作者：Bird
在一些 maker project 中，常常會有感應物體色彩的需求。要讓我們的 project「看」東西，最直接的方法當然是幫它裝個 CMOS image sensor，但如果我們只需要簡單識別物體的色彩，而不需要真的做影像識別等高階的功能，用 CMOS image sensor 反而把事情複雜化了。這時候，簡單的色彩感測器就可以幫我們解決問題。這次我們就來聊聊色彩感測器的原理，以及它的應用。
顔色怎麽來的
嚴格來說，是要讓機器看到「人眼看到的顔色」，所以必須要先知道人眼看到的顔色是怎麽來的。地球上確實有些其它的動物，看到的顔色跟人看到的不一樣。人類是所謂的「三色視覺」動物，也就是說我們的彩色視覺由三種顔色所支配。寫到這，應該有很多讀者已經猜到這三種顔色就是我們一天到晚在講的 R、G、B。
沒錯，在人眼的視網膜上，有兩種細胞，一種是可以感應顏色的視錐細胞（cone cell），而另一種是無法感應顔色但對光線較爲敏感、可以在低照度時工作的視桿細胞（rod cell）。視錐細胞又分成三種，分別稱之爲 S、M、L 視錐細胞，而這裡的 S、M、L，指的就是不同的視錐細胞對不同波長的光有不同的感度。
三種視錐細胞所能感應的光波波長和最敏感的峰值波長
如果在光譜上來看的話，三種視錐細胞的感度是這樣的：
光譜上三種視錐細胞的感度
不同波長的光進入人類的眼睛後，在不同的視錐細胞上會產生不同強度的訊號，這些訊號經由神經系統傳送到大腦，再經過大腦的處理，就變成我們看到的顏色了。
比如，有個東西它只反射 600 nm 的紅光，這個光線進到人眼之後，只會讓 L 視錐細胞感應到。因此，大腦只收到來自 L 視錐細胞的訊號，判定這個顔色是紅色；如果只有 M 視錐細胞有訊號，大腦就會知道是綠色；如果 L 和 M 視錐細胞都同時有訊號，大腦就知道這是介於兩者之間的黃色。
問題來了，大腦怎麽知道眼睛看到的黃色，是一個波長 600 nm 左右的黃色光，還是兩個分別爲 620 nm 的紅光和 560 nm 的綠光混出來的呢？這兩個組合都會同時刺激 L 和 M 視錐細胞。
「它不知道。」對，人類的眼睛的確無法分辨這個黃色到底是單一波長的黃光，還是由紅色和綠色混在一起所產生的黃光。這個現象叫「同色異譜」，意思就是說不同的光譜組成，但是在人眼看起來是一樣的顔色。
雖然人的眼睛看起來是一樣的顔色，但如果用光譜儀去測量的話，還是可以分得出來它們的光譜組成是不一樣的。
這個機制常常被用來欺騙人類的眼睛。舉例來説，如果你需要一個白的的光，通常需要用紅、藍、綠三種顔色的光去混出來，因爲對人類的大腦來説，只要 S、M、L 三種視錐細胞都有訊號，就代表這是白光。但就如我們前面説的，某個波長的黃光可以同時刺激 L 和 M 視錐細胞，因此如果你用藍光和黃光去混，也會讓大腦覺得這是白光。
現在的白光 LED，用的多半是這種方法：先發個藍光，再用藍光去激發黃色的螢光粉發出黃光，一藍一黃就混出了我們看起來是白光的光。但這樣的白光有一個問題，就是它裡面其實沒什麽紅光，如果你用它去照射只會反射紅光、顔色看起來應該要非常紅的物體，它看起來就會不夠紅，因爲它本來就沒有紅光可供反射。這是色彩學上所説的「演色性」問題。
這邊只能簡單地説明一下人眼看到顔色的機制，以上這些如果要仔細説明，每個主題大概都可以寫個五萬字。
讓機器看到光
要讓機器看到光，最常用的就是所謂的光電轉換元件。
十九世紀物理學大爆發的時候，物理學家觀察到，當光照射在某些金屬上時，會產生電流，這就是所謂的光電效應（photoelectric effect）。但一直到 1905 年愛因斯坦發表了關於光電效應的論文「Concerning an Heuristic Point of View Toward the Emission and Transformation of Light」，套用了普朗克對於光粒子性的假設，解釋了光電效應與光波長之間的關係，才確立了光電效應的量化基礎。愛因斯坦也因為這篇論文得到了 1921 年的諾貝爾物理學獎。
