EVERLIGHT數位 RGBW 顏色光感應器 CLS-16D24-44-DF8/TR8 應用

1. 簡介： 

億光電子所推出的 CLS-16D24-44-DF8/TR8 顏色光感應器(Color Light Sensor，CLS)封裝 大小採用2mm × 2mm × 0.63mm，該感應器內含五個光接收二極體，分別能夠偵測紅色光(Red)、 綠色光(Green)、藍色光(Blue)、白光(White)及紅外線(Infrared light，IR)，並附帶可程式增益放 大器，該 CLS 可使用微控制器(Microcontroller Unit，MCU)，透過 I2C 直接對暫存器做讀、寫， 以此調整內部放大器增益、輸出解析度、操作時間等；除了對感測器的功能調整，CLS-16D24- 44-DF8/TR8 亦能透過寫入暫存器，開啟省電功能提供低功耗應用開發使用。 

圖 1 CLS-16D24-44-DF8/TR8 封裝

 
圖 2 CLS-16D24-44-DF8/TR8 內部方塊圖 

下面將介紹 CLS 常見偵測物體顏色的方法，以及如何將讀取到的數值做進一步的轉換，如 CIE1931 xyY、CIE 1931 XYZ 等，並且簡單介紹 CLS-16D24-44-DF8/TR8 暫存器功能。所列建 議僅提供開發參考，實際使用時仍需依據應用情境自行調整。 

2. CLS 偵測物體顏色方式： 

在使用 CLS 時，應注意待測物是否能夠自體發光，根據待測物的不同，大致上可分為兩種情 況，使用時需要為其設計不同的偵測方法：
1.偵測非自發光物體的顏色
2.偵測自發光物體的顏色 

在偵測非自發光物體的顏色時，可參考圖 3  外加光源，利用不同顏色表面會反射不同光譜 的特性來偵測顏色，使用外加光源時，除了隔離環境光源外，在 CLS 與外加光源間也需增加隔 離，以避免環境光或外加光源造成干擾；若是偵測自發光物體，則可參考圖 4，只需要隔離環境 光，便能直接接收待測物的發射光譜，以進行顏色的辨別。 

   
圖 3 偵測非自發光物體

 

3. CLS 讀取 RGB 數值轉換 CIE 1931 色彩座標： 

地球上充滿了各種波長的電磁波，如圖 5 所示，依波長短到長可依序分為紫外線(Ultraviolet， UV)、可見光(Visible Light)及紅外線(Infrared，IR)，其中可見光為人眼可見的電磁波譜，其波長 範圍為380– 770nm，不同波長的可見光，表現出來的顏色也有所不同。 

 
圖 5 電磁波波長分類

 CLS-16D24-44-DF8/TR8 內部有五個光接收二極體，其分別對不同波長的電磁波有不同響 應，下圖 6 為其響應圖。 

  

 
以下介紹如何將 CLS 讀取之 RGB 數值轉換為 CIE 1931 XYZ、CIE 1931 xyY 以及色溫計算： 

1. 準備不同光源及色彩照度計(如 CL-200A、CS-200 等)。
2. 使用準備好的光源照射 CLS 及照度計，適當調整 CLS_GAIN、CLS_TIME。
3. 記錄照度計 XYZ、CLS RGB 讀值。切換不同光源，重複此步驟。
4. 根據公式(1)計算出係數矩陣Cxyz。
5. 得到Cxyz後，即可透過公式(2)將後續 CLS 讀到的 RGB 值轉換成 CIE 1931 XYZ。
6. 透過公式(3)則可以計算出 CIE 1931 xyY。 
7. 透過公式(4)可以進一步計算出色溫。
8. 以上轉換流程亦可參考圖 7 流程。

注意： 

• 調整 CLS_GAIN、CLS_TIME 時，建議使 CLS RGB 數值在 1000 左右，並注意避免達到飽和。
• 公式(1)中，矩陣下標的數字分別代表不同光源所得到的資料。
• 每顆 CLS 會因鍍膜、製程有些微差異，在同樣光源下所讀到的 RGB 數值也會有誤差，若對精確度要求較高則需要自行校正並調整公式。 

   

