CN102066968A - 使用折射和反射结构的具有角分辨率的谱检测器 - Google Patents

Abstract

一种检测器，用于接收照射在接收点处的光，并且用于针对多个入射角测量至少一个光特性。该检测器包括多个光传感器，其中每一个与接受区间(其限定光束必须到达光传感器的入射角)相关联，并且至少两个接受区间彼此不同。检测器还包括光导体，用于仅在光束的入射角属于与特定光传感器相关联的接受区间的情况下，将光束从接收点传导至该特定光传感器。

Description

使用折射和反射结构的具有角分辨率的谱检测器

技术领域

本发明涉及光学测量。特别地，本发明涉及方向敏感的光检测器。

背景技术

随着消费设备和商业环境二者中非白炽灯和非荧光灯光源(诸如LED)使用的增加，对于灵活的光测量仪器的需要不断增加。这些光源通常对于温度改变和老化是不稳定的，因此其谱特性(包括色点(colour point)和显色指数)需要进行监测以及持续的调节，以保证所发射的光的同等质量。另外，当要创建舒适和/或能量最佳的气氛时，根据光的入射方向而测量的谱特性已经成为有用的信息。

测量所接收光的波长和入射角二者的已知仪器通常是基于衍射的，因此它们对于发光应用来说相当大而且昂贵。在很多情况下，视场(field of view)过于受限以至于无法满足发光技术的需求。更加复杂的仪器可以提供满意的精度，但是由于其物理尺寸和技术复杂度的原因，不是很适合发光应用。

例如，美国专利4 625 108公开了一种半球状检测器设备，在其内部，光纤将光从设备的外表面引导至光学传感器。借助于嵌入在设备主体中的透镜盖，每个光纤的覆盖角是受限的。评估电路适于确定所接收的光学辐射的入射角。在光纤之间分布一些附加的纤维束。此类束中的每条纤维通向色过滤光学传感器，并且使用适当选择的滤光器，有可能确定在束端方向接收的光的谱特性。最小的透镜盖直径由灵敏度需求指定，纤维的最小数目由精度需求指定，因此设备的半球部分具有最小可能的半径。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种检测器，其能够根据某些接收点处的入射角来测量光特性。光特性包括但不限于：强度、色点、显色指数、准直、谱分布。另外，包括数据处理装置的检测器还能够提供关于相关数量的信息。例如，已知作为所有入射角的函数的光强度，检测器可以通过简单计算来确定其视场内主光源的方向。

本发明的另一目的是提供一种检测器，其具有上述特征，并且尺寸较小，与标准组件相比可以在较少的步骤中装配，并且其测量仍然显示用于发光应用的可接受精确度。

由此，根据本发明的第一方面，提供了一种用于在接收点处接收光照射以及针对多个入射角测量至少一个光特性的检测器。该检测器包括：

-多个光传感器，其中每一个光传感器与一个接受区间(其限定光束必须到达光传感器的入射角)相关联，并且至少两个接受区间彼此不同；以及

-光导体，用于将光束从接收点传导至特定光传感器，但是仅在光束的入射角属于与该特定光传感器相关联的接受区间的情况下。

在本发明的一个实施方式中，光导体包括折射元件和准直器。折射元件的形状使得：首先，通过接收点的光束被折射到准直器的接受方向；以及其次，具有分离入射角的光束将被传导至分离的光传感器。折射元件可以具有球形弯曲表面。为了减少光学像差，其还可以具有非球形弯曲表面。可以通过使用圆锥形的折射元件来提供以特定高精度来确定入射角的检测器。

在本发明的另一实施方式中，提供对包括折射元件的光导体的备选方案，光导体包括反射元件，其更加适于入射角偏大的应用。当期望小入射角时，折射元件选项更加紧凑。反射元件的形状与第一实施方式中的反射元件具有相同的功能特性。在本发明的又一实施方式中，光导体包括多条光纤。通过纤维以及纤维周围材料的折射特性，纤维从不同的空间区域将光传导至光传感器。光纤是轻的、尺寸经济并且抗震的。另外，其是高度方向性的，并且可以用于限定精确的视场。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于针对多个入射角测量照射在接收点处的光的至少一个特性的方法。该方法包括：

