CN113825987B - 表征光学传感器芯片的方法、校准光学传感器芯片的方法、操作光学传感器装置的方法、光学传感器装置和校准系统 - Google Patents

Abstract

提出一种光学传感器领域中的用于校准例如表征和校准光学传感器芯片的装置。为了以高精确度解决传感器数据的复杂性，光学传感器例如光学传感器不作为已校准的单元提供。而是，传感器响应数据可以在限定的或标准化的环境中例如在生产线上被记录并具有高精度。此高标准传感器响应数据能够在每个装置的基础上获得，并因此用明确的芯片标识号(芯片ID)标记。利用专用的校准算法补偿传感器数据，该算法能够量身定制以适合光学传感器或光学传感器芯片。为了检索传感器响应数据和校准算法，例如，两者都能够借助芯片ID而可用。

Description

表征光学传感器芯片的方法、校准光学传感器芯片的方法、操 作光学传感器装置的方法、光学传感器装置和校准系统

技术领域

本发明涉及表征和校准光学传感器芯片的方法、操作光学传感器装置的方法、光学传感器装置和校准系统。

背景技术

光学传感器越来越多地用于如智能电话和移动装置、智能家居和建筑物、工业自动化、医疗技术和连接的车辆等各种技术领域。同时，传感器数据变得更加复杂，并预期满足对高精度的要求。继而，应用校准程序以便获得符合标准化输出的校准的传感器数据。但是，传感器数据的精度在很大程度上取决于校准，例如校准数据的质量、参数化、建模等。通常需要应用特定的参数和方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种表征光学传感器芯片的方法、一种校准光学传感器芯片的方法、一种操作光学传感器装置的方法、一种光学传感器装置以及一种校准系统，其允许对装置和应用进行特定的校准，以及传感器数据的改进的精度。

这些目的是通过独立权利要求的主题来实现的。在从属权利要求中对进一步的改进和实施例进行说明。

应当理解，除非明确地描述为替代，否则下文中关于任何一个实施例所描述的任何特征可以单独使用，或者与下文中所描述的其他特征结合使用，并且还可以与实施例中任何其他实施例中的一个或更多个特征结合使用，或者与实施例的任何其他的任何组合结合使用。此外，在不脱离如所附权利要求中限定的表征光学传感器芯片的方法、校准光学传感器芯片的方法、操作光学传感器装置的方法、光学传感器装置和校准系统的范围的情况下，也可以采用以下未描述的等同物和修改。

以下涉及光学传感器领域中的改进概念，例如表征和校准光学传感器芯片。为了高精度地解决传感器数据的复杂性，光学传感器(例如光学传感器)不是作为已校准的单元提供的。相反，传感器响应数据可以在限定的或标准化的环境中(例如在生产线上)被记录，并且具有高精度。这种高标准的传感器响应数据能够在每个装置的基础上获得，因此用明确的芯片标识号(芯片ID)标记。传感器数据补充有专用的校准算法，该算法能够被定制以适合光学传感器或光学传感器芯片。例如，为了检索传感器响应数据和校准算法，两者都能够借助芯片ID来被使用。

在至少一个实施例中，一种表征光学传感器芯片的方法包括以下步骤。首先，用明确的芯片标识号(即芯片ID)标记光学传感器芯片。例如，光学传感器芯片在生产线上制造，并且在该过程期间以及在所述生产线上被标记芯片ID。在一些实施例中，光学传感器芯片可以包括板载存储器以保存芯片ID。在光学传感器芯片被集成到光学装置中时，或者甚至在嵌入光学传感器芯片的光学传感器装置的操作期间，在客户的生产现场，可以经由专用端子或传感器接口来访问板载存储器，以便例如借助于光学传感器装置来读出芯片ID。在其他实施例中，芯片ID可以被印制在光学传感器芯片的封装上，或者当光学传感器芯片被运送到客户时作为文档或数据来提供。

作为另一步骤，光学传感器芯片被表征为测量作为波长的函数和作为工作温度的函数的传感器响应数据。例如，生产线可以配备有专用的校准设施，该校准设施提供用于表征光学传感器芯片的标准化的且可再现的环境。表征光学传感器芯片可以涉及以高分辨率并且针对多个波长或连续的波长范围来测量传感器响应数据。通常，传感器响应数据会随温度变化而变化。因此，针对至少一个限定温度或温度范围，测量传感器响应数据。传感器响应数据的温度依赖性能够在工作温度的限定范围内被记录，或者基于传感器响应数据对温度依赖性的数学模型来模拟。

在另一步骤中，传感器响应数据与芯片ID一起作为数据库条目保存在数据库中。有几种保存传感器响应数据的可能性，所述可能性也可能涉及不同的位置。例如，能够将包括芯片ID和以芯片ID标记的传感器响应数据的数据库作为硬拷贝(例如，作为诸如记忆棒的存储器单元)提供给客户。但是，可以通过诸如互联网或云服务的网络来提供数据库。例如，传感器响应数据被保存在与生产现场相关联的服务器上，并且能够作为云解决方案从客户或由客户通过芯片ID直接分配进行访问。

最后，提供与芯片ID相关联的校准算法。例如，校准算法作为与单独的光学传感器芯片相关联的软件或固件经由其芯片ID被提供给客户。这能够通过用于保存和访问传感器响应数据的相同技术手段来完成。但是，也能够借助白皮书提供校准算法，该白皮书描述了用于补偿和校准传感器数据的方法。此外，提供校准算法也能够完全地留给客户，客户可以使用由生产商提供的校准算法并调整算法以适合其特定需求。或者客户自行提出适合其需求和应用的校准算法。在这种意义上，校准算法由生产商和/或客户提供。

使用上面提出的传感器响应数据和芯片ID来表征光学传感器芯片允许使用已经在受控实验室环境中记录的高精度的数据。生产现场可以提供必要的设施以获取这种数据，所述设施包括受控的标准化的环境，例如标准光源、单色仪、限定的温度、洁净室等。此外，由于能够单独地为每个光学传感器芯片记录传感器响应数据，所以能够考虑在生产期间引起的或由于材料特性引起的过程变化，从而进一步提高校准的传感器数据的精度。对于能够针对给定的光学传感器芯片或光学传感器装置定制的例如包括即将到来的应用领域的校准算法同样如此。此外，校准算法能够在生产后被更新或调整，例如通过在客户端处进行固件升级。

在至少一个实施例中，光学传感器芯片包括一个或更多个光学检测器元件，在下文中以“通道”表示。存在不同种类的光学传感器芯片，其仅可以配置为检测电磁辐射，例如包括红外线、可见光或紫外光的光学辐射。传感器响应数据可以将每个通道的灵敏度表征为波长的函数。在这种意义上，传感器响应数据包括光谱信息。

测量传感器响应数据还涉及在参考温度Tref下记录传感器灵敏度矩阵。传感器灵敏度矩阵分别指示作为波长的函数的给定通道的传感器灵敏度。在传感器具有多于单个通道的情况下，传感器灵敏度矩阵的元素分别指示作为波长的函数的每个通道的传感器灵敏度。

此外，针对至少一个通道记录第一组温度系数。温度系数指示作为波长和工作温度的函数的至少一个通道的传感器灵敏度。仅能够仅针对单个通道记录第一组温度系数。然后，如果期望其余通道具有相同或相似的温度依赖性，则能够将这些系数应用于其余通道。但是，第一组温度系数可以替代地针对所有或部分通道被记录。

该表征能够应用于不同种类的光学传感器芯片。在环境光传感器、色彩传感器、手势传感器、接近传感器、飞行时间传感器等中实现一个或更多个通道。通常，光学传感器芯片与包括传感器封装件、滤光器、光学堆叠等的另外的部件互补。能够通过记录传感器灵敏度矩阵及其温度依赖性来固有地考虑这些部件。

