CN105043546A - 一种新型的aotf光谱成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及AOTF光谱成像系统技术领域，涉及一种结构简单紧凑、提高成像清晰度的新型AOTF光谱成像系统；提供一种只需在AOTF后面放置成像调焦镜组的新型光谱成像系统，该系统去除了传统AOTF光谱成像中的前置光学系统，减小了整个系统的体积，结构简单紧凑，并且提高成像清晰度；包括：偏振方向互相垂直的第一偏振片和第二偏振片，声光晶体和压电换能器组成的AOTF，位于上述偏振片和偏振片之间，成像光学系统，面阵列光电探测器，控制电脑，控制上述压电换能器的驱动频率和驱动功率，并对上述面阵列光电探测器的信号进行处理，最终实现光谱成像测量；本发明主要应用在AOTF光谱成像方面。

Description

一种新型的AOTF光谱成像系统

技术领域

本发明涉及AOTF光谱成像系统技术领域，更具体而言，涉及一种结构简单紧凑、提高成像清晰度的新型AOTF光谱成像系统。

背景技术

光谱成像技术是将光谱技术与成像技术完美结合，同时具有光谱和空间分辨能力。光谱成像更有利于目标的识别、捕捉与追踪，光谱成像技术广泛应用于遥感、环境监测、资源探测、食品检测、军事目标探测和生物医学等领域。光谱成像技术按其分光方式，可以分为干涉型和色散型两大类。传统的色散型光谱成像技术多采用棱镜、光栅作为分光元件，且技术较为成熟。它要求入射狭缝位于准直系统的前焦面上，入射的辐射经准直光学系统准直后，经过棱镜或光栅色散，由成像系统将狭缝按波长成像在探测器的不同位置上，实现分光。传统的色散型成像光谱技术结构相对复杂，实现高的空间分辨率及光谱分辨率均需小的入射狭缝，限制了光通量和信噪比，不利于弱光目标的探测。

声光可调谐滤光器（Acousto-optictunablefilter，AOTF）与传统分光元件相比，具有体积小、通光孔径大、调谐速度快、光谱范围宽、衍射效率高等优点。近年来，基于AOTF的成像光谱技术越来越受到研究者的关注。基于AOTF的成像光谱仪已经在遥感、环境监测、生物医学和食品检测中得到应用。而成像光学系统的优劣直接影响着AOTF光谱成像性能的优劣。

现有的AOTF光谱成像技术中的成像光学系统多采用二次成像方式，该成像系统首先由AOTF前面的前置光学系统将被测目标的第一次像成在AOTF中，再由AOTF后面的成像系统将第二次像成在面阵探测器上，但由于这种方式像面上每一点的光线都以会聚光锥入射，而不同角度的入射光对应着不同的衍射中心波长和不同的衍射效率及角度，因此整个系统的光谱分辨率受到限制，并且由于光谱展宽及衍射角度展宽使得在衍射方向成像模糊。因此，有必要对现有技术进行改进。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的不足，提供一种只需在AOTF后面放置成像调焦镜组的新型光谱成像系统。该系统去除了传统AOTF光谱成像中的前置光学系统，减小了整个系统的体积，结构简单紧凑，并且提高成像清晰度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种新型的AOTF光谱成像系统，包括：

偏振方向互相垂直的第一偏振片和第二偏振片，以消除了0级和-1级衍射光对后续成像的影响；声光晶体和压电换能器组成的AOTF，位于上述偏振片和偏振片之间，对被测目标光进行滤光，通过对压电换能器的驱动扫频，实现光谱测量；成像光学系统，根据被测目标距离及成像清晰度进行调焦，使经上述AOTF滤光后的每一波长下成像清晰；面阵列光电探测器，将成像的光信号转变为便于数据采集和处理的电信号；控制电脑，控制上述压电换能器的驱动频率和驱动功率，并对上述面阵列光电探测器的信号进行处理，最终实现光谱成像测量。

上述的AOTF是声光可调滤光片，对被测目标光进行滤光，由于压电换能器在特定的驱动频率下，对应AOTF对特定波长的滤光，因此通过对压电换能器驱动扫频就可实现不同波长光的滤光，实现对目标的光谱探测；压电换能器可以根据波长的要求改变驱动频率，并且可以通过被测光的强弱改变功率，进而改变AOTF的衍射效率，起到光阑的作用，使得面阵列光电探测器很好的探测；控制电脑的作用主要包括两项：一是根据被测光的强弱、探测波长的要求，对压电换能器的驱动功率和驱动频率进行调节；二是对面阵列光电探测器的信号进行处理，最终实现光谱成像测量。

