CN102575959B - 用于检测接收光光谱成分的可调谐光谱检测设备 - Google Patents

用于检测接收光光谱成分的可调谐光谱检测设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于检测接收光的光谱成分的光谱检测设备(100)，其中该光谱检测设备(100)包括布置为过滤接收光并输出具有在预定波长范围内的波长的光的滤光结构(110)；和布置为检测由滤光结构(110)输出的光的光传感器(120)，其中滤光结构(110)是可变的以允许所述预定波长范围随着时间而变化。该布置使得可以以低成本提供紧凑的光谱检测设备。

Description

用于检测接收光光谱成分的可调谐光谱检测设备
技术领域
本发明涉及用于检测接收光的光谱成分的光谱检测设备。
背景技术
当今诸如分光计的光谱检测设备日益被用于光管理应用，例如，用于测量光的色点和显色指数来确定由数个发光体产生的氛围和/或监测由特定发光体发射的光。
使用分光计进行光管理应用的一个典型的例子是环境智能照明***，其允许用户灵活地确定通过房间内的数个发光体创建的氛围。为了达到期望的氛围，环境智能***通过测量单独发光体的亮度、色点和显色指数的控制反馈***来测量并控制每个单独的发光体的发光特性。
而且，分光计还可以用于监测其中白光通过发光二极管(LED)产生、例如由红、绿和蓝(RGB)LED(或更多和/或不同颜色LED)产生的现代发光体中的光颜色。这里，光颜色监测是重要的，因为如果从每个单独LED发出的光被适当的与来自其他LED的光组合，则来自该LED的混合光仅产生白光。
WO2008/012715公开了一种集成图像识别和光谱检测设备，包括用于识别图像和运动的图像传感器阵列，和用于检测覆盖图像传感器阵列的光敏表面的至少一部分的接收光的光谱成分的法布里-珀罗谐振器结构。为了能测量接收光的多光谱成分，法布里-珀罗谐振器结构被分割为棋盘状结构，其中每个部分具有不同的厚度以提供不同的光谱成分。而且，这样的布置使得由图像传感器阵列中的不同传感器检测每个光谱成分。在工作时，图像传感器阵列持续检测入射光中包含的光谱成分并将相应信号传送到控制装置。为了达到期望的色点，该控制装置然后可以基于检测的光谱成分和颜色设置控制算法而分别对LED调整电流。
然而，虽然WO2008/012715中公开的光谱检测设备可以令人满意地测量接收光的光谱成分，但沉积紧挨在一起的多层干涉滤光器阵列是昂贵的。因此可能期望提供一种低成本的替代的光谱检测设备，其不需要很多(昂贵的)沉积和光刻步骤。还期望具有与现有技术相比更紧凑的设备。在WO2008/012715中为了测量光谱成分使用具有窄光谱带的很多滤光器。为了实现对于检测100勒克斯量级光等级来说足够敏感的设备，像素区域不能减小到非常小的区域，从而限制了该设备的尺寸减小的选择。因此，似乎需要一种替代的光谱检测设备。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种替代的用于检测接收光的光谱成分的光谱检测设备。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于检测接收光的光谱成分的光谱检测设备，其中光谱检测设备包括布置为过滤接收光并输出具有预定波长范围内的波长的光的滤光结构；和布置为检测由滤光结构输出的光的光传感器，其中该滤光结构是可变的以允许预定波长范围随着时间而变化。
本发明基于这样的理解，通过由光谱检测设备随着时间变化改变光输出的波长，可以在单个位置检测到接收光的不同光谱成分(每次一个)。本发明的光谱检测设备优点在于其不需要在不同的位置(并行)检测不同的光谱成分，因而使更紧凑的光谱检测设备成为可能。而且，因为同一个光传感器可以用于(依次地)检测不同光谱成分，所以可以减少由光谱检测设备使用的光传感器的数量，因而减少成本。另外本发明相比现有技术进一步减少成本，因为其不需要昂贵的紧挨在一起的多层干涉滤光器阵列的沉积。
可以通过对滤光结构施加外部激励来调整预定波长范围，其中外部激励选自电场、温度或机械力的组。这使得能够进行对由滤光结构输出的波长的容易且可靠的控制。
通常可选择预定波长范围用于计算光的光谱和或预计光源的色点和/或色温。因此，预定波长范围可以具有在20nm到200nm之间的宽度、或更优选地具有从20nm到50nm的范围中的宽度以获得高分辨率。例如，预定波长范围可以是450-495nm以检测蓝光(即45nm宽度)，495-570nm以检测绿光(即75nm宽度)，或620-750nm以检测红光(即130nm宽度)。
