隨著最近奈米光子干涉濾光片技術的採用,XYZ色彩感測(color sensing)技術正從實驗室儀器領域走向更主流的應用市場,包括原位光譜感測和照明。

在這篇文章中,我們試圖解釋關於XYZ技術及其應用最常見的錯誤觀念。以下是有關XYZ色彩感測技術最常見的11個迷思:

1. XYZ就只是像RGB的顏色,誰會需要呢?

生活(或至少是指光)中不只是紅、綠、藍(RGB)三種顏色,實際上,對於人的視力來說,自然光源具有廣闊的光譜功率分佈。人類非常習慣以日光作為主要的可見光源,對其他顏色也具有很強的辨識能力。然而,人眼會被發射出來的光欺騙,早期的發光二極體(LED)光源只是黃色和藍色的簡單混合,人眼就能將它視為白色。但是,人眼並不會這麼容易被反射出來的光欺騙,尤其是與色彩感知相關的反射光。

特定的顏色會被反射波長組合的物體所感知。簡單來說,顏色必須一開始就在光照下。如果一些波長遺失,顏色就無法精確地顯現。為了快速證明這一觀點,你只需讓顯示器屏幕變成全白,將它當作某處昏暗環境下的光源。用這一自製的RGB光源檢驗自己的膚色,那麼你所看見的膚色足以讓你去找醫生就診。

XYZ是人眼標準反應曲線的模型,同時也展現了視網膜的長、中、短感光錐細胞對於光的光譜功率分佈反應。從圖解中可以看到雖然紅、綠、藍被視為可視光譜的代表,但它與實際的RGB顏色分佈並不符合。

不難想像,如果你畫了幾條垂直線代表組成一種顏色的幾個反射波長,XYZ濾光裝置和RGB濾光裝置的通道數是完全不同的。事實上,沒有確切的數學可以精確計算未出現在資料集的數據(未被感知到的波長)。如下圖。

20170727_ams_NT31P1 XYZ感測技術可實現如同人眼般的色彩感知

2. XYZ感測器價格昂貴

這種迷思在2015年確實如此,但現在不會了。干涉濾光鏡技術採用像互補氧化金屬氧化物半導體(CMOS)一樣層層堆疊出濾光鏡的程序,分割了大量的整合式感測器半導體的製造。結果就是XYZ感測器精準又便宜(在大量生產條件下通常只需最多2美元)。憑藉著這些優點,業界開發出許多在幾年前還沒有商業價值的新應用。

3. XYZ感測器只適於高階應用,而不適合像照明產品這一類的應用

如果XYZ比一般色彩感測表現要好這點已經達成共識,那麼這個議題就會變成其中一項價值。當成本不再是問題,圍繞著XYZ是否適用於標準商業級照明,甚至是替換燈/管的成本敏感型應用等爭論也可以告一段落。

當然,成本花費確實是不可忽視的,如果只是因為聽起來很酷而使用XYZ感測器並沒什麼意義。例如,白色/彩色可調光LED燈的光保持對光的一致性是很重要的,XYZ感測器做到了這一點。那是因為人對顏色的感知能夠清楚地區分出兩個僅僅相隔0.2%相近色點之間的顏色差異。這意味著人類擅長區分光之間的區別,因此一致性需要感測。對於那些希望降低整體元件成本,擁有更具成本效益的驅動器,或是使白色或彩色可調光設計能永遠擺脫單一LED及其供應商型態的人來說,XYZ感測器可以提供的好處並不止這些。

感測最初的目的在於找出發生什麼事,而就色光來說要知道發生什麼事的原因是它可以因此而被校正。封閉迴路感知的概念有趣之處就在於經常能讓系統設計師使用低精準度的元件,而且能得到較高精準度和/或功能更齊全的結果。

例如,汽車電動窗的設計師可以在設計中加入高精密度的窗戶製模、製造校準以及達到毫米波準確度的驅動馬達,或者,設計師也可以在設計中加入力反饋感測器,當窗戶停下來時(無論是往上還是往下),馬達也隨之停下。在後來的實例中,價格較便宜的馬達和撞擊容忍度較差的玻璃也可以達到一樣的效果,設計師還能在手指或其他物體擋道的時候讓窗戶自動停下來。所以結果就是能以更低的成本提供更好的產品。

這並不表示高階XYZ感測器沒有市場。公司採購通常以靈敏度、動態範圍或頻外抑制等條件來考慮購買合適的感測器。上述的因素可能對於一些類型的光譜感測或是低光狀態下的色彩感測來說非常重要(雖然很難解釋為什麼人們會在低光環境下注意顏色,但是沒有人知道下一個重要的應用程式會是什麼)。

4. XYZ極其複雜

XYZ很複雜…至少當談到製造感測器來解讀它時是複雜的。所幸半導體研發團隊只需要一次就能把這個問題搞清楚。取一個XYZ值,用色點坐標或CCT等數學方程式來描述它。這簡化了其他人對於XYZ感測技術的應用。方便的是,XYZ資料可輕易地轉換為其他色彩圖,包含RGB、sRGB、CIE-Lab、Lch或L*uv。

5. XYZ感測器又大又耗電

對於那些把「大」定義為超過1平方毫米的人來說,XYZ感測器確實是大的。但是對於那些可以接受2平方毫米大小裝置的人來說,這個迷思就也不成立了。至於功耗方面,XYZ感測器在高度主動狀態時需150uA的電流,處於睡眠狀態時僅需5uA電流,因此,XYZ感測器是一個低耗電的光感測器。

