色彩傳感器的原理及應(yīng)用介紹

在一些專案中，常常會有感應(yīng)物體色彩的需求。要讓我們的專案「看」東西，最直接的方法當(dāng)然是幫它裝個 CMOS image sensor，但如果我們只需要簡單識別物體的色彩，而不需要真的做影像識別等高階的功能，用 CMOS image sensor 反而把事情復(fù)雜化了。這時候，簡單的色彩傳感器就可以幫我們解決問題。這次我們就來聊聊色彩傳感器的原理，以及它的應(yīng)用。

顏色怎么來的

嚴(yán)格來說，是要讓機(jī)器看到「人眼看到的顏色」，所以必須要先知道人眼看到的顏色是怎么來的。地球上確實(shí)有些其它的動物，看到的顏色跟人看到的不一樣。人類是所謂的「三色視覺」動物，也就是說我們的彩色視覺由三種顏色所支配。寫到這，應(yīng)該有很多讀者已經(jīng)猜到這三種顏色就是我們一天到晚在講的 R、G、B。

沒錯，在人眼的視網(wǎng)膜上，有兩種細(xì)胞，一種是可以感應(yīng)顏色的視錐細(xì)胞（cone cell），而另一種是無法感應(yīng)顏色但對光線較為敏感、可以在低照度時工作的視桿細(xì)胞（rod cell）。視錐細(xì)胞又分成三種，分別稱之為 S、M、L 視錐細(xì)胞，而這里的 S、M、L，指的就是不同的視錐細(xì)胞對不同波長的光有不同的感度。

如果在光譜上來看的話，三種視錐細(xì)胞的感度是這樣的：

光譜上三種視錐細(xì)胞的感度

不同波長的光進(jìn)入人類的眼睛后，在不同的視錐細(xì)胞上會產(chǎn)生不同強(qiáng)度的訊號，這些訊號經(jīng)由神經(jīng)系統(tǒng)傳送到大腦，再經(jīng)過大腦的處理，就變成我們看到的顏色了。

比如，有個東西它只反射 600 nm 的紅光，這個光線進(jìn)到人眼之后，只會讓 L 視錐細(xì)胞感應(yīng)到。因此，大腦只收到來自 L 視錐細(xì)胞的訊號，判定這個顏色是紅色；如果只有 M 視錐細(xì)胞有訊號，大腦就會知道是綠色；如果 L 和 M 視錐細(xì)胞都同時有訊號，大腦就知道這是介于兩者之間的黃色。

問題來了，大腦怎么知道眼睛看到的黃色，是一個波長 600 nm 左右的黃色光，還是兩個分別為 620 nm 的紅光和 560 nm 的綠光混出來的呢？這兩個組合都會同時刺激 L 和 M 視錐細(xì)胞。

「它不知道。」對，人類的眼睛的確無法分辨這個黃色到底是單一波長的黃光，還是由紅色和綠色混在一起所產(chǎn)生的黃光。這個現(xiàn)象叫「同色異譜」，意思就是說不同的光譜組成，但是在人眼看起來是一樣的顏色。

雖然人的眼睛看起來是一樣的顏色，但如果用光譜儀去測量的話，還是可以分得出來它們的光譜組成是不一樣的。

這個機(jī)制常常被用來欺騙人類的眼睛。舉例來說，如果你需要一個白的的光，通常需要用紅、藍(lán)、綠三種顏色的光去混出來，因?yàn)閷θ祟惖拇竽X來說，只要 S、M、L 三種視錐細(xì)胞都有訊號，就代表這是白光。但就如我們前面說的，某個波長的黃光可以同時刺激 L 和 M 視錐細(xì)胞，因此如果你用藍(lán)光和黃光去混，也會讓大腦覺得這是白光。

現(xiàn)在的白光 LED，用的多半是這種方法：先發(fā)個藍(lán)光，再用藍(lán)光去激發(fā)黃色的熒光粉發(fā)出黃光，一藍(lán)一黃就混出了我們看起來是白光的光。但這樣的白光有一個問題，就是它里面其實(shí)沒什么紅光，如果你用它去照射只會反射紅光、顏色看起來應(yīng)該要非常紅的物體，它看起來就會不夠紅，因?yàn)樗緛砭蜎]有紅光可供反射。這是色彩學(xué)上所說的「演色性」問題。

這邊只能簡單地說明一下人眼看到顏色的機(jī)制，以上這些如果要仔細(xì)說明，每個主題大概都可以寫個五萬字。

讓機(jī)器看到光

要讓機(jī)器看到光，最常用的就是所謂的光電轉(zhuǎn)換組件。

十九世紀(jì)物理學(xué)大爆發(fā)的時候，物理學(xué)家觀察到，當(dāng)光照射在某些金屬上時，會產(chǎn)生電流，這就是所謂的光電效應(yīng)（photoelectric effect）。但一直到 1905 年愛因斯坦發(fā)表了關(guān)于光電效應(yīng)的論文「Concerning an Heuristic Point of View Toward the Emission andTransformation of Light」，套用了普朗克對于光粒子性的假設(shè)，解釋了光電效應(yīng)與光波長之間的關(guān)系，才確立了光電效應(yīng)的量化基礎(chǔ)。愛因斯坦也因?yàn)檫@篇論文得到了 1921 年的諾貝爾物理學(xué)獎。

雖然愛因斯坦對近代物理的貢獻(xiàn)絕對值得好幾座諾貝爾獎，但他得到的唯一一座諾貝爾獎卻不是因?yàn)橄鄬φ?，而是跟光電效?yīng)有關(guān)。光電效應(yīng)告訴我們，每個光子攜帶的能量只與它的波長有關(guān)，與光的強(qiáng)度無關(guān)。而不同的物質(zhì)要在光電效應(yīng)之下產(chǎn)生訊號，它所能感應(yīng)的波長范圍，也只和該物質(zhì)的電子組態(tài)有關(guān)。換句話說，有些物質(zhì)就是只對某些波長的光有反應(yīng)，在此波長之外它就是瞎的。

這里有一個美麗的巧合。二十世紀(jì)半導(dǎo)體技術(shù)大爆發(fā)之后，我們最常用的半導(dǎo)體材料就是硅，而硅的電子組態(tài)剛好讓用它做成的光電二極管可以感應(yīng)波長 400 nm – 1100 nm 的光，差不多涵蓋了整個人眼可見的可見光波長，再附贈一點(diǎn)點(diǎn)近紅外線。這個美麗的巧合讓我們可以用硅半導(dǎo)體做成各式各樣的感光組件，而不用另尋其它特殊的材料與制程。

我們來看看實(shí)際的零件吧。

數(shù)字16位串行輸出型彩色傳感器IC——BH1749NUC

BH1749NUC是一款帶I2C總線接口的數(shù)字彩色傳感器IC。 該IC可感應(yīng)紅色，綠色，藍(lán)色（RGB）和紅外線，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。 高靈敏度，寬動態(tài)范圍和出色的Ircut特性使該IC可以獲得環(huán)境光的精確照度和色溫。 它是調(diào)整電視，手機(jī)和平板電腦LCD背光的理想選擇。

應(yīng)用電路