未來生物識別的“光譜獵手”：高光譜傳感器

來源：知微創新、感知芯視界

早在遠古時代，光的反射和折射現象已經被世界不同地區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國時期的《墨經》。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系。

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

在1590年，漢斯父子發明了組合的顯微鏡。在這之后的二十年，Lippershey和伽利略發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·內里的《玻璃的藝術》給出了制造高質量光學玻璃的秘密。二者的結合，帶來了光學儀器制作的迅猛發展。

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極大的促進了這個轉變。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計的束縛，這個理論完備的解釋了光的散射，偏振現象，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也產生了深遠的影響。

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的不斷發展。近年來，利用光的量子理論發展新的成像技術正方興未艾。

電子方法在成像技術中發揮著重要作用。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。這種技術在材料科學、生物學和納米技術領域中廣泛應用，幫助科學家們深入了解材料的微觀結構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構。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廣泛應用于生物學和醫學領域，使研究人員能夠觀察到細胞和組織的內部結構。

光譜成像是使用整個電磁波譜范圍內多個波段的成像技術。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與成像技術相結合的強大技術，能夠以傳統成像系統無法實現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，從而實現對物質成分的直接檢測物質光譜信息具有指紋特性，即不同的物質擁有不同的光譜。

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光譜信息，即三維數據（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可以幫助確定物質的種類。

因此，高光譜成像為機器視覺的物質的感知、識別和分析提供了新路徑，是繼2D、3D視覺技術之后的下一代革命性視覺成像技術。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，其在各種行業和研究應用中越來越受歡迎。

高光譜成像技術在多個領域都有廣泛的應用，包括科學、醫學和工程學等領域。

在生物識別領域，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測。例如，在醫療領域，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。

此外，高光譜傳感器還可以應用于環境監測和生態保護領域。通過捕捉植被、水體等自然環境的光譜信息，可以實時監測生態環境的變化，及時發現污染源和生態破壞情況，為環境保護提供科學依據。

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