第４６卷第４期
２０１７年４月 光 子 学 报ＡＣＴＡ ＰＨＯＴＯＮＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡＶｏ
ｌ．４６Ｎｏ．４Ａｐ
ｒｉｌ ２０１７ 基金项目：国家科技支撑计划课题（Ｎｏ．２０１１ＢＡＦ０２Ｂ０２）和中国石油科技创新基金（Ｎｏ．２０１２Ｄ－５００６－
０１０２）资助第一作者：廖乘胜（１９８４－），男，博士研究生，主要研究方向为光谱成像、光谱仪器．Ｅ
ｍａｉｌ：１８６２７９９９３８９＠１６３．ｃｏｍ导 师：曾立波（１９６３－），男，教授，博士，主要从事显微光谱成像、图像分析等领域．Ｅｍａｉｌ：ｌｂｚｅｎｇ＠ｗｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ通讯作者：吴琼水（１９７７－），男，副教授，博士，主要研究方向为光谱学与光谱分析．Ｅｍａｉｌ：ｑｓｗｕ＠ｗｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ收稿日期：２０１６ １１ ２４；录用日期：２０１７ ０２
２０ｈｔｔｐ：
∥ｗｗｗ．ｐｈｏｔｏｎ．ａｃ．ｃｎｄｏｉ：１０．３７８８／ｇ
ｚｘｂ２０１７４６０４．０４１１００１基于多通道窄带滤光片和彩色图像传感器的
实时多光谱成像系统
廖乘胜，吴正，曾立波，吴琼水
（武汉大学电子信息学院，武汉４３００７９
）摘 要：针对复染情况的出现，采用多通道窄带滤光片与彩色图像传感器相结合的方式，设计了一种多光谱成像方法．使用多通道窄带滤光片对光源进行分光，采用多元线性回归方法建立多光谱剥离模型，并对彩色图像传感器输出的多个单色光混叠响应进行剥离，通过ＦＰＧＡ实现多光谱图像的实时剥离运算和输出．实验结果表明：多通道窄带滤光片的半高宽为１２ｎｍ／１５ｎｍ／２０ｎｍ，其透射光是三个不同波段的窄带单色光；在检验水平为０．０１情况下的模型具有较高的准确性；具有相同光谱特征的物质在同一波段的灰度图像上特征一致，同一物质在不同波段上的灰度图像特性差异较大．关键词：多光谱成像；多通道窄带滤光片；彩色图像传感器；多光谱图像剥离模型；ＦＰＧＡ中图分类号：ＴＰ
３９１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－４２１３（２０１７）０４－０４１１００１－
９Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ Ｍｕｌｔｉ－ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌＮａｒｒｏｗ－ｂａｎｄ Ｆｉｌｔｅｒ ａｎｄ Ｃｏｌｏｒ Ｉｍａｇ
ｅ ＳｅｎｓｏｒＬＩＡＯ Ｃｈｅｎｇ－ｓｈｅｎｇ，ＷＵ Ｚｈｅｎｇ，ＺＥＮＧ Ｌｉ－ｂｏ，ＷＵ Ｑｉｏｎｇ
－ｓｈｕｉ（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，
Ｗｕｈａｎ ４３００７９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｍｅｒｇｅｎｃｅ ｏｆ ｃｏｕｎｔｅｒ－ｓｔａｉｎｓ，ａ ｍｕｌｔｉ－ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ
ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ ｎａｒｒｏｗ－ｂａｎｄ ｆｉｌｔｅｒ ａｎｄ ｃｏｌｏｒ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｆｉｒｓｔｌｙ
，ａ ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌｎａｒｒｏｗ－ｂａｎｄ ｆｉｌｔｅｒ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｅｐａｒａｔｅ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｓｐｅｃｔｒａｌ ｓｔｒｉｐｐｉｎｇ
ｍｏｄｅｌ ｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ
ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｌｉｎｅａｒ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｓｅｐａｒａｔｅ ｔｈｅ ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｌｉｇｈｔ ａｌｉａｓｉｎｇｒｅｓｐｏｎｓｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｏｌｏｒ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｅ ｉｓ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｄｅｌａｍｉｎａｔｅｄ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｂｙ
ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ
）．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ，ｔｈｅ Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ ＨａｌｆＭａｘｉｍｕｍ（ＦＷＨＭ）ｏｆ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ ｎａｒｒｏｗ－ｂａｎｄ ｆｉｌｔｅｒ ｉｓ １２ｎｍ／１５ｎｍ／２０ｎｍ，ａｎｄ
ｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｇｈｔ ｉｓ ｒｅａｌｌｙ
ａ ｎａｒｒｏｗ－ｂａｎｄ ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｌｉｇｈｔ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ；ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｈａｓ ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ
ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｌｅｖｅｌ ｉｓ ０．０１；ｔｈｅ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｈａｓ ａｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂａｎｄ ｇｒａｙｓｃａｌｅ ｉｍａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ ｈａｓ ａｎ ｏｂｖｉｏｕｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｅａｔｕｒｅ ｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂａｎｄｓ ｇｒａｙｓｃａｌｅ ｉｍａｇ
ｅ．Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：Ｍｕｌｔｉ－ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ；Ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ ｎａｒｒｏｗ－ｂａｎｄ ｆｉｌｔｅｒ；Ｃｏｌｏｒ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ；Ｍｕｌｔｉ－ｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｅ ｕｎｍｉｘｉｎｇ
ｍｏｄｅｌ；ＦＰＧＡＯＣＩＳ
Ｃｏｄｅｓ：１１０．０１１０；１１０．４２３４；１００．０１００；１００．２００００ 引言
多光谱图像是由一系列的灰度图像组成，每个灰度图像都是在一个很窄的波段内获得的，多光谱图像数
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据中的每一个像元在光谱波段上有连续的灰度变化，从而构成了每个像元的光谱响应曲线．该曲线含有与被测物理组分有关的光谱信息，能直接反映出目标的物理光谱特征，从而揭示各种目标的物质成分及其含量．多光谱成像技术具有光谱带宽窄、波段多、及图像与光谱相结合等优点，能够提供更加丰富的目标场景信息，已被广泛应用于地理遥测［１］、环境监测［２］、农产品检测［３］、生物医疗［４－５］、艺术品修复与保存［６－７］等领域．细胞脱氧核糖核酸（Ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ，ＤＮＡ）定量技术作为一种新型肿瘤检测方式，在宫颈癌及癌变早期筛查和诊断中起着越来越重要的作用［８］．为了提高肿瘤筛查的准确率，在一种细胞多种染色情况下，即细胞质使用巴氏染色法，细胞核使用Ｆｅｕｌｇｅｎ染色，通过多光谱成像技术不仅可以得到细胞的彩色图像，从而通过细胞形态分析进行ＴＢＳ（Ｔｈｅ Ｂｅｔｈｅｓｄａ Ｓｙｓｔｅｍ）分类，而且还可以通过吸光度剥离模型剥离出ＤＮＡ物质的吸光度而用于细胞ＤＮＡ定量分析．通常一张载玻片在肿瘤细胞自动筛查系统中至少需要扫描２００多个视场，因此成像系统的实时性至关重要．
