海洋光学的应用很广，半导体制造过程中的传感监测就是很重要的一个领域。本文是海洋光学系列之一：如何区别光谱、多光谱、高光谱？
海洋光学是研究海洋的光学性质、光在海洋中的传播规律和运用光学技术探测海洋的科学。它是海洋物理学的分支学科，又是光学的分支学科。光电子学方法是海洋光学测量的主要手段，基础研究中包括实验和理论两方面。实验方面主要运用现场和实验室的测量方法进行海洋光学性质的研究。
海洋光学的应用很广，半导体制造过程中的传感监测就是很重要的一个领域。本文是海洋光学系列之一：如何区别光谱、多光谱、高光谱？
海洋光学是研究海洋的光学性质、光在海洋中的传播规律和运用光学技术探测海洋的科学。它是海洋物理学的分支学科，又是光学的分支学科。光电子学方法是海洋光学测量的主要手段，基础研究中包括实验和理论两方面。实验方面主要运用现场和实验室的测量方法进行海洋光学性质的研究。
光谱分析作为自然科学分析的重要手段，光谱技术常常用来检测物体的物理结构、化学成分等指标。图像光谱测量则是结合了光谱技术和成像技术，将光谱分辨能力和图形分辨能力相结合，造就了空间维度上的面光谱分析，也就是现在的多光谱成像和高光谱成像技术。
光谱、多光谱和高光谱之间的区别？
光 谱
是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散分离成的单色光，通过成像系统，投射在探测器上成为按波长（或频率）大小依次排列的图案，既称为光学频谱。海洋光学的光谱仪正是基于这样的原理设计制造的。
光波根据波长不同，又有不同的称谓：波长处于380和780nm之间的光波称为可见光，短于380nm的称之为紫外光；而长于780nm的则为红外光（红外光又分为近红外、中红外、远红外等等）。
多光谱技术
是指能同时获取多个光学频谱波段（通常大于等于3个），并在可见光的基础上向红外光和紫外光两个方向扩展的光谱探测技术。常见实现方法是通过各种滤光片或分光器与多种感光胶片的组合，使其在同一时刻分别接收同一目标在不同窄光谱波段范围内辐射或反射的光信号，得到目标在几张不同光谱带的照片。身边最常见的多光谱照片是彩色相机拍摄的照片，如下图，从频谱上看，其包含了红色（1），绿色（2）和蓝色（3）三个光学频谱波段的信息。如果在相机或者探测器上，增加更多的频带如频带（4）和（5），就可以获得一个含多个频带的多光谱照片了。
多光谱技术结合成像硬件，即可图像形式呈现多光谱信息。
当然也可以仅使用探测器进行单个空间点位的光谱信息获取。海洋光学旗下品牌Pixelteq以独特的芯片滤光技术，可以实现在9*9cm的芯片上获取8个通道的光谱信息，特别适用于空间和成本要求极高的应用场合。
高光谱成像
是一种可以捕获和分析一片空间区域内逐点上光谱的精细技术，由于可以检测到单个对象不同空间位置上的独特光谱“特征”,因此可以检测到在视觉上无法区分的物质。
高光谱示例：图像由更窄的波段（10-20 nm）组成。高光谱图像可能有数百或数千个波段。物体与光源的光相互作用并被非成像光谱分析设备（比如光谱仪）接收后，设备可以精确地反应出接收到的光信号在光谱频带上分布的强度差异也就是光谱信息。而使用高光谱设备时，从成像特性角度看，可以了解到样品各个位置的光谱信息，从光谱特性角度看，可以了解在特定光谱带内的信号位置分布，也就是说，高光谱设备可以获取更加丰富的细节信息。例如：人眼只能接收三个光谱频段中物体的光能量信号：红色，绿色和蓝色。也就是我们常称的发光三原色，但是事实上我们能够看到由这三种颜色的组合产生的橙色，紫色，青绿色等等的更细微的色彩。但是，我们并不不能区分纯黄色和红绿二色的混合色的差异，这也称为“同色异谱”。但是高光谱成像却可以轻松分辨其中的区别。
上图，两种黄色，一种是“纯色”，另一种是红色和绿色的混合物，在视觉上可能无法区分，但由于它们的光谱差异，使用光谱设备却可以将其区分。我们在进行试验的时候，使用光谱仪得到的数据代表在整个被探测范围内同入射光源相互作用的所有分子发出的光的平均值；而使用多光谱设备可以获取被探测范围内各点在几个特定频带上样品信息。因此，这两种设备均无法提供单个区域内非常精细的样品信息。
高光谱成像仪（HSI）可以类比为数百或数千个单点光谱仪紧密的排在一起并同时关注一片区域，每个光谱仪都独立工作，并获取自己所在位置的光谱信息。从HSI输出的数据是图片，或者视频流，这些图片或者视频中的每个像素都有自己的光谱，并且每一张光谱都包含数百个光谱频带。 高光谱成像技术的这种“全光谱”功能让人们可以看到一个场景中每一个可分辨的空间位置上的光谱信号，即得到了更多维度的信息。因此高光谱成像的应用场景很丰富，其中包括艺术品鉴别，农作物健康，海岸线测绘，森林，矿物勘探，城市和工业基础设施，生产线产品质量，环境监控等等。
高光谱的扫描方法和成像效果
上图：频谱线扫描采集的示意图，其中λ代表波长，x和y 代表像素空间位置，t =随时间的采集。下图：在传感器（焦平面阵列（FPA））所在的焦平面上的狭缝图像和风光后的光谱信息。
高光谱和多光谱的区别
很多时候材料的反射率特征光谱相对于波长的变化可能非常复杂，而其他微小特征使用较粗糙的多光谱成像方法也有可能无法分辨。
上图中使用多光谱成像（左）识别无法分辨的物质，通过使用高光谱成像（右）被分辨出来。其原因是由于高光谱具有更多的光谱频带，因此可以通过更高的光谱分辨率准确地获得更复杂的指纹特征。
典型应用
高光谱设备可以检测人眼不可见的红外特定油漆或染料。同样，相比于多光谱系统，60或300波段的HSI系统可以提供更丰富的材料反射光谱信息，以实现更精准的物质表征检测。如下图即为实验室中将一片新鲜动物组织放置于传送带上使用高光谱成像仪所获取的图像和光谱信息：
不同区域的光谱图：（a）组织样品上被标记的纯脂肪区域，大理石花纹和纯瘦肉部分的区域；（b）标记在（a）图不同区域的光谱图。
此外我们还可以提供直观的软件程序对具有独特光谱特征的不同物质进行成像分析、分类和可视化。无论这些数据是从空中、地面上还是在实验室获得，您都可以在计算机屏幕上看到那些可能不能够用眼睛分辨的细节。
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