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      電子發燒友網 > MEMS/傳感技術 > 正文

      迎接顏色測量的新時代—— 顏色傳感器IC與光譜儀性能對比

      2019年05月07日 09:21 ? 次閱讀

      近年來,受手機、顯示屏及特種照明設備制造商的需求推動,精密、準確的芯片級顏色傳感器和光譜傳感器市場增長顯著。因此,光學半導體制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,并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在提高智能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涌現。

      顏色傳感器IC的早期應用基于簡單的RGB(紅/綠/藍)傳感器。如今,傳感器或探測器的要求更為復雜,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于絕對物理值(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征不同,并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范圍。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。艾邁斯半導體在基于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:具備干涉濾光片的真彩色傳感器的典型光譜特性

      圖1:具備干涉濾光片的真彩色傳感器的典型光譜特性

      真彩色傳感器

      真彩色傳感器可用于絕對值顏色測量。它們使用干涉濾光器,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)。

      干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。校準后,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坐標基于CIE1931年“標準觀察者”的平均人眼特征)。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

      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范圍對齊,在所選的可見光或NIR光譜中幾乎沒有間隙(參見圖2)。

      在可見光范圍內,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,并通過這些光譜值確定色點。在NIR光譜范圍內,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檢測范圍越寬(甚至超過芯片范圍),就越容易識別特定的物質。

      圖3:基于吸收濾波器的RGB傳感器的典型特性

      圖3:基于吸收濾波器的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,即使使用復雜的校準方法,RGB傳感器的顏色測量精度也僅限于三個帶通的信息。

      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,可以測量光譜值并支持色彩空間的表達。與實驗室級光譜儀相比,其分辨率較為有限,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并作為參考值,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,可能需要補償由于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

      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回路的系統,一個使用RGB傳感器,另一個使用真彩色傳感器,并在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,并由反饋控制回路進行補償。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回路中,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,以便于觀察細節,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℃),并測量色點。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范圍為?u’v’0.01-0.03——人眼可察覺。

      真彩色傳感器的測量結果顯示,平均誤差范圍為?u’v’0.001-0.005,遠小于人眼感知范圍(參見表2)。


      圖4:微型光譜儀與真彩色傳感器的性能比較。采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。

      圖4:微型光譜儀與真彩色傳感器的性能比較。采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,并使用白色LED作為標準光源。

      采用多光譜傳感器測量ColorChecker的24個色彩空間,并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。

      ColorChecker目標

      圖5:多光譜測量結果評價

      多光譜傳感器的優點在于精度高,并且可為光譜近似方法提供較廣的范圍。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,有可能不依靠獨立于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,不適用于這種應用。由于RGB和真實顏色傳感器不提供光譜測量,因此不能用于需要光譜值的應用,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。該表每項評分均采用五分制。

      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。真彩色傳感器適用于絕對顏色測量。多光譜傳感器或微型光譜儀適用于絕對或光譜測量。

      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制造商的需求推動,精密、準確的芯片級顏色傳感器和光譜傳感器市場增長顯著。因此,光學半導體制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,并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。
      ? ? ? ?本文作者:艾邁斯半導體,Kevin Jensen

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