顏色傳感器原理圖：色彩傳感器工作原理及應(yīng)用方案分析 - 全文
色彩傳感器又叫顏色識(shí)別傳感器或顏色傳感器，它是將物體顏色同前面已經(jīng)示教過(guò)的參考顏色進(jìn)行比較來(lái)檢測(cè)顏色的傳感器，當(dāng)兩個(gè)顏色在一定的誤差范圍內(nèi)相吻合時(shí)，輸出檢測(cè)結(jié)果。
色彩測(cè)量的原理
圖1.1顯示了與使用儀器或傳感器進(jìn)行色彩測(cè)量相比，人眼檢測(cè)色彩的基本原理。傳感設(shè)備可以是高端設(shè)備，如分光光譜儀或英國(guó)國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）校準(zhǔn)的攝像機(jī)，也可以是低端設(shè)備，如RGB色彩傳感器等。
測(cè)量?jī)x器通常分為兩大類(lèi)：色度分析方法和測(cè)光方法。在使用色度分析方法時(shí)，設(shè)備使用具有三個(gè)濾波器的傳感器測(cè)量來(lái)自物體的光（圖1.1b）。正常情況下，傳感器廓線(xiàn)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，因此與人眼響應(yīng)非常相似。輸出采用CIE三重刺激值表示：X，Y，Z。
測(cè)光方法（圖1c）使用各種各樣的傳感器，在大量的窄波長(zhǎng)范圍內(nèi)測(cè)量色彩。然后，儀器的微電腦通過(guò)對(duì)得到的數(shù)據(jù)求積分，計(jì)算三重刺激值。
安華高科技的色彩傳感器（圖1d）是三濾波器設(shè)備，提供了色度分析測(cè)量功能。傳感器輸出由電壓輸出VR，VG，和VB或模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后的R，G和B數(shù)字值組成。
圖1a
圖1b
圖1c
圖1d
色彩傳感器的工作原理
色彩傳感器分為三種不同類(lèi)型：光到光電流轉(zhuǎn)換，光到模擬電壓轉(zhuǎn)換，光到數(shù)字轉(zhuǎn)換。前者通常只代表實(shí)際色彩傳感器的輸入部分，因?yàn)樵脊怆娏鞯姆确浅５?，總是要求放大，以將光電流轉(zhuǎn)換成可用的水平。所以，最實(shí)用的模擬輸出色彩傳感器至少會(huì)有一個(gè)跨阻抗放大器，并提供電壓輸出。
光到模擬電壓色彩傳感器由色彩濾波器后面的光電二極管陣列與整合的電流到電壓轉(zhuǎn)換電路（通常是跨阻抗放大器）組成，如圖1.2所示。落在每個(gè)光電二極管上的光轉(zhuǎn)換成光電流，其幅度取決于亮度及入射光的波長(zhǎng)（由于色彩濾波器）。
圖1.2：采用光到模擬電壓轉(zhuǎn)換的色彩傳感器
如果沒(méi)有色彩濾波器，典型的硅光電二極管會(huì)對(duì)從超紫色區(qū)域直到可視區(qū)域的波長(zhǎng)作出響應(yīng)，在光譜接近紅外線(xiàn)的部分，峰值響應(yīng)區(qū)域位于800nm和950nm之間。紅色、綠色和藍(lán)色透射色彩濾波器將重塑和優(yōu)化光電二極管的光譜響應(yīng)。正確設(shè)計(jì)的濾波器將對(duì)模仿人眼的濾波后的光電二極管陣列提供光譜響應(yīng)。三個(gè)光電二極管中的每個(gè)光電二極管的光電流會(huì)使用電流到電壓轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成VRout、VGout和VBout。
有兩種色彩傳感模式：反射傳感和透射傳感。
反射傳感：
在反射傳感中，色彩傳感器檢測(cè)從某個(gè)表面或?qū)ο蠓瓷涞墓?，光源和色彩傳感器都放在目?biāo)表面附近。來(lái)自光源（如白熾燈或熒光燈、白色LED或校準(zhǔn)后的RGBLED模塊）的光彈跳離開(kāi)表面，被色彩傳感器測(cè)得。反射離開(kāi)表面的色彩與表面的顏色有關(guān)。例如，白光入射到紅色表面上，會(huì)反射為紅色。反射的紅光撞擊色彩傳感器，產(chǎn)生R，G和B輸出電壓。通過(guò)解釋三個(gè)電壓，可以確定色彩。由于三個(gè)輸出電壓與反射光的密度線(xiàn)性提高，因此色彩傳感器還可以測(cè)量表面或物體的反射系數(shù)。
圖1.3：反射的光的顏色取決于表面反射的顏色和吸收的顏色。
透射傳感：
在透射工作模式下，傳感器朝向光源。色彩傳感器搭配濾波器的光電二極管陣列將入射光轉(zhuǎn)換成R，G和B光電流，然后放大并轉(zhuǎn)換成模擬電壓。由于所有三個(gè)輸出都會(huì)隨著光密度提高而線(xiàn)性提高，因此傳感器可以同時(shí)測(cè)量光的顏色和總密度。
可以使用透射傳感，確定透明介質(zhì)的顏色，如玻璃和透明塑料、液體和氣體。在這種應(yīng)用中，光穿過(guò)透明介質(zhì)，然后撞擊在色彩傳感器上。透明介質(zhì)的顏色取決于對(duì)色彩傳感器電壓的理解。
圖1.4：傳感器的R，G和B輸出取決于落在傳感器上的光的顏色
圖1.5：透明介質(zhì)的色彩傳感，如色彩濾波器、液體或氣體
解釋色彩傳感器值
可以使用色彩傳感器的三個(gè)模擬輸出電壓直接控制硬件，或轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，從而數(shù)字處理器能夠分析數(shù)據(jù)。然后可以從這些數(shù)字值中獲得色彩和亮度信息。
描述色彩和亮度有兩種方法。
a）矩陣方法
