光譜成像技術(shù)進(jìn)展

光譜成像技術(shù)進(jìn)展
摘要光譜成像技術(shù)不僅具有空間分辨能力，而且還具有光譜分辨能力。本文從圖像技術(shù) 和光譜分析兩個(gè)不同方面論述光譜成像技術(shù)出現(xiàn)和發(fā)展的必然性，明確光譜成像的定義，豐富 光譜成像的內(nèi)涵，而且從光譜分辨率、探測(cè)器工作方式和色散元件類(lèi)型等不同方面對(duì)光譜成像 技術(shù)進(jìn)行分類(lèi)介紹，并著重結(jié)合遙感、精細(xì)農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域闡述光譜成像技術(shù)的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞 光譜成像空間分辨率光譜分辨率顯微光譜成像1 光譜成像的定義 一般來(lái)說(shuō)，光譜成像’(Spectral Imaging)技術(shù)是 指利用多個(gè)光譜通道進(jìn)行圖像采集、顯示、處理和分 析解釋的技術(shù) 。 如圖l所示，探測(cè)器件隨著波長(zhǎng)的掃描而采集 相應(yīng)圖像，則可以得到光譜圖像序列。利用光譜圖 像序列進(jìn)行分析處理，不但可以得到光譜信息，還可 以得到圖像信息，因此光譜成像技術(shù)是光譜分析與 圖像分析的有機(jī)結(jié)合。 圖1 光譜成像示意圖

2 光譜成像技術(shù)發(fā)展溯源
2．1 圖像技術(shù)與光譜成像 圖像是反映客觀事物或過(guò)程某些與空間、時(shí)間 有相互關(guān)聯(lián)的特征量的信息陣列。映射產(chǎn)生圖像， 圖像反映或描述客觀事物或其運(yùn)動(dòng)過(guò)程。它們之間 的關(guān)系可以表示如下 ： 映射 客觀事物或其過(guò)程(特征量)；ii==± 圖像(信息) 反映 一般來(lái)說(shuō)，圖像用函數(shù)形式可表示為 J =；r ，y ，z ，t，A ，⋯) (1) }分析化學(xué)中也稱(chēng)化學(xué)成像(Chemical im~ns) 其中J為像素值，x，y ，z為三維空間坐標(biāo)，t為時(shí) 間坐標(biāo)，A為波長(zhǎng)坐標(biāo)。而近一二十年成像技術(shù)發(fā)展 很快，特別是在圖像的空間分辨率(Spatial Resolution) 和時(shí)間分辨率(Temporal Resolution)方面。如掃描隧道 顯微鏡已觀察到物體表面原子的排列圖像，核磁共振 波譜成像技術(shù)已經(jīng)可以描繪中、小型蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu) 中原子的三維空間分布圖像，它們的空間分辨率已達(dá) 到10 m。高速攝影技術(shù)已經(jīng)能夠觀察到激光核聚變 過(guò)程中時(shí)間分辨率達(dá)到10 s的掃描圖像，伴隨著飛 秒激光技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，圖像的時(shí)間分辨率還 將進(jìn)一步提高。 在圖像空間分辨率和時(shí)間分辨率不斷得到提高的 背景下，有關(guān)波長(zhǎng)方面或光譜分辨率(Spectral Resolu— tion)的研究必然會(huì)得到不斷深入。如現(xiàn)在成像所用的 信息載子范圍不斷擴(kuò)展，不僅有光子，而且還包括各種 頻帶的電磁波、能量波和粒子束，如射頻波、紅外光、可 見(jiàn)光、紫外光、x射線、 射線、中子、電子、離子、質(zhì)子甚 至聲子等。另一方面在每一個(gè)“波段”范圍內(nèi)，毫無(wú)疑 問(wèn)，進(jìn)行波長(zhǎng)分辨或光譜分辨同樣也勢(shì)在必行，這也就 等于宣告光譜成像技術(shù)的誕生具有歷史必然性。 由此可見(jiàn)，光譜成像技術(shù)是成像技術(shù)發(fā)展的最新 階段，是成像技術(shù)不斷發(fā)展的必然結(jié)果。
2．2 光譜分析和光譜成像 光譜分析和光譜儀器在現(xiàn)代科技、生產(chǎn)和環(huán)境保 護(hù)、宇宙開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域中獲得廣泛的重視和推廣應(yīng)用，具 有一系列明顯優(yōu)點(diǎn)：如分析靈敏度高、準(zhǔn)確性好、方便 快捷 。盡管如此，伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，光 譜分析技術(shù)同樣遇到前所未有的挑戰(zhàn)。當(dāng)用光譜儀器 進(jìn)行分析時(shí)，對(duì)于試樣的勻質(zhì)性(Homogeneity)必須給 予足夠的重視。