认识RGB色彩传感器

虽然人类的眼睛非常善于分辨颜色，但不同的人却可能对相同的颜色有不同的描述，也就是说，通过言语上的描述，对于需要精确色彩侦测与管理的场合来说并不恰当。较好的解决方式是采用经由适当校准的色彩感测设备，以数字的方式来表示颜色，这类设备可以是昂贵的实验室级分光光谱仪到如Avago所推出的经济型RGB色彩传感器。

Avago丰富多样的色彩传感器产品能够满足目前实际色彩感测与测量应用的可行解决方案，而这篇文章的主要目的就是提供有关色彩认知、测量与规格的深入探讨，并解释如何应用色彩传感器所提供的信息，最后我们也将讨论Avago的RGB色彩传感器产品，并解释它们在各种不同色彩感测应用中如何使用。
　　
色彩的认知

在深入电子器件如何感测色彩的理论之前，我们首先要了解人类如何感受颜色。基本上，颜色是光源、物理以及观察者之间互动反应的结果，在反射光的情况下，落在物体上的光会依表面特性，例如反射或穿透等受到反射或吸收，举例来说，红色的纸张会吸收大部分光谱中的绿色与蓝色成分，而将其中的红色部分加以反射，使得它对观察者来说就变成红色，而在自体发光的物体上，基本原理相同，也就是光会到达人类的眼睛，并通过眼睛的接收经过神经系统与大脑加以解释。

人类的视觉系统可以侦测大约由400nm(紫色)到700 nm(红色)的电磁光谱，同时，能够自动针对不同的照明情况与色彩饱和度(纯色对白色的比例)加以调整。虽然杆状细胞的光感测单元能够在宽广的照明范围下运作，并提供快速的感应，但这些杆状细胞却无法侦测色彩，而是由称为锥状细胞的光感测单元提供高分辨率的色彩影像，人类有3组分别针对红(580 nm)、绿(540 nm)与蓝(450 nm)具备最高灵敏度的锥状细胞，任何位于可见光谱中波长的光将给予一或多个3组锥状细胞不同程度的刺激，而我们对色彩的感知就是经由视神经与大脑处理过后的信息。

明显地，具有正常色彩视觉能力的人类，通常在面对相同波长混和的光源时会感受到相同的颜色。科学实验也证明人类的眼睛能够精细地分辨出不同颜色间的细微差异，总数大约可以高达1,000万种，问题是我们基本上并没有足够的词汇来描述这么多不同的色彩。
　　
色彩测量的原理

图1中显示，人类眼睛对于色彩的感知以及采用仪器或传感器进行色彩测量的基本原理，感测设备可以是高阶设备，例如分光光谱仪，或是经CIE调校的摄影机，也可以是较低端的组件，例如RGB色彩传感器等。

在测量仪器上，基本有两种常见的不同型态，分别为比色法与光度法。采用比色法的，设备需具有3个滤光片的传感器来测量物体表面的光，请见图1(B)，通常传感器会经由最佳化以便能够精确地重现人类眼睛的反应，输出则以CIE的X、Y、Z三重刺激值来表示。

图1(C)中的比色法使用多个传感器，来测量大量狭窄波长范围上的色彩，接着仪器中的微电脑将结果积分来计算颜色数据。
图1(D)中的Avago色彩传感器为搭配3个滤光片的组件，提供比色法方式的测量，传感器的输出可以是VR、VG与VB这3个电压，或经过模拟数字转换后的R、G、B数值。
色彩传感器的运作原理

色彩传感器主要有3种不同类型，分别为光转换成光电流、光转换成模拟电压以及光转换成数字输出等，前者仅代表实际光传感器的输入部分，由于未经处理过的光电流信号相当微弱，因此必须加以放大，以便将它转换到可使用的位准大小。因此，大部分实际使用的模拟输出色彩传感器，最少都会整合一个转阻放大器来提供电压输出。

将光信号转换为模拟电压输出的色彩传感器，通常搭配色彩滤光的系列光二极管以及内建电流到电压转换电路(通常为转阻放大器)所组成，请见图2，每个光二极管上所感受到的光会被转换成一个光电流，大小则依亮度以及经滤光后的光波长而定。如果没有滤光片，标准的硅质光二极管基本上可以侦测由紫外线到可见光范围的波长，最高向应值则在光谱近红外线部份的800 nm与950 nm范围处。红、绿、蓝穿透式色彩滤光片能让光二极管的光谱响应，并进行调整与最佳化，设计良好的滤光片将能够带来相当接近人类眼睛的光谱响应，而光二极管所产生的光电流，则使用一个电流到电压转换器转换成为VRout、VGout与VBout输出。
在色彩感测方面，主要有两种模式：反射式与穿透式。

