AOTF成像光谱仪光学系统的最优方案选择

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2020年07月30日 17:00
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意大利罗马美术学院-师德师风论文


第33卷第1期
2012年1月
应用光学
Journal
of
Applied
Optics
V01.33No.1
Jan.2012
文章编号:1002—2082(2012)01—0005—04
AOTF成像光谱仪光学系统的最 优方案选择
常凌颖1,赵葆常2,邱跃洪2,汶德胜2
(1.西安邮电学院,陕西西安7101 21l
2.中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西西安710119)
摘要:基于声光可调 谐滤波器(AOTF)的成像光谱仪是一种新型的成像光谱仪,它除了具有一
般成像光谱仪的二维空间信 息与一雏光谱信息外,还能获得目标的偏振信息。在实际应用中
AOTF可接收的光束孔径角一般不大于 5。~6。,因而受到所采用声光晶体可接收角度的限制,
AOTF光谱成像仪的光学系统不能同时兼顾 大孔径与大视场。要求AOTF成像光谱仪视场满
足128X128像元,Te02晶体尺寸为10mm×10
mm,根据声光可调谐滤波器成像光谱仪光学
系统的特点,分析比较了2种光学 系统总体方案,最终将系统的孔径光栏放置在晶体上,Te02
晶体尺寸限制了孔径光栏的尺寸,晶体可 接收的角度决定了系统的视场角,提高了能量利用率,
获得较高的图像信噪比。
关键词:成像光 谱仪;AOTF;光学系统;光栏
中图分类号:TN202I
TH732
文献标志码: Adoi:10.5768/JA0201233.0101002
Optimal
schem e
ofAOTF
imagingspectrometer
optical
s ystem
CHANG
Ling—yin91,ZHAO
Bao-chan92,QI U
Yue-hon【矿,WEN
De-shen92
(1.Xi’an
Ins titute
ofPostsand
Telecommunication,Xi’an710 121,China;
2.xi’an
Institute
Optics
an dPrecision
Mechanics。CAS。Xi’an
710119。China)
Abstract:Compared
withthetraditional
spe ctralimaging
instruments,an
aeousto-optic
tunable
filteris

new
type
of
imagingspectrometer,which
can
obtain
targ et
polarizationspectrometer
can
andtwo-di mensional
spatial
information.However,AOTFgle
lessthan
only
receivethebeamwith
an—
o---6。in
the
practical
applicatio n.Because
ofthelimited
receiving
angle,AO TF
can
spectralimageropticalsystem
samenot
achievethe
large
aperture
and
large
fieldofview
to
at
the
time.W e
developed
theAOTF
imagingspectrometerfieldofviewmeetthe
require—
on
mentsof1 28×128
pixels
andthe
Te02
crystal
s izeof10mmX10mm.Basedthefeaturesof
the
acoust o-optic
tunablefilter
imagingspectrometeropt icalsystem,anoptimalsystemdesign
was
determi ned,the
aperture
stop
was
placed
in the
crystal,aperture
stop
sizewaslimited< br>by
Te02crystal
size,andthe
system
f ieldof
view
wasdetermined
by
the
cr ystal.The
energy
uti—
lization
ratiois
improved
andthe
signal
to
nois e
ratio
of
the
image
is
increase d.
Keywords:imagingspectrometer;AOTF;opticalsys temscheme;stop
引言
声光可调滤波器(AOTF)是I.C.Chang于1974年提出的Ⅲ,它利用双折射量随角度的变化
来补偿因角度变化所引起的动量失配,实现非共
线的目的。与传统的分光元件相比,非共线型
AOTF具有扫描速度快、调谐范围宽、入射光角 孔
收稿日期:t’.011—03—09;修回日期:2011—10—05
基金项目:挺文联 合基金重点资助项目(10978005)
作者简介治凌颖(1977一),女,陕西西安人,博士,副 研究员,主要从事光学设计、空问光学方面的研究工作。
E-mail:sophia_chang@1
26.corn
万方数据


