[发明专利]集成束缚模式频谱/角度传感器

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请要求2014年6月9日提交的美国临时专利申请序列号62/009,832和2015年1月5日提交的美国临时专利申请序列号62/099,981的优先权，其整体内容通过引用并入本文。

政府支持陈述

本发明是在国家科学基金会授予的批准号EEC0812056的政府支持下做出的。政府对本发明具有一定权利。

技术领域

本发明一般涉及照明领域，特别是包括传感器的智能照明，并且具体地涉及集成束缚模式频谱/角度传感器的领域。

背景技术

将室内照明向能量高效的LED系统进行转换为以下提供众多机会：将照明的功能从当今的适度通/断/调光控制增加到利用LED的电子兼容性和灵活性的新的智能照明范式。这种新的照明范式包括用于增强工人/学生生产力的照明、诸如巩固人类睡眠/清醒循环的昼夜周期转换之类的健康效应、用于缓解日益增长的无线瓶颈的可见光通信（VLC）、以及用于提供定制照明的占用/活动感测。

将利用以跨可见光的不同颜色处的多个LED实现最高照明效力，从而消除在磷光体颜色转换中固有的能量损耗。VLC将要求具有来自多个灯具的多个LED的多输入多输出（MIMO）架构，以提供必要的聚集Gbps数据速率并且支持当人们与其个人设备一起移动时的移动性。光具对健康和生产力有许多影响；频谱以及强度变化对于优化人类环境是重要的。除了来自LED的改进效力的节约之外，甚至更大的能量节约连同更加舒适的体验，通过将照明适配于人类活动而可得到。

当前存在开发牵涉具有横跨400 nm至700 nm可见光谱的4至10个独立颜色的每一个灯具中的多个LED的智能照明的趋势。在本领域中需要提供将允许宽色域的智能照明，而且要求复杂控制系统以适配于不同照明条件、家具和墙壁、地板、天花板的不同影响和/或不同灯具中的LED的不同老化。虽然当今的彩色相机包括诸如可以集成以供用在智能照明中的光敏像素的组件，但是需要用于智能照明传感器的角度和频谱分辨率要求相当不同于传统相机的角度和频谱分辨率要求，该传统相机要求角度非敏感性并且仅具有带有三个相对宽带且频谱重叠的颜色滤波器（RGB）。最常见地，当今的彩色相机利用直接位于相机的硅光敏像素的顶上的染料吸收剂，其典型地具有~100 nm或更大的频谱带宽。

针对智能照明组件的开发技术的尝试包括用于应用于数字相机的颜色像素的焦平面颜色滤波器。在红外频谱区中已经广泛研究了半导体检测器的表面等离子体波（SPW）增强。典型地，在IR中，方案是耦合至束缚于金属-半导体界面的SPW。这允许使用更薄吸收区（因而具有更低噪声电流）和更长吸收路径（沿像素而不是跨结深度）。然而，该方案由于硅跨可见光谱的高且强烈变化的吸收而不适合于可见光谱。另一问题是所要求的光栅的小尺度，该尺度为~λ/n，其中n（半导体折射率）对于硅而言跨可见光谱为4至5。此外，SPW方案的限制包括：1）可见光中的相对高金属光学损耗约束可用带宽；频谱宽度典型地为100至200 nm，比期望的带宽大一个数量级；并且2）透射低，典型地不大于10%，从而限制测量的灵敏度。

虽然已经存在远场滤波（平面波到平面波）的许多示范，但是呈现了耦合到硅材料以用于检测的相对少的示范。在这样少的示范中，线宽已是宽的，典型地为100至200 nm。术语“等离子体激元”一般覆盖限定在金属-电介质界面上的扩展（传播）表面等离子体波（SPW）和与金属颗粒、金属膜中的孔、金属盘等相关联的局部表面等离子体共振（SPR）二者。SPW和SPR的角度响应相当不同，其中取决于表面周期性SPW具有窄角度响应，而SPR一般具有角度无关的响应。在任何实际等离子体结构中，这两个共振相互作用，从而给出复杂、波长相关的角度响应。同时，像素一般是小的，由个体像素是亚10微米的高像素计数相机中的趋势所驱动。另外，许多研究已经示范了基于通过金属膜中的孔阵列的非凡光学透射的远场滤波器方案，在该方案中滤波器的远场透射用作频谱选择量。作为实现远场状况所要求的长传播距离的结果，该方案难以以方便的形状因子实现，所述远场状况要求滤波器元件与硅检测器阵列隔开。