JP2011524519A - 屈折及び反射構造を用いた角度分解能を持つスペクトル検出器 - Google Patents

Abstract

受光点において入射する光を受光し、複数の入射角について前記光の少なくとも１つの特性を測定するための検出器。該検出器は、複数の光センサを含み、該光センサのそれぞれが許容間隔（該光センサに到達するために光ビームが持つ必要がある入射角を定義する）に関連し、少なくとも２つの許容間隔が互いとは異なる。該検出器は更に、光ビームの入射角が特定の光センサに関連する許容間隔に属する場合にのみ、受光点から当該特定の光センサへと光ビームを導くための導光器を含む。

Description

本発明は、光学測定に関する。特に、本発明は、方向に影響を受ける光検出器に関する。

消費者向け機器及び商業的環境の両方におけるＬＥＤのような非白熱光源及び非蛍光光源の増加する利用に伴い、柔軟な非測定装置に対するニーズが高まっている。これら光源は一般に、温度変化及び経年劣化に対して不安定であり、発せられる光の一様な品質を確実にするために、スペクトル特性（色点及び演色指数を含む）が監視され継続的に調節される必要がある。更に、快適な及び／又は最適エネルギーの雰囲気がつくりだされるべき場合には、光の入射方向の関数として測定されるスペクトル特性が有用な情報となることが分かっている。

受光された光の入射の角度及び波長の両方を測定する既知の装置はしばしば回折ベースのものであり、それ故照明用途には大きくコストが掛かる。多くの場合において、照明技術における要件を満たすためには、視野が過度に制限されてしまう。より高度な装置は十分な精度を提供し得るが、物理的なサイズ及び技術的な複雑さの理由により、照明用途には十分に適していない。

例えば、米国特許US4,625,108は、半球状の検出装置であって、内部において、光ファイバが装置の外面から光センサに光を導く検出装置を開示している。各光ファイバのカバー角度は、該装置の本体に埋め込まれたレンズキャップにより制限される。評価回路が、受光された光放射の入射角を決定するように構成される。幾つかの付加的なファイバの束が、光ファイバのなかに分散される。斯かる束における各ファイバは、色フィルタリングされた光センサへと導かれ、適切に選択されたフィルタを用いて、束の端の方向に受光された光のスペクトル特性を決定することが可能である。最小レンズキャップ直径は感度要件により決まり、ファイバの最小数は精度要件により決まり、それ故該装置の半球部分は、最小限の半径を持つ。

本発明の目的は、幾つかの受光点における入射角の関数として光の特性を測定することが可能な検出器を提供することにある。光特性は、これに限るものではないが、強度、色点、演色指数、コリメーション、スペクトル分布を含む。更に、データ処理手段を含む検出器は、関連する量についての情報をも提供することが可能である。例えば、全ての入射角の関数として光の強度が分かれば、検出器は、簡単な計算によって視野内の主光源の方向を決定することが可能である。

本発明の別の目的は、サイズが小さく、標準的な構成要素から数個の工程で製造されることができ、照明用途における使用のために許容可能な測定精度を呈する、以上の特徴を持つ検出器を提供することにある。

斯くして、本発明の第１の態様によれば、受光点において入射する光を受光し、複数の入射角について前記光の少なくとも１つの特性を測定するための検出器が提供される。該検出器は、
複数の光センサであって、それぞれの前記光センサが許容間隔（該光センサに到達するために光ビームが持つ必要がある入射角を定義する）に関連し、少なくとも２つの前記許容間隔が互いとは異なる、複数の光センサと、
前記光ビームの入射角が特定の光センサに関連する許容間隔に属する場合にのみ、前記受光点から前記特定の光センサへと光ビームを導くための導光器と、
を含む。

本発明の一実施例においては、前記導光器は、屈折素子及びコリメータを有する。該屈折素子の形状は、最初に、受光点を通過する光ビームがコリメータの受光方向に屈折させられ、次に、別個の入射角を持つ光ビームが別個の光センサに導かれるようなものとされる。該屈折素子は、球状に湾曲した表面を持っても良い。光収差を低減するため、非球状に湾曲した表面を持っても良い。とりわけ高い精度で入射角を決定する検出器は、円錐形状を持つ屈折素子を用いることにより提供され得る。

