RGB色彩傳感器工作原理及應(yīng)用方案分析
色彩的感知
在進(jìn)入電子設(shè)備怎樣傳感色彩的理論之前，有必要了解人類(lèi)是怎樣感知色彩的。色彩是光源、物體和觀(guān)察者之間交互的結(jié)果。在反射的光中，落在一個(gè)物體上的光會(huì)被反射或吸收，具體取決于表面特點(diǎn)，如反射系數(shù)和透射情況。例如，紅紙會(huì)吸收光譜中大多數(shù)帶綠色的部分和帶藍(lán)色的部分，同時(shí)反射光譜中帶紅色的部分，因此對(duì)觀(guān)察者會(huì)表現(xiàn)為紅色。在自己發(fā)光的物體中，其原理相同：光會(huì)到達(dá)人眼，然后由眼睛的接受器進(jìn)行處理，由神經(jīng)系統(tǒng)和大腦進(jìn)行解釋。
人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)可以檢測(cè)到從大約400nm(紫色)到大約700nm(紅色)的電磁光譜，可以適應(yīng)變化廣泛的照明度和大量的色彩飽和度(純粹的顏色在白色中所占的比例)。雖然桿狀細(xì)胞是能夠在廣泛的照明度上工作、并對(duì)變化提供快速響應(yīng)的光傳感器元件，但這些桿狀細(xì)胞卻無(wú)法檢測(cè)色彩。稱(chēng)為錐狀細(xì)胞的光傳感器元件提供高分辨率的色彩圖像。共有三個(gè)錐狀細(xì)胞，在不同波長(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)峰值靈敏度，其分別是紅色(580nm)、綠色(540nm)和藍(lán)色(450nm)?？梢暪庾V內(nèi)任何波長(zhǎng)的光都將會(huì)在不同程度上刺激這三類(lèi)錐狀細(xì)胞中的一個(gè)或多個(gè)單元，我們感覺(jué)到的色彩則是我們的視覺(jué)神經(jīng)和大腦處理的信息。
很明顯，擁有正常色彩視覺(jué)的人在看到波長(zhǎng)組合相同的光時(shí)，基本上會(huì)感覺(jué)到相同的色彩。科學(xué)試驗(yàn)表明，人類(lèi)可以區(qū)分非常細(xì)微的色彩差異，估計(jì)最高可以達(dá)到1000萬(wàn)種，問(wèn)題是我們沒(méi)有足夠的詞來(lái)描述所有這些有著細(xì)微差異的色彩。
色彩測(cè)量的原理
圖1.1顯示了與使用儀器或傳感器進(jìn)行色彩測(cè)量相比，人眼檢測(cè)色彩的基本原理。傳感設(shè)備可以是高端設(shè)備，如分光光譜儀或英國(guó)國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)校準(zhǔn)的攝像機(jī)，也可以是低端設(shè)備，如RGB色彩傳感器等。
測(cè)量?jī)x器通常分為兩大類(lèi)：色度分析方法和測(cè)光方法。在使用色度分析方法時(shí)，設(shè)備使用具有三個(gè)濾波器的傳感器測(cè)量來(lái)自物體的光(圖1.1b)。正常情況下，傳感器廓線(xiàn)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，因此與人眼響應(yīng)非常相似。輸出采用CIE三重刺激值表示：X, Y, Z。
測(cè)光方法(圖1c)使用各種各樣的傳感器，在大量的窄波長(zhǎng)范圍內(nèi)測(cè)量色彩。然后，儀器的微電腦通過(guò)對(duì)得到的數(shù)據(jù)求積分，計(jì)算三重刺激值。
安華高科技的色彩傳感器(圖1d)是三濾波器設(shè)備，提供了色度分析測(cè)量功能。傳感器輸出由電壓輸出VR, VG,和VB或模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后的R, G和B數(shù)字值組成。
圖1a
圖1b
圖1c
圖1d
色彩傳感器的工作原理
色彩傳感器分為三種不同類(lèi)型：光到光電流轉(zhuǎn)換，光到模擬電壓轉(zhuǎn)換，光到數(shù)字轉(zhuǎn)換。前者通常只代表實(shí)際色彩傳感器的輸入部分，因?yàn)樵脊怆娏鞯姆确浅５?，總是要求放大，以將光電流轉(zhuǎn)換成可用的水平。所以，最實(shí)用的模擬輸出色彩傳感器至少會(huì)有一個(gè)跨阻抗放大器，并提供電壓輸出。
光到模擬電壓色彩傳感器由色彩濾波器后面的光電二極管陣列與整合的電流到電壓轉(zhuǎn)換電路(通常是跨阻抗放大器)組成，如圖1.2所示。落在每個(gè)光電二極管上的光轉(zhuǎn)換成光電流，其幅度取決于亮度及入射光的波長(zhǎng)(由于色彩濾波器)。
