新型寬帶LED助力高光譜成像應(yīng)用

1、新型寬帶LED助力高光譜成像應(yīng)用在高光譜成像中，可以通過(guò)依次允許來(lái)自樣品的窄波段光入射到相機(jī)的圖像傳感器，來(lái)獲取圖像。通過(guò)選擇合適的波長(zhǎng)，這些圖像可以評(píng)估產(chǎn)品質(zhì)量，并根據(jù)化學(xué)成分檢測(cè)污染物和異物，這是傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。與常規(guī)成像技術(shù)一樣，高光譜成像也需要選擇合適的照明，以獲得高質(zhì)量結(jié)果。高光譜照明要求高光譜照明的關(guān)鍵在于，在所感興趣的整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，點(diǎn)光源要具有盡可能均勻的發(fā)射，以確保所有波長(zhǎng)都從同一物理位置產(chǎn)生。對(duì)于可見(jiàn)光至近紅外（NIR）高光譜成像，波長(zhǎng)范圍為400900nm理想的照明源是太陽(yáng)光（見(jiàn)圖1），但這對(duì)于機(jī)器視覺(jué)來(lái)說(shuō)不切實(shí)際，因此，迄今為止最常用的解決方案是鹵鎢燈形式的黑體

2、輻射源。3804BO580G8O7W)城比|nm)圖1太陽(yáng)光的光譜分布代表了高光譜成像的理想照明光源但對(duì)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用不實(shí)用盡管鹵素光源通常在感興趣的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有良好的發(fā)射均勻性，但在藍(lán)光光譜范圍內(nèi)光的發(fā)射卻相對(duì)較差，并且所發(fā)射的大部分能量都位于感興趣的波長(zhǎng)范圍之外。浪費(fèi)的能量會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的熱量，這意味著必須對(duì)燈進(jìn)行冷卻或配備合適的熱沉。這增加了成本、復(fù)雜性，并且由于外殼的體積過(guò)大，可能導(dǎo)致生產(chǎn)線應(yīng)用中的重大集成挑戰(zhàn)。此外，還存在與穩(wěn)定性有關(guān)的挑戰(zhàn)，這是機(jī)器視覺(jué)中測(cè)量重復(fù)性的基本要求，并且使用壽命短，這對(duì)運(yùn)行和維護(hù)成本有影響。進(jìn)一步的挑戰(zhàn)包括以下事實(shí)：今后歐盟環(huán)境法規(guī)可能會(huì)禁止使用這些類型的燈，

3、而且許多工業(yè)成像應(yīng)用也需要頻閃照明以消除產(chǎn)品移動(dòng)的影響，但是鹵素?zé)舨荒芄ぷ髟诿}沖模式下。LED照明盡管在大多數(shù)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中，LED照明已經(jīng)在很大程度上取代了其他照明方式，但是高光譜成像仍然存在局限性。在高光譜成像應(yīng)用中，光源必須覆蓋400900nm之間的整個(gè)光譜，并在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)提供均勻的照明。白光LED不一定提供均勻性，因?yàn)樗鼈冊(cè)诠庾V的藍(lán)光區(qū)域具有較大的峰，而紅光分量非常弱（見(jiàn)圖2）。此外，可見(jiàn)至近紅外高光譜成像相機(jī)中使用的CMO圖像傳感器，通常提供4001000nm的靈敏度，但是傳統(tǒng)的白光LED在700nm以上的輸出很少。3E04他6607W(nm)圖2傳統(tǒng)的白光LED不能為高光譜成像

4、應(yīng)用提供均勻性因?yàn)樗{(lán)光極其強(qiáng)而紅光非常弱ISO48D5B0E807B0垃悵(nm)圖3高顯色自然光LED的光譜分布接近太陽(yáng)光圖4CCS/EFFILUX的可見(jiàn)光至近紅外高光譜LED提供400900nm之間近乎平坦的光譜一種替代方法涉及在單個(gè)照明器中使用多個(gè)單色LED來(lái)覆蓋所需的波長(zhǎng)范圍。由于經(jīng)典單色LED的帶寬很窄，因此處理多個(gè)LED光源會(huì)在光譜和均勻性之間做出折衷，這使得使用所需的窄帶LED的數(shù)量，幾乎不可能產(chǎn)生均勻的高性能區(qū)域高光譜光。實(shí)際上，這種設(shè)置更多是一種多光譜解決方案，其中可用的波長(zhǎng)僅限于所選LED的波長(zhǎng)。到目前為止，集成足夠的LED用于高光譜照明的唯一實(shí)用方法，是將它們組合到線掃描

