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)部中運動的電子產(chǎn)生的。由于每種物質(zhì)的原子內(nèi)部電子的運動情況都不同，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際意義，現(xiàn)在已成為一門專業(yè)的學科——光譜學。

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，各條譜線對應于不同波長的光。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的封閉的玻璃管，里面裝有低壓氣體，管的兩端有兩個電極。把兩個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。

實驗證明，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)分布的一切波長的光)通過物質(zhì)時，某些波長的光被物質(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，食鹽受熱分解就會產(chǎn)生鈉氣)，然后用分光鏡來觀察，就會看到在連續(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應.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)和確定它的化學組成，這種方法叫做光譜分析。做光譜分析時，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)點是非常靈敏而且迅速。某種元素在物質(zhì)中的含量達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分析的重要手段，光譜技術(shù)常常用來檢測物體的物理結(jié)構(gòu)、化學成分等指標。傳統(tǒng)光譜分析，都是通過待測物自發(fā)光或者與光源的相互作用而進行分析的物體的，從空間維度上看，傳統(tǒng)光譜分析大多是針對一個單點位置。而圖像光譜測量則是結(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）**是指能同時獲取多個光學頻譜波段（通常大于等于3個），并在可見光的基礎(chǔ)上向紅外光和紫外光兩個方向擴展的光譜探測技術(shù)。常見實現(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，使其在同一時刻分別接收同一目標在不同窄光譜波段范圍內(nèi)輻射或反射的光信號，得到目標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）和藍色（3）三個光學頻譜波段的信息。如果在相機或者探測器上，增加更多的頻帶如頻帶（4）和（5），就可以獲得一個含多個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。

當然也可以僅使用探測器進行單個空間點位的光譜信息獲取。海洋光學旗下品牌Pixelteq以獨特的芯片濾光技術(shù)，可以實現(xiàn)在9*9 cm的芯片上獲取8個通道的光譜信息，特別適用于空間和成本要求極高的應用場合。

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)逐點上光譜的精細技術(shù)，由于可以檢測到單個對象不同空間位置上的獨特光譜“特征”因此可以檢測到在視覺上無法區(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)千個波段。

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

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

例如：人眼只能接收三個光譜頻段中物體的光能量信號：紅色，綠色和藍色。也就是我們常稱的發(fā)光三原色，但是事實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，使用光譜設備卻可以將其區(qū)分。

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

高光譜成像儀（HSI）可以類比為數(shù)百或數(shù)千個單點光譜儀緊密的排在一起并同時關(guān)注一片區(qū)域，每個光譜儀都獨立工作，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像素都有自己的光譜，并且每一張光譜都包含數(shù)百個光譜頻帶。

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場景中每一個可分辨的空間位置上的光譜信號，即得到了更多維度的信息。因此高光譜成像的應用場景很豐富，其中包括藝術(shù)品鑒別，農(nóng)作物健康，海岸線測繪，森林，礦物勘探，城市和工業(yè)基礎(chǔ)設施，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，x和y 代表像素空間位置，t =隨時間的采集；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光后的光譜信息

高光譜和多光譜的區(qū)別

很多時候材料的反射率特征光譜相對于波長的變化可能非常復雜，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確地獲得更復雜的指紋特征。

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








審核編輯：劉清