本公開涉及測量光學輻射的特性。

背景

各種制造過程及其他過程涉及測量并采集光學輻射源的光學輻射數(shù)據(jù)，具體為頻譜發(fā)射特性。所述制造過程或其他過程可以是如下的過程：光學輻射用作執(zhí)行所述過程的一部分或者光學輻射由所述過程生成。在一些情況(諸如成像應用)中，可能希望測量并確定環(huán)境光的頻譜發(fā)射特性。

雖然各種技術(shù)是可用的，但是一些已知的技術(shù)僅對所述過程的區(qū)域提供全局或平均測量。例如，可提供光電二極管的陣列來測量各種波長的入射光。然而，光電二極管的響應大體取決于入射輻射的強度以及輻射的波長。因此，可能無法將特定光電流值分配給唯一波長。例如，如果檢測到環(huán)境光，那么可能無法使光電流的特定值與光譜的特定部分的特定波長相關(guān)。

另外，一些光源具有多個發(fā)射峰。例如，鈉蒸氣燈在589nm附近生成兩個發(fā)射峰。然而，那些峰在典型的紅色(R)濾波器、藍色(B)濾波器和綠色(G)濾波器之外。因此，僅被配置有這些濾波器的傳感器將不能檢測到鈉蒸氣線。

概述

本公開描述有助于將特定波長分配給測量的光電流的光學輻射傳感器和檢測技術(shù)。所述技術(shù)可用來確定輻射源的頻譜發(fā)射特性。

例如，在一個方面中，一種確定入射輻射的頻譜發(fā)射特性的方法包括：使用具有第一光敏區(qū)域和第二光敏區(qū)域的光檢測器感測入射輻射中的至少一些，所述第一光敏區(qū)域和所述第二光敏區(qū)域的光學響應度特性彼此不同。所述方法還包括：基于來自所述第一區(qū)域的光電流與來自所述第二區(qū)域的光電流的比來識別入射輻射的波長。

一些實現(xiàn)方式包括以下特征中的一個或多個。例如，在一些情況下，由光檢測器感測的入射輻射在被光檢測器感測到之前穿過光學濾波器。在一些情況下，光檢測器的第一區(qū)域和第二區(qū)域布置為堆疊的光電二極管。所述方法可包括：使用多個光檢測器感測入射輻射中的至少一些，所述多個光檢測器中的每一個具有相應的第一光敏區(qū)域和第二光敏區(qū)域，其中所述第一區(qū)域的光學響應度特性不同于所述第二區(qū)域的光學響應度特性，并且其中每個光檢測器被配置來感測光譜的不同相應部分。所述方法還可包括：識別入射輻射的一個或多個波長，其中基于來自光敏區(qū)域中的第一個的光電流與來自與所述第一區(qū)域相同光檢測器中的第二光敏區(qū)域的光電流的比來識別每個波長。在一些實現(xiàn)方式中，由每個特定光檢測器感測的入射輻射在被所述特定光檢測器感測到之前穿過相應的光學濾波器，其中每個光學濾波器讓與其他光學濾波光器中的至少一些不同的相應的波長或波長帶通過。在一些情況下，所述方法可包括：將光電流的比與存儲在查找表中的值進行比較，并且將與查找表中的最接近的匹配值相關(guān)聯(lián)的波長分配給入射輻射。所述方法可包括：基于對入射輻射的波長的識別來控制主機裝置的部件。

在另一個方面中，一種用于確定入射輻射的頻譜發(fā)射特性的系統(tǒng)包括光檢測器，所述光檢測器包括第一光敏區(qū)域和第二光敏區(qū)域，所述第一光敏區(qū)域和所述第二光敏區(qū)域的光學響應度特性彼此不同。所述系統(tǒng)還包括處理電路，所述處理電路聯(lián)接到光檢測器并且被配置來從第一光敏區(qū)域和第二光敏區(qū)域接收相應的光電流，計算來自第一光敏區(qū)域和第二光敏區(qū)域的光電流的比，并且基于光電流的比將波長分配給入射光。

在一些實現(xiàn)方式中，所述系統(tǒng)包括以下特征中的一個或多個。例如，光檢測器可包括堆疊的光電二極管結(jié)構(gòu)。所述系統(tǒng)可包括光學濾波器，所述光學濾波器限制入射在光檢測器的光敏區(qū)域上光的波長。所述光學濾波器僅可允許單一波長或窄波長帶穿過。在一些情況下，所述系統(tǒng)包括多個光檢測器，所述多個光檢測器中的每一個包括相應的第一光敏區(qū)域和第二光敏區(qū)域，其中所述第一光敏區(qū)域的光學響應度特性不同于所述第二光敏區(qū)域的光學響應度特性。每個光檢測器可具有相應的光學濾波器，所述光學濾波器允許光檢測器感測不同于其他光檢測器的波長或窄波長帶。所述處理電路可被配置來識別入射輻射的一個或多個波長，其中基于來自光敏區(qū)域中的第一個的光電流與來自與第一光敏區(qū)域相同光檢測器的第二光敏區(qū)域的光電流的比來識別每個波長。

