CN107449585B - 一种声光滤波器角孔径的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声光滤波器角孔径的测量装置及测量方法，其包括依序设置的白光源、光束准直系统、声光滤波系统、角度调节转台、光谱探测系统、以及计算机控制与分析系统，光谱探测系统与计算机控制与分析系统连接，来自白光源的光束依序通过光束准直系统、声光滤波系统后进入光谱探测系统，然后在计算机控制与分析系统的控制下进行光谱信息的采集和分析，形成完整的光路连接，角孔径测量过程中获得的光谱数据的由计算机控制与分析系统完成分析，并计算出相应的角孔径，基于该装置，并通过本发明的测试方法对声光滤波器角孔径进行测量，可以对声光滤波器在不同通光波长下的角孔径进行准确的测量，且测量的精度高、稳定性好、方法简单易操作。

Description

一种声光滤波器角孔径的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及光学滤波技术领域，尤其是一种声光滤波器角孔径的测量装置及测量方法。

背景技术

利用光学滤波方法，可以获取来自目标物体的特定光谱以及图像信息，这被称为光学滤波技术。该技术在军事、农业、刑事侦查、生命科学以及地质勘探等领域中都有广泛的应用。声光滤波器是一种新型的光学滤波器件，可以在射频信号的驱动下实现连续的可调滤波，并且滤波的带通窄，信号的透过率高，调节方便，系统的稳定性好。相比于传统的滤波器件，比如带通滤波片、光栅以及三棱镜等都有明显的优势。但声光滤波器的设计理论比较复杂，因此，实际制作的声光滤波器性能与设计往往存在较大差异。为此，论文《一般相位匹配条件下声光可调谐滤波器系统的理论分析》和发明专利(声光可调滤波器)所提出的基于二氧化碲晶体的声光可调滤波器的设计和制作方法，一定程度上解决了声光滤波器设计和实际制作中存在差异的问题。声光滤波器作为一种滤波的器件，其关键的技术指标之一是角孔径。

角孔径的定义为：在确定的光波长下，随着入射光角度的变化，衍射光强下降为平均入射角处光强50％时，对应的两个入射光角度差。角孔径的大小决定了声光滤波器对信号光的收集能力。声光滤波器作为分光原件，往往应用于各类光学系统前端的信号获取部分，因此，声光滤波器的角孔径越大，集光能力越强，越有利于弱信号的观测；反之，角孔径越小对信号的观测越不利。也就是说，声光滤波器的性能很大程度上决定了光学系统的整体性能。因此，准确测量声光滤波器的角孔径是评价声光滤波器性能的关键，但截至目前，还没有针对声光滤波器角孔径测量的有效方法被提出，因此，发明一种能够对声光滤波器的角孔径进行准确测量的方法，对评价声光滤波器的性能是很有意义的，并将促进高性能声光滤波器的设计。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种实施可靠且能够对在不同通过波长下的声光滤波器的角孔径进行准确测量的声光滤波器角孔径测量装置及其测量方法。

为了实现上述的技术目的，本发明的技术方案为：

一种声光滤波器角孔径的测量装置，其包括依序设置的白光源、光束准直系统、声光滤波系统、角度调节转台、光谱探测系统、以及计算机控制与分析系统，所述的光谱探测系统与计算机控制与分析系统连接，所述的声光滤波系统由声光滤波器、射频源以及挡光板组成，声光滤波器和射频源之间通过射频线连接，所述的声光滤波器置于角度调节转台上并由角度调节转台进行带动转动来调节声光滤波器相对来自白光源光束的角度，所述的挡光板位于声光滤波器的后端且用于接收经声光滤波器输出的非滤波光束以及两束滤波光束中的一束，防止影响后续的信号光谱分析，通过改变射频源输出的射频信号频率可以连续调节声光滤波器输出滤波光束的中心波长，其中，来自白光源的光束依序通过光束准直系统、声光滤波系统后进入光谱探测系统，然后在计算机控制与分析系统的控制下进行光谱信息的采集和分析，形成完整的光路连接，角孔径测量过程中获得的光谱数据的由计算机控制与分析系统完成分析，并计算出相应的角孔径。

