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精確測色的新時代來臨了?
色彩感測器IC和光譜儀效能比較

【作者: Kevin Jensen】   2019年09月11日 星期三

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近年來,受到來自手機、顯示器及專業照明設備製造商的需求驅動,精密和精確的晶片級色彩和光譜感測器的市場大幅成長。因應此成長,光學半導體製造商開發了不同系列的感測器,以滿足特定應用類型的要求。


本文介紹了現今常用的光學感測器和偵測器類型,以及說明如何評估每種類型在特定應用的適用性。


比色定量學 (The science of colorimetry)

比色法,也就是色彩的測量,在某些消費、醫療、工業和商業應用中的重要性日益增加。在提高智慧型手機的顯示器和相機效能方面,色彩感測器IC扮演著至關重要的角色。 這些IC是園藝創新的核心,它使得專業LED照明輸出能夠用於提高密集「垂直農場」的產量,這些農場在嚴格控制的條件下種植萵苣等糧食作物,且色彩感測的新應用持續出現。


在早期,色彩感測器IC的應用主要是簡單的RGB(紅/綠/藍)感測器。時至今日,感測器或偵測器的要求通常更為複雜,需要仰賴系統開發人員的專業知識才能實現色彩測量。


這部分是因為人類對色彩的感知不僅僅基於電流或大氣壓力等絕對物理值,強烈的主觀或生理學因素也影響我們 對於色彩的感知。這意味著,即使可以透過統計方法來得出人類的色彩感知「平均」標準,但每個人的眼睛生理都有所不同,且不同人群對於色彩的感知也與平均標準存在著極大差異。


人類對於色彩的敏銳度,影響著色彩感測器的測量精度要求,如下所述。基於此目的,我們定義了兩種標準規範:針對人眼色彩感知的CIE1931產業標準,以及將光/色分離到其各自的光譜中。


在每種情況下,每個色度應用都需要相同的基本系統元件和感測器設定:


‧ 感測器、過濾器


‧ 電子元件


‧ 照明


‧ 校準目標


光源選擇、系統運作和濾波器特性,決定了感測器模型的偵測能力範圍。感測器IC中的電子電路則顯著影響感測器的信號品質及其運作速度。


各種色彩測量裝置的功能和效能有所不同:


‧ XYZ或True Color(原色)感測器


‧ 多光譜感測器IC


‧ RGB感測器IC


‧ 微型光譜儀


色彩感測器和偵測器的類型

有兩種裝置常被用於比色應用:第一種是做為參考和校準設備的傳統光譜儀;第二種是色彩感測器IC,它能夠以低成本的方法來實現良好,甚至是傑出的色彩測量精度。


在某些情況下,微型光譜儀也可能是一個合適的選擇。 為了對這些不同裝置類型的效能進行有意義的比較,ams已在基於應用的設置中執行了測量測試。


原色感測器

原色感測器(True Color sensors)可用於絕對值色彩測量,其使用干涉濾波器,為色彩與色彩標準的測量提供了良好的技術基礎。這些感測器IC數值測量與人眼看到的一樣準確(參見圖一)。



圖一 : True Color(原色)感測器的典型光譜特性,其具有干涉濾波器
圖一 : True Color(原色)感測器的典型光譜特性,其具有干涉濾波器

干涉濾波器為每個色彩通道的每一波長分配特定的靈敏度數值。校準後,就能針對測量到的色彩值給予XYZ值(色度座標),這個XYZ值會被做為轉換為其他色彩空間的基值。XYZ座標是基於人眼的平均CIE 1931「標準觀測者(Standard Ob-server)」特性。因此,True Color色彩感測器IC的使用,讓我們能夠以相同於人眼的方式,利用數值來說明織物或印刷產品的色彩。


多光譜感測器

多光譜感測器是下一代感測器,使用多個通道,以低價格提供最大的資訊輸出。只有色彩座標還不夠時,就進一步測量物體的光譜組成。 這個原理可以補償同色異譜(偽色匹配)。 多光譜感測器可以解答橙色樣品究竟是紅色和黃色混合,還是純橙色的問題。