在另一方面中，一種用于確定入射光的頻譜發(fā)射特性的系統(tǒng)包括光敏元件的陣列，所述光敏元件的陣列至少部分地由堆疊的第一光敏區(qū)域和第二光敏區(qū)域構(gòu)成，所述堆疊的第一光敏區(qū)域和第二光敏區(qū)域的光學響應度特性彼此不同。光學濾波器設(shè)置在光敏元件的所述陣列上，其中所述光學濾波器被配置來僅允許光譜的相應較窄部分通過，到達光敏元件中的不同的光敏元件，使得光敏元件中的不同的光敏元件或光敏元件的子組可操作來感測不同于光敏元件中的其他光敏元件或光敏元件的子組的光譜的一部分中的光。處理電路聯(lián)接到光敏元件并且被配置來從每個光敏元件的第一光敏區(qū)域和第二光敏區(qū)域接收相應的光電流，計算來自光敏元件中的至少一些的第一光敏區(qū)域和第二光敏區(qū)域的光電流的相應的比，并且基于所計算的比將相應的波長分配給入射光。

在所述系統(tǒng)的一些實現(xiàn)方式中，光學濾波器形成光學濾波器的連續(xù)或半連續(xù)光譜。在一些情況下，光學濾波器共同地基本上允許光譜的整個可見部分在2nm-4nm范圍內(nèi)的分辨率下由光敏元件的陣列感測。光敏元件的陣列例如可以是CMOS傳感器。

本公開可用于涉及測量光學輻射的頻譜發(fā)射特性的廣泛范圍的應用。

其他方面、特征以及優(yōu)點將根據(jù)以下詳細描述、附圖以及權(quán)利要求書而容易地理解。

附圖簡述

圖1示出用于檢測單色入射光的布置。

圖2是光學響應度曲線的實例。

圖3是示出確定入射光波長的方法的流程圖。

圖4是光學響應度曲線的另一個實例。

圖5示出用于檢測非單色入射光的一種布置。

圖6A、圖6B和圖6C是光學響應度曲線的另外的實例。

圖7示出用于檢測非單色光的另一種布置。

圖8是用于檢測寬帶或全光譜入射光的布置的實例。

圖9是用于檢測入射光并確定入射光波長的系統(tǒng)的方框圖。

詳細描述

如圖1所示，光學輻射20入射在光檢測器22上，所述光檢測器22中的每一個具有多個頻譜靈敏度。具體地說，每個光檢測器22可例如作為堆疊的半導體(例如，硅)光電二極管22A、22B來實現(xiàn)。堆疊的光電二極管結(jié)構(gòu)具有多個(例如，兩個)接點，所述多個接點的光學響應度(即，頻譜特性)彼此不同。在這個實施例中，假設(shè)入射光20基本上是單色的(例如，具有單一波長或中心峰波長周圍的非常窄的光譜)。如圖1所示，包括一個或多個光束成形元件(諸如透鏡)的寬視場(FOV)或其他光學系統(tǒng)24可將入射輻射20聚焦到光檢測器22上。在一些情況下，光學濾波器26設(shè)置在每個光檢測器22上。例如，光學濾波器26可以是透明的，以便僅允許可見光穿過，以用于由光檢測器22檢測?？蓪碜怨鈾z測器22的輸出28A、28B提供給被配置來處理光電流并基于所述光電流將對應的波長分配給入射光20的處理電路。

圖2示出兩個曲線A1、A2的實例，所述兩個曲線A1、A2中的每一個表示光電二極管22A、22B中的一個相對于波長的光學響應度。在所示出的實例中，曲線A1表示光檢測器22中的一個的特定接點22A的光學響應度，并且曲線A2表示相同光檢測器22中的另一個接點22B的光學響應度。光學響應度(也稱為光響應度)大體是入射光波長的函數(shù)。從所示出的實例顯而易見，兩個曲線A1和A2彼此不同。因此，假設(shè)入射光的波長約為600nm，接點22A的響應度(使用曲線A1)將被檢測為I_A1,1，而接點22B的響應度(使用曲線A2)將被檢測為I_A2,1。

