KR20120089321A - 수신된 광의 스펙트럼 성분들을 검출하기 위한 튜너블 스펙트럼 검출 디바이스 - Google Patents

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KR20120089321A
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리파트 아타 무스타파 히크메트
타이스 반 봄멜
에두아르드 요하네스 메이어
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 수신된 광의 스펙트럼 성분들을 검출하기 위한 스펙트럼 검출 디바이스(100)에 관한 것이고, 상기 스펙트럼 검출 디바이스(100)는 상기 수신된 광을 필터링하고 미리 결정된 파장 범위 내의 파장을 갖는 광을 출력하도록 구성되는 필터링 구조(110); 및 상기 필터링 구조(110)에 의해 출력된 상기 광(102)을 검출하도록 구성되는 광 센서(120)를 포함하고, 상기 필터링 구조(110)는 시간에 따른 상기 미리 결정된 파장 범위의 변화를 허용하도록 가변적이다. 이 배열에 의해 낮은 비용으로 제공될 수 있는 콤팩트한 스펙트럼 검출 디바이스가 가능하다.

Description

수신된 광의 스펙트럼 성분들을 검출하기 위한 튜너블 스펙트럼 검출 디바이스{A TUNABLE SPECTRAL DETECTION DEVICE FOR DETECTING SPECTRAL COMPONENTS RECEIVED LIGHT}
본 발명은 수신된 광의 스펙트럼 성분들을 검출하기 위한 스펙트럼 검출 디바이스에 관한 것이다.
오늘날 분광계들과 같은 스펙트럼 검출 디바이스들은 광 관리 응용들에서, 예를 들어, 광의 컬러 포인트(color point) 및 컬러 렌더링 인덱스(color rendering index)를 측정하여 다수의 조명기구에 의해 생성된 분위기를 결정하기 위해 및/또는 특정 조명기구에 의해 방출되는 광을 모니터하기 위해 점점더 이용되고 있다.
분광계를 이용한 광 관리 응용의 통상적인 예가, 사용자가 방안의 다수의 조명기구들에 의해 생성된 분위기를 유연성 있게 결정할 수 있게 하는 주변 지능형 조명 시스템(ambient intelligent lighting system)이다. 원하는 분위기를 실현하기 위해서, 주변 지능형 시스템은 개별 조명기구들의 세기, 컬러 포인트 및 컬러 렌더링 인덱스를 측정하는 제어 피드백 시스템에 의해 각각의 개별 조명기구의 조명 특성을 측정 및 제어한다.
또한, 분광계는 또한 예를 들어, 적색, 녹색 및 청색(RGB) LED(또는 더 많은 및/또는 상이한 컬러들의 LED들)를 갖는 발광 다이오드들(LEDs)에 의해 백색광이 발생되는 현대의 조명기구들에서 광 컬러를 모니터하는 데 이용될 수 있다. 여기서, 광 컬러의 모니터링은 LED들로부터의 혼합된 광이 오직 각각의 개별 LED로부터의 광이 다른 LED들로부터 나오는 광과 적절하게 결합되는 경우에 백색 광이 되기 때문에 중요하다.
WO2008/012715는 이미지들 및 모션을 인식하기 위한 이미지 센서 어레이, 및 이미지 센서 어레이의 감광 표면의 적어도 일부분을 커버하는 수신된 광의 스펙트럼 성분들을 검출하기 위한 패브리 페로(Fabry-Perot) 공진기 구조를 포함하는 통합 이미지 인식 및 스펙트럼 검출 디바이스를 개시한다. 수신된 광의 복수의 스펙트럼 성분들을 측정할 수 있도록 하기 위해서, 패브리 페로 공진기 구조는 체스보드형 구조로 세그먼트화되고, 각각의 세그먼트는 상이한 스펙트럼 성분을 제공하기 위해 상이한 두께를 갖는다. 또한, 이 배열은 각각의 스펙트럼 성분이 이미지 센서 어레이에서 상이한 센서에 의해 검출되도록 되어 있다. 동작에서, 이미지 센서 어레이는 연속적으로 입사광에 포함되는 스펙트럼 성분들을 검출하고 대응하는 신호들을 제어 수단에 전송한다. 그 다음에 제어는 원하는 컬러 포인트를 실현하기 위해서, 검출된 스펙트럼 성분들 및 컬러 설정 제어 알고리즘에 기초하여 LED들에 대한 전기 전류를 개별적으로 조정할 수 있다.