因此，本文结合多通道窄带滤光片特性和彩色互补金属氧化物半导体（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ－ＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，ＣＭＯＳ）图像传感器的多通道成像的特性，建立了一种应用于细胞多重染色情况下的肿瘤筛查的实时多光谱成像系统，并基于单色光入射光强与图像传感器响应之间的线性关系再以多元线性回归的方式建立了多光谱剥离模型，通过该模型将各个通道的单色光在图像传感器上的混叠的响应剥离出来，得到了能表征各单色光光强的响应，而这些响应可以直接用于物质吸光度剥离模型来进行细胞ＤＮＡ定量分析，并且依靠ＦＰＧＡ的稳定性和灵活性，通过硬件算法实现了多光谱剥离的实时处理．
１ 硬件系统与原理
１．１ 多光谱成像系统硬件系统
图１为基于多通道窄带滤光片的多光谱成像系统结构示意图．该系统主要由显微光学系统、多通道窄带滤光片和实时多光谱成像与剥离系统构成［９－１０］．显微光学系统选用日本Ｏｌｙｍｐｕｓ ＢＸ４１显微镜，其能在整个视场获得均匀、高对比度的观察图像．
多通道窄带滤光片，即在需要的波长点有高反射率或透过率，而在其他波长处有宽截止带的滤光片．如果其通道数量为Ｎ，其携带的光谱信息量为单通道窄带滤光片的Ｎ倍，具有的光谱带宽窄、尺寸小、性能稳定的特点［１１］可以简化光学系统，利于仪器的微型化．本系统选用的是中心波长为４８０ｎｍ／５６０ｎｍ／６５０ｎｍ的三通道窄带滤光片，半高宽分别为１１ｎｍ／１２ｎｍ／１５ｎｍ，波长准确度为３ｎｍ，峰值透射率８０％，如图２（ａ）
．图１ 基于多通道窄带滤光片的多光谱成像系统结构示意图Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ ｎａｒｒｏｗ－ｂａｎｄ ｆｉｌｔｅｒ
多光谱成像系统的图像实时处理与传输的核心是ＦＰＧＡ芯片、ＵＳＢ数据收发芯片以及彩色图像传感器．ＦＰＧＡ芯片选用ＡＬＴＥＲＡ公司的Ｃｙｃｌｏｎｅ ＩＶ Ｅ系列的ＥＰ４ＣＥ４０Ｆ２３Ｃ６，含有３９６００个逻辑单元，１１３４Ｋｂｉｔｓ的嵌入式存储器．数据传输芯片采用ＣＹＰＲＥＳＳ公司的ＣＹ７Ｃ６８０１３，此芯片集成了ＵＳＢ ２．０收发器、增强型８０５１微处理器以及智能的ＳＩＥ（Ｓｅｒｉａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｅｎｇｉｎｅ），符合ＵＳＢ２．０规范，理论最大数据传输速率为４８０Ｍｂ／ｓ．ＦＰＧＡ通过模拟ＩＩＣ总线与图像传感器通信，配置其工作模式、输出图像大小和帧率、增益以及曝光时间等．
彩色图像传感器使用美国Ａｐｔｉｎａ公司的１／２英寸的３００万像素的ＭＴ９Ｔ０３１，输出数据分辨率为１０ｂｉｔ，最大输出帧率为１２ｆｐｓ（ｆｒａｍｅｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ），信噪比为４３ｄＢ，达到了ＣＣＤ图像传感器的图像质量，图２（ｂ）是ＣＭＯＳ彩色图像传感器的典型光谱响应特性曲线．
廖乘胜，等：
基于多通道窄带滤光片和彩色图像传感器的实时多光谱成像系统
图２ 多光谱成像系统硬件组成的技术特性
Ｆｉｇ．２ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ
ｓｙｓｔｅｍ１．２ 多光谱成像原理与多光谱图像剥离模型
常用的滤光片式多光谱成像方式有液晶可调谐滤光片（Ｌｉｑ
ｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｆｉｌｔｅｒ，ＬＣＴＦ）式和多滤光片机械转轮式［１２］，ＬＣＴＦ方式的光谱通道多、
带宽窄、响应时间快、体积小，但是有成本高、光谱透射率低的缺点；后者成本低、光谱通道多，但是响应时间慢、体积较大，及具有机械结构且对结构的稳定性要求较
高［１３－
１４］．
本文提出的基于多通道窄带滤光片型的多光谱成像系统具有光谱波段窄、结构简单、体积小、性能稳定、成像速度快等优点，虽然波段数量少，但是也足以应用于本文多重染色情况下的细胞ＤＮＡ定量检测．
彩色图像传感器的Ｂａｙｅｒ彩色滤波阵列相当于一个三通道滤波片，如图３（ａ）所示，理论上每个通道只有一个波长的光能够通过，其他波长的光就被截止了，即获得的原始图像中每个像素只含有一种基色，但是由于加工工艺的原因，从图２（ｂ）可以看出，即使是一个通道的单色光也能同时在彩色图像传感器的三个通道上有响应．因此，当入射光为经过三通道窄带滤光片后成像在彩色图像传感器的感光层上，最终每个像素点获得的数据是三个波段的单色光的共同响应，并不能反映单独某个单色光的强度，因此需要通过多光谱图像剥离模型剥离出图像传感器成像阵列上每个像素点的三个单色光单独的强度．
图３ 多光谱成像原理和图像插值融合算法原理示意图
Ｆｉｇ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ
ａｎｄ ｐｉｘｅｌ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ根据图３（ａ）中所示的Ｂａｙｅｒ彩色滤波阵列的格式，将交替出现的一组红色和绿色的滤镜，及一组绿色和蓝色的滤镜各自获得的响应值通过图３（ｂ）
中显示的插值方法定义成一组三通道滤镜的响应值向量，即Ｓ ｘ，（）
ｙ＝Ｒ′ Ｇ′ ［］Ｂ′Ｔ
，这种插值方法只需要缓存图像传感器输出的两行图像数据就可以进行硬件流水线处理，该方法占用资源少，便于图像处理的实时化．
定义三通道窄带滤光片的三个通道分别为λ１、λ２和λ３，
ＣＭＯＳ彩色图像传感器的三个采样通道为Ｂ、Ｇ和Ｒ，如图４，入射光中心波长为λ时，图像传感器三个通道对应的颜色转换效率为Ｒλ、Ｇλ、Ｂλ，Ｉλ为此时的光强强度，则该波长的像素响应向量为
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Ｐ ｘ，ｙ，（）λ＝Ｒλ×Ｉλ，Ｇλ×Ｉλ，Ｂλ×Ｉ［］
λ（１）由于各单色光的光强与响应值之间是线性关系，因此当入射光源通过分光器件后被分割成三个互相独立的单色光时，像素总采样值向量Ｓ ｘ，（）ｙ是各个波长的独立的响应值之和，
则光强向量为Ｉ＝Ｉλ１ Ｉλ２ Ｉλ［］３Ｔ，特征向量Ｔλ＝Ｒλ Ｇλ Ｂ［］λＴ
，特征矩阵Ｔ＝Ｔλ１ Ｔλ２ Ｔλ［］３
，则有Ｒ′＝Ｒλ１×Ｉλ１＋Ｒλ２×Ｉλ２＋Ｒλ３×Ｉλ３Ｇ′＝Ｇλ１×Ｉλ１＋Ｇλ２×Ｉλ２＋Ｇλ３×Ｉλ３Ｂ′＝Ｂλ１×Ｉλ１＋Ｂλ２×Ｉλ２＋Ｂλ３×Ｉλ烅烄烆３
（２
）将式（２
）用矩阵形式表达为Ｓ＝Ｔ×Ｉ
（３）对式（３
）进行多元线性回归，计算出的最小二乘解为Ｉ＝Ｔ－１×Ｓ
（４
）式中，Ｔ－１是特征矩阵的逆矩阵．
此最小二乘解的意义是，可以通过测量中心波长为λ１、λ２和λ３的各自的特征向量Ｔλ１、Ｔλ２和Ｔλ３
并组成特征矩阵Ｔ，
然后计算其逆矩阵Ｔ－１，最终获取的图像采样值Ｓ，对二维平面上每个像素点的光强进行最小二乘估算，最终得到二维平面上的三个波长的光强分布或响应值Ｐｘ，ｙ，λ（）ｎ，
其中ｎ＝１、２、３，如图５
．图４ 三通道单色光在图像传感器上的线性叠加响应图Ｆｉｇ
．４ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｌｉｎｅａｒ ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎｒｅｓｐ
ｏｎｓｅｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ－ｃｈａｎｎｅｌ ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｌｉｇｈｔ ｏｎｔｈｅ ｉｍａｇ
ｅ ｓｅｎｓｏ
ｒ图５ 多光谱图像解混叠矩阵模型示意图
Ｆｉｇ．５ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｅ ｕｎｍｉｘｉｎｇ
ｍｏｄｅｌ１．３ 多光谱图像剥离模型的建立多光谱图像剥离模型的建立，其实就是确定矩阵Ｔ－１中的９个参量的值．方法是确定矩阵Ｔ－１中的９个参量，然后求取其逆矩阵Ｔ－１．根据式（２），若入射光为中心波长为λ１的单色光，
则式（２）简化为Ｒ′＝Ｒλ１×Ｉλ１Ｇ′＝Ｇλ１×Ｉλ１Ｂ′＝Ｂλ１×Ｉλ烅烄烆１
（５
）则有Ｒλ１∶Ｇλ１∶Ｂλ１＝Ｒ′∶Ｇ′∶Ｂ′，获取波长λ１为的单色光的特征向量Ｔλ１
的具体方法是１）在图１的系统中的实时多光谱成像与剥离系统与显微成像系统中添加ＬＣＴＦ，这样光线经过显微成像系统后将通过ＬＣ
ＴＦ成像在多光谱成像与剥离系统中的图像传感器上；２）将ＬＣＴＦ的工作中心波长调谐为λ１，
关闭光源，获取此时图像传感器的三个通道的输出响应，该响应为图像传感器的暗电流噪声Ｒ′ｄ、Ｇ′ｄ、Ｂ′ｄ；
３
）打开光源，将其调整到合适的强度，使图像传感器三个通道中响应最大的通道的输出接近满值的９０％左右，选取成像均匀的区域，计算三个通道各自的输出Ｒ′ｏ、Ｇ′ｏ、Ｂ′
ｏ；
４）则式（５）中的Ｒ′、Ｇ′、Ｂ′分别为：Ｒ′＝Ｒ′ｏ－Ｒ′ｄ、Ｇ′＝Ｇ′ｏ－Ｇ′ｄ、和Ｂ′＝Ｂ′ｏ－Ｂ′
ｄ，由于Ｒλ１∶Ｇλ１∶Ｂλ１
＝Ｒ′∶Ｇ′∶Ｂ′，定义ｍａｘ
Ｒ′，Ｇ′，Ｂ｛｝′为Ｒ′、Ｇ′、Ｂ′三者中最大的值，则对特征向量进行归一化处理，有Ｔλ１
＝Ｒ′／ｍａｘ Ｒ′，Ｇ′，Ｂ｛｝′，Ｇ′／ｍａｘ Ｒ′，Ｇ′，Ｂ｛｝′，Ｂ′／ｍａｘ Ｒ′，Ｇ′，Ｂ｛｝［］′（６）求取另外两个波段的特征向量的过程同上，不同的只是ＬＣ
ＴＦ的中心波长不一样而已．
廖乘胜，等：基于多通道窄带滤光片和彩色图像传感器的实时多光谱成像系统
１．４ 多光谱成像系统的实时处理与传输模块
ＦＰＧＡ是专用集成电路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ，ＡＳＩＣ）领域中的一种半定制电路，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点，具有开发周期短、应用灵活、制作成本低等优点，以硬件描述语言（Ｈａｒｄｗａｒｅ Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ Ｌａｎｇｕａｇｅ）进行功能模块设计，能实现并行多路的流水线处理．本文中的多光谱图像实时处理模块主要包含以下几个模块：图像数据获取与存储模块，同步解码模块，同步矩阵剥离运算，以及数据传输模块．
图６为各组成模块以及流程示意图，ＦＰＧＡ内部ＦＩＦＯ（Ｆｉｒｓｔ Ｉｎｐｕｔ Ｆｉｒｓｔ Ｏｕｔｐｕｔ）存储器ＩＰ（Ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌｐｒｏｐｅｒｔｙ）核模块能处理的最大位宽为２５６位，长位宽的数据处理能力为实时多路并行处理多流水线的数据处理提供了条件，如图７为多路并行流水线处理的具体流程：
