AOTF成像光谱仪声光晶体衍射效率研究

基于AOTF的成像光谱仪是集图像、光谱及偏振信息为一体的新型探测仪器,由于声光晶体是其核心分光器件,它的性能将影响目标信息的获取能力。因此, 研究提高声光晶体衍射效率的方法是AOTF成像光谱仪研制的重点和关键。首先介绍了AOTF成像光谱仪的工作原理,基于耦合波理论推导了声光晶体衍射效率方程,然后对AOTF成像光谱仪声光晶体衍射效率的影响因素进行数值仿真分析,最后,用Tracepro软件对不同入射光进行了仿真计算。分析结果表明,当AOTF成像光谱仪工作波长范围在0.4 μm~0.9 μm时,为使衍射效率能达到最大值,各个影响因素的最优值是:换能器长度d为2.5 mm,光栅倾斜角φ选择在80°,入射光选择o光。     

基于AOTF的多光谱红外成像系统MRTD测试技术研究

为了实现红外多光谱成像系统光谱维MRTD测试,获取更多的目标背景信息,提出基于声光可调谐滤波器（AOTF）的多光谱成像系统静态性能测试平台的设计。在（3~5）m波段范围内,采用设计搭建的静态性能测试平台完成了红外带内波段的细分,并在各个细分波段上分别对空间频率2.546 lp/mm、1.273 lp/mm、0.849 lp/mm和0.632 lp/mm的标准靶进行了MRTD测试。实验结果表明,得到的光谱维MRTD测试结果与理论结果一致,验证了测试平台的可靠性和测试方法的可行性。     

声光调制光谱相机的成像漂移

研究了基于声光可调滤波机理的光谱相机在成像时由声光晶体的色散而产生的图像漂移现象。利用色散补偿法和图像位移补偿法,理论计算并实验测量了声光可调滤波器（AOTF）在可见光（488～644 nm）波段内由晶体外衍射角所引起的图像漂移,并进行了优化实验。采用色散补偿法,调整入射光为准平行光,入射光波长为488～644 nm时,在晶体出射面添加0.6°的光楔,晶体外衍射角的变化量可由0.066 50°降低到0.004 2°,即图像漂移量由162.1μm降低到10.9μm;采用图像位移补偿法,不添加光楔,入射光波长为488～644 nm时,图像水平漂移量可从468μm降低到0.658μm,漂移量在一个像元内。实验表明：基于提出的两种方法可忽略成像漂移对图像的影响,有效提高了基于AOTF机理的光谱相机的成像分辨率。     

基于AOTF成像光谱精密测量技术的研究

声光可调滤波器(AOTF)作为光谱成像的一种新型分光元件,在运用其进行成像光谱时,一般选择入射光垂直于AOTF入射面时所对应的衍射中心波长为CCD的光谱测量波长。但在实际测量中,空间目标不同位置的光线总是以不同的角度进入到AOTF,这样就导致了CCD实际测量的光谱和以光垂直入射时所对应的光谱为测量光谱相比出现误差,影响了光谱的测量精度。采用的成像光谱系统的特点是目标光线经前置光学系统、AOTF和成像透镜后,聚焦成像于透镜的焦平面上,实现了目标光在整个系统的一次成像。此一次成像与传统的二次成像相比,能够有效的提高光能利用率和成像质量。由于AOTF的视场角为±3°,所以通过对AOTF视场角范围内衍射中心波长随入射角度变化的实际规律进行了分析研究,并对衍射波长随入射角度变化的实际测量值进行了拟合修正,得到了修正方程。实验结果表明用修正后的方程进行光谱测量,其相对误差值可以减小一个数量级。此方法可为今后提高AOTF成像光谱测量精度奠定基础。     

基于双AOTF的新型成像光谱偏振探测系统

声光可调谐滤波器(AOTF)具有体积小、波长稳定性好、扫描范围宽、调制速度快等优点,在光谱成像中被广泛应用,但单独采用AOTF的成像光谱偏振探测还较少。为此提出只采用两个AOTF的成像光谱偏振探测新方法。该方法首先通过分束镜将入射光分成两束,两束光分别通过两个AOTF,而两个AOTF的正一级衍射光的偏振方向互成45°,由于AOTF的正一级衍射光的偏振方向互相垂直,因此两个AOTF的正负一级分别可得到0°,45°,90°和135°的光强,在测量中需保持两个AOTF的滤光所对应的波长完全相等。最后通过对两个AOTF的正负一级衍射成像,最终得到Stokes偏振信息中S₀(0°和90°光强和)、S₁(0°和90°光强差)和S₂(45°和135°光强差),结合相应的理论公式对被测目标的线偏振度(DoLP)和线偏振角(AoLP)实现成像。再通过对AOTF的射频驱动进行扫频,实现对被测目标不同波长偏振成像,最终实现成像光谱偏振探测。并通过对500,550和600 nm偏振成像进行实验验证。该方法具有无运动部件、无需转动、一次测量同时获得成像光谱偏振信息的优点。     

