認識RGB色彩傳感器

雖然人類的眼睛非常善于分辨顏色，但不同的人卻可能對相同的顏色有不同的描述，也就是說，通過言語上的描述，對于需要精確色彩偵測與管理的場合來說并不恰當。較好的解決方式是采用經由適當校準的色彩感測設備，以數字的方式來表示顏色，這類設備可以是昂貴的實驗室級分光光譜儀到如Avago所推出的經濟型RGB色彩傳感器。

Avago豐富多樣的色彩傳感器產品能夠滿足目前實際色彩感測與測量應用的可行解決方案，而這篇文章的主要目的就是提供有關色彩認知、測量與規(guī)格的深入探討，并解釋如何應用色彩傳感器所提供的信息，最后我們也將討論Avago的RGB色彩傳感器產品，并解釋它們在各種不同色彩感測應用中如何使用。
　　
色彩的認知

在深入電子器件如何感測色彩的理論之前，我們首先要了解人類如何感受顏色?；旧?，顏色是光源、物理以及觀察者之間互動反應的結果，在反射光的情況下，落在物體上的光會依表面特性，例如反射或穿透等受到反射或吸收，舉例來說，紅色的紙張會吸收大部分光譜中的綠色與藍色成分，而將其中的紅色部分加以反射，使得它對觀察者來說就變成紅色，而在自體發(fā)光的物體上，基本原理相同，也就是光會到達人類的眼睛，并通過眼睛的接收經過神經系統(tǒng)與大腦加以解釋。

人類的視覺系統(tǒng)可以偵測大約由400nm(紫色)到700 nm(紅色)的電磁光譜，同時，能夠自動針對不同的照明情況與色彩飽和度(純色對白色的比例)加以調整。雖然桿狀細胞的光感測單元能夠在寬廣的照明范圍下運作，并提供快速的感應，但這些桿狀細胞卻無法偵測色彩，而是由稱為錐狀細胞的光感測單元提供高分辨率的色彩影像，人類有3組分別針對紅(580 nm)、綠(540 nm)與藍(450 nm)具備最高靈敏度的錐狀細胞，任何位于可見光譜中波長的光將給予一或多個3組錐狀細胞不同程度的刺激，而我們對色彩的感知就是經由視神經與大腦處理過后的信息。

明顯地，具有正常色彩視覺能力的人類，通常在面對相同波長混和的光源時會感受到相同的顏色。科學實驗也證明人類的眼睛能夠精細地分辨出不同顏色間的細微差異，總數大約可以高達1,000萬種，問題是我們基本上并沒有足夠的詞匯來描述這么多不同的色彩。
　　
色彩測量的原理

圖1中顯示，人類眼睛對于色彩的感知以及采用儀器或傳感器進行色彩測量的基本原理，感測設備可以是高階設備，例如分光光譜儀，或是經CIE調校的攝影機，也可以是較低端的組件，例如RGB色彩傳感器等。

在測量儀器上，基本有兩種常見的不同型態(tài)，分別為比色法與光度法。采用比色法的，設備需具有3個濾光片的傳感器來測量物體表面的光，請見圖1(B)，通常傳感器會經由最佳化以便能夠精確地重現人類眼睛的反應，輸出則以CIE的X、Y、Z三重刺激值來表示。

圖1(C)中的比色法使用多個傳感器，來測量大量狹窄波長范圍上的色彩，接著儀器中的微電腦將結果積分來計算顏色數據。
圖1(D)中的Avago色彩傳感器為搭配3個濾光片的組件，提供比色法方式的測量，傳感器的輸出可以是VR、VG與VB這3個電壓，或經過模擬數字轉換后的R、G、B數值。
色彩傳感器的運作原理

色彩傳感器主要有3種不同類型，分別為光轉換成光電流、光轉換成模擬電壓以及光轉換成數字輸出等，前者僅代表實際光傳感器的輸入部分，由于未經處理過的光電流信號相當微弱，因此必須加以放大，以便將它轉換到可使用的位準大小。因此，大部分實際使用的模擬輸出色彩傳感器，最少都會整合一個轉阻放大器來提供電壓輸出。