그러나, WO2008/012715에 개시된 스펙트럼 검출 디바이스가 수신된 광의 스펙트럼 성분들을 만족스럽게 측정할 수 있더라도, 다층 간섭 필터들의 어레이를 함께 가까이 퇴적(deposit)하는 것은 비용이 많이 든다. 따라서, 많은 (비싼) 퇴적(deposition) 및 리소그래피 단계들을 요구하지 않는 낮은 비용의 대안적인 스펙트럼 검출 디바이스를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 또한 종래 기술에 비해 더욱 콤팩트한 디바이스를 갖기 위한 바람이 존재한다. WO2008/012715에서는 많은 필터들이 스펙트럼 성분들을 측정하기 위해 좁은 스펙트럼 대역들과 이용된다. 100lux 정도로 광 레벨들을 검출하기에 충분히 민감한 디바이스를 실현하기 위해서, 픽셀 영역들은 매우 작은 영역으로 감소될 수 없어, 디바이스에 대한 사이즈 감소 옵션들을 제한한다. 따라서, 대안적인 스펙트럼 검출 디바이스에 대한 필요성이 있는 것으로 보인다.
본 발명의 목적은 수신된 광의 스펙트럼 성분들을 검출하기 위한 대안적인 스펙트럼 검출 디바이스를 제공하는 것이다.
발명의 양태에 따르면, 수신된 광의 스펙트럼 성분들을 검출하기 위한 스펙트럼 검출 디바이스가 제공되며, 상기 스펙트럼 검출 디바이스는 상기 수신된 광을 필터링하고 미리 결정된 파장 범위 내의 파장을 갖는 광을 출력하도록 구성되는 필터링 구조; 및 상기 필터링 구조에 의해 출력된 상기 광을 검출하도록 구성되는 광 센서를 포함하고, 상기 필터링 구조는 시간에 따른 상기 미리 결정된 파장 범위의 변화를 허용하도록 가변적이다.
본 발명은, 시간에 따라 스펙트럼 검출 디바이스에 의해 출력된 광의 파장들을 변화시킴으로써, 수신된 광의 상이한 스펙트럼 성분들이 단일 위치에서(그 때에 하나) 검출될 수 있다는 이해에 기초한다. 본 발명의 스펙트럼 검출 디바이스는 상이한 스펙트럼 성분들이 상이한 위치들에서 (병렬로) 검출되도록 요구하지 않아, 더욱 콤팩트한 스펙트럼 검출 디바이스가 가능하다는 점에서 유리하다. 또한, 상이한 스펙트럼 성분들을 (순차적으로) 검출하기 위해 동일한 광 센서가 이용될 수 있기 때문에, 스펙트럼 검출 디바이스에 의해 이용된 광 센서들의 수는 감소할 수 있어, 비용을 감소할 수 있다. 또한, 본 발명은 함께 근접한 다층 간섭 필터들의 어레이의 고비용 퇴적을 요구하지 않기 때문에, 종래 기술에 비해 비용을 더 감소시킨다.
미리 결정된 파장 범위는 필터링 구조에 외부 자극을 인가하는 것에 의해 조정될 수 있고, 외부 자극은 전기장, 온도 또는 기계적 힘의 그룹으로부터 선택된다. 이것은 필터링 구조에 의해 출력되는 파장들의 용이하고 신뢰성 있는 제어를 가능하게 한다.
미리 결정된 파장 범위는 통상적으로 광의 스펙트럼을 계산하거나 또는 광원의 컬러 포인트 및/또는 컬러 온도를 예측하기 위해 선택될 수 있다. 따라서, 미리 결정된 파장 범위는 20nm 내지 200nm의 폭을 가질 수 있거나, 또는 더욱 바람직하게는 높은 해상도를 획득하기 위해서 20nm 내지 50nm의 범위의 폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 미리 결정된 파장 범위는 청색 광(즉, 45nm의 폭)을 검출하기 위해 450-495nm, 녹색 광(즉, 75nm의 폭)을 검출하기 위해 495-570nm, 또는 적색 광(즉, 130nm의 폭)을 검출하기 위해 620-750nm일 수 있다.
필터링 구조는 (미리 결정된 파장 범위 밖의 파장을 갖는 광을 차단하면서) 미리 결정된 파장 범위 내에 놓이는 파장을 갖는 광을 투과하도록 구성될 수 있다. 투과 필터링 구조는 간단히 광 센서의 최상부 위에 배치될 수 있기 때문에, 그것은 스펙트럼 검출 디바이스에 용이하게 실장될 수 있고 콤팩트한 배열을 가능하게 할 수 있다.
대안적인 실시예에 따르면, 필터링 구조는 (미리 결정된 파장 범위 밖의 파장을 갖는 광을 투과하면서) 미리 결정된 파장 범위 내에 놓이는 파장을 갖는 광을 반사하도록 구성될 수 있다. 이점은, 반사 필터링 구조는 원칙적으로 단일 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터(switchable photonic band gap filter)를 이용하여 구현될 수 있다는 것이다.
