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 光譜成像的內涵，而且從光譜分辨率、探測器工作方式和色散元件類(lèi)型等不同方面對光譜成像 技術(shù)進(jìn)行分類(lèi)介紹，并著(zhù)重結合遙感、精細農業(yè)、生物醫學(xué)等領(lǐng)域闡述光譜成像技術(shù)的應用。 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，探測器件隨著(zhù)波長(cháng)的掃描而采集 相應圖像，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 圖像分析的有機結合。 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(guān)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(guān)事物或其運動(dòng)過(guò)程。它們之間 的關(guān)系可以表示如下 ： 映射 客觀(guān)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，t為時(shí) 間坐標，A為波長(cháng)坐標。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(guān)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)分子結構 中原子的三維空間分布圖像，它們的空間分辨率已達 到10 m。高速攝影技術(shù)已經(jīng)能夠觀(guān)察到激光核聚變 過(guò)程中時(shí)間分辨率達到10 s的掃描圖像，伴隨著(zhù)飛 秒激光技術(shù)的不斷發(fā)展和應用，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(cháng)方面或光譜分辨率(Spectral Resolu— tion)的研究必然會(huì )得到不斷深入。如現在成像所用的 信息載子范圍不斷擴展，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(xiàn)、 射線(xiàn)、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，毫無(wú)疑 問(wèn)，進(jìn)行波長(cháng)分辨或光譜分辨同樣也勢在必行，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)展的必然結果。
2．2 光譜分析和光譜成像 光譜分析和光譜儀器在現代科技、生產(chǎn)和環(huán)境保 護、宇宙開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域中獲得廣泛的重視和推廣應用，具 有一系列明顯優(yōu)點(diǎn)：如分析靈敏度高、準確性好、方便 快捷 。盡管如此，伴隨著(zhù)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。當用光譜儀器 進(jìn)行分析時(shí)，對于試樣的勻質(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 影響檢測結果。但當試樣是固體時(shí)，試樣的空間非勻 質(zhì)性可能導致檢測結果出現嚴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。如在醫學(xué)領(lǐng)域，為正確診斷必 須得到病理組織的準確病變位置；在制藥領(lǐng)域，了解分 子的空間活性位點(diǎn)對于藥物的設計具有重要意義；在 工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗中，同樣必須準確給出產(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 基于波段數量和光譜分辨率的分類(lèi) 按照光譜波段的數量和光譜分辨率，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 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 為A 入／入=0．001。
3．2 基于探測器工作方式的分類(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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)狀的光電探測器，它 6 使不同波長(cháng)的輻射能照射到線(xiàn)陣列的各個(gè)探測器件 上。因而對于地面瞬時(shí)視場(chǎng)內的輻射能，分光后各波 長(cháng)的強度同時(shí)記錄下來(lái)。當傳感器平臺向前推進(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器，一維可用作光譜儀， 另一維則為—線(xiàn)性陣列，以推掃的方式工作，地面目標 的輻射能根據波長(cháng)分散并聚焦到探測器面陣列上。圖 像一次建立一行而不需要移動(dòng)探測器件。像元的攝像 時(shí)間長(cháng)，系統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諧濾波器實(shí)現光譜通道的 切換。伴隨光譜通道的切換，探測器則采集相應圖像， 如本課題組研制顯微光譜成像系統(見(jiàn)圖4)。其中利 用CCD攝像器件、圖像卡和計算機實(shí)現系統的數字化； 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) 的系統軟件實(shí)現系統的操控、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 調諧濾波器(Acousto—optic Tunable Filter，簡(jiǎn)稱(chēng) AOTF) 和液晶可調諧濾波器(Uquid Crystal Tunable Filter，簡(jiǎn)稱(chēng)LCTF)。