聲光成像光譜儀系統(tǒng)設計_圖文

1、文章編號 :1002-2082(2010 03-0345-05AOT F 成像光譜儀光機系統(tǒng)設計常凌穎 1, 2, 趙葆常 1, 邱躍洪 1, 汶德勝 1, 吳萌源 1(1. 中 國科學院 西安光學精密機械研究所 , 陜西 西安 710119;2. 中國科學院 研究生院 , 北京 100039摘要 :基于 AOT F 成像光譜儀原理樣機的總體設計方案 , 提出工作譜段范圍 400nm 900nm 聲光可調諧濾波器 (AOT F 成像光譜儀系統(tǒng)的光機系統(tǒng)設計。 該原理樣機的光學系統(tǒng)采用三組 鏡頭組合而成 , 前置望遠鏡系統(tǒng)采用 1倍的物鏡與準直鏡光學系統(tǒng)組合 , 成像鏡同時采集由 AOT F 產

2、生的正交偏振的正、負一級衍射圖像 , 全系統(tǒng)在 32lp /mm 的空間頻率下 , MT F 大于 0. 7。 關鍵詞 :光學設計 ; 光譜成像儀 ; AOT F; 正交偏振中圖分類號 :T N 202; T H732 文獻標志碼 :AOptical and mechanical design of imaging spectrometerbased on acousto -optic tunable filterCHAN G Ling -y ing 1, 2, ZHAO Bao -chang 1, Q IU Yue-hong 1, WEN De-sheng 1, WU Meng-yuan 1

3、(1. X i an Institut e Optics and P recision M echanics, CA S, Xi an 710119, China;2. G raduate School o f CA S, Beijing 100049, ChinaAbstract :Based o n the system desig n coo ncept of acousto-optic tunable filter (AOT F imag ing spectrom eter, opto mechanical desig n fo r an aco usto-optic tunable

4、filter (AOTF imag ingspectrom eter w as presented . It co nsisted of three group optic lenses . T he for e -optical system included objective and collimating lens and the imaging lens collected the +1and -1orthog onally polarized orders produced by the AOTF at the sam e tim e. T he whole system is a

5、chrom atized fro m 0. 40. 9micr ons and imaging resolution is better than 32lp /mm w hen MT F reach 0. 7.Key words :optical design; im aging spectro meter ; AOTF; polar ization引言聲光可調濾波器 (AOTF 是利用各向異性介 質 中的 聲 光作 用 研制 成 的一 種新 型 聲光 器 件。 AOTF 的主要結構包括聲光晶體和鍵合在它上面 的壓電換能器。 AOT F 的工作原理 :壓電換能器能 夠將加載于其上的電信號轉換成

6、同頻率的超聲波 , 超聲波在晶體中傳播過程中會和入射光波產生非 線性效應 ; 當滿足布拉格衍射條件時 , 入射光將發(fā) 生布拉格衍射 , 衍射光的波長與驅動電信號的頻率存在著一一對應關系 , 所以只要改變驅動電信號的 頻 率即可改變 衍射光的波長 , 從而達到濾波的作 用。作為一種新型的分光元件 , AOT F 與傳統(tǒng)分光 器件相比具有 :體積小 , 均為固體結構 , 無活動部件 , 對振動不敏感 ; 通光孔徑和入射角孔徑都很大 ; 衍射 效率高 ; 視場角也較大 ; 調諧靈活而且速度快 , 調諧 范圍寬。 AOTF 的光譜分辨率很好 , 可以滿足一般 應用的需要 , 還具有再現(xiàn)性 , 有實現(xiàn)在

7、計算機控制下 靈 敏運轉的可行性。 這些特性均 反映出了 AOT F收稿日期 :2009-12-08; 修回日期 :2010-01-02基金項目 :863項目 (2006A A 12Z133 ; 西部之光聯(lián)合學者項目 (20072H02作者簡介 :常凌穎 (1977- , 女 , 陜 西西安人 , 博士研究生 ; 主要從事光學設計、 空間光學方面的研 究工作。 E-第 31卷 第 3期 2010年 5月 應用光學 Jo urnal of A pplied Optics V o l. 31N o. 3M ay 2010應用于光譜成像技術上的巨大潛力 1。首先 , 基于 AOTF 的成像光譜儀 ,

