CN108469693A - 一种双通道声光可调谐滤波器及高光谱成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双通道声光可调谐滤波器及高光谱成像装置，本发明不仅大幅提高光谱分辨率，而且可以有效消除由衍射光漂移引起的图像模糊和重叠的问题。该成像装置包括宽带光源、光源强度调制单元、光束准直单元、第一格兰‑泰勒棱镜、第二格兰‑泰勒棱镜、双通道声光可调谐滤波器、探测器、图像采集卡以及计算机；其中，双通道声光可调谐滤波器包括声光晶体，两个超声波频率驱动器、两个压电换能器与两个超声波吸收体形成了两个声光互作用通道；且两个声光互作用通道中超声波入射方向相反，并且每个声光互作用通道中入射光波矢量、衍射光波矢量以及超声波矢量均满足动量匹配条件。

Description

一种双通道声光可调谐滤波器及高光谱成像装置
技术领域
本发明属于高光谱成像领域，尤其涉及一种双通道声光可调谐滤波器及其使用该双通道声光可调谐滤波器的高光谱成像装置。
背景技术
高光谱成像技术可以获取到电磁波谱紫外、可见光、近红外、短波红外乃至中长波外区域内大量连续的光谱信息，可以为被测目标的每个像元提供几十乃至几百个光谱宽度小于10nm的窄波段光谱数据，据此可以描绘出一条完整而且连续的光谱曲线，这也是高光谱成像技术高速发展的基本动因。
高光谱成像仪的核心元件是其内部的分光单元。声光可调谐滤波器(Acousto-optic tunable filter,AOTF)是近年来发展起来的一种新型分光器件，如图1所示，主要由声光晶体01、压电换能器02、吸收体03以及超声波频率驱动器04组成；压电换能器02以及吸收体03分别位于声光晶体01的两侧，超声波在压电换能器02与吸收体03之间传输，形成一个声光互作用通道05；超声波频率驱动器04发射的超声波经压电换能器02以一定的速度进入声光晶体01，由于超声波扰动产生一个应变力，这个应变力会使声光晶体内的分子在一定程度上受到挤压，进而使分子的固有位置发生改变，所以声光晶体的折射率发生了相应的变化，也就是说，这个过程相当于声波可以使声光晶体的折射率发生改变，进而导致光的某些性质发生相应的变化。入射光在声光晶体内被超声波衍射，可以看作是入射光在声光晶体中被许多平行原子面反射形成了衍射现象。
国外对基于声光调制的高光谱成像技术研究较为成熟，特别是，像美国陆军研究室对AOTF的研究不仅仅局限于可见光范围，在近红外、中波红外乃至长波都有系统研究，投入到实际应用的案例也屡见不鲜。
近年来，我国在基于AOTF的高光谱探测方面取得了一定的成就，但是，光谱范围只局限于可见到近红外区域，而且在声光介质生长、换能器焊接加工等方面依然存在诸多因素的限制，导致AOTF的基本性能与国外的同类器件有一定差距，特别是在光谱分辨率、衍射效率以及成像质量等方面。
色散引起的成像模糊会对测量结果造成严重的负面影响。虽然通过图像处理可以提升光谱成像质量，但是图像处理耗费的时间较长，无法应用于快速图像采集系统中。通过色散补偿可以提高光学质量，但是会引起系统的体积增加、透过率降低。在加工制作晶体时，为了降低由色差引起的衍射光漂移量，在声光晶体的光束出射端面增加一个楔角，使其出射端面与入射端面不再平行，但是，由于工艺水平所限，依然存在误差，仍然发现有衍射光漂移现象。而且，在理论设计楔角时，是按照其中一个特定波长进行计算，由于AOTF的波长调谐范围很宽，所以在远离这个特定波长的波段漂移较大，尤其是在显微成像应用中，这种由衍射光色散引起的成像模糊尤为明显。