如果需要區(qū)分多種色彩，那么適合采用這種方法。這種方法基于下面給出的矩陣：
其中X，Y，Z代表CIE三重刺激值，RGB代表色彩傳感器的數(shù)字值。
將測(cè)量已知的參考色彩集合，對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)X，Y，Z值獲得R，G，B傳感器值。矩陣系數(shù)C00，C01，C02，C10，C11，C12，C20，C21和C22從這些已知標(biāo)準(zhǔn)值中確定。一旦確定了這些矩陣系數(shù)，那么可以從R，G，和B數(shù)字傳感器值中計(jì)算得出未知色彩的X，Y，Z值。
b）查表方法
如果要區(qū)分少量的參考色彩，適合采用這種方法。首先，在校準(zhǔn)過(guò)程中獲得每個(gè)色彩的參考色彩傳感器值，其中包括亮度信息。必須確定亮度信息是否重要。如果亮度信息重要，理解中會(huì)使用實(shí)際色彩傳感器值。
如果亮度對(duì)應(yīng)用不重要，那么在校準(zhǔn)過(guò)程中將對(duì)參考色彩及在測(cè)試過(guò)程中對(duì)未知色彩獲得紅色、綠色和藍(lán)色傳感器值的比率或比重。使用一個(gè)選定的色彩通道作為所有測(cè)量集合的基礎(chǔ)，來(lái)獲得比率。例如，如果選擇綠色通道，那么通過(guò)將傳感器測(cè)量值除以相應(yīng)的綠色通道值，來(lái)獲得比率，因此得到的綠色通道值一直是1。我們演示一下，如果集合（Rn，Gn，Bn），n=1，2，3…N表示所有N個(gè)參考色彩的色彩傳感器測(cè)量結(jié)果，那么通過(guò)下述集合得出比率：
，n=1，2，3，。。.N。
也可以使用紅色或藍(lán)色通道值作為除數(shù)。選擇使用哪條色彩通道與用戶(hù)偏好有關(guān)。
如果未知色彩距離某個(gè)參考色彩最近，也就是說(shuō)，如果未知色彩與該特定參考色彩之間的距離在未知色彩與所有其它參考色彩之間的所有其它距離中最短，那么可以確定未知色彩就是參考色彩。
未知色彩和參考色彩之間的距離使用下面的公式得出：
a）在亮度重要時(shí)
b）在亮度不重要時(shí)
注意：1.（Ru，Gu，Bu）是未知色彩傳感器值；
2.（Rr，Gr，Br）是參考色彩傳感器值；
3.在亮度不重要時(shí)，一條傳感器通道的值（如綠色通道）作為除數(shù)。
將為每個(gè)參考色彩確定最大距離極限，以避免接受不屬于參考色彩列表的色彩。這個(gè)最大極限對(duì)每個(gè)參考色彩可以不同，具體視要求的準(zhǔn)確性而定。
色彩傳感器的類(lèi)型比較
1．光到光電流轉(zhuǎn)換器
光到光電流轉(zhuǎn)換器由光電二極管或具有色彩濾波器的光電二極管組成，將光轉(zhuǎn)換成光電流?？梢允褂猛獠侩娐罚瑢⒐怆娏鬓D(zhuǎn)換成成比例的電壓輸出，然后可以通過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式，輸送到微控制器中。
優(yōu)點(diǎn)：
-設(shè)計(jì)靈活。可以針對(duì)各個(gè)應(yīng)用訂制放大器的增益和帶寬及模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的速度和分辨率缺點(diǎn)：
-增加了組裝成本
-提高了設(shè)計(jì)復(fù)雜程度
光到光電流轉(zhuǎn)換器適合要求響應(yīng)時(shí)間短、定制增益和速度調(diào)節(jié)及在光線(xiàn)變化條件下工作的應(yīng)用。
2．光到模擬電壓轉(zhuǎn)換器
光到模擬電壓轉(zhuǎn)換器由搭配色彩濾波器的光電二極管陣列組成，并整合一個(gè)跨阻抗放大器。要求使用外部電路，將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出，然后才能輸送到數(shù)字信號(hào)處理器。
優(yōu)點(diǎn)：
-簡(jiǎn)化外設(shè)電路設(shè)計(jì)
-改善空間利用效率
-降低組裝成本
缺點(diǎn)：
-響應(yīng)時(shí)間預(yù)先由內(nèi)置電流到電壓轉(zhuǎn)換器確定，如跨阻抗放大器
-要求額外的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，將電壓輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式
光到模擬電壓轉(zhuǎn)換器適合要求設(shè)計(jì)周期較短、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期更快、光線(xiàn)條件和空間利用率設(shè)計(jì)精良的應(yīng)用。
3．光到數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換器
光到數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換器由搭配RGB濾波器的光電二極管陣列、模似數(shù)字轉(zhuǎn)換器及用于通信和靈敏度控制的數(shù)字核心組成。輸出允許直接接口微控制器或其它邏輯控制通路，如2線(xiàn)串行接口，以進(jìn)一步處理信號(hào)，而不需額外的器件。
優(yōu)點(diǎn)：
-提供抗噪聲干擾能力
-簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)
-改善空間利用率
-降低組裝成本
缺點(diǎn)：
-只通過(guò)2線(xiàn)串行接口模塊提供到微控制器或PC的直接接口
-響應(yīng)時(shí)間由內(nèi)置模擬電路和數(shù)字電路預(yù)先確定
-預(yù)先確定模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率
光到數(shù)字轉(zhuǎn)換器適合要求抗噪聲能力、縮短設(shè)計(jì)周期、加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期及光線(xiàn)條件和空間利用率設(shè)計(jì)精良的應(yīng)用。
4．安華高科技的色彩傳感器系列
安華高科技提供廣泛的色彩傳感器產(chǎn)品，適合顯示、照明、工業(yè)、消費(fèi)電子和醫(yī)療市場(chǎng)中的各種應(yīng)用。它同時(shí)提供了模擬格式和數(shù)字格式的解決方案。
模擬RGB色彩傳感器
-搭配RGB濾波器的光電二極管陣列
-整合跨阻抗放大器，提供線(xiàn)性模擬電壓輸出
-為R，G和B通道獨(dú)立選擇增益
-分為模塊級(jí)和元器件級(jí)
數(shù)字RGB色彩傳感器
-搭配RGB濾波器的光電二極管陣列
-整合模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字核心，通過(guò)2線(xiàn)串行接口進(jìn)行通信
-直接接口微控制器或其它邏輯控制
-軟件程控增益和靈敏度控制
-微型包裝，適合便攜式設(shè)備
安華高科技RGB色彩傳感器的優(yōu)點(diǎn)
豐富的色彩傳感設(shè)備：安華高科技提供各種色彩傳感設(shè)備，包括裸硅光電二極管到完善的RGB色彩傳感器。對(duì)首選使用市面上流行的即插即用解決方案的客戶(hù)，整合的RGB色彩傳感器將是正確的選擇。希望靈活地設(shè)計(jì)自己的光電流到電壓轉(zhuǎn)換器和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的客戶(hù)，可以購(gòu)買(mǎi)光電二極管。
簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)：安華高科技RGB色彩傳感器是一款內(nèi)置電流到電壓轉(zhuǎn)換器的整合的解決方案。輸出采用模擬格式或數(shù)字格式提供，具體取決于選擇的色彩傳感器類(lèi)型。這可以簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)，從而降低整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。
設(shè)計(jì)靈活：安華高科技RGB色彩傳感器為R，G和B色彩通道提供內(nèi)置獨(dú)立增益選擇。對(duì)低亮度操作，可以選擇較高的增益；對(duì)高亮度應(yīng)用，可以選擇較低的增益。產(chǎn)品資料中詳細(xì)介紹了每臺(tái)設(shè)備的整體動(dòng)態(tài)范圍。
改善空間利用率：安華高科技提供微型封裝的傳感器，適合便攜式設(shè)備應(yīng)用。
降低對(duì)不準(zhǔn)和污染的影響：每個(gè)安華高科技RGB色彩傳感器都搭配統(tǒng)一的色彩濾波器陣列，可以大幅度降低偏差和污染所造成的問(wèn)題。
實(shí)現(xiàn)極端溫度操作：安華高科技提供可以涵蓋極端工作溫度的產(chǎn)品，即-40°C到+85°C。
無(wú)鉛產(chǎn)品：所有安華高科技色彩傳感器都符合無(wú)鉛和ROHS標(biāo)準(zhǔn)。
目標(biāo)市場(chǎng)
汽車(chē)市場(chǎng)
安華高科技為下述汽車(chē)應(yīng)用提供具有AEC三級(jí)資格的部件：
導(dǎo)航面板
氣氛燈
儀表盤(pán)照明
照明市場(chǎng)
安華高科技為照明和顯示應(yīng)用提供在不同時(shí)間和不同溫度下?lián)碛蟹€(wěn)定的靈敏度的傳感器：
建筑照明
裝飾照明顯示
內(nèi)部照明
櫥窗照明
實(shí)例：櫥窗照明
功能：控制環(huán)境亮度的影響
色彩傳感器安裝在光學(xué)反饋控制系統(tǒng)中
光源色彩點(diǎn)管理，實(shí)現(xiàn)LED色彩強(qiáng)度控制
耐用，能夠在不同時(shí)間和不同溫度下穩(wěn)定地工作
可與安華高科技HDJD-J822-SCR00色彩控制器專(zhuān)利技術(shù)結(jié)合使用，形成閉環(huán)色彩管理系統(tǒng)
實(shí)例：裝飾照明
使用色彩傳感器測(cè)量LED亮度隨時(shí)間變化情況，提供光學(xué)反饋，控制光源的色彩點(diǎn)
可與安華高科技HDJD-J822-SCR00色彩控制器專(zhuān)利技術(shù)結(jié)合使用，形成閉環(huán)色彩管理系統(tǒng)
工業(yè)市場(chǎng)
安華高科技提供一系列RGB色彩傳感器，滿(mǎn)足各種工業(yè)應(yīng)用要求，如：
包裝：標(biāo)簽檢查和識(shí)別
化妝品：產(chǎn)品組裝分離，色彩質(zhì)量
紡織：紗線(xiàn)污染檢測(cè)
印染/圖形打印
實(shí)例：紗線(xiàn)污染檢測(cè)
