颜色传感器IC与光谱仪到底怎么选?

2019-05-08 16:39:07 来源:互联网
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近年来,受手机、显示屏及特种照明设备制造商的需求推动,精密、准确的芯片级颜色传感器和光谱传感器市场增长显著。因此,光学半导体制造商开发出不同系列传感器,以满足特定类型的应用需求。

 

本文介绍了目前常用的光学传感器和检测器的类型,并对每种类型的适用性进行了评估。

 

比色法

比色法,即颜色测量,在消费、医疗、工业和商业应用中的重要性日益增加。颜色传感器IC在提高智能手机显示屏和摄像头性能方面发挥着至关重要的作用。颜色传感器IC也是园艺革命的核心,通过专业LED光源输出,提高密集“垂直农场”的产量,在严格控制的条件下种植蔬菜等作物。同时,颜色传感器的新应用还在不断涌现。

 

颜色传感器IC的早期应用基于简单的RGB(红/绿/蓝)传感器。如今,传感器或探测器的要求更为复杂,通常需要系统开发人员具备专业知识。

 

人类对颜色的感知不仅依赖于绝对物理值(如电流或气压),同时也会受到主观或生理因素影响。这意味着,虽然可以通过统计得出颜色感知的“平均”标准,但每个人的眼睛生理特征不同,并且人群中的异常值与平均值有很大差别。

 

人类对颜色感知的敏感度影响了对颜色传感器测量精度的要求,因此需要定义两种标准模型:CIE1931仿人眼感知行业标准模型和分离光/色到单独光谱的模型。

 

这两种模型,比色应用都需要相同的基本系统元件和传感器装置:

• 传感器、滤波器

• 电子设备

• 照明设备

• 校准目标

 

光源的选择、系统的运行及滤波器的特性决定了传感器模块的检测能力范围。传感器IC中的电路对传感器信号的质量和运行速度有重要影响。

 

不同类型的颜色测量设备在功能和性能上存在差异:

• XYZ或真彩色传感器

• 多光谱传感器IC

• RGB传感器IC

• 微型光谱仪

 

颜色传感器和检测器的类型

比色应用通常使用两种类型的设备。一种是将传统光谱仪作为参考和校准装置,另一种是颜色传感器IC,它能以低成本实现出色的颜色测量精度。

 

在某些情况下,微型光谱仪也可以成为一种合适的选择。艾迈斯半导体在基于应用的设置中进行测量测试,以对不同类型的设备性能进行合理比较,

 

图1:具备干涉滤光片的真彩色传感器的典型光谱特性

 

真彩色传感器

真彩色传感器可用于绝对值颜色测量。它们使用干涉滤光器,为颜色标准测量提供技术基础。这些传感器IC可以仿照人眼视觉精确地测量数值(如图1)。

 

干涉滤光器为每个颜色通道的每个波长分配特定的灵敏度值。校准后,可将测量到的颜色值呈现为XYZ值(色度坐标),将其作为转换到其他颜色空间的基值(XYZ坐标基于CIE1931年“标准观察者”的平均人眼特征)。因此,真彩色传感器IC可用数值来描述织物或印刷品的颜色,与人类视觉效果相同。

 

多光谱传感器

作为下一代传感器,多光谱传感器使用多通道来最大化信息输出,且价格合理。有时仅测量颜色坐标不够精准,则可通过测量物体的光谱组成,该原理可补偿同色异谱现象(错误的颜色匹配)。多光谱传感器可以准确辨别出,显示为橙色的样品究竟是红色和黄色的混合色,还是真正的橙色。

 

图2:典型多光谱传感器的光谱灵敏度

 

多光谱传感器将选择的光谱分离成不同的光谱通道。滤波器的排列方式使其限制范围对齐,在所选的可见光或NIR光谱中几乎没有间隙(参见图2)。

 

在可见光范围内,多光谱传感器的测量发生在辐射水平,而不是比色水平。这意味着传感器会输出样品的光谱,并通过这些光谱值确定色点。在NIR光谱范围内,测量的光谱还可以用来观察特定的带通和化学键,以识别水分、脂肪和蛋白质。NIR检测范围越宽(甚至超过芯片范围),就越容易识别特定的物质。

 

图3:基于吸收滤波器的RGB传感器的典型特性

 

传统的RGB技术可以看作是光谱传感器的子集。它们由可见光谱中的三个带通滤波器组成(参见图3)。光谱图的峰值不是按照特定波长设置成一致的,而是在设计过程中根据测量任务和成本的要求来确定的。

 

这种颜色测量方法不符合人眼感知颜色的任何标准或模型。然而,RGB传感器可以根据所需的精度完成比色任务。但是,即使使用复杂的校准方法,RGB传感器的颜色测量精度也仅限于三个带通的信息。

 

微型光谱仪

微型光谱仪是一种尺寸小巧、坚固耐用的传感器解决方案,可以测量光谱值并支持色彩空间的表达。与实验室级光谱仪相比,其分辨率较为有限,但如果光谱扫描点较少,速度则会更快。

 

性能比较

使用一个或多个样本进行测量并作为参考值,对各类颜色传感器IC进行比较。首先,需要对RGB(相对测量)或比色XYZ值设定限制值,如ΔEL*a*b*(绝对测量)。

 