图６ 实时多光谱图像处理模块组成及流程示意图
Ｆｉｇ．６ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ ｆｌｏｗ－ｐｒｏｃｅｓｓ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｍｕｌｔｉ－ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ１）根据ＣＭＯＳ图像传感器的输出时序和输出信号拼接为一个１２８位的数据，如图７（ａ），并根据图７（ｂ）中的行序列识别模块，判断该行图像是Ｇ／Ｒ行还是Ｂ／Ｇ行，以此来判定将此１２８位数据是存入存储Ｇ／Ｒ行图像的ＦＩＦＯ中还是存入存储Ｂ／Ｇ行图像的ＦＩＦＯ中；
图７ 多路并行矩阵剥离运算示意图
Ｆｉｇ．７ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ ｐａｒａｌｌｅｌ ｍａｔｒｉｘ ｕｎｍｉｘｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ
２）如图７（ｃ）所示，在获取了一组Ｇ／Ｒ和Ｂ／Ｇ图像（即一行Ｇ／Ｒ图像和一行Ｂ／Ｇ图像）后，同步解码模块对图像数据进行插值运算，最终输出数据为２５６位的数据，该数据包含４组像素的Ｒ、Ｇ、Ｂ通道的信息．在同步矩阵剥离运算中，每一路并行运算包含９个硬件乘法器Ｍ，乘法器的一个乘数为计算出的图像采样值，另一个乘数为逆矩阵中的对应的参量，通过将浮点小数的运算等价为整数相除的方法，增加３个硬件除法
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器，可以很好地解决浮点小数运算耗时长的问题；最终将计算出的４组光强参量存储到ＦＩＦＯ中；
３）ＦＰＧＡ中的ＦＩＦＯ存储器可以配置为２５６位数据输入，１６位数据输出的模式，如图７（ｃ）所示，低位数据首先输出，高位数据依次輸出，同步传输模块将１６位数据从ＦＩＦＯ中读出，然后将该数据以符合ＵＳＢ传输时序的方式写入到ＣＹ７Ｃ６８０１３中，然后传输到主机．
从以上流程图可以看出，多光谱图像矩阵剥离运算基本上是与图像传感器数据输出同步的，利用ＦＰＧＡ内部的ＦＩＦＯ进行数据缓存，利用硬件算法将矩阵运算分解成各个最小单元来进行运算，通过硬件乘法器和除法器的高速运算，实现多路并行的流水线操作．
２ 实验结果与讨论
２．１ 实验条件和方法
实验１：利用ＬＣＴＦ来测定本文中选用的三通道窄带滤光片三个通道的实际中心波长和半高宽，以及在三个波段图像传感器的特征向量．ＬＣＴＦ选用美国ＣＲＩ公司的ＶａｒｉＳｐｅｃＴＭ（ＶＩＳ－０７－３５－ＳＴＤ），工作光谱范围为４００～７２０ｎｍ，半峰全宽为１０ｎｍ，工作孔径为２０ｎｍ．
首先，测试中心波长为４８０ｎｍ的波段时，调谐ＬＣＴＦ的中心波长以１ｎｍ的波长递增，调谐范围从４７０ｎｍ到４９０ｎｍ，在每一个波段获取原始的未剥离的图像数据，此时图像传感器Ｂ通道的响应最强，此时计算整帧图像的Ｂ通道响应值的平均值作为测量数据．同样地，测量中心波长为５６０ｎｍ和６５０ｎｍ的波段时，ＬＣＴＦ的调谐范围分别为５５０５７０ｎｍ以及６４０６７０ｎｍ，此时图像传感器的Ｇ通道和Ｒ通道的响应分别最强，使用同样的方法计算这两个通道响应的平均值作为测量数据．在测量完毕一个光谱波段后，各波段的测量数据组成测量向量，其中每个参量除以参量中最大的那个，进行归一化处理，而参量最大的那个就是实际的通道中心波长，而且还可以通过曲线得到该通道的实际半高宽，证明透射光确实为窄带单色光．实验２：以某一波段的单色光为入射光，通过假设检验直接通过图像传感器获得的光谱响应值与通过剥离模型计算出的光谱响应值的差值的均值，证明剥离模型的准确性，检验水平越小，则准确性越高．另一方面通过上述检验可以在另一方面验证通过模型计算出的光强向量中只有该单色光的光强参量非０，另外两个参量为０．
实验３：在多重染色情况下测试多光谱图像剥离模型的效果．通过对比不经过剥离的原始彩色图像与剥离后的３个波段的灰度图像，观察剥离效果．
实验４：在实际应用中测试多光谱图像剥离模型的效果．使用本文的实时多光谱成像系统在一种复染情况下进行细胞ＤＮＡ含量的定量分析，并能同时获取细胞质和细胞核的形态．
２．２ 实验结果与讨论
２．２．１ 实验１的结果与讨论
如图８，根据测定的数据可知三通道窄带滤光片的中心波长分别为４８２ｎｍ、５６２ｎｍ和６５１ｎｍ，符合其给定的误差范围，而半高宽的波段范围分别为４７６４８８ｎｍ、５５４５６９ｎｍ和６４２６６２ｎｍ，即半高宽为１２ｎｍ／１５ｎｍ／２０ｎｍ，由于ＬＣＴＦ的半峰全宽为１０ｎｍ，因此虽然本实验测定的半高宽比产品标明的半高宽要宽，但是仍然在误差范围之内，该实验证明了使用三通道窄带滤光片来进行多光谱成像，其透射光是三个不同波段的窄带单色光．
２．２．２ 实验２的结果与讨论
通过实验１确定了三通道窄带滤光片的三个波段的中心波长，根据１．３节中的多光谱图像剥离模型的建立方法，获得特征矩阵的９个参量后，
计算其
图８ 三通道窄带滤光片的相对强度曲线
Ｆｉｇ．８ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ－ｃｈａｎｎｅｌｓｎａｒｒｏｗｂａｎｄ ｆｉｌｔｅｒ
逆矩阵．根据实验１的测试结果，式（２）可变化为
廖乘胜，等：
基于多通道窄带滤光片和彩色图像传感器的实时多光谱成像系统Ｒ′＝Ｒ４８１×Ｉ４８１＋Ｒ５６２×Ｉ５６２＋Ｒ６５２×Ｉ６５２Ｇ′＝Ｇ４８１×Ｉ４８１＋Ｇ５６２×Ｉ５６２＋Ｇ６５２×Ｉ６５２Ｂ′＝Ｂ４８１×Ｉ４８１＋Ｂ５６２×Ｉ５６２＋Ｂ６５２×Ｉ烅烄
烆６５２
（７
）则根据特征向量的归一化处理可以知道
Ｂ４８１＝Ｇ５６２＝Ｒ６５２＝
１（８）测试使用中心波长为６５２ｎｍ的单色光，此时图像传感器Ｒ′的输出最大，令Ｘ＝Ｒ′，Ｙ＝Ｉ６５２，
测试结果见表１，共２组相互独立的各ｎ个测试数据，令Ｄｉ＝Ｘｉ－
Ｙｉ，其中ｉ＝１，２，…，ｎ，由于是由同一因素所引起的，可认为它们服从同一分布，假设ＤｉＮμ
Ｄ，σ２（）Ｄ，其中μＤ、σ２
Ｄ未知，基于这一样本检验假设：Ｈ０∶μＤ＝０，Ｈ１∶μ
Ｄ≠０；分别记ｄ－
和ｓ２
Ｄ为上述样本的均值和方差，
则上述检验问题的拒绝域为（检验水平为α）｜ｔ｜＝ｄ
－
ｓＤ／槡
ｎ≥ｔα
／２ｎ（）－１根据表１中的数据得到：ｎ＝５；取检验水平α＝０．０１，则ｔ０．００
５（）４＝４．６０４１；ｄ－
＝０．０３６，ｓＤ＝０．０２３，则拒绝域为
｜
ｔ｜＝ｄ－
ｓＤ／槡
ｎ＝０．０３６
０．０２３／槡５＝３．５０＜４．６０４１｜
ｔ｜的值不在拒绝域内，因此接受假设Ｈ０，认为通过剥离模型计算出的光谱响应值与未使用剥离模型直接测量的响应值在检验水平为０．０１的情况下，
两者是一致的．表１ 单色光波长为６５２ｎｍ时的测试结果
Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｅｓｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｌｉｇ
ｈｔ ｉｓ ６５２ｎｍＳａｍｐｌｅｎｕｍｂｅｒＴｈｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｖａｌｕｅｓ Ｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙ ｎｏｔ ｕｓｉｎｇ ｕｎｍｉｘｉｎｇ ｍｏｄｅｌＴｈｅ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｕｎｍｉｘｉｎｇ ｍｏｄｌｅＳａｍｐ
ｌｅＳａｍｐｌｅａｖｅｒａｇｅＳａｍｐｌｅ ｓｔａｎｄａｒｄｄｅｖｉａｔｉｏｎ１
１４４．８５
１４４．７８
０．０７
２ １４４．３８ １４４．３４ ０．０４３ １４５．９８ １４５．９６ ０．０２４ １４３．８９ １４３．８８ ０．０１５
１４１．４４
１４１．４
０．０４
０．０３６ ０．０２３
根据上述假设得到的结论，式（５）中的Ｒ′＝Ｉ６５２，而Ｒ６５２＝１，Ｒ４８１和Ｒ５６２均为正数，因此很容易得到Ｉ４８
１＝Ｉ５６
２＝０．２．２．３ 实验３的结果与讨论
实验结果如图９，图（ａ）是原始的三个波段混叠的彩色图像，图９（ｂ）（ｄ）是通过多光谱图像剥离模型剥离出的三个波段各自的灰度图像，可以观察到：１）在４８１ｎｍ波段，红色细胞和绿色细胞的细胞质的灰度与背景的灰度接近；２）在５６２ｎｍ波段，绿色细胞的细胞质的灰度与背景的灰度接近，而红色细胞的与背景的灰度相差很大；３）在６５２ｎｍ波段，红色细胞的细胞质部分灰度与背景的灰度接近，绿色细胞的与背景的灰度相差很大；４
）在以上三个波段
，细胞核的灰度与背景的灰度的相差都比较大．图９ 原始混合图像和经多光谱成像和剥离处理后的三波段灰度图像
Ｆｉｇ．９ Ｏｒｉｇｉｎａｌ ｍｉｘｅｄ ｉｍａｇｅ ａｎｄ ｔｈｒｅｅ ｗａｖｅｂａｎｄ′ｓ ｇｒａｙ ｉｍａｇｅｓ ａｆｔｅｒ ｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ａｎｄ ｕｎｍｉｘｉｎｇ
ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
光 子 学 报
２．２．４ 实验４的结果与讨论
实验结果如图１０，（ａ）是染色的细胞质和细胞核的图像，（ｂ）是经过多光谱图像剥离模型处理后的细胞核的灰度图像，每个小图像下方的数字是计算出的细胞的ＤＩ指数［１５］，正常细胞的ＤＩ指数一般为１，正常的处于增殖分裂的细胞的大约为２，而癌细胞的ＤＩ指数一般大于２．５．
图１０ 实际应用中的图像
Ｆｉｇ．１０ Ｉｍａｇｅｓ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
从图中可以清晰地观察整个细胞的形态，包括细胞质和细胞核的相对大小等信息，医师可以通过细胞形态学进行分析；而且剥离后的只有细胞核的灰度图像可以通过其他技术手段对其ＤＮＡ含量进行分析，ＤＩ指数就是这样计算出的［１６］．
３ 结论