-色彩傳感器安裝在紗線(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)中，檢測(cè)是否有污染
-在檢測(cè)到污染時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止
-減少人為錯(cuò)誤，改善準(zhǔn)確性和效率
醫(yī)療市場(chǎng)
安華高科技提供靈敏度和準(zhǔn)確性高的色彩傳感器，滿(mǎn)足醫(yī)療應(yīng)用需求，如：
血糖計(jì)
血液膽固醇計(jì)
血酮計(jì)
實(shí)例：化學(xué)分析96井板系統(tǒng)
功能：微型并行液相色譜（μPLC）化學(xué)測(cè)試分析儀
放置四個(gè)色彩傳感器，提供化學(xué)反應(yīng)的色彩檢測(cè)
自動(dòng)瞬時(shí)檢測(cè)色彩變化
消除人為錯(cuò)誤
色彩區(qū)分準(zhǔn)確性高，非?？煽?/p>
消費(fèi)電子市場(chǎng)
安華高科技提供經(jīng)濟(jì)的RGB色彩傳感器，滿(mǎn)足消費(fèi)ic37中不斷增長(zhǎng)的需求：
便攜式色彩閱讀器
自動(dòng)麻將桌
洗衣機(jī)中的干燥檢測(cè)器
游戲
實(shí)例：麻將自動(dòng)洗牌
使用色彩傳感器管理“麻將牌方向檢查”；
傳感、對(duì)比和重新排列兩面都朝上或都朝下的麻將牌；
完整的閉環(huán)系統(tǒng)接口，對(duì)麻將牌的重新排列進(jìn)行邏輯判斷；
消除手動(dòng)洗牌和可能的欺騙。
安華高科技配有RGB色彩傳感器的照明和色彩管理系統(tǒng)
安華高科技RGB色彩傳感器（HDJD-S831-QT333）可與安華高科技色彩控制器HDJD-J822-SCR00一起使用，構(gòu)成RGBLED光源管理系統(tǒng)。色彩管理應(yīng)用需要準(zhǔn)確地混合紅色、綠色和藍(lán)色LED輸出，來(lái)顯示色彩。必需定期調(diào)節(jié)混合率，保持一致準(zhǔn)確的色彩，而不管LED亮度變化和LED元件色彩位移如何。HDJD-J822是一種色彩控制器，用于處理色彩傳感器信息，保持色彩和亮度。如需詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱應(yīng)用指南AN5070。
顏色傳感器原理圖：色彩傳感器的選型_色彩傳感器工作原理介紹
描述
一、色彩傳感器的概念
色彩傳感器又叫顏色識(shí)別傳感器或顏色傳感器，它是將物體顏色同前面已經(jīng)示教過(guò)的參考顏色進(jìn)行比較來(lái)檢測(cè)顏色的傳感器，當(dāng)兩個(gè)顏色在一定的誤差范圍內(nèi)相吻合時(shí)，輸出檢測(cè)結(jié)果。
色彩傳感器在終端設(shè)備中起著極其重要的作用，比如色彩監(jiān)視器的校準(zhǔn)裝置；彩色打印機(jī)和繪圖儀；涂料、紡織品和化妝品制造，以及醫(yī)療方面的應(yīng)用，如血液診斷、尿樣分析和牙齒整形等。色彩傳感器系統(tǒng)的復(fù)雜性在很大程度上取決于其用于確定色彩的波長(zhǎng)譜帶或信號(hào)通道的數(shù)量。此類(lèi)系統(tǒng)種類(lèi)繁多，從相對(duì)簡(jiǎn)單的三通道色度計(jì)到多頻帶頻譜儀不一而足。
二、顏色識(shí)別的基本原理
1、顏色的特性
?。?）色調(diào)（hue）以波長(zhǎng)為基礎(chǔ)，是區(qū)分不同顏色的特征屬性。
?。?）飽和度（saturation）反映顏色的純度，任意一種顏色都可以看作某種光譜色與白色混合的結(jié)果，光譜色所占比例越大，顏色的飽和度越高。
（3）亮度（lightness）是描述顏色亮暗的一種屬性，是一種光強(qiáng)度的測(cè)量方法，與光的能量有關(guān)。
2、三基色原理
適當(dāng)選取三種基色（紅，綠，藍(lán)），將它們按不同比例進(jìn)行合成，就可以引起不同的顏色感覺(jué)，合成彩色光的亮度由三個(gè)基色的亮度之和決定，色度由三基色分量的比例決定，三基色彼此獨(dú)立，任一種基色不能由其他兩種顏色配出
3、半導(dǎo)體的特點(diǎn)
受外界光和熱刺激時(shí)電導(dǎo)率發(fā)生很大變化——光敏元件、熱敏元件。
三、色敏器件及色敏傳感器原理
1、色敏器件：
?。?）硒光電池：最古老的光電探測(cè)器件，其特點(diǎn)是光譜響應(yīng)幾乎與人眼一樣，常用于高端設(shè)備。
?。?）硅光電二極管和三極管：在光照條件下硅光電二極管的短路電流與光能成正比；光電三極管也稱(chēng)光電晶體管，在把光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)的同時(shí)，還將信號(hào)電流放大。二者靈敏度很高，但光譜相應(yīng)曲線(xiàn)與人眼相差較遠(yuǎn)，很難與濾色片配合達(dá)到滿(mǎn)意的效果。
?。?）半導(dǎo)體色敏器件：即雙結(jié)光敏二極管。色敏光電傳感器原理：色敏光電傳感器是半導(dǎo)體光敏傳感器的一種，是基于內(nèi)光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光輻射探測(cè)器件。可直接測(cè)量從可見(jiàn)光到近紅外波段內(nèi)單色輻射的波長(zhǎng)，是一種新型的光敏器件