声光可调谐滤波器成像光谱仪实时预处理系统

为了快速实时地预处理声光可调谐滤波器（AOTF）成像光谱仪的数据,分析了AOTF成像光谱仪数据特点及预处理算法,采用数字信号处理器（DSP）作为核心器件代替传统的PC机处理平台,提出了一种基于两片ADSP-TS201的外部总线共享与链路口混合耦合的双DSP并行处理系统方案。结合实际需求,设计了流水线处理方式并合理分配预处理任务。用实验方法对系统的功能进行了验证,结果表明：双DSP并行处理系统完成一帧AOTF成像光谱仪数据的预处理仅需23.5 ms,比原有PC机处理速度提高了13倍左右,满足了实时性要求,促进了AOTF成像光谱仪系统化、模块化、小型化并兼具实时处理能力的发展。     

AOTF高光谱成像0级干扰抑制方法研究

随着光谱成像技术的发展,以高空间分辨率和高光谱分辨率获得的图像极大地提高了地物目标的识别能力,为准确获取地物被测目标的二维空间影像信息和一维光谱信息,设计完成一种基于声光可调滤波器(AOTF)的高光谱成像系统,但由于系统中偏振片消光比有限,导致视场外的0级光与被测目标的+1级衍射光发生重叠,而AOTF无驱动时成像可近似为0级干扰的图像,为此提出一种AOTF加驱动图像减无驱动图像的0级干扰抑制方法。并采用该系统样机进行外场光谱成像实验,对结果进行0级干扰抑制方法修正,修正后的结果表明该方法不仅大幅度消除了0级光的干扰,而且还提高了整个成像光谱的测量精度。     

声光可调谐滤波器成像光谱仪非球面光学系统设计

基于声光可调谐滤波器(AOTF)的工作原理,设计了一套工作在440～780nm的光谱成像光学系统。该光学系统通过引入一面偶次非球面提高了系统的成像质量,简化了镜头的结构,提高了光学系统的透射率。前置光学系统采用由一组双胶合透镜构成的像方远心光路。后置成像光学系统由一组三胶合透镜构成,其中包含一面非球面,根据非球面变形系数与初级像差间的贡献关系,完成了非球面及其位置的优化和对AOTF的+1级衍射光成像。光学系统在32lp/mm的空间频率下的调制传递函数(MTF)大于0.6,像质优良,加工装调公差适中。     

基于AOTF成像光谱仪主动变焦前置光学系统设计

声光可调协滤波器（AOTF）成像光谱仪可同时获取探测目标的空间图像和光谱信息,具有体积小、质量轻、中心波长挑选灵活等优势。提出一种基于AOTF成像光谱仪组合变焦光学系统设计方案并完成了主动变焦前置光学系统仿真设计。该方案由主反式变焦前置系统和具有任意放大倍数的投影系统组成,可实现大变焦范围主动变焦成像。前置光学系统的初始结构由主反式变焦系统设计理论确定,利用同轴系统的离轴解和参数优化完成离轴三反远心结构的设计和系统像差校正,构建逐步逼近优化法实现主动连续变焦。在Code V中的仿真结果表明：前置变焦系统工作波段为0.5～1.7μm,变焦范围为260～520 mm,短焦处调制传递函数大于0.68@34 lp/mm,长焦处大于0.45@34 lp/mm,全场的均方根半径小于0.345μm,成像质量良好。     

AOTF在光谱分析中的应用研究4.FSD用于提高AOTF原子发射光谱仪的光谱分辨率

本文报道了利用傅里叶自去卷积 (FSD)来提高AOTF原子发射光谱仪的光谱分辨率。选择合适的卷积参数 :半峰高宽度和剪截长度 ,可使模拟重叠峰半峰高宽度变窄约 3 5倍 ,峰高增加约 5倍 ,而峰的位置不变。将其应用于处理AOTF ICP AES扫描重叠峰 ,可使La 4 0 7 735nm与La 4 0 8 6 72nm的自身重叠峰以及Ca 393 36 6nm与Al394 4 0 1nm的干扰重叠峰达到基线分离 ;对于Eu Sr系列混合样和Sc Sr系列混合样(Sr浓度不变 ,Eu和Sc的浓度改变 )的扫描图 ,经FSD处理后 ,原来Eu 4 2 0 5nm与Sr 4 2 1 6nm以及Sc4 2 4 7nm与Sr4 2 1 6nm重叠峰均可达到基线分离 ,校准曲线的斜率提高了 2～ 3倍。     

