超人之眼：新款颜色和光谱传感器如何看到人们看不见的东西

来源：富昌电子
作者：Davide Osto，EMEA 垂直细分市场经理（传感器）

在某些电子领域，技术可以模拟某些人类操作，而无需匹配人类丰富的能力。例如，人工智能 (AI) 具有执行有限类型思维的非凡能力，使机器能够在国际象棋等游戏中击败人类。但没有人期望人工智能能够取代人脑进行复杂的操作，例如写小说、研制冠状病毒疫苗或设计建筑物等。

然而，在光电子领域，传感器技术发展到现在，已经超过了人类眼睛（人类的光学传感器）的能力。在很大程度上受移动电话行业的推动，光和颜色传感器市场在过去五年中迅速扩大。这吸引了越来越多的半导体制造商的关注，并催生了新型光学传感器的开发，拓宽了光学元件的应用范围。

这些传感器的能力以各种方式超越了人眼的能力：一些传感器可以实现和人眼一样的功能，并且做得更好；其他传感器能够完成人眼无法完成的功能。

在每种情况下，这些超人的能力都为增强现有产品的功能和创造全新类型的产品创造了令人兴奋的新可能性。

像人眼一样 – 并且超越人眼

人眼是一个 RGB（红/绿/蓝）可见光传感器。视网膜包含三种类型的“视锥细胞”，它们在 564 nm 至 580 nm 的可见光谱红色部分、534 nm 至 545 nm 的绿色部分和 420 nm 至 440 nm 的蓝色部分附近具有峰值灵敏度，如图 1 所示。在视力正常的人中，大脑解释这三组颜色感测元件输出的相对强度，以及来自视网膜“视杆”的光强度信息，以构建世界的全彩色视图。


图 1：普通人眼的光谱灵敏度（图片来源：OpenStax College，知识共享许可协议）

许多颜色传感器使用相同的 RGB 架构，使电子设备能够像人类一样“看”世界。大量 RGB 颜色传感器部署在手机、平板电脑和笔记本电脑中，提供颜色感应输入，以实现显示亮度和颜色管理。在用户从明亮的室外阳光环境移至光线昏暗的室内空间时，该功能可调暗手机屏幕，并根据不断变化的环境光线条件来调节色彩平衡。

在这种类型的应用中，模拟人眼对外部光刺激的反应方式的能力具有很高的价值，该模拟方法是通过在传感器的光电二极管上配置滤光片，使指定波长的光通过，并用软件来补偿与 1931 年国际照明委员会 (CiE) 人眼光谱灵敏度标准模型的差异。

虽然对于视力正常的人来说，视力的天赋是美妙的，但是人眼在很多方面表现不佳或无法胜任。这一事实促使了意法半导体在 2021 年发布增强型 RGB 传感器 VD6283TX。据意法半导体称，这是世界上最小的 RGB + 红外 (IR) 传感器，尺寸为 1.83 mm x 1.0 mm x 0.55 mm。 与人眼一样，它对 RGB 波长很敏感，但在波长稍长于人眼可见光谱的红色部分具有峰值灵敏度，如图 2 所示。


图 2：六通道 VD6283TX 颜色传感器的光谱灵敏度

与人眼一样，VD6283TX 对闪烁也很敏感。但是，眼睛对频率在 50 Hz 到 90 Hz 之间的闪烁光失去敏感性，因此在更高频率下看到的是连续光，而 VD6283TX 能够在 100 Hz 至 2 kHz 范围内保持对闪烁的灵敏度。由于 LED 灯的闪烁通常发生在 100 Hz 至 500 Hz 之间，因此意法半导体传感器可以检测所有常见的闪烁光源。使用来自 VD6283TX 的闪烁频率检测信号，相机系统可以应用对策来消除在闪烁光下捕获的视频或静止图像上看到的不需要的条带效应。

人眼可见的闪烁让人不舒服，甚至对健康有害，有些人发生头痛或恶心。但事实上，研究也发现了相对较低频率的不可见闪烁对幸福感的类似影响。使用 VD6283TX 使照明或楼宇管理系统能够检测到潜在有害的不可见闪烁的存在，并向居住者提供适当的指示。

VD6283TX 光电二极管的高灵敏度意味着它可以在低至 1 lux 的昏暗光线条件下保持闪烁检测能力。它不仅检测闪烁，还提供精确到 ±3% 的闪烁频率测量。

VD6283TX 可以使用独立板 X-NUCLEO-6283A1 轻松进行评估，或者作为使用 P-NUCLEO-6283A1 、包括 STM32F401 微控制器板的开发系统的一部分进行评估。

