CN113242964A - 用于颜色测量的光电传感器 - Google Patents

用于颜色测量的光电传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN113242964A
CN113242964A CN201980071170.XA CN201980071170A CN113242964A CN 113242964 A CN113242964 A CN 113242964A CN 201980071170 A CN201980071170 A CN 201980071170A CN 113242964 A CN113242964 A CN 113242964A
Authority
CN
China
Prior art keywords
channels
optical filter
spectral
defining
photosensitive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201980071170.XA
Other languages
English (en)
Inventor
G.西斯
J.科马
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram AG
Ams Sensor Germany Co ltd
Ams Sensors Germany GmbH
Original Assignee
Ams Sensor Germany Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ams Sensor Germany Co ltd filed Critical Ams Sensor Germany Co ltd
Publication of CN113242964A publication Critical patent/CN113242964A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/46—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters
    • G01J3/50—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters using electric radiation detectors
    • G01J3/501—Colorimeters using spectrally-selective light sources, e.g. LEDs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/105—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type
    • H01L31/1055—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type the devices comprising amorphous materials of Group IV of the Periodic Table
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4204—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors with determination of ambient light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0297—Constructional arrangements for removing other types of optical noise or for performing calibration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/30—Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
    • G01J3/36—Investigating two or more bands of a spectrum by separate detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/46—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters
    • G01J3/465—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters taking into account the colour perception of the eye; using tristimulus detection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/46—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters
    • G01J3/50—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters using electric radiation detectors
    • G01J3/505—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters using electric radiation detectors measuring the colour produced by lighting fixtures other than screens, monitors, displays or CRTs
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/46—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters
    • G01J3/50—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters using electric radiation detectors
    • G01J3/51—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters using electric radiation detectors using colour filters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/46—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters
    • G01J3/50—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters using electric radiation detectors
    • G01J3/51—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters using electric radiation detectors using colour filters
    • G01J3/513—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters using electric radiation detectors using colour filters having fixed filter-detector pairs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0203—Containers; Encapsulations, e.g. encapsulation of photodiodes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J2003/1226—Interference filters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/46—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters
    • G01J2003/467—Colour computing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0216—Coatings
    • H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02162—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for filtering or shielding light, e.g. multicolour filters for photodetectors
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/70—Circuitry for compensating brightness variation in the scene
    • H04N23/73—Circuitry for compensating brightness variation in the scene by influencing the exposure time

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Abstract

一种传感器封装包括具有多个光敏区域的半导体传感器芯片(22)，每个光敏区域限定相应的光敏通道。光学滤波器结构(26)设置在传感器芯片上方，并包括为光敏通道中的不同光敏通道限定相应的光谱函数的滤波器(X、Y、Z、a‑d)。具体地，光学滤波器结构包括限定用于由光敏通道的第一子集进行的三刺激检测的光谱函数的至少三个光学滤波器(X、Y、Z)，以及限定用于由光敏通道的第二子集进行的光谱检测的光谱函数的至少一个附加光学滤波器(a、b、c、d)，该第二子集包含不同于光敏通道的第一子集的波长范围的波长范围。

