光學傳感器和檢測器的各種類型以及特性分析

光學傳感器和檢測器的各種類型以及特性分析

與非網 發表於 2019-10-11 15:36:47

本文介紹了目前常用的光學傳感器和檢測器的類型，並對每種類型的適用性進行了評估。

比色法

比色法，即顏色測量，在消費、醫療、工業和商業應用中的重要性日益增加。顏色傳感器IC在提高智慧型手機顯示屏和攝像頭性能方面發揮著至關重要的作用。顏色傳感器IC也是園藝革命的核心，通過專業LED光源輸出，提高密集「垂直農場」的產量，在嚴格控制的條件下種植蔬菜等作物。同時，顏色傳感器的新應用還在不斷湧現。

顏色傳感器IC的早期應用基於簡單的RGB（紅/綠/藍）傳感器。如今，傳感器或探測器的要求更為複雜，通常需要系統開發人員具備專業知識。

人類對顏色的感知不僅依賴於絕對物理值（如電流或氣壓），同時也會受到主觀或生理因素影響。這意味著，雖然可以通過統計得出顏色感知的「平均」標準，但每個人的眼睛生理特徵不同，並且人群中的異常值與平均值有很大差別。

人類對顏色感知的敏感度影響了對顏色傳感器測量精度的要求，因此需要定義兩種標準模型：CIE1931仿人眼感知行業標準模型和分離光/色到單獨光譜的模型。

這兩種模型，比色應用都需要相同的基本系統元件和傳感器裝置：

• 傳感器、濾波器

• 電子設備

• 照明設備

• 校準目標

光源的選擇、系統的運行及濾波器的特性決定了傳感器模塊的檢測能力範圍。傳感器IC中的電路對傳感器信號的質量和運行速度有重要影響。

不同類型的顏色測量設備在功能和性能上存在差異：

• XYZ或真彩色傳感器

• 多光譜傳感器IC

• RGB傳感器IC

• 微型光譜儀

顏色傳感器和檢測器的類型

比色應用通常使用兩種類型的設備。一種是將傳統光譜儀作為參考和校準裝置，另一種是顏色傳感器IC，它能以低成本實現出色的顏色測量精度。

在某些情況下，微型光譜儀也可以成為一種合適的選擇。艾邁斯半導體在基於應用的設置中進行測量測試，以對不同類型的設備性能進行合理比較，

圖1：具備幹涉濾光片的真彩色傳感器的典型光譜特性

真彩色傳感器

真彩色傳感器可用於絕對值顏色測量。它們使用幹涉濾光器，為顏色標準測量提供技術基礎。這些傳感器IC可以仿照人眼視覺精確地測量數值（如圖1）。

幹涉濾光器為每個顏色通道的每個波長分配特定的靈敏度值。校準後，可將測量到的顏色值呈現為XYZ值（色度坐標），將其作為轉換到其他顏色空間的基值（XYZ坐標基於CIE1931年「標準觀察者」的平均人眼特徵）。因此，真彩色傳感器IC可用數值來描述織物或印刷品的顏色，與人類視覺效果相同。

多光譜傳感器

作為下一代傳感器，多光譜傳感器使用多通道來最大化信息輸出，且價格合理。有時僅測量顏色坐標不夠精準，則可通過測量物體的光譜組成，該原理可補償同色異譜現象（錯誤的顏色匹配）。多光譜傳感器可以準確辨別出，顯示為橙色的樣品究竟是紅色和黃色的混合色，還是真正的橙色。

圖2：典型多光譜傳感器的光譜靈敏度

多光譜傳感器將選擇的光譜分離成不同的光譜通道。濾波器的排列方式使其限制範圍對齊，在所選的可見光或NIR光譜中幾乎沒有間隙（參見圖2）。

在可見光範圍內，多光譜傳感器的測量發生在輻射水平，而不是比色水平。這意味著傳感器會輸出樣品的光譜，並通過這些光譜值確定色點。在NIR光譜範圍內，測量的光譜還可以用來觀察特定的帶通和化學鍵，以識別水分、脂肪和蛋白質。NIR檢測範圍越寬（甚至超過晶片範圍），就越容易識別特定的物質。

圖3：基於吸收濾波器的RGB傳感器的典型特性

傳統的RGB技術可以看作是光譜傳感器的子集。它們由可見光譜中的三個帶通濾波器組成（參見圖3）。光譜圖的峰值不是按照特定波長設置成一致的，而是在設計過程中根據測量任務和成本的要求來確定的。

這種顏色測量方法不符合人眼感知顏色的任何標準或模型。然而，RGB傳感器可以根據所需的精度完成比色任務。但是，即使使用複雜的校準方法，RGB傳感器的顏色測量精度也僅限於三個帶通的信息。

微型光譜儀

微型光譜儀是一種尺寸小巧、堅固耐用的傳感器解決方案，可以測量光譜值並支持色彩空間的表達。與實驗室級光譜儀相比，其解析度較為有限，但如果光譜掃描點較少，速度則會更快。

