光谱成像技术进展

光谱成像技术进展
摘要光谱成像技术不仅具有空间分辨能力，而且还具有光谱分辨能力。本文从图像技术 和光谱分析两个不同方面论述光谱成像技术出现和发展的必然性，明确光谱成像的定义，丰富 光谱成像的内涵，而且从光谱分辨率、探测器工作方式和色散元件类型等不同方面对光谱成像 技术进行分类介绍，并着重结合遥感、精细农业、生物医学等领域阐述光谱成像技术的应用。 关键词 光谱成像空间分辨率光谱分辨率显微光谱成像1 光谱成像的定义 一般来说，光谱成像’(Spectral Imaging)技术是 指利用多个光谱通道进行图像采集、显示、处理和分 析解释的技术 。 如图l所示，探测器件随着波长的扫描而采集 相应图像，则可以得到光谱图像序列。利用光谱图 像序列进行分析处理，不但可以得到光谱信息，还可 以得到图像信息，因此光谱成像技术是光谱分析与 图像分析的有机结合。 图1 光谱成像示意图

2 光谱成像技术发展溯源
2．1 图像技术与光谱成像 图像是反映客观事物或过程某些与空间、时间 有相互关联的特征量的信息阵列。映射产生图像， 图像反映或描述客观事物或其运动过程。它们之间 的关系可以表示如下 ： 映射 客观事物或其过程(特征量)；ii==± 图像(信息) 反映 一般来说，图像用函数形式可表示为 J =；r ，y ，z ，t，A ，⋯) (1) }分析化学中也称化学成像(Chemical im~ns) 其中J为像素值，x，y ，z为三维空间坐标，t为时 间坐标，A为波长坐标。而近一二十年成像技术发展 很快，特别是在图像的空间分辨率(Spatial Resolution) 和时间分辨率(Temporal Resolution)方面。如扫描隧道 显微镜已观察到物体表面原子的排列图像，核磁共振 波谱成像技术已经可以描绘中、小型蛋白质分子结构 中原子的三维空间分布图像，它们的空间分辨率已达 到10 m。高速摄影技术已经能够观察到激光核聚变 过程中时间分辨率达到10 s的扫描图像，伴随着飞 秒激光技术的不断发展和应用，图像的时间分辨率还 将进一步提高。 在图像空间分辨率和时间分辨率不断得到提高的 背景下，有关波长方面或光谱分辨率(Spectral Resolu— tion)的研究必然会得到不断深入。如现在成像所用的 信息载子范围不断扩展，不仅有光子，而且还包括各种 频带的电磁波、能量波和粒子束，如射频波、红外光、可 见光、紫外光、x射线、 射线、中子、电子、离子、质子甚 至声子等。另一方面在每一个“波段”范围内，毫无疑 问，进行波长分辨或光谱分辨同样也势在必行，这也就 等于宣告光谱成像技术的诞生具有历史必然性。 由此可见，光谱成像技术是成像技术发展的最新 阶段，是成像技术不断发展的必然结果。
2．2 光谱分析和光谱成像 光谱分析和光谱仪器在现代科技、生产和环境保 护、宇宙开发等领域中获得广泛的重视和推广应用，具 有一系列明显优点：如分析灵敏度高、准确性好、方便 快捷 。尽管如此，伴随着科学技术的不断发展，光 谱分析技术同样遇到前所未有的挑战。当用光谱仪器 进行分析时，对于试样的匀质性(Homogeneity)必须给 予足够的重视。一般光谱仪器收集的是试样的总体信 息，当分析试样是液体或气体时，试样的非匀质性并不 影响检测结果。但当试样是固体时，试样的空间非匀 质性可能导致检测结果出现严重偏差或者丧失大量有 用信息。因此在进行“定性”和“定量”分析的同时，还 必须给出“位置”信息。如在医学领域，为正确诊断必 须得到病理组织的准确病变位置；在制药领域，了解分 子的空间活性位点对于药物的设计具有重要意义；在 工业产品质量检验中，同样必须准确给出产品缺陷的 位置。要解决这些问题，毫无疑问，最自然的办法便是 光谱成像技术。 从以上的分析不难看出，现代光谱分析技术不仅 要回答“是什么”(What)和“有多少”(How much)的问 题，而且最好还能回答“何时发生变化”或“随时间怎样 变化”(When)以及“在哪发生变化”(Where)的问题， 在此简称“四w”或“四定”(定性、定量、定时、定位)问 题。而要同时回答“四w”问题，必须采用光谱成像技 术。可见光谱成像技术是光谱分析技术的最新发展， 是光谱分析发展的必然要求。