將光信號轉換為模擬電壓輸出的色彩傳感器，通常搭配色彩濾光的系列光二極管以及內建電流到電壓轉換電路(通常為轉阻放大器)所組成，請見圖2，每個光二極管上所感受到的光會被轉換成一個光電流，大小則依亮度以及經濾光后的光波長而定。如果沒有濾光片，標準的硅質光二極管基本上可以偵測由紫外線到可見光范圍的波長，最高向應值則在光譜近紅外線部份的800 nm與950 nm范圍處。紅、綠、藍穿透式色彩濾光片能讓光二極管的光譜響應，并進行調整與最佳化，設計良好的濾光片將能夠帶來相當接近人類眼睛的光譜響應，而光二極管所產生的光電流，則使用一個電流到電壓轉換器轉換成為VRout、VGout與VBout輸出。
在色彩感測方面，主要有兩種模式：反射式與穿透式。

反射式感測

在進行反射式感測時，色彩傳感器會偵測由物體表面所反射的光，這時光源與色彩傳感器被安排接近受測目標的表面，由光源，如白熾燈、熒光燈、白光LED或經調整的RGB LED模塊等發(fā)出的光經表面反射，并通過色彩傳感器加以測量。表面反射光的色彩為表面本身色彩的函數，例如當白光照射在紅色表面時，反射光為紅色，反射的紅色光進入色彩傳感器后會產生R、G、B輸出電壓，通過對這3個電壓值進行解析，就能決定偵測到的色彩顏色，由于3個輸出電壓會隨著反射光的強度線性增加，因此色彩傳感器也同時測量了物體表面的反射能力。

穿透式感測

以穿透式模式運作時，傳感器被安排在面對光源處，色彩傳感器搭配濾光片的光二極管數組會將進入光信號轉換成R、G、B光電流，接著放大并轉換為模擬電壓。由于光信號的所有3個輸出值都會隨著光的強度線性增加，因此傳感器可測量光的色彩以及整體的強度。
穿透式感測可以用來決定透明介質，例如玻璃或透明塑料、液體或氣體的顏色，在這類應用中，光會在進入色彩傳感器前經過透明介質，因此透明介質的色彩就可以由色彩傳感器的電壓來決定。

色彩傳感器輸出值的說明

色彩傳感器的3個模擬電壓輸出可用來直接控制硬件或轉換為數字值，以供數字處理器進行數據分析。色彩與亮度的信息可以由這些數字值取得。
　　
在描述色彩與亮度時有兩種方法：

I 矩陣法
這個方法適合需要分辨許多色彩時，主要由以下的矩陣方程式來進行。
　　
其中X、Y、Z分別代表CIE的三重刺激值以及色彩傳感器的RGB數字輸出值。
通過事先經過測量的參考色彩，并對每個標準X、Y、Z取得傳感器的RGB值，矩陣常數C00, C01, C02, C10, C11, C12, C20, C21與C22由這些已知標準值所決定，當這些矩陣常數確定后，未知色彩的X、Y、Z值就可以由RGB數字感測值計算取得。

II 查表法
這個方法適用于只需分辨幾個參考色彩的場合，首先包括亮度信息的參考色彩時，傳感器值在校準時就先行取得，接著再決定亮度信息是否重要，如果亮度信息重要的話，那么就使用實際的色彩傳感器值進行分析。
如果對應用來說亮度信息并不重要，那么在調校時，就先取得參考色彩在紅、綠與藍感測值間的比例，并在測試時進行未知色彩的測量，比例通過采用一個選定色彩作為所有測量的基礎，例如，選用綠色時，比例就可以通過將傳感器測量值除以綠色值加以測量，因此所取得的綠色值永遠為1。舉例來說，如果Rn、Gn與Bn分，其中n = 1, 2, 3… N分別代表了所有N個參考色彩的色彩感測測量值，那么比例就可以表示為：


, n = 1,2,3, …N.