屈折素子を有する実施例に対する代替を提供する、本発明の他の実施例においては、導光器は、入射角が大きくなる傾向のある用途により適切な屈折素子を含む。小さな入射角が予想される場合には、屈折素子の選択肢はより小型となる。屈折素子の形状は、第１の実施例における屈折素子と同じ機能的な特性を持つ。本発明の更に他の実施例においては、導光器が複数の光ファイバを含む。これらファイバ及び該ファイバを囲む物質の屈折特性により、これらファイバは異なる空間の領域から光センサへと光を導く。光ファイバは軽量であり、サイズ経済的であり、対衝撃性を持つ。更に、光ファイバは非常に指向性が高く、正確な視野を定義するために利用され得る。

本発明の第２の態様によれば、複数の入射角について、受光点において入射する光の少なくとも１つの特性を測定するための方法が提供される。該方法は、
光を受光するステップと、
前記受光された光を導光器を介して複数の光センサへと導くステップと、
前記光センサにおいて前記光の少なくとも１つの特性を測定するステップと
を含む。

使用される機器は、各光センサが許容間隔に関連するように構成される。少なくとも２つの許容間隔が、相互に異なる。光ビームは、該光ビームの入射角が特定の光センサに関連する許容間隔に属する場合にのみ、当該特定の光センサに導かれる。

本発明のこれらの及び他の態様は、以下に説明される実施例を参照しながら更に説明され明らかとなるであろう。

本発明は以下に、添付図面を参照しながら、より詳細に説明される。

本発明による検出器の動作原理を示すブロック図である。 検出器に入射する光ビームにより定義される平面において見た、球面レンズ及びコリメータが光センサに先行する、本発明の実施例による検出器の断面図である。 検出器に入射する光ビームにより定義される平面において見た、非球面屈折素子及びコリメータが光センサに先行する、本発明の他の実施例による検出器の断面図である。 円錐形の屈折素子及びコリメータが光センサに先行する、本発明の更なる実施例による検出器の断面図であり、該検出器の代替実施例の側面図も示す。 図４Ａに示された円錐形の屈折素子の１つに入射する光ビームの経路を示す。 屈折素子及びコリメータが光センサに先行する、本発明による更に他の実施例による検出器の側面図である。 図５に示された実施例に対する代替を提供する、本発明の実施例による検出器の側面図である。 ファイバの列の中心を通る平面において見た、平行な光ファイバが光センサに先行する、本発明の実施例による検出器の断面図である。 光を受光するように構成された端部から見た、図７Ａの検出器の端面図である。 図７Ａ及び７Ｂに示された実施例に対する代替を提供する、本発明の実施例による検出器の端面図である。

本発明の実施例による検出器１００の動作が、最初に説明される。以下、「光」なる語は、いずれの種類の電磁放射をも含み、「光ビーム」なる語は、電磁エネルギーの狭い投射を意味する。該検出器は、受光点１０１を含むものと仮定され、該受光点は、点又は、光収差又は構造的制約の理由のため、有限な空間における領域である。光ビームの入射角θは、該光ビームが該受光点に入射する点において測定される。光ビームの入射角は、検出器の構成要素の光軸に対して定義されても良いが、第２の基準方向に対して定義されても良く、それにより、例えば極角及び方位角から成る、２成分の入射角（θ_１，θ_２）をもたらす。最後に、異なる実施例に関連した同一の変数（例えばｎ_１、ｊ_ｋ等）の偶発的な使用は決して、これらが同一の数値を持つことを表すものではない。