反射式感测

在进行反射式感测时，色彩传感器会侦测由物体表面所反射的光，这时光源与色彩传感器被安排接近受测目标的表面，由光源，如白炽灯、荧光灯、白光LED或经调整的RGB LED模块等发出的光经表面反射，并通过色彩传感器加以测量。表面反射光的色彩为表面本身色彩的函数，例如当白光照射在红色表面时，反射光为红色，反射的红色光进入色彩传感器后会产生R、G、B输出电压，通过对这3个电压值进行解析，就能决定侦测到的色彩颜色，由于3个输出电压会随着反射光的强度线性增加，因此色彩传感器也同时测量了物体表面的反射能力。

穿透式感测

以穿透式模式运作时，传感器被安排在面对光源处，色彩传感器搭配滤光片的光二极管数组会将进入光信号转换成R、G、B光电流，接着放大并转换为模拟电压。由于光信号的所有3个输出值都会随着光的强度线性增加，因此传感器可测量光的色彩以及整体的强度。
穿透式感测可以用来决定透明介质，例如玻璃或透明塑料、液体或气体的颜色，在这类应用中，光会在进入色彩传感器前经过透明介质，因此透明介质的色彩就可以由色彩传感器的电压来决定。

色彩传感器输出值的说明

色彩传感器的3个模拟电压输出可用来直接控制硬件或转换为数字值，以供数字处理器进行数据分析。色彩与亮度的信息可以由这些数字值取得。
　　
在描述色彩与亮度时有两种方法：

I 矩阵法
这个方法适合需要分辨许多色彩时，主要由以下的矩阵方程式来进行。
　　
其中X、Y、Z分别代表CIE的三重刺激值以及色彩传感器的RGB数字输出值。
通过事先经过测量的参考色彩，并对每个标准X、Y、Z取得传感器的RGB值，矩阵常数C00, C01, C02, C10, C11, C12, C20, C21与C22由这些已知标准值所决定，当这些矩阵常数确定后，未知色彩的X、Y、Z值就可以由RGB数字感测值计算取得。

II 查表法
这个方法适用于只需分辨几个参考色彩的场合，首先包括亮度信息的参考色彩时，传感器值在校准时就先行取得，接着再决定亮度信息是否重要，如果亮度信息重要的话，那么就使用实际的色彩传感器值进行分析。
如果对应用来说亮度信息并不重要，那么在调校时，就先取得参考色彩在红、绿与蓝感测值间的比例，并在测试时进行未知色彩的测量，比例通过采用一个选定色彩作为所有测量的基础，例如，选用绿色时，比例就可以通过将传感器测量值除以绿色值加以测量，因此所取得的绿色值永远为1。举例来说，如果Rn、Gn与Bn分，其中n = 1, 2, 3… N分别代表了所有N个参考色彩的色彩感测测量值，那么比例就可以表示为：


, n = 1,2,3, …N.

事实上我们也可以使用红色或蓝色做为基准，至于选用哪一种色彩基本上依个人喜好而定。
未知色彩如最接近特定参考色彩时，那么就可以假设为该参考色彩值，也就是说，未知色彩以及特定参考色彩间的差距为与其它参考色彩间最小，而未知色彩与参考色彩间的差距则可以由以下的方程式表示：

A) 如果亮度信息重要时

差距 =

B)如果亮度信息不重要时

=

差距

=

请注意：
1.其中(Ru, Gu, Bu)为未知色彩感测值。
2.(Rr, Gr, Br)为参考色彩感测值。
3.在亮度不重要的场合，可以使用一个传感器通道，例如绿色作为基准点。
基本上，通常会为每个参考色彩订定最大差距限制，以避免接收到不在参考色彩范围内的色彩值，不同参考色彩的最大限制则依所需的精确度而有所不同。

不同色彩传感器型式的比较

▲ 光到光电流转换器
光到光电流转换器基本上只包含一个光二极管，或是搭配滤光片的光二极管来将光信号转换为光电流，同时可以通过外部电路将光电流转换为比例电压输出，接着这个电压可以再通过模拟数字转换器转换成数字型式，并提供给微控器。