2、色敏光電傳感器原理：色敏光電傳感器是半導(dǎo)體光敏傳感器的一種，是基于內(nèi)光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光輻射探測(cè)器件。可直接測(cè)量從可見(jiàn)光到近紅外波段內(nèi)單色輻射的波長(zhǎng)，是一種新型的光敏器件
3、色敏光電傳感器特性：
（1）光譜特性：表示它能檢測(cè)的波長(zhǎng)范圍，不同型號(hào)略有差別，常見(jiàn)的CS-1型，其波長(zhǎng)范圍是400-1000nm。
?。?）短路電流比-波長(zhǎng)特性：是表征半導(dǎo)體色敏器件對(duì)波長(zhǎng)的識(shí)別能力，以確定波長(zhǎng)的基本特性。
?。?）溫度特性：由于光電二極管是做在同一塊材料上的，具有相同的溫度系數(shù)，這種內(nèi)部補(bǔ)償作用使色敏光電器件對(duì)溫度不十分敏感，所以通常不考慮溫度的影響，只要保證器件工作在正常的溫度范圍內(nèi)即可。
四、色彩傳感器的工作原理
色彩傳感器分為三種不同類(lèi)型：光到光電流轉(zhuǎn)換，光到模擬電壓轉(zhuǎn)換，光到數(shù)字轉(zhuǎn)換。前者通常只代表實(shí)際色彩傳感器的輸入部分，因?yàn)樵脊怆娏鞯姆确浅５?，總是要求放大，以將光電流轉(zhuǎn)換成可用的水平。所以，最實(shí)用的模擬輸出色彩傳感器至少會(huì)有一個(gè)跨阻抗放大器，并提供電壓輸出。
光到模擬電壓色彩傳感器由色彩濾波器后面的光電二極管陣列與整合的電流到電壓轉(zhuǎn)換電路（通常是跨阻抗放大器）組成，如圖1.2所示。落在每個(gè)光電二極管上的光轉(zhuǎn)換成光電流，其幅度取決于亮度及入射光的波長(zhǎng)（由于色彩濾波器）。
圖1.2： 采用光到模擬電壓轉(zhuǎn)換的色彩傳感器
如果沒(méi)有色彩濾波器，典型的硅光電二極管會(huì)對(duì)從超紫色區(qū)域直到可視區(qū)域的波長(zhǎng)作出響應(yīng)，在光譜接近紅外線(xiàn)的部分，峰值響應(yīng)區(qū)域位于800nm和950nm之間。紅色、綠色和藍(lán)色透射色彩濾波器將重塑和優(yōu)化光電二極管的光譜響應(yīng)。正確設(shè)計(jì)的濾波器將對(duì)模仿人眼的濾波后的光電二極管陣列提供光譜響應(yīng)。三個(gè)光電二極管中的每個(gè)光電二極管的光電流會(huì)使用電流到電壓轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成VRout、VGout和VBout。
有兩種色彩傳感模式：反射傳感和透射傳感。
反射傳感
在反射傳感中，色彩傳感器檢測(cè)從某個(gè)表面或?qū)ο蠓瓷涞墓?，光源和色彩傳感器都放在目?biāo)表面附近。來(lái)自光源（如白熾燈或熒光燈、白色LED或校準(zhǔn)后的RGBLED模塊）的光彈跳離開(kāi)表面，被色彩傳感器測(cè)得。反射離開(kāi)表面的色彩與表面的顏色有關(guān)。例如，白光入射到紅色表面上，會(huì)反射為紅色。反射的紅光撞擊色彩傳感器，產(chǎn)生R，G和B輸出電壓。通過(guò)解釋三個(gè)電壓，可以確定色彩。由于三個(gè)輸出電壓與反射光的密度線(xiàn)性提高，因此色彩傳感器還可以測(cè)量表面或物體的反射系數(shù)。
圖1.3：反射的光的顏色取決于表面反射的顏色和吸收的顏色。
透射傳感
在透射工作模式下，傳感器朝向光源。色彩傳感器搭配濾波器的光電二極管陣列將入射光轉(zhuǎn)換成R，G和B光電流，然后放大并轉(zhuǎn)換成模擬電壓。由于所有三個(gè)輸出都會(huì)隨著光密度提高而線(xiàn)性提高，因此傳感器可以同時(shí)測(cè)量光的顏色和總密度。
可以使用透射傳感，確定透明介質(zhì)的顏色，如玻璃和透明塑料、液體和氣體。在這種應(yīng)用中，光穿過(guò)透明介質(zhì)，然后撞擊在色彩傳感器上。透明介質(zhì)的顏色取決于對(duì)色彩傳感器電壓的理解。
圖1.4：傳感器的R，G和B輸出取決于落在傳感器上的光的顏色。
圖1.5：透明介質(zhì)的色彩傳感，如色彩濾波器、液體或氣體。
五、如何正確選擇顏色傳感器
正如我們所見(jiàn)到的那樣，顏色傳感器有若干種規(guī)格和不同的性能，要選擇正確的傳感器必須通過(guò)了解以下幾方面問(wèn)題來(lái)分析你的應(yīng)用：
1、應(yīng)用的目的？
2、現(xiàn)有電源類(lèi)型如何？交流還是直流？額定電壓多少？
3、檢測(cè)系統(tǒng)要控制什么設(shè)備？傳輸機(jī)還是檢驗(yàn)系統(tǒng)？
4、輸出負(fù)載是什么？
5、要求系統(tǒng)的工作速度如何？以每分鐘通過(guò)多少部件或傳送帶的速度描述。
6、傳感器可安裝點(diǎn)與目標(biāo)的距離如何？
7、環(huán)境如何？包括清潔、多塵、熱、冷等各方面情況。
8、有多少房間能把傳感器安裝在現(xiàn)場(chǎng)？
9、有費(fèi)用限制嗎？
10、目標(biāo)物體的尺寸和形狀如何？
11、目標(biāo)表面如何？例如，有光澤的或散射的。
12、在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，目標(biāo)物體背后的背景顏色如何？
13、背景距離目標(biāo)物體有多遠(yuǎn)？