Description

用于颜色测量的光电传感器
技术领域
本公开涉及用于颜色测量的光电传感器(photosensor)。
背景技术
工业产品和消费产品的各种应用采用颜色测量。已知几种不同的颜色测量技术，包括比较法、光谱法和三刺激(或三范围)法。
对于观察者的感知相关的应用，在适应人类颜色感知的生物学原理的颜色空间中表达颜色差异通常是有意义的。正常视力的人眼有三种感知光的锥体细胞，在短波长(“S”，420纳米(nm)–440纳米)、中波长(“M”，530纳米–540纳米)和长波长(“L”，560纳米–580纳米)中具有光谱灵敏度峰值。原则上，对应于三种锥体细胞的刺激水平的三个参数可以描述任何人类颜色感觉。通过三种锥体细胞的单独光谱灵敏度对总光功率光谱进行加权产生三个有效的刺激值，这提供了光谱的目标颜色的三刺激规范。与颜色空间相关联的三刺激值可以被概念化为三色、加色模型中三原色的数量。例如，由国际照明委员会(InternationalCommission on Illumination，CIE)创建的XYZ颜色空间包含具有普通视力的人可见的所有颜色感觉，并限定了颜色的设备不变表示，其用作限定其他颜色空间的标准参考。例如，CIE 1931颜色空间限定了由“X”、“Y”和“Z”表示的结果三刺激值。随后开发的标准视场是CIE 10°标准观察者，它为匹配人类视觉感知提供了高度准确的观察度。CIE三刺激值(XYZ)可以从CIE标准观察者函数中计算出来。
XYZ传感器可以用于例如(例如，光源和/或环境光的)直接颜色测量，并提供XYZ颜色空间的坐标，该坐标可以被转换成其他颜色空间或相关色温(“correlated colortemperature，CCT”)。依赖于XYZ传感器的测量系统独立于检测光的光谱混合，仅识别标准光谱部分(即，三刺激值X、Y、Z)。因此，使用XYZ传感器无法获得详细的光谱特性。
另一方面，光谱传感器可以便于测量的光谱的重建以及基于估计的光谱结果计算颜色坐标。例如，光谱反射传感器可以假设未从样品反射的光由于样品的成分而被吸收来提供关于样品的成分的信息。
发明内容
本公开描述了用于颜色测量的光电传感器，该光电传感器在单个单片半导体芯片中具有多个光学检测通道，以便提供可操作用于三刺激(例如，XYZ)检测和光谱重建两者的传感器。
例如，在一个方面，本公开描述了一种传感器封装，其包括具有多个光敏区域的半导体传感器芯片，每个光敏区域限定相应的光敏通道。光学滤波器结构设置在传感器芯片上方，并且包括为光敏通道中的不同光敏通道限定相应光谱函数的滤波器。具体地，光学滤波器结构包括限定用于由光敏通道的第一子集进行的三刺激检测的光谱函数的至少三个光学滤波器，以及限定用于由光敏通道的第二子集进行的光谱检测的光谱函数的至少一个附加光学滤波器，第二子集包含不同于光敏通道的第一子集的波长范围的波长范围。
一些实施方式包括以下一个或多个特征。例如，在一些示例中，至少三个光学滤波器可以对应于CIE颜色空间的相应坐标。在一些情况下，至少三个光学滤波器对应于XYZ颜色空间的相应分量。例如，至少三个光学滤波器可以包括：第一光学滤波器，其限定对应于XYZ颜色空间的X坐标的第一光谱函数，第一光学滤波器设置在通道中的第一通道上方；第二光学滤波器，其限定对应于XYZ颜色空间的Y坐标的第二光谱函数，第二光学滤波器设置在通道中的第二通道上方；以及第三光学滤波器，其限定对应于XYZ颜色空间的Z坐标的第三光谱函数，第三光学滤波器设置在通道中的第三通道上方。在一些实施方式中，至少三个光学滤波器包括：第一光学滤波器，其限定对应于XYZ颜色空间的X坐标的第一部分的第一光谱函数，第一光学滤波器设置在通道中的第一通道上方；第二光学滤波器，其限定对应于XYZ颜色空间的X坐标的第二部分的第二光谱函数，第二光学滤波器设置在通道中的第二通道上方；第三光学滤波器，其限定对应于XYZ颜色空间的Y坐标的第三光谱函数，第三光学滤波器设置在通道中的第三通道上方；以及第四光学滤波器，其限定对应于XYZ颜色空间的Z坐标的第四光谱函数，第四光学滤波器设置在通道中的第四通道上方。