3 光谱成像技术的分类 3．1 基于波段数量和光谱分辨率的分类 按照光谱波段的数量和光谱分辨率，光谱成像技 术大致可以被分为三类：
3．1．1 多光谱成像(Muhispectral Im~ g) 具有 10～50／1 ，I 谱通道， 诧争 为A A／入=0．1。
3．1．2 高光谱成像技术(Hypempec~ kaging) 具有 ! ～1000／1 》1 诧筘百道， 诧 分 蚌率为A入／入=0．01。 3．1．3 超光谱成像技术(Ultraspectral L~ ing) 具有 10～100 1 )1I爿普通道， 诧争 为A 入／入=0．001。
3．2 基于探测器工作方式的分类 按照光谱图像采集方式的不同，光谱成像技术主 要可分为：
3．2．1 掸扫式(Whiskbroom)。 线阵探 溯器件 图2 掸扫式光谱成像原理 图2说明的是掸扫式线阵遥感成像光谱仪原理。 这个仪器的核心部件是排列成线状的光电探测器，它 6 使不同波长的辐射能照射到线阵列的各个探测器件 上。因而对于地面瞬时视场内的辐射能，分光后各波 长的强度同时记录下来。当传感器平台向前推进时逐 个像元逐点成像，这将获得具有多个连续光谱的窄波 段的图像。 3．2．2 推扫式(Pushbroom) 推扫式面阵遥感成像光谱仪的工作原理(见图 3)。图3中的二维面阵列探测器，一维可用作光谱仪， 另一维则为—线性阵列，以推扫的方式工作，地面目标 的辐射能根据波长分散并聚焦到探测器面阵列上。图 像一次建立一行而不需要移动探测器件。像元的摄像 时间长，系统的灵敏度和空间分辨率均可以得到提高。 图3 推扫式光谱成像原理 3．2．3 凝采式(Staring Imagers) 在这种工作方式 中，常常采用单色器或电调谐滤波器实现光谱通道的 切换。伴随光谱通道的切换，探测器则采集相应图像， 如本课题组研制显微光谱成像系统(见图4)。其中利 用CCD摄像器件、图像卡和计算机实现系统的数字化； 利用氙灯和单色器进行激发光谱扫描；利用自主开发 的系统软件实现系统的操控、荧光光谱图像的采集、处 理和分析。 显 图4 显微光谱成像系统框图
3．3 基于分光器件的分类 在一般光谱仪核心元件一分光元件的发展历程 中，经历从色 到衍射光栅的演化，以及采用干涉 调制元件和信息变换技术的发展历程。近年来声光可 调谐滤波器(Acousto—optic Tunable Filter，简称 AOTF) 和液晶可调谐滤波器(Uquid Crystal Tunable Filter，简称LCTF)。技术和应用得到长足发展，由于 AOTF和I．LWF以及CCD等面阵探测器的出现，光谱成 像技术才得以迅速发展。 AOTF是一种新型的色散器件。它能以很高的速 度通过电调谐方式实现波长扫描，因而AOTF可以完 成一般色散元件所无法完成的快速光谱测量工作。 AOTF器件由三部分组成，即声光介质、换能器阵列和 声终端。当射频信号施加到换能器上时，激励出超声 波并耦合到声光介质。为防止声波反射，透过介质的 声波被声终端的吸声体吸收。当复色光以特定的角度 入射到声光介质后，由于声光相互作用，满足动量匹配 条件的入射光被超声波衍射成两束正交偏振的单色 光，一束为e光，一束为。光，分别位于零级光两侧。改 变射频信号的频率，衍射光的波长也将相应改变。连 续快速改变射频信号的频率就能实现衍射光波长的快 速扫描。 ILTF基于偏振光的干涉原理而制成。LCrF往往 具有多组单元，每一组单元均由起偏和检偏偏振片以 及夹在中间的双折射液晶构成。当光源通过其中一组 单元时，由于沿液晶快、慢轴传播的两束光振动方向相 同，而位相差一定，因此发生干涉作用 。干涉波长取决 于e光和。光通过液晶产生的光程差(相位差)，由于 双折射液晶造成的相位差可以通过电压进行调节，因 此通过施加不同的电压可以使其不同波长的光发生干 涉，即可以实现不同波长的扫描。
4．1 光谱成像技术在空间遥感中的应用 多光谱空中摄影技术是航空遥感技术的重要发展。 多光谱遥感是指利用很多很窄的电磁波从被测景物获取 数据。它是指在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和中红 外区域，获取许多非常窄而且光谱连续的图像数据的技 术。多光谱能够为每个像元提供数十至数百个窄波段光 谱信息，能产生—条完整而连续的光谱曲线。 多光谱(高光谱)遥感的出现是遥感界的一场革 命。它使本来在宽波段遥感中不可探测的物质，在多 光谱遥感中能被探测。研究表明许多地表物质的吸收 特征峰的半宽度为20～40纳米。由于光谱成像系统 获得的连续波段宽度一般在10纳米以下，因此这种数 据能以足够的光谱分辨率区分出那些具有诊断性光谱 特征的地表物质。 由于光谱成像技术的成功应用，使得遥感影像的 空间分辨率达到米级；光谱分辨率达到纳米级，光谱波 段已由数十个增加到数百个 。如美国发射的EOS 卫星的MODIS—N传感器具有35个波段，美国空军研 究实验室(AFRL)负责技术测定的EO一1卫星上装备 有“太阳神”成像光谱，它具有220个光谱波段。值得 一提的是，我国“神舟”三号飞船轨道舱上装载有我国 第一台中分辨率成像光谱仪，可以进行大范围的海洋、 陆地和大气的多光谱遥感实验“。
4．2 光谱成像技术在农业中的应用 图5 光谱成像技术在棉花耕作中的应用 现代农业，特别是在西方发达国家中，已经逐步由 刀耕火种过渡到精细农业(Precision farming)时代。这 就需要管理者及时有效地测定农作物有关性质参数， 如农作物杆茎的应力状态。一旦测定，则可采取必要 的措施，如灌溉、施肥、杀虫和锄草等。图5为光谱成 像技术在棉花检测领域的示意图。左图为OKSI(Opto — Knowledge System Inc．)光谱成像系统，右图利用其 采集的棉花相邻叶片的光谱图像。它表明受压叶片由 于缺少叶绿素而比正常叶片具有更高的可见光反射 率。而这些空问细节分布信息是非成像光谱仪所不能 测定的。将这些精确测定的农作物甚至土壤细节信息 与卫星遥感技术相结合，必然能够有效改进农作物的 耕作管理水平、产量和品质预测精确度。 4．3 光谱成像技术在生物医学中的应用 光谱成像技术在生物医学领域中有着广阔的应用 前景，下面将结合具体实例加以说明。
4．3．1 眼底疾病诊断人眼具有非常神奇的结构。光 线透过角膜经过晶状体聚焦到视网膜上。视网后是脉 络膜，脉络膜匕具有丰富的血管，同时也是眼底疾病多 发地带。要正确诊断眼底疾病，一般来说需要得到患 者的眼底图像。但由于视网膜是吸收入射光的，因此 图6 眼底光谱序列图像 要得到清晰的眼底图像并不是一件容易的事。而利用 显微光谱成像技术可以得到一系列图像，从中可以轻 而易举地分辨出黄斑(Optic Disc)和血管的形状(见图 6)，这对于眼底疾病的诊断具有莫大的好处。