圖1.2: 采用光到模擬電壓轉(zhuǎn)換的色彩傳感器
如果沒(méi)有色彩濾波器，典型的硅光電二極管會(huì)對(duì)從超紫色區(qū)域直到可視區(qū)域的波長(zhǎng)作出響應(yīng)，在光譜接近紅外線(xiàn)的部分，峰值響應(yīng)區(qū)域位于800nm和950nm之間。紅色、綠色和藍(lán)色透射色彩濾波器將重塑和優(yōu)化光電二極管的光譜響應(yīng)。正確設(shè)計(jì)的濾波器將對(duì)模仿人眼的濾波后的光電二極管陣列提供光譜響應(yīng)。三個(gè)光電二極管中的每個(gè)光電二極管的光電流會(huì)使用電流到電壓轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成VRout、VGout和VBout。
有兩種色彩傳感模式：反射傳感和透射傳感。
在反射傳感中，色彩傳感器檢測(cè)從某個(gè)表面或?qū)ο蠓瓷涞墓?，光源和色彩傳感器都放在目?biāo)表面附近。來(lái)自光源(如白熾燈或熒光燈、白色LED或校準(zhǔn)后的RGB LED模塊)的光彈跳離開(kāi)表面，被色彩傳感器測(cè)得。反射離開(kāi)表面的色彩與表面的顏色有關(guān)。例如，白光入射到紅色表面上，會(huì)反射為紅色。反射的紅光撞擊色彩傳感器，產(chǎn)生R, G和B輸出電壓。通過(guò)解釋三個(gè)電壓，可以確定色彩。由于三個(gè)輸出電壓與反射光的密度線(xiàn)性提高，因此色彩傳感器還可以測(cè)量表面或物體的反射系數(shù)。
圖1.3: 反射的光的顏色取決于表面反射的顏色和吸收的顏色。
透射傳感
在透射工作模式下，傳感器朝向光源。色彩傳感器搭配濾波器的光電二極管陣列將入射光轉(zhuǎn)換成R, G和B光電流，然后放大并轉(zhuǎn)換成模擬電壓。由于所有三個(gè)輸出都會(huì)隨著光密度提高而線(xiàn)性提高，因此傳感器可以同時(shí)測(cè)量光的顏色和總密度。
可以使用透射傳感，確定透明介質(zhì)的顏色，如玻璃和透明塑料、液體和氣體。在這種應(yīng)用中，光穿過(guò)透明介質(zhì)，然后撞擊在色彩傳感器上。透明介質(zhì)的顏色取決于對(duì)色彩傳感器電壓的理解。
圖1.4: 傳感器的R, G和B 輸出取決于落在傳感器上的光的顏色。
圖1.5: 透明介質(zhì)的色彩傳感，如色彩濾波器、液體或氣體。
解釋色彩傳感器值
可以使用色彩傳感器的三個(gè)模擬輸出電壓直接控制硬件，或轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，從而數(shù)字處理器能夠分析數(shù)據(jù)。然后可以從這些數(shù)字值中獲得色彩和亮度信息。
描述色彩和亮度有兩種方法。
a) 矩陣方法
如果需要區(qū)分多種色彩，那么適合采用這種方法。這種方法基于下面給出的矩陣：
其中X, Y, Z代表CIE三重刺激值，RGB代表色彩傳感器的數(shù)字值。
將測(cè)量已知的參考色彩集合，對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)X, Y, Z值獲得R, G, B 傳感器值。矩陣系數(shù)C00, C01, C02, C10, C11, C12, C20, C21和C22從這些已知標(biāo)準(zhǔn)值中確定。一旦確定了這些矩陣系數(shù)，那么可以從R, G,和B 數(shù)字傳感器值中計(jì)算得出未知色彩的X, Y, Z值。
b) 查表方法
如果要區(qū)分少量的參考色彩，適合采用這種方法。首先，在校準(zhǔn)過(guò)程中獲得每個(gè)色彩的參考色彩傳感器值，其中包括亮度信息。必須確定亮度信息是否重要。如果亮度信息重要，理解中會(huì)使用實(shí)際色彩傳感器值。
如果亮度對(duì)應(yīng)用不重要，那么在校準(zhǔn)過(guò)程中將對(duì)參考色彩及在測(cè)試過(guò)程中對(duì)未知色彩獲得紅色、綠色和藍(lán)色傳感器值的比率或比重。使用一個(gè)選定的色彩通道作為所有測(cè)量集合的基礎(chǔ)，來(lái)獲得比率。例如，如果選擇綠色通道，那么通過(guò)將傳感器測(cè)量值除以相應(yīng)的綠色通道值，來(lái)獲得比率，因此得到的綠色通道值一直是1。我們演示一下，如果集合(Rn, Gn, Bn)，n=1, 2, 3…N表示所有N個(gè)參考色彩的色彩傳感器測(cè)量結(jié)果，那么通過(guò)下述集合得出比率：