5、照明器中。但是，這會(huì)造成空間不均勻性，因?yàn)楦鶕?jù)LED在生產(chǎn)線上的位置，來(lái)自單個(gè)LED的光會(huì)從不同角度到達(dá)樣品。新型LED解決方案自然光LED，例如由日本CCS公司開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品具有高的顯色指數(shù)，這意味著它們可以在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生平滑的連續(xù)光譜，并且具有與太陽(yáng)光相似的光譜分布（見(jiàn)圖3）。盡管它們提供比常規(guī)傳統(tǒng)LED更均勻的光譜分布，但可用的波長(zhǎng)范圍仍然不足以進(jìn)行高光譜成像。為了解決這個(gè)問(wèn)題，CCS及其子公司法國(guó)EFFILUX公司已開(kāi)發(fā)了一種新穎的單LED照明光源，該光源可提供400900nm的可調(diào)諧連續(xù)光譜，能以任何形狀生產(chǎn)，包括用于線掃描或面掃描高光譜成像應(yīng)用的投影儀、條形、環(huán)形和背光。(l(l

6、UOD3#*11.?MJEPE.1圖5通過(guò)添加兩個(gè)分別在910nm和970nm輸出的LED有可能在9001000nm之間實(shí)現(xiàn)更高的輸出強(qiáng)度CCS設(shè)計(jì)與其他寬帶LED的主要區(qū)別在于：專有LED基于單芯片設(shè)計(jì)。結(jié)果，這種點(diǎn)光源類型的設(shè)計(jì)比使用多個(gè)LED可以實(shí)現(xiàn)更好的空間均勻性和光譜均勻性。由于LED是單點(diǎn)光源，因此所有波長(zhǎng)都來(lái)自同一空間原點(diǎn)，這意味著不存在依賴于波長(zhǎng)的角度吸收效應(yīng)。在可用光譜范圍內(nèi)調(diào)諧光，以使光輸出適應(yīng)應(yīng)用要求的能力，使其能夠像多光譜成像一樣，不局限于固定輸出波長(zhǎng)的系統(tǒng)。此外，如果需要高光譜LED可以頻閃，如果需要增加輸出強(qiáng)度，可以在單個(gè)PCB上安裝多個(gè)LED許多有機(jī)材料在光譜的近

7、紅外區(qū)域具有重要的吸收帶，而CMO圖像傳感器到1000nm仍具有靈敏度。新型高光譜LED的光輸出在900nm以上迅速消失（見(jiàn)圖4），但是可以通過(guò)增加兩個(gè)分別在910nm和970nm處輸出的LED來(lái)補(bǔ)償，以增加9001000nm之間的輸出強(qiáng)度（見(jiàn)圖5）。該新產(chǎn)品僅具有三個(gè)LED,可以集成到各種罩殼中（見(jiàn)圖6）。系統(tǒng)集成商可能會(huì)受益于使用此類LED代替鹵素?zé)艋蚧诙鄠€(gè)LED的解決方案，同時(shí)能夠?yàn)樘囟ǖ某上裥枨筮x擇正確的光類型或形狀。此外，由于CCS生產(chǎn)高光譜LED該公司可以調(diào)諧光譜，以適應(yīng)各種成像應(yīng)用需求，并控制LED成本。實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)有的鹵鎢高光譜照明光源，具有相當(dāng)大的運(yùn)行挑戰(zhàn)，例如散熱問(wèn)題、能效

8、低、只能連續(xù)輸出，并且由于燈的尺寸和光學(xué)元件而難以實(shí)現(xiàn)高空間均勻性。因此，通常無(wú)法將這些光構(gòu)建為自動(dòng)高光譜成像應(yīng)用最常需要的形狀。各種形狀的新型高光譜LED的出現(xiàn)，為許多應(yīng)用和行業(yè)帶來(lái)了新機(jī)遇，包括醫(yī)療成像與診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、法醫(yī)學(xué)、食品和藥物分析、食品分選和質(zhì)量分級(jí)、生物技術(shù)、回收、驗(yàn)鈔和化學(xué)分析。例如，高光譜成像系統(tǒng)已經(jīng)在水果和蔬菜等食品的質(zhì)量評(píng)估中取得了成功，在這些食品中，由于熱輻射過(guò)多等局限，鹵素光源可能不適合此類應(yīng)用。在對(duì)健康樹(shù)葉、人造樹(shù)葉和枯樹(shù)葉進(jìn)行的690960nm范圍內(nèi)光譜分布實(shí)驗(yàn)中，新型LED搭配瑞士Photonfocus公司的MV1系列高光譜成像相機(jī)一起部署。該設(shè)置證明可以提供與鹵素光源相當(dāng)?shù)母呖臻g均勻性和高光譜均勻性，而沒(méi)有諸如壽命、散熱、穩(wěn)定性和環(huán)境等方面的問(wèn)題（見(jiàn)圖7）。圖6新產(chǎn)品僅具有三個(gè)LED，可以集成到各種罩殼中，包括用于線掃描高光譜相機(jī)的準(zhǔn)直條形光源（左）、用于面陣傳感器的背光燈（中），以及用于面陣傳感器的點(diǎn)光源（右）。Art