[发明专利]一种双通道声光可调谐滤波器及高光谱成像装置

说明书

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。

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。