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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