本文设计的多光谱成像系统创新性地将多通道窄带滤光片的滤光特性与彩色图像传感器的成像特性结合起来，通过建立多光谱图像剥离模型来对最终图像传感器输出的图像进行解混叠的剥离处理，最终得到各个单色光独自的光谱响应图像．实验结果表明，本文建立的吸光度剥离矩阵模型的各个参量都是与各吸光物质的吸光特性参量直接相关的，体现的是各吸光物质的根本特性，因此模型具有唯一性．该模型的参量与彩色图像传感器的光谱响应特性有关，也与多通道窄带滤光片的各个中心波长有关．针对不同的应用场合可以选取不同的中心波长组合的滤光片．因此，虽然本系统光谱波段数量不多，但是在待检测物质数量少且光谱特征差异较大的情况下仍然具有非常重要的应用意义，而且多光谱图像剥离模型易于更新，针对不同的待分析物质可以很容易地建立各自的剥离模型，因此在医疗、农业等领域具有巨大的市场应用潜力．
本文获取吸光度剥离矩阵模型和多光谱图像解混叠矩阵模型的参量时使用的分光器件为ＬＣＴＦ，其光谱分辨率较高，但是其透过率较低，采用光谱分辨率更高、透过率更高的分光器件对于模型参量的准确性更有利．另外选用分辨率更高、帧率更高、成像质量更高的彩色图像传感器，改用传输速度更快的图像数据传输方式，系统的实时性和应用价值也将进一步提升．
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生物识别滤光片解读 生物识别滤光片属于精密光电薄膜元器件之一，其主要原理是通过特殊的光学设计实现特定波段光源的高透射或高反射效果，帮助终端产品完成生物信息的提取、筛选和转化以及3D景深信息的获取。 一、生物识别滤光片定义 电子设备为获取物体的位置和景深信息，需要以特定波长的红外光作为传感的媒介，因此需要去除太阳光中含有的干扰频段的红外线，保留地表太阳光中较为薄弱的特定频段红外光（例如940nm）。生物识别滤光片的使用可允许上述特定频段的红外光通过，因此也称为窄带滤光片。 生物识别滤光片属于精密光电薄膜元器件之一，其主要原理是通过特殊的光学设计实现特定波段光源的高透射或高反射效果，帮助终端产品完成生物信息的提取、筛选和转化以及3D景深信息的获取。
二、生物识别滤光片作用 与生物识别滤光片不同点在于，红外截止滤光片是利用精密光学镀膜技术在白玻璃、蓝玻璃或树脂片等光学基片上交替镀上高低折射率的光学膜，红外截止滤光片可实现可见光区（400-630nm）高透，近红外光区（700-1,100nm）截止的光学滤光片，并通过实现近红外光区截止以消除红外光对成像的影响。 而生物识别滤光片与红外截止滤光片的透过频段相反，仅允许通过特定频段红外光（例如940nm），并通过特殊的光学设计实现特定波段光源的高透射或高反射效果，生物识别滤片可允许智能手机、AR/VR设备等能够获取特定频段红外光所携带的3D景深信息，并帮助电子产品完成生物信息的提取、筛选和转化以及3D景深信息的获取，以实现3D人脸识别、虹膜识别、手势识别等生物识别功能。 三、生物识别滤光片分类及参数 生物识别滤光片是从窄带滤光片中细分出来的，其定义与窄带滤光片相同。因此，生物识别滤光片在特定的波段允许光信号通过，而偏离这个波段以外的两侧光信号被阻止，生物识别滤光片的通带相对来说比较窄，一般为中心波长值的5%以下。滤光片产品主要按光谱波段、光谱特性、膜层材料、应用特点等方式分类。 光谱波段：紫外滤光片、可见滤光片、红外滤光片、生物识别滤光片； 光谱特性：带通滤光片、截止滤光片、分光滤光片、中性密度滤光片； 膜层材料：软膜滤光片、硬膜滤光片； 带通型：选定波段的光通过，波段外的光截止。其光学指标主要是中心波长（CWL），半带宽（FWHM)。 短波通型：短于选定波长的光通过，长于该波长的光截止。比如红外截止滤光片，IBG-650。 长波通型：长于选定波长的光通过，短于该波长的光截止，比如红外透过滤光片，IPG-800。 生物识别滤光片主要相关参数有：中心波长、半高宽（带宽）、峰值透过率、截止范围、截止深度（OD值）等。 中心波长：生物识别滤光片的中心波长类似于仪器或设备的工作波长，中心波长是指通带中心位置的波长； 半高宽（带宽）：带宽是指通带中透过率为峰值透过率的一半的两个位置之间的距离，有时也叫半高宽； 峰值透过率：生物识别滤光片在通带中最高的透过率大小； 截止范围：截止范围是指除了通带以外，要求截止的波长范围。对于生物识别滤光片而言，有一段是短截止，另一段截止波长高于中心波长的一段；
液晶知识扫盲系列4：彩色滤光片（color filter） 一，什么是color filter? 彩色滤光片（Color filter）是一种表现颜色的光学滤光片，它可以精确选择欲通过的小范围波段光波，而反射掉其他不希望通过的波段。彩色滤光片通常安装在光源的前方，使人眼可以接收到饱和的某个颜色光线。有红外滤光片，绿色，蓝色等。与UV滤光片，VD滤光片相比，凡是带色的滤光片之总称。如反差滤光片、分色用滤光片、LB滤光片等。 LCD上的color filter一般采用R(red 红)，G（green 绿），B(blue蓝) 彩色滤光片来控制色彩的显示。要了解他控制颜色的原理，先要了解TFT-color filter的结构及组成，才能明白它是如何可以在LCD上显示出我们需要的图像的。 二，color filter的结构 彩色滤光片基本结构是由玻璃基板（Glass Substrate），黑色矩阵（Black Matrix），彩色层（Color Layer），保护层（Over Coat），ITO导电膜组成。一般穿透式TFT用彩色光片结构如下图。 首先，如果我们使用高倍的放大镜观察color filter, 可以看到如下所示，是由每一个很少的RGB小点构成，我们把每一个绿色的，红色或蓝色的小点称之为sub-pixel. 每一个RGB的组合称之为pixel. 而旁边黑色的部分，我们就称之为black matrix(黑色矩阵)。为什么我们要使用RGB颜色？这是利用三基色混色原理，自然界中的任何颜色可由RGB三种色彩通过不同的比例混合而成。 Color filter 平面图 理解了它们能够显示任何我们想要的颜色之外，我们再看看他是如何显示的。如下图，是液晶面板的结构图。大致可以分为两部：（1）提供光源的Back light unit(背光源，详细介绍请参考上期介绍)。（2）液晶面板（液晶面板可以简单的看是color filter 和TFT中间夹着液晶而成）。 详细的结构剖面图如下
液晶屏的工作原理 （资料来源：中国联保网） 简单的来说，屏幕能显示的基本原理就是在两块平行板之间填充液晶材料，通过电压来改变液晶材料内部分子的排列状况，以达到遮光和透光的目的来显示深浅不一，错落有致的图象，而且只要在两块平板间再加上三元色的滤光层，就可实现显示彩色图象。 认识了它的结构和原理，了解了它的技术和工艺特点，才能在选购时有的放矢，在应用和维护时更加科学合理。液晶是一种有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。 LCD第一个特点是必须将液晶灌入两个列有细槽的平面之间才能正常工作。这两个平面上的槽互相垂直(90度相交)，也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90度。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。 LCD的第二个特点是它依赖极化滤光片和光线本身，自然光线是朝四面八方随机发散的，极化滤光片实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网，阻断不与这些线平行的所有光线，极化滤光片的线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。 只有两个滤光片的线完全平行，或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光片相匹配，光线才得以穿透。一方面，LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光片构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光片之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光片后，会被液晶分子扭转90度，最后从第二个滤光片中穿出。另一方面，若为液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光片挡住。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。当然，也可以改变LCD 中的液晶排列，使光线在加电时射出，而不加电时被阻断。但由于液晶屏幕几乎总是亮着的，所以只有“加电将光线阻断”的方案才能达到最省电的目的。 主动矩阵式液晶屏 TFT-LCD液晶显示器的结构与TN-LCD液晶显示器基本相同，只不过将TN- LCD上夹层的电极改为FET晶体管，而下夹层改为共通电极。 TFT-LCD液晶显示器的工作原理与TN-LCD却有许多不同之处。TFT- LCD液晶显示器的显像原理是采用“背透式”照射方式。当光源照射时，先通过下偏光板向上透出，借助液晶分子来传导光线。由于上下夹层的电极改成FET电极和共通电极，在FE T电极导通时，液晶分子的排列状态同样会发生改变，也通过遮光和透光来达到显示的目
窄带滤光片设计报告 综述： 窄带滤光片是一种带通滤波器，它利用电解质和金属多层膜的干涉作用，可以从入射光中选取特定的波长，窄带滤光片的带通一般比较短，通常为中心波长的5%以下。干涉滤光片是由两块内表面镀有高反射膜（介质或金属膜）的相互平行的高平面度玻璃板或石英板组成，在内表面之间形成多次反射以产生多光束之间的干涉。其作用是让光源中某一窄带光谱的光波以尽可能高的透射率通过，而使其他光谱范围的光波衰减，以获得单色性良好的准单色光。窄带滤光片可代替如光栅那样的昂贵的分光器件，广泛应用于光学实践和工业领域。 设计内容： 窄带滤光片的设计与制作 窄带滤光片工作原理：多光束干涉 由多光束干涉中光程差公式 当相干光束数目很大时，只有确定的n 、d 、i 值，光源中只有严格满足上述公式的波长才能够基本无衰减的通过，微小的偏差使上述条件的波长成分将由于近似相消而衰减，从而实现窄带滤波。 设计要求： 入射介质0n ＝1；出射介质g n ＝1.52；入射角0θ＝?0；中心波长λπ?i n d M sin 42 20=-=?