多光譜感測器將所選光譜分離成光譜通道。 濾波器的排列方式是對齊它們的範圍界線,在所選擇的可見光或近紅外(NIR)光譜中幾乎沒有間隙(見圖二)。



圖二 : 典型多光譜感測器的光譜靈敏度
圖二 : 典型多光譜感測器的光譜靈敏度

在可見光範圍內,多光譜感測器的測量是發生在輻射水平,而非比色水平。 這意味著感測器輸出樣本光譜,並且藉由這些光譜值來測定色點(color point)。 在近紅外光範圍內,測量的光譜也可用於查看特定的帶通(band-asses)和化學鍵,以識別濕氣、脂肪或蛋白質。 NIR中的檢測範圍愈大,甚至超過矽範圍,則愈容易確定特定物質。


傳統的RGB技術可被視為光譜感測器的一個子集,它們由可見光譜中的三個帶通濾波器所組成(見圖三)。 光譜圖的峰值不是以相對於特定波長的方式統一設定的,而是根據設計過程中的測量任務和成本規格來定義。



圖三 : 採用吸收濾波器(absorption filters)的RGB感測器的典型特性
圖三 : 採用吸收濾波器(absorption filters)的RGB感測器的典型特性

這種色彩測量不符合人眼感知彩色的任何標準或模型。 然而,根據所需的精度,RGB感測器可被用於比色任務。 不過,即使採用複雜的校準方法,RGB感測器的色彩測量精度也是受限於3個資訊帶通。


微型光譜儀

微型光譜儀是緊湊且堅固的感測器解決方案,可測量光譜值並支持色彩空間的解讀。 與實驗室等級的光譜儀相較,它們的分辨率有限,但光譜掃描點較少,速度更快。


效能比較

色彩感測器IC類型的比較,是用一個或多個樣本進行,我們測量這些樣本並做為參考值。 為RGB(相對測量)或色度XYZ值設定限制值,例如ΔEL* a * b *(用於絕對測量)。


為了比較各種感測器和偵測器類型,ams根據實際應用設定了測試配置。


使用RGB或True Color色彩感測器進行LED照明測量及控制

某些LED燈具或LED顯示器背光需要在嚴格指定的色溫或特定色點下進行照明。 此外,可能需要補償肇因於溫度漂移或老化引起的色移現象。


表一:D65測量中,RGB和True Color色彩感測器的比較

D65測量結果

與目標色彩的差異

20°C70°C(68°F to 158°F)之間的區別

 

20°C (68°F)

40°C

70°C (158°F)

RGB 感測器

?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 感測器

?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的色彩差異。 事實上,受過訓練的眼睛甚至可以感知到Δ值為0.003的些微差異。 表1中的測試結果描述了測量D65白光源時,RGB和True Color感測器的測量結果。


在我們的測試中,有兩個使用回饋控制迴路的系統,其一使用RGB感測器;另一個使用True Color感測器,在40°C(104°F)的溫度下進行設定和校準。 接下來,我們改變LED的溫度,使其產生色彩漂移。 這種漂移由回饋控制迴路補償。 表1顯示RGB感測器系統在20°C(104°F)時的控制精度> 0.007,在較高溫度下則產生更大的漂移。 然而,具有True Color感測器的回饋迴路雖然有0.0011的色彩偏差,但這是人眼無法感知的。


使用True Color感測器和微型光譜儀進行顯示管理

在醫療設備中,診斷設備的螢幕需提供高對比度,以便於觀察精細的細節,這是很重要的,因此顯示器測量裝置必須提供高精度和靈敏度。


傳統上,顯示器校準實驗室以高成本方式進行了顯示器校準。 現今的色彩感測器則提供了更便宜、更快速、更方便且成效相同的替代方案。


為了證明這個說法,ams設置了第二個測試。 這個測試是在室溫下以LED照明照亮漫射板,LED的工作溫度為攝氏20度,並測量色點。然後將產生自True Color感測器IC和微型光譜儀的測量值,與光譜儀提供的參考值進行比較(見圖四)。



