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RGB色彩传感器工作原理及应用方案分析




关键词:
尽管人眼区分色彩的能力非常强,但不同的人在描述同一色彩时会有所不同,这意味着在要求精确的色彩检测和管理的应用中,口头描述是不够的。更好的解决方案是使用充分校准的色彩传感设备,以数字方式描述色彩。这些设备包括昂贵的实验室级分光光谱仪到经济的RGB色彩传感器(如安华高科技生产的色彩传感器)。安华高科技拥有各种色彩传感器,为当前许多实际色彩传感和测量应用提供了实用的解决方案。本文的目标是考察色彩感知、测量和规格、以及怎样应用色彩传感器生成的数据。最后,本文讨论了安华高科技的RGB色彩传感器产品及其怎样为各种色彩传感应用服务。 

色彩的感知 

在进入电子设备怎样传感色彩的理论之前,有必要了解人类是怎样感知色彩的。色彩是光源、物体和观察者之间交互的结果。在反射的光中,落在一个物体上的光会被反射或吸收,具体取决于表面特点,如反射系数和透射情况。例如,红纸会吸收光谱中大多数带绿色的部分和带蓝色的部分,同时反射光谱中带红色的部分,因此对观察者会表现为红色。在自己发光的物体中,其原理相同:光会到达人眼,然后由眼睛的接受器进行处理,由神经系统和大脑进行解释。 

人类视觉系统可以检测到从大约400nm(紫色)到大约700nm(红色)的电磁光谱,可以适应变化广泛的照明度和大量的色彩饱和度(纯粹的颜色在白色中所占的比例)。虽然杆状细胞是能够在广泛的照明度上工作、并对变化提供快速响应的光传感器元件,但这些杆状细胞却无法检测色彩。称为锥状细胞的光传感器元件提供高分辨率的色彩图像。共有三个锥状细胞,在不同波长上实现峰值灵敏度,其分别是红色(580nm)、绿色(540nm)和蓝色(450nm)。可视光谱内任何波长的光都将会在不同程度上刺激这三类锥状细胞中的一个或多个单元,我们感觉到的色彩则是我们的视觉神经和大脑处理的信息。 

很明显,拥有正常色彩视觉的人在看到波长组合相同的光时,基本上会感觉到相同的色彩。科学试验表明,人类可以区分非常细微的色彩差异,估计最高可以达到1000万种,问题是我们没有足够的词来描述所有这些有着细微差异的色彩。 

色彩测量的原理 

图1.1显示了与使用仪器或传感器进行色彩测量相比,人眼检测色彩的基本原理。传感设备可以是高端设备,如分光光谱仪或英国国际照明委员会(CIE)校准的摄像机,也可以是低端设备,如RGB色彩传感器等。 

测量仪器通常分为两大类:色度分析方法和测光方法。在使用色度分析方法时,设备使用具有三个滤波器的传感器测量来自物体的光(图1.1b)。正常情况下,传感器廓线经过优化,因此与人眼响应非常相似。输出采用CIE三重刺激值表示:X, Y, Z。 

测光方法(图1c)使用各种各样的传感器,在大量的窄波长范围内测量色彩。然后,仪器的微电脑通过对得到的数据求积分,计算三重刺激值。 

安华高科技的色彩传感器(图1d)是三滤波器设备,提供了色度分析测量功能。传感器输出由电压输出VR, VG,和VB或模拟数字转换后的R, G和B数字值组成。 


图1a


图1b


图1c


图1d

色彩传感器的工作原理

色彩传感器分为三种不同类型:光到光电流转换,光到模拟电压转换,光到数字转换。前者通常只代表实际色彩传感器的输入部分,因为原始光电流的幅度非常低,总是要求放大,以将光电流转换成可用的水平。所以,最实用的模拟输出色彩传感器至少会有一个跨阻抗放大器,并提供电压输出。

光到模拟电压色彩传感器由色彩滤波器后面的光电二极管阵列与整合的电流到电压转换电路(通常是跨阻抗放大器)组成,如图1.2所示。落在每个光电二极管上的光转换成光电流,其幅度取决于亮度及入射光的波长(由于色彩滤波器)。