滤光结构可以适于透射具有位于预定波长范围内的波长的光(而阻挡具有在预定波长范围之外的波长的光)。因为透射滤光结构可以简单地放置在光传感器的顶部，所以其可以容易地安装在光谱检测设备中并使紧凑布置成为可能。
根据一个替代实施方式，该滤光结构可以适于反射具有位于预定波长范围内的波长的光(而透射具有在预定波长范围之外的波长的光)。一个优点是反射滤光结构在原理上可以通过使用简单的可切换光子带隙滤光器来实施。
根据一个实施方式，该滤光结构可以包括可切换光子带隙滤光器。该可切换光子带隙滤光器的使用的优点是其使得能够容易且可靠地变化由滤光结构输出的波长。
光谱检测设备还可以包括布置为将由滤光结构接收的光的入射角限制为预定入射角的角度选择元件。该入射角通常可以具有关联的角度接受范围，从而光从θ-α到θ+α的范围中的方向被接受，其中θ是入射角。而且，α可以优选是小于5°、更优选地小于2°、而最优选地小于1°。这样可以对特定入射角测量光的光谱属性。通过这种方式有可能定位来自特定光源的光并交互地调整其属性。
根据一个实施方式，该角度选择元件可以是可变的以允许入射角度的变化。这样允许作为入射角的函数测量光的光谱属性。也有可能顺序地定位从不同光源发出的光。
根据另一个实施方式，该角度选择元件可以包括多个区域，其中每个区域适于接受具有不同入射角的光。通过这种方式，可以在不需要移动角度选择元件的情况下测量来自不同方向的光的光谱属性。
该光谱检测设备还可以包括散射体。该散射体可以布置为随机重新导向由光谱检测设备接收的光。诸如可切换光子带隙滤光器之类的滤光结构可以具有角度依赖，即以不同角度入射滤光结构的光导致滤光结构的不同的光谱响应。这可以通过布置散射体从而光在到达角度选择元件之前经过散射体来克服。通过该布置，一部分散射光被透射经过角度选择装置并以特定角度入射滤光结构。通过这种方式，没有作为滤光器的角度依赖的结果的不同的光谱响应，即滤光结构变得不依赖于角度。
而且，根据本发明的光谱检测设备可以有利地被包括在照明设备中，该照明设备还包括多个不同颜色的发光设备；适于处理从光谱检测设备中获得的多个光谱成分的控制单元，其中该控制单元还适于基于被检测的光谱成分控制所述多个发光设备以实现预定发光效果，诸如特定色点和/或色温。
而且，根据本发明的光谱检测设备可以有利地被包括在用于控制多个发光体(或光源)的照明控制***中，其中该***还包括适于处理从光谱检测设备获得的多个光谱成分的控制单元，其中控制单元还适于基于被检测的光谱成分控制多个发光体(或光源)以实现预定的光照效果，诸如特定色点和/或色温。
当学习所附权利要求书和以下描述时，本发明的更多特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员了解在不偏离本发明范围的情况下，可以组合本发明的不同特征以创造不同于以下描述的那些实施方式。
附图说明
从以下具体实施方式和附图中将可以容易地理解本发明的各方面，包括其具体特征和优点，其中：
图1示意性地示出了根据本发明的一实施方式的光谱检测设备；
图2a至图2c示意性地示出了如何通过在彼此顶部堆叠两个光子带隙滤光器来实现透射滤光结构；和
图3示意性地示出了包括光谱检测设备的照明控制***；
图4示意性地示出了确定接收光的光谱组成的流程图；
图5a至图5e示意性地示出了角度选择元件的各种实施方式；
图6示意性地示出了包括散射体的光谱检测设备的一个实施方式；
图7示意性地示出了具有反射滤光结构的光谱检测设备的一个实施方式；
图8示意性地示出了如何通过施加电压来移动可切换光子带隙滤光器的反射带；
图9示意性地示出了像素化光谱检测设备；
图10示意性地示出了包括在照明设备中的光谱检测设备。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更完整的描述本发明，附图中示出了本发明的当前优选实施方式。然而，本发明可以以很多不同的形式体现且不应被解释为限制于这里提出的实施方式；相反，为了完全和完整而提供这些实施方式，并且这些实施方式向本领域技术人员完整地传达本发明的范围。相似的参考特征始终指代相似的元件。
