光譜學為了解光與物質(zhì)之間的相互作用提供了寶貴的見解，并被用于廣泛的應用中。傳統(tǒng)上，光譜儀用于對比色皿中的小樣本進行離散測量，或者可能在固定位置監(jiān)測化學過程的進展。然而，隨著新的相機技術(shù)和先進的圖像處理算法的出現(xiàn)，大量新的光譜成像技術(shù)開辟了新的應用領(lǐng)域，并在某些情況下取代了傳統(tǒng)的單點監(jiān)測光譜儀。

單點光譜

研究皮膚、肌肉和其他組織中微血管血流和氧合的測量。這些測量是從皮膚或其他組織表面的單個離散位置進行的。監(jiān)測這些局部點的變化提供了有關(guān)醫(yī)療或藥物干預期間血流動力學的有用信息。然而，組織灌注存在很大的異質(zhì)性，因此灌注成像技術(shù)的發(fā)展使我們能夠更好地了解微血管流量和氧合作用的分布。這與光譜學的情況類似。在很多情況下，單點光譜儀測量提供有價值的數(shù)據(jù)。然而，新的光譜成像技術(shù)正在增進我們的理解并帶來新的見解。最初開發(fā)用于提供衛(wèi)星和飛機光譜圖像的高光譜成像儀現(xiàn)在也越來越多地用于醫(yī)學研究、機器視覺、食品科學、材料分析以及農(nóng)業(yè)和礦物學遙感。

遙感中的光譜成像

光譜學在植物科學和農(nóng)業(yè)中廣泛用于植物健康的一般評估或植物病害的檢測和鑒定。許多研究人員在野外使用便攜式光譜儀在原位對單個植物葉片進行采樣。通常，光合作用活躍的植物吸收紅光并反射綠光和近紅外光。測量 350 至 2500nm 寬光譜范圍的便攜式光譜儀可以計算各種光譜衍生的植物指數(shù)，這些指數(shù)指示植物健康或葉綠素或氮含量等指標。然而，小樣本葉子的測量值不一定代表整個田地。

一張標準彩色 (RGB) 航拍照片可以提供整個田地的圖像，其中包括在其他方面健康的植物田地中的變色葉子區(qū)域，但是基于簡單的 RGB 彩色照片的解釋非常有限。使用安裝在 UAV(無人飛機)上的相機進行高光譜成像是一種更強大的技術(shù)。它將看到圖像的好處與光譜學提供的豐富數(shù)據(jù)信息相結(jié)合，因為它在圖像中的每個點(像素)獲取整個光譜。多光譜成像也提供圖像，但每個像素僅包含來自少數(shù)光譜帶的數(shù)據(jù)。使用高光譜或多光譜成像之間的選擇取決于手頭的工作?；谥参锷L指數(shù)的與一般植物健康相關(guān)的圖像通常可以基于幾個光譜帶生成，因此可以通過多光譜成像來解決。然而，依賴于光譜特征更細微差異的應用需要更精細解析的高光譜數(shù)據(jù)。因此，為了識別樹種或區(qū)分患病和健康作物之間更細微的差異，高光譜成像是更合適的技術(shù)。

在遙感應用中使用光譜成像比單點光譜技術(shù)有明顯的優(yōu)勢。然而，這些技術(shù)是高度互補的。機載攝像機提供的信息可以通過地面上的單點測量(所謂的“地面實況”)進行有效驗證。此外，這兩組數(shù)據(jù)將越來越多地與地球觀測衛(wèi)星提供的高光譜圖像結(jié)合使用。這將導致在多個空間和光譜分辨率級別上獲得有關(guān)作物健康和環(huán)境問題的更詳細信息。

機器視覺中的光譜成像

機器視覺是另一個受益于光譜成像部署增加的領(lǐng)域。大多數(shù)材料可以通過它們與光的相互作用(反射率、透射率或吸光度)來識別。不同的光譜特征可用于識別材料或?qū)⑻囟ú牧媳舜朔珠_。單點光譜儀測量可能很有用，但光譜成像可以檢查不同材料的空間分布。通過識別正?？梢姴ㄩL范圍之外的光譜特征，光譜成像還可以超越傳統(tǒng) RGB 相機的功能。覆蓋可見光和近紅外波長范圍的寬帶光譜成像可用于區(qū)分不同塑料、識別藥品或?qū)κ称焚|(zhì)量進行分級。

在機器視覺中采用光譜成像將取決于它帶來的好處、設(shè)備成本和易于實施之間的平衡。光譜成像硬件和軟件的進步將有助于簡化易用性。成本在某種程度上取決于是否需要多光譜或超光譜數(shù)據(jù)。在變量數(shù)量有限的受控環(huán)境中，多光譜成像的應用可以降低成本。然而，在需要檢測材料或產(chǎn)品質(zhì)量的細微差異的情況下，可能需要高光譜成像。

醫(yī)學成像中的光譜成像

回到醫(yī)學和外科領(lǐng)域的應用，光譜成像可以在幾個領(lǐng)域提供主要優(yōu)勢。已經(jīng)提到的微血管組織氧合成像，但在內(nèi)窺鏡檢查、非侵入性疾病診斷和圖像引導微創(chuàng)手術(shù)中也有應用。

實時光譜成像在圖像引導手術(shù)和癌癥診斷方面具有巨大潛力。在手術(shù)室中，癌變組織通常無法與健康組織區(qū)分開來。然而，光譜成像有可能區(qū)分健康組織和癌變組織之間的光譜差異，并在手術(shù)過程中實時對不同組織進行分類。這提供了通過在分子和組織水平上提供彩色編碼圖像來增強外科醫(yī)生視力的潛力。這反過來可能導致在不傷害鄰近正常組織的情況下最大限度地去除腫瘤。

那么光譜成像是未來嗎?光譜成像的好處是顯著和廣泛的。隨著硬件技術(shù)、圖像分析方法和計算能力的進步，希望光譜成像在眾多應用中發(fā)揮重要作用，而不僅僅是這里提到的幾個例子。光譜成像檢測人眼或普通 RGB 機器視覺相機可能錯過的物體的能力不可低估。