JP5657517B2 - 光検出器及び光を測定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、自身に当たる予め規定されている波長の範囲内の光を検出する少なくとも１つの波長選択光検出器と、前記光を前記光検出器上に投射するレンズと、前記光センサの視野を規定する開口とを有する光センサに関する。更に、本発明は、光を測定する方法に関連する。このような光センサは、特に、照明パターンの検出及び制御において使用される。

単色の光源の制御及び幾つかの光源によって生成される室内の光の雰囲気の調整とは、照明及び色パターンの適切な測定を必要とする。このことは、発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合において特に重要になる。発光ダイオードは、自身の出力スペクトルを時間と共に変化させる傾向にあるからである。更に、これらの出力スペクトルは、駆動レベルの関数であり、１つのＬＥＤから他のＬＥＤまで異なる。従って、正しい制御は、前記光出力スペクトルの正確な測定を必要とする。狭帯域色フィルタを備える光検出器のアレイに基づく光センサは、前記出力スペクトルの測定を可能にする。あらゆる光検出器は、スペクトル全体の再構成を可能にするスペクトルの小さい部分を測定する。

例えば、誘電性層の積層に基づく干渉フィルタ（所謂ファブリペローエタロン）は、最も一般的な種類の狭帯域カラーフィルタを構成している。有利には、これらのフィルタは、非常に狭いスペクトル応答を有することができる。しかしながら、前記フィルタの中心波長は、前記光の入射角に強く依存する。従って、光センサのスペクトル応答は、異なる方向から前記光センサに当たる光線に関して異なる。このことは、前記光スペクトルの正確な測定を防止するという不利な点を構成している。更に、前記狭帯域フィルタは、少量のスペクトルのみを透過し、前記光センサの感度を低下させる。更に、高い解像度を有するスペクトルの決定は、これらのフィルタを大量に必要とする。

本発明の目的は、これらの問題の少なくとも１つを軽減する上述の種類の光センサを提供することにある。

この目的は、添付の請求項１に規定されている本発明による光センサによって達成される。この光センサに当たる予め規定されている波長の範囲内の光を検出する少なくとも１つの波長選択光検出器と、光を前記光検出器上に投射するレンズと、前記光センサの視野を規定する開口とを有する光センサであって、前記光検出器、前記レンズ及び前記開口がテレセントリック配置において配されていることを特徴とする光センサである。このような配置において、前記光検出器及び前記開口は、自身の焦点距離に等しい前記レンズからの距離に位置されている。即ち、本発明は、前記レンズが第１の及び第２の焦点面を有しており、前記光検出器及び前記開口が、それぞれ、前記第１の及び第２の焦点面に配されていることを特徴とする。有利には、前記光は、前記開口に入射する光の方向にかかわらず、予め規定されている角度の範囲内で（例えば、殆ど垂直入射において）波長選択光検出器に当たり、従って、角度依存性を取り除いている。更に、前記開口及び前記レンズは、波長選択光検出器よりはるかに大きいものであっても良いので、より多くの光が収集されることができ、従って前記感度を改善する。

一実施例において、前記開口は、大きさ、形状又は位置において制御可能なものであっても良いように配されている。有利には、このことは、前記光が前記光検出器に当たる角度の範囲の制御を可能にし、従って、波長選択光検出器及び光センサのスペクトル応答の制御を可能にする。更なる有利な点として、前記スペクトル応答の制御は、光検出器の数を減少することを可能にする一方で、高い解像度の性能を保持する。このことは、前記光センサをより簡単で小さいものにすることを可能にする。

実施例において、前記開口は、電気光学光変調器を有する。実施例において、前記電気光学光変調器は、液晶セル、エレクトロウェッティングセル又は電気泳動セルを有する。有利には、このことは、スペクトル走査機能を可能にする動的で制御可能な開口システムの実施化を可能にする。

実施例において、前記開口は、リング形である。有利には、前記リングの直径は、前記光センサのピーク透過波長を規定している。更に、前記リングの幅は、前記光センサのスペクトル応答の幅を規定する。

一実施例において、前記波長選択光検出器は、干渉フィルタ又はファブリペローエタロンを有している。一実施例において、前記レンズは、光軸を有しており、前記開口の位置は、前記光センサに当たる光のスペクトルの走査を可能にするための前記光軸に対して垂直な平面において制御可能なものであるように配されている。有利には、このことは、前記光センサに当たる前記光のスペクトル及び角度情報の両方の決定を可能にする。

