Роль белой эталонной плитки в получении данных об отражательной способности
При преобразовании гиперспектральных данных в коэффициент отражения необходим белый эталон. Он измеряет входящий свет, видимый гиперспектральной камерой, принимая во внимание пропускание оптики и квантовую эффективность детектора. Роль белого эталона имеет решающее значение для получения хороших данных об отражательной способности с помощью гиперспектрального прибора.
Размещение белой эталонной плитки
Обычно белая эталонная плитка размещается на том же уровне, что и верхняя поверхность образца. Однако, если образец не плоский, верхняя поверхность образца не является наиболее подходящим местом для белого эталона. Вместо этого в этом случае рекомендуется размещать белую плитку на среднюю «высоту» видимого образца.
Как размещение белой эталонной плитки влияет на измерения образца?
Специалисты компании Specim провели следующий эксперимент, чтобы оценить, как уровень белой эталонной плитки может повлиять на измерения спектров.
- Гиперспектральная камера Specim FX17 была установлена на лабораторном сканере с двойным освещением (см. рис. 1);
- Верхняя поверхность белой эталонной плитки располагалась на 20 мм выше черного лотка для образцов. Освещение сканера было отрегулировано так, чтобы оно было максимальным при этом эталонном уровне белого;
- Два плоских образца пластика, PA и HIPS, измеряли 13 раз, каждый раз на другом уровне относительно белого эталона: -20 мм, -15 мм, -10 мм, -5 мм, тот же уровень, +5 мм, +10 мм, +15 мм, +20 мм, +25 мм, +30 мм, +35 мм и +40 мм;
- Освещение не регулировалось, но поддерживалось постоянным для каждого измерения, чтобы максимизировать опорный белый сигнал. Лаборанты выбрали этот подход, потому что это наиболее реалистичный сценарий использования системы.
Анализ проводился в двух частях. Во-первых, образцы располагались ниже белой эталонной плитки. Во-вторых, образцы располагались выше белой эталонной плитки.
Рисунок 1 – Лабораторный сканер Specim и образцы, использованные в этом измерении
1. Образцы расположенны ниже белой эталонной плитки:
Спектры образцов были тщательно изучены и сопоставлены на рисунке 2:
- Взаимное расположение образцов с белой эталонной плиткой существенно не влияет на форму спектров. Изменения в основном на их уровне;
- Что касается изменений расчетного уровня отражения относительно положения образца и белой эталонной плитки, то он уменьшается по мере того, как образец становится глубже. Падение является значительным, так как некоторые длины волн могут достигать нескольких процентов.
Рисунок 2 – Спектры PA и HIPS, полученные с помощью Specim FX17, при различных отрицательных уровнях относительно эталонного положения белого
2. Образцы расположены выше белой эталонной плитки:
Результаты проиллюстрированы на рисунке 3:
- Как было замечено в предыдущем разделе, форма спектров не изменяется, а изменяется только их уровень;
- Здесь заново рассчитанные значения коэффициента отражения меняются в зависимости от уровня образца. На этот раз нет четкой тенденции, как это наблюдалось ранее, но значения увеличиваются или уменьшаются с увеличением разницы в высоте. Вариация может быть более значительной, чем 10% по абсолютной шкале, что очень существенно.
Рисунок 3 – Спектры HIPS, полученные с помощью Specim FX17, при различных положительных уровнях относительно эталонного положения белого
В обоих случаях разница в высоте образцов с белой эталонной плиткой не влияет на форму спектров, но влияет на уровень спектра. Это связано с изменением освещенности вдоль линии движения камеры.
На рис. 4 показано, когда свет хорошо настроен на одну область и когда свет не настроен на одну область. В первом случае освещенность будет уменьшаться при удалении от положения 0, тогда как во второй геометрии изменения происходят не только в одном направлении.
Рисунок 4 – Изменение интенсивности света вдоль линии движения камеры в зависимости от регулировки освещения
Белая эталонная плитка и уровень образца
Для некоторых приложений абсолютный уровень сигнала в спектре имеет решающее значение. Уровень сигнала необходимо тщательно учитывать для количественных приложений, поскольку систематическая погрешность в наблюдаемой отражательной способности может привести к значительной неправильной интерпретации данных. Доступны инструменты предварительной обработки, которые могут корректировать дрейф или смещения в спектрах.
Однако в некоторых приложениях требуется точная настройка белой эталонной плитки с высотой образца, например, измерение цвета. В таких случаях образцы и белая эталонная плитка должны располагаться как можно точнее на одном уровне.
Размещение белого эталона не так критично в приложениях, которые больше полагаются на форму спектра, чем на уровень. Сортировка – один из примеров. Возможна разница в высоте, что позволяет сортировать образцы с определенным профилем, например, отходы.
В приведенном выше примере HIPS и PA все еще могут быть отсортированы, даже если они не будут размещены на том же уровне, что и одна из белых эталонных плиток. Образцы также могли иметь разную высоту, что не повлияло бы на их разделение.
Также следует обратить внимание на глубину резкости. Образцы, которые не являются плоскими, могут выглядеть размытыми. Это не связано напрямую с разницей в высоте белой эталонной плитки. Однако фокус обычно регулируется на том же уровне, что и эталон белого.
Вывод
С оптической точки зрения, поскольку расстояния между камерой – образцами и камерой – белой эталонной плиткой не будут оставаться постоянными, может быть интуитивно и просто рассматривать это как причину вариаций спектральной интенсивности. Однако это неверно.
Энергия светового пучка действительно уменьшается пропорционально квадрату его длины. Однако это компенсируется увеличением размера пикселя образца, а, следовательно, и увеличением на тот же квадратный множитель площади, с которой собирается свет.
Тем не менее, при изменении высоты образца различается и геометрия камера-образец-освещение, что в сочетании с отражающими свойствами поверхности образца также может объяснить результаты данного исследования. Если образец имеет идеальную диффузную поверхность (ламбертову), то изменение геометрии измерения не влияет на измеряемую камерой отраженную яркость. Но если в отражательной способности образца присутствует какой-либо зеркальный компонент, это может внести свой вклад в измеренные отклонения. В этом исследовании образцы не являются ламбертовскими.
