CN101978247B - 光电检测器和测量光的方法 - Google Patents

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Abstract

提出了一种光传感器(1)，其包括至少一个波长选择光电检测器(10)、透镜(20)和孔(30)。波长选择光电检测器允许检测落在传感器上的预定义波长范围内的光。透镜将光投射到光电检测器上并且孔限定该光传感器的视场。光电检测器(10)、透镜(20)和孔(30)以远心配置来设置。有利的是，这允许光在预定义角度范围内入射到波长选择光电检测器上，而不管入射到孔上的光的方向如何，从而消除了波长选择光电检测器的角度依赖响应。

Description

光电检测器和测量光的方法
技术领域
本发明涉及光传感器，该光传感器包括：至少一个波长选择光电检测器，其用于检测落在该传感器上的预定义波长范围内的光；透镜，其用于将光投射到光电检测器上；以及孔(aperture)，其用于限定该传感器的视场，透镜具有第一和第二焦平面，并且光电检测器和孔分别设置在第一和第二焦平面内。此外，本发明还涉及一种测量光的方法。这样的光传感器特别地用在照明图案的检测和控制中。
背景技术
单色光源的控制以及由若干光源创建的房间内光氛围的调节需要对照明和彩色图案的正确测量。这在发光二极管(LED)的情况下变得尤其重要，因为它们倾向于随着时间而改变其输出光谱。而且，它们的输出光谱是驱动电平的函数并且从一个LED到另一个LED而不同。因此，正确的控制需要对光输出光谱的精确测量。基于具有窄带滤色器的光电检测器阵列的光传感器使得能够测量输出光谱。每个光电检测器测量光谱的一小部分，使得能够重建整个光谱。
例如基于电介质层的叠层的干涉滤光器以及所谓的法布里-珀罗标准具构成最常见类型的窄带滤色器。有利的是，这些滤光器可以具有非常窄的光谱响应。然而，滤光器的中心波长强烈依赖于光的入射角。因此，光传感器的光谱响应对于从不同方向入射到其上的光线将是不同的。这显然构成缺陷，从而阻止了对光谱的精确测量。此外，窄带滤光器仅透射少量的光谱，从而降低了光电传感器的灵敏度。而且，以高的分辨率确定光谱需要大量的这类滤光器。
US 2005/0260741描述了一种用于生物材料的定量分析的成像系统。所述系统包括检测透镜系统，该检测透镜系统包括透镜、(可调节)孔以及诸如CCD的光学检测设备。透镜、孔和检测设备被设计成基本上是远心的。
发明内容
本发明的目的是提供减轻这些问题中的至少一个的所述种类的光传感器。这个目的是利用如权利要求1所限定的依照本发明的光传感器来实现的。一种光传感器，其包括：至少一个波长选择光电检测器，其用于检测落在该传感器上的预定义波长范围内的光；透镜，其用于将光投射到光电检测器上；孔，其用于限定该传感器的视场，其特征在于，光电检测器、透镜和孔以远心配置(telecentric configuration)来设置，并且借助于包含在孔中的电光光调制器，孔被设置成在尺寸、形状或位置方面是可控制的。在这种配置中，光电检测器和孔均被定位成离透镜的距离等于其焦距。换言之，本发明的特征在于，透镜具有第一和第二焦平面，并且光电检测器和孔分别设置在第一和第二焦平面内。有利的是，光将在预定义角度范围内(例如接近法线入射)入射到波长选择光电检测器上，而不管入射到孔上的光的方向如何，从而消除了角度依赖响应。而且，由于孔和透镜可以远大于波长选择光电检测器，因而可以收集更多的光，从而提高了灵敏度。