실시예에 따르면, 필터링 구조는 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터를 포함할 수 있다. 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터의 이용은 그것이 필터링 구조에 의해 출력되는 파장들의 용이하고 신뢰성 있는 변화를 가능하게 한다는 점에서 유리하다.
스펙트럼 검출 디바이스는 필터링 구조에 의해 수신된 광에 대한 입사각을 미리 결정된 입사각으로 제한하도록 구성된 각 선택 요소를 더 포함할 수 있다. 입사각은 통상적으로 광이 θ-α 내지 θ+α의 범위의 방향들로부터 수락되도록 연관된 각 수락 범위(angular acceptance range)를 가질 수 있고, 여기서 θ는 입사각이다. 또한, α는 바람직하게는 5°보다 작을 수 있고, 더욱 바람직하게는 2°보다 작을 수 있고, 가장 바람직하게는 1°보다 작을 수 있다. 이것은 광의 스펙트럼 특성들이 특정 입사각에 대해 측정될 수 있게 한다. 이러한 식으로, 특정 광원으로부터 나오는 광을 배치하고 그의 특성들을 쌍방향으로 조정하는 것이 가능할 수 있다.
실시예에 따르면, 각 선택 요소는 입사각의 변화를 허용하도록 가변적일 수 있다. 이것은 광의 스펙트럼 특성들이 입사각의 함수로서 측정될 수 있게 한다. 또한 상이한 광원들로부터 나오는 광을 순차적으로 배치하는 것이 가능하다.
다른 실시예에 따르면, 각 선택 요소는 복수의 영역을 포함할 수 있고, 각각의 영역은 상이한 입사각을 갖는 광을 수락하도록 구성된다. 이러한 식으로, 각 선택 요소를 움직일 필요 없이 상이한 방향들로부터 광의 스펙트럼 특성들을 측정할 수 있다.
스펙트럼 검출 디바이스는 확산기를 더 포함할 수 있다. 확산기는 스펙트럼 검출 디바이스에 의해 수신된 광을 랜덤하게 리디렉션(redirect)하도록 구성될 수 있다. 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터와 같은 필터링 구조는 각 의존성을 가질 수 있고, 즉, 상이한 각들에서 필터링 구조에 부딪히는 광이 필터링 구조의 상이한 스펙트럼 응답을 일으킨다. 이것은 광이 각 선택 요소에 도달하기 전에 확산기를 통과하도록 확산기를 배열함으로써 극복될 수 있다. 이 배열을 통해, 확산된 광의 단편(fraction)이 각 선택 수단을 통해 투과되고 특정 각으로 필터링 구조에 부딪힌다. 이러한 식으로, 필터의 각 의존성의 결과로서 상이한 스펙트럼 응답이 존재하지 않고, 즉, 필터링 구조는 각 독립적이 된다.
또한, 본 발명에 따른 스펙트럼 검출 디바이스는 유리하게는 일루미네이션 디바이스에 포함될 수 있고, 일루미네이션 디바이스는 상이한 컬러들의 복수의 발광 디바이스; 스펙트럼 검출 디바이스로부터 취득한 복수의 스펙트럼 성분을 처리하도록 구성되는 제어 유닛을 더 포함하고, 상기 제어 유닛은 또한 특정 컬러 포인트 및/또는 컬러 온도와 같은 미리 결정된 조명 효과를 실현하기 위해서 검출된 스펙트럼 성분들에 기초하여 복수의 발광 디바이스를 제어하도록 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 스펙트럼 검출 디바이스는 유리하게는 복수의 조명기구들(또는 광원들)을 제어하기 위한 일루미네이션 제어 시스템에 포함될 수 있고, 상기 시스템은 스펙트럼 검출 디바이스로부터 취득한 복수의 스펙트럼 성분들을 처리하도록 구성되는 제어 유닛을 더 포함하고, 상기 제어 유닛은 또한 특정 컬러 포인트 및/또는 컬러 온도와 같은 미리 결정된 조명 효과를 실현하기 위해서 검출된 스펙트럼 성분들에 기초하여 복수의 조명기구들(또는 광원들)을 제어하도록 구성된다.
또한, 본 발명의 특징들 및 그 이점들은 첨부된 청구항들 및 다음의 설명을 학습할 때 명백해질 것이다. 통상의 기술자는 본 발명의 상이한 특징들은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고, 다음에 설명된 것 이외의 실시예들을 생성하기 위해 결합될 수 있다는 것을 인식한다.
그의 특정 특징들 및 이점들을 포함하는 발명의 다양한 양태들이 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면들로부터 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 발명의 실시예에 따른 스펙트럼 검출 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 2는 서로의 최상부 위에 2개의 광자 밴드 갭 필터를 쌓아 올림으로써 투과 필터링 구조가 실현될 수 있는 법을 개략적으로 도시한다.
