1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
对传统中阶梯光栅光谱仪级次重叠的问题进行分析，采用声光可谐调滤波器（AOTF）结合中阶梯光栅的方法实现光谱级次分离，研究并设计了小型、灵敏、超高光谱分辨率的光学系统结构。利用CODEV软件对成像光谱仪的初始结构进行优化，得到一种结合AOTF与中阶梯光栅的小型化超高光谱分辨率成像光谱仪。与交叉色散方案相比，中阶梯光栅与AOTF结合的技术将得到更高的信噪比，并弥补了中阶梯光栅体积大、质量重的缺陷，工作波段在2320~4250 nm时，系统F数小于1.8，并获得优于0.15 nm的超高光谱分辨率，在奈奎斯特频率为17 lp/mm条件下整体调制传递函数（MTF）>0.7，各视场全波段弥散斑均方根（RMS）半径<11 μm。该成像光谱仪提供了一种大气微量成分高精度、高灵敏度测量的方案，与其他的高分辨率红外光谱仪相比，其更容易安装在空间资源有限的行星或星际航天器上。
光学设计 成像光谱仪 AOTF 中阶梯光栅 光学学报
2023, 43(19): 1922001
1 西安邮电大学电子工程学院，陕西 西安 710121
2 中国科学院西安光学精密机械研究所，西安 710119
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0.5~1.7 μm，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0.345 μm，成像质量良好。
声光可调协滤波器成像光谱仪 光学设计 组合主动变焦 离轴三反 像方远心 光学学报
2023, 43(19): 1911005
1 中国科学院上海技术物理研究所 空间主动光电技术重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
基于声光可调谐滤波器（AOTF）的光谱仪器已经在生物医学、农业、航空航天等领域中广泛应用。然而，传统的AOTF光谱仪很难在保持光谱分辨率和减少采样次数的同时，还实现系统光通量的增加。针对上述问题，本文提出了一种基于压缩感知理论的AOTF光谱测量方法，利用AOTF可多频驱动的特点，在光谱维度上实现稀疏随机编码复合光信号调制，可利用单元或面阵探测器顺次记录完成压缩采样，再通过压缩感知重建算法获得目标光谱曲线或光谱图像数据立方体。为了验证本方法的有效性，我们利用实际测量得到AOTF光谱响应带宽数据，构建传感矩阵，以展宽光谱为恢复目标，仿真了压缩采样和目标数据重构效果。仿真结果表明，该方法可以通过202次压缩采样，重构得到512个波长点的光谱数据，光谱数据采样率和压缩比为0.39。此采样率下，本方法可以高精度恢复光谱曲线，PSNR指标达到41.75dB，SAM和GSAM指标为0.9998和0.9754。多频同时驱动下，系统光通量平均提升了5倍。与传统逐波长点扫描的采样方式相比，该方法能够在保持原有光谱分辨率的前提下减少总采样次数，提高系统的光通量，同时还压缩了光谱数据，在微弱信号检测、物质快速识别以及光谱数据传输和存储等领域具有十分重要的意义。
压缩感知 计算光谱学 多频声光效应 AOTF compressed sensing computational spectroscopy multi-frequency acousto-optic diffraction AOTF
中国电子科技集团公司第二十六研究所, 重庆 400060
介绍了一种采用氧化碲晶体做声光介质材料的大孔径中波(3~4.5 μm)声光可调滤光器。通过优化设计, 其通光孔径可达20 mm×20 mm, 与常用声光可调滤光器(光孔径10 mm×10 mm)相比, 其光通量提高了3倍。这种声光可调滤光器是针对入射o光进行设计的, 其采用单片换能器结构。结果表明, 通过优化设计, 该大孔径中波声光可调滤光器实现了滤光范围为3.0~4.5 μm, 分离角为5.25°, 衍射效率大于60%, 光谱分辨率小于45 nm。
声光可调滤光器 光波长 o光 衍射效率 acousto-optic tunable filter(AOTF) wavelength ordinary light diffraction efficiency
1 中北大学 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心, 山西 太原 030051
2 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
3 中北大学 电子测试技术重点实验室, 山西 太原 030051
针对环境温度、电压、入射角等因素变化对基于声光可调谐滤波器(Acousto-optic tunable filter, AOTF)和液晶可变延迟器(Liquid crystal variable retarder, LCVR)的光谱偏振成像测量精度影响大, 且整个系统实现复杂等缺点; 考虑到超消色差波片对温度和波长依赖小, 结合AOTF高光谱成像的优点, 提出了基于超消色差1/4波片和AOTF的高光谱全偏振成像新方法。详细分析了该方法的工作原理, 并结合可购买到的最好超消色差1/4波片中相位延迟和快轴随波长的微小波动, 进而分析了该波动对偏振测量的影响, 并针对这些影响研究了修正策略。搭建了原理样机, 对450~950 nm波段进行了偏振测量, 修正后偏振度测量误差≤1%, 对偏振方向的测量偏差≤1.8°, 以633 nm为例, 对其全Stokes参量图像进行了具体原理及修正测量验证实验, 结果表明, 该新技术原理正确, 修正策略可行。该研究可为复杂条件下高精度、高光谱全偏振成像技术提供新的理论和实现方案。