现在参考附图特别是图1，描述了根据本发明的一个实施方式的光谱检测设备100。该光谱检测设备100包括光传感器120和布置在光传感器120和光谱检测设备的光入口115之间的滤光结构110。这里通过在光传感器120的顶部布置滤光结构110来实现这一点。该光传感器(或光电传感器)可以例如是光二极管、光电阻器、光伏电池、光电倍增管、雪崩光电二极管或电荷耦合器件。该滤光结构110适于过滤由光谱检测设备接收的光101并输出具有位于预定波长范围内的波长的光102。由滤光结构输出的该光102然后可以被光传感器120检测。诸如微处理器的控制单元130可以被连接到滤光结构110用于控制由滤光结构输出的光的预定波长范围。控制单元130可以被包括在光谱检测设备100中或可以是外部设备。
这里滤光结构110是适于透射具有位于预定波长范围内的波长的光的透射滤光器。该透射滤光器可以由两个位于彼此顶部的可切换光子带隙滤光器110a、110b制成。可切换光子带隙滤光器的一个例子是金属聚合物凝胶和和胶体光子晶体的混合材料。这种材料的更详细描述可以在Ozin，G.A.，Asrenault，A.C.，2008，″P-Ink andElast-ink From Lab to Market″，Materials Today，Volume 11，Issues 7-8，Pages 44-51找到，该文在此通过引用被合并。
每个可切换光子带隙滤光器110a、110b具有反射带，即光被反射的波长范围。可以通过对可切换光子带隙滤光器施加诸如电场的外部激励，来改变反射带的位置。这可以通过对可切换光子带隙滤光器施加电压来实现。或者，可以通过加热滤光器(例如通过使用对光子带隙滤光器的电介质加热或电阻加热)或通过机械力(例如通过对光子带隙滤光器施加压力)来改变光子带隙滤光器的位置。
图2a至图2c中示意性的说明了滤光结构110的原理。这里，第一可切换光子带隙滤光器110a反射如图2a中所示的具有范围λ1到λ2(例如380-495nm，对应于紫靛蓝和蓝)中的波长的光，而具有在该范围之外的波长的光被透射。类似地，第二可切换光子带隙滤光器110b反射如图2b中所示的具有范围λ3到λ4(例如570-750nm，对应于黄，橙和红)中的波长的光，而具有在该范围之外的波长的光被透射。因此滤光结构110透射如图2c中所示的具有范围λ2到λ3(例如495-570nm，对应于绿光)中的波长的光，而具有在该范围之外的波长的光被阻挡。值得注意的是这里假定(虽然没有示出)也存在阻挡具有比λ1更短的和比λ4更长的波长的光的滤光器。通过改变可切换光子带隙滤光器110a、110b的反射带，滤光结构110的透射带的波长范围可以跨过可见光谱逐渐移动，从而通过滤光结构输出各种色彩。
图3示意性地说明了其中光谱检测设备100被包括在布置为控制多个发光体302a-302b的照明控制***300中的实施方式。包括在照明控制***中的控制单元130被连接到光谱检测设备100以控制由滤光结构110输出的光的预定波长范围。该控制单元130还被连接到光谱检测设备中的光传感器以从光传感器获得测量信号，并被连接到发光体302a、302b用于由发光体输出的光的控制。
在工作中，光谱检测设备100从发光体302a、302b接收光。然后，如图4中流程图示意性说明的那样，可以通过顺序检测接收光的不同光谱成分来确定接收光的光谱组成。
在步骤401中，控制单元130控制可切换光子带隙滤光器110a、110b，从而由滤光结构110输出接收光的第一光谱成分。该第一光谱成分例如可以是具有对应于蓝光(即450至495nm)波长的光。在步骤402中由光传感器检测接收光的第一光谱成分，且测量信号被传输到控制单元130。然后重复步骤401和402直到所有相关光谱成分已被检测。例如，可以重复该过程以检测绿光和红光。基于检测的光谱成分，控制单元130然后可以在步骤403中根据本领域公知技术确定接收光的色点和色温，并在步骤404中调整发光体402a-b的照明以达到期望的光照效果。
图5a示意性地说明了其中该光谱检测设备还包括角度选择元件500的实施方式，该角度选择元件500布置为将由滤光结构110接收的光的入射角限制至预定入射角θ。这里该角度选择元件500是具有圆柱形孔504的光吸收板502(诸如吸收白光的阳极化铝)，该圆柱形孔504具有布置在方向θ上的轴线。该角度选择元件500从在范围θ-α至θ+α内的方向接受光。也就是说角度接收范围是2α，其中孔的直径Ф与板厚度t的纵横比确定角度范围2α，即α＝arctan(Ф/2t)。优选地α小于5°，更优选地小于2°，而最优选地小于1°。在本实施方式中例示了单个孔的使用。然而对于小的接受角，这意味着孔必须位于厚板中。为了避免使用厚板，有可能使用钻在薄得多的板上的多个具有更小直径的孔。
