【技術文章】光學測試中白板的作用

我們進行了以下實驗來評估白板平鋪位置如何影響光譜測量。

·        Specim FX17高光譜相機安裝在具有雙光源的LabScanner上（見圖 1）。

·        白板的頂面放置在黑色樣品托盤上方 20 毫米處。調整掃描儀的照明，使其在此白板水平處是最大值。

·        測量兩個扁平塑料樣品（PA 和 HIPS）13 次，每次都在相對于白板的不同水平：-20 毫米、-15 毫米、-10 毫米、-5 毫米、同一水平、+5 毫米、 +10 毫米、+15 毫米、+20 毫米、+25 毫米、+30 毫米、+35 毫米和+40 毫米。

·        未調整照明，但每次測量都保持最大的白板信號，我們選擇這種方法是因為它是使用該系統的最現實的場景。

分析分兩部分進行。首先，樣品的位置低于白板。其次，樣品的位置高于白板。

圖 1：Specim LabScanner和本次測量中使用的樣品

對樣品的光譜進行了仔細檢查和比較，如圖 2 所示：

·        樣本與白板的相對位置不會顯著影響光譜的形狀。這種變化主要是在他們的強度上。

·        關于與樣本和白板相關的計算反射率水平變化，隨著樣本變深，反射率水平降低。由于某些波長的下降幅度可能高達百分之幾，因此下降幅度很大。

圖 2. 使用 Specim FX17 在白板的不同負值水平下采集的 PA 和 HIPS 光譜。

結果如圖 3 所示：

·        正如上一節中所觀察到的，光譜的形狀不受影響，但只有其能級受到影響。

·        同樣，計算出的反射率值隨樣品的水平而變化。這次沒有像之前觀察到的那樣明顯的趨勢，但是隨著高度差的增加，值增加或減少。從絕對范圍來看，這種變化可能會超過 10%，這是非常大的。

圖 3. 使用 Specim FX17 在白色參考位置的不同正值水平下采集的 HIPS 光譜。

對于這兩種情況，光譜的形狀不會受到樣本與白色參考圖塊的高度差異的影響，但光譜強度會受到影響。這是由于沿相機通過線的照明輻照度發生變化。

圖 4 說明了怎么將光很好地調整到單個區域。在第一種情況下，當遠離 0 位置時，光輻照度會降低，而在第二種幾何結構中，變化不僅在一個方向上。

圖 4. 沿相機通過線的光強度變化取決于照明調整。

對于某些應用，頻譜的絕對信號電平至關重要。對于定量應用，需要仔細考慮信號水平，因為觀察到的反射率的偏差會產生對數據的嚴重誤解。有一些預處理工具可以糾正光譜中的漂移或偏移。

然而，某些應用需要根據樣本高度精確調整白色參考圖塊，例如顏色測量。在這種情況下，樣品和白板應盡可能精確地放置在同一水平面上。

在更多依賴于光譜形狀而不是強度的應用中，白色參考的放置并不那么重要。分類就是一個例子。高度可能存在差異，從而可以對具有特定輪廓的樣品（例如廢物）進行分類。

在上面的示例中，HIPS 和 PA 仍然可以排序，即使它們不會與白色參考圖塊之一放置在同一高度。樣品也可以具有不同的高度，這不會影響它們的分離。

景深也應該得到解決。不平坦的樣品可能成像模糊。這與白色參考瓷磚高度差沒有直接關系。然而，焦點通常調整為與白板相同的水平。

從光學角度來看，由于相機到樣本和相機到白板之間的距離不會保持恒定，因此可以直觀且直接地將其視為光譜強度變化的原因。然而，這是不正確的。

光線的能量確實隨著其長度的平方而減少。然而，它可以通過樣本像素大小的增加來補償，因此樣本像素大小也增加了相同的平方因子，即收集光的面積。

然而，當樣品高度變化時，幾何位置：相機-樣品-照明也會不同，結合樣品表面的反射特性，也可以解釋本研究的結果。如果樣品具有完美的漫射表面（朗伯反射體），則相機測量的反射輻射率不會受到測量幾何形狀變化的影響。但如果樣品的反射率中存在任何鏡面反射分量，則可能會影響測量的變化。在本研究中，樣本不是朗伯體。

(來源:Specim高光譜成像)