図１のブロック図を参照すると、光は検出器１００の受光点１０１に到達する。簡単さのため、光は１つの光ビームからのみ成り、１つの入射角θを持つとする。該検出器は複数の光センサ１２０−１、１２０−２、・・・、１２０−ｎを有し、これら光センサは別個の装置であって、センサのアレイの一部又は一体化された多画素光センサの一部であるが、いずれの場合においても独立して読み取り可能である。該検出器の構造により、各光センサは、光ビームが光センサ１２０−ｋに到達するために持つべき入射角を定義する許容間隔Ｊ_ｋに関連する。許容間隔は、間隔の結合である。光は、角度識別光学構成１１０により光センサへと導かれる。該構成は機能的に、１つの光ビームスプリッタ１１１と、複数の導光器１１２−１、１１２−２、…、１１２−ｎと、複数のフィルタ１１３−１、１１３−２、…、１１３−ｎと、の３つの部分から成る装置としてみなされ得る。フィルタ１１３−ｋの特性は、光ビームが許容間隔Ｊ_ｋ内に入射角θを持つ場合にのみ、該光ビームを通過させるものである。図１は、ｎ＝４である例を示し、ここで受光された光ビームは、Ｊ_１及びＪ_２内にあるがＪ_３又はＪ_４内にはない入射角を持つ。それ故、光センサ１２０−１及び１２０−２のみが起動される。

光センサ１２０−１、１２０−２、・・・、１２０−ｎからの信号は、処理部１３０により集められる。該検出器からのとり得る出力が、以下に例示される。第１に、ゼロでない光強度が受信された全ての間隔が参照され得る。どの許容間隔Ｊ_１、Ｊ_２、…、Ｊ_ｎが光を受光したかが分かれば、どの２つの間隔の共通部分が光を受光したか、どの３つの間隔の共通部分が光を受光したか、等を導出し、それにより洗練された情報を提供することは非常に簡単である。以上のｎ＝４の例においては、光がＪ_１及びＪ_２において受光され、Ｊ_３及びＪ_４においては受光されていないことが分かる。直接の結果として、光はＪ_１∩Ｊ_２において受光されるが、Ｊ_１∩Ｊ_３、Ｊ_１∩Ｊ_４、Ｊ_２∩Ｊ_３、Ｊ_２∩Ｊ_４、Ｊ_３∩Ｊ_４、Ｊ_１∩Ｊ_２∩Ｊ_３、Ｊ_１∩Ｊ_３∩Ｊ_４、Ｊ_２∩Ｊ_３∩Ｊ_４、Ｊ_１∩Ｊ_２∩Ｊ_４、又はＪ_１∩Ｊ_２∩Ｊ_３∩Ｊ_４において受光されない。それ故、４個の間隔において測定することにより、該検出器は１５個の間隔についての情報を提供できる。一般的には、ｎ個の光センサは、許容間隔の２^ｎ−１個の共通部分についての情報を利用可能とし、これらは勿論２^ｎ−１個の重ならないサブ間隔として表現されることができ、各サブ間隔における中央入射角によっても表現され得る。

検出器からの第２の種類のとり得る出力は、最大受光パワーに対応する入射角である。このことは、信号により表される較正された強度が補間され得るという意味において一様となるために、等しくない間隔サイズ、可変のセンサ特性等を補償するように、光センサが適切に較正されることを仮定する。較正を仮定すると、該検出器はまた、第３に、入射角に対する強度マップを出力することもできる。該マップの分解能は、利用される異なる許容間隔の数及び位置に関連する。該マップは、許容間隔の共通部分に対応する一定のデータレベルのステップから成っても良いが、何らかの種類の補間により生成されても良い。

光センサは、感色性のものであっても良いし、又は異なる色フィルタにより先行される群に配置されても良い。各センサ又はセンサの各群により測定される強度及び色点は、３つの基調色の強度を示す信号のトリプレットにより表されても良い。ここでまた補間が実行され得るようにセンサが適切な態様で較正されていることを仮定すると、該検出器は、第４に、入射角に対する色マップを出力することができる。例えば演色指数の測定のような、色点以外のスペクトル測定も可能である。

本発明による検出器の原理を以上に開示したが、以下、幾つかの好適な実施例に言及する。

図２を参照すると、本発明の実施例による検出器２００の特徴が記載され、ここで球面レンズ２１０及びコリメータ２２０が光センサ２３０に先行している。コリメータ２２０は、光ビームが（許容誤差内の）所定の方向（以下、コリメータ２２０の許容方向と呼ばれる）を持たない限り、光ビームが光センサ２３０に到達することを防ぐ。コリメータは例えば、複数の細い穴により穿孔された光吸収スラブから成るものであっても良く、この場合、穴の細かさが許容範囲を決定する。簡単さのため、許容方向はコリメータ２２０に対して垂直な方向であり（ただし種々の許容方向を持つコリメータが本分野において知られている）、図面において垂直方向である。それ故、コリメータ２２０に垂直な光ビームのみが、光センサ２３０に到達し記録されることとなる。