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顏色傳感器原理圖：顏色傳感器原理簡(jiǎn)介
顏色傳感器原理
我們生活在一個(gè)五顏六色的色彩世界中，
這個(gè)世界因?yàn)橛猩剩?br/>才有了讓人流連忘返的
“日出江花紅勝火，春來(lái)江水綠如藍(lán)”。工業(yè)生產(chǎn)中色彩的識(shí)別也是必不可少的，通過(guò)區(qū)分不
同的顏色，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的判別，定位，糾偏、計(jì)數(shù)等功能。
色彩不僅美化了世界，
豐富了心靈，
對(duì)色彩的利用更是實(shí)實(shí)在在地方便了我們的生活，
顏色的應(yīng)用其實(shí)每天都悄悄地從我們的全世界路過(guò)，
如果仔細(xì)觀察，
就能發(fā)現(xiàn)它的蛛絲馬跡。
我們拿起的牙膏、化妝品，肚子餓時(shí)買(mǎi)來(lái)的一袋餅干，隨手抽出的一張紙巾……
原來(lái)，在這些物品外包裝的邊緣，都有一個(gè)色塊，或是藍(lán)色、紫色，或是黑色、紅色，那么
這個(gè)小色塊是用來(lái)做什么的呢？答案就在下面這張圖片上。
顏色傳感器原理圖：顏色及圖片識(shí)別原理，顏色識(shí)別傳感器介紹
光及顏色
1.光：是人類(lèi)眼睛可以看見(jiàn)的一種電磁波，也稱(chēng)可見(jiàn)光譜。在科學(xué)上的定義，光是指所有的電磁波譜。光是由光子為基本粒子組成，具有粒子性與波動(dòng)性，稱(chēng)為波粒二象性，一般人的眼睛所能接受的光的波長(zhǎng)在380—760nm之間。
不會(huì)發(fā)光的物體的顏色從何而來(lái)：各種物體在光源的照射下呈現(xiàn)出
不同的顏色，原因就在于物體固有的對(duì)落在它表面的光譜成分選擇性透射，吸收和反射的特性，
2.顏色：是光作用于人眼后所引起的一種除位置，形態(tài)以外的視覺(jué)反應(yīng)。光源，眼睛，物體，大腦是顏色視覺(jué)產(chǎn)生的四大要素。人眼將不同波長(zhǎng)的光刺激轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的神經(jīng)沖動(dòng)，最終由大腦內(nèi)的視覺(jué)中樞判斷分析產(chǎn)生顏色感覺(jué)。
3.顏色模式：是將某種顏色表現(xiàn)為數(shù)字形式的模型，或者說(shuō)是一種記錄圖像顏色的方式。分為：RGB模式、CMYK模式、HSB模式、Lab顏色模式、位圖模式、灰度模式、索引顏色模式、雙色調(diào)模式和多通道模式。
4.顏色原理：顏色的實(shí)質(zhì)是一種光波(電磁波 它的波長(zhǎng)介于380—760nm，可被人類(lèi)看見(jiàn)的波段)。它的存在是因?yàn)橛腥齻€(gè)實(shí)體：光線(xiàn)、被觀察的對(duì)象以及觀察者。人眼是把顏色當(dāng)作由被觀察對(duì)象吸收或者反射不同波長(zhǎng)的光波形成的。例如，當(dāng)在一個(gè)晴朗的日子里，我們看到陽(yáng)光下的某物體呈現(xiàn)紅色時(shí)，那是因?yàn)樵撐矬w吸收了其它波長(zhǎng)的光，而把紅色波長(zhǎng)的光反射到我們?nèi)搜劾锏木壒省．?dāng)然，我們?nèi)搜鬯芨惺艿降闹皇遣ㄩL(zhǎng)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的光波信號(hào)。當(dāng)各種不同波長(zhǎng)的光信號(hào)一同進(jìn)入我們的眼睛的某一點(diǎn)時(shí)，我們的視覺(jué)器官會(huì)將它們混合起來(lái)，作為一種顏色接受下來(lái)。同樣我們?cè)趯?duì)圖像進(jìn)行顏色處理時(shí)，也要進(jìn)行顏色的混合，但我們要遵循一定的規(guī)則，即我們是在不同顏色模式下對(duì)顏色進(jìn)行處理的。
5.RGB顏色模式： 雖然可見(jiàn)光的波長(zhǎng)有一定的范圍，但我們?cè)谔幚眍伾珪r(shí)并不需要將每一種波長(zhǎng)的顏色都單獨(dú)表示。因?yàn)樽匀唤缰兴械念伾伎梢杂眉t、綠、藍(lán)(RGB)這三種顏色波長(zhǎng)的不同強(qiáng)度組合而得，這就是人們常說(shuō)的三基色原理。因此，這三種光常被人們稱(chēng)為三基色或三原色。有時(shí)候我們亦稱(chēng)這三種基色為添加色(Additive Colors)，這是因?yàn)楫?dāng)我們把不同光的波長(zhǎng)加到一起的時(shí)候，得到的將會(huì)是更加明亮的顏色。把三種基色交互重疊，就產(chǎn)生了次混合色：青(Cyan)、洋紅(Magenta)、黃(Yellow)。這同時(shí)也引出了互補(bǔ)色(Complement Colors)的概念?；痛位旌仙潜舜说幕パa(bǔ)色，即彼此之間最不一樣的顏色。例如青色由藍(lán)色和綠色構(gòu)成，而紅色是缺少的一種顏色，因此青色和紅色構(gòu)成了彼此的互補(bǔ)色。在數(shù)字視頻中，對(duì)RGB三基色各進(jìn)行8位編碼就構(gòu)成了大約1677萬(wàn)種顏色，這就是我們常說(shuō)的真彩色。順便提一句，電視機(jī)和計(jì)算機(jī)的監(jiān)視器都是基于RGB顏色模式來(lái)創(chuàng)建其顏色的。RGB模式是一種發(fā)光的色彩模式，你在一間黑暗的房間內(nèi)仍然可以看見(jiàn)屏幕上的內(nèi)容RGB是一種依賴(lài)于設(shè)備的顏色空間：不同設(shè)備對(duì)特定RGB值的檢測(cè)和重現(xiàn)都不一樣，因?yàn)轭伾镔|(zhì)（熒光劑或者染料）和它們對(duì)紅、綠和藍(lán)的單獨(dú)響應(yīng)水平隨著制造商的不同而不同三原色的原理不是出于物理原因，而是由于生理原因造成的。人的眼睛內(nèi)有幾種辨別顏色的錐形感光細(xì)胞，
