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高光谱技术科普:你对光谱成像技术了解多少?

发布时间:2023-08-18
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什么是光谱成像技术?高光谱成像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,它不仅具有空间分辨能力,而且还具有光谱分辨能力,被广泛的应用于精细农业、生物医学等领域。那么,你对光谱成像技术了解多少?本文将为大家进行介绍。

什么是光谱成像技术?高光谱成像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,它不仅具有空间分辨能力,而且还具有光谱分辨能力,被广泛的应用于精细农业、生物医学等领域。那么,你对光谱成像技术了解多少?本文将为大家进行介绍。

高光谱成像仪

光谱成像技术的定义:

一般来说,光谱成像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。如下图所示,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。

光谱成像示意图01

光谱成像技术的发展与溯源:

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:

图像与映射之间的关系

一般来说,图像用函数形式可表示为:I=f(x,y,z,t,λ,…)

其中I为像素值,x,y,z为三维空间坐标,t为时间坐标,入为波长坐标。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和时间分辨率方面。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10-11m。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10-11s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、γ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.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、方便快捷等。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。

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