超人之眼：新款顏色和光譜傳感器如何看到人們看不見(jiàn)的東西

在某些電子領(lǐng)域，技術(shù)可以模擬某些人類(lèi)操作，而無(wú)需匹配人類(lèi)豐富的能力。例如，人工智能 (AI) 具有執行有限類(lèi)型思維的非凡能力，使機器能夠在國際象棋等游戲中擊敗人類(lèi)。但沒(méi)有人期望人工智能能夠取代人腦進(jìn)行復雜的操作，例如寫(xiě)小說(shuō)、研制冠狀病毒疫苗或設計建筑物等。

在某些電子領(lǐng)域，技術(shù)可以模擬某些人類(lèi)操作，而無(wú)需匹配人類(lèi)豐富的能力。例如，人工智能 (AI) 具有執行有限類(lèi)型思維的非凡能力，使機器能夠在國際象棋等游戲中擊敗人類(lèi)。但沒(méi)有人期望人工智能能夠取代人腦進(jìn)行復雜的操作，例如寫(xiě)小說(shuō)、研制冠狀病毒疫苗或設計建筑物等。

然而，在光電子領(lǐng)域，傳感器技術(shù)發(fā)展到現在，已經(jīng)超過(guò)了人類(lèi)眼睛（人類(lèi)的光學(xué)傳感器）的能力。在很大程度上受移動(dòng)電話(huà)行業(yè)的推動(dòng)，光和顏色傳感器市場(chǎng)在過(guò)去五年中迅速擴大。這吸引了越來(lái)越多的半導體制造商的關(guān)注，并催生了新型光學(xué)傳感器的開(kāi)發(fā)，拓寬了光學(xué)元件的應用范圍。

這些傳感器的能力以各種方式超越了人眼的能力：一些傳感器可以實(shí)現和人眼一樣的功能，并且做得更好；其他傳感器能夠完成人眼無(wú)法完成的功能。

在每種情況下，這些超人的能力都為增強現有產(chǎn)品的功能和創(chuàng )造全新類(lèi)型的產(chǎn)品創(chuàng )造了令人興奮的新可能性。

像人眼一樣 – 并且超越人眼

人眼是一個(gè) RGB（紅/綠/藍）可見(jiàn)光傳感器。視網(wǎng)膜包含三種類(lèi)型的“視錐細胞”，它們在 564 nm 至 580 nm 的可見(jiàn)光譜紅色部分、534 nm 至 545 nm 的綠色部分和 420 nm 至 440 nm 的藍色部分附近具有峰值靈敏度，如圖 1 所示。在視力正常的人中，大腦解釋這三組顏色感測元件輸出的相對強度，以及來(lái)自視網(wǎng)膜“視桿”的光強度信息，以構建世界的全彩色視圖。

圖 1：普通人眼的光譜靈敏度（圖片來(lái)源：OpenStax College，知識共享許可協(xié)議）

許多顏色傳感器使用相同的 RGB 架構，使電子設備能夠像人類(lèi)一樣“看”世界。大量 RGB 顏色傳感器部署在手機、平板電腦和筆記本電腦中，提供顏色感應輸入，以實(shí)現顯示亮度和顏色管理。在用戶(hù)從明亮的室外陽(yáng)光環(huán)境移至光線(xiàn)昏暗的室內空間時(shí)，該功能可調暗手機屏幕，并根據不斷變化的環(huán)境光線(xiàn)條件來(lái)調節色彩平衡。

在這種類(lèi)型的應用中，模擬人眼對外部光刺激的反應方式的能力具有很高的價(jià)值，該模擬方法是通過(guò)在傳感器的光電二極管上配置濾光片，使指定波長(cháng)的光通過(guò)，并用軟件來(lái)補償與 1931 年國際照明委員會(huì ) (CiE) 人眼光譜靈敏度標準模型的差異。

雖然對于視力正常的人來(lái)說(shuō)，視力的天賦是美妙的，但是人眼在很多方面表現不佳或無(wú)法勝任。這一事實(shí)促使了意法半導體在 2021 年發(fā)布增強型 RGB 傳感器 VD6283TX。據意法半導體稱(chēng)，這是世界上最小的 RGB + 紅外 (IR) 傳感器，尺寸為 1.83 mm x 1.0 mm x 0.55 mm。 與人眼一樣，它對 RGB 波長(cháng)很敏感，但在波長(cháng)稍長(cháng)于人眼可見(jiàn)光譜的紅色部分具有峰值靈敏度，如圖 2 所示。

