DE112020002614T5

DE112020002614T5 - Spektrale Rekonstruktion mit mehrkanaligen Farbsensoren

Info

Publication number: DE112020002614T5
Application number: DE112020002614.0T
Authority: DE
Inventors: Gunter Siess; Desislava OPPEL
Original assignee: Ams Sensors Germany GmbH
Current assignee: Ams Sensors Germany GmbH
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2020-05-15
Publication date: 2022-02-17
Also published as: TW202104857A; CN113874689A; US20220221341A1; WO2020239481A1

Abstract

Eine Photodetektorvorrichtung enthält: eine Vielzahl von Lichtdetektorelementen; und eine Vielzahl von Filtern, wobei jeder Filter der Vielzahl von Filtern vor einer Lichterfassungsfläche eines entsprechenden Lichtdetektorelements angeordnet ist, um auf die Lichterfassungsfläche einfallendes Licht zu filtern, und wobei die Vielzahl von Filtern so konfiguriert ist, dass sie jeweils mindestens zwei verschiedene Wellenlängenbänder des einfallenden Lichts filtern, des einfallenden Lichts zu filtern, und bei dem die mindestens zwei Wellenlängenbänder kombiniert werden, um einen vordefinierten Wellenlängenbereich zu überspannen, und bei dem jedes Filter der Vielzahl von Filtern eine entsprechende spektrale Empfindlichkeit aufweist, und bei dem eine Summe der spektralen Empfindlichkeitskurven der Vielzahl von Filtern über den vordefinierten Wellenlängenbereich ein konstanter Wert ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf die spektrale Rekonstruktion mit Mehrkanal-Farbsensoren.
HINTERGRUND
Die Farbmessung von Proben erfolgt durch Beleuchtung der Probe und Messung der reflektierten Spektralanteile. Die Farbe der Probe ist also eine Funktion der Beleuchtung, und eine einzelne Probe kann bei verschiedenen Beleuchtungsspektren unterschiedliche Farbeindrücke (z. B. Farbkoordinaten) erzeugen. Darüber hinaus können in einigen Fällen auch spektral unterschiedliche Proben unter einer Beleuchtung gleich aussehen, wie bei der Metamerie. Um bei der Farbmessung spektrale Eigenschaften zu erhalten, kann eine Probe gemessen werden, und aus der Kenntnis des Beleuchtungsspektrums und des gemessenen Spektrums kann die tatsächliche spektrale Eigenschaft der Probe rekonstruiert und das Farbspektrum (z. B. Farbkoordinaten) unter einem beliebigen Beleuchtungsspektrum bestimmt werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die spektrale Rekonstruktion mit mehrkanaligen Farbsensoren, bei der die spektrale Reaktion der verschiedenen Kanalsensoren so vorgegeben ist, dass schmalbandige Spektralanteile energetisch proportional erfasst werden.
Im Allgemeinen kann der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung in einigen Aspekten in einer Photodetektorvorrichtung verkörpert sein, die Folgendes umfasst: mindestens zwei Lichtdetektorelemente, wie z.B. mindestens drei Lichtdetektorelemente; und mindestens zwei Filter, wie mindestens drei Filter, wobei jeder Filter der mindestens zwei oder mindestens drei Filter vor einer Lichterfassungsfläche eines entsprechenden Lichtdetektorelements angeordnet ist, um auf die Lichterfassungsfläche einfallendes Licht zu filtern, und wobei die mindestens zwei oder die mindestens drei Filter so konfiguriert sind, dass sie mindestens zwei bzw. mindestens drei verschiedene Wellenlängenbänder des einfallenden Lichts filtern, des einfallenden Lichts zu filtern, und bei dem die mindestens zwei oder mindestens drei verschiedenen Wellenlängenbänder kombiniert werden, um einen vordefinierten Wellenlängenbereich zu überspannen, und bei dem jedes Filter der mindestens zwei oder mindestens drei Filter eine entsprechende spektrale Empfindlichkeit aufweist, und bei dem eine Summe der spektralen Empfindlichkeitskurven der mindestens zwei oder der mindestens drei Filter über den vordefinierten Wellenlängenbereich ein konstanter Wert ist.
Der Photodetektor kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen. In einigen Implementierungen wird beispielsweise jede der in der Summe verwendeten spektralen Empfindlichkeitskurven auf einen vordefinierten Wert normiert.
In einigen Ausführungsformen besteht die konstante Summe über einen ersten Wellenlängenbereich, der kleiner als der vordefinierte Wellenlängenbereich ist und in diesem liegt, aus der Summe der spektralen Empfindlichkeitskurve eines ersten Filters und der spektralen Empfindlichkeitskurve eines zweiten Filters.
In einigen Ausführungsformen hat eine spektrale Empfindlichkeitskurve von mindestens einem Filter der mindestens drei Filter eine Form, die durch eine Kosinusfunktion dargestellt wird.
In einigen Implementierungen hat die spektrale Empfindlichkeitskurve mindestens eines Filters die Form einer Dreiecksfunktion.
In einigen Ausführungsformen hat die spektrale Empfindlichkeit mindestens eines Filters die Form einer Trapezfunktion.
In einigen Ausführungsformen enthält die spektrale Empfindlichkeitskurve des Filters für jedes Filter der mindestens drei Filter einen entsprechenden Spitzenwert und einen entsprechenden FWHM-Wert (Full Width Half Maximum), wobei der FWHM-Wert eines ersten Filters größer ist als der Abstand zwischen dem Spitzenwert des ersten Filters und dem Spitzenwert eines zweiten Filters.