事實上我們也可以使用紅色或藍色做為基準，至于選用哪一種色彩基本上依個人喜好而定。
未知色彩如最接近特定參考色彩時，那么就可以假設為該參考色彩值，也就是說，未知色彩以及特定參考色彩間的差距為與其它參考色彩間最小，而未知色彩與參考色彩間的差距則可以由以下的方程式表示：

A) 如果亮度信息重要時

差距 =

B)如果亮度信息不重要時

=

差距

=

請注意：
1.其中(Ru, Gu, Bu)為未知色彩感測值。
2.(Rr, Gr, Br)為參考色彩感測值。
3.在亮度不重要的場合，可以使用一個傳感器通道，例如綠色作為基準點。
基本上，通常會為每個參考色彩訂定最大差距限制，以避免接收到不在參考色彩范圍內的色彩值，不同參考色彩的最大限制則依所需的精確度而有所不同。

不同色彩傳感器型式的比較

▲ 光到光電流轉換器
光到光電流轉換器基本上只包含一個光二極管，或是搭配濾光片的光二極管來將光信號轉換為光電流，同時可以通過外部電路將光電流轉換為比例電壓輸出，接著這個電壓可以再通過模擬數字轉換器轉換成數字型式，并提供給微控器。

優(yōu)點：
● 帶來設計彈性，放大器的增益與頻寬，以及模擬數字轉換器的速度與分辨率可依不同應用選擇

代價：
● 額外的組裝成本
● 增加設計復雜度

光到光電流轉換器適合需要較短反應時間、客制化增益與反應速度調整，并且能夠在不同光源情況下運作的應用。

▲ 光到模擬電壓轉換器
光到模擬電壓轉換器包含搭配濾光片的光二極管數組，并整合一個轉阻放大器，需搭配外部電路將模擬電壓轉換為數字輸出，再送到數字信號處理器。
　　
優(yōu)點：
● 簡化外圍電路設計
● 改善空間使用效率
● 降低組裝成本

代價：
● 反應時間由內建電流電壓轉換器，如轉阻放大器決定
● 需要額外的模擬數字轉換器將電壓輸出轉換為數字型式
光到模擬電壓轉換器適合需要較短設計周期、較快上市時程、光源情況與空間使用效率較為確定的應用。
　　
▲ 光到數字電壓轉換器
光到數字電壓轉換器包含搭配RGB濾光片的光二極管數組、一個模擬數字轉換器以及做為通信與靈敏度控制的數字核心電路，輸出可以通過如兩線式串行接口直接與微控器或其它邏輯控制電路介接，以進行進一步的信號處理，不需任何其它組件。
優(yōu)點：
● 提供抗噪聲干擾能力
● 簡化外圍電路設計
● 改善空間使用效率
● 降低組裝成本

代價：
● 與微控器或PC介接，只能通過兩線式串行接口模式進行
● 反應時間由內建模擬與數字電路決定
● 模擬數字轉換的分辨率固定
光到數字輸出轉換器適合需要抗噪聲干擾能力、更短設計周期、更快上市時程、光源情況與空間使用效率較為確定的應用。

Avago Technologies的色彩傳感器產品

Avago提供一系列豐富廣泛的色彩傳感器產品來滿足顯示、照明、工業(yè)、消費性與醫(yī)療應用市場領域的各種多樣化需求，并提供模擬與數字形式解決方案。

I.模擬RGB色彩傳感器
● 搭配RGB濾光片的光二極管
● 整合轉阻放大器提供線性模擬電壓輸出
● R、G、B通道獨立增益選擇
● 提供模塊或組件選擇

▲ HDJD-S831-QT333
● 采 5mm x 5mm x 2mm表面黏著式QFN-16包裝色彩傳感器、平面彈性連接器以及安裝在印刷電路板上去耦合電容所組成的模擬式色彩傳感器模塊。
● 提供R、G、B通道4個不同增益大小選擇。
● 傳感器光譜響應針對RGB LCD背光應用最佳化。
● 具備偵測色度漂移的良好能力，搭配閉回路回授控制器時，可以調整背光系統(tǒng)實現良好的du’v’效能表現。
● 目標應用包括發(fā)射式顯示的白光點控制、環(huán)境照明與工業(yè)制程中的色彩控制。
● 動態(tài)范圍：30 klux～60 klux。