雖然愛因斯坦對近代物理的貢獻絕對值得好幾座諾貝爾獎，但他得到的唯一一座諾貝爾獎卻不是因爲相對論，而是跟光電效應有關。光電效應告訴我們，每個光子攜帶的能量只與它的波長有關，與光的強度無關。而不同的物質要在光電效應之下產生訊號，它所能感應的波長範圍，也只和該物質的電子組態有關。換句話説，有些物質就是只對某些波長的光有反應，在此波長之外它就是瞎的。
這裡有一個美麗的巧合。二十世紀半導體技術大爆發之後，我們最常用的半導體材料就是矽，而矽的電子組態剛好讓用它做成的光電二極體可以感應波長 400 nm – 1100 nm 的光，差不多涵蓋了整個人眼可見的可見光波長，再附贈一點點近紅外線。這個美麗的巧合讓我們可以用矽半導體做成各式各樣的感光元件，而不用另尋其它特殊的材料與製程。
我們來看看實際的零件吧。
TCS 3200 色彩感測器
TAOS（Texas Advanced Optoelectronic Solutions）公司的色彩感測器 TCS 3200 是一顆很常用的色彩感測器，市面上也很容易買到它的 Arduino 模組。（TAOS 已於 2011 年被奧地利微電子 AMS 收購，成爲其中一條產品線，但習慣上仍稱之爲 TAOS）。
基本款的 TC 3200
也有另一種不帶遮光罩的型式，長這樣：
不帶遮光罩的 TC 3200
沒有遮光罩的板子可以讓我們看清楚 TCS 3200 長什麽樣子。它就是一顆亮晶晶的、透明的 IC，就像水族館裡看到道的透明魚一樣，肚子裡有什麽都被看的一清二楚。
TCS 3200 的感測核心是一個 8×8 的光電二極體陣列。這 64 顆光電二極體又被分成四組：其中 16 顆感應紅光、16 顆感應綠光、16 顆感應藍光、最後 16 顆則全波長都有反應。
原廠的規格書上有畫出它的感應頻譜：
TCS 3200 的感應頻譜
這張圖告訴我們，TCS 3200 裡的四種光電二極體對不同波長光的反應。如果不看 700 nm 以上的區域，這個曲線看起來是不是和前面説的，人眼的感應光譜有幾分相似呢？
如果我們只看黑色的那條曲線，它代表的就是矽光電二極體對不同波長光線的反應。可以看到它大概從 350 nm 開始對光有反應，一直延伸到 1100 nm 左右的近紅外線。我們只要在光電二極體上加上只透過長波長的紅色濾光鏡，就可以讓光電二極體只感應長波長的光，於是就得到了圖上的紅色曲線。綠色和藍色的曲線亦然。
由於常用的彩色濾光片材料都無法濾掉紅外線，而且矽光電二極體又對近紅外線有反應，因此可以看到不管是感應哪個顏色的光電二極體，到了 700 nm 以上的感度都會迅速增加。
如果待測的光線中含有 700 nm 以上的近紅外線，爲了避免它干擾顔色的判斷，實務上都要另外加一片濾光鏡將 700 nm 以上的近紅外線濾掉，否則只要有這個波長的光出現，它就會讓三種二極體都有訊號。在大部分的數位相機中，都有這樣一片濾光鏡，稱之爲 IR-cut filter。
這三種光電二極體的感應波長安排，就是爲了模擬人眼對不同波長光線的感應能力。由於我們常用的 R、G、B 數位色彩系統是依照人眼色三色視覺模式設計的，只要有了 R、G、B 的數值，就很容易做後續的計算了。
光電二極體的輸出是電流，但電流不方便數位電路測量，因此TCS 3200 很貼心地内建了一個電流對頻率的轉換電路。
TCS 3200 有内建一個電流對頻率的轉換電路
在不飽和的狀況下，TCS 3200 輸出的最大頻率是 600 KHz。由於數百 KHz 左右的頻率測量對一些較慢的 MCU 來說其實有相當的困難，因此 TCS 3200 内部也提供了除頻的功能，藉由 S0/S1 兩隻腳的設定，可以讓輸出頻率除以 5（S0 = H, S1 = L）或除以 50（S0 = L, S1 = H），以方便速度較慢的 MCU 測量頻率。
