常見濾波性光學(xué)器件優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比

光譜學(xué)和顯微學(xué)利用光的物體相互作用來得到物理和化學(xué)信息。選擇合適的波段輸出是光譜學(xué)和顯微成像學(xué)中的一個(gè)關(guān)鍵步驟。隨著不同類型光源的發(fā)展、傳感器靈敏度和探測(cè)速度的提升以及光學(xué)元件制造技術(shù)的發(fā)展，光譜學(xué)和顯微學(xué)不斷進(jìn)步。這些系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于學(xué)術(shù)科研、醫(yī)療和工業(yè)等領(lǐng)域。在光譜成像中，可以通過映射測(cè)量得到一個(gè)樣品不同參數(shù)的數(shù)值，廣泛地應(yīng)用于食品加工、氣候監(jiān)測(cè)、醫(yī)藥成像技術(shù)和機(jī)器視覺。所需的光源波長會(huì)隨著檢測(cè)目的發(fā)生變化，因?yàn)?span style="color:rgb(255,104,39);">激發(fā)波長的多樣性和所得光譜中的信息數(shù)量存在著密切的關(guān)系。單色性的激光光源是光譜學(xué)和顯微學(xué)的理想光源，因?yàn)槠渚哂蟹浅Ｕ陌敕鍖挘‵WHM）、強(qiáng)大功率和相干特性，但覆蓋全波段的激光光源往往價(jià)格昂貴。在寬帶光源中，選擇和使用特定波長范圍的光學(xué)元件/設(shè)備應(yīng)際而生。傳統(tǒng)的波長選擇策略，如濾光片、單色儀、聲光可調(diào)濾波器等，有優(yōu)勢(shì)也有缺點(diǎn)。用戶選擇適合其使用目的、成本、需求和系統(tǒng)適配性的最為合適的產(chǎn)品。

濾光片輪

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通常，3-12個(gè)濾光片會(huì)組成一個(gè)濾光片輪，廣泛用于化學(xué)和生物的熒光顯微鏡的內(nèi)部安裝，一組系統(tǒng)有大約6個(gè)立方體濾光輪，每一個(gè)都充當(dāng)激發(fā)濾光片、二向色分束器和發(fā)射濾光片。在某些情況下，也會(huì)在物鏡或相機(jī)前安裝濾光片輪來選擇特定的激發(fā)波長和發(fā)射波長。如果將6個(gè)濾光片裝在雙濾光片輪上，則會(huì)產(chǎn)生6*6=36個(gè)組合。當(dāng)使用帶電機(jī)的自動(dòng)光片輪時(shí)，其轉(zhuǎn)換時(shí)間在30-100ms，取決于快門速度。對(duì)于廣泛用于細(xì)胞成像的生物熒光染料或熒光蛋白質(zhì)的情況，開發(fā)了用于UV、可見光和紅外的多種濾光片類型。濾光片組合越是多樣化，應(yīng)用范圍會(huì)更寬泛。此外，濾光片的孔徑尺寸很大并且造價(jià)很低。但使用濾光片的缺點(diǎn)在于靈活性較差：只能使用特定的激發(fā)和發(fā)射范圍。

損壞閾值不高，因此如果使用強(qiáng)光，表面涂層可能會(huì)被破壞。而且，通常情況下濾光片具有較寬的帶寬，并不適合于需要窄帶光源的光譜成像，也不能實(shí)現(xiàn)寬帶波長掃描。斯托克斯位移是構(gòu)建濾光片組合的一大限制。根據(jù)蔡司提供的熒光染料信息的數(shù)據(jù)分析，276個(gè)染料中，具有20nm或更小斯托克斯位移的染料占26%，具有40nm或更小斯托克斯位移的染料占73%。當(dāng)使用具有斯托克斯位移的熒光團(tuán)時(shí)，激發(fā)光譜和發(fā)射光譜必然會(huì)發(fā)生光譜重疊。為避免該現(xiàn)象的發(fā)生，有必要將光源偏移最大激發(fā)波長，這必然會(huì)導(dǎo)致發(fā)射光譜的一定損耗。但是新技術(shù)能夠調(diào)節(jié)任意激發(fā)/發(fā)射光譜和帶寬范圍。

單色儀

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基于棱鏡或光柵的單色儀是另一種廣泛用于光譜學(xué)的波長選擇系統(tǒng)。當(dāng)寬帶光源發(fā)出的光穿過入射狹縫、棱鏡或者光柵時(shí)，折射和衍射的角度隨波長發(fā)射變化。通過恰當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)光柵或者棱鏡，只有一部分特定的光波透過狹縫。單色儀通過狹縫的寬度調(diào)節(jié)帶寬，在寬波長范圍進(jìn)行掃描并選擇所需的波長。單色儀同樣也能夠避免強(qiáng)激發(fā)光的泄漏，而這在使用濾光片時(shí)是一個(gè)問題。但是為了得到2D圖像，需要進(jìn)行線掃描或點(diǎn)掃描，這比單純使用濾光片更為昂貴并且設(shè)備構(gòu)造更為復(fù)雜。相較于濾光片，單色儀具有較低的吞吐量，同樣也不能用于寬場成像。

