序言
以課堂展示為契機，系統梳理一下成像、多光譜成像、FP干涉原理。
成像
在闡述“多光譜成像”這個概念之前，首先說說什么是“光”。從物理來看，光本質就是一種電磁波，一個極其單調枯燥乏味的定義。浪漫一點看，浮生萬物體內的能量總是直接或間接地來自光合作用(極少數硝化細菌除外，以后不嚴謹的說法不再打補丁)，我們都是光！自古以來，不論何方，光也被寄予着許多浪漫情思，光是風物，有“水光瀲灧晴方好”的歲月靜好；光是思念，有“床前明月光”的羈旅思親之孤寂；光是感慨，有“夕陽無限好”的歲月遲暮之悲，你還相信光嗎？除了在中國，法國的莫奈也在用畫筆窮其一生追光。
圖1 莫奈~日出印象
為了留住那光影變遷的瞬間，捕獲剎那即逝的美好，莫奈畫畫時總是一次鋪開十幾個畫板，同時作畫，用筆尖去追逐光的速度，最終患上白內障。誰能想到就是這樣一個極致的追光者，在失明后卻創作出睡蓮，這幅光與影運用到極致的神作，原來莫奈是用心留住了光。
圖2 莫奈~睡蓮
然而我們凡夫俗子既無文筆也無畫筆，又該如何留住光、定格回憶呢？答案就是：相機成像技術。
圖3 電磁波譜段
上圖所示的是電磁波譜段，由圖可見，可見光只占其中很小的一部分，波長范圍大概在400nm-760nm，除此之外，長波紅外，短波紫外也是廣義上的光。
描述光的參數大概、主要、一般就是：
- 波長
- 光強
不同波長的光對應不同顏色，由於顏色在成像過程中更加直觀，因此后文就用顏色代替波長這個概念。基於以上分析，要記錄光只需要記錄其顏色和光強即可。那相機到底是如何記錄光的顏色和對應光強呢，先來看看相機成像原理：
圖4 相機成像結構及原理
圖中其余結構都不重要，只需要知道CMOS是一種成像探測器，除此之外CCD也是一種常用的成像探測器，成像探測器可以將光強轉化為電參的大小即記錄光強。等等，還有點不對勁！剛才說了要實現成像除了記錄光強之外還需要記錄顏色啊，這成像探測器只記錄了光強怎么可以說就完成了成像呢？非常遺憾的是，到目前為止所有的成像探測器都不能記錄顏色信息，只能記錄光強信息。只記錄光強信息得到的圖像即灰度圖，下面展示就是一張灰度圖，光強越亮的地方對應到圖上也就越白。
圖5 灰度圖
然而人類怎么會滿足於對着灰蒙蒙的圖回憶過往多彩的生活呢？如何實現彩色成像成像呢？在闡述如何實現彩色成像前先說說一些其它的相關事情。頭一件事情就是，雖然可見光波長大概是400nm760nm，根據前文波長顏色的說法，不嚴謹地說，可見光大概有760-400=360種顏色。第二件事情就是人眼只對可見光360種顏色中的紅色（R）、綠色（G）、藍色(B)這3種顏色敏感。因此，在成像過程中我們不需要把這360種顏色的光強信息一一記錄下來，我們只需要記錄下R、G、B這三種顏色的光強信息就可以了，分別稱為R通道、G通道、B通道圖像。那么問題又來了，以R通道圖像的形成為例，通常物體反射進入相機的光是360種顏色糅在一起的一團漿糊，如何只記錄紅色光的光強信息呢？這里還需要借助濾光片，濾光片可以只讓特定顏色的光通過，而阻擋其它顏色的光。借助紅色濾光片，我們可以濾除除紅光以外的所有其它光，最終只讓紅光照射到圖4相機結構中的CMOS成像探測器，進而記錄紅光的光強信息。對於G通道、B通道成像原理相同不再贅述。
圖6 圖像處理女神————Lenna回眸一笑照
以圖像處理女神————Lenna回眸一笑照為例，為了獲得這種彩色照片，可以在成像探測器前分別加上R濾波片、G濾波片和B濾波片從而分別獲取R灰度圖、G灰度圖和B灰度圖。
圖7 Lenna R/G/B通道下灰度圖
咦！？不是說好，獲得彩色圖像的嗎？這還是灰色的啊，其實相機結構中成像傳感器采集到的最原始的信息的圖像就是如此，我們離彩色圖像只有 壹 貳步之遙。圖7我們分別得到了R/G/B三個通道下的灰度圖，由於事先已經知道其記錄光的顏色分別是紅色、綠色、藍色，因此我們可以人為將紅色、綠色、藍色賦在灰度圖上，灰度圖上越暗的地方，賦的顏色就越深，得到R、G、B各個通道下的彩圖。
圖8 Lenna R/G/B通道下彩圖
