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近年來，受手機(jī)、顯示屏及特種照明設(shè)備制造商的需求推動(dòng)，精密、準(zhǔn)確的芯片級(jí)顏色傳感器和光譜傳感器市場(chǎng)增長(zhǎng)顯著。因此，光學(xué)半導(dǎo)體制造商開發(fā)出不同系列傳感器，以滿足特定類型的應(yīng)用需求。
本文介紹了目前常用的光學(xué)傳感器和檢測(cè)器的類型，并對(duì)每種類型的適用性進(jìn)行了評(píng)估。
比色法
比色法，即顏色測(cè)量，在消費(fèi)、醫(yī)療、工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中的重要性日益增加。顏色傳感器IC在提高智能手機(jī)顯示屏和攝像頭性能方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。顏色傳感器IC也是園藝革命的核心，通過專業(yè)LED光源輸出，提高密集“垂直農(nóng)場(chǎng)”的產(chǎn)量，在嚴(yán)格控制的條件下種植蔬菜等作物。同時(shí)，顏色傳感器的新應(yīng)用還在不斷涌現(xiàn)。
顏色傳感器IC的早期應(yīng)用基于簡(jiǎn)單的RGB（紅/綠/藍(lán)）傳感器。如今，傳感器或探測(cè)器的要求更為復(fù)雜，通常需要系統(tǒng)開發(fā)人員具備專業(yè)知識(shí)。
人類對(duì)顏色的感知不僅依賴于絕對(duì)物理值（如電流或氣壓），同時(shí)也會(huì)受到主觀或生理因素影響。這意味著，雖然可以通過統(tǒng)計(jì)得出顏色感知的“平均”標(biāo)準(zhǔn)，但每個(gè)人的眼睛生理特征不同，并且人群中的異常值與平均值有很大差別。
人類對(duì)顏色感知的敏感度影響了對(duì)顏色傳感器測(cè)量精度的要求，因此需要定義兩種標(biāo)準(zhǔn)模型：CIE1931仿人眼感知行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模型和分離光/色到單獨(dú)光譜的模型。
這兩種模型，比色應(yīng)用都需要相同的基本系統(tǒng)元件和傳感器裝置：
光源的選擇、系統(tǒng)的運(yùn)行及濾波器的特性決定了傳感器模塊的檢測(cè)能力范圍。傳感器IC中的電路對(duì)傳感器信號(hào)的質(zhì)量和運(yùn)行速度有重要影響。
不同類型的顏色測(cè)量設(shè)備在功能和性能上存在差異：
- XYZ或真彩色傳感器
- 多光譜傳感器IC
- RGB傳感器IC
- 微型光譜儀
顏色傳感器和檢測(cè)器的類型
比色應(yīng)用通常使用兩種類型的設(shè)備。一種是將傳統(tǒng)光譜儀作為參考和校準(zhǔn)裝置，另一種是顏色傳感器IC，它能以低成本實(shí)現(xiàn)出色的顏色測(cè)量精度。
在某些情況下，微型光譜儀也可以成為一種合適的選擇。艾邁斯半導(dǎo)體在基于應(yīng)用的設(shè)置中進(jìn)行測(cè)量測(cè)試，以對(duì)不同類型的設(shè)備性能進(jìn)行合理比較，
圖1：具備干涉濾光片的真彩色傳感器的典型光譜特性
真彩色傳感器
真彩色傳感器可用于絕對(duì)值顏色測(cè)量。它們使用干涉濾光器，為顏色標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量提供技術(shù)基礎(chǔ)。這些傳感器IC可以仿照人眼視覺精確地測(cè)量數(shù)值（如圖1）。
干涉濾光器為每個(gè)顏色通道的每個(gè)波長(zhǎng)分配特定的靈敏度值。校準(zhǔn)后，可將測(cè)量到的顏色值呈現(xiàn)為XYZ值（色度坐標(biāo)），將其作為轉(zhuǎn)換到其他顏色空間的基值（XYZ坐標(biāo)基于CIE1931年“標(biāo)準(zhǔn)觀察者”的平均人眼特征）。因此，真彩色傳感器IC可用數(shù)值來描述織物或印刷品的顏色，與人類視覺效果相同。
多光譜傳感器
作為下一代傳感器，多光譜傳感器使用多通道來最大化信息輸出，且價(jià)格合理。有時(shí)僅測(cè)量顏色坐標(biāo)不夠精準(zhǔn)，則可通過測(cè)量物體的光譜組成，該原理可補(bǔ)償同色異譜現(xiàn)象（錯(cuò)誤的顏色匹配）。多光譜傳感器可以準(zhǔn)確辨別出，顯示為橙色的樣品究竟是紅色和黃色的混合色，還是真正的橙色。
