CN102483353B - 利用非发散元件的高光谱分辨率颜色传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种光传感器（1），其包括：滤波器设置（11），所述滤波器设置（11）包括多个用于对入射光（L）进行滤波的光谱滤波器（F1,F2,…,Fn），其中光谱滤波器（F1,F2,…,Fn）被实现为令入射光（L）的不同分量通过；用于准入入射光（L）的一部分的孔径设置（12）；以及被实现来收集所准入的经过滤波的光（L’）的传感器设置（13），所述传感器设置（13）包括用于生成图像相关信号（S,S1,S2,…,Sn）的传感器元件（130）的阵列，所述传感器阵列被细分成多个区段（R1,R2,…,Rn），其中所述传感器阵列的区段（R1,R2,…,Rn）被分配给相应的光谱滤波器（F1,F2,…,Fn），从而使得由特定区段（R1,R2,…,Rn）的传感器元件（130）生成的图像相关信号（S）包括关于由相应的光谱滤波器（F1,F2,…,Fn）通过的光的发源方向和/或光谱构成的信息。本发明还描述了一种光传感器设备（10），其用于确定所述光传感器设备（10）处入射的光（L）的发源方向和/或光谱构成，本发明还涉及一种确定入射光（L）的发源方向和/或光谱构成的方法。
Description
技术领域
本发明描述了用于确定入射光的发源方向和/或光谱构成的光传感器和光传感器设备。本发明还描述了收集入射光的方法以及确定入射光的发源方向和/或光谱构成的方法。
背景技术
在许多照明***中，例如在其中应当获得均匀照明效果的办公室环境或者任何受照室内空间中，对于光强度和光颜色的精确控制将是合乎期望的，而不管是否某些区段具有附加的自然光（例如窗户区域）而同时其他区段仅由人工光照射。对于使用诸如生成实质上为白色光的白炽灯、卤素灯或荧光灯之类的白色光源的现有技术照明***来说，所述控制受限于检测环境中的过亮或过暗区段并且调节相应的光源。在房间或环境中的光的分布被称作光的“角度分布”。
对于使用包括例如被组合来产生白色光的不同颜色光源的发光器的更为先进的照明***来说，所述控制更加复杂，这是因为红色、蓝色和绿色成分当中的每一个都会影响光的总体色点或色温。因此，房间内的光可能具有不均匀的“光谱分布”，其中方间的不同部分由不同色温的光照射。
为了控制照明设置，已经基于发散元件的使用在分析这种光谱和角度光分布方面做了一些尝试，所述发散元件比如有充当带通滤波器的棱镜或光栅。在这里，通过测量在其角度跨距上的光透射来获得光谱分布。这通常是通过以下方式实现的：连续调节包括这种发散元件的传感器的几何配置，并且随后将所述光透射投影到光电二极管或光电倍增器上。为了对利用现有技术的光源进行光谱表征，必须把发散传感器安装在关于光源的固定已知位置处，并且必须把受光角限制到较窄的锥形，以便获得对应于各个单独的滤波器的明确定义的透射光谱。但是，为了获得对于房间或环境中的光的角度分布的准确印象，必须在较宽角度内收集光。利用当前的方法，将必须在房间周围分布大量传感器以便获得对于该房间内的光的光谱构成和空间分布的精确的确定。显而易见的是，这样的解决方案将极为昂贵且复杂，这是因为将必须对所有传感器的输出进行比较及分析，以便生成针对房间内的（多个）光源的适当控制信号。
因此，本发明的一个目的是提供一种精确地确定光的光谱构成和空间分布的直接明了并且经济的方式。
发明内容
本发明的目的是通过根据权利要求1的光传感器、根据权利要求8的光传感器设备、根据权利要求11的收集入射光的方法以及根据权利要求12的确定入射光的发源方向和/或光谱构成的方法而实现的。
根据本发明的光传感器包括滤波器设置，所述滤波器设置包括多个用于对入射光进行滤波的光谱滤波器，其中每一个光谱滤波器被实现为令入射光的不同分量通过。所述光传感器还包括用于准入入射光的一部分的孔径设置以及被实现来收集所准入的经过滤波的光的传感器设置，所述传感器设置包括用于生成图像相关信号的传感器元件的阵列（或“传感器阵列”），并且所述传感器阵列被细分成多个区段，其中传感器阵列的区段被分配给相应的光谱滤波器，从而使得由特定区段的传感器元件生成的图像相关信号包括关于由相应的光谱滤波器通过的光的发源方向和/或光谱构成的信息。