In einigen Implementierungen ist die Form der spektralen Empfindlichkeitskurve für jeden Filter identisch.
In einigen Ausführungsformen ist die Form der spektralen Empfindlichkeitskurve eines ersten Filters anders als die Form der spektralen Empfindlichkeitskurve eines zweiten Filters.
In einigen Ausführungsformen ist die Form der spektralen Empfindlichkeitskurve eines ersten Filters ein Spiegelbild der Form der spektralen Empfindlichkeitskurve eines zweiten Filters.
In einigen Ausführungsformen umfasst der vordefinierte Wellenlängenbereich eine Wellenlänge zwischen etwa 380 nm und etwa 780 nm.
In einigen Ausführungsformen enthält die spektrale Empfindlichkeitskurve des Filters für jeden Filter einen entsprechenden Spitzenwert und einen entsprechenden FWHM-Wert (Full Width Half Maximum), und der FWHM-Wert eines ersten Filters ist größer als oder gleich 25 nm.
In einigen Ausführungsformen sind die mindestens zwei oder drei Filter in einem Line-Array enthalten.
In einigen Ausführungsformen sind die mindestens zwei oder die mindestens drei Filter in einer zweidimensionalen Anordnung enthalten. In einigen Ausführungsformen sind die mindestens drei Filter in einem kreisförmigen Muster angeordnet, z. B. in einem symmetrischen kreisförmigen Muster.
In einigen Ausführungsformen ist jeder Filter ein Bandpassfilter, der so konfiguriert ist, dass er Licht über sein jeweiliges Wellenlängenband des einfallenden Lichts durchlässt.
In einigen Ausführungsformen ist jeder Filter ein Absorptionsfilter, der so konfiguriert ist, dass er Licht in seinem jeweiligen Wellenlängenband des einfallenden Lichts absorbiert.
In einigen Ausführungen umfasst jeder Filter einen Interferenzfilter oder einen plasmonischen Filter.
Implementierungen des vorliegenden Themas bieten verschiedene Vorteile. So ist in einigen Implementierungen die Empfindlichkeitsfunktion von mehrkanaligen Spektralsensoren so ausgelegt, dass Zielspektren energetisch proportional in die Sensorkanäle eintreten und energetische Signalverluste durch schmalbandige Spektren begrenzt werden. In einigen Implementierungen können inhomogene Spektren der Beleuchtung (z. B. von einer weißen LED) bei Reflexionsmessungen ausgeglichen werden.
Die Einzelheiten einer oder mehrerer Ausführungsformen sind in den beigefügten Zeichnungen und der nachstehenden Beschreibung dargelegt. Weitere Merkmale und Vorteile werden aus der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen ersichtlich.
Figurenliste

ist ein Schema, das ein Beispiel für eine Photodetektorvorrichtung mit mehreren Detektorelementen und mehreren Filtern auf einem Substrat zeigt.
ist ein Diagramm einer beispielhaften spektralen Reaktion einer Photodetektorvorrichtung, bei der die Filter so konfiguriert wurden, dass die Summe der spektralen Empfindlichkeitskurven über einen vordefinierten Wellenlängenbereich konstant ist.
Die bis zeigen beispielhafte spektrale Antworten von Photodetektorvorrichtungen, bei denen die Filter so konfiguriert sind, dass die Summe der spektralen Empfindlichkeitskurven über einen vordefinierten Wellenlängenbereich konstant ist, und bei denen die Formen der spektralen Empfindlichkeitskurven dreieckig oder trapezförmig sind.
ist ein Diagramm einer beispielhaften spektralen Antwort einer Photodetektorvorrichtung, bei der die optischen Filter so konfiguriert sind, dass eine Summe der spektralen Empfindlichkeitskurven über einen vordefinierten Wellenlängenbereich konstant ist, und bei der die Formen der spektralen Empfindlichkeitskurven für mindestens zwei optische Filter unterschiedlich sind.
ist ein Diagramm einer beispielhaften spektralen Antwort einer Photodetektorvorrichtung und ein Diagramm der spektralen Empfindlichkeitskurve von Silizium über einen vordefinierten Wellenlängenbereich.
ist ein Diagramm einer beispielhaften spektralen Antwort einer Photodetektorvorrichtung, skaliert mit der spektralen Empfindlichkeitskurve von Silizium über einen vordefinierten Wellenlängenbereich.
ist ein Diagramm, das die spektralen Empfindlichkeitskurven einer Photodetektorvorrichtung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Um die Messanforderungen an ein Spektrometer zu vereinfachen, wurden Spektrometersysteme mit einer reduzierten Anzahl von Messkanälen (z. B. Photodetektorelemente mit zugehörigen Filterstrukturen mit unterschiedlichen Transmissionsspektralverläufen) entwickelt, so dass kleinere und kostengünstigere Spektrometer realisiert werden können. Die von den verschiedenen Kanälen des Spektrometers aufgezeichneten Messungen werden verwendet, um das Gesamtspektrum des einfallenden Lichts zu rekonstruieren. Jeder Kanal des Spektrometers liefert einen so genannten „Stützpunkt“ für das rekonstruierte Spektrum. Im Allgemeinen hängt die erreichbare Auflösung und damit die Qualität eines Spektralrekonstruktionsverfahrens zum Teil von der Empfindlichkeitsfunktion des Spektrometers und dem Abtastbereich des Spektrometers ab (z. B. von der Anzahl und Verteilung der Stützpunkte). Enthält das einfallende Spektrum ein oder mehrere relativ steile Merkmale (z. B. eine hohe Leistungskomponente innerhalb eines relativ schmalen Wellenlängenbandes), können solche steilen Merkmale möglicherweise nicht rekonstruiert werden, insbesondere wenn nur wenige Stützpunkte vorhanden sind. Im Gegensatz dazu ist die Wahrscheinlichkeit, dass die steilen Merkmale des einfallenden Spektrums rekonstruiert werden können, umso größer, je größer die Anzahl der Stützpunkte ist (z. B. je mehr Spektrometerkanäle verschiedene Wellenlängenbänder abdecken).
