顯微高光譜成像系統的成像原理和結構設計

顯微高光譜成像系統在臨床醫學、生物學、材料學、微電子學等領域具有廣泛應用。很多用戶這種設備也比較好奇，本文簡單介紹瞭顯微高光譜成像系統的成像原理和結構設計。

顯微高光譜成像系統的成像原理

顯微高光譜成像實驗系統基於(yú)推帚式成像光譜儀的原理進行設計(jì)，光路原理圖如圖所示。

處於(yú)顯微鏡載物台上的樣品被柯勒照明系統照明，瞬時視場(chǎng)内的樣品條帶通過顯微鏡物鏡和0.6倍CMount接口鏡頭成像於(yú)分光計的狹縫處，再經過光譜分光組件後，在垂直樣品條帶方向按光譜色散，最後成像於(yú)CCD像面。

CCD光敏面平行於(yú)狹縫的一維稱(chēng)爲空間維，垂直於(yú)狹縫的一維稱(chēng)爲光譜維，空間維每一行光敏元上得到的是樣品條帶一個光譜波段的像，這樣面陣CCD相機每幀圖像便對應於(yú)一個樣品條帶的多光譜圖像。通過載物台自動裝置對樣品進行推掃，就得到整個樣品的二維圖像及光譜數據，即圖像立方體。

整個系統由顯微鏡、分光計、面陣CCD相機、載物台自動裝置以及數據採集與控制模塊等幾部分組成。系統的光譜範圍從400nm到800nm，120個波段，光譜分辨率優於5nm，空間分辨率大約1μm。不僅能夠提供微小物體在可見光範圍的單波段顯微圖像，而且能夠獲得圖像中任一像素的光譜曲線，實現瞭(le)光譜技術和顯微成像技術的結合，在微觀領域有著(zhe)廣泛的應用。

顯微高光譜成像系統的結構設計

1. 總體結構設計

由於(yú)顯微鏡是帶有光源的主動光學系統，因此，爲瞭(le)獲得成像光譜，從總體上考慮，有兩種系統結構可供選擇：

一種是在前光學系統進行光譜分光，即採(cǎi)用波長調諧的照明光源，照明光源以一定的波長間隔連續或非連續地掃描，在每一個預定的波長處得到一個灰度圖像，波長掃描後便構成光譜圖像立方體。這種方法的主要優點是不用在成像光路中插入任何光學和機械元件，因而不會增加額外的光學像差。缺點是很費時，對於(yú)上百個波段的高光譜成像而言，往往需要長達小時量級的時間。而且，這種方法不适用於(yú)熒光應用，因爲要得到熒光需要激發光源。

另一種結構是在後光學系統（即成像光束）中進行光譜分光，這是用於(yú)航空航天遙感領域的光譜成像儀中廣泛採(cǎi)用的方法，對於(yú)顯微高光譜成像系統，這種方案也可以借鑒。

因此，本顯微高光譜成像實驗系統採(cǎi)用後一種結構形式，即在成像光束中進行光譜分光。利用推帚式光譜成像儀的原理進行設計，将光譜儀子系統光學耦合到生物顯微鏡的三目鏡筒上；利用高精度步進電(diàn)機驅動載物台進行微米級平動，實現推帚成像。

整個(gè)系統在結構上主要由顯微鏡、分光計、CCD相機、數據採(cǎi)集和控制系統幾部分組成。

2. 分光子系統設計

目前，用於(yú)成像光譜儀器的光譜分光方法主要有棱鏡分光、光栅分光、傅裏葉變換、聲光可調諧濾光片、液晶可調諧濾光片、漸變濾光片、二元光學元件等方法。從目前的應用情況來看，光栅分光仍是應用廣泛而且技術相對成熟的光譜分光方法。因此，本系統仍採(cǎi)用傳統的光栅分光方法。而對於(yú)光栅而言，又可分爲反射光栅和透射光栅。由於(yú)該系統屬於(yú)直視系統，即同軸光學系統，因此，若採(cǎi)用反射光栅，将使系統的光軸發生折轉，從而給系統結構設計帶來困難。爲簡化設計，本系統採(cǎi)用透射光栅分光。

對於(yú)透射光栅，根據光栅方程，當垂直光栅入射，即入射角爲零時，若取+1級或-1級衍射光譜，則衍射角不爲零，即所有衍射光線将沿系統主光軸發生偏轉，從而造成整個系統爲非同軸系統。因此，爲瞭(le)使整個系統保持爲同軸光學系統，採用棱鏡-光-棱鏡組合的分光方式，使分光後中心波長的衍射光線沿系統主光軸衍射。光譜分光系統的主要設計參數如下：

狹縫：寬度25um，有效長(zhǎng)度8.8mm；準直光學鏡頭：f=40mm，f/2.8；會聚光學鏡頭：f=40mm，f/2.8，與準直光學鏡頭爲對稱(chēng)式結構；光栅頻率：3151/mm；前棱鏡：頂角11.8?，上寬度2.4mm，下寬度5.8mm，中心厚度4.1mm；後棱鏡：頂角11.2?，上寬度1.0mm，下寬度5.5mm，中心厚度3.2mm。

3. 載物台自動裝置設計

根據推帚式成像光譜儀的特點(diǎn)，系統使用狹縫作爲視場(chǎng)光闌，對瞬時視場(chǎng)内的

觀測目标進行一維採樣，因此，要獲得整個觀測目标的二維圖像，必須對另一維進行推帚。用於(yú)航空遙感的推帚式成像光譜儀是借助飛機的向前運動來完成推帚的，與之不同的是，顯微高光譜成像系統是利用載物台的平動來實現對樣品的推帚成像，因此該實驗系統需要設計和研制載物台自動裝置。爲瞭(le)獲得準確的光譜圖像，必須對載物台的運動速度進行精確的控制。本系統利用步進電機連接滾珠絲杠，将滾珠絲杠的移動橫梁連接到載物台，來驅動載物台運動。因此，載物台的運動速度是通過對步進電機的轉速控制來實現的。而步進電機的轉速控制是通過單片機産生方波脈沖信号來觸發步進電機進行步進旋轉。因此，單片機産生的方波脈沖信号頻率最終決定瞭(le)載物台的運動速度。

系統的瞬時視場與系統的總放大倍數和CCD光譜維像元尺寸有關。在該系統中，CCD光譜維像元大小爲27um，當使用40倍物鏡時，系統的總放大倍數爲40?.6=24倍。因此，系統在光譜維方向的空間分辨率爲27/24=1.125um，而相機的幀速率爲30幀/秒，所以，載物台的運動速度爲1.125?0=33.75um/s。由於(yú)絲杠的螺紋間距爲1mm，即1000um，步進電機的每轉步數爲10000步/轉，因此，步進電機每旋轉一步對應載物台的前進距離爲1000/10000=0.1um，最後計算出電機的運行頻率爲33.75/0.1=337.5Hz，即需要産(chǎn)生的方波脈沖的周期爲2963μs。

4. 數據採集子系統

數據採(cǎi)集系統主要包括高光譜結果數據傳輸、採(cǎi)集、控制、存儲和實時顯示等功能，由於(yú)高光譜成像系統的數據傳輸速率非常高，因此傳統的基於(yú)ISA、EISA總線的數據採(cǎi)集系統已不能滿足要求。而PCI總線的最大數據傳輸速率爲132

MB/s，能滿足高光譜成像系統數據採(cǎi)集的要求。所以，本系統採(cǎi)用PCI總線作爲數據採(cǎi)集的微機(jī)接口。

數據採(cǎi)集系統採(cǎi)用模塊化設計方法，将各個主要功能模塊分離開來，模塊間採(cǎi)用統一的接口進行通信；並(bìng)且在數字邏輯實現上，採(cǎi)用在系統可編程（In System Program）器件，通過軟件對系統進行配置，提高系統的靈活性。其具體設計方法與其他高光譜成像儀器的數據採(cǎi)集系統類似。