＝450(亦即参考波长)，中心波长透过率大于95%，透射光谱的半0 宽度小于45nm。使用n H＝2.26（TiO2）， n L＝1.45（Al3O2）。 膜系设计： H L H H H H L H 软件模拟效果： 模拟数据： 中心波长：450nm 半波宽度：43nm 中心透过率：95.23%
窄带滤光片的制备过程： 1.清洗镀膜机，安装监控片，将待蒸发的薄膜材料放入蒸发容器 中； 2.清洗玻璃基片，由于设计要求不高，镜片只用酒精进行擦拭。 3.根据膜系设计的结果将设计参数置入镀膜机的控制系统；然后在控制系统的监控下镀膜机镀膜机全自动镀制干涉滤光片。 但是由于在实验过程中机器出现故障，所以临时决定使用溅射的方法来进行镀膜， 在镀膜之前算好每层膜所需要的时间，然后人为的对仪器镀膜时间进行控制，由于我们初次接触，这样的工作由一位博士生学长进行，并在镀膜的同时为我们讲解相关知识。 窄带滤光片实测数据： 中心波长：422nm 半波宽度：57nm 中心透过率：67.14% 误差分析： 1.中心波长向左漂移28nm ： 根据公式 2λ =nd ，由于间隔层的光学厚度较小，导致中心波长减小即向左漂移。其造成误差因素包括两个：①使用的镀膜金属中含有杂质，导致其折射率降低，影响了光学薄膜的光学厚度。②镀膜时间计算不准确或在镀膜时，没有掌握好镀膜时间，导致膜厚度较窄，降低了光学厚度。
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟 一种窄带导模共振负滤光片的设计 由于弱调制光栅可以等效为平面波导，本文从平面波导的本征方程出发，导出垂直入射时弱调制光栅共振位置的表达式。分别以单层、双层膜系导 模共振光栅结构为例，研究了光栅层厚度、周期、占空比对共振波长的影响。 结合光学薄膜理论设计出一种窄带导模共振负滤光片。由于导模共振对入射波 参数和光栅参数都极为敏感，具有窄带效应，用来制作窄带负滤波片非常可 行。 导模共振效应是介质光栅在一定的浮雕结构参量和入射条件下出现的一 种特殊衍射现象。它的产生，是由于衍射光栅可以看作周期调制的平面波导， 当光栅内高级次传播波在参数上与光栅波导所支持的导模接近时，光波能量重 新分布，由于光栅的周期调制性使得光栅波导出现泄漏，泄漏波能量也将重新 分布，形成导模共振。导模共振滤光片(guided-mode resonance filter) 的周期性结构能够提供位相匹配的可能性。对于高空间频率的波导光栅，即亚波长的波 导光栅，所有的高级次衍射波均为倏逝波，这样就使得所有的能量均在0 级反射波与0 级透射波之间转换成为可能。在共振波长处，出现尖锐的反射峰，这 就是共振型滤光片的基本原理。 在偏离或者远离共振区时，波导光栅可以看作均匀的薄膜，因此可以将 光栅的共振和薄膜的干涉结合起来，采用薄膜光学中广泛采用的减反射设计， 在不影响共振峰峰值反射率的情况下，有效地降低旁带的反射率，从而设计出 窄带、低旁带、线型对称的共振滤波器。 在光学薄膜范畴，能从一段光谱中除去某一波带的滤光片，被称为负滤 光片。导模共振效应非常适合于制作性能优良的窄带负滤光片。
客户成品指标850 nm窄带低通滤光片性能指标管控 参考波形
激埃特光电ZK850窄带内部管控指标 1）原材料：HWB830黑玻璃， 直径8.0mm公差要求-0.1mm，厚度：3.5mm公差要求+/-0.1mm 表面质量：双面抛光，抛光面光洁度达到60-40以上最好是40-20标准，无肉眼可视砂眼，划伤，印渍，侧面无抛光印渍，崩边小于0.1mm,倒边小于0.2mm 光谱质量：300nm~800nm T<0.1%, 850nm T>70%, 880nm~1100nm T>85%,重点是中心波长管控T=50%处要求在827nm~836nm之间。 2）浮法玻璃：0.55mm玻璃公差在+/-0.05mm之间 3）S1面850窄带镀膜管控标准：镀膜后冷却1小时测量，中心波长在839nm~846nm之间，峰值透过大于80~90%之间，在80%以上的透过必须有5nm以上的空间（即5nm内的波长所对应的透过率应大于80%以上，以确保波长稳定后的合格率），半带宽FWHM控制：若中心波长在839nm半带宽可以放宽到22~25nm之间，若中心波长在846nm半带宽只能在19nm~21nm. 截止区700nm~820nm T<0.5%,880nm~1100nm T<0.5% 4）S2面分光膜面镀膜管控：只测试S1+S2双面情况下数值。 若S1面镀得峰值透过率大于90%镀完分光膜后，透过率要比只镀一面分光膜的高。即单面镀膜分光54%，S1+S2后由于不受背面4。2%的玻璃反射，将会达到56%左右。遇这种情况，要求高透过的窄带镀分光膜时透过要控制低点。比如53%(这个情况要求品保再做实验以确认实际情况) 相反的若窄带透过率只有70%左右，同样镀54%的分光膜后，将会下降个1%~3%. 5）品保管控：胶合前在投大片材料时，要把S1+S2双面已镀的窄带产品控制在50%~54%之间，需要考虑到分光膜面跟黑玻璃胶合后会有将5%个点的上浮。同时中心波长也会有1~3nm左右的向长波方向移动现象。 若把850多层膜面跟黑玻璃胶合透过率会下降5~15%个百分点，且不稳定。务必不能把S1面和S2面相反胶合，否则后果很难确认。 品保对双面镀膜后的中心波长管控： 中心波长：845nm~847nm之间的峰值透过率在50~55%且850nm透过率必须在50%以上。半带宽在20nm~25nm之间。 中心波长：848nm~852nm之间的峰值透过率在50~55%且850nm透过率必须在50%以上。半带宽在19nm~21nm之间。 中心波长：853nm~855nm之间的峰值透过率在50~55%且850nm透过率必须在50%以上。半带宽在20nm。 测试点一个大片至少要测试5个点，距边缘10mm处的且距离档边角20mm处测一个点，再转90度相同情况下测一次，转三次后再测度最中心区域点。若遇到第四圈特别注意，第四圈靠最外边的边缘15mm内与其它的波长和透过率将变化非常大，要特别测试。并划分出来再投料。 其余圈，圈与圈之间一般会渐变偏长或波长偏短，透过率上也只是渐变化。也有可能遇到因为镀膜操作人员放置玻璃时有斜面现象，造成某圈中的某片镜片变化非常大，要特别跟踪。 6)成品光谱曲线管控： 最高峰值透过率不得高于60%。 850nm处透过率在50~59.5%之间。（这时可以不考滤中心波长位置） 半带宽在18nm~23nm之间，若透过率低半带宽可以宽，透过率高半带宽要窄点。 截止区350nm~820nm T<0.5%, 880~1100nm T<0.5%(在1000-1100nm处可放宽，因为我们检测仪器有误差)
酶标仪的工作原理及基 本结构 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT
酶免测试的工作原理 吸光度测试的准确性对于酶免测试结果的重要性 酶标仪的组成部分和工作原理 第一节比色分析的基本理论 许多化学物质具有颜色，有些无色的化合物也可以和显色剂作用而生成有色物质。事实证明，当有色溶液的浓度改变时，颜色的深浅也随着改变。浓度越大，颜色越深；浓度越小，颜色越浅。因此，可以通过比较溶液颜色深浅的方法来确定有色溶液的浓度，对溶液中所含的物质进行定量分析。如纳氏管比色法，它是按浓度由高到低，配好一系列标准浓度管，然后拿待测样品和标准管逐个比较，看和哪一个标准管的颜色最相近，便读取该标准管的浓度值为待测样品的浓度值，这就是（目视）比色法。这种方法虽然比较简便，但是系列标准管不易保存，误差较大。后来改用光电检测元件代替目视来测量被测溶液中物质的含量，这种方法叫光电比色法。利用这种方法制成的仪器叫光电比色计。 光电比色计属于吸收光谱仪器范围。 一、光的性质 从物理学中我们知道，光具有波动和微粒两种性质，通称光的波粒两象性。在一些场合，光的波动性比较明显；在另一些场合，光则主要表现为微粒性。 首先，光是一种电磁波。可以用描述电磁波的术语，如振动频率（υ）、波长（λ）、速度（c ）、周期（T ）来描述它。我们日常所见到的白光，便是波
