CN101578704A - 具有颜色反馈和组合通信装置的固态光源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光传感器设备，其包括基板(18)、第一光敏区(14，15)和第二光敏区(12，13)。所述设备的特征在于：提供被分配到所述第一区(14)并且适于过滤可见光谱的第一滤光器设备(22)和被分配到所述第二区(12)并且适于过滤非可见光谱的第二滤光器设备(24)，所述非可见光谱优选地为红外光谱；以及在相同的基板(18)上彼此相邻地制作所述第一和第二光敏区(12，14)，从而形成单个的集成传感器部件(10)。本发明还涉及一种包括这样的光传感器设备的灯设备(60)。
Description
本发明涉及一种光传感器设备，其包括基板、第一光敏区和第二光敏区。本发明还涉及一种包括这种光传感器设备的灯设备。
光源将以这样的方式改变：传统的照明设备(例如，信号灯、灯泡等)和系统越来越多地装配有基于发光二极管的光源。这些LED光源的主要优点是更高的效率和它们增加的寿命。由于LED尺寸很小以及它们的柔性形状因素，为灯设计者提供了新颖的和有趣的机会。
LED的原始应用(例如用作小型信号灯)已经得到广泛扩展。通常，多个LED的组合(通过串联和/或并联连接的)用于增加光输出并且因此在物理上实现更大的高亮度照明设备，例如交通灯。此外，在汽车领域，了基于LED的照明设备的使用日益增加。目前，可以发现它们被用作倒车灯、刹车灯和闪光灯系统中。已经进行了将它们用作头灯的初步试验，并且其结果看起来是有希望的。
此外，基于LED的光源的典型市场将在专业照明领域以及消费型应用领域(例如在家庭中的环境照明)。特别是在这些应用中，对光源的要求更高。特别地，为了满足这些要求，非常好的颜色质量(例如显色性)是必需的。进一步地，将这种LED光源的颜色本身(和/或色温)适用于用户的要求将成为另外的关注点。所有这些都需要用于LED光源的非常专业化的和合适的电子驱动电路。
通常，可以通过一些不同的LED(具有不同颜色)的组合来生成白光。原则上，这些不同颜色的混合被用来生成具有所需特性的想要的白光(或还有每一种其他颜色)。通常红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)LED被使用。可以添加更多的颜色(例如琥珀色(A))以改进颜色质量。原则上，也可以使用其他颜色组合。通过这样的组合，可以调节所述白光的光输出(光通量)和色温。而且只要使用具有不同电子驱动信号的LED的特定组合，也可以生成其他颜色(例如橙色)。
然而，这些可能性都要求用于这种光源的LED中的每一个(或组合)的非常专业的电子驱动电路。此外，可以利用基于传感器的反馈回路(控制)，以便测量光特性并且操纵所述光输出使之朝向所期望的方向。作为传感器，可以采用传统的光敏设备，例如(测量光通量的)光传感器或(测量光谱特性的)(真实)颜色传感器。它们可以通过温度感测设备或其他设备的方式被加入。所有感测的数据将用于提供给照明设备的控制电路，这将独立地调节LED的驱动电流，除非所需的光特性已经达到。可以在众多种类的基本电路中修改LED的电子驱动电流，这是最新技术。示范性地，脉宽调制(PWM)、振幅调制(AM)以及直流供给将被提及。
此外，将需要在光源和控制设备之间甚或在一个区域(比如房间)内的不同光源之间建立通信链路。这将实现对光源(强度以及颜色)的无线控制或者将实现在几个光源之间的调整(强度或颜色)。
例如在US2004/0105264 A1中公开了一种如上提及的光传感器设备。根据该文献的光传感器设备使用具有特定光谱敏感度的光电检测器来检测特定颜色。然后该传感器的测量结果用于控制光发射元件，如LED。
文献US2006/0092407 A1公开了一种用于识别所感测的光环境的方法和设备。特别地，多个光传感器用于产生与不同范围的光对应的感测的数据集，并且至少该范围之一的光的一部分在可见光谱之外。对于每一范围的光，提供单个的光传感器。
本领域中公知的光传感器方法所具有的共同点在于，它们使用多个传感器元件以用于不同的光范围，从而导致设备在布线方面非常复杂并且因此该设备非常昂贵和巨大，于是限制了其可能应用的领域，特别是在小型LED灯领域。如果所述设备必须配备红外传感器能力，例如用于检测无线传输的控制信号，则先前的光传感器设备的这些缺陷变得更加严重。
