TW200946882A - Photo-detector and method of measuring light - Google Patents

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200946882 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一光感應器，該光感應器包含至少一波長 選擇光感測器，其用於感測落至該感應器上之一預定波長 範圍内的光；一透鏡，其用於將光投影至該光感測器上； 以及一光圈，其用於界定該感應器之視場。另外，本發明 係關於量測光之方法。特定言之此類光感應器係用於照明 圖案之感測及控制。 【先前技術】 單一色彩光源之控制及藉由數個光源建立的房間内部光 氣氛之調諧需要照明及色彩圖案之適當量測。由於在發光 二極體（LED)之情形中其隨時間改變輸出光譜，此變得尤 其重要。另外，其輸出光譜係驅動位準之函數並且隨一 LED至另-LED而不同。因此，正確控制需要光輸出光譜 之準確量測。基於具有窄頻帶濾色片的光感測器陣列之光 感應器致能量測輸出光譜。每一光感測器測量光譜之一小 部分’從而致能整個光譜之重新建構。 干涉滤光器（例如其係基於介電層之堆疊）及所謂的法布 立-拍若標準具（Fabry-Per()t etal〇n)構成最常用類型之窄頻 帶遽色片。有利㈣，該等遽光器可具有極窄光譜回應。 然而’濾光器之中心波長強烈地取決於光入射角度。因 此’光感應器之光譜回應對於從不同方向撞擊至其上 射線將不同。此I然構成—缺點，從而防止光^準確旦 測。此外，窄頻帶滤光器僅透射少量光譜，從而減低光: 139160.doc 200946882 測器之敏感度。另外’以高解析度決定光譜需要大量該等 渡光器。 【發明内容】 本發明之一目的係提供所提出種類之光感應器，其減輕 該等問題之至少一者。此目的係採用如技術方案1中界定 的依據本發明之光感應器實現。一光感應器包含至少—波 長選擇光感測器’其用於感測落至感應器上之一預定義波 Φ 長範圍内的光；一透鏡，其用於將光投影至光感測器上； 一光圈，其用於界定感應器之視場，該光感應器特徵在於 δ亥光感測器、該透鏡及該光圈係以一遠心組態配置。在此 ' 一組態中’光感測器及光圈兩者均係位於距透鏡之一距離 等於其焦距處。換言之，本發明之特徵係在於透鏡具有第 一及第二聚焦平面，並且光感測器及光圈分別係配置於第 及第一聚焦平面内。有利的係，光將在預定義範圍之角 度内（例如在幾乎垂直入射下）撞擊於波長選擇上，而不論 ❹入射至光圈上之光的方向，&而移除角度相依回應。另 外，由於光圈及透鏡可遠大於波長選擇光感測器，可故集 更多光，從而改良敏感度。 在-具體實施例令’光圈係配置以可控制大小、形狀或 ^ 有利的係，此允許控制光撞擊於光感測器上的角度 範圍，從而致能波長選擇光感測器及光感應器之光議回應 哭控制作為進—步優點，控制光譜回應允許減小光感測 目同時維持向解析度能力。此允許使感應器更簡單 】39160.doc 200946882 在一具體實施例中，光圈包含電光光調變器。在一具體 實施例中，電光光調變器包含液晶單元、電濕潤單元或電 泳單元。有利的係’此允許實施動態及可控制光圈系統， 其致能光譜掃描能力。 在一具體實施例中’光圈係配置成環形。有利的係，環 直仅界疋光感應器之峰值透射波長。另外，環寬度界定光 感應器之光譜回應的寬度。 在一具體實施例中，波長選擇光感測器包含干涉濾光器 或法布立-拍若標準具。在一具體實施例中，透鏡具有光 學軸並且光圈之位置係配置以可在垂直於光學軸之平面内 控制以允許掃描落至感應器上之光的光譜。有利的係此 允許決定落至光感應器上之光的光譜及角度資訊兩者。 