当業者には良く知られているように、球面レンズ２１０は集光レンズであり、レンズの焦点２１１を通る光ビームを、光軸２１２に平行なビームへと屈折させる。斯かる光ビームのみが、コリメータ２２０により通過させられ、コリメータ２２０を越えて光センサ２３０に到達する。それ故、焦点２１１が、本発明の本実施例による検出器の受光点である。レンズを囲む媒体が空気であると仮定すると、焦点２１１は、およそＲ／（ｎ−１）の距離において、該レンズの光軸２１２上に位置し、ここでＲはレンズ２１０の湾曲した面の曲率半径であり、ｎは該レンズの屈折率である。より大きな入射角で焦点２１１に到達する光ビームは、レンズ２１０の光学中心から離れた光センサ２３０に導かれる。それ故、本実施例においては、光センサの許容間隔は狭い間隔であり、その幅はコリメータ２２０の許容範囲により決定され、隣接する光センサのものと重なっても良い。

図３は、図２に示された実施例に対する代替を提供する、本発明の他の実施例による検出器３００の断面図である。検出器３００においては、非球面の表面を持つ屈折素子３１０及びコリメータ３２０が、光センサ３３０に先行する。非球面の表面を持つ検出器を設計する理由は、非球面レンズが光収差の影響を受け難いことである。加えて、急な入射角を回避することにより、屈折素子の周縁部における光センサが、相当程度利用される。該屈折素子は焦点を有しても良いし有さなくとも良いが、いずれの場合にも、受光点（ことによると空間的に伸張される）は光軸３１２に位置する。

以下の形状は、本発明による検出器における屈折素子としての使用のために適していると考えられる。即ち、多面体、少なくとも１つの球状に湾曲した表面を持つ素子、及び円環体レンズである。

図４Ａは、第１に、本発明の更なる実施例による検出器４１０を示し、第２に、それぞれが検出器４１０に同一な３つの検出器４１０−１、４１０−２、４１０−３から構成される検出器４２０を示す。検出器４１０の光センサ４１３は、４つの円錐形の屈折素子４１１−１、４１１−２、４１１−３、４１１−４及びコリメータ４１２により先行される。屈折素子４１１の存在により、本実施例は、図２及び３に示された実施例に類似している。検出器４２０においては、各検出器が装置のフレームに対して３つの異なる傾斜角を持つ。種々の色フィルタが光センサ４１３に先行する検出器４１０の構成の使用も、同様に考えられ得る。図４Ａは、円錐形の屈折素子４１１の中心を通る断面の図である。

特に図４Ｂを参照しながら、単一の円錐形の屈折素子４３１を有する検出器４３０の光学的な機能が以下に説明される。図４Ｂは、円錐形の素子４３１の平坦な底部４３４及び屈曲した側面４３５を示す断面図である。線４３６は、該円錐形の素子４３１の対称軸に対応する。ここでまた、コリメータの許容方向は垂直方向であると仮定する。円錐形の屈折素子４３１及びコリメータ４３２の後の光センサ４３３は、図面における略垂直方向に光ビームが屈折させられるような方向で、該円錐形の屈折素子に到達する光ビームを受光する。該円錐の開口角は２αにより示され、該円錐の相対屈折率はｎにより示され、本図はｎ＞１である例を示している。円錐内の垂直光ビームの屈折の角度はこのときπ／２−αであり、スネルの法則により、該ビームの入射角θは式１により与えられる。
ｓｉｎθ＝ｎｃｏｓα 式１

それ故、角度θで該屈折素子の表面に交差し且つ該円錐形の屈折素子の軸に交差する半線から成る母線のファミリを持つ有限の厚さの円錐の殻から、光が受光される。最も外側の母線Ｇ１及び最も内側の母線Ｇ２が、図４Ｂに示されている。円錐形の殻からの光が検出器によって受信され、該円錐形の殻は、円錐形の屈折素子の対称軸４３６のまわりにＧ１及びＧ２を回転させることにより形成させる２つの回転面により境界付けられる。