▲ HDJD-S722-QR999
● 采5mm x 5mm x 1mm表面黏著式QFN-16包裝的模擬式色彩傳感器。
● R、G、B通道3種不同增益選擇。
● 提供低照明應用更高靈敏度。
● 目標應用包括色彩偵測、環(huán)境照明與工業(yè)過程控制。
● 動態(tài)范圍：0.1 klux～5.5 klux。

▲ ADJD-E622-QR999
● 采5mm x 5mm x 0.75mm表面黏著式QFN-16包裝，通過AEC grade 3認可的模擬式色彩傳感器。
● R、G、B通道8種不同增益選擇。
● 提供低照明應用更高靈敏度。
● 目標應用包括色彩偵測、環(huán)境照明與車用照明。
● 動態(tài)范圍：0.1 klux～10 klux。

▲ ADJD-S822-QR999
● 采5mm x 5mm x 0.75mm表面黏著式QFN-16包裝的模擬式色彩傳感器。
● R、G、B通道4種不同增益選擇。
● 整合紅外線IR濾光片。
● 目標應用包括照明與顯示。

II.數字式RGB色彩傳感器
● 搭配RGB濾光片的光二極管
● 整合模擬數字轉換器以及兩線式串行接口數字核心電路
● 可直接與微控器或其它邏輯控制電路介接
● 可通過軟件控制增益與靈敏度
● 提供適合便攜式設備的小型化包裝

▲ ADJD-S313-QR999
● 采5mm x 5mm x 0.75mm表面黏著式QFN包裝的7-bit分辨率數字式輸出RGB色彩傳感器。
● 整合模擬數字轉換器以及通信與靈敏度控制用數字核心電路。
● 輸出可直接與微控器或其它邏輯控制電路介接進行進一步信號處理。
● 目標應用包括便攜式或行動設備等需要更高整合度、更小尺寸與更低耗電的應用。
● 可搭配白光LED進行反射式色彩感測。
● 動態(tài)范圍：0.6 klux～10 klux。

▲ ADJD-S312-QR999
● 采3mm x 3mm x 0.78mm芯片級包裝的7-bit分辨率數字式輸出RGB色彩傳感器。
● 整合模擬數字轉換器以及通信與靈敏度控制用數字核心電路。
● 輸出可直接與微控器或其它邏輯控制電路介接進行進一步信號處理。
● 目標應用包括便攜式或行動設備等需要更高整合度、更小尺寸與更低耗電的應用。

▲ ADJD-S31X-QR999
● 采2.3mm x 2.3mm x 0.78mm芯片級包裝，具備數字RGB與亮度信息輸出的10-bit分辨率色彩傳感器。
● 整合模擬數字轉換器以及通信與靈敏度控制用數字核心電路。
● 輸出可直接與微控器或其它邏輯控制電路介接進行進一步信號處理。
● 目標應用包括便攜式或移動設備等需要更高整合度、更小尺寸與更低耗電的應用。

Avago Technologies
RGB色彩傳感器的優(yōu)勢

豐富多樣的色彩傳感器選擇
Avago提供各種多樣化的色彩感測組件，包含基本的硅質光二極管到功能復雜的RGB色彩傳感器，對喜歡標準化與即插即用解決方案的客戶來說，整合型RGB色彩傳感器會是正確的選擇，而對于希望擁有自行設計光電流到電壓轉換與模擬數字電路彈性的客戶來說，則可以采用光二極管。

