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精确测色的新时代来临了?
色彩感测器IC和光谱仪效能比较

【作者: Kevin Jensen】2019年09月11日 星期三

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近年来,受到来自手机、显示器及专业照明设备制造商的需求驱动,精密和精确的晶片级色彩和光谱感测器的市场大幅成长。因应此成长,光学半导体制造商开发了不同系列的感测器,以满足特定应用类型的要求。


本文介绍了现今常用的光学感测器和侦测器类型,以及说明如何评估每种类型在特定应用的适用性。


比色定量学 (The science of colorimetry)

比色法,也就是色彩的测量,在某些消费、医疗、工业和商业应用中的重要性日益增加。在提高智慧型手机的显示器和相机效能方面,色彩感测器IC扮演着至关重要的角色。 这些IC是园艺创新的核心,它使得专业LED照明输出能够用於提高密集「垂直农场」的产量,这些农场在严格控制的条件下种植莴苣等粮食作物,且色彩感测的新应用持续出现。


在早期,色彩感测器IC的应用主要是简单的RGB(红/绿/蓝)感测器。时至今日,感测器或侦测器的要求通常更为复杂,需要仰赖系统开发人员的专业知识才能实现色彩测量。


这部分是因为人类对色彩的感知不仅仅基於电流或大气压力等绝对物理值,强烈的主观或生理学因素也影响我们 对於色彩的感知。这意味着,即使可以透过统计方法来得出人类的色彩感知「平均」标准,但每个人的眼睛生理都有所不同,且不同人群对於色彩的感知也与平均标准存在着极大差异。


人类对於色彩的敏锐度,影响着色彩感测器的测量精度要求,如下所述。基於此目的,我们定义了两种标准规范:针对人眼色彩感知的CIE1931产业标准,以及将光/色分离到其各自的光谱中。


在每种情况下,每个色度应用都需要相同的基本系统元件和感测器设定:


· 感测器、过滤器


· 电子元件


· 照明


· 校准目标


光源选择、系统运作和滤波器特性,决定了感测器模型的侦测能力范围。感测器IC中的电子电路则显着影响感测器的信号品质及其运作速度。


各种色彩测量装置的功能和效能有所不同:


· XYZ或True Color(原色)感测器


· 多光谱感测器IC


· RGB感测器IC


· 微型光谱仪


色彩感测器和侦测器的类型

有两种装置常被用於比色应用:第一种是做为叁考和校准设备的传统光谱仪;第二种是色彩感测器IC,它能够以低成本的方法来实现良好,甚至是杰出的色彩测量精度。


在某些情况下,微型光谱仪也可能是一个合适的选择。 为了对这些不同装置类型的效能进行有意义的比较,ams已在基於应用的设置中执行了测量测试。


原色感测器

原色感测器(True Color sensors)可用於绝对值色彩测量,其使用干涉滤波器,为色彩与色彩标准的测量提供了良好的技术基础。这些感测器IC数值测量与人眼看到的一样准确(叁见图一)。



图一 : True Color(原色)感测器的典型光谱特性,其具有干涉滤波器
图一 : True Color(原色)感测器的典型光谱特性,其具有干涉滤波器

干涉滤波器为每个色彩通道的每一波长分配特定的灵敏度数值。校准後,就能针对测量到的色彩值给予XYZ值(色度座标),这个XYZ值会被做为转换为其他色彩空间的基值。XYZ座标是基於人眼的平均CIE 1931「标准观测者(Standard Ob-server)」特性。因此,True Color色彩感测器IC的使用,让我们能够以相同於人眼的方式,利用数值来说明织物或印刷产品的色彩。


多光谱感测器

多光谱感测器是下一代感测器,使用多个通道,以低价格提供最大的资讯输出。只有色彩座标还不够时,就进一步测量物体的光谱组成。 这个原理可以补偿同色异谱(伪色匹配)。 多光谱感测器可以解答橙色样品究竟是红色和黄色混合,还是纯橙色的问题。


