Ausleuchtung des Beobachtungsfeldes
Lichtquellen für die hyperspektrale Bildgebung
Die hyperspektrale Bildgebung erobert immer mehr Anwendungen. Für die Beleuchtung des Beobachtungsfeldes ist die Wahl der passenden Lichtquelle essenziell. Thermische Strahler, aus LEDs verschiedener Wellenlänge zusammengesetzte Strahler und Strahler aus breitbandigen LEDs im Vergleich.
Von H. Zeng, M. Hoppe und P. Rotsch, beide bei OSA Opto Light
Die von einer Strahlungsquelle ausgehende Strahlung lässt sich u.a. durch ihr Spektrum beschreiben – im Wellenlängenbereich der Strahlung von 100 nm bis 1 mm wird zwischen UV, VIS (sichtbar) und Infrarot unterschieden. Als Licht im sichtbaren Bereich ist elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge 380 bis 780 nm definiert. Teilt man den sichtbaren Bereich in drei Bereiche ein, erhält man eine Farbinformation – typischerweise Rot, Grün, Blau. Diese drei Farbkanäle sind die Basis des menschlichen Farbsehens, der additiven Farbmischung und der digitalen Farbfotografie. Dabei wird das Spektrum jedes Bildpunktes in drei Farbkanäle unterteilt, d.h. die Fläche des Sensors je Bildpunkt wird aufgeteilt. Ein Farbfilter absorbiert das dem Farbkanal nicht entsprechende Licht. Bei mehr als drei Farbkanälen pro Bildpunkt spricht man von multispektralen Bildern, die mit verschiedenen Technologien aufgenommen werden können. Weist man dem Spektrum am Bildpunkt mehr als 100 Wellenlängenkanäle zu, spricht man von einer hyperspektralen Bildaufnahme.
Die hyperspektrale Bildaufnahme ist überall dort anwendbar, wo aus den Absorptions- oder Reflexionseigenschaften Informationen über die Eigenschaften des Objekts gewonnen werden können. Beispiele wären
- Pflanzenzucht und Landwirtschaft, z.B. Bestimmung der Pflanzenart, Gesundheit und Düngerversorgung der Pflanze
- Lebensmittelverarbeitung, z.B. Erkennung von Reifegrad und Druckstellen von Früchten
- Elektronik, z.B. Erkennung thermischer Schäden auf Leiterplatten
- Medizintechnik, z.B. Analyse der Oberfläche von Haut, Wunden und Operationsfeldern
Die Detektoren basieren vorwiegend auf Silizium- und III-V-Halbleitern für den nahen Infrarotbereich. Damit sind Strahlungswellenlängen von 220 nm (UVC) bis 4200 nm (Infrarot) adressierbar. Wählt man 120 Kanäle zur Bildaufnahme, umfasst bei einer Bildgröße von 1312 × 1082 Pixeln und 12 bit Auflösung des AD-Wandlers die reine Datenmenge ohne Adressdaten ca. 255 MB. Damit wird klar, dass die Wahl der Parameter der Bildaufnahme und die des Auswertealgorithmus für einen erfolgreichen Einsatz entscheidend sind.
Die übliche Strahlungsquelle für die Messungen ist das Sonnenlicht. Wo dies nicht möglich ist, nutzt man speziell auf die Anwendung zugeschnittene künstliche Strahlungsquellen. Nachfolgend betrachten wir den Spektralbereich 400 bis 1050 nm, der mit Silizium-Detektoren gut messbar ist.
Thermische Quellen sind vor allem Glühlampen und Halogen-Glühlampen. Ihr Spektrum ist durch das Planck’sche Strahlungsgesetz beschrieben; die entsprechenden Modellrechnungen und die Messwerte weisen eine gute Korrelation auf. Vor allem im roten Farbbereich und im NIR zwischen 660 und 2000 nm haben thermische Strahler eine hohe Effizienz. Sofern keine Bande durch die Absorption eines Materials im Strahlengang hinzukommt, sind diese Quellen spektral weitgehend homogen. Solange diese Lichtquellen einen wesentlichen Marktanteil an den Lichtquellen zur Allgemeinbeleuchtung hatten, waren sie preiswert bei sehr einfacher Ansteuerung.
Glühlampen als Lichtquellen emittieren nur einen geringen Anteil des Spektrums bei Wellenlängen unterhalb 500 nm, UV-Licht ist also kaum vorhanden. Eine Erhöhung der Wendeltemperatur auf 3500 K erhöht das Signal im blauen und grünen Bereich erheblich, geht aber drastisch zulasten der Lebensdauer. Eine weitere Herausforderung bei der Verwendung von Glühlampen ist das Ein- und Ausschaltverhalten. Es braucht längere Zeit, bis die Glühwendel das thermische Gleichgewicht erreicht hat und die Emission gleichmäßig ist. Das bedeutet entweder einen mechanischen Shutter oder eine thermische Belastung des Objektes, die vor allem bei Anwendungen in der Medizin und bei organischen Materialien unerwünscht ist. Ein weiterer Nachteil ist die geringe Lebensdauer, die sich durch Erschütterungen im Betrieb, wie Vibrationen an einem Transportsystem, zusätzlich erheblich verkürzen kann.
- Lichtquellen für die hyperspektrale Bildgebung
- Multi-Chip-LED-Quellen
- Breitband-LED-Quellen