图1.2: 采用光到模拟电压转换的色彩传感器

如果没有色彩滤波器,典型的硅光电二极管会对从超紫色区域直到可视区域的波长作出响应,在光谱接近红外线的部分,峰值响应区域位于800nm和950nm之间。红色、绿色和蓝色透射色彩滤波器将重塑和优化光电二极管的光谱响应。正确设计的滤波器将对模仿人眼的滤波后的光电二极管阵列提供光谱响应。三个光电二极管中的每个光电二极管的光电流会使用电流到电压转换器,转换成VRout、VGout和VBout。

有两种色彩传感模式:反射传感和透射传感。

在反射传感中,色彩传感器检测从某个表面或对象反射的光,光源和色彩传感器都放在目标表面附近。来自光源(如白炽灯或荧光灯、白色LED或校准后的RGB LED模块)的光弹跳离开表面,被色彩传感器测得。反射离开表面的色彩与表面的颜色有关。例如,白光入射到红色表面上,会反射为红色。反射的红光撞击色彩传感器,产生R, G和B输出电压。通过解释三个电压,可以确定色彩。由于三个输出电压与反射光的密度线性提高,因此色彩传感器还可以测量表面或物体的反射系数。


图1.3: 反射的光的颜色取决于表面反射的颜色和吸收的颜色。

透射传感

在透射工作模式下,传感器朝向光源。色彩传感器搭配滤波器的光电二极管阵列将入射光转换成R, G和B光电流,然后放大并转换成模拟电压。由于所有三个输出都会随着光密度提高而线性提高,因此传感器可以同时测量光的颜色和总密度。

可以使用透射传感,确定透明介质的颜色,如玻璃和透明塑料、液体和气体。在这种应用中,光穿过透明介质,然后撞击在色彩传感器上。透明介质的颜色取决于对色彩传感器电压的理解。


图1.4: 传感器的R, G和B 输出取决于落在传感器上的光的颜色。


图1.5: 透明介质的色彩传感,如色彩滤波器、液体或气体。

解释色彩传感器值

可以使用色彩传感器的三个模拟输出电压直接控制硬件,或转换成数字值,从而数字处理器能够分析数据。然后可以从这些数字值中获得色彩和亮度信息。

描述色彩和亮度有两种方法。

a) 矩阵方法

如果需要区分多种色彩,那么适合采用这种方法。这种方法基于下面给出的矩阵:


其中X, Y, Z代表CIE三重刺激值,RGB代表色彩传感器的数字值。

将测量已知的参考色彩集合,对每个标准X, Y, Z值获得R, G, B 传感器值。矩阵系数C00, C01, C02, C10, C11, C12, C20, C21和C22从这些已知标准值中确定。一旦确定了这些矩阵系数,那么可以从R, G,和B 数字传感器值中计算得出未知色彩的X, Y, Z值。

b) 查表方法

如果要区分少量的参考色彩,适合采用这种方法。首先,在校准过程中获得每个色彩的参考色彩传感器值,其中包括亮度信息。必须确定亮度信息是否重要。如果亮度信息重要,理解中会使用实际色彩传感器值。

如果亮度对应用不重要,那么在校准过程中将对参考色彩及在测试过程中对未知色彩获得红色、绿色和蓝色传感器值的比率或比重。使用一个选定的色彩通道作为所有测量集合的基础,来获得比率。例如,如果选择绿色通道,那么通过将传感器测量值除以相应的绿色通道值,来获得比率,因此得到的绿色通道值一直是1。我们演示一下,如果集合(Rn, Gn, Bn),n=1, 2, 3…N表示所有N个参考色彩的色彩传感器测量结果,那么通过下述集合得出比率:


,n=1,2,3, ...N。

也可以使用红色或蓝色通道值作为除数。选择使用哪条色彩通道与用户偏好有关。

如果未知色彩距离某个参考色彩最近,也就是说,如果未知色彩与该特定参考色彩之间的距离在未知色彩与所有其它参考色彩之间的所有其它距离中最短,那么可以确定未知色彩就是参考色彩。

未知色彩和参考色彩之间的距离使用下面的公式得出:

a) 在亮度重要时


b) 在亮度不重要时


注意:1. (Ru, Gu, Bu)是未知色彩传感器值;

