【技术文章】高光谱照明光源

2025-11-28 08:40

高光谱相机测量物体发射、透射或反射的光。在反射和透射的情况下,入射光对结果的相关性起着重要作用。由于高光谱相机测量连续光谱,因此光源也具有连续光谱是至关重要的。有几种光源适合并具有这种特性。

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卤素





卤素灯可能是高光谱成像中最常见且最便宜的光源。通常,卤素灯的辐射在 3000 至 4500 K 之间遵循黑体的普朗克曲线(见图 1)。

图 1:卤素灯泡的典型发射曲线。


请注意,暖色卤素灯比冷色卤素灯包含更多蓝色信号,但另一方面,红外线较少。此外,暖色卤素灯的平衡性不如冷色卤素灯。您可以使用光谱平坦化滤光片来平衡这一点。


优点:

·        便宜

·        400 – 2500 nm 范围内的连续光谱

·        良好的红外发射


缺点:

·        寿命短

·        产生热量

·        需要光学来聚焦(如椭圆反射镜)

·       蓝光发射较差,且在约 1000 nm 处强度较高,这对于颜色测量来说不是最佳的。


由于许多应用都需要进行颜色测量,因此一些卤素灯已使用滤光片进行了改进。这些卤素灯还配有反射器,不会将红外辐射反射到前方,而是让其向后通过,从而减少了表面的红外热负荷。这些灯不能用于NIR 或 SWIR 测量。

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基于冷卤素灯的线光源

为了从卤素光源获得准直线光,也可以使用带有圆柱透镜的光导(光纤)。


优点:

·        平行线光

·        无热量

·        400 – 800 nm 的连续光谱


缺点:

·        无红外信号

·        寿命短

·        蓝光发射较差


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LED




自 2010 年代中期以来,LED 发展迅速,目前已有多种 LED 可用于高光谱成像。然而,并非所有 LED 都适用,只有所谓的白色 LED 才适用。有多家制造商推出了此类 LED。

优点:

·        可以调整

·        无热量

·        使用寿命长

·        平行线光


缺点:

·        比卤素灯更贵

·        不太亮

·        信号不均匀,突然下降

·        900 nm 以上波长可用性较差

对于颜色测量来说,这些相当好,因为蓝端的信号很好。


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超连续激光器


这是一项相对较新的高光谱照明技术。有多种不同光谱范围的选项可供选择。


优点:

·        可调

·        明亮的平行线

·        连续光谱

缺点:

·        昂贵的

·        1064 nm 处有峰值

·        线中间的频谱与边缘不同

·        2350 nm 后信号明显下降

·        4 类激光器,需要集成和使用的安全说明。


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热光源



这些通常用于热成像。它们像卤素灯泡一样是发射器,但在较低温度下,它们的发射峰值在 3 到 12 微米之间。Specim 生产的温度为 900K 的灯泡。

图 2:Specim 热照明和相关的黑体发射曲线。



Specim MWIR 和 LWIR 相机的光谱范围为 2.7 – 5.3 和 8 – 12 微米。这些范围位于热光源发射最大值之后,可以使得在相应的相机波长上尽可能平坦。越热的热光源在热光谱范围内的斜率会更陡,而较冷的热光源强度会太低。

优点:

·        热光谱范围内的连续光谱

·        使用寿命长

·        覆盖整个 MWIR – LWIR 光谱范围



缺点:

·        需要准直反射器(如 SPECIM 一样)

·        需要小心处理(热元件)

·        热

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阳光




太阳照明用于许多应用:精准农业、环境评估、采矿业以及所有与遥感应用相关的应用。太阳本身提供连续光谱照明,黑体在约 5800 K 时会发出这种照明。然而,地球周围的大气层含有具有吸收特征,塑造了到达地球表面的照明。


图 3:太阳发射和大气吸收。


如图 3 所示,400 到 1000 nm 之间的太阳照度非常相关,但在此之上,大气模型需要在可能的情况下参与校正光谱。

优点:

·        同质

·        400 – 1000 nm 范围内相对连续的光谱

·        便宜的


缺点:

·        仅限白天

·        云层影响红外线发射

·        大气吸收峰


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荧光



与其他照明源不同,对于荧光测量,需要光来触发样品的特定类型的发射。这不用于反射或透射。因此,不需要整个光谱范围内的连续光谱。用于荧光的典型光源覆盖相对较窄的紫外线光谱范围或基于激光。

来源:Specim 高光谱成像