ist eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Photodetektorvorrichtung 100, z.B. einer multispektralen Sensorvorrichtung wie einer Spektrometervorrichtung, die mehrere Detektorelemente 104 und mehrere optische Filter 106 auf einem Substrat 102 gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst. Insbesondere umfasst die Photodetektorvorrichtung 100 mindestens drei Lichtdetektorelemente 104 und mindestens drei optische Filter 106, wobei jedes optische Filter 106 der mindestens drei optischen Filter vor einer Lichterfassungsfläche eines entsprechenden Lichtdetektorelements 104 angeordnet ist. Die Lichtdetektorelemente 104 können z. B. ein Fotodetektorelement wie eine Fotodiode (z. B. eine Siliziumfotodiode) umfassen. Die Lichtdetektorelemente 104 können in oder auf dem Substrat 102 ausgebildet sein. Die optischen Filter 106 sind so konfiguriert, dass sie einfallendes Licht filtern, so dass nur ein Teil der einfallenden Wellenlängen von dem darunter liegenden Lichtdetektorelement 104 erfasst wird.
Zu den optischen Filtern 106 können z. B. Bandpassfilter gehören, die so konfiguriert sind, dass sie einfallendes Licht über verschiedene jeweilige Wellenlängenbänder des einfallenden Lichts durchlassen, während sie Licht mit Wellenlängen außerhalb des jeweiligen Wellenlängenbandes blockieren, absorbieren oder reflektieren. Im Falle von Bandpassfiltern kann der Durchlassbereich jedes Filters 106 ein Wellenlängenband abdecken, das sich von dem jedes anderen Filters 106 in der Vorrichtung 100 unterscheidet. In einigen Ausführungsformen kann ein Wellenlängenband als das Halbwertsbreitenmaximum der spektralen Reaktion des Filters definiert sein. Alternativ kann das Wellenlängenband als der Wellenlängenbereich definiert werden, in dem die spektrale Reaktion des Filters größer ist als ein minimaler Empfindlichkeitswert. Beispielsweise kann das Wellenlängenband eines oder mehrerer der Filter 106 als der Bereich von Wellenlängen definiert werden, in dem die spektrale Empfindlichkeit des Filters größer als etwa 0,2, größer als etwa 0,3, größer als etwa 0,4, größer als etwa 0,5, größer als etwa 0,6, größer als etwa 0,7 oder größer als etwa 0,8 ist.
Da das Transmissionswellenlängenband für verschiedene Filter unterschiedlich sein kann, kann es in einigen Ausführungsformen vorteilhaft sein, mindestens drei Lichtdetektorelemente 104 und mindestens drei entsprechende Filter 106 in der Vorrichtung 100 zu verwenden. Zum Beispiel können mindestens drei verschiedene Filter eine Farberkennung über mindestens drei verschiedene Farbkoordinaten ermöglichen (z.B. für das rote, blaue und grüne Farbmodell). Eine multispektrale Sensorvorrichtung kann jedoch auch eine andere Anzahl von Filter-Lichtdetektor-Paaren (d. h. eine Kombination aus einem Filter und einem darunter liegenden Lichtdetektor) enthalten. So kann eine multispektrale Sensorvorrichtung beispielsweise 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 oder 50 Filter-Licht-Detektor-Paare umfassen.
In einigen Ausführungsformen umfassen die Filter 106 Absorptionsfilter, die so konfiguriert sind, dass sie einfallendes Licht in verschiedenen jeweiligen Wellenlängenbereichen des einfallenden Lichts absorbieren, während sie Licht außerhalb der Wellenlängenbereiche zum Lichtdetektorelement 104, das sich unter dem Filter 106 befindet, durchlassen.
Die Filter 106 können z. B. Interferenzfilter oder plasmonische Filter sein. Die Interferenzfilter können mehrere dünne Materialschichten, wie z. B. dielektrische Dünnschichten, mit abwechselnden Brechungsindizes umfassen. Beispielsweise können die Filter 106 aus Stapeln dielektrischer Dünnschichten mit abwechselnd niedrigem und hohem Brechungsindex bestehen. Die Anzahl der Schichten im Interferenzfilter kann variieren. So kann die Anzahl der dielektrischen Dünnschichten in einem Interferenzfilter beispielsweise 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder mehr dielektrische Dünnschichten umfassen. Als Material für die dielektrischen Dünnschichten können z. B. SiO₂, TiO₂, Ta₂O₅, Nb2O₅, Si₂N₄ und andere verwendet werden. Die Dicke und Position der Schichten innerhalb jedes Stapels (z. B. ob die dielektrische Dünnschicht eine unterste Schicht, eine oberste Schicht oder eine Zwischenschicht ist) kann von der Konstruktion des Filterstapels und den gewünschten Transmissionsspektren des Filters 106 abhängen. Jeder Filter 106 der Vorrichtung 100 kann daher anders aufgebaut sein als die anderen Filter 106 der Vorrichtung 100. In einigen Fällen können die Interferenzfilter Interferenzfilter auf Polymerbasis sein. In einigen Ausführungsformen können die Interferenzfilter Fabry-Perot-Interferenzfilter sein.