在下文中将把术语“光的不同分量”或“特定光波长”解释为特定光波长范围，其可能相对较窄或者相对较宽，这取决于滤波器特性。所述滤波器设置的光谱滤波器优选地被选择成令各个波长带的光通过。举例来说，一个滤波器可以令波长从400nm到440nm的光通过；另一个可以令波长从440nm到480nm的光通过，后面依次类推。如果使用截止滤波器，即短通或长通滤波器，则所述波长范围分别从零扩展到滤波器的截止波长，或者从滤波器的截止波长扩展到无限大。为了简单起见，在下文中每当提到由滤波器设置的滤波器通过的光的“波长”时应当被理解成意味着相关的波长带。此外，光谱滤波器应当被理解成任何与角度相关或与角度无关的滤波器，例如有色玻璃之类的彩色滤波器、光滤波器、二色滤波器等等，其被实现为令特定波长或波长范围通过，正如下面将要更加详细地描述的那样。
有利的是，根据本发明的光传感器允许利用单个滤波器/传感器设置同时进行光谱分析和角度分析。根据本发明的光传感器中的传感器设置可以是单个传感器芯片，正如下面将要更加详细地解释的那样。这种简便性与现有技术传感器不同，现有技术传感器需要几个传感器，并因此需要关于（多个）光源有策略地设置几个传感器芯片。在根据本发明的光传感器中，使用不同的光谱滤波器来选择性地令入射光根据其波长而通过到所述单个传感器阵列的不同区段上。由于来自任何或所有方向的入射光根据波长由此被各个光谱滤波器单独成像在传感器的不同位置处，因此根据本发明的单个光传感器的光谱分辨率与现有技术光传感器的光谱分辨率相比非常有利。由于根据本发明的光传感器可以既给出关于传入光的光颜色又给出关于传入光的发源方向的信息，因此可以获得房间或其他环境内的光分布的准确“画面”。
因为其构造简单，并且由于不像现有技术传感器那样需要机械或电子旋转或平移机制来获得不同入射角度下的测量以便在操作期间“调谐”光传感器，因此根据本发明的光传感器的制造成本与现有技术传感器相比有利地较低。
相应地，根据本发明的收集入射光的方法包括以下步骤：通过滤波器设置对入射光进行滤波，所述滤波器设置包括多个用于对入射光进行滤波的光谱滤波器，其中光谱滤波器被实现为令入射光的不同分量通过；以及通过孔径设置准入滤波器设置处入射的光。所述方法还包括在传感器设置处收集所准入的经过滤波的光的步骤，所述传感器设置包括用于生成图像相关信号的传感器元件阵列，所述传感器阵列被细分成多个区段，并且其中传感器阵列的区段被分配给相应的光谱滤波器，从而使得由特定区段的传感器元件生成的图像相关信号包括关于由相应的光谱滤波器通过的光的发源方向和/或光谱构成的信息。
根据本发明的光传感器设备用于确定所述光传感器设备处入射的光的发源方向和/或光谱构成，其包括：这样的光传感器，其响应于由所述光传感器收集的所准入的经过滤波的光生成图像相关信号；以及分析单元，其用于分析所述图像相关信号以便确定所述光传感器设备处入射的光的发源方向和/或光谱构成。
根据本发明的确定入射光的发源方向和/或光谱构成的相应方法包括以下步骤：利用前面的方法在光传感器中收集光，以便响应于由所述光传感器收集的所准入的经过滤波的光生成图像相关信号；以及分析所述图像相关信号，以便确定所述光传感器设备处入射的光的发源方向和/或光谱构成。
从属权利要求和后面的描述特别公开了本发明的有利实施例和特征。
由光传感器测量的传入光可能源自许多光源和/或源自自然光，例如从窗户进入的光。光传感器可以位于房间、走廊或建筑物的任何部分内，但是也可以位于室外的地点。为了简单起见，光传感器的位置在下文中可以被取作“在房间内”，但是这并非以任何方式限制本发明。
为了获得传入光的有利图像，在本发明的一个特别优选的实施例中，光传感器被实现为使得孔径设置的孔径位于滤波器设置的光谱滤波器与传感器设置的相应区段之间。术语“孔径”应当按照其最广泛的含义来解释，即包括准入到达滤波器的部分光的开口。所述开口可以（但不必需）是在其他地方不透明的层当中的“孔洞”。举例来说，孔径可以由在其他地方透明的层当中的不透明区段给出，所述透明层被放置成使得通过滤波器的传入光在传感器阵列的相应区段上投下“阴影”。如果所述孔径是不透明层中的简单孔洞，则其充当某种针孔摄影机以便获得光的角度分布的（颠倒）图像。所述孔径还用来改进在传感器阵列处获得的图像的质量，这是通过减少任何彗差或模糊以便给出更加锐利的图像而实现的。由于所述滤波器设置优选地包括被设置在传感器阵列上方的多个光谱滤波器，因此所述孔径设置也优选地包括相应的多个孔径，以便准入通过每一个光谱滤波器的光的一部分。在根据本发明的光传感器的一种可能的实现方式中，于是将光谱滤波器的阵列放置在相应的孔径阵列之上，从而在传感器阵列的相应区段中收集所得到的传入光的图像阵列。传感器阵列上的每一个“图像”由一个不同的光谱滤波器产生，并因此与特定的角度和光谱信息相关联。滤波器、孔径、透镜和传感器阵列被“组装”的顺序可以取决于将对之使用所述光传感器的应用。举例来说，在特定情况中可能希望具有其中孔径处于滤波器阵列“上方”的光传感器设备。
