未来生物识别的“光谱猎手”：高光谱传感器

来源：知微创新

编辑：感知芯视界 Link

01光学成像的前世今生

早在远古时代，光的反射和折射现象已经被世界不同地区的人们所记录和观察。公元前300年，古希腊的欧几里得在他的著作《反射光学》中，准确地描述了光在物体表面反射时，反射角等于入射角的定律。在中国，最早的光学研究可以追溯到春秋战国时期的《墨经》。这部作品记载了小孔成像的实验，说明了成像必为正像，以及其大小和物体位置的关系。

公元1015年，被誉为“光学之父”的伊拉克物理学家Alhazen发表了光学的开山之作，打开了欧洲人认识“光”和“像”的窗口，但光的折射现象依然是个谜。

在1590年，汉斯父子发明了组合的显微镜。在这之后的二十年，Lippershey和伽利略发明了两种不同类型的望远镜。同时，也有两本科学巨著出版：1611年开普勒的《开普勒折射光学》提出了基本的光学原理，1612年安东尼奥·内里的《玻璃的艺术》给出了制造高质量光学玻璃的秘密。二者的结合，带来了光学仪器制作的迅猛发展。

人类对光学物理本身的理解，却没有大的突破。但19世纪均匀玻璃的出现极大的促进了这个转变。在1809年，Young的光的干涉试验，证明了光的波动性，更进一步减弱了牛顿的光学粒子理论对光学设计的束缚，这个理论完备的解释了光的散射，偏振现象，并随着1865年麦克斯韦方程对光作为电磁波的描述而达到高潮。

进入二十世纪，科学家们逐渐揭示了物质的量子属性，并进一步揭示了光的波粒二象性（既有波动性，又有粒子性）。另外，实物粒子—电子的波动性和它的应用对成像技术也产生了深远的影响。

一直以来，利用几何光学和波动光学理论，科学家和工程师们推动着成像技术的不断发展。近年来，利用光的量子理论发展新的成像技术正方兴未艾。

02什么是高光谱成像？

电子方法在成像技术中发挥着重要作用。例如，电子显微镜可以提供高分辨率的图像，使研究人员能够观察到原子级别的细节。这种技术在材料科学、生物学和纳米技术领域中广泛应用，帮助科学家们深入了解材料的微观结构和生物组织的细胞组成。

然而，电子方法在成像方面存在一定的局限性。由于电子的波长较短，它们无法穿透较厚的样品，因此只能用于观察表面或薄层结构。为了克服这一限制，科学家们开始探索光子方法。

光子计算成像

光子方法利用光的波动性质来进行成像。与电子相比，光的波长较长，可以穿透更深的样品。光学显微镜和荧光显微镜等光子成像技术广泛应用于生物学和医学领域，使研究人员能够观察到细胞和组织的内部结构。

光谱成像是使用整个电磁波谱范围内多个波段的成像技术。RGB 相机使用三个可见光波段（红色、绿色和蓝色）来生成图像，而光谱成像可以检查物体与许多其他波段的相互作用，包括 250 nm 到 15,000 nm 以及热红外波段。光与物质之间相互作用的研究称为光谱学或光谱检测。

而高光谱成像是一种将光谱技术与成像技术相结合的强大技术，能够以传统成像系统无法实现的方式收集物体和表面组成及特征的详细信息。在探测目标二维空间信息的同时，获取其每一个空间位置上的光谱信息，从而实现对物质成分的直接检测物质光谱信息具有指纹特性，即不同的物质拥有不同的光谱。

为方便理解，我们可以认为是在普通二维图像上增加一维的连续光谱信息，即三维数据（x,y,λ），x和y表示二维图像坐标，λ表示光谱信息，其中光谱曲线的形态可以帮助确定物质的种类。

因此，高光谱成像为机器视觉的物质的感知、识别和分析提供了新路径，是继2D、3D视觉技术之后的下一代革命性视觉成像技术。由于高光谱成像能够以无破坏性的非侵入方式识别和量化材料，其在各种行业和研究应用中越来越受欢迎。

03高光谱成像技术——“生物猎手”？

高光谱成像技术在多个领域都有广泛的应用，包括科学、医学和工程学等领域。

在生物识别领域，高光谱传感器的应用前景广阔。首先，它可以用于个体身份验证。通过捕捉人体皮肤、指纹、虹膜等生物特征的光谱信息，高光谱传感器可以实现高精度的身份识别，有效防止伪造和欺诈行为。

其次，高光谱传感器还可以用于生物体的健康状况监测。例如，在医疗领域，通过分析血液、唾液等生物样本的光谱特征，可以快速准确地检测出疾病的早期征兆，为临床诊断提供重要依据。

此外，高光谱传感器还可以应用于环境监测和生态保护领域。通过捕捉植被、水体等自然环境的光谱信息，可以实时监测生态环境的变化，及时发现污染源和生态破坏情况，为环境保护提供科学依据。

高光谱传感器以其独特的优势和广泛的应用前景，将为生物识别领域带来革命性的变革。它将为个体身份验证、健康监测、环境保护等领域提供更加精准、全面和高效的解决方案，推动生物识别技术的发展和应用。

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审核编辑 黄宇