借助于包含在孔中的电光光调制器，孔被设置成在尺寸、形状或位置方面是可控制的。有利的是，这允许控制光入射到光电检测器上的角度的范围，从而使得能够控制波长选择光电检测器和光传感器的光谱响应。作为另一个优点，控制光谱响应允许在维持高分辨率能力的同时减少光电检测器的数量。这允许将传感器制造得更简单和更小。
在一实施例中，电光光调制器包括液晶单元、电润湿单元或者电泳单元。有利的是，这允许实现动态且可控的孔系统，该孔系统使得能够实现光谱扫描能力。
在一实施例中，孔被设置成环形。有利的是，环直径限定光传感器的峰值透射波长。而且，环宽度限定光传感器的光谱响应的宽度。
在一实施例中，波长选择光电检测器包括干涉滤光器或法布里-珀罗标准具。在一实施例中，透镜具有光轴并且孔的位置被设置成在垂直于该光轴的平面内是可控的以允许扫描落在传感器上的光的光谱。有利的是，这允许确定落在光传感器上的光的光谱和角度信息这两者。
依照第二方面，本发明提供了一种测量光的方法，该方法包括步骤：(i)提供至少一个波长选择光电检测器，其用于检测预定义波长范围内的光；(ii)提供透镜，其用于将光投射到光电检测器上；以及(iii)提供孔，其用于限定该光电检测器的视场，其特征在于，将孔设置成借助于包含在孔中的电光光调制器而在尺寸、形状或位置方面是可控制的，并且将光电检测器、透镜和孔以远心配置来定位。
在一实施例中，所述方法还包括步骤：在垂直于透镜的光轴的平面内调节孔的形状、尺寸或位置以允许扫描落在传感器上的光的光谱。
本发明的这些和其他方面根据下述实施例将是清楚明白的，并且将参照下述实施例进行阐述。
附图说明
在以下结合附图对于示例性和优选的实施例的描述中，公开了本发明的另外的细节、特征和优点。
图1示意性地示出了具有波长选择光电检测器阵列的现有技术光传感器
图2示意性地示出了依照本发明的光传感器的实施例
图3示意性地示出了依照本发明的光传感器的另一实施例
图4示意性地示出了依照本发明的光传感器的第三实施例
图5示意性地示出了依照本发明的光传感器的第四实施例
图6示意性地示出了可用在依照本发明的光传感器中的孔的两个实施例。
具体实施方式
图1示意性地示出了具有波长选择光电检测器10的阵列的光传感器1。该光传感器进一步还包括用于将光投射到光电检测器10上的透镜20以及用于限定传感器的视场的孔30。光传感器1还包括适当的电子器件和用户接口(未示出)用以进一步处理检测的光并且将其呈现给用户。
波长选择光电检测器10可以由被干涉滤光器或法布里-珀罗标准具覆盖的二极管或电荷耦合器件制成。这些滤光器的变化的透射函数(即波长选择性)是由两个(或更多)反射表面之间的光的多次反射之间的干涉造成。如果透射束同相，则发生相长干涉。这对应于滤光器的高透射峰值。如果透射束异相，则发生相消干涉，这对应于透射最小值。多次反射束是否同相取决于光的波长(λ)、光通过滤光器传播的角度(θ)、滤光器(层)的厚度(t)以及反射表面之间的材料的折射率(n)。当每个透射束之间的光程长度差(2nt cosθ)为λ的整数倍时，发生最大透射。可以通过控制滤光器的精细度(finesse)来使得滤光器透射的波长范围是相当选择性的。这允许设计具有大量(层)厚度不同的滤光器的光电检测器10的阵列。这种阵列使得能够精确地测量落在传感器上的光谱。然而，上面的透射关系明显地表明，对于光的增大的入射角而言，峰值透射波长向蓝色偏移。因此，这种光传感器1将测量并且确定以非法线角度落在该传感器上的光的不同光谱范围。