鉴于上面的叙述，因此本发明的目的是提供一种光传感器设备，其更加便宜、允许简化的装配和更小型的设计。
这个目的由前面提及的光传感器设备来实现，所述光传感器设备包括被分配到所述第一区并适于过滤可见光光谱的第一滤光器设备和被分配到所述第二区并适于过滤非可见光光谱(优选地是红外光谱)的第二滤光器设备，其中所述第一和第二光敏区彼此相邻地制作在相同的基板上以形成单个的集成传感器部件。
换句话说，这意味着：本发明提供优选地包括相同的光敏区的单个集成传感器部件，其中一个光敏区对可见光敏感而另一个光敏区对非可见光(优选地为红外光)敏感。这可以通过第一和第二滤光器设备实现，第一滤光器适于过滤可见光光谱(意味着可见光谱通过)，而第二滤光器适于过滤非可见光谱，优选地为红外光谱。由于用于可见光和非可见光(优选地为红外光)光谱的传感器能力被实现在相同的基板上，所以与采用多个离散的传感器元件的方案相比，所得到的传感器部件是小型的并且更便宜。此外，所得到的传感器部件需要更少的用于将其与灯的控制设备耦合的布线措施。
总之，本发明允许实现一种小型和有成本效益的光传感器设备，该光传感器设备配备有还感测用于传输控制信号的红外光或紫外光的能力。由于根据本发明的光传感器设备是非常小型的单元，所以结合所述传感器设备的灯设备也可以被设计为具有小的形状因素。
在本发明的上下文中，滤光器设备意味着适于通过某一光谱并阻挡另一光谱的每种滤光器类型。除了光学玻璃滤光器之外，干涉滤光器也是例如可用的。
在一个优选的实施例中，所述第一和第二光敏区被提供在基板的至少一个窗口内，并且所述第一和第二滤光器设备被布置在所述窗口之上。
该措施具有如下优点：所述敏感区被遮蔽而防御通常不会被相应的滤光器设备阻挡的杂散光。因此，感测结果是可以被改进。
在另一个优选实施例中，两个光敏区对可见光以及红外光都敏感。
换句话说，这意味着两个敏感区对相同的光谱范围都敏感并且因此它们具有相似的结构。
该措施的优点在于，使用相似的结构和相似的制造技术(如Si技术)可以进一步降低该设备的成本。
在另一个优选实施例中，其中至少一个所述光敏区被提供作为至少一个PIN光电二极管。
该措施已经在实践中被证明是有利的。应当注意，光敏区可以包括一个或多个并联或串联布置的PIN光电二极管。PIN光电二极管的数量和将它们相互耦合的方式取决于所需的传感器的敏感度。
在另一个优选实施例中，所述第一区适于形成三个敏感区域，每个区域被分配滤光器设备，所述滤光器设备将可见光光谱分离为三个子光谱。优选地，所述滤光器设备适于过滤红色、绿色和蓝色光。
三个独立敏感区的提供允许改进传感器的质量和精确度。特别地，对红光、绿光和蓝光敏感的三个滤光器设备允许设计能够感测整个可见光光谱的光传感器设备，并且因此使精确控制灯的颜色成为可能。这可以被实现而没有大型和浪耗空间的设计。
当然，也可以使用不同数量的光敏区并且因此使用不同数量的滤光器设备。
在另一个优选实施例中，其中至少一个所述敏感区与至少一个放大级耦合以用于放大所述敏感区的输出。优选地，该放大级也被制作在相同的基板上。
在相同的基板上集成放大级改进了测量信号的质量并且因此改进了传感器设备的总体质量。由于放大级被制作在相同的基板上这个事实，所得到的设备仍然是非常小型的并且布线的劳动强度低。
在另一个优选实施例中，其中至少一个所述放大级的输出被耦合到滤光器装置，优选地耦合到低通滤光器装置。
该措施具有如下优点：可以进一步改进传感器设备的测量质量，因为在某一频率(低通滤光器的截止频率)以上的非感兴趣信号可以被过滤出因此不再是输出信号的一部分。
在一个优选实施例中，提供有红外发光二极管，其被布置在所述基板上并由控制器电路驱动，用于经红外光传输信息和/或控制信号。
该措施具有如下优点：光传感器设备还可以用于传输信息。所述红外LED被集成到与光敏区相同的基板上，从而实现了具有附加传输能力的小型光传感器部件。
根据本发明的光传感器设备可以结合到灯设备中，该灯设备包括至少一个用于发射可见光的光源和用于控制该光源颜色的控制电路，其中本发明的光传感器设备被耦合到所述控制电路以提供关于所发射的光的颜色的信息。