Die Lichtdetektoren 104 und die Filter 106 sind in in einer eindimensionalen Linienanordnung dargestellt. Die Detektoren 104 und die entsprechenden Filter 106 können jedoch auch in einem zweidimensionalen Array angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen sind die Detektoren 104 und die Filter 106 in einem kreisförmigen Muster angeordnet, z. B. in einem symmetrischen kreisförmigen Muster, in dem die Detektoren 104 und Filter 106 gleichmäßig von benachbarten Detektor-Filter-Paaren beabstandet sind.
Jedem Filter-Detektor-Paar in der Multispektralsensorvorrichtung 100 ist eine entsprechende spektrale Empfindlichkeit zugeordnet. Die spektrale Empfindlichkeit ist die relative Effizienz, mit der Licht durch den Filter 106 übertragen und vom Detektor als Funktion der Frequenz oder Wellenlänge des einfallenden Signals erfasst wird. In einigen Ausführungsformen umfasst die spektrale Empfindlichkeit jedes optischen Filters 106 einen entsprechenden Spitzenwert und einen entsprechenden FWHM-Wert (full-width half maximum). Die FWHM eines oder mehrerer der Filter 106 kann größer oder gleich 25 nm, größer oder gleich 30 nm, größer oder gleich 35 nm, größer oder gleich 40 nm, größer oder gleich 45 nm, größer oder gleich 50 nm, größer oder gleich 60 nm, größer oder gleich 75 nm, größer oder gleich 100 nm, größer oder gleich 125 nm oder größer oder gleich 150 nm sein, obwohl auch andere Minima möglich sind. In einigen Ausführungsformen ist die FWHM kleiner oder gleich 200 nm, kleiner oder gleich 175 nm, kleiner oder gleich 150 nm, kleiner oder gleich 125 nm, kleiner oder gleich 100 nm, kleiner oder gleich 75 nm, kleiner oder gleich 60 nm, kleiner oder gleich 50 nm, kleiner oder gleich 45 nm, kleiner oder gleich 40 nm, kleiner oder gleich 35 nm oder kleiner oder gleich 30 nm, wobei auch andere Maxima möglich sind.
ist ein Diagramm, das die spektralen Empfindlichkeiten einer multispektralen Sensorvorrichtung zeigt, die fünf Transmissionsfilter mit unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeitskurven 702-710 umfasst. Wie in gezeigt, überspannen die spektralen Empfindlichkeitskurven 702-710 zusammen einen Wellenlängenbereich zwischen etwa 350 nm und etwas mehr als etwa 750 nm. Wie ebenfalls in dargestellt, hat jeder einzelne Filter eine entsprechende spektrale Empfindlichkeit mit einer FWHM von etwa 25 nm. Angesichts der relativ schmalen Bandbreiten der spektralen Empfindlichkeiten 702-710 kann ein spektraler Rekonstruktionsprozess auf der Grundlage einer multispektralen Sensorvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie die in gezeigten Eigenschaften aufweist, möglicherweise nicht in der Lage sein, ein oder mehrere relativ steile Merkmale zu rekonstruieren (z. B. eine Hochleistungskomponente innerhalb eines relativ schmalen Wellenlängenbandes, das zwischen die Positionen fällt, die den Spitzenwerten der verschiedenen spektralen Empfindlichkeitskurven 702-710 entsprechen). Die gestrichelten Linien 712 stellen beispielsweise ein Zielspektrum dar, das Spitzenwerte aufweist, die in Bereiche fallen, in denen der Betrag der Kurven 704 und 706 sehr niedrig oder relativ unbedeutend ist. Die Faltung der spektralen Empfindlichkeitskurven 702-710 mit den Zielspektren würde daher wenig bis gar keine Informationen über diese Spitzen liefern. Und selbst wenn solche Merkmale erkannt werden könnten, würde die Rekonstruktion dieser Merkmale möglicherweise nicht in einer energetisch proportionalen Weise erfolgen, die die einfallenden Spektren genau wiedergibt.
Wie hier beschrieben, können die spektralen Empfindlichkeiten mehrerer Filter jedoch so rekonfiguriert werden, dass verschiedene Zielspektren unabhängig vom Vorhandensein schmalbandiger und/oder steiler Komponenten innerhalb der einfallenden Spektren energetisch proportional und ohne energetischen Signalverlust rekonstruiert werden können. Insbesondere können die spektralen Empfindlichkeiten der verschiedenen Filter einer multispektralen Sensorvorrichtung, wie der Vorrichtung 100, so konfiguriert werden, dass eine Summe der spektralen Empfindlichkeiten über einen vordefinierten Wellenlängenbereich konstant gehalten wird. Auf diese Weise wird die spektrale Änderung von Extremen (Flanken oder Spitzen) innerhalb eines Zielspektrums nicht spektral erfasst, wie in der Vorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie die in gezeigten Eigenschaften aufweist, sondern integral erfasst. Das heißt, die spektralen Empfindlichkeiten der verschiedenen Kanäle sind so konfiguriert, dass eine Summationsfunktion eine gleichmäßige Verteilung über einen vollen Spektralbereich der multispektralen Sensorvorrichtung liefert, wobei der volle Spektralbereich der multispektralen Sensorvorrichtung als die Differenz zwischen der kleinsten Wellenlänge, die mit einer spektralen Spitzenempfindlichkeit eines Filterkanals verbunden ist, und der größten Wellenlänge, die mit einer spektralen Spitzenempfindlichkeit eines Filterkanals verbunden ist, definiert werden kann.