超越人眼能力

作为一个三通道传感器，人眼是一种用于区分一种颜色和另一种颜色的相对粗糙的硬件设备。事实上，它依赖于复杂的“软件”，即大脑的感官知觉功能，来解释来自眼睛的原始 RGB 信号，并对视野中的场景进行光谱分析。

这种解释功能有时会被其输入信号所迷惑。大脑无法解释任何关于紫外线和红外线的信息，因为眼睛对低于 380 nm 左右和高于 750 nm 的波长不敏感。

现在，被称为光谱传感器的新一代光学传感器提供的硬件功能超越了眼睛所执行的有限功能。奥地利制造商艾迈斯欧司朗是该领域的先驱，这要归功于其开发的用于在晶圆上制造干涉滤波器的独特技术。这种制造能力使其能够通过应用大批量半导体制造工艺、以非常小的尺寸和低成本制造具有均匀滤波特性的光谱传感器。

AS7341 是艾迈斯欧司朗光谱传感器中首款在多种应用中获得广泛采用的传感器。这种 11 通道器件将可见光谱分成八个波段，还包括一个红外通道、一个透明通道和一个闪烁通道，如图 3 所示。


图 3：艾迈斯欧司朗的 AS7341 传感器的光谱灵敏度

与人眼的三个可见光通道相比，AS7341 的八个可见光通道支持更详细的光谱分析，在现实世界中有着无数用途。

其中一种用途是可靠的色彩分析和配色，这是时装、化妆品、家具、涂料、纺织、广播、电影和其他行业的重要功能。如上所述，人眼可能会被解释来自视网膜的信号的大脑所欺骗。例如，对于人眼来说，红光和黄光的混合在大多数光线下呈现橙色，并且看起来与饱和的“纯”橙色相同。

然而，在某些光线下，红黄色物体会呈现出与橙色不同的颜色，这种现象称为同色异谱。基于 AS7341 的手持式光谱仪能够正确区分红黄色物体和纯橙色物体，避免将两个样本等同的风险，这两个样本在参考光下看似相同，但用户在不同光线下观察时可能会发现它们颜色不同。

11通道AS7341出色的色彩辨别力在不涉及色彩匹配的领域也有应用。在传统的家用和商用烟雾报警器中，光学传感器用于检测室内何时被烟雾占据，而烟雾会遮挡室内光电二极管的视野，探测器也可能被其他污染物触发，例如蒸汽水滴，从而导致误报。

通过用 AS7341 替换标准光电二极管，烟雾报警器可以得到显著升级，可提供区分烟雾和蒸汽的能力。它还可以检测不同类型燃料（例如木材、塑料和油）烟雾的独特光谱“特征”。智能烟雾报警器不仅可以提醒急救人员火灾的存在，而且还可以指示灭火所需的灭火器类型。

这种光谱特征的概念还有许多其他潜在应用：艾迈斯欧司朗已经展示了芯片级光谱传感器的使用，可以对猕猴桃等农作物的成熟度进行非接触式、非破坏性测试。这对于需要长途运输且必须在完全成熟之前采摘才能完好无损地到达超市货架的许多类型的农产品来说非常有价值。对水果表面反射光的光谱分析提供了关于水果糖分和干物质含量的精确数据，这些数据点有助于确定水果是否成熟。

这些新一代片上光谱仪提供了实验室级仪器的大部分功能，而且单价通常低于 10 美元，随着业界发现这些器件的功能，更多此类应用正在涌现。随着具有超过 11 个通道的新器件的推出，并且能够更精确地表征物体的光谱特征，将出现更复杂的应用。

在板级设计中实现频谱分析功能

最新的颜色和光谱传感器提供的新功能将吸引许多设计工程师首次进入光电子领域。VD6283TX 和 AS7341 在许多方面与任何其他板级组件一样，为主机控制器提供熟悉的 I2C 接口。富昌电子机器视觉和光电专家的支持可以帮助初次使用的用户掌握系统设计的光学要素，例如必要时参考光源的选择，以及透镜的选择和应用。

富昌电子还可以通过提供和支持 VD6283TX 的评估和开发套件，以及来自艾迈斯欧司朗的用于 AS7341 的 AS7341 EVAL KIT，以帮助初次使用的用户。


评估板

型号：X-NUCLEO-6283A1

X-NUCLEO-6283A1 是一款与意法半导体 STM32 Nucleo 微控制器开发板兼容的扩展板。该板提供了一个完整的套件，用于使用 VD6283 颜色传感器开发应用。意法半导体为 X-NUCLEO-6283A1 提供完整的系统软件，包括代码示例和图形用户界面。

型号：AS7341 EVAL KIT

AS7341 评估板是用于评估艾迈斯欧司朗 AS7341 11 通道光谱传感器的平台。它随附一个在 Windows 操作系统上运行的 AS7341 软件 GUI。