所述成像光学系统中仅有成像调焦镜组。

上述的成像调焦镜组根据被测目标距离及成像清晰度，对成像调焦镜组调焦，使目标光经AOTF滤光后的每一波长下成像清晰，最终成像在面阵列光电探测器上。

所述成像调焦镜组的前面设置有视场光阑，所述视场光阑在调节大小时应始终小于AOTF的通光孔径。

上述的成像调焦镜组的最前端有一视场光阑，主要有两个作用，一是调节被测目标视场，二是消除非AOTF滤光的杂散光干扰，视场光阑的大小应调节到小于AOTF的通光孔径。

所述第一偏振片的偏振方向为水平方向且垂直于目标光，所述第二偏振片的偏振方向为垂直方向且垂直于目标光。

上述的方向设目标光方向为X轴方向，与X轴方向垂直且呈水平方向的为Y轴，与X轴垂直且呈垂直方向的为Z轴，由上可知，第一偏振片的偏振方向平行于y轴，第二偏振片的偏振方向平行于z轴，目标光经过第一偏振片1后为偏振方向平行于y轴的线偏振光，由于+1级衍射光与入射光偏振方向垂直，而0级衍射光与入射光偏振方向平行，也就是+1级衍射光为偏振方向平行于z轴的线偏振光，0级衍射光为平行于y轴的线偏振光，因此在AOTF后面加上第二偏振片使得进入成像调焦镜组光只有有用的+1级衍射光。

所述第一偏振片和第二偏振片优选消光比高的偏振片，优选Glan-Taylor偏振片。

所述控制电脑根据被测光的强弱、探测波长的要求，对压电换能器的驱动功率和驱动频率进行调节。

与现有技术相比本发明所具有的有益效果为：

AOTF随入射光角度的不同，衍射光波长也不同，衍射角也不同，在加上AOTF衍射光的光谱存在一定的带宽和旁瓣，并且这些带宽和旁瓣的光波长和衍射角都有一定不同，这也是传统二次成像衍射方向成像较模糊的原因，因此在被测目标光在通过AOTF的发散角越小，光的单色性越好，进而成像越清晰，而本发明中目标光只以很小的发射角（或者可以近似为平行光）进入AOTF中，再由成像调焦镜组将目标成像在面阵列光电探测器上，因此，通过本发明中的方案，清晰度更高。

本发明还具有如下有益效果：

1）无前置光学系统，结构简单紧凑，体积小；

2）减小了AOTF在衍射方向成像模糊现象；

3）该成像系统提高了光谱分辨率，进而提高成像的清晰度；

4）偏振方向互相垂直的偏振片消除了0级和-1级衍射光对成像的影响；

5）压电换能器可以通过被测光的强弱改变功率，进而改变AOTF的衍射效率，起到光阑的作用，使得面阵列光电探测器很好的探测。

附图说明

下面通过附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2为光通过AOTF后的偏振态分析示意图；

图3为AOTF中心波长为650nm时各波长衍射效率图；

图4为现有技术中二次成像AOTF的成像结果图；

图5为本发明中AOTF的成像结果图。

图中：1为第一偏振片、2为AOTF、3为声光晶体、4为压电换能器、5为第二偏振片、6为视场光阑、7为成像调焦镜组、8为面阵列光电探测器、9为控制电脑。

具体实施方式

下面实施例结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明提供一种新型的AOTF光谱成像系统，该系统主要包括：偏振方向互相垂直的第一偏振片1和第二偏振片5，以消除了0级和-1级衍射光对后续成像的影响；AOTF2，对被测目标光进行滤光，AOTF2包括声光晶体3和压电换能器4，通过对压电换能器4的驱动扫频，实现光谱测量；视场光阑6和成像调焦镜组7，根据被测目标距离及成像清晰度，对成像调焦镜组7调焦，使经AOTF滤光后的每一波长下成像清晰；面阵列光电探测器8，将成像的光信号转变为电信号；控制电脑9，控制压电换能器4驱动频率和驱动功率和对面阵列光电探测器8的信号进行处理，最终实现光谱成像测量。

目标光首先经过AOTF2滤光，由于AOTF2衍射光中除了+1级衍射光外，还有0级和-1级衍射光，为了消除0级和-1级衍射光对成像的干扰，在AOTF2前后分别放置偏振方向互相垂直的第一偏振片1和第二偏振片5。

