光譜技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)形成了空間維度上的光譜分析，例如，多光譜成像和高光譜成像技術(shù)，今天我們就來聊一聊，光譜技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及光譜、多光譜和高光譜之間的區(qū)別？

光譜

光波是由原子內(nèi)部中運(yùn)動(dòng)的電子產(chǎn)生的。由于每種物質(zhì)的原子內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)情況都不同，所以它們發(fā)射的光波也不同。研究不同物質(zhì)的發(fā)光以及吸收光的情況，有很重要的理論和實(shí)際意義，現(xiàn)在已成為一門專業(yè)的學(xué)科——光譜學(xué)。

發(fā)射光譜物體發(fā)光直接產(chǎn)生的光譜叫做發(fā)射光譜。發(fā)射光譜有兩種類型，連續(xù)光譜和明線光譜。

連續(xù)分布的包含有從紅光到紫光各種色光的光譜叫做連續(xù)光譜。熾熱的固體、液體和高壓氣體的發(fā)射光譜是連續(xù)光譜。例如電燈絲發(fā)出的光、熾熱的鋼水發(fā)出的光都形成連續(xù)光譜。

只含有一些不連續(xù)的亮線的光譜叫做明線光譜。明線光譜中的亮線叫做譜線，各條譜線對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)的光。稀薄氣體或金屬的蒸氣的發(fā)射光譜是明線光譜。明線光譜是由游離狀態(tài)的原子發(fā)射的，所以也叫原子光譜。觀察氣體的原子光譜，可以使用光譜管，它是一支中間比較細(xì)的封閉的玻璃管，里面裝有低壓氣體，管的兩端有兩個(gè)電極。把兩個(gè)電極接到高壓電源上，管里稀薄氣體發(fā)生輝光放電，產(chǎn)生一定顏色的光。

觀察固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)的原子光譜，可以把它們放到煤氣燈的火焰或電弧中去燒，使它們氣化后發(fā)光，就可以從分光鏡中看到它們的明線光譜。

實(shí)驗(yàn)證明，原子不同，發(fā)射的明線光譜也不同，每種元素的原子都有一定的明線光譜。每種原子只能發(fā)出具有本身特征的某些波長(zhǎng)的光，因此，明線光譜的譜線叫做原子的特征譜線。利用原子的特征譜線可以鑒別物質(zhì)和研究原子的結(jié)構(gòu)。

吸收光譜高溫物體發(fā)出的白光(其中包含連續(xù)分布的一切波長(zhǎng)的光)通過物質(zhì)時(shí)，某些波長(zhǎng)的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的光譜，叫做吸收光譜。例如，讓弧光燈發(fā)出的白光通過溫度較低的鈉氣(在酒精燈的燈心上放一些食鹽，食鹽受熱分解就會(huì)產(chǎn)生鈉氣)，然后用分光鏡來觀察，就會(huì)看到在連續(xù)光譜的背景中有兩條挨得很近的暗線，這就是鈉原子的吸收光譜。值得注意的是，各種原子的吸收光譜中的每一條暗線都跟該種原子的發(fā)射光譜中的一條明線相對(duì)應(yīng).這表明，低溫氣體原子吸收的光，恰好就是這種原子在高溫時(shí)發(fā)出的光。因此，吸收光譜中的譜線(暗線)，也是原子的特征譜線，只是通常在吸收光譜中看到的特征譜線比明線光譜中的少。

光譜分析由于每種原子都有自己的特征譜線，因此可以根據(jù)光譜來鑒別物質(zhì)和確定它的化學(xué)組成，這種方法叫做光譜分析。做光譜分析時(shí)，可以利用發(fā)射光譜，也可以利用吸收光譜。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是非常靈敏而且迅速。某種元素在物質(zhì)中的含量達(dá)10^-10^克，就可以從光譜中發(fā)現(xiàn)它的特征譜線，因而能夠把它檢查出來。

光譜分析作為自然科學(xué)分析的重要手段，光譜技術(shù)常常用來檢測(cè)物體的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分等指標(biāo)。傳統(tǒng)光譜分析，都是通過待測(cè)物自發(fā)光或者與光源的相互作用而進(jìn)行分析的物體的，從空間維度上看，傳統(tǒng)光譜分析大多是針對(duì)一個(gè)單點(diǎn)位置。而圖像光譜測(cè)量則是結(jié)合了光譜技術(shù)和成像技術(shù)，將光譜分辨能力和圖形分辨能力相結(jié)合，造就了空間維度上的面光譜分析，也就是現(xiàn)在的多光譜成像和高光譜成像技術(shù)。

多光譜技術(shù)

**多光譜技術(shù)（Multispectral）**是指能同時(shí)獲取多個(gè)光學(xué)頻譜波段（通常大于等于3個(gè)），并在可見光的基礎(chǔ)上向紅外光和紫外光兩個(gè)方向擴(kuò)展的光譜探測(cè)技術(shù)。常見實(shí)現(xiàn)方法是通過各種濾光片或分光器與多種感光膠片的組合，使其在同一時(shí)刻分別接收同一目標(biāo)在不同窄光譜波段范圍內(nèi)輻射或反射的光信號(hào)，得到目標(biāo)在幾張不同光譜帶的照片。