도 3은 스펙트럼 검출 디바이스를 포함하는 일루미네이션 제어 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 4는 수신된 광의 스펙트럼 조성을 결정하기 위한 흐름도를 개략적으로 도시한다.
도 5a-e는 각 선택 요소의 다양한 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 6은 확산기를 포함하는 스펙트럼 검출 디바이스의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 7은 반사 필터링 구조를 갖는 스펙트럼 검출 디바이스의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 8은 전압을 인가함으로써 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터의 반사 대역이 시프트될 수 있는 법을 개략적으로 도시한다.
도 9는 픽셀화된 스펙트럼 검출 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 10은 일루미네이션 디바이스에 포함되는 스펙트럼 검출 디바이스를 개략적으로 도시한다.
이제 본 발명은 발명의 현재 바람직한 실시예들이 도시되는 첨부 도면들을 참조하여 이하 더욱 완전히 설명될 것이다. 그러나, 이 발명은 많은 상이한 형태로 구체화될 수 있고, 본원에 설명된 실시예들로 한정되는 것으로서 이해되어서는 안 되며, 오히려, 이들 실시예들은 철저함 및 완전함을 위해 제공되고, 통상의 기술자에게 발명의 범위를 충분히 전달한다. 전체에 걸쳐서 유사한 참조 문자들은 유사한 요소들을 가리킨다.
이제 도면들, 특히 도 1을 참조하면, 발명의 실시예에 따른 스펙트럼 검출 디바이스(100)가 도시되어 있다. 스펙트럼 검출 디바이스(100)는 광 센서(120) 및 광 센서(120)와 스펙트럼 검출 디바이스의 광 입구(115) 사이에 배열되는 필터링 구조(110)를 포함한다. 여기서 이것은 광 센서(120)의 최상부에 필터링 구조(110)를 배열함으로써 실현된다. 광 센서(또는 포토 센서)는 예를 들어, 포토 다이오드, 포토 저항, 광 전지(photovoltaic cell), 광 전자 배증관(photomultiplier), 애벌란시 포토 다이오드(avalanche photodiode), 또는 전하 결합 디바이스(charge couple device)일 수 있다. 필터링 구조(110)는 스펙트럼 검출 디바이스에 의해 수신된 광(101)을 필터링하고, 미리 결정된 파장 범위 내에 놓이는 파장을 갖는 광(102)을 출력하도록 구성된다. 그 다음, 필터링 구조에 의해 출력된 광(102)은 광 센서(120)에 의해 검출될 수 있다. 마이크로프로세서와 같은 제어 유닛(130)은 필터링 구조에 의해 출력된 광의 미리 결정된 파장 범위를 제어하기 위해 필터링 구조(110)에 접속될 수 있다. 제어 유닛(130)은 스펙트럼 검출 디바이스(100)에 포함될 수 있거나 외부 디바이스일 수 있다.
필터링 구조(110)는 여기서 미리 결정된 파장 범위 내에 놓이는 파장을 갖는 광을 투과하도록 구성되는 투과 필터이다. 투과 필터는 서로의 최상부에 배치되는 2개의 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터(110a,b)로 만들어질 수 있다. 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터의 예는 메탈로폴리머 겔(metallopolymer gel) 및 콜로이드성 광자 결정(colloidal photonic crystal)의 하이브리드 물질이다. 이러한 물질의 더 상세한 설명은 Ozin, G.A., Asrenault, A.C., 2008, "P-Ink and Elast-ink From Lab to Market", Materials Today, Volume 11, Issues7-8, Pages 44-51에서 발견될 수 있고, 이것은 이로써 참고로 포함된다.
스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터들(110a,b) 각각은 반사 대역, 즉, 광이 반사되는 파장의 범위를 갖는다. 반사 대역의 위치는 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터에 전기장과 같은 외부 자극을 인가함으로써 변화될 수 있다. 이것은 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터에 전압을 인가함으로써 실현될 수 있다. 대안적으로, 광자 밴드 갭 필터의 위치는 필터를 가열함으로써(예를 들어, 광자 밴드 갭 필터의 유전체 가열 또는 저항성 가열을 이용함으로써) 또는 기계적 힘에 의해(예를 들어, 광자 밴드 갭 필터에 압력을 인가함으로써) 변화될 수 있다.
