基本原理

    自然界有各種各樣的顏色，在所有顏色中，除鳥類羽毛由于干涉而產生顏色外，物體對光的選擇吸收是產生顏色的主要原因。在色料(包括顏料、染料、油漆等)制造業中，都是制造具有選擇吸收性能的色素，色料本身不是光源，他們只能將入射光選擇地吸收或選擇地反射，使透射光或反射光帶色彩。根據這一原理，人們在單晶硅或非晶硅材料上制造兩個、三個甚至四個PN結,利用不同結深的PN結對不同顏色光吸收系數的差異進行顏色識別。其中，具有三個以上PN結的元件可以同時測得三刺激值,原則上可以得到所有待測色,稱為全色色敏傳感器。Texas Advanced Optoelectronic Solutions公司(Taos)的集成化光電傳感器屬于這種器件，這種傳感器具有板上信號處理和顏色濾鏡功能。所有三個傳感器均建立在帶沉積濾色鏡的光-電壓轉換器平臺上，每個傳感器設計用于檢測三基色中的一種：即紅色、藍色和綠色；在顏色測量應用中，可以把顏色分離成它的RGB成分；擁有兩個PN結的元件是一種單色傳感器,由兩個縱向迭加、結深不同的PN結組成,以體材料為濾光片,不同波長的入射光在深、淺PN結所產生的兩個光電流的比值與波長有近似的線性關系。這種色敏傳感器不能同時測量顏色的三刺激值,但通過電流比可以探測單色光,也可以區分兩個不同光譜組成的復色光,即色差辨別。日本Sharp公司的PD150和PD151以及國內武漢大學半導體廠生產的CS-1色敏傳感器都屬于這種傳感器。

    信號處理

    硅色敏傳感器的應用電路比一般光信號探測電路要復雜。對全色色敏傳感器而言，應用電路模擬人眼的三刺激值特性，用光電積分效應直接測量顏色的三刺激值，由于用到濾光片，應該對其光譜響應進行修正，使它與國際照明委員會(CIE)標準觀察者相一致，同時對照明光源進行濾色修正，使它符合標準照明體的相對光譜功率分布。應用電路總的光學條件應符合盧瑟(Luther)條件：

    KNS(λ)τN(λ)γ(λ)= S0(λ)N(λ)
    式中，NX、Y、Z;    

　　S(λ)?應用電路所用的標準光源光譜功率分布；S0(λ) ?選定的標準照明體光譜功率分布；τN?三種濾色修正器的光譜透射比；N(λ)?標準觀察者光譜三刺激值；γ(λ)?應用電路的光譜靈敏度；KN?比例系數。

    雙PN結色敏傳感器常用于對兩個物體的色差進行判斷，它的信號處理電路常采用模擬放大電路，A/D轉換以及單片機處理電路。

    “倒罐”識別分揀系統設計

    在飲料包裝行業(馬口鐵三片罐生產線)中，由于某種原因可能會產生所謂“倒罐”(飲料罐上下倒置)，為防止“倒罐”，可在馬口鐵三片罐生產線上加裝分揀系統。下面簡要介紹該分揀系統的開發過程。

　  信號采集處理

    分揀系統的信號采集主要依靠色敏傳感器，因為飲料罐上部與下部的顏色是不相同的，根據上部與下部的顏色值的變化能分清是否發生了“倒罐”。由于只要求分揀系統能分辨顏色值的變化，而對飲料罐真正的顏色標定沒有具體要求。因此可采用雙PN結色敏傳感器對飲料罐進行顏色識別。色敏傳感器選用了武漢大學半導體工廠生產的CS-1色敏傳感器，具體的顏色測量方式有三種：直接式、透射式、反射式,考慮到系統用在馬口鐵三片罐生產線上，所以使用反射式測量方式。信號采集電路原理圖如圖1（略）所示。

    圖中CS-1色敏傳感器中的兩個光敏部分PD1和PD2連接在兩只運算放大器IC1、IC2的反相輸入端，即將運算放大器做電流輸入型使用。連接在IC1、IC2的反相輸入端與輸出端之間的D1和D2兩只二極管用作對數變換元件，在工作時它們并不改變PD1和PD2的短路電流的性質，因此有可能在入射功率的寬廣范圍內穩定地測定光的波長，也即測知物體的顏色或光的顏色。IC3為一差動放大器，用于實現對兩個輸入電壓(即IC1、IC2的輸出電壓)的減法運算。該信號采集電路的輸出電壓Vo(λ)與不同顏色的波長之間的關系可用下式表示

    Vo(λ)= Vo[lgISC2(λ)?lgISC1(λ)]R2/ R1

    式中Vo為常數，Isc1、Isc2分別為IC1、IC2輸入電流。其中，測色電壓Vo(λ)與波長的關系如圖2所示，顯然，只要測出輸出電壓Vo(λ)，就可根據輸出電壓與光的波長的對應值測定其顏色波長。

    系統總體設計

    分揀系統的核心是單片機系統的設計，它的結構如圖3（略）所示。

    系統的工作原理是：通過鍵盤電路設定光源的發光大小，調整色敏傳感器的工作點，進行顏色測定時，須對信號采集電路的信號輸出大小進行計算，得出被測飲料罐的顏色值，把所測的顏色