未來生物識別的“光譜獵手”：高光譜傳感器

來源：知微創(chuàng)新、感知芯視界

早在遠古時代，光的反射和折射現(xiàn)象已經(jīng)被世界不同地區(qū)的人們所記錄和觀察。公元前300年，古希臘的歐幾里得在他的著作《反射光學》中，準確地描述了光在物體表面反射時，反射角等于入射角的定律。在中國，最早的光學研究可以追溯到春秋戰(zhàn)國時期的《墨經(jīng)》。這部作品記載了小孔成像的實驗，說明了成像必為正像，以及其大小和物體位置的關(guān)系。

公元1015年，被譽為“光學之父”的伊拉克物理學家Alhazen發(fā)表了光學的開山之作，打開了歐洲人認識“光”和“像”的窗口，但光的折射現(xiàn)象依然是個謎。

在1590年，漢斯父子發(fā)明了組合的顯微鏡。在這之后的二十年，Lippershey和伽利略發(fā)明了兩種不同類型的望遠鏡。同時，也有兩本科學巨著出版：1611年開普勒的《開普勒折射光學》提出了基本的光學原理，1612年安東尼奧·內(nèi)里的《玻璃的藝術(shù)》給出了制造高質(zhì)量光學玻璃的秘密。二者的結(jié)合，帶來了光學儀器制作的迅猛發(fā)展。

人類對光學物理本身的理解，卻沒有大的突破。但19世紀均勻玻璃的出現(xiàn)極大的促進了這個轉(zhuǎn)變。在1809年，Young的光的干涉試驗，證明了光的波動性，更進一步減弱了牛頓的光學粒子理論對光學設(shè)計的束縛，這個理論完備的解釋了光的散射，偏振現(xiàn)象，并隨著1865年麥克斯韋方程對光作為電磁波的描述而達到高潮。

進入二十世紀，科學家們逐漸揭示了物質(zhì)的量子屬性，并進一步揭示了光的波粒二象性（既有波動性，又有粒子性）。另外，實物粒子—電子的波動性和它的應用對成像技術(shù)也產(chǎn)生了深遠的影響。

一直以來，利用幾何光學和波動光學理論，科學家和工程師們推動著成像技術(shù)的不斷發(fā)展。近年來，利用光的量子理論發(fā)展新的成像技術(shù)正方興未艾。

電子方法在成像技術(shù)中發(fā)揮著重要作用。例如，電子顯微鏡可以提供高分辨率的圖像，使研究人員能夠觀察到原子級別的細節(jié)。這種技術(shù)在材料科學、生物學和納米技術(shù)領(lǐng)域中廣泛應用，幫助科學家們深入了解材料的微觀結(jié)構(gòu)和生物組織的細胞組成。

電子顯微鏡

然而，電子方法在成像方面存在一定的局限性。由于電子的波長較短，它們無法穿透較厚的樣品，因此只能用于觀察表面或薄層結(jié)構(gòu)。為了克服這一限制，科學家們開始探索光子方法。

光子計算成像

光子方法利用光的波動性質(zhì)來進行成像。與電子相比，光的波長較長，可以穿透更深的樣品。光學顯微鏡和熒光顯微鏡等光子成像技術(shù)廣泛應用于生物學和醫(yī)學領(lǐng)域，使研究人員能夠觀察到細胞和組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

光譜成像是使用整個電磁波譜范圍內(nèi)多個波段的成像技術(shù)。RGB 相機使用三個可見光波段（紅色、綠色和藍色）來生成圖像，而光譜成像可以檢查物體與許多其他波段的相互作用，包括 250 nm 到 15,000 nm 以及熱紅外波段。光與物質(zhì)之間相互作用的研究稱為光譜學或光譜檢測。

而高光譜成像是一種將光譜技術(shù)與成像技術(shù)相結(jié)合的強大技術(shù)，能夠以傳統(tǒng)成像系統(tǒng)無法實現(xiàn)的方式收集物體和表面組成及特征的詳細信息。在探測目標二維空間信息的同時，獲取其每一個空間位置上的光譜信息，從而實現(xiàn)對物質(zhì)成分的直接檢測物質(zhì)光譜信息具有指紋特性，即不同的物質(zhì)擁有不同的光譜。

為方便理解，我們可以認為是在普通二維圖像上增加一維的連續(xù)光譜信息，即三維數(shù)據(jù)（x,y,λ），x和y表示二維圖像坐標，λ表示光譜信息，其中光譜曲線的形態(tài)可以幫助確定物質(zhì)的種類。

因此，高光譜成像為機器視覺的物質(zhì)的感知、識別和分析提供了新路徑，是繼2D、3D視覺技術(shù)之后的下一代革命性視覺成像技術(shù)。由于高光譜成像能夠以無破壞性的非侵入方式識別和量化材料，其在各種行業(yè)和研究應用中越來越受歡迎。

高光譜成像技術(shù)在多個領(lǐng)域都有廣泛的應用，包括科學、醫(yī)學和工程學等領(lǐng)域。

在生物識別領(lǐng)域，高光譜傳感器的應用前景廣闊。首先，它可以用于個體身份驗證。通過捕捉人體皮膚、指紋、虹膜等生物特征的光譜信息，高光譜傳感器可以實現(xiàn)高精度的身份識別，有效防止偽造和欺詐行為。

其次，高光譜傳感器還可以用于生物體的健康狀況監(jiān)測。例如，在醫(yī)療領(lǐng)域，通過分析血液、唾液等生物樣本的光譜特征，可以快速準確地檢測出疾病的早期征兆，為臨床診斷提供重要依據(jù)。

此外，高光譜傳感器還可以應用于環(huán)境監(jiān)測和生態(tài)保護領(lǐng)域。通過捕捉植被、水體等自然環(huán)境的光譜信息，可以實時監(jiān)測生態(tài)環(huán)境的變化，及時發(fā)現(xiàn)污染源和生態(tài)破壞情況，為環(huán)境保護提供科學依據(jù)。

高光譜傳感器以其獨特的優(yōu)勢和廣泛的應用前景，將為生物識別領(lǐng)域帶來革命性的變革。它將為個體身份驗證、健康監(jiān)測、環(huán)境保護等領(lǐng)域提供更加精準、全面和高效的解決方案，推動生物識別技術(shù)的發(fā)展和應用。