第12卷第4期2004年8月光学精密工程OpticsandPrecisionEngineeringVol.12No.4Aug.2004收稿日期:2004203220;修订日期:2004206215.10042924X(20040420367206显微高光谱成像系统的设计肖功海,舒嵘,薛永祺(中国科学院上海技术物理研究所,上海200083摘要:设计出一种基于棱镜2光栅2棱镜组合分光方式的显微高光谱成像实验系统。系统根据推帚式成像光谱仪的原理进行设计,采用棱镜2光栅2棱镜组合元件在后光学系统进行光谱分光,利用高精度载物台自动装置驱动样品进行推扫成像,选用PCI总线作为数据采集的微机接口。整个系统由显微镜、分光计、面阵CCD相机、载物台自动装置以及数据采集与控制模块等几部分组成。系统的光谱范围从400nm到800nm,120个波段,光谱分辨率优于5nm,空间分辨率大约1μm。该系统具有直视性、光谱分辨率高、结构紧凑、成本低等优点;不仅能够提供微小物体在可见光范围的单波段显微图像,而且能够获得图像中任一像素的光谱曲线,实现了光谱技术和显微成像技术的结合,成功的将成像光谱技术应用到显微领域,可广泛应用于临床医学、生物学、材料学、微电子学等学科领域。关键词:显微成像光谱;高光谱成像;显微镜;光栅;CCD相机;PCI总线:TH744.1文献标识码:ADesignofmicroscopichyperspectralimagingsystemXIAOGong2hai,SHURong,XUEYong2qi(ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,TheChineseAcademyofSciences,Shanghai200083,ChinaAbstract:Anovelmicroscopichyperspectralimagingsystemwaspresented,anditsoperatingprinciple,structure,hardwareandsoftwaredesignwerediscussed.Thesystemwasdesignedbasedontheprincipleofpushbroomhyperspectralimager,directvisiondispersingprism2grating2prismcomponentwasusedasspec2trum2dividingcomponent,andPCIbuswasusedascomputerinterfaceofhigh2speedimagingspectraldataacquiringsubsystem.Thewholesystemwascomposedofamicroscope,aspectrometer,anareaCCDcamer2a,anautomaticstageanddataacquisitionandcontrolsubsystem.Comparingtootherspectrum2dividingtechnologies,theprism2grating2prismhasadvantagessuchasdirectvision,highspectralresolution,compactstructureandlowcost.Thesystemiscapableofperformingspectralimaginginplentyofspectralbandsandmicro2spectroscopyinanyimagepixel,inthespectralrange400through800nm.Thespectralresolutionislessthan5nm,andthespatialresolutionisaboutoneimicrometre.Thesystemcanbeappliedtoalotoffields,suchasclinicmedicine,biology,materialscience,microelectronics.Theanalysisresultsshowthatitcanbesuccessfullytoapplyhyperspectralimagingtechniquetomicroscopicfieldsbycombiningspectralimagingwithmicroscopicimagingtechnique.Keywords:microscopicimagingspectrum;hyperspectralimaging;microscope;spectrometer;grating;CCDcamera;PCIbus1引言光学成像技术和光谱技术是两种历史悠久而又应用广泛的光电技术,长期以来,它们分别沿着各自的方向发展,直到上个世纪80年代出现的成像光谱技术,才将二维成像技术和光谱技术有机地结合起来。成像光谱技术不仅能对物体进行形态成像,同时还能提供丰富的光谱信息,由于它具有光谱分辨率高、波段多、图像与光谱相结合等优点,因而使得它一出现就受到各国的极大重视,并在遥感各领域得到了广泛的应用。近年来,随着成像光谱技术的日趋成熟,其在显微领域的应用也逐渐成为人们研究的热点[129],美国、英国、希腊等国家的研究人员通过不同的技术手段将成像光谱技术应用到病理学、细胞遗传学、组织学、免疫组织化学等领域,这些不同的技术手段主要体现在光谱分光方式上。目前,用于显微高光谱成像系统的光谱分光方法主要有:棱镜或光栅分光、线性渐变滤光片、声光可调谐滤光片、液晶可调谐滤光片等。棱镜或光栅分光是一种传统的、技术发展比较成熟的分光方式,但是基于棱镜或光栅分光的光谱成像仪器的主要缺点是系统信噪比和光谱分辨率受狭缝宽度的限制,狭缝越窄,光谱分辨率越高,但系统接收到的能量也随之降低;而声光滤光片和液晶滤光片是一种新...