在实际的光谱成像应用中，随着探测精度的提高，总是希望拥有高的光谱分辨率，那么基于声光可调滤波器的高光谱成像系统就需要具有很高的光谱带宽压缩能力。当入射光波长恒定时，声光可调谐滤波器的光谱带宽与光谱分辨率成反比，通常情况下，声光可调谐滤波器的光谱带宽可以近似地表示为Δλ＝1.8πλ2/[bL(sinθi)2]，其中λ为入射光波长、b为色散常数、L为声光相互作用长度、θi为入射光波与晶体光轴之间的夹角，称之为入射角。从该式可以看出，增加声光相互作用距离L和入射角θi可以提高声光可调谐滤波器的光谱分辨率。然而，入射光孔径角与声光相互作用长度成反比，也就是说，增加声光相互作用距离L虽然可以提高光谱分辨率，但同时会导致入射光孔径角减小，即系统对目标光信号的收集能力的下降，进而影响到探测器件对光信号的正常响应。此外，增加入射角θi能够同时提高光谱分辨率和入射光孔径角，但是，入射角太大会造成短波区域的射频信号频率非常高，高频率的射频信号不仅在声光晶体内传播时会导致超声波衰减加大，同时也会增加射频驱动的制作难度。因此，通过调节入射角θi和声光相互作用长度L的办法提高光谱分辨率已经受到极大的限制。
进而目前现有技术中又提出了两个声光可调谐滤波器串联放置的方式，如果声光调制完全满足动量匹配条件，入射光被两个声光可调谐滤波器连续滤波两次，这样既达到了光谱带宽被压缩的目的又不减小孔径张角，而且每个晶体上的压电换能器长度较短，从而大大降低了器件的加工难度。然而，这种利用串联的办法使入射光被连续滤波两次，虽然可以大幅提高光谱分辨率，但同时会引起衍射效率降低、系统体积增大以及衍射光漂移等一系列问题。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种结构紧凑，可以大幅提高光谱分辨率同时又提高了衍射效率的双通道声光可调谐滤波器，而且该声光可调谐滤波器还可以进行色散补偿，有效消除因色散引起的衍射光漂移问题。
同时本发明还提供了基于上述声光可调谐滤波器的高光谱成像装置，实现了波长调谐范围宽、结构紧凑、方便操作、快速检测、消除衍射漂移的目的。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种双通道声光可调谐滤波器，包括声光晶体，其改进之处是：还包括第一压电换能器、第一吸收体、第一超声波频率驱动器、第二压电换能器、第二吸收体以及第二超声波频率驱动器；
在声光晶体内，第一超声波频率驱动器发射的射频信号在第一压电换能器与第一超声波吸收体之间形成第一声光互作用通道；
在声光晶体内，第二超声波频率驱动器发射的射频信号在第二压电换能器与第二超声波吸收体之间形成第二声光互作用通道；
第一声光互作用通道和第二声光互作用通道中的超声波入射方向相反；
在第一声光互作用通道中，入射光波矢量为kie，表示入射光为非寻常(e光)，衍射光波矢量为kdo，表示衍射光为正常光(o光)，且与第一声光互作用通道中的超声波矢量Ka1满足动量匹配条件；该条件为：kie+Ka1＝kdo；
在第二声光互作用通道中的入射光为第一次声光互作用后的衍射光，入射光波矢量可以表示为kio，衍射光的波矢量可以表示为kde，且恰好可以与第二声光互作用通道中的超声波矢量Ka2满足动量匹配条件，该条件为：kio-Ka2＝kde。
基于上述双通道声光可调谐滤波器的高光谱成像装置，其特征在于：包括宽带光源、光源强度调制单元、光束准直单元、第一格兰-泰勒棱镜、第二格兰-泰勒棱镜、双通道声光可调谐滤波器、探测器、图像采集卡以及计算机；
来自宽带光源的入射光被光束准直单元准直后，先经过第一格兰-泰勒棱镜变成线偏振光、线偏振光被双通道声光可调谐滤波器连续发生两次声光互作用后的透射光被第二格兰-泰勒棱镜滤掉，衍射光被探测器接收；
