高光谱成像仪操作指南

高光谱成像仪（版本1.1 2012-02-29）
操作指南(草案试行版)
1.光谱相机简介
1.1．什么是光谱相机？
光谱相机是一种将SPECIM的成像光谱仪和面阵单色照相机完整的结合在一起的系统。

成像光谱仪每次成目标上一条线的像，并分光使每个光谱成分对应线阵上的一个像素点。

因此，每一幅来自光谱相机的图像结构包括一个维度（空间轴）上的线阵像素和在另一个维度（光谱轴）上的光谱分布（光在光谱元素的强度），如下图所示的说明。

成像光谱仪和面阵单色照相机已经被正确的校直和固定在一起，不需要用户去调节和校直。

图1.1. 光谱照相机的工作原理。

想了解我们最新开发的光谱照相机或者其他产品，请访问我们的网站.
1.2．光谱相机的成像光谱仪
光谱相机的成像光谱仪使用一个新的准直（轴上）光学构造和一个体全息透射光栅。

这种构造提供高衍射效率和很好的线性光谱。

由于轴上操作引起的几何
畸变和透射光学的应用引起的独立的入射光偏振。

透射光栅是人造全息在两块玻璃粘板之间的DCG（DiChormated Gelation）的上。

DCG有很高的衍射效率、较低的色散、较低的多级衍射和不产生鬼线。

由于这种材料较高的特征而普遍被用来生产光学元件。

这种全息光栅是密封的，可以承受相当大的湿度、温度范围在-20-120° C、物理撞击和振动。

典型的衍射效率如图2.1.所示。

这里所涉及的值仅供参考并且它们可能各不相同。

每个光栅都是单独测试的。

光谱照相机可用的有四个标准波段和分辨率供于选择。

光谱相机V8（380-800nm）和V9（430-900nm）的光谱范围高于一个倍频，需要加一个遮光滤波片防止二级光谱与一级光谱的尾部叠加。

图2.1.图(a) VIS（400-700nm）和VIS-NIR（450-900nm）体相位全息透射光栅的典型衍射效率。

图（b）显示体相位全息透射光栅对偏振的依赖很低，图中曲线分别是平行和垂直偏振光。

图（c）显示的是典型偏振依赖于反射光栅（对平
行和垂直偏振）。

光谱仪的光谱分辨率由狭缝的宽度和光学光谱仪产生的线性色散确定。

最小光谱分辨率是由光学系统的成像性能确定的（点扩展大小）。

下表中提供标准光谱相机模型在标准狭缝宽度下的光谱分辨率。

1.3.机械结构
光谱照相机是在严格的工业条件下设计的。

光谱仪被装配在一个管状的非常弯曲的结构中。

光谱相机里的光谱仪和CCD相机已经正确的接连起来，并装在相机底座上。

不需要用户去调节或移动光谱相机的内部元件。

入射狭缝是在玻璃衬底上平板印制的。

因此，在照相机内部没有实际的开口，同时玻璃阻止了灰尘落在狭缝表面。

在制造狭缝的两个“背面”时使用特殊工艺。

这样，在狭缝前（物镜边）和光谱仪内部都可以阻止反射和减弱散射光。

1.4封装和OEM（original equipment manufacturer 原始设备制造商）包装
光谱相机有两种可用的包箱，密封在一个铝箱内和一个像OEM的版本。

在OEM版本中光谱成像仪和CCD照相机被安装在一个底座上不需要覆盖箱。

这两个版本都需要给物镜配一个C-装配。

两个版式都需要提供平等的环境保护，没有开口的光学元件。

图2.2.铝箱（物镜在C装配中）封装的光谱相机和类OEM版本（有四个光
纤通道的输入）。

2.软件安装
2.1.可见相机V10E驱动和数据采集软件安装
从对应CD光盘拷出文件，或者直接打开在台式机上已拷贝出的文件。

可见相机的相关软件在台式机上保存的目录和文件名如下图红圈中所示，（括号中的汉字是添加的标注，电脑上实际上没有）：
1.打开“HCImage”文件夹并运行“SETUP.EXE”。

