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(shí)提供待測(cè)組織的圖像信息和光譜信息。本文簡(jiǎn)單總結(jié)了高光譜顯微成像技術(shù)的原理。

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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(gè)維度（1）為光譜信息。在高光譜數(shù)據(jù)中，有n個(gè)灰度圖像，其中n為波段數(shù)；圖像中各個(gè)像素點(diǎn)均有與之相對(duì)應(yīng)一條長(zhǎng)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(diǎn)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(dòng)x，y兩個(gè)維度實(shí)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(dòng)位移臺(tái)，因此硬件配置復(fù)雜。同時(shí)由于需要在空間維度上進(jìn)行掃描，該成像方式通常也很耗時(shí)。

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(gè)空間點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的光譜信息（1），只需沿另一空間軸y方向進(jìn)行掃描，即可得到三維高光譜數(shù)據(jù)。推掃型在單個(gè)像元上有較長(zhǎng)的探測(cè)時(shí)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(dòng)與陣列檢測(cè)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(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(zhǎng)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(cè)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(jìn)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(shí)間分辨率有很大的提升。快照型成像系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是硬件配置簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)便攜功能，數(shù)據(jù)處理方便，缺點(diǎn)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(jìn)入棱鏡發(fā)生色散現(xiàn)象，置于成像鏡片后焦面的探測(cè)器將色散光進(jìn)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(shí)間變化較慢的樣本光譜圖像測(cè)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(jī)械波，當(dāng)機(jī)械波通過晶體介質(zhì)時(shí)會(huì)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(shí)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(shí)，某一波長(zhǎng)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(dòng)頻率實(shí)現(xiàn)分光。圖2.3（e）為光楔分光原理，靠近面陣探測(cè)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(zhǎng)的光被面陣探測(cè)器的探測(cè)像元所接收。

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