-接收光；

-将所接收的光经由光导体传导至多个光传感器；以及

-测量光传感器处的光的至少一个特性。

所使用的设备构造为使得每个光传感器都与一个接受区间相关联。至少两个接受区间是彼此不同的。仅在光束的入射角属于与特定光传感器相关联的接受区间的情况下，将光束传导至该特定光传感器。

本发明的这些和其他方面将从下文描述的实施方式中变得易见，并且将参考下文描述的实施方式进一步阐明。

附图说明

现在将参考附图更加详细地描述本发明，其中：

图1是示出根据本发明的检测器的操作原理的框图；

图2是根据本发明一个实施方式的、如在进入检测器的光束限定的平面中看到的检测器的截面图，其中光传感器之前具有球面透镜和准直器(collimator)；

图3是根据本发明另一实施方式的、如在进入检测器的光束限定的平面中看到的检测器的截面图，其中光传感器之前具有非球面折射元件和准直器；

图4A是根据本发明又一实施方式的检测器的截面图，其中光传感器之前具有锥形折射元件和准直器，并且还示出了该检测器的备选实施方式的侧视图；

图4B示出了进入图4A所示的锥形折射元件之一的光束路径；

图5是根据本发明又一实施方式的检测器的侧视图，其中光传感器之前具有反射元件和准直器；

图6是根据本发明一个实施方式的检测器的侧视图，其提供图5所示的检测器的备选方案；

图7A是根据本发明一个实施方式的、如在通过一行纤维的中心的平面看到的检测器的截面图，其中光传感器之前具有一束并行光纤；

图7B是如从适于接收光的一端看到的图7A的检测器的端视图；以及

图8是根据本发明一个实施方式的检测器的端视图，其提供图7A和图7B所示的检测器的备选方案。

具体实施方式

首先将描述根据本发明一个实施方式的检测器100的操作。在下文中，术语“光”将包括任何种类的电磁辐射，而“光束”将意味着电磁能量的窄投射。假设该检测器包括接收点101，其是具有有限范围的空间中的点或者区域(由于光学像差(aberration)或者构造约束的原因)。在光束进入接收点的点处测量光束的入射角θ。光束的入射角可以相对于检测器的组件的光轴来限定，但是也可以相对于第二参考方向来限定，从而产生具有两个分量的入射角(θ₁，θ₂)，其例如包括极角和方位角。最终，对于与不同实施方式有关的相同变量(诸如n₁、J_k等)的偶然使用不能断言这些变量应当具有相同的数值。

参考图1的框图，光到达检测器100的接收点101。为简单起见，光仅包括一个光束，并且由此具有一个入射角θ。检测器包括多个光传感器120-1，120-2，……，120-n，其可以是分离的器件、传感器阵列的子部分或者集成多像素光传感器的部分，但是在任何情况下都是独立可读的。通过检测器的构造，每个光传感器与接受区间J_k相关联，该接受区间J_k限定光束必须到达光传感器120-k的入射角。接受区间可以是多个区间的联合。通过角区分光学装置110将光传导至光传感器，该角区分光学装置110在功能上可以视为由以下三个部分组成的器件：一个光束分离器111、多个光导体112-1，112-2，……，112-n以及多个滤光器113-1，113-2，……，113-n。滤光器113-k的特征是其仅在光束具有在接受区间J_k中的入射角θ的情况下才使该光束通过。图1示出了n＝4的示例性情况，其中接收的光束具有位于J₁和J₂但是不位于J₃或者J₄中的入射角。因此，仅光传感器120-1和120-2是激活的。