據本發明之第一態樣，提供用以量測光之方法，其包 含=下步驟⑴提供至少一波長選擇光感測器，其用於感測 義波長範圍内之光，（π)提供以—透鏡，其用於將光 =影至光感測器上，以及（iii)提供一光圈，其用於界定光 感測益之視場’該方法特徵係以遠心組態定位光感測器、 透鏡及光圈。 一在-具體實施例中，該方法進—步包含在垂直於透鏡之 先學轴的平面内調整光圈之形狀、大小或位置的步驟，以 允許掃描落至感應器上之光的光譜。 A下文所說明之具體實施例將明白本發明之該等及其 他態樣並予以闡釋。 、 【貫施方式】 139160.doc 200946882 圖1示意性地顯示具有波長選擇光感測器10之陣列的光 感應器1。光感應器進一步包含透鏡20，其用於將光投影 至光感測器10上；以及光圈30，其用於界定感應器之視 場。光感測器1進一步包含適當電子元件以及用於進一步 處理及將已感測光呈現給使用者的使用者介面（未顯示）。 波長選擇光感測器10可由藉由干涉濾光器或法布立拍 若標準具覆蓋的二極體或電荷耦合裝置製成。該等濾光器 φ 之變化透射功能（即波長選擇性）係由光在兩個（或兩個以 上）反射表面間的多次反射間之干涉造成。若透射光束係 同相則發生建設性干涉。此對應於濾光器之高透射峰值。 • 若透射光束係異相則發生破壞性干涉，其對應於透射最小 . 值。無論多重反射光束是否係同相取決於光之波長（又）、 行進穿過濾光器之光的角度（(9)、濾光器（層）之厚度⑴及反 射表面間之材料的折射率當每一透射光束間的光學路 徑長度差異（2w cos Θ)係Α之整數倍數時發生最大透射。透 〇 過其細緻度之控制，濾光器透射之波長範圍可變得具有很 同選擇性。此允許具有許多濾光器的光感測器丨〇之陣列之 設計，該等濾光器具有不同（層）厚度。此一陣列致能落至 感應器上之光譜的準確量測。然而，以上透射關係清楚地 顯示峰值透射波長用於增加光入射之角度偏移至藍色。因 此，此一光感應器1將罝測及決定用於在非垂直角度下落 至感應器上之光的不同光譜範圍。 依據本發明之第一態樣，波長選擇光感測器1〇、透鏡2〇 及光圈30係以遠心組態配置。在遠心組態中，光感測器ι〇 139160.doc 200946882 及光圈30兩者均係位於距透鏡20之一距離，其等於其焦距 /處（參見圖2Α及Β)。將光圈30定位於透鏡20之聚焦平面内 導致折射向透鏡20之光學軸21的光射線。將光感測器定 位於透鏡20之聚焦平面内導致聚焦於光感測器上之光射 線。因此’有利的係經過光圈30之光射線以在光感測器之 法線周圍的錐形内之角度撞擊於波長選擇光感測器丨〇上。 從圖2A及2B之比較可認識到，光圈3〇之大小決定錐形之 寬度。由於波長選擇光感測器丨0之光譜回應取決於錐形寬 度，光圈寬度或大小之調整允許控制感應器丨之光譜敏感 度。有利的係，改變光圈30寬度/大小允許在感應器之（強 度）敏感度與光譜解析度間作出權衡》 不僅改變光圈30之大小而且改變光圈在透鏡2〇之聚焦平 面内的位置允許光感應器丨之光譜回應的更大控制。例 如，採用環形光圈30(參見圖3C)，環直徑4〇設定光撞擊於 波長選擇光感測器10上之平均角度(其界定光感應器i之峰 值透射波長），而環寬度5〇設定光撞擊之角度分佈的寬度 (其界定光感應Hi之光譜回應之寬度此，掃描環直徑 等同於在預定波長範圍上進行光譜掃描。有利的係，此 允許原則上將光感測器陣列大小(即光感測器滤光器組合 之數目）減小至單—感測器。在—具體實施例中，電光光 調變器構成此-動態及可控制光圈系統。作為一範例，電 光調變器可係液晶單元、電 干 电属潤早兀、平面内電泳單元， 具在控制電壓之等彡塑下銘為 她^ 焦平面内之墨水顆粒，甚或 機械刼作光圈。 139160.doc 200946882 如圖3Α及Β所示’⑴光圈30在垂直於透鏡20之光學軸21 的平面内之位置係直接關於光撞擊於波長選擇光感測器丄〇 之陣列上的平均角度，以及（ii)光感測器1〇在陣列内之位 置係直接關於入射至光圈30上之光的方向。