面積が拡大縮小された光検出器を有する色検出器

专利摘要:
色検出器は、光源、フィルタ、及び光検出器を含む。光検出器は、対応するフィルタを通過する所定の色の光の量に比例した信号を出力する。アレイで使用される場合、各フィルタは、異なる透過特性を有し、各色信号は、異なる大きさ、及び／又は信号対ノイズ比を有する。これは、光検出器および対応するフィルタのそれぞれの面積を調整することにより補正され得る。言い換えれば、面積は、光検出器が基準色の色信号を均等化するように構成される場合、それによりセンサが測定することを意した色信号の信号対ノイズ比を最大にする。光検出器の面積は、いくつかある因子の中で特に、波長の関数としての光検出器の応答曲線、波長の関数としてのフィルタの応答曲線、及び光源により生成された、波長の関数としての光の量に基づくことができる。
公开号:JP2011511946A
申请号:JP2010546741
申请日:2008-02-13
公开日:2011-04-14
发明作者:ヴァンブロックリン，アンドリュー；クラーク，ステファン；ダールグレン，ブレット
申请人:ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル．ピー．；
IPC主号:G01J3-00

专利说明:

[0001] 背景
分光測定法は、可視スペクトル、近紫外線スペクトル、近赤外線スペクトルの電磁波の研究である。分光光度計は、強度、色、及び／又は波長を含む光の様々な特性を測定するように構成された光測定デバイスである。分光光度計は、広い使用範囲を有する。例えば、それらは、テレビ受像器、プロジェクタ、モニタ、ビデオカメラのファインダーのようなディスプレイ装置での色を検出するために使用され得る。代案として、分光光度計は、印刷された色を較正するために印刷装置で使用され得る。]
[0002] 一般に、色検出器として使用される場合、分光光度計は、光源、光検出器として知られる光−電気変換器、及びフィルタを含むことができる。一例において、光は、対象物の方へ投射される。対象物は光を反射し、光検出器がその反射された光を受光する。光は、その色が検出され得るように光検出器により受光される前にフィルタを通過してもよい。特に、フィルタは、波長の特定範囲を有する光のみが通過できるように構成される。これは、フィルタ応答として知られる。フィルタを通過する光により、光検出器は電気信号を生成する。この電気信号の大きさは、存在する特定色の光の量を示す。光検出器およびフィルタのアレイにより、分光光度計がより詳細な情報を受け取ることが可能になる。例えば、異なる波長で光を濾波するように同調されたフィルタをそれぞれ有する光検出器のアレイは、より少ない数のフィルタに比べて、入力光のスペクトルにおいてより精密な分解能で検出することができる。]
[0003] 多くの技術分野において有用であるが、分光光度計は、特にフィルタの透過特性に関連した幾つかの問題を有する。例えば、異なる色のみがフィルタを通過できることに加えて、異なる周波数での光の透過を可能にするように同調されたフィルタは、異なる量の光の透過も可能にする。言い換えれば、１つのフィルタを通過する光の量は、別のフィルタを通過する光の量より大きい可能性がある。この相違がフィルタの構成の結果である場合、それが補正されないならば、色検出器による不正確な色測定につながる可能性がある。更に、幾つかのフィルタは、他のフィルタより低い信号対ノイズ比を呈する場合があり、それは、そのフィルタの帯域幅における低い入力信号強度、又は対象となる帯域内での十分に高い透過を可能にするためのその設計による、任意の１つのフィルタの無能力に起因する。この文脈において、「ノイズ」は、フィルタの同調された波長スペクトルの範囲外の色からの光の干渉、又は光検出器における電気ノイズとすることができる。また、フィルタによる透過を増幅するための試みも、ノイズを増幅するという結果になる可能性がある。やはり、これも、色検出器による不正確な色測定につながる可能性がある。光検出器は、その光検出器に到達する光の特定の波長（即ち、色）に応じて、所与の量の光パワーに対して異なる応答を有する可能性がある。例えば、「赤色」光は、等しい光パワーの「青色」光により生成されたものよりも１０倍大きい電気信号を生成することができる。光検出器は、使用可能な光の限られた範囲のみを検出することができる。光源は、波長の関数として、異なる量の光を生成することができる。]