由处理部分130来收集来自光传感器120-1，120-2，……，120-n的信号。现在将举例说明来自检测器的可能输出。首先，可以计算从其接收非零光强度的所有区间。已知哪些接受区间J₁，J₂，……，J_n接收光，很容易导出哪些两区间交集接收光，哪些三区间交集接收光等等，从而提供细化的信息。在以上的n＝4的示例中，已知在J₁和J₂而不在J₃和J₄中接收光。作为直接推论，在J₁∩J₂中接收光，而不在J₁∩J₃，J₁∩J₄，J₂∩J₃，J₂∩J₄，J₃∩J₄，J₁∩J₂∩J₃，J₁∩J₃∩J₄，J₂∩J₃∩J₄，J₁∩J₂∩J₄或者J₁∩J₂∩J₃∩J₄中接收光。因此，通过在四个区间中测量，检测器可以提供关于15个区间的信息。通常，n个光传感器将使得关于2ⁿ-1个接受间隔交集的信息可用，这当然可以表示为2ⁿ-1个非重叠的子区间，或者甚至按照每个子区间的中心入射角来表示。

来自检测器的第二种类的可能输出是对应于最大接收功率的入射角。假设光传感器是适当校准的(以补偿不相等的区间大小、可变传感器特性等)，以便使得在由可以插值的信号表示的校准强度的意义上是均匀的。第三，假设校准，检测器还可以输出关于入射角的强度图。该图的分辨率是关于所使用的不同接受区间的数目及其位置。该图可以包括对应于接受区间的交集的恒定数据水平的步长，但是也可以由某些种类的插值来生成。

光传感器可以是颜色灵敏的，或者可以布置在群组中，该群组之前具有不同的滤色器。每个传感器或者每个传感器组测量的强度和色点可以由表示三基色的强度的三个信号来表示。再次假设以适当的方式校准了传感器，以使得可以执行插值，第四，检测器可以输出相关于入射角的色图。谱测量而不是色点是实际上可能的，例如显色指数的测量。

已经描述了根据本发明的检测器的原理，说明书现在将描述本发明的多个优选实施方式。

参考图2，将描述根据本发明一个实施方式的检测器200的特征，其中光传感器230之前具有球面透镜210和准直器220。准直器220防止光束到达光传感器230，除非光束具有预定方向(在容差之内)，随后将其称为准直器220的接受方向。准直器例如可以包括有多个细孔穿过的吸光板；在这种情况下，孔的细度确定容差。为了简便起见，假设接受方向是垂直于准直器220的方向(尽管本领域已知准直器具有不同的接受方向)，在附图上是垂直方向。因此，仅垂直于准直器220的光束将到达光传感器230并且配准。

如技术人员所知，球面透镜210是会聚透镜，其将通过透镜的焦点211的光束折射为与光轴212平行的射束。仅此类光束将被准直器220透射，并且到达准直器220之外的光传感器230。因此，根据本发明的该实施方式，焦点211是检测器的接收点。假设围绕透镜的介质是空气，则焦点211位于透镜的光轴212上R/(n-1)的适合距离处，其中R是透镜210的弯曲表面的曲率半径，而n是透镜的折射率。以大入射角到达焦点211的光束将被传导至位于距离透镜210的光学中心较远的光传感器230。因此，在该实施方式中，光传感器的接受区间是窄区间，其宽度由准直器220的容差确定，并且仅可以与相邻的光传感器的接受区间重叠。

图3是根据本发明另一实施方式的检测器300的截面图，该实施方式提供了对图2所示的实施方式的备选方案。在检测器300中，光传感器330之前是反射元件310和准直器320，该反射元件310具有非球形表面。利用非球形表面来设计检测器的一个原因是非球形表面较少受到光学像差的影响。另外，通过避免入射角急剧增大，在更大程度上使用折射元件边缘上的光传感器。折射元件可以具有或者没有焦点；在任一情况下，接收点(其可能在空间中延伸)位于光轴312上。

以下形状也被视为适用于根据本发明的检测器中的折射元件：多面体，一种具有至少一个球形弯曲表面和复曲面(toric)透镜的元件。

图4A首先示出了根据本发明的另一实施方式的检测器410，其次示出了包括三个检测器410-1、410-2、410-3的检测器420，其中这三个检测器中的每一个都与检测器410相同。检测器410的光传感器413之前具有四个锥形折射元件411-1，411-2，411-3，411-4和准直器412。由于折射元件411的存在，该实施方式类似于图2和图3所示的实施方式。在检测器420中，检测器相对于仪器的框架具有三个不同的倾角。同样设想使用装置检测器410，其中光传感器413之前具有不同的滤色器。图4A是通过锥形折射元件411的中心的截面图。