圖2：典型多光譜傳感器的光譜靈敏度
多光譜傳感器將選擇的光譜分離成不同的光譜通道。濾波器的排列方式使其限制范圍對(duì)齊，在所選的可見光或NIR光譜中幾乎沒有間隙（參見圖2）。
在可見光范圍內(nèi)，多光譜傳感器的測(cè)量發(fā)生在輻射水平，而不是比色水平。這意味著傳感器會(huì)輸出樣品的光譜，并通過這些光譜值確定色點(diǎn)。在NIR光譜范圍內(nèi)，測(cè)量的光譜還可以用來觀察特定的帶通和化學(xué)鍵，以識(shí)別水分、脂肪和蛋白質(zhì)。NIR檢測(cè)范圍越寬（甚至超過芯片范圍），就越容易識(shí)別特定的物質(zhì)。
圖3：基于吸收濾波器的RGB傳感器的典型特性
傳統(tǒng)的RGB技術(shù)可以看作是光譜傳感器的子集。它們由可見光譜中的三個(gè)帶通濾波器組成（參見圖3）。光譜圖的峰值不是按照特定波長(zhǎng)設(shè)置成一致的，而是在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)測(cè)量任務(wù)和成本的要求來確定的。
這種顏色測(cè)量方法不符合人眼感知顏色的任何標(biāo)準(zhǔn)或模型。然而，RGB傳感器可以根據(jù)所需的精度完成比色任務(wù)。但是，即使使用復(fù)雜的校準(zhǔn)方法，RGB傳感器的顏色測(cè)量精度也僅限于三個(gè)帶通的信息。
微型光譜儀
微型光譜儀是一種尺寸小巧、堅(jiān)固耐用的傳感器解決方案，可以測(cè)量光譜值并支持色彩空間的表達(dá)。與實(shí)驗(yàn)室級(jí)光譜儀相比，其分辨率較為有限，但如果光譜掃描點(diǎn)較少，速度則會(huì)更快。
性能比較
使用一個(gè)或多個(gè)樣本進(jìn)行測(cè)量并作為參考值，對(duì)各類顏色傳感器IC進(jìn)行比較。首先，需要對(duì)RGB（相對(duì)測(cè)量）或比色XYZ值設(shè)定限制值，如ΔEL*a*b*（絕對(duì)測(cè)量）。
為比較各種傳感器和檢測(cè)器，艾邁斯半導(dǎo)體根據(jù)實(shí)際應(yīng)用配置測(cè)試裝置。
使用RGB或真彩色傳感器的LED照明測(cè)量和控制
某些LED燈具或顯示屏需要嚴(yán)格指定的色溫或特定色點(diǎn)。此外，可能需要補(bǔ)償由于溫度漂移或老化引起的顏色變化等影響。
表1：在D65測(cè)量中RGB和真彩色傳感器的比較
一般人眼可以看到?u’v’≤0.005的顏色差異。事實(shí)上，經(jīng)過訓(xùn)練的人眼甚至可以感知到?值最低為0.003的顏色差異。表1中的測(cè)試結(jié)果描述了RGB和真彩色傳感器在測(cè)量D65白色光源時(shí)的測(cè)量結(jié)果。
在測(cè)試中，我們?cè)O(shè)置了兩個(gè)使用反饋控制回路的系統(tǒng)，一個(gè)使用RGB傳感器，另一個(gè)使用真彩色傳感器，并在40°C(104°F)的溫度下進(jìn)行校準(zhǔn)。接下來，改變LED的溫度，產(chǎn)生顏色漂移，并由反饋控制回路進(jìn)行補(bǔ)償。由表1可知，RGB傳感器系統(tǒng)在20°C(104°F)下的控制精度為>0.007，在更高的溫度下會(huì)進(jìn)一步漂移。然而，在包含真彩色傳感器的反饋回路中，顏色偏差達(dá)到0.0011，仍然無法被人眼察覺。
通過真彩色傳感器和微型光譜儀進(jìn)行顯示屏管理
在醫(yī)療領(lǐng)域，診斷設(shè)備屏幕必須具有較高對(duì)比度，以便于觀察細(xì)節(jié)，這就要求顯示測(cè)量設(shè)備具有較高的精度和靈敏度。
傳統(tǒng)的顯示屏校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室方法需要較高成本，而現(xiàn)在顏色傳感器成為了一種更低價(jià)、更快捷、更方便且同樣有效的替代品。
為驗(yàn)證這一觀點(diǎn)，艾邁斯半導(dǎo)體創(chuàng)建了第二種測(cè)試。在此測(cè)試中，在室溫下，照射帶有LED燈的漫射板，LED的工作溫度為20℃（104℃），并測(cè)量色點(diǎn)。將真彩色傳感器IC和微型光譜儀產(chǎn)生的測(cè)量值與光譜儀提供的參考值進(jìn)行比較（參見圖4）。