根据本发明的光传感器，其中滤波器设置的位置与传感器阵列相距一定距离，并且其中滤波器设置的每一个滤波器对应于传感器阵列的一个区段，每一个区段包括多个传感器元件，所述光传感器不应与诸如Bayer滤波器之类的“彩色滤波器阵列”混淆，所述彩色滤波器阵列的特征在于一种不同的构造（即放置在传感器阵列的每一个像素之上的单个小型滤波器）并且用于完全不同的目的。
前面描述的孔径设置在相当有利地准入传入光的同时，可以与传感器阵列上的所准入的经过滤波的光的“扩散”相关联。因此，在本发明的另一个优选实施例中，为了改进光传感器的光收集性能，所述光传感器优选地包括透镜设置以用于把所准入的经过滤波的光聚焦到传感器设置的区段上。这样的透镜设置的一个实例可以是微透镜阵列，并且可以被放置在孔径设置的上方或下方，这取决于其实现方式。可以获得多种不同类型的微透镜，比如可以具有一个平面表面和一个球形凸表面的微透镜。另一种类型的微透镜可以具有非球形表面。另一种类型可以包括具有不同折射率的各个平坦光学材料层，以便按照所期望的方式折射传入光。微透镜的尺寸可以是从几微米到大约一毫米的任何尺寸。优选地，微透镜阵列简单地包括作为单个结构制造的微透镜的重复设置。
光谱滤波器的一个实例是“光滤波器”，即减少通过其中的光或特定波长的光的透明滤波器，比如吸收滤波器。另一个实例是二色滤波器，其根据干涉原理操作以便选择性地令较小颜色范围的光通过，同时反射其他颜色，从而实际上充当对于入射光的带通滤波器。这样的光谱滤波器在下文中可以被称作与角度相关的滤波器，这是因为光根据其波长以及根据其入射角度而被滤波器通过。在二色滤波器中，在通常是玻璃的基板上施加交替的光学涂料层，以便选择性地“增强”光的特定波长并且与其他波长发生“干扰”。通过适当地选择各层的厚度和数目，可以按照期望使得由滤波器通过的光的频带较宽或较窄。本领域技术人员将认识到，这样的滤波器在每一个入射角度下具有独特的光谱响应，也就是说，对于传入光的每一个入射角度，透射是从表面法向角度情况下的长波长透射到对应于不断增大的入射角度的较短波长透射变化的明确定义的窄洛伦兹分布。换句话说，当从正上方击中滤波器时，偏向光谱的“红色”末端的光的通过性强，而当与光谱滤波器成一定倾斜角度到达时，偏向光谱的“蓝色”末端的光的通过性强。这有时被称作滤波器响应的“蓝移”。根据本发明的光传感器的一个实施例包括滤波器设置，其中各个光谱滤波器包括与角度相关的滤波器。本领域技术人员将认识到，透射峰值将取决于滤波器处入射的光的颜色、光的入射角度以及当然还有滤波器的光谱属性。因此，对于由传感器阵列的各个区段给出的信号的分析优选地将这些因素纳入考虑。
通过把不同的光谱滤波器组合在滤波器设置中，可以分析传入光的基本上整个波长光谱。举例来说，可以使用具有由10-100个或更多光谱滤波器构成的阵列的滤波器设置，其中各个光谱滤波器被选择成在从400nm到800nm的波长范围内的光谱峰值位置具有递增的步长。一个光谱滤波器可能仅令400nm-440nm范围内的光通过，另一个可能仅令从大约440nm-470nm的光通过，后面依次类推，从而基本上覆盖可见光谱的波长。所述滤波器设置可以只包括与角度无关的滤波器、只包括与角度相关的滤波器或者包括两种类型的组合。还可以使用长通滤波器或短通滤波器。还可以层叠各个滤波器，例如将长通滤波器与短通滤波器相组合以便给出带通滤波器。还可以结合对于通过具有邻近截止波长的一对滤波器的光的差分检测使用具有不同截止波长的短通滤波器或长通滤波器的集合。这一点例如可以借助于测量通过两个邻近滤波器的对应光强度并且将所测得的信号相减而实现。显而易见的是，通过使用具有更窄带通区段的更多光谱滤波器将给出关于传入光的光谱和角度分布的更加准确的“画面”。当使用与角度相关的滤波器时，可以使用在传感器阵列的相应区段处获得的角度信息来导出传入光的光谱属性。在与角度无关的滤波器的情况下，可以彼此独立地考虑在传感器阵列的相应区段处获得的光谱和角度信息。可以通过使用具有陡峭边沿的吸收滤波器来减小滤波器的角度相关性。