2. (Rr, Gr, Br)是参考色彩传感器值;

3. 在亮度不重要时,一条传感器通道的值(如绿色通道)作为除数。

将为每个参考色彩确定最大距离极限,以避免接受不属于参考色彩列表的色彩。这个最大极限对每个参考色彩可以不同,具体视要求的准确性而定。

色彩传感器的类型比较

光到光电流转换器

光到光电流转换器由光电二极管或具有色彩滤波器的光电二极管组成,将光转换成光电流。可以使用外部电路,将光电流转换成成比例的电压输出,然后可以通过模拟数字转换器将电压转换成数字格式,输送到微控制器中。

优点:

- 设计灵活。可以针对各个应用订制放大器的增益和带宽及模拟数字转换器的速度和分辨率

缺点:

- 增加了组装成本

- 提高了设计复杂程度

光到光电流转换器适合要求响应时间短、定制增益和速度调节及在光线变化条件下工作的应用。

光到模拟电压转换器

光到模拟电压转换器由搭配色彩滤波器的光电二极管阵列组成,并整合一个跨阻抗放大器。要求使用外部电路,将模拟电压转换成数字输出,然后才能输送到数字信号处理器。

优点:

- 简化外设电路设计

- 改善空间利用效率

- 降低组装成本

缺点:

- 响应时间预先由内置电流到电压转换器确定,如跨阻抗放大器

- 要求额外的模拟数字转换器,将电压输出转换成数字格式

光到模拟电压转换器适合要求设计周期较短、产品开发周期更快、光线条件和空间利用率设计精良的应用。

光到数字电压转换器

光到数字电压转换器由搭配RGB滤波器的光电二极管阵列、模似数字转换器及用于通信和灵敏度控制的数字核心组成。输出允许直接接口微控制器或其它逻辑控制通路,如2线串行接口,以进一步处理信号,而不需额外的器件。

优点:

- 提供抗噪声干扰能力

- 简化外围电路设计

- 改善空间利用率

- 降低组装成本

缺点:

- 只通过2线串行接口模块提供到微控制器或PC的直接接口

- 响应时间由内置模拟电路和数字电路预先确定

- 预先确定模拟数字转换分辨率

光到数字转换器适合要求抗噪声能力、缩短设计周期、加快产品开发周期及光线条件和空间利用率设计精良的应用。

安华高科技的色彩传感器系列

安华高科技提供广泛的色彩传感器产品,适合显示、照明、工业、消费电子和医疗市场中的各种应用。它同时提供了模拟格式和数字格式的解决方案。

模拟RGB色彩传感器

- 搭配RGB滤波器的光电二极管阵列

- 整合跨阻抗放大器,提供线性模拟电压输出

- 为R, G和B通道独立选择增益

- 分为模块级和元器件级

数字RGB色彩传感器

- 搭配RGB滤波器的光电二极管阵列

- 整合模拟数字转换器和数字核心,通过2线串行接口进行通信

- 直接接口微控制器或其它逻辑控制

- 软件程控增益和灵敏度控制

- 微型包装,适合便携式设备


表1.0: 发布的色彩传感器产品简要技术数据

安华高科技RGB色彩传感器的优点

丰富的色彩传感设备:安华高科技提供各种色彩传感设备,包括裸硅光电二极管到完善的RGB色彩传感器。对首选使用市面上流行的即插即用解决方案的客户,整合的RGB色彩传感器将是正确的选择。希望灵活地设计自己的光电流到电压转换器和模拟数字转换电路的客户,可以购买光电二极管。

简化外围电路设计:安华高科技RGB色彩传感器是一款内置电流到电压转换器的整合的解决方案。输出采用模拟格式或数字格式提供,具体取决于选择的色彩传感器类型。这可以简化外围电路设计,从而降低整个产品的设计周期。

设计灵活:安华高科技RGB色彩传感器为R, G和B色彩通道提供内置独立增益选择。对低亮度操作,可以选择较高的增益;对高亮度应用,可以选择较低的增益。产品资料中详细介绍了每台设备的整体动态范围。