在一些示例中，至少三个光学滤波器和至少一个附加光学滤波器限定相应的光谱函数，这些光谱函数共同覆盖电磁光谱的大部分可见范围。在一些实施方式中，至少一个附加光学滤波器包括限定电磁光谱的红外范围内的光谱函数或电磁光谱的紫外范围内的光谱函数的滤波器。
光学滤波器结构可以包括干涉滤波器，干涉滤波器为通道限定相应的透射函数。在一些情况下，至少一个附加光学滤波器包括五个滤波器，五个滤波器中的每个滤波器限定具有相应峰值的相应光谱函数，并且五个滤波器中的每个滤波器设置在第二子集中的通道中的相应一个通道上方。传感器封装可以包括窗口，来自封装外部的辐射可以通过该窗口传递到传感器芯片。
本公开还描述了一种装置，该装置包括传感器封装和处理电路，该处理电路可操作以接收和处理来自光敏通道的信号。在一些情况下，处理电路可操作以使用来自传感器芯片的通道的第一子集的输出信号来确定环境光水平。处理电路还可操作以使用来自传感器芯片的通道的第二子集的输出信号进行光谱重建。
在一些实施方式中，传感器封装集成到主机设备中，例如智能手机或其他计算设备。在一些情况下，主机设备包括显示屏，其中处理电路可操作以基于环境光水平来调节显示屏的亮度。在一些情况下，主机设备包括相机，其中处理电路可操作以基于环境光水平来调节相机的设置。处理电路还可操作以基于光谱重建来调节相机的设置。
本公开进一步描述了一种校准传感器封装的方法。该方法包括考虑用于三刺激检测的通道和用于光谱检测的通道的滤波器容差，使用基于对目标函数的最佳拟合的线性组合的矩阵运算来校准传感器芯片的通道。在一些情况下，在用于三刺激检测的通道和用于光谱检测的通道上提供宽带通滤波器。
将同一传感器用于三刺激检测和光谱重建两者可以例如在空间非常宝贵的移动应用(例如，智能手机或其他个人计算设备)中是有利的。此外，将同一传感器用于三刺激检测和光谱重建两者可以有助于降低与智能手机或其他主机设备相关的总体成本。在一些实施方式中，传感器既可操作为环境光传感器又可操作为用于光谱重建的传感器(例如，基于从目标反射的光)。
根据以下具体实施方式、附图和权利要求，其他方面、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1示出了传感器封装的示例。
图2示出了图1的传感器封装的俯视图。
图3是光学滤波器结构的示例。
图4示出了用于CIE颜色空间坐标的标准归一化光谱函数的示例。
图5示出了附加光谱通道的灵敏度函数的示例。
图6示出了使用2×3阵列的光学滤波器结构的示例。
图7示出了使用3×3阵列的光学滤波器结构的示例。
图8示出了光学滤波器结构的另一个示例。
图9示出了光学滤波器结构的又一个示例。
图10示出了耦合到处理电路的传感器芯片的示例。
图11示出了集成到主机设备中的传感器芯片的示例。
图12示出了在其中三刺激通道的灵敏度函数显示了光谱偏移的示例。
图13示出了宽带通滤波器的光谱灵敏度曲线示例。
具体实施方式
如图1和2所示，传感器封装20包括单片传感器芯片22(例如，硅或其他半导体芯片)，其限定了包含多个光敏通道的区域24。光敏通道可以例如以CMOS或CCD技术实施以提供多个像素，其中每个像素对应于相应的通道。在一些情况下，每个光敏通道被实施为相应的P-I-N二极管或其他基于半导体的光检测器。光敏通道可以例如布置成M×N阵列(M和N中的每一个都≥2)、线性M×1阵列、圆形或一些其他布置。传感器芯片22可以包含在具有孔或其他窗口28的壳体中，来自封装20外部的辐射可以穿过该孔或其他窗口，以便被传感器芯片22检测到。在一些情况下，传感器可以在芯片尺寸封装中实现，其中辐射通过主机设备(例如，。智能手机)的光学窗口进入。