，n=1,2,3, ...N。
也可以使用紅色或藍(lán)色通道值作為除數(shù)。選擇使用哪條色彩通道與用戶(hù)偏好有關(guān)。
如果未知色彩距離某個(gè)參考色彩最近，也就是說(shuō)，如果未知色彩與該特定參考色彩之間的距離在未知色彩與所有其它參考色彩之間的所有其它距離中最短，那么可以確定未知色彩就是參考色彩。
未知色彩和參考色彩之間的距離使用下面的公式得出：
a) 在亮度重要時(shí)
b) 在亮度不重要時(shí)
注意：1. (Ru, Gu, Bu)是未知色彩傳感器值；
2. (Rr, Gr, Br)是參考色彩傳感器值；
3. 在亮度不重要時(shí)，一條傳感器通道的值(如綠色通道)作為除數(shù)。
將為每個(gè)參考色彩確定最大距離極限，以避免接受不屬于參考色彩列表的色彩。這個(gè)最大極限對(duì)每個(gè)參考色彩可以不同，具體視要求的準(zhǔn)確性而定。
色彩傳感器的類(lèi)型比較
光到光電流轉(zhuǎn)換器
光到光電流轉(zhuǎn)換器由光電二極管或具有色彩濾波器的光電二極管組成，將光轉(zhuǎn)換成光電流。可以使用外部電路，將光電流轉(zhuǎn)換成成比例的電壓輸出，然后可以通過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式，輸送到微控制器中。
優(yōu)點(diǎn)：
- 設(shè)計(jì)靈活。可以針對(duì)各個(gè)應(yīng)用訂制放大器的增益和帶寬及模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的速度和分辨率
缺點(diǎn)：
- 增加了組裝成本
- 提高了設(shè)計(jì)復(fù)雜程度
光到光電流轉(zhuǎn)換器適合要求響應(yīng)時(shí)間短、定制增益和速度調(diào)節(jié)及在光線(xiàn)變化條件下工作的應(yīng)用。
光到模擬電壓轉(zhuǎn)換器
光到模擬電壓轉(zhuǎn)換器由搭配色彩濾波器的光電二極管陣列組成，并整合一個(gè)跨阻抗放大器。要求使用外部電路，將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出，然后才能輸送到數(shù)字信號(hào)處理器。
優(yōu)點(diǎn)：
- 簡(jiǎn)化外設(shè)電路設(shè)計(jì)
- 改善空間利用效率
- 降低組裝成本
缺點(diǎn)：
- 響應(yīng)時(shí)間預(yù)先由內(nèi)置電流到電壓轉(zhuǎn)換器確定，如跨阻抗放大器
- 要求額外的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，將電壓輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式
光到模擬電壓轉(zhuǎn)換器適合要求設(shè)計(jì)周期較短、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期更快、光線(xiàn)條件和空間利用率設(shè)計(jì)精良的應(yīng)用。
光到數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換器
光到數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換器由搭配RGB濾波器的光電二極管陣列、模似數(shù)字轉(zhuǎn)換器及用于通信和靈敏度控制的數(shù)字核心組成。輸出允許直接接口微控制器或其它邏輯控制通路，如2線(xiàn)串行接口，以進(jìn)一步處理信號(hào)，而不需額外的器件。
優(yōu)點(diǎn)：
- 提供抗噪聲干擾能力
- 簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)
- 改善空間利用率
- 降低組裝成本
缺點(diǎn)：
- 只通過(guò)2線(xiàn)串行接口模塊提供到微控制器或PC的直接接口
- 響應(yīng)時(shí)間由內(nèi)置模擬電路和數(shù)字電路預(yù)先確定
- 預(yù)先確定模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率
