【導(dǎo)讀】在某些電子領(lǐng)域，技術(shù)可以模擬某些人類操作，而無(wú)需匹配人類豐富的能力。例如，人工智能 (AI) 具有執(zhí)行有限類型思維的非凡能力，使機(jī)器能夠在國(guó)際象棋等游戲中擊敗人類。但沒(méi)有人期望人工智能能夠取代人腦進(jìn)行復(fù)雜的操作，例如寫小說(shuō)、研制冠狀病毒疫苗或設(shè)計(jì)建筑物等。
在某些電子領(lǐng)域，技術(shù)可以模擬某些人類操作，而無(wú)需匹配人類豐富的能力。例如，人工智能 (AI) 具有執(zhí)行有限類型思維的非凡能力，使機(jī)器能夠在國(guó)際象棋等游戲中擊敗人類。但沒(méi)有人期望人工智能能夠取代人腦進(jìn)行復(fù)雜的操作，例如寫小說(shuō)、研制冠狀病毒疫苗或設(shè)計(jì)建筑物等。
然而，在光電子領(lǐng)域，傳感器技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)超過(guò)了人類眼睛（人類的光學(xué)傳感器）的能力。在很大程度上受移動(dòng)電話行業(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(kuò)大。這吸引了越來(lái)越多的半導(dǎo)體制造商的關(guān)注，并催生了新型光學(xué)傳感器的開發(fā)，拓寬了光學(xué)元件的應(yīng)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(xiàn)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(qiáng)現(xiàn)有產(chǎn)品的功能和創(chuàng)造全新類型的產(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(lán)）可見光傳感器。視網(wǎng)膜包含三種類型的“視錐細(xì)胞”，它們?cè)?564 nm 至 580 nm 的可見光譜紅色部分、534 nm 至 545 nm 的綠色部分和 420 nm 至 440 nm 的藍(lán)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(cè)元件輸出的相對(duì)強(qiáng)度，以及來(lái)自視網(wǎng)膜“視桿”的光強(qiáng)度信息，以構(gòu)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(shí)共享許可協(xié)議）
許多顏色傳感器使用相同的 RGB 架構(gòu)，使電子設(shè)備能夠像人類一樣“看”世界。大量 RGB 顏色傳感器部署在手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦中，提供顏色感應(yīng)輸入，以實(shí)現(xiàn)顯示亮度和顏色管理。在用戶從明亮的室外陽(yáng)光環(huán)境移至光線昏暗的室內(nèi)空間時(shí)，該功能可調(diào)暗手機(jī)屏幕，并根據(jù)不斷變化的環(huán)境光線條件來(lái)調(diào)節(jié)色彩平衡。
在這種類型的應(yīng)用中，模擬人眼對(duì)外部光刺激的反應(yīng)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(zhǎng)的光通過(guò)，并用軟件來(lái)補(bǔ)償與 1931 年國(guó)際照明委員會(huì) (CiE) 人眼光譜靈敏度標(biāo)準(zhǔn)模型的差異。
雖然對(duì)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(xiàn)不佳或無(wú)法勝任。這一事實(shí)促使了意法半導(dǎo)體在 2021 年發(fā)布增強(qiáng)型 RGB 傳感器 VD6283TX。據(jù)意法半導(dǎo)體稱，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(duì) RGB 波長(zhǎng)很敏感，但在波長(zhǎng)稍長(zhǎng)于人眼可見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(duì)閃爍也很敏感。但是，眼睛對(duì)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(xù)光，而 VD6283TX 能夠在 100 Hz 至 2 kHz 范圍內(nèi)保持對(duì)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(dǎo)體傳感器可以檢測(cè)所有常見的閃爍光源。使用來(lái)自 VD6283TX 的閃爍頻率檢測(cè)信號(hào)，相機(jī)系統(tǒng)可以應(yīng)用對(duì)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(yīng)。
人眼可見的閃爍讓人不舒服，甚至對(duì)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(xiàn)了相對(duì)較低頻率的不可見閃爍對(duì)幸福感的類似影響。使用 VD6283TX 使照明或樓宇管理系統(tǒng)能夠檢測(cè)到潛在有害的不可見閃爍的存在，并向居住者提供適當(dāng)?shù)闹甘尽?/p>
VD6283TX 光電二極管的高靈敏度意味著它可以在低至 1 lux 的昏暗光線條件下保持閃爍檢測(cè)能力。它不僅檢測(cè)閃爍，還提供精確到 ±3% 的閃爍頻率測(cè)量。
VD6283TX 可以使用獨(dú)立板 X-NUCLEO-6283A1 輕松進(jìn)行評(píng)估，或者作為使用 P-NUCLEO-6283A1 、包括 STM32F401 微控制器板的開發(fā)系統(tǒng)的一部分進(jìn)行評(píng)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(qū)分一種顏色和另一種顏色的相對(duì)粗糙的硬件設(shè)備。事實(shí)上，它依賴于復(fù)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(hào)，并對(duì)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(hào)所迷惑。大腦無(wú)法解釋任何關(guān)于紫外線和紅外線的信息，因?yàn)檠劬?duì)低于 380 nm 左右和高于 750 nm 的波長(zhǎng)不敏感。
