光纤光谱成像技术原理及其应用解析.pdf
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1、光纤光谱成像技术原理及其应用 赵友全 王锦 范世福 (天津大学精密仪器与光电子工程学院 300072 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。 关键词:荧光光谱;吸收光谱;光谱成像;光学纤维;显微镜。 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
2、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。 2FIC 技术原理与结构 F
3、IC 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。 图 1、 荧光光谱成像装置结构示意图 (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
4、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/ )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
5、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。 3FIC 吸收光谱和荧光光谱实验 吸收光谱成像是通过对百合花茎部切片样本的测量来进行的,照明光源来自奥 林巴斯 BH2 显微镜底部的 100w 的汞灯。为防止在1S 内使 CCD 探测器达到饱 和,照明光源的强度由被置于显微镜镜台的中性滤光片衰减。样本透射光为40 光 学无穷远修正的显
6、微物镜所接收,物镜焦距为4.5mm,数值孔径为 0.75(奥林巴斯 模型 UMPlanF1。样品透过率测量的方法是通过记录穿过植物切片不同区域的光谱 图像以及在没有切片的情况下得到的图像相除而得到的。因此这样所得的光谱明显 地描述了植物切片图像上每个位置处的光的透射情况。也就是说,因样品内部散射 引起的任何图像上的变化与通过显微镜目镜所看到的一样。用于本实验测量的高品 质植物切片如图 2 所示,它是由置于显微镜顶端的CCD 成的样本透射光的灰度 图,显示了由安置在显微镜上的头顶CCD 摄像机所获得的通过样品的光束的无色 差图像。图 2 也包含了用于获取样本光谱图像的61 根光纤的 FIC 光纤
7、的投影图。 图 2 透射照明得到的百合茎切片图像 红宝石荧光实验利用了514.5nm 的氩激光(光谱物理,型号2060-10s)激发样 品产生荧光,带通 滤光片 (514.5,T-BOA, Intor INC. 来滤除激光器上的等离子体线。利用一个标 准的光学系统将激光导入显微镜并且经过全息分束器DIC(HBS,Kaiser Optical System, Inc.)直接射向样本,保证有90%以上激光被反射而且90%以上信号透 射。激光聚焦到样本上,物镜20 ,无穷远光学校正,焦距9mm,工作距离 11mm,数值孔径为 0.4(奥林巴司,型号 100155),样品曝光时间为5秒。后向 散射的荧
8、光信号被同一物镜收集并通过一个有全息凹槽的滤光片(HNF:Kaiser 光学 系统移除进入的入射激光。在样品上激光被一个置于外部的透镜散焦成一个 200um 大小的斑点,如前面图1所示。这种方法可以激发全部成像面的样本产生荧 光同时保证样本位于焦面不动。 光纤束的直线排列末端被用作一个成像摄谱仪(定制的 250mm 焦距的双透镜摄 谱仪的入缝。摄谱仪的入缝宽度100um,因为单根光纤芯径为100,在吸收研究 中,摄谱仪装配有150线/mm的光栅( Milton Roy ),分辨率为 3nm600nm;在 荧光性研究中,闪耀波长为750nm,600 线/mm的光栅,分辨率为1nm690nm (I
9、nstruments SA)。色散光谱接收使用液氮冷却分光CCD 照相机 (Princeton Instruments Corp, 普林斯顿仪器公司,配置ST-135控制器的 CCD,LN/1024EHRB 探 测获取,象素为 1024 256(每个象素大小为27平方微米)。在成像过程中,CCD 芯片不在仪器内部( the ccd chip was not binned during image collection )。 可分辨的图像像元的大小由光纤直径与投影到FIC 光纤束端面的样品放大率 共同决定。红宝石样品的总的放大率为5 倍,视场直径为 200um 的区域(一根光 纤的有限的分辨率为
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- 光纤 光谱 成像 技术 原理 及其 应用 解析
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