4. CLS 暫存器功能說明及 Firmware 流程圖： 
     CLS-16D24-44-DF8/TR8 的 I2C 位址為 0x38(7 位元)，初始化步驟如下： 

1. 系統開機穩定後可先讀取暫存器 PROD_ID(0xBC、0xBD)，並確認讀值為 0x12、0x07，藉此判斷 I2C 是否正常動作及 CLS 打件正確。 
2. 設定 INT_POR=0(0x02 bit 7)，該位元在開機後、電壓不穩或 CLS 重設時會自動被設為 1，因此在每次讀取 DATA 前都需確認此位元是否為 0，以確保暫存器未被重設。 
3. 設定暫存器 EN_CLS=1(0x00 bit 0)，以致能 CLS。
4. 初始化 WAIT_TIME(0x03)、CLS_GAIN(0x04)及 CLS_TIME(0x05)。
5. 等待T_CLS + Total waiting time毫秒，並確認  INT_POR=0  後，即可讀取各顏色資料(0x1D-0x25)。 

注意： 

• 暫存器 CLS_TIME 可設定 CLS 的 ADC 轉換時間，時間越久表示積分時間越長，輸出 的解析度也會越高。在設置為 64T(0x03、0x32 或 0xF1)時，即可有 16 位元的最高 輸出解析度(0-65535)。因 CLS_TIME 設置越大，CLS 量測時間越久，若有量測低亮 度需求或者受外觀設計限制導致進光亮不足時，才需將其設定超過 64T。 
• 轉換時間T_CLS由 CLSCONV(CLS_TIME first 4 bits)及 INT_TIME(CLS_TIME last 2bits)組成，其公式為：T_CLS  =  INT_TIME × (CLSCONV +  1)。 
• 若要啟用 wait time  功能，則需要將暫存器 EN_WAIT(SYSM_CTRL bit 6)設定為 1，在 CLS 非偵測時令 IC 進入省電模式，藉此降低平均功耗。
• 等 待 時 間 (Total  waiting  time) 由 WAIT_TIME 控制 ，其計算公式為 ：Total waiting time  =  WAIT_TIME ×  10ms。
• CLS 內部放大器的增益值由  DIOD_SELT(CLS_GAIN bit 7)及  PGA_CLS(CLS_GAIN last 5 bits)控制，其增益公式為：Gain  =  DIOD_SELT ×  PGA_CLS。
• 建議針對目標偵測光源調整 CLS_GAIN，使各色輸出 count 值在 1000 附近(為使後續轉換 CIE 1931 xyY 時能有小數後最少三位的精度)。在相同光源下，CLS_GAIN 設 定的愈高，所得到的 count 值也愈大，另外該設定不影響 CLS 量測時間，可視應用 情況調整。
• CLS-16D24-44-DF8/TR8 的中斷觸發功能可參考規格書以取得詳細使用方式及相關暫存器設定。                                                 

圖 8 為 CLS-16D24-44-DF8/TR8 的基本 Firmware 流程。如使用上有問題，可參考圖中建 議流程以確認感應器正常工作。 

    

 

EVERLIGHT 數位 RGBW 顏色光感應器 CLS-16D24-44-DF8/TR8 應用問答：

Q/A 1 問: 這款 RGBW 顏色光感應器可以用於何種應用？
           答: RGBW 顏色光感應器可以應用於各種需要測量物體顏色的應用場景。它可以被用於自動化系統、照明系統、攝影、顏色測量和校準等領域。

Q/A 2 問: 這款光感應器的工作原理是什麼？
           答: RGBW 顏色光感應器通常使用紅、綠、藍和白（或紅、綠、藍和透明）四個光敏元件，這些元件將光轉換為電信號。通過測量不同光敏元件接收到的光強度，可以推斷出物體的顏色。

Q/A 3 問: 如何選擇合適的RGBW顏色光感應器？
           答: 選擇合適的RGBW顏色光感應器需要考慮你的應用需求和特定要求。以下是一些選擇的關鍵因素：
                 感測範圍和距離：確定你需要的感測範圍和距離，以確保感測器能夠滿足

 Q/A 4 問: 如何使用這款光感應器進行顏色測量？
           答: 一般情況下，使用這款光感應器進行顏色測量的過程包括以下步驟：
                 將光感應器放置在需要測量顏色的物體附近。通過應用程式或程式碼控制光感應器，以讀取各個光敏元件的數值。
                根據每個光敏元件的數值，計算出物體的顏色信息。

Q/A 5 問: 這款光感應器有哪些優勢和應用特點？
           答: RGBW 顏色光感應器具有以下優勢和應用特點：
                可以提供更準確的顏色測量，包括對紅、綠、藍和白光的感應。
                可以應用於多個領域，如自動化、照明和攝影等。