8、 可以用作機 載或星載探測器 , 利用其獲得的宏觀信息直接應用 于以下領域 , 為經(jīng)濟社會發(fā)展提供決策支持 :1 土地資源利用。 利用遙感獲得的光譜信息 , 可以用于礦產勘探、 城市規(guī)劃、 城郊土地分類利用、 土地沙化治理和土壤侵蝕監(jiān)測等 , 提高土地資源利 用效益和水平。2 林業(yè)應用。 利用遙感獲得的光譜信息 , 可以 進行林業(yè)資源調查和伐林造林監(jiān)測等 , 促進林業(yè)資 源的保護、 開發(fā)和利用。3 生態(tài)應用。利用遙感獲得的光譜信息可以 進行環(huán)境監(jiān)測、 陸地生態(tài)研究和區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價 等 , 為生態(tài)環(huán)境治理和保護提供科學依據(jù)。4 農業(yè)應用。 利用遙感獲得的光譜信息可以進 行大面積農業(yè)資源 (土壤

9、類型、 土壤養(yǎng)分、 土壤水分 等 監(jiān)測、 農作物產量預測、 農作物長勢分析預測、 病 蟲害監(jiān)測等 , 實現(xiàn)精準農業(yè) , 提升農業(yè)生產力 2。 其次 , 基于 AOT F 的成像光譜儀可以應用于 煙草、 石油化工、 化學、 生物醫(yī)藥、 食品飲料、 造紙、 飼料、 煤炭和紡織品等傳統(tǒng)產業(yè) , 進行化學分析、 臨 床醫(yī)學檢驗、 工業(yè)監(jiān)測、 在線質量控制、 現(xiàn)場品質檢 測和顯微光譜成像等 3-4。本文根據(jù)聲光可調諧濾波器 (AOTF 成像光 譜儀 系統(tǒng)的總 體技術要 求設計 出了 一種應 用于 AOTF 成像光譜儀的光機系統(tǒng)。該原理樣機光學 系 統(tǒng)在工作譜段范圍 400nm 900nm 內是復消 色差

10、并達到衍射極限的 , 并且該光學系統(tǒng)可以同時 獲得同一目標的 O 、 E 偏振光信息 5。1 A OT F 光譜成像儀總體方案 1. 1技術指標系統(tǒng)的工作波段為 400nm 900nm, 光譜通道 數(shù)為 128(波數(shù)等 間隔 , 光譜 分辨率 為 1. 75nm (400nm , 所獲得的圖像大于 128×128個像元。 CCD 采用 E2V 公司的背照 EM CCD, 像元大小 16 m ×16 m , 像元數(shù) 512×512, 滿 阱電子數(shù) 130ke -。 1. 2系統(tǒng)構成儀器主要由前置光學系統(tǒng)、 AOT F 、 成像光學 系統(tǒng)、 探測器、 控制時序 /視頻

11、處理 /接口和可控射 頻信號源組成。 圖 1所示為 AOT F 光譜成像儀原理 樣 機框 圖。自然 光經(jīng)前 置光學 系統(tǒng) 準直后 進入 AOTF , 在可控射 頻信號源產生的 射頻信號 控制 下 , 交的 O 光和 E 光 , 經(jīng)兩組成像光學系統(tǒng)后分別成像 在各自的 CCD 上。 控制時序 /接口為圖像傳感器和 可控射頻信號源提供電源和控制信號 , 根據(jù)控制接 口傳來的指令設置儀器的工作模式和參數(shù) , 將視頻 處理部分輸出的數(shù)字視頻信號通過輸出接口傳送 到采集計算機 , 可控射頻信號源根據(jù)控制時序 /接 口設定的波段參數(shù) , 產生相應頻率的射頻信號 , 經(jīng) 電壓放大和功率放大后驅動 AOT F

12、 。圖 1 A O T F 光譜成像儀原理樣機原理框圖Fig . 1 Framework of AOTF imaging spectrometer 1. 3工作原理AOT F 偏振光譜成像儀由物鏡、 準直鏡、 T eO 2晶體、 收集鏡及 CCD 組成 , 如圖 2所示。圖 2 A OT F 偏振光譜成像儀結構示意圖Fig . 2 The structure of AOTF imaging spectrometer 光學系統(tǒng)包括由物鏡和準直鏡組成的前置望 遠光學系統(tǒng)、 AOTF 和成像光學系統(tǒng)組成。 光束經(jīng) 前置望遠光學系統(tǒng)、 準直后進入 AOT F, 經(jīng) AOT F 調諧后產生零級衍射光和正

