DE112021001719T5

DE112021001719T5 - Mehrkanal-farbsensor

Info

Publication number: DE112021001719T5
Application number: DE112021001719.5T
Authority: DE
Inventors: Gunter Siess; Julius Komma
Original assignee: Ams Sensors Germany GmbH
Current assignee: Ams Sensors Germany GmbH
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2021-03-18
Publication date: 2023-02-23
Also published as: US20230184589A1; CN115398191A; WO2021185979A1

Abstract

Ein integrierter Strahlungssensor (1920, 1970) für Farbanpassungsfunktionen umfasst eine Vielzahl von Farbanpassungskanälen, wobei jeder Farbanpassungskanal ein Strahlungserfassungselement und einen zugehörigen optischen Filter umfasst, der ein spektrales Empfindlichkeitsprofil definiert, das einer Farbanpassungsfunktion entspricht. Die Sensoren umfassen eine Vielzahl von Kompensationskanälen, wobei jeder Kompensationskanal ein Strahlungserfassungselement und einen zugehörigen optischen Filter umfasst, der ein spektrales Empfindlichkeitsprofil zur Verwendung bei der Kompensation einer von den Farbanpassungskanälen erfassten Farbe definiert. Das spektrale Empfindlichkeitsprofil jedes Kompensationskanals entspricht im Wesentlichen einem Mittelwert eines oberen Abweichungsspektrums und eines unteren Abweichungsspektrums, wobei das obere Abweichungsspektrum einem spektralen Empfindlichkeitsprofil eines typischen Farbanpassungskanals entspricht, das um eine feste Wellenlängenabweichung erhöht ist, und das untere Abweichungsspektrum dem spektralen Empfindlichkeitsprofil des typischen Farbanpassungskanals entspricht, das um die feste Wellenlängenabweichung verringert ist.

Description

Technischer Bereich der Offenlegung
Die vorliegende Offenlegung betrifft den Bereich der integrierten Strahlungssensoren, wie z. B. Multispektralsensoren für die Erfassung des Umgebungslichts oder kolorimetrische Anwendungen.
Hintergrund der Offenlegung
Strahlungssensoren, wie z. B. Multispektralsensoren, die als Umgebungslichtsensoren verwendet werden, oder XYZ-Sensoren, die für kolorimetrische Anwendungen eingesetzt werden, können Spektralfilter für die Implementierung anwendungsspezifischer spektraler Empfindlichkeitsfunktionen umfassen.
Spektralfilter können z. B. als Interferenzfilter aus mehreren dünnen Schichten dielektrischen Materials mit unterschiedlichen Brechungsindizes realisiert werden. Solche Interferenzfilter können auf ein strahlungsempfindliches Element aufgebracht werden, um einen Strahlungssensor mit einem bestimmten spektralen Empfindlichkeitsprofil zu bilden.
Die Filter und auch das strahlungsempfindliche Element und die Komponenten eines optischen Systems, in das der Strahlungssensor eingebaut werden kann, können herstellungsbedingten Toleranzen unterliegen, die das spektrale Empfindlichkeitsprofil des Sensors beeinflussen können.
Insbesondere können Abweichungen in der Schichtdicke der einzelnen Schichten der Interferenzfilter aufgrund von Toleranzen im Herstellungsprozess zu einer spektralen Verschiebung des spektralen Empfindlichkeitsprofils des Sensors führen. Auch Schwankungen in der Winkelverteilung der einfallenden Strahlung aufgrund von Toleranzen in einem optischen System können zu einer Verschiebung des spektralen Empfindlichkeitsprofils des Sensors führen. Abhängig von Faktoren wie der Schichtdickenvariation des Interferenzfilters und/oder der Anzahl der Interferenzschichten im Filter können typische spektrale Verschiebungen im Bereich von +/-1 % der Wellenlänge liegen.
Einige Zielanwendungen, wie z. B. Farberkennungsanwendungen, reagieren besonders empfindlich auf spektrale Abweichungen, die durch Toleranzen im Herstellungsprozess verursacht werden. So sind beispielsweise Farbsensoren, die eine Standard-Spektralwertfunktion nach CIE (International Commission on Illumination) verwenden, auf die hochgenaue Simulation einer spektralen Zielfunktion angewiesen.
Es ist daher wünschenswert, einen Sensor bereitstellen zu können, der eine begrenzte Anfälligkeit für Abweichungen in der spektralen Reaktion aufgrund von Toleranzen im Herstellungsprozess aufweist und/oder über ein Mittel verfügt, um solche Toleranzen auszugleichen.
Es ist daher ein Ziel mindestens einer Ausführungsform mindestens eines Aspekts der vorliegenden Offenbarung, mindestens einen der oben genannten Mängel des Standes der Technik zu beseitigen oder zumindest zu mildern.
Zusammenfassung
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen integrierten Strahlungssensor, der für Farbanpassungsfunktionen geeignet ist, und auch zur Verwendung in Spektralrekonstruktionsanwendungen. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auch auf ein elektronisches Gerät, wie z. B. ein Mobiltelefon, das den integrierten Strahlungssensor enthält.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein integrierter Strahlungssensor für Farbanpassungsfunktionen bereitgestellt. Der Sensor umfasst eine Vielzahl von Farbanpassungskanälen, wobei jeder Farbanpassungskanal ein Strahlungserfassungselement und einen zugehörigen optischen Filter umfasst, der ein spektrales Empfindlichkeitsprofil entsprechend einer Farbanpassungsfunktion definiert.
Der Sensor umfasst eine Vielzahl von Kompensationskanälen, wobei jeder Kompensationskanal ein Strahlungserfassungselement und einen zugehörigen optischen Filter umfasst, der ein spektrales Empfindlichkeitsprofil zur Verwendung bei der Kompensation einer von den Farbanpassungskanälen erfassten Farbe definiert.
Das spektrale Empfindlichkeitsprofil jedes Kompensationskanals entspricht im Wesentlichen einem Mittelwert eines oberen Abweichungsspektrums und eines unteren Abweichungsspektrums, wobei das obere Abweichungsspektrum einem spektralen Empfindlichkeitsprofil eines typischen Farbanpassungskanals entspricht, das um eine feste Wellenlängenabweichung erhöht ist, und das untere Abweichungsspektrum dem spektralen Empfindlichkeitsprofil des typischen Farbanpassungskanals entspricht, das um die feste Wellenlängenabweichung verringert ist.
Vorteilhafterweise kann der offengelegte integrierte Strahlungssensor verwendet werden, um Farbanpassungsfunktionen zu implementieren, wobei Toleranzen von Herstellungsprozessen optischer Systemkomponenten, wie z. B. optischer Filter, kompensiert werden können. Als solches kann der offengelegte integrierte Strahlungssensor für CIE XYZ-Standardbeobachter-Farbanpassungsfunktionen optimiert werden.
Durch die Kombination von Kanälen mit spektralen Empfindlichkeitsprofilen, die für Farbanpassungsfunktionen optimiert sind, und einer Vielzahl von Kompensationskanälen mit spektralen Empfindlichkeitsprofilen, die im Wesentlichen zwischen den spektralen Empfindlichkeitsprofilen der Farbanpassungskanäle liegen, kann der integrierte Strahlungssensor auch für die Verwendung in Anwendungen der spektralen Rekonstruktion geeignet sein.
Die feste Abweichung der Wellenlänge kann +/-1 % betragen.
In anderen Ausführungsformen kann die feste Wellenlängenabweichung größer oder kleiner als +/-1% sein, z.B. +/-0,5%, +/-0,75%, +/-1,25%, +/-1,5% o.ä.
Die Kompensationskanäle können spektrale Empfindlichkeitsprofile aufweisen, die im Wesentlichen einer Gauß- oder Cosinusform entsprechen.
Durch die Einhaltung einer im Wesentlichen gauß- oder cosinusförmigen Form kann der Entwurf und die Herstellung der optischen Filter, die jedem Kompensationskanal zugeordnet sind, vorteilhaft vereinfacht werden.
In einigen Ausführungsformen kann ein spektrales Empfindlichkeitsprofil von mindestens einem einer Vielzahl von Kompensationskanälen ein im Wesentlichen Gauß- oder Cosinus-artiges spektrales Empfindlichkeitsprofil umfassen.
Das spektrale Empfindlichkeitsprofil jedes Farbanpassungskanals kann einer Komponente einer CIE (International Commission on Illumination)-Normbeobachter-Farbanpassungsfunktion entsprechen.
Die Farbanpassungsfunktion des CIE-Standardbeobachters kann zum Beispiel der CIE 1931 2° Standard Observer oder der CIE 1964 10° Standard Observer sein.
Das spektrale Empfindlichkeitsprofil jedes Farbanpassungskanals kann einer Komponente eines CIE XYZ-Farbraums entsprechen.