光到數(shù)字轉(zhuǎn)換器適合要求抗噪聲能力、縮短設(shè)計(jì)周期、加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期及光線(xiàn)條件和空間利用率設(shè)計(jì)精良的應(yīng)用。
安華高科技的色彩傳感器系列
安華高科技提供廣泛的色彩傳感器產(chǎn)品，適合顯示、照明、工業(yè)、消費(fèi)電子和醫(yī)療市場(chǎng)中的各種應(yīng)用。它同時(shí)提供了模擬格式和數(shù)字格式的解決方案。
模擬RGB色彩傳感器
- 搭配RGB濾波器的光電二極管陣列
- 整合跨阻抗放大器，提供線(xiàn)性模擬電壓輸出
- 為R, G和B通道獨(dú)立選擇增益
- 分為模塊級(jí)和元器件級(jí)
數(shù)字RGB色彩傳感器
- 搭配RGB濾波器的光電二極管陣列
- 整合模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字核心，通過(guò)2線(xiàn)串行接口進(jìn)行通信
- 直接接口微控制器或其它邏輯控制
- 軟件程控增益和靈敏度控制
- 微型包裝，適合便攜式設(shè)備
表1.0: 發(fā)布的色彩傳感器產(chǎn)品簡(jiǎn)要技術(shù)數(shù)據(jù)
安華高科技RGB色彩傳感器的優(yōu)點(diǎn)
豐富的色彩傳感設(shè)備：安華高科技提供各種色彩傳感設(shè)備，包括裸硅光電二極管到完善的RGB色彩傳感器。對(duì)首選使用市面上流行的即插即用解決方案的客戶(hù)，整合的RGB色彩傳感器將是正確的選擇。希望靈活地設(shè)計(jì)自己的光電流到電壓轉(zhuǎn)換器和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的客戶(hù)，可以購(gòu)買(mǎi)光電二極管。
簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)：安華高科技RGB色彩傳感器是一款內(nèi)置電流到電壓轉(zhuǎn)換器的整合的解決方案。輸出采用模擬格式或數(shù)字格式提供，具體取決于選擇的色彩傳感器類(lèi)型。這可以簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)，從而降低整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。
設(shè)計(jì)靈活：安華高科技RGB色彩傳感器為R, G和B色彩通道提供內(nèi)置獨(dú)立增益選擇。對(duì)低亮度操作，可以選擇較高的增益；對(duì)高亮度應(yīng)用，可以選擇較低的增益。產(chǎn)品資料中詳細(xì)介紹了每臺(tái)設(shè)備的整體動(dòng)態(tài)范圍。
改善空間利用率：安華高科技提供微型封裝的傳感器，適合便攜式設(shè)備應(yīng)用。
降低對(duì)不準(zhǔn)和污染的影響：每個(gè)安華高科技RGB色彩傳感器都搭配統(tǒng)一的色彩濾波器陣列，可以大幅度降低偏差和污染所造成的問(wèn)題。
實(shí)現(xiàn)極端溫度操作：安華高科技提供可以涵蓋極端工作溫度的產(chǎn)品，即-40 °C到+85 °C。
無(wú)鉛產(chǎn)品：所有安華高科技色彩傳感器都符合無(wú)鉛和ROHS標(biāo)準(zhǔn)。
目標(biāo)市場(chǎng)
汽車(chē)市場(chǎng)
安華高科技為下述汽車(chē)應(yīng)用提供具有AEC三級(jí)資格的部件：
o 導(dǎo)航面板
o 氣氛燈
o 儀表盤(pán)照明
照明市場(chǎng)
安華高科技為照明和顯示應(yīng)用提供在不同時(shí)間和不同溫度下?lián)碛蟹€(wěn)定的靈敏度的傳感器：
o 建筑照明
o 裝飾照明顯示
o 內(nèi)部照明
o 櫥窗照明
實(shí)例：櫥窗照明
功能：控制環(huán)境亮度的影響
o 色彩傳感器安裝在光學(xué)反饋控制系統(tǒng)中
o 光源色彩點(diǎn)管理，實(shí)現(xiàn)LED色彩強(qiáng)度控制
o 耐用，能夠在不同時(shí)間和不同溫度下穩(wěn)定地工作
o 可與安華高科技HDJD-J822-SCR00色彩控制器專(zhuān)利技術(shù)結(jié)合使用，形成閉環(huán)色彩管理系統(tǒng)
實(shí)例：裝飾照明
o 使用色彩傳感器測(cè)量LED亮度隨時(shí)間變化情況，提供光學(xué)反饋，控制光源的色彩點(diǎn)