圖 2：六通道 VD6283TX 顏色傳感器的光譜靈敏度

與人眼一樣，VD6283TX 對閃爍也很敏感。但是，眼睛對頻率在 50 Hz 到 90 Hz 之間的閃爍光失去敏感性，因此在更高頻率下看到的是連續光，而 VD6283TX 能夠在 100 Hz 至 2 kHz 范圍內保持對閃爍的靈敏度。由于 LED 燈的閃爍通常發(fā)生在 100 Hz 至 500 Hz 之間，因此意法半導體傳感器可以檢測所有常見(jiàn)的閃爍光源。使用來(lái)自 VD6283TX 的閃爍頻率檢測信號，相機系統可以應用對策來(lái)消除在閃爍光下捕獲的視頻或靜止圖像上看到的不需要的條帶效應。

人眼可見(jiàn)的閃爍讓人不舒服，甚至對健康有害，有些人發(fā)生頭痛或惡心。但事實(shí)上，研究也發(fā)現了相對較低頻率的不可見(jiàn)閃爍對幸福感的類(lèi)似影響。使用 VD6283TX 使照明或樓宇管理系統能夠檢測到潛在有害的不可見(jiàn)閃爍的存在，并向居住者提供適當的指示。

VD6283TX 光電二極管的高靈敏度意味著(zhù)它可以在低至 1 lux 的昏暗光線(xiàn)條件下保持閃爍檢測能力。它不僅檢測閃爍，還提供精確到 ±3% 的閃爍頻率測量。

VD6283TX 可以使用獨立板 X-NUCLEO-6283A1 輕松進(jìn)行評估，或者作為使用 P-NUCLEO-6283A1 、包括 STM32F401 微控制器板的開(kāi)發(fā)系統的一部分進(jìn)行評估。

超越人眼能力

作為一個(gè)三通道傳感器，人眼是一種用于區分一種顏色和另一種顏色的相對粗糙的硬件設備。事實(shí)上，它依賴(lài)于復雜的“軟件”，即大腦的感官知覺(jué)功能，來(lái)解釋來(lái)自眼睛的原始 RGB 信號，并對視野中的場(chǎng)景進(jìn)行光譜分析。

這種解釋功能有時(shí)會(huì )被其輸入信號所迷惑。大腦無(wú)法解釋任何關(guān)于紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)的信息，因為眼睛對低于 380 nm 左右和高于 750 nm 的波長(cháng)不敏感。

現在，被稱(chēng)為光譜傳感器的新一代光學(xué)傳感器提供的硬件功能超越了眼睛所執行的有限功能。奧地利制造商艾邁斯歐司朗是該領(lǐng)域的先驅?zhuān)@要歸功于其開(kāi)發(fā)的用于在晶圓上制造干涉濾波器的獨特技術(shù)。這種制造能力使其能夠通過(guò)應用大批量半導體制造工藝、以非常小的尺寸和低成本制造具有均勻濾波特性的光譜傳感器。

AS7341 是艾邁斯歐司朗光譜傳感器中首款在多種應用中獲得廣泛采用的傳感器。這種 11 通道器件將可見(jiàn)光譜分成八個(gè)波段，還包括一個(gè)紅外通道、一個(gè)透明通道和一個(gè)閃爍通道，如圖 3 所示。

圖 3：艾邁斯歐司朗的 AS7341 傳感器的光譜靈敏度

與人眼的三個(gè)可見(jiàn)光通道相比，AS7341 的八個(gè)可見(jiàn)光通道支持更詳細的光譜分析，在現實(shí)世界中有著(zhù)無(wú)數用途。

其中一種用途是可靠的色彩分析和配色，這是時(shí)裝、化妝品、家具、涂料、紡織、廣播、電影和其他行業(yè)的重要功能。如上所述，人眼可能會(huì )被解釋來(lái)自視網(wǎng)膜的信號的大腦所欺騙。例如，對于人眼來(lái)說(shuō)，紅光和黃光的混合在大多數光線(xiàn)下呈現橙色，并且看起來(lái)與飽和的“純”橙色相同。