基于声光可调谐滤光器的显微光谱成像技术

为了解决传统声光可调谐滤光器(AOTF)成像模糊的缺点,设计了一种新的AOTF。该器件通过在传统的AOTF的出射孔后面放置一个自行设计的等边色散棱镜来实现对衍射光的色散展宽进行补偿,明显地提高了成像的对比度和空间分辨率。将此器件附加在传统光学显微镜上,获得了一种新型的光谱显微成像仪器。其光谱分辨率在575nm波长处为4.2nm、成像空间分辨率为2μm、图像采集速度为毫秒量级。为基于AOTF的光谱成像技术在生物医学等领域的更广泛的应用奠定了基础。     

Modulation transfer spectroscopy based on acousto-optic modulator with zero frequency shift

We present a modulation transfer spectroscopy(MTS) configuration based on an acousto-optic modulator by using a variant of the typical double pass structure. One beam is modulated by using an acousto-optic modulator in opposite diffraction order to cancel the carrier frequency shift and produce a modulated pump beam. The line shape performance is investigated theoretically and experimentally. Laser frequency stabilization of the proposed configuration is demonstrated for the133 Cs |62 S1/2, F = 4 → |62 P3/2, F = 5 transition. The Allan deviations, which are measured by using beat note signals and the three-cornered hat method, are 3.6×10-11 in an integration time of 100 s and approximately 4×10-11 in a longer integration time.     

Wide-field-of-view narrow-band spectral filters based on photonic crystal nanocavities

We describe a novel approach to implementing wide-field-of-view narrow-band spectral filters, using an array of resonant nanocavities consisting of periodic defects in a two-dimensional three-material photonic-crystal nanostructure. We analyze the transmissivity of this type of filter for a range of wavelengths and in-plane incidence angles as a function of the defect's refractive index, the number of layers in the photonic-crystal reflectors, and the period of the defects and find that this structure diminishes the angular sensitivity of the resonance condition relative to that of a standard multilayer filter.     

声光偏转效应载频测量的方法研究

针对现代载频测量对信号的实时捕获、频率带宽和分辨率的要求,提出了一种利用声光偏转效应的相干光信号处理方法。从理论上对声光效应的Bragg衍射机理和条件进行了描述,分析了随机载频信号捕获、带宽特性和频率分辨率与声光偏转的关系,给出了系统的构成原理和测试方法。通过实验测试和计算机仿真,证明了声光偏转技术能很好地解决并行随机载频信号和频率分辨率的问题,系统性能和信号的实时处理效果得到了明显的改善,带宽达到了300MHz,频率分辨率优于1MHz。这种方法对随机信号载频的跟踪和测量精度优势突出,可应用于雷达信号探测和光电对抗。     

Median plane localization using a parametric model of the head-related transfer function based on spectral cues

To examine a simulation method for vertical sound localization, and to clarify which peaks and notches in head-related transfer functions (HRTFs) play a role as spectral cues, localization tests in the median plane were carried out using a parametric HRTF model, which is recomposed only of extracted spectral peaks and notches. The results show that the parametric HRTF recomposed using the first and second notches (N1 and N2) and the first peak (P1) provides almost the same localization accuracy as the measured HRTFs. Observations of the spectral peaks and notches indicate that N1 and N2 change remarkably as the source elevation changes, whereas P1 does not depend on the source elevation. In conclusion, N1 and N2 can be regarded as spectral cues, and the hearing system could utilize P1 as the reference information to analyze N1 and N2.     

基于光纤声光调制的轮廓检测技术研究

为实现对工件表面微观形貌测量系统要求远距离传输、实时在线及非接触测量,同时达到高精度、高分辨力、高信噪比测量,提出基于声光调制的光纤外差法轮廓检测技术,采用外差法可有效抑制随机噪声,提高信噪比,通过原理分析建立数学模型;系统设计画出工件表面粗糙度测量框图;实验测量得出被测工件表面粗糙度,分辨力达到1 nm;讨论了不确定度来源及控制方法,测量精度为1。实验结果表明:外差法、声光调制及光纤测试技术可有效降低噪声、提高分辨力和测量精度。     

傅里叶变换光谱成像仪光谱传递函数研究

根据光学传递函数理论,定义了光谱成像仪的光谱传递函数. 针对基于Michelson干涉仪的时间调制傅里叶变换（FT）光谱成像仪,基于Sagnac干涉仪、Fresnel干涉仪、Lloyd干涉仪的空间调制FT光谱成像仪,推导出相应的光谱调制传递函数和光谱相位传递函数解析表达式,并分析了其物理意义. 光谱传递函数为评价相应光谱成像仪在光谱域的性能提供了一种量化的判据. 与空间域的光学传递函数相结合,成为反映光谱成像仪综合性能的客观依据. 关键词： 傅里叶变换 光谱成像仪 光谱传递函数