进一步，所述的白光源为白光LED，在可见光至近红外光谱范围内可连续输出。

进一步，所述的光束准直系统，由消色差的双胶合凸透镜组和双胶合凹透镜透镜组成，来自白光源的光束经光束准直系统汇聚并准直后形成平行光束，进入声光滤波系统进行声光滤波。

进一步，所述的挡光板为表面经黑色阳极氧化处理的铝合金圆盘。

进一步，所述的角度调节转台采用交叉滚珠轴环进行带动旋转，其最小分辨率为5分，所述角度调节转台的下表面连接有支架，角度调节转台的上下表面均有M6的螺旋且其上表面用于固定声光滤波系统的声光滤波器，通过调节角度调节转台的旋转角度，可精确调节声光滤波器相对来自白光源光束的角度。

进一步，所述的光谱探测系统为光纤光栅光谱仪，其包含光纤探头、分光光栅以及高灵敏度CCD阵列，所述的光纤探头用于接收来自声光滤波系统的滤波光束并送入分光光栅进行分光，滤波光束经分光后由CCD阵列接收，CCD阵列测量滤波光束中不同波长信号光的强度，并将数据送入后续的计算机控制与分析系统。

优选的，所述的光纤光栅光谱仪在可见光范围内的光谱分辨率为0.2nm。

优选的，所述的计算机控制与分析系统由PC机构成，并通过USB连接线分别与射频源以及光谱探测系统连接，所述的PC机内置射频源控制用软件、光谱探测系统控制用软件以及数据分析软件，所述的PC机利用射频源控制软件、光谱探测系统控制用软件分别对射频源和光谱探测系统进行参数调整与控制，PC机接收来自光谱探测系统的光谱数据并通过数据分析软件完成光谱数据的分析以及存储。

一种声光滤波器角孔径的测量方法，其包括如下步骤：

步骤1：将设备开启，即整个声光滤波器角孔径的测量装置中的设备参数进行初始化，主要包括光谱探测系统、计算机控制与分析系统以及声光滤波系统中射频源的默认参数设置和白光源的开启；

步骤2：根据白光源的距离以及发光强度情况，对光束准直系统的参数进行对应设置，保证对来自白光源的光束完成准直并缩束，并将缩束后的光束送入后续的声光滤波系统进行滤波。

步骤3：对声光滤波系统中射频源的输出频率进行设置，对来自光束准直系统的光束进行声光滤波。

步骤4：以5分为步长，调节角度调节转台的角度，进行声光可调滤波；

步骤5：调节光谱探测系统中光纤探头的位置，对步骤4中获得的声光滤波光束进行准确接收，调整光谱探测系统中CCD阵列的增益以及曝光时间参数，连续调节角度调节转台角度，进行滤波光束光谱的测量；

步骤6：利用计算机控制与分析系统对步骤5获得的光谱数据进行分析处理，获得光谱中心波长最小值λ、对应的强度η以及相应的角度调节转台角度α，在获得的步长为5分的所有滤波光束光谱中，分析波长为λ的滤波光束的强度η’以及对应的角度调节转台角度，找到当η’＝η/2时，两个分别处于α两侧的角度调节转台角度β和γ，则在波长λ处声光滤波器对应的角孔径为|β-γ|，改变声光滤波系统中射频源的输出频率，然后重复步骤2～步骤6，可以测量声光滤波器在不同波长处的角孔径，另外，根据获得的光谱参数，如：光谱强度以及光谱旁瓣信息，可相应调整声光滤波系统以及光谱探测系统的参数，以便获得最佳的测量效果；

