CN106796146A - 确定入射辐射的频谱发射特性 - Google Patents

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Abstract

本公开描述有助于将特定波长分配给测量的光电流的光学辐射传感器和检测技术。所述技术可用来确定辐射源的频谱发射特性。在一个方面中，一种确定入射辐射的频谱发射特性的方法包括：使用具有第一光敏区域和第二光敏区域的光检测器感测所述入射辐射中的至少一些，所述第一光敏区域和所述第二光敏区域的光学响应度特性彼此不同。所述方法还包括：基于来自所述第一区域的光电流与来自所述第二区域的光电流的比来识别所述入射辐射的波长。

Description

确定入射辐射的频谱发射特性
技术领域
本公开涉及测量光学辐射的特性。
背景
各种制造过程及其他过程涉及测量并采集光学辐射源的光学辐射数据，具体为频谱发射特性。所述制造过程或其他过程可以是如下的过程：光学辐射用作执行所述过程的一部分或者光学辐射由所述过程生成。在一些情况(诸如成像应用)中，可能希望测量并确定环境光的频谱发射特性。
虽然各种技术是可用的，但是一些已知的技术仅对所述过程的区域提供全局或平均测量。例如，可提供光电二极管的阵列来测量各种波长的入射光。然而，光电二极管的响应大体取决于入射辐射的强度以及辐射的波长。因此，可能无法将特定光电流值分配给唯一波长。例如，如果检测到环境光，那么可能无法使光电流的特定值与光谱的特定部分的特定波长相关。
另外，一些光源具有多个发射峰。例如，钠蒸气灯在589nm附近生成两个发射峰。然而，那些峰在典型的红色(R)滤波器、蓝色(B)滤波器和绿色(G)滤波器之外。因此，仅被配置有这些滤波器的传感器将不能检测到钠蒸气线。
概述
本公开描述有助于将特定波长分配给测量的光电流的光学辐射传感器和检测技术。所述技术可用来确定辐射源的频谱发射特性。
例如，在一个方面中，一种确定入射辐射的频谱发射特性的方法包括：使用具有第一光敏区域和第二光敏区域的光检测器感测入射辐射中的至少一些，所述第一光敏区域和所述第二光敏区域的光学响应度特性彼此不同。所述方法还包括：基于来自所述第一区域的光电流与来自所述第二区域的光电流的比来识别入射辐射的波长。
一些实现方式包括以下特征中的一个或多个。例如，在一些情况下，由光检测器感测的入射辐射在被光检测器感测到之前穿过光学滤波器。在一些情况下，光检测器的第一区域和第二区域布置为堆叠的光电二极管。所述方法可包括：使用多个光检测器感测入射辐射中的至少一些，所述多个光检测器中的每一个具有相应的第一光敏区域和第二光敏区域，其中所述第一区域的光学响应度特性不同于所述第二区域的光学响应度特性，并且其中每个光检测器被配置来感测光谱的不同相应部分。所述方法还可包括：识别入射辐射的一个或多个波长，其中基于来自光敏区域中的第一个的光电流与来自与所述第一区域相同光检测器中的第二光敏区域的光电流的比来识别每个波长。在一些实现方式中，由每个特定光检测器感测的入射辐射在被所述特定光检测器感测到之前穿过相应的光学滤波器，其中每个光学滤波器让与其他光学滤波光器中的至少一些不同的相应的波长或波长带通过。在一些情况下，所述方法可包括：将光电流的比与存储在查找表中的值进行比较，并且将与查找表中的最接近的匹配值相关联的波长分配给入射辐射。所述方法可包括：基于对入射辐射的波长的识别来控制主机装置的部件。
在另一个方面中，一种用于确定入射辐射的频谱发射特性的系统包括光检测器，所述光检测器包括第一光敏区域和第二光敏区域，所述第一光敏区域和所述第二光敏区域的光学响应度特性彼此不同。所述系统还包括处理电路，所述处理电路联接到光检测器并且被配置来从第一光敏区域和第二光敏区域接收相应的光电流，计算来自第一光敏区域和第二光敏区域的光电流的比，并且基于光电流的比将波长分配给入射光。