光学滤波器结构26设置在光敏区域24上方，使得光敏区域24的不同部分具有不同的相应光谱灵敏度。光学滤波器结构26包括用于光敏区域24中各种光学通道的不同滤波器。如图3的示例所示，其示出了具有相应的光学滤波器(即，X、Y、Z、a、b、c、d和e)的4×4阵列(即，总共十六个通道)。滤波器结构26被配置成使得光学通道中的至少三个具有适于人眼正常光谱函数的光谱透射。图4示出了用于CIE颜色空间的相应坐标的滤波器X、Y和Z的标准归一化光谱函数40、42、44的示例。因此，滤波器中的至少三个有助于三刺激(例如，XYZ)检测。在一些实施方式中，可以使用CIE 10°标准观察者定义；在其他实施方式中，可以使用CIE 2°标准观察者定义。通常，传感器灵敏度函数是半导体(例如，硅)检测器的光谱灵敏度与特定光学滤波器的光谱透射函数的光谱乘积。因此，可以基于每个通道的目标灵敏度和半导体检测器灵敏度来计算和设计每个滤波器的合适的滤波器透射率。
除了用于三刺激检测通道的光学滤波器之外，光学滤波器结构26还包括在光敏区域24的相应部分上方的一个或多个附加的滤波器(在图3中标记为a、b、c、d、e)，以限定一个或多个光谱通道。优选地，选择附加滤波器(a、b、c、d、e)，使得光谱通道具有灵敏度函数，该灵敏度函数包含与用于三刺激检测的通道所覆盖的部分不同的可见光谱部分，尽管在一些示例中它们可以与那些通道部分地重叠。图5示出了光谱通道a、b、c、d、e的灵敏度函数50、52、54、56、58的示例。光谱函数50、52、54、56、58中的每一个都具有相应的峰值，并且光谱函数40、42、44、50、52、54、56、58可以共同覆盖大部分或全部可见光谱(即，380纳米–780纳米)。
可以例如使用干涉滤波器来实施光学滤波器结构26，以为每个通道限定相应的透射函数。这种滤波器可以提供灵活性，并且因此很好地适合于三刺激检测通道的光谱函数40、42、44。在一些情况下，可以使用其他类型的滤波器(例如，吸收滤波器；等离子体滤波器；Fabry-Perot滤波器)，或者不同类型滤波器的组合。
在图3的示例中，滤波器结构26被配置成使得传感器对于每个光谱函数40、42、44、50、52、54、56、58具有多个(例如，两个)通道。这种布置可以提供更大的健壮性。其他布置可以包括对于每个光谱函数仅单个通道，或者可以被布置成使得存在与光谱函数中的一些相对应的多个通道，以及与光谱函数中的另一些相对应的仅单个通道。此外，通道的总数以及对应的滤波器数量可以不同于图3的示例。因此，如图6所示，包括光学滤波器结构26的一些实施方式可以用于通道的2×3阵列，包括用于三刺激检测(X、Y、Z)的三个通道和用于光谱检测(a、b、c)的三个附加通道。
类似的，图7示出了用于通道的3×3阵列的光学滤波器结构26，包括用于三刺激检测(X、Y、Z)的三个通道和用于光谱检测(a、b、c、d、e、f)的六个附加通道。其他配置也是可能的。在每种实施方式中，可以选择用于光谱检测通道的附加滤波器，以使得具有包含与用于三刺激检测的通道所覆盖的部分不同的可见光谱部分的灵敏度函数，尽管如上所述，在一些示例中，它们可以部分地与那些通道重叠。此外，用于三刺激和光谱检测的各种通道(和对应的滤波器)的相对位置可以不同于所示示例。
从图4可以明显看出，对应于三刺激检测的X坐标的光谱函数40覆盖了具有不同的相应峰值40A、40B的两个不同波长范围。在一些实施方式中，将对X坐标的检测分成两个不同的通道可以是有益的，一个通道对应于包含较短峰值40A的光谱函数40的那部分，一个通道对应于包含较长峰值40B的光谱函数40的那部分。在这种情况下，如图8所示，滤波器结构26可以包括用于三刺激检测通道的四个不同的滤波器:XS、XL、Y和Z，其中XS和XL分别表示用于光谱函数40的较短和较长波长部分的滤波器。在一些情况下，使用这种滤波器结构可以获得更好的性能。