本発明の更に別の実施例による検出器５００が、図５を参照しながら以下に説明される。コリメータ５２０が光センサ５３０に先行し、該光センサの許容方向は該光センサに対して垂直方向であり、即ち図面における水平方向である。コリメータの左には、反射素子５１０が備えられる。本実施例においては、反射素子５１０は、放物面形状を持つ。ｙ＝ａｘ^２の式により記述される放物面ミラーはｘ＝０、ｙ＝１／４ａの位置に焦点を持つことが、当業者には良く知られている。焦点を通過する全ての光ビームは、所定の方向に該ミラーから反射される。検出器５００においては、反射素子５１０は、該所定の方向がコリメータ５２０の許容方向に整合するように配置されている。それ故、該放物面の焦点は、検出器５００の受光点５１１である。

図６は、本発明の代替の実施例、即ち、それぞれが図５に示された検出器５００と等しい２つの検出器５００−１、５００−２の構成である、検出器６００を示す。

図７Ａ及び７Ｂを参照しながら、本発明の実施例による検出器７００が以下に説明される。検出器７００においては、各光センサ又は光センサのサブ群（図示されていない）が、透明な光ファイバ７１０に先行されている。図７Ｂは、光を受光するように構成された端部からの検出器７００の端面図である。９本の光ファイバ７１０−１、７１０−２、７１０−３等の開放端が見えている。示されているように、光ファイバ７１０−ｋは、屈折率ｎ_ｋを持つ。これらファイバ７１０は、屈折率ｎ_０であるクラッド材料７２０により囲まれている。図７Ａは、光ファイバ７１０−１、７１０−２及び７１０−３の中心軸を通る断面の図である。本図は定縮尺ではなく、実際の光ファイバは長さに対して非常に細い。

当業者には知られているように、それぞれ屈折率ｎ０及びｎ１を持つ、クラッド材料により囲まれた光ファイバは、式２により定義される開口数ＮＡにより特徴付けられる。

ここで、ｎ_ｅは光が光ファイバに入射する媒質の屈折率であり、θ_ｍは材料許容角度である。図７Ａにおける光ビームＢ１のような、θ_ｍ以下の角度で光ファイバの中心において該光ファイバに入射する光ビームは、該ファイバの内壁に対して全反射し、減衰なく（ファイバ材料における吸収を除く）伝播する。図７Ａにおける光ビームＢ２のような、θ_ｍよりも大きな入射角を持つ光ビームは、一部が反射され、一部がファイバ−クラッド間の界面を通過して通過させられる。反射の度に少量のエネルギーが失われ（伝達され）得るが、反射は典型的に、光ビームの振幅が著しく減少するほど頻繁に起こる。それ故、光ファイバは、該光ファイバの構成物質の屈折特性により決定される許容間隔を持つ。回転対称形のため、該許容間隔は、入射光ビーム及びファイバの光軸により決定される平面において測定される入射角θにのみ依存する。それ故、光ファイバの許容間隔は、該光ファイバの光軸を中心とする円錐形である。

図７Ａは、光ファイバ７１０−１の光軸７２１−１を示す。光ビームＢ１は許容間隔内にあり、光ビームＢ２はない。明確さのため、図７Ａには、図面の平面の外を伝播する光ビームは含まれていない。検出器７００における光ファイバは異なる屈折率を持ち、それ故異なる開口数を持つ。式２においてｎ_ｅ＝１を仮定すると、ファイバ７１０−ｋの最大許容角度θ_ｋは、式３により与えられる。

従って、ファイバの許容間隔はＪ_ｋ＝［０，θ_ｋ］である。定義により０≦θ≦π／２である点に留意されたい。それ故、検出器７００により実行される測定から、合致する頂点を持つ２つの円錐を境界として持つ空間中の幾何学的に半無限な領域である、間隔［０，θ_１］、［θ_１，θ_２］、…、［θ_８，θ_９］（屈折率が増大する順に番号が付されていると仮定する）において受光された光についての情報を抽出することが可能となる。検出器７００の上面は、それぞれの光軸７２１−１、７２２−２等が（仮想的な）共通の光軸に略一致するほど十分に小さいことが仮定されている。本実施例の場合における受光点は、該共通の光軸と、光を受光するように構成された検出器の端部の面との交点である。

