作为一名 Arduino 用户，平时最喜欢做的事情之一，就是在被称为“来自东方的神秘市场”的淘宝上，见识各种奇奇怪怪的硬件。最近，我在网上看到了一款由 SparkFun 制造的 AS7265x 模组。该模组搭载了 ams OSRAM 公司出品的 AS72651、AS72652 和 AS72653 三颗 AS7265x 系列芯片，并集成了红外、白色以及紫外三颗 LED，方便快速实现反射光谱检测。此外，该模块还配备了 Qwiic 接口，搭配 Arduino UNO R4 WiFi 使用时，可以通过该接口方便地进行连接。SparkFun 官方还提供了相应的 Arduino 库，于是我便下单买了一个来玩玩。本文将分享我对这款 AS7265x 模组的初步测试结果，并将其与一个基于 Theremino Spectrometer 项目自制的光谱仪进行对比。
具体的接线和代码细节在此略去，参考官方文档操作起来相当简单。我使用的开发板是 Arduino UNO R4 WiFi，通过其板载的 Qwiic 接口连接 AS7265x 模块，并额外接了一块由 ST7735 驱动的彩色 LCD 屏幕，用于实时绘制光谱数据。
在进入今天的正文之前，先简单介绍一下这些传感器的背景。
早在很久以前，我就在网上关注过 ams OSRAM 公司推出的一系列光谱传感器。虽然它们常被称为光谱传感器，但其工作方式和分辨率更接近于多通道色度计。国内市场上常见的型号包括 AS7262、AS7263、AS7341 和 AS7343 等。其中，AS73xx 系列相较于 AS72xx 系列拥有更多的通道数和更强的功能。这些传感器采用硅基干涉滤光片技术，与传统的染色树脂滤光片相比，具有更高的光谱选择性和稳定性，因此非常适合颜色测量、颜色匹配等应用。例如，知名的 Datacolor Spyder X Elite 校色仪的核心就是一颗 AS7264N 传感器，它能直接输出 CIE XYZ 三刺激值，这使其成为制作校色仪的理想选择。
回到今天的主角 AS7265x 系列传感器，这个系列包含三颗芯片：AS72651、AS72652 和 AS72653。如下图所示，这三颗芯片组合起来可覆盖 410nm 至 940nm 的光谱范围，总计 18 个通道，每个通道的半高全宽约为 20nm。其中，AS72652 和 AS72653 作为从设备，需要通过内部 I2C 总线连接到主设备 AS72651。因此，外部主机只需与 AS72651 通信，即可读取全部 18 个通道的数据。该系列传感器均经过出厂校准，并集成了 LED 驱动电路和温度传感器。
接下来，我将使用一个名为 Theremino Spectrometer 的开源项目所构建的简易光谱仪，来与 AS7265x 模块的测量结果进行对比。Theremino Spectrometer 项目利用去除了红外截止滤光片的网络摄像头，配合一小块光盘作为衍射光栅，构建出一个低成本的光谱仪。光盘负责将入射光色散，摄像头则捕捉色散后的光谱图像，最后通过该项目提供的软件来分析图像，从而生成光谱数据。这种自制光谱仪可以获得分辨率相对较高的定性光谱数据，但通常缺乏可靠的强度校准，难以进行精确的定量分析。不过，对于本次对比测试而言，其定性分析能力已足够作为参考。我很久以前就根据网上的教程制作了这个装置，本来也打算写一篇文章介绍它，但因为各种原因咕咕咕了，今天正好借此机会简单介绍一下。
首先，我们来看看在多云天气下，Theremino Spectrometer 测得的日光光谱图，并附上来自维基百科的标准太阳光谱作为参照。
Theremino Spectrometer 的主要局限在于缺乏强度校准，无法提供准确的定量数据。因此，其测得的光谱曲线形状与基于普朗克黑体辐射定律计算出的标准太阳光谱有显著差异。相比之下，维基百科提供的标准光谱图则能很好地反映太阳作为一个近似黑体的辐射特性。尽管如此，Theremino Spectrometer 的定性分析能力是相当不错的，例如图中 755nm 处的吸收峰对应大气中的氧气吸收峰，715nm 附近的吸收谷则是大气中水分子的吸收峰。
为了校准光谱仪的波长轴，通常会使用具有已知且尖锐特征谱线的光源。常见的选择是低压汞灯或荧光灯，我常用荧光灯进行校准，因为它含有汞蒸汽，能清晰地发射出 404nm、436nm 和 546nm 等特征谱线。接下来，我们将 AS7265x 模块和 Theremino Spectrometer 分别对准一支典型的荧光灯，观察它们的测量结果。
在 Theremino Spectrometer 的结果中，可以清晰地分辨出 404nm、436nm 和 546nm 这三条主要的汞特征谱线，再次证明了其良好的定性能力。然而，在定量方面，结果就不那么准确了。典型的荧光灯光谱中，由灯管内壁荧光粉中的稀土元素产生的发射峰应该是最强的，例如在 610nm 附近的主峰，这个峰是荧光灯呈现白色的主要贡献者之一。但在 Theremino Spectrometer 的测量图中，这个 610nm 处的峰强度远低于汞谱线，这显然与其缺乏强度校准有关，再次印证了其定量信息的不可靠性。接下来再来看 AS7265x 模块的测量结果。由于该传感器经过出厂校准，其输出的辐照度数据在定量上相对更可靠。虽然其有限的 18 个通道限制了其精细的定性分析能力，但仍能看到在 435nm 通道有一个峰值，对应汞的 436nm 谱线；485nm 通道也有一个峰值，对应 Theremino Spectrometer 获得的光谱图中 489nm 处的小峰，该峰同样是稀土元素的发射峰；610nm 通道的峰值则对应荧光粉在 611nm 处的最强发射峰。
通过以上对比可以清晰地看到，Theremino Spectrometer 方案凭借其较高的光谱分辨率，展现了优秀的定性分析能力，但缺乏可靠的定量信息。而 AS7265x 模块则恰好相反，其出厂校准提供了相对可靠的定量测量，但其较低的光谱分辨率限制了其定性分析的精细度。这种特性使得 AS7265x 非常适合需要准确测量颜色或光强分布的应用，例如前面提到的显示器校色仪、光源颜色测量、特定波段光强度监测等。我之前还在网上看到过利用 AS7265x 制作简易分光光度计用于化学比色分析的案例，这也是利用其定量能力的典型应用。
最后，再用这两种设备分别测量一下 MacBook Pro（16-inch, 2021）屏幕显示白色时的光谱。
这款 MacBook Pro 采用 Mini-LED 背光技术，配合广色域 LCD 面板，在 Theremino Spectrometer 的光谱图中，可以看到典型的 WLED 光谱特征，通常是由蓝光 LED 芯片激发黄绿色和红色荧光粉产生。红色部分的多个尖锐峰能明显看出是 KSF 荧光粉的特征发射谱线。其中蓝色波峰位于 450nm，绿色波峰位于 534nm，红色波峰位于 628nm，而 AS7265x 模组的测量结果也很好地对应了这些数据。