2.持续运行剩余的安装程序，会出现一个提示让你安装DCAM-API。

选择“IEEE1394 OHCI Module”。

3.数据采集软件无需安装，直接拷贝文件夹即可
注1：台式机或者笔记本电脑的驱动和数据采集软件在现场调试时均已安装完毕，如不更换电脑或重装系统，此步骤可跳过。

注2：如对新系统或新电脑安装驱动，建议安装驱动前不要连接相机。

2.2 红外相机N17E驱动和数据采集软件安装
从对应CD光盘拷出文件，或者直接打开在台式机上已拷贝出的文件。

红外相机的相关软件在台式机上保存的目录和文件名如下图红圈中所示，（括号中的汉字是添加的标注，电脑上实际上没有）：
1.运行XEV A\softwares\X-control Advanced下面的
“X-Control-Setup-Advanced.exe”安装XEV A相机驱动
2.运行XEV A\softwares\X-control Advanced下面的“X-Api-Setup.exe” 继续安装XEV A相机驱动
3.数据采集软件无需安装，直接拷贝文件夹即可
注1：台式机或者笔记本电脑的驱动和数据采集软件在现场调试时均已安装完毕，如不更换电脑或重装系统，此步骤可跳过。

注2：如对新系统或新电脑安装驱动，建议安装驱动前不要连接相机。

3.spectraSENS-高光谱成像仪软件基本操作指导
3.1.介绍
spectraSENS 是一个可视化和成像软件，它很容易的帮助连接和控制Gilden的高光谱成像系统。

它允许用户用自己最擅长的方法去解释高光谱数据。

首要的：
确定下面的文件在同一个文件夹spectraSENS.exe 中
1.spectraSENS.ini—这个文件包括扫描仪和电移台现在所在的确切位置
2.calibration.txt—这个文件包括光谱的校准，这个校正文件不需要修改
3.2.修改配置文件
文件位置：数据采集软件文件夹下的spectraSENS.ini的txt文本文件，修改其中的参数并保存。

配置文件只需修改如下加粗下划线部分，
[Settings]
PortName=COM4
; scannertype =1 for translational, 2 for rotational and 3 for mirror
Scanner Type=1（或者2）
Step Angle(deg)=1.8
Microstep Resolution=256
; 96 =9600 11 = 11100
Gearbox Ratio=180
Home Offset(mm)=2
Baud Rate=11
Orientation=top
修改方法：
如使用暗箱：Scanner Type=1
如使用三脚架上的旋台：Scanner Type=2
其他不变，改完后打开软件。