最後に図８は、図７Ａ及び７Ｂに示された実施例に対する代替を提供する、本発明の実施例による検出器８００の端面図である。検出器８００においては、全ての光ファイバ８１０が、屈折率ｎ０を持つ同一の物質から成る。異なる許容間隔を達成するため、ファイバ８１０は、屈折率ｎ_１、ｎ_２、…、ｎ_９を持つ異なるクラッド材料８２０により囲まれている。ファイバ材料とクラッド材料との各組み合わせについて、４つのファイバからなる群が備えられる。１つの群中のファイバは、異なって色フィルタリングされる４つの光センサへと光を導き、これら光センサは従って異なるスペクトル特性を持つが、同一の許容間隔を持つ。

本発明は図面及び以上の記述において説明され記載されたが、斯かる説明及び記載は説明するもの又は例示的なものであって限定するものではないとみなされるべきであり、本発明は開示された実施例に限定されるものではない。図面、説明及び添付される請求項を読むことにより、請求される本発明を実施化する当業者によって、開示された実施例に対する他の変形が理解され実行され得る。請求項において、「有する（comprising）」なる語は他の要素又はステップを除外するものではなく、「１つの（a又はan）」なる不定冠詞は複数を除外するものではない。

Claims (12)

1. 受光点において入射する光を受光し、複数の入射角について前記光の少なくとも１つの特性を測定するための検出器であって、前記検出器は、
   複数の光センサであって、それぞれの前記光センサが、該光センサに到達するために光ビームが持つ必要がある入射角を定義する許容間隔に関連し、少なくとも２つの前記許容間隔が互いとは異なる、複数の光センサと、
   前記光ビームの入射角が特定の光センサに関連する許容間隔に属する場合にのみ、前記受光点から前記特定の光センサへと光ビームを導くための導光器と、
   を有する検出器。
2. 前記複数の光センサは、所定の方向に平行な光ビームのみを受光し、
   前記導光器は、前記受光点が略入射光ビーム上にある場合に、前記所定の方向に平行な光ビームを発する少なくとも１つの光学素子を有する、
   請求項１に記載の検出器。
3. 各光センサの前にコリメータを更に有する、請求項２に記載の検出器。
4. 前記少なくとも１つの光学素子は屈折素子である、請求項２又は３に記載の検出器。
5. 前記少なくとも１つの屈折素子は、
   多面体、
   円錐、
   少なくとも１つの球状に湾曲した表面を持つ素子、
   集光レンズ、
   非球面レンズ、及び
   円環体レンズ
   からなる群のうちの１つである、請求項４に記載の検出器。
6. 前記導光器は、少なくとも１つの反射素子を有する、請求項２又は３に記載の検出器。
7. 前記少なくとも１つの反射素子は放物面ミラーである、請求項６に記載の検出器。
8. 前記少なくとも１つの反射素子は、複数の連続的で平坦な反射面を含む、請求項６に記載の検出器。
9. 前記導光器は複数の光ファイバであり、前記光ファイバのそれぞれは第１及び第２の端面を持ち、前記光ファイバの第１の端面は、開口端であり且つ前記受光点から可視である平面内に略配置され、各光ファイバの第２の端面は、前記光センサの少なくとも１つに向けて開いている、請求項１に記載の検出器。
10. 各前記光センサは、多くとも１つの光ファイバの第２の端面からの光を受光するように配置される、請求項９に記載の検出器。
11. 前記光センサの少なくとも１つは色フィルタにより先行される、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の検出器。
12. 複数の入射角について、受光点において入射する光の少なくとも１つの特性を測定するための方法であって、
    光を受光するステップと、
    前記受光された光を導光器を介して複数の光センサへと導くステップと、
    前記光センサにおいて前記光の少なくとも１つの特性を測定するステップと
    を有する方法において、各前記光センサは許容間隔に関連し、少なくとも２つの前記許容間隔は互いと異なり、
    光ビームが、前記光ビームの入射角が特定の光センサに関連する許容間隔に属する場合にのみ、当該特定の光センサへと導かれる方法。

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