[0004] 従って、光検出器によるより正確な色測定を行うために、組み合わされた光源、フィルタ、及び光検出器の応答を均等化する分光光度計または光検出器が必要とされている。]
図面の簡単な説明

[0005] 例示的な色検出器の垂直断面図である。
例示的な光検出器上に配置された例示的なフィルタの垂直断面図である。
アレイに配置された、面積が拡大縮小（スケーリング）された複数のフィルタ及び光検出器を有する色検出器の例図である。]
[0006] 詳細な説明
色検出器は、波長のスペクトル内の光を生成するように構成された光源を含む。フィルタは、光源と光学的に連絡する。フィルタは、第１の所定の波長スペクトル内の光を通過させるように構成される。光検出器は、フィルタと光学的に連絡し、光がフィルタを通過する場合に、色信号を出力するように構成される。当該色信号の強度（即ち、大きさ）は、第１の所定の波長スペクトル内に存在する光の量を示す。色信号の大きさは、所定の波長のスペクトルに基づいて変化する可能性があるフィルタの透過特性に依存する可能性がある。フィルタ及び光検出器は、少なくとも１つの他のフィルタ及び光検出器と共にアレイにおいて使用され得る。アレイの各フィルタは、異なる色（即ち、波長のスペクトル）の光が通過できるように同調され得る。各フィルタが異なる色を通すことができるように同調されるので、アレイにおける各フィルタの透過特性は異なる可能性がある。また、各光検出器の感度、及び光源により放出された光の量は、色に従って変化する可能性がある。従って、所与の入力光信号に対して、各光検出器により生成された各色信号は、異なる大きさ、及び／又は信号対ノイズ比を有する可能性がある。これは、光検出器およびそれらの対応するフィルタのそれぞれの面積（領域）を調整することにより補正され得る。言い換えれば、光検出器は、色信号を均等化する、及び色信号の信号対ノイズ比を最適化するように構成された面積を有することができる。一実施形態において、信号対ノイズ比は、基準色に対して信号を最適化することにより、光検出器に対して最適化されることができ、その基準色は大抵の場合、中間色または白色とすることができる。光検出器の面積は、いくつかある因子の中で特に、波長の関数としての光検出器の応答曲線、波長の関数としてのフィルタの応答曲線、及び光源により生成された光の波長に基づくことができる。]
[0007] １つの例示的な手法において、色検出器は、ページに印刷された色を較正するためにプリンタと共に使用され得る。特に、色検出器は、当該ページの色および／または当該ページに印刷されたテスト領域の色を検出することができ、プリンタは、所望の印刷された色を達成するために、異なる色の用紙に対して異なる量のインクを吐出するように設定され得る。例えば、黄色のインクが所望されるが、そのページが青色である場合、黄色のインクは、そのページ上で緑色に見えるであろう。従って、色検出器は、ページ及びインクの合わさった色を検出し、所望の色がそのページ上に現れるようにインクを吐出するためにプリンタを設定する。]
[0008] 図１を参照すると、光源１２、光源１２と光学的に連絡する光検出器１４、及び光検出器１４から間隔を置いて配置されたフィルタ１６を有する例示的な色検出器１０が提供される。較正の用途の例において、光源１２は光を試料１８上に投射する。光源１２は、波長のスペクトル内の光を生成するように構成され得る。言い換えれば、光源１２は、「白色」光または任意の他の色の光を生成するように構成され得る。光源１２は例えば、発光ダイオードとすることができるが、他の光源または光源の組み合わせも本発明の範囲内にある。試料１８は例えば、一枚の用紙とすることができるが、他の試料１８も本発明の範囲内にある。