ist ein Diagramm einer beispielhaften spektralen Reaktion eines multispektralen Sensorgeräts, z. B. eines Spektrometers, bei dem die optischen Filter so konfiguriert wurden, dass die Summe der spektralen Empfindlichkeiten über einen vordefinierten Wellenlängenbereich konstant ist. Wie in dargestellt, besteht das Spektrometer aus fünf separaten Kanälen, von denen jeder eine entsprechende spektrale Empfindlichkeit aufweist (202, 204, 206, 208, 210). Jede der spektralen Empfindlichkeiten einer Spektrometervorrichtung, wie z. B. der zu gehörenden Vorrichtung, kann auf einen konstanten Wert normiert werden. Beispielsweise sind, wie in gezeigt, die spektralen Empfindlichkeiten 202-210 alle auf einen Wert von 1 normiert. Jede der spektralen Empfindlichkeiten ist so konfiguriert, dass sie eine solche Form hat, dass eine Summe 214 der in gezeigten spektralen Empfindlichkeiten über einen vordefinierten Bereich 212 von Wellenlängen als Funktion der Wellenlänge konstant ist. Im Beispiel von ist die Summe 214 über den Wellenlängenbereich 212 beispielsweise gleich dem Wert 1.
Durch diese Modifizierung der spektralen Empfindlichkeit der Filter können Zielspektren mit schmalbandigen und/oder steilen Komponenten ohne Signalverlust energetisch proportional erfasst werden. Beispielsweise kann jeder der schmalbandigen Peaks in den Zielspektren 216 mit der in gezeigten spektralen Empfindlichkeitskonfiguration weiterhin energetisch proportional erfasst werden.
Anders ausgedrückt, lassen sich die spektralen Empfindlichkeiten der einzelnen Filter-Detektor-Paare einer multispektralen Sensoreinrichtung wie folgt ausdrücken: $c o n s t = \sum_{i = 1}^{k} a_{i} * S_d e t_{i} (λ), \forall λ = {λ_{m i n} ... λ_{m a x}}$
wobei λ_min die minimale Wellenlänge des vordefinierten Wellenlängenbereichs ist, λ_max die maximale Wellenlänge des vordefinierten Wellenlängenbereichs ist, k die Anzahl der Filter oder Detektorkanäle ist, S_det_i die spektrale Empfindlichkeit des Filters oder Kanals i ist, α_i ein Skalierungsfaktor für den Filter oder Kanal i ist und const einen konstanten Wert darstellt.
Wie in dargestellt, deckt der vordefinierte Wellenlängenbereich 212 ein Wellenlängenband ab, das von der minimalen Wellenlänge, die mit einer maximalen spektralen Empfindlichkeit eines Filterkanals (d. h. Filter 202 bei λ_peak≈ 400 nm) verbunden ist, bis zur maximalen Wellenlänge, die mit einer maximalen spektralen Empfindlichkeit eines Filterkanals (d. h. Filter 210 bei λ_peak≈ 720 nm) verbunden ist, reicht. Somit deckt der vordefinierte Wellenlängenbereich 212 ein Wellenlängenband von etwa 320 nm ab.
In einigen Ausführungsformen kann der vordefinierte Wellenlängenbereich, über den die Summe der spektralen Reflektivitäten konstant ist, z. B. das Wellenlängenband von mindestens zwei Filtern innerhalb der multispektralen Sensorvorrichtung abdecken, einschließlich z. B., Abdeckung des Wellenlängenbandes von mindestens drei Filtern innerhalb der Multispektralsensorvorrichtung, Abdeckung des Wellenlängenbandes von mindestens vier Filtern innerhalb der Multispektralsensorvorrichtung, Abdeckung der Wellenlängenbänder von mindestens fünf Filtern innerhalb der Multispektralsensorvorrichtung, Abdeckung der Wellenlängenbänder von mindestens zehn Filtern innerhalb der Multispektralsensorvorrichtung, Abdeckung der Wellenlängenbänder von mindestens fünfzehn Filtern innerhalb der Multispektralsensorvorrichtung, Abdeckung der Wellenlängenbänder von mindestens zwanzig Filtern innerhalb der Multispektralsensorvorrichtung oder Abdeckung der Wellenlängenbänder von mindestens fünfundzwanzig Filtern innerhalb der Multispektralsensorvorrichtung, um nur einige zu nennen.
In einigen Ausführungsformen kann der vordefinierte Wellenlängenbereich, in dem die Summe der spektralen Reflexionsgrade konstant ist, den sichtbaren Wellenlängenbereich abdecken. Beispielsweise kann der vordefinierte Wellenlängenbereich, in dem die Summe konstant ist, zwischen etwa 380 nm und etwa 780 nm liegen. In einigen Fällen deckt der vordefinierte Wellenlängenbereich, in dem die Summe der spektralen Empfindlichkeiten konstant ist, Wellenlängen im ultravioletten, nahen infraroten und/oder sichtbaren Wellenlängenbereich ab. Beispielsweise kann der vordefinierte Wellenlängenbereich, in dem die Summe konstant ist, zwischen etwa 10 nm und etwa 380 nm liegen. In einem anderen Beispiel kann der vordefinierte Wellenlängenbereich, in dem die Summe konstant ist, zwischen etwa 780 nm und etwa 5 Mikrometern liegen.