在一些实施方式中，用于光谱检测的附加通道中的一个或多个可以被配置成检测可见范围之外(例如红外(infrared，IR)和/或紫外(ultra-violet，UV))的光的波长。在这种情况下，如图9所示，滤波器结构26可以包括对应于IR和UV通道的光谱函数的滤波器。在一些情况下，诸如微透镜或微孔径的附加光学结构被直接安装到传感器芯片上。
如图10所示，传感器芯片22可以耦合到处理电路100，处理电路100可操作以基于每个相应通道检测到的光读取和处理来自传感器通道的信号。处理电路100可以被实施为在例如具有适当的数字逻辑和/或其他硬件组件(例如，读出寄存器；放大器；模数转换器；时钟驱动器；时序逻辑；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。处理电路也可以在软件中实施或包含软件(例如，存储在存储器中的机器可读指令)。电路100可操作以根据指定的程序处理接收的信号。处理电路100可以包括在封装20内，或者可以在封装外部。在后一种情况下，处理电路100可以是例如集成有传感器封装20的主机设备的一部分。
传感器封装20可用于广泛的应用。例如，如图11所示，传感器封装20可以集成到例如便携式计算设备(例如，智能手机、个人数字助理(personal digital assistant，PDA)、膝上型电脑或可穿戴计算设备，它们中的任何一个都可以连接到因特网)的主机设备102中。传感器封装20的三刺激检测通道可以用作例如智能手机中的环境光传感器，并且三刺激检测通道的输出可以用于调节智能手机或其他主机的显示屏104的亮度。通过在同一传感器芯片22中提供附加光谱通道，传感器还可以用于其他应用，例如具有光谱重建或衰减(remission)的颜色测量(即，检测从目标反射的光并根据对检测到的光的分析进行确定或采取进一步动作的应用)。在这种情况下，主机设备102还可以包括照明源，以利用具有预定特性的光来照射目标。将同一传感器用于三刺激检测和光谱重建两者可以例如在空间非常宝贵的移动应用(例如，智能手机或其他个人计算设备)中是有利的。此外，将同一传感器用于三刺激检测和光谱重建两者有助于降低与智能手机或其他主机设备相关联的总体成本。
在一些实施方式中，主机设备102(例如，智能手机)可以包括用于摄影的相机。处理器100可以被配置为分析来自三刺激通道的传感器输出，以确定环境光水平并响应于所确定的环境光水平自动调节相机的一个或多个设置(例如，曝光时间)。此外，处理器可以被配置成分析来自附加光谱通道的信号，以确定例如产生环境光的光源的性质(例如，它是太阳光还是室内LED灯)。在一些情况下，响应于这样的确定，可以对相机设置自动进行进一步的调节。
如以下段落中所解释，在同一传感器中组合三刺激(例如，XYZ)检测通道和附加光谱重建通道的另一个优点涉及三刺激检测通道的改善的校准的潜力，从而为三刺激检测通道提供更好的准确性。
偏离设计(例如，形状和阻带性能)、滤波器生产(例如，光谱偏移)和光学特性(例如，由视场(field-of-view，FOV)引起的光谱偏移)会导致偏离目标光谱灵敏度函数(例如，CIE)。因此，例如，不完美的工具生产可能导致干涉滤波器相对于期望的XYZ灵敏度函数的显著光谱偏移。图12示出了示例，其中，X、Y、Z干涉滤波器具有相应的灵敏度函数40”、42”、44”，其导致相对于理想灵敏度函数40、42、44大约1％的光谱偏移。即使使用已知的校准技术，光谱失配也可能很显著。然而，通过考虑附加光谱检测通道和生成校准矩阵，可以改善XYZ三刺激通道的校准。例如，如果总共有八个检测通道(即，三个三刺激检测通道和五个光谱检测通道)，可以生成以下的校准矩阵M，并基于最佳拟合方案将其用于校准三刺激检测通道。在对XYZCIE的直接校准中，使用XYZSensor和五个附加通道(XYZ+5Sensor)将八通道传感器转换为三个XYZCIE值。在这种情况下，校准矩阵M的尺寸为3×8：