필터링 구조(110)의 원리는 도 2에 개략적으로 예시된다. 여기서, 제1 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터(110a)는 도 2의 (a)에 예시된 바와 같이 범위 λ1 내지 λ2의 파장(예를 들어, 보라색 남색(violet indigo) 및 파란색에 대응하는 380-495nm)을 갖는 광을 반사하고, 반면 이 범위 밖의 파장들을 갖는 광은 투과된다. 유사하게, 제2 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터(110b)는 도 2의 (b)에 예시된 바와 같이 범위 λ3 내지 λ4의 파장(예를 들어, 노란색, 주황색 및 빨간색에 대응하는 570-750nm)을 갖는 광을 반사하고, 반면 이 범위 밖의 파장들을 갖는 광은 투과된다. 따라서, 필터링 구조(110)는 도 2의 (c)에 예시된 바와 같이 범위 λ2 내지 λ3의 파장(예를 들어, 녹색 광에 대응하는 495-570nm)을 갖는 광을 투과하고, 반면 이 범위 밖의 파장들을 갖는 광은 차단된다. 여기서 (도시되지 않더라도) λ1보다 짧고 λ4보다 긴 파장을 갖는 광을 차단하는 필터들도 존재한다고 가정함에 주목한다. 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터들(110a,b)의 반사 대역을 변화시킴으로써, 필터링 구조(110)의 투과 대역의 파장 범위는 다양한 컬러들이 필터링 구조에 의해 출력되도록 가시 스펙트럼에 대해서 점차적으로 시프트될 수 있다.
도 3은 스펙트럼 검출 디바이스(100)가 복수의 조명기구(302a-b)를 제어하도록 구성되는 일루미네이션 제어 시스템(300)에 포함되는 실시예를 개략적으로 도시한다. 일루미네이션 제어 시스템에 포함되는 제어 유닛(130)은 필터링 구조(110)에 의해 출력된 광의 미리 결정된 파장 범위를 제어하기 위해 스펙트럼 검출 디바이스(100)에 접속된다. 제어 유닛(130)은 또한 광 센서로부터 측정 신호들을 취득하기 위해 스펙트럼 검출 디바이스 내의 광 센서에 그리고 조명기구들에 의해 출력된 광의 제어를 위해 조명기구들(302a,b)에 접속된다.
동작에서, 스펙트럼 검출 디바이스(100)는 조명기구들(302a-b)로부터 광을 수신한다. 그 다음에 수신된 광의 스펙트럼 조성은 도 4의 흐름도에 의해 개략적으로 예시되는 바와 같이 수신된 광의 상이한 스펙트럼 성분들을 순차적으로 검출하는 것에 의해 결정될 수 있다.
단계 401에서, 제어 유닛(130)은 수신된 광의 제1 스펙트럼 성분이 필터링 구조(110)에 의해 출력되도록 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터들(110a-b)을 제어한다. 제1 스펙트럼 성분은 예를 들어, 청색 광에 대응하는 파장(즉, 450 내지 495nm)을 갖는 광일 수 있다. 수신된 광의 제1 스펙트럼 성분은 단계 402에서 광 센서에 의해 검출되고, 측정 신호가 제어 유닛(130)에 전송된다. 다음으로, 단계들 401 및 402는 모든 관련 스펙트럼 성분이 검출될 때까지 반복된다. 예를 들어, 절차는 녹색 및 적색 광을 검출하기 위해 반복될 수 있다. 검출된 스펙트럼 성분들에 기초하여, 제어 유닛(130)은 그 다음에 단계 403에서 이 기술분야에 잘 알려진 기법들에 따라 수신된 광의 컬러 포인트 및 컬러 온도를 결정하고, 단계 404에서 원하는 조명 효과를 실현하기 위해 조명기구들(402a-b)에 의해 일루미네이션을 조정할 수 있다.
도 5a는 스펙트럼 검출 디바이스가 필터링 구조(110)에 의해 수신된 광에 대한 입사각을 미리 결정된 입사각 θ로 제한하도록 구성되는 각 선택 요소(500)를 더 포함하는 실시예를 개략적으로 도시한다. 각 선택 요소(500)는 여기서 방향 θ로 배열된 축을 갖는 원통형 홀(504)을 갖는 광 흡수 플레이트(502)(예를 들어, 백색 광을 흡수하는 양극 처리된(anodized) 알루미늄)이다. 각 선택 요소(500)는 범위 θ-α 내지 θ+α에서 방향들로부터 광을 수락한다. 즉, 각 수락 범위(angular acceptance range)는 2α이고, 여기서 홀의 직경 Φ 대 플레이트 두께 t의 애스펙트 비는 각 범위 2α, 즉, α=arctan(Φ/2t)를 결정한다. 바람직하게는, α는 5°보다 작고, 더욱 바람직하게는 2°보다 작고, 가장 바람직하게는 1°보다 작다. 이 실시예에서, 단일 홀의 이용이 예시된다. 그러나, 작은 수락 각들(small acceptance angles)에 대해, 이것은 홀이 두꺼운 플레이트에 있어야 함을 의미한다. 두꺼운 플레이트들을 이용하는 것을 피하기 위해서, 훨씬 더 얇은 플레이트에서 드릴링된(drilled) 더 작은 직경들을 갖는 복수의 홀을 이용하는 것이 가능하다.