多光谱感测器将所选光谱分离成光谱通道。 滤波器的排列方式是对齐它们的范围界线,在所选择的可见光或近红外(NIR)光谱中几??没有间隙(见图二)。



图二 : 典型多光谱感测器的光谱灵敏度
图二 : 典型多光谱感测器的光谱灵敏度

在可见光范围内,多光谱感测器的测量是发生在辐射水平,而非比色水平。 这意味着感测器输出样本光谱,并且藉由这些光谱值来测定色点(color point)。 在近红外光范围内,测量的光谱也可用於查看特定的带通(band-asses)和化学键,以识别湿气、脂肪或蛋白质。 NIR中的检测范围愈大,甚至超过矽范围,则愈容易确定特定物质。


传统的RGB技术可被视为光谱感测器的一个子集,它们由可见光谱中的三个带通滤波器所组成(见图三)。 光谱图的峰值不是以相对於特定波长的方式统一设定的,而是根据设计过程中的测量任务和成本规格来定义。



图三 : 采用吸收滤波器(absorption filters)的RGB感测器的典型特性
图三 : 采用吸收滤波器(absorption filters)的RGB感测器的典型特性

这种色彩测量不符合人眼感知彩色的任何标准或模型。 然而,根据所需的精度,RGB感测器可被用於比色任务。 不过,即使采用复杂的校准方法,RGB感测器的色彩测量精度也是受限於3个资讯带通。


微型光谱仪

微型光谱仪是紧凑且坚固的感测器解决方案,可测量光谱值并支持色彩空间的解读。 与实验室等级的光谱仪相较,它们的分辨率有限,但光谱扫描点较少,速度更快。


效能比较

色彩感测器IC类型的比较,是用一个或多个样本进行,我们测量这些样本并做为叁考值。 为RGB(相对测量)或色度XYZ值设定限制值,例如ΔEL* a * b *(用於绝对测量)。


为了比较各种感测器和侦测器类型,ams根据实际应用设定了测试配置。


使用RGB或True Color色彩感测器进行LED照明测量及控制

某些LED灯具或LED显示器背光需要在严格指定的色温或特定色点下进行照明。 此外,可能需要补偿肇因於温度漂移或老化引起的色移现象。


表一:D65测量中,RGB和True Color色彩感测器的比较

D65测量结果

与目标色彩的差异

20°C70°C(68°F to 158°F)之间的区别

 

20°C (68°F)

40°C

70°C (158°F)

RGB 感测器

?L*

-8.1%

-4.0%

1.1%

9.9%

? u'v'

0.0070

0.0017

0.0077

0.0147

? CCT

409K

68K

-567K

-976K

True Color 感测器

?L*

-6.8%

-3.1%

6.8%

14.6%

? u'v'

0.0011

0.0013

0.0008

0.0017

? CCT

-125K

-76K

-95K

30K


一般人眼可以看出Δu'v'?0.005的色彩差异。 事实上,受过训练的眼睛甚至可以感知到Δ值为0.003的些微差异。 表1中的测试结果描述了测量D65白光源时,RGB和True Color感测器的测量结果。


在我们的测试中,有两个使用回??控制??路的系统,其一使用RGB感测器;另一个使用True Color感测器,在40。C(104。F)的温度下进行设定和校准。 接下来,我们改变LED的温度,使其产生色彩漂移。 这种漂移由回??控制??路补偿。 表1显示RGB感测器系统在20。C(104。F)时的控制精度> 0.007,在较高温度下则产生更大的漂移。 然而,具有True Color感测器的回????路虽然有0.0011的色彩偏差,但这是人眼无法感知的。


使用True Color感测器和微型光谱仪进行显示管理

在医疗设备中,诊断设备的萤幕需提供高对比度,以便於观察精细的细节,这是很重要的,因此显示器测量装置必须提供高精度和灵敏度。


传统上,显示器校准实验室以高成本方式进行了显示器校准。 现今的色彩感测器则提供了更便宜、更快速、更方便且成效相同的替代方案。


为了证明这个说法,ams设置了第二个测试。 这个测试是在室温下以LED照明照亮漫射板,LED的工作温度为摄氏20度,并测量色点。然後将产生自True Color感测器IC和微型光谱仪的测量值,与光谱仪提供的叁考值进行比较(见图四)。