Beispielsweise kann die spektrale Empfindlichkeit eines Farbanpassungskanals einem der Tristimuluswerte „X“, „Y“ oder „Z“ entsprechen. In einer besonderen Ausführungsform kann der integrierte Strahlungssensor drei Farbanpassungskanäle umfassen, die den „X“-, „Y“- oder „Z“-Tristimuluswerten der Farbanpassungsfunktion des CIE-Standardbeobachters entsprechen.
Die spektralen Empfindlichkeitsprofile der mehreren Kanäle können zusammengenommen im Wesentlichen den gesamten sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums abdecken.
Das heißt, ein wesentlicher Teil der spektralen Empfindlichkeitsprofile von Kanälen mit benachbarten Spitzenempfindlichkeiten kann sich überlappen. In einem Ausführungsbeispiel kann die Halbwertsbreite (Full-Width-at-Half-Maximum, FWMH) und/oder die Spitzenwellenlänge jedes Kanals so konfiguriert werden, dass sich die spektralen Empfindlichkeitsprofile der Kanäle im Wesentlichen überschneiden.
Dies hat den Vorteil, dass der integrierte Strahlungssensor nicht nur für kolorimetrische Anwendungen, sondern auch für die spektrale Rekonstruktion sichtbarer Strahlung besonders geeignet ist.
Der integrierte Strahlungssensor kann mindestens einen weiteren Kanal mit einem spektralen Empfindlichkeitsprofil in einem sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums umfassen.
Durch die Bereitstellung eines oder mehrerer weiterer Kanäle zusätzlich zu den Farbanpassungskanälen und den Kompensationskanälen kann die Eignung des integrierten Strahlungssensors für Spektralrekonstruktionsanwendungen vorteilhaft verbessert werden.
Der integrierte Strahlungssensor kann mindestens einen weiteren Kanal mit einem spektralen Empfindlichkeitsprofil umfassen, das zumindest teilweise in einem Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums liegt.
Der Infrarotbereich kann ein Nahinfrarotbereich (NIR) sein. Durch die Bereitstellung mindestens eines weiteren Kanals im Infrarotbereich kann der integrierte Strahlungssensor vorteilhafterweise für spektrale Rekonstruktionsanwendungen geeignet sein, die sich vom sichtbaren Spektrum bis in den Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums erstrecken.
Der integrierte Strahlungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche kann mindestens einen weiteren Kanal mit einem spektralen Empfindlichkeitsprofil in einem ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums umfassen.
Durch die Bereitstellung mindestens eines weiteren Kanals im ultravioletten Bereich kann der integrierte Strahlungssensor vorteilhafterweise für spektrale Rekonstruktionsanwendungen eingesetzt werden, die sich vom sichtbaren Spektrum bis in den ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums erstrecken.
Der integrierte Strahlungssensor kann mindestens drei Farbanpassungskanäle und mindestens 4 Kompensationskanäle umfassen. Die mindestens drei Farbabstimmungskanäle können beispielsweise den Tristimuluswerten X, Y und Z entsprechen. In einer Ausführungsform kann mindestens ein Farbanpassungskanal einem Teil eines Tristimuluswertes entsprechen. Beispielsweise kann ein Farbanpassungskanal einem langwelligen Teil des X-Tristimuluswerts entsprechen.
Vorteilhafterweise kann eine solche Konfiguration einen integrierten Strahlungssensor mit einer angemessenen Kompensation einer spektralen Abweichung der spektralen Empfindlichkeit der Farbkanäle versehen, die auf fertigungsprozessbedingte Toleranzen zurückzuführen sein kann. Darüber hinaus ermöglicht die Bereitstellung von insgesamt sieben Kanälen die Eignung des integrierten Strahlungssensors für Anwendungen der spektralen Rekonstruktion, da zumindest teilweise ein wesentlicher Teil eines elektromagnetischen Bereichs, z. B. des sichtbaren Bereichs, von den sieben Kanälen abgedeckt wird.
Die Kompensationskanäle des integrierten Strahlungssensors können spektrale Empfindlichkeitsprofile mit einer Spitzenwellenlänge und/oder FWMH aufweisen, die sich wesentlich von einer Spitzenwellenlänge und/oder FWMH des spektralen Empfindlichkeitsprofils eines der Farbanpassungskanäle unterscheidet.
Das heißt, die Kompensationskanäle können so konfiguriert werden, dass sie spektrale Empfindlichkeitsprofile mit Spitzen und/oder FWHM (Full Width at Half Maximum) aufweisen, die zwischen den Spitzen und/oder FWHM der spektralen Empfindlichkeitsprofile der Farbanpassungskanäle liegen, wodurch sichergestellt wird, dass ein Kontinuum des elektromagnetischen Spektrums durch den integrierten Strahlungssensor erfasst werden kann.
Der integrierte Strahlungssensor kann so konfiguriert werden, dass das Ausmaß der Überlappung zwischen den spektralen Empfindlichkeitsprofilen der Kanäle begrenzt ist. Dadurch kann beispielsweise sichergestellt werden, dass ein ausreichender Bereich des elektromagnetischen Spektrums mit angemessener Empfindlichkeit erfasst werden kann, während gleichzeitig Merkmale wie die Spitzenwellenlänge und die FWHM der spektralen Empfindlichkeitsprofile der Kompensationskanäle optimiert werden, um den Farbanpassungskanälen einen Ausgleich zu bieten.
Darüber hinaus kann der integrierte Strahlungssensor sowohl für Farbanpassungsfunktionen als auch für Anwendungen der spektralen Rekonstruktion eingesetzt werden.
Beim Entwurf des integrierten Strahlungssensors für eine XYZ-Farbanpassungsfunktion und insbesondere bei der Konfiguration der spektralen Empfindlichkeit jedes optischen Filters können beispielsweise die folgenden Schritte durchgeführt werden.
Es kann eine spektrale Abweichung von den spektralen Empfindlichkeitsprofilen eines typischen XYZ-Sensorkanals bestimmt werden. In einem Beispiel kann ein oberes Abweichungsspektrum bestimmt werden, indem eine Wellenlänge der spektralen Empfindlichkeitsprofile eines Kanals um eine feste Abweichung von +1% erhöht wird. In ähnlicher Weise kann ein unteres Abweichungsspektrum bestimmt werden, indem eine Wellenlänge der spektralen Empfindlichkeitsprofile eines Kanals um eine feste Abweichung von -1 % verringert wird.
Die oberen und unteren Abweichungsspektren werden addiert, um ein Kompensationsspektrum zu bilden. Alternativ kann auch ein Mittelwert der oberen und unteren Abweichungsspektren bestimmt werden, um die Kompensationsspektren zu bilden. In einem weiteren optionalen Schritt können die Peaks der Kompensationsspektren einzeln normalisiert werden. Das heißt, die Kompensationsspektren, die eine Vielzahl von Spitzen und Tälern umfassen können, können in einzelne Spektren aufgeteilt werden, die durch die Spitzen und Täler definiert sind. Jeder einzelne Peak kann dann normalisiert werden, wodurch die spektrale Empfindlichkeit eines möglichen Kompensationskanals definiert wird.
Beispielsweise würde die Anwendung des obigen Verfahrens auf die Farbanpassungsfunktionen des CIE XYZ-Standardbeobachters zu 8 Kandidaten von Kompensationskanälen führen, die den oberen und unteren Flanken der spektralen Empfindlichkeit jedes idealen oder typischen X- (oberer und unterer Spitzenwert), Y- und Z-Tristimuluswertes entsprechen. Mehrere der in Frage kommenden Kanäle würden jedoch spektrale Empfindlichkeiten aufweisen, die sich direkt oder im Wesentlichen mit der spektralen Empfindlichkeit eines typischen oder idealen X-, Y- oder Z-Farbkanals überschneiden. Um eine übermäßige und/oder unnötige Verwendung von Kanälen zu vermeiden, kann es daher in einigen Ausführungsformen bevorzugt sein, einen integrierten Strahlungssensor zu implementieren, der nur Kompensationskanäle umfasst, die spektrale Empfindlichkeiten aufweisen, die sich in der Spitzenwellenlänge und/oder der FWMH wesentlich von einer Spitzenwellenlänge und/oder FWMH des spektralen Empfindlichkeitsprofils eines der Farbanpassungskanäle unterscheiden. Beispielsweise können die Spitzenwerte der spektralen Empfindlichkeitsprofile der Kanäle um mindestens 10 nm, 15 nm, 20 nm oder mehr voneinander entfernt sein.
In einer besonderen Ausführungsform kann ein integrierter Strahlungssensor drei Farbanpassungskanäle umfassen, die den typischen oder idealen X-, Y- und Z-Werten der Farbanpassungsfunktion des CIE-XYZ-Standardbeobachters entsprechen. Die Ausführungsform kann auch vier Kompensationskanäle umfassen. Ein erster Kompensationskanal kann einem Kompensationsspektrum entsprechen, das durch eine untere Flanke der spektralen Empfindlichkeit einer unteren Spitze des typischen oder idealen Z-Kanals definiert ist. Ein zweiter Kompensationskanal kann einem Kompensationsspektrum entsprechen, das durch eine obere Flanke der spektralen Empfindlichkeit einer unteren Spitze des typischen oder idealen Z-Kanals definiert ist. Ein dritter Kompensationskanal kann einem Kompensationsspektrum entsprechen, das durch eine untere Flanke der spektralen Empfindlichkeit des typischen oder idealen Y-Kanals definiert ist. Ein vierter Kompensationskanal kann einem Kompensationsspektrum entsprechen, das durch eine obere Flanke der spektralen Empfindlichkeit des typischen oder idealen X-Kanals definiert ist.
