光纤光谱成像技术原理及其应用

　　本文介绍了一项国外最新研制的纤维束成像压缩技术(FIC)，应用该项技术可以实现光学吸收光谱和荧光光谱成像。吸收光谱成像像实验测定了染色的百合茎部切片的光学吸收分布情况，荧光光谱成像实验测定了红宝石荧光边界的移动，分析了夹挤在两金刚石界面间的微晶红宝石粉的压力分布状况。

　　1.引言

　　带电耦合器件(CCD)和红外聚焦平面阵列(FPA)探测器的发明推动了光谱和化学成像技术的快速发展。一般而言，这个过程包括了三维数据空间的光谱成像数据的采集，包括定义对象图像的两个空间轴和一个用化学方法测定图像每点处材料的一维光谱尺度。过去获取这些光谱成像立方体的方法是运用液态晶体可调谐的滤波器(LCTFS)或声-光学可调滤波器(AOTFS)去扫描光谱尺度，或者运用结合线形照度的机械移位扫描。这些方法需要通过 3D 数据立方体系对一系列切片的图像连续采集，故不能同时采集一整幅光谱图像。相反，最新研发的光纤束成像压缩方法(FIC)允许在 CCD 探测器的一次扫描中进行整幅光谱图像数据晶系的同时采集。FIC 技术和与其密切相关的其他技术一样，在近期还应用于拉曼成像、红外线成像和原子发射成像[1]。

　　2.FIC 技术原理与结构

　　FIC 光谱成像系统结构如下图所示：在显微镜工作平台的基础上，配置有透射照明光源(汞灯)和落射式荧光激光光光源。FIC 为一有着特殊构造的光纤束，来自样品发射的光成像到光纤束的搜集端，搜集端光纤束是圆形阵列光纤束，光纤束的另一端(探测端)的光纤按照一定顺序被排列成一条线，它被用作摄谱仪的入缝。

　　(Ar+激光，L1-显微镜焦面扩束透镜，HBS-全息分光片，HNF-全息槽形滤光片，L2-成像透镜，圆形集光端面，线性排列光纤末端，摄谱仪 CCD)。

　　光纤的收集端和探测端中每根光纤一一对应，这种排列使图像的两个空间维压缩成为一个。样品发射的光因此而产生光谱色散并被 CCD 探测器一次读取成像。也就是说，CCD 上的每个像素(或区域)包含了三维(X/Y/λ)的位置信息，在 CCD 获取的一帧图像中包含了来自样本的完整的光谱成像。3D 数据立方体重建要求简单地将光纤在线性排列中的位置映射到圆形接收端的位置，之后具体的图像处理可采用任何图像处理软件即可。

　　FIC 方法的相对于可调滤波器(TF)和线形扫描(LS)成像方法的最大优点，在于它不需要为构建一幅光谱图像而重复扫描。此外，不同于 TF 成像方法的是，FIC 一次提供了视野区域样本所有点的一个完整的光谱，而不是特定某个波长的光谱。FIC 方法的空间分辨率取决于显微放大后成像到 FIC 光纤束端面的图像，即系统的光学衍射限制，这与 TF 和 LS 方法一致。另外，FIC 方法在图像分辨率上还有严格的限制，即参与成像的像元数限制，这是由光纤束中所有单根的光纤数量决定的。这种约束依次为CCD 探测器的高度和光谱图像的分辨率指定，因为 CCD 接收面必须对所有 FIC 光纤束端面的光纤全部成像。