然而，在某些光線(xiàn)下，紅黃色物體會(huì )呈現出與橙色不同的顏色，這種現象稱(chēng)為同色異譜?；?AS7341 的手持式光譜儀能夠正確區分紅黃色物體和純橙色物體，避免將兩個(gè)樣本等同的風(fēng)險，這兩個(gè)樣本在參考光下看似相同，但用戶(hù)在不同光線(xiàn)下觀(guān)察時(shí)可能會(huì )發(fā)現它們顏色不同。

11通道AS7341出色的色彩辨別力在不涉及色彩匹配的領(lǐng)域也有應用。在傳統的家用和商用煙霧報警器中，光學(xué)傳感器用于檢測室內何時(shí)被煙霧占據，而煙霧會(huì )遮擋室內光電二極管的視野，探測器也可能被其他污染物觸發(fā)，例如蒸汽水滴，從而導致誤報。

通過(guò)用 AS7341 替換標準光電二極管，煙霧報警器可以得到顯著(zhù)升級，可提供區分煙霧和蒸汽的能力。它還可以檢測不同類(lèi)型燃料（例如木材、塑料和油）煙霧的獨特光譜“特征”。智能煙霧報警器不僅可以提醒急救人員火災的存在，而且還可以指示滅火所需的滅火器類(lèi)型。

這種光譜特征的概念還有許多其他潛在應用：艾邁斯歐司朗已經(jīng)展示了芯片級光譜傳感器的使用，可以對獼猴桃等農作物的成熟度進(jìn)行非接觸式、非破壞性測試。這對于需要長(cháng)途運輸且必須在完全成熟之前采摘才能完好無(wú)損地到達超市貨架的許多類(lèi)型的農產(chǎn)品來(lái)說(shuō)非常有價(jià)值。對水果表面反射光的光譜分析提供了關(guān)于水果糖分和干物質(zhì)含量的精確數據，這些數據點(diǎn)有助于確定水果是否成熟。

這些新一代片上光譜儀提供了實(shí)驗室級儀器的大部分功能，而且單價(jià)通常低于 10 美元，隨著(zhù)業(yè)界發(fā)現這些器件的功能，更多此類(lèi)應用正在涌現。隨著(zhù)具有超過(guò) 11 個(gè)通道的新器件的推出，并且能夠更精確地表征物體的光譜特征，將出現更復雜的應用。

在板級設計中實(shí)現頻譜分析功能

最新的顏色和光譜傳感器提供的新功能將吸引許多設計工程師首次進(jìn)入光電子領(lǐng)域。VD6283TX 和 AS7341 在許多方面與任何其他板級組件一樣，為主機控制器提供熟悉的 I2C 接口。富昌電子機器視覺(jué)和光電專(zhuān)家的支持可以幫助初次使用的用戶(hù)掌握系統設計的光學(xué)要素，例如必要時(shí)參考光源的選擇，以及透鏡的選擇和應用。

富昌電子還可以通過(guò)提供和支持 VD6283TX 的評估和開(kāi)發(fā)套件，以及來(lái)自艾邁斯歐司朗的用于 AS7341 的 AS7341 EVAL KIT，以幫助初次使用的用戶(hù)。

評估板

型號：X-NUCLEO-6283A1

X-NUCLEO-6283A1 是一款與意法半導體 STM32 Nucleo 微控制器開(kāi)發(fā)板兼容的擴展板。該板提供了一個(gè)完整的套件，用于使用 VD6283 顏色傳感器開(kāi)發(fā)應用。意法半導體為 X-NUCLEO-6283A1 提供完整的系統軟件，包括代碼示例和圖形用戶(hù)界面。

型號：AS7341 EVAL KIT

AS7341 評估板是用于評估艾邁斯歐司朗 AS7341 11 通道光譜傳感器的平臺。它隨附一個(gè)在 Windows 操作系統上運行的 AS7341 軟件 GUI。

（作者：Davide Osto，EMEA 垂直細分市場(chǎng)經(jīng)理（傳感器））