In einer anderen Ausführungsform können zusätzliche Kanäle hinzugefügt werden, um die Empfindlichkeit des integrierten Strahlungssensors über den gesamten sichtbaren Bereich und/oder zumindest einen Teil des Infrarotbereichs und/oder zumindest einen Teil des Ultraviolettbereichs oder des elektromagnetischen Spektrums sicherzustellen.
In einer Ausführungsform kann ein weiterer Kanal mit einer spektralen Empfindlichkeitsspitze hinzugefügt werden, die im Vergleich zu der spektralen Empfindlichkeitsspitze der Farbkanäle eine relativ kurze Wellenlänge aufweist. Beispielsweise kann eine Spitze des Empfindlichkeitsspektrums des weiteren Kanals bei etwa 410 nm liegen, und eine FWHM der Spitze kann sich unter 400 nm bis in den ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums erstrecken.
In ähnlicher Weise kann die Ausführungsform zwei weitere Kanäle mit einer spektralen Empfindlichkeitsspitze umfassen, die im Vergleich zur spektralen Empfindlichkeitsspitze der Farbkanäle eine relativ große Wellenlänge aufweist. Beispielsweise können die Spitzen des Empfindlichkeitsspektrums der weiteren Kanäle etwa 630 nm und 720 nm betragen und damit in den Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums reichen.
Das spektrale Empfindlichkeitsprofil eines typischen Farbanpassungskanals kann einem spektralen Empfindlichkeitsprofil eines idealen Farbanpassungskanals entsprechen.
So kann z. B. bei dem oben beschriebenen Verfahren zur Entwicklung des integrierten Strahlungssensors die spektrale Empfindlichkeit des typischen Farbanpassungskanals im Wesentlichen oder genau dem CIE 1931 2° Standard Observer oder dem CIE 1964 10° Standard Observer entsprechen.
Der integrierte Strahlungssensor kann einen weiteren Kanal umfassen, wobei der weitere Kanal ein strahlungsempfindliches Element und einen zugehörigen optischen Filter mit einem Durchlassbereich umfassen kann, der einer Spitze in einem Emissionsspektrum von Quecksilber im Bereich des sichtbaren Lichts entspricht.
Der Durchlassbereich kann bei etwa 545 Nanometern zentriert sein.
Vorteilhafterweise eignet sich ein Durchlassbereich, der bei etwa 545 Nanometern zentriert ist, besonders für die Erfassung von Strahlung, die der Emission einer fluoreszierenden Lichtquelle entspricht. Beispielsweise können schmalbandige Emissionsspektren, die Quecksilber in einer fluoreszierenden Lichtquelle entsprechen, bei etwa 545 Nanometern zentriert sein.
Der Durchlassbereich kann eine Breite von etwa 10 Nanometern haben.
Vorteilhafterweise kann eine Durchlassbandbreite von etwa 10 Nanometern es ermöglichen, dass das Durchlassband ein schmalbandiges Emissionsspektrum überlappt, das bei etwa 545 Nanometern zentriert ist, wobei alle Prozessvariationen des Filters berücksichtigt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine elektronische Vorrichtung bereitgestellt, die Folgendes umfasst: eine Anzeige, die Bilder für einen Benutzer anzeigt; einen integrierten Strahlungssensor gemäß dem ersten Aspekt; und einen Steuerschaltkreis, der mit der Anzeige und dem integrierten Strahlungssensor gekoppelt ist, wobei der Steuerschaltkreis so konfiguriert ist, dass er eine Farbe des auf den Strahlungssensor einfallenden Lichts auf der Grundlage mindestens eines Signals von dem integrierten Strahlungssensor ermittelt, und wobei der Steuerschaltkreis so konfiguriert ist, dass er die Anzeige zumindest teilweise auf der Grundlage einer ermittelten Farbe einstellt.
In einem Ausführungsbeispiel kann der Steuerschaltkreis so konfiguriert sein, dass er auf der Grundlage einer gemessenen Strahlung einen automatischen Weißabgleich (Automatic White Balancing, AWB) für die Anzeige bereitstellt.
Das elektronische Gerät kann einen Speicher umfassen, in dem eine Kalibrierungsmatrix zur Kalibrierung von Daten gespeichert ist, die der von dem integrierten Strahlungssensor erfassten Strahlung entsprechen. Bei dem Speicher kann es sich um einen lokalen Speicher handeln, z. B. um einen flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher, der in den Sensor integriert ist, oder um ein Paket, das den Sensor umfasst, oder um einen Speicher, der auf andere Weise mit dem Sensor verbunden ist.
Das elektronische Gerät kann eines der folgenden sein: ein Mobiltelefon, eine Kamera, ein Bildaufnahmegerät und/oder ein Videoaufnahmegerät.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Kalibrieren des integrierten Strahlungssensors des ersten Aspekts bereitgestellt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Aussetzen des Sensors einfallender Strahlung von einer bekannten Strahlungsquelle; Erzeugen einer Empfindlichkeitsmatrix, die der einfallenden Strahlung entspricht, die von jedem der mehreren Kanäle des Sensors erfasst wird; und Erzeugen und Speichern einer Kalibrierungsmatrix, die der Empfindlichkeitsmatrix entspricht, welche an eine Farbanpassungsfunktion angepasst ist.
Der Schritt der Bestrahlung des Sensors umfasst die Durchführung eines monochromatischen Sweep-Tests und/oder die Bestrahlung des Sensors mit mehreren Lichtquellen.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Verwendung des integrierten Sensors gemäß dem ersten Aspekt zur spektralen Rekonstruktion und/oder für eine Farbanpassungsfunktion und/oder zur Erkennung einer fluoreszierenden Lichtquelle vorgesehen.
Der integrierte Strahlungssensor kann eine integrierte Schaltung umfassen, die auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist. Der integrierte Strahlungssensor kann eine Schaltung, z. B. eine analoge und/oder digitale Schaltung, zur Verarbeitung der elektrischen Signale umfassen, die der von den strahlungsempfindlichen Elementen erfassten Strahlung entsprechen. Der integrierte Strahlungssensor kann eine Speichervorrichtung, z. B. eine flüchtige oder nichtflüchtige Speichervorrichtung, umfassen. Die Speichervorrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie Kalibrierungsdaten speichert, wie nachstehend ausführlicher beschrieben. Der integrierte Strahlungssensor kann als monolithisches Bauteil ausgebildet sein. Der integrierte Strahlungssensor kann aus einer Vielzahl von diskreten Bauteilen bestehen, die auf einem Substrat oder einer Zwischenschicht montiert sind.
Die obige Zusammenfassung soll lediglich beispielhaft und nicht einschränkend sein. Die Offenbarung umfasst einen oder mehrere entsprechende Aspekte, Ausführungsformen oder Merkmale in isolierter Form oder in verschiedenen Kombinationen, unabhängig davon, ob sie in dieser Kombination oder in isolierter Form ausdrücklich angegeben (einschließlich beansprucht) sind oder nicht. Es ist davon auszugehen, dass Merkmale, die oben in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung oder unten in Bezug auf eine bestimmte Ausführungsform der Offenbarung definiert sind, entweder allein oder in Kombination mit einem anderen definierten Merkmal in einem anderen Aspekt oder einer anderen Ausführungsform oder zur Bildung eines weiteren Aspekts oder einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung verwendet werden können.