・6・
应用光学2012.33(1 )
常凌颖。等:AOTF成像光谱仪光学系统的最优方案选择
径大等特点,所以在快速扫描光谱 分析[2]、远程观
测‘引、环境污染检测‘引、多光谱成像技术[51等领域
得到广泛应用。 20世纪90年代以后,随着具有高
声光优值Te0:、TAS等声光晶体的发现、大尺寸
声光 晶体声长工艺的逐渐成熟和大入射孔径角的
非共线AOTF设计理论的提出,AOTF光谱成像
技术得以快速的发展[6罐]。鉴于目前能够实用化的
声光晶体器件尺寸都比较小(一般为10
mm×10
ram),在晶体的入射光极角确定的情况下,晶体的
可接收角度受到声光互作用长 度和波长的限制。
为了避免由此带来的对所构成的成像光谱仪性能
的影响,对光学系统方案进行 最优化设计。
1声光可调谐滤波器的工作原理
声光可调谐滤波器是根据各项异性的双折射
晶体声光衍射原理制成,其工作原理如图1所示。
它由双折射晶体、可调谐射频、压电晶体换能器和< br>吸声体组成。当射频信号加到换能器上时,激励
出声波并射入声光介质。为了防止声波反射,透< br>过介质的声波被吸声装置吸收。当入射光为白光
时,对任一声频都将有两束衍射光同时出现,一束
为正衍射光,一束为负衍射光,分别位于零级光两
侧。正衍射光与负衍射光的偏振态正交。入射 光
是0光或E光时,只有一束衍射光输出,衍射光偏
振态与入射光偏振态正交。当声波频率改变 时,
满足动量匹配条件的衍射光波长也将相应改变,
从而构成电调谐滤光器[5]。
图 l
A()TF‘原理图
Fig.1
Schematic
diagram
of
AOTF
双折射晶体作为分光器件,是声光可调谐滤
波器的核心,一般采用具有 较高的声光品质因素
和较低的声衰减的双折射晶体。常用的双折射晶
体有TeO:、石英和锗等 ,而TeO:由于具有较高的
声光品质因素在AOTF中被广泛采用。
当对换能器施加一定频率 的激励射频电信号
时,压电晶体换能器将其转换成相应频率的超声
万方数据
波信号并耦 合到双折射晶体中,晶体的折射率随
之发生周期性变化,因此相当于晶体中形成了一
个位相光栅 ,光栅常量即为超声波的波长。光通
过的时候发生反常布拉格衍射,入射光波矢量Kt、
衍射光 波矢量K。和声波矢量K。之间严格匹配的
动量三角形闭合条件:
Kd=K。+K。
式 中各矢量的模Ki孥垒;K。:孳丝;K。:穹乒。
^0^0


咒i为晶体 对入射光的折射率;勘为晶体对衍射光
的折射率。它们分别是入射光和超声波波面间的
夹角0; 、衍射光与超声波波面间的交角以的函数。
厂口为超声波的频率;A为衍射光的波长;U为超声
波波速。
对于一定的声光介质和一定的传播方向,即
^、K、易一定,AOTF的器件调谐关系 可以由下
式表示:
^=(V。以o)(n。一,lo)(sin40,+sin220i)17 2






罩受
图2超声频率与衍射 光波长关系曲线
Fig.2
Relationship
between
ult rasonic
fre-
queney
and
wavelength
图2为超声频率丘与衍射光波长A关系曲线,
从曲线图中可以看出,经AOTF衍射产生的单色光
波长A和激励用的射频信号频率正存在一一对应
的非线性调谐关系,当声频率均匀线性增大时,衍射< br>光波长不均匀下降。因频率信号是由扫描电压变化
而来的,因此只要通过电信号的调谐即可实现快 速、
随机改变输出光的波长,这为光谱分析仪器提供了
一种新的容易实现的程序控制滤光器件。

Te0。晶体可接收的角度分析
TeO:是20世纪60年代末发现的具有良好声< br>光性能、用于可见光和近红外范围的声光材料,现
已得到广泛应用。TeOz密度为5
9 90
kg/m3。
TeOz的透明区为0.35弘m~5弘m,在整个可见光

< br>应用光学2012,33(1)常凌颖,等:AoTF成像光谱仪光学系统的最优方案选择
・7・
范围内完全透明。它属于422晶类,无对称中心,‰>,2。。表1所示为Te02材料在5种常用激 光波
具有旋光性;它是左旋正单轴晶体,挖右>竹左,而长下的折射率行。和行。。
表l5种常 用激光波长的TeOz材料的基本光学常数n。和”。
Table1Basic
optical constants一。,一。of
Te02
material
with5
t ypical
laser
wavelenIgths
当光线以入射角良照射到AOTF 上时。正好
3光学系统最优方案的选择
满足动量匹配条件的某一光波长的衍射光最强。
在光学系统中,除了满足基本的物像共轭位
当入射角变为或+阳i时,该波长的光偏离动量匹
置 和成像放大率外,还应有2个要求:1)一定的成
配条件,衍射光强度下降。当衍射光强度下降
像范围;2)像平面上有一定的光能量。在设计光
50%时,所对应的溉为AOTF可接收的立体角孔< br>学系统时,按照实际的工作情况,要求在成像范围
径,其值为
胡i一行(_与)“2内的各点以一定立体角的光束通过光学系统成

