未來生物識(shí)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(yuǎn)古時(shí)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(xué)》中，準(zhǔn)確地描述了光在物體表面反射時(shí)，反射角等于入射角的定律。在中國，最早的光學(xué)研究可以追溯到春秋戰(zhàn)國時(shí)期的《墨經(jīng)》。這部作品記載了小孔成像的實(shí)驗(yàn)，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(yù)為“光學(xué)之父”的伊拉克物理學(xué)家Alhazen發(fā)表了光學(xué)的開山之作，打開了歐洲人認(rèn)識(shí)“光”和“像”的窗口，但光的折射現(xiàn)象依然是個(gè)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(yuǎn)鏡。同時(shí)，也有兩本科學(xué)巨著出版：1611年開普勒的《開普勒折射光學(xué)》提出了基本的光學(xué)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(xué)玻璃的秘密。二者的結(jié)合，帶來了光學(xué)儀器制作的迅猛發(fā)展。

人類對(duì)光學(xué)物理本身的理解，卻沒有大的突破。但19世紀(jì)均勻玻璃的出現(xiàn)極大的促進(jìn)了這個(gè)轉(zhuǎn)變。在1809年，Young的光的干涉試驗(yàn)，證明了光的波動(dòng)性，更進(jìn)一步減弱了牛頓的光學(xué)粒子理論對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)的束縛，這個(gè)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(duì)光作為電磁波的描述而達(dá)到高潮。

進(jìn)入二十世紀(jì)，科學(xué)家們逐漸揭示了物質(zhì)的量子屬性，并進(jìn)一步揭示了光的波粒二象性（既有波動(dòng)性，又有粒子性）。另外，實(shí)物粒子—電子的波動(dòng)性和它的應(yīng)用對(duì)成像技術(shù)也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

一直以來，利用幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)理論，科學(xué)家和工程師們推動(dòng)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(jí)別的細(xì)節(jié)。這種技術(shù)在材料科學(xué)、生物學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，幫助科學(xué)家們深入了解材料的微觀結(jié)構(gòu)和生物組織的細(xì)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(xué)家們開始探索光子方法。

光子計(jì)算成像

光子方法利用光的波動(dòng)性質(zhì)來進(jìn)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(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡等光子成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，使研究人員能夠觀察到細(xì)胞和組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

光譜成像是使用整個(gè)電磁波譜范圍內(nèi)多個(gè)波段的成像技術(shù)。RGB 相機(jī)使用三個(gè)可見光波段（紅色、綠色和藍(lán)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(xué)或光譜檢測(cè)。

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(qiáng)大技術(shù)，能夠以傳統(tǒng)成像系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的方式收集物體和表面組成及特征的詳細(xì)信息。在探測(cè)目標(biāo)二維空間信息的同時(shí)，獲取其每一個(gè)空間位置上的光譜信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)成分的直接檢測(cè)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(rèn)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(biāo)，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(jī)器視覺的物質(zhì)的感知、識(shí)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(shí)別和量化材料，其在各種行業(yè)和研究應(yīng)用中越來越受歡迎。

高光譜成像技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，包括科學(xué)、醫(yī)學(xué)和工程學(xué)等領(lǐng)域。

在生物識(shí)別領(lǐng)域，高光譜傳感器的應(yīng)用前景廣闊。首先，它可以用于個(gè)體身份驗(yàn)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(shí)現(xiàn)高精度的身份識(shí)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(cè)。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(zhǔn)確地檢測(cè)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(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和生態(tài)保護(hù)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境的變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染源和生態(tài)破壞情況，為環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

高光譜傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)用前景，將為生物識(shí)別領(lǐng)域帶來革命性的變革。它將為個(gè)體身份驗(yàn)證、健康監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域提供更加精準(zhǔn)、全面和高效的解決方案，推動(dòng)生物識(shí)別技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。