特别地参考图4B，现在将描述包括单个锥形折射元件431的检测器430的光学功能。图4B是示出锥形元件431的平底434和弯曲侧表面435的截面图。线436对应于锥形元件431的对称轴。再次假设准直器的接受方向是法线方向。锥形折射元件431和准直器432之后的光传感器433接收以这样的方向到达锥形折射元件的光束，在附图中，以该方向到达的光束被折射到基本垂直的方向。锥体的孔径角由2α表示，而其相对折射率由n表示；附图示出了n＞1的示例。继而，锥体内垂直光束的折射角是π/2-α，并且根据斯内尔定律，其入射角θ由等式1给出：

sinθ＝n cosα                                等式1

因此，光从有限厚度的锥形壳体接收，该锥形壳体具有包括由半线(half line)组成的母线族，这些半线与折射元件的表面呈角度θ相交并且与锥形折射元件的轴相交。图4B中绘出了最外侧的母线G1和最内侧的母线G2。锥形壳体(检测器从该锥形壳体来接收光)由两个旋转面限定，该两个旋转面通过围绕锥形折射元件的对称轴436旋转G1和G2产生。

现在将参考图5描述根据本发明的又一实施方式的检测器500。光传感器530之前具有准直器520，其接受方向是其法线方向，也即附图中的水平方向。准直器的左侧提供有反射元件510。在该实施方式中，反射元件510具有抛物面形状。本领域技术人员公知，由等式y＝ax²描述的抛物面镜的焦点位于x＝0，y＝1/4a处。通过焦点的所有光束将被该镜反射到预定方向。在检测器500中，反射元件510安置为使得预定方向与准直器520的接受方向对准。因此，抛物面的焦点是检测器500的接收点511。

图6示出了本发明的一个备选实施方式，即检测器600，其布置了两个检测器500-1、500-2，这两个检测器中的每一个都与图5所示的检测器500相同。

现在将参考图7A和图7B描述根据本发明一个实施方式的检测器700。在检测器700中，每个光传感器或者光传感器的子群组(未示出)之前具有透明光纤710。图7B是从检测器700适于接收光的一端的端视图。九条光纤710-1，710-2，710-3等的开口端是可见的。如所指示的，光纤710-k的折射率为n_k。光纤710由折射率为n₀的包覆材料720包围。图7A是通过光纤710-1，710-2和710-3的中心轴的截面图。绘制不是按比例的：真实的光纤与其长度相比是非常细的。

如技术人员所知，由折射率分别为n₁和n₀的包覆材料包围的光纤特征在于其数值化孔径NA，其由等式2限定：

$\mathrm{NA}=n_e\sin {\mathrm{\θ}}_m=\sqrt{n_1^2-n_0^2}$ 等式2

这里，n_e是光从其进入光纤的介质的折射率，而θ_m是最大接受角。在光纤中心处或者以小于或者等于θ_m的角度进入光纤的光束(诸如图7A中的光束B1)经历光纤内壁的完全反射，并且将无衰减地传播(除了光纤材料的吸收)。具有大于θ_m的入射角的光束(诸如图7A中的光束B2)将被部分反射，并且部分地通过光纤-包覆分界面传输。虽然在每次反射时可能损失(传输)少量能量，但是由于反射通常频繁发生，这使得光束的幅度显著降低。因此，光纤具有由其构成材料的折射特性确定的接受区间。由于旋转对称，接受区间仅取决于入射角θ，这在由入射光束和光纤的光轴限定的平面中测量。因此，光纤的接受区间是围绕其光轴的锥体。

图7A示出了光纤710-1的光轴721-1。光束B1处于接受区间中，而光束B2则不处于其中。为了清楚起见，图7A中不包括在图的平面之外传播的光束。检测器700中的光纤710具有不同的折射率，并且因此具有不同的数值化孔径。假设等式2中n_e＝1，则光纤710-k的最大接受角θ_k由等式3给出：