處理電路可操作來計算光電流的比(即，光學響應度)I_A1,1/I_A2,1(圖3中的102)。假設(shè)入射光基本上是單色的，對于入射光的給定波長，光電流的比將基本上相同，而不管入射光的強度如何。因此，可例如將光電流的比與存儲在與處理電路相關(guān)聯(lián)的存儲器中的查找表中的比值進行比較(104)，并且基于所述比較，處理電路可將波長分配給入射光(106)。具體地說，處理電路分配與對所計算的比最接近的匹配相關(guān)聯(lián)的波長。存儲在查找表中的值可以實驗的方式確定。在一些情況下，不是將所計算的比與查找表中的值進行比較，處理電路可使用預定的方程式確定入射光的對應波長。

使用所檢測的光電流的比來將波長分配給入射光的優(yōu)點可從圖4的實例顯而易見，所述圖4示出與圖2相同的兩個響應度曲線A1、A2。如由圖4中的值I_A2,1和I_A2,2所指示，光檢測器22中的一個的第一接點22A在兩個不同波長(即，700nm和970nm)處生成相同的光電流。然而，第二接點22B在那些相同波長處生成入射光的不同光電流。因此，對于具有700nm波長的入射光，第二接點22B生成光電流I_A1,1，而對于具有970nm波長的入射光，第二接點22B生成更小的電流I_A1,2。同樣，處理電路可計算實際光電流的比，并且可基于所述比將波長分配給入射光。與在圖2的實例一樣，假設(shè)在圖4的實例中入射光基本上是單色的。

在一些實現(xiàn)方式中，即使入射光是非單色的并且由光譜的不同部分中的多個窄帶組成，通過提供窄帶通濾波器來用合理準確度確定入射光的波長也是可能的。圖5示出假設(shè)入射光20由在三個不同窄帶20A、20B、20C(例如，紅色、綠色和藍色)中的離散波長組成的實例。光檢測器22中的每一個可類似于參考圖1描述的那些光檢測器。此外，光檢測器22中的一些具有相應的光學濾波器26A-26C，所述光學濾波器26A-26C允許光譜的僅單一部分的光穿過，到達下面的堆疊的光電二極管22A、22B。例如，如圖5所示，光檢測器22中的一個具有僅允許光譜可見部分中的紅色光通過的濾波器26A，另一個光檢測器22具有僅允許綠色光通過的濾波器26B，并且第三光檢測器22具有僅允許光譜可見部分中的藍色光通過的濾波器26C。

一些光源是單色的。例如，鈉蒸氣燈僅可在589nm處發(fā)射光。如果所發(fā)射的波長(或波長的窄帶)在由濾波器26A-26C通過的波長的范圍之外，那么所發(fā)射的光將不被具有那些濾波器的光檢測器22中的任一個檢測到。為了解決此類情況，可提供例如具有允許所有顏色的可見光通過的透明濾波器26D的另外的光檢測器22。假設(shè)入射(可見)光是單色的，處理電路可通過使用來自具有透明濾波器的光檢測器的光電流輸出的比來以上文所述的方式確定光的波長。

在前述實例中，假設(shè)透明濾波器僅允許可見光通過。在其他情況下，透明濾波器還可允許光譜的其他部分中的光(例如，IR、近IR或UV)通過。

因此，每個光檢測器22僅可檢測特定窄帶內(nèi)的光(參見圖6A、圖6B和圖6C，其中虛線分別指示可見光譜的可被單個檢測器22檢測到的藍色部分、綠色部分和紅色部分。因此，圖6A指示可見光譜的可被具有藍色帶通濾波器26C的檢測器22檢測到的藍色部分，圖6B指示可見光譜的可被具有綠色帶通濾波器26B的檢測器22檢測到的綠色部分，并且圖6C指示可見光譜的可被具有紅色帶通濾到器26A的檢測器22檢測到的紅色部分。來自檢測器22中的給定的一個的每對光電流輸出28A、28B可由處理電路使來確定比，并且將波長分配給光譜的那個部分內(nèi)的入射光，如上文結(jié)合圖2-4所描述。

在一些情況下，不是將所計算的光電流比分配給特定波長，處理電路可簡單地確定所計算的波長是否在預定比的指定公差內(nèi)。如果所計算的比在指定公差之外，那么處理電路可致使生成警報或消息，以指示入射光不同于預期的波長。

盡管圖5的特定實例中的濾波器被設(shè)計成分別使紅色光、綠色光和藍色光通過，但是在其他情況下，可提供被設(shè)計成使光譜的不同部分(例如，紅外線或紫外線)通過的濾波器。另外，可提供不同數(shù)量的光檢測器，每個光檢測器對應于相應的波長帶。大體上，只要入射光的每個波長(或窄帶)落在光譜的限定區(qū)域中的一個內(nèi)，處理電路就可確定入射光的波長。