性能比較

使用一個或多個樣本進行測量並作為參考值，對各類顏色傳感器IC進行比較。首先，需要對RGB（相對測量）或比色XYZ值設定限制值，如ΔEL*a*b*（絕對測量）。

為比較各種傳感器和檢測器，艾邁斯半導體根據實際應用配置測試裝置。

使用RGB或真彩色傳感器的LED照明測量和控制

某些LED燈具或顯示屏需要嚴格指定的色溫或特定色點。此外，可能需要補償由於溫度漂移或老化引起的顏色變化等影響。

表1：在D65測量中RGB和真彩色傳感器的比較

一般人眼可以看到?u』v』≤0.005的顏色差異。事實上，經過訓練的人眼甚至可以感知到?值最低為0.003的顏色差異。表1中的測試結果描述了RGB和真彩色傳感器在測量D65白色光源時的測量結果。

在測試中，我們設置了兩個使用反饋控制迴路的系統，一個使用RGB傳感器，另一個使用真彩色傳感器，並在40°C(104°F)的溫度下進行校準。接下來，改變LED的溫度，產生顏色漂移，並由反饋控制迴路進行補償。由表1可知，RGB傳感器系統在20°C(104°F)下的控制精度為>0.007，在更高的溫度下會進一步漂移。然而，在包含真彩色傳感器的反饋迴路中，顏色偏差達到0.0011，仍然無法被人眼察覺。

通過真彩色傳感器和微型光譜儀進行顯示屏管理

在醫療領域，診斷設備屏幕必須具有較高對比度，以便於觀察細節，這就要求顯示測量設備具有較高的精度和靈敏度。

傳統的顯示屏校準實驗室方法需要較高成本，而現在顏色傳感器成為了一種更低價、更快捷、更方便且同樣有效的替代品。

為驗證這一觀點，艾邁斯半導體創建了第二種測試。在此測試中，在室溫下，照射帶有LED燈的漫射板，LED的工作溫度為20℃（104℃），並測量色點。將真彩色傳感器IC和微型光譜儀產生的測量值與光譜儀提供的參考值進行比較（參見圖4）。

測量結果表明，傳感器IC和微型光譜儀處理信號的速度比參考光譜儀快，但其誤差和精度值各不相同。微型光譜儀的測量值顯示色點測量的平均誤差範圍為∆u』v』0.01-0.03——人眼可察覺。

真彩色傳感器的測量結果顯示，平均誤差範圍為∆u』v』0.001-0.005，遠小於人眼感知範圍（參見表2）。

圖4：微型光譜儀與真彩色傳感器的性能比較。採用實驗室級光譜儀進行參考測量。圖中的值以xy形式（色度坐標）表示。

表2：微型光譜儀和真彩色傳感器測量值的比較

印刷行業：真彩色和多光譜傳感器IC

在印刷行業中，對光譜測量有一定的要求。通過生產線測量來控制整個印刷過程，這無疑是一項挑戰。

在實際測試中，使用X-Rite ColorChecker進行絕對顏色測量。與此同時，艾邁斯半導體使用了多光譜顏色傳感器，帶有多通道跨阻抗放大器和靈活的放大級別來執行光譜測量，並使用白色LED作為標準光源。

採用多光譜傳感器測量ColorChecker的24個色彩空間，並與光譜儀的參考值進行了比較。光譜的近似回歸方程表明，ColorChecker的平均精度為∆E00=0.72（參見圖5）。

相同條件下的真彩色傳感器的平均精度為∆E00=1.57。

圖5：多光譜測量結果評價

多光譜傳感器的優點在於精度高，並且可為光譜近似方法提供較廣的範圍。如果已知印刷顏色，則可以通過對特定顏色的校準來改進效果。因此，有可能不依靠獨立於觀測標準和標準光源而實現∆E00<1的絕對精度，

與光譜儀相比，傳感器的偏差值為青色∆E00=0.3，品紅∆E00=0.9，黃色∆E00=0.3。

結論

以上所有測試中的測量都是在經過校準的系統中進行的，包括光源、被測目標和傳感器均已根據參考光譜儀進行校準。這些測試表明，真彩色傳感器在進行顏色測量時能夠達到微型光譜儀的精度，甚至在某些應用中會更精準。在決定使用哪種顏色測量技術時，需要知道顏色或光譜信息以及如何處理這些數據。

例如，微型光譜儀不能對PWM控制的LED燈的顏色進行一致的測量，因此，不適用於這種應用。由於RGB和真實顏色傳感器不提供光譜測量，因此不能用於需要光譜值的應用，而應選擇多光譜傳感器或微型光譜儀。

表3總結了傳感器和檢測器類型的比較。該表每項評分均採用五分制。

測試表明，每個應用都有最合適的傳感器解決方案。RGB傳感器是便捷式顏色檢測的理想選擇。真彩色傳感器適用於絕對顏色測量。多光譜傳感器或微型光譜儀適用於絕對或光譜測量。

表3：不同類型傳感器和測量儀器的特點總結

總結

受手機、顯示屏及特種照明設備製造商的需求推動，精密、準確的晶片級顏色傳感器和光譜傳感器市場增長顯著。因此，光學半導體製造商開發出不同系列傳感器，以滿足特定類型的應用需求。

本文介紹了目前常用的光學傳感器和檢測器的類型，並介紹評估每種類型在特定應用中適用性的方法，以及如何指定所需的特性和性能。
來源；網際網路

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