而 S2/S3 這兩隻腳則是用來選擇現在輸出的訊號來自哪一組光電二極體：
S2/S3 用來選擇輸出的訊號來自哪一組光電二極體
在 Arduino 上要測量頻率，有個常用的 library 叫做 FreuCount。在 ATmega 328 的 Arduino 平台上，它在 1KHz 到 8MHz 這個區間的效果最好，因此拿來測量 TCS 3200 的輸出是沒有問題的。
實戰
我們實際來把 TCS 3200 模組接上 Arduino 試試看。常見的 TCS 3200 模組上有這些接腳：
TCS 3200 模組上常見的接腳，分別負責特定的功能
與 Arduino 的連接非常簡單。以 Arduino UNO 爲例，電路是這樣：
Arduino UNO 電路示意圖
這邊要注意的是，其它的腳如 S0-S3 或 OE 接到哪個 digital I/O 都可以，只要在程式中做對應的設定就好，但 OUT 腳一定要接到 D5，因爲 Arduino 硬體上的限制， FreqCount 這個 library 只能用這隻腳測量頻率。
簡單的範例程式碼如下：
void setup() {
pinMode(0, OUTPUT); // S0
pinMode(1, OUTPUT); // S1
pinMode(2, OUTPUT); // S2
pinMode(3, OUTPUT); // S3
pinMode(4, OUTPUT); // OE
pinMode(5, INPUT); // OUT, should be input on Arduino
pinMode(6, OUTPUT); // LED
digitalWrite(0, HIGH); // S0 = high
digitalWrite(1, HIGH); // S1 = high
digitalWrite(4, HIGH); // OE = low
digitalWrite(6, HIGH); // turn on illumination LED
Serial.begin(57600);
FreqCount.begin(1000);
}
void loop() {
// measuring green channel
digitalWrite(2, HIGH); // S2 = high
digitalWrite(3, HIGH); // S3 = high
if (FreqCount.available()) {
unsigned long count = FreqCount.read(); //frequency measurement
Serial.println(count);
}
這段程式碼做的事很簡單：先把對應的 GPIO 接腳設定好，並將 S0/S1 設成 100% 頻率輸出，然後將照明的 LED 打開。
接下來就將 S2/S3 設定到紅光的 channel，然後用 FreqCount 測量 pin5 上輸入的頻率，並將結果顯示在 UART 上。
只要改變 S2/S3 的狀態，並重複這個過程，就可以讀取藍色、綠色通道的輸出。有了三個通道的數值，也就是 R、G、B 值，就可以計算目標物的顏色了。
小結
這次介紹的範例，只是讓各位知道 TCS 3200 色彩感測器要如何與 Arduino 連接、如何從它讀取跟顔色有關的數值。接下來要怎麽應用，用在什麽樣的 project，就留待各位 maker 發揮了。
（責任編輯：葉于甄）
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2019/05/28
感謝您的熱心分享光電色彩感應知識，原本我是在了解變色龍的變色原理，想以仿生的思維來應用此生物機能於可能的領域。