应当注意，所述光源可以包括至少一个发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)或聚合物发光二极管(P-LED)、或者它们的任意组合。本发明并不局限于特定类型的光源，然而本发明的光传感器设备在LED照明领域中的应用是最有前途的。
可以从下面的描述和附图中获得其他的特征和优点。
应当理解，在不离开本发明的范围的情况下，上述特征以及下面要阐述的特征不仅可以以所指示的相应组合的方式使用，也可以以其他组合的方式或以分离的方式使用。
本发明的实施例在附图中被示出并且将在下面在说明书中参照附图而被更详细地阐述。在附图中：
图1示出本发明的光传感器设备的框图；
图2A、2B示出本发明的两个不同的实施例的结构示意图；
图3示出根据另一实施例的光传感器设备的框图；
图4示出本发明的另一实施例的框图；
图5示出本发明的另一实施例的框图；
图6示出本发明的另一实施例的框图；以及
图7示出结合了本发明光传感器设备的照明系统的说明性实例。
在图1中，示出了光传感器设备的框图并且该传感器设备用参考数字10来表示。光传感器设备10包括第一光传感器14和第二光传感器12。两个光传感器都对可见光谱和红外光光谱敏感。在优选实施例中，两个光传感器元件都是光电二极管，例如PIN光电二极管13、15。
光传感器设备10适于相互独立地检测可见光谱的光强度以及红外光光谱的光强度。如下面将要详细描述的，红外光检测能力可以用于接收由红外发射机发送的控制信号。然而，应当理解，所述光学传感器可以配备有取代红外光能力的紫外光能力，以用于接收由紫外发射机发送的控制信号。本发明不限于红外光检测。
应当注意，两个光传感器12、14都是基板的主要组成部分，从而可以获得非常小型的光传感器设备。
在图2A中示意性示出了光传感器设备的半导体结构。光传感器设备10包括半导体材料的基板18，在该基板上制作了两个光传感器12、14(即光电二极管13、15)，形成了两个光敏区。这两个光敏区或光电二极管13、15都被布置在基板18的窗口26内。在光敏区13、15之上，提供了滤光器设备20并且它覆盖了窗口26。为了制作该设备，可以使用众所周知的Si技术。
在图2A所示的实施例中，滤光器设备20包括两个分别用于过滤可见光谱和红外光谱的滤光器元件22、24。在使用干涉滤光器的情况下，相应的滤光器元件被直接布置在光敏区13、15上，而在其间没有形成间隙。
第一滤光器元件22被分配到第一光敏区15，而第二滤光器元件24被分配到第二光敏区13。因此，只有可见光光谱到达第一光敏区15，而只有红外光光谱到达第二光敏区13。在图2A中，这用箭头表示。由于使用了两个滤光器元件这个事实，两个光敏区13、15可以具有相同的结构，这意味着它们对相同的光谱敏感。
在图2B中，示意性地示出了光传感器设备的另一个实施例。与关于图2所描述的实施例相对照，除了上述滤光器元件24之外滤光器设备20还包括三个不同的滤光器元件28、30、32。特别地，用于过滤可见光光谱的滤光器元件22被分成三个不同的滤光器元件，每一个滤光器元件过滤该可见光谱的预定部分。例如优选地，滤光器元件28、30、32适于过滤红色、绿色和蓝色光谱。
关于滤光器元件22，对第一光敏区15也实施了分离，从而提供三个光敏区域15a、15b、15c。所述光敏区域的每一个区域被分配给三个滤光器元件28、30、32之一。
因此，该光传感器设备允许独立地检测所测量的光谱的红色、绿色和蓝色光部分。
然而，应当注意，当应用中需要时，可以想到用于过滤可见光光谱的不同部分的其他滤光器元件。
在图3中示出了该光传感器设备10的各个电路框图。显然，提供了用于蓝色、绿色、红色和红外部分的四个光敏元件。由于各光敏区15、13被制作在相同的基板18上，所以可以提供能够使用例如Si技术检测三种不同颜色和红外的非常小型的光传感器设备。
特别地，选择滤光器设备20的滤光器元件使得它们对可见光的敏感度被分成三个不同的子敏感度，优选地每一个子敏感度匹配于三个CIE颜色匹配功能之一。此外，选择滤光器元件24使得其对光谱的红外部分敏感。
再次，应当注意，具有不同过滤特性的滤光器元件也是可能的。滤光器设备20的结构的选择唯一地取决于所期望的应用，特别地取决于将要基于光传感器设备10的输出信号而被执行的所期望的控制功能。