最后采用一定算法將圖8各個像素點的紅色、綠色、藍色融合就可以得到圖6了。至此，解釋完相機成像的過程。（其實還留個個小尾巴，實際相機拍照並不是分別拍R/G/B三張圖像再融合為一張彩圖而是基於“拜耳”成像原理https://blog.csdn.net/abcwoabcwo/article/details/107169865?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2defaultbaidujs_title~default-0.opensearchhbase&spm=1001.2101.3001.4242.0，一次性拍得R/G/B “三張”圖像 ）
多光譜成像
上面說了那么多，其實不是廢話。由上述可知，一般成像技術只用到圖3電磁波譜中很窄窄的三段即R、G、B段而其余波段的光都被濾除了。簡單來說，多光譜成像就是充分利用物質反射回來的光，利用幾十上百段光對目標物體進行成像。
一束光照射到目標物體上，不同波長的光物體對其反射率不同，這就是物質的反射光譜。光譜是物質的指紋和身份證。多光譜成像技術將多光譜與成像技術融合，在獲取目標物體空間信息的同時還能夠獲得表征其表面理化特性的光譜信息，是探測識別領域前沿和熱點。
圖9 多光譜成像
FP干涉原理
不寫了。。。，以下將課堂匯報PPT隱藏敏感信息后貼上。。。
P1：老師好！各位同學好！今天我要分享的內容是“基於FP濾波結構的可調多光譜成像”，我的導師是########老師。
P2:我將從以下三個方面，給大家介紹一下基於FP濾波結構的可調多光譜成像
P3 & P4:首先我們來看看第一個關鍵詞————多光譜成像。首先，問問大家光是什么？
*** 光是自然界的能量之源**
*** 光是人類溝通宇觀、微觀的橋梁**
*** 光是稍縱即逝的璀璨**
這就有點說來話長了，大家耐心待我細細道來。古今中外，“光”就被賦予無比崇高的地位，現代物理學家將光稱為是人類溝通宇觀和微觀的橋梁，大到數億光年的天體，小到原子，光是人類研究這些重要紐帶。 光是自然的能量之源，我們生物體內的能量都直接或間接來自光合作用，可以說我們都是光的化身。光陰似箭，日月如梭，光是抓不住的回憶。 說了這么多大家可能已經煩了，下面大家注意了，我要進入主題了。為了留住光，古今中外，無數才俊或是用文字、或是用畫筆都曾嘗試過用筆尖的速度去追趕光的速度。 第三張圖，是法國著名印象派畫家莫奈的名畫————撐陽傘的女人。莫奈非常善於用色彩去捕捉那光影變遷間畫面。然而我們普通人，既無文字也無繪畫功底，又該怎么留住光呢？
P5: 答案就是，成像技術。在學會捕捉光之前，我們先了解一下光。描述光的參數主要有顏色、強度和偏振態，我們要留住捕捉到光說白了就是記錄下光的這些參數。
因此：
- 記錄下光強度的圖像，稱為灰度圖像
- 記錄下光顏色的圖像，稱為彩色圖像
- 記錄下光偏振態的圖像，稱為偏振圖像
由於我沒有接觸過偏振成像，因此我下面主要講講灰度圖像和彩色圖像的成像原理。
P6: 我們請出了大名鼎鼎的圖像傳感器，圖像傳感器是一種可以記錄光強的器件。 目前圖像傳感器主要有CCD和CMOS兩種。圖像傳感器可以將光的強度信息轉變為電參量，完成對光強度信息的捕捉。
先來說說如何記錄光的強度，得到灰度圖像，這里我們就需要借助圖像傳感器。目前常用的圖像傳感器分為CMOS和CCD，就是一種光電耦合器件，能夠將光強大小轉化為電參量大小的傳感器。
P7：最左邊的回眸一笑的模特是圖像處理界女神————Lenna,然而在中間的圖像傳感器看來她不過是一個個像素色塊，圖像傳感器自身也是由一塊塊像素單元構成的，圖像傳感器的每個像素單元分別負責記錄人物模特對應的色塊的強度。模特色塊越亮的地方，在最終的灰度圖像中就越白，按照這個對應關系，將圖像傳感器每個像素記錄的色塊強度最終轉化為灰度圖像輸出。