第２の見地によれば、本発明は、光を測定する方法であって、（ｉ）予め規定されている波長の範囲内の光を検出する少なくとも１つの波長選択光検出器を設けるステップと、（ｉｉ）前記光を前記光検出器上に投射するレンズを設けるステップと、（ｉｉｉ）前記光検出器の視野を規定する開口を設けるステップとを有する方法であって、前記光検出器、前記レンズ及び前記開口をテレセントリック配置において位置決めするステップを特徴とする方法を提供する。

一実施例において、当該方法は、前記光センサに当たる光のスペクトルの走査を可能にするために、前記レンズの光軸に対して垂直な平面における前記開口の形状、大きさ又は位置を調整するステップを更に有する。

本発明のこれら及び他の見地は、以下に記載される実施例を参照して、明らかになり、説明されるであろう。

本発明の更なる詳細、フィーチャ及び有利な点は、添付図面に関連する例示的な及び好ましい実施例の以下の記載において開示される。

波長選択光検出器のアレイを有する従来技術の光センサを模式的に示している。 本発明による光センサの実施例を模式的に示している。 本発明による光センサの他の実施例を模式的に示している。 本発明による光センサの第３の実施例を模式的に示している。 本発明による光センサの第４の実施例を模式的に示している。 本発明による光センサにおいて使用可能な開口の２つの実施例を模式的に示している。

図１は、波長選択光検出器１０のアレイを備える光センサ１を模式的に示している。この光センサは、光を光検出器１０上に投射するレンズ２０、及び前記光センサの視野を規定する開口３０を更に有している。この光センサ１は、検出された光の更なる処理及びユーザに対する提示のための適切な電子機器及びユーザインタフェース（図示略）を更に有する。

この波長選択光検出器１０は、干渉フィルタ又はファブリペローエタロンによって覆われているダイオード又は電荷結合素子によってできているものであり得る。これらのフィルタの様々な透過関数（即ち前記波長選択性）は、２つ（以上の）反射表面間の光の複数の反射間の干渉によってもたらされる。構成的な干渉は、透過されたビームが同位相にある場合、発生する。このことは、前記フィルタの高い透過ピークに対応する。前記透過されたビームの位相が異なっている場合、弱め合う干渉が発生し、透過最小値に対応する。複数の反射されたビームが、同位相であるか否かは、前記光の波長（λ）、前記光がフィルタを通過して進行する角度（θ）、前記フィルタ（層）の前記厚さ（ｔ）及び反射表面間の材料の屈折率（ｎ）に依存する。最大の透過は、各透過されたビーム間の光路長差（２ｎｔ ｃｏｓθ）がλの整数倍である場合、生じる。フィルタが透過させる波長範囲は、この「策略」の制御によって非常に選択的になされることができる。このことは、異なる（層の）厚みを有する複数のフィルタを持つ光検出器１０のアレイの設計を可能にする。このようなアレイは、前記光センサに当たる光スペクトルの正確な測定を可能にする。しかしながら、上述の透過関係は、しかしながら、前記ピーク透過波長が、前記光の入射角を増大させる青色にシフトすることを明らかに示している。従って、このような光センサ１は、非垂直ではない角度において前記光センサに当たる光に対する異なるスペクトル範囲を測定し、決定する。

本発明の第１の見地によれば、波長選択光検出器１０、レンズ２０及び開口３０は、テレセントリック配置において配される。テレセントリック配置において、光検出器１０及び開口３０は、自身の焦点距離ｆ（図２Ａ及びＢ参照）に等しいレンズ２０からの距離に位置決めされている。レンズ２０の焦点面における開口３０の位置決めは、結果として、レンズ２０の光軸２１に向かって屈折される光線をもたらす。レンズ２０の焦点面における光検出器１０の位置決めは、結果として、前記光検出器に集束される光線をもたらす。従って、有利には、開口３０を通過する光線は、前記光検出器に対しておよそ垂直な円錐内の角度によって波長選択光検出器１０に当たる。図２Ａ及び２Ｂの比較から識別されることができるように、開口３０の大きさは、円錐の幅を決定する。波長選択光検出器１０のスペクトル応答は前記円錐の幅に依存するので、前記開口の幅又は大きさの調整は、センサ１のスペクトル感度の制御を可能にする。有利には、開口３０の幅／大きさを変化させることが、前記光センサの（輝度）感度とスペクトル解像度との間でトレードオフをするのを可能にする。