13、負一級偏振態(tài)正交的 O 與 E 衍射光 , 零級光采用光學陷阱消除 , 正負一 級衍射光經(jīng)各自的成像光學系統(tǒng)后分別會聚到圖 像傳感器感光面。2 A OT F 光譜成像儀光學設計 2. 1各分系統(tǒng)的參數(shù)分配光學系統(tǒng)由物鏡、 準直鏡及成像鏡組成。 晶體選 用美國 Brimrose 公司研制的非共線 T eO 2, 晶體尺寸346 應用光學 2010, 31(3 常凌穎 , 等 :A O T F 成像光譜儀光機系統(tǒng)設計上的光束滿足角孔徑要求 , 同時要保證衍射光束和 入射光束的空間分離 , 設計要求準直系統(tǒng)的光束發(fā) 散角要小于 3°, T eO 2晶體尺寸限制了孔徑光欄的尺 寸 , 晶體可

14、接收的角度決定了系統(tǒng)的視場角。 根據(jù)光 學系統(tǒng)的空間不變性 , 這 2個指標決定了光學系統(tǒng) 的孔徑與視場 , 它們之間是相互制約的 6。根據(jù)上述原理以及綜合考慮了物鏡、 準直鏡及成像鏡的像差匹配關系 , 前置望遠鏡的倍率選擇為 1倍關系 , 這時望遠物鏡的焦距與準直鏡的焦距相等 , 因為準直鏡的后方要放置 T EO 2晶體 , 準直鏡 的瞳又應位于晶體中心 , 這樣使整個系統(tǒng)具有最大 的能量利用率。物鏡對角線視場角選擇為 2. 2°, 物 鏡入瞳直徑選擇為 10mm 。 根據(jù)上述分析 , 我們選 擇表 1設計參數(shù)。表 1各分系統(tǒng)光學參數(shù)Table 1 Optical paramete

15、rs of each optics分系統(tǒng)名稱 光學參數(shù)焦距 /mmF 數(shù) 視場角 /(°特殊要求物鏡光學系統(tǒng) 50F/52. 2孔徑光欄與 T EO 2晶體中心位置共軛準直鏡光學系統(tǒng) 50F/52. 2成像鏡光學系統(tǒng)80F /85準直鏡出瞳與成像鏡入瞳重合 , 位于 T EO 2晶體中心 全系統(tǒng)80F/82. 2滿足圖像大于 128×128個像元的要求 (像元大小 16 m ×16 m2. 2設計分析根據(jù)以上的參數(shù)分配結果 , 對物鏡、 準直鏡與 成像鏡光學系統(tǒng)進行初步設計 , 3個分系統(tǒng)的結構 示意圖如圖 3 所示。圖 3光學系統(tǒng)結構示意圖 Fig . 3 Th

16、e structure of optical system系統(tǒng)中實際限制能量的為 T eO 2晶體的口徑 , 由于晶體尺寸的限制 , 系統(tǒng)的孔徑光欄設置在晶體上會使整個光學系統(tǒng)具有最大的能量利用率。 但由 于聲光調制器的原理使得孔徑光欄無法設在 TeO 2晶體上 , 所以在具體設計中 , 將孔徑光欄設置在物 鏡系統(tǒng)中 , 通過準直鏡成像在 TeO 2晶體上形成一 個實際限制光束的虛光欄 , 這樣物鏡中的孔徑光欄 就與晶體中心位置共軛。 并且準直鏡的瞳又位于晶 體中心 , 這樣整個系統(tǒng)具有最大的能量利用率。同 時物鏡、 準直鏡及成像鏡系統(tǒng)既要滿足像點匹配的 要求又要滿足瞳窗匹配的要求 , 這樣確