因此，可增加用于不同頻譜區(qū)域的光電二級管22和相關(guān)聯(lián)的濾波器26的數(shù)量，使得可從多帶光源中識別甚至更大數(shù)量的波長。圖7示出包括七個光檢測器22的實例。光檢測器22中的六個具有允許不同的相應頻譜區(qū)域通過的相應光學濾波器(26A、26B、26C、26E、26F、26G)。因此，只要每個波長或窄帶落在由光檢測器22中的由顏色濾波器限定的相應的一個涵蓋的非重疊波長區(qū)域中的不同的一個內(nèi)，就可識別包括高達六個離散波長或窄波長帶20A-20F的入射光的單個波長。如以上所述，每個光檢測器22可包括具有接點的堆疊的光電二極管結(jié)構(gòu)，所述接點的光學響應度彼此不同。處理電路可計算來自每個特定光檢測器22的光電流輸出28A、28B的比，并且可使用所述比識別入射光的波長。在一些情況下，光檢測器22中的另一個包括允許所有顏色的可見光通過的透明的濾波器26D。可通過增加光檢測器22的數(shù)量并且向每個光檢測器提供僅允許不同波長或窄波長帶通過的光學濾波器來擴展前述布置，以識別其他多帶光源的波長。

在一些情況下，即使入射光的波長帶中的一些(或全部)略有些寬(即，覆蓋多于單一波長)，來自特定光電二級管的光學響應的比也可用來識別對應帶中的具有近似值的波長。因此，盡管在一些情況下識別寬帶入射光的精確波長可能是不可能的，但是處理電路可使用來自每個特定光檢測器的光電流輸出28A、28B的比來識別每個顏色濾波器范圍內(nèi)的近似位置，以便確定入射光的近似波長。

在前述實現(xiàn)方式中，光檢測器22是各自具有多個頻譜敏感度的離散裝置(例如，具有光學響應度曲線彼此不同的多個接點的堆疊的光電二級管結(jié)構(gòu))。圖8示出可對于確定多帶或全光譜入射光120的波長特別有用的另一種實現(xiàn)方式。在這個實現(xiàn)方式中，不提供用于光檢測器22的多個離散裝置，可提供光敏元件的陣列122(例如，CMOS傳感器)。像素陣列122包括以二維柵格組織并且具有接點122A、122B的多個(例如，兩個)豎直堆疊的光電二極管，所述接點122A、122B的光學響應度曲線彼此不同?？蓪⒐鈱W濾波器126的連續(xù)或半連續(xù)光譜提供在像素陣列122上。每個濾波器126A可被配置來僅允許光譜的較窄部分通過。可使濾波器126A的數(shù)量足夠大，使得濾波器共同地允許廣范圍的窄波長帶通過，到達下面的像素。然而，濾波器126A被布置成使得每個像素(或像素的子組)接收僅在窄波長帶內(nèi)的光。在具體的實現(xiàn)方式中，CMOS傳感器像素陣列可具有100x100像素的尺寸，并且可在2nm-4nm范圍內(nèi)的分辨率下基本覆蓋從400nm-700nm的整個可見頻譜范圍。

如圖9所示，用于檢測入射光并確定所述入射光波長的系統(tǒng)可包括處理電路30。處理電路30可操作來讀取來自光檢測器22(或122)的信號并處理所述信號，以便根據(jù)以上所述的技術(shù)識別入射光中的一個或多個波長。處理電路30可例如作為具有適當數(shù)字邏輯和/或其他硬件部件(例如，讀出寄存器；放大器；模數(shù)轉(zhuǎn)換器；時鐘驅(qū)動器；定時邏輯；信號處理電路；和/或微處理器)的一個或多個半導體芯片中的一個或多個集成電路來實現(xiàn)。因此，處理電路30被配置來實現(xiàn)與此類電路相關(guān)聯(lián)的各種功能。

前述技術(shù)應用范圍廣范，包括半導體處理，在所述半導體處理中可能需要監(jiān)測周圍環(huán)境的頻譜發(fā)射特性或者可能需要調(diào)諧輻射源。所述技術(shù)在光測譜法應用中也可能是有用的。另外，所述技術(shù)還可在成像應用中是有利的，在所述成像應用中，可能希望測量并確定環(huán)境光的頻譜發(fā)射特性。

光學組件和光檢測器22(或122)可并入到具有相對小的占地面積的緊湊模塊中。所述模塊進而可被整合到例如包括攝像機的主機裝置(例如，智能電話或其他手持式計算裝置)中?？蓪碜怨鈾z測器22(或122)的光電流輸出提供給駐存在主機裝置中的處理電路30。另外，在一些情況下，可將來自處理電路30的輸出提供給主機裝置的其他部件32(例如，攝像機或顯示屏)以指示環(huán)境光信息。攝像機可使用此類信息以例如調(diào)整攝像機光圈或調(diào)整顯示屏的亮度。

可在前述公開的精神內(nèi)進行各種修改。因此，其他實現(xiàn)方式也在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。