所述计算机分别与光源强度调制单元、双通道声光可调谐滤波器以及采集卡相连接；
光源强度调制单元与宽带光源连接用于对光源的光强度进行调制；
采集卡与探测器相连接。
上述宽带光源为人造白炽灯或卤素灯或超连续谱激光或自然光。
上述探测器为光谱仪或CCD或COMS相机。
本发明与现有发明技术相比较具有如下优点：
1、本发明的双通道声光可调谐滤波器将两次滤波整合到一个声光晶体中，而且采用反向超声波入射的方式，由于两个通道的入射光偏振方向正好相互垂直，所以在第二个通道内发生声光互作用以后的衍射光漂移量正好反向补偿了第一个通道的衍射光漂移量，有效避免了衍射光的漂移问题，同时也大大减小了体积。
2、本发明的双通道声光可调谐滤波器中入射光被连续滤波两次，衍射光的光谱带宽会大幅降低，进而基于该双通道的声光可调谐滤波器高光谱成像装置的光谱分辨率大幅提高。
3.本发明的双通道声光可调谐滤波器与现有技术中两个晶体滤波器串联的结构相比较，采用一个晶体实现两次滤波的声光调制结构，可以消除衍射光进入第二个晶体时的能量反射损耗，可以有效提高衍射效率。
4.本发明的双通道声光可调谐滤波器中两个声光互作用通道都由彼此独立的射频驱动控制，在实际应用中可以使用其中任何一个通道，也可以两个通道同时工作，从而提高了该装置的使用灵活性。
附图说明
图1现有声光可调谐滤波器的基本结构原理；
图2为本发明中高光谱成像装置示意图；
图3为本发明中双通道声光可调谐滤波器的声光调制原理结构图；
图4为本发明中双通道声光可调谐滤波器满足的动量匹配条件波矢图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明内容进一步详细解释。
如图2所示，本发明的高光谱成像装置，包括宽带光源1、光源强度调制单元2、光束准直单元3、第一格兰-泰勒棱镜4、第二格兰-泰勒棱镜5、双通道声光可调谐滤波器6、探测器7、图像采集卡8以及计算机9；
其中，来自宽带光源1的入射光被光束准直单元3准直后，接着经过第一格兰-泰勒棱镜4变成线偏振光、线偏振光被双通道声光可调谐滤波器6连续发生两次声光互作用，声光互作用以后的透射光被第二格兰-泰勒棱镜5滤掉，衍射光被探测器7接收；
计算机9分别与光源强度调制单元2、双通道声光可调谐滤波器6和图像采集卡8相连接；光源强度调制单元2与宽带光源1连接用于对宽带光源1的光强度进行调制；图像采集卡8与探测器7相连接。
宽带光源1为人造白炽灯或卤素灯或超连续激光或自然光，探测器7可以是光谱仪、CCD、CMOS相机。
如图3所示，其中，双通道声光可调谐滤波器6包括声光晶体61、第一压电换能器62、第一吸收体63、第一超声波频率驱动器64、第二压电换能器65、第二吸收体66以及第二超声波频率驱动器67；
第一压电换能器62、第一吸收体63、第一超声波频率驱动器64在声光晶体61内形成第一声光互作用通道68；在具体结构中，第一压电换能器62、第一吸收体63分别位于声光晶体61两侧，配合第一超声波频率驱动器64生成第一声光互作用通道68；
第二压电换能器65、第二吸收体66、第二超声波频率驱动器67在声光晶体61内形成第二声光互作用通道69；在具体结构中，第二压电换能器65、第二吸收体66分别位于声光晶体61两侧，配合第二超声波频率驱动器67生成第二声光互作用通道69；
如图3、图4所示，第一声光互作用通道68和第二声光互作用通道69中的超声波入射方向相反，且第一声光互作用通道68中入射光波矢量kie、第一声光互作用通道68中的超声波矢量Ka1以及衍射光波矢量kdo满足动量匹配条件；该条件为：kie+Ka1＝kdo；