技術(shù)和應用得到長(cháng)足發(fā)展，由于 AOTF和I．LWF以及CCD等面陣探測器的出現，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)電調諧方式實(shí)現波長(cháng)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。當射頻信號施加到換能器上時(shí)，激勵出超聲 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。當復色光以特定的角度 入射到聲光介質(zhì)后，由于聲光相互作用，滿(mǎn)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，分別位于零級光兩側。改 變射頻信號的頻率，衍射光的波長(cháng)也將相應改變。連 續快速改變射頻信號的頻率就能實(shí)現衍射光波長(cháng)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成。當光源通過(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(cháng)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)行調節，因 此通過(guò)施加不同的電壓可以使其不同波長(cháng)的光發(fā)生干 涉，即可以實(shí)現不同波長(cháng)的掃描。
4．1 光譜成像技術(shù)在空間遙感中的應用 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景物獲取 數據。它是指在電磁波譜的紫外、可見(jiàn)光、近紅外和中紅 外區域，獲取許多非常窄而且光譜連續的圖像數據的技 術(shù)。多光譜能夠為每個(gè)像元提供數十至數百個(gè)窄波段光 譜信息，能產(chǎn)生—條完整而連續的光譜曲線(xiàn)。 多光譜(高光譜)遙感的出現是遙感界的一場(chǎng)革 命。它使本來(lái)在寬波段遙感中不可探測的物質(zhì)，在多 光譜遙感中能被探測。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 獲得的連續波段寬度一般在10納米以下，因此這種數 據能以足夠的光譜分辨率區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)的成功應用，使得遙感影像的 空間分辨率達到米級；光譜分辨率達到納米級，光譜波 段已由數十個(gè)增加到數百個(gè) 。如美國發(fā)射的EOS 衛星的MODIS—N傳感器具有35個(gè)波段，美國空軍研 究實(shí)驗室(AFRL)負責技術(shù)測定的EO一1衛星上裝備 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“神舟”三號飛船軌道艙上裝載有我國 第一臺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“。
4．2 光譜成像技術(shù)在農業(yè)中的應用 圖5 光譜成像技術(shù)在棉花耕作中的應用 現代農業(yè)，特別是在西方發(fā)達國家中，已經(jīng)逐步由 刀耕火種過(guò)渡到精細農業(yè)(Precision farming)時(shí)代。這 就需要管理者及時(shí)有效地測定農作物有關(guān)性質(zhì)參數， 如農作物桿莖的應力狀態(tài)。一旦測定，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)在棉花檢測領(lǐng)域的示意圖。左圖為OKSI(Opto — Knowledge System Inc．)光譜成像系統，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)細節分布信息是非成像光譜儀所不能 測定的。將這些精確測定的農作物甚至土壤細節信息 與衛星遙感技術(shù)相結合，必然能夠有效改進(jìn)農作物的 耕作管理水平、產(chǎn)量和品質(zhì)預測精確度。 4．3 光譜成像技術(shù)在生物醫學(xué)中的應用 光譜成像技術(shù)在生物醫學(xué)領(lǐng)域中有著(zhù)廣闊的應用 前景，下面將結合具體實(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構。光 線(xiàn)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 運用5種熒光探針對染色 體進(jìn)行標記，使得每一對染色體具有獨一無(wú)二的熒光 光譜特征。人眼雖然不能有效地區分這些光譜特征， 但利用光譜成像技術(shù)可以方便地根據這些光譜分布的 不同對染色體進(jìn)行分類(lèi)和排序，然后用偽彩色進(jìn)行標 記(見(jiàn)圖7)。與傳統的染色體分類(lèi)方法相比，具有明顯 優(yōu)勢。 圖7 基于光譜成像技術(shù)的染色體分類(lèi)” 總之，當前光譜成像技術(shù)最具有影響力的應用領(lǐng) 域就是生物醫學(xué)領(lǐng)域。與傳統的分析工具相比，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)應用于探 索細胞功能、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) 域同樣具有廣泛應用，在此不在贅述。

5 結束語(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) 展的必然結果，是二者完美結合的產(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)所具有的獨一無(wú)二的優(yōu)點(diǎn)，使得它在 空間遙感、精細農業(yè)、生物醫學(xué)以及分析化學(xué)等領(lǐng)域得 到廣泛應用。隨著(zhù)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。