步骤7：对获得的测量结果进行存储，设备关闭。

采用上述的技术方案，由光束准直系统接收来自白光源的白光光束，并对其进行缩束和准直，来自光束准直系统的白光光束进入声光滤波系统，声光滤波器对其进行声光滤波，角度调节转台可精密调节声光滤波器相对于来自光束准直系统白光光束的角度，经滤波器后的滤波光束由光谱探测系统接收并测量其光谱信息，计算机控制与分析系统接收来自光谱探测系统的光谱信息并对其进行分析，相应调整光谱探测系统的参数保证最佳的光谱探测灵敏度，完成声光滤波器在确定波长处角孔径的测量，改变射频源的输出频率，重复上述步骤可以实现声光滤波器在不同通光波长下角孔径的测量，最后对测得的光谱以及角孔径数据进行存储，完成声光滤波器角孔径的测量过程。

通过该方案，本发明解决了声光滤波器角孔径的测量问题，可以对声光滤波器在不同通光波长下的角孔径进行准确的测量，且测量的精度高，系统的稳定性好，方法简单易操作。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述：

图1为本发明测量装置的结构简要示意框图；

图2为本发明测量装置进行测量声光滤波器角孔径的测量原理示意流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明测量装置包括依序设置的白光源101、光束准直系统102、声光滤波系统103、角度调节转台104、光谱探测系统105、以及计算机控制与分析系统106，所述的光谱探测系统105与计算机控制与分析系统连接106，所述的声光滤波系统103由声光滤波器、射频源以及挡光板组成，声光滤波器和射频源之间通过射频线连接，挡光板位于声光滤波器的后端，其为表面经黑色阳极氧化处理的铝合金圆盘，用于接收经声光滤波器输出的非滤波光束以及两束滤波光束中的一束，防止影响后续的信号光谱分析，通过改变射频源输出的射频信号频率可以连续调节声光滤波器输出滤波光束的中心波长，其中，来自白光源101的光束依序通过光束准直系统102、声光滤波系统103后进入光谱探测系统105，然后在计算机控制与分析系统106的控制下进行光谱信息的采集和分析，形成完整的光路连接，角孔径测量过程中获得的光谱数据的由计算机控制与分析系统106完成分析，并计算出相应的角孔径。

其中，所述的白光源101为白光LED，在可见光至近红外光谱范围内可连续输出。

光束准直系统102，由消色差的双胶合凸透镜组和双胶合凹透镜透镜组成，来自白光源的光束经光束准直系统汇聚并准直后形成平行光束，进入声光滤波系统进行声光滤波。

角度调节转台104采用交叉滚珠轴环进行带动旋转，其最小分辨率为5分，所述角度调节转台14的下表面连接有支架，角度调节转台的上下表面均有M6的螺旋且其上表面用于固定声光滤波系统103的声光滤波器，通过调节角度调节转台的旋转角度，可精确调节声光滤波器相对来自白光源101光束的角度。

光谱探测系统105为光纤光栅光谱仪，其包含光纤探头、分光光栅以及高灵敏度CCD阵列，所述的光纤探头用于接收来自声光滤波系统103的滤波光束并送入分光光栅进行分光，滤波光束经分光后由CCD阵列接收，CCD阵列测量滤波光束中不同波长信号光的强度，并将数据送入后续的计算机控制与分析系统106，优选的，所述的光纤光栅光谱仪在可见光范围内的光谱分辨率为0.2nm。

所述的计算机控制与分析系统106由PC机构成，并通过USB连接线分别与射频源以及光谱探测系统105连接，所述的PC机内置射频源控制用软件、光谱探测系统105控制用软件以及数据分析软件，所述的PC机利用射频源控制软件、光谱探测系统105控制用软件分别对射频源和光谱探测系统进行参数调整与控制，PC机接收来自光谱探测系统105的光谱数据并通过数据分析软件完成光谱数据的分析以及存储。

如图2所示，一种声光滤波器角孔径的测量方法，其基于上述的声光滤波器角孔径的测量装置，其包括如下步骤：

步骤1：将设备开启，即整个声光滤波器角孔径的测量装置中的设备参数进行初始化，主要包括光谱探测系统、计算机控制与分析系统以及声光滤波系统中射频源的默认参数设置和白光源的开启；