优点：
● 带来设计弹性，放大器的增益与频宽，以及模拟数字转换器的速度与分辨率可依不同应用选择

代价：
● 额外的组装成本
● 增加设计复杂度

光到光电流转换器适合需要较短反应时间、客制化增益与反应速度调整，并且能够在不同光源情况下运作的应用。

▲ 光到模拟电压转换器
光到模拟电压转换器包含搭配滤光片的光二极管数组，并整合一个转阻放大器，需搭配外部电路将模拟电压转换为数字输出，再送到数字信号处理器。
　　
优点：
● 简化外围电路设计
● 改善空间使用效率
● 降低组装成本

代价：
● 反应时间由内建电流电压转换器，如转阻放大器决定
● 需要额外的模拟数字转换器将电压输出转换为数字型式
光到模拟电压转换器适合需要较短设计周期、较快上市时程、光源情况与空间使用效率较为确定的应用。
　　
▲ 光到数字电压转换器
光到数字电压转换器包含搭配RGB滤光片的光二极管数组、一个模拟数字转换器以及做为通信与灵敏度控制的数字核心电路，输出可以通过如两线式串行接口直接与微控器或其它逻辑控制电路介接，以进行进一步的信号处理，不需任何其它组件。
优点：
● 提供抗噪声干扰能力
● 简化外围电路设计
● 改善空间使用效率
● 降低组装成本

代价：
● 与微控器或PC介接，只能通过两线式串行接口模式进行
● 反应时间由内建模拟与数字电路决定
● 模拟数字转换的分辨率固定
光到数字输出转换器适合需要抗噪声干扰能力、更短设计周期、更快上市时程、光源情况与空间使用效率较为确定的应用。

Avago Technologies的色彩传感器产品

Avago提供一系列丰富广泛的色彩传感器产品来满足显示、照明、工业、消费性与医疗应用市场领域的各种多样化需求，并提供模拟与数字形式解决方案。

I.模拟RGB色彩传感器
● 搭配RGB滤光片的光二极管
● 整合转阻放大器提供线性模拟电压输出
● R、G、B通道独立增益选择
● 提供模块或组件选择

▲ HDJD-S831-QT333
● 采 5mm x 5mm x 2mm表面黏着式QFN-16包装色彩传感器、平面弹性连接器以及安装在印刷电路板上去耦合电容所组成的模拟式色彩传感器模块。
● 提供R、G、B通道4个不同增益大小选择。
● 传感器光谱响应针对RGB LCD背光应用最佳化。
● 具备侦测色度漂移的良好能力，搭配闭回路回授控制器时，可以调整背光系统实现良好的du’v’效能表现。
● 目标应用包括发射式显示的白光点控制、环境照明与工业制程中的色彩控制。
● 动态范围：30 klux～60 klux。

▲ HDJD-S722-QR999
● 采5mm x 5mm x 1mm表面黏着式QFN-16包装的模拟式色彩传感器。
● R、G、B通道3种不同增益选择。
● 提供低照明应用更高灵敏度。
● 目标应用包括色彩侦测、环境照明与工业过程控制。
● 动态范围：0.1 klux～5.5 klux。

▲ ADJD-E622-QR999
● 采5mm x 5mm x 0.75mm表面黏着式QFN-16包装，通过AEC grade 3认可的模拟式色彩传感器。
● R、G、B通道8种不同增益选择。
● 提供低照明应用更高灵敏度。
● 目标应用包括色彩侦测、环境照明与车用照明。
● 动态范围：0.1 klux～10 klux。

▲ ADJD-S822-QR999
● 采5mm x 5mm x 0.75mm表面黏着式QFN-16包装的模拟式色彩传感器。
● R、G、B通道4种不同增益选择。
● 整合红外线IR滤光片。
● 目标应用包括照明与显示。

II.数字式RGB色彩传感器
● 搭配RGB滤光片的光二极管
● 整合模拟数字转换器以及两线式串行接口数字核心电路
● 可直接与微控器或其它逻辑控制电路介接
● 可通过软件控制增益与灵敏度
● 提供适合便携式设备的小型化包装

▲ ADJD-S313-QR999
● 采5mm x 5mm x 0.75mm表面黏着式QFN包装的7-bit分辨率数字式输出RGB色彩传感器。
● 整合模拟数字转换器以及通信与灵敏度控制用数字核心电路。
● 输出可直接与微控器或其它逻辑控制电路介接进行进一步信号处理。
● 目标应用包括便携式或行动设备等需要更高整合度、更小尺寸与更低耗电的应用。
● 可搭配白光LED进行反射式色彩感测。
● 动态范围：0.6 klux～10 klux。

