專利名稱：用于檢測接收光光譜成分的可調諧光譜檢測設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于檢測接收光的光譜成分的光譜檢測設備。
背景技術：
當今諸如分光計的光譜檢測設備日益被用于光管理應用，例如，用于測量光的色點和顯色指數來確定由數個發光體產生的氛圍和/或監測由特定發光體發射的光。使用分光計進行光管理應用的一個典型的例子是環境智能照明系統，其允許用戶靈活地確定通過房間內的數個發光體創建的氛圍。為了達到期望的氛圍，環境智能系統通過測量單獨發光體的亮度、色點和顯色指數的控制反饋系統來測量并控制每個單獨的發光體的發光特性。而且，分光計還可以用于監測其中白光通過發光二極管(LED)產生、例如由紅、綠和藍(RGB) LED (或更多和/或不同顏色LED)產生的現代發光體中的光顏色。這里，光顏色監測是重要的，因為如果從每個單獨LED發出的光被適當的與來自其他LED的光組合，則來自該LED的混合光僅產生白光。W02008/012715公開了一種集成圖像識別和光譜檢測設備，包括用于識別圖像和運動的圖像傳感器陣列，和用于檢測覆蓋圖像傳感器陣列的光敏表面的至少一部分的接收光的光譜成分的法布里-珀羅諧振器結構。為了能測量接收光的多光譜成分，法布里-珀羅諧振器結構被分割為棋盤狀結構，其中每個部分具有不同的厚度以提供不同的光譜成分。 而且，這樣的布置使得由圖像傳感器陣列中的不同傳感器檢測每個光譜成分。在工作時，圖像傳感器陣列持續檢測入射光中包含的光譜成分并將相應信號傳送到控制裝置。為了達到期望的色點，該控制裝置然后可以基于檢測的光譜成分和顏色設置控制算法而分別對LED 調整電流。然而，雖然W02008/012715中公開的光譜檢測設備可以令人滿意地測量接收光的光譜成分，但沉積緊挨在一起的多層干涉濾光器陣列是昂貴的。因此可能期望提供一種低成本的替代的光譜檢測設備，其不需要很多(昂貴的)沉積和光刻步驟。還期望具有與現有技術相比更緊湊的設備。在W02008/012715中為了測量光譜成分使用具有窄光譜帶的很多濾光器。為了實現對于檢測100勒克斯量級光等級來說足夠敏感的設備，像素區域不能減小到非常小的區域，從而限制了該設備的尺寸減小的選擇。因此，似乎需要一種替代的光譜檢測設備。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種替代的用于檢測接收光的光譜成分的光譜檢測設備。根據本發明的一個方面，提供了一種用于檢測接收光的光譜成分的光譜檢測設備，其中光譜檢測設備包括布置為過濾接收光并輸出具有預定波長范圍內的波長的光的濾光結構；和布置為檢測由濾光結構輸出的光的光傳感器，其中該濾光結構是可變的以允許預定波長范圍隨著時間而變化。本發明基于這樣的理解，通過由光譜檢測設備隨著時間變化改變光輸出的波長， 可以在單個位置檢測到接收光的不同光譜成分(每次一個)。本發明的光譜檢測設備優點在于其不需要在不同的位置(并行)檢測不同的光譜成分，因而使更緊湊的光譜檢測設備成為可能。而且，因為同一個光傳感器可以用于(依次地)檢測不同光譜成分，所以可以減少由光譜檢測設備使用的光傳感器的數量，因而減少成本。另外本發明相比現有技術進一步減少成本，因為其不需要昂貴的緊挨在一起的多層干涉濾光器陣列的沉積。可以通過對濾光結構施加外部激勵來調整預定波長范圍，其中外部激勵選自電場、溫度或機械力的組。這使得能夠進行對由濾光結構輸出的波長的容易且可靠的控制。通常可選擇預定波長范圍用于計算光的光譜和或預計光源的色點和/或色溫。因此，預定波長范圍可以具有在20nm到200nm之間的寬度、或更優選地具有從20nm到50nm 的范圍中的寬度以獲得高分辨率。