測(cè)量結(jié)果表明，傳感器IC和微型光譜儀處理信號(hào)的速度比參考光譜儀快，但其誤差和精度值各不相同。微型光譜儀的測(cè)量值顯示色點(diǎn)測(cè)量的平均誤差范圍為?u’v’0.01-0.03——人眼可察覺。
真彩色傳感器的測(cè)量結(jié)果顯示，平均誤差范圍為?u’v’0.001-0.005，遠(yuǎn)小于人眼感知范圍（參見表2）。
圖4：微型光譜儀與真彩色傳感器的性能比較。采用實(shí)驗(yàn)室級(jí)光譜儀進(jìn)行參考測(cè)量。圖中的值以xy形式（色度坐標(biāo)）表示。
表2：微型光譜儀和真彩色傳感器測(cè)量值的比較
印刷行業(yè)：真彩色和多光譜傳感器IC
在印刷行業(yè)中，對(duì)光譜測(cè)量有一定的要求。通過生產(chǎn)線測(cè)量來控制整個(gè)印刷過程，這無疑是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
在實(shí)際測(cè)試中，使用X-Rite ColorChecker進(jìn)行絕對(duì)顏色測(cè)量。與此同時(shí)，艾邁斯半導(dǎo)體使用了多光譜顏色傳感器，帶有多通道跨阻抗放大器和靈活的放大級(jí)別來執(zhí)行光譜測(cè)量，并使用白色LED作為標(biāo)準(zhǔn)光源。
采用多光譜傳感器測(cè)量ColorChecker的24個(gè)色彩空間，并與光譜儀的參考值進(jìn)行了比較。光譜的近似回歸方程表明，ColorChecker的平均精度為?E00=0.72（參見圖5）。
相同條件下的真彩色傳感器的平均精度為?E00=1.57。
ColorChecker目標(biāo)
圖5：多光譜測(cè)量結(jié)果評(píng)價(jià)
多光譜傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于精度高，并且可為光譜近似方法提供較廣的范圍。如果已知印刷顏色，則可以通過對(duì)特定顏色的校準(zhǔn)來改進(jìn)效果。因此，有可能不依靠獨(dú)立于觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)光源而實(shí)現(xiàn)?E00<1的絕對(duì)精度，
與光譜儀相比，傳感器的偏差值為青色?E00=0.3，品紅?E00=0.9，黃色?E00=0.3。
結(jié)論
以上所有測(cè)試中的測(cè)量都是在經(jīng)過校準(zhǔn)的系統(tǒng)中進(jìn)行的，包括光源、被測(cè)目標(biāo)和傳感器均已根據(jù)參考光譜儀進(jìn)行校準(zhǔn)。這些測(cè)試表明，真彩色傳感器在進(jìn)行顏色測(cè)量時(shí)能夠達(dá)到微型光譜儀的精度，甚至在某些應(yīng)用中會(huì)更精準(zhǔn)。在決定使用哪種顏色測(cè)量技術(shù)時(shí)，需要知道顏色或光譜信息以及如何處理這些數(shù)據(jù)。
例如，微型光譜儀不能對(duì)PWM控制的LED燈的顏色進(jìn)行一致的測(cè)量，因此，不適用于這種應(yīng)用。由于RGB和真實(shí)顏色傳感器不提供光譜測(cè)量，因此不能用于需要光譜值的應(yīng)用，而應(yīng)選擇多光譜傳感器或微型光譜儀。
表3總結(jié)了傳感器和檢測(cè)器類型的比較。該表每項(xiàng)評(píng)分均采用五分制。
測(cè)試表明，每個(gè)應(yīng)用都有最合適的傳感器解決方案。RGB傳感器是便捷式顏色檢測(cè)的理想選擇。真彩色傳感器適用于絕對(duì)顏色測(cè)量。多光譜傳感器或微型光譜儀適用于絕對(duì)或光譜測(cè)量。
表3：不同類型傳感器和測(cè)量?jī)x器的特點(diǎn)總結(jié)
總結(jié)
受手機(jī)、顯示屏及特種照明設(shè)備制造商的需求推動(dòng)，精密、準(zhǔn)確的芯片級(jí)顏色傳感器和光譜傳感器市場(chǎng)增長(zhǎng)顯著。因此，光學(xué)半導(dǎo)體制造商開發(fā)出不同系列傳感器，以滿足特定類型的應(yīng)用需求。
本文介紹了目前常用的光學(xué)傳感器和檢測(cè)器的類型，并介紹評(píng)估每種類型在特定應(yīng)用中適用性的方法，以及如何指定所需的特性和性能。
? ? ? ?本文作者：艾邁斯半導(dǎo)體，Kevin Jensen
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論