因此，在透鏡 20之聚焦平面内/透過其重新定位或掃描光圈允許決定落 至光感應器1上之光的光譜及角度資訊兩者。 圖4示意性地顯示光感應器1〇〇之進一步具體實施例，其 基本上包含依據本發明的光感應器1之陣列。因此，光感 應益100包含波長選擇光感測器j丨〇之陣列、透鏡】2〇之陣 列及光圈130之陣列，其中該三個陣列係以遠心組態配 置。將波長相依光感測器丨丨〇之陣列配置於子陣列丨1 ^、 112、113内允許將子陣列指派至單一透鏡及單一光圈。子 陣列包含全部具有相同光譜回應之光偵測器。因此，舉例 而§，子陣列111包含具有主要在可見光譜之紅色部分内 的回應之波長選擇光感測器u。同樣，子陣列ιΐ2内之光 ❷ 感測器12具有主要在綠色部分内之其光譜回應，而子陣列 113内之光感測器13具有在可見光譜之藍色部分内的其光 譜回應。顯然，對子陣列之數目及波長選擇光感測器之特 定光譜回應之（對應）數目不存在特定限制。相應地，將光 感測器配置於子陣列内有利地允許從人射至子陣列⑴、 112、113内之光感測器U、12、13上的位置決定入射至光 圈陣列130上之光的角度分佈。 在另一具體貫施例中，HI < rlt - 圖5中所不之光感應器200包含波 長選擇光感測器210、透锫” 迓鏡220及光圈23〇之陣列，其再次 139160.doc 200946882 係以遠心組態配置。光感測器210之陣列係配置於子陣列 211、212、213内，其各包含具有可見光譜之不同部分内 的其主要光譜回應之波長選擇光感測器丨丨、丨2、13。例 如，每一子陣列211、212、213内之波長選擇光感測器 11、12、13可係配置於拜耳（方吵以）圖案内（即一「紅色、 一「藍色」、兩個「綠色」像素因此，類似於正常相機 系統，「紅色-綠色-藍色」像素圖案多次重複自身。同樣， 具有不同光譜回應之光感測器之數目不受限，該等光譜回 應也不需要位於可見光譜之紅色、綠色及藍色部分内。數 目及光谱位置僅係對熟習本技術之認識給出設計自由度的 因素。有利的係，此具體實施例允許内插來自各種濾色片 之信號以獲得完全解析度角度及光譜資訊。此具體實施例 具有僅需要一透鏡及光圈的主要優點。 如、s圖2 A及B内之具體實施例所論述，可變光圈之大 小控制光感測器1 〇上之光的入射角度（或更精確的係角度 分佈之寬度），以及因此可調諧光譜回應之寬度。因此， 在控制光圈大小時進行權衡：大光圈提供許多光，但亦提 供寬角度及因此提供寬光譜分佈，而小光圈給出低透射 (且因此給出雜訊），但給出良好解析度。有效的係，光磉 測器平面上之所得功率分佈係光譜功率分佈及光圈形狀之 迴旋。在一具體實施例中，除單一（未編碼）光圈3〇(圖6a) 外，光感應器1包含編碼環形光圈（圖6B)。有利的係，編 碼光圈之傅立葉變換（光圈之空間頻率回應）係以有利方式 改變’使得光譜之解迴旋變得更容易：由於真實空間内之 139160.doc -10- 200946882 迴旋係傅立葉空間内之簡單乘法’真實空間内之迴旋在頻 率/傅立Μ _最容易計算。i維方塊形狹缝透射函數及 2維圓形光圈之傅立葉變換分別係正弦函數及艾瑞（A㈣函 數。已量測光譜係採用狹縫或光圈之透射函數的真實光譜 之迴旋。在傅立葉空間内，此意味著將真實光譜之傅立葉 變換與正弦函數或艾瑞函數相乘。為了從已量測光譜復原 真實光4 (解迴旋)，吾人可將已量測光譜之傅立葉變換除 φ ί"正弦函數或艾瑞函數。由於正弦及艾瑞函數變得極小:、 甚或在特定頻率下變為零，該等頻率將需要在極大程度上 放大（除以零）。因此，不可能實現完美恢復。藉由使用（偽 隨機）編碼狹縫或光圈，傅立葉變換對於隨後解迴旋更為 有利（即無小值）’同時仍透射許多光。