此外，应当注意，不仅是光电二极管而且其他光敏元件(如光电晶体管、太阳能电池、光敏电阻等)可以被用作光传感器12、14。
在图4中，示出了光传感器设备10的另一个实施例。与上述实施例相对照，该光传感器设备10包括适于放大每一个光敏区13、15的输出信号的放大级40。特别地，该放大级包括用于每一个光敏区13、15的一个放大器。然而，对于所有的光敏区13、15，也可以仅仅使用一个放大级；随后，需要对所述传感器信号进行多路复用过程。
放大级40的放大可以通过所谓的跨阻放大器来进行，所述跨阻放大器是众所周知的、且因为使用相同的Si技术而可以直接实现为光传感器设备的一部分。
应当注意，放大级40可以提供有其他终端以用于通过耦合例如外部部件(比如电阻器等)来限定放大因子。
在图5中，示出了光传感器设备的另一个优选实施例并且其由参考数字10表示。除了图4所示的实施例之外，图5的光传感器设备10包括用于对放大级40的输出进行过滤的滤光器级(filter stage)46。优选地，每个光敏区的输出通过一个相应的滤光器级46来过滤。然而，也可以多路复用光敏区的输出信号到一个单个的滤光器级。
滤光器级46的过滤可以由所谓的低通滤光器来进行，该低通滤光器是众所周知的并且仅传输在所谓截止频率以下的信号。在最简单的情况下，它们包括RC组合(RC combination)。然而，也可以使用无源或有源滤光器设计。此外，所述滤波器级还可以具有其他用于耦合外部部件(比如电阻器和电容器)的终端以限定所述滤光器特性。
在图6中，示出了光传感器设备的最完整的形式。包括光敏区13和15的所述设备的光感测部分通过红外传输设备50来扩展。所述红外传输设备优选地以红外LED51的形式提供，而且还可以使用其他红外发射设备，比如晶体管。红外传输设备必须以这样的方式构造：使得所述被传输的红外信号从自己的敏感区13被解耦合。所述光传感器设备10的发送部分和接收部分之间的串扰必须被减少。这可以通过优化的滤光器构造和/或选择部件的适当位置来进行。
应当注意，放大级也可以被分配到红外传输设备50中，虽然这在图6中没有示出。此外，可以通过将外部部件连接到相应终端来调整该放大级，如已经讨论过的关于图4所示的放大级40。
此外，应当注意，图6中所示的光敏区13、15以及光传感器设备的红外传输设备50都被集成到同一个公共的基板上，从而使得可以提供非常小型的设备。
在图7中，示意性地图示说明了(特别地在图6中示出的)光传感器设备10的应用实例。光传感器设备10被结合到灯60中，该灯为包括多个这样的灯60的照明系统的一部分。
每个灯60包括光源70，优选地包括一个或多个发光二极管。当然，也可以改用有机发光二极管、聚合物发光二极管或任何其他类型的光源。
光源70由控制电路74控制和驱动，该控制电路74进而连接到如上所述的光传感器设备10上。
除了灯60之外，所述照明系统包括遥控器62，该遥控器62包括用于通过数据链路68将数据信号传输到其中任何一个所述灯60的至少一个红外LED63。所述遥控器62由用户64使用。
数据链路68可以建立在遥控器62与其中任何一个灯60之间，其中用于检测红外光光谱的光敏区13被提供用于从遥控器62接收数据信号。这样的数据信号由控制电路74处理。用户64可以例如打开和关闭灯60的光源、可以调整光源的光强度、或可以调整其颜色等。
因为光传感器设备10包括红外传输设备40，所以灯60能够建立到相邻灯60的另一个数据链路。该数据链路68可以用于双向地在相邻两个灯60之间传输控制信号。这种双向性可以通过在光传感器设备10内提供所述红外传输设备50以及对红外光敏感的光敏区13来实现。
光传感器设备10的光敏区15a、15b、15c用于感测相应的光谱，从而控制电路74可以调整RGB光源以便达到所希望的灯设置。如前面已经提及的，这些所希望的灯设置可以由用户经遥控器62或由另一个灯发送。
例如，在打开其中一个灯60之后，该灯发送红外识别信号，该红外识别信号由第二个灯60接收的。结果，一个自我配置的双向通信链路68被建立了，而这些灯中的一个充当主灯而另一个灯充当从属灯。在建立红外链路之后，主灯强制从属灯将其光状态调整为主灯的状态。这确保了房间中的每一个灯都具有相同的光输出，除非用户通过遥控器62中断主从链路并手动设置每一个灯的状态。