6. XYZ在行動裝置中毫無用處

通常,設計師需要了解現有的技術好處,並設想其最佳應用方法。因此,這是很有可能的,如果一款令人滿意的應用程式能夠在行動裝置中充份利用真實色點偵測,而且在其他條件都相等時,XYZ感測也能善加被利用。在這個情況下,其他的條件並不相等:XYZ提供更好的效果,而且並不需要更多成本。一旦一個或兩個好的應用程式出現,XYZ將會面臨大量的需求,服務於那些我們原本從沒想過的應用程式,並且將會非常有用。

7. XYZ的校準功能會隨時間改變

XYZ感測器由數個元件組成:濾光片、二極體和由類比數位轉換器(ADC)及一些像是I2C邏輯電路所提供的標準介面組成的整合式裝置。就像大多數的CMOS技術,二極體和邏輯電路的整個生命週期都非常穩定。二極體的反應可以隨著溫度改變而劇烈地變化,但這極其直接地抵銷所增加的黑暗通道,同時提供一個參考數量和溫度,作為相對於其他二極體組的參考。在任何特定通道上的有效數量顏去黑暗數就能提供溫度補償值。

由於濾光片回應曲線不是標準的高斯設計(例如,藍色區域出現了近乎紅色X曲線的凸起),有機閉塞濾光片有時會變化,因此並不是描繪XYZ濾光片曲線的最佳選擇。新一代XYZ濾光片通常採用干涉濾光技術,在CMOS設計過程中如同玻璃般被有效地建構為二氧化矽等組成複雜的材料層。這些濾光片如同玻璃一樣穩定和高品質。

在奧地利微電子(ams)的實驗室,研究人員發現濾光片隨著溫度上升而變化,大概是每攝氏度1皮米(pm)。對於一個通常處於零下40度到85攝氏度之間的裝置,相當於少於十分之一奈米的誤差,而可視範圍為390奈米~700奈米之間。始終如一的穩定性和溫度變化範圍意味著,無論何種用途,基於干涉濾光片的XYZ感測器校準一旦完成就能永遠使用。

另外,RGB濾光片如今也開始運用干涉濾光片技術,對於RGB應用來說,便捷地感測紅、綠、藍顏色通道是非常重要的。然而,RGB濾光片並不是用於真實色彩辨識的最佳選擇。

8. RGB可轉換成XYZ,所以不需要XYZ

考慮到人類對於色彩差異的靈敏度大約是小於等於1%的十分之二,RGB可以提供很好的答案,但並不是最完美的。很重要且必須意識到的一點是,如果RGB感測器在特定光照下被校準,它可以為那個特定光照條件提供非常精確的色點分析結果。

XYZ感測器的優勢在於能夠在大多數光照條件下提供真色色點的辨識。藉由為感測器增加智慧,XYZ感測器能夠在晶片的製造和測試時作為被校準的一部分。因此,消除了光源製造商對於不同光源的逐一檢查過程,能有效節約時間和成本。只要有干涉濾光片,就能永久進行校準。

9. 沒有應用程式需要XYZ

在目前的應用中,對於XYZ的應用僅限於光度計和其他用來測量光和照明的工具,也有一些用在攝影和廣播裝置。所以,目前只有少量應用受益於XYZ感測。然而,這並不表示只有少數應用能夠利用XYZ感測技術。

可調式照明和一些顯示器技術是明顯利用真實色彩測量的領域。以可負擔得起的XYZ感測技術,我們也可以期待看見許多新型光譜感測應用的興起。

最近出現的一個新應用是適用於塗料配對的可攜式真實色彩評估。與其把材料的樣品或塗料的一部份帶到塗料店讓他們為配對的顏色分析,消費者現在可以使用簡單、便宜的儀器在原位評估色彩,然後再以智慧型手機應用程式辨識精準所需的塗料色碼,從各式各樣的塗料製造商中得到完美配對。

我們也可以預期相關的應用程式會快速的成長,因為XYZ感測器開始出現在行動裝置中或是作為配件。對於許多的行動裝置來說,「先開發功能,應用程式就會隨之而來」,這句話已經成為一句箴言。

10. 市面上沒有XYZ感測器

製造XYZ感測器的專利、技術和設備是非常複雜的,因此在市場上XYZ感測器很少。然而,至少有一家大型感測器製造商能夠生產XYZ感測器,並提供多種型號。

11. XYZ感測總能提供更好的色彩方案

遺憾的是,XYZ感測並不一定都能提供更好的色彩方案。在反映物體的真實色彩方面,XYZ感測確實提供了更好的解決方案。然而,當談到光源時,XYZ和人眼相似,也會被騙,螢光燈就是一個典型的例子。如果我們快速比較一下小型螢光燈(CFL)和LED燈的光譜功率分佈,很清楚就能看到小型螢光燈有好幾個明顯的峰值。這幾個峰值與顯色指數測試的色板相符合並不是巧合。

提高效能的最方便辦法是只顯示在顯色指數測試中獲得高分的光波長,但這並不是最好的顯示物體色彩之道。如果有人用經校準且適於寬頻光源的XYZ感測器來評估小型螢光燈的顏色,XYZ感測器無法精確辨別曲線下的能量來源,從而限制其精準度。在這種情況下,擁有較獨特、窄頻色彩通道的感測器能夠更有效地辨識發射器的色彩。這些感測器目前也是可取得的。