例如，預定波長范圍可以是450-495nm以檢測藍光(即 45nm寬度)，495_570nm以檢測綠光(即75nm寬度)，或620_750nm以檢測紅光(即130nm 寬度)O濾光結構可以適于透射具有位于預定波長范圍內的波長的光(而阻擋具有在預定波長范圍之外的波長的光)。因為透射濾光結構可以簡單地放置在光傳感器的頂部，所以其可以容易地安裝在光譜檢測設備中并使緊湊布置成為可能。根據一個替代實施方式，該濾光結構可以適于反射具有位于預定波長范圍內的波長的光(而透射具有在預定波長范圍之外的波長的光)。一個優點是反射濾光結構在原理上可以通過使用簡單的可切換光子帶隙濾光器來實施。根據一個實施方式，該濾光結構可以包括可切換光子帶隙濾光器。該可切換光子帶隙濾光器的使用的優點是其使得能夠容易且可靠地變化由濾光結構輸出的波長。光譜檢測設備還可以包括布置為將由濾光結構接收的光的入射角限制為預定入射角的角度選擇元件。該入射角通常可以具有關聯的角度接受范圍，從而光從θ-α到 θ+α的范圍中的方向被接受，其中θ是入射角。而且，α可以優選是小于5°、更優選地小于2°、而最優選地小于1°。這樣可以對特定入射角測量光的光譜屬性。通過這種方式有可能定位來自特定光源的光并交互地調整其屬性。根據一個實施方式，該角度選擇元件可以是可變的以允許入射角度的變化。這樣允許作為入射角的函數測量光的光譜屬性。也有可能順序地定位從不同光源發出的光。根據另一個實施方式，該角度選擇元件可以包括多個區域，其中每個區域適于接受具有不同入射角的光。通過這種方式，可以在不需要移動角度選擇元件的情況下測量來自不同方向的光的光譜屬性。該光譜檢測設備還可以包括散射體。該散射體可以布置為隨機重新導向由光譜檢測設備接收的光。諸如可切換光子帶隙濾光器之類的濾光結構可以具有角度依賴，即以不同角度入射濾光結構的光導致濾光結構的不同的光譜響應。這可以通過布置散射體從而光在到達角度選擇元件之前經過散射體來克服。通過該布置，一部分散射光被透射經過角度選擇裝置并以特定角度入射濾光結構。通過這種方式，沒有作為濾光器的角度依賴的結果的不同的光譜響應，即濾光結構變得不依賴于角度。而且，根據本發明的光譜檢測設備可以有利地被包括在照明設備中，該照明設備還包括多個不同顏色的發光設備；適于處理從光譜檢測設備中獲得的多個光譜成分的控制單元，其中該控制單元還適于基于被檢測的光譜成分控制所述多個發光設備以實現預定發光效果，諸如特定色點和/或色溫。而且，根據本發明的光譜檢測設備可以有利地被包括在用于控制多個發光體(或光源)的照明控制系統中，其中該系統還包括適于處理從光譜檢測設備獲得的多個光譜成分的控制單元，其中控制單元還適于基于被檢測的光譜成分控制多個發光體(或光源)以實現預定的光照效果，諸如特定色點和/或色溫。當學習所附權利要求書和以下描述時，本發明的更多特征和優點將變得顯而易見。本領域技術人員了解在不偏離本發明范圍的情況下，可以組合本發明的不同特征以創造不同于以下描述的那些實施方式。
從以下具體實施方式
和附圖中將可以容易地理解本發明的各方面，包括其具體特征和優點，其中圖1示意性地示出了根據本發明的一實施方式的光譜檢測設備；圖加至圖2c示意性地示出了如何通過在彼此頂部堆疊兩個光子帶隙濾光器來實現透射濾光結構；和圖3示意性地示出了包括光譜檢測設備的照明控制系統；圖4示意性地示出了確定接收光的光譜組成的流程圖；圖fe至圖k示意性地示出了角度選擇元件的各種實施方式；圖6示意性地示出了包括散射體的光譜檢測設備的一個實施方式；圖7示意性地示出了具有反射濾光結構的光譜檢測設備的一個實施方式；圖8示意性地示出了如何通過施加電壓來移動可切換光子帶隙濾光器的反射帶；圖9示意性地示出了像素化光譜檢測設備；圖10示意性地示出了包括在照明設備中的光譜檢測設備。