一般光譜儀器收集的是試樣的總體信 息，當(dāng)分析試樣是液體或氣體時(shí)，試樣的非勻質(zhì)性并不 影響檢測(cè)結(jié)果。但當(dāng)試樣是固體時(shí)，試樣的空間非勻 質(zhì)性可能導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)嚴(yán)重偏差或者喪失大量有 用信息。因此在進(jìn)行“定性”和“定量”分析的同時(shí)，還 必須給出“位置”信息。如在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，為正確診斷必 須得到病理組織的準(zhǔn)確病變位置；在制藥領(lǐng)域，了解分 子的空間活性位點(diǎn)對(duì)于藥物的設(shè)計(jì)具有重要意義；在 工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中，同樣必須準(zhǔn)確給出產(chǎn)品缺陷的 位置。要解決這些問(wèn)題，毫無(wú)疑問(wèn)，最自然的辦法便是 光譜成像技術(shù)。 從以上的分析不難看出，現(xiàn)代光譜分析技術(shù)不僅 要回答“是什么”(What)和“有多少”(How much)的問(wèn) 題，而且最好還能回答“何時(shí)發(fā)生變化”或“隨時(shí)間怎樣 變化”(When)以及“在哪發(fā)生變化”(Where)的問(wèn)題， 在此簡(jiǎn)稱(chēng)“四w”或“四定”(定性、定量、定時(shí)、定位)問(wèn) 題。而要同時(shí)回答“四w”問(wèn)題，必須采用光譜成像技 術(shù)�？梢�(jiàn)光譜成像技術(shù)是光譜分析技術(shù)的最新發(fā)展， 是光譜分析發(fā)展的必然要求。

3 光譜成像技術(shù)的分類(lèi) 3．1 基于波段數(shù)量和光譜分辨率的分類(lèi) 按照光譜波段的數(shù)量和光譜分辨率，光譜成像技 術(shù)大致可以被分為三類(lèi)：
3．1．1 多光譜成像(Muhispectral Im~ g) 具有 10～50／1 ，I 譜通道， 詫爭(zhēng) 為A A／入=0．1。
3．1．2 高光譜成像技術(shù)(Hypempec~ kaging) 具有 ! ～1000／1 》1 詫筘百道， 詫 分 蚌率為A入／入=0．01。 3．1．3 超光譜成像技術(shù)(Ultraspectral L~ ing) 具有 10～100 1 )1I爿普通道， 詫爭(zhēng) 為A 入／入=0．001。
3．2 基于探測(cè)器工作方式的分類(lèi) 按照光譜圖像采集方式的不同，光譜成像技術(shù)主 要可分為：
3．2．1 撣掃式(Whiskbroom)。 線陣探 溯器件 圖2 撣掃式光譜成像原理 圖2說(shuō)明的是撣掃式線陣遙感成像光譜儀原理。 這個(gè)儀器的核心部件是排列成線狀的光電探測(cè)器，它 6 使不同波長(zhǎng)的輻射能照射到線陣列的各個(gè)探測(cè)器件 上。因而對(duì)于地面瞬時(shí)視場(chǎng)內(nèi)的輻射能，分光后各波 長(zhǎng)的強(qiáng)度同時(shí)記錄下來(lái)。當(dāng)傳感器平臺(tái)向前推進(jìn)時(shí)逐 個(gè)像元逐點(diǎn)成像，這將獲得具有多個(gè)連續(xù)光譜的窄波 段的圖像。 3．2．2 推掃式(Pushbroom) 推掃式面陣遙感成像光譜儀的工作原理(見(jiàn)圖 3)。圖3中的二維面陣列探測(cè)器，一維可用作光譜儀， 另一維則為—線性陣列，以推掃的方式工作，地面目標(biāo) 的輻射能根據(jù)波長(zhǎng)分散并聚焦到探測(cè)器面陣列上。圖 像一次建立一行而不需要移動(dòng)探測(cè)器件。像元的攝像 時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)的靈敏度和空間分辨率均可以得到提高。 圖3 推掃式光譜成像原理 3．2．3 凝采式(Staring Imagers) 在這種工作方式 中，常常采用單色器或電調(diào)諧濾波器實(shí)現(xiàn)光譜通道的 切換。伴隨光譜通道的切換，探測(cè)器則采集相應(yīng)圖像， 如本課題組研制顯微光譜成像系統(tǒng)(見(jiàn)圖4)。其中利 用CCD攝像器件、圖像卡和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化； 利用氙燈和單色器進(jìn)行激發(fā)光譜掃描；利用自主開(kāi)發(fā) 的系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的操控、熒光光譜圖像的采集、處 理和分析。 顯 圖4 顯微光譜成像系統(tǒng)框圖