▲ ADJD-S312-QR999
● 采3mm x 3mm x 0.78mm芯片级包装的7-bit分辨率数字式输出RGB色彩传感器。
● 整合模拟数字转换器以及通信与灵敏度控制用数字核心电路。
● 输出可直接与微控器或其它逻辑控制电路介接进行进一步信号处理。
● 目标应用包括便携式或行动设备等需要更高整合度、更小尺寸与更低耗电的应用。

▲ ADJD-S31X-QR999
● 采2.3mm x 2.3mm x 0.78mm芯片级包装，具备数字RGB与亮度信息输出的10-bit分辨率色彩传感器。
● 整合模拟数字转换器以及通信与灵敏度控制用数字核心电路。
● 输出可直接与微控器或其它逻辑控制电路介接进行进一步信号处理。
● 目标应用包括便携式或移动设备等需要更高整合度、更小尺寸与更低耗电的应用。

Avago Technologies
RGB色彩传感器的优势

丰富多样的色彩传感器选择
Avago提供各种多样化的色彩感测组件，包含基本的硅质光二极管到功能复杂的RGB色彩传感器，对喜欢标准化与即插即用解决方案的客户来说，整合型RGB色彩传感器会是正确的选择，而对于希望拥有自行设计光电流到电压转换与模拟数字电路弹性的客户来说，则可以采用光二极管。

简化外围电路设计
Avago的RGB色彩传感器为内建电流到电压转换器的整合型解决方案，提供有模拟或数字式输出，依所选用的色彩传感器而定，可简化外围电路的设计，并缩短整体产品设计周期。

提供设计弹性
Avago的RGB色彩传感器在RGB色彩通道上建有独立的增益选择，对光度较低的运作，可以选择较高的增益。而对照明较佳的应用则可以使用较低增益，产品的数据规格书提供有各款组件的整体动态范围。

改善空间使用效率
Avago以小型化包装提供传感器产品，相当适合便携式设备应用。

降低偏差与混杂效应
每个AvagoRGB色彩传感器都搭配有统一的色彩滤光数组，可以大幅降低偏差与混杂所造成的问题。

带来宽广的温度运作范围
Avago提供有能够在-40 °C～+85 °C宽广温度范围下运作的产品。

环保无铅产品
所有的Avago的色彩传感器产品都符合环保无铅与RoHS标准。

目标市场
1.汽车电子化市场
Avago针对以下汽车电子化应用提供通过AEC grade 3认可的组件。
● 导航面板
● 情境照明
● 仪表板照明

2.照明市场
Avago提供照明与显示应用使用寿命内与不同温度下，所表现稳定的传感器产品。
● 建筑照明
● 装饰用照明显示
● 车内与室内照明
● 橱窗照明

3.工业应用市场
Avago拥有丰富广泛的RGB色彩传感器产品，满足工业应用的各种不同需求，例如：
● 包装：标签检视与辨识
● 化妆品：产品组装分类、颜色品质
● 纺织：纱线混杂侦测
● 油漆与颜料/图像印刷

4.医疗应用市场
Avago提供具备高灵敏度与精确度，可以满足医疗应用的色彩传感器，例如：
● 血糖计
● 血胆固醇计
● 血酮计

5.消费性市场
Avago提供有满足消费性市场日益成长需求的高成本效益RGB色彩传感器。
● 便携式色彩读取设备
● 自动麻将桌
● 洗衣机染色侦测
● 游戏应用

范例：装饰照明
● 采用色彩传感器测量长时间LED强度并提供光回授来控制光源的色彩设定点
● 可搭配Avago专利的HDJD-J822-SCR00色彩控制器形成闭回路色彩管理系统

Avago搭配RGB色彩传感器的照明与色彩管理系统

Avago的RGB色彩传感器(HDJD-S831-QT333)可以搭配Avago的色彩控制器HDJD-J822-SCR00来形成RGB LED光源管理系统。色彩管理应用包括精确混和红、绿与蓝光LED输出来显示色彩，并定期调整混和比率以维持稳定且精确的色彩输出，不受LED强度变化与色彩偏移的影响，HDJD-J822是一款色彩控制器，可以用来处理色彩传感器输出信息并维持设定的目标色彩与亮度，有关进一步详细信息请参考应用笔记AN 5070。
　　
结语

对于需要高成本效益解决方案与较短设计时间的应用来说，Avago的整合型RGB色彩传感器解决方案可以免除从头开始设计色彩传感器所面临的挑战，Avago同时也提供有光二极管级的解决方案，来满足想要自行设计色彩感测系统的客户。通过提供丰富广泛，各种采用稳固与环保无铅包装的高成本效益色彩传感器产品，Avago已经成为色彩感测应用产业一次购足的产品供货商。更多信息：http://www.avagotech.com。