具體實施例方式現在將在下文中參考附圖更完整的描述本發明，附圖中示出了本發明的當前優選實施方式。然而，本發明可以以很多不同的形式體現且不應被解釋為限制于這里提出的實施方式；相反，為了完全和完整而提供這些實施方式，并且這些實施方式向本領域技術人員完整地傳達本發明的范圍。相似的參考特征始終指代相似的元件。現在參考附圖特別是圖1，描述了根據本發明的一個實施方式的光譜檢測設備 100。該光譜檢測設備100包括光傳感器120和布置在光傳感器120和光譜檢測設備的光入口 115之間的濾光結構110。這里通過在光傳感器120的頂部布置濾光結構110來實現這一點。該光傳感器(或光電傳感器)可以例如是光二極管、光電阻器、光伏電池、光電倍增管、雪崩光電二極管或電荷耦合器件。該濾光結構110適于過濾由光譜檢測設備接收的光101并輸出具有位于預定波長范圍內的波長的光102。由濾光結構輸出的該光102然后可以被光傳感器120檢測。諸如微處理器的控制單元130可以被連接到濾光結構110用于控制由濾光結構輸出的光的預定波長范圍。控制單元130可以被包括在光譜檢測設備100中或可以是外部設備。這里濾光結構110是適于透射具有位于預定波長范圍內的波長的光的透射濾光器。該透射濾光器可以由兩個位于彼此頂部的可切換光子帶隙濾光器IlOaUlOb制成。可切換光子帶隙濾光器的一個例子是金屬聚合物凝膠和和膠體光子晶體的混合材料。這種材料的更詳細描述可以在 0zin，G. A.，Asrenault，A. C.，2008，“ P-Ink and Elast-ink From Lab to Market" ,Materials Today, Volume 11, Issues 7-8,Pages 44-51 找到，該文在此通過引用被合并。每個可切換光子帶隙濾光器IlOaUlOb具有反射帶，即光被反射的波長范圍。可以通過對可切換光子帶隙濾光器施加諸如電場的外部激勵，來改變反射帶的位置。這可以通過對可切換光子帶隙濾光器施加電壓來實現。或者，可以通過加熱濾光器(例如通過使用對光子帶隙濾光器的電介質加熱或電阻加熱)或通過機械力(例如通過對光子帶隙濾光器施加壓力)來改變光子帶隙濾光器的位置。圖加至圖2c中示意性的說明了濾光結構110的原理。這里，第一可切換光子帶隙濾光器IlOa反射如圖加中所示的具有范圍入1到λ2 (例如380-495nm，對應于紫靛藍和藍)中的波長的光，而具有在該范圍之外的波長的光被透射。類似地，第二可切換光子帶隙濾光器IlOb反射如圖2b中所示的具有范圍λ 3到λ 4(例如570-750nm，對應于黃，橙和紅)中的波長的光，而具有在該范圍之外的波長的光被透射。因此濾光結構110透射如圖 2c中所示的具有范圍入2到λ3(例如495-570nm，對應于綠光)中的波長的光，而具有在該范圍之外的波長的光被阻擋。值得注意的是這里假定(雖然沒有示出)也存在阻擋具有比 X1更短的和比λ 4更長的波長的光的濾光器。通過改變可切換光子帶隙濾光器IlOaUlOb 的反射帶，濾光結構110的透射帶的波長范圍可以跨過可見光譜逐漸移動，從而通過濾光結構輸出各種色彩。圖3示意性地說明了其中光譜檢測設備100被包括在布置為控制多個發光體 302a-302b的照明控制系統300中的實施方式。包括在照明控制系統中的控制單元130被連接到光譜檢測設備100以控制由濾光結構110輸出的光的預定波長范圍。該控制單元 130還被連接到光譜檢測設備中的光傳感器以從光傳感器獲得測量信號，并被連接到發光體30加、302b用于由發光體輸出的光的控制。在工作中，光譜檢測設備100從發光體3(^a、302b接收光。然后，如圖4中流程圖示意性說明的那樣，可以通過順序檢測接收光的不同光譜成分來確定接收光的光譜組成。