实际的传感器阵列或“图像传感器”可以包括任何适当的光电传感器以作为传感器元件。举例来说，可以使用电荷耦合器件。由于近年来半导体光电传感器的发展，可以获得基于有源像素传感器（APS）技术的精确且经济的CMOS设备，其中图像的每一个“像素”或传感器元件包括光电传感器和有源放大器。因此优选的是，根据本发明的光传感器中的传感器设置包括由有源像素传感器构成的传感器阵列。这样的APS传感器阵列是利用CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺制造的，并且还常常被简单地称作CMOS传感器。阵列中的每一个有源像素生成与该像素处的传入光的强度直接相关的信号值。于是与光谱滤波器相组合，APS图像传感器的像素可以给出输出信号，所述输出信号提供关于该特定光谱分量的强度以及关于传入光的入射角度的信息。
传感器阵列的各个区段可以被分配给相应的光谱滤波器，这取决于图像传感器的规格。举例来说，1.3兆像素CMOS传感器（1280x1024像素）可以实际上被划分成对应于每一个光谱滤波器的包括51x51像素（2601个像素）的各个区段。当然也可以使用其他传感器阵列几何结构，比如具有24个通道或区段的“狭窄”1280x51阵列，其中每一个通道或区段的尺寸为51x51像素。取决于各个光谱滤波器的空间设置，不管其是正方形还是矩形，诸如图像传感器的外部边沿或各个区段之间的“条带”之类的一些区段可以保持实际上不被使用或者是冗余的。还可以基于应用来选择图像传感器。举例来说，包括硅的图像传感器对190nm到1100nm之间的光波长敏感。锗传感器元件会对从400nm到1700nm的波长做出响应。砷化镓铟传感器对于800nm到2600nm之间的波长敏感，而硫化铅传感器元件则对从大约1000nm到3500nm的波长做出响应。由于光谱滤波器由其将传入光偏向较长波长移动来表征，因此在红外区段（较长波长）内响应良好的材料可以更好地检测传入光的“红色”水平。
因此，在根据本发明的光传感器中，与光谱滤波器相关联的一个区段内的每一个像素与特定光波长和/或特定入射角度相关联。考虑到光通过孔径并且可能由微透镜聚焦，显而易见的是，到达所述区段的特定像素处的光与特定波长和特定入射角度相关联。因此，到达所述滤波器设置的各个光谱滤波器处的一个房间内的光将在传感器阵列的每一个区段上得到不同的“图像”。因此，根据本发明的光传感器的分析单元优选地还包括用于存储参考值集合的存储器，其中每一个参考值与传感器设置的传感器元件或像素相关联。如果在所述滤波器设置中使用了与角度相关的滤波器，则对应于传感器阵列的区段的每一个传感器元件的参考值优选地被计算成考虑到相应滤波器的与角度相关的光谱属性，以及每一个像素或传感器元件关于该滤波器的中心的相对位置。随后可以把由各个区段的传感器元件所生成的像素值或光构成值与相应的参考值进行比较。为此，所述光传感器设备优选地还包括比较器，以用于把由有源像素传感器生成的光构成值与相应的参考值进行比较。如果图像传感器是单色的，则所述参考值可以包括简单的最小强度阈值。低于该阈值的数值对应于相应的波长和入射角度下的“弱”光强度，其例如可以被忽略。在RGB图像传感器的情况下，可以对于每一个像素存储对应于光的红色、蓝色和绿色分量的不同参考值。对于图像传感器（不管是单色还是RGB）的选择可以在所使用的光谱滤波器类型以及所期望的硬件/软件复杂度水平的基础上来做出。为了使用比较器结果，所述光传感器设备于是优选地包括控制信号发生器，其基于与入射光的构成有关的光构成值生成用于光源的控制信号，以便调节所述光源的颜色和/或强度。举例来说，传感器阵列的特定区段可能表明来自房间的特定部分的光过凉并且强度不足。在这种情况下，可以为相应的发光器生成适当的控制信号，以便在房间的该区域内生成更暖、更亮的光。
根据本发明的照明设置包括多个用于生成光的光源以及光传感器设备，所述光传感器设备用于确定入射在所述光传感器设备处的源自所述光源的传入光（并且可能还有日光）的发源方向和/或光谱构成，并且相应地生成用于至少其中一个光源的控制信号。所述照明设置还包括控制接口，其用于向相应的光源施加控制信号。所述控制接口可以是有线的或无线的（例如Bluetooth®或Zigbee接口），并且可以利用适当的协议生成及传送控制信号。所述照明设置的每一个光源优选地包括适当的接收器，以用于接收及应用控制信号。