在一些实现方式中，所述系统包括以下特征中的一个或多个。例如，光检测器可包括堆叠的光电二极管结构。所述系统可包括光学滤波器，所述光学滤波器限制入射在光检测器的光敏区域上光的波长。所述光学滤波器仅可允许单一波长或窄波长带穿过。在一些情况下，所述系统包括多个光检测器，所述多个光检测器中的每一个包括相应的第一光敏区域和第二光敏区域，其中所述第一光敏区域的光学响应度特性不同于所述第二光敏区域的光学响应度特性。每个光检测器可具有相应的光学滤波器，所述光学滤波器允许光检测器感测不同于其他光检测器的波长或窄波长带。所述处理电路可被配置来识别入射辐射的一个或多个波长，其中基于来自光敏区域中的第一个的光电流与来自与第一光敏区域相同光检测器的第二光敏区域的光电流的比来识别每个波长。
在另一方面中，一种用于确定入射光的频谱发射特性的系统包括光敏元件的阵列，所述光敏元件的阵列至少部分地由堆叠的第一光敏区域和第二光敏区域构成，所述堆叠的第一光敏区域和第二光敏区域的光学响应度特性彼此不同。光学滤波器设置在光敏元件的所述阵列上，其中所述光学滤波器被配置来仅允许光谱的相应较窄部分通过，到达光敏元件中的不同的光敏元件，使得光敏元件中的不同的光敏元件或光敏元件的子组可操作来感测不同于光敏元件中的其他光敏元件或光敏元件的子组的光谱的一部分中的光。处理电路联接到光敏元件并且被配置来从每个光敏元件的第一光敏区域和第二光敏区域接收相应的光电流，计算来自光敏元件中的至少一些的第一光敏区域和第二光敏区域的光电流的相应的比，并且基于所计算的比将相应的波长分配给入射光。
在所述系统的一些实现方式中，光学滤波器形成光学滤波器的连续或半连续光谱。在一些情况下，光学滤波器共同地基本上允许光谱的整个可见部分在2nm-4nm范围内的分辨率下由光敏元件的阵列感测。光敏元件的阵列例如可以是CMOS传感器。
本公开可用于涉及测量光学辐射的频谱发射特性的广泛范围的应用。
其他方面、特征以及优点将根据以下详细描述、附图以及权利要求书而容易地理解。
附图简述
图1示出用于检测单色入射光的布置。
图2是光学响应度曲线的实例。
图3是示出确定入射光波长的方法的流程图。
图4是光学响应度曲线的另一个实例。
图5示出用于检测非单色入射光的一种布置。
图6A、图6B和图6C是光学响应度曲线的另外的实例。
图7示出用于检测非单色光的另一种布置。
图8是用于检测宽带或全光谱入射光的布置的实例。
图9是用于检测入射光并确定入射光波长的系统的方框图。
详细描述
如图1所示，光学辐射20入射在光检测器22上，所述光检测器22中的每一个具有多个频谱灵敏度。具体地说，每个光检测器22可例如作为堆叠的半导体(例如，硅)光电二极管22A、22B来实现。堆叠的光电二极管结构具有多个(例如，两个)接点，所述多个接点的光学响应度(即，频谱特性)彼此不同。在这个实施例中，假设入射光20基本上是单色的(例如，具有单一波长或中心峰波长周围的非常窄的光谱)。如图1所示，包括一个或多个光束成形元件(诸如透镜)的宽视场(FOV)或其他光学系统24可将入射辐射20聚焦到光检测器22上。在一些情况下，光学滤波器26设置在每个光检测器22上。例如，光学滤波器26可以是透明的，以便仅允许可见光穿过，以用于由光检测器22检测。可将来自光检测器22的输出28A、28B提供给被配置来处理光电流并基于所述光电流将对应的波长分配给入射光20的处理电路。
图2示出两个曲线A1、A2的实例，所述两个曲线A1、A2中的每一个表示光电二极管22A、22B中的一个相对于波长的光学响应度。在所示出的实例中，曲线A1表示光检测器22中的一个的特定接点22A的光学响应度，并且曲线A2表示相同光检测器22中的另一个接点22B的光学响应度。光学响应度(也称为光响应度)大体是入射光波长的函数。从所示出的实例显而易见，两个曲线A1和A2彼此不同。因此，假设入射光的波长约为600nm，接点22A的响应度(使用曲线A1)将被检测为IA1,1，而接点22B的响应度(使用曲线A2)将被检测为IA2,1。
处理电路可操作来计算光电流的比(即，光学响应度)IA1,1/IA2,1(图3中的102)。假设入射光基本上是单色的，对于入射光的给定波长，光电流的比将基本上相同，而不管入射光的强度如何。因此，可例如将光电流的比与存储在与处理电路相关联的存储器中的查找表中的比值进行比较(104)，并且基于所述比较，处理电路可将波长分配给入射光(106)。具体地说，处理电路分配与对所计算的比最接近的匹配相关联的波长。存储在查找表中的值可以实验的方式确定。在一些情况下，不是将所计算的比与查找表中的值进行比较，处理电路可使用预定的方程式确定入射光的对应波长。