而且，为了选择来自不同角度的光，可以旋转板502(或整个光谱检测设备)。例如板可以放置在座上，该座可以绕两个不同轴旋转，从而使得可以在所有方位角调整角度θ，通过这种方式使得可以选择自来不同方向的光。通过测量具有特定入射角的光可以检测来自特定光源的光。
图5b示意性地说明了可变角度选择元件的代替实施方式。这里该角度选择元件500包括两个薄板502a、502b，其中每个板具有孔506a、506b。板间隔距离d。通过相对彼此(在其平面中)移动板可以改变入射角。例如，在所例示的例子中，上板502a可以移动到左边，而下板502b可以移动到右边以逆时针倾斜入射角。而且，可以通过改变板之间的距离d来改变角度范围2α。
而且，如图5c所说明的，角度选择元件可以被分为两个(或更多)区域500a、500b以同时接受具有不同入射角θ1、θ2的光。这使得可以同时从不止一个方向检测光。这可以通过光吸收板502实现，其中每个区域500a、500b具有圆柱形孔504a、504b，所述圆柱形孔504a、504b具有方向θ1、θ2上的轴线。通过具有与每个孔504a、504b关联的光传感器120a、120b，有可能分别检测不同方向θ1、θ2的光。
而且，如图5d中说明的实施方式所示范的那样，角度选择元件可以包括布置在相同方向上的多个圆柱孔(即圆柱孔的轴线是平行的)以增加由光传感器从该方向接收的光的量(与具有更大孔的更厚板相比，因而直径与厚度的纵横比被保持)。这里，第一对孔504a、504b透射来自第一方向的光，第二对孔504c、504d透射来自第二方向的光，而第三对孔504e、504f透射来自第三方向的光。也有可能包括对应于每个圆柱孔的更多光传感器，因而提高光谱检测设备的可靠性。
图5e示意性地说明了用于测量来自一个特定方向的光的又一实施方式。这里角度选择元件是围绕滤光结构布置的管形结构510。
图6示意性地说明了其中光谱检测设备100还包括散射体600的实施方式，该散射体600布置在角度选择元件500顶部，从而由光谱检测设备接收的光在到达角度选择元件之前经过散射体600。该散射体600随机重新导向由光谱检测设备从所有方向接收的光。散射光的一部分然后透射经过角度选择元件500并以特定角度θ入射滤光结构110。通过这种方式可以平均来自不同角度的光，使得该设备不依赖于角度。
图7示意性地说明了其中滤光结构110是适于反射具有位于预定波长范围内的波长的光的反射滤光器的替换实施方式。该滤光结构110这里是通过单个可切换光子带隙滤光器来实现的，其中预定波长范围与可切换光子带隙滤光器的反射带重合。如图7所说明的，布置可切换光子带隙滤光器110从而入射光101的反射102成分被导向光传感器120。因此，随着光101被光谱检测设备100接收，在预定波长范围内的光被反射向光传感器120，而具有预定波长之外的波长的光透射经过可切换光子带隙滤光器110。而且，该预定波长范围，并且因而由滤光结构110输出的光102的波长，可以通过在可切换光子带隙滤光器上施加诸如电压之类的外部激励而改变反射滤光器的反射带的位置来调整。例如，如图8所说明的，可切换光子带隙滤光器在没有电压或低电压V0(如0V)施加在可切换光子带隙滤光器上时可以反射蓝光，在电压增加到V1(如1V)时反射绿光，而在电压进一步增加到V2(如2V)时反射红光。
图9a示意性地说明了具有像素化滤光结构110的光谱检测设备的实施方式。该像素化滤光结构包括布置在第一层中的第一900a和第二900b可切换光子带隙滤光器。而且，第三900c和第四900d可切换光子带隙滤光器布置在第二层中，其中第一层堆叠在第二层上。
通过该布置，像素化滤光结构被分为四个区域901-904，其中落在第一区域901上的光经过第一可切换光子带隙滤光器900a并然后经过第三可切换光子带隙滤光器900c；落在第二区域902上的光经过第二可切换光子带隙滤光器900b并然后经过第四可切换光子带隙滤光器900d；落在第三区域903上的光经过第一可切换光子带隙滤光器900a并然后经过第四可切换光子带隙滤光器900d；而落在第四区域904上的光经过第二可切换光子带隙滤光器900b并然后经过第三可切换光子带隙滤光器900c。
通过改变可切换光子带隙层的反射带，可以调整用于第一901、第二902、第三903、和第四904区域的预定波长范围。通过在每个区域901-904之下布置光传感器911-914，光谱检测设备可以并行检测多个光谱成分。而且，如本领域技术人员所认识到的，其他类型的像素化滤光结构也可以实现。例如，像素化滤光结构可以通过组合更多可切换光子带隙滤光器来包括更多区域。因为每个区域可以被设计为覆盖更小的波长光谱(与非像素化设备相比)，可以实现提高的精确度和增加的速度。
