优化实验室高光谱成像：最佳实践

高光谱成像 (HSI) 已成为实验室环境中不可或缺的工具，它提供详细的光谱数据，支持各行各业和应用领域的材料分析、质量控制和研究。为了最大限度地发挥 HSI 数据的价值，实验室专业人员需要了解设备配置的基本要素，并实施数据采集和处理的最佳实践。

下面，我们概述了关键考量因素和操作指导，以帮助您获得准确、一致和可重复的高光谱成像结果。

实验室高光谱成像技术能够捕捉样品每个像素的详细光谱信息，帮助研究人员和质量控制专业人员识别材料并在分子层面分析其特性。与传统成像方法不同，高光谱成像技术能够同时捕捉数百个光谱波段，从而提供全面的数据以进行精确分析。

在实验室环境中，线扫描高光谱成像（有时也称为“推扫式”成像）是最常用的方法。当样品在传感器下方移动时，线扫描高光谱成像系统一次采集一行数据，从而确保高光谱保真度和空间分辨率。这种方法对于研究、材料测试和工业质量控制中的可控、可重复测量尤其有效。

可靠的实验室高光谱成像系统始于选择合适的设备并进行正确的设置。本节概述了确保精确且可重复测量的关键组件和设置注意事项：

实验室高光谱成像设置始于选择合适的相机。Specim线扫描高光谱相机专为实验室环境的高性能而设计，覆盖从 VNIR 到 LWIR 的全光谱范围。

电动推扫平台可在相机下方精确且一致地移动样品，这对于完整采集样品数据至关重要。退扫平台的恒定速度对于保持高光谱数据立方体的无畸变至关重要。Specim提供多功能的推扫平台，以满足不同样品尺寸和成像需求：

• Specim Lab Scanner 40×20: 适用于较小的样品，与Specim FX10, FX17, GX17, 和 SWIR 相机兼容。
• Specim Lab Scanner 100×50: 适用于较大的样品，兼容相同的相机和较大的型号，例如 Specim FX50 和 FX120.
• SisuROCK: 多相机工作站专为快速便捷地对岩芯和地质样品进行光谱成像而设计。它兼容 Specim FX10, SWIR, FX50, 和 FX120 相机，提供从 VNIR 到 LWIR 的全面成像，并包含 RGB 相机和 3D 成像仪，可用于详细的表面分析。

请注意，当样品无法移动时，相机也可以在平移台上移动。 此外，相机还可以在旋转扫描台架上旋转。

照明是高光谱成像的另一个关键因素。卤素灯被广泛使用，因为它们能够提供涵盖VNIR、NIR和SWIR光谱范围的连续光谱。照明的时间和空间一致性对于获得最相关、最准确的结果至关重要。此外，需要特别注意光源基准线，因为并非所有物体都是平坦的。

LED照明也是一个选择，尤其是在需要低发热量、高能效或特定波长控制的情况下。对于中波红外和长波红外波段的成像，则需要热光源。

必须仔细选择镜头，以匹配所需的视场和空间分辨率。Specim为其所有相机型号提供兼容镜头——从广角长焦再到高分辨率微距，从而能够以不同的分辨率采集不同的图像样本。Specim镜头的传输性能经过优化，可实现最快的数据采集速度（即与低积分时间相关）和最低的失真（包括梯形失真、渐晕和杂散光）。

对于数据采集和分析，专业的软件至关重要。Specim的Lumo 软件提供实时数据采集功能，并拥有用户友好的图形用户界面，确保图像采集准确无误。此外，其自动采集暗参考数据和白参考数据的工作流程，对数据预处理（例如归一化）非常有帮助。此外，相机采集与Specim退扫平台同步，实现无缝操作。
对于数据可视化， SpecimINSIGHT是另一款允许用户构建化学计量模型的专用软件。

实验室设置完成后，下一步是确保数据采集过程能够捕获可靠的高光谱数据。这需要仔细调整关键参数：

设置曝光时间，使探测器的动态范围得到最佳利用，且不至于达到饱和状态（约为最大动态范围的 80%）。积分时间过短，图像噪点可能较多；积分时间过长，则可能因过度曝光而丢失数据。合适的积分时间能够捕获足够的光线，从而生成清晰、高质量的图像，避免曝光不足或数据剪切。

两者必须匹配，以避免图像失真。扫描速度过快，圆形物体可能会显得扁平；扫描速度过慢，圆形物体可能会被拉伸。使用圆形目标（例如黑纸上的白色圆圈）来校准扫描速度，确保准确的空间呈现。

对于低光样本或需要最高数据精度的情况，将相邻像素分组（分箱）可以显著提高信噪比 (SNR)。binning可以在空间和光谱维度上进行。

使用软件的实时视图，例如Specim Lumo Scanner的瀑布图或光谱剖面图，实时监控对准、对焦和曝光。这有助于及早发现问题并确保数据的完整性。

最后，机械稳定性对于获得可靠的结果至关重要。即使是轻微的振动也会导致图像模糊，从而降低图像质量，尤其是在微距成像中。仔细校准设置、微调焦距并稳定扫描仪和相机，有助于确保测量结果的准确性和可重复性。

高质量的高光谱图像数据依赖于可靠的参考测量，而校准面板正是在此发挥关键作用的地方。白色参考面板（通常基于Teflon）测量相机所见的入射光，同时考虑其灵敏度（并校正照明空间变化），而暗参考校准（相机快门关闭）则测量传感器噪声。这些步骤有助于建立准确的测量，确保您的数据在不同样本和光照条件下保持一致且可比（称为标准化）。

• 如果您改变积分时间或帧率。
• 如果光源发生变化。
• 在每次测量开始时确保准确性。
• 有些相机可能对环境温度比较敏感。因此，如果环境温度发生显著变化，则需要获取新的参考数据。

• 定期清洁白色参考以避免灰尘和污染。
• 将白色参考放置在与样品相同的高度，以确保可比的反射水平。

无论您的设置如何演变，始终如一地结合这些校准步骤可确保您的数据保持准确可靠。

捕获原始数据后，下一步是将其转换为可供分析的格式。一些预处理技术，例如暗电流减法和白参考归一化，可以消除测量伪影并标准化数据。这些步骤看似微不足道，但对于校准光谱信息并确保结果可靠且一致至关重要。我们还希望增强基于这些数据的后续化学计量模型的稳健性和可迁移性。

凭借强大的设置和精准校准的工作流程，实验室高光谱成像已成为各行各业和研究领域进行精确材料分析的有力工具。以下是高光谱成像正在发挥重大影响的几个关键应用领域：

无论应用如何，都适用相同的原则，即仔细校准、周到的数据采集和精确的预处理——提供高质量的光谱数据，从而做出自信的决策。

Specim 的实验室成像解决方案旨在提供实验室级的精度和可靠性。凭借数十年的高光谱创新经验， Specim可帮助您在受控的实验室环境中获得一致、高质量的数据，确保您的数据结果能够支持决策并产生实际影响。如需了解更多信息，请联系我们的团队。

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