Die in dargestellten spektralen Empfindlichkeitsformen der einzelnen Kanäle werden als „Kosinus“-Formen bezeichnet, da die Kurve im Wesentlichen der Form einer durch eine Kosinusfunktion dargestellten Kurve folgt. Die spektralen Empfindlichkeiten der Filter sind jedoch nicht auf solche Formen beschränkt. ist beispielsweise eine Darstellung beispielhafter spektraler Reaktionen einer multispektralen Sensorvorrichtung (z. B. einer Spektrometervorrichtung), bei der die optischen Filter des Spektrometers so konfiguriert sind, dass die Summe 300 der spektralen Empfindlichkeiten (302-310) der Filter über einen vordefinierten Wellenlängenbereich konstant ist, und bei der die Formen der spektralen Empfindlichkeiten trapezförmig sind. Das heißt, der Spitzenwert der spektralen Empfindlichkeit jedes Filters, z. B. der Spitzenwert 312 des Filters 306, ist über einen breiteren Wellenlängenbereich konstant. Die Breite der verbreiterten Spitzenwerte, z. B. des Spitzenwerts 312, kann mindestens 5 nm, mindestens 10 nm, mindestens 15 nm, mindestens 20 nm, mindestens 25 nm oder mindestens 30 nm betragen, obwohl auch andere Breiten möglich sind. Die Breite der Peaks kann durch die Konstruktion des Filters begrenzt sein und weniger als 50 nm, weniger als 45 nm, weniger als 40 nm oder weniger als 35 nm betragen.
Andere Formen der spektralen Empfindlichkeit sind ebenfalls möglich. ist beispielsweise eine Darstellung beispielhafter spektraler Reaktionen einer multispektralen Sensorvorrichtung (z. B. einer Spektrometervorrichtung), bei der die optischen Filter des Spektrometers so konfiguriert sind, dass die Summe 400 der spektralen Empfindlichkeiten (402-410) der Filter über einen vordefinierten Wellenlängenbereich konstant ist, und bei der die Formen der spektralen Empfindlichkeiten dreieckig sind.
Obwohl die in den bis dargestellten spektralen Empfindlichkeiten für jeden optischen Filter identische Formen haben, können die optischen Filter in einer multispektralen Sensorvorrichtung unterschiedliche Formen aufweisen. ist beispielsweise ein Diagramm einer beispielhaften spektralen Reaktion einer multispektralen Sensorvorrichtung (z. B. einer Spektrometervorrichtung), bei der die optischen Filter so konfiguriert wurden, dass eine Summe der spektralen Empfindlichkeiten über einen vordefinierten Wellenlängenbereich konstant ist, und bei der die Form der spektralen Empfindlichkeiten für mindestens zwei optische Filter unterschiedlich ist. Insbesondere unterscheiden sich die Kurven der spektralen Empfindlichkeit 506, 508 und 510 in ihrer Form voneinander. Die spektrale Empfindlichkeitskurve 506 ist auf der Seite ihrer Spitze bei niedrigeren Wellenlängen steiler und hat auf der Seite ihrer Spitze bei höheren Wellenlängen eine allmählichere Steigung. Im Gegensatz dazu hat die Empfindlichkeitskurve 508 einen allmählichen Anstieg auf der unteren Wellenlängenseite ihres Peaks und einen steileren Anstieg auf der höheren Wellenlängenseite ihres Peaks. Darüber hinaus kann die Trennung der spektralen Empfindlichkeitsspitzen asymmetrisch sein. Wie in dargestellt, ist beispielsweise der der Kurve 506 zugeordnete Peak weiter von dem der Kurve 508 zugeordneten Peak entfernt als von dem der Kurve 504 zugeordneten Peak.
Alternativ oder zusätzlich können die spektralen Empfindlichkeitskurven von zwei Filtern der multispektralen Sensorvorrichtung spiegelbildlich zueinander sein. Zum Beispiel ist die Form der spektralen Empfindlichkeitskurve 506 ein Spiegelbild der Form der spektralen Empfindlichkeitskurve 508, wenn man sie um eine imaginäre Achse betrachtet, die sich vertikal bei der Wellenlänge 550 nm erstreckt.
