望的改变(即颜色和强度的改变)可以由集成设备的光谱仪部分来监控。通过光的光谱探测和图像识别来自动控制光的设定的设备和方法提供的优点有：用于直观交互(例如用于改变光设定)的图像和运动可以被识别，并且同时可以通过探测给出关于设定改变的几乎立即反馈的光谱成分来探测所述设定的改变。这就允许制造提供直观交互以及对光设定的有效监控的照明系统。
应当注意，本发明不限于LED照明，其可以用于任意种类的照明，其中所希望的是将光谱探测与图像识别相结合。这也可以是环境智能区，其中房间中人的情绪(面部表情)或运动反映为该房间中光的颜色(也可以是例如荧光灯管)的适当改变。
根据本发明的实施例，滤光结构可以是Fabry-Perot共振器结构，其覆盖图像传感器阵列的部分光敏面，且用于探测接收的光的光谱成分。
根据本发明的另一实施例，滤光结构可以是边滤光器阵列，其覆盖图像传感器阵列的部分光敏面，且用于探测接收的光的光谱成分。
根据本发明的实施例，边滤光器阵列可以是切割的滤光玻璃的阵列。
根据本发明的实施例，集成设备的Fabry-Perot共振器结构可以包括两个半透明金属性层以及夹在所述两个半透明金属性层之间的介电层。因此，可以用诸如金属性层的蒸镀以及介电层的沉积的传统的半导体制造方法来实现共振器结构。
根据本发明的又一实施例，金属性层之一可以作为第一反射和部分透明层沉积在图像传感器阵列的至少部分光敏面上，随后介电层可以沉积在该第一反射和部分透明层上，并且所述金属性层中的另一个可以作为第二反射和部分透明层沉积在介电层上。因此共振器结构可以逐层地有效制造。
根据本发明的再一实施例，介电层可以包括不同厚度，以便允许对接收的光的不同光谱成分的滤光。因此，可以更精确地监控光的设定。
特别地，根据本发明的实施例，厚度可以分级成台阶，例如是几乎相等的台阶。这样，共振器结构可以被制备以过滤接收的光的特定成分，例如光源的特有光谱成分。
为了产生台阶分级，根据本发明的另外的实施例，介电层可以在沉积之后利用传统的光刻在不同的处理步骤中被蚀刻。
此外，根据本发明的实施例，Fabry-Perot共振器结构可以包括不同厚度的若干部分。例如，Fabry-Perot共振器结构可以被分成部分以形成棋盘状结构，其中每个矩形部分对应于介电层的几乎相同厚度的区，即，被调节以用于过滤入射光的某光谱成分。
根据本发明的又一实施例，图像传感器阵列可以是电荷耦合器件(CCD)、光电二极管阵列或CMOS栅极阵列。应当注意，Fabry-Perot共振器的各“像素”(具有单一介电厚度的区)可以覆盖图像传感器阵列的数个“像素”，从而增强每一滤光器信号的信号。
根据本发明的实施例，由于根据识别的图像和运动以及用于直观运动光控制的算法来调节由光源发射的光的强度和颜色，通过光的光谱探测和图像识别来控制光的设备的控制装置可以进一步适于处理识别的图像和运动。例如，控制装置可以通过微处理器或控制器以及存储用于直观运动光控制的算法的存储器来实现。
根据本发明的实施例，由于根据探测的光谱成分以及用于颜色调节的算法来调节由光源发射的光的颜色，控制装置可以进一步适于处理探测的光谱成分。这里，控制装置也可以通过微处理器或控制器以及存储用于颜色调节的算法的存储器来实现。
根据本发明的又一实施例，控制装置可以进一步适于通过借助对识别的图像的回溯和图像分析来确定入射光的方向，来处理光源的位置。由于光源位置通过图像传感器阵列成像，光源方向的确定是可能的。光源位置或入射光方向可能是有用的，因为Fabry-Perot共振器结构具有角度依赖性：以不同角度击中Fabry-Perot的光引起滤光器的不同光谱响应。因此为正确探测入射光的光谱成分，知道光来自哪里可能是重要的，而这可以从图像传感器阵列知道。
根据本发明的又一实施例，控制装置可以进一步适于根据确定的入射光的方向来修正由Fabry-Perot共振器结构探测的光谱成分。
图像感测装置和光谱探测装置可以通过根据本发明并如上所述的集成设备来实现。
此外，根据本发明的实施例，控制装置也可以集成到该集成设备中。
根据本发明的又一实施例，提供一种计算机程序，其中该计算机程序在被计算机执行时能够实施至少部分的根据本发明的方法。例如，控制装置可以通过计算机程序来实现。在此情况下，执行该计算机程序的计算机可以接收来自图像感测装置和来自光谱探测装置的信号，并且可以处理接收的信号，以对应于由图像感测装置探测的任何交互来调节光的设定，以及对应于由光谱探测装置探测的光谱成分来调节光的设定。
根据本发明的实施例，可以提供一种记录载体，诸如CD-ROM、DVD、存储卡、软盘或类似的存储介质，以存储根据本发明的计算机程序。
由于下文描述的实施例(或多个实施例)，本发明的这些和其他方面将变得显然，而且参考下文描述的实施例(或多个实施例)，本发明的这些和其他方面将被阐明。
以下将会参照示范性实施例来更加详细地描述本发明。然而，本发明并不限于这些示范性实施例。