Figurenliste
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden jetzt nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die wie folgt aussehen:

1 ein Diagramm, das die CIE- und XYZ-Sensortoleranz nach Filterverfahren darstellt;
2 ein Diagramm, das ein Modell der Spektralabweichung des XYZ-Sensors nach CIE ohne Kalibrierung zeigt;
3 ein Diagramm, das eine Analyse der spektralen Abweichung von 2 darstellt;
4 ein Diagramm, das ein Modell der Spektralabweichung des XYZ-Sensors nach CIE mit individueller Best-Fit-Kalibrierung zeigt;
5 ein Diagramm, das eine Analyse der spektralen Abweichung von 4 darstellt;
6 ein Diagramm, das die Empfindlichkeitsspektren eines XYZ-Sensors darstellt;
7 ein Diagramm, das eine Spektrenabweichung des Empfindlichkeitsspektrums von 6 darstellt;
8 Kompensationsspektren, abgeleitet aus der Spektrenabweichung von 7;
9 normalisierte Kompensationsspektren und XYZ-Sensorempfindlichkeitsspektren aus 6;
10 ein Diagramm, das die Empfindlichkeitsspektren eines XIYZ-Sensors zeigt;
11 ein Diagramm, das eine Spektrenabweichung des Empfindlichkeitsspektrums von 10 darstellt;
12 Kompensationsspektren, abgeleitet aus der Spektrenabweichung von 11;
13 normalisierte Kompensationsspektren und XYZ-Sensor-Empfindlichkeitsspektren aus 10;
14 ein Beispiel für ein Sensorempfindlichkeitsspektrum;
15 ein weiteres Beispiel für ein Sensorempfindlichkeitsspektrum;
16 ein Diagramm, das ein Spektralabweichungsmodell des XYZ-Sensors nach CIE mit Best-Fit-Kalibrierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
17 ein Diagramm, das eine Analyse der spektralen Abweichung von 16 darstellt;
18 ein Diagramm, das Kompensationskanäle mit einer im Wesentlichen Gauß-ähnlichen Spektralantwort zeigt;
19 ein elektronisches Gerät gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
20 ein Verfahren zur Kalibrierung eines integrierten Strahlungssensors gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
21 zeigt beispielhaft die spektralen Reaktionen einer Reihe verschiedener thermischer Lichtquellen;
22 zeigt beispielhaft die spektralen Reaktionen einer Reihe verschiedener fluoreszierender Lichtquellen;
23 zeigt beispielhaft die spektralen Reaktionen einer Reihe verschiedener weißer LEDs;
24 zeigt beispielhaft rekonstruierte Spektren, die dem Bereich der verschiedenen thermischen Lichtquellen von 21 entsprechen;
25 zeigt beispielhaft rekonstruierte Spektren, die dem Bereich der verschiedenen fluoreszierenden Lichtquellen aus 22 entsprechen;
26 zeigt ein Beispiel für rekonstruierte Spektren, die dem Bereich verschiedener weißer LEDs aus 23 entsprechen;
27 zeigt beispielhaft die spektralen Reaktionen einer Reihe verschiedener fluoreszierender Lichtquellen und einen Durchlassbereich eines optischen Filters, der bei etwa 545 Nanometern liegt;
28 zeigt ein Beispiel eines Sensorempfindlichkeitsspektrums, einschließlich eines speziellen Hg-Kanals;
29 zeigt beispielhaft die rekonstruierten Spektren aus 24 im Verhältnis zur spektralen Antwort des Hg-Kanals;
30 zeigt beispielhaft die rekonstruierten Spektren aus 25 im Verhältnis zur spektralen Antwort des Hg-Kanals;
31 zeigt beispielhaft die rekonstruierten Spektren aus 26 im Verhältnis zur spektralen Antwort des Hg-Kanals;
32 zeigt beispielhaft rekonstruierte Spektren, die dem Bereich der verschiedenen thermischen Lichtquellen von 21 entsprechen und unter Verwendung aller Kanäle einschließlich des Hg-Kanals erstellt wurden;
33 zeigt beispielhaft rekonstruierte Spektren, die dem Bereich verschiedener Fluoreszenzlichtquellen aus 22 entsprechen und unter Verwendung aller Kanäle einschließlich des Hg-Kanals erstellt wurden; und
34 zeigt beispielhaft rekonstruierte Spektren, die dem Bereich verschiedener weißer LEDs aus 23 entsprechen und unter Verwendung aller Kanäle einschließlich des Hg-Kanals erstellt wurden.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Diese Offenbarung beschreibt den Entwurf, die Implementierung und die Verwendung eines integrierten Strahlungssensors. Der offengelegte integrierte Strahlungssensor arbeitet als Farbsensor und als Spektralsensor. Der offengelegte integrierte Strahlungssensor umfasst Farbanpassungsfunktionskanäle, die im Folgenden als „Farbanpassungskanäle“ bezeichnet werden. Der offengelegte integrierte Strahlungssensor umfasst auch zusätzliche Kanäle zur Kompensation von Spektralschwankungen, im Folgenden als „Kompensationskanäle“ bezeichnet. Solche spektralen Schwankungen können zum Beispiel auf Toleranzen in den Komponenten eines optischen Systems beruhen, in dem der integrierte Strahlungssensor vorhanden ist. Solche spektralen Schwankungen können beispielsweise auf Toleranzen bei der Filterverarbeitung beruhen, um eine Anpassung an die Farbanpassungsfunktionen des CIE-XYZ-Standardbeobachters zu optimieren. Wie nachstehend näher beschrieben, kann ein Profil der spektralen Empfindlichkeit von Kompensationskanälen durch eine erwartete Filterverschiebung und eine spektrale Abweichung von den Farbanpassungsfunktionen des CIE-XYZ-Standardbeobachters erstellt werden. Bei Kenntnis der tatsächlichen spektralen Empfindlichkeit kann die Kompensation für jeden einzelnen Sensor oder jedes Sensorsystem unter Verwendung einer optimierten [n x 3]-Umsetzungsmatrix für die n Sensorsignale in CIE XYZ-Werte durchgeführt werden. Parallel oder alternativ können die Farbanpassungskanäle und die Kompensationskanäle zur Spektrenrekonstruktion verwendet werden.
Typische Anwendungsfälle für den hier vorgestellten integrierten Strahlungssensor sind z. B. die Erfassung des Umgebungslichts (ambient light sensing, ALS) in mobilen Geräten wie Mobiltelefonen. Solche mobilen Geräte können die Erkennung von Lichtquellen implementieren, um z. B. AWB für eine Kamera oder für die Einstellung eines Displays bereitzustellen. Weitere Anwendungsfälle können eigenständige Geräte sein, die in Innenräumen oder im Freien installiert werden und die ALS und/oder Farbkalibrierung von Farblichtquellen in der Nähe des eigenständigen Geräts, z. B. eines Projektors, eines Bildschirms oder dergleichen, durchführen können.
Eine Anforderung des ALS ist die Erkennung von Farbkoordinaten mit einer relativ hohen Genauigkeit. Ein Sensor für ALS, z. B. der offengelegte integrierte Strahlungssensor, kann eine Vielzahl von Kanälen umfassen. Jedem Kanal kann ein Interferenzfilter zugeordnet sein, der so konfiguriert sein kann, dass er eine Empfindlichkeit aufweist, die den Farbanpassungsfunktionen des CIE-XYZ-Standardbeobachters entspricht. Aufgrund von Schwankungen, wie z. B. Herstellungsschwankungen bei den Interferenzfiltern und/oder dem optischen Aufbau in einem System, das solche Interferenzfilter verwendet, kann die endgültige spektrale Empfindlichkeit variieren. Solche spektralen Abweichungen können einem Bereich von +/- 1 % der Wellenlänge entsprechen.
In 1 sind beispielsweise Spektren dargestellt, die den X-, Y- und Z-Komponenten des CIE-Farbraums entsprechen. Die Beispiele in 1 zeigen die um +1 % verschobenen X-, Y- und Z-Spektren. Eine solche Verschiebung kann einen erheblichen Einfluss auf die Genauigkeit der vom integrierten Strahlungssensor gemessenen Farbkoordinaten haben. Eine solche Verschiebung kann bei Strahlung mit schmalbandigen Anteilen in den Flanken des Spektrums, z. B. bei Strahlung von Leuchtstoffröhren oder LEDs, besonders ausgeprägt sein. Durch eine Kalibrierung auf eine Best-Fit-Anpassung der tatsächlichen Sensorempfindlichkeit an die Zielfunktion, z. B. die CIE XYZ-Zielfunktion durch eine [3 x 3]-Matrix, ist es nicht möglich, alle spektralen Abweichungen zu kompensieren. Dies ist in den bis dargestellt und wird im Folgenden ausführlicher beschrieben.
Darüber hinaus ist es für die Erkennung von Lichtquellen auch bevorzugt, über mehrkanalige Informationen zumindest über das sichtbare Spektrum (visible spectrum, VIS) zu verfügen, um eine spektrale Rekonstruktion der Lichtquelle für die weitere Analyse durchzuführen. Der offengelegte integrierte Strahlungssensor, der eine Kombination aus Farbanpassungskanälen und Kompensationskanälen umfasst, unterstützt sowohl die Lichtquellendetektion zur Durchführung der spektralen Rekonstruktion der Lichtquelle für die weitere Analyse als auch die Farbanpassungsfunktionen.
Die bis zeigen eine Simulation von Worst-Case-Kombinationen von +/-1 % Filterverschiebung und einer angewandten Best-Fit-Kompensation für die Farbanpassungsfunktionen des CIE-XYZ-Standardbeobachters sowie eine Analyse der Spektralabweichung F1.
In 2 sind die Farbanpassungsfunktionen des CIE XYZ-Standardbeobachters ohne Kalibrierung dargestellt. 3 zeigt eine erhebliche Abweichung der spektralen Empfindlichkeit aufgrund von Prozessschwankungen. In 4 ist eine individuelle Best-Fit-Kalibrierung für jede der X-, Y- und Z-Funktionen dargestellt. 5 zeigt, wie relativ wenig Kompensation angewendet wird. Das heißt, dass nur der mittlere Wellenlängenbereich, der hauptsächlich für die Y-Farbanpassungsfunktion gilt, im Wesentlichen kalibriert ist. Die X- und Z-Farbanpassungsfunktionen werden nicht wesentlich kalibriert, da in ihren Wellenlängenbereichen keine zusätzlichen Spektralinformationen für eine solche Kalibrierung verfügbar sind.