使用所检测的光电流的比来将波长分配给入射光的优点可从图4的实例显而易见，所述图4示出与图2相同的两个响应度曲线A1、A2。如由图4中的值IA2,1和IA2,2所指示，光检测器22中的一个的第一接点22A在两个不同波长(即，700nm和970nm)处生成相同的光电流。然而，第二接点22B在那些相同波长处生成入射光的不同光电流。因此，对于具有700nm波长的入射光，第二接点22B生成光电流IA1,1，而对于具有970nm波长的入射光，第二接点22B生成更小的电流IA1,2。同样，处理电路可计算实际光电流的比，并且可基于所述比将波长分配给入射光。与在图2的实例一样，假设在图4的实例中入射光基本上是单色的。
在一些实现方式中，即使入射光是非单色的并且由光谱的不同部分中的多个窄带组成，通过提供窄带通滤波器来用合理准确度确定入射光的波长也是可能的。图5示出假设入射光20由在三个不同窄带20A、20B、20C(例如，红色、绿色和蓝色)中的离散波长组成的实例。光检测器22中的每一个可类似于参考图1描述的那些光检测器。此外，光检测器22中的一些具有相应的光学滤波器26A-26C，所述光学滤波器26A-26C允许光谱的仅单一部分的光穿过，到达下面的堆叠的光电二极管22A、22B。例如，如图5所示，光检测器22中的一个具有仅允许光谱可见部分中的红色光通过的滤波器26A，另一个光检测器22具有仅允许绿色光通过的滤波器26B，并且第三光检测器22具有仅允许光谱可见部分中的蓝色光通过的滤波器26C。
一些光源是单色的。例如，钠蒸气灯仅可在589nm处发射光。如果所发射的波长(或波长的窄带)在由滤波器26A-26C通过的波长的范围之外，那么所发射的光将不被具有那些滤波器的光检测器22中的任一个检测到。为了解决此类情况，可提供例如具有允许所有颜色的可见光通过的透明滤波器26D的另外的光检测器22。假设入射(可见)光是单色的，处理电路可通过使用来自具有透明滤波器的光检测器的光电流输出的比来以上文所述的方式确定光的波长。
在前述实例中，假设透明滤波器仅允许可见光通过。在其他情况下，透明滤波器还可允许光谱的其他部分中的光(例如，IR、近IR或UV)通过。
因此，每个光检测器22仅可检测特定窄带内的光(参见图6A、图6B和图6C，其中虚线分别指示可见光谱的可被单个检测器22检测到的蓝色部分、绿色部分和红色部分。因此，图6A指示可见光谱的可被具有蓝色带通滤波器26C的检测器22检测到的蓝色部分，图6B指示可见光谱的可被具有绿色带通滤波器26B的检测器22检测到的绿色部分，并且图6C指示可见光谱的可被具有红色带通滤到器26A的检测器22检测到的红色部分。来自检测器22中的给定的一个的每对光电流输出28A、28B可由处理电路使来确定比，并且将波长分配给光谱的那个部分内的入射光，如上文结合图2-4所描述。
在一些情况下，不是将所计算的光电流比分配给特定波长，处理电路可简单地确定所计算的波长是否在预定比的指定公差内。如果所计算的比在指定公差之外，那么处理电路可致使生成警报或消息，以指示入射光不同于预期的波长。
尽管图5的特定实例中的滤波器被设计成分别使红色光、绿色光和蓝色光通过，但是在其他情况下，可提供被设计成使光谱的不同部分(例如，红外线或紫外线)通过的滤波器。另外，可提供不同数量的光检测器，每个光检测器对应于相应的波长带。大体上，只要入射光的每个波长(或窄带)落在光谱的限定区域中的一个内，处理电路就可确定入射光的波长。
因此，可增加用于不同频谱区域的光电二级管22和相关联的滤波器26的数量，使得可从多带光源中识别甚至更大数量的波长。图7示出包括七个光检测器22的实例。光检测器22中的六个具有允许不同的相应频谱区域通过的相应光学滤波器(26A、26B、26C、26E、26F、26G)。因此，只要每个波长或窄带落在由光检测器22中的由颜色滤波器限定的相应的一个涵盖的非重叠波长区域中的不同的一个内，就可识别包括高达六个离散波长或窄波长带20A-20F的入射光的单个波长。如以上所述，每个光检测器22可包括具有接点的堆叠的光电二极管结构，所述接点的光学响应度彼此不同。处理电路可计算来自每个特定光检测器22的光电流输出28A、28B的比，并且可使用所述比识别入射光的波长。在一些情况下，光检测器22中的另一个包括允许所有颜色的可见光通过的透明的滤波器26D。可通过增加光检测器22的数量并且向每个光检测器提供仅允许不同波长或窄波长带通过的光学滤波器来扩展前述布置，以识别其他多带光源的波长。
