关于XYZ色彩传感的11个迷思

随着最近纳米光子干涉滤光片技术的采用，XYZ色彩传感(color sensing)技术正从实验室仪器领域走向更主流的应用市场，包括原位光谱传感和照明。

在这篇文章中，我们试图解释关于XYZ技术及其应用最常见的错误观念。以下是有关XYZ色彩传感技术最常见的11个迷思：

1. XYZ就只是像RGB的颜色，谁会需要呢？

生活(或至少是指光)中不只是红、绿、蓝(RGB)三种颜色，实际上，对于人的视力来说，自然光源具有广阔的光谱功率分布。人类非常习惯以日光作为主要的可见光源，对其他颜色也具有很强的辨识能力。然而，人眼会被发射出来的光欺骗，早期的发光二极管(LED)光源只是黄色和蓝色的简单混合，人眼就能将它视为白色。但是，人眼并不会这么容易被反射出来的光欺骗，尤其是与色彩感知相关的反射光。

特定的颜色会被反射波长组合的物体所感知。简单来说，颜色必须一开始就在光照下。如果一些波长遗失，颜色就无法精确地显现。为了快速证明这一观点，你只需让显示器屏幕变成全白，将它当作某处昏暗环境下的光源。用这一自制的RGB光源检验自己的肤色，那么你所看见的肤色足以让你去找医生就诊。

XYZ是人眼标准反应曲线的模型，同时也展现了视网膜的长、中、短感光锥细胞对于光的光谱功率分布反应。从图解中可以看到虽然红、绿、蓝被视为可视光谱的代表，但它与实际的RGB颜色分布并不符合。

不难想象，如果你画了几条垂直线代表组成一种颜色的几个反射波长，XYZ滤光装置和RGB滤光装置的信道数是完全不同的。事实上，没有确切的数学可以精确计算未出现在数据集的数据(未被感知到的波长)。如下图。

XYZ传感技术可实现如同人眼般的色彩感知

2. XYZ传感器价格昂贵

这种迷思在2015年确实如此，但现在不会了。干涉滤光镜技术采用像互补氧化金属氧化物半导体(CMOS)一样层层堆栈出滤光镜的程序，分割了大量的整合式传感器半导体的制造。结果就是XYZ传感器精准又便宜(在大量生产条件下通常只需最多2美元)。凭借着这些优点，业界开发出许多在几年前还没有商业价值的新应用。

3. XYZ传感器只适于高阶应用，而不适合像照明产品这一类的应用

如果XYZ比一般色彩传感表现要好这点已经达成共识，那么这个议题就会变成其中一项价值。当成本不再是问题，围绕着XYZ是否适用于标准商业级照明，甚至是替换灯/管的成本敏感型应用等争论也可以告一段落。

当然，成本花费确实是不可忽视的，如果只是因为听起来很酷而使用XYZ传感器并没什么意义。例如，白色/彩色可调光LED灯的光保持对光的一致性是很重要的，XYZ传感器做到了这一点。那是因为人对颜色的感知能够清楚地区分出两个仅仅相隔0.2%相近色点之间的颜色差异。这意味着人类擅长区分光之间的区别，因此一致性需要传感。对于那些希望降低整体组件成本，拥有更具成本效益的驱动器，或是使白色或彩色可调光设计能永远摆脱单一LED及其供货商型态的人来说，XYZ传感器可以提供的好处并不止这些。

传感最初的目的在于找出发生什么事，而就色光来说要知道发生什么事的原因是它可以因此而被校正。封闭回路感知的概念有趣之处就在于经常能让系统设计师使用低精准度的组件，而且能得到较高精准度和/或功能更齐全的结果。

例如，汽车电动窗的设计师可以在设计中加入高精密度的窗户制模、制造校准以及达到毫米波准确度的驱动马达，或者，设计师也可以在设计中加入力反馈传感器，当窗户停下来时(无论是往上还是往下)，马达也随之停下。在后来的实例中，价格较便宜的马达和撞击容忍度较差的玻璃也可以达到一样的效果，设计师还能在手指或其他物体挡道的时候让窗户自动停下来。所以结果就是能以更低的成本提供更好的产品。

这并不表示高阶XYZ传感器没有市场。公司采购通常以灵敏度、动态范围或频外抑制等条件来考虑购买合适的传感器。上述的因素可能对于一些类型的光谱传感或是低光状态下的色彩传感来说非常重要(虽然很难解释为什么人们会在低光环境下注意颜色，但是没有人知道下一个重要的应用程序会是什么)。

4. XYZ极其复杂

XYZ很复杂…至少当谈到制造传感器来解读它时是复杂的。所幸半导体研发团队只需要一次就能把这个问题搞清楚。取一个XYZ值，用色点坐标或CCT等数学方程式来描述它。这简化了其他人对于XYZ传感技术的应用。方便的是，XYZ数据可轻易地转换为其他色彩图，包含RGB、sRGB、CIE-Lab、Lch或L*uv。

5. XYZ传感器又大又耗电

对于那些把“大”定义为超过1平方毫米的人来说，XYZ传感器确实是大的。但是对于那些可以接受2平方毫米大小装置的人来说，这个迷思就也不成立了。至于功耗方面，XYZ传感器在高度主动状态时需150uA的电流，处于睡眠状态时仅需5uA电流，因此，XYZ传感器是一个低耗电的光传感器。