M＝(XYZCIE*XYZ+5SensorT)*(XYZ+5Sensor*XYZ+5SensorT)-1
(XYZCIE)T＝M(3x3)*(XYZ+Sensor)T
使用前述技术，可以在颜色坐标中以更高的准确度检测整个光谱范围内的光谱峰值。此外，在一些情况下，通过了解生产过程中的预期光谱变化以及通过调节附加通道的光谱(例如，计数、峰值波长、全宽半最小值(full width halfminimum，FWHM)和/或光谱形状)，可以优化性能。
因此，通过使最佳拟合选项考虑所有传感器通道(而不是三刺激检测通道)的滤波器容差，可以实现最佳布置。计算机模拟表明，在减少光谱偏差方面可以获得显著的改善。然而，一些偏差仍然可能是由通道的主光谱之外的阻带性能引起的(例如，期望的范围的更高的阶数)。通过在XYZ三刺激通道和附加光谱通道两者上提供附加宽带通滤波器，可以减少这种偏差。图13示出了宽带通滤波器的光谱灵敏度曲线60的示例。
在一些示例中，同一传感器配置也可用于光谱重建，其中每个传感器通道彼此独立。在这种情况下，校准矩阵描述从八个传感器信号到若干(n)个光谱节点的转换。例如，对于可见范围内n个光谱节点的目标光谱的重建，校准矩阵M具有n×8的尺寸：
Figure BDA0003041793630000081
矩阵的计算也可以通过使用最少n个样本光谱的目标校准或者通过使用光谱传感器灵敏度的知识来执行。
根据前面的描述，各种修改将是显而易见的。因此，其他实施方式在权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种传感器封装，包括:
半导体传感器芯片，其具有多个光敏区域，每个光敏区域限定相应的光敏通道；以及
光学滤波器结构，其设置在所述传感器芯片上方，所述光学滤波器结构包括为所述光敏通道中的不同光敏通道限定相应的光谱函数的滤波器，其中所述光学滤波器结构包括:
至少三个光学滤波器，其限定用于由所述光敏通道的第一子集进行的三刺激检测的光谱函数；以及
至少一个附加光学滤波器，其限定用于由所述光敏通道的第二子集进行的光谱检测的光谱函数，所述第二子集包含不同于光敏通道的所述第一子集的波长范围的波长范围。
2.根据权利要求1所述的传感器封装，其中所述至少三个光学滤波器对应于CIE颜色空间的相应坐标。
3.根据权利要求2所述的传感器封装，其中所述至少三个光学滤波器对应于XYZ颜色空间的相应分量。
4.根据权利要求3所述的传感器封装，其中所述至少三个光学滤波器包括:
第一光学滤波器，其限定对应于所述XYZ颜色空间的X坐标的第一光谱函数，所述第一光学滤波器设置在所述通道中的第一通道上方；
第二光学滤波器，其限定对应于所述XYZ颜色空间的Y坐标的第二光谱函数，所述第二光学滤波器设置在所述通道中的第二通道上方；以及
第三光学滤波器，其限定对应于所述XYZ颜色空间的Z坐标的第三光谱函数，所述第三光学滤波器设置在所述通道中的第三通道上方。
5.根据权利要求3所述的传感器封装，其中所述至少三个光学滤波器包括:
第一光学滤波器，其限定对应于所述XYZ颜色空间的X坐标的第一部分的第一光谱函数，所述第一光学滤波器设置在所述通道中的第一通道上方；
第二光学滤波器，其限定对应于所述XYZ颜色空间的所述X坐标的第二部分的第二光谱函数，所述第二光学滤波器设置在所述通道中的第二通道上方；
第三光学滤波器，其限定对应于所述XYZ颜色空间的Y坐标的第三光谱函数，所述第三光学滤波器设置在所述通道中的第三通道上方；和