3．3 基于分光器件的分類(lèi) 在一般光譜儀核心元件一分光元件的發(fā)展歷程 中，經(jīng)歷從色 到衍射光柵的演化，以及采用干涉 調(diào)制元件和信息變換技術(shù)的發(fā)展歷程。近年來(lái)聲光可 調(diào)諧濾波器(Acousto—optic Tunable Filter，簡(jiǎn)稱(chēng) AOTF) 和液晶可調(diào)諧濾波器(Uquid Crystal Tunable Filter，簡(jiǎn)稱(chēng)LCTF)。技術(shù)和應(yīng)用得到長(zhǎng)足發(fā)展，由于 AOTF和I．LWF以及CCD等面陣探測(cè)器的出現(xiàn)，光譜成 像技術(shù)才得以迅速發(fā)展。 AOTF是一種新型的色散器件。它能以很高的速 度通過(guò)電調(diào)諧方式實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)掃描，因而AOTF可以完 成一般色散元件所無(wú)法完成的快速光譜測(cè)量工作。 AOTF器件由三部分組成，即聲光介質(zhì)、換能器陣列和 聲終端。當(dāng)射頻信號(hào)施加到換能器上時(shí)，激勵(lì)出超聲 波并耦合到聲光介質(zhì)。為防止聲波反射，透過(guò)介質(zhì)的 聲波被聲終端的吸聲體吸收。當(dāng)復(fù)色光以特定的角度 入射到聲光介質(zhì)后，由于聲光相互作用，滿足動(dòng)量匹配 條件的入射光被超聲波衍射成兩束正交偏振的單色 光，一束為e光，一束為。光，分別位于零級(jí)光兩側(cè)。改 變射頻信號(hào)的頻率，衍射光的波長(zhǎng)也將相應(yīng)改變。連 續(xù)快速改變射頻信號(hào)的頻率就能實(shí)現(xiàn)衍射光波長(zhǎng)的快 速掃描。 ILTF基于偏振光的干涉原理而制成。LCrF往往 具有多組單元，每一組單元均由起偏和檢偏偏振片以 及夾在中間的雙折射液晶構(gòu)成。當(dāng)光源通過(guò)其中一組 單元時(shí)，由于沿液晶快、慢軸傳播的兩束光振動(dòng)方向相 同，而位相差一定，因此發(fā)生干涉作用 。干涉波長(zhǎng)取決 于e光和。光通過(guò)液晶產(chǎn)生的光程差(相位差)，由于 雙折射液晶造成的相位差可以通過(guò)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，因 此通過(guò)施加不同的電壓可以使其不同波長(zhǎng)的光發(fā)生干 涉，即可以實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的掃描。
4．1 光譜成像技術(shù)在空間遙感中的應(yīng)用 多光譜空中攝影技術(shù)是航空遙感技術(shù)的重要發(fā)展。 多光譜遙感是指利用很多很窄的電磁波從被測(cè)景物獲取 數(shù)據(jù)。它是指在電磁波譜的紫外、可見(jiàn)光、近紅外和中紅 外區(qū)域，獲取許多非常窄而且光譜連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)的技 術(shù)。多光譜能夠?yàn)槊總�(gè)像元提供數(shù)十至數(shù)百個(gè)窄波段光 譜信息，能產(chǎn)生—條完整而連續(xù)的光譜曲線。 多光譜(高光譜)遙感的出現(xiàn)是遙感界的一場(chǎng)革 命。它使本來(lái)在寬波段遙感中不可探測(cè)的物質(zhì)，在多 光譜遙感中能被探測(cè)。研究表明許多地表物質(zhì)的吸收 特征峰的半寬度為20～40納米。由于光譜成像系統(tǒng) 獲得的連續(xù)波段寬度一般在10納米以下，因此這種數(shù) 據(jù)能以足夠的光譜分辨率區(qū)分出那些具有診斷性光譜 特征的地表物質(zhì)。 由于光譜成像技術(shù)的成功應(yīng)用，使得遙感影像的 空間分辨率達(dá)到米級(jí)；光譜分辨率達(dá)到納米級(jí)，光譜波 段已由數(shù)十個(gè)增加到數(shù)百個(gè) 。如美國(guó)發(fā)射的EOS 衛(wèi)星的MODIS—N傳感器具有35個(gè)波段，美國(guó)空軍研 究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)負(fù)責(zé)技術(shù)測(cè)定的EO一1衛(wèi)星上裝備 有“太陽(yáng)神”成像光譜，它具有220個(gè)光譜波段。值得 一提的是，我國(guó)“神舟”三號(hào)飛船軌道艙上裝載有我國(guó) 第一臺(tái)中分辨率成像光譜儀，可以進(jìn)行大范圍的海洋、 陸地和大氣的多光譜遙感實(shí)驗(yàn)“。