在至少一个实施例中，光学芯片还包括一个或更多个光学发射器元件，在下文中称为“发射器”。存在不同种类的光学传感器芯片，所述光学传感器芯片不仅可以配置为检测电磁辐射，而且还具有片上发射器。例如，这些发射器包括发光二极管或诸如VCSEL激光器的激光二极管。发射器可以发射电磁辐射，例如包括红外线、可见光或紫外光的光学辐射。传感器响应数据可以表征每个通道对于发射器的发射的灵敏度。此外，传感器响应数据还可以包括发射器的发射特性。

测量传感器响应数据还涉及在参考温度Tref下记录光谱辐照度函数，该光谱辐照度函数分别指示作为波长的函数的给定发射器的发射特性。

此外，针对至少一个发射器记录第二组温度系数。第二组温度系数指示作为波长和工作温度的函数的至少一个发射器的发射特性。第二组温度系数能够仅针对单个发射器进行记录。如果存在多于一个的发射器，并且预期具有相同或相似的温度依赖性，则这些系数能够应用于其余发射器。但是，第二组温度系数可以替代地针对所有或部分发射器被记录。

该表征能够应用于不同种类的光学传感器芯片。例如，一个或更多个发射器在接近传感器、飞行时间传感器、光谱传感器等中实现。通常，由于传感器部件的数量增加，光学传感器芯片产生复杂的传感器数据。此外，传感器的设计也变得更加复杂，并且通常会附带其他部件，例如传感器封装、滤光器、光学堆叠等。能够通过记录传感器灵敏度矩阵及其温度依赖性来固有地考虑这些部件。

在至少一个实施例中，测量传感器响应数据还包括记录一个或更多个发射器的功率分布函数。功率分布函数指示位于参考位置的参考目标处的相对功率分布。附加地或替代地，功率分布函数指示作为多个参考位置的函数的在参考目标处的相对功率分布。

为了更完整的校准，考虑发射器的实际输出可能是有益的。例如，当与同一光学传感器芯片上的其他此类二极管一起使用时，相同类型的二极管仍然可以输出不同的强度。例如，相同的正向电流可以导致不同的输出。这些差异能够通过记录参考目标处的相对功率分布来被考虑。参考目标可以是相对于光学传感器芯片放置在已知距离处的已知光谱反射率的目标。如有必要，可以在几个参考位置重复测量，以获得更完整的数据。此外，还可以针对诸如白卡、黑卡、灰卡或标度的不同类型的参考目标来记录功率分布函数。

在至少一个实施例中，校准光学传感器芯片的方法包括上面讨论的但是集成到光学传感器装置中的光学传感器芯片。传感器装置可以是光学传感器芯片能够65集成到其中并由其操作的任何主机系统。主机系统的示例包括诸如智能手机、平板电脑、计算机、显示器、(医学)成像仪、光谱仪之类的移动装置。

提供明确的芯片标识号，即芯片ID，来标识光学传感器芯片。光学传感器芯片例如在生产期间已经用芯片ID标识，并且可以与光学传感器芯片一同发布。

使用芯片ID检索传感器响应数据。例如，传感器响应数据与芯片ID一起作为数据库条目保存在数据库中。传感器响应数据是波长和工作温度的函数。例如，包括芯片ID和利用芯片ID标记的传感器响应数据的数据库或数据库条目能够借助诸如记忆棒的存储器单元作为硬拷贝提供给客户。但是，可以通过诸如互联网或云服务的网络来提供数据库或数据库条目。例如，传感器响应数据保存在与生产现场相关联的服务器上，并且能够作为云解决方案从客户或由客户经由芯片ID直接分配进行访问。

提供了校准算法并将其与芯片ID相关联。这能够通过用于检索传感器响应数据的相同技术手段来完成。校准算法也能够通过白皮书提供，该白皮书描述了一种补偿和校准传感器数据的方法。此外，也能够完全由客户来提供所述校准算法，客户可以使用由生产现场提供的校准算法并调整算法以适合他们的特定需求。或者客户自行提出适合其需求和应用的校准算法。在这种意义上，校准算法由生产商和/或客户提供。

然后，测量光学传感器装置的工作温度。例如，可以使用光学装置的温度传感器或光学传感器芯片的片上温度传感器来测量工作温度。

此外，在先前测量的工作温度下测量光学传感器芯片的传感器输出。例如，传感器输出构成借助于光学传感器芯片生成的原始数据或预处理数据。预处理可以涉及数字转换，诸如模数转换或时间数字转换。

最后，使用检索到的传感器响应数据、校准算法和工作温度对传感器输出进行校准。校准算法包括有关如何处理传感器输出以获得校准的传感器数据的数学指令。校准涉及根据测得的工作温度进行温度补偿。由于已将传感器响应数据记录为温度的函数，因此能够实现这一点。

光学传感器装置限定了在其中操作光学传感器芯片的环境。例如，工作温度不仅由光学传感器芯片确定，而且还由例如光学传感器装置确定，例如通过诸如嵌入在装置中的微处理器的电子部件确定。

因此，连续的温度测量和补偿允许改进的和更精确的传感器数据。这样，校准的精度和鲁棒性在很大程度上取决于传感器响应数据和校准算法的质量。

例如，传感器响应数据能够在生产现场被记录在受控实验室环境中。生产现场可以提供设施，以使用标准光源、单色仪、限定的温度、洁净室等在受控的标准化环境中获得传感器响应数据。此外，由于能够针对每个光学传感器芯片单独地记录传感器响应数据，所以能够考虑在生产期间、集成到光学传感器装置中或由于材料特性引起的变化，从而进一步提高传感器数据的可能精度。对于能够针对光学传感器芯片和即将到来的应用领域定制的校准算法也同样适用。此外，校准算法能够在生产后更新或调整，例如通过在客户端处进行固件更新。换句话说，使客户免于涉及光学传感器芯片的校准任务。相反，客户(例如光学传感器装置的生产商)可以专注于光学传感器装置的细节。光学传感器装置的用户能够在装置的操作期间执行温度补偿。

在至少一个实施例中，该方法还包括根据校准算法根据所检索的传感器响应数据针对测量条件x和工作温度计算系统检测矩阵。

根据系统检测矩阵确定校准矩阵。然后，使用校准矩阵对传感器输出进行校准。

术语“测量条件x”考虑了定义校准步骤或整个校准过程的相关参数。例如，测量条件x由波长(发射和/或检测)、目标属性(例如反射率和距离)、测量中涉及的通道或发射器等定义。系统检测矩阵针对参数集，即针对特定的测量条件来确定。这样，当测量条件x改变时，系统检测矩阵可以被改变。一个重要方面涉及参数的温度依赖性，所述参数诸如是随温度变化的传感器灵敏度。校准矩阵考虑了这种变化，并提供了数学框架以校准针对给定测量条件x记录的原始传感器数据，以映射到校准的传感器输出中。

在至少一个实施例中，使用已知光学特性的参考目标来确定线性系数，使得通过系统检测矩阵和校准矩阵的线性组合来确定校准的传感器输出。

集成到光学传感器装置中的光学传感器芯片的校准可以足以产生高精度的校准传感器数据。但是，在某些情况下，可以通过使用光学传感器装置而不是单独的光学传感器芯片来测量参考目标来对校准进行补偿。例如，参考目标可以实现为在给定波长下具有已知反射率的白色、黑色或灰卡片。这样，客户能够使用光学传感器装置确定线性系数。这能够通过将系统检测矩阵和由光学传感器芯片确定的校准矩阵线性组合，然后拟合线性系数来求解线性组合来完成。由于所提出的测量是通过嵌入在光学传感器装置中的光学传感器芯片(即其预期的光学环境)而不是作为单个装置在生产线上完成的，因此可以进一步改进校准。

在至少一个实施例中，重复测量工作温度。针对每个测得的工作温度来校准传感器输出。例如，在光学传感器装置的操作期间，工作温度可能经历温度变化。通常，装置可能在开始测量时变热，而在光学传感器芯片未激活时返回较低的温度。此外，装置中的其他部件也可能会影响整体工作温度，并且可能不会一直存在。因此，测量和补偿实际工作温度可以进一步改进校准的传感器数据的精度。