第四光学滤波器，其限定对应于所述XYZ颜色空间的Z坐标的第四光谱函数，所述第四光学滤波器设置在所述通道中的第四通道上方。
6.根据任一前述权利要求所述的传感器封装，其中所述至少三个光学滤波器和所述至少一个附加光学滤波器限定相应的光谱函数，所述相应的光谱函数共同覆盖电磁光谱的大部分可见范围。
7.根据任一前述权利要求所述的传感器封装，其中所述至少一个附加光学滤波器包括限定电磁光谱的红外范围内的光谱函数的滤波器。
8.根据任一前述权利要求所述的传感器封装，其中所述至少一个附加光学滤波器包括限定电磁光谱的紫外范围内的光谱函数的滤波器。
9.根据任一前述权利要求所述的传感器封装，其中所述光学滤波器结构包括干涉滤波器，所述干涉滤波器为所述通道限定相应的透射函数。
10.根据任一前述权利要求所述的传感器封装，其中所述至少一个附加光学滤波器包括五个滤波器，五个滤波器中的每个滤波器限定具有相应峰值的相应的光谱函数，并且五个滤波器中的每个滤波器设置在所述第二子集中通道中的相应一个通道上方。
11.根据任一前述权利要求所述的传感器封装，还包括窗口，来自所述封装外部的辐射能够通过所述窗口传递到所述传感器芯片。
12.一种装置，包括:
根据权利要求1-11中任一项所述的传感器封装；以及
处理电路，其能够操作以接收和处理来自所述光敏通道的信号。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述处理电路能够操作以使用来自所述传感器芯片的通道的所述第一子集的输出信号来确定环境光水平。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述处理电路能够操作以使用来自所述传感器芯片的通道的所述第二子集的输出信号来进行光谱重建。
15.一种主机设备，包括:
根据权利要求1-11中任一项所述的传感器封装；以及
处理电路，其能够操作以接收和处理来自所述光敏通道的信号；
其中所述处理电路能够操作以使用来自所述传感器芯片的通道的所述第一子集的输出信号来确定环境光水平；并且
其中所述处理电路能够操作以使用来自所述传感器芯片的通道的所述第二子集的输出信号来进行光谱重建。
16.根据权利要求15所述的主机设备，其中所述主机设备是智能手机。
17.根据权利要求15或16所述的主机设备，还包括显示屏，其中所述处理电路能够操作以基于所述环境光水平来调节所述显示屏的亮度。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的主机设备，还包括相机，其中所述处理电路能够操作以基于所述环境光水平来调节所述相机的设置。
19.根据权利要求18所述的主机设备，其中所述处理电路还能够操作以基于所述光谱重建来调节所述相机的设置。
20.一种校准根据权利要求1-11中任一项所述的传感器封装的方法，所述方法包括:
考虑用于三刺激检测的通道和用于光谱检测的通道的滤波器容差，使用基于对目标函数的最佳拟合的线性组合的矩阵运算来校准所述传感器芯片的通道。
21.根据权利要求20所述的方法，包括在用于三刺激检测的所述通道和用于光谱检测的所述通道上方提供宽带通滤波器。
CN201980071170.XA 2018-11-05 2019-11-04 用于颜色测量的光电传感器 Pending CN113242964A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201862755824P 2018-11-05 2018-11-05
US62/755,824 2018-11-05
PCT/EP2019/080137 WO2020094587A1 (en) 2018-11-05 2019-11-04 Photosensors for color measurement

