基于声光可调谐滤光器的显微光谱成像技术

　　1　引　言

　　光谱成像是一种将光谱分析技术与图像处理技术相结合的技术,是近年来的研究热点。光谱成像技术在遥感系统中的空间与地球的探测,在生物医学中的 活体组织的成份与病变的检查等方面都有着广泛的应用。早期的光谱检测方法普遍存在成像速度慢和空间分辨率低等缺陷。近年来,为了加快成像速度和提高空间分 辨率,人们提出了一系列的面光谱成像技术,而声光可调谐滤光器(AOTF)是其中比较成功的技术之一。AOTF除了具有较大的通光孔径和可以进行面光谱成 像的特点以外,还具有宽的光波工作范围和快速电调谐、系统中无活动部件、体积小和衍射效率高等优点。

　　利用AOTF的快速电调谐滤光和计算机的辅助控制,将其应用于显微成像系统就可实现显微光谱图像的实时采集和处理[1~4]。AOTF滤光有一 定的色散,会造成成像模糊,成像空间分辨率为5~10μm[5,6],这些对显微成像是有害的。虽然通过图像处理[2]可以提高图像质量,但是图像处理的 时较长,无法应用在快速的图像采集系统中。本文作者通过采用棱镜对衍射光进行色散补偿的方法获得了较好的图像质量,建立起了一个快速、准确的显微光谱成像 系统。

　　2　理论基础

　　对于非共线的AOTF来说,其波矢矢量图如图1所示。一束e光以相对于晶轴线成θi的入射角入射,衍射后变为o光出射。由动量匹配条件可得入射光波波矢量Ki、衍射光波波矢量Kd和超声波波矢量Ka之间的关系:

式中,fa和Va分别为超声波的频率和传播速度;ni和nd分别为晶体相对于入射光波和衍射光波的折射率。

　　在各向异性声光介质满足动量匹配的条件下,衍射光波长λ与声速Va、声频fa和入射角θi之间有如下关系:

　　当复色光以平行光入射到AOTF上时,各种波长单色光入射角均为θi,在声频fa确定后,由上式所确定的波长即为衍射光的中心波长。其中ne和no分别为e光和o光的折射率。式(3)为AOTF的调谐关系。

　　由于经过AOTF滤出的衍射光不再平行,有一定的色散,色散的大小由下面的关系决定[6]:

式中,Λ为晶体中的超声波的波长,Λ=λ/no(θi-θd);Δλ为非同向的AOTF带通(FWHM),可由下面的公式得到:

　　从式(4)可以看出,由于衍射光有一定的带通,造成衍射角的展宽,这会对显微成像的质量造成影响,引起成像模糊,空间分辨率低,这也是AOTF 成像时存在的主要问题。考虑到衍射角的展开是波长的函数,而且只在一个方向上展宽,故在AOTF的出射光后面放置色散棱镜进行纠正,以提高图像的成像质 量。