在至少一个实施例中，光学传感器芯片包括一个或更多个光学检测器元件，在下文中以“通道”表示。校准传感器输出涉及使用来自第一组温度系数的系数补偿用于工作温度的传感器灵敏度矩阵。所述第一组温度系数表示作为波长和工作温度的函数的至少一个通道的传感器灵敏度。传感器响应数据包括传感器灵敏度矩阵，该传感器灵敏度矩阵分别指示给定通道的传感器灵敏度作为参考温度Tref下波长的函数。

存在不同种类的光学传感器芯片，所述光学传感器芯片仅可以被配置为检测电磁辐射，例如包括红外线、可见光或紫外光的光学辐射。传感器响应数据可以将每个通道的灵敏度表征为波长的函数。在传感器具有多于一个通道的情况下，传感器灵敏度矩阵的元素分别表示作为波长的函数的每个通道的传感器灵敏度。可以只针对一个通道记录第一组温度系数。然后，如果预期其余通道具有相同或相似的温度依赖性，则可以将这些系数应用于其余通道。但是，替代地可以针对所有或部分通道记录第一组温度系数。

该校准能够应用于不同种类的光学传感器芯片，并且可以固有地考虑其不同的设计特性。在环境光传感器、颜色传感器、手势传感器、接近传感器、飞行时间传感器等中实现了一个或更多个通道。通常，光学传感器芯片还补充有诸如传感器封装件、滤光器、光学堆叠的另外的部件。这些部件能够固有地由传感器灵敏度矩阵所考虑，并针对光学传感器装置的实际工作温度补偿其温度依赖性。

在至少一个实施例中，光学传感器芯片包括一个或更多个光学发射器元件，在下文中称为“发射器”。校准传感器输出涉及使用来自第二组温度系数的系数补偿对于工作温度的光谱辐照度函数。温度系数分别指示针对至少一个发射器的作为波长和工作温度的函数的发射特性。传感器响应数据还包括光谱辐照度函数，该光谱辐照度函数分别指示作为参考温度Tref下的波长的函数的给定发射器的发射特性。

光学传感器装置可以配备有光学传感器芯片，该光学传感器芯片可以具有例如片上发射器。这些发射器包括发光二极管或诸如VCSEL激光器的激光二极管，并且可以发射电磁辐射，例如包括红外线、可见光或紫外线的光学辐射。第二组温度系数可以至少将针对至少一个发射器的发射的温度依赖性表征为波长的函数。如果存在多于一个的发射器，并且预期具有相同或相似的温度依赖性，则这些系数能够应用于其余发射器。然而，第二组温度系数可以替代地已经针对全部或部分发射器被记录。

该校准能够应用于不同种类的光学传感器芯片，并且可以固有地考虑其不同的设计特性。例如，在接近传感器、飞行时间传感器、光谱传感器等中实现一个或更多个发射器。通常，由于传感器部件的数量增加，光学传感器芯片提供了复杂的传感器数据。此外，传感器的设计也变得更加复杂，并且通常会伴随有另外的部件，例如传感器封装、滤光器、光学堆叠等。这些部件能够由传感器灵敏度矩阵固有地考虑，并可以补偿其对光学传感器装置的实际工作温度的温度依赖性。

在至少一个实施例中，校准传感器输出还涉及利用一个或更多个发射器的功率分布函数对温度补偿的光谱辐照度函数进行加权。功率分布函数指示位于参考位置的参考目标处的相对功率分布或作为多个参考位置的函数的参考目标处的相对功率分布。

为了更完整的校准，考虑发射器的实际输出可能是有益的。例如，当与同一光学传感器芯片上的其他此类二极管一起使用时，同一类型的二极管可以输出不同的强度。例如，相同的正向电流可以导致不同的输出。这些差异能够通过记录参考目标处的相对功率分布来被考虑。参考目标可以是相对于光学传感器芯片放置在已知距离处的已知反射率的目标。如有必要，可以在几个参考位置重复测量，以获得更完整的数据。此外，还可以针对诸如白卡、黑卡、灰卡或标度的不同类型的参考目标来记录功率分布函数。

在至少一个实施例中，一种操作光学传感器装置的方法包括根据上述方面表征光学传感器芯片。此外，该方法包括根据以上讨论的一个或更多个方面来校准光学传感器芯片。最后，测量校准的传感器输出。

使用所提出的方法可以从本质上将记录传感器响应数据和实际校准的任务分散到不同的位置。例如，能够在每个设备的基础上并且在受控条件下并且在生产现场以高精度记录传感器响应数据。此外，能够为光学传感器芯片和/或光学传感器装置定制校准算法。当光学传感器芯片集成在光学传感器装置中时，可由客户执行校准。此外，连续或重复的温度补偿可以考虑温度对光学传感器装置输出的校准传感器数据的精度的影响。

在至少一个实施例中，光学传感器装置包括主机系统和温度传感器，以测量光学传感器装置的工作温度。主机系统的示例包括移动装置，诸如智能手机、平板电脑、计算机、显示器，(医学)成像仪、光谱仪等。

此外，光学传感器装置包括光学传感器芯片，该光学传感器芯片用明确的芯片标识号即芯片ID来标记。提供存储器以保存与芯片ID相关联的传感器响应数据和校准算法。提供处理单元以使用芯片ID访问存储器，并使用校准算法、传感器响应数据和工作温度来处理光学传感器芯片的传感器输出的校准。

在操作期间，光学传感器装置可以进入操作的校准模式，操作期间例如装置的制造期间或终端客户使用期间。在校准模式下，能够例如借助于处理单元来访问存储器。这样，能够使用明确的芯片ID来检索针对集成在光学传感器装置中的光学传感器芯片记录的传感器响应数据。例如，芯片ID能够用作标识符，以确保检索到正确的传感器响应数据。此外，还检索校准算法。例如，校准算法可以实施为包括关于如何执行传感器数据的校准的一组指令的软件和固件。进而，处理单元使用校准算法执行或处理光学传感器芯片的传感器输出的校准。原始传感器或经过预处理的传感器数据连同传感器响应数据和工作温度一起输入到校准算法中。例如，传感器数据的预处理可以涉及模拟数字转换或时间数字转换。校准操作模式可以是需要客户启动的专用模式。然而，操作的校准模式可以在没有任何用户交互的情况下在后台操作，例如通过连续地施加传感器输出的温度补偿。

光学传感器装置允许生成具有提高的精度的校准传感器数据。这可以通过使用与专用传感器响应数据相关联的光学传感器芯片和使用芯片ID的校准算法来支持。传感器响应数据能够在包括受控或标准化环境(例如标准光源、单色仪、限定的温度、洁净室等)的生产线的受控环境下，在光学传感器芯片的制造期间被记录。在这样的环境中，能够以高分辨率并且高精度地记录传感器响应数据。此外，由于能够针对每个光学传感器芯片单独地记录传感器响应数据，所以能够考虑在生产期间或由于材料特性而引起的工艺变化，从而进一步提高校准传感器数据的精度。对于能够针对给定的光学传感器芯片或光学传感器装置定制的例如包括即将到来的应用领域的校准算法也同样适用。此外，校准算法能够在生产后更新或调整，例如通过在客户端处进行固件更新。

在至少一个实施例中，存储器包括用于输入传感器响应数据和校准算法的接口。附加地或可替代地，通信单元被布置为远程访问数据库，以使用芯片ID来检索与芯片ID相关联的传感器响应数据和校准算法。

在光学传感器芯片的制造过程中已经记录了传感器响应数据。数据和算法经由接口或通过诸如Wi-Fi、接入点或移动网络的远程连接进入光学传感器装置。通常，例如在装置制造期间或在终端客户使用期间，传感器响应数据不保存在芯片上，而是以远程方式提供给客户。例如，能够使用芯片ID访问数据库，以便检索以芯片ID标记的传感器响应数据。能够将数据作为硬拷贝提供给客户，硬拷贝例如作为诸如记忆棒的存储器单元。但是，可以借助于ftp、互联网或云服务经由网络来提供数据库。例如，传感器响应数据保存在与生产现场关联的服务器上，并且能够作为云解决方案从客户或由客户通过芯片ID直接分配进行访问。

在至少一个实施例中，校准系统包括位于光学传感器芯片的生产线上的芯片校准器件。芯片校准器件被布置成根据上述讨论的一个或更多个方面来执行所述光学传感器芯片的表征。此外，装置校准器件位于包括光学传感器芯片的光学传感器装置的生产线上。装置校准器件被布置为根据以上所讨论的一个或更多个方面来执行光学传感器装置的校准。

该方法的其他实施方式容易地从装置的各种实施方式和实施例中得出，反之亦然。

在下文中，参照在其中呈现示例性实施例的附图更详细地描述上面提出的构思。

在下面的实施例和附图中，相似或相同的元件可以分别具有相同的附图标记。但是，附图中所示的元件及其相互之间的尺寸关系不应视为按实际比例，而是可以放大诸如层、部件和区域的单个元件，以能够更好地说明或更好地理解。

图1示出了表征光学传感器芯片的方法的示例性流程图，

图2示出了光学传感器芯片的示例，

图3示出了校准的传感器输出的示例性测量，

图4示出了校准光学传感器芯片的方法的示例性处理流程，

图5A、5B示出了通道温度补偿的示例性处理流程，

图6A、6B示出了发射器温度补偿的示例性处理流程，

图7A、7B示出了使用功率分布进行加权的示例性处理流程，

图8A、8B示出了计算系统检测矩阵的示例性处理流程，

图9A、9B、9C示出了计算校准矩阵的示例性处理流程，

图10示出了进一步改进校准处理流程的其他方法，以及

图11至图16示出了操作光学传感器装置的方法的示例性处理流程。

图1示出了表征光学传感器芯片的方法的示例流程图。所提出的处理流程能够在光学传感器芯片的制造期间或之后例如在生产线上执行。光学传感器芯片以明确的芯片标识号即芯片ID来标记(步骤S1)。芯片ID能够以各种方式与给定的光学传感器芯片相关联。例如，光学传感器芯片的电子部件通常提供存储器和访问该存储器的装置。因此，该存储器能够配置为保存芯片ID，随后客户例如能够经由传感器接口访问该芯片ID。此外，光学传感器芯片通常包括传感器封装，并且芯片ID能够被标记在封装上。但是，也可以在光学传感器芯片发货时为该芯片提供芯片ID，例如作为文件、白皮书、数据表等。

此外，使用传感器响应数据来表征光学传感器芯片，该传感器响应数据是波长和工作温度的函数(步骤S2)。例如，当光学传感器芯片最终组装到生产线上时，测量针对每个单独的光学传感器芯片的传感器响应数据。能够在与生产线关联的受控实验室环境中执行传感器响应数据的测量。

取决于光学传感器芯片是否被配置用于发射和/或检测电磁辐射，术语“波长”可以指代发射和检测波长。术语“工作温度”可以指光学传感器芯片的工作条件所特有的温度，例如环境温度、装置温度、芯片温度、发射器温度等。

传感器响应数据与芯片ID一起作为数据库条目保存在数据库中(步骤S3)。传感器响应数据被分配给明确的芯片ID，进而能够使用芯片ID从数据库中检索。传感器数据的数据库能够供客户使用。这能够通过几种不同的方式来实现。例如，与给定芯片ID相关联的相关传感器响应数据能够与光学传感器芯片一起作为包括相关数据的数据表提供为硬拷贝或者能够保存在诸如与光学传感器芯片一起提供的记忆棒的存储装置中。此外，能够使数据库经由诸如FTP服务器或云服务的网络对客户可用。然后，能够使用芯片ID搜索数据库，并且能够检索针对分配给芯片ID的给定光学传感器芯片收集的单个数据。

此外，提供校准算法并将其与芯片ID相关联(步骤S4)。校准算法能够与传感器响应数据一起使用，以校准光学传感器芯片的传感器输出。通常，校准算法能够从制造商处或由客户提供。在校准算法是由制造商提供的情况下，则能够通过与传感器响应数据相同的方式使其可用。例如，能够将校准算法作为软件或固件提供，该软件或固件能够上传到嵌入有光学传感器芯片的光学装置中。

最后，校准算法和传感器响应数据能够在包括光学传感器芯片的光学装置中一起使用。使用传感器响应数据和校准算法，能够校准传感器输出以生成校准的传感器输出(步骤S5)。该过程将在下面进一步详细讨论。

提出的表征光学传感器芯片的方法解决了若干问题。与替代方法相反，设想不由制造商提供校准的传感器。这可以具有若干优点。例如，完整的制造商校准可能无法解决传感器数据的复杂性，而且可能会忽略补偿工作，诸如温度补偿。此外，可以在制造期间，也可以在稍后的时间点例如通过软件或固件更新来优化补偿方法和算法。此外，能够增加可以特定于光学装置中的预期应用的附加参数和方法，以进行进一步优化。

也可以不依赖于仅由制造商定义的单个校准算法。使用提出的处理流程可以使用多种算法并且选择最适合预期应用的算法。因此，光学传感器芯片能够被认为是配备有表征在各种波长和工作温度下的传感器的一组传感器响应数据的经过测试的传感器。传感器响应数据是单个光学传感器芯片的特性，能够在生产线上在实验室的受控环境中以高精度测量。数据保存在数据库中，例如通过芯片ID直接分配的服务器或云。能够以软件、固件或白皮书的形式提供的校准算法提供了补偿和校准传感器输出数据的完整方法。

图2示出了光学传感器芯片的示例。本文提出的过程能够应用于各种类型的光学传感器芯片和光学装置。通常，存在仅具有光学检测器元件(在下文中表示为通道)的光学传感器或也具有一个或更多个光学发射器元件(在下文中表示为发射器)的光学传感器。以下示例是在公共传感器封装中包括通道和发射器两者的光学传感器芯片。

在该示例实施例中，光学传感器芯片被配置为多光谱传感器。多光谱传感器包括具有两个腔室的不透明壳体OH：第一腔室CH1和第二腔室CH2。不透明的壳体OH设置在载体CA上并且包括将壳体分成第一腔室CH1和第二腔室CH2的遮光层LB。第一腔室CH1和第二腔室CH2还被设置在壳体中的框体FB横向地限制。盖部CS与载体CA相对设置，从而覆盖腔室CH1、CH2。例如，盖部CS、框体FB和遮光层LB由诸如模制材料的连续的材料件制造。载体CA提供机械支承和到集成到多光谱传感器中的电子部件的电气连接。例如，载体CA包括印制电路板PCB(未示出)。但是，在其他实施例(未示出)中，载体CA也能够是壳体的一部分，并且电子部件例如通过模制被嵌入到壳体中。

光学发射器OE的阵列位于第一腔室CH1内。光学发射器OE布置在载体CA上，并且电连接到载体CA，例如电连接到PCB。光学发射器OE例如能够被实现为诸如发射(近)红外辐射的NIR-LED、NIR的发光二极管，或者实现为诸如VCSEL或VECSEL的激光二极管。这些类型的光发射器被配置为分别发射特定波长或特定波长范围内的光，例如在电磁光谱的紫外线、可见光或红外线部分。发射可以是窄带的或宽带的。例如，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或垂直外部腔表面发射激光器(VECSEL)主要在IR或NIR中发射，例如在940nm处发射。

光学传感器OS布置在第二腔室CH2内部并且在载体CA上。在该特定实施例中，光学传感器与其他电子器件一起集成到单个半导体管芯SD中。光学传感器OS包括光学检测器元件例如像素的阵列。通道例如可以被实现为光电二极管。光学滤光器OF的阵列布置在光学传感器OS之上的第二腔室CH2中。光学滤光器OF的阵列附接到光学传感器OS。每个像素与具有不同透射特性的滤光器相关联。像素和相关联的滤光器一起形成光学传感器芯片的“通道”。滤光器OF的阵列中的滤光器具有在光学发射器OE的指定波长处阻挡或至少衰减的透射特性。光学滤光器OF可以是干涉滤光器，例如光学截止滤光器、带通滤光器、长通或短通滤光器、介电滤光器、法布里-珀罗(Fabry-Perot)滤光器和/或聚合物滤光器。通常，相对于待研究的荧光探针选择通带，并且光学滤光器OF使具有与探针的荧光发射相对应的波长的光通过。

第一孔AP1和第二孔AP2布置在盖部CS中。第一孔AP1和第二孔AP2分别位于光学发射器OE和光学传感器OS之上。实际上，孔AP1、AP2分别位于光学发射器OE和光学传感器OS的视场内。

可选地，光学系统能够分别布置在第一腔室CH1和第二腔室CH2内部。例如，第一光学堆叠OS1包括透镜或透镜系统，并且附接到第一腔室CH1内的光学发射器OE。第一光学堆叠OS1能够被配置为将来自光学发射器OE的发射光引导并聚焦到目标TG，该目标TG能够例如以特征距离定位在光学堆叠的视场FOV中。通常，多光谱传感器被放置在相对于外部目标TG(例如荧光探针)5至10mm的距离处。另外，光学堆叠OS1可以具有例如滤光器或保护玻璃层或窗户。第一腔室CH1和第二腔室CH2可以分别用光学窗OW密封。

此外，第二光学堆叠OS2包括透镜或透镜系统，并附接到第二腔室CH2内部的光学传感器OS。例如，第二光学堆叠OS2包括微透镜AM阵列，其中，各个微透镜分别与光学传感器的像素相关联。微透镜的光学特性(焦距、透镜直径、透镜与像素之间的距离等)能够被调节以使光学传感器OS的每个关联像素仅检测来自目标TG的限定区域的光。另外，第二光学堆叠OS2可以具有另外的光学层，例如滤光器、角度过滤器或保护玻璃层或窗户。此外，第二光学堆叠还可以具有附加的透镜以使光学传感器的FOV变窄，例如使其变窄到10度或更小。滤光器OF阵列中的滤光器能够相对于微透镜AM阵列的微透镜对准。这样，光学传感器OS的每个像素能够与单独的滤光器和/或微透镜相关联。

通常，诸如控制单元CU和测量单元MU的其他电子部件与光学传感器OS一起集成到同一半导体管芯SD中。但是，这里将不详细描述这些部件。假定光学传感器芯片和光学装置包括操作传感器所需的电子部件。例如，所讨论的光学传感器芯片朝着其FOV中的目标TG发射光，并且借助于光学传感器OS检测在外部目标TG处反射后的光，例如针对固定的检测器位置和取向。

上面讨论的光学传感器芯片的各种部件可能会对这种光学传感器芯片的性能产生影响。以下概述了可能影响光学传感器芯片的操作和传感器数据精度的参数。光学发射器OE的特征在于光谱辐照度函数、发射功率分布、发射器的位置精度以及所述参数的温度依赖性。第一光学堆叠OS1的功能受到位置精度的影响，并且影响到发射器的目标TG的FOV，并且例如定义了有效孔直径。

通常，在光学装置中，在光学传感器芯片之上设置诸如玻璃层的盖CO，例如作为光学装置的一部分。源自光学发射器OE的发射穿过盖CO，因此其特性与光学传感器的性能有关。例如，要考虑的参数包括盖CO的厚度和位置、折射率和透射特性。

发射被引导到外部目标TG的区域上，因此，被发射照明的目标区域的参数特性可以被认为是用于系统描述的参数。这些参数包括目标区域的反射率、散射和不透明度、光学发射器OE可用的FOV和到达目标区域的发射的光的光谱成分中的功率分布。最后，在某些应用中，也可以考虑目标形状。

诸如上述的多光谱传感器的光学传感器芯片可以评估在目标TG处的反射，该反射由布置在光学传感器芯片的第二腔室CH2中的一个或更多个通道检测。因此，还可以评估描述反射的参数，以描述系统特性。因此，可以考虑盖CO的厚度和间隙、反射率和透射率。第二腔室CH2覆盖有具有光谱透射和反射特性的清晰光学窗OW。此外，布置在光学传感器OS之上的第二光学堆叠OS2影响FOV到目标、孔和位置的精度。此外，滤光器OF分别以光谱透射特性为特征。最后，通道具有自己的光谱灵敏度，可能易于串扰，并且通常显示出温度依赖性。发射器OE和通道的温度分布可能会受到环境温度、装置温度、发射器温度和光学装置中的热梯度的影响。

所提出的构思使得能够在其最终组装状态下对光学传感器芯片进行校准和表征。因此，通过记录传感器响应数据，能够固有地考虑上面概述的多个系统参数。如下面将要讨论的，能够提供一种降低了针对每个检测器像素、通道、每个发射器(例如LED)的光谱等的光谱灵敏度和目标区域中的功率分布的测量的复杂性的校准算法。此外，所提供的传感器响应数据还作为温度的函数来被测量，这允许在光学装置中应用光学传感器芯片期间进行温度补偿。

图3显示了校准传感器输出的示例测量。该示例指示了使用图2的光学传感器芯片对波长标准目标进行反射率测量的示例。表面的反射率是一种材料特性，并指示了反射辐射能的有效性。图中所示的反射光谱或光谱反射曲线是波长的函数。因此，校准的传感器输出数据构成反射率的量度，即在目标表面处反射的入射电磁功率的一部分，其作为波长的函数，例如范围700nm到1100nm的波长的函数。必须进行校准例如以便获得符合定制的或国际标准的传感器数据，诸如SI辐射测量单位。

如上所述，来自光学传感器芯片的传感器输出数据取决于各种参数，这些参数受光学传感器芯片和集成有该芯片的光学传感器装置的部件影响。传感器输出能够使用校准程序进行校准。以下讨论假设光学传感器芯片、光学传感器装置、放置在光学传感器芯片的视场(FOV)中的外部目标t以及包括工作温度的测量条件x。下面将进一步详细地讨论一种可能的过程。考虑将光学传感器芯片配置为关于图2讨论的多光谱传感器。

给定目标t的校准输出矩阵将在下文中表示为R_t。例如，经校准后的输出矩阵表示目标t处的经计算或经校准后的反射率值，并且是波长λ的函数。R_t(λ_k)表示经校准后的输出矩阵R_t的元素，例如目标t的在发射波长λ_k处的目标t的经计算后的反射率。参数k表示重构的波长点，例如入λ_k＝λ₁,…,λ_k＝750nm,…,1050nm，其中，K表示参考波长的总数，即，k＝l,…,K。术语项R₀(λ_k)表示标准校准输出矩阵R₀的元素，例如，标准目标(表示为t＝0)在发射波长λ_k处的标准目标(表示为t＝0)的经计算后的反射率。标准目标t＝0可以实现为校准卡，例如白卡，已知其具有在λ_k处具有的标准反射率，例如99％反射率。对于301个重构的波长点，经校准的输出矩阵R_t例如由301×1的矩阵表示。

各种传感器响应数据定义校准矩阵M_x。指数x表示校准矩阵M_x对其有效的测量条件，例如工作温度、LED的正向电流等。例如，对于一个测量条件x，存在301个波长点和61个通道，而M_x由61x301的矩阵表示。在这种情况下，校准矩阵M_x具有如下一般表达式：

光学传感器芯片的未校准的输出矩阵将表示为Dig_t,x。例如，该矩阵表示在测量条件x下目标t处反射率的通道数字。Dig_t,x,c表示未校准的输出矩阵的元素，例如在目标t处和测量条件x下反射率的通道c的数字。指数c表示光学传感器芯片OS的检测通道。例如，光学传感器芯片具有61个通道c＝(1,…,61)。

然后，未经校准的输出矩阵Dig_t,x用61×1的矩阵表示：

使用此术语，经校准的输出矩阵R_t能够表示为：

能够求解该一般表达式，以便校准集成在光学装置中的光学传感器芯片的输出，以提供经校准的传感器数据。在下面的讨论中将对此进一步详细阐述。请注意，以下介绍的讨论均以图2中介绍的光学传感器芯片为前提。但是，到目前为止讨论的方程式是通用的，因为它们也适用于其他类型的光学传感器芯片。下面将推导的方程式能够被修改，以应用于其他类型的光学传感器芯片，并且仅用作示例，不应视为限制所提出的构思的范围。

未校准的输出矩阵Dig_t，x取决于目标t的反射率，并取决于传感器的灵敏度。测得的反射率矩阵I_t表示作为发射波长λ_j的函数的目标t的测得的反射率。I_t(λ_j)表示测得的反射率矩阵I_t的元素，例如目标t在发射波长λ_j处的测得的反射率。参数j用作光谱数据的基础的指数，例如λ_j＝λ₁，...，λ_j＝700nm，...，1100nm。指数J表示光谱基础中的波长点的总数，即j＝1，...，J。项I₀(λ_j)表示测得的标准反射率矩阵I₀的元素，例如，在标准目标t＝0发射波长λ_j处的测得的反射率。可以将标准目标实现为已知在λ_j处具有标准反射率(例如99％的反射率)的校准卡，例如白卡。例如，401个波长点的光谱基础产生由401×1的矩阵表示的测得的反射率矩阵I_t。

此外，传感器灵敏度也是波长的函数。传感器灵敏度矩阵表示在测量条件x下通过在目标t处的反射以测量的所有通道的传感器灵敏度。传感器的灵敏度针对检测器通道借助于发射器OE例如LED照射的情况定义。因此，表示为S-DUT_x，c(λ_j)的传感器灵敏度矩阵的元素是波长λ_j的函数，例如包括在由通道c检测到的光谱数据的基础中。换句话说，S_DUT_x，c(λ_j)表示通道c的灵敏度和通过在目标t处反射测得的测量条件x。由于传感器灵敏度取决于检测波长而不是目标物的性质，因此传感器灵敏度矩阵未标有t。

未校准的输出矩阵Dig_t，x能够使用测得的反射率矩阵I_t和传感器灵敏度矩阵表示，得出：

使用此表达式，经校准的输出矩阵将读取为：

校准旨在进行精确的重构，即目标反射率应与经校准的目标反射率大致相同，或这能够在校准矩阵M_x由下式给出时实现：

因此，将测量的原始传感器数据转换成校准的传感器数据的精度和鲁棒性取决于校准矩阵M_x的质量。能够通过对传感器灵敏度矩阵求逆来计算校准矩阵M_x，例如作为伪逆或维纳逆(Inverse Wiener)或类似运算。

校准可以用白色目标参考进行补充。白色目标可以是标准的白色或灰卡，也可以是在标准波长下已知反射率的图表。白色目标参考能够表示为校准矩阵M_x和未校准输出矩阵Dig_t，x的线性组合：

其中，a和b表示线性系致。

传感器灵敏度矩阵的元素S-DUT_x，c(λ_j)指示给定通道c和测量条件x的传感器灵敏度。能够使用实验确定的传感器响应数据来表示元素，例如作为辐照度E_x，c(λ_j)和传感器通道灵敏度的乘积：

项E_x，c(λ_j)表示诸如LED的光学发射器OE的辐照度。在使用五个LED作为发射器OE的示例实施例中，辐照度能够表示为：

其中，E_LED，x(λ_j)表示例如在波长λ_j和测量条件x下给定发射器OE的辐照度，LED＝1，...，5。项f(c)表示通道c的功率分布因子，用于对给定发射器对波长λ_j处的检测的贡献加权。通常，光发射器OE的辐照度是各种参数的函数，所述参数例如包括发射器发射光谱、温度、正向电流、分级、到目标的距离、目标上的功率分布。

传感器通道灵敏度表示给定通道c和测量条件x的传感器灵敏度，但是与来自发射器的实际辐照度无关。传感器通道灵敏度是波长λ_i的函数。但是，它具有与光学传感器芯片(例如CMOS光电二极管)的传感器部件的特性有关的贡献，以及与光学传感器芯片的其他部件(例如滤光器)、由于加工、封装引起的变化等有关的贡献。表示测量条件x下的CMOS光电二极管灵敏度，并且例如是基本光谱和温度的函数。表示传递函数并且对于给定的光学设计可以看作是恒定的，例如滤光器和另外的部件的传递、由于加工、封装引起的变化等。传感器通道灵敏度能够表示为：

图4示出了校准光学传感器芯片的方法的示例处理流程。光学传感器芯片被集成到光学传感器装置中。光学传感器芯片设置有明确的芯片识别号，即芯片ID，以识别光学传感器芯片。在该示例中，图2的光学传感器芯片已在生产线上进行了表征，并以其芯片ID进行标记。

参照四个基本阶段ST1至ST4描述了校准过程。第一阶段ST1涉及使用芯片ID来检索传感器响应数据。在此示例中，已针对标准测量条件记录了传感器响应数据，该标准测量条件缩写为x＝0。传感器响应数据包括：各个通道c的作为波长λ_i的函数的传感器灵敏度(表示为)；光谱辐射函数E_LED，0(λ_j)，其指示作为波长λ_j的函数的光学发射器OE的发射特性；第一和第二温度系数和目标上的功率分布。

第二阶段ST2涉及测量光学传感器装置的工作温度，表示为x℃。在此阶段，分别使用第一和第二温度系数对传感器灵敏度和光谱辐照度函数进行温度补偿。根据与芯片ID相关联的校准算法进行补偿。

在第三阶段ST3中，使用目标上的功率分布对温度补偿的光谱辐照度函数进行加权，该目标上的功率分布表示在目标TG处的测量或模拟的相对功率分布。

最终，在步骤ST4中，温度补偿的传感器灵敏度和加权温度补偿的光谱辐照度函数被组合到先前测得的工作温度的系统检测光谱SDS中，并使用校准算法进行计算。在上面推导出的数学框架中，系统检测光谱SDS由传感器灵敏度矩阵表示。系统检测矩阵确定能够用于将传感器输出数据校准为经校准的传感器输出数据的校准矩阵。

图5A和图5B示出了通道温度补偿的示例处理流程。图5A描绘了该过程中涉及的数据，并指出了定义测量条件的参数，在该条件下对数据进行了测量。

在该示例中，已经在标准温度T＝25℃下记录了传感器灵敏度(参见附图标记D1)。光学传感器OS包括c＝64个通道。在λ_j＝λ₁，...，λ_j＝700nm，...，1100nm的波长范围内，已经以1nm的分辨率建立了数据。已经针对单个通道(例如单个基础光电二极管)确定了对应的第一温度系数T1。假定系数不变地应用于其余通道，因为这些通道通常是相同类型的。在λ_j＝λ₁，...，λ_j＝700nm，...，1100nm的波长范围内，已经以1nm的分辨率建立了数据。

温度系数指示传感器灵敏度随温度如何变化。将传感器灵敏度数据D1与例如温度系数T1的温度系数T1组合，例如通过相乘得出温度补偿的传感器灵敏度图5B描绘了实际数据的示例。在左上方示出了T＝25℃下记录的传感器灵敏度在右上方示出了T＝25℃和T＝80℃下的第一温度系数T1。底部显示了所产生的经补偿的传感器灵敏度(请参见附图标记TC1)。

图6A和图6B示出了发射器温度补偿的示例性处理流程。图6A描绘了该过程中涉及的数据，并指示出限定测量条件的参数，在该条件下对数据进行了测量。

在该示例中，光谱辐照度函数(参见附图标记D2)已在标准温度T＝25℃下记录。光学发射器OE的阵列包括五个发射器OE。已经在λ_j＝λ₁，...，λ_j＝700nm，...，1100nm的波长范围内已经以1nm的分辨率建立了数据。已经为所有发射器OE单独确定了对应的第二温度系数T2。已经在λ_j＝λ₁，...，λ_j＝700nm，...，1100nm的波长范围内以1nm的分辨率建立了数据。

温度系数T2表示光谱辐射函数随温度如何变化。将光谱辐射函数与温度系数相结合，例如通过相乘，得出经温度补偿的光谱辐照度函数E_LED，x(λ_j)。图6B描绘了实际传感器数据的示例。在右上方示出了T＝25℃下记录的光谱辐射函数E_LED，0(λ_j)。在左上方示出了T＝25℃和T＝80℃下的第二温度系数T2。底部显示了所产生的补偿后的光谱辐照度函数E_{LED，x＝80℃}(λ_j)。