3.3.控制台
在此控制台里主要观察相机和电移台马达是否连接OK。

●如果需要保存控制台窗口文件，方法如下：
控制台窗口的文本可以被保存为一个文本文件。

点击控制台窗口选择File ->Save 或File -> Save As...。

另一种方法是右击控制台内你选择中文本显示一个菜单允许剪切或复制其到你选中的文
本编辑器中。

清理控制台，点击选择：View->Clear Console。

3.4.相机设置
●可设置图像模式、曝光时间、增益。

●图像模式：options：binning——两个或两个以上的像素点可以合并成一个超级像素点。

这个
可以通过设定平行或垂直方向上的面元参数来实现。

增加面元的尺寸可以提高操作的速度、减小文件的大小和提高信噪比。

●sub image——用户可以选择指定替代图像参数来获得特定的图像区域。

设定最大、最小波
长来选择读取特定的波长范围。

●曝光时间：分别以微秒（μs）、毫秒（ms）和秒（s）为单位
3.5.扫描设置
●可选择扫描速度、扫描距离。

●扫描速度：速度涉及到在数据采集中扫描仪扫描和回扫的速度。

“Automatic
speed calculation”选项使系统计算生成正方形像元所需的最佳的扫描速度。

●扫描距离：如果单位栏中选择“deg”，可设置扫描角度
●Home：使扫描回到起始位置，起始位置是由原点的偏移值来确定的。

●Start、stop：开始与停止扫描。

3.5.黑白校正
●黑校正：扣上物镜盖，Dark Frame，Calculate&Save，获得黑校正文件。

●白校正：校正白板（聚四氟乙烯漫反射材料）在live 模式下显示白色最大值时，White
Frame，Calculate&Save，获得白校正文件。

加载黑白校正文件进行校正。

请确保校正文件的采集参数（曝光时间、像素混合等）相同。

3.5.Live模式
显示的是实时获得的一帧数据。

数采和扫描是同步的。

视频将随目标的扫描同时变化。

当你按下<live>，扫描仪开始初始化。

扫描位置是由零点偏移量确定的。

初始化时，扫描器以恒定的速度移动。

在扫描过程中，扫描仪以用户设定的速度进行扫描。

扫描速度和扫描范围可以通过扫描仪设定来设置
调焦和做黑白校正时用到Live模式，一般用Live模式需要在Hardware中断开Motor连接。

3.6.Waterfall
通过线状方式获得图像，显示滚动视频。

可挑选三个波段去合成伪彩色图像。

显示和扫描操作是同步的。

如需保存光谱数据，需要在“Camera”选框中，选中“Spectral analysis”
●在Waterfall 显示中，暂停扫描，点击图中任意一点或选择一个区域，可以得到一个单像
素点的光谱曲线或被选中区域的平均光谱。

●Pause：暂停扫描
●Corrections：对光谱进行校正。

校正后文件保存名为：文件名_Refl.Raw。

●Display hyperspectral File：点击此按钮，后台即自动保存所有光谱和图像数据，保存位置
位于软件安装目录下的HIS文件夹内，并能够显示当前waterfall图像的光谱信息。

●Orientation：旋转图像。

●Size：可改变看到的图像的显示范围
●Scale：图像显示比例。

3.7.保存参数设置
点击Save保存所有参数设置在当前目录下，也可通过点击Save as ，新生目录。

附录
光谱相机调焦和样品的空间对准
光谱相机是一种基本的“线扫描”系统，也就是说它每一次只测量目标表面上一条线的光谱。

目标空间队列的目的是确保：
·线型图像是在目标表面上想要获取的位置上，
·光源照在正确的地方而且是均匀分布的，
·物镜的前焦点精确地在样品表面。

可以通过使用空间测试目标来完成这些目标，对准的步骤如下描述。

把目标放在样品表面做对准，完成校对后取走。

光谱相机生成光谱图像，在一维上是线性维而在另一维上是光谱维。

当有色物体被观测时，目标上线的位置很难解释图像上空间和光谱的变化。

所以用黑-白测试目标能给出最好的结果，黑的在整个光谱空间都是黑的；而白色在整个波长范围内都有信号。

测试图案很容易的用复印机来制造、放大、缩小等等。

图-1.基本的对准测试目标。

线A-B是想要的测试线
图-2可能的错误和正确的对准。

调焦和对准过程
1.将测试目标放在样品的表面以便确定线A-B就是想要测试的线。

2.首先对准光源使视觉上的最大光度对准线A-B。

如果使用狭窄的线光源这种对准就非常重要。

3.如果相机live 的图像是可用的，对准光谱相机的位置会非常容易。

系统里可能出现三种偏离需求调整的情况：
A）图像不在焦点上=> 调整前面的物镜获得清晰的图像。

注意物镜有一个最小的焦距，如果想在更短的距离成像不会提供好的聚焦。

B）光谱相机没有对准线A-B =>旋转光谱相机使所有的黑带线宽度相等。

C）光谱相机照在线A-B上面或者下面=> 向上或向下移动光谱相机使图像中的黑条带的宽度变得最窄。

图-3.正确的调焦和对准图像有狭窄、清晰和等宽的垂直黑线。