光谱偏振成像 声光可调谐滤波器 超消色差波片 Stokes参量 spectropolarimetric imaging AOTF superachromatic wave plate Stokes parameters 红外与激光工程
2019, 48(8): 0814004
航天高光谱载荷相比于传统的多光谱载荷, 在光谱分辨率上有着巨大的提升, 随着定量化遥感的发展, 天基探测不仅可以对地面目标的几何信息进行采集, 更可以利用高光谱数据实现大气、陆地资源、战场环境、海洋物质成份的探测, 随着航天高光谱技术的不断发展, 高时间分辨率的对全球气候、自然资源、水纹情形的光谱成像已成为可能。高光谱探测依据成像原理的不同, 主要可以分为干涉型光谱仪、衍射型光谱仪、滤光片型光谱仪。文中针对其中应用较为广泛的光栅衍射型光谱仪、时间傅里叶变换光谱仪、空间傅里叶变换光谱仪、声光调制滤光片(AOTF)光谱仪、液晶可调谐滤光片(LCTF)光谱仪、高光谱滤光片光谱仪进行了介绍, 并针对每种光谱仪的优势及存在的局限性进行了分析。
光栅衍射型光谱仪 时间傅里叶变换光谱仪 空间傅里叶变换光谱仪 AOTF光谱仪 LCTF光谱仪 高光谱滤光片光谱仪 grating diffraction spectrometer time Fourier transform spectrometer space Fourier transform spectrometer AOTF spectrometer LCTF spectrometer hyperspectral filter spectrometer 红外与激光工程
2019, 48(3): 0303003
西安邮电大学 电子工程学院, 陕西 西安 710121
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, 仪器的光谱传递函数是衡量仪器性能的一项重要指标。介绍了单AOTF型和双AOTF型成像光谱仪的工作原理, 利用光学域光谱透过函数, 推导了以波数Δv表示的单、双型AOTF光谱传递函数, 在工作波段为400 nm~900 nm内, 计算对比了单、双AOTF型光谱传递函数, 并对影响双AOTF型光谱传递函数的因素进行了仿真分析, 最后对仪器参数的选取进行了分析和讨论。结果表明: 在入射光极角30°, 声光互作用长度5 mm工作波段下, 当双AOTF型成像光谱仪工作中心波长相等时, 相比同一工作中心波长时的单AOTF型成像光谱仪, 光谱传递函数提高了68%; 当工作中心波长不相等时, 双AOTF型光谱传递函数并不绝对优于单AOTF型, 存在临界值。
声光可调滤波器 光谱传递函数 双AOTF 波数差 acousto-optic tunable filter spectral transfer function double AOTFs wave number difference
1 山西大学自动化系, 山西 太原 030013
2 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心, 山西 太原 030051
现有声光可调谐滤光器（AOTF）调谐关系大多忽略旋光性影响, 忽略旋光性将影响声光滤波器的准确设计, 并会进一步影响其滤波性能, 故推导了旋光率与衍射波长之间的关系, 进而得到考虑旋光性的AOTF衍射频率-波长调谐关系; 针对AOTF衍射波长在不同温度下存在温漂, 因此影响AOTF的光谱分辨率, 从温度影响超声声速出发, 分析得到AOTF衍射波长在不同温度下与驱动频率的关系, 提出在不同温度下采用频率修正的方式跟踪衍射波长。 根据考虑旋光性推导所得AOTF调谐关系、 考虑到实时跟踪温度、 频繁变换驱动频率容易对系统造成破环, 影响使用效率, 因此采用10 ℃为一个温度段, 在一个温度段内根据中间温度使用一个驱动频率对AOTF进行调控, 每一温度段有相应的驱动频率-衍射波长对应关系, 叙述了具体的实现办法, 并做了相应的实验验证。 实验表明, 通过频率修正之后在相应温度下得到的衍射波长, 与普通室温未修正频率下得到的衍射波长相比, 前者与目标波长更相近, 误差减小一个数量级。 为AOTF在不同温度下的高精度光谱测量提供了重要的依据, 具有重要的实用价值。
声光可调谐滤光器 旋光性 温漂 频率修正 AOTF Optical rotation Temperature drift Frequency correction
西安邮电大学 电子工程学院, 陕西 西安 710121
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。
声光可调谐滤波器 声光晶体 衍射效率 影响因素 acoustic optic tunable filter(AOTF) acousto-optical crystal diffraction efficiency influence factor
