新型宽带LED助力高光谱成像应用收藏

   在高光谱成像中，可以通过依次允许来自样品的窄波段光入射到相机的图像传感器，来获取图像通过选择合适的波长，这些图像可以评估产品质量，并根据化学成分检测污染物和异物，这是传统机器视觉无法实现的与常规成像技术一样，高光谱成像也需要选择合适的照明，以获得高质量结果。

高光谱照明要求    高光谱照明的关键在于，在所感兴趣的整个波长范围内，点光源要具有尽可能均匀的发射，以确保所有波长都从同一物理位置产生对于可见光至近红外（NIR）高光谱成像，波长范围为400~900nm。

理想的照明源是太阳光（见图1），但这对于机器视觉来说不切实际，因此，迄今为止最常用的解决方案是卤钨灯形式的黑体辐射源

图1太阳光的光谱分布代表了高光谱成像的理想照明光源但对机器视觉应用不实用    尽管卤素光源通常在感兴趣的波长范围内具有良好的发射均匀性，但在蓝光光谱范围内光的发射却相对较差，并且所发射的大部分能量都位于感兴趣的波长范围之外。

浪费的能量会产生过多的热量，这意味着必须对灯进行冷却或配备合适的热沉这增加了成本、复杂性，并且由于外壳的体积过大，可能导致生产线应用中的重大集成挑战此外，还存在与稳定性有关的挑战，这是机器视觉中测量重复性的基本要求，并且使用寿命短，这对运行和维护成本有影响。

   进一步的挑战包括以下事实：今后欧盟环境法规可能会禁止使用这些类型的灯，而且许多工业成像应用也需要频闪照明以消除产品移动的影响，但是卤素灯不能工作在脉冲模式下LED照明    尽管在大多数机器视觉应用中，LED照明已经在很大程度上取代了其他照明方式，但是高光谱成像仍然存在局限性。

在高光谱成像应用中，光源必须覆盖400~900nm之间的整个光谱，并在整个波长范围内提供均匀的照明白光LED不一定提供均匀性，因为它们在光谱的蓝光区域具有较大的峰，而红光分量非常弱（见图2）此外，可见至近红外高光谱成像相机中使用的CMOS图像传感器，通常提供400~1000nm的灵敏度，但是传统的白光LED在700nm以上的输出很少。

图2传统的白光LED不能为高光谱成像应用提供均匀性因为蓝光极其强而红光非常弱

图3高显色自然光LED的光谱分布接近太阳光

图4CCS/EFFILUX的可见光至近红外高光谱LED提供400~900nm之间近乎平坦的光谱    一种替代方法涉及在单个照明器中使用多个单色LED来覆盖所需的波长范围由于经典单色LED的带宽很窄，因此处理多个LED光源会在光谱和均匀性之间做出折衷，这使得使用所需的窄带LED的数量，几乎不可能产生均匀的高性能区域高光谱光。

实际上，这种设置更多是一种多光谱解决方案，其中可用的波长仅限于所选LED的波长到目前为止，集成足够的LED用于高光谱照明的唯一实用方法，是将它们组合到线扫描照明器中但是，这会造成空间不均匀性，因为根据LED在生产线上的位置，来自单个LED的光会从不同角度到达样品。

新型LED解决方案    自然光LED，例如由日本CCS公司开发的产品具有高的显色指数，这意味着它们可以在整个波长范围内产生平滑的连续光谱，并且具有与太阳光相似的光谱分布（见图3）尽管它们提供比常规传统LED更均匀的光谱分布，但可用的波长范围仍然不足以进行高光谱成像。

为了解决这个问题，CCS及其子公司法国EFFILUX公司已开发了一种新颖的单LED照明光源，该光源可提供400~900nm的可调谐连续光谱，能以任何形状生产，包括用于线扫描或面扫描高光谱成像应用的投影仪、条形、环形和背光。

图5通过添加两个分别在910nm和970nm输出的LED有可能在900~1000nm之间实现更高的输出强度    CCS设计与其他宽带LED的主要区别在于：专有LED基于单芯片设计结果，这种点光源类型的设计比使用多个LED可以实现更好的空间均匀性和光谱均匀性。

由于LED是单点光源，因此所有波长都来自同一空间原点，这意味着不存在依赖于波长的角度吸收效应在可用光谱范围内调谐光，以使光输出适应应用要求的能力，使其能够像多光谱成像一样，不局限于固定输出波长的系统此外，如果需要高光谱LED可以频闪，如果需要增加输出强度，可以在单个PCB上安装多个LED。

   许多有机材料在光谱的近红外区域具有重要的吸收带，而CMOS图像传感器到1000nm仍具有灵敏度新型高光谱LED的光输出在900nm以上迅速消失（见图4），但是可以通过增加两个分别在910nm和970nm处输出的LED来补偿，以增加900~1000nm之间的输出强度（见图5）。

该新产品仅具有三个LED，可以集成到各种罩壳中（见图6）    系统集成商可能会受益于使用此类LED代替卤素灯或基于多个LED的解决方案，同时能够为特定的成像需求选择正确的光类型或形状此外，由于CCS生产高光谱LED，该公司可以调谐光谱，以适应各种成像应用需求，并控制LED成本。

实际应用    现有的卤钨高光谱照明光源，具有相当大的运行挑战，例如散热问题、能效低、只能连续输出，并且由于灯的尺寸和光学元件而难以实现高空间均匀性因此，通常无法将这些光构建为自动高光谱成像应用最常需要的形状。

各种形状的新型高光谱LED的出现，为许多应用和行业带来了新机遇，包括医疗成像与诊断、环境监测、法医学、食品和药物分析、食品分选和质量分级、生物技术、回收、验钞和化学分析    例如，高光谱成像系统已经在水果和蔬菜等食品的质量评估中取得了成功，在这些食品中，由于热辐射过多等局限，卤素光源可能不适合此类应用。

   在对健康树叶、人造树叶和枯树叶进行的690~960nm范围内光谱分布实验中，新型LED搭配瑞士Photonfocus公司的MV1系列高光谱成像相机一起部署该设置证明可以提供与卤素光源相当的高空间均匀性和高光谱均匀性，而没有诸如寿命、散热、稳定性和环境等方面的问题（见图7）。

   图6新产品仅具有三个LED，可以集成到各种罩壳中，包括用于线扫描高光谱相机的准直条形光源（左）、用于面阵传感器的背光灯（中），以及用于面阵传感器的点光源（右）。

   图7使用Photonfocus相机比较卤素灯和CCS/EFFILUX的LED，证明新型光源能够提供等效的空间均匀性和光谱均匀性，而没有缺点。

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