前言
雖然人類的眼睛非常善於分辨顏色，但不同的人卻可能對相同的顏色有不同的描述，也就是說，透過言語上的描述，對於需要精確色彩偵測與管理的場合來說並不恰當。較好的解決方式是採用經由適當校準的色彩感測設備，以數字的方式來表示顏色，這類設備可以是昂貴的實驗室級分光光譜儀到如Avago所推出的經濟型RGB色彩感測器。Avago豐富多樣的色彩感測器產品能夠滿足目前實際色彩感測與測量應用的可行解決方案，而這篇文章的主要目的就是提供有關色彩認知、測量與規格的深入探討，並解釋如何應用色彩感測器所提供的資訊，最後我們也將討論Avago的RGB色彩感測器產品，並解釋它們在各種不同色彩感測應用中如何使用。
色彩的認知
在深入電子元件如何感測色彩的理論之前，我們首先要了解人類如何感受顏色。基本上，顏色是光源、物理以及觀察者之間互動反應的結果，在反射光的情況下，落在物體上的光會依表面特性，例如反射或穿透等受到反射或吸收，舉例來說，紅色的紙張會吸收大部分光譜中的綠色與藍色成分，而將其中的紅色部分加以反射，使得它對觀察者來說就變成紅色，而在自體發光的物體上，基本原理相同，也就是光會到達人類的眼睛，並透過眼睛的接收經過神經系統與大腦加以解釋。
人類的視覺系統可以偵測大約由400nm(紫色)到700 nm(紅色)的電磁光譜，同時，能夠自動針對不同的照明情況與色彩飽和度(純色對白色的比例)加以調整。雖然桿狀細胞的光感測單元能夠在寬廣的照明範圍下運作，並提供快速的感應，但這些桿狀細胞卻無法偵測色彩，而是由稱為錐狀細胞的光感測單元提供高解析度的色彩影像，人類有三組分別針對紅(580 nm)、綠(540 nm)與藍(450 nm)具備最高靈敏度的錐狀細胞，任何位於可見光譜中波長的光將給予一或多個三組錐狀細胞不同程度的刺激，而我們對色彩的感知就是經由視神經與大腦處理過後的資訊。
明顯地，具有正常色彩視覺能力的人類，通常在面對相同波長混和的光源時會感受到相同的顏色。科學實驗也證明人類的眼睛能夠精細地分辨出不同顏色間的細微差異，總數大約可以高達1,000萬種，問題是我們基本上並沒有足夠的詞彙來描述這麼多不同的色彩。
色彩測量的原理
圖1-1中顯示，人類眼睛對於色彩的感知以及採用儀器或感測器進行色彩測量的基本原理，感測設備可以是高階設備，例如分光光譜儀，或是經CIE調校的攝影機，也可以是較低階的元件，例如RGB色彩感測器等。
在測量儀器上，基本有兩種常見的不同型態，分別為比色法與光度法。採用比色法的，設備需具有三個濾光片的感測器來測量物體表面的光，請見圖1.1B，通常感測器會經由最佳化以便能夠精確地重現人類眼睛的反應，輸出則以CIE的X、 Y、Z三重刺激值來表示。
圖1C中的比色法使用多個感測器，來測量大量狹窄波長範圍上的色彩，接著儀器中的微電腦將結果積分來計算顏色數據。
圖1D中的Avago色彩感測器為搭配3個濾光片的元件，提供比色法方式的測量，感測器的輸出可以是VR、VG與VB三個電壓，或經過類比數位轉換後的R, G, B數值。
圖1-1：經過人眼(A)、比色法(B)、分光光譜儀(C)與RGB感測器(D)的色彩測量。
色彩感測器的運作原理
色彩感測器主要有三種不同類型，分別為光轉換成光電流、光轉換成類比電壓以及光轉換成數位輸出等，前者僅代表實際光感測器的輸入部分，由於未經處理過的光電流信號相當微弱，因此必須加以放大，以便將它轉換到可使用的位準大小。因此，大部分實際使用的類比輸出色彩感測器，最少都會整合一個轉阻放大器來提供電壓輸出。