開口３０の大きさだけでなく、レンズ２０の焦点面における前記開口の位置を変化させることで、光センサ１のスペクトル応答の更に大きい制御を可能にする。例えば、リング形の開口３０（図３Ｃ参照）を有する場合、リングの直径４０は、前記光が波長選択光検出器１０に当たる平均角度（光センサ１のピークの透過波長を規定する）を設定し、リングの幅５０は、光が当たる角度分布（光センサ１のスペクトル応答の幅を規定する）の幅を設定する。従って、リングの直径４０の走査は、予め規定されている波長の範囲にわたるスペクトル走査を作るのに等しい。有利には、このことは、前記光検出器アレイの大きさ（即ち光検出器フィルタの組み合わせの数）を、原則として単一の検出器に減らすことを可能にする。一実施例において、電気光学光変調器は、このような動的で制御可能な開口システムを構成する。一例として、前記電気光学光変調器は、液晶セル、エレクトロウェッティングセル、制御電圧の影響下での焦点面においてインク粒子を移動させる平面方向の電気泳動セル、又は機械的に動作される開口であり得る。

図３Ａ及びＢが示しているように、（ｉ）レンズ２０の光軸２１に対して垂直な平面における開口３０の位置は、光が波長選択光検出器１０のアレイに当たる平均角度に直接的に関連し、（ｉｉ）前記アレイ内の光検出器１０の位置は、開口３０に入射する光の方向に直接的に関連がある。従って、レンズ２０の焦点平面内の／焦点平面を通る開口の再位置決め又は走査は、光センサ１に当たる光のスペクトル及び角度の情報の両方の決定を可能にする。

図４は、本発明による光センサ１のアレイを本質的に有している光センサ１００を、更なる実施例において模式的に示している。従って、光センサ１００は、波長選択光検出器１１０のアレイと、レンズ１２０のアレイと、開口１３０のアレイとを有しており、これらの３つのアレイが、テレセントリック配置において配されている。サブアレイ１１１、１１２、１１３の波長依存的な光検出器１１０のアレイを配することは、前記サブアレイを単一のレンズ及び単一の開口に割り当てることを可能にする。このサブアレイは、すべて同じスペクトル応答を持つ光検出器を有している。従って、例えば、サブアレイ１１１は、主に可視スペクトルの赤い部分における応答を持つ波長選択光検出器１１を有している。同様に、サブアレイ１１２の光検出器１２は、主に緑色の部分におけるスペクトル応答を有しており、サブアレイ１１３内の光検出器１３は、可視スペクトルの青色部分における応答を有している。明らかに、サブアレイの数及び波長選択光検出器の特定のスペクトル応答の（対応する）数に対する特定の制限は、存在しない。従って、前記光検出器を前記サブアレイに配することは、有益には、サブアレイ１１１、１１２、１１３内の光検出器１１、１２、１３に入射する光の位置から、開口アレイ１３０に入射する光の角度分布を決定することを可能にする。

更に他の実施例において、図５に示されている光センサ２００は、波長選択光検出器２１０、レンズ２２０及び開口２３０のアレイを有しており、再び、テレセントリック配置において配されている。光検出器２１０のアレイは、サブアレイ２１１、２１２、２１３において配されており、各々、可視スペクトルの異なる部分における主なスペクトル応答を持つ波長選択光検出器１１、１２、１３を有している。各サブアレイ２１１、２１２、２１３のこの波長選択光検出器１１、１２、１３は、例えば、バイエルのパターン（即ち１つの「赤色」、１つの「青色」、２つの「緑色」のピクセル）において配されることができる。従って、通常のカメラシステムと同様に、「赤色―緑色―青色」のピクセルパターンが、複数回、繰り返される。再び、異なるスペクトル応答を有する光検出器の数は、制限されず、これらのスペクトル応答は、前記可視スペクトルの赤、緑及び青色の部分に位置される必要はない。この数及びスペクトルの位置は、単純に、当業者に設計の自由度を与える要因である。有利には、この実施例は、完全な解像度の角度及びスペクトル情報を得るために、様々なカラーフィルタからの信号の挿入を可能にする。この実施例は、１つのレンズ及び開口のみが必要であるという主な有利な点を有する。