附图说明
图1示出根据本发明的集成图像识别和光谱探测设备的实施例；
图2示出根据本发明的集成图像传感器阵列和光谱探测器的另一实施例的截面图；以及
图3示出根据本发明的通过光的光谱探测和图像识别来控制光的设备的实施例的框图。
具体实施方式
图1所示的集成图像识别和光谱探测设备10是用传统半导体制造方法制造的半导体设备。其包括诸如CCD、光电二极管阵列或CMOS栅极阵列的图像传感器阵列12，以及位于图像传感器阵列12的光敏面上的光谱仪(spectrometer)14。仅覆盖图像传感器阵列12的光敏面的一部分的光谱仪14通过如图2的截面图中所示的Fabry-Perot共振器结构来实现。因此，光谱仪用作入射(impinge)到被Fabry-Perot共振器结构14覆盖的图像传感器阵列12的该部分上的光的滤光器。图像传感器阵列的被覆盖的部分用于探测所述入射光的某些光谱成分。
Fabry-Perot共振器结构是光学干涉仪，其中入射光32在两个涂覆表面之间受到多次反射34和36。图2的Fabry-Perot共振器结构包括两个半透明金属性层16、18，以及夹在两个半透明金属性层16和18之间的例如SiO2标准器(etalon)的介电层20。因此，用于光束的空腔被限定在两个半透明金属性层16和18之间，其中光束34和36可以被多次反射。
Fabry-Perot共振器形成用于入射光的窄带滤光器。介电层20的厚度限定Fabry-Perot共振器结构14的滤光功能。入射光束32的显现的波前(wave front)仅在它们之间没有相位差时产生相长干涉。在其他波长，透射的波前的相消干涉将透射的强度向着零减小。因此，Fabry-Perot共振器结构14用作透射某些波长(光束34)并将其余波长(光束36)反射回光源的滤光器。入射光谱在Fabry-Perot共振器结构中被滤光并且使用下面的图像传感器阵列12在透射中测量所选的光谱成分的强度。
被包围在两个半透明金属性层之间的介电层20的厚度决定了要调到的波长。金属性层16和18的反射率决定了透射光谱的半平均值全宽(full-width-at-half-mean)，以及由此波长能够被选择的特异性(specificity)。
为了从入射光过滤若干光谱成分，Fabry-Perot共振器结构14可以包括不同厚度的区。在图2中，介电层20分级成台阶并因此包括两个不同厚度d1和d2，从而限定共振器结构要被调到的两个不同波长。分级可以通过蚀刻技术来获得，通过该蚀刻技术，部分的介电层20被回蚀刻一定的量从而可以获得分级的截面结构。
为了将Fabry-Perot共振器结构调到多个波长，图1所示的矩形Fabry-Perot共振器结构可以在两个不同方向(例如在x和y方向)分级成台阶，从而形成棋盘状结构。该棋盘状结构包括多个矩形区15，其中每一个矩形区对应于具有特定厚度dxy的介电层的区。通过Fabry-Perot共振器结构的以不同厚度的区15的这种分割，共振器可以调到不同波长。选择的分割越细，可以探测的入射光的各不同波长或光谱成分越多。
图2的共振器结构可以通过将其涂覆到图像传感器阵列12上来生产。该涂覆工艺可以例如通过在要成为光谱探测器的传感器阵列12的部分上沉积初始反射层16(部分透明，例如A1层)来完成。沉积工艺可以通过蒸镀来进行。随后，沉积介电层20(例如PECVD SiO2层)，其用传统的光刻(lithography)在不同的蚀刻步骤中被蚀刻，从而以不同的介电厚度d1和d2结束，并也因此有不同的滤光器响应。最后为了完成滤光器阵列，在介电层20上沉积(例如再次通过蒸镀)第二反射(部分透明)层18，例如Ag层。
在图3中，类似于图1中所示的设备的集成设备10被用于自动控制照明系统24(诸如LED照明阵列)的设定。光棒(light bar)24用RGB LED 26、28和30产生白光。为了精确控制所产生的光的颜色，重要的是探测包含在所产生光中的某些光谱成分。集成设备10接收由RGB LED 26、28和30产生的光并用涂覆在设备10的图像传感器阵列12的光敏面中间的Fabry-Perot共振器结构14来确定某些光谱成分，例如R、G和B成分。
探测的光谱成分从设备10传送到控制装置22以通过颜色设定控制算法来处理。该控制算法适于控制RGB LED 26、28和30从而获得需要的色点(color point)。图像传感器阵列用于识别图像和运动，例如用于调节照明系统24的设定的用户交互。