또한, 상이한 각들로부터 나오는 광을 선택하기 위해서, 플레이트(502)(또는 전체 스펙트럼 검출 디바이스)가 회전될 수 있다. 예를 들어, 플레이트는 상이한 방향들로부터의 광의 선택을 가능하게 하는 이러한 식으로 모든 방위각에서 각 θ의 조정을 가능하게 하는 2개의 상이한 축에 대해 회전할 수 있는 마운트(mount) 상에 배치될 수 있다. 특정 입사각을 갖는 광을 측정함으로써, 특정 광원으로부터의 광이 검출될 수 있다.
도 5b는 가변 각 선택 요소의 대안적인 실시예를 개략적으로 도시한다. 여기서, 각 선택 요소(500)는 2개의 얇은 플레이트(502a-b)를 포함하고, 플레이트들 각각은 홀(506a,b)을 구비한다. 플레이트들은 거리 d에 의해 분리된다. (그것들의 평면에서) 서로에 대하여 플레이트들을 이동함으로써, 입사각이 변화될 수 있다. 예를 들어, 예시된 예에서, 상부 플레이트(502a)는 좌측으로 이동될 수 있고, 하부 플레이트(502b)는 우측으로 이동될 수 있어 입사각을 반시계 방향으로 기울일 수 있다. 또한, 각 범위 2α는 플레이트들 사이의 거리 d를 변화시킴으로써 변화될 수 있다.
또한, 도 5c에 예시된 바와 같이, 각 선택 요소는 상이한 입사각 θ1, θ2를 갖는 광을 동시에 수락하기 위해 2개(또는 그 이상)의 영역들(500a-b)로 분할될 수 있다. 이것은 광이 하나보다 많은 방향으로부터 동시에 검출될 수 있게 한다. 이것은 광 흡수 플레이트(502)에 의해 실현될 수 있고, 각각의 영역(500a,b)은 방향 θ1, θ2에서 축을 갖는 원통형 홀(504a,b)을 구비한다. 각각의 홀(504a,b)과 연관된 광 센서(120a,b)를 가짐으로써, 다양한 방향 θ1, θ2에 대한 광을 개별적으로 검출하는 것이 가능하다.
또한, 도 5d에 예시된 실시예에 의해 설명되는 바와 같이, 각 선택 요소는 (직경 대 두께의 애스펙트 비가 보존되도록 더 큰 홀을 갖는 더 두꺼운 플레이트와 비교하여) 그 방향으로부터 광 센서에 의해 수신된 광의 양을 증가시키기 위해서 동일한 방향으로 배열되는 복수의 원통형 홀들(즉, 원통형 홀들의 축들이 평행함)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 쌍의 홀들(504a-b)은 제1 방향으로부터 광을 투과하고, 제2 쌍의 홀들(504c-d)은 제2 방향으로부터 광을 투과하고, 제3 쌍의 홀들(504e-f)은 제3 방향으로부터 광을 투과한다. 각각의 원통형 홀에 대응하는 광 센서들을 더 많이 포함하는 것도 가능하여, 스펙트럼 검출 디바이스의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 5e는 하나의 특정 방향으로부터 광을 측정하기 위한 또 다른 실시예를 개략적으로 도시한다. 여기서, 각 선택 요소는 필터링 구조 둘레에 배열되는 튜브형 구조(510)이다.
도 6은 스펙트럼 검출 디바이스(100)가 스펙트럼 검출 디바이스에 의해 수신된 광이 각 선택 요소에 도달하기 전에 확산기(600)를 지나가도록 각 선택 요소(500)의 최상부에 배열되는 확산기(600)를 더 포함하는 실시예를 개략적으로 도시한다. 확산기(600)는 모든 방향들로부터 스펙트럼 검출 디바이스에 의해 수신된 광을 랜덤하게 리디렉션한다. 확산된 광의 단편이 그 다음에 각 선택 요소(500)를 통해 투과되고 특정 각 θ에서 필터링 구조(110)에 부딪힌다. 이러한 식으로, 상이한 각들로부터 나오는 광은 평균화될 수 있어 디바이스를 각 독립적이 되게 한다.
