RGB色彩传感器工作原理及应用方案分析（上）

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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。

        反射传感

        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。