6.CMYK模式： CMYK顏色模式是一種印刷模式。其中四個(gè)字母分別指青（Cyan）、洋紅（Magenta）、黃（Yellow）、黑（Black）(K取Black最后一個(gè)字母防止和Blue混淆)，在印刷中代表四種顏色的油墨。CMYK模式在本質(zhì)上與RGB模式?jīng)]有什么區(qū)別，只是產(chǎn)生色彩的原理不同，在RGB模式中由光源發(fā)出的色光混合生成顏色，而在CMYK模式中由光線(xiàn)照到有不同比例C、M、Y、K油墨的紙上，部分光譜被吸收后，反射到人眼的光產(chǎn)生顏色。由于C、M、Y、K在混合成色時(shí)，隨著C、M、Y、K四種成分的增多，反射到人眼的光會(huì)越來(lái)越少，光線(xiàn)的亮度會(huì)越來(lái)越低，所有CMYK模式產(chǎn)生顏色的方法又被稱(chēng)為色光減色法。CMYK是一種依靠反光的色彩模式，我們是怎樣閱讀報(bào)紙的內(nèi)容呢？是由陽(yáng)光或燈光照射到報(bào)紙上，再反射到我們的眼中，才看到內(nèi)容。它需要由外界光源，如果你在黑暗房間內(nèi)是無(wú)法閱讀報(bào)紙的 7>:RGB三原色光顯示 三原色光顯示主要用于電視和計(jì)算機(jī)的顯示器，有陰極射線(xiàn)管顯示、液晶顯示和等離子顯示等方法，將三種原色光在每一象素中組合成從全黑色到全白色之間各種不同的顏色光，目前在計(jì)算機(jī)硬件中采取每一象素用24比特（位元）表示的方法，所以三種原色光各分到8比特，每一種原色的強(qiáng)度依照8比特的最高值28分為256個(gè)值。用這種方法可以組合種顏色，但人眼實(shí)際只能分辨出1000萬(wàn)種顏色。
數(shù)字圖象及原理
1.數(shù)字圖象：圖象數(shù)字化是電腦圖象處理最基本的步驟，其意義就在于把真實(shí)的圖象，轉(zhuǎn)變成電腦所能接受的格式，也就是一連串特定的數(shù)字。常見(jiàn)的掃描儀就是這個(gè)過(guò)程，通常這個(gè)數(shù)字化的過(guò)程還可以分為“采樣”與“量化”處理兩個(gè)步驟。其中“采樣”的結(jié)果就是通常所說(shuō)的圖象分辨率，而“量化”的結(jié)果則是圖象所能容納的顏色總數(shù)。
2.采樣處理：采樣的意義就是要使用多少點(diǎn)(像素點(diǎn))來(lái)表示一張圖象，例如：一幅640*480的圖象是由個(gè)點(diǎn)所組成，當(dāng)然，想要有更清楚的圖象質(zhì)量，就得使用更多的點(diǎn)，來(lái)表示圖象，也就是讓這幅圖象擁有較高的分辨率。
3.量化處理：量化的意義是指要使用多大范圍的數(shù)值(顏色數(shù))，來(lái)表示圖象采樣之后的每一個(gè)點(diǎn)。這個(gè)數(shù)值范圍包含了圖象上所能使用的顏色總數(shù)，eg:以4個(gè)Bits存儲(chǔ)一個(gè)點(diǎn)，就表示圖象只能有16中顏色。數(shù)值范圍越大，表示圖象可以擁有更多的顏色，自然可以產(chǎn)生更為逼真的圖象效果。
4.圖象數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：有兩種方式 ----(1) 位映射 (2)向量處理 位映射：可以將圖象的每一點(diǎn)數(shù)值存放在以字節(jié)為單位的矩陣?yán)铮热纾寒?dāng)圖象是單色時(shí)(黑白色)，一個(gè)字節(jié)(8位)可存放8點(diǎn)(像素點(diǎn))圖象數(shù)據(jù)，16色圖象則是以一個(gè)字節(jié)存2點(diǎn)，256色圖象則是一個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)1點(diǎn)。這種存儲(chǔ)方式適合內(nèi)容復(fù)雜的圖象。 向量處理：只記錄圖象內(nèi)容的輪廓部分，而不存儲(chǔ)圖象數(shù)據(jù)的每一點(diǎn)，比如：一個(gè)圓形圖案只要存儲(chǔ)圓心的坐標(biāo)位置和半徑長(zhǎng)度，還有圓形邊線(xiàn)及內(nèi)部的顏色，適合存儲(chǔ)商用圖表和工程設(shè)計(jì)圖。
5.圖象文件的結(jié)構(gòu)和編碼原理：每種圖象文件內(nèi)除了圖象數(shù)據(jù)之外，都免不了要存儲(chǔ)一些識(shí)別信息，如圖象的寬度和高度，顏色種類(lèi)，調(diào)色板數(shù)據(jù)…等等（這些數(shù)據(jù)都在最前端），方便程序正確讀取數(shù)據(jù)。圖象文件通常有一批龐大的數(shù)據(jù)，所以要經(jīng)過(guò)壓縮處理，減少存儲(chǔ)圖象所需的數(shù)據(jù)量，以達(dá)到節(jié)省存儲(chǔ)空間的效果，所以，在圖象文件結(jié)構(gòu)中，圖象數(shù)據(jù)和識(shí)別信息是必不可少的兩項(xiàng)基本單元，而壓縮原理是經(jīng)常被采用的要素。目前圖象文件之所以會(huì)有種種不同類(lèi)型的格式，主要在于文件編碼的過(guò)程中，定義了不同的識(shí)別信息和壓縮方法。若能理解識(shí)別信息的用途和壓縮原理的編碼規(guī)則，就不難讀寫(xiě)各類(lèi)圖象文件，及自行設(shè)計(jì)出一種圖象文件格式。
