Lambda Vision LVmicro Z显微分光光度计助力可见光波段高光谱成像组件研究

 摘要 

2025年2月，东北大学工程研究生院机器人系的Pratyasha与Yoshiaki研究团队，在《IEEE PHOTONICS JOURNAL》期刊发表了一项题为“Piezo-Actuated Distributed Bragg Reflector–Based Tunable Fabry–Pérot Filter for Visible Light Hyperspectral Imaging"的研究。

该研究针对可见光波段高光谱成像需求，开发了一种以分布式布拉格反射器（DBR）为腔镜的可调谐空气间隙法布里-珀罗滤波器（FPF），通过压电驱动机制实现波长调谐与腔隙平行度的双重控制，旨在解决传统滤波器腔隙非平行、吞吐量低等问题，为高分辨率、高通量高光谱成像系统提供核心组件支持。该器件结构显著改善了腔隙平行性，使腔隙尺寸的最大偏差从初始535 nm降至最终18 nm，提升幅度约30倍。该器件原型可在大腔面积上实现高分辨率、高通量的光谱传输及良好的空间均匀性，为高光谱成像系统的发展展现出巨大潜力。

 研究材料/仪器/方法 

材料

二氧化钛、二氧化硅、碳带、氰基丙烯酸酯胶、环氧树脂胶、DBR腔镜基板

仪器

光栅显微镜光谱仪、光学仿真软件、磁控溅射设备、电压施加设备、观测设备、Lambda Vision LVmicro Z显微分光光度计

Lambda Vision LVmicro Z显微分光光度计

方法

1 DBR腔镜的设计与制造

· 设计方案：DBR腔镜采用交替堆叠的高折射率TiO₂层与低折射率SiO₂层构成，其中TiO₂层厚度为50 nm，SiO₂层厚度为90 nm，具体结构为4层TiO₂与3层SiO₂的组合。

· 仿真验证：使用DiffractMod软件进行反射光谱仿真，设置谐波为0、波长步长0.5 nm，考虑材料折射率色散特性，模拟得到DBR峰值反射率约0.98，半高全宽（FWHM）约254.07 nm（438.75–692.82 nm）。

· 制备工艺：通过磁控溅射技术逐层沉积TiO₂和SiO₂薄膜，商业化采购成品DBR腔镜（日本北日本电线株式会社），实测其峰值反射率约0.95，FWHM约214.83 nm（429.25–644.08 nm）。

2 可调谐空气间隙FPF的组装

· 底部固定：将底部DBR腔镜（尺寸5 mm×5 mm×(2 mm+470 nm)）通过碳带附着在盖玻片上，采用氰基丙烯酸酯胶将四个压电执行器固定于盖玻片，其中两个沿X方向、两个沿Y方向对称分布在底部DBR腔镜两侧，执行器与底部腔镜的横向距离约0.5 mm。

· 顶部组装：将顶部DBR腔镜（尺寸10 mm×10 mm×(2 mm+470 nm)）通过环氧树脂胶连接到四个压电执行器上，静置数小时待胶水干燥固化。

· 腔区域定义：顶部与底部DBR腔镜的重叠区域为滤波器腔区域，尺寸设定为1 mm×1 mm，腔区域角点标记为(0,0)、(0,1)、(1,0)、(1,1)。

3 性能测试与参数校准

· 初始腔隙估算：使用Lambda Vision LVmicro Z显微分光光度计测量腔区域四个角点的透射光谱，通过与不同腔隙尺寸（tₐ）的仿真光谱对比，确定初始腔隙尺寸及偏差，仿真与实测均采用0.5 nm波长步长。

· 平行度校准：分别向X方向（PZT2）和Y方向（PZT3）的压电执行器施加电压，单独校准两个方向的腔隙平行度，再同时施加电压实现整个腔平面的平行度优化，监测不同电压下的透射光谱变化。

· 关键参数测试：在优化电压条件下，测量透射光谱的峰值波长、峰值透射率、FWHM、自由光谱范围（FSR）等参数，验证滤波器的调谐性能与传输特性。

 结论 

本研究提出一种基于压电 DBR 的可调谐气隙 FPF ，工作在可见光波段。该器件采用四个平面内相同的压电驱动器，可同时实现波长可调谐和腔体气隙可调谐。平行度。两个压电致动器沿X方向对准在底部 DBR 腔镜两侧，另外两个则沿Y方向对准。在腔体区域的角点（0,0）、（1,0）、（0,1）和（1,1）处进行光传输测量，以估算这些空间位置的ta值。可调谐气隙 FPF 在Va=0V时的初始测量传输光谱显示，腔体区域不同角点间初始最大峰值传输波长差约为28nm。实验结果与模拟对比表明，腔体区域不同角点间初始ta值的最大差异为535nm。通过同时对PZT2施加V2=16V电压、对PZT3施加V3=28V电压，实现了可调谐气隙 FPF 的初始腔体气隙平行度。PZT2和PZT3分别沿X和Y方向布置，从而独立实现腔体气隙在各自方向上的平行度。在可调谐气隙 FPF 中，当V2=16V且V3=28V时，测量腔体区域拐角点的传输光谱显示，最终最大峰值传输波长差约为3nm。与仿真结果对比表明，腔体区域不同拐角点间最终ta值的最大变化量为18nm。所提出的器件结构可将初始腔体气隙平行度提升约30倍。本研究中的滤光片孔径为1mm × 1mm，未来可按需放大以满足特定应用需求。该器件原型可在大面积滤光片区域确保空间均匀性，提供高分辨率与高通量传输特性，这对高光谱成像系统的进步至关重要。