图10示意性地说明了其中光谱检测设备100被包括在诸如改造LED灯(retrofit LED lamp)之类的照明设备1000中的实施方式。该照明设备1000还包括诸如不同颜色的发光二极管(LED)之类的多个发光设备1002a-1002b和控制单元(未示出)。该控制单元被连接到光谱检测设备100以控制由滤光结构输出的光的预定波长范围。控制单元还被连接到光谱检测设备中的光传感器以从光传感器获得测量信号，并被连接到发光设备1002a-1002b用于控制通过照明设备进行的光输出。在工作中，光谱检测设备可以从LED 1002a-1002b和/或从周边环境接收光并通过一个与图4有关而描述的过程类似的过程来检测接收光的光谱成分。控制单元130然后可以确定接收光的色点和色温，并调整到LED 402a-402b的LED电流以实现预期的光照效果。
虽然参考具体示范性实施方式描述了本发明，但对本领域技术人员来说很多不同的变更、修改等将变得显而易见。本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，从附图、公开内容和所附权利要求书的学习中，可以理解并实现对公开的实施方式的变化。例如，透射滤光结构可以包括多于两个可切换光子带隙层。还有可能将可切换光子带隙层与非可切换反射器组合以获得透射滤光结构。该光谱检测设备也可以包括多光传感器和/或多滤光结构以并行测量不同光谱成分。而且，本发明不限制为可见范围内的光，而是还可以应用于UV或IR光谱波长范围。
而且，在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，而不定冠词“一”不排除多个。

Claims (12)

1.一种用于检测接收光的光谱成分的光谱检测设备(100)，其中所述光谱检测设备(100)包括：
布置为过滤所述接收光(101)并输出具有在预定波长范围内的波长的光(102)的滤光结构(110)；和
布置为检测由所述滤光结构(110)输出的光(102)的光传感器(120)，
其特征在于所述滤光结构(110)是可变的以允许所述预定波长范围随着时间而变化；
其中所述光谱检测设备(100)还包括布置为将由所述滤光结构(110)接收的光的入射角限制为预定入射角的角度选择元件(500)。
2.根据权利要求1所述的光谱检测设备，其中通过对所述滤光结构(110)施加外部激励来调整所述预定波长范围，其中所述外部激励选自电场、温度或机械力的组。
3.根据权利要求1或2所述的光谱检测设备，其中所述预定波长范围具有在20nm和200nm之间的宽度。
4.根据权利要求1或2所述的光谱检测设备，其中所述滤光结构(110)适于透射具有位于所述预定波长范围内的波长的光。
5.根据权利要求1或2所述的光谱检测设备，其中所述滤光结构(110)适于反射具有位于所述预定波长范围内的波长的光。
6.根据权利要求1所述的光谱检测设备，其中所述滤光结构(110)包括可切换光子带隙滤光器。
7.根据权利要求6所述的光谱检测设备，其中所述角度选择元件(500)是可变的以允许所述入射角的变化。
8.根据权利要求6或7所述的光谱检测设备，其中所述角度选择元件(500)包括多个区域(500a，500b)，其中每个区域(500a，500b)适于接受具有不同入射角的光。
9.根据权利要求1或2所述的光谱检测设备，还包括散射体(600)。
10.根据权利要求1或2所述的光谱检测设备，其中所述预定波长范围具有在20nm和50nm之间的宽度。
11.一种照明设备(1000)，包括：
多个不同颜色的发光设备(1002a，1002b)；
根据任一前述权利要求所述的光谱检测设备(100)；
适于处理从所述光谱检测设备(100)获得的多个光谱成分的控制单元(130)，其中所述控制单元(130)还适于基于被检测的光谱成分控制所述多个发光设备(1002a，1002b)以实现预定的光照效果。
12.一种用于控制多个发光体(302a，302b)的照明控制***(300)，所述***包括：
用于检测从所述发光体(302a，302b)接收的光的光谱成分的根据权利要求1至10中的任一项所述的光谱检测设备(100)；
适于处理从所述光谱检测设备(100)获得的光谱成分的控制单元(130)，其中所述控制单元(130)还适于基于被检测的光谱成分控制所述发光体(302a，302b)以实现预定的光照效果。
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