6.圖象文件常用的壓縮原理：可行的壓縮方式是非常多樣化，但是，在實(shí)際上，圖象文件經(jīng)常采用的只有少數(shù)幾種類(lèi)型。
A>:RLE壓縮：Run—Length —Encoding
B>:LZW壓縮
C>:Huffman壓縮
D>:JPEG壓縮：
數(shù)據(jù)壓縮編碼之前，圖象數(shù)據(jù)得先經(jīng)過(guò)三道處理程序：彩色模式變換及采用，DCT變換和量化。
彩色模式變換是將RGB全彩色值變換成YCbCr圖象數(shù)據(jù)。
采樣則是只保留Cb和Cr數(shù)據(jù)。
DCT變換全名為離散余弦變換，將YCbCr圖象數(shù)據(jù)變換成頻率系數(shù)，這些頻率系數(shù)都是浮點(diǎn)數(shù)，必須再一次量化手續(xù)轉(zhuǎn)換成整數(shù)，然后才開(kāi)始進(jìn)行壓縮編碼。
JPEG是目前壓縮效率最高的圖象壓縮方法，它主要是運(yùn)用了修改數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)采樣的方式，來(lái)提高數(shù)據(jù)壓縮的效率。
通常具有良好壓縮效率的方法，往往有著較為復(fù)雜的演算方法，需要花費(fèi)比較多的時(shí)間來(lái)轉(zhuǎn)換編碼，至于像RLE這種壓縮原理雖然簡(jiǎn)單壓縮效果不佳，但演算方法很簡(jiǎn)單，使得讀寫(xiě)圖象文件的速度相對(duì)提高很多，就因?yàn)橛兄@種存儲(chǔ)空間和讀寫(xiě)時(shí)間快慢的沖突，才會(huì)造成不同壓縮效率的方法并存于世。
顏色識(shí)別傳感器
TCS3200顏色傳感器概述：
TCS3200顏色傳感器是一款全彩的顏色檢測(cè)器，包括了一塊TAOS TCS3200RGB感應(yīng)芯片和4個(gè)白光LED燈，TCS3200能在一定的范圍內(nèi)檢測(cè)和測(cè)量幾乎所有的可見(jiàn)光。它適合于色度計(jì)測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域。比如彩色打印、醫(yī)療診斷、計(jì)算機(jī)彩色監(jiān)視器校準(zhǔn)以及油漆、紡織品、化妝品和印刷材料的過(guò)程控制。
通常所看到的物體顏色，實(shí)際上是物體表面吸收了照射到它上面的白光(日光)中的一部分有色成分，而反射出的另一部分有色光在人眼中的反應(yīng)。白色是由各種頻率的可見(jiàn)光混合在一起構(gòu)成的，也就是說(shuō)白光中包含著各種顏色的色光(如紅R、黃Y、綠G、青V、藍(lán)B、紫P)。根據(jù)德國(guó)物理學(xué)家赫姆霍茲(Helinholtz)的三原色理論可知，各種顏色是由不同比例的三原色(紅、綠、藍(lán))混合而成的。
由上面的三原色感應(yīng)原理可知，如果知道構(gòu)成各種顏色的三原色的值，就能夠知道所測(cè)試物體的顏色。對(duì)于TCS3200D 來(lái)說(shuō)，當(dāng)選定一個(gè)顏色濾波器時(shí)，它只允許某種特定的原色通過(guò)，阻止其它原色的通過(guò)。例如：當(dāng)選擇紅色濾波器時(shí)，入射光中只有紅色可以通過(guò)，藍(lán)色和綠色都被阻止，這樣就可以得到紅色光的光強(qiáng)；同理，選擇其它的濾波器，就可以得到藍(lán)色光和綠色光的光強(qiáng)。通過(guò)這三個(gè)光強(qiáng)值，就可以分析出反射到TCS3200D傳感器上的光的顏色。
TCS3200顏色傳感器實(shí)物展示：
TCS3200顏色傳感器描述：
感應(yīng)芯片：TCS3200（全彩顏色檢測(cè)器）靜態(tài)識(shí)別物體顏色，不同顏色輸出不同頻率方波支持LED燈補(bǔ)光控制
TCS3200顏色傳感器參數(shù)：
工作電壓：2.7V ~ 5.5V推薦檢測(cè)距離：10mm尺寸：36.0mm * 20.6mm固定孔尺寸：2.0mm
TCS3200顏色傳感器主要用途：
顏色排序、感應(yīng)與校準(zhǔn)環(huán)境光、測(cè)試條閱讀和顏色匹配等。
接口說(shuō)明：（以接入MCU為例）
VCC：接2.7V ~ 5.5VGND：接電源地LED：接MCU.IO (控制四個(gè)白色LED燈的狀態(tài))OUT：接MCU.IO (RGB三原色對(duì)應(yīng)的輸出頻率)S0/S1：接MCU.IO (選擇不同的輸出比例因子)S2/S3：接MCU.IO (選擇不同色光的濾波器)
操作說(shuō)明：
S0/S1選擇輸出頻率的比例因子，S2/S3依次選擇三原色的濾波器類(lèi)型，此時(shí)OUT端口輸出的就是相應(yīng)三原色的頻率，與RGB顏色對(duì)照表比對(duì)即可得到所測(cè)物體的顏色。
注意：
顏色識(shí)別時(shí)要避免外界光線(xiàn)的干擾首次使用該模塊、模塊重啟或更換光源時(shí)，需進(jìn)行白平衡調(diào)整
