光谱成像—它是光谱学的未来吗?

光谱学为了解光与物质之间的相互作用提供了宝贵的见解，并被用于广泛的应用中。传统上，光谱仪用于对比色皿中的小样本进行离散测量，或者可能在固定位置监测化学过程的进展。然而，随着新的相机技术和先进的图像处理算法的出现，大量新的光谱成像技术开辟了新的应用领域，并在某些情况下取代了传统的单点监测光谱仪。

单点光谱

研究皮肤、肌肉和其他组织中微血管血流和氧合的测量。这些测量是从皮肤或其他组织表面的单个离散位置进行的。监测这些局部点的变化提供了有关医疗或药物干预期间血流动力学的有用信息。然而，组织灌注存在很大的异质性，因此灌注成像技术的发展使我们能够更好地了解微血管流量和氧合作用的分布。这与光谱学的情况类似。在很多情况下，单点光谱仪测量提供有价值的数据。然而，新的光谱成像技术正在增进我们的理解并带来新的见解。最初开发用于提供卫星和飞机光谱图像的高光谱成像仪现在也越来越多地用于医学研究、机器视觉、食品科学、材料分析以及农业和矿物学遥感。

遥感中的光谱成像

光谱学在植物科学和农业中广泛用于植物健康的一般评估或植物病害的检测和鉴定。许多研究人员在野外使用便携式光谱仪在原位对单个植物叶片进行采样。通常，光合作用活跃的植物吸收红光并反射绿光和近红外光。测量 350 至 2500nm 宽光谱范围的便携式光谱仪可以计算各种光谱衍生的植物指数，这些指数指示植物健康或叶绿素或氮含量等指标。然而，小样本叶子的测量值不一定代表整个田地。

一张标准彩色 (RGB) 航拍照片可以提供整个田地的图像，其中包括在其他方面健康的植物田地中的变色叶子区域，但是基于简单的 RGB 彩色照片的解释非常有限。使用安装在 UAV(无人飞机)上的相机进行高光谱成像是一种更强大的技术。它将看到图像的好处与光谱学提供的丰富数据信息相结合，因为它在图像中的每个点(像素)获取整个光谱。多光谱成像也提供图像，但每个像素仅包含来自少数光谱带的数据。使用高光谱或多光谱成像之间的选择取决于手头的工作。基于植物生长指数的与一般植物健康相关的图像通常可以基于几个光谱带生成，因此可以通过多光谱成像来解决。然而，依赖于光谱特征更细微差异的应用需要更精细解析的高光谱数据。因此，为了识别树种或区分患病和健康作物之间更细微的差异，高光谱成像是更合适的技术。

在遥感应用中使用光谱成像比单点光谱技术有明显的优势。然而，这些技术是高度互补的。机载摄像机提供的信息可以通过地面上的单点测量(所谓的“地面实况”)进行有效验证。此外，这两组数据将越来越多地与地球观测卫星提供的高光谱图像结合使用。这将导致在多个空间和光谱分辨率级别上获得有关作物健康和环境问题的更详细信息。

机器视觉中的光谱成像

机器视觉是另一个受益于光谱成像部署增加的领域。大多数材料可以通过它们与光的相互作用(反射率、透射率或吸光度)来识别。不同的光谱特征可用于识别材料或将特定材料彼此分开。单点光谱仪测量可能很有用，但光谱成像可以检查不同材料的空间分布。通过识别正常可见波长范围之外的光谱特征，光谱成像还可以超越传统 RGB 相机的功能。覆盖可见光和近红外波长范围的宽带光谱成像可用于区分不同塑料、识别药品或对食品质量进行分级。

在机器视觉中采用光谱成像将取决于它带来的好处、设备成本和易于实施之间的平衡。光谱成像硬件和软件的进步将有助于简化易用性。成本在某种程度上取决于是否需要多光谱或超光谱数据。在变量数量有限的受控环境中，多光谱成像的应用可以降低成本。然而，在需要检测材料或产品质量的细微差异的情况下，可能需要高光谱成像。

医学成像中的光谱成像

回到医学和外科领域的应用，光谱成像可以在几个领域提供主要优势。已经提到的微血管组织氧合成像，但在内窥镜检查、非侵入性疾病诊断和图像引导微创手术中也有应用。

实时光谱成像在图像引导手术和癌症诊断方面具有巨大潜力。在手术室中，癌变组织通常无法与健康组织区分开来。然而，光谱成像有可能区分健康组织和癌变组织之间的光谱差异，并在手术过程中实时对不同组织进行分类。这提供了通过在分子和组织水平上提供彩色编码图像来增强外科医生视力的潜力。这反过来可能导致在不伤害邻近正常组织的情况下最大限度地去除肿瘤。

那么光谱成像是未来吗?光谱成像的好处是显着和广泛的。随着硬件技术、图像分析方法和计算能力的进步，希望光谱成像在众多应用中发挥重要作用，而不仅仅是这里提到的几个例子。光谱成像检测人眼或普通 RGB 机器视觉相机可能错过的物体的能力不可低估。