在步驟401中，控制單元130控制可切換光子帶隙濾光器110a、110b，從而由濾光結構110輸出接收光的第一光譜成分。該第一光譜成分例如可以是具有對應于藍光(即450 至495nm)波長的光。在步驟402中由光傳感器檢測接收光的第一光譜成分，且測量信號被傳輸到控制單元130。然后重復步驟401和402直到所有相關光譜成分已被檢測。例如， 可以重復該過程以檢測綠光和紅光。基于檢測的光譜成分，控制單元130然后可以在步驟 403中根據本領域公知技術確定接收光的色點和色溫，并在步驟404中調整發光體40h-b 的照明以達到期望的光照效果。圖如示意性地說明了其中該光譜檢測設備還包括角度選擇元件500的實施方式， 該角度選擇元件500布置為將由濾光結構110接收的光的入射角限制至預定入射角θ。這里該角度選擇元件500是具有圓柱形孔504的光吸收板502(諸如吸收白光的陽極化鋁)，該圓柱形孔504具有布置在方向θ上的軸線。該角度選擇元件500從在范圍θ-α至θ+α 內的方向接受光。也就是說角度接收范圍是2 α，其中孔的直徑Φ與板厚度t的縱橫比確定角度范圍2α，目卩α = ειι·(^ειη(Φ/2υ。優選地α小于5°，更優選地小于2°，而最優選地小于1°。在本實施方式中例示了單個孔的使用。然而對于小的接受角，這意味著孔必須位于厚板中。為了避免使用厚板，有可能使用鉆在薄得多的板上的多個具有更小直徑的孔。而且，為了選擇來自不同角度的光，可以旋轉板502 (或整個光譜檢測設備)。例如板可以放置在座上，該座可以繞兩個不同軸旋轉，從而使得可以在所有方位角調整角度θ， 通過這種方式使得可以選擇自來不同方向的光。通過測量具有特定入射角的光可以檢測來自特定光源的光。圖恥示意性地說明了可變角度選擇元件的代替實施方式。這里該角度選擇元件 500包括兩個薄板5(^a、502b，其中每個板具有孔506a、506b。板間隔距離d。通過相對彼此(在其平面中)移動板可以改變入射角。例如，在所例示的例子中，上板50 可以移動到左邊，而下板502b可以移動到右邊以逆時針傾斜入射角。而且，可以通過改變板之間的距離d來改變角度范圍2α。而且，如圖5c所說明的，角度選擇元件可以被分為兩個(或更多)區域500a、500b 以同時接受具有不同入射角θρ θ2的光。這使得可以同時從不止一個方向檢測光。這可以通過光吸收板502實現，其中每個區域500a、500b具有圓柱形孔5(Ma、504b，所述圓柱形孔5(Ma、504b具有方向θ ” θ 2上的軸線。通過具有與每個孔5(Ma、504b關聯的光傳感器 120a、120b，有可能分別檢測不同方向θ ” θ 2的光。而且，如圖5d中說明的實施方式所示范的那樣，角度選擇元件可以包括布置在相同方向上的多個圓柱孔(即圓柱孔的軸線是平行的)以增加由光傳感器從該方向接收的光的量(與具有更大孔的更厚板相比，因而直徑與厚度的縱橫比被保持)。這里，第一對孔 504a, 504b透射來自第一方向的光，第二對孔5(Mc、504d透射來自第二方向的光，而第三對孔5(Me、504f透射來自第三方向的光。也有可能包括對應于每個圓柱孔的更多光傳感器， 因而提高光譜檢測設備的可靠性。圖k示意性地說明了用于測量來自一個特定方向的光的又一實施方式。這里角度選擇元件是圍繞濾光結構布置的管形結構510。圖6示意性地說明了其中光譜檢測設備100還包括散射體600的實施方式，該散射體600布置在角度選擇元件500頂部，從而由光譜檢測設備接收的光在到達角度選擇元件之前經過散射體600。該散射體600隨機重新導向由光譜檢測設備從所有方向接收的光。 散射光的一部分然后透射經過角度選擇元件500并以特定角度θ入射濾光結構110。