成像应用使用led跨越光谱

随着越来越多的彩色摄像机将红外波段添加到其现有的红、绿、蓝通道中，机器视觉市场正在看到多光谱成像解决方案的复苏，而这些解决方案曾经只有政府机构才能负担得起。多光谱和高光谱成像应用都需要测量具有反射能量的物体的反射能量在电磁光谱的波段中。虽然多光谱视觉系统只能采集三到十个不同波段的样本，如RBG和近红外（NIR），但高光谱系统可以采集多达200个或更多的样本。

由于多光谱系统在较窄的光谱波段采集频率，所采集的图像比多光谱图像包含更多的数据，因此可以检测到物体特征之间的细微差异。然而，更大的数据集需要专门的图像处理和数据分析，将光谱测量转化为可用的信息。

在高光谱成像应用中，需要一种宽平坦光谱照明方法，以便高光谱相机可以在整个光谱中获得数百个样本频率，这些样本频率以相同的强度照明斯皮姆（芬兰奥鲁）或Resonon（蒙大拿州博泽曼），系统设计师可以解决极其困难的质量保证应用，例如区分有两种瑕疵的熟鸡块。

直到最近，卤钨灯和照明控制器还是多光谱和高光谱机器视觉应用中最常见的光源。使用这些照明方法的优点包括其低成本、高发光输出和从可见光到近红外的宽光谱特性(图1).然而，同时，此类灯具产生大量热量，寿命相对较短，约为2000小时，并且随着其老化，容易受到冲击和振动故障的影响。

因此，许多开发商希望用LED灯取代白炽灯。虽然它们可能不会产生与卤钨灯相同的发光输出或相同的显色指数（CRI），但LED不会受到冲击和振动故障的影响，其寿命可达50000小时或更长。在荧光显微镜等成熟市场中，Prizmatix（以色列Givat Shmuel）的OptiBlocks系列等产品已经采用了大功率白光LED，可以用作耦合到液体光导或光纤的准直光源。在这种类型的设计中，白光输出的目标是在电磁频谱上尽可能线性。

白光，热量少
虽然许多这样的装置使用蓝色激发LED IC，带有绿色和红色磷光体或黄色磷光体，以实现接近白光，CCS美国(伯灵顿，马萨诸塞州)在其自然光高显色led中使用了一种带有蓝色、绿色和红色荧光粉的紫色激发型设备，以实现高CRI。由于该装置使用紫色激发，包括从紫色到红色的所有可见光波长，它们的特性非常接近太阳的自然光(图2）．

其他公司采用了不同的方法来生产广谱照明，而不是在设计中使用大量不同频率的LED。完成这项任务需要多少LED是有争议的。

视觉计算科学家克洛伊·勒让德（Chloe LeGendre）和她在南加州大学计算机研究所的同事们创新技术(加州Playa Vista公司)已经证明，通过分析Lumileds公司(加州圣何塞)生产的11个Luxeon led，只有5个具有不同光谱的led可以用于精确色彩的多光谱照明再现。其中包括发射光谱较窄的红色、绿色和蓝色led，以及光谱较宽的白色和琥珀色led。到目前为止，许多公司已经采取了使用多个led来生产广谱照明产品的方法。

有了太阳模拟器，前驱体(塞勒姆，新罕布什尔州)已经表明，设计中使用的不同波长的数量将决定led产生的光谱与太阳光谱的匹配程度。该公司发现，使用20种或更多不同的波长而不是4种，可以更准确地完成这项任务。当与ASTM G-173 AM 1.5给出的太阳光谱标准(以蓝色显示)相比，23波长LED太阳模拟器接近该标准。

和Prophotonix一样，Image Engineering(德国kerpenhorrem公司)在iQ-LED的设计中使用了多种LED, iQ-LED是一种22通道LED灯，由80个LED组成，安装在10 x 10厘米的PCB上(图3).该设备可产生400 nm至820 nm的标准日光分布照明。iQ LED发出的光与CIE标准光源D65的光非常接近，后者描绘了标准的阳光和漫射照明条件。对于将光融入到系统中的开发者来说，图像工程提供了一个用C++编写的应用程序编程接口（API）。

Fibertech Optica（安大略省Kitchener）在设计其多波长LED光源时采用了不同的方法。使用专有的光纤耦合方法，该公司将多个LED组合在一个光纤束中，该光纤束可配置为特定的所需光谱分布，能够使用选择的离散LED跨越UV到NIR光谱范围(图4）．

生产线上的多光谱
虽然上述产品可能针对荧光显微镜、生物医学和光谱学仪器等利基应用，但其他高光谱照明坚定地指向机器视觉。例如，在线扫描成像，许多LED可用于开发提供均匀光源的线光源。一项检查ple是VNIR系列线路灯，由中期技术（宾夕法尼亚州布里斯托尔）。使用宽带蓝光（350–500 nm）、宽带日光（480–780 nm）和近红外LED的组合，线光源采用漫射器和聚焦透镜，在可见光到近红外光谱范围内提供均匀照明。

智能视觉灯(密歇根州马斯基根)也使用多led配置来产生具有均匀照明的背光。它的白色红外(WIR)背光提供了450-980 nm光谱输出与一个宽带白光LED和两个红外LED。然而，正如智能视觉照明公司的工程总监Matt Pinter所解释的那样，对于通常使用多光谱成像的机器视觉系统来说，在高光谱成像所要求的宽光谱中实现平坦的光谱响应非常昂贵，而且没有必要。

在多光谱成像应用中，多色检测灯，如Smart Vision lights的双轴RGB LED灯和中期技术的多光谱背光和线灯，使用了许多离散的红、绿、蓝和红外LED，允许两家公司量身定制光的波长和光谱响应。在Smart Vision Lights的线光的情况下，强度和RGB颜色值都可以独立混合，用于展示高反射表面的产品检测任务。

多光谱照明系统在与多光谱相机(如Piranha4 P4-2k RGB+NIR 2K线扫描相机)配合使用时运行最佳泰勒达尔萨酒店（安大略省滑铁卢）和AD-130GE，一个双CCD多光谱1296 x 966面阵相机贾伊（丹麦哥本哈根）采用二向色棱镜同时捕获可见光和近红外图像。

Metaphase Technologies的技术销售经理马克·科尔维茨（Mark Kolvites）表示，将多光谱线光源与多光谱相机结合在一起，在打印web检查等应用中非常重要。这是因为可能需要以1 MHz的速度从红色照明切换到图像蓝图功能，再从蓝色照明切换到图像红色功能。多光谱照明优化每个RGB和NIR通道，以匹配多光谱相机的光谱响应，从而提高相机/照明系统的灵敏度。

Smart Vision Lights的Pinter预计，随着相机成本的下降，多光谱RGB/SWIR（短波红外）成像将得到更多的采用，例如，SWIR的成本不到10000美元。结合较低成本的硬件，相机和照明制造商继续扩大其多光谱产品，从而为其工业和医疗客户创造更多的成像选项。