身邊最常見的多光譜照片是彩色相機(jī)拍攝的照片，如下圖，從頻譜上看，其包含了紅色（1），綠色（2）和藍(lán)色（3）三個(gè)光學(xué)頻譜波段的信息。如果在相機(jī)或者探測(cè)器上，增加更多的頻帶如頻帶（4）和（5），就可以獲得一個(gè)含多個(gè)頻帶的多光譜照片了。

多光譜技術(shù)結(jié)合成像硬件，即可圖像形式呈現(xiàn)多光譜信息。

當(dāng)然也可以僅使用探測(cè)器進(jìn)行單個(gè)空間點(diǎn)位的光譜信息獲取。海洋光學(xué)旗下品牌Pixelteq以獨(dú)特的芯片濾光技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在9*9 cm的芯片上獲取8個(gè)通道的光譜信息，特別適用于空間和成本要求極高的應(yīng)用場(chǎng)合。

高光譜成像

**高光譜成像（Hypespectral）**是一種可以捕獲和分析一片空間區(qū)域內(nèi)逐點(diǎn)上光譜的精細(xì)技術(shù)，由于可以檢測(cè)到單個(gè)對(duì)象不同空間位置上的獨(dú)特光譜“特征”因此可以檢測(cè)到在視覺上無法區(qū)分的物質(zhì)。

高光譜示例：圖像由更窄的波段（10~20 nm）組成。高光譜圖像可能有數(shù)百或數(shù)千個(gè)波段。

物體與光源的光相互作用并被非成像光譜分析設(shè)備（比如光譜儀）接收后，設(shè)備可以精確地反應(yīng)出接收到的光信號(hào)在光譜頻帶上分布的強(qiáng)度差異也就是光譜信息。

而使用高光譜設(shè)備時(shí)，從成像特性角度看，可以了解到樣品各個(gè)位置的光譜信息，從光譜特性角度看，可以了解在特定光譜帶內(nèi)的信號(hào)位置分布，也就是說，高光譜設(shè)備可以獲取更加豐富的細(xì)節(jié)信息。

例如：人眼只能接收三個(gè)光譜頻段中物體的光能量信號(hào)：紅色，綠色和藍(lán)色。也就是我們常稱的發(fā)光三原色，但是事實(shí)上我們能夠看到由這三種顏色的組合產(chǎn)生的橙色，紫色，青綠色等等的更細(xì)微的色彩。但是，我們并不不能區(qū)分純黃色和紅綠二色的混合色的差異，這也稱之為“同色異譜”。但是高光譜成像卻可以輕松分辨其中的區(qū)別。

上圖顯示了兩種黃色，一種是“純色”，另一種是紅色和綠色的混合物。在視覺上可能無法區(qū)分，但由于它們的光譜差異，使用光譜設(shè)備卻可以將其區(qū)分。

研究人員在進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)候，使用光譜儀得到的數(shù)據(jù)代表在整個(gè)被探測(cè)范圍內(nèi)同入射光源相互作用的所有分子發(fā)出的光的平均值；而使用多光譜設(shè)備可以獲取被探測(cè)范圍內(nèi)各點(diǎn)在幾個(gè)特定頻帶上樣品信息。因此，這兩種設(shè)備均無法提供單個(gè)區(qū)域內(nèi)非常精細(xì)的樣品信息。

高光譜成像儀（HSI）可以類比為數(shù)百或數(shù)千個(gè)單點(diǎn)光譜儀緊密的排在一起并同時(shí)關(guān)注一片區(qū)域，每個(gè)光譜儀都獨(dú)立工作，并獲取自己所在位置的光譜信息。從HSI輸出的數(shù)據(jù)是圖片，或者視頻流，這些圖片或者視頻中的每個(gè)像素都有自己的光譜，并且每一張光譜都包含數(shù)百個(gè)光譜頻帶。

高光譜成像技術(shù)的這種“全光譜”功能讓人們可以看到一個(gè)場(chǎng)景中每一個(gè)可分辨的空間位置上的光譜信號(hào)，即得到了更多維度的信息。因此高光譜成像的應(yīng)用場(chǎng)景很豐富，其中包括藝術(shù)品鑒別，農(nóng)作物健康，海岸線測(cè)繪，森林，礦物勘探，城市和工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，生產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)量，環(huán)境監(jiān)控等等。

高光譜的掃描方法和成像效果如下圖所示：

上圖為頻譜線掃描采集的示意圖，其中λ代表波長(zhǎng)，x和y 代表像素空間位置，t =隨時(shí)間的采集；下圖為在傳感器（焦平面陣列（FPA））所在的焦平面上的狹縫圖像和風(fēng)光后的光譜信息

高光譜和多光譜的區(qū)別

很多時(shí)候材料的反射率特征光譜相對(duì)于波長(zhǎng)的變化可能非常復(fù)雜，而其他微小特征使用較粗糙的多光譜成像方法也有可能無法分辨。

上圖中使用多光譜成像（左）識(shí)別無法分辨的物質(zhì)，通過使用高光譜成像（右）被分辨出來。其原因是由于高光譜具有更多的光譜頻帶，因此可以通過更高的光譜分辨率準(zhǔn)確地獲得更復(fù)雜的指紋特征。

高光譜成像主要用于測(cè)量光與物質(zhì)相互作用后的反射光，因此也是一種表面測(cè)量技術(shù)。








審核編輯：劉清