顯微高光譜成像系統的原理是什麽？應用領域有哪些？

高光譜顯微成像技術将高光譜成像與顯微成像相結合，可以同時提供待測組織的圖像信息和光譜信息。顯微高光譜成像系統的原理是什麽？應用領域有哪些呢？本文進行瞭簡單總結。

顯微高光譜成像系統的原理

高光譜成像系統可以採(cǎi)集到三維數據立方，圖中（x，y）維度爲空間圖像信息（如圖所示），第三個維度（1）爲光譜信息。在高光譜數據中，有n個灰度圖像，其中n爲波段數；圖像中各個像素點均有與之相對應一條長(zhǎng)度爲n的光譜曲線。

高光譜成像系統根據(jù)成像方式的不同分爲擺(bǎi)掃型
，推掃型，凝視型和快照型。如圖所示，爲四種典型高光譜系統成像示意圖的。

擺掃型成像原理如圖2.2（a）所示，樣本某點光譜信息（1）經過掃描鏡、分光系統後被CCD收集，樣本完整空間信息依靠移動x，y兩個維度實現，最終得到高光譜圖像數據立方體（x，y，1）。擺掃型系統在圖像採(cǎi)集過程中需要匹配兩軸高精度電動位移台，因此硬件配置複雜。同時由於(yú)需要在空間維度上進行掃描，該成像方式通常也很耗時。

推掃型成像原理如圖2.2（b）所示，與擺(bǎi)掃型不同，推掃型可一次性獲取狹縫x方向的空間信息，以及狹縫中每個空間點所對應的光譜信息（1），隻需沿另一空間軸y方向進行掃描，即可得到三維高光譜數據
。推掃型在單個像元上有較長的探測時間
，空間分辨率和光譜分辨率相較擺(bǎi)掃型有很大提升，但是系統在推掃成像過程中需要使樣本的移動與陣列檢測器的幀採(cǎi)集率同步以保證圖像平滑。

凝視型成像原理如圖2.2（c）所示，該系統可通過一次曝光獲得待測(cè)樣本的空間信息（即特定波段二維灰度圖像（x，y）），利用濾波器（如帶通濾波器
、可變(biàn)幹涉濾波器或線性可變(biàn)濾波器等）調整系統的輸出波長将高光譜數據立方體（x，y，2）填充完整。

快照型成像原理如圖2.2（d）所示，通過一次曝光即可獲得待測(cè)樣本空間信息和光譜信息。與擺(bǎi)掃型、推掃型和凝視型不同的是，快照型不需要進行掃描，通過一次積分可獲得完整高光譜數據立方體（x，y，1），時間分辨率有很大的提升。快照型成像系統的優點是硬件配置簡單，可以實現便攜功能，數據處理方便，缺點是空間分辨率和光譜分辨率均有限。

圖2.2高光譜(pǔ)系統成像示意圖（a）擺(bǎi)掃型，（b）推掃型，（c）凝視型，（d）快照型（41高光譜(pǔ)系統

根據分光方式不同，又有多種分類，不同的分光技術直接影響高光譜系統的整體性能、結構(gòu)和成本。常見的分光方式有：棱鏡分光、光栅分光、可調(diào)諧濾光片分光和光楔成像等。

圖2.3（a）所示爲棱鏡分光法，入射光在經過狹縫和準直鏡後進入棱鏡發生色散現象，置於(yú)成像鏡片後焦面的探測器将色散光進行成像。圖2.3（b）爲光栅分光法，原理與棱鏡法相類似，分光元件採用光栅。圖2.3（c）爲邁克爾遜幹涉分光原理示意圖。光譜信息由經過傅裏葉變換的幹涉圖得到，該分光模式适用於(yú)空間和光譜随時間變化較慢的樣本光譜圖像測量。圖2.3（d）所示爲聲光可調諧濾光片。其分光原理是聲光衍射，聲波是一種機械波
，當機械波通過晶體介質時會産生應變作用，在介質内部産生收縮或膨脹區域，周期性地改變介質折射率，此時的晶體介質相當於(yú)相位光栅。當複色光入射到該晶體時，某一波長的單色光發生衍射，並(bìng)以一定角度透射出來，通過控制晶體振動頻率實現分光。圖2.3（e）爲光楔分光原理，靠近面陣探測器安裝有楔形多層膜介質幹涉濾光片，最終幹涉産生不同波長的光被面陣探測器的探測像元所接收。

顯微高光譜成像系統的應用領域

顯微高光譜成像系統，基於(yú)高光譜成像技術，可同時獲(huò)取目标的三維數據立方體（二維圖像及一維光譜數據）。

近年來，随著(zhe)成像光譜技術的日趨成熟，其在顯微領域的應用也逐漸成爲人們研究的熱點，美國、英國、希臘等國家的研究人員通過不同的技術手段将成像光譜技術應用到病理學、細胞遺傳學、組織學、免疫組織化學等領域，這些不同的技術手段主要體現在光譜分光方式上。在國内，人們對成像光譜技術的研究已經有多年的曆史，西安光機所、長春光機所和上海技物所等單位先後開展瞭(le)基於不同分光方法的成像光譜技術研究，

目前爲止，顯微高光譜成像系統的應用領(lǐng)域主要集中在以下介個(gè)方面：

生物醫學：醫療病理學診斷(duàn)、免疫組織檢測(cè)、生物組織的識别
、判斷(duàn)和分析等；

材料科學：納米材料檢驗、複(fù)合纖維成分檢驗、半導(dǎo)體晶片質量檢驗等；

食品安全
：瓜果蔬菜農藥殘(cán)留檢測(cè)、肉類産品食用品質及表面污染物檢測(cè)；

藥品檢(jiǎn)測(cè)：藥片中的有效成分含量及其分布檢(jiǎn)測(cè)；

石油石化：石油中化學成分鑒(jiàn)定，石化産(chǎn)品的化學成分剖析和配方研制等。