高光譜顯微成像技術(shù)的原理
發(fā)布時(shí)間:2023-08-22
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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。
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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