依照本发明的第一方面，波长选择光电检测器10、透镜20和孔30以远心配置来设置。在远心配置中，光电检测器10和孔30这两者被定位成离透镜20的距离等于其焦距f(参见图2A和2B)。将孔30定位在透镜20的焦平面内导致光线向透镜20的光轴21折射。将光电检测器10定位在透镜20的焦平面内导致光线被聚焦到光电检测器上。因此，有利的是，穿过孔30的光线以围绕光电检测器法线的圆锥内的角度入射到波长选择光电检测器10上。从图2A和图2B的比较可以看到，孔30的尺寸确定圆锥的宽度。由于波长选择光电检测器10的光谱响应取决于圆锥宽度，因而调节孔宽度或尺寸允许控制传感器1的光谱灵敏度。有利的是，改变孔30的宽度/尺寸允许在传感器的(强度)灵敏度与光谱分辨率之间实现折衷。
不仅改变孔30的尺寸而且改变孔在透镜20的焦平面内的位置，这允许甚至更大程度地控制光传感器1的光谱响应。例如，利用环形孔30(参见图3C)，环直径40设置光入射到波长选择光电检测器10上的平均角度(其限定光传感器1的峰值透射波长)，而环宽度50设置光入射的角度分布的宽度(其限定光传感器1的光谱响应的宽度)。因此，扫描环直径40相当于在预定波长范围上进行光谱扫描。有利的是，这允许将光电检测器阵列的尺寸(即光电检测器滤光器组合的数量)减少到大体上单个检测器。在一实施例中，电光光调制器构成这种动态且可控的孔系统。举例而言，该电光调制器可以是液晶单元、电润湿单元、在控制电压的影响下使墨颗粒在焦平面内运动的平面内电泳单元或者甚至机械操作的孔。
如图3A和3B所示，(i)孔30在垂直于透镜20的光轴21的平面内的位置直接与光入射到波长选择光电检测器10的阵列上的平均角度有关；并且(ii)光电检测器10在阵列中的位置直接与光入射到孔30上的方向有关。因此，在透镜20的焦平面内/通过该焦平面重新定位或扫描孔允许确定落在光传感器1上的光的光谱和角度信息这两者。
图4在另一实施例中示意性地示出了基本上包括依照本发明的光传感器1的阵列的光传感器100。因此，光传感器100包括波长选择光电检测器阵列110、透镜阵列120和孔阵列130，其中这三个阵列以远心配置设置。将波长依赖光电检测器阵列110设置为子阵列111、112、113允许将这些子阵列分配到单个透镜和单个孔。这些子阵列包括光电检测器，其全部具有相同的光谱响应。因此，例如，子阵列111包括具有主要在可见光谱的红色部分的响应的波长选择光电检测器11。类似地，子阵列112中的光电检测器12具有其主要在绿色部分的光谱响应，而子阵列113中的光电检测器13具有其在可见光谱的蓝色部分的响应。显然，对于子阵列的数量以及波长选择光电检测器的特定光谱响应的(相应)数量不存在特别的限制。因此，在子阵列中设置光电检测器有利地允许根据入射到子阵列111、112、113中的光电检测器11、12、13上的光的位置确定入射到孔阵列130上的光的角度分布。
在又一个实施例中，图5中所示的光传感器200包括同样地以远心配置设置的波长选择光电检测器阵列210、透镜220和孔230。光电检测器阵列210设置成子阵列211、212、213，每个子阵列包括波长选择光电检测器11、12、13，这些波长选择光电检测器具有在可见光谱不同部分的其主光谱响应。每个子阵列211、212、213中的波长选择光电检测器11、12、13可以例如以拜尔(Bayer)模式(即一个“红色”、一个“蓝色”、两个“绿色”像素)设置。因此，类似于通常的照相机系统，“红-绿-蓝”像素模式自身重复多次。同样地，具有不同光谱响应的光电检测器的数量不受限制，这些光谱响应也无需位于可见光谱的红色、绿色和蓝色部分。所述数量和光谱位置仅仅是给予本领域技术人员设计自由度的因素。有利的是，该实施例允许对来自各个不同的滤色器的信号进行插值以获得全分辨率角度和光谱信息。该实施例具有以下主要优点：仅需要一个透镜和孔。