步骤2：根据白光源的距离以及发光强度情况，对光束准直系统的参数进行对应设置，保证对来自白光源的光束完成准直并缩束，并将缩束后的光束送入后续的声光滤波系统进行滤波。

步骤3：对声光滤波系统中射频源的输出频率进行设置，对来自光束准直系统的光束进行声光滤波。

步骤4：以5分为步长，调节角度调节转台的角度，进行声光可调滤波；

步骤5：调节光谱探测系统中光纤探头的位置，对步骤4中获得的声光滤波光束进行准确接收，调整光谱探测系统中CCD阵列的增益以及曝光时间参数，连续调节角度调节转台角度，进行滤波光束光谱的测量；

步骤6：利用计算机控制与分析系统对步骤5获得的光谱数据进行分析处理，获得光谱中心波长最小值λ、对应的强度η以及相应的角度调节转台角度α，在获得的步长为5分的所有滤波光束光谱中，分析波长为λ的滤波光束的强度η’以及对应的角度调节转台角度，找到当η’＝η/2时，两个分别处于α两侧的角度调节转台角度β和γ，则在波长λ处声光滤波器对应的角孔径为|β-γ|，改变声光滤波系统中射频源的输出频率，然后重复步骤2～步骤6，可以测量声光滤波器在不同波长处的角孔径，另外，根据获得的光谱参数，如：光谱强度以及光谱旁瓣信息，可相应调整声光滤波系统以及光谱探测系统的参数，以便获得最佳的测量效果；

步骤7：对获得的测量结果进行存储，设备关闭。

采用上述的技术方案，由光束准直系统接收来自白光源的白光光束，并对其进行缩束和准直，来自光束准直系统的白光光束进入声光滤波系统，声光滤波器对其进行声光滤波，角度调节转台可精密调节声光滤波器相对于来自光束准直系统白光光束的角度，经滤波器后的滤波光束由光谱探测系统接收并测量其光谱信息，计算机控制与分析系统接收来自光谱探测系统的光谱信息并对其进行分析，相应调整光谱探测系统的参数保证最佳的光谱探测灵敏度，完成声光滤波器在确定波长处角孔径的测量，改变射频源的输出频率，重复上述步骤可以实现声光滤波器在不同通光波长下角孔径的测量，最后对测得的光谱以及角孔径数据进行存储，完成声光滤波器角孔径的测量过程。

通过该方案，本发明解决了声光滤波器角孔径的测量问题，可以对声光滤波器在不同通光波长下的角孔径进行准确的测量，且测量的精度高，系统的稳定性好，方法简单易操作。

Claims (8)

1.一种声光滤波器角孔径的测量装置的测量方法，其特征在于：其包括依序设置的白光源、光束准直系统、声光滤波系统、角度调节转台、光谱探测系统、以及计算机控制与分析系统，所述的光谱探测系统与计算机控制与分析系统连接，所述的声光滤波系统由声光滤波器、射频源以及挡光板组成，声光滤波器和射频源之间通过射频线连接，所述的声光滤波器置于角度调节转台上并由角度调节转台进行带动转动来调节声光滤波器相对来自白光源光束的角度，所述的挡光板位于声光滤波器的后端且用于接收经声光滤波器输出的非滤波光束以及两束滤波光束中的一束，通过改变射频源输出的射频信号频率可以连续调节声光滤波器输出滤波光束的中心波长，其中，来自白光源的光束依序通过光束准直系统、声光滤波系统后进入光谱探测系统，然后在计算机控制与分析系统的控制下进行光谱信息的采集和分析，形成完整的光路连接，角孔径测量过程中获得的光谱数据的由计算机控制与分析系统完成分析，并计算出相应的角孔径；

其测量方法包括如下步骤：

步骤1：将设备开启，即整个声光滤波器角孔径的测量装置中的设备参数进行初始化，主要包括光谱探测系统、计算机控制与分析系统以及声光滤波系统中射频源的默认参数设置和白光源的开启；