最好可以利用一个实例来对此进行解释，比如一个房间，其具有窗户区、走廊区以及具有分布在所述房间内的多个光源的照明设置。所述光传感器连同其光谱滤波器阵列被定位在所述房间内的某处，其获得光分布的“图像”集合。由于通过分析这些图像可以容易地确定光的角度和光谱分布，因此正如下面将参照附图更加详细地解释的那样，可以通过生成适当的控制信号来补偿任何不令人满意的光质量。举例来说，如果观察到对应于窗户区域的图像相对较亮（发黄的日光），同时观察到对应于走廊区域的图像过凉（发蓝的人工光），则可以由所述光传感器设备为房间内的各个光源生成控制信号，以便改动光强度或色点，从而补偿任何“不均匀性”。可替换地，可以产生并保持特定的“光氛围”，例如对于特定区域的特定颜色的照明。可以不时地实施这种类型的闭环反馈分析，从而在一天当中执行对于光质量的平滑适配。经过优化的光控制导致能量消耗的有利减少。
通过下面结合附图考虑的详细描述，本发明的其他目的和特征将变得显而易见。但是应当理解的是，附图的设计目的仅仅是为了说明而不是限制本发明。
附图说明
图1示出了在通过二色光谱滤波器进行滤波之前和之后的光的光谱分布的曲线图；
图2示出了对应于通过二色光谱滤波器进行了滤波的光的透射峰值的更加详细的呈现；
图3示出了根据本发明的光传感器的传感器设置的区段的简化呈现，并且示出了与不同光波长相关联的各个角度区段；
图4示出了根据本发明的一个实施例的光传感器的滤波器设置和传感器设置；
图5示出了根据本发明的光传感器的一个实施例中的传感器设置的孔径、微透镜阵列和区段；
图6示出了到达图5的设置的光束路径；
图7a示出了根据本发明的一个实施例的光传感器中的光谱滤波器和传感器设置的简化呈现，其中光束与光谱滤波器成一定倾斜角度到达；
图7b示出了根据本发明的一个实施例的光传感器中的光谱滤波器和传感器设置的简化呈现，其中光束从光谱滤波器正上方到达；
图8通过根据本发明的光传感器的一个实施例示出了侧视图；
图9示出了用于控制多个光源的根据本发明的一个实施例的光传感器设备的方框图。
在附图中，相同的附图标记始终指代相同的对象。附图中的各个对象不必需是按比例绘制的。
具体实施方式
图1示出了通过二色或与角度相关的光谱滤波器10进行滤波之前和之后的光的光谱分布的曲线图。图中的上半部分中的曲线图示出了光的基本上均匀的光谱分布，也就是说所述光包括多个不同的波长分量。当光与光谱滤波器成一定倾斜角度到达时，只有偏向光谱的蓝端的光被通过，并且其他波长被反射。这一点由图中左侧的滤波器10示出。从上方（即对于滤波器的表面法向）到达的光被滤波成使得主要具有红色波长的光被通过，而其他波长则被反射。图中的下半部分示出了所得到的透射峰值，并且示出了具有对应于“蓝色”波长（虚线）的较低最大值和对应于“红色”波长（点线）的高最大值的洛伦兹分布。
图2示出了对应于由二色光谱滤波器进行滤波的光的透射峰值的更加详细的呈现。Y轴代表以百分比计的透射T，并且X轴代表以纳米计的波长λ。在这里，对于在表面法向（即对于滤波器成0°）到达的光的更长波长获得最强峰值。对于逐渐增大的入射角度观察到相继更低的峰值，即15°（发红）、30°（绿色）和45°（蓝色），从而表现出二色光谱滤波器的偏移属性。
图3示出了根据本发明的光传感器的传感器设置的区段30的简化呈现，其具有与不同光波长相关联的角度区段31、32。在这里，二色滤波器被用作光谱滤波器，正如前面借助于图1和2所解释的那样。每一个正方形代表一个传感器元件130或像素130，其可以被实现为有源像素传感器（APS）。（单个孔径或孔径/透镜组合下方的）区段30的各个像素上的径向模式与图2中所描述的不同光谱线有关。内环31对应于具有较长波长的光，而外环32则对应于具有较短波长的光。环31、32内的像素可以记录相应波长下的传入光强度，并且区段30的每一个像素可以与特定波长相关联。转角中的像素可以保持实际上不被使用。
图4示出了根据本发明的一个实施例的光传感器1的滤波器设置11和传感器设置13。为了清楚起见，图中没有示出孔径设置和微透镜阵列，但是其可以被显现为位于传感器设置13与滤波器设置11之间。这一非常简化的图示仅仅表明了像素设置。在实际情况中将使用大得多的像素阵列，例如1.3兆像素COMS传感器。这将允许近似50个光谱滤波器F1,F2,…,Fn以用于将光成像到传感器的51x51个像素阵列区段上。在1.3兆像素CMOS传感器的情况下，所述图像传感器的规格可以包括大约6.6x5.32mm。图中所示的每一个二色滤波器F1,F2,…,Fn的尺寸大约是1mm2。每一个滤波器F1,F2,…,Fn又与一个区段或像素阵列相关联，例如51x51像素的阵列。对于1.3兆像素CMOS传感器来说，这对于传感器阵列的每一个区段给出了大约0.255mmx0.255mm的面积。