长在400～760nm之间的电磁波，它是由红橙黄绿青蓝紫等色，按照一定比例混合而成的复合光。不同波长的光被人眼所感受到的颜色是不同的。在可见光之外是红外线和紫外线。各种色光及红外线、紫外线的近似波长范围如表1所示。 表1 各种色光及红外线、紫外线的近似近波范围单位：nm 除了波动性外，光还具有微粒性。在辐射能量时，光是以单个的、一份一份的能量（E＝hυ）的形式辐射的。式中υ是光的频率，h为普朗克常量。同样，光被吸收时，其能量一份一份地被吸收的。因此，我们可以说，光是由具有能量（hυ）的微粒所组成的，这种微粒被称为光子。由式中可知，不同波长的光子具有不同的能量。波长越短，即频率越高，能量越大。反之亦然。光子的存在可以从光电效应中得到充分的证明。 二、光的互补及有色物质的显色原理 若把某两种颜色的光按照一定的比例混合，能够得到白色光的话，则这两种颜色的光就叫做互补色。图1中处于直线关系的两种光为互补色。如绿光和紫光为互补色，黄光和蓝光为互补色等等。
彩色濾光片簡介 彩色化之關鍵零組件 彩色濾光片（Color filter）為液晶平面顯示器（Liquid Crystal Display）彩色化之關鍵零組件。液晶平面顯示器為非主動發光之元件，其色彩之顯示必需透過內部的背光模組（穿透型LCD）或外部的環境入射光（反射型或半穿透型LCD）提供光源，再搭配驅動IC（Drive IC）與液晶（Liquid Crystal）控制形成灰階顯示（Gray Scale），而後透過彩色濾光片的R,G,B彩色層提供色相（Chromacity)，形成彩色顯示畫面。 基本結構 彩色濾光片基本結構是由玻璃基板（Glass Substrate），黑色矩陣（Black Matrix），彩色層（Color Layer），保護層（Over Coat），ITO導電膜組成。一般穿透式TFT用彩色光片結構如下圖。 圖一TFT彩色濾光片之結構 顏料分散法 彩色濾光片生產歷史中曾出現印刷法、染色法、染料分散法、電著法、乾膜法等等，但目前最主流的量產方式為顏料分散法（Pigment Dispersed Method），其中顏料分散型彩色光阻（Pigment Dispersed Color Resist，PDCR）為形成彩色層之原材料。 彩色濾光片之製造流程 顏料分散法之彩色層形成類似半導體的黃光微影製程，首先將顏料分散型彩
色光阻塗佈於已形成黑色矩陣的玻璃基板上，經軟烤（Pre-bake），曝光對準（Aligned），顯影（Developed），光阻剝離（Stripping），硬烤（Post-bake）重覆此流程三次形成R,G,B 之三色圖形（Pattern）。 顏料分散法之彩色濾光片之製造流程如下。 圖二顏料分散型彩色濾光片製造流程 畫素設計排列 Pattern圖形是由曝光對準製程中之光罩（Photo Mask）而來，一般皆是由面板廠（Panel）指定，提供設計圖樣。Pattern上之紅、綠、藍（R,G,B）畫素（Pixel）排列方式並不一定，可為馬賽克式、直條式、三角形式、四畫素等方式排列，主要是依顯示器之用途及視訊電極（Pixel Electrode）之形狀和大小而定。一般而言如要顯示AV動態畫面需採用如馬賽克式之不規則設計，如較常顯示文字畫面，如Note book，則採用直條式之設計。 （一）馬賽克式（二）直條式（三）三角形式（四）四畫素
窄带滤光片在人脸识别中的应用 上海兆九光电技术有限公司汤兆胜博士 人脸识别技术是对人的脸部特征信息进行识别，它是一种生物识别技术。用图像采集装置采集含有人脸的图像或视频流，并根据图像自动检测和跟踪人脸，并对人脸进行特征定位、提取，通过比对辨识达到识别不同人身份的目的。人脸识别的运算是非常巨大的，而初始图像质量的好坏以及算法优劣对识别效率有决定性的影响。这里，我们主要针对人脸识别系统中的图像采集装置所用到的窄带滤光片进行分析，目的是帮助使用者更好地了解窄带滤光片的作用和使用方法，以便正确选择窄带滤光片的技术指标。 由于人脸识别的计算量很大，目前都是基于黑白灰度图像进行识别的。其图像采集的结构示意图如图1所示。 图1人脸识别图像采集示意图 1.光源特点 人脸识别的图像采集装置中，光源一般采用高功率的红外二极管，波长以850nm和940nm居多。为提高识别效率以及提高光的利用率，从光源选择开始就要考虑到整体设计。虽然市面上购买的LED标称值都是850nm或940nm，但在测量具体的LED产品中心波长时发现还是有不少偏差的。 以850nm的LED为例，其实际中心波长有835nm的，也有865nm的。由于人脸识别系统中采用的光源为多颗大功率LED阵列，如果各个LED的中心波长不一致，所有LED的光谱在叠加之后，
综合的光谱带宽会展宽。单个850nm的LED带宽在50nm左右，如果由于中心波长不一致，多个LED叠加后的光谱带宽将会变成很宽。这对后续的窄带滤光片带宽的选择、能量利用率以及信噪比的提高都是十分不利的。所以要求在选择LED光源时，中心波长要一致。另外，LED光源随着工作温度的升高，其中心波长是向长波漂移的，每升高10℃，LED的中心波长向长波漂移1nm左右。而且随着工作温度的升高，LED的发光效率快速下降，当升高到85℃左右时，LED的输出效率降到50%左右。因此要求LED光源的散热效果良好。还有，在选择LED发光管的发散角时，以较小的发散角为好，这样可以提高光源的能量利用率。 2.接收器特点 在人脸识别系统中，接收器基本上采用CCD图像传感器。CCD具有体积小、重量轻、失真度小、功耗低、可低压驱动、抗冲击、抗振动、抗电磁干扰强的优点，因此被广泛应用于各种图像采集系统。 在人脸识别系统中的CCD基本上是硅衬底的，其光谱响应范围为400nm~1100nm，该范围也就是窄带滤光片要考虑的光谱范围。 3.窄带滤光片选择与注意事项 窄带滤光片主要是用来隔离干扰光，透过信号光，充分突显有用信息，减小干扰信息，为后续的图像处理和识别奠定基础。在目前，人脸识别主要应用在各种场合的考勤和门禁系统。有的是安装在室内光线较暗的地方，有的是安装在较为明亮的地方。不同场合下，干扰光的强度是不同的，因此对窄带滤光片的要求也不同。 我们发现，人们经常用隔离可见光透过红外光的红外玻璃作为干扰光隔离滤光片，当然也能收到一定效果。但是，普通的红外玻璃只是隔离了可见和紫外部分的光，并没有隔离红外光。而在实际的干扰光中，从可见到红外都是存在的，因为太阳光的光谱很宽，并且漫反射或散射的太阳光是主要的干扰源。因此，想得到良好的抗干扰效果，必须采用窄带滤光片。吸收型的红外玻璃与窄带滤光片在透过率性能上的比较如图2所示。从图中可以看出，不管是哪种牌号的红外玻璃都只隔离了可见光，对红外光没有任何阻挡效果，而窄带滤光片对信号光谱范围之外的所有干扰光的隔离都是很有效的。 图23mm厚的红外玻璃与0.55mm厚的干涉窄带滤光片曲线比较 4.窄带滤光片带宽的确定
405nm带通滤光片 405nm窄带滤光片优点 1）高透过率，光信号衰减率小，有效提升工作距离和光强度 2）高截止深度，有效避免杂光干扰； 3）波长精度高; 4）10多年的光学滤光片生产经验，进口镀膜机制作，IAD离子辅助镀膜技术，确保低温飘，膜层牢固度更强。 405nm FWHM8nm 窄带滤光片指标 BP405 FWHM=8nm CWL：405nm±2nm FWHM：8nm ±2nm Tpeak：T≥45%@405>;±2nm(CWL) Blocking：OD5@200-1200nm Surface：80/50 Substrate：Quartz glass,H-K9L
Circle：φ10mm,φ12.5mm Thickness：4mm 405nm FWHM10nm窄带滤光片指标 BP405 FWHM=10nm CWL：405nm±5nm FWHM：10nm ±5nm Tpeak：>75% Blocking：Tmax<1%@300-380&435-1100nm Surface：80/50 Substrate：Float glass,B270 Size Circle：φ8-φ44mm Square：10×10-40×40mm Thickness：2.0-5mm 405nm窄带滤光片光学谱线图
405nm窄带滤光片应用 酶标仪、SIM酶标仪、荧光分光光度计、生化仪、全自动生化分析仪、半自动生化分析仪、激光扫描共焦显微镜技术、紫外检测器、紫外荧光分析仪、激光显微共焦拉曼光谱系统、全自动酶免分析系统、流式多色检测技术、流式细胞仪、共聚焦荧光显微镜、免疫分析系统、