試料１８上に投射された光は、試料１８により光検出器１４上へ反射される。しかしながら、１つの例示的な手法において、光検出器１４に到達する前に、光はフィルタ１６を通過する。フィルタ１６はファブリペローエタロン又は干渉計、或いは当該技術において知られている任意の他のフィルタ１６とすることができる。１つの例示的な手法において、フィルタ１６は、以下でより詳細に説明されるように、特定の波長のスペクトルを有する光のみが光検出器１４へと通過できるように同調され得る。光検出器１４により受光されるやいなや、光検出器１４（変換器）は電気信号を出力し、この電気信号は電流または電圧の何れかである。「光検出器」１４は、フォトダイオード、フォトトランジスタ、アバランシェフォトダイオード、又は当該技術において知られている任意の他の光検出器１４とすることができる。光検出器１４の出力の大きさは、光検出器１４に到達する光の量に比例し、ひいては対応するフィルタ１６に到達し、フィルタ１６が同調される色である光の量に比例する。] 図１
[0009] 複数のフィルタ１６が色検出器１０で使用されることができ、各フィルタ１６は、一意の特定の波長スペクトルに同調され得る。１つの例示的な手法において、各フィルタ１６の特定の波長スペクトルは、少なくとも部分的に重なることができ、全ての波長において何らかの透過を有する可能性が最も高い。言い換えれば、各フィルタは、特定の領域においてピーク又は主要な透過を可能にするように設計される。更に、複数のフィルタ１６が使用される場合、色検出器１０は複数の対応する光検出器１４を含むことができ、当該光検出器は各フィルタ１６に対して少なくとも１つである。１つの例示的な手法において、色検出器１０は７個のフィルタ１６及び７個の光検出器１４を含むことができる。各フィルタ１６は、対応する光検出器１４へと異なる色が通過できるように同調され得る。一例として、フィルタ１６は、「赤色」、「オレンジ色」、「黄色」、「緑色」、「青色」、「藍色」、及び「すみれ色」に対応する波長スペクトルを検出するように構成され得る。試料１８が「赤色」のスペクトル内にある場合、光は「赤色」のスペクトルに対応する波長を有するフィルタ１６のみを通過し、他のフィルタ１６により阻止される。従って、「赤色」のフィルタ１６に対応する光検出器１４のみが、「赤色」のスペクトル内の光の量に比例する電気信号を出力する。同様に、試料１８が「緑色」である場合、光は「緑色」のスペクトルに対応する波長を有するフィルタ１６のみを通過し、他のフィルタ１６により阻止される。従って、「緑色」のフィルタ１６に対応する光検出器１４のみが、「緑色」のスペクトル内の光の量に比例する電気信号を出力する。より多くのフィルタ１６及び対応する光検出器１４を使用することにより、色検出器１０は、色の変化する色相を区別することが可能になる。例えば、追加のフィルタ１６及び対応する光検出器１４により、色検出器１０は、「青色」のスペクトル内にあるとして単に色を認識するのとは対照的に、「淡い青色」、「空色」、及び「濃紺色」を区別することができるかもしれない。]
[0010] 以下でより詳細に説明されるように、フィルタ１６及び光検出器１４は、他のフィルタ１６及び光検出器１４と共にアレイで使用され得る。図２は、アレイにおける１つの光検出器１４上に配置された、アレイにおける１つのフィルタ１６の例示的な断面図である。アレイに配置される場合、光は、１つのフィルタ１６から反射され、アレイの他のフォトダイオード１４に障害を与える可能性がある。従って、色検出器１０は、各フィルタ１６の上に、開口２２を画定する遮光層２０を含むことができる。光は、フィルタ１６を通過する前に開口２２を通過し、遮光層２０は、光がフィルタ１６に反射することを防止し、他の光検出器１４に障害を与えることを防止する。同様に、色検出器１０は、光が他の光検出器１４に障害を与えることも防止する少なくとも１つのトレンチ（深い溝）２４を含むことができる。] 図２
