高光譜顯微成像技術(shù)將高光譜成像與顯微成像相結(jié)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(tǒng)的原理是什么？應(yīng)用領(lǐng)域有哪些呢？本文進行了簡單總結(jié)。

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顯微高光譜成像系統(tǒng)的原理

高光譜成像系統(tǒng)可以采集到三維數(shù)據(jù)立方，圖中（x，y）維度為空間圖像信息（如圖所示），第三個維度（1）為光譜信息。在高光譜數(shù)據(jù)中，有n個灰度圖像，其中n為波段數(shù)；圖像中各個像素點均有與之相對應(yīng)一條長度為n的光譜曲線。

高光譜成像系統(tǒng)根據(jù)成像方式的不同分為擺掃型，推掃型，凝視型和快照型。如圖所示，為四種典型高光譜系統(tǒng)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(jīng)過掃描鏡、分光系統(tǒng)后被CCD收集，樣本完整空間信息依靠移動x，y兩個維度實現(xiàn)，最終得到高光譜圖像數(shù)據(jù)立方體（x，y，1）。擺掃型系統(tǒng)在圖像采集過程中需要匹配兩軸高精度電動位移臺，因此硬件配置復(fù)雜。同時由于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(yīng)的光譜信息（1），只需沿另一空間軸y方向進行掃描，即可得到三維高光譜數(shù)據(jù)。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掃型有很大提升，但是系統(tǒng)在推掃成像過程中需要使樣本的移動與陣列檢測器的幀采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(tǒng)可通過一次曝光獲得待測樣本的空間信息（即特定波段二維灰度圖像（x，y）），利用濾波器（如帶通濾波器、可變干涉濾波器或線性可變?yōu)V波器等）調(diào)整系統(tǒng)的輸出波長將高光譜數(shù)據(jù)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樣本空間信息和光譜信息。與擺掃型、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(shù)據(jù)立方體（x，y，1），時間分辨率有很大的提升。快照型成像系統(tǒng)的優(yōu)點是硬件配置簡單，可以實現(xiàn)便攜功能，數(shù)據(jù)處理方便，缺點是空間分辨率和光譜分辨率均有限。

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圖2.2高光譜系統(tǒng)成像示意圖（a）擺掃型，（b）推掃型，（c）凝視型，（d）快照型（41高光譜系統(tǒng)

根據(jù)分光方式不同，又有多種分類，不同的分光技術(shù)直接影響高光譜系統(tǒng)的整體性能、結(jié)構(gòu)和成本。常見的分光方式有：棱鏡分光、光柵分光、可調(diào)諧濾光片分光和光楔成像等。

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圖2.3（a）所示為棱鏡分光法，入射光在經(jīng)過狹縫和準(zhǔn)直鏡后進入棱鏡發(fā)生色散現(xiàn)象，置于成像鏡片后焦面的探測器將色散光進行成像。圖2.3（b）為光柵分光法，原理與棱鏡法相類似，分光元件采用光柵。圖2.3（c）為邁克爾遜干涉分光原理示意圖。光譜信息由經(jīng)過傅里葉變換的干涉圖得到，該分光模式適用于空間和光譜隨時間變化較慢的樣本光譜圖像測量。圖2.3（d）所示為聲光可調(diào)諧濾光片。其分光原理是聲光衍射，聲波是一種機械波，當(dāng)機械波通過晶體介質(zhì)時會產(chǎn)生應(yīng)變作用，在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生收縮或膨脹區(qū)域，周期性地改變介質(zhì)折射率，此時的晶體介質(zhì)相當(dāng)于相位光柵。當(dāng)復(fù)色光入射到該晶體時，某一波長的單色光發(fā)生衍射，并以一定角度透射出來，通過控制晶體振動頻率實現(xiàn)分光。圖2.3（e）為光楔分光原理，靠近面陣探測器安裝有楔形多層膜介質(zhì)干涉濾光片，最終干涉產(chǎn)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(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

顯微高光譜成像系統(tǒng)，基于高光譜成像技術(shù)，可同時獲取目標(biāo)的三維數(shù)據(jù)立方體（二維圖像及一維光譜數(shù)據(jù)）。

近年來，隨著成像光譜技術(shù)的日趨成熟，其在顯微領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸成為人們研究的熱點，美國、英國、希臘等國家的研究人員通過不同的技術(shù)手段將成像光譜技術(shù)應(yīng)用到病理學(xué)、細胞遺傳學(xué)、組織學(xué)、免疫組織化學(xué)等領(lǐng)域，這些不同的技術(shù)手段主要體現(xiàn)在光譜分光方式上。在國內(nèi)，人們對成像光譜技術(shù)的研究已經(jīng)有多年的歷史，西安光機所、長春光機所和上海技物所等單位先后開展了基于不同分光方法的成像光譜技術(shù)研究，

目前為止，顯微高光譜成像系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在以下介個方面：

生物醫(yī)學(xué)：醫(yī)療病理學(xué)診斷、免疫組織檢測、生物組織的識別、判斷和分析等；

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

食品安全：瓜果蔬菜農(nóng)藥殘留檢測、肉類產(chǎn)品食用品質(zhì)及表面污染物檢測；

藥品檢測：藥片中的有效成分含量及其分布檢測；

石油石化：石油中化學(xué)成分鑒定，石化產(chǎn)品的化學(xué)成分剖析和配方研制等。

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