如图2所示，第一偏振片1的偏振方向平行于y轴，第二偏振片5的偏振方向平行于z轴，目标光经过第一偏振片1后为偏振方向平行于y轴的线偏振光，由于+1级衍射光与入射光偏振方向垂直，而0级衍射光与入射光偏振方向平行，也就是+1级衍射光为偏振方向平行于z轴的线偏振光，0级衍射光为平行于y轴的线偏振光，因此在AOTF2后面加上第二偏振片5使得进入成像调焦镜组7的光只有-1级衍射光。为了尽可能减小0级和-1级衍射光的干扰，第一偏振片1和第二偏振片5优选消光比高的偏振片，优选Glan-Taylor偏振片。

根据被测目标距离及成像清晰度，对成像调焦镜组7调焦，使目标光经AOTF2滤光后的每一波长下成像清晰，最终成像在面阵列光电探测器8上，并将成像的光信号转换为电信号传入控制电脑9。控制电脑9主要有两个作用：一是根据被测光的强弱、探测波长的要求，对压电换能器4驱动功率和驱动频率进行调节；二是对面阵列光电探测器8的信号进行处理，最终实现光谱成像测量。

由于AOTF2通光孔径有限，因此在设计成像调焦镜组7时，最前面加视场光阑6，视场光阑6主要有两个作用，一是调节被测目标视场，二是消除非AOTF2滤光的杂散光干扰。并且视场光阑6调节的越小，被测光进入AOTF2的发散角越小，成像效果越好，但实践中要根据视场的需要和成像质量的要求来合理调节视场光阑6大小，但视场光阑6的大小应始终小于AOTF2的通光孔径。

如图3所示，由于AOTF2滤光后并不完全是单色光，滤光后存在一定的光谱带宽和旁瓣，并且这些带宽和旁瓣的光波长及衍射角都有所不同。这也是传统AOTF2光谱成像采用二次成像方式时，在衍射方向成像较模糊的原因。因此在被测目标光在通过AOTF2的发散角越小，光的单色性越好，进而成像越清晰，而本发明的方法中目标光只以很小的发射角（或者可以近似为平行光）进入AOTF2中，再由成像调焦镜组7将目标成像在面阵列光电探测器8上。

结合图4和图5进行对比，图4为传统AOTF采用二次成像的结果图，可以明显看出在竖线比横线模糊较多，即在衍射方向成像模糊；图5为本发明的成像结果图，与图4相比横向清晰度相近，但图5在衍射方向（竖线）成像明显比图4清晰，但是由于衍射光谱存在一定的光谱带宽和旁瓣，因此图5中的竖线还是没有横向清晰。

此处所说明的附图及实施例仅用以说明本发明技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了较详细的说明，所属领域的技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (6)

1.一种新型的AOTF光谱成像系统，其特征在于，包括：

偏振方向互相垂直的第一偏振片（1）和第二偏振片（5），以消除了0级和-1级衍射光对后续成像的影响；

声光晶体（3）和压电换能器（4）组成的AOTF（2），位于上述第一偏振片（1）和第二偏振片（5）之间，对被测目标光进行滤光，通过对压电换能器（4）的驱动扫频，实现光谱测量；

成像光学系统，根据被测目标距离及成像清晰度进行调焦，使经上述AOTF（2）滤光后的每一波长下成像清晰；

面阵列光电探测器（8），将成像的光信号转变为便于数据采集和处理的电信号；

控制电脑（9），控制上述压电换能器（4）的驱动频率和驱动功率，并对上述面阵列光电探测器（8）的信号进行处理，最终实现光谱成像测量。

2.根据权利要求1所述的一种新型的AOTF光谱成像系统，其特征在于：所述成像光学系统中仅有成像调焦镜组（7）。

3.根据权利要求2所述的一种新型的AOTF光谱成像系统，其特征在于：所述成像调焦镜组（7）的前面设置有视场光阑（6），所述视场光阑（6）在调节大小时应始终小于AOTF（2）的通光孔径。

4.根据权利要求1所述的一种新型的AOTF光谱成像系统，其特征在于：所述第一偏振片（1）的偏振方向为水平方向且垂直于目标光，所述第二偏振片（5）的偏振方向为垂直方向且垂直于目标光。

5.根据权利要求4所述的一种新型的AOTF光谱成像系统，其特征在于：所述第一偏振片（1）和第二偏振片（5）采用Glan-Taylor偏振片。

6.根据权利要求1所述的一种新型的AOTF光谱成像系统，其特征在于：所述控制电脑（9）根据被测光的强弱、探测波长的要求，对压电换能器（4）的驱动功率和驱动频率进行调节。