图7A和图7B示出了使用功率分布进行加权的示例处理流程。图7A描绘了该过程中涉及的数据，并指示了限定测量条件的参数，在该条件下对数据进行了测量。

使用由光学发射器OE在目标TG(例如标准目标)处照明而得到的相对功率分布P1进一步补偿温度补偿的光谱辐照度函数E_LED，x(λ_j)。功率分布P1可以被模拟或测量并且针对每个通道c被确定。根据上面介绍的数学框架，功率分布由f(c)(即给定通道c的功率分布因子)给出，以加权光发射器OE对波长λ_j的检测的贡献。温度补偿的光谱辐照度函数TC2和功率分布因子被组合在一起，以分别得出发射器的辐照度E_x，c(λ_j)。

图7B描绘了实际数据的示例。该示例考虑了五个光发射器OE(请参见附图标记LED1至LED5)。曲线PD1至PD5示出了目标TG的被照明的目标区域。如关于图2所讨论的，实际照明可能受到几个参数的影响。为了考虑到这些影响，能够从光学传感器OS的相对通道输出(在附图的左侧表示为OUT1至OUT5)得出相对功率分布因子f(c)。例如，假设LED1以确定的恒定强度照亮目标区域。曲线OUT1中所示的数字表示由于在目标(例如标准目标)处的反射而导致的各个通道的输出。由于发射器OE的照明不同，通道检测到不同的强度，这些强度由图中不同的灰色阴影和相对数字值表示。相对功率分布因子f(c)从这些数字值得出，例如作为百分比值。右侧的图是相对功率分布P1的不同表示。它显示了由光学传感器OS的通道c中的每个记录的标准光谱源的光谱作为波长的函数。底部的曲线显示了对测得的工作温度有效的每个通道c的发射器E_x，c(λ_j)的组合辐照度。

图8A和图8B示出了计算系统检测矩阵的示例处理流程。图9A描绘了该过程中涉及的数据，并指示了限定测量条件的参数，在该条件下对数据进行了测量。在该最后阶段，温度补偿的传感器灵敏度TC1和功率分布加权的温度补偿辐照度PTC被组合以产生系统检测光谱SDS。在上面得出的数学框架中，系统检测光谱SDS代表传感器灵敏度矩阵的元素。系统检测矩阵确定能够用于将传感器输出数据校准为经校准的传感器输出数据的校准矩阵。系统检测矩阵和系统检测光谱SDS对于测得的工作温度有效。图9B描绘了实际数据的示例。描绘了从图6A和图6B的所产生的温度补偿的传感器灵敏度TC1以及通道PTC的功率加权辐照度。结合这两个贡献可得出在给定工作温度下所有通道的系统检测光谱SDS，如在附图底部所示。

图9A、图9B和图9C示出了计算校准矩阵的示例处理流程。图9A中描绘的处理流程表示仅根据所提供的传感器响应数据构造校准矩阵。例如，由传感器灵敏度矩阵表示的用于工作温度x的系统检测光谱包括64个通道的信息和以1nm为步长在波长为700到1100nm的数据集。根据上面介绍的校准算法，传感器灵敏度矩阵对应于系统检测矩阵SDM，并且校准矩阵M_x能够作为系统检测矩阵SDM的逆来计算。校准矩阵CM和系统检测矩阵SDM对于在测量条件x下的给定工作温度有效。在此示例中，校准矩阵CM产生300×64的矩阵。

换句话说，在已经针对当前测量条件(包括当前工作温度)确定了系统检测光谱SDS后，能够确定传感器灵敏度矩阵并且能够使用根据传感器灵敏度矩阵计算出的校准矩阵M_x来校准传感器数据。针对相同的电流测量条件来计算校准矩阵M_x。校准矩阵M_x能够定期更新计算或在检测到测量条件发生变化例如检测到当前工作温度中的变化时更新计算。

图9B示出了创建校准矩阵的补充处理流程。图9A中计算出的校准矩阵M_x能够用由客户(或光学传感器设备制造商)测量的信息来补充。例如，光学传感器芯片被嵌入到光学传感器装置中，并且能够在光学传感器装置的生产线上收集附加参考数据RD。例如，能够使用在其中嵌入了光学传感器芯片的光学传感器装置来测量诸如白卡的参考目标，即，在光学传感器装置级执行这部分校准。能够沿着上面讨论的白色目标参考进行附加的校准。因此，校准涉及线性系数a和b的拟合，并且根据校准矩阵M_x和未校准的输出矩阵Dig_t,x的线性组合得出校准的传感器数据，从而产生参考矩阵RM。该参考数据能够保存在光学传感器装置内部，和/或参考矩阵RM能够用于根据最终产品(即光学传感器装置)中的光学调整来补偿偏差。

图9C示出了计算在样品测量期间应用的校准矩阵的补偿处理流程。如上面在图9B中所讨论的，图9A中得出的仅使用传感器响应数据的校准矩阵或根据参考数据得出的校准矩阵能够用于通过终端消费者使用组装的光学传感器装置来测量样品。针对在光学传感器装置操作时测得的当前工作温度连续调整校准矩阵M_x。最后，从对给定工作温度有效的校准矩阵M_x中导出校准的传感器输出。

例如，校准的传感器输出可以涉及线性系数a和b以及样本传感器数据SD。测量当前的工作温度，并在温度和功率补偿之后针对当前工作温度确定系统检测矩阵SDM。在计算了用于该条件的校准矩阵M_x之后，从样本传感器数据SD确定校准的传感器输出，并表示为样本矩阵SM。

图10示出了进一步改进校准处理流程的其他方法。在到目前为止讨论的典型测量和校准中，提供传感器响应数据的测量序列遵循上述构思进行。在最终校准测量中，可以在客户的生产线上执行在光学传感器装置制造之后的最终测试条件下的参考样品。

如果制造时的参考测量值与应用中的样品测量值之间的温度差不能得到足够好的补偿，则可以添加一种进一步提高校准的精度的可能的解决方案。除了使用具有对用户已知的光谱反射数据的参考样本(上述参考目标)外，光学传感器还可以被修改以采用由于距离变化而导致的目标区域处功率分布的变化。

附图示出了类似于图7B所示的光学传感器类似的光学传感器OS。但是，此外，在光学传感器装置的操作期间记录功率分布，该功率分布能够与作为传感器响应数据的一部分的已知距离的功率分布进行比较。

例如，光学传感器OS包括如图2中讨论的像素或通道的阵列。在阵列的边缘E1至E4处，像素被配置为具有相同的光谱灵敏度，例如，这些像素与具有相同透射特性的滤光器OF相关联。能够仅使用边缘处的像素(在附图的左侧表示为OUT1至OUT5)从光学传感器OS的相对通道输出中导出相对功率分布因子f(c)。与图7B中讨论的过程类似，确定相对功率分布因子f(c)。

这样，考虑了两种功率分布：具有来自传感器响应数据(例如，在参考距离处)的第一组相对功率分布因子f(c)(参见附图标记PD1)的第一功率分布(例如，在参考距离处)和具有在当前距离处测量的第二组相对功率分布因子f(c)(参见附图标记PD2)的第二功率分布。相对功率分布因子f(c)的差异能够被评估，并且通过使用当前距离处的实际功率分布被用于补偿传感器灵敏度矩阵。从这一点开始，可以如上图中所讨论的那样进行计算。距离能够借助于可以是光学传感器装置的一部分的飞行时间传感器来确定。此外，光学传感器芯片能够被配置为时间飞行传感器，以便提供使用同一芯片的距离测量。此外，由于功率分布通常还取决于温度，因此测量操作期间的功率分布也考虑了工作温度的变化(参见插图中的图PD3)。

图11至图16示出了操作光学传感器装置的方法的示例性处理流程。光学传感器芯片经过不同的阶段，包括光学传感器芯片的生产(阶段ST6)、光学装置的生产(阶段ST7)以及最终光学装置的应用(阶段ST8)。

