显微高光谱成像系统的设计

　　1　引　言

　　光学成像技术和光谱技术是两种历史悠久而又应用广泛的光电技术,长期以来,它们分别沿着各自的方向发展,直到上个世纪80年代出现的成像光谱技术,才将二维成像技术和光谱技术有机地结合起来。成像光谱技术不仅能对物体进行形态成像,同时还能提供丰富的光谱信息,由于它具有光谱分辨率高、波段多、图像与光谱相结合等优点,因而使得它一出现就受到各国的极大重视,并在遥感各领域得到了广泛的应用。

　　近年来,随着成像光谱技术的日趋成熟,其在显微领域的应用也逐渐成为人们研究的热点[1-9],美国、英国、希腊等国家的研究人员通过不同的技术手段将成像光谱技术应用到病理学、细胞遗传学、组织学、免疫组织化学等领域,这些不同的技术手段主要体现在光谱分光方式上。目前,用于显微高光谱成像系统的光谱分光方法主要有:棱镜或光栅分光、线性渐变滤光片、声光可调谐滤光片、液晶可调谐滤光片等。棱镜或光栅分光是一种传统的、技术发展比较成熟的分光方式,但是基于棱镜或光栅分光的光谱成像仪器的主要缺点是系统信噪比和光谱分辨率受狭缝宽度的限制,狭缝越窄,光谱分辨率越高,但系统接收到的能量也随之降低;而声光滤光片和液晶滤光片是一种新型的分光方式,目前存在的主要问题是透光效率低、光谱范围有限、波长调谐时存在像移等。相对而言,基于渐变滤光片、声光滤光片和液晶可调谐滤光片的光谱成像仪器结构比较复杂、系统成本高。

　　在国内,人们对成像光谱技术的研究已经有多年的历史,西安光机所、长春光机所和上海技物所等单位先后开展了基于不同分光方法的成像光谱技术研究[10-11],但目前为止国内尚没有显微成像光谱技术研究领域的文献报道。

　　本文介绍的是作者研制的一种基于棱镜-光栅-棱镜组件[12]进行光谱分光的显微高光谱成像实验系统,该系统不仅能够提供可见光范围的单波段显微图像,而且能够获得图像中任一像素的光谱曲线。

　　2　显微高光谱成像原理

　　显微高光谱成像实验系统基于推帚式成像光谱仪的原理进行设计,光路原理图如图1所示。处于显微镜载物台上的样品被柯勒照明系统照明,瞬时视场内的样品条带通过显微镜物镜和0.6倍C-Mount接口镜头成像于分光计的狭缝处,再经过光谱分光组件后,在垂直样品条带方向按光谱色散,最后成像于CCD像面。CCD光敏面平行于狭缝的一维称为空间维,垂直于狭缝的一维称为光谱维,空间维每一行光敏元上得到的是样品条带一个光谱波段的像,这样面阵CCD相机每帧图像便对应于一个样品条带的多光谱图像。通过载物台自动装置对样品进行推扫,就得到整个样品的二维图像及光谱数据,即图像立方体。