在一些情况下，即使入射光的波长带中的一些(或全部)略有些宽(即，覆盖多于单一波长)，来自特定光电二级管的光学响应的比也可用来识别对应带中的具有近似值的波长。因此，尽管在一些情况下识别宽带入射光的精确波长可能是不可能的，但是处理电路可使用来自每个特定光检测器的光电流输出28A、28B的比来识别每个颜色滤波器范围内的近似位置，以便确定入射光的近似波长。
在前述实现方式中，光检测器22是各自具有多个频谱敏感度的离散装置(例如，具有光学响应度曲线彼此不同的多个接点的堆叠的光电二级管结构)。图8示出可对于确定多带或全光谱入射光120的波长特别有用的另一种实现方式。在这个实现方式中，不提供用于光检测器22的多个离散装置，可提供光敏元件的阵列122(例如，CMOS传感器)。像素阵列122包括以二维栅格组织并且具有接点122A、122B的多个(例如，两个)竖直堆叠的光电二极管，所述接点122A、122B的光学响应度曲线彼此不同。可将光学滤波器126的连续或半连续光谱提供在像素阵列122上。每个滤波器126A可被配置来仅允许光谱的较窄部分通过。可使滤波器126A的数量足够大，使得滤波器共同地允许广范围的窄波长带通过，到达下面的像素。然而，滤波器126A被布置成使得每个像素(或像素的子组)接收仅在窄波长带内的光。在具体的实现方式中，CMOS传感器像素阵列可具有100x100像素的尺寸，并且可在2nm-4nm范围内的分辨率下基本覆盖从400nm-700nm的整个可见频谱范围。
如图9所示，用于检测入射光并确定所述入射光波长的系统可包括处理电路30。处理电路30可操作来读取来自光检测器22(或122)的信号并处理所述信号，以便根据以上所述的技术识别入射光中的一个或多个波长。处理电路30可例如作为具有适当数字逻辑和/或其他硬件部件(例如，读出寄存器；放大器；模数转换器；时钟驱动器；定时逻辑；信号处理电路；和/或微处理器)的一个或多个半导体芯片中的一个或多个集成电路来实现。因此，处理电路30被配置来实现与此类电路相关联的各种功能。
前述技术应用范围广范，包括半导体处理，在所述半导体处理中可能需要监测周围环境的频谱发射特性或者可能需要调谐辐射源。所述技术在光测谱法应用中也可能是有用的。另外，所述技术还可在成像应用中是有利的，在所述成像应用中，可能希望测量并确定环境光的频谱发射特性。
光学组件和光检测器22(或122)可并入到具有相对小的占地面积的紧凑模块中。所述模块进而可被整合到例如包括摄像机的主机装置(例如，智能电话或其他手持式计算装置)中。可将来自光检测器22(或122)的光电流输出提供给驻存在主机装置中的处理电路30。另外，在一些情况下，可将来自处理电路30的输出提供给主机装置的其他部件32(例如，摄像机或显示屏)以指示环境光信息。摄像机可使用此类信息以例如调整摄像机光圈或调整显示屏的亮度。
可在前述公开的精神内进行各种修改。因此，其他实现方式也在权利要求书的范围内。

Claims (17)

1.一种确定入射辐射的频谱发射特性的方法，所述方法包括：
使用具有第一光敏区域和第二光敏区域的光检测器感测所述入射辐射中的至少一些，所述第一光敏区域和所述第二光敏区域的光学响应度特性彼此不同；以及
基于来自所述第一区域的光电流与来自所述第二区域的光电流的比来识别所述入射辐射的波长。
2.如权利要求1所述的方法，其中由所述光检测器感测的入射辐射在被所述光检测器感测到之前穿过光学滤波器。
3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述光检测器的所述第一区域和所述第二区域布置为堆叠的光电二极管。
4.如权利要求1所述的方法，其包括：
使用多个光检测器感测所述入射辐射中的至少一些，所述多个光检测器中的每一个具有相应的第一光敏区域和第二光敏区域，其中所述第一区域的光学响应度特性不同于所述第二区域的光学响应度特性，并且其中每个光检测器被配置来感测所述光谱的不同相应部分；以及
