寬帶光源&波長選擇

光譜學和顯微學利用光的物體相互作用來得到物理和化學信息。選擇合適的波段輸出是光譜學和顯微成像學中的一個關鍵步驟。隨著不同類型光源的發展、傳感器靈敏度和探測速度的提升以及光學元件制造技術的發展，光譜學和顯微學不斷進步。這些系統被廣泛應用于學術科研、醫療和工業等領域。

在光譜成像中，可以通過映射測量得到一個樣品不同參數的數值，廣泛地應用于食品加工、氣候監測、醫藥成像技術和機器視覺。所需的光源波長會隨著檢測目的發生變化，因為激發波長的多樣性和所得光譜中的信息數量存在著密切的關系。單色性的激光光源是光譜學和顯微學的理想光源，因為其具有非常窄的半峰寬（FWHM）、強大功率和相干特性，但覆蓋全波段的激光光源往往價格昂貴。

在寬帶光源中選擇和使用特定波長范圍的光學元件/設備應際而生。傳統的波長選擇策略，如濾光片、單色儀、聲光可調濾波器等，有優勢也有缺點。用戶選擇適合其使用目的、成本、需求和系統適配性的最為合適的產品。

濾光片輪

廣泛用于化學和生物的熒光顯微鏡的內部安裝有大約6個立方體濾光輪，每一個都充當激發濾光片、二向色分束器和發射濾光片。在某些情況下，也會在物鏡或相機前安裝濾光片輪來選擇特定的激發波長和發射波長。通常，3-12個濾光片會組成一個濾光片輪。例如，如果將6個濾光片裝在雙濾光片輪上，則會產生6*6=36個組合。當使用帶電機的自動光片輪時，其轉換時間在30-100ms，取決于快門速度。

對于廣泛用于細胞成像的生物熒光染料或熒光蛋白質的情況，開發了用于UV、可見光和紅外的多種濾光片類型因此，濾光片組合越是多樣化，應用范圍會更寬泛。此外，濾光片的孔徑尺寸很大并且造價很低。但使用濾光片的缺點在于差的靈活性：只能使用特定的激發和發射范圍。損壞閾值不高，因此如果使用強光，表面涂層可能會被破壞。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，也不能實現寬帶波長掃描。

斯托克斯位移是構建濾光片組合的一大限制。根據蔡司提供的熒光染料信息的數據分析，276個染料中，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%。當使用具有斯托克斯位移的熒光團時，激發光譜和發射光譜必然會發生光譜重疊。為避免該現象的發生，有必要將光源偏移最大激發波長，這必然會導致發射光譜的一定損耗。但是新技術能夠調節任意激發/發射光譜和帶寬范圍。

單色儀

基于棱鏡或光柵的單色儀是另一種廣泛用于光譜學的波長選擇系統。當寬帶光源發出的光穿過入射狹縫、棱鏡或者光柵時，折射和衍射的角度隨波長發射變化。通過恰當地旋轉光柵或者棱鏡，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節帶寬，在寬波長范圍進行掃描并選擇所需的波長。

單色儀同樣也能夠避免強激發光的泄漏，而這在使用濾光片時是一個問題。但是為了得到2D圖像，需要進行線掃描或點掃描，這比單純使用濾光片更為昂貴并且設備構造更為復雜。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。

聲光調制濾波器

聲光調制濾波器（AOTF）是一種能夠將寬帶光源調節至不同波長和強度的電光器件。使用雙折射晶體——二氧化碲（TeO2）或石英各向異性晶體——折射率會在與聲波（無線電頻率）反應后產生變化。聲波調節只允許一部分特定光波透過孔徑，并同時調節強度。盡管AOTF是一個體積小巧的設備，但它具有很寬的調節范圍、快速調節和高光譜分辨率等諸多優點。但AOTF同樣具有缺點，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。另一個挑戰是AOTF的折射角會隨著輸出波長而變化。

波長選擇器

虹科的合作伙伴Spectrolight開發出一種結合目前設備優點的新型器件。核心技術是Twin Flim專利技術，其包含寬帶角度相關帶通濾光片和一個補償板，如下圖所示。帶通濾光片能獨立旋轉，將準直的寬帶光源轉換為任意中心波長和帶寬的光波組合。補償板用于抵消經過兩個旋轉濾光片后的輕微錯位的光斑。這種技術顯示出和單色儀一樣的抑制帶外激發（10-6）效果，b并在高達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，并且補償板的存在也避免了AOTF中的離散現象。Twin Flim專利技術具有非常尖銳的激發和發射窗口，帶寬可以從3-15nm范圍內調節，其調節范圍覆蓋UV到NIR。這些優點使得該技術適用于寬場成像。

Twin Flim技術用于構造Spectrolight的靈活自動波長選擇器產品——FWS。自動波長選擇器具有兩個版本：Poly和Mono。自動版Mono的波長調節范圍為100nm，而自動版Poly的調節范圍更寬。FWS通過由2個直流驅動器旋轉兩個帶通濾光片來自動調節波長和帶寬。在下圖中可以看到，該產品使用方便，配備直觀的軟件控制界面。

虹科FWS波長選擇器通過USB接口與電腦相連。簡潔的軟件能夠獨立、方便地調節中心波長和FWHM。

虹科FWS-Poly能夠在500nm范圍內實現對波長的控制，輕松實現帶寬在3-15nm范圍內調節。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，消光系數約為12；在930-1600nm范圍的紅外阻隔可以到6（光密度OD）。

它還可以抵抗強光對涂層的破壞，這也是光學濾光片的缺點之一，這一特點使其能夠安全地和強光源搭配使用，因為損傷閾值高。除此之外，設備尺寸非常緊湊：采用170×129×200mm的規格，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、鹵素燈、鎢燈、超連續譜光源和高能激光驅動光源（LDLS）。輸出方式同樣靈活，滿足不同的測試條件和環境條件。

審核編輯 黃宇