將光信號轉換為類比電壓輸出的色彩感測器，通常搭配色彩濾光的系列光二極體以及內建電流到電壓轉換電路(通常為轉阻放大器)所組成，請見圖1.2，每個光二極體上所感受到的光會被轉換成一個光電流，大小則依亮度以及經濾光後的光波長而定。如果沒有濾光片，標準的矽質光二極體基本上可以偵測由紫外線到可見光範圍的波長，最高嚮應值則在光譜近紅外線部份的800 nm與950 nm範圍處。紅、綠、藍穿透式色彩濾光片能讓光二極體的光譜響應，並進行調整與最佳化，設計良好的濾光片將能夠帶來相當接近人類眼睛的光譜響應，而光二極體所產生的光電流，則使用一個電流到電壓轉換器轉換成為VRout、VGout與VBout輸出。
圖1.2：採用光到類比電壓轉換的色彩感測器。
在色彩感測方面，主要有兩種模式- 反射式與穿透式。
反射式感測
在進行反射式感測時，色彩感測器會偵測由物體表面所反射的光，這時光源與色彩感測器被安排接近受測目標的表面，由光源，如白熾燈、螢光燈、白光LED或經調整的RGB LED模組等發出的光經表面反射，並透過色彩感測器加以測量。表面反射光的色彩為表面本身色彩的函數，例如當白光照射在紅色表面時，反射光為紅色，反射的紅色光進入色彩感測器後會產生R、G、B輸出電壓，透過對這三個電壓值進行解析，就能決定偵測到的色彩顏色，由於三個輸出電壓會隨著反射光的強度線性增加，因此色彩感測器也同時測量了物體表面的反射能力。
圖1.3：反射光的色彩由表面所反射或吸收的色彩決定。
穿透式感測
以穿透式模式運作時，感測器被安排在面對光源處，色彩感測器搭配濾光片的光二極體陣列會將進入光信號轉換成R、G、B光電流，接著放大並轉換為類比電壓。由於光信號的所有三個輸出值都會隨著光的強度線性增加，因此感測器可測量光的色彩以及整體的強度。
穿透式感測可以用來決定透明介質，例如玻璃或透明塑膠、液體或氣體的顏色，在這類應用中，光會在進入色彩感測器前經過透明介質，因此透明介質的色彩就可以由色彩感測器的電壓來決定
圖1.4：感測器的R、G、B輸出由感測器上光的色彩決定。
圖1.5：透明介質，如彩色濾光片、液體或氣體的色彩感測。
色彩感測器輸出值的說明
色彩感測器的三個類比電壓輸出可用來直接控制硬體或轉換為數位值，以供數位處理器進行資料分析。色彩與亮度的資訊可以由這些數位值取得。
在描述色彩與亮度時有兩種方法：
A)矩陣法
這個方法適合需要分辨許多色彩時，主要由以下的矩陣方程式來進行。
其中X、Y、Z分別代表CIE的三重刺激值以及色彩感測器的RGB數位輸出值。
透過事先經過測量的參考色彩，並對每個標準X、Y、Z取得感測器的RGB值，矩陣常數C00, C01, C02, C10, C11, C12, C20, C21與C22由這些已知標準值所決定，當這些矩陣常數確定後，未知色彩的X、Y、Z值就可以由RGB數位感測值計算取得。
B)查表法
這個方法適用於只需分辨幾個參考色彩的場合，首先包括亮度資訊的參考色彩時，感測器值在校準時就先行取得，接著再決定亮度資訊是否重要，如果亮度資訊重要的話，那麼就使用實際的色彩感測器值進行分析。
如果對應用來說亮度資訊並不重要，那麼在調校時，就先取得參考色彩在紅、綠與藍感測值間的比例，並在測試時進行未知色彩的測量，比例透過採用一個選定色彩作為所有測量的基礎，例如，選用綠色時，比例就可以透過將感測器測量值除以綠色值加以測量，因此所取得的綠色值永遠為1。舉例來說，如果Rn、Gn與Bn分，其中n = 1, 2, 3… N分別代表了所有N個參考色彩的色彩感測測量值，那麼比例就可以表示為：
, n = 1,2,3, …N.