$\sin {\mathrm{\θ}}_k=\sqrt{n_k^2-n_0^2}$ 等式3

因此，光纤的接受区间是J_k＝[0，θ_k]；回想按照限定，0≤θ≤π/2。根据检测器700执行的测量，由此可能提取关于在区间[0，θ₁]，[θ₁，θ₂]，……，[θ₈，θ₉]中(假设已经将折射率按升序编号)接收的光的信息，这些区间是空间中几何上半无限的区域，其以具有重合顶点的两个锥体作为边界。假设检测器700的顶面足够小，以使得相应的光轴721-1、722-2等近似在(虚)公共光轴处重合。在该实施方式的情况下，接收点是公共光轴与适于接收光的检测器端表面的相交点。

最后，图8示出了根据本发明一个实施方式的检测器800的端视图，该实施方式提供了对图7A和图7B所示实施方式的备选方案。在检测器800中，所有的光纤810都由折射率为n₀的相同材料组成。为了获得不同的接受区间，光纤810由不同的包覆材料820包围，不同包覆材料的折射率为n₁，n₂，……，n₉。为光纤材料和包覆材料的每个组合提供一个包括四条光纤的群组。群组中的光纤可以将光向上传导至四个不同的色过滤光传感器，其因此将具有不同的谱特性但具有相同的接受区间。

虽然已经在附图以及以上描述中详细示出和描述了本发明，但是此类示意和描述应被视为示意性的或者示例性的，而并非限制性的；本发明不限于所公开的实施方式。本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，根据附图、公开以及所附权利要求书的教导可以理解和实现所公开实施方式的其他变体。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或者步骤，并且不定冠词“一”或者“一个”不排除多个。

Claims (12)

1.一种检测器(100)，用于接收照射在接收点(101)处的光并且用于针对多个入射角测量至少一个光特性，所述检测器包括：

多个光传感器(120)，其中每一个光传感器与一个接受区间相关联，所述接受区间限定光束必须到达所述光传感器的入射角，至少两个接受区间彼此不同；以及

光导体(110)，用于仅在光束的入射角属于与特定光传感器相关联的接受区间的情况下，将光束从所述接收点传导至所述特定光传感器。

2.根据权利要求1所述的检测器，其中：

所述多个光传感器(120)仅接收平行于预定方向的光束；以及

所述光导体(110)包括至少一个光学元件，所述至少一个光学元件在所述接收点基本处于入射光束上的情况下发射平行于所述预定方向的光束。

3.根据权利要求2所述的检测器，还包括在每个光传感器之前的准直器(220；320；412；432；520)。

4.根据权利要求2或者3所述的检测器，其中所述至少一个光学元件是折射元件(210；310；411；431)。

5.根据权利要求4所述的检测器，其中至少一个折射元件(210；310；411；431)是包括以下的组中的一个：

多面体，

锥体，

具有至少一个球形弯曲表面的元件，

会聚透镜，

非球状透镜，以及

复曲面透镜。

6.根据权利要求2或者3所述的检测器，其中所述光导体(110)包括至少一个反射元件(510)。

7.根据权利要求6所述的检测器，其中所述至少一个反射元件(510)是抛物面镜。

8.根据权利要求6所述的检测器，其中所述至少一个反射元件(510)包括多个连续平反射表面。

9.根据权利要求1所述的检测器，其中：

所述光导体(110)是多条光纤(710)，每一个具有第一端和第二端，所述光纤的所述第一端是开放的，并且安置在从所述接收点基本可见的平面中，而每一条光纤的第二端是向所述光传感器中的至少一个开放的。

10.根据权利要求9所述的检测器，其中每一个光传感器安置为用于接收来自至多一条光纤的第二端的光。

11.根据任一前述权利要求所述的检测器，其中在至少一个光传感器之前具有滤色器。

12.一种用于针对多个入射角测量照射在接收点(101)处的光的至少一个特性的方法，包括：

接收光；

将接收的光经由光导体(110)传导至多个光传感器(120)；以及

测量所述光传感器(120)处的光的至少一个特性，

其中：

每一个光传感器与一个接受区间相关联，至少两个接受区间彼此不同；以及

仅在光束的入射角属于与特定光传感器相关联的接受区间的情况下，将所述光束传导至所述特定光传感器。

Images