為此目的，光感應 器包含實行此解迴旋之信號處理單元。另外，編碼環形光 圈之實施增加透射且因此增加光感應器i之敏感度而不 減小光譜解析度或增加其大小。 ❹雖然本發明已參考以上說明的具體實施例加以闡述，但 顯然^使用替代具體實施例以實現相同目的。因此，本發 明的範_不限於以上說明的具體實施例。據此，本發明的 精神及範_僅受申請專利範圍及其等效内容所限制。 【圖式簡單說明】 _在示範性及較佳具體實施例的以上說明中已結合附圖揭 不本發明之進一步細節、特徵及優點。 圖1示意性地顯示具有波長選擇光感測器之陣列的一先 前技術光感應器； 139160.doc 200946882 圖2A及2B不意性地顯示依據本發明之光感應器的〆具 體實施例； 圖3A至3C不意性地顯示依據本發明之光感應器的另， 具體實施例； 圖4不意性地顯示依據本發明之光感應器的一第三具體 實施例； 圖5不意性地顯示依據本發明之光感應器的一第四具體 實施例；以及 圖6A及6B示意性地顯示在依據本發明之光感應器中可 © 使用的光圈之兩個具體實施例。 【主要元件符號說明】 1 光感應器 10 波長選擇光感測器 11 、 12 、 13 波長選擇光感測器 20 透鏡 21 光學軸 30 光圈 40 環直徑 50 環寬度 100 光感應器 110 波長選擇光感測器/波長相依 光感測器 111 、 112 、 113 子陣列 120 透鏡 139160.doc 200946882 130 200 210 211 、 212 、 213 220 230 光圈 光感應器 波長選擇光感測器 子陣列 透鏡 光圈

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Claims (1)

1. 200946882 七、申請專利範圍： L 一種光感應器（1)，其包含： i少一波長選擇光感測器（1 〇)，其用於感測落至該感 應器上的一預定義波長範圍内之光， 一透鏡（20)，其用於將該光投影至該光感測器上， 一光圈（30) ’其用於界定該感應器之視場，該光感應 器特徵在於 该透鏡（20)具有一第一及第二聚焦平面，以及 該光感測器（10)及該光圈（30)係分別配置於該第一及 第一聚焦平面内。 2. 如D月求項1之光感應器（1)，其中該光圈（30)係配置以可 控制大小、形狀或位置。 3. 如吻求項2之光感應器（1)，其中該光圈（3〇)包含一電光 光調變器。 4. 5. 如μ求項3之光感應器（1)，其中該電光光調變器包含一 液晶單元、一電濕潤單元或一電泳單元。 如叫求項2之光感應器（丨），其中該光圈（3〇)係配置成環 形。 6·如請求項5之光感應器〇)，其中該光圈（3〇)係配置以包 含一編碼環形光圈。 7如請求項2之光感應器（1)，其中該波長選擇光感測器 (10)包含一干涉濾光器或法布立_拍若標準具。 8.如請求項2之光感應器（1)，其中該透鏡（2〇)具有一光學 軸（21)並且該光圈（30)之位置係配置以可在垂直於該光 139160.doc 200946882 學軸（21)之一平面内控制，從而允許掃描落至該光残應 器（1)上之該光的光譜。 9. 一種用以量測光之方法，其包含以下步驟： 提供至少一波長選擇光感測器（10)，其用於感測一預 定義波長範圍内之光， 提供一透鏡（20)，其用於將該光投影至該光感測器 (10)上，以及 提供一光圈（30)，其用於界定該光感測器之視場，該 方法特徵在於 以一遠心組態定位該光感測器（1〇)、該透鏡（2〇)及該 光圈（30)。 10·如請求項9之用以量測光之方法，其進一步包含在垂直 於該透鏡（20)之該光學轴（21)的一平面内調整該光圈（30) 之形狀、大小或位置以允許掃描落至該感應器（1)上之該 光的光譜之步驟。 139160.doc