光學光譜學提供了對光與物質之間相互作用的寶貴見解，並在許多領域中得到了應用。 傳統上，光譜儀已應用於比色皿或固定位置的小樣品進行離散測量，以監控化學過程的進度。 但是，隨著新的相機技術和先進的圖像處理算法的出現，湧現了新的光譜成像技術，從而開闢了新的應用領域，並且在某些情況下取代了傳統的單點監測光譜儀。
研究了皮膚、肌肉和其他組織中微血管血流量和氧合量的測量結果。這些測量從皮膚或其他組織表面的單一的離散位置進行，在這些局部點的監視變化提供了有關醫學或藥物幹預期間血流動力學的有用信息。但是，組織灌注存在很大的異質性，因此灌注成像技術的發展使人們能夠更好地了解微血管流量和氧合的分布，光譜學也是如此。在許多情況下，單點光譜儀測量可提供很有價值的數據。但是，新的光譜成像技術正在增進我們的理解並帶來新的見解。最初開發用於提供衛星和飛機光譜圖像的高光譜成像儀現在也越來越多地用於醫學研究、機器視覺、食品科學、材料分析以及農業和礦物學等領域。
遙感光譜成像
光譜學在植物科學和農業中被廣泛用於植物健康的總體評估或植物病害的檢測和鑑定， 許多研究人員在野外使用可攜式分光光度計對當地的植物葉片進行採樣。通常，具有光合作用活性的植被會吸收紅光，並反射綠光和近紅外光。可攜式光譜儀可以測量350~2500nm的寬光譜範圍，並且可以通過對各種光譜進行計算得出營養指數，這些指數可以反應植物的健康狀況或葉綠素及氮含量等指標。然而，對葉片的小樣本檢測並不能代表整個區域的生長狀況。
標準彩色（RGB）航空照片可以提供整個田野的圖像，但是在健康的植物田地中卻存在葉子變色的區域，此時基於簡單RGB彩色照片的解釋是非常局限的。使用安裝在無人機（無人飛行器或無人駕駛飛機）上的攝像機進行的高光譜成像是一種更為強大的技術，因為它可以在圖像中的每個點（像素）獲取整個光譜，因此它結合了查看圖像的好處和光譜學提供的豐富數據信息。雖然多光譜成像也可提供圖像，但僅包含每個像素處少數光譜帶中的數據。使用高光譜成像還是多光譜成像取決於你的任務是什麼。基於營養指標的與一般植物健康有關的圖像通常可以基於幾個光譜帶生成，因此可以通過多光譜成像解決。但是，依賴於光譜特徵的細微差異的應用需要更精細地解析的高光譜數據。因此，為了識別樹木種類或區分病株和健康作物之間更細微的差異，高光譜成像是更合適的技術。
在遙感應用中，使用光譜成像相對於單點光譜技術具有明顯的優勢，但是，這些技術是高度互補的。 機載攝像機提供的信息可以通過在地面上的單點測量（所謂的「地面實況」）進行有效驗證。此外，這兩套數據將越來越多地與地球觀測衛星所提供的高光譜圖像結合使用。這將在空間和光譜解析度的多個級別上提供有關作物健康和環境問題的更詳細的信息。
（與解釋簡單的RGB彩色照片相比，在無人機上安裝高光譜相機提供了更強大的成像技術。圖片：Pro-Lite）
機器視覺中的光譜成像
機器視覺是受益於光譜成像應用增加的另一個領域，大多數材料可以通過它們與光的相互作用（反射率，透射率或吸收率）來識別，不同的光譜特徵可用於識別材料或將特定材料彼此分開。單點光譜儀的測量可能有用，但是光譜成像可以檢查不同材料的空間分布。通過識別可見波長範圍之外的光譜特徵，光譜成像還可以超越傳統RGB相機的功能。覆蓋可見光和近紅外波長範圍的寬帶光譜成像可用於區分不同的塑料，識別藥品或對食品質量進行分級。基於機器學習的實時分類技術的進步也開始被用來支持甚至自動化決策，加快流程並改善質量控制。
機器視覺中光譜成像的使用將取決於其帶來的好處、設備成本和易於實施之間的平衡。 光譜成像硬體和軟體的進步將有助於簡化易用性，成本在一定程度上取決於是否需要多光譜或高光譜數據。在變量數量有限的受控環境中，多光譜成像的應用可以降低成本，但是，在需要檢測材料或產品質量的細微差異的情況下可能需要使用高光譜成像。
醫學成像中的光譜成像
返回到醫學和外科手術中的應用，光譜成像可以在幾個領域提供顯著的好處。我已經提到過微血管組織氧合的成像，但它在內窺鏡檢查中也有應用，可用於非侵入性疾病診斷和圖像引導的微創手術。
實時光譜成像在圖像引導手術和癌症診斷中具有巨大潛力。癌組織在手術室中通常與健康組織沒有區別。但是，光譜成像有可能區分健康組織和癌組織之間的光譜差異，並在外科手術過程中實時對不同組織進行分類。通過在分子和組織水平上提供彩色編碼圖像，這具有增強外科醫生視野的潛力，這繼而可以最大化地去除腫瘤而不損害相鄰的正常組織。
那麼光譜成像是未來嗎？
光譜成像的好處是顯著且廣泛的。隨著硬體技術、圖像分析方法和計算能力的進步，我希望光譜成像在此處提到的幾個示例之外的眾多應用中發揮重要作用。光譜成像檢測人眼或普通RGB機器視覺相機可能遺漏的物體的能力不可低估。單點光譜分析仍然發揮著至關重要的作用，但是多光譜和高光譜成像為人們提供了一個令人振奮的一瞥，使人們對健康和幸福的未來充滿信心。