图5示出了根据本发明的光传感器的一个实施例中的孔径设置12的孔径120、微透镜阵列14和传感器设置的区段R1。该图示出了孔径设置12与图像传感器13之间的微透镜阵列14的各个微透镜的优选设置。在这里，孔径120被显示为矩形开口，但是当然可以具有任何其他适当的形状，比如圆形开口或者沿着孔径设置12的长度的缝隙。为了清楚起见，在图中没有示出与该区段R1相关联的滤波器设置的光谱滤波器。实际上，对于传感器阵列的一个区段R1仅仅使用一个微透镜，但是更容易把各个微透镜制造成“整体的”。在图中仅仅示出了与一个区段R1相关联的孔径设置12的该部分，但是这基本上是重复的，从而使得图像传感器的每一个区段具有其自身的孔径以及其自身的光谱滤波器。
图6示出了图4的设置的另一个视图，以及在由相关联的光谱滤波器（未在图中示出）进行了滤波之后到达所述孔径的光L的光束60的路径。如图中清楚地示出的那样，光的光束60由所述孔径/透镜组合聚焦，从而激励区段R1的相应节段61中的各个像素。只有这些像素将响应于光的传入光束60而生成适当的信号，并且因此包括诸如对应于该光的光束60的光强度和波长的光构成信息。该图还示出，在定位于与一个滤波器相对应的传感器区段之上的微透镜当中，只有一个透镜被用于对光进行聚焦，而该区段之上的其他透镜则是冗余的。这一点对于所述光传感器的所有其他区段/滤波器当然都适用，并且在这里出于说明的目的仅仅示出了一种这样的组合。
为了更好地理解根据本发明的光传感器1的运作，图7a和7b示出了光谱滤波器F1和传感器设置的相应区段R1的简化呈现。在这里，光谱滤波器F1、F2可以是没有角度相关性的简单光滤波器。为了清楚起见，在图中没有示出孔径也没有示出微透镜，但是假设其存在，正如对于所准入的经过滤波的光L’的光束的聚焦所表明的那样。在图7a中，光L的光束与光谱滤波器F1成一定倾斜角度α到达。取决于光谱滤波器F1的属性，只有特定波长的光才被滤波器F1通过，从而到达传感器阵列的该区段R1的区域71内的像素，其他波长则简单地被反射。在知晓滤波器F1的属性的情况下，可以分析所得到的信号S1，以便推断出关于传入光的光谱信息。在知晓区域71关于区段R1的中心70的位置的情况下，所述信号S1产生关于传入光的角度信息。举例来说，该光谱滤波器F1把关于该波长的光存在的信息贡献到在一定角度α下到达光传感器的光的特定强度。所述滤波器设置中的每一个光谱滤波器都贡献这样的信息。举例来说，图7b示出了另一个光谱滤波器F2，其仅令第二波长的光通过。在这里，基本上从表面法向到达（入射角度实际上=0°）的该波长的光被通过，从而到达区段71。同样地，所得到的信号S2产生关于到达滤波器F2的光L的光谱和角度信息。如果将使用二色光谱滤波器，则将根据各个滤波器的角度相关性来解释所得到的信号。所述入射角度与光L关于光传感器1的发源直接相关，并且可以从传感器阵列上的“图像”的位置导出。在分析单元2中相应地分析由传感器元件生成的信号S1、S2。如果替换地将使用与角度相关的滤波器，则可以使用由传感器元件提供的角度信息来导出关于传入光L的光谱信息。来自光传感器的滤波器设置中的所有光谱滤波器的组合信息给出关于房间内的光的角度和光谱分布的总体“画面”。
图8通过根据本发明的光传感器1的一个实施例示出了非常简单的侧视图，并且示出了其中光谱滤波器F1被放置在具有孔径120的孔径设置12上方的一种设置，孔径120又位于微透镜140上方。到达光谱滤波器F1的光L的一部分由孔径120准入并且由微透镜140聚焦。如图所示在一定倾斜角度下到达的光由孔径120收集并且由透镜140聚焦。所准入的经过滤波的光L’击中CMOS传感器13的相应区段R1的一些像素（由影线表示），所述像素与区段R1的中心相距一定距离。传感器13包括有源像素传感器130的阵列，其中每一个有源像素传感器可以响应于传入光生成信号。每一个有源像素传感器130的信号被组合以给出对应于该区段R1的信号S1并且被转发到分析单元，正如借助于图9将解释的那样。