图7所示的应用可以通过附加的控制单元(未示出)而被扩展，所述附加控制单元包括光传感器设备10和控制电路74，但是没有光源。该附加控制单元可以用来在特定位置处测量颜色并将相应控制信号发送到相邻的灯60。此外，该附加单元可以从遥控器接收控制信号。
总之，本发明提供了一种新颖的具有红外通信链路的颜色传感器设备。所述光传感器设备包括适当的滤光器装置以便在可见光区实现所需的光谱灵敏度，并且另外包括适于红外区域的滤光器装置。所有必需的滤光器装置以及敏感的半导体结构被组合成一个传感器部件。因此，该传感器可以用于捕捉灯的实际颜色光谱并且同时接收从其他光源或遥控设备所发送的红外信号。
在特定实施例中，组合的颜色和红外传感器可以通过红外传输设备而被扩展。这允许该传感器设备也传输所需的信息到其他光源或遥控设备。
本发明所提出的具有组合的红外通信装置的颜色反馈传感器有助于减少固态光源的传感器部分的尺寸(仅仅是一个组合的模块的安装和布线，而不是分离的光传感器、红外接收机和红外发射机的安装和布线)，这也致使产生更简单和更便宜的产品并且允许灯与遥控设备之间的无线通信链路。
Claims (13)
1.光传感器设备，包括
基板(18)
第一光敏区(14，15)，以及
第二光敏区(12，13)，其特征在于，
提供被分配到所述第一区(14)并且适于过滤可见光光谱的第一滤光器设备(22)和被分配到所述第二区(12)并且适于过滤非可见光光谱的第二滤光器设备(24)，所述非可见光光谱优选地为红外光光谱；以及
所述第一和第二光敏区(12，14)彼此相邻地制作在相同的基板(18)上，以形成单个的集成传感器部件(10)。
2.根据权利要求1的光传感器设备，其特征在于，所述第一和第二光敏区(12，14)被提供在至少一个窗口(26)内，并且所述第一和第二滤光器设备(22，24)被布置在所述窗口(26)之上。
3.根据权利要求1或2的光传感器设备，其特征在于，两个光敏区(12，14)都对可见光和红外光敏感。
4.根据权利要求1到3中任意一项的光传感器设备，其特征在于，其中至少一个所述光敏区(12，14)被提供作为至少一个PIN光电二极管(13，15)。
5.根据前述权利要求中任意一项的光传感器设备，其特征在于，所述第一区(14)适于形成三个敏感区域(15a，15b，15c)，每一个区域被分配滤光器设备(28，30，32)，所述滤光器设备将可见光光谱分离为三个子光谱。
6.根据权利要求5的光传感器设备，其特征在于，所述滤光器设备(28，30，32)适于过滤红光、绿光和蓝光。
7.根据前述权利要求中任意一项的光传感器设备，其特征在于，其中至少一个所述敏感区(12，14)与至少一个放大级(40)耦合，该放大级(40)用于放大所述敏感区的输出。
8.根据权利要求7的光传感器设备，其特征在于，其中至少一个所述放大级(40)的输出(42)耦合到滤光器装置(46)，所述滤光器装置(46)优选地为低通滤光器装置。
9.根据前述权利要求中任意一项的光传感器设备，其特征在于，红外发光二极管(50)放置在基板(18)上并由控制器电路驱动，用于经红外光传输信息和/或控制信号。
10.灯设备，其包括至少一个用于发射可见光的光源、用于控制光源颜色的控制电路(74)以及根据权利要求1-9中任意一项的光传感器设备(10)，该光传感器设备(10)耦合到所述控制电路(74)，该控制电路(74)用于提供关于所发射的光的颜色的信息。
11.根据权利要求10的灯设备，其特征在于，遥控器(62)具有红外发光二极管(63)，该红外发光二极管(63)用于传输控制信号。
12.根据权利要求11的灯设备，其特征在于，所述控制电路适于将控制信号发送到相邻灯(60)并从相邻灯(60)接收控制信号。
13.根据权利要求10-12中任意一项的灯设备，其特征在于，所述光源包括至少一个发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)或聚合物发光二极管(P-LED)，或者它们的任意组合。
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