P8:上面說的就是數碼黑白圖像的成像原理，當然人們自然不會滿足於拿着黑白圖像去回憶，是吧。本來成像的照片都是灰蒙蒙的，於是上帝說讓拜耳來吧，於是照片就變得豐富多彩了。拜耳提出了彩色成像原理。 大概意思是： 雖然物體反射回人眼的光是一段連續光譜，通俗來說，就是有很多顏色，但是人眼主要對其中的紅光、綠光、藍光敏感，因此在進行彩色成像是也無須記錄下物體反射回來的各種顏色的光，退而求其次，只需要記錄其下中的紅、綠、藍光就好了。那怎么記錄下紅、綠、藍光呢？這還得請出灰度成像中的圖像傳感器。我們在圖像傳感器每個像素前加上光學濾波結構，光學濾波結構就是只讓特定顏色的光透過，而阻擋其余顏色光的光學元件。通過在圖像傳感器像素前添加R，G，B濾波結構，就可以讓圖像傳感器只記錄下物像總紅、綠、藍光的強度信息，得到紅、綠、藍下的三幅灰度圖像，因為我們事先是已經知道每幅圖像的顏色，因此按照其灰度值附上顏色信息得到紅、綠、藍顏色，就可以得到單色圖像，最后將這三幅單色圖像融合就得到了彩色圖像。
P9: 以上是灰度圖像和彩色圖像的成型原理，接下來說一說多光譜成像。首先解釋一下什么叫光譜————光譜就是復色光，以波長為橫坐標，以強度為縱坐標的繪制的圖像。
P10：前面說的這了多，可能還是覺我在說廢話，下面真的要進入主題了。剛才介紹了灰度圖像成像原理、彩色圖像圖像成像原理，一言以蔽之，灰度成像記錄的是所有顏色光冗雜在一起的強度信息；彩色成像記錄的是紅光、綠光、藍光的強度強度信息，一副彩色圖像包含紅光灰度圖、綠光灰度圖、藍光灰度圖三個切片； 理解以上，那理解多光譜成像就水到渠成了，彩色成像只記錄的物體反射光中紅、綠、藍光的信息，絕大部分顏色光的信息都丟失了，多光譜成像就是記錄幾十上百種顏色光的信息的成像方式。左邊這張圖，直觀展示了彩色成像和多光譜成像采集到的信息，彩色成像只有三種顏色灰度圖像的切片而多光譜成像包含了幾十上百種顏色灰度圖像的切片。我們把物體在不同顏色下的灰度值畫在一張圖上，就得到了物體的反射光譜。
P11: 那獲得物體的光譜有什么用呢？光譜是物質的指紋和身份證，光譜可以用於物質識別。而光譜成像在獲取目標空間信息的同時還能夠獲得表征其表面理化特性的光譜信息，因此一直是探測識別領域的研究重點。
P12: 以航空樓D座下花草為對象進行多光譜成像，我拍了其在不同波段簡單理解就是在不同顏色下的灰度圖，由下面三幅大圖為例，可以直觀看到不同葉子在不同波段下的特征有明顯差異。
P13: 進一步，獲得不同植被的光譜特征曲線用於植被分類，右下圖是分類結果，可見分類的效果還是挺好的。
P14: 我們已經了解到，彩色成像中需要借助濾波器件以分別得到紅光、綠光、藍光下的灰度圖像，彩色圖像也稱為三光譜成像，多光譜成像就是獲得紅光、綠光、藍光、紫光、橙光等等光下的灰度圖像，當然也需要濾波器件了。今天我要介紹的就是FP濾波結構。
P15: 這一頁是常用的濾波手段,下面我們重點看看FP濾波原理
P16: 兩塊平行放置的介質平板與板間介質構成FP腔，光在FP腔內發生多次反射和透射，當特定波長的光滿足相干條件時相干增強，而其余波長的光相干相消，宏觀上就表現為FP腔對光譜的選擇透過性。公式（1）就是FP濾波原理，這個公式太復雜了，我們只需要知道左邊 lamda_m 是FP腔的選擇性透過光的波長，它受FP的腔長d,腔內介質折射率n的影響。
P17: 因此，我們通過改變FP腔的腔長d或腔間介質折射率n,就可以只讓喜歡的顏色光透過，而濾除其余所有光。
P18: 我在網上找了很久FP濾波原理的直觀解釋，沒有找到，我就自己畫了一下，大概說說我的理解。圖中藍光、橙光，兩束波長不同的光射進FP腔，它們在腔內經過多次反射、透射，最終一束分成了很多束，圖中只畫出了四束。由於左圖的光波長滿足FP相干條件，其所有射出FP腔的分光的相位差為周期的整數倍，峰值處錯開了，因此疊加起來不會有損失；而左圖中橙光射出FP腔的所有分光相位差不是周期的整數倍因此會有相互抵消的情況，以至於完全相互抵消。這就直觀解釋了FP選擇透過性。
P21: 說了這么久，終於說到我要做的工作了。我們已經知道，改變FP腔長，可以調整其選擇透過性光的波長，我的工作就是驅動FP腔長精准變化，達到捕獲想要的光的目的。目前，基於########驅動，已經完成的部分如圖，目前只是#########，后面我將向着############努力。