影像传感器对成像效果起着至关重要的作用，像素越高，影像传感器内部集成的感光电极也越多，同时我们也应该想到提升像素势必要涉及到制造成本，每提高一个等级，数码相机的价格都要高出一截，而且提升到一定程度后，CCD传感器由于制造工艺的限制，短时间内很难再有所突破。 目前主流的DSLR机型使用的CCD最多为600万像素左右，即使现在索尼生产出了700万、800万像素的CCD，但想要将其安置在DSLR机身内的话，最终效果只能是与预期效果背道而驰不合实际。而CMOS传感器却高达1600万像素以上。 CMOS的成像原理 CMOS可细分为被动式像素传感器(PassivePixelSensorCMOS)与主动式像素传感器(ActivePixelSensorCMOS)。它原本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。可是有人偶然间发现，将CMOS加工也可以作为数码相机中的影像传感器，紧跟着就由XirLink公司于1999年首次推向市场，2000年5月，美国Omnivision 公司又推出了新一代的CMOS芯片。 CMOS最初曾被尝试使用在数码相机上，但与当时如日中天的CCD相比信噪比差，敏感度不够，所以没能占居主流位置。当然它也具备多种优点，普通CCD必须使用3 个以上的电源电压，可是CMOS在单一电源下就可以运作，与CCD产品相比同像素级耗电量小。另外CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体制造流水线，不需额外投资生产设备，并且品质可随半导体技术的进步而提升，这点正是今年索尼IRCUT双滤光片对视频成像技术的影响文/彭中能够在很短时间内开发制造出CMOS芯片的原因。 从技术角度分析成像原理，核心结构上每单位像素点由一个感光电极、一个电信号转换单元、一个信号传输晶体管，以及一个信号放大器所组成。理论上CMOS感受到的光线经光电转换后使电极带上负电和正电，这两个互补效应所产生的电信号(电流或者
光学显微镜的工作原理 显微镜是一种精密的光学仪器，已有300多年的发展史。自从有了显微镜，人们看到了过去看不到的许多微小生物和构成生物的基本单元——细胞。目前，不仅有能放大千余倍的光学显微镜，而且有放大几十万倍的电子显微镜，使我们对生物体的生命活动规律有了更进一步的认识。在普通中学生物教学大纲中规定的实验中，大部分要通过显微镜来完成，因此，显微镜性能的好坏是做好观察实验的关键。 一、显微镜的光学系统 显微镜的光学系统主要包括物镜、目镜、反光镜和聚光器四个部件。广义的说也包括照明光源、滤光器、盖玻片和载玻片等。 （一）、物镜 物镜是决定显微镜性能的最重要部件，安装在物镜转换器上，接近被观察的物体，故叫做物镜或接物镜。 1、物镜的分类 物镜根据使用条件的不同可分为干燥物镜和浸液物镜；其中浸液物镜又可分为水浸物镜和油浸物镜（常用放大倍数为90—100倍）。 根据放大倍数的不同可分为低倍物镜（10倍以下）、中倍物镜（20倍左右）高倍物镜（40—65倍）。 根据像差矫正情况，分为消色差物镜（常用，能矫正光谱中两种色光的色差的物镜）和复色差物镜（能矫正光谱中三种色光的色差的物镜，价格贵，使用少）。 2、物镜的主要参数： 物镜主要参数包括：放大倍数、数值孔径和工作距离。 ①、放大倍数是指眼睛看到像的大小与对应标本大小的比值。它指的是长度的比值而不是面积的比值。例：放大倍数为100×，指的是长度是1μm的标本，放大后像的长度是100μm，要是以面积计算，则放大了10,000倍。 显微镜的总放大倍数等于物镜和目镜放大倍数的乘积。 ②、数值孔径也叫镜口率，简写NA 或A，是物镜和聚光器的主要参数，与显微镜的分辨力成正比。干燥物镜的数值孔径为0.05-0.95，油浸物镜（香柏油）的数值孔径为1.25。
滤光片 一、定义 通过所需波长的光波，过滤掉不需要波长光波的一种光学器件。用来选取所需辐射波段的光学器件。滤光片的一个共性，就是没有任何滤光片能让天体的成像变得更明亮，因为所有的滤光片都会吸收某些波长，从而使物体变得更暗。 二、原理 滤光片是在塑料或玻璃基材中加入特种染料或在其表面蒸镀光学膜制成,用以衰减（吸收）光波中的某些光波段或以精确选择小范围波段光波通过，而反射（或吸收）掉其他不希望通过的波段。通过改变滤光片的结构和膜层的光学参数，可以获得各种光谱特性，使滤光片可以控制、调整和改变光波的透射、反射、偏振或相位状态。 三、透射率 透射是入射光经过折射穿过物体后的出射现象。被透射的物体为透明体或半透明体，如玻璃，滤色片等。若透明体是无色的，除少数光被反射外，大多数光均透过物体。为了表示透明体透过光的程度，通常用入射光通量与透过后的光通量之比z来表征物体的透光性质，z被称为光的透射率。 四、光学薄膜 1、光学薄膜干涉原理 光是一种电磁波。可以设想光源中的分子或原子被某种原因激励而振动, 这种振动导致分子或原子中的电磁场发生电磁振动。可以证明, 电场强度与磁场强度两者有 单一的对应关系，同时在大多光学现象中电场强度起主导作用， 所以我们通常将电场振动称为光振动，这种振动沿空间方向传播 出去就形成了电磁波。 电磁波的波长λ、频率f、传播速度v三者之间的关系为： v=λ f 各种频率的电磁波在真空中的速度都是一样的，即3 ×1 08m /s ，常用C 表示。但是在不同介质中，传播速率是不一样的。 假设某种频率的电磁波在某一介质中的传播速度为v，则C 与v 的比值称为这种介质对这种频率电磁波的折射率。 频率不同的电磁波，它们的波长也不同。波长在400到760 nm 这样一段电磁波能引起人们的视觉，称为可见光。普通光源如太阳、白炽灯等内部大量振动中的分子或原子彼此独立，各自有自己的振动方向、振幅及发光的起始时间。每个原子每一次振动所发出的光波只有短短的一列，持续时间约为10- 8秒。我们通常观察到的光都是光源内大量分子或原子振动辐射出来的结果，而观察不到其作为一种波动在传播过程中所能表现出来的特征——干涉、衍射和偏振等现象。这是因为实现光的干涉是需要条件的，即只有频率相同、相位差恒定、振动方向一致的两列光波才是相干光波， 这样的两列波辐射到同一点上，彼此叠加，产生稳定的干涉抵 消(产生暗影)或者干涉加强( 产生比两束光能简单相加更强的 光斑) 图像，才是我们观察到的光的干涉现象。光学薄膜可以 满足光干涉的这些条件。如图1所示，它表示一层镀在基底( n2) 上的折射率为n1厚度为d1的薄膜，假定n1 < n2，n0为入射 介质的折射率。入射光束I 中某一频率的波列W 在薄膜的界 面1 上反射形成反射光波W 1，透过界面的光波穿过薄膜在界 面2 上反射后再次穿过薄膜，透过界面1 在反射空间形成反
光学显微镜得工作原理 显微镜就是一种精密得光学仪器,已有300多年得发展史、自从有了显微镜,人们瞧到了过去瞧不到得许多微小生物与构成生物得基本单元——细胞。目前,不仅有能放大千余倍得光学显微镜,而且有放大几十万倍得电子显微镜,使我们对生物体得生命活动规律有了更进一步得认识。在普通中学生物教学大纲中规定得实验中,大部分要通过显微镜来完成,因此,显微镜性能得好坏就是做好观察实验得关键。 一、显微镜得光学系统 显微镜得光学系统主要包括物镜、目镜、反光镜与聚光器四个部件。广义得说也包括照明光源、滤光器、盖玻片与载玻片等、 (一)、物镜 物镜就是决定显微镜性能得最重要部件,安装在物镜转换器上,接近被观察得物体,故叫做物镜或接物镜。 1、物镜得分类 物镜根据使用条件得不同可分为干燥物镜与浸液物镜;其中浸液物镜又可分为水浸物镜与油浸物镜(常用放大倍数为9０—１00倍)、 根据放大倍数得不同可分为低倍物镜(10倍以下)、中倍物镜(２0倍左右)高倍物镜(4０-65倍)。根据像差矫正情况,分为消色差物镜(常用,能矫正光谱中两种色光得色差得物镜)与复色差物镜(能矫正光谱中三种色光得色差得物镜,价格贵,使用少)、 2、物镜得主要参数: 物镜主要参数包括:放大倍数、数值孔径与工作距离。 ①、放大倍数就是指眼睛瞧到像得大小与对应标本大小得比值。它指得就是长度得比值而不就是面积得比值。例:放大倍数为100×,指得就是长度就是1μm得标本,放大后像得长度就是10０μm,要就是以面积计算,则放大了１０,000倍。 显微镜得总放大倍数等于物镜与目镜放大倍数得乘积。 ②、数值孔径也叫镜口率,简写ＮA或A,就是物镜与聚光器得主要参数,与显微镜得分辨力成正比。干燥物镜得数值孔径为0、05—０。95,油浸物镜(香柏油)得数值孔径为1、25。 ③、工作距离就是指当所观察得标本最清楚时物镜得前端透镜下面到标本得盖玻片上面得距离。物镜得工作距离与物镜得焦距有关,物镜得焦距越长,放大倍数越低,其工作距离越长、例:10倍物镜上标有10/0.２5与16０／０.１7,其中10为物镜得放大倍数;0、２5为数值孔径;16０为镜筒长度(单位ｍm);0。17为盖玻片得标准厚度(单位mm)。10倍物镜有效工作距离为6。５mｍ,４0倍物镜有效工作距离为０。48mm 。 ３、物镜得作用就是将标本作第一次放大,它就是决定显微镜性能得最重要得部件——分辨力得高低。 分辨力也叫分辨率或分辨本领。分辨力得大小就是用分辨距离(所能分辨开得两个物点间得最小距离)得数值来表示得、在明视距离(25cm)之处,正常人眼所能瞧清相距0。０7３mm得两个物点,这个０、073mm得数值,即为正常人眼得分辨距离。显微镜得分辨距离越小,即表示它得分辨力越高,也就就是表示它得性能越好。 显微镜得分辨力得大小由物镜得分辨力来决定得,而物镜得分辨力又就是由它得数值孔径与照明光线得波长决定得、 当用普通得中央照明法(使光线均匀地透过标本得明视照明法)时,显微镜得分辨距离为ｄ=0。61λ／NA 式中d-—物镜得分辨距离,单位nｍ。
