1 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院 “精密光机电一体化技术”教育部重点实验室，北京 100191
2 北京航空航天大学 人工智能研究院，北京 100191
3 北京航空航天大学 “空天光学-微波一体化精准智能感知”工业和信息化部重点实验室，北京 100191
针对基于中红外声光可调谐滤波器（Acousto-Optic Tunable Filter, AOTF）的光谱成像系统观测运动目标过程存在光谱数据漂移问题，提出了一种基于声光互作用的在线光谱校准方法。根据目标光谱成像位置与驱动频率，构建了逆向光线追迹模型，从而实现了光谱数据的在线校准，满足运动目标探测的实时性要求。该方法能为后续目标检测、识别与跟踪提供稳定且精确的光谱数据立方体。在实验验证方面，利用设计研制的平行光入射的中红外AOTF光谱探测系统，以黑体与中红外滤波片组合作为目标光源，对光谱校准模型开展实验验证。最终实验结果表明，针对位于不同视场处的模拟运动目标，校正后的光谱漂移相对误差均优于4.45%，有利于提升对运动目标光谱探测的应用能力。
声光可调谐滤波器 光谱校准 光线追迹 动目标 光谱探测 acousto-optic tunable filter spectral calibration ray tracing moving targets spectrum detection 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230291
1 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191
2 北京航空航天大学 “精密光机电一体化技术”教育部重点实验室，北京 100191
针对AOTF成像光谱仪的光谱图像退化程度难以定量化评价的问题，提出了包含后楔角影响的AOTF器件调制传递函数（MTF）定量计算方法。该方法通过建立AOTF的光谱-空间维响应模型获取AOTF器件的线扩散函数(LSF)，然后通过线扩散函数傅里叶变换得到理论MTF。在验证实验中，截止频率内的MTF理论值与实测值相对偏差小于15%，可以为AOTF的像质评估提供理论依据。进而，通过该定量计算方法讨论不同AOTF后楔角对光谱图像像质的影响。通过仿真分析得出，AOTF的后楔角难以同时满足横向色差校正与图像退化抑制，需要根据实际应用对于空间分辨率以及横向色差的要求进行取舍。所以，针对AOTF不同后楔角进行光谱图像像质的定量分析对于评估AOTF光谱图像像质具有重要意义，为AOTF器件设计提供了理论依据。
声光可调谐滤波器 后楔角 光谱成像 acousto-optic tunable filter rear cut angle spectral imaging 红外与激光工程
2022, 51(7): 20210590
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, 陕西 西安 710119
声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪能够同时获取图像、光谱及偏振信息,已成功应用于航天、农业、林业、医学及食品安全等领域,具有较好的发展前景。光学系统是AOTF成像光谱仪获取信息的关键部件之一。为此,研究国内外常见的AOTF成像光谱仪光学系统,介绍AOTF的工作原理及光谱仪的总体设计方案,计算全系统的前置、准直及成像等子系统光学设计参数,完成共口径光学系统的仿真设计。前置光学系统采用自由曲面离轴三反结构,与准直系统的光曈匹配,准直及成像系统为光阑前置的离轴三反系统。仿真设计结果表明,在工作谱段为0.4~5.0 μm、焦距为125 mm、F数5和视场角为5.3°的情况下,系统的MTF值分别在谱段0.4~1.0 μm、1.0~3.0 μm和3.0~5.0 μm下均接近于衍射极限且大于0.57,畸变小于5%,成像质量良好。
光学设计 成像光谱仪 声光可调谐滤波器 离轴三反镜 自由曲面
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
西安建筑科技大学理学院, 陕西 西安 710055
基于模式耦合原理,计算得到声光可调谐滤波器输出波形的第一侧瓣高达-9.5 dB,实验得到该结果约为-8 dB;阐明了侧瓣产生的机理,并提出了一种通过改变三处光波导宽度来弯曲螺线的方法。结果表明,通过改变三处光波导宽度的方法可使声光可调谐滤波器输出波形的侧瓣高度降低到-23 dB。
集成光学 模式耦合 声光可调谐滤波器 光波导宽度 侧瓣降低
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
北京交通大学 光波技术研究所 全光网络与现代通信网教育部重点实验室, 北京 100044
提出一种全光纤带通声光可调谐滤波器结构, 通过在包层腐蚀的单模光纤中引入模式转换器, 来阻断纤芯中原本传输的基模, 并同时将包层模耦合至纤芯中。结果表明, 增加声横波频率, 带通滤波器谐振峰出现“蓝移”现象, 并且, 滤波器谐振峰随着包层半径的增大而减小, 声横波功率的增加可以一定程度增大谐振波峰。在包层半径rcl=32.5 μm, 声横波功率Pa=20 mW, 频率fa=1.5 MHz处获得3 dB带宽为2.13 nm的带通滤波; 调节声横波频率fa从1.2 MHz至1.5 MHz, 可实现85.18 nm波长范围的调谐, 该波长可调谐带通滤波器可以用在增益带宽较大的光纤激光器中。
单模光纤 模式转换 带通滤波器 声光可调谐滤波器 single-mode fiber mode conversion band-pass filter acousto-optic tunable filter
中国科学院上海技术物理研究所国家主动光电重点实验室，上海 100076
可见—近红外波段(400～1000 nm)成像光谱仪是光谱探测的重要组成部分。基于地基可见—近红外成像光谱仪的实际应用要求，提出了一种采用面阵探测器的凝视扫描成像光谱仪。该光谱仪还采用了一种新型分光器件声光可调谐滤波器(Acousto-optic tunable filter, AOTF)。其特点在于光谱的选择和施加在它上的射频信号频率相关；通过程序控制射频信号，就可以控制光谱。利用设计的光谱成像原理样机进行了地基月球观测实验。基于实验的特点，在光学设计的基础上增加了另一路共轴辅助光学，以进行粗定位。在获取成像结果之后，进行了辐射定标和尺度不变特征变换(Scale Invariant Feature Transformation, SIFT)图像拼接处理。结果表明，利用二维指向机构和面阵凝视成像系统，结合SIFT图像拼接算法，可有效获取宽幅高分辨率光谱图像。
面阵凝视 扫描 声光可调谐滤波器 图像拼接 imaging spectrometer area-array staring/ scanning large FOV AOTF image stitching
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 中北大学教育部仪器科学与动态测试重点实验室, 山西 太原 030051
针对声光可调谐滤波器(AOTF)自身固有的因声光互作用导致的成像畸变问题, 利用AOTF的解析表达式和几何像差公式对AOTF相机的畸变特性进行分析, 建立了声光互作用图像畸变模型, 给出了各畸变系数随入射光传播角的变化关系; 并在所构建畸变模型的基础上, 结合两步标定法和双线性内插法对畸变图像进行校正分析。实验结果表明, 未加AOTF相机系统拍摄图像的最大畸变像素位移量为1.6 pixel, 加AOTF相机系统拍摄图像的最大畸变像素位移量为9.0 pixel, 畸变校正后的最大畸变像素位移量为1.4 pixel, 优于未加AOTF相机系统所拍摄的图像。该畸变模型较好地描述了AOTF相机的畸变产生机理及特性, 该方法可以有效地解决AOTF相机成像过程中的图像畸变问题, 在AOTF光谱相机的精确测量方面将有较好的应用前景。
成像系统 声光可调谐滤波器 图像畸变 模型可视化 畸变校正 激光与光电子学进展
2017, 54(9): 091101
