Имитация спектрометра с помощью виртуальной камеры Альтрон и пиков с заданной FWHM

Допустим, оптика спектрометра ещё юстируется на лабораторном стенде, а программное обеспечение должно быть готово уже сейчас. Нужно убедиться, что поиск пиков работает правильно. Нужно увидеть, разделяются ли два близких пика. И нужно знать, даёт ли калибровка по длине волны правильное значение. Имитация спектрометра в виртуальной камере Альтрон создана именно для этого.

Что генерирует шаблон Spectrometer?

Если выбрать шаблон 9 Spectrometer в окне Manage Virtual Cameras, виртуальная камера вместо обычного изображения строит линейчатый спектр излучения. Спектр содержит острые гауссовы пики на тёмном фоне с небольшим шумом считывания — точно так же, как у настоящего спектрометра.

Этот шаблон работает с любым форматом пикселей. В цветном формате красные, зелёные и синие линии приходятся на разные пиксели. В монохромном формате BW8 или BW16 все линии отображаются вместе в одном спектре.

Что именно означает FWHM?

FWHM — это ширина пика на половине его высоты. Иными словами, опуститесь от вершины пика на половину высоты и посмотрите, сколько пикселей составляет ширина пика на этом уровне. В спектроскопии это число определяет, насколько близко могут располагаться две линии, оставаясь различимыми. Поэтому, если вы хотите измерить разрешающую способность своего алгоритма, этим параметром нужно уметь управлять.

Задание пиков по одному

При выборе шаблона 9 под шаблонами появляется дополнительная строка настроек. Вот как ею пользоваться:

1. В поле Peaks задайте количество пиков от 1 до 64. По умолчанию — 12 пиков, по четыре на каждый цвет. Если увеличить число, каждый новый пик добавляется на 100 пикселей после предыдущего и получает следующий цвет.
2. В списке Peak выберите пик, который хотите изменить (peak1, peak2 и т. д.).
3. В поле Ch задайте цветовой канал: R, G или B.
4. В поле Pos введите центр пика в пикселях от левого края строки. Пик, выходящий за пределы ширины сенсора, не отображается.
5. В поле H% задайте высоту пика относительно максимального уровня пиков. Максимум составляет около 65000 при 16 битах и около 250 при 8 битах.
6. В поле FWHM укажите ширину пика от 0.5 до 2000 пикселей. По умолчанию — 4 пикселя, что даёт острую линию излучения. Если ввести большее число, вместо линии получится широкая полоса.
7. В завершение нажмите Add camera.

Кнопка Def возвращает всё к спектру по умолчанию: 12 пиков полной высоты шириной 4 пикселя.

Три теста, которые мы обычно проводим

Соберите цепочку так: виртуальная камера, SpectrumExtractor, SpectralAnalysis и дисплей. Затем:

• Разрешающая способность: Расположите два пика в нескольких пикселях друг от друга и постепенно увеличивайте FWHM. Посмотрите, в какой момент SpectralAnalysis начнёт показывать в Peaks found один пик вместо двух. Это хороший момент для настройки Peak min dist (px).
• Слабый пик: Уменьшите H% одного из пиков и проверьте, обнаруживается ли он по-прежнему при текущем Peak threshold.
• Калибровка по длине волны: Поскольку положение каждого пика в пикселях вы задаёте сами, правильный ответ вам уже известен. Введите коэффициенты a0–a3 в SpectrumExtractor и сравните значение в нанометрах, выданное для пика, со своим расчётом.

Две типичные ошибки

Во-первых, пики копируются в камеру в момент нажатия Add. Это значит, что ранее созданная камера сохраняет прежние настройки. Если вы изменили пики, добавьте новую камеру.

Во-вторых, если вы также тестируете RamanPreprocess для рамановского спектра, ставьте его после SpectrumExtractor. Если он стоит раньше, график спектра остаётся пустым.

И последний совет: для простого спектрометра хорошим выбором будет виртуальная камера Line scan с форматом BW16. В этом режиме все пики отображаются одной кривой. Кроме того, 16-битный диапазон даёт достаточный запас, чтобы проверять слабые и сильные пики рядом. Подробнее о реальных камерах, подходящих для спектроскопии, читайте на странице линейные камеры .

Чтобы подробнее узнать о FWHM (полной ширине на половине высоты), см. статью в Википедии (на английском).

Если вы задумали конкретную спектральную цепочку и не знаете, с чего начать, воспользуйтесь страницу контактов , чтобы прислать нам подробности.