4．2 光譜成像技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用 圖5 光譜成像技術(shù)在棉花耕作中的應(yīng)用 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，特別是在西方發(fā)達(dá)國(guó)家中，已經(jīng)逐步由 刀耕火種過(guò)渡到精細(xì)農(nóng)業(yè)(Precision farming)時(shí)代。這 就需要管理者及時(shí)有效地測(cè)定農(nóng)作物有關(guān)性質(zhì)參數(shù)， 如農(nóng)作物桿莖的應(yīng)力狀態(tài)。一旦測(cè)定，則可采取必要 的措施，如灌溉、施肥、殺蟲(chóng)和鋤草等。圖5為光譜成 像技術(shù)在棉花檢測(cè)領(lǐng)域的示意圖。左圖為OKSI(Opto — Knowledge System Inc．)光譜成像系統(tǒng)，右圖利用其 采集的棉花相鄰葉片的光譜圖像。它表明受壓葉片由 于缺少葉綠素而比正常葉片具有更高的可見(jiàn)光反射 率。而這些空問(wèn)細(xì)節(jié)分布信息是非成像光譜儀所不能 測(cè)定的。將這些精確測(cè)定的農(nóng)作物甚至土壤細(xì)節(jié)信息 與衛(wèi)星遙感技術(shù)相結(jié)合，必然能夠有效改進(jìn)農(nóng)作物的 耕作管理水平、產(chǎn)量和品質(zhì)預(yù)測(cè)精確度。 4．3 光譜成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 光譜成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用 前景，下面將結(jié)合具體實(shí)例加以說(shuō)明。
4．3．1 眼底疾病診斷人眼具有非常神奇的結(jié)構(gòu)。光 線透過(guò)角膜經(jīng)過(guò)晶狀體聚焦到視網(wǎng)膜上。視網(wǎng)后是脈 絡(luò)膜，脈絡(luò)膜匕具有豐富的血管，同時(shí)也是眼底疾病多 發(fā)地帶。要正確診斷眼底疾病，一般來(lái)說(shuō)需要得到患 者的眼底圖像。但由于視網(wǎng)膜是吸收入射光的，因此 圖6 眼底光譜序列圖像 要得到清晰的眼底圖像并不是一件容易的事。而利用 顯微光譜成像技術(shù)可以得到一系列圖像，從中可以輕 而易舉地分辨出黃斑(Optic Disc)和血管的形狀(見(jiàn)圖 6)，這對(duì)于眼底疾病的診斷具有莫大的好處。

4．3．2 染色體自動(dòng)排序 運(yùn)用5種熒光探針對(duì)染色 體進(jìn)行標(biāo)記，使得每一對(duì)染色體具有獨(dú)一無(wú)二的熒光 光譜特征。人眼雖然不能有效地區(qū)分這些光譜特征， 但利用光譜成像技術(shù)可以方便地根據(jù)這些光譜分布的 不同對(duì)染色體進(jìn)行分類(lèi)和排序，然后用偽彩色進(jìn)行標(biāo) 記(見(jiàn)圖7)。與傳統(tǒng)的染色體分類(lèi)方法相比，具有明顯 優(yōu)勢(shì)。 圖7 基于光譜成像技術(shù)的染色體分類(lèi)” 總之，當(dāng)前光譜成像技術(shù)最具有影響力的應(yīng)用領(lǐng) 域就是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的分析工具相比，光譜 成像技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)就是能夠同時(shí)提供被測(cè)樣品的 形態(tài)學(xué)信息和成分信息(尤其是化學(xué)成分的定位定量 信息)。目前科研人員正在將光譜成像技術(shù)應(yīng)用于探 索細(xì)胞功能、疾病過(guò)程、蛋白質(zhì)相互作用、DNA、生物材 料和制藥等方面。 除此之外，光譜分析技術(shù)在分析化學(xué)、考古學(xué)等領(lǐng) 域同樣具有廣泛應(yīng)用，在此不在贅述。

5 結(jié)束語(yǔ) 光譜成像技術(shù)和圖像分析技術(shù)和光譜分析技術(shù)發(fā) 展的必然結(jié)果，是二者完美結(jié)合的產(chǎn)物。光譜成像技 術(shù)不僅具有空間分辨能力，而且還具有光譜分辨能力， 利用光譜成像技術(shù)不僅可以進(jìn)行“定性”、“定量”分析， 而且還能進(jìn)行“定位”分析，甚至“定時(shí)”分析。正是由 于光譜成像技術(shù)所具有的獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)點(diǎn)，使得它在 空間遙感、精細(xì)農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)以及分析化學(xué)等領(lǐng)域得 到廣泛應(yīng)用。隨著科技和社會(huì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，光 譜成像技術(shù)必將發(fā)揮更大的作用。