簡化外圍電路設計
Avago的RGB色彩傳感器為內建電流到電壓轉換器的整合型解決方案，提供有模擬或數字式輸出，依所選用的色彩傳感器而定，可簡化外圍電路的設計，并縮短整體產品設計周期。

提供設計彈性
Avago的RGB色彩傳感器在RGB色彩通道上建有獨立的增益選擇，對光度較低的運作，可以選擇較高的增益。而對照明較佳的應用則可以使用較低增益，產品的數據規(guī)格書提供有各款組件的整體動態(tài)范圍。

改善空間使用效率
Avago以小型化包裝提供傳感器產品，相當適合便攜式設備應用。

降低偏差與混雜效應
每個AvagoRGB色彩傳感器都搭配有統(tǒng)一的色彩濾光數組，可以大幅降低偏差與混雜所造成的問題。

帶來寬廣的溫度運作范圍
Avago提供有能夠在-40 °C～+85 °C寬廣溫度范圍下運作的產品。

環(huán)保無鉛產品
所有的Avago的色彩傳感器產品都符合環(huán)保無鉛與RoHS標準。

目標市場
1.汽車電子化市場
Avago針對以下汽車電子化應用提供通過AEC grade 3認可的組件。
● 導航面板
● 情境照明
● 儀表板照明

2.照明市場
Avago提供照明與顯示應用使用壽命內與不同溫度下，所表現穩(wěn)定的傳感器產品。
● 建筑照明
● 裝飾用照明顯示
● 車內與室內照明
● 櫥窗照明

3.工業(yè)應用市場
Avago擁有豐富廣泛的RGB色彩傳感器產品，滿足工業(yè)應用的各種不同需求，例如：
● 包裝：標簽檢視與辨識
● 化妝品：產品組裝分類、顏色品質
● 紡織：紗線混雜偵測
● 油漆與顏料/圖像印刷

4.醫(yī)療應用市場
Avago提供具備高靈敏度與精確度，可以滿足醫(yī)療應用的色彩傳感器，例如：
● 血糖計
● 血膽固醇計
● 血酮計

5.消費性市場
Avago提供有滿足消費性市場日益成長需求的高成本效益RGB色彩傳感器。
● 便攜式色彩讀取設備
● 自動麻將桌
● 洗衣機染色偵測
● 游戲應用

范例：裝飾照明
● 采用色彩傳感器測量長時間LED強度并提供光回授來控制光源的色彩設定點
● 可搭配Avago專利的HDJD-J822-SCR00色彩控制器形成閉回路色彩管理系統(tǒng)

Avago搭配RGB色彩傳感器的照明與色彩管理系統(tǒng)

Avago的RGB色彩傳感器(HDJD-S831-QT333)可以搭配Avago的色彩控制器HDJD-J822-SCR00來形成RGB LED光源管理系統(tǒng)。色彩管理應用包括精確混和紅、綠與藍光LED輸出來顯示色彩，并定期調整混和比率以維持穩(wěn)定且精確的色彩輸出，不受LED強度變化與色彩偏移的影響，HDJD-J822是一款色彩控制器，可以用來處理色彩傳感器輸出信息并維持設定的目標色彩與亮度，有關進一步詳細信息請參考應用筆記AN 5070。
　　
結語

對于需要高成本效益解決方案與較短設計時間的應用來說，Avago的整合型RGB色彩傳感器解決方案可以免除從頭開始設計色彩傳感器所面臨的挑戰(zhàn)，Avago同時也提供有光二極管級的解決方案，來滿足想要自行設計色彩感測系統(tǒng)的客戶。通過提供豐富廣泛，各種采用穩(wěn)固與環(huán)保無鉛包裝的高成本效益色彩傳感器產品，Avago已經成為色彩感測應用產業(yè)一次購足的產品供貨商。更多信息：http://www.avagotech.com。