o 可與安華高科技HDJD-J822-SCR00色彩控制器專(zhuān)利技術(shù)結(jié)合使用，形成閉環(huán)色彩管理系統(tǒng)
工業(yè)市場(chǎng)
安華高科技提供一系列RGB色彩傳感器，滿(mǎn)足各種工業(yè)應(yīng)用要求，如：
o 包裝：標(biāo)簽檢查和識(shí)別
o 化妝品：產(chǎn)品組裝分離，色彩質(zhì)量
o 紡織：紗線(xiàn)污染檢測(cè)
o 印染/圖形打印
實(shí)例：紗線(xiàn)污染檢測(cè)
- 色彩傳感器安裝在紗線(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)中，檢測(cè)是否有污染
- 在檢測(cè)到污染時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止
- 減少人為錯(cuò)誤，改善準(zhǔn)確性和效率
醫(yī)療市場(chǎng)
安華高科技提供靈敏度和準(zhǔn)確性高的色彩傳感器，滿(mǎn)足醫(yī)療應(yīng)用需求，如：
o 血糖計(jì)
o 血液膽固醇計(jì)
o 血酮計(jì)
實(shí)例：化學(xué)分析96井板系統(tǒng)
功能：微型并行液相色譜(μPLC)化學(xué)測(cè)試分析儀
o 放置四個(gè)色彩傳感器，提供化學(xué)反應(yīng)的色彩檢測(cè)
o 自動(dòng)瞬時(shí)檢測(cè)色彩變化
o 消除人為錯(cuò)誤
o 色彩區(qū)分準(zhǔn)確性高，非?？煽?
消費(fèi)電子市場(chǎng)
安華高科技提供經(jīng)濟(jì)的RGB色彩傳感器，滿(mǎn)足消費(fèi)電子市場(chǎng)中不斷增長(zhǎng)的需求：
o 便攜式色彩閱讀器
o 自動(dòng)麻將桌
o 洗衣機(jī)中的干燥檢測(cè)器
o 游戲
實(shí)例：麻將自動(dòng)洗牌
o 使用色彩傳感器管理“麻將牌方向檢查”；
o 傳感、對(duì)比和重新排列兩面都朝上或都朝下的麻將牌；
o 完整的閉環(huán)系統(tǒng)接口，對(duì)麻將牌的重新排列進(jìn)行邏輯判斷；
o 消除手動(dòng)洗牌和可能的欺騙。
安華高科技配有RGB色彩傳感器的照明和色彩管理系統(tǒng)
安華高科技 RGB色彩傳感器 (HDJD-S831-QT333)可與安華高科技色彩控制器HDJD-J822-SCR00一起使用，構(gòu)成RGB LED光源管理系統(tǒng)。色彩管理應(yīng)用需要準(zhǔn)確地混合紅色、綠色和藍(lán)色LED輸出，來(lái)顯示色彩。必需定期調(diào)節(jié)混合率，保持一致準(zhǔn)確的色彩，而不管LED亮度變化和LED元件色彩位移如何。HDJD-J822是一種色彩控制器，用于處理色彩傳感器信息，保持色彩和亮度。如需詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱應(yīng)用指南AN 5070。
本文小結(jié)
對(duì)需要經(jīng)濟(jì)的解決方案和設(shè)計(jì)周期短的應(yīng)用領(lǐng)域，安華高科技整合的RGB色彩傳感器解決方案克服了從頭設(shè)計(jì)色彩傳感器所固有的挑戰(zhàn)。安華高科技還提供了一個(gè)光電二極管級(jí)解決方案，為首選設(shè)計(jì)自己的色彩傳感系統(tǒng)服務(wù)。通過(guò)在強(qiáng)健的無(wú)鉛封裝中提供廣泛、經(jīng)濟(jì)的色彩傳感器產(chǎn)品，安華高科技成為色彩傳感行業(yè)中的一站式供應(yīng)商。
參考資料
[1] 安華高科技 HDJD S722 QR999產(chǎn)品資料
出版號(hào)：5989-1984EN
[2] 安華高科技 HDJD S831 QT333產(chǎn)品資料
出版號(hào)：5989-2180EN
[3] 使用HDJD-S722色彩傳感器 應(yīng)用指南5096
出版號(hào)：5989-1845EN
[4] HDJD JD02開(kāi)發(fā)套件用戶(hù)指南
出版號(hào)：5989-3784EN
[5] 精確的色彩傳達(dá), Minolta Co., Ltd.
[6]色彩感知和測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí), HunterLab
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