[0011] １つの例示的な手法において、フィルタ１６は、互いから間隔を置いて配置された２つの部分反射層を含むことができる。スペーサ層が、第１の部分反射層と第２の部分反射層との間に配置され得る。このタイプのフィルタ１６は、当該技術において、ファブリペローエタロン又はファブリペロー干渉計として知られているが、他のタイプのフィルタ１６も使用され得る。光は、部分反射層の１つを通過することができ、２つの部分反射層の間で反射される。例示されるように、光は、第１の部分反射層を通過し、第１の部分反射層と第２の部分反射層との間で反射することができる。これは内部反射として知られる。内部反射が同相である（即ち、強め合う）場合、光は、フィルタ１６を通過する。内部反射が位相の不一致である（即ち、弱め合う）場合、光波は、互いに打ち消し合い、光はフィルタ１６を通過しないという結果になる。内部反射が強め合うか又は弱め合うかは、光の波長（即ち、色）、フィルタ１６に入射する光の角度、スペーサ層の厚さ、及びスペーサ層の屈折率に依存する。前述したように、光の色は、試料１８の色によって決まる。しかしながら、フィルタ１６に入射する光の角度、スペーサ層の厚さ、及びスペーサ層を形成する材料の屈折率は、特定の波長スペクトル内の光が通過できるように調整され得る。]
[0012] 図３は、フィルタ１６及び対応する光検出器１４のアレイを有する色検出器１０の例図である。１９個のフィルタ１６及び光検出器１４が示されるが、色検出器１０は、それより多い又は少ないフィルタ１６及び対応する光検出器１４を含むことができる。更に、フィルタ１６及び光検出器１４は、集積回路上に予め配置されることができ、当該集積回路上の１つ又は複数のフィルタ１６及び光検出器１４は、特定の状況で使用されなくてもよい。例えば、集積回路は、１９個のフィルタ１６及び対応する光検出器１４を含むことができるが、例えば１６個のフィルタ１６及び対応する光検出器１４だけを用いて、１６色のみを検出するように構成され得る。] 図３
[0013] 色検出器１０は、光源１２と光学的に連絡する第１のフィルタ２６を含むことができる。第１のフィルタ２６は、第１の所定の波長スペクトル内の光を通すように構成される。第１の所定の波長スペクトルは、光源１２により生成された波長スペクトルの範囲内にある。第１のフィルタ２６は、図２に関連して上述されたフィルタ１６と同様とすることができる。言い換えれば、第１のフィルタ２６は、互いから間隔を置いて配置された２つの部分反射板を含み、スペーサ層が当該部分反射板の間に配置されている。] 図２
[0014] 第１の光検出器２８は、第１のフィルタ２６と光学的に連絡し、光が第１のフィルタ２６を通過する場合、第１の色信号を出力するように構成される。前述したように、第１のフィルタ２６は、第１の所定の波長スペクトル内の光を通すことができるように同調される。言い換えれば、第１のフィルタ２６は、第１の色の光を第１の光検出器２８へと通過させる。第１の色信号は、受光された第１の色の光の量を示し、試料１８における第１の色の光の存在を示す。言い換えれば、第１の色信号は、図１に関連して上述された光検出器の電気出力信号の１つである。] 図１
[0015] 異なる色信号は、異なる信号対ノイズ比を有する。従って、第１の光検出器２８は、色を測定するために、並びに所望の色測定値のセットに対する第１の色信号の信号対ノイズ比を最適化するために、他のフィルタ１４と協働して使用される場合に他のフィルタ１４の他の色信号に関連して第１の色信号を均等化するように構成された面積（area：領域）を有する。各光検出器１４の面積を求めることは、光検出器１４、フィルタ１６、又は光源１２の異なる特性に基づくことができる。特に、第１の光検出器２８の面積は、波長の関数としての第１の光検出器２８の応答曲線、波長の関数としての第１のフィルタ２６の応答曲線、又は光源１２により生成された、波長の関数としての光の量に基づくことができる。例えば、第１のフィルタ２６の光透過率は、第１のフィルタ２６が通過させるように構成された光の色に直接的に関連する可能性がある。従って、光の幾つかの色は、他の色よりも大きく第１の光検出器２８に影響する。従って、各光検出器１４のサイズは、各フィルタ１６の異なる光透過特性に適応するように変更される。