颜色感应技术改善智能产品视觉感受

关键词： 环境光传感器 , RGB传感器

平板电脑和智能手机市场的发展表明，具有新颖独到的工业设计能力有助于原始设备制造商（OEM）确立牢固的市场地位。随着智能手表等可穿戴产品日益流行，时尚的创意产品设计将倍受青睐。

创造新颖设计的难点在于需要在显示屏上以用户为重点下一番功夫：用户界面本身。由于色彩丰富的液晶或有机LED显示器与电容式触摸屏结合非常强大，这使其理所当然地成为了主流设计。但这并不意味着所有产品设计都需要采用透明和银色玻璃。有色玻璃为产生与众不同的用户体验提供了诸多可能。

图1：RGB传感器能形成差异化产品设计。

尽管玻璃色彩会改变用户界面的外观，但显示面板本身可以对此进行补偿——改变像素的色彩平衡，从而通过显示屏玻璃产生清晰的显示效果。不仅如此，显示屏设计不但能够对彩色玻璃进行补偿，而且可在不同环境光照条件下变化，如从阳光下的蓝色光，变为某些室内照明条件下的黄色或红色色调。

这种能力的关键要求是以准确的红、绿、蓝（RGB）环境光传感器，取代目前智能手机使用的简单的白色环境光传感器，帮助确定显示屏所需的亮度。通过全面考虑色彩以及环境亮度，显示器将更便于阅读，更能使人在使用上感觉舒适(图1)。

手机和平板电脑环境光RGB检测的第二个优点，体现在与内置相机传感器结合使用时。环境光传感器为自动白平衡计算提供重要信息反馈，确保用户拍摄图片逼真的肤色和颜色一致性。利用精确的色彩反馈，运算甚至可以确定可能的光源，如荧光灯或多云的天空，帮助计算取得更好画面效果的曝光度。此外，通过确定光源和光强，还可以优化闪光灯输出和驱动电流，从而延长电池续航时间。

这项技术还可有利于汽车应用中的仪表盘设计，在迅速经过黄色钠灯与其他光源照明条件快速变化的夜间道路上，提高仪表盘的可读性和醒目性。

高质量RGB传感器也可以用于其他应用场合。集成到电视中，传感器可用来提示显示电子设备因器件老化导致的任何变化。例如，在有机发光二极管（OLED）显示器中，随着器件老化，蓝色像素的色彩往往比红色和绿色像素变化快。通过这种颜色的感应，RGB传感器有助于在电视的整个使用寿命期间保持更加一致的显示效果。

图2：色彩归一到绿色的例子。

为感应环境光和有色玻璃色彩过滤的效果，传感器通常装在玻璃面板下面。这样可以提供各种光源照射条件下显示的准确色彩参考，供显示驱动器用来调整RGB有效像素的平衡，补偿滤光效果以及环境光照条件，如过红或其他有色光。

为克服闪烁的影响，传感器设计采用集成式ADC可滤掉50Hz或60Hz对人造光源的影响或相机闪光灯的影响。样本数据可采用串行接口（如I2C）传送到显示驱动控制器。

安装的传感器应能够通过显示屏接收光线，对整体像素输出变化做出反应。例如，固件可以利用给定输出图像接收光线与工厂校准读数的比较，增加或减少红、绿或蓝色，保持产品整个生命周期色彩输出的一致性——例如，假定OLED面板在画面上可以体现出一致的老化效果。

彩色打印机也需要精确的传感器，用以确保校准和打印期间，纸面上有准确的油墨量——这是打印彩色图片的基本要求。  
        
由于物理结构设计对其中大量应用非常重要，因此，RGB环境光传感器需要体积小、精度高。如果器件边长小于 2毫米，很容易封装在图像传感器附近，或将其装在显示屏玻璃面板框架内不显眼的位置，而不会减小显示屏的有效使用面积。

传感器还需要能够在许多不同情况下灵活安装，如装在电视机红外（IR）遥控端口或移动设备感应用户触控功能红外信号的接近传感器使用的专用暗色玻璃后面。与标准玻璃不同，这种材料红外信号传输的有效距离比大多数其他形式的玻璃更远。红外滤光或补偿可以防止强红外信号影响可见光测量。

一种方法是将红外滤光片放在RGB传感器自身上面，但这会增加成本和结构的复杂性。另一种方法不仅将可见光光电二极管，而且将红外传感器集成在设备上，使处理电子器件可以进行数字补偿。这种方法优于红外滤光的一个主要优点是，提高了光照检测的智能水平。不同类型的可见光源产生的红外光成分存在很大差别。例如，白炽灯光源生成大量红外光，而荧光灯产生的红外光非常弱，并且一般低于自然光中的红外光。通过解读这种数据，软件可以根据不同照明条件进行图像补偿。

因为红外玻璃滤除了大部分可见光，所以需要高灵敏度的RGB光电二极管阵列，确保这些条件下使用的传感器准确的颜色响应。传感器需要能够在光照度低至0.005lux的黑暗环境中测量颜色（例如在红外玻璃下面工作），但同时需要支持玻璃透光率非常高、光照度高达10,000lux的应用。为便于使用，传感器应直接与该设备的核心处理器连接，根据当前的照明条件不断调整光亮度，保持显示器颜色的一致性和理想亮度。

图3：RGB传感器典型应用图。

精度和可重复性对于确保产品有一致的用户体验，而生产过程中又不必耗费大量时间进行校准至关重要。偏差小于 10%足以保证环境色度有效匹配。因为有许多RGB传感器应用在移动设备中，所以必须保证低功耗。不仅需要降低模拟前端的工作电流，而且在不使用时，传感器电子器件能够进入低功耗待机模式也十分重要。由于光照条件不太可能迅速变化，在接近传感器的LED光电二极管出现闪烁等情况中，在短时间内做几次读数是使用这类器件的有效策略。一旦取得了所需要的读数，即可让传感器掉电等候，直至几秒种后的下一个周期。该策略可使传感器子系统的能耗降低几个数量级。

能够利用软件工具验证传感器性能也十分重要。开发人员通过显示，了解环境光读数与工业标准CIE 1931色度图的相符程度，可以更加方便地评估一块特定玻璃对读数的影响，并调整最终产品所需的色度补偿。软件还可以显示，IC传感器的精度能够与专用手持色度仪的精度有多接近。

图4：色度测试GUI图示例。

Intersil ISL29125便是一款满足这种快速增长市场需求的RGB传感器。这款传感器可在掉电模式下低功耗运行。它采用标准I2C接口向主机传送数据。ISL29125还提供0.005lux至10,000lux的宽动态范围，从而使设计人员能够将其应用到广泛的工作环境和应用中。在掉电模式下，Intersil RGB传感器消耗的电流小于0.5μA；在工作模式下，其流耗约为85μA。

图5：ISL29125 RGB传感器方框图。

除高精度和出色的性能之外，ISL29125传感器还是业内体积最小的6引脚RGB传感器。设备设计中只需极小的孔径，即可获得足以准确测量色温所需的环境光，从而极大地改善了工业设计。评估板支持软件按CIE色度图解码显示器读数，为开发提供帮助。

通过集成和高效的IC设计，新一代RGB传感器可显著改善消费、汽车和工业类应用的用户界面阅读体验。