聲光調(diào)制濾波器

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聲光調(diào)制濾波器（AOTF）是一種能夠?qū)拵Ч庠凑{(diào)節(jié)至不同波長和強(qiáng)度的電光器件。使用雙折射晶體——二氧化碲（TeO2）或石英各向異性晶體——折射率會(huì)在與聲波（無線電頻率）反應(yīng)后產(chǎn)生變化。聲波調(diào)節(jié)只允許一部分特定光波透過孔徑，并同時(shí)調(diào)節(jié)強(qiáng)度。盡管AOTF是一個(gè)體積小巧的設(shè)備，但它具有很寬的調(diào)節(jié)范圍、快速調(diào)節(jié)和高光譜分辨率等諸多優(yōu)點(diǎn)。但AOTF同樣具有缺點(diǎn)，如成本高、相較于濾光片更小的孔徑尺寸和較差的帶外激發(fā)。另一個(gè)挑戰(zhàn)是AOTF的折射角會(huì)隨著輸出波長而變化。

虹科波長選擇器

基于可旋轉(zhuǎn)光學(xué)寬帶濾波器的技術(shù)

用于波長從UV到近IR范圍的調(diào)整

虹科的合作伙伴Spectrolight開發(fā)出一種結(jié)合目前設(shè)備優(yōu)點(diǎn)的新型器件。核心技術(shù)是Twin Flim專利技術(shù)，其包含寬帶角度相關(guān)帶通濾光片和一個(gè)補(bǔ)償板，如下圖所示。

帶通濾光片能獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，將準(zhǔn)直的寬帶光源轉(zhuǎn)換為任意中心波長和帶寬的光波組合。補(bǔ)償板用于抵消經(jīng)過兩個(gè)旋轉(zhuǎn)濾光片后的輕微錯(cuò)位的光斑。

這種技術(shù)顯示出和單色儀一樣的抑制帶外激發(fā)（10-6）效果，b并在高達(dá)10mm清晰通光孔徑下具有95%均勻性，就像濾光片一樣。傳輸效率超過75%，明顯高于AOTF或光柵，并且補(bǔ)償板的存在也避免了AOTF中的離散現(xiàn)象。

Twin Flim專利技術(shù)具有非常尖銳的激發(fā)和發(fā)射窗口，帶寬可以從3-15nm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)范圍覆蓋UV到NIR。這些優(yōu)點(diǎn)使得該技術(shù)適用于寬場成像。TwinFlim技術(shù)用于構(gòu)造Spectrolight的靈活自動(dòng)波長選擇器產(chǎn)品——FWS，通過由2個(gè)直流驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)兩個(gè)帶通濾光片來自動(dòng)調(diào)節(jié)波長和帶寬。自動(dòng)波長選擇器具有兩個(gè)版本：Poly和Mono。自動(dòng)版Mono的波長調(diào)節(jié)范圍為100nm，而自動(dòng)版Poly的調(diào)節(jié)范圍更寬。虹科FWS波長選擇器通過USB接口與電腦相連。簡潔的軟件能夠獨(dú)立、方便地調(diào)節(jié)中心波長和FWHM，如下圖所示。

虹科FWS-Poly能夠在500nm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)波長的控制，輕松實(shí)現(xiàn)帶寬在3-15nm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。此外，中心波長具有非常高的分辨率：大約在0.5nm；FWHM的分辨率在1nm。在255到1650nm范圍內(nèi)，消光系數(shù)約為12；在930-1600nm范圍的紅外阻隔可以到6（光密度OD）。

它還可以抵抗強(qiáng)光對(duì)涂層的破壞，這也是光學(xué)濾光片的缺點(diǎn)之一，這一特點(diǎn)使其能夠安全地和強(qiáng)光源搭配使用，因?yàn)閾p傷閾值高。除此之外，設(shè)備尺寸非常緊湊：采用170×129×200mm的規(guī)格，孔徑尺寸最大5mm。工作電壓和電流分別為12V和5A。

虹科FWS波長選擇器配置多種靈活的輸入方式，可以選擇光纖、光導(dǎo)和透鏡組與任何光源連接，與各種光源兼容，如等離子燈、鹵素?zé)簟㈡u燈、超連續(xù)譜光源和高能激光驅(qū)動(dòng)光源（LDLS）。輸出方式同樣靈活，滿足不同的測(cè)試條件和環(huán)境條件。