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B 蓝 青 品红白黑G 绿黄2). 白平衡算法
颜色实际就是物体对光的反射或投射而表现出来在人眼中的反映, 而 TCS230 就是通过分别检测一种颜色反映出来的光的红、绿、蓝分量, 通过把光强线性转换为频率信号, 量化出R、G、B值, 从而计算出颜色。值得注意的是, 不同的光线通过物体反映出来的光强是不同的, 而且非标准白光 (RGB三者不相等)在物体上反映出来的光强分量也是不同的。
为解决这个问题,就要进行白平衡, 即首先测量出基准光源的RGB光强值, 再测量出在标准光源下物体所反映出的光强值,两者之比就是物体的反射(或透射)性质, 即物体的实际颜色, 如公式(1), (2), (3)。
R=P物红/P源红 (1) G=P物绿/P源绿 (2) B=P物蓝/P源蓝 (3)
由于在 RGB 坐标下的颜色标准坐标为 0-255 之间,所以把所得结果乘以 255,即得到标准的 RGB 值。 透明物体直接测量光源的光强-频率值,不透明物体需要用白纸测量反射光源。
2.3颜色传感器技术
2.3.1颜色检测的难点
物体颜色信息十分广泛,颜色的确定需要色调、明度和饱和度三大要素或三原色(红绿蓝)的刺激值。影响颜色检测准确度的参数主要有:照射光、物体反射、光源方位、观测方位和传感器性能等,任何一个参数发生变化都会导致观察到的颜色发生变化。
1）.光源的影响
照射光包含有太阳光和外界杂散光,太阳照射角度、云层厚度和其它天气条件都会导致照射光发生变化,从而导致被测物体颜色发生变化。
R 红 图2.1 RGB颜色模型 7
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为弥补光源变化带来的测量误差,Judd等人在1964年提出了照射光修正模型,但尽管如此,照射光引起物体颜色检测的误差仍不容忽视。
2).光源方位和观测方位的影响
光源方位,也就是被测物体指向光源的法线方向,它决定了有多少太阳光或外界杂散光作为入射光。观测方位是指被测物体指向传感器的法线方向,它决定了反射到传感器中的光强。
3).被测物表面反射状况的影响
传感器探头与被测物之间的距离影响着输出信号,可能会造成不同颜色信号的交叉,形成测量误差,所以存在某一最佳距离对输出特性影响最小,以保证颜色与输出信号的一一对应关系。被测物表面的较明显凹凸区域也会给输出信号带来较大的误差,为此 , Phong,Shafer和 Nayar等人先后提出了反射模型以弥补测量误差。
2.3.2颜色传感器
1）. RGB 颜色传感器
RGB颜色传感器对相似颜色和色调的检测可靠性较高。它的测量原理示意图如图2.21 所示。
图2.2 RGB颜色传感器
在三个光电二极管上贴上三基色滤色片,三种光通过同一透镜发射后被目标物体反射,根据测出的数据求出颜色的成分。由于这种颜色检测法是通过测量构成物体颜色的三基色实现颜色检测的,所以精密度极高,能准确区别极其相似的颜色,甚至相同颜色的不同色调。
RGB颜色传感器有两种测量模式:一种是分析红、绿、蓝光的比例。因为检测距离无论怎样变化,只能引起光强的变化,而三种颜色光的比例不会变,因此,即使在目标有机械振动的场合也可以检测;第二种模式是利用红绿蓝三基色的反射光强度实现检测目的 ,利用这种模式可实现微小颜色判别的检测,但传感器会受目标机械位置的影响。无论应用哪种模式,大多数 RGB 颜色传感器都有导向功能,使其非常容易设置。这种传感器大多数都有内建的某种形式的图表和阈值,利用它可确定操作特性。
利用全色色敏器件及相关分析手段可以较精确地测定颜色,一般来说,它至少需要三个光电二极管以及三个相应的滤光器,以获得颜色的三刺激值,因此结构和电路都比较复
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杂。
2). 色差传感器
在一些实际应用中(如分拣、 质量监控等行业),并不需要确切了解被测物的具体颜色,而只需要对两个物体的色差进行识别与判断,区别出从一种颜色到另一种颜色的变化。例如,对家用电器、汽车外壳的色彩管理,对纸浆、油漆、彩色钢板等色彩进行读取和控制,只要检测出两种颜色存在一定的色差,就能将它们区分开来。色差传感器已发展出硅双结、 光纤、有机材料等多种,由于其价格便宜,动态响应效果好,能实现在线实时测量,所以除染色等特殊行业外,工业上一般都采用色差传感器。
硅双结型颜色传感器：
硅双结型颜色传感器的结构及主要特性如图2.3所示。
图2.3 硅颜色传感器的结构原理图与特性曲线