△”・L
像。因此在光学系统中孔 径光栏和视场光栏是不
式中:竹为TeO:声光晶体的折射率;An=
可缺少的2种光束限制。 孔径光栏用于限制进入
I行。一以。I;A。为工作波长;L为压电换能器长度。
系统的光束( 或光能)的多少,而视场光栏则决定
若取L一10
了光学系统的成像范围。
mm,珂一 2.3,.:Io=0.5“m,An一0.1,
根据上式求得观为3。。
对于声光可调谐滤波 器成像光谱仪光学系
由布拉格衍射性质可以知道,入射光和声波
统,由于声光器件工作原理的限 制,通常要求的光
作用产生衍射光后会沿入射方向继续传播,因此
学系统都是多个子光学系统的 组合,在根据成像
如果人射光孔径角大于入射光和衍射光的相对偏
光谱仪所要实现的技术指标及 确定选择的探测器
转角,那么入射光将会和衍射光叠加使最后所成
类型后,需要合理设计光学系 统总体方案,确定成
图像受到影响,致使所成像的信噪比大大下降。
像关系、基本的光学特性, 如焦距、视场、相对孔径
入射光束的方向和晶体外衍射光束输出的方
及光栏位置等,要给出设计 方案原理图,然后合理
向能够完全的分离决定了晶体可接收的最大光束
布局,最后分配设计参数 。
立体角。一旦晶体切开的角度确定了,那么这个
在光学系统总体方案设计时焦距、视场、相对
AOTF可接收的光束立体角就确定了。由于光学
孔径等可以按照将晶体等效为平板进行设计计
采集系统(即AOTF后面的光学系统要求把衍射
算,但由于声光可调谐滤波器中采用的声光晶 体
光束与非衍射光束清楚地分开,在实际应用当中
工作原理的特殊性,对于视场光栏和孔径光栏 的
AOTF可接收的光束孔径通常不能大于5。~6。。
布局需综合考虑,两种不同的光栏布局 的不同,即
A.Sivanayagam和D.Findlay对入射光的角孔径
将视场光栏还 是孔径光栏放置在晶体上,进入到
进行了测量试验,试验发现,当半入射光束锥角变
晶体的光束 情况是不同的,如孔径光栏位于晶体
化在3。以内时,衍射光带宽基本上没有变化,与理
上,那 么进入晶体的光束都为平行光;如果选择视
论计算曲线相当吻合,当入射光束锥角再增加1。
场 光栏位于晶体上,那么晶体就位于一次像面的
时,则衍射带宽将增加50%[9],而且当入射到晶体< br>位置上。
的光束角大于晶体可接收的光束立体角时,衍射
图3为视场光栏位于晶体上的示 意图,景物1
效率就变得非常小。通过前置物镜2将一次像成在晶体上,3是孔径光
万方数据< /p>


・8・
应用光学2012,33(1)常凌颖.等:AOTF成像光谱仪光学系统 的最优方案选择
栏,晶体4为系统的视场光栏,5是压电晶体换能
器,6为挡板,后端成像镜7 对衍射的光束进行二
次成像,CCD器件8接收成像。此时,AOTF光谱
成像系统获得了该系 统所能达到的最大视场,但
系统的孔径角受到晶体可接收的最大光束立体角
的限制,即限制了光 学系统的最大可获取能量。
视场光栏位于晶体上时,系统的孔径角受到晶体
最大可接受立体角的 限制。并且在AOTF光谱成
像仪的实际设计制作过程中。制造获得均匀性较
好的大尺寸晶体有 困难,因此TeOz晶体的尺寸通
常都不大,一般为10
mm×lO