通過這種方式可以平均來自不同角度的光，使得該設備不依賴于角度。圖7示意性地說明了其中濾光結構110是適于反射具有位于預定波長范圍內的波長的光的反射濾光器的替換實施方式。該濾光結構110這里是通過單個可切換光子帶隙濾光器來實現的，其中預定波長范圍與可切換光子帶隙濾光器的反射帶重合。如圖7所說明的，布置可切換光子帶隙濾光器110從而入射光101的反射102成分被導向光傳感器120。 因此，隨著光101被光譜檢測設備100接收，在預定波長范圍內的光被反射向光傳感器120， 而具有預定波長之外的波長的光透射經過可切換光子帶隙濾光器110。而且，該預定波長范圍，并且因而由濾光結構110輸出的光102的波長，可以通過在可切換光子帶隙濾光器上施加諸如電壓之類的外部激勵而改變反射濾光器的反射帶的位置來調整。例如，如圖8所說明的，可切換光子帶隙濾光器在沒有電壓或低電壓Vtl(如0V)施加在可切換光子帶隙濾光器上時可以反射藍光，在電壓增加到義(如IV)時反射綠光，而在電壓進一步增加到V2 (如 2V)時反射紅光。圖9a示意性地說明了具有像素化濾光結構110的光譜檢測設備的實施方式。該像素化濾光結構包括布置在第一層中的第一 900a和第二 900b可切換光子帶隙濾光器。而且，第三900c和第四900d可切換光子帶隙濾光器布置在第二層中，其中第一層堆疊在第二層上。通過該布置，像素化濾光結構被分為四個區域901-904，其中落在第一區域901上的光經過第一可切換光子帶隙濾光器900a并然后經過第三可切換光子帶隙濾光器900c ； 落在第二區域902上的光經過第二可切換光子帶隙濾光器900b并然后經過第四可切換光子帶隙濾光器900d ；落在第三區域903上的光經過第一可切換光子帶隙濾光器900a并然后經過第四可切換光子帶隙濾光器900d;而落在第四區域904上的光經過第二可切換光子帶隙濾光器900b并然后經過第三可切換光子帶隙濾光器900c。通過改變可切換光子帶隙層的反射帶，可以調整用于第一 901、第二 902、第三903、和第四904區域的預定波長范圍。通過在每個區域901-904之下布置光傳感器 911-914，光譜檢測設備可以并行檢測多個光譜成分。而且，如本領域技術人員所認識到的， 其他類型的像素化濾光結構也可以實現。例如，像素化濾光結構可以通過組合更多可切換光子帶隙濾光器來包括更多區域。因為每個區域可以被設計為覆蓋更小的波長光譜(與非像素化設備相比)，可以實現提高的精確度和增加的速度。圖10示意性地說明了其中光譜檢測設備100被包括在諸如改造LED燈(retrofit LED lamp)之類的照明設備1000中的實施方式。該照明設備1000還包括諸如不同顏色的發光二極管(LED)之類的多個發光設備100h-1002b和控制單元(未示出)。該控制單元被連接到光譜檢測設備100以控制由濾光結構輸出的光的預定波長范圍。控制單元還被連接到光譜檢測設備中的光傳感器以從光傳感器獲得測量信號，并被連接到發光設備 100h-1002b用于控制通過照明設備進行的光輸出。在工作中，光譜檢測設備可以從LED 1002a-1002b和/或從周邊環境接收光并通過一個與圖4有關而描述的過程類似的過程來檢測接收光的光譜成分。控制單元130然后可以確定接收光的色點和色溫，并調整到LED 402a-402b的LED電流以實現預期的光照效果。雖然參考具體示范性實施方式描述了本發明，但對本領域技術人員來說很多不同的變更、修改等將變得顯而易見。本領域技術人員在實踐所要求保護的發明時，從附圖、公開內容和所附權利要求書的學習中，可以理解并實現對公開的實施方式的變化。例如，透射濾光結構可以包括多于兩個可切換光子帶隙層。還有可能將可切換光子帶隙層與非可切換反射器組合以獲得透射濾光結構。該光譜檢測設備也可以包括多光傳感器和/或多濾光結構以并行測量不同光譜成分。而且，本發明不限制為可見范圍內的光，而是還可以應用于UV 或頂光譜波長范圍。而且，在權利要求書中，詞語“包括”不排除其他元件或步驟，而不定冠詞“一”不排除多個。