识别所述入射辐射的一个或多个波长，其中基于来自所述光敏区域中的第一个的光电流与来自与所述第一区域相同光检测器中的所述第二光敏区域的光电流的比来识别每个波长。
5.如权利要求4所述的方法，其中由每个特定光检测器感测的入射辐射在被所述特定光检测器感测到之前穿过相应的光学滤波器，其中每个光学滤波器让与所述其他光学滤波光器中的至少一些不同的相应的波长或波长带通过。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其包括：
将光电流的所述比与存储在查找表中的值进行比较；以及
将与所述查找表中的最接近的匹配值相关联的波长分配给所述入射辐射。
7.如权利要求1所述的方法，其还包括：基于对所述入射辐射的所述波长的识别来控制主机装置的部件。
8.一种用于确定入射辐射的频谱发射特性的系统，所述系统包括：
光检测器，所述光检测器包括第一光敏区域和第二光敏区域，所述第一光敏区域和所述第二光敏区域的光学响应度特性彼此不同；以及
处理电路，所述处理电路联接到所述光检测器并且被配置来从所述第一光敏区域和所述第二光敏区域接收相应的光电流，计算来自所述第一光敏区域和所述第二光敏区域的所述光电流的比，并且基于所述光电流的所述比将波长分配给所述入射光。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述光检测器包括堆叠的光电二极管结构。
10.如权利要求8或权利要求9所述的系统，其包括光学滤波器，所述光学滤波器限制入射在所述光检测器的所述光敏区域上光的波长。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述光学滤波器仅允许单一波长或窄波长带穿过。
12.如权利要求8所述的系统，其包括多个光检测器，所述多个光检测器中的每一个包括相应的第一光敏区域和第二光敏区域，其中所述第一光敏区域的光学响应度特性不同于所述第二光敏区域的光学响应度特性，
其中每个光检测器具有相应的光学滤波器，所述光学滤波器允许所述光检测器感测不同于所述其他光检测器的波长或窄波长带，并且
其中所述处理电路被配置来识别所述入射辐射的一个或多个波长，其中基于来自所述光敏区域中的第一个的光电流与来自与所述第一光敏区域相同光检测器的所述第二光敏区域的光电流的比来识别每个波长。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述光检测器中的每一个包括堆叠的光电二极管结构。
14.一种用于确定入射光的频谱发射特性的系统，所述系统包括：
光敏元件的阵列，所述光敏元件的阵列至少部分地由堆叠的第一光敏区域和第二光敏区域构成，所述堆叠的第一光敏区域和第二光敏区域的光学响应度特性彼此不同；
光学滤波器，所述光学滤波器设置在光敏元件的所述阵列上，其中所述光学滤波器被配置来仅允许所述光谱的相应的较窄部分通过，到达所述光敏元件中的不同的光敏元件，使得所述光敏元件中的不同的光敏元件或所述光敏元件的子组可操作来感测不同于所述光敏元件中的其他光敏元件或所述光敏元件的子组的所述光谱的一部分中的光；以及
处理电路，所述处理电路联接到所述光敏元件，并且被配置来从每个光敏元件的所述第一光敏区域和所述第二光敏区域接收相应的光电流，计算来自所述光敏元件中的至少一些的所述第一光敏区域和所述第二光敏区域的所述光电流的相应的比，并且基于所计算的比将相应的波长分配给所述入射光。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述光学滤波器形成光学滤波器的连续或半连续光谱。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述光学滤波器共同地基本上允许所述光谱的整个可见部分在2nm-4nm范围内的分辨率下由光敏元件的所述阵列感测。
17.如权利要求14-16中任一项所述的系统，其中光敏元件的所述阵列是CMOS传感器。
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