Wie oben beschrieben, beschreibt diese Offenbarung den Entwurf, die Implementierung und die Verwendung eines integrierten Strahlungssensors für eine optimierte Genauigkeit der Farbkoordinaten durch einen spezifischen Entwurf und eine Kombination von Farbanpassungskanälen und Kompensationskanälen. Die offengelegte Lösung realisiert eine individuelle Kalibrierung auf eine beste Anpassung an die CIE XYZ-Standardbeobachter-Farbanpassungsfunktionen. Zu den wichtigsten Merkmalen und Vorteilen der Offenlegung gehören eine hohe Genauigkeit der ALS, eine optimierte Kompensation der Filterverschiebung (für Prozess- und/oder optische Toleranzen) und ein integrierter Strahlungssensor, der auch für die spektrale Rekonstruktion geeignet ist, z. B. um detaillierte Informationen über einen bestimmten Typ einer Lichtquelle zu erhalten.
Auf der Grundlage der spektralen Empfindlichkeit eines integrierten Strahlungssensors ist es möglich, Worst-Case-Szenarien der spektralen Verschiebung zu simulieren. Eine solche Spektralverschiebung kann in erster Linie von Dickenvariationen in einem Filterprozess abhängen, z. B. von Variationen in der Dicke der Schichten, die jedes Interferenzfilter bilden. Eine Verschiebung der spektralen Empfindlichkeit der Kanäle eines Sensors kann zwischen verschiedenen Sensoren variieren. Außerdem kann eine spektrale Verschiebung nicht über alle Kanäle eines einzelnen Sensors synchron sein, d. h. der Grad der spektralen Verschiebung kann über verschiedene Kanäle eines Sensors variieren. Weitere Effekte können aufgrund unterschiedlicher Winkelverteilungen des Lichts auf dem Sensor auftreten, zumindest teilweise, weil die Leistung von Interferenzfiltern winkelabhängig sein kann. Das heißt, eine Änderung des Einfallswinkels der auf den Sensor auftreffenden Strahlung kann eine Form, z. B. ein Profil, der spektralen Empfindlichkeit eines oder mehrerer Kanäle des Sensors auf eine längere oder kürzere Wellenlänge verschieben und/oder verformen. So kann beispielsweise eine Vergrößerung des Einfallswinkels der auf den Sensor auftreffenden Strahlung die Form der spektralen Empfindlichkeit eines oder mehrerer Kanäle des Sensors zu einer kürzeren Wellenlänge verschieben und/oder verformen. Die im schlimmsten Fall zu erwartende Abweichung der spektralen Empfindlichkeit kann simuliert werden. In 6 sind typische und Worst-Case-Verschiebungen für XYZ-Empfindlichkeitsprofile dargestellt. 7 zeigt die Spektrenabweichung (absolute Werte der Abweichung) für +1 % und - 1% Abweichung.
Solche Abweichungsinformationen können für die Entwicklung optimierter Kompensationskanäle verwendet werden. Wie in 7 dargestellt, haben die beiden resultierenden Abweichungsfunktionen, die mit jedem der X-, Y- und Z-Empfindlichkeitsprofile verbunden sind, auf der Grundlage einer synchronen Verschiebung, z. B. +/- 1 %, eine ähnliche Spektralform. Die Spektren der Abweichungskanäle können addiert oder durch Mittelwertbildung kombiniert werden. In 8 ist eine Summierung der Abweichungsfunktionen dargestellt. Das heißt, „comp_X“ in 8 entspricht einer Summierung von „X +1%_dev“ und „X -1%_dev“ in 7. In ähnlicher Weise entspricht „comp_Y“ in 8 einer Summierung von „Y +1%_dev“ und „Y -1%_dev“ in 7, und „comp Z“ in 8 entspricht einer Summierung von „Z +1%_dev“ und „Z -1%_dev“ in 7. In dem mit Bezug auf die und beschriebenen Beispiel umfassen die kombinierten Abweichungen „comp_X“, „comp_Y“ und „comp_Z“ jeweils eine Vielzahl von Spitzenwerten. Zum Beispiel umfasst „comp_X“ einen ersten Peak bei etwa 425 nm, einen zweiten Peak bei etwa 475 nm, einen dritten Peak bei etwa 560 nm und einen vierten Peak bei etwa 630 nm. Die einzelnen Peaks werden dann in einzelne Kanäle aufgeteilt, wobei ein Kanal zur Kompensation einer Flanke mit niedriger Wellenlänge und ein zweiter Kanal zur Kompensation einer Flanke mit hoher Wellenlänge der typischen (Farbanpassungs-)Funktion verwendet werden kann, wie in 9 dargestellt. In 9 wurde jeder der einzelnen Kanäle, die sich aus den kombinierten Abweichungen „comp_X“, „comp_Y“ und „comp_Z“ ergeben, normalisiert.
10 entspricht im Allgemeinen 6, da sie die typische und die ungünstigste Verschiebung für XYZ-Empfindlichkeitsprofile zeigt. In 10 ist jedoch nur ein längerer Wellenlängenanteil des „X“-Tristimuluswerts der CIE-Standardbeobachter-Farbanpassungsfunktion dargestellt („X(I)“). Die entsprechende 11 zeigt eine Spektrenabweichung (absolute Werte der Abweichung) für +1% und -1% Abweichung der XIYZ-Empfindlichkeitsprofile von 10. Wie oben beschrieben, kann diese Abweichungsinformation zum Entwurf optimierter Kompensationskanäle verwendet werden. In 12 ist eine Summierung der resultierenden Abweichungsfunktionen dargestellt. Das heißt, „comp_X(I)“ in 12 entspricht einer Summierung von „X(I) +1%_dev“ und „X(I) -1%_dev“ in 11. In ähnlicher Weise entspricht „comp_Y“ in 12 einer Summierung von „Y +1%_dev“ und „Y -1%_dev“ in 11, und „comp Z“ in 12 entspricht einer Summierung von „Z +1%_dev“ und „Z -1%_dev“ in 11. In dem mit Bezug auf die und beschriebenen Beispiel umfassen die kombinierten Abweichungen „comp_X(I)“, „comp_Y“ und „comp_Z“ jeweils eine Vielzahl von Spitzenwerten. Zum Beispiel umfasst „comp_X(I)“ einen ersten Peak bei etwa 560 nm und einen zweiten Peak bei etwa 630 nm. Die einzelnen Peaks werden dann in einzelne Kanäle aufgeteilt, wie oben unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. In 13 wurde jeder der einzelnen Kanäle, die sich aus den kombinierten Abweichungen „comp_X(I)“, „comp_Y“ und „comp_Z“ ergeben, normalisiert.
Die durch „comp_X(I)“, „comp_Y“ und „comp_Z“ definierten Funktionen können zur Bildung von Komponenten einer Transformationsmatrix verwendet werden. Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung können die einzelnen Kanäle, die aus den kombinierten Abweichungen „comp_X(I)“, „comp_Y“ und „comp_Z“ abgeleitet sind, zur Bildung von Kompensationskanälen verwendet werden.
Darüber hinaus können in einigen Ausführungsformen durch den Vergleich von Merkmalen solcher Kompensationskanäle, wie z. B. Zentroide und FWHM im Verhältnis zu anderen Kompensationskanälen, nur die wichtigsten Kompensationskanäle ausgewählt werden, z. B. kann eine Teilmenge der in den und identifizierten Kompensationskanäle für die Implementierung ausgewählt werden.
Ein Beispiel für die Auswahl einer Teilmenge der Kompensationskanäle, basierend auf dem Beispiel von 9, ist wie folgt.
Aus 9 ist ersichtlich, dass die Spektren mit der Bezeichnung „comp_Z_L“ den Spektren mit der Bezeichnung „comp_X(s)_L“ sehr ähnlich sind, da beide Spektren eine vergleichbare Peakposition und FWHM aufweisen.
Ebenso ist zu erkennen, dass die Spektren mit der Bezeichnung „comp_Z_H“ den Spektren mit der Bezeichnung „comp_X(s)_H“ sehr ähnlich sind, da beide Spektren eine vergleichbare Peakposition und FWHM aufweisen.
Ebenso ist zu erkennen, dass die Spektren mit der Bezeichnung „comp_Y_H“ den Spektren mit der Bezeichnung „X typ“ sehr ähnlich sind.
Ebenso ist zu erkennen, dass die Spektren mit der Bezeichnung „comp_X(l)_L“ den Spektren mit der Bezeichnung „Y typ“ sehr ähnlich sind.