步骤2：根据白光源的距离以及发光强度情况，对光束准直系统的参数进行对应设置，保证对来自白光源的光束完成准直并缩束，并将缩束后的光束送入后续的声光滤波系统进行滤波；

步骤3：对声光滤波系统中射频源的输出频率进行设置，对来自光束准直系统的光束进行声光滤波；

步骤4：以5分为步长，调节角度调节转台的角度，进行声光可调滤波；

步骤5：调节光谱探测系统中光纤探头的位置，对步骤4中获得的声光滤波光束进行准确接收，调整光谱探测系统中CCD阵列的增益以及曝光时间参数，连续调节角度调节转台角度，进行滤波光束光谱的测量；

步骤6：利用计算机控制与分析系统对步骤5获得的光谱数据进行分析处理，获得光谱中心波长最小值λ、对应的强度η以及相应的角度调节转台角度α，在获得的步长为5分的所有滤波光束光谱中，分析波长为λ的滤波光束的强度η’以及对应的角度调节转台角度，找到当η’＝η/2时，两个分别处于α两侧的角度调节转台角度β和γ，则在波长λ处声光滤波器对应的角孔径为|β-γ|，改变声光滤波系统中射频源的输出频率，然后重复步骤2～步骤6，可以测量声光滤波器在不同波长处的角孔径，另外，根据获得的光谱参数相应调整声光滤波系统以及光谱探测系统的参数，以便获得最佳的测量效果；

步骤7：对获得的测量结果进行存储，设备关闭。

2.根据权利要求1所述的一种声光滤波器角孔径的测量装置的测量方法，其特征在于：所述的白光源为白光LED，在可见光至近红外光谱范围内可连续输出。

3.根据权利要求1所述的一种声光滤波器角孔径的测量装置的测量方法，其特征在于：所述的光束准直系统，由消色差的双胶合凸透镜组和双胶合凹透镜透镜组成，来自白光源的光束经光束准直系统汇聚并准直后形成平行光束，进入声光滤波系统进行声光滤波。

4.根据权利要求1所述的一种声光滤波器角孔径的测量装置的测量方法，其特征在于：所述的挡光板为表面经黑色阳极氧化处理的铝合金圆盘。

5.根据权利要求1所述的一种声光滤波器角孔径的测量装置的测量方法，其特征在于：所述的角度调节转台采用交叉滚珠轴环进行带动旋转，其最小分辨率为5分，所述角度调节转台的下表面连接有支架，角度调节转台的上下表面均有M6的螺旋且其上表面用于固定声光滤波系统的声光滤波器，通过调节角度调节转台的旋转角度，可精确调节声光滤波器相对来自白光源光束的角度。

6.根据权利要求1所述的一种声光滤波器角孔径的测量装置的测量方法，其特征在于：所述的光谱探测系统为光纤光栅光谱仪，其包含光纤探头、分光光栅以及高灵敏度CCD阵列，所述的光纤探头用于接收来自声光滤波系统的滤波光束并送入分光光栅进行分光，滤波光束经分光后由CCD阵列接收，CCD阵列测量滤波光束中不同波长信号光的强度，并将数据送入后续的计算机控制与分析系统。

7.根据权利要求6所述的一种声光滤波器角孔径的测量装置的测量方法，其特征在于：所述的光纤光栅光谱仪在可见光范围内的光谱分辨率为0.2nm。

8.根据权利要求1所述的一种声光滤波器角孔径的测量装置的测量方法，其特征在于：所述的计算机控制与分析系统由PC机构成，并通过USB连接线分别与射频源以及光谱探测系统连接，所述的PC机内置射频源控制用软件、光谱探测系统控制用软件以及数据分析软件，所述的PC机利用射频源控制软件、光谱探测系统控制用软件分别对射频源和光谱探测系统进行参数调整与控制，PC机接收来自光谱探测系统的光谱数据并通过数据分析软件完成光谱数据的分析以及存储。