田3视场光栏位于■体上的光学系统田
OB
mm,根据光学系统
的空间不变性,晶 体最大可接收的角度和晶体的
尺寸就决定了光学系统的孔径与视场,它们之间
是相互制约的,为 了最大提高能量利用率,获得较
高的图像信噪比,将将孔径光栏放置在TeOz晶体
上是较好的 选择。
参考文越:
[13
ZHANG

C.Noncollinea r
acousto-optic
filterwith
large
Fig.3 Opticalsystemdiagram
ofthe
stop
locatedcrystal
angularaperture[J].Applied
Physlet ter.
1974,25(7):370-372.
图4为孔径光栏位于晶体上的光学示意图口“,光学系统包括由物镜和准直镜组成的前置
望远光学系统、AOTF和成像光学系统,其中视 场
光栏位于前置光学望远镜的一次像面上。景物经
前置光学系统会聚、准直后传送到AOTF。 经
AOTF衍射后产生0级衍射光和士1级衍射光,士
1级衍射光即为偏振态正交的O光和E光 ,成像
光学系统将AOTF出射的。光和E光分别会聚
到各自的图像传感器感光面上。为保证人 射到晶
体上的光束满足角孔径的要求,同时要保证衍射
光束和人射光束的空间分离,设计要求准 直系统
的光束发散角要小于晶体可接收的立体角,因此
晶体可接收的角度限制了系统的视场角。
C2]KUROSAKI
velopment
of
・the
H.SH INGUH,ENKYOS,eta1.De—
an
imaginghyperspectra l
camera
using
visible
wavelength
u ltraviolet
and
AOTF[J].
SPIE.2003.4881:59 4-598.
[32
KUROSAKIH,KOSHIISHIH。SUZUKIT,eta1 .
Development
of
forremote
tumble
i maging
spectro-polarimeter
Res..2003.
sen sing[J].Adv.Space
32(11):2141—2146.
[4]SUZUK I
plieation
T.KUROSAKIH.ENKYOS-et
a1.Ap—< br>of
an
AOTF
imaging
spectro-polarime ter
[J3.SPrE.1997.3121:351—360.
[53
H1LLM AN
J,GLENAR
D.Compact
imaging
spec—
trometers
using
acousto-optic
tunable
filters[J].The
Weekly
26—30.
News
Mag anize
of
Science.1999,165(3):
[63
BALD wlN

P,zAMzOw
Ds.EcKELSDE,et
a1.AOTF- echelle
spectrometer
for
airIc卜AES
con —
tinuousemission
monitoring
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heavy< br>metals
andacti。
nides[J].SPrE.1999.3534t4 78—486.
[73
姗,/
BLANEY
D.Acousto-optic imaginingspectrometers
for
spectral
mappi ng
ofsolid
nautica.2003,52(3):389—396.
o( ;蟊!
魂、
“瞄一一
蕴删
[83
surface{)].Acta< br>Astro-
GUPTA
N.Acousto-optie
tunablefi lterbased
spec・
tropolarimetric
69720cl-1 1_
imngers[J].SPIE.2008,6972:
≮¨
[9]
田 4孔径光栏位于晶体上的光学系统圈
Fig.4
Opticalsystem
diag ram
of
the_penum
located
oB
sIVANAY AGAM
A,FINDLAY
D.High
resolution
non-c ollinearacousto-optic
filterswithvariable
pa ss—
hand
characteristics:design[J].AppliedOptics,
1984,24(11):4601—4608.
crystal
[103
MAHONEY
c.CHENG
Li-jen.HAMILTON
M 。et
a1.Aeousto-opdc
tumble
filterfor
h yperspectral
Space
4结论
通过以上分析讨论,当孔径光栏位于晶体 上
时,视场角受到晶体最大可接收立体角的限制;当
imagery
anddual・ use
application8[c]//AIAA
Programs
and
Technologies
Conference
and
Exhibit。
[s.1.],[s.n.].1993.
万方数据


AOTF成像光谱仪光学系 统的最优方案选择
作者:
作者单位:
刊名:
英文刊名:
年,卷(期) :
常凌颖, 赵葆常, 邱跃洪, 汶德胜, CHANG Ling-ying, ZHAO Bao-chang, QIU Yue-hong, WEN
De- sheng
常凌颖,CHANG Ling-ying(西安邮电学院,陕西西安,710121), 赵葆常,邱跃洪,汶德胜,ZHAO Bao-
chang,QIU Yue-hong,WEN De-sheng(中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西西安,710119)
应用光学
Journal of Applied Optics
2012,33(1)



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