도 7은 필터링 구조(110)가 미리 결정된 파장 범위 내에 놓이는 파장을 갖는 광을 반사하도록 구성되는 반사 필터인 대안적인 실시예를 개략적으로 도시한다. 필터링 구조(110)는 여기서 단일 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터에 의해 실현되고, 미리 결정된 파장 범위는 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터의 반사 대역과 일치한다. 도 7에 예시된 바와 같이, 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터(110)는 입사광(101)의 반사된(102) 성분이 광 센서(120)를 향하도록 배열된다. 따라서, 광(101)이 스펙트럼 검출 디바이스(100)에 의해 수신될 때, 미리 결정된 파장 범위 내의 광이 광 센서(120)를 향해 반사되고, 반면 미리 결정된 파장 밖의 파장은 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터(110)를 통해 투과된다. 또한, 미리 결정된 파장 범위, 및 따라서 필터링 구조(110)에 의해 출력된 광(102)의 파장들은 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터에 전압과 같은 외부 자극을 인가함으로써 반사 필터의 반사 대역의 위치를 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 예시된 바와 같이, 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터는 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터에 어떠한 전압도 인가되지 않거나 낮은 전압 V0(예를 들어, 0V)이 인가될 때 청색 광을 반사할 수 있고, 전압이 V1(예를 들어, 1V)로 증가될 때 녹색 광을 반사할 수 있고, 전압이 V2(예를 들어, 2V)로 더 증가될 때 적색 광을 반사할 수 있다.
도 9a는 픽셀화된 필터링 구조(110)를 갖는 스펙트럼 검출 디바이스의 실시예를 개략적으로 도시한다. 픽셀화된 필터링 구조는 제1 층에 배열되는 제1(900a) 및 제2(900b) 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터들을 포함한다. 또한, 제3(900c) 및 제4(900d) 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터들은 제2 층에 배열되고, 제1 층은 제2 층 상에 적층된다.
이 배열을 통해, 픽셀화된 필터링 구조는 4개의 영역(901-904)으로 분할되고, 제1 영역(901)에 드는 광은 제1 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터(900a) 및 그 다음 제3 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터(900c)를 지나가고; 제2 영역(902)에 드는 광은 제2 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터(900b) 및 그 다음 제4 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터(900d)를 지나가고; 제3 영역(903)에 드는 광은 제1 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터(900a) 및 그 다음 제4 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터(900d)를 지나가고; 제4 영역(904)에 드는 광은 제2 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터(900b) 및 그 다음 제3 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터(900c)를 지나간다.
스위치 가능한 광자 밴드 갭 층들의 반사 대역들을 변화시킴으로써, 제1(901), 제2(902), 제3(903), 및 제4(904) 영역들에 대한 미리 결정된 파장 범위들이 조정될 수 있다. 각각의 영역(901-904) 아래에 광 센서(911-914)를 배열하는 것에 의해, 스펙트럼 검출 디바이스는 복수의 스펙트럼 성분들을 병렬로 검출할 수 있다. 또한, 이 기술분야의 통상의 기술자에 의해 인식되는 바와 같이, 다른 타입들의 픽셀화된 필터링 구조들도 실현될 수 있다. 예를 들어, 픽셀화된 필터링 구조는 더 많은 스위치 가능한 광자 갭 필터들을 결합하는 것에 의해 더 많은 영역들을 포함할 수 있다. 각각의 영역이 (비-픽셀화된 디바이스에 비해) 더 작은 파장 스펙트럼을 커버하도록 설계될 수 있기 때문에, 개선된 정확도 및 증가된 속도가 실현될 수 있다.
도 10은 스펙트럼 검출 디바이스(100)가 레트로피트(retrofit) LED 램프와 같은 일루미네이션 디바이스(1000)에 포함되는 실시예를 개략적으로 도시한다. 일루미네이션 디바이스(1000)는 상이한 컬러들의 발광 다이오드(LED)들과 같은 복수의 발광 디바이스(1002a-b), 및 제어 유닛(도시되지 않음)을 더 포함한다. 제어 유닛은 필터링 구조에 의해 출력된 광의 미리 결정된 파장 범위를 제어하기 위해 스펙트럼 검출 디바이스(100)에 접속된다. 제어 유닛은 또한 광 센서로부터 측정 신호들을 취득하기 위해 스펙트럼 검출 디바이스의 광 센서에 그리고 일루미네이션 디바이스에 의해 출력된 광의 제어를 위해 발광 디바이스들(1002a-b)에 접속된다. 동작에서, 스펙트럼 검출 디바이스는 도 4와 관련하여 설명된 것과 유사한 절차에 의해 LED들(1002a-b) 및/또는 주변 환경으로부터 광을 수신하고 수신된 광의 스펙트럼 성분을 검출할 수 있다. 그 다음에 제어 유닛(130)은 수신된 광의 컬러 포인트 및 컬러 온도를 결정하고, LED 전류를 LED들(402a-b)로 조정하여 원하는 조명 효과를 실현할 수 있다.