典型的应用是光强的直观交互控制。当用户希望增大光强时，她/他可以在设备10前举起手臂。图像传感器阵列12(例如CCD)识别手臂的运动并传送各信号到控制装置22。适于交互光设定控制的算法处理接收的信号并通过增大用于RGB LED 26、28和30的正向电流来增大光强。同时，被Fabry-Perot共振器结构14覆盖的图像传感器阵列12的部分连续探测包含在入射光中的光谱成分并传送相应的信号到控制装置22。为了以增大的光强也获得所希望的色点，颜色设定控制算法处理所探测的光谱成分并基于所探测的光谱成分来分别调节用于RGB LED 26、28和30的电流。当然，为了自动控制所产生的光的其他参数，可以实施用于处理从设备10接收到的信号的其他控制算法。
本发明特别适合应用于环境智能领域，特别是例如RGB LED照明的直观照明控制，照明管理，色点控制和色差(color drifting)反馈修正。
本发明的主要优点是：它将图像和运动识别与光谱成分探测结合，并因此允许实现光的设定的复杂自动控制。
本发明的至少一些功能(诸如控制装置的功能)可以由硬件或软件来实现。在由软件实现的情况中，可以使用单个或多个标准微处理器或微控制器来处理实现本发明的单个或多个算法。
应当注意，文字“包括”并不排除其他元件或步骤，并且文字“一个”并不排除多个。此外，权利要求中的任何附图标记都不应当被解释成限制本发明的范围。
Claims (21)
1.一种集成图像识别和光谱探测设备(10)，包括
- 图像传感器阵列(12)，用于识别图像和运动，以及
- 滤光结构(14)，覆盖所述图像传感器阵列(12)的至少一部分光敏面，用于探测接收的光的光谱成分。
2.如权利要求1所述的集成设备，其中所述滤光结构是Fabry-Perot共振器结构(14)，其覆盖所述图像传感器阵列(12)的一部分光敏面，用于探测接收的光的光谱成分。
3.如权利要求1所述的集成设备，其中所述滤光结构是边滤光器阵列，其覆盖所述图像传感器阵列(12)的一部分光敏面，用于探测接收的光的光谱成分。
4.如权利要求3所述的集成设备，其中所述边滤光器阵列是切割的滤光玻璃的阵列。
5.如权利要求2所述的集成设备，其中所述Fabry-Perot共振器结构(14)包括两个半透明金属性层(16，18)以及夹在所述两个半透明金属性层(16，18)之间的介电层(20)。
6.如权利要求5所述的集成设备，其中所述金属性层之一(16)作为第一反射和部分透明层沉积在所述图像传感器阵列(12)的至少部分光敏面上，随后所述介电层(20)沉积在所述第一反射和部分透明层(16)上，并且所述金属性层中的另一个(18)作为第二反射和部分透明层沉积在所述介电层(20)上。
7.如权利要求5或6所述的集成设备，其中所述介电层(20)包括不同厚度(d1，d2)，以便过滤接收的光(32)的不同光谱成分。
8.如权利要求7所述的集成设备，其中所述厚度(d1，d2)分级成台阶。
9.如权利要求7或8所述的集成设备，其中所述介电层(20)在沉积之后利用传统的光刻在不同的处理步骤中被蚀刻。
10.如权利要求7、8或9所述的集成设备，其中所述Fabry-Perot共振器结构(14)包括不同厚度的若干部分(15)。
11.如前述权利要求中任一项所述的集成设备，其中所述图像传感器阵列(12)是电荷耦合器件、光电二极管阵列或CMOS栅极阵列。
12.一种通过光的光谱探测和图像识别来自动控制光的设定的设备，包括
- 图像感测装置，适于识别图像和运动，
- 光谱探测装置，适于探测接收的光的光谱成分，以及
- 控制装置，适于响应识别的图像和运动以及光谱成分来自动控制由光源发射的光。
13.如权利要求12所述的设备，其中由于根据所述识别的图像和运动以及用于直观运动光控制的算法来调节由光源发射的光的强度和颜色，所述控制装置进一步适于处理识别的图像和运动。
14.如权利要求12或13所述的设备，其中由于根据所述探测的光谱成分以及用于颜色调节的算法来调节由所述光源发射的光的颜色，所述控制装置进一步适于处理所述探测的光谱成分。
15.如权利要求12、13或14所述的设备，其中所述控制装置进一步适于通过借助对所述识别的图像的回溯和图像分析来确定入射光的方向，来处理所述光源的位置。
16.如权利要求15所述的设备，其中所述控制装置进一步适于根据所述确定的入射光的方向来修正由Fabry-Perot共振器结构探测的所述光谱成分。
17.如权利要求12、13、14、15或16所述的设备，其中所述图像感测装置和所述光谱探测装置由如权利要求1到11中任一项所述的集成设备来实现。
18.如权利要求17所述的设备，其中所述控制装置也集成到所述集成设备中。
19.一种通过对光的光谱探测和图像识别来控制光的方法，其中
- 图像感测装置识别图像和运动，
- 光谱探测装置探测接收的光的光谱成分，并且
- 控制装置响应于识别的图像和运动以及光谱成分来自动控制由光源发射的光。
20.一种计算机程序，当被计算机执行时能够实施至少部分如权利要求19所述的方法。
21.一种存储如权利要求20所述的计算机程序的记录载体。
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