図２Ａ及びＢの実施例に関連して記載されたように、可変開口の大きさが、光検出器１０に対する光の入射角（又は、より正確には前記角度分布の幅）を制御し、従って、前記スペクトル応答の幅が調整されることができる。従って、前記開口の大きさに制御において、トレードオフがなされることができ、大きい開口は、多くの光だけでなく、広い角度、従って広いスペクトル分布も提供するのに対し、小さい開口は、低い透過（従って、ノイズ）を提供するが、良好な解像度を提供する。効果的には、前記光検出器の平面における得られる出力分布は、スペクトル分布及び開口の形の畳み込みである。一実施例において、単一の（符号化されていない）開口３０（図６Ａ）の代わりに、光センサ１が、符号化されたリング形の開口（図６Ｂ）を有する。有利には、この符号化された開口のフーリエ変換（前記開口の空間周波数応答）は、前記スペクトルの逆畳み込みが非常に容易になるような好ましい仕方において変化され、実空間における畳み込みは、周波数／フーリエ空間において最も容易に算出される。実空間における畳み込みは、フーリエ空間における簡単な乗算であるからである。一次元のブロック形のスリットの透過関数及び二次元の円形の開口のフーリエ変換は、それぞれ、シンク関数及びエアリー関数である。この「測定された」スペクトルは、「実際の」スペクトルと前記スリット又は開口の透過関数との畳込みである。フーリエ空間において、このことは、前記実際のスペクトルのフーリエ変換に、シンク関数又はエアリー関数が乗算されることを意味する。前記測定されたスペクトルから前記実際のスペクトルを取り戻すために（逆畳み込み）、前記測定されたスペクトルの前記フーリエ変換を前記シンク関数又はエアリー関数によって除算することができる。前記シンク及びエアリー関数は、或る周波数において非常に小さくなる又はゼロにさえなるので、これらの周波数は、非常に強く増幅される必要がある（ゼロによる除算）。従って、完全な回復は、可能ではない。（疑似ランダム）符号化スリット又は開口を使用することによって、前記フーリエ変換は、後の逆畳み込みに遥かに好ましいものであるが（即ち小さい値が存在しない）、依然として多くの光を透過する。この目的のために、前記光センサは、この逆畳み込みを実施する信号処理ユニットを有している。更に、符号化されたリング形の開口の実施化は、透過を向上させ、従って、当該スペクトル解像度を低下させることなく又は光センサ１の大きさを増大させることなく、光センサ１の感度を向上させる。

本発明は、上述の実施例を参照して説明されたが、代替的な実施例が、同じ目的を達成するために使用されることができることは、明らかである。従って、本発明の範囲は、上述の実施例に限定されるものではない。従って、本発明の精神及び範囲は、添付請求項及びこれらと均等なものによってのみ制限されるべきである。

Claims (3)

1. 光センサに当たる予め規定された波長範囲内の光を検出する少なくとも１つ波長選択型の光検出器と、
   前記光検出器上に光を投射するレンズと、
   前記光センサの視野を規定する開口と、
   を有する光センサであって、
   前記レンズは、第１及び第２の焦点面を有しており、
   前記光検出器及び前記開口は、それぞれ、前記第１及び第２の焦点面に配されており、
   前記開口の大きさ、形状又は位置が制御可能であって、
   前記開口はリング形であり、
   前記リングの直径又は幅が制御可能であることを特徴とする光センサ。
2. 予め規定されている波長の範囲において光を検出する少なくとも１つの波長選択型の光検出器を設けるステップと、
   前記光検出器上へ前記光を投射するレンズを設けるステップと、
   前記光検出器の視野を規定する開口を設けるステップと、
   を有する光を測定する方法であって、
   前記光検出器及び前記開口を、それぞれ、前記レンズの第１及び第２の焦点面に位置決めするステップ、
   を有し、
   前記開口はリング形であり、前記リングの直径又は幅を制御するステップを更に有することを特徴とする方法。
3. 前記光検出器に当たる光のスペクトルの走査を可能にするために前記開口の、形状、大きさ又は前記レンズの光軸に対して垂直な平面内の位置を調整するステップを更に有する請求項２に記載の光を測定する方法。

Images