4．3．2 染色体自动排序 运用5种荧光探针对染色 体进行标记，使得每一对染色体具有独一无二的荧光 光谱特征。人眼虽然不能有效地区分这些光谱特征， 但利用光谱成像技术可以方便地根据这些光谱分布的 不同对染色体进行分类和排序，然后用伪彩色进行标 记(见图7)。与传统的染色体分类方法相比，具有明显 优势。 图7 基于光谱成像技术的染色体分类” 总之，当前光谱成像技术最具有影响力的应用领 域就是生物医学领域。与传统的分析工具相比，光谱 成像技术最突出的优点就是能够同时提供被测样品的 形态学信息和成分信息(尤其是化学成分的定位定量 信息)。目前科研人员正在将光谱成像技术应用于探 索细胞功能、疾病过程、蛋白质相互作用、DNA、生物材 料和制药等方面。 除此之外，光谱分析技术在分析化学、考古学等领 域同样具有广泛应用，在此不在赘述。

5 结束语 光谱成像技术和图像分析技术和光谱分析技术发 展的必然结果，是二者完美结合的产物。光谱成像技 术不仅具有空间分辨能力，而且还具有光谱分辨能力， 利用光谱成像技术不仅可以进行“定性”、“定量”分析， 而且还能进行“定位”分析，甚至“定时”分析。正是由 于光谱成像技术所具有的独一无二的优点，使得它在 空间遥感、精细农业、生物医学以及分析化学等领域得 到广泛应用。随着科技和社会的不断发展和进步，光 谱成像技术必将发挥更大的作用。