발명이 그의 특정 예시적인 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 많은 상이한 변경들, 수정들 등이 이 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 개시된 실시예들에 대한 변형들은 도면들, 개시, 및 첨부된 청구항들을 학습하는 것으로부터, 청구된 발명을 실행함에 있어서 통상의 기술자에 의해 이해되고 실시될 수 있다. 예를 들어, 투과 필터링 구조는 2개보다 많은 스위치 가능한 광자 밴드 갭 층들을 포함할 수 있다. 투과 필터링 구조를 획득하기 위해 비-스위치 가능한 반사기와 스위치 가능한 광자 밴드 갭 층을 결합하는 것도 가능하다. 스펙트럼 검출 디바이스는 또한 상이한 스펙트럼 성분들을 병렬로 측정하기 위해 복수의 광 센서 및/또는 복수의 필터링 구조를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명은 가시 범위의 광으로 한정되지 않고, UV 또는 IR 스펙트럼 파장 범위에도 적용가능하다.
또한, 청구항들에서, "포함하는"이라는 단어는 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않고, 부정 관사("a" 또는 "an")는 복수를 배제하지 않는다.

Claims (12)

  1. 수신된 광의 스펙트럼 성분들을 검출하기 위한 스펙트럼 검출 디바이스(100)로서,
    상기 수신된 광(101)을 필터링하고 미리 결정된 파장 범위 내의 파장을 갖는 광(102)을 출력하도록 구성되는 필터링 구조(110); 및
    상기 필터링 구조(110)에 의해 출력된 상기 광(102)을 검출하도록 구성되는 광 센서(120)
    를 포함하고,
    상기 필터링 구조(110)는 시간에 따른 상기 미리 결정된 파장 범위의 변화를 허용하도록 가변적인 것을 특징으로 하는 스펙트럼 검출 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 파장 범위는 상기 필터링 구조(110)에 외부 자극을 인가함으로써 조정되고, 상기 외부 자극은 전기장, 온도 또는 기계적 힘의 그룹으로부터 선택되는 스펙트럼 검출 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 미리 결정된 파장 범위는 20nm 내지 200nm의 폭, 또는 더욱 바람직하게는 20nm 내지 50nm의 폭을 갖는 스펙트럼 검출 디바이스.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필터링 구조(110)는 상기 미리 결정된 파장 범위 내에 있는 파장을 갖는 광을 투과하도록 되어있는 스펙트럼 검출 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필터링 구조(110)는 상기 미리 결정된 파장 범위 내에 있는 파장을 갖는 광을 반사하도록 되어있는 스펙트럼 검출 디바이스.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필터링 구조(110)는 스위치 가능한 광자 밴드 갭 필터(switchable photonic band gap filter)를 포함하는 스펙트럼 검출 디바이스.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필터링 구조(110)에 의해 수신된 상기 광에 대한 입사각을 미리 결정된 입사각(θ)으로 제한하도록 구성되는 각 선택 요소(500)를 더 포함하는 스펙트럼 검출 디바이스.
  8. 제7항에 있어서, 상기 각 선택 요소(500)는 상기 입사각(θ)의 변화를 허용하도록 가변적인 스펙트럼 검출 디바이스.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 각 선택 요소(500)는 복수의 영역(500a,b)을 포함하고, 각각의 영역(500a,b)은 상이한 입사각(θ1, θ2)을 갖는 광을 수락하도록 되어있는 스펙트럼 검출 디바이스.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 확산기(600)를 더 포함하는 스펙트럼 검출 디바이스.
  11. 일루미네이션 디바이스(illumination device)(1000)로서,
    상이한 컬러들의 복수의 발광 디바이스(1002a,b);
    제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 스펙트럼 검출 디바이스(100); 및
    상기 스펙트럼 검출 디바이스(100)로부터 취득한 복수의 스펙트럼 성분을 처리하도록 되어있는 제어 유닛(130)
    을 포함하고,
    상기 제어 유닛(130)은 또한 미리 결정된 조명 효과를 실현하기 위해서 상기 검출된 스펙트럼 성분들에 기초하여 상기 복수의 발광 디바이스(1002a,b)를 제어하도록 되어있는 일루미네이션 디바이스.
  12. 복수의 조명기구들(luminaries)(302a,b)을 제어하기 위한 일루미네이션 제어 시스템(300)으로서,
    상기 조명기구들(302a,b)로부터 수신된 광의 스펙트럼 성분들을 검출하기 위한 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 스펙트럼 검출 디바이스(100); 및
    상기 스펙트럼 검출 디바이스(100)로부터 취득한 상기 스펙트럼 성분들을 처리하도록 되어있는 제어 유닛(130)
    을 포함하고,
    상기 제어 유닛(130)은 또한 미리 결정된 조명 효과를 실현하기 위해서 상기 검출된 스펙트럼 성분들에 기초하여 상기 조명기구들(302a,b)을 제어하도록 되어있는 일루미네이션 제어 시스템.
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