In Übereinstimmung mit dieser Analyse kann ein Beispiel für einen integrierten Strahlungssensor, der eine Kombination von Kanälen zur Kompensation der besten Anpassung an die XYZ-Farbanpassungsfunktion sowie Kanäle umfasst, die auch allgemeiner für die spektrale Rekonstruktion geeignet sein können, die Kanäle mit den folgenden spektralen Empfindlichkeiten umfassen: „comp_Z_L“, „Z typ“, „comp_Z_H“, „comp_Y_L“, „Y typ“, „X typ“ und „comp_X(I)_H“. Die spektralen Empfindlichkeiten für Kanäle eines integrierten Strahlungssensors gemäß der beschriebenen Ausführungsform sind in 14 dargestellt.
In weiteren Ausführungsformen können zusätzliche Kanäle implementiert werden, um einen integrierten Strahlungssensor zu schaffen, der in der Lage ist, Strahlung über den größten Teil oder den gesamten VIS-Bereich und/oder zumindest einen Teil des ultravioletten (UV) und/oder nahen Infrarotbereichs (NIR) zu erfassen. In 15 sind beispielsweise die spektralen Empfindlichkeiten der Kanäle einer Ausführungsform eines integrierten Strahlungssensors mit zusätzlichen Kanälen im Vergleich zu der in 14 dargestellten Ausführungsform dargestellt. Das heißt, die in 15 dargestellte Ausführungsform umfasst einen zusätzlichen Kanal, bezeichnet als „Kanal 1“, in einem relativ kurzen Wellenlängenbereich, z. B. mit einer Spitze bei einer Wellenlänge von etwa 410 nm. Die in 15 dargestellte Ausführungsform umfasst außerdem zwei zusätzliche Kanäle mit der Bezeichnung „Kanal_9“ und „Kanal_10“ in einem relativ langen Wellenlängenbereich, z. B. mit Spitzenwerten, die Wellenlängen von etwa 680 nm bzw. 725 nm entsprechen.
Die und zeigen die erreichbare Leistung der besten spektralen Anpassung der 7 Kanäle der Ausführungsform von 14 (alle 127 Worst-Case-Verschiebungskombinationen) an die Farbanpassungsfunktionen des CIE-XYZ-Standardbeobachters. Es gibt keine Unterschiede bei zusätzlichen Kanälen, wie sie in 15 zu sehen sind, da sie nicht primärer Bestandteil von XYZ sind. Ein Verfahren zur Anwendung der Kompensation auf der Grundlage der Kenntnis der spektralen Empfindlichkeit (spektrale Verschiebung) jedes integrierten Strahlungssensors und jedes Kanals des Sensors ist wie folgt.
Eine Datenbank kann auf der Grundlage der spektralen Empfindlichkeit des integrierten Strahlungssensors erstellt werden. Eine solche Datenbank kann z. B. durch die Durchführung eines monochromatischen Sweep-Tests und/oder durch die Rekonstruktion der spektralen Empfindlichkeit auf der Grundlage mehrerer Lichtquellen und/oder durch eine alternative Spektrenrekonstruktion unter Verwendung von weniger schmalbandigen Spektren und Konstanten in den spektralen Empfindlichkeitseigenschaften erstellt werden.
Es kann eine Matrix der Kanalempfindlichkeitsdaten erstellt werden. Im Beispiel des integrierten 7-Kanal-Strahlungssensors aus 14, bei dem die spektralen Empfindlichkeitsdaten für jeden Kanal aus 400 Schritten gebildet werden, die von 380 nm bis 780 nm in 1 nm-Schritten reichen, kann eine Matrix S [7 x 400] erstellt werden.
Eine Matrix, bezeichnet mit CIE_XYZ [3 x 400] kann einer gewünschten Farbanpassungsfunktion im gleichen Spektralbereich entsprechen, z. B. der XYZ-Farbanpassungsfunktion.
Eine Matrix M [7x3], die einer individuellen Kalibrierungsmatrix für jeden integrierten Strahlungssensor entspricht, kann dann wie folgt berechnet werden: $M = (C I E_{X Y Z} * S^{T}) * {(S * S^{T})}^{- 1}$
Um eine Farbberechnung in einer Anwendung durchzuführen, wird ein Datenvektor [1 x 7] aus dem integrierten Strahlungssensor ausgelesen, und die Farbe wird wie folgt berechnet: $XYZ = M * Daten$
Zu den Anwendungsgebieten des vorgestellten integrierten Strahlungssensors gehören: allgemeine ALS in mobilen Geräten, Automobilen und Zubehör; Identifizierung/Detektion von Lichtquellen (typische und gemischte Lichtquellen); ALS für Kamera-AWB; ALS für Farbmanagement in einem Display; und ALS für Farbmanagement in mehrfarbigen Lichtquellen.
In einigen Ausführungsformen können die ermittelten Kompensationskanäle so konfiguriert werden, dass sie eine spektrale Empfindlichkeit aufweisen, die im Allgemeinen einer im Wesentlichen Gauß- oder Cosinusform entspricht. In einigen Ausführungsformen können die Spitzenposition und/oder die FWHM der spektralen Empfindlichkeit der Kompensationskanäle so gewählt werden, dass sie einer im Wesentlichen Gauß- oder Cosinusform besser entsprechen. In einigen Ausführungsformen können einzelne Flanken der Empfindlichkeitsspektren eines oder mehrerer Kompensationskanäle geglättet werden, um einer im Wesentlichen Gauß- oder Cosinusform besser zu entsprechen.
18 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit Kanälen, die im Wesentlichen Gaußförmige spektrale Empfindlichkeiten aufweisen, mit einer allgemein guten Anpassung an die berechnete Kompensationsform, z. B. innerhalb einer akzeptablen Fehlermarge. Es ist vorteilhaft, die Kanäle, z. B. die jedem Kanal zugeordneten Filter, so zu gestalten, dass sie eine spektrale Empfindlichkeit aufweisen, die im Allgemeinen einer im Wesentlichen Gauß- oder Cosinusform entspricht, was den Entwurf und/oder die Herstellung von Filtern vereinfachen kann.
19a zeigt ein elektronisches Gerät 1900 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Die elektronische Vorrichtung 1900 umfasst ein Display 1910, das Bilder für einen Benutzer anzeigt. Die elektronische Vorrichtung umfasst einen integrierten Strahlungssensor 1920. Der integrierte Strahlungssensor ist ein integrierter Strahlungssensor 1920 wie oben beschrieben, der eine Vielzahl von Farbanpassungskanälen und eine Vielzahl von Kompensationskanälen umfasst.
Das elektronische Gerät 1900 umfasst eine Steuerschaltung 1930, die mit dem Display 1910 und dem integrierten Strahlungssensor 1920 verbunden ist. Die Steuerschaltung 1930 kann so konfiguriert sein, dass sie eine Farbe des auf den Strahlungssensor 1920 einfallenden Lichts auf der Grundlage mindestens eines Signals von dem integrierten Strahlungssensor 1920 bestimmt. Die Steuerschaltung 1930 kann so konfiguriert sein, dass sie die Anzeige 1910 zumindest teilweise auf der Grundlage einer bestimmten Farbe einstellt. Beispielsweise kann die Steuerschaltung 1930 eine Farbe und/oder Helligkeit und/oder einen Kontrast der Anzeige in Reaktion auf eine bestimmte Farbe eines Umgebungslichts einstellen.
In 19b ist eine Kamera 1950 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung dargestellt. Die Kamera 1950 umfasst einen integrierten Strahlungssensor 1970. Der integrierte Strahlungssensor ist ein integrierter Strahlungssensor 1970, wie oben beschrieben, der eine Vielzahl von Farbanpassungskanälen und eine Vielzahl von Kompensationskanälen umfasst. Die Kamera umfasst eine Steuerschaltung 1980, die so konfiguriert ist, dass sie eine Farbe des auf den Strahlungssensor 1970 einfallenden Lichts auf der Grundlage mindestens eines Signals des integrierten Strahlungssensors 1970 bestimmt. In einem Ausführungsbeispiel können Spektren und Farbinformationen für die AWB eines Bildes auf ein Standard- oder optimiertes Umgebungslicht, z. B. D65, oder ähnliches verwendet werden. Ein solches Bild kann als kalibriertes Bild gespeichert werden. Das kalibrierte Bild kann unabhängig vom Weißabgleich des Anzeigebildes sein und ermöglicht so einen Kontrast zum Umgebungslicht an einem Ort, an dem das Bild angezeigt wird. In einigen Ausführungsformen kann das Bild auf der Grundlage des wahrgenommenen Umgebungslichts an dem Ort, an dem das Bild aufgenommen wird, z. B. das Foto, eingestellt, z. B. weiß abgeglichen werden. In einigen Ausführungsformen kann das Bild zusätzlich oder alternativ auf der Grundlage eines erfassten Umgebungslichts an einem Ort, an dem das Bild angezeigt wird, der vom Ort der Bildaufnahme entfernt sein kann, eingestellt, z. B. weiß abgeglichen werden.