如结合图2A和2B中的实施例所讨论的，可变孔的尺寸控制光入射到光电检测器10上的角度(或者更精确地说，角度分布的宽度)，并且因而可以调节光谱响应的宽度。因此，在控制孔尺寸方面进行折衷：大的孔提供大量的光，但是也提供宽的角度以及因而宽的光谱分布，而小的孔给出低的透射(以及因而噪声)，但是给出良好的分辨率。实际上，得到的光电检测器平面上的功率分布是光谱功率分布与孔形状的卷积。在一实施例中，代替单个(非编码)孔30(图6A)的是，光传感器1包括编码的环形孔(图6B)。有利的是，以有利的方式改变编码孔的傅立叶变换(孔的空间频率响应)，使得光谱的去卷积变得容易得多：实空间中的卷积在频率/傅立叶空间中最容易地被计算，因为实空间中的卷积是傅立叶空间中的简单乘积。1维块形状狭缝透射函数和2维圆形孔的傅立叶变换分别为sinc函数和Airy函数。所测量的光谱是实光谱(real spectrum)与狭缝或孔的透射函数的卷积。在傅立叶空间中，这意味着实光谱的傅立叶变换与sinc函数或Airy函数相乘。为了由所测量的光谱恢复实光谱(去卷积)，可以将所测量的光谱的傅立叶变换除以sinc函数或Airy函数。由于sinc和Airy函数在特定频率处变得非常小或者甚至为零，因而这些频率将需要非常强烈地被放大(被零除)。因此，理想的复原是不可能的。通过使用(伪随机)编码狭缝或孔，傅立叶变换对于此后的去卷积有利得多(即没有小的值)，同时仍然透射许多光。为此目的，光传感器包括执行该去卷积的信号处理单元。而且，编码环形孔的实现在不降低光谱分辨率或增大其尺寸的情况下提高了透射以及因而提高了光传感器1的灵敏度。
已经参照上述实施例阐述了本发明，但是应当明显的是，可以使用可替换的实施例以实现相同的目的。本发明的范围因而不限于上述实施例。因此，本发明的精神和范围仅由权利要求及其等同物限制。

Claims (8)

1.一种光传感器(1)，包括：
-至少一个波长选择光电检测器(10)，用于检测落在该传感器上的预定义波长范围内的光，
-透镜(20)，用于将光投射到光电检测器上，
-孔(30)，用于限定该传感器的视场，
-透镜(20)具有第一和第二焦平面，并且
-光电检测器(10)和孔(30)分别设置在第一和第二焦平面内，
其特征在于，
孔(30)被设置成借助于包含在孔(30)中的电光光调制器而在尺寸、形状或位置方面是可控制的。
2.依照权利要求1的光传感器(1)，其中电光光调制器包括液晶单元、电润湿单元或者电泳单元。
3.依照权利要求1或2的光传感器(1)，其中孔(30)被设置成环形。
4.依照权利要求3的光传感器(1)，其中孔(30)被设置成包括编码环形孔，并且其中波长选择光电检测器(10)包括干涉滤光器或法布里-珀罗标准具。
5.依照权利要求1的光传感器(1)，其中波长选择光电检测器(10)包括干涉滤光器或法布里-珀罗标准具。
6.依照权利要求1的光传感器(1)，其中透镜(20)具有光轴(21)，并且孔(30)的位置被设置成在垂直于该光轴(21)的平面内是可控制的以允许扫描落在光传感器(1)上的光的光谱。
7.一种测量光的方法，包括下述步骤：
-提供至少一个波长选择光电检测器(10)，用于检测预定义波长范围内的光，
-提供透镜(20)，用于将光投射到光电检测器(10)上，以及
-提供孔(30)，用于限定该光电检测器的视场，
其特征在于，
-将孔(30)设置成借助于包含在孔(30)中的电光光调制器而在尺寸、形状或位置方面是可控制的，并且
-将光电检测器(10)、透镜(20)和孔(30)以远心配置来定位。
8.依照权利要求7的测量光的方法，还包括下述步骤：在垂直于透镜(20)的光轴(21)的平面内调节孔(30)的形状、尺寸或位置以允许扫描落在传感器(1)上的光的光谱。
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