图四 : True Color感测器与微型光谱仪的效能比较。 使用实验室等级光谱仪提供叁考测量。 该图显示xy(色度座标)数值。
图四 : True Color感测器与微型光谱仪的效能比较。 使用实验室等级光谱仪提供叁考测量。 该图显示xy(色度座标)数值。

测量结果显示,感测器IC和微型光谱仪处理信号的速度比叁考光谱仪更快,但它们的误差和精度数值会有所不同。 微型光谱仪的测量值显示色点测量的平均误差范围是Δu'v'0.01到0.03 - 这是人眼可感知的。


使用True Color感测器进行的测量结果显示,平均误差范围为Δu'v'0.001 - 0.005,差异远小於人眼可以感知的差异(见表二)。


表二:微型光谱仪和True Color感测器的测量结果比较

? u'v'

微型光谱仪

True Color 感测器

Red

0.0150

0.00194

绿Green

0.0096

0.0006

Blue

0.0304

0.0012

RGB

0.0195

0.0055


印刷业:True Color和多光谱感测器IC

印刷工业的印刷流程需要进行光谱测量。 在线测量颇具挑战性,因为测量值是要用於控制印刷流程。


在实际测试中,使用X-Rite ColorChecker提供绝对色彩测量。 除此之外,ams使用具有多通道跨阻抗放大器和灵活放大水平的多光谱色彩感测器,以执行光谱测量。 使用白色LED做为标准光源。


多光谱感测器用於测量ColorChecker的24个色彩空间,它们本身与光谱仪的叁考值进行比较。 光谱近似(spectral approximation)的??归方程式表明,ColorChecker仪器的平均精度达到ΔE00= 0.72(见图五)。


在相同条件下,True Color感测器的平均精度则可以达到ΔE00= 1.57。



图五 : 使用多光谱测量获得的测量结果评估
图五 : 使用多光谱测量获得的测量结果评估

多光谱感测器的优点之一是具有更高的精度,以及它们为使用光谱近似(spectral ap-proximation)方法提供的范围。 如果已知印刷色彩,则可以藉由校准特定色彩来改善结果,因此,实现ΔE00<1的绝对精度是可能的,这与标准观察者(standard observer)和标准光源无关。


相较於光谱仪,感测器的青色偏差值是ΔE00= 0.3,洋红色是ΔE00= 0.9,黄色泽是ΔE00= 0.3。


结论

在我们的测试中,所有测量皆在校准系统内进行。光源、目标和感测器皆已校准至与叁考光谱仪一致。这些测试表明,在进行色彩测量时,True Color感测器能够达到微型光谱仪的精确度。 在某些应用中,它们甚至更加准确。在决定使用哪种色彩测量技术时,我们得了解需要哪些色彩或光谱资讯,以及如何处理这些数据。


例如,微型光谱仪无法对PWM(脉宽调变)控制的LED照明色彩进行一致的测量,因此在这个应用中,微型光谱仪是不足的。RGB和True Color感测器不提供光谱测量,因此不能用於需要光谱值的应用。 在这种情况下,我们应该选择多光谱感测器或微型光谱仪。


表3综述感测器和侦测器类型的比较。 这个表格以五个等级评价各类型感测器及侦测器。


表3:不同类型感测器和测量仪器的特性综述

 

RGB 感测器

True Color 感测器

多光谱感测器

微型光谱仪

光谱仪

光谱资讯

N/A

N/A

极高

成本

极高

速度

极高

极高

极高

色彩精度

极高

极高

叁考


我们的测试显示每种应用都有其适合的感测器解决方案。RGB感测器非常适合简单的色彩侦测;True Color感测器则是绝对色彩测量的理想选择;多光谱感测器或微型光谱仪适用於绝对或光谱测量。


(本文作者Kevin Jensen任职於 ams AG公司)


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