改善空间利用率:安华高科技提供微型封装的传感器,适合便携式设备应用。

降低对不准和污染的影响:每个安华高科技RGB色彩传感器都搭配统一的色彩滤波器阵列,可以大幅度降低偏差和污染所造成的问题。

实现极端温度操作:安华高科技提供可以涵盖极端工作温度的产品,即-40 °C到+85 °C。

无铅产品:所有安华高科技色彩传感器都符合无铅和ROHS标准。

目标市场

汽车市场

安华高科技为下述汽车应用提供具有AEC三级资格的部件:

o 导航面板

o 气氛灯

o 仪表盘照明

照明市场

安华高科技为照明和显示应用提供在不同时间和不同温度下拥有稳定的灵敏度的传感器:

o 建筑照明

o 装饰照明显示

o 内部照明

o 橱窗照明

实例:橱窗照明

功能:控制环境亮度的影响

o 色彩传感器安装在光学反馈控制系统中

o 光源色彩点管理,实现LED色彩强度控制

o 耐用,能够在不同时间和不同温度下稳定地工作

o 可与安华高科技HDJD-J822-SCR00色彩控制器专利技术结合使用,形成闭环色彩管理系统

实例:装饰照明

o 使用色彩传感器测量LED亮度随时间变化情况,提供光学反馈,控制光源的色彩点

o 可与安华高科技HDJD-J822-SCR00色彩控制器专利技术结合使用,形成闭环色彩管理系统


工业市场

安华高科技提供一系列RGB色彩传感器,满足各种工业应用要求,如:

o 包装:标签检查和识别

o 化妆品:产品组装分离,色彩质量

o 纺织:纱线污染检测

o 印染/图形打印

实例:纱线污染检测

- 色彩传感器安装在纱线生产线中,检测是否有污染

- 在检测到污染时系统会自动停止

- 减少人为错误,改善准确性和效率


医疗市场

安华高科技提供灵敏度和准确性高的色彩传感器,满足医疗应用需求,如:

o 血糖计

o 血液胆固醇计

o 血酮计

实例:化学分析96井板系统

功能:微型并行液相色谱(μPLC)化学测试分析仪

o 放置四个色彩传感器,提供化学反应的色彩检测

o 自动瞬时检测色彩变化

o 消除人为错误

o 色彩区分准确性高,非常可靠


消费电子市场

安华高科技提供经济的RGB色彩传感器,满足消费电子市场中不断增长的需求:

o 便携式色彩阅读器

o 自动麻将桌

o 洗衣机中的干燥检测器

o 游戏

实例:麻将自动洗牌

o 使用色彩传感器管理“麻将牌方向检查”;

o 传感、对比和重新排列两面都朝上或都朝下的麻将牌;

o 完整的闭环系统接口,对麻将牌的重新排列进行逻辑判断;

o 消除手动洗牌和可能的欺骗。


安华高科技配有RGB色彩传感器的照明和色彩管理系统

安华高科技 RGB色彩传感器 (HDJD-S831-QT333)可与安华高科技色彩控制器HDJD-J822-SCR00一起使用,构成RGB LED光源管理系统。色彩管理应用需要准确地混合红色、绿色和蓝色LED输出,来显示色彩。必需定期调节混合率,保持一致准确的色彩,而不管LED亮度变化和LED元件色彩位移如何。HDJD-J822是一种色彩控制器,用于处理色彩传感器信息,保持色彩和亮度。如需详细信息,请参阅应用指南AN 5070。

本文小结

对需要经济的解决方案和设计周期短的应用领域,安华高科技整合的RGB色彩传感器解决方案克服了从头设计色彩传感器所固有的挑战。安华高科技还提供了一个光电二极管级解决方案,为首选设计自己的色彩传感系统服务。通过在强健的无铅封装中提供广泛、经济的色彩传感器产品,安华高科技成为色彩传感行业中的一站式供应商。

参考资料

[1] 安华高科技 HDJD S722 QR999产品资料

出版号:5989-1984EN

[2] 安华高科技 HDJD S831 QT333产品资料

出版号:5989-2180EN

[3] 使用HDJD-S722色彩传感器 应用指南5096

出版号:5989-1845EN

[4] HDJD JD02开发套件用户指南

出版号:5989-3784EN

[5] 精确的色彩传达, Minolta Co., Ltd.

[6]色彩感知和测量基础知识, HunterLab

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