常见滤波性光学器件优劣势对比

光谱学和显微学利用光的物体相互作用来得到物理和化学信息。选择合适的波段输出是光谱学和显微成像学中的一个关键步骤。随着不同类型光源的发展、传感器灵敏度和探测速度的提升以及光学元件制造技术的发展，光谱学和显微学不断进步。这些系统被广泛应用于学术科研、医疗和工业等领域。在光谱成像中，可以通过映射测量得到一个样品不同参数的数值，广泛地应用于食品加工、气候监测、医药成像技术和机器视觉。所需的光源波长会随着检测目的发生变化，因为激发波长的多样性和所得光谱中的信息数量存在着密切的关系。单色性的激光光源是光谱学和显微学的理想光源，因为其具有非常窄的半峰宽（FWHM）、强大功率和相干特性，但覆盖全波段的激光光源往往价格昂贵。在宽带光源中，选择和使用特定波长范围的光学元件/设备应际而生。传统的波长选择策略，如滤光片、单色仪、声光可调滤波器等，有优势也有缺点。用户选择适合其使用目的、成本、需求和系统适配性的最为合适的产品。

滤光片轮

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通常，3-12个滤光片会组成一个滤光片轮，广泛用于化学和生物的荧光显微镜的内部安装，一组系统有大约6个立方体滤光轮，每一个都充当激发滤光片、二向色分束器和发射滤光片。在某些情况下，也会在物镜或相机前安装滤光片轮来选择特定的激发波长和发射波长。如果将6个滤光片装在双滤光片轮上，则会产生6*6=36个组合。当使用带电机的自动光片轮时，其转换时间在30-100ms，取决于快门速度。对于广泛用于细胞成像的生物荧光染料或荧光蛋白质的情况，开发了用于UV、可见光和红外的多种滤光片类型。滤光片组合越是多样化，应用范围会更宽泛。此外，滤光片的孔径尺寸很大并且造价很低。但使用滤光片的缺点在于灵活性较差：只能使用特定的激发和发射范围。

损坏阈值不高，因此如果使用强光，表面涂层可能会被破坏。而且，通常情况下滤光片具有较宽的带宽，并不适合于需要窄带光源的光谱成像，也不能实现宽带波长扫描。斯托克斯位移是构建滤光片组合的一大限制。根据蔡司提供的荧光染料信息的数据分析，276个染料中，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%。当使用具有斯托克斯位移的荧光团时，激发光谱和发射光谱必然会发生光谱重叠。为避免该现象的发生，有必要将光源偏移最大激发波长，这必然会导致发射光谱的一定损耗。但是新技术能够调节任意激发/发射光谱和带宽范围。

单色仪

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基于棱镜或光栅的单色仪是另一种广泛用于光谱学的波长选择系统。当宽带光源发出的光穿过入射狭缝、棱镜或者光栅时，折射和衍射的角度随波长发射变化。通过恰当地旋转光栅或者棱镜，只有一部分特定的光波透过狭缝。单色仪通过狭缝的宽度调节带宽，在宽波长范围进行扫描并选择所需的波长。单色仪同样也能够避免强激发光的泄漏，而这在使用滤光片时是一个问题。但是为了得到2D图像，需要进行线扫描或点扫描，这比单纯使用滤光片更为昂贵并且设备构造更为复杂。相较于滤光片，单色仪具有较低的吞吐量，同样也不能用于宽场成像。

声光调制滤波器

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声光调制滤波器（AOTF）是一种能够将宽带光源调节至不同波长和强度的电光器件。使用双折射晶体——二氧化碲（TeO2）或石英各向异性晶体——折射率会在与声波（无线电频率）反应后产生变化。声波调节只允许一部分特定光波透过孔径，并同时调节强度。尽管AOTF是一个体积小巧的设备，但它具有很宽的调节范围、快速调节和高光谱分辨率等诸多优点。但AOTF同样具有缺点，如成本高、相较于滤光片更小的孔径尺寸和较差的带外激发。另一个挑战是AOTF的折射角会随着输出波长而变化。

虹科波长选择器

基于可旋转光学宽带滤波器的技术

用于波长从UV到近IR范围的调整

虹科的合作伙伴Spectrolight开发出一种结合目前设备优点的新型器件。核心技术是Twin Flim专利技术，其包含宽带角度相关带通滤光片和一个补偿板，如下图所示。

带通滤光片能独立旋转，将准直的宽带光源转换为任意中心波长和带宽的光波组合。补偿板用于抵消经过两个旋转滤光片后的轻微错位的光斑。

这种技术显示出和单色仪一样的抑制带外激发（10-6）效果，b并在高达10mm清晰通光孔径下具有95%均匀性，就像滤光片一样。传输效率超过75%，明显高于AOTF或光栅，并且补偿板的存在也避免了AOTF中的离散现象。

Twin Flim专利技术具有非常尖锐的激发和发射窗口，带宽可以从3-15nm范围内调节，其调节范围覆盖UV到NIR。这些优点使得该技术适用于宽场成像。TwinFlim技术用于构造Spectrolight的灵活自动波长选择器产品——FWS，通过由2个直流驱动器旋转两个带通滤光片来自动调节波长和带宽。自动波长选择器具有两个版本：Poly和Mono。自动版Mono的波长调节范围为100nm，而自动版Poly的调节范围更宽。虹科FWS波长选择器通过USB接口与电脑相连。简洁的软件能够独立、方便地调节中心波长和FWHM，如下图所示。

虹科FWS-Poly能够在500nm范围内实现对波长的控制，轻松实现带宽在3-15nm范围内调节。此外，中心波长具有非常高的分辨率：大约在0.5nm；FWHM的分辨率在1nm。在255到1650nm范围内，消光系数约为12；在930-1600nm范围的红外阻隔可以到6（光密度OD）。

它还可以抵抗强光对涂层的破坏，这也是光学滤光片的缺点之一，这一特点使其能够安全地和强光源搭配使用，因为损伤阈值高。除此之外，设备尺寸非常紧凑：采用170×129×200mm的规格，孔径尺寸最大5mm。工作电压和电流分别为12V和5A。

虹科FWS波长选择器配置多种灵活的输入方式，可以选择光纤、光导和透镜组与任何光源连接，与各种光源兼容，如等离子灯、卤素灯、钨灯、超连续谱光源和高能激光驱动光源（LDLS）。输出方式同样灵活，满足不同的测试条件和环境条件。