一文讀懂光譜、多光譜、高光譜技術
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一文讀懂光譜、多光譜、高光譜技術

光譜分析作為自然科學分析的重要手段,光譜技術常常用來檢測物體的物理結構、化學成分等指標。


傳統光譜分析,都是通過待測物自發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合了光譜技術和成像技術,將光譜分辨能力和圖形分辨能力相結合,造就了空間維度上的面光譜分析,也就是現在的多光譜成像和高光譜成像技術。

今天我們就來討論光譜、多光譜和高光譜之間的區別?
光譜(Spectrum):是複色光經過色散系統(如棱鏡、光柵)分光後,被色散分離成的單色光,通過成像系統,投射在探測器上成為按波長(或頻率)大小依次排列的圖案,既稱為光學頻譜。

海洋光學的光譜儀正是基於這樣的原理設計製造的。
光波根據波長不同,又有不同的稱謂:波長處於380和780nm之間的光波稱為可見光,短於380nm的稱之為紫外光;而長於780nm的則為紅外光(紅外光又分為近紅外、中紅外、遠紅外等等)。

多光譜技術(Multispectral):是指能同時獲取多個光學頻譜波段(通常大於等於3個),並在可見光的基礎上向紅外光和紫外光兩個方向擴展的光譜探測技術。常見實現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範圍內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資訊。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。

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多光譜技術結合成像硬體,即可圖像形式呈現多光譜資訊。
當然也可以僅使用探測器進行單個空間點位元的光譜資訊獲取。海洋光學旗下品牌Pixelteq以獨特的晶片濾光技術,可以實現在9*9cm的晶片上獲取8個通道的光譜資訊,特別適用於空間和成本要求極高的應用場合。

高光譜成像(Hypespectral):是一種可以捕獲和分析一片空間區域內逐點上光譜的精細技術,由於可以檢測到單個物件不同空間位置上的獨特光譜“特徵”因此可以檢測到在視覺上無法區分的物質。

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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百或數千個波段。


物體與光源的光相互作用並被非成像光譜分析設備(比如光譜儀)接收後,設備可以精確地反應出接收到的光信號在光譜頻帶上分佈的強度差異也就是光譜資訊。


而使用高光譜設備時,從成像特性角度看,可以瞭解到樣品各個位置的光譜資訊,從光譜特性角度看,可以瞭解在特定光譜帶內的信號位置分佈,也就是說,高光譜設備可以獲取更加豐富的細節信息。

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生的橙色,紫色,青綠色等等的更細微的色彩。但是,我們並不能區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鬆分辨其中的區別。

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上圖,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分,但由於它們的光譜差異,使用光譜設備卻可以將其區分。


我們在進行試驗的時候,使用光譜儀得到的資料代表在整個被探測範圍內同入射光源相互作用的所有分子發出的光的平均值;而使用多光譜設備可以獲取被探測範圍內各點在幾個特定頻帶上樣品資訊。因此,這兩種設備均無法提供單個區域內非常精細的樣品資訊。

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高光譜成像儀(HSI)可以類比為數百或數千個單點光譜儀緊密的排在一起並同時關注一片區域,每個光譜儀都獨立工作,並獲取自己所在位置的光譜資訊。從HSI輸出的資料是圖片,或者視頻,這些圖片或者視頻中的每個圖元都有自己的光譜,並且每一張光譜都包含數百個光譜頻帶。

高光譜成像技術的這種“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資訊。因此高光譜成像的應用場景很豐富,其中包括藝術品鑒別,農作物健康,海岸線測繪,森林,礦物勘探,城市和工業基礎設施,生產線產品品質,環境監控等等。

 

高光譜的掃描方法和成像效果

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上圖:頻譜線掃描採集的示意圖,其中λ代表波長,x和y 代表圖元空間位置,t =隨時間的採集。
下圖:在感測器(焦平面陣列(FPA))所在的焦平面上的狹縫圖像和風光後的光譜資訊。


高光譜和多光譜的區別
很多時候材料的反射率特徵光譜相對於波長的變化可能非常複雜,而其他微小特徵使用較粗糙的多光譜成像方法也有可能無法分辨。

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上圖中使用多光譜成像(左)識別無法分辨的物質,通過使用高光譜成像(右)被分辨出來。其原因是由於高光譜具有更多的光譜頻帶,因此可以通過更高的光譜解析度準確地獲得更複雜的指紋特徵。

 

高光譜成像儀的使用原理
高光譜成像主要用於測量光與物質相互作用後的反射光,因此也是一種表面測量技術。Headwall的Hyperspec®HSI屬於線掃描設備,可通過稱為儀器狹縫的狹長入光口觀察場景。狹縫一次捕獲一行場景,並通過感測器獲取對應一行場景中每個點的光譜資訊。通過將儀器狹縫瞄準到感興趣的區域,或將移動物體掃過儀器的前面(例如,裝有產品的傳送帶),進而可以對整個場景進行成像,並獲取整個場景內逐個點的光譜資訊。


在室外使用高光譜成像儀(HSI)時,太陽作為照亮感興趣區域或物體的寬光譜光源。HSI通常裝在無人飛行器(UAV)和有人駕駛飛機上以掃描大面積區域,或者安裝在帶有旋轉平臺的三腳架或其他堅固的地面支架上進行靜態掃描。在室內使用高光譜感測器時,則需要使用人造寬光譜光源,例如鹵鎢燈,並且需要同時使用將感測器掃過樣品或樣品掃過感測器的方法獲取資料。

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Headwall高光譜成像系統的核心是使用一個高品質的全息衍射光柵,該光柵和其他成像光學元件共同形成獲取光譜(中心位置圖片)。從左上角開始開始順時針方向的圖片分別為:用於航空遙感的高光譜成像系統集成在輕型無人機上測成像系統;安裝在三腳架頂部的地面可見到近紅外高光譜成像系統;以及用於對實驗室臺式小樣品進行高光譜成像的掃描套件。


典型應用
高光譜設備可以檢測人眼不可見的紅外特定油漆或染料。同樣,相比於多光譜系統,60或300波段的HSI系統可以提供更豐富的材料反射光譜資訊,以實現更精准的物質表徵檢測。如下圖即為實驗室中將一片新鮮動物組織放置於傳送帶上使用高光譜成像儀所獲取的圖像和光譜資訊:

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不同區域的光譜圖:
(a)組織樣品上被標記的純脂肪區域,大理石花紋和純瘦肉部分的區域;
(b)標記在(a)圖不同區域的光譜圖。

 
此外我們還可以提供直觀的軟體程式對具有獨特光譜特徵的不同物質進行成像分析、分類和視覺化。無論這些資料是從空中、地面上還是在實驗室獲得,您都可以在電腦螢幕上看到那些可能不能夠用眼睛分辨的細節。