图9示出了根据本发明的一个实施例的光传感器设备10的照明设置的方框图，其用于控制多个光源P1、P2、P3。在这里，光传感器设备10包括光传感器1和分析单元2。分析单元2可以是任何适当的数字处理单元（DPU）2。由与光谱滤波器F1,F2,…,Fn相关联的传感器阵列的各个区段的传感器元件生成的信号S1,S2,…,Sn被传递到分析单元2的比较器21，其中把各个单独的像素值与获取自存储器20的参考值200进行比较，以便导出对应于传入光的光构成值210。如果光谱滤波器F1,F2,…,Fn是短通或长通滤波器的话，比较器210还可以被配置成提供差分检测。这可以通过把与具有邻近截止波长的一对光谱滤波器F1,F2,…,Fn相关联的传感器元件生成的一对信号S1,S2,…,Sn相减而实现。对信号S1,S2,…,Sn的分析可以表明，来自光源P1、P2、P3的传入光具有一定的光谱和角度分布，例如对应于光源P1的过亮区段，对应于光源P2的过于发红的区段，以及对应于光源P3的过于发绿的区段。随后可以在控制信号发生器22中生成控制信号C1、C2、C3以便适当地控制光源P1、P2、P3。在该例中，控制信号C1可以用来对光源P1进行调光，控制信号C2可以用来减小由光源P2生成的光的红色分量，并且控制信号C3可以用来减小由光源P3生成的光的绿色分量。借助于通信接口23、24将所述信号转发到各个光源，所述通信接口包括光传感器设备10中的发送器23以及对应于每一个光源P1、P2、P3的接收器24。
可以连续地或者以预定间隔实施对信号的分析，例如按照适当情况每10分钟或者每半小时实施分析。例如还可以根据通过窗户进来的任何自然光的亮度来动态地适配所述间隔。所述照明设置例如可以被安装在商店橱窗中，其中对产品进行人工照射以便产生特定的彩色效果、“光氛围”或阴影效果，即使在日光或阳光改变外部照射时也是如此。在分析信号S1,S2,…,Sn时可以考虑到预定义的照明参数，以便例如尽可能自然地照射商店橱窗中的对象或产品。当把照明设置安装在办公室环境中时，在其中应当优选地模仿日光而不管外部天气状况或日间时的情况，可以定义光的所期望的特定光谱特性，并且可以在一天当中连续地调节光源的强度和色温。
为了清楚起见，应当理解的是，在本申请中使用的“一”或“一个”不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。除非另行声明，否则“单元”或“模块”可以包括多个单元或模块。
Claims (13)
1.一种光传感器（1），其包括：
滤波器设置（11），所述滤波器设置（11）包括多个用于对入射光（L）进行滤波的光谱滤波器（F1,F2,…,Fn），其中每一个光谱滤波器（F1,F2,…,Fn）被实现为令入射光（L）的不同分量通过；
包括多个孔径的孔径设置（12），用于准入入射光（L）的一部分；
被实现来收集所准入的经过滤波的光（L’）的传感器设置（13），所述传感器设置（13）包括用于生成图像相关信号（S,S1,S2,…,Sn）的传感器元件（130）的阵列，并且所述传感器阵列被细分成多个区段（R1,R2,…,Rn），其中所述传感器阵列的每一个区段（R1,R2,…,Rn）包括多个传感器元件并且被分配给所述多个孔径中的孔径和所述多个滤波器中的相应的光谱滤波器（F1,F2,…,Fn），从而使得由特定区段（R1,R2,…,Rn）的传感器元件（130）生成的图像相关信号（S）包括关于由相应的光谱滤波器（F1,F2,…,Fn）通过的光的发源方向和/或光谱构成的信息，
其中，孔径设置（12）的孔径（120）位于滤波器设置（11）的光谱滤波器（F1,F2,…,Fn）与传感器设置（13）的相应区段（R1,R2,…,Rn）之间。
2.根据权利要求1的光传感器（1），其包括透镜设置（14）以用于把所准入的经过滤波的光（L’）聚焦到传感器设置（13）的区段（R1,R2,…,Rn）上。
3.根据权利要求2的光传感器（1），其中，滤波器设置（11）包括由至少30个滤波器（F1,F2,…,Fn）构成的阵列，并且所述传感器元件（130）的阵列被细分成相应数目的区段（R1,R2,…,Rn），从而使得每一个区段（R1,R2,…,Rn）对应于特定的滤波器（F1,F2,…,Fn），并且其中每一个滤波器（F1,F2,…,Fn）被分配给孔径设置（12）的特定孔径（120）和透镜设置（14）的特定透镜（140）。