在生产现场的阶段ST6中，执行光学传感器芯片的几个另外的阶段ST61至ST65(参见图12)。首先，制造光学传感器芯片(ST61)并对其进行表征(ST62)。如上所述，这涉及在生产现场记录单个传感器响应数据。表征包括测试光学传感器芯片，并使用明确的芯片ID标记该芯片(ST63)。记录的传感器响应数据保存在以芯片ID标记的数据库(ST64)中(参见图13)。此外，校准算法(ST65)与芯片ID相关联，并且也保存在数据库中。

由校准算法确定传感器光谱、校准矩阵和目标光谱的计算，即，校准的传感器输出(参见图14)。在已经组装到光学传感器装置中的光学传感器芯片的情况下执行这些步骤。为了用经测试的光学传感器芯片执行校准，芯片ID、包括芯片ID的数据库条目和传感器响应数据以及算法被提供给客户(参见图15)。在阶段ST7，将光学传感器芯片集成到光学装置中。数据和算法能够保存在客户生产线的光学装置上。

此外，具有校准传感器芯片的光学传感器装置能够测量参考目标并提供如上所述的校准的传感器输出。这些步骤导致经校准的光学装置(参见ST66)，该装置包含系统检测功能和针对当前测量条件x的校准矩阵。校准的光学装置用于测量样品目标并输出校准的传感器输出。通过再次执行校准算法来考虑变化的工作温度，以确定新的系统检测功能和针对新的测量条件x的校准矩阵。

附图标记说明

AP1 第一孔

AP2 第二孔

CA 载体

CS 盖部分

CH1 第一腔室

CH2 第二腔室

CU 控制单元

CW (清晰)光学窗

D1 传感器灵敏度数据

D2 光谱辐照度函数数据

El至E4 光学传感器的边缘

FB 框体

LB 遮光层

MX 校准矩阵

MU 测量单元

PU 处理电路

OE 光学发射器

OF 滤光器阵列

OH 不透明壳体

OS 光学传感器

OS1 第一光学堆叠

OS2 第二光学堆叠

OUT1至OUT5 相对通道输出

OW 光学窗

P1 相对功率分布数据

PTC 温度补偿功率分布数据

RD 参考数据

RM 参考矩阵

SI至S5 处理步骤

SD 半导体管芯

SDM 系统检测矩阵

SDS 系统检测光谱

ST1至ST66 方法流程阶段

T1 第一温度系数

T2 第二温度系数

TC1 补偿的传感器灵敏度

TC2 补偿的光谱辐照度函数

TG 目标

Claims (15)

1.一种表征光学传感器芯片的方法，包括以下步骤：

-用明确的芯片标识号即芯片ID来标记所述光学传感器芯片，

-通过在限定的或标准化的环境中测量作为波长和工作温度的函数的传感器响应数据来表征所述光学传感器芯片，

-将所述传感器响应数据与所述芯片ID一起作为数据库条目保存在数据库中，以及

-提供与所述芯片ID相关联的校准算法。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光学传感器芯片包括一个或更多个光学检测器元件、通道，并且其中，测量所述传感器响应数据包括：

-在参考温度Tref下记录传感器灵敏度矩阵，所述传感器灵敏度矩阵分别指示作为波长的函数的给定通道的传感器灵敏度，以及

-记录针对至少一个通道的第一组温度系数，所述第一组温度系数指示针对所述至少一个通道的作为波长和工作温度的函数的传感器灵敏度。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述光学传感器芯片还包括一个或更多个光学发射器元件、发射器，并且其中，测量所述传感器响应数据还包括：

-在所述参考温度Tref下记录光谱辐照度函数，所述光谱辐照度函数分别指示作为波长的函数的给定发射器的发射特性，并且

-记录针对至少一个发射器的第二组温度系数，所述第二组温度系数指示针对所述至少一个发射器的作为波长和工作温度的函数的发射特性。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，测量所述传感器响应数据还包括记录所述一个或更多个发射器的功率分布函数，

-指示位于参考位置的参考目标处的相对功率分布，或

-指示作为多个参考位置的函数的在参考目标处的相对功率分布。

5.一种校准光学传感器芯片的方法，所述方法包括以下步骤：

-将所述光学传感器芯片集成到光学传感器装置中，

-提供明确的芯片标识号，即芯片ID，以标识所述光学传感器芯片，

-使用所述芯片ID来检索传感器响应数据，其中，所述传感器响应数据与芯片ID一起作为数据库条目保存在数据库中，并且其中，所述传感器响应数据是波长和工作温度的函数，

-提供与所述芯片ID相关联的校准算法，

-测量所述光学传感器装置的工作温度，

-在所测得的工作温度下测量所述光学传感器芯片的传感器输出，以及

-使用所检索到的传感器响应数据、所述校准算法和工作温度来校准所述传感器输出。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括以下步骤：

-根据所述校准算法，根据所检索到的传感器响应数据针对测量条件x和工作温度计算系统检测矩阵，

-根据所述系统检测矩阵确定校准矩阵，以及

-使用所述校准矩阵来校准所述传感器输出。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，使用已知光学特性的参考目标来确定线性系数，使得通过所述系统检测矩阵和校准矩阵的线性组合来确定所校准的传感器输出。

8.根据权利要求5或6所述的方法，其中，重复地测量所述工作温度，并且针对每个测得的工作温度来校准所述传感器输出。

9.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述光学传感器芯片包括一个或更多个光学检测器元件、通道，并且其中，校准所述传感器输出包括：

-使用来自第一组温度系数的系数补偿针对所述工作温度的传感器灵敏度矩阵，所述温度系数指示针对所述至少一个通道的作为波长和工作温度的函数的传感器灵敏度；并且其中：

-所述传感器响应数据包括传感器灵敏度矩阵，所述传感器灵敏度矩阵分别指示在参考温度Tref下的作为波长的函数的给定通道的传感器灵敏度。

10.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述光学传感器芯片包括一个或更多个光学发射器元件、发射器，并且其中，校准所述传感器输出包括：

-使用来自第二组温度系数的系数补偿针对所述工作温度的光谱辐照度函数，所述温度系数分别指示针对至少一个发射器的作为波长和工作温度的函数的发射特性；并且其中：

-所述传感器响应数据包括光谱辐照度函数，所述光谱辐照度函数分别指示在参考温度Tref下的作为波长的函数的给定发射器的发射特性。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，校准所述传感器输出还包括：

-利用一个或更多个发射器的功率分布函数对温度补偿的光谱辐照度函数进行加权，并且其中，所述功率分布函数指示：

-位于参考位置的参考目标处的相对功率分布，或者

-作为多个参考位置的函数的参考目标处的相对功率分布。

12.一种操作光学传感器装置的方法，包括以下步骤：

-根据权利要求1或2来表征光学传感器芯片，

-根据权利要求5或6来校准所述光学传感器芯片，以及

-测量校准的传感器输出。

13.一种光学传感器装置，包括：

-主机系统，

-温度传感器，其用于测量所述光学传感器装置的工作温度，

-用明确的芯片标识号即芯片ID来标记的光学传感器芯片，

-存储器，其用于保存与所述芯片ID相关联的传感器响应数据和校准算法，以及

-处理单元，其使用所述芯片ID访问存储器，并使用所述校准算法、传感器响应数据和工作温度来处理所述光学传感器芯片的传感器输出的校准。

14.根据权利要求13所述的光学传感器装置，其中，所述存储器包括：

-接口，其用于输入所述传感器响应数据和校准算法，和/或

-通信单元，其用于远程地访问数据库以使用所述芯片ID来检索与所述芯片ID相关联的传感器响应数据和校准算法。

15.一种校准系统，包括：

-芯片校准器件，其位于所述光学传感器芯片的生产线上，并且布置成执行根据权利要求1或2所述的光学传感器芯片的表征，以及

-装置校准器件，其位于包括所述光学传感器芯片的光学传感器装置的生产线上，并且布置成执行根据权利要求5或6所述的光学传感器装置的校准。