事實上我們也可以使用紅色或藍色做為基準，至於選用哪一種色彩基本上依個人喜好而定。
未知色彩如最接近特定參考色彩時，那麼就可以假設為該參考色彩值，也就是說，未知色彩以及特定參考色彩間的差距為與其他參考色彩間最小，而未知色彩與參考色彩間的差距則可以由以下的方程式表示：
A) 如果亮度資訊重要時
差距 =
B)如果亮度資訊不重要時
差距 = =
請注意
1.其中(Ru, Gu, Bu)為未知色彩感測值。
2. (Rr, Gr, Br)為參考色彩感測值。
3. 在亮度不重要的場合，可以使用一個感測器通道，例如綠色作為基準點。
基本上，通常會為每個參考色彩訂定最大差距限制，以避免接收到不在參考色彩範圍內的色彩值，不同參考色彩的最大限制則依所需的精確度而有所不同。
不同色彩感測器型式的比較
光到光電流轉換器
光到光電流轉換器基本上只包含一個光二極體，或是搭配濾光片的光二極體來將光信號轉換為光電流，同時可以透過外部電路將光電流轉換為比例電壓輸出，接著這個電壓可以再透過類比數位轉換器轉換成數位型式，並提供給微控器。
優點
‧ 帶來設計彈性，放大器的增益與頻寬，以及類比數位轉換器的速度與解析度可依不同應用選擇
代價：
‧ 額外的組裝成本
‧ 增加設計複雜度
光到光電流轉換器適合需要較短反應時間、客制化增益與反應速度調整，並且能夠在不同光源情況下運作的應用。
光到類比電壓轉換器
光到類比電壓轉換器包含搭配濾光片的光二極體陣列，並整合一個轉阻放大器，需搭配外部電路將類比電壓轉換為數位輸出，再送到數位信號處理器。
優點：
‧ 簡化週邊電路設計
‧ 改善空間使用效率
‧ 降低組裝成本
代價：
‧ 反應時間由內建電流電壓轉換器，如轉阻放大器決定
‧ 需要額外的類比數位轉換器將電壓輸出轉換為數位型式
光到類比電壓轉換器適合需要較短設計週期、較快上市時程、光源情況與空間使用效率較為確定的應用。
光到數位電壓轉換器
光到數位電壓轉換器包含搭配RGB濾光片的光二極體陣列、一個類比數位轉換器以及做為通訊與靈敏度控制的數位核心電路，輸出可以透過如兩線式串列介面直接與微控器或其他邏輯控制電路介接，以進行進一步的信號處理，不需任何其他元件。
優點：
‧ 提供抗雜訊干擾能力
‧ 簡化週邊電路設計
‧ 改善空間使用效率
‧ 降低組裝成本
代價：
‧ 與微控器或PC介接，只能透過兩線式串列介面模式進行
‧ 反應時間由內建類比與數位電路決定
‧ 類比數位轉換的解析度固定
光到數位輸出轉換器適合需要抗雜訊干擾能力、更短設計週期、更快上市時程、光源情況與空間使用效率較為確定的應用。
雖然人類的眼睛非常善於分辨顏色，但不同的人卻可能對相同的顏色有不同的描述，也就是說，透過言語上的描述，對於需要精確色彩偵測與管理的場合來說並不恰當。較好的解決方式是採用經由適當校準的色彩感測設備，以數字的方式來表示顏色，這類設備可以是昂貴的實驗室級分光光譜儀到如Avago所推出的經濟型RGB色彩感測器。Avago豐富多樣的色彩感測器產品能夠滿足目前實際色彩感測與測量應用的可行解決方案，而這篇文章的主要目的就是提供有關色彩認知、測量與規格的深入探討，並解釋如何應用色彩感測器所提供的資訊，最後我們也將討論Avago的RGB色彩感測器產品，並解釋它們在各種不同色彩感測應用中如何使用。
色彩的認知
在深入電子元件如何感測色彩的理論之前，我們首先要了解人類如何感受顏色。基本上，顏色是光源、物理以及觀察者之間互動反應的結果，在反射光的情況下，落在物體上的光會依表面特性，例如反射或穿透等受到反射或吸收，舉例來說，紅色的紙張會吸收大部分光譜中的綠色與藍色成分，而將其中的紅色部分加以反射，使得它對觀察者來說就變成紅色，而在自體發光的物體上，基本原理相同，也就是光會到達人類的眼睛，並透過眼睛的接收經過神經系統與大腦加以解釋。