4.根据权利要求1的光传感器（1），其中，滤波器设置（11）的滤波器（F1,F2,…,Fn）包括与角度相关的滤波器（F1,F2,…,Fn）。
5.根据权利要求1的光传感器（1），其中，滤波器设置（11）的滤波器（F1,F2,…,Fn）包括与角度无关的滤波器（F1,F2,…,Fn）。
6.根据权利要求1的光传感器（1），其中，传感器设置（13）包括有源像素传感器（130）的阵列。
7.一种光传感器设备（10），其用于确定所述光传感器设备（10）处入射的光（L）的发源方向和/或光谱构成，其包括：
根据权利要求1到6当中的任一条的光传感器（1），其响应于由光传感器（1）收集的所准入的经过滤波的光（L’）生成图像相关信号（S,S1,S2,…,Sn）；
分析单元（2），其用于分析所述图像相关信号（S1,S2,…,Sn）以便确定光传感器设备（10）处入射的光（L）的发源方向和/或光谱构成。
8.根据权利要求7的光传感器设备（10），其中，传感器设置（13）的每一个传感器元件（130）与特定光波长和特定入射角度相关联，并且所述分析单元（2）包括：
用于存储参考值（200）的集合的存储器（20），其中每一个参考值（200）与传感器设置（13）的传感器元件（130）相关联；以及
比较器（21），其用于把由传感器设置（13）的传感器元件（130）生成的信号（S）与相应的参考值（200）进行比较，以便导出对应于该波长和/或入射角度的光构成值（210）。
9.根据权利要求7或8的光传感器设备（10），其包括控制信号发生器（22），所述控制信号发生器（22）基于与入射光（L）的构成有关的光构成值（210）生成用于光源（P1，P2，P3）的控制信号（C1，C2，C3），以便调节光源（P1，P2，P3）的颜色和/或强度。
10.
根据权利要求7或8的光传感器设备（10），其中所述滤波器设置被放置在与传感器阵列相距一定距离处。
11.一种照明设置（90），其包括：
用于生成光（L）的多个光源（P1，P2，P3）；
根据权利要求7-10当中的任一条的光传感器设备（10），其用于确定所述光传感器设备（10）的光传感器（1）处入射的光（L）的发源方向和/或光谱构成，并且相应地生成用于至少其中一个光源（P1，P2，P3）的控制信号（C1，C2，C3）；以及
用于向相应的光源（P1，P2，P3）施加控制信号（C1，C2，C3）的通信接口（23,24）。
12.一种收集入射光（L）的方法，所述方法包括以下步骤：
通过滤波器设置（11）对入射光（L）进行滤波，所述滤波器设置（11）包括多个用于对入射光（L）进行滤波的光谱滤波器（F1,F2,…,Fn），其中每一个光谱滤波器（F1,F2,…,Fn）被实现为令入射光（L）的不同分量通过；
通过包括多个孔径的孔径设置（12）准入入射光（L）的一部分；
在传感器设置（13）处收集所准入的经过滤波的光（L’），所述传感器设置（13）包括用于生成图像相关信号（S,S1,S2,…,Sn）的传感器元件（130）的阵列，所述传感器阵列（13）被细分成多个区段（R1,R2,…,Rn），并且其中所述传感器阵列（13）的每一个区段（R1,R2,…,Rn）包括多个传感器元件并且被分配给所述多个孔径中的孔径和所述多个滤波器中的相应的光谱滤波器（F1,F2,…,Fn），从而使得由特定区段（R1,R2,…,Rn）的传感器元件（130）生成的图像相关信号（S）包括关于由相应的光谱滤波器（F1,F2,…,Fn）通过的光的发源方向和/或光谱构成的信息，
其中，孔径设置（12）的孔径（120）位于滤波器设置（11）的光谱滤波器（F1,F2,…,Fn）与传感器设置（13）的相应区段（R1,R2,…,Rn）之间。
13.一种确定入射光（L）的发源方向和/或光谱构成的方法，所述方法包括以下步骤：
在光传感器（1）中收集光（L），以便响应于由光传感器（1）利用根据权利要求12的方法收集的所准入的经过滤波的光（L’）生成图像相关信号（S,S1,S2,…,Sn）；以及
分析所述图像相关信号（S1,S2,…,Sn），以便确定光传感器设备（10）处入射的光（L）的发源方向和/或光谱构成。
14. 根据权利要求12或13的方法，其中，在该处收集所准入的经过滤波的光的所述传感器设置的传感器元件的阵列被放置在与所述滤波器设置相距一定距离处。
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