特に、低い光透過率を有するフィルタ１６は、より大きい面積を有する光検出器１４上に配置され得る。より大きい面積を用いることにより、光検出器１４は、たとえフィルタ１６を通る色の透過率が低くても、より多くの当該色を受け取ることができる。同様に、高い光透過率を有するフィルタ１６は、より小さい面積を有する光検出器１４上に配置され得る。フィルタ１６を通る光透過率に基づいた光検出器１４の大小の面積の組み合わせを用いることにより、光検出器１４の色出力信号は均等化され得る。言い換えれば、色検出器１０の設計は、フィルタ１６の光透過率、並びに各色に対する光検出器１４の応答を均衡させることができ、それにより任意の基準色の均等化された色信号または一組の色に関する最適に均等化された色信号が生成される。別の実施形態において、異なる有効面積を有する光検出器１４が、異なる複数のより小さい又はユニットサイズの光検出器を用いて形成され得る。例えば、青色の場合、並列に接続された１０個のユニットサイズの光検出器を用いて、１つの機能的な光検出器を形成することができるが、赤色の場合、１つのユニットサイズの光検出器のみが必要とされ得る。]
[0016] 色検出器１０は更に、第１のフィルタ２６と共にアレイに配置された第２のフィルタ３０を含むことができる。第２のフィルタ３０は、光源１２と光学的に連絡し、第２の所定の波長スペクトル内の光を通過させるように構成され得る。一般に、アレイの各フィルタは、その全波長帯域の応答において一意であるように特に設計される。従って、所与のフィルタは、１つの主要な透過ピーク又は複数の主要な透過ピークを有するが、全透過特性は、フィルタ毎に異なる。１つの主要な透過ピークのみを有するフィルタが使用される場合、各主要なピークは、任意の他のフィルタと異なる波長領域を網羅する。複数のピーク応答を有するフィルタが使用される必要がある場合、重なり部分を有する２つのフィルタの応答は、その重なり部分の領域におけるそれらの応答において、或る程度まで異なる。これは、正味の波長帯域の透過特性がフィルタ毎に異なることを確実にする。]
[0017] 多くの場合、幾つかのフィルタが１つの主要なピークを有し、残りが２つの主要なピークを有するフィルタが使用される必要がある。この状況において、フィルタが部分的に重なる場合、他のフィルタの主要なピークと部分的に重ならない１つのフィルタの１つの主要なピークが存在し、それにより他のフィルタから唯一の当該フィルタの正味の完全な分光透過が行われる。]
[0018] 第２の光検出器３２は第２のフィルタ３０と光学的に連絡し、光が第２のフィルタ３０を通過する場合に、第２の色信号を出力するように構成され得る。第１の光検出器２８と同様に、第２の光検出器３２は、第２の色信号を均等化し、第２の色信号の信号対ノイズ比を最大にするように構成された面積を有する。また、第２の光検出器３２の面積は、波長の関数としての第２の光検出器３２の応答曲線、波長の関数としての第２のフィルタ３０の応答曲線、又は光源１２により生成された、波長の関数としての光の量に基づくことができる。]
[0019] 上記の説明は、例示することが意図されており、制限することは意図されていない。提供された例とは異なる多くの実施形態および用途は、上記の説明を読む際に当業者には明らかになるであろう。本発明の範囲は、上記の説明に関係なく決定されるべきであるが、それよりむしろ添付の特許請求の範囲が権利を与える等価物の全範囲と共に、係る特許請求の範囲に関連して決定されるべきである。予想および意図されることは、今後の開発が本明細書で論じられた技術において行われ、開示されたシステム及び方法が係る今後の実施形態に組み込まれることである。要するに、理解されるべきは、本発明は、変更および変形を行うことができ、以下の特許請求の範囲によってのみ制限される。]
[0020] 特許請求の範囲で使用される全ての用語は、本明細書においてそれと反対に明白に示されない限り、当業者により理解されるように、それらの最も広い妥当な解釈およびそれらの通常の意味を与えるように意図されている。特に、「１つ」、「前記」などのような単数形の冠詞の使用は、請求項がそれと反対に明白な制限を記載しない限り、１つ又は複数の示された要素を記載するように読み取られるべきである。]