在第二声光互作用通道中的入射光为第一次声光互作用后的衍射光，入射光波矢量表示为kio，衍射光的波矢量可以表示为kde，恰好与第二声光互作用通道69中的超声波矢量Ka2满足动量匹配条件，该条件为：kio-Ka2＝kde。
本发明高光谱成像装置的工作过程是：
宽带光源被准直后经第一格兰-泰勒棱镜调制为线偏振光，通过调谐附加在第一声光互作用通道上的超声驱动频率，线偏振入射光与超声波在第一声光互作用通道内经历第一次声光相互作用以后，0级透射光在声光晶体外被遮挡，第一声光互作用通道输出窄带衍射单色光，此过程的主要目的是从复色光中选择出想要的输出波长值；然后调谐附加在第二声光互作用通道上的超声驱动频率，衍射单色光在第二声光互作用通道内与超声波再次发生声光相互作用，经历第二次声光相互作用后，由于0级透射光与第二次声光相互后的衍射光的偏振方向相互垂直，透射光被第二格兰-泰勒棱镜滤掉，衍射光被探测器接收。
在实际样品的鉴别中，将被测样品置于光束准直单元与第一格兰-泰勒棱镜之间，被测样品的透射光在双通道声光可调谐滤波器内与超声波发生声光相互作用，满足动量匹配条件的入射光被连续滤波两次后，衍射光被探测器接收。通过对液体等样品的特征吸收峰进行光谱鉴别，可以对样品进行定值定性。该装置可以对生物组织切片、气体、液体等物质进行鉴别分析。
发明的基于声光可调谐滤波器的高光谱成像装置也可以实施不同距离的已知目标进行光谱成像，在不同环境下，系统接收被测目标的反射、透射或辐射光(自然光)，同样被准直后进入系统，改变系统的射频输入条件，通过选择不同波长和强度，对远场目标进行精确探测研究。

Claims (4)

1.一种双通道声光可调谐滤波器，包括声光晶体，其特征在于：还包括第一压电换能器、第一超声波吸收体、第一超声波频率驱动器、第二压电换能器、第二吸收体以及第二超声波频率驱动器；
在声光晶体内，第一超声波频率驱动器发射的射频信号在第一压电换能器与第一超声波吸收体之间形成第一声光互作用通道；
在声光晶体内，第二超声波频率驱动器发射的射频信号在第二压电换能器与第二超声波吸收体之间形成第二声光互作用通道；
第一声光互作用通道和第二声光互作用通道中的超声波入射方向相反；
在第一声光互作用通道中，入射光波矢量为kie、衍射光波矢量为kdo与第一声光互作用通道中的超声波矢量Ka1满足动量匹配条件；该条件为：kie+Ka1＝kdo；
在第二声光互作用通道中的入射光为第一次声光互作用后的衍射光，入射光波矢量表示为kio，衍射光的波矢量表示为kde，且恰好可以与第二声光互作用通道中的超声波矢量Ka2满足动量匹配条件，该条件为：kio-Ka2＝kde。
2.基于权利要求1所述的双通道声光可调谐滤波器的高光谱成像装置，其特征在于：包括宽带光源、光源强度调制单元、光束准直单元、第一格兰-泰勒棱镜、第二格兰-泰勒棱镜、双通道声光可调谐滤波器、探测器、图像采集卡以及计算机；
来自宽带光源的入射光被光束准直单元准直后，先经过第一格兰-泰勒棱镜变成线偏振光、线偏振光被双通道声光可调谐滤波器连续发生两次声光互作用后的透射光被第二格兰-泰勒棱镜滤掉，衍射光被探测器接收；
所述计算机分别与光源强度调制单元、双通道声光可调谐滤波器以及采集卡相连接；
光源强度调制单元与宽带光源连接用于对光源的光强度进行调制；
采集卡与探测器相连接。
3.根据权利要求2所述的双通道声光可调谐滤波器的高光谱成像装置，其特征在于：宽带光源为人造白炽灯或卤素灯或超连续谱激光或自然光。
4.根据权利要求2所述的双通道声光可调谐滤波器的高光谱成像装置，其特征在于：探测器为光谱仪或CCD或COMS相机。
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