權利要求
1.一種用于檢測接收光的光譜成分的光譜檢測設備(100)，其中所述光譜檢測設備 (100)包括-布置為過濾所述接收光(101)并輸出具有在預定波長范圍內的波長的光(102)的濾光結構(110)；和-布置為檢測由所述濾光結構(Iio)輸出的光(102)的光傳感器(120)，其特征在于所述濾光結構(110)是可變的以允許所述預定波長范圍隨著時間而變化。
2.根據權利要求1所述的光譜檢測設備，其中通過對所述濾光結構(110)施加外部激勵來調整所述預定波長范圍，其中所述外部激勵選自電場、溫度或機械力的組。
3.根據權利要求1或2所述的光譜檢測設備，其中所述預定波長范圍具有在20nm和 200nm之間的寬度，或更優選的在20nm和50nm之間的寬度。
4.根據任一前述權利要求所述的光譜檢測設備，其中所述濾光結構(110)適于透射具有位于所述預定波長范圍內的波長的光。
5.根據任一前述權利要求所述的光譜檢測設備，其中所述濾光結構(110)適于反射具有位于所述預定波長范圍內的波長的光。
6.根據任一前述權利要求所述的光譜檢測設備，其中所述濾光結構(110)包括可切換光子帶隙濾光器。
7.根據任一前述權利要求所述的光譜檢測設備，還包括布置為將由所述濾光結構 (110)接收的光的入射角限制為預定入射角(Θ)的角度選擇元件(500)。
8.根據權利要求7所述的光譜檢測設備，其中所述角度選擇元件(500)是可變的以允許所述入射角(θ )的變化。
9.根據權利要求7或8所述的光譜檢測設備，其中所述角度選擇元件(500)包括多個區域(500a，500b)，其中每個區域(500a，500b)適于接受具有不同入射角O1, θ 2)的光。
10.根據任一前述權利要求所述的光譜檢測設備，還包括散射體(600)。
11.一種照明設備(1000)，包括:-多個不同顏色的發光設備(1002a，1002b)；-根據任一前述權利要求所述的光譜檢測(100)設備；-適于處理從所述光譜檢測設備(100)獲得的多個光譜成分的控制單元(130)，其中所述控制單元(130)還適于基于被檢測的光譜成分控制所述多個發光設備(100 ，1002b)以實現預定的光照效果。
12.一種用于控制多個發光體(302a，302b)的照明控制系統(300)，所述系統包括-用于檢測從所述發光體(30 ，302b)接收的光的光譜成分的根據權利要求1至10中的任一項所述的光譜檢測設備(100)；-適于處理從所述光譜檢測設備(100)獲得的光譜成分的控制單元(130)，其中所述控制單元(130)還適于基于被檢測的光譜成分控制所述發光體(302a，302b)以實現預定的光照效果。
全文摘要
本發明涉及用于檢測接收光的光譜成分的光譜檢測設備(100)，其中該光譜檢測設備(100)包括布置為過濾接收光并輸出具有在預定波長范圍內的波長的光的濾光結構(110)；和布置為檢測由濾光結構(110)輸出的光的光傳感器(120)，其中濾光結構(110)是可變的以允許所述預定波長范圍隨著時間而變化。該布置使得可以以低成本提供緊湊的光譜檢測設備。
文檔編號G02B1/00GK102575959SQ201080046506
公開日2012年7月11日 申請日期2010年10月11日 優先權日2009年10月16日
發明者E·J·梅杰爾, R·A·M·希梅特, T·范伯梅爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司