光学传感器和检测器的各种类型以及特性分析

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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