人類的視覺系統可以偵測大約由400nm(紫色)到700 nm(紅色)的電磁光譜，同時，能夠自動針對不同的照明情況與色彩飽和度(純色對白色的比例)加以調整。雖然桿狀細胞的光感測單元能夠在寬廣的照明範圍下運作，並提供快速的感應，但這些桿狀細胞卻無法偵測色彩，而是由稱為錐狀細胞的光感測單元提供高解析度的色彩影像，人類有三組分別針對紅(580 nm)、綠(540 nm)與藍(450 nm)具備最高靈敏度的錐狀細胞，任何位於可見光譜中波長的光將給予一或多個三組錐狀細胞不同程度的刺激，而我們對色彩的感知就是經由視神經與大腦處理過後的資訊。
明顯地，具有正常色彩視覺能力的人類，通常在面對相同波長混和的光源時會感受到相同的顏色。科學實驗也證明人類的眼睛能夠精細地分辨出不同顏色間的細微差異，總數大約可以高達1,000萬種，問題是我們基本上並沒有足夠的詞彙來描述這麼多不同的色彩。
色彩測量的原理
圖1-1中顯示，人類眼睛對於色彩的感知以及採用儀器或感測器進行色彩測量的基本原理，感測設備可以是高階設備，例如分光光譜儀，或是經CIE調校的攝影機，也可以是較低階的元件，例如RGB色彩感測器等。
在測量儀器上，基本有兩種常見的不同型態，分別為比色法與光度法。採用比色法的，設備需具有三個濾光片的感測器來測量物體表面的光，請見圖1.1B，通常感測器會經由最佳化以便能夠精確地重現人類眼睛的反應，輸出則以CIE的X、 Y、Z三重刺激值來表示。
圖1C中的比色法使用多個感測器，來測量大量狹窄波長範圍上的色彩，接著儀器中的微電腦將結果積分來計算顏色數據。
圖1D中的Avago色彩感測器為搭配3個濾光片的元件，提供比色法方式的測量，感測器的輸出可以是VR、VG與VB三個電壓，或經過類比數位轉換後的R, G, B數值。
圖1-1：經過人眼(A)、比色法(B)、分光光譜儀(C)與RGB感測器(D)的色彩測量。
色彩感測器的運作原理
色彩感測器主要有三種不同類型，分別為光轉換成光電流、光轉換成類比電壓以及光轉換成數位輸出等，前者僅代表實際光感測器的輸入部分，由於未經處理過的光電流信號相當微弱，因此必須加以放大，以便將它轉換到可使用的位準大小。因此，大部分實際使用的類比輸出色彩感測器，最少都會整合一個轉阻放大器來提供電壓輸出。
將光信號轉換為類比電壓輸出的色彩感測器，通常搭配色彩濾光的系列光二極體以及內建電流到電壓轉換電路(通常為轉阻放大器)所組成，請見圖1.2，每個光二極體上所感受到的光會被轉換成一個光電流，大小則依亮度以及經濾光後的光波長而定。如果沒有濾光片，標準的矽質光二極體基本上可以偵測由紫外線到可見光範圍的波長，最高嚮應值則在光譜近紅外線部份的800 nm與950 nm範圍處。紅、綠、藍穿透式色彩濾光片能讓光二極體的光譜響應，並進行調整與最佳化，設計良好的濾光片將能夠帶來相當接近人類眼睛的光譜響應，而光二極體所產生的光電流，則使用一個電流到電壓轉換器轉換成為VRout、VGout與VBout輸出。
圖1.2：採用光到類比電壓轉換的色彩感測器。
在色彩感測方面，主要有兩種模式- 反射式與穿透式。
反射式感測
在進行反射式感測時，色彩感測器會偵測由物體表面所反射的光，這時光源與色彩感測器被安排接近受測目標的表面，由光源，如白熾燈、螢光燈、白光LED或經調整的RGB LED模組等發出的光經表面反射，並透過色彩感測器加以測量。表面反射光的色彩為表面本身色彩的函數，例如當白光照射在紅色表面時，反射光為紅色，反射的紅色光進入色彩感測器後會產生R、G、B輸出電壓，透過對這三個電壓值進行解析，就能決定偵測到的色彩顏色，由於三個輸出電壓會隨著反射光的強度線性增加，因此色彩感測器也同時測量了物體表面的反射能力。
圖1.3：反射光的色彩由表面所反射或吸收的色彩決定。
穿透式感測
以穿透式模式運作時，感測器被安排在面對光源處，色彩感測器搭配濾光片的光二極體陣列會將進入光信號轉換成R、G、B光電流，接著放大並轉換為類比電壓。由於光信號的所有三個輸出值都會隨著光的強度線性增加，因此感測器可測量光的色彩以及整體的強度。
穿透式感測可以用來決定透明介質，例如玻璃或透明塑膠、液體或氣體的顏色，在這類應用中，光會在進入色彩感測器前經過透明介質，因此透明介質的色彩就可以由色彩感測器的電壓來決定
圖1.4：感測器的R、G、B輸出由感測器上光的色彩決定。