圖四 : True Color感測器與微型光譜儀的效能比較。 使用實驗室等級光譜儀提供參考測量。 該圖顯示xy(色度座標)數值。
圖四 : True Color感測器與微型光譜儀的效能比較。 使用實驗室等級光譜儀提供參考測量。 該圖顯示xy(色度座標)數值。

測量結果顯示,感測器IC和微型光譜儀處理信號的速度比參考光譜儀更快,但它們的誤差和精度數值會有所不同。 微型光譜儀的測量值顯示色點測量的平均誤差範圍是Δu'v'0.01到0.03 - 這是人眼可感知的。


使用True Color感測器進行的測量結果顯示,平均誤差範圍為Δu'v'0.001 - 0.005,差異遠小於人眼可以感知的差異(見表二)。


表二:微型光譜儀和True Color感測器的測量結果比較

? u'v'

微型光譜儀

True Color 感測器

Red

0.0150

0.00194

Green

0.0096

0.0006

Blue

0.0304

0.0012

RGB

0.0195

0.0055


印刷業:True Color和多光譜感測器IC

印刷工業的印刷流程需要進行光譜測量。 在線測量頗具挑戰性,因為測量值是要用於控制印刷流程。


在實際測試中,使用X-Rite ColorChecker提供絕對色彩測量。 除此之外,ams使用具有多通道跨阻抗放大器和靈活放大水平的多光譜色彩感測器,以執行光譜測量。 使用白色LED做為標準光源。


多光譜感測器用於測量ColorChecker的24個色彩空間,它們本身與光譜儀的參考值進行比較。 光譜近似(spectral approximation)的迴歸方程式表明,ColorChecker儀器的平均精度達到ΔE00= 0.72(見圖五)。


在相同條件下,True Color感測器的平均精度則可以達到ΔE00= 1.57。



圖五 : 使用多光譜測量獲得的測量結果評估
圖五 : 使用多光譜測量獲得的測量結果評估

多光譜感測器的優點之一是具有更高的精度,以及它們為使用光譜近似(spectral ap-proximation)方法提供的範圍。 如果已知印刷色彩,則可以藉由校準特定色彩來改善結果,因此,實現ΔE00<1的絕對精度是可能的,這與標準觀察者(standard observer)和標準光源無關。


相較於光譜儀,感測器的青色偏差值是ΔE00= 0.3,洋紅色是ΔE00= 0.9,黃色澤是ΔE00= 0.3。


結論

在我們的測試中,所有測量皆在校準系統內進行。光源、目標和感測器皆已校準至與參考光譜儀一致。這些測試表明,在進行色彩測量時,True Color感測器能夠達到微型光譜儀的精確度。 在某些應用中,它們甚至更加準確。在決定使用哪種色彩測量技術時,我們得了解需要哪些色彩或光譜資訊,以及如何處理這些數據。


例如,微型光譜儀無法對PWM(脈寬調變)控制的LED照明色彩進行一致的測量,因此在這個應用中,微型光譜儀是不足的。RGB和True Color感測器不提供光譜測量,因此不能用於需要光譜值的應用。 在這種情況下,我們應該選擇多光譜感測器或微型光譜儀。


表3綜述感測器和偵測器類型的比較。 這個表格以五個等級評價各類型感測器及偵測器。


表3:不同類型感測器和測量儀器的特性綜述

 

RGB 感測器

True Color 感測器

多光譜感測器

微型光譜儀

光譜儀

光譜資訊

N/A

N/A

極高

成本

極高

速度

極高

極高

極高

色彩精度

極高

極高

參考


我們的測試顯示每種應用都有其適合的感測器解決方案。RGB感測器非常適合簡單的色彩偵測;True Color感測器則是絕對色彩測量的理想選擇;多光譜感測器或微型光譜儀適用於絕對或光譜測量。


(本文作者Kevin Jensen任職於 ams AG公司)


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