为比较各种传感器和检测器,艾迈斯半导体根据实际应用配置测试装置。

 

使用RGB或真彩色传感器的LED照明测量和控制

 

某些LED灯具或显示屏需要严格指定的色温或特定色点。此外,可能需要补偿由于温度漂移或老化引起的颜色变化等影响。

 

表1:在D65测量中RGB和真彩色传感器的比较

 

一般人眼可以看到?u’v’≤0.005的颜色差异。事实上,经过训练的人眼甚至可以感知到?值最低为0.003的颜色差异。表1中的测试结果描述了RGB和真彩色传感器在测量D65白色光源时的测量结果。

 

在测试中,我们设置了两个使用反馈控制回路的系统,一个使用RGB传感器,另一个使用真彩色传感器,并在40°C(104°F)的温度下进行校准。接下来,改变LED的温度,产生颜色漂移,并由反馈控制回路进行补偿。由表1可知,RGB传感器系统在20°C(104°F)下的控制精度为>0.007,在更高的温度下会进一步漂移。然而,在包含真彩色传感器的反馈回路中,颜色偏差达到0.0011,仍然无法被人眼察觉。

 

通过真彩色传感器和微型光谱仪进行显示屏管理

 

在医疗领域,诊断设备屏幕必须具有较高对比度,以便于观察细节,这就要求显示测量设备具有较高的精度和灵敏度。

 

传统的显示屏校准实验室方法需要较高成本,而现在颜色传感器成为了一种更低价、更快捷、更方便且同样有效的替代品。

 

为验证这一观点,艾迈斯半导体创建了第二种测试。在此测试中,在室温下,照射带有LED灯的漫射板,LED的工作温度为20℃(104℃),并测量色点。将真彩色传感器IC和微型光谱仪产生的测量值与光谱仪提供的参考值进行比较(参见图4)。

 

测量结果表明,传感器IC和微型光谱仪处理信号的速度比参考光谱仪快,但其误差和精度值各不相同。微型光谱仪的测量值显示色点测量的平均误差范围为∆u’v’0.01-0.03——人眼可察觉。

 

真彩色传感器的测量结果显示,平均误差范围为∆u’v’0.001-0.005,远小于人眼感知范围(参见表2)。

 

图4:微型光谱仪与真彩色传感器的性能比较。采用实验室级光谱仪进行参考测量。图中的值以xy形式(色度坐标)表示。

 

表2:微型光谱仪和真彩色传感器测量值的比较

 

印刷行业:真彩色和多光谱传感器IC

在印刷行业中,对光谱测量有一定的要求。通过生产线测量来控制整个印刷过程,这无疑是一项挑战。

 

在实际测试中,使用X-Rite ColorChecker进行绝对颜色测量。与此同时,艾迈斯半导体使用了多光谱颜色传感器,带有多通道跨阻抗放大器和灵活的放大级别来执行光谱测量,并使用白色LED作为标准光源。

 

采用多光谱传感器测量ColorChecker的24个色彩空间,并与光谱仪的参考值进行了比较。光谱的近似回归方程表明,ColorChecker的平均精度为∆E00=0.72(参见图5)。

 

相同条件下的真彩色传感器的平均精度为∆E00=1.57。

 

图5:多光谱测量结果评价

 

多光谱传感器的优点在于精度高,并且可为光谱近似方法提供较广的范围。如果已知印刷颜色,则可以通过对特定颜色的校准来改进效果。因此,有可能不依靠独立于观测标准和标准光源而实现∆E00<1的绝对精度,

 

与光谱仪相比,传感器的偏差值为青色∆E00=0.3,品红∆E00=0.9,黄色∆E00=0.3。

 

结论

以上所有测试中的测量都是在经过校准的系统中进行的,包括光源、被测目标和传感器均已根据参考光谱仪进行校准。这些测试表明,真彩色传感器在进行颜色测量时能够达到微型光谱仪的精度,甚至在某些应用中会更精准。在决定使用哪种颜色测量技术时,需要知道颜色或光谱信息以及如何处理这些数据。

 

例如,微型光谱仪不能对PWM控制的LED灯的颜色进行一致的测量,因此,不适用于这种应用。由于RGB和真实颜色传感器不提供光谱测量,因此不能用于需要光谱值的应用,而应选择多光谱传感器或微型光谱仪。

 

表3总结了传感器和检测器类型的比较。该表每项评分均采用五分制。

 

测试表明,每个应用都有最合适的传感器解决方案。RGB传感器是便捷式颜色检测的理想选择。真彩色传感器适用于绝对颜色测量。多光谱传感器或微型光谱仪适用于绝对或光谱测量。

 

表3:不同类型传感器和测量仪器的特点总结

 

总结

受手机、显示屏及特种照明设备制造商的需求推动,精密、准确的芯片级颜色传感器和光谱传感器市场增长显著。因此,光学半导体制造商开发出不同系列传感器,以满足特定类型的应用需求。

 

本文介绍了目前常用的光学传感器和检测器的类型,并介绍评估每种类型在特定应用中适用性的方法,以及如何指定所需的特性和性能。

 
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