圖1.5：透明介質，如彩色濾光片、液體或氣體的色彩感測。
色彩感測器輸出值的說明
色彩感測器的三個類比電壓輸出可用來直接控制硬體或轉換為數位值，以供數位處理器進行資料分析。色彩與亮度的資訊可以由這些數位值取得。
在描述色彩與亮度時有兩種方法：
A)矩陣法
這個方法適合需要分辨許多色彩時，主要由以下的矩陣方程式來進行。
其中X、Y、Z分別代表CIE的三重刺激值以及色彩感測器的RGB數位輸出值。
透過事先經過測量的參考色彩，並對每個標準X、Y、Z取得感測器的RGB值，矩陣常數C00, C01, C02, C10, C11, C12, C20, C21與C22由這些已知標準值所決定，當這些矩陣常數確定後，未知色彩的X、Y、Z值就可以由RGB數位感測值計算取得。
B)查表法
這個方法適用於只需分辨幾個參考色彩的場合，首先包括亮度資訊的參考色彩時，感測器值在校準時就先行取得，接著再決定亮度資訊是否重要，如果亮度資訊重要的話，那麼就使用實際的色彩感測器值進行分析。
如果對應用來說亮度資訊並不重要，那麼在調校時，就先取得參考色彩在紅、綠與藍感測值間的比例，並在測試時進行未知色彩的測量，比例透過採用一個選定色彩作為所有測量的基礎，例如，選用綠色時，比例就可以透過將感測器測量值除以綠色值加以測量，因此所取得的綠色值永遠為1。舉例來說，如果Rn、Gn與Bn分，其中n = 1, 2, 3… N分別代表了所有N個參考色彩的色彩感測測量值，那麼比例就可以表示為：
, n = 1,2,3, …N.
事實上我們也可以使用紅色或藍色做為基準，至於選用哪一種色彩基本上依個人喜好而定。
未知色彩如最接近特定參考色彩時，那麼就可以假設為該參考色彩值，也就是說，未知色彩以及特定參考色彩間的差距為與其他參考色彩間最小，而未知色彩與參考色彩間的差距則可以由以下的方程式表示：
A) 如果亮度資訊重要時
差距 =
B)如果亮度資訊不重要時
差距 = =
請注意
1.其中(Ru, Gu, Bu)為未知色彩感測值。
2. (Rr, Gr, Br)為參考色彩感測值。
3. 在亮度不重要的場合，可以使用一個感測器通道，例如綠色作為基準點。
基本上，通常會為每個參考色彩訂定最大差距限制，以避免接收到不在參考色彩範圍內的色彩值，不同參考色彩的最大限制則依所需的精確度而有所不同。
不同色彩感測器型式的比較
光到光電流轉換器
光到光電流轉換器基本上只包含一個光二極體，或是搭配濾光片的光二極體來將光信號轉換為光電流，同時可以透過外部電路將光電流轉換為比例電壓輸出，接著這個電壓可以再透過類比數位轉換器轉換成數位型式，並提供給微控器。
優點
‧ 帶來設計彈性，放大器的增益與頻寬，以及類比數位轉換器的速度與解析度可依不同應用選擇
代價：
‧ 額外的組裝成本
‧ 增加設計複雜度
光到光電流轉換器適合需要較短反應時間、客制化增益與反應速度調整，並且能夠在不同光源情況下運作的應用。
光到類比電壓轉換器
光到類比電壓轉換器包含搭配濾光片的光二極體陣列，並整合一個轉阻放大器，需搭配外部電路將類比電壓轉換為數位輸出，再送到數位信號處理器。
優點：
‧ 簡化週邊電路設計
‧ 改善空間使用效率
‧ 降低組裝成本
代價：
‧ 反應時間由內建電流電壓轉換器，如轉阻放大器決定
‧ 需要額外的類比數位轉換器將電壓輸出轉換為數位型式
光到類比電壓轉換器適合需要較短設計週期、較快上市時程、光源情況與空間使用效率較為確定的應用。
光到數位電壓轉換器
光到數位電壓轉換器包含搭配RGB濾光片的光二極體陣列、一個類比數位轉換器以及做為通訊與靈敏度控制的數位核心電路，輸出可以透過如兩線式串列介面直接與微控器或其他邏輯控制電路介接，以進行進一步的信號處理，不需任何其他元件。
優點：
‧ 提供抗雜訊干擾能力
‧ 簡化週邊電路設計
‧ 改善空間使用效率
‧ 降低組裝成本
代價：
‧ 與微控器或PC介接，只能透過兩線式串列介面模式進行
‧ 反應時間由內建類比與數位電路決定
‧ 類比數位轉換的解析度固定
光到數位輸出轉換器適合需要抗雜訊干擾能力、更短設計週期、更快上市時程、光源情況與空間使用效率較為確定的應用。