In jedem der in den gezeigten Beispielplots ist die Summe der spektralen Empfindlichkeiten über den gesamten vordefinierten Wellenlängenbereich bei jeder Wellenlänge innerhalb des Bereichs eine Funktion der Kombination von nur zwei spektralen Empfindlichkeitskurven. Zum Beispiel, wieder mit Bezug auf , ist die konstante Summe 214 der spektralen Empfindlichkeitskurven zwischen Wellenlängen von etwa 400 nm und etwa 480 nm ein Ergebnis der Kombination der Kurven 202 und 204; die konstante Summe 214 der spektralen Empfindlichkeitskurven zwischen Wellenlängen von etwa 480 nm und etwa 560 nm ist ein Ergebnis der Kombination der Kurven 204 und 206; die konstante Summe 214 der spektralen Empfindlichkeitskurven zwischen Wellenlängen von etwa 560 nm und etwa 640 nm ergibt sich aus der Kombination der Kurven 206 und 208; die konstante Summe 214 der spektralen Empfindlichkeitskurven zwischen Wellenlängen von etwa 640 nm und etwa 720 nm ergibt sich aus der Kombination der Kurven 208 und 210. Anders ausgedrückt, kann man sagen, dass die konstante Summe der spektralen Empfindlichkeitswerte über eine Teilmenge des vordefinierten Wellenlängenbereichs 212 aus der Summierung der spektralen Empfindlichkeitswerte eines ersten Filters und der spektralen Empfindlichkeitswerte eines zweiten Filters besteht. Die in den Diagrammen dargestellten spektralen Empfindlichkeiten können einen oder mehrere Vorteile haben. Wenn man beispielsweise einen niedrigeren Spektralbereich des sichtbaren Lichts detaillierter analysieren/rekonstruieren möchte, ist es möglich, mehr Kanäle mit geringerer spektraler Trennung in diesem Bereich zu definieren. Wenn es Spektralbereiche mit weniger Detailinteresse gibt (z. B. außerhalb des sichtbaren Bereichs), dann ist es möglich, die spektrale Trennung in diesen Bereichen zu erweitern.
In anderen Ausführungsformen kann die konstante Summe der spektralen Empfindlichkeitswerte über eine Teilmenge des vordefinierten Wellenlängenbereichs 212 die Summierung der spektralen Empfindlichkeitswerte von mehr als nur zwei Filtern umfassen. In einigen Fällen kann die konstante Summe beispielsweise auf die Summierung der spektralen Empfindlichkeitswerte von drei verschiedenen Filtern, vier verschiedenen Filtern, fünf verschiedenen Filtern oder mehr zurückzuführen sein.
In einigen Implementierungen ist ein FWHM-Wert der spektralen Empfindlichkeitskurve eines ersten Filters im Spektrometer größer als der Abstand zwischen dem Spitzenwert der spektralen Empfindlichkeitskurve des ersten Filters und einem Spitzenwert einer spektralen Empfindlichkeitskurve eines zweiten Filters im Spektrometer. Beispielsweise könnte die spektrale Empfindlichkeitskurve 202 so modifiziert werden, dass sie eine FWHM von 120 nm aufweist, während der Abstand zwischen dem Spitzenwert der Kurve 202 und dem Spitzenwert der Kurve 204 auf 100 nm festgelegt werden könnte.
In einigen Fällen sollte bei der Entwicklung einer multispektralen Sensorvorrichtung die spektrale Empfindlichkeit des Lichtdetektorelements berücksichtigt werden. Unter diesen Umständen werden die spektralen Empfindlichkeitskurven für jeden Filter auf die maximale spektrale Empfindlichkeitskurve der Detektorelemente skaliert. ist beispielsweise eine Darstellung beispielhafter spektraler Empfindlichkeitskurven (602, 604, 606, 608, 610) einer Fotodetektorvorrichtung, die auf die spektrale Empfindlichkeitskurve 600 eines Siliziumdetektorelements (z. B. einer Siliziumfotodiode) über einen vordefinierten Wellenlängenbereich 612 skaliert ist. Das heißt, die Darstellung in zeigt die absolute spektrale Empfindlichkeit des skalierten Sensors aus und stellt eine Zielform dar. Wie aus ersichtlich ist, nimmt die Größe der Kurve 600 von einer Wellenlänge von etwa 350 nm bis zu einer Wellenlänge von etwa 750 nm zu. Die Filter des Spektrometers sind so ausgelegt, dass sie skalierte spektrale Empfindlichkeitskurven (602a, 604a, 606a, 608a, 610a) aufweisen, die dem Anstieg der Kurve 600 über denselben Wellenlängenbereich entsprechen.
ist ein Diagramm einer beispielhaften Spektralempfindlichkeitskurve für Filter eines Spektrometers, berechnet auf der Grundlage der Skalierung der Kurven in . Jede Kurve (602b, 604b, 606b, 608b, 610b) in entspricht jeweils einer spektralen Ansprechkurve für die spektralen Empfindlichkeitskurven (602a, 604a, 606a, 608a, 610a). zeigt somit die Anforderungen an den Filterentwurf, der als F_i(λ) = S_det_i(λ) / S_i(λ) ausgedrückt werden kann. Aufgrund der Form von Si gibt es einige Unterschiede zwischen der Sensorempfindlichkeit (durchgezogene Linie) und der Transmission des Filters (gestrichelte Linie), die in den neuen Diagrammen zu sehen sind.
Wie hier erläutert, kann es sich bei den Filtern der vorliegenden Offenbarung um Interferenzfilter handeln, beispielsweise um Interferenzfilter, die aus dielektrischen Dünnfilmschichten mit wechselndem Brechungsindex bestehen. Die Konfiguration der Schichten (z. B. Dicke, Anzahl der Schichten, Reihenfolge der Schichten) kann durch Optimierungsverfahren bestimmt werden. So kann ein Konstrukteur beispielsweise ein Ausgangsdesign vorgeben, dessen Eigenschaften den von der spektralen Empfindlichkeitskurve des Filters geforderten Spezifikationen ausreichend nahe kommen. Dann kann ein Optimierungsalgorithmus verwendet werden, um die Dicke der Schichten und in einigen Fällen ihren Brechungsindex anzupassen, bis ein Design erreicht ist, das den gewünschten Eigenschaften der spektralen Empfindlichkeitskurve am besten entspricht. Weitere Einzelheiten zur Herstellung von Interferenzfiltern für eine bestimmte spektrale Empfindlichkeitskurve finden sich z. B. in „OpenFilters: opensource software for the design, optimization, and synthesis of optical filters“ von S. Larouche und L. Martinu, Applied Optics Vol. 47 (13), S. C219-C230 (2008), auf die hier in vollem Umfang Bezug genommen wird.