图2.3(a)中所示的N-P-N是结深不同的两个P-N结二极管,放大作用很小。浅结二极管D1是N+- P结;深结二极管D2是P-N结,当有入射光照射时，N+，P，N每个区域及其间的势垒区中都有光子吸收,根据硅的光学性质,蓝紫光部分吸收系数大,经很短距离已吸收完毕,因此浅结光电二极管对蓝紫光的灵敏度高,而红外光的透射深度则一直达到深结区,因此深结光电二极管对红外光的灵敏度高。这就是说此结构中的不同区域对同一波长入射光具有不同的灵敏度,这一特性提供了将这种器件用于颜色识别的可能性。在不同波长的光照射下,两只光电二极管电流的比值I2/I1不同, I1是浅结二极管的短路电流, I2是深结二极管的短路电流。由于单色入射光的波长与色敏器件的短路电流比的对数存在近似的线性关系,即 ,
式中A和B值通过对预先测定数据拟合得到。所以根据短路电流比,如图 2.3(b) 所示,就可以得到入射光的波长。
这种传感器的突出优点是:短路电流比与光强无关,几乎只与入射光波长相关。但色敏器件的输出电流很小,很容易受外界的干扰,因此需要对放大电路进行屏蔽。
液晶颜色传感器：
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液晶颜色传感器由红外玻璃滤色片、 电子控制双折射液晶和硅 P2N 结光电二极管组成,其结构截面如图2.4 所示。
入射光红外滤波片起偏振器玻璃聚酯薄膜液晶检偏振器SiO2光电二极管P-SiN-Si图2.4 颜色传感器结构
加电压输出电压
传感器的光灵敏度可近似表示为 Tr(λ) ～ Ir(λ)I(λ)Ph(λ) ,
式中Tr(λ)为传感器的光谱灵敏度;Ir(λ)为透过红外滤色片的光强;I(λ)为透过液晶单元的光强;Ph(λ)为光电二极管检测到的光强;λ为入射光的波长。透过液晶的光强 I(λ)是加在液晶两端电压的函数,即
I (λ) = I0(λ)sin2 (2ψ) sin2 (πR/λ) , R = ( ne - n0) d – Rb
式中d为液晶层的厚度;ne为液晶层中非常光线的折射率; n0为液晶层中寻常光线的折射率; Rb为聚酯薄膜中的光延迟; R为液晶单元有效的光延迟; I0(λ)为射到液晶上的入射光强度;ψ为液晶分子轴在电极上的投影方向和起偏振器方向夹角。
其测量原理是利用红外玻璃滤色片滤掉入射光中的红外成分,改变液晶两端的电压,可以改变液晶层中的非常光折射率 ne ,从而改变光强 I(λ)。光电二极管检测到光强与存储在计算机中的颜色数据进行比较,就可知所测物体的颜色。
用该传感器检测采用同样材料编织而穿着方式不同的两件衣服,传感器输出电压的峰值有差异,这意味着这种传感器灵敏,可分辨出非常小的颜色差别。
光纤颜色传感器：
光纤是20世纪70年代为通信而发展的一种新型材料,与其它材料相比,光纤具有良好的传光性能和较宽的频带,因而被广泛地应用在通信领域中。除此之外,光纤本身还是一个敏感元件,即光在光纤中传输时,光的特性如振幅、波长(颜色)、相位、偏振态等将随检测
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对象变化而相应变化。光从光纤射出时,光的特性得到调制,通过对调制光的检测,便能感知外界的信息。为充分发挥光纤的这一特性,自70年代中期以来出现了许多特殊的光纤传感器,如光纤强度、相位、(波长)颜色传感器等。
光纤颜色传感器的装置如图2.5 所示。
图2.5 光纤颜色传感器的实验装置
光源发出的光由透镜耦合到光纤束,在光纤束的出射端经分光板反射到达被测物,RGB 标准滤色片同装在一个旋转盘上,当旋转盘转动时,物体反射的不同波长的光相继经过滤色片到达光探测器,从光敏管电流强弱,即可反映被测图样颜色。与传统传感器相比它具有以下优点:
(1) 利用光纤束解决了普遍存在的光能量和光源散热问题;
(2) 结构小而紧凑, 便于安装, 可实现在线检测,传感头高度密封,适于恶劣条件,具有可靠的抗干扰措施;
(3) 响应速度快,便于与计算机接口自动地判断或记数。 有机静电感应颜色传感器：
近年来,已有越来越多的研究者提出采用有机材料制成光电传感器,这种传感器成本低,应用范围广,但目前还只处于实验室研究阶段。1986年Tang曾报道了利用有机材料制成光电转换效率很高的太阳能电池,由此可见有机材料具有良好的光敏性能,所以有机材料颜色传感器被认为是很有发展前景的一种传感器。
Kudo利用两种染料制成了一种P型有机静电感应传感器(static induction t ransistor ,SIT) ,并研究了其光电特性。图2.6是 Kudo制成的有机静电感应颜色传感器的结构图。
有机静电感应颜色传感器有两个有机半导体层,分别是酞青蓝和部化青两种染料,酞青蓝和部化青膜的厚度分别为80nm和140nm,它们通过真空沉降方法覆盖在涂有锡铟氧化物的玻璃片上,酞青蓝和部化青膜之间具有P型半导体特性。有机染料膜上面覆盖一层金属金(Au)并与锡铟氧化层形成测量电极,酞青蓝和部化青膜之间有一非常薄的铝电极。当加载在铝电极上的电压增加时,测量电极之间的电流增加,反之,测量电极间的电流减少。Kudo对有机静电感应颜色传感器进行了光敏实验,光从部化青膜侧照射,在两个测量电极
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