基于液晶滤光器的连续光谱成像测试装置

　　0　引言

　　普通的光学采集设备及其分析技术能够得到被测物的一维、二维,甚至三维图像[1].但只能提供样品的光学形态信息,而无法得到样品的成份信息,如样品的成份类别、成份含量等,则无能为力.目前,生命科学、化学分析、精细农业等学科领域在获得样品的表面形态信息的基础上,还希望对其内部成份进行研究[2-3].光谱测量是获得物质内部成份的一种有效手段,不同的成份具有不同的特征光谱,通过探测物质的反射光谱、透射光谱或激发光谱等,就可以判断成份类型,甚至成份的含量.因此,同时具备光学成像功能和光谱测量功能的光谱成像装置已成为业界研究的热点.

　　成像光谱的信息获取主要有两种方式,基于光谱仪的技术和滤光片分光技术.基于光谱仪技术的光谱成像系统的核心分光器件主要有棱镜、光栅等[3-5],这些设备多采用二维面阵列探测器,其中一维用做光谱仪,另一维为线性阵列,以推扫方式工作.设备需要精密的位移装置实现光谱图的二维成像,且对位移速度有较高要求,这样不但增加了系统成本,同时不可避免的引入系统的机械误差.另外,采用这种原理的装置,通常需要将分光器件和光学采集设备集成,与用户已有的普通光学图像采集设备很难衔接.采用滤光片分光技术可以对样品的光谱直接面阵成像,克服了前者的缺憾,但是目前的滤光片分光技术多采用若干个分立的滤光片,无法得到连续光谱.

　　本文采用液晶面阵滤光器作为分光器件.系统光路简单,只需将液晶盒加入到普通光学采集设备上即可实现面阵分光,得到连续光谱,同时,整个系统无需机械推扫装置,有效地提高了系统的空间分辨率[6-7],降低了系统成本.

　　1　系统设计

　　1.1　液晶滤光器

　　本文所采用的液晶滤光器是VariSpec电可调液晶滤光片( Liquid Crystal Tunable Filter,LCTF).液晶滤光片由液晶工作物质与加在其两边的偏振片构成.工作原理利用了液晶的双折射特性,当偏振光通过液晶材料时,o光和e光满足相干条件,发生干涉,干涉波长由o光和e光的光程差(即相位差)决定.由于液晶材料造成的相位差可以通过电压进行控制,因此施加不同的电压,就可以使不同波长的光发生干涉,从而实现分光的功能[7-8].滤光器由USB直接驱动,驱动电压(5±5%) V,一般电脑USB接口即可满足供电要求.空间分辨率为4 000×4 000,光谱分辨率可达到0.5 nm,光谱带宽10 nm,光谱覆盖范围从400~1 100 nm,接收半角宽度为7.5°.

　　1.2　系统设计

　　系统主要器件有光源、液晶滤光器、低照度面阵CCD、视频采集卡等,光路如图1.环形宽光谱光源发出的光照射到待测样品上,样品的反射光或激发光进入光学镜头,经透镜汇聚后通过液晶滤光器,从滤光器出射的单色光信号由面阵CCD转换为电信号,经视频采集卡采集并保存于计算机中.液晶滤光器的单色光谱由电压控制器控制选择.