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113242964A true CN113242964A (zh) 2021-08-10

Family

ID=68536809

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980071170.XA Pending CN113242964A (zh) 2018-11-05 2019-11-04 用于颜色测量的光电传感器

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11592334B2 (zh)
CN (1) CN113242964A (zh)
DE (1) DE112019005521T5 (zh)
WO (1) WO2020094587A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20240029644A1 (en) * 2022-07-22 2024-01-25 ams Sensors USA Inc. Optical sensor module and method for behind oled ambient light detection

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006033493A (ja) * 2004-07-16 2006-02-02 Matsushita Electric Ind Co Ltd 撮像装置
US20080252738A1 (en) * 2006-09-27 2008-10-16 C/O Pentax Corporation Imaging Device
US7560679B1 (en) * 2005-05-10 2009-07-14 Siimpel, Inc. 3D camera
CN105588642A (zh) * 2014-11-11 2016-05-18 仪器系统光学测量科技有限公司 色度计的校准
CN106796146A (zh) * 2014-09-11 2017-05-31 赫普塔冈微光有限公司 确定入射辐射的频谱发射特性

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW513558B (en) * 2000-10-27 2002-12-11 Fuji Electric Co Ltd Range finder for automatic focusing
JP2012500449A (ja) * 2008-08-15 2012-01-05 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ 異なるエリアから生ずる光の監視
JP2014126903A (ja) * 2012-12-25 2014-07-07 Toshiba Corp 画像処理装置および画像処理方法、ならびに、プログラム
US9692992B2 (en) * 2013-07-01 2017-06-27 Omnivision Technologies, Inc. Color and infrared filter array patterns to reduce color aliasing
DE102014014501A1 (de) * 2014-09-30 2016-03-31 Dräger Safety AG & Co. KGaA Flammdetektor, Verfahren zur Flammerkenung und Filterarray für einen CMOS-Chip

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006033493A (ja) * 2004-07-16 2006-02-02 Matsushita Electric Ind Co Ltd 撮像装置
US7560679B1 (en) * 2005-05-10 2009-07-14 Siimpel, Inc. 3D camera
US20080252738A1 (en) * 2006-09-27 2008-10-16 C/O Pentax Corporation Imaging Device
CN106796146A (zh) * 2014-09-11 2017-05-31 赫普塔冈微光有限公司 确定入射辐射的频谱发射特性
CN105588642A (zh) * 2014-11-11 2016-05-18 仪器系统光学测量科技有限公司 色度计的校准

Also Published As

Publication number Publication date
US20210389181A1 (en) 2021-12-16
WO2020094587A1 (en) 2020-05-14
US11592334B2 (en) 2023-02-28
DE112019005521T5 (de) 2021-08-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10514335B2 (en) Systems and methods for optical spectrometer calibration
US7974466B2 (en) Method for deriving consistent, repeatable color measurements from data provided by a digital imaging device
US9360366B1 (en) Self-referencing spectrometer on mobile computing device
KR101604424B1 (ko) 휘도 및 색도 분포 측정 장치
CN106796146B (zh) 确定入射辐射的频谱发射特性
US9970816B2 (en) Light sensor modules and spectrometers including an optical grating structure
US10019926B2 (en) Adaptive calibration and adaptive transformation matrices for ambient light sensors
US7869019B2 (en) Device, method, and program for estimating light source
WO2014041866A1 (ja) センサ、表示装置、制御プログラムおよび記録媒体
JP2006189445A (ja) 周辺光の色測定
JP2013118653A (ja) デジタルカメラの較正方法
Wang et al. A liquid crystal tunable filter based shortwave infrared spectral imaging system: Design and integration
KR20120058597A (ko) 비분산 요소들을 이용하는 높은 스펙트럼 해상도의 컬러 센서
Bongiorno et al. Spectral characterization of COTS RGB cameras using a linear variable edge filter
Ji et al. Compressive recovery of smartphone RGB spectral sensitivity functions
EP2700920A1 (en) Light sensor system and method for processing light sensor signals
JP2019020311A (ja) 色彩測定方法及び色彩測定装置
US11592334B2 (en) Photosensors for color measurement
JP2021025803A (ja) 分光センサの校正装置、及び分光センサの校正方法
Liu The development of a portable spectrophotometer for noncontact color measurement
EP3043159B1 (en) Method for processing light sensor signals and light sensor system
US20170160189A1 (en) Optical analysis system and process
US9818322B2 (en) Method and system for obtaining color measurement of a display screen
CN111194399A (zh) 用于测量光之装置、系统及方法
Wang et al. Fast and high-accuracy spectral measurements of LED by linear CCD sensor and software calibration

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination