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SWIR 短波紅外高光譜成像系統(tǒng)

SWIR成像儀是Specim推出了一款全新的、經(jīng)過重新設(shè)計和加工的具有突破性特點(diǎn)的短波紅外高光譜成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)在SWIR范圍內(nèi)(1000 - 2500 nm)不但具有高速數(shù)據(jù)采集功能，還擁有更多的空間像素(384)，使用CameraLink連接，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)450fps的圖像采集速率。

為了保證室內(nèi)外不同條件下的使用，它具有堅固的防風(fēng)雨的IP54外殼和溫度穩(wěn)定的光學(xué)系統(tǒng)，而且具有更低的功耗，標(biāo)稱功率僅為50W。

憑借其溫度穩(wěn)定的光學(xué)系統(tǒng)，SWIR提供了當(dāng)今最具挑戰(zhàn)性的近紅外化學(xué)成像應(yīng)用領(lǐng)域所需的穩(wěn)定性和靈敏度，并滿足實(shí)驗(yàn)室、野外、和工業(yè)應(yīng)用的最高要求，使其成為藥物質(zhì)量保證、食品安全和農(nóng)業(yè)分析等應(yīng)用領(lǐng)域的得力助手。

主要特點(diǎn)

• 覆蓋1000- 2500nm短波紅外波段
• CameraLink接口，USB/RS232控制
• 幀頻高達(dá)450幀/秒(全畫幅)
• 探測器: 低溫冷卻MCT檢測器
• 超高的信噪比，大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域推薦使用
• 可提供SDK，用于快速高效的應(yīng)用程序開發(fā)

相機(jī)規(guī)格

附件配置：SWIR系統(tǒng)提供多種附件供用戶擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域

• 前置物鏡：優(yōu)化900-2500nm光譜范圍的圖像和光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量。
• 采集光纖：帶有采集鏡頭或SMA連接器的光纖: 不需要移動多路復(fù)用器，即可在一個分光計中包含4-110個輸入通道。
• 鏡像掃描器或旋轉(zhuǎn)平臺：用于掃描靜態(tài)目標(biāo)和戶外場景，或結(jié)合X-stage sample mover用于桌面和顯微鏡應(yīng)用。
• LUMO軟件：支持，用于控制掃描平臺、采集數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)、影像實(shí)時可視化。
• 數(shù)據(jù)存儲為ENVI、Matlab和R兼容格式數(shù)據(jù)立方，支持多款通用軟件進(jìn)一步處理分析。還可以提供SDK，用于快速高效的應(yīng)用程序開發(fā)。

應(yīng)用領(lǐng)域

• 化學(xué)及材料分揀
• 醫(yī)藥制造
• 資源回收
• 礦物識別
• 糧食和農(nóng)業(yè)
• 水分含量分布
• 藝術(shù)研究與歸檔

檢測牛油果皮下斑點(diǎn)

應(yīng)用案例

（1）血液作為一種優(yōu)秀的信息載體，是診斷、毒理學(xué)和法醫(yī)學(xué)中最常用的生物材料。通常，分析的材料直接從靜脈以液體的形式;然而，在某些情況下，分析在表面產(chǎn)生的血跡會更方便。高光譜成像在血漬分析中的一個重要應(yīng)用是估算時間，從而幫助犯罪現(xiàn)場調(diào)查人員確定案發(fā)時間。本實(shí)驗(yàn)采用主成分分析（PCA）和最小噪聲分?jǐn)?shù)（MNF）方法。

如下圖：DBS卡上血斑:a為 1-19樣本，b為 20-28樣本（左圖），經(jīng)過最小噪聲分?jǐn)?shù)算法血液斑點(diǎn)樣本a（基于PC2-PC3-PC4），b:（基于PC2-PC3-PC5）（右圖）。

所選血斑的光譜特征(S1，S6、S14、S16、S22、S26、S27)在SWIR范圍內(nèi)如右圖所示，分析顯示，最大的變化發(fā)生在樣本血液表面涂敷后的第一個小時。進(jìn)一步研究20-27個樣本發(fā)生的變化。

對樣本進(jìn)行散點(diǎn)圖分組，觀察散點(diǎn)形狀與血跡點(diǎn)空間分布的相關(guān)性（如下圖）。觀察到的變化是由于血斑逐漸干燥和血紅蛋白衍生物(主要是氧血紅蛋白和金屬血紅蛋白)含量的差異造成。

本研究采用的方法是無損的、有效的、快速的。通過高光譜成像、結(jié)合PCA和MNF算法最終成功區(qū)別出在0 ~29天的血斑，準(zhǔn)確提供了在血斑干燥過程中發(fā)生的動態(tài)過程信息。

（2）高光譜成像在中藥質(zhì)量控制中的應(yīng)用——以神經(jīng)毒性日本八角茴香為例

高光譜成像將傳統(tǒng)的光譜和成像技術(shù)結(jié)合起來，從樣本中獲取光譜和空間信息。在食品飲料、農(nóng)業(yè)和制藥等行業(yè)，它被成功地用作評估原材料和產(chǎn)品質(zhì)量的分析工具。與液相色譜等傳統(tǒng)分析方法相比，SWIR高光譜成像可以在更短的時間內(nèi)進(jìn)行無損分析。

八角茴香（Illicium verum）是治療小兒絞痛的常用藥物。然而，有記錄顯示在使用后出現(xiàn)了一些危及生命的不良事件，在一些情況下是由于與有毒的八角茴香(Illicium anisatum，日本八角茴香)的摻雜或替代所致。顯然，迅速有效的質(zhì)量控制方法對于防止這種可怕后果的再次發(fā)生至關(guān)重要。

左圖上為日本毒八角茴香，下為中國八角茴香，右圖為日本毒八角茴香(綠色)和中國八角茴香(藍(lán)色)樣品的平均吸收光譜曲線

通過肉眼很難判斷真假，而采用光譜范圍為920-2514 nm的SWIR高光譜推掃成像系統(tǒng)獲取圖像。采用主成分分析法(PCA)對圖像進(jìn)行分析，降低數(shù)據(jù)的高維性，去除不需要的背景，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。利用偏最小二乘判別法(PLS-DA)建立了4個主成分、R2X_cum為0.84、R2Y_cum為0.81的2個物種分類模型。隨后使用該模型作為外部數(shù)據(jù)集，準(zhǔn)確預(yù)測了引入模型的日本毒八角茴香(98.42%)和I. 中國八角茴香(97.85%)的身份。

結(jié)果表明，SWIR高光譜成像技術(shù)是一種客觀、無損的質(zhì)量控制方法，可成功地對日本毒八角茴香和中國八角茴香進(jìn)行精確鑒別。此外，該方法還可以升級到傳送帶系統(tǒng)從而檢測大批量中國八角茴香中摻雜的日本毒八角茴香。