权利要求:

請求項1
波長スペクトル内の光を生成するように構成された光源と、前記光源と光学的に連絡し、第１の所定の波長スペクトル内の光を通過させるように構成された第１のフィルタと、前記第１のフィルタと光学的に連絡し、光が前記第１のフィルタを通過する場合に第１の色信号を出力するように構成された第１の光検出器とを含み、前記第１の光検出器が、前記第１の色信号を均等化し、前記第１の色信号の信号対ノイズ比を最大にするように構成された面積を有する、色検出器。
請求項2
前記第１の光検出器の前記面積が、波長の関数としての前記第１の光検出器の応答曲線、波長の関数としての前記第１のフィルタの応答曲線、及び前記光源により生成された、波長の関数としての光の量の少なくとも１つに基づいている、請求項１に記載の色検出器。
請求項3
前記光源と光学的に連絡し、第２の所定の波長スペクトル内の光を通過させるように構成された第２のフィルタを更に含む、請求項１に記載の色検出器。
請求項4
前記第２の所定の波長スペクトルが、前記第１の所定の波長スペクトルの範囲外の少なくとも１つの波長を含む、請求項３に記載の色検出器。
請求項5
前記第１のフィルタ及び前記第２のフィルタがアレイに配置されている、請求項３に記載の色検出器。
請求項6
前記第２のフィルタと光学的に連絡し、光が前記第２のフィルタを通過する場合に第２の色信号を出力するように構成された第２の光検出器を更に含む、請求項３に記載の色検出器。
請求項7
前記第２の光検出器の面積が、波長の関数としての前記第２の光検出器の応答曲線、波長の関数としての前記第２のフィルタの応答曲線、及び前記光源により生成された、波長の関数としての光の量の少なくとも１つに基づいている、請求項３に記載の色検出器。
請求項8
前記第１の光検出器が前記第１のフィルタ上に配置され、前記第２の光検出器が前記第２のフィルタ上に配置され、前記第１のフィルタ及び前記第２のフィルタがアレイに配置されている、請求項６に記載の色検出器。
請求項9
前記第２の所定の波長スペクトルが、前記光源により生成された光の前記波長スペクトル内にある、請求項３に記載の色検出器。
請求項10
前記第１の所定の波長スペクトルが、前記光源により生成された光の前記波長スペクトル内にある、請求項１に記載の色検出器。
請求項11
前記第１のフィルタが、間に配置されたスペーサ層でもって互いから間隔を置いて配置された少なくとも２つの部分反射板を含む、請求項１に記載の色検出器。
請求項12
波長スペクトル内の光を生成するように構成された光源と、前記光源と光学的に連絡するフィルタアレイであって、前記フィルタアレイの各フィルタが、所定の波長スペクトル内の光を通過させるように構成される、フィルタアレイと、前記フィルタアレイと光学的に連絡し、前記フィルタアレイの各フィルタを通過する、前記所定の波長スペクトル内の各光について、色信号を出力するように構成された光検出器アレイとを含み、前記光検出器アレイの各光検出器が、前記複数の色信号の少なくとも１つを均等化し、前記複数の色信号のそれぞれの信号対ノイズ比を最大にするように構成された面積を有する、色検出器。
請求項13
前記光検出器アレイにおける前記光検出器のそれぞれの前記面積が、波長の関数としての前記光検出器のそれぞれの応答曲線、波長の関数としての前記フィルタのそれぞれの応答曲線、及び光源により生成された光の波長の少なくとも１つに基づいている、請求項１２に記載の色検出器。
請求項14
前記所定の波長スペクトルが、前記光源により生成された光の前記波長スペクトル内にある、請求項１２に記載の色検出器。
請求項15
前記フィルタアレイの各フィルタが、前記波長スペクトル内の少なくとも１つの一意の主要な波長を濾波するように構成される、請求項１２に記載の色検出器。
請求項16
前記フィルタアレイの各フィルタが、間に配置されたスペーサ層でもって、第２の部分反射板から間隔を置いて配置された第１の部分反射板を含む、請求項１２に記載の色検出器。