Mit der erfindungsgemäßen Methode der Bildung der Kanalempfindlichkeiten kann auch eine stabile Erfassung beliebiger schmalbandiger Zielspektren erreicht werden. Die Rekonstruktion des Gesamtspektrums wird so weit verbessert, dass die Energiekomponenten proportional in die Sensorsignale abgebildet werden, ohne dass die Anzahl der Filter-Detektor-Paare wesentlich erhöht werden muss.
Es wurde eine Reihe von Ausführungsformen beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend fallen auch andere Ausführungsformen in den Anwendungsbereich der folgenden Ansprüche.

Claims

Eine Photodetektorvorrichtung, die Folgendes umfasst: mindestens drei Lichtdetektorelemente; und mindestens drei optische Filter, wobei jeder optische Filter der mindestens drei optischen Filter vor einer Lichterfassungsfläche eines entsprechenden Lichtdetektorelements der mindestens drei Lichtdetektorelemente angeordnet ist, um einfallendes Licht, das auf die Lichterfassungsfläche fällt, zu filtern, wobei die mindestens drei optischen Filter so konfiguriert sind, dass sie jeweils mindestens drei verschiedene Wellenlängenbänder des einfallenden Lichts filtern, wobei die mindestens drei verschiedenen Wellenlängenbänder so kombiniert sind, dass sie einen vordefinierten Wellenlängenbereich umfassen, wobei jeder optische Filter der mindestens drei optischen Filter eine entsprechende spektrale Empfindlichkeit aufweist, und wobei eine Summe der spektralen Empfindlichkeiten der mindestens drei optischen Filter über den vordefinierten Bereich von Wellenlängen ein konstanter Wert ist.
Der Photodetektor nach Anspruch 1, wobei jede der spektralen Empfindlichkeiten der mindestens drei in der Summe verwendeten optischen Filter auf einen vordefinierten Wert normiert ist.
Der Photodetektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Summe über einen ersten Wellenlängenbereich, der kleiner als der vordefinierte Wellenlängenbereich ist und in diesem liegt, aus der Summierung der spektralen Empfindlichkeit eines ersten optischen Filters der mindestens drei optischen Filter und der spektralen Empfindlichkeit eines zweiten optischen Filters der mindestens drei optischen Filter besteht.
Der Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine spektrale Empfindlichkeit mindestens eines optischen Filters der mindestens drei optischen Filter die Form einer Kurve hat, die durch eine Kosinusfunktion dargestellt wird.
Der Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine spektrale Empfindlichkeit mindestens eines optischen Filters der mindestens drei optischen Filter die Form einer Dreiecksfunktion hat.
Der Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine spektrale Empfindlichkeit mindestens eines optischen Filters der mindestens drei optischen Filter die Form einer Trapezfunktion hat.
Der Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für jedes optische Filter der mindestens drei optischen Filter die spektrale Empfindlichkeit des optischen Filters einen entsprechenden Spitzenwert und einen entsprechenden FWHM-Wert (full-width half maximum) umfasst, und wobei der FWHM-Wert eines ersten optischen Filters der mindestens drei optischen Filter größer ist als ein Abstand zwischen dem Spitzenwert des ersten optischen Filters und dem Spitzenwert eines zweiten optischen Filters der mindestens drei optischen Filter.
Der Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Form der spektralen Empfindlichkeit für jedes optische Filter der mindestens drei optischen Filter identisch ist.
Der Photodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Form der spektralen Empfindlichkeit eines ersten optischen Filters der mindestens drei Filter sich von einer Form der spektralen Empfindlichkeit eines zweiten optischen Filters der mindestens drei Filter unterscheidet.
Der Photodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Form der spektralen Empfindlichkeit eines ersten optischen Filters der mindestens drei Filter ein Spiegelbild einer Form der spektralen Empfindlichkeit eines zweiten optischen Filters der mindestens drei Filter ist.
Der Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vordefinierte Wellenlängenbereich eine Wellenlänge zwischen etwa 380 nm und etwa 780 nm umfasst.
Der Photodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei für jedes optische Filter der mindestens drei optischen Filter die spektrale Empfindlichkeit des optischen Filters einen entsprechenden Spitzenwert und einen entsprechenden FWHM-Wert (full-width half maximum) umfasst, und wobei der FWHM-Wert eines ersten optischen Filters der mindestens drei Filter größer als oder gleich 25 nm ist.
Der Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens drei optischen Filter in einem Zeilenarray enthalten sind.
Der Photodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die mindestens drei optischen Filter in einer zweidimensionalen Anordnung enthalten sind.
Der Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder optische Filter der mindestens drei Filter ein Bandpassfilter ist, der so konfiguriert ist, dass er Licht über sein jeweiliges Wellenlängenband des einfallenden Lichts durchlässt.
Der Photodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei jeder optische Filter der mindestens drei Filter ein Absorptionsfilter ist, der so konfiguriert ist, dass er Licht in seinem jeweiligen Wellenlängenband des einfallenden Lichts absorbiert.
Der Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder optische Filter der mindestens drei Filter einen Interferenzfilter umfasst.
Der Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens drei optischen Filter in einem kreisförmigen Muster angeordnet sind.