6. XYZ在移动设备中毫无用处

通常，设计师需要了解现有的技术好处，并设想其最佳应用方法。因此，这是很有可能的，如果一款令人满意的应用程序能够在移动设备中充份利用真实色点侦测，而且在其他条件都相等时，XYZ传感也能善加被利用。在这个情况下，其他的条件并不相等：XYZ提供更好的效果，而且并不需要更多成本。一旦一个或两个好的应用程序出现，XYZ将会面临大量的需求，服务于那些我们原本从没想过的应用程序，并且将会非常有用。

7. XYZ的校准功能会随时间改变

XYZ传感器由数个组件组成：滤光片、二极管和由模拟数字转换器(ADC)及一些像是I2C逻辑电路所提供的标准接口组成的整合式装置。就像大多数的CMOS技术，二极管和逻辑电路的整个生命周期都非常稳定。二极管的反应可以随着温度改变而剧烈地变化，但这极其直接地抵销所增加的黑暗通道，同时提供一个参考数量和温度，作为相对于其他二极管组的参考。在任何特定通道上的有效数量颜去黑暗数就能提供温度补偿值。

由于滤光片响应曲线不是标准的高斯设计(例如，蓝色区域出现了近乎红色X曲线的凸起)，有机闭塞滤光片有时会变化，因此并不是描绘XYZ滤光片曲线的最佳选择。新一代XYZ滤光片通常采用干涉滤光技术，在CMOS设计过程中如同玻璃般被有效地建构为二氧化硅等组成复杂的材料层。这些滤光片如同玻璃一样稳定和高质量。

在艾迈斯半导体(ams)的实验室，研究人员发现滤光片随着温度上升而变化，大概是每摄氏度1皮米(pm)。对于一个通常处于零下40度到85摄氏度之间的装置，相当于少于十分之一奈米的误差，而可视范围为390奈米～700奈米之间。始终如一的稳定性和温度变化范围意味着，无论何种用途，基于干涉滤光片的XYZ传感器校准一旦完成就能永远使用。

另外，RGB滤光片如今也开始运用干涉滤光片技术，对于RGB应用来说，便捷地传感红、绿、蓝颜色通道是非常重要的。然而，RGB滤光片并不是用于真实色彩辨识的最佳选择。

8. RGB可转换成XYZ，所以不需要XYZ

考虑到人类对于色彩差异的灵敏度大约是小于等于1%的十分之二，RGB可以提供很好的答案，但并不是最完美的。很重要且必须意识到的一点是，如果RGB传感器在特定光照下被校准，它可以为那个特定光照条件提供非常精确的色点分析结果。

XYZ传感器的优势在于能够在大多数光照条件下提供真色色点的辨识。藉由为传感器增加智慧，XYZ传感器能够在芯片的制造和测试时作为被校准的一部分。因此，消除了光源制造商对于不同光源的逐一检查过程，能有效节约时间和成本。只要有干涉滤光片，就能永久进行校准。

9. 没有应用程序需要XYZ

在目前的应用中，对于XYZ的应用仅限于亮度计和其他用来测量光和照明的工具，也有一些用在摄影和广播设备。所以，目前只有少量应用受益于XYZ传感。然而，这并不表示只有少数应用能够利用XYZ传感技术。

可调式照明和一些显示器技术是明显利用真实色彩测量的领域。以可负担得起的XYZ传感技术，我们也可以期待看见许多新型光谱传感应用的兴起。

最近出现的一个新应用是适用于涂料配对的可携式真实色彩评估。与其把材料的样品或涂料的一部份带到涂料店让他们为配对的颜色分析，消费者现在可以使用简单、便宜的仪器在原位评估色彩，然后再以智能手机应用程序辨识精准所需的涂料色码，从各式各样的涂料制造商中得到完美配对。

我们也可以预期相关的应用程序会快速的成长，因为XYZ传感器开始出现在移动设备中或是作为配件。对于许多的移动设备来说，“先开发功能，应用程序就会随之而来”，这句话已经成为一句箴言。

10. 市面上没有XYZ传感器

制造XYZ传感器的专利、技术和设备是非常复杂的，因此在市场上XYZ传感器很少。然而，至少有一家大型传感器制造商能够生产XYZ传感器，并提供多种型号。

11. XYZ传感总能提供更好的色彩方案

遗憾的是，XYZ传感并不一定都能提供更好的色彩方案。在反映物体的真实色彩方面，XYZ传感确实提供了更好的解决方案。然而，当谈到光源时，XYZ和人眼相似，也会被骗，荧光灯就是一个典型的例子。如果我们快速比较一下小型荧光灯(CFL)和LED灯的光谱功率分布，很清楚就能看到小型荧光灯有好几个明显的峰值。这几个峰值与显色指数测试的色板相符合并不是巧合。

提高效能的最方便办法是只显示在显色指数测试中获得高分的光波长，但这并不是最好的显示物体色彩之道。如果有人用经校准且适于宽带光源的XYZ传感器来评估小型荧光灯的颜色，XYZ传感器无法精确辨别曲线下的能量来源，从而限制其精准度。在这种情况下，拥有较独特、窄频色彩通道的传感器能够更有效地辨识发射器的色彩。这些传感器目前也是可取得的。

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