光学显微镜的工作原 理
光学显微镜的工作原理 显微镜是一种精密的光学仪器，已有300多年的发展史。自从有了显微镜，人们看到了过去看不到的许多微小生物和构成生物的基本单元——细胞。目前，不仅有能放大千余倍的光学显微镜，而且有放大几十万倍的电子显微镜，使我们对生物体的生命活动规律有了更进一步的认识。在普通中学生物教学大纲中规定的实验中，大部分要通过显微镜来完成，因此，显微镜性能的好坏是做好观察实验的关键。 一、显微镜的光学系统 显微镜的光学系统主要包括物镜、目镜、反光镜和聚光器四个部件。广义的说也包括照明光源、滤光器、盖玻片和载玻片等。 （一）、物镜 物镜是决定显微镜性能的最重要部件，安装在物镜转换器上，接近被观察的物体，故叫做物镜或接物镜。 1、物镜的分类 物镜根据使用条件的不同可分为干燥物镜和浸液物镜；其中浸液物镜又可分为水浸物镜和油浸物镜（常用放大倍数为90—100倍）。 根据放大倍数的不同可分为低倍物镜（10倍以下）、中倍物镜（20倍左右）高倍物镜（40—65倍）。
根据像差矫正情况，分为消色差物镜（常用，能矫正光谱中两种色光的色差的物镜）和复色差物镜（能矫正光谱中三种色光的色差的物镜，价格贵，使用少）。 2、物镜的主要参数： 物镜主要参数包括：放大倍数、数值孔径和工作距离。 ①、放大倍数是指眼睛看到像的大小与对应标本大小的比值。它指的是长度的比值而不是面积的比值。例：放大倍数为100×，指的是长度是1μm的标本，放大后像的长度是100μm，要是以面积计算，则放大了10,000倍。 显微镜的总放大倍数等于物镜和目镜放大倍数的乘积。 ②、数值孔径也叫镜口率，简写NA 或A，是物镜和聚光器的主要参数，与显微镜的分辨力成正比。干燥物镜的数值孔径为0.05-0.95，油浸物镜（香柏油）的数值孔径为 1.25。 ③、工作距离是指当所观察的标本最清楚时物镜的前端透镜下面到标本的盖玻片上面的距离。物镜的工作距离与物镜的焦距有关，物镜的焦距越长，放大倍数越低，其工作距离越长。例：10倍物镜上标有10/0.25和160/0.17，其中10为物镜的放大倍数； 0.25为数值孔径；160为镜筒长度（单位mm）；0.17为盖玻片的标准厚度（单位mm）。10倍物镜有效工作距离为6.5mm，40倍物镜有效工作距离为0.48mm 。
红外滤光片指红外摄影用的深红色滤光片。颜色即使不太深的滤光，也会有相应的效果.红外滤光片主要应用于安防监控领域，红外气体分析仪,夜视 产品,红外探测器，红外接收机,红外感应，红外通讯产品。具体到产品比如：监控摄相机，遥控器，红外幕墙产品，红外感应马桶、水龙头、洗手液 装置，红外测温器，红外打印机，交互式电子白板，红外触摸屏，指纹识别机等。 红外滤光片作用，即滤除红外线: 彩色监控摄像头CCD也可感应红外线,就是因为会感应红外线,会导致D.S.P无法算出正确颜色,，因此须加一片 滤光片,把光线中红外线部份隔开,所以只有彩色CCD需要装滤光片,黑白就不用了修整进光: 因为监控摄像头CCD上是一颗颗的感光体(CELL)构成,最好 光线是直射进来,但为了怕干扰到邻近感光体,就需要对光线加以修整,因此那片滤光片不是玻璃,而是石英片,利用石英的物理偏光特性,把进来的光线 ,保留直射部份,反射掉斜射部份,避免去影响旁边的感光点.赓旭光电 1、滤除红外线: 可用镀膜方式及蓝玻璃,镀膜分真空镀膜及化学镀膜方式,化学镀膜是将石英片浸入溶剂中加以电镀,成本低但镀膜厚度不平均且 容易脱落,真空镀膜是用真空蒸镀法,镀膜均匀且不易脱落,但成本高.以上我们称IR Coating , 目地在滤除红外线, 另外还要加上所谓的AR-Coating 的镀膜,目地是增加透光率,因为光线在透过不同介质时(比如从空气进入石英片),会产生部分的折射及反射,加上AR-Coating 后,滤光片可达到98-99% 的穿透率,否则只有90-95的穿透率,这对CCD的感光度当然有影响. 另外是用蓝玻璃,蓝玻璃是用”吸收”的方式过滤红外线,而IR-Coating是用反射的 方式滤掉红外线,但反射光容易造成干扰,如果只考虑滤除红外线, 蓝玻璃是比较好的选择 . 但上文说玻璃无法修整光线,因此就有一片蓝玻璃加一片 石英片的所谓”两片式”滤光片.其中蓝玻璃用来滤红外线,而石英片修整光线用,因此石英片上只需做AR-Coating就行了. 2、修整光线上文说到, 利用石英的物理偏光特性,把进来的光线,保留直射部份,反射掉斜射部份,但只能对一个方向修整,通常监控摄像头只考虑到水平分辨率,因 此只对光线做水平修整,因此监控摄像头在贴滤光片时方向要对,不可弄反了.那如果垂直光线也要修整的话怎办?很简单,就黏两片 ,把其中一片转90度就行了,因此就有这种也叫”两片式”的滤光片,一片用在水平修整,一片用在垂直修整,其中一片再做IR -Coating 来滤红外线.。
滤光片工作原理: 滤光片是塑料或玻璃片再加入特种染料做成的，红色滤光片只能让红光通过，如此类推。玻璃片的折射率原本与空气差不多，所有色光都可以通过，所以是透明的，但是染了染料后，分子结构变化，折射率也发生变化，对某些色光的通过就有变化了。比如一束白光通过蓝色滤光片，射出的是一束蓝光，而绿光、红光极少，大多数被滤光片吸收了。滤光片用于滤去某一波长范围内的光，起单色器的作用，但它不可能得到单色光。 滤光片的作用很大。广泛用于摄影界。一些摄影大师拍摄的风景画，为什么主景总是那么突出，是怎样做到的?这就用到了滤光片。比如你想用相机起拍一朵黄花，背景是蓝天、绿叶，如果按照平常拍，就不能突出“黄花”这个主题，因为黄花的形象不够突出。但是，如果在镜头前放一个黄色滤光片 ，阻挡一部分绿叶发出的绿光、蓝天发出的蓝光，而让黄花发出的黄光大量通过，这样，黄花就显得十分明显了，突出了“黄花”这个主 滤光片的功用:1.滤除红外线. 2.修整进来的光线 滤除红外线: 彩色CCD也可感应红外线,就是因为会感应红外线,会导致D.S.P无法算出正确颜色,，因此须加一片滤光片,把光线中红外线部份隔开,所以只有彩色CCD需要装滤光片,黑白就不用了. 修整进光: 因为CCD上是一颗颗的感光体(CELL)构成,最好光线是直射进来,但为了怕干扰到邻近感光体,就需要对光线加以修整,因此那片滤光片不是玻璃,而是石英片,利用石英的物理偏光特性,把进来的光线,保留直射部份,反射掉斜射部份,避免去影响旁边的感光点. 1滤除红外线: 可用镀膜方式及蓝玻璃,镀膜分真空镀膜及化学镀膜方式,化学镀膜是将石英片浸入溶 剂中加以电镀,成本低但镀膜厚度不平均且容易脱落,真空镀膜是用真空蒸镀法,镀膜均匀且 不易脱落,但成本高.以上我们称IR Coating , 目地在滤除红外线, 另外还要加上所谓的 AR-Coating 的镀膜,目地是增加透光率,因为光线在透过不同介质时(比如从空气进入石英片),会产生部分的折射及反射,加上AR-Coating 后,滤光片可达到98-99%的穿透率,否则只有90-95的穿透率,这对CCD的感光度当然有影响. 另外是用蓝玻璃,蓝玻璃是用”吸收” 的方式过滤红外线,而IR-Coating是用反射的方式滤掉红外线,但反射光容易造成干扰,如果只考虑滤除红外线,蓝玻璃是比较好的选择 . 但上文说玻璃无法修整光线,因此就有一片蓝玻璃加一片石英片的所谓”两片式”滤光片.其中蓝玻璃用来滤红外线,而石英片修整光线用,因此石英片上只需做AR-Coating就行了. 2.修整光线: 上文说到, 利用石英的物理偏光特性,把进来的光线,保留直射部份,反射掉斜射部份,但 只能对一个方向修整,通常摄像机只考虑到水平分辨率,因此只对光线做水平修整, 因此在贴滤光片时方向要对,不可弄反了.那如果垂直光线也要修整的话怎办?很简单,就黏两片,把其 中一片转90度就行了,因此就有这种也叫”两片式”的滤光片,一片用在水平修整,一片用在垂直修整,其中一片再做IR-Coating 来滤红外线.