現(xiàn)在，被稱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(zhí)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(qū)，這要?dú)w功于其開發(fā)的用于在晶圓上制造干涉濾波器的獨(dú)特技術(shù)。這種制造能力使其能夠通過(guò)應(yīng)用大批量半導(dǎo)體制造工藝、以非常小的尺寸和低成本制造具有均勻?yàn)V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(yīng)用中獲得廣泛采用的傳感器。這種 11 通道器件將可見光譜分成八個(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)可見光通道相比，AS7341 的八個(gè)可見光通道支持更詳細(xì)的光譜分析，在現(xiàn)實(shí)世界中有著無(wú)數(shù)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(hào)的大腦所欺騙。例如，對(duì)于人眼來(lái)說(shuō)，紅光和黃光的混合在大多數(shù)光線下呈現(xiàn)橙色，并且看起來(lái)與飽和的“純”橙色相同。
然而，在某些光線下，紅黃色物體會(huì)呈現(xiàn)出與橙色不同的顏色，這種現(xiàn)象稱為同色異譜?；?AS7341 的手持式光譜儀能夠正確區(qū)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(xiǎn)，這兩個(gè)樣本在參考光下看似相同，但用戶在不同光線下觀察時(shí)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)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(yīng)用。在傳統(tǒng)的家用和商用煙霧報(bào)警器中，光學(xué)傳感器用于檢測(cè)室內(nèi)何時(shí)被煙霧占據(jù)，而煙霧會(huì)遮擋室內(nèi)光電二極管的視野，探測(cè)器也可能被其他污染物觸發(fā)，例如蒸汽水滴，從而導(dǎo)致誤報(bào)。
通過(guò)用 AS7341 替換標(biāo)準(zhǔn)光電二極管，煙霧報(bào)警器可以得到顯著升級(jí)，可提供區(qū)分煙霧和蒸汽的能力。它還可以檢測(cè)不同類型燃料（例如木材、塑料和油）煙霧的獨(dú)特光譜“特征”。智能煙霧報(bào)警器不僅可以提醒急救人員火災(zāi)的存在，而且還可以指示滅火所需的滅火器類型。
這種光譜特征的概念還有許多其他潛在應(yīng)用：艾邁斯歐司朗已經(jīng)展示了芯片級(jí)光譜傳感器的使用，可以對(duì)獼猴桃等農(nóng)作物的成熟度進(jìn)行非接觸式、非破壞性測(cè)試。這對(duì)于需要長(zhǎng)途運(yùn)輸且必須在完全成熟之前采摘才能完好無(wú)損地到達(dá)超市貨架的許多類型的農(nóng)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)非常有價(jià)值。對(duì)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(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)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(yàn)室級(jí)儀器的大部分功能，而且單價(jià)通常低于 10 美元，隨著業(yè)界發(fā)現(xiàn)這些器件的功能，更多此類應(yīng)用正在涌現(xiàn)。隨著具有超過(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(xiàn)更復(fù)雜的應(yīng)用。
在板級(jí)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)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(jí)組件一樣，為主機(jī)控制器提供熟悉的 I2C 接口。富昌電子機(jī)器視覺(jué)和光電專家的支持可以幫助初次使用的用戶掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yīng)用。
富昌電子還可以通過(guò)提供和支持 VD6283TX 的評(píng)估和開發(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。
評(píng)估板
型號(hào)：X-NUCLEO-6283A1
X-NUCLEO-6283A1 是一款與意法半導(dǎo)體 STM32 Nucleo 微控制器開發(fā)板兼容的擴(kuò)展板。該板提供了一個(gè)完整的套件，用于使用 VD6283 顏色傳感器開發(fā)應(yīng)用。意法半導(dǎo)體為 X-NUCLEO-6283A1 提供完整的系統(tǒng)軟件，包括代碼示例和圖形用戶界面。
型號(hào)：AS7341 EVAL KIT
AS7341 評(píng)估板是用于評(píng)估艾邁斯歐司朗 AS7341 11 通道光譜傳感器的平臺(tái)。它隨附一個(gè)在 Windows 操作系統(tǒng)上運(yùn)行的 AS7341 軟件 GUI。
（作者：Davide Osto，EMEA 垂直細(xì)分市場(chǎng)經(jīng)理（傳感器））
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