In 20 ist ein Verfahren zur Kalibrierung eines integrierten Strahlungssensors gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung dargestellt. Das Verfahren umfasst einen Schritt 2010, bei dem der Sensor einer einfallenden Strahlung aus einer bekannten Strahlungsquelle ausgesetzt wird. Der Schritt 2010 kann zum Beispiel die Durchführung eines monochromatischen Sweep-Tests und/oder die Exposition des Sensors gegenüber mehreren Lichtquellen umfassen.
Das Verfahren umfasst einen Schritt 2020 zur Erzeugung einer Empfindlichkeitsmatrix, die der einfallenden Strahlung entspricht, die von jedem der mehreren Kanäle des Sensors erfasst wird. Beispielsweise kann für einen Sieben-Kanal-Sensor, der so konfiguriert ist, dass er in 400 x 1 nm-Schritten von 380 nm bis 780 nm erfasst, eine Empfindlichkeitsmatrix der Dimension 7x400 erzeugt werden.
Für eine Farbanpassungsfunktion kann eine vordefinierte Matrix festgelegt werden. Beispielsweise kann die CIE-XYZ-Farbabgleichsfunktion durch eine Matrix mit 3x400 Einträgen definiert werden.
Als solche kann in einem nächsten Schritt 2020 eine Kalibrierungsmatrix erzeugt und gespeichert werden, wobei die Kalibrierungsmatrix der Empfindlichkeitsmatrix entspricht, die für eine Farbanpassungsfunktion angepasst ist. Nachfolgende Messungen der Strahlung durch den integrierten Strahlungssensor können durch die Kalibrierungsmatrix skaliert werden, um eine kalibrierte spektrale Antwort zu erhalten.
Während sich die obige Offenlegung auf multispektrale Sensoren für die Erfassung von Umgebungslicht oder kolorimetrische Anwendungen bezieht, kann bei der Verwendung eines solchen multispektralen Sensors für die Erkennung und/oder Identifizierung von Lichtquellen eine begrenzte spektrale Auflösung erreicht werden.
Ein Spektralsensor mit relativ wenigen Kanälen, z. B. in der Größenordnung von 8 Kanälen, kann möglicherweise nur ein allgemein geglättetes Spektrum des gemessenen Lichts rekonstruieren. Während dies für die genaue Bestimmung von Parametern wie Farbkoordinaten, CCT oder Lux ausreichen kann, kann dies in einigen Fällen für die Identifizierung einiger Lichtquellen, insbesondere fluoreszierender Lichtquellen, unzureichend sein.
Das heißt, Multispektralsensoren können in ihrer Rekonstruktionsauflösung aufgrund von Faktoren wie der Anzahl der Spektralkanäle und Eigenschaften wie der FWHM der Spektralantwort jedes Kanals eingeschränkt sein. Bei einigen Anwendungen, wie z. B. bei der Verwaltung von hochwertigen Displays und Kameras, kann es jedoch notwendig sein, Lichtquellen genau zu identifizieren.
Typische Typen von Weißlichtquellen können wie folgt klassifiziert werden:

- Wärmequellen, wie D50, D65, A, C oder ähnliche;
- Fluoreszierende Quellen; und
- LEDs, wie warm-, neutral- und kaltweiße LEDs.

In 21 sind beispielsweise die Spektralverläufe verschiedener thermischer Lichtquellen, in 22 die Spektralverläufe verschiedener fluoreszierender Lichtquellen und in 23 die Spektralverläufe verschiedener weißer LEDs dargestellt.
Es ist zu erkennen, dass sich die Spektren der fluoreszierenden Lichtquellen von den Spektren der thermischen Lichtquellen und der weißen LEDs unterscheiden, da die Spektren der fluoreszierenden Lichtquellen schmalbandige Spitzen aufweisen. Diese Spitzen entsprechen den Emissionsspektren von Quecksilber und sind in der Fachwelt als Hg-Bänder bekannt. In 22 ist beispielsweise zu erkennen, dass ein Hg-Band bei etwa 545 Nanometern zentriert ist. Solche Spitzen sind mit einem Spektralsensor mit relativ niedriger Kanalzahl nicht leicht zu erkennen oder genau zu rekonstruieren.
In den bis sind beispielsweise rekonstruierte Spektren dargestellt, die dem in den bis dargestellten Bereich verschiedener thermischer Lichtquellen entsprechen.
Es ist zu erkennen, dass die spektrale Rekonstruktion mit Hilfe eines Multispektralsensors ein geglättetes Spektrum geliefert hat. Die geglätteten Spektren können eine ausreichende Qualität zur Identifizierung von thermischen und LED-Lichtquellen aufweisen. Die charakteristischen Hg-Bänder, die mit Leuchtstofflampen in Verbindung gebracht werden, sind in 25 jedoch nicht zu erkennen, so dass die Identifizierung bestimmter FL-Lichtquellen schwierig sein kann.
Daher umfasst der integrierte Strahlungssensor in einigen Ausführungsformen der Offenlegung einen weiteren Kanal, wobei der weitere Kanal ein strahlungsempfindliches Element und einen zugehörigen optischen Filter mit einem Durchlassband umfasst, das bei etwa 545 Nanometern zentriert ist, z. B. zentriert auf ein Hg-Band. Der weitere Kanal kann verwendet werden, um ein Hg-Band eindeutig zu identifizieren und so die Leistungsfähigkeit der Lichtquellenerkennung und -identifizierung erheblich zu steigern, wie nachstehend näher beschrieben.
27 zeigt ein Beispiel für die spektralen Reaktionen einer Reihe verschiedener fluoreszierender Lichtquellen und einen Durchlassbereich mit der Bezeichnung „Hg_546_37_10“ des zugehörigen optischen Filters, der bei etwa 545 Nanometern zentriert ist. In dem Beispiel von 27 ist zu erkennen, dass der Durchlassbereich eine Breite von etwa 10 Nanometern hat. Dadurch kann vorteilhafterweise sichergestellt werden, dass das bei etwa 545 Nanometern zentrierte Hg-Band in den Durchlassbereich fällt, selbst wenn etwaige Prozessschwankungen im Filter berücksichtigt werden.
28 zeigt ein Beispiel eines Sensor-Empfindlichkeitsspektrums, einschließlich eines weiteren dedizierten Kanals, im Folgenden als Hg-Kanal bezeichnet. Das Sensorempfindlichkeitsspektrum in 28 entspricht also dem eines Multispektralsensors mit 11 Kanälen, einschließlich des speziellen Hg-Kanals.
Im Folgenden werden zwei Methoden zur genauen Erkennung und/oder Identifizierung einer fluoreszierenden Lichtquelle beschrieben. Es versteht sich, dass Ausführungsformen der offengelegten integrierten Strahlungssensoren eine oder beide der beiden unten beschriebenen Methoden anwenden können.
Die erste Methode beruht auf dem Vergleich einer spektralen Antwort des Hg-Kanals mit den rekonstruierten Spektren, um eine fluoreszierende Lichtquelle von anderen Arten von Lichtquellenspektren zu unterscheiden.
In 29 sind Beispiele für rekonstruierte Spektren von Wärmequellen dargestellt. Es ist zu erkennen, dass eine spektrale Antwort des Hg-Kanals bei Wellenlängen des Hg-Bandes, z. B. um 545 Nanometer, im Allgemeinen den entsprechenden rekonstruierten Antworten ähnelt.
Dies gilt auch für die rekonstruierten Spektren verschiedener weißer LEDs im Verhältnis zur spektralen Antwort des Hg-Kanals bei Wellenlängen im Hg-Band, wie in 31 dargestellt.
Aus 30 ist jedoch ersichtlich, dass bei Wellenlängen, die dem Hg-Band bei etwa 545 Nanometern entsprechen, die rekonstruierten Spektren verschiedener fluoreszierender Lichtquellen erheblich von der Reaktion des Hg-Kanals abweichen.
In einigen Ausführungsformen kann der Nachweis einer fluoreszierenden Lichtquelle durch Bestimmung des Verhältnisses zwischen dem Signal des Hg-Kanals und der Leistung des rekonstruierten Spektrums bei einer Schwerpunktwellenlänge des Hg-Kanals, z. B. bei 545 Nanometern, erfolgen. Ein Verhältnis nahe bei 1 kann zum Beispiel darauf hinweisen, dass keine fluoreszierende Lichtquelle vorhanden ist.
In einigen Ausführungsformen kann alternativ oder zusätzlich ein direkter Vergleich mit benachbarten Kanälen durchgeführt werden. Beispielsweise kann ein Verhältnis zwischen der Antwort des Hg-Kanals und dem „Y-Kanal“ und/oder dem „F_514_40“-Kanal, wie in 28 dargestellt, durchgeführt werden, um das Vorhandensein einer fluoreszierenden Lichtquelle festzustellen. Ein solcher Nachweis kann weniger robust sein als die oben beschriebene Methode des Vergleichs der spektralen Antwort des Hg-Kanals mit den rekonstruierten Spektren.
In einem anderen Verfahren zur Erkennung und/oder Identifizierung einer fluoreszierenden Lichtquelle kann eine spektrale Rekonstruktion unter Verwendung aller relevanten Kanäle des Multispektralsensors einschließlich des Hg-Kanals, wie in den bis dargestellt, durchgeführt werden.
Das heißt, durch die Verwendung des Hg-Kanals in der Spektrenrekonstruktionsmatrix kann die Rekonstruktion empfindlicher für die Hg-Bänder werden. Bei uncharakteristischen Spektren, wie z. B. thermischen Lichtquellen und weißen LEDs, wird die Rekonstruktion durch die Einbeziehung des Hg-Kanals nicht beeinflusst.
Darüber hinaus kann eine höhere Qualität der Spektralrekonstruktion, die durch die Einbeziehung des Hg-Kanals erreicht wird, auch direkt für die weitere Spektrenanalyse genutzt werden. Der Anmelder offenbart isoliert jedes einzelne hier beschriebene Merkmal und jede Kombination von zwei oder mehr solcher Merkmale, soweit diese Merkmale oder Kombinationen auf der Grundlage der Beschreibung als Ganzes im Lichte des allgemeinen Wissens eines Fachmanns ausgeführt werden können, unabhängig davon, ob solche Merkmale oder Merkmalskombinationen irgendwelche hier offengelegten Probleme lösen, und ohne Einschränkung des Umfangs der Ansprüche. Der Anmelder weist darauf hin, dass Aspekte der Offenbarung aus jedem dieser einzelnen Merkmale oder Kombinationen von Merkmalen bestehen können. In Anbetracht der vorstehenden Beschreibung wird es für den Fachmann offensichtlich sein, dass im Rahmen der Offenbarung verschiedene Änderungen vorgenommen werden können.
Obwohl die Offenbarung in Form von bevorzugten Ausführungsformen, wie oben dargelegt, beschrieben wurde, ist es zu verstehen, dass diese Ausführungsformen nur zur Veranschaulichung dienen und dass die Ansprüche nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt sind. Fachleute können im Hinblick auf die Offenbarung Änderungen und Alternativen vornehmen, die in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen. Jedes Merkmal, das in der vorliegenden Beschreibung offenbart oder dargestellt ist, kann in jede beliebige Ausführungsform eingebracht werden, sei es allein oder in einer geeigneten Kombination mit einem anderen hier offengelegten oder dargestellten Merkmal.
Bezugszeichenliste

1900: elektronisches Gerät
1910: Display
1920: integrierter Strahlungssensor
1930: Steuerschaltung
1950: Kamera
1970: integrierter Strahlungssensor
1980: Steuerschaltung
2010: Schritt
2020: Schritt
2030: Schritt
2700: Durchlassbereich

Claims

Ein integrierter Strahlungssensor (1920, 1970) für Farbanpassungsfunktionen, wobei der Sensor umfasst: eine Vielzahl von Farbanpassungskanälen, wobei jeder Farbanpassungskanal ein Strahlungserfassungselement und einen zugehörigen optischen Filter umfasst, der ein spektrales Empfindlichkeitsprofil definiert, das einer Farbanpassungsfunktion entspricht, eine Vielzahl von Kompensationskanälen, wobei jeder Kompensationskanal ein Strahlungserfassungselement und einen zugehörigen optischen Filter umfasst, der ein spektrales Empfindlichkeitsprofil zur Verwendung bei der Kompensation einer von den Farbanpassungskanälen erfassten Farbe definiert, wobei das spektrale Empfindlichkeitsprofil jedes Kompensationskanals im Wesentlichen einem Mittelwert eines oberen Abweichungsspektrums und eines unteren Abweichungsspektrums entspricht, wobei das obere Abweichungsspektrum einem spektralen Empfindlichkeitsprofil eines typischen Farbanpassungskanals entspricht, das um eine feste Wellenlängenabweichung erhöht ist, und das untere Abweichungsspektrum dem spektralen Empfindlichkeitsprofil des typischen Farbanpassungskanals entspricht, das um die feste Wellenlängenabweichung verringert ist.
Integrierter Strahlungssensor (1920, 1970) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die feste Abweichung der Wellenlänge +/- 1 % beträgt.
Integrierter Strahlungssensor (1920, 1970) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationskanäle spektrale Empfindlichkeitsprofile umfassen, die im Wesentlichen einer Gauß- oder Cosinusform entsprechen.
Integrierter Strahlungssensor (1920, 1970) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das spektrale Empfindlichkeitsprofil jedes Farbanpassungskanals einer Komponente einer CIE-Standardbeobachter-Farbanpassungsfunktion entspricht.
Integrierter Strahlungssensor (1920, 1970) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das spektrale Empfindlichkeitsprofil jedes Farbanpassungskanals einer Komponente eines CIE-XYZ-Farbraums entspricht.
Integrierter Strahlungssensor (1920, 1970) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die spektralen Empfindlichkeitsprofile der mehreren Kanäle gemeinsam im Wesentlichen den gesamten sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums abdecken.
Integrierter Strahlungssensor (1920, 1970) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: mindestens einen weiteren Kanal mit einem spektralen Empfindlichkeitsprofil in einem sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums; und/oder mindestens einen weiteren Kanal mit einem spektralen Empfindlichkeitsprofil in einem Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums; und/oder mindestens einen weiteren Kanal mit einem spektralen Empfindlichkeitsprofil in einem ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums.
Integrierter Strahlungssensor (1920, 1970) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: mindestens drei Farbabstimmungskanäle; und mindestens 4 Kompensationskanäle.
Integrierter Strahlungssensor (1920, 1970) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationskanäle spektrale Empfindlichkeitsprofile mit einer Spitzenwellenlänge und/oder FWMH aufweisen, die sich wesentlich von einer Spitzenwellenlänge und/oder FWMH des spektralen Empfindlichkeitsprofils eines der Farbanpassungskanäle unterscheidet.
Der integrierte Strahlungssensor (1920, 1970) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das spektrale Empfindlichkeitsprofil eines typischen Farbanpassungskanals einem spektralen Empfindlichkeitsprofil eines idealen Farbanpassungskanals entspricht.
Integrierter Strahlungssensor (1920, 1970) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der einen weiteren Kanal umfasst, wobei der weitere Kanal ein Strahlungserfassungselement und einen zugehörigen optischen Filter mit einem Durchlassbereich umfasst, der einer Spitze in einem Emissionsspektrum von Quecksilber im sichtbaren Lichtbereich entspricht.
Integrierter Strahlungssensor (1920, 1970) nach Anspruch 11, wobei der Durchlassbereich bei etwa 545 Nanometern zentriert ist.
Integrierter Strahlungssensor (1920, 1970) nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Durchlassband eine Breite von etwa 10 Nanometern hat.
Eine elektronische Vorrichtung (1900), die Folgendes umfasst: ein Display (1910), das Bilder für einen Benutzer anzeigt; einen integrierten Strahlungssensor (1920) nach einem der Ansprüche 1 bis 13; und eine Steuerschaltung (1930), die mit dem Display und dem integrierten Strahlungssensor verbunden ist, wobei die Steuerschaltung so konfiguriert ist, dass sie eine Farbe des auf den Strahlungssensor einfallenden Lichts auf der Grundlage mindestens eines Signals von dem integrierten Strahlungssensor ermittelt, und wobei die Steuerschaltung so konfiguriert ist, dass sie das Display zumindest teilweise auf der Grundlage einer ermittelten Farbe einstellt.
Elektronische Vorrichtung (1900) nach Anspruch 14, mit einem Speicher, in dem eine Kalibrierungsmatrix zum Kalibrieren von Daten gespeichert ist, die der von dem integrierten Strahlungssensor erfassten Strahlung entsprechen.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei es sich bei der Vorrichtung um eines der folgenden Geräte handelt: ein Mobiltelefon, eine Kamera, ein Bildaufzeichnungsgerät und/oder ein Videoaufzeichnungsgerät.
Kamera (1950) mit einem integrierten Strahlungssensor (1970) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und einer Steuerschaltung (1980), die so konfiguriert ist, dass sie eine Farbe des auf den Strahlungssensor einfallenden Lichts auf der Grundlage mindestens eines Signals von dem integrierten Strahlungssensor bestimmt.
Verfahren zum Kalibrieren des integrierten Strahlungssensors nach Anspruch 1, wobei das Verfahren umfasst: Aussetzen des Sensors der einfallenden Strahlung einer bekannten Strahlungsquelle; Erzeugen einer Empfindlichkeitsmatrix, die der einfallenden Strahlung entspricht, die von jedem der Vielzahl von Kanälen des Sensors erfasst wird; und Erzeugen und Speichern einer Kalibrierungsmatrix, die der Empfindlichkeitsmatrix entspricht, die für eine Farbanpassungsfunktion angepasst ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt, den Sensor einer Strahlung auszusetzen, die Durchführung eines monochromatischen Sweep-Tests und/oder das Aussetzen des Sensors gegenüber mehreren Lichtquellen umfasst
Verwendung des integrierten Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur spektralen Rekonstruktion und/oder für eine Farbanpassungsfunktion und/oder zur Detektion einer fluoreszierenden Lichtquelle.