17、定的準直鏡 及成像鏡都是光欄前置的光學系統(tǒng)。根據(jù)像差理 論 , 除了球差、 場曲和光欄位置無關以外 , 慧差、 像 散、 畸變這 3種像差都和光欄位置有關。由 于 AOT F 光譜成 像儀的光 譜工作波 段較 寬 , 從短波的 400nm 到長波的 900nm , 波段跨度 達到了 500nm , 而對光譜儀器來說 , 為了使各波長 為了較好地控制系統(tǒng)的二級光譜 , 我們采用了偏離 P -V 圖上直線之外的 FK 類玻璃。為了實現(xiàn)衍射光與非衍射光的分離 , 經(jīng)理論計 算 分 析 知 收 集 鏡 的 前 置 光 欄 位 置 要 很 遠 (>280mm 。 并且 T eO 2晶體本身固有的色

18、散性質 , O 光與 E 光的折射率 n o 、 n e 均為波長的函數(shù) , 從晶體 出射的衍射角實際上是波長的函數(shù) , 隨著波長的變 化而變化。在成像過程中就會出現(xiàn)驅動頻率改變 , 引起衍射波長變化和衍射角變化 , 造成整個視場圖像漂移 7。 所以要求收集鏡的視場角不但要滿足視 場的要求還要求能夠接收到各個譜段的光束 , 這對 設計帶來一定的難度。 2. 3設計結果設 計采用 CODE-V 光學設計軟件模擬 T eO 2晶體的多級衍射 , 在晶體中心即孔徑光欄共軛的位 置處設置了一塊透射式光柵來模擬晶體的偏轉 8, 收集鏡收集由 AOT F 產生的正交偏振的正、 負一 級衍射圖像 , 整個系

19、統(tǒng)對 400nm 900nm 波段進 行消色差。 整個系統(tǒng)只用了 3種光學玻璃 , FK 類玻 璃與 KF 類玻璃的組合很好地控制了系統(tǒng)的二級 光譜。 完成一個設計質量在 32lp /mm 的空間頻率 下 , 光學系統(tǒng)的 MT F 在 0. 7以上。圖 4所示為 AOTF 偏振光譜成像儀的光學系 統(tǒng)結構圖。最前方的光學元件為截止濾光片 , 限制 進入光學系統(tǒng)的譜段范圍 , 物鏡由復雜化的三片式 實現(xiàn) , 設計結果為三組五片 , 收集鏡由復雜化的目 鏡結構實現(xiàn) , 設計結果為四組六片。347 應用光學 2010, 31(3 常凌穎 , 等 :A O T F 成像光譜儀光機系統(tǒng)設計光 學 系 統(tǒng)的

20、 點 列 圖 (從 左 到 右 依次 為 400nm 、 500nm , , 900nm 和調制傳遞函數(shù)如圖 5和圖 6 所示。圖 4光學系統(tǒng)結構圖Fig . 4 The structure of the optical system圖 5 各波段點列圖 Fig . 5 Spot of each wave band圖 6系 統(tǒng)傳遞函數(shù)曲線 Fig . 6 MTF of the systemAOT F 偏振光譜成像儀的光學系統(tǒng)在 32lp /mm 的設計 M TF 值與 Streh1比如表 2所示。表 2 32lp/m m 時的設計 M T F 值及 Str ehl 比 Table 2 MTF

21、and Strehl ratio for achieving32lp /mm design波段 /nm 各視場平均 M T FStr ehl r atio 4000. 8330.8955000. 7600. 9896000. 7700. 9927000. 7500. 988 從各波段系統(tǒng)的點列圖和 MT F 數(shù)據(jù)可以看 出 , 各視場各波段像斑的彌散斑直徑基本上都在像 元尺寸之內 , 系統(tǒng)的設計 MT F 均值大于 0. 7, 接近 衍射極限。3 A OT F 成像光譜儀結構設計結 構 設 計的 目 的 是實 現(xiàn) 光 學 設計 的 要 求。AOT F 光學系統(tǒng)由望遠鏡、準直鏡及采集鏡組成。 各

22、鏡片均采用外框固定并輔以光學對心加工保證 光學系統(tǒng)的同軸 , 所有結構材料均選用高硬度輕質 鋁合金 LY 12-CZ , 既能降低整個系統(tǒng)的質量又能保 證結構件的剛度 , 保證光學系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖 7所 示為成像鏡鏡組的機械結構圖 , 每組鏡子采用各自 對 心加工的 鏡片框固 定后再 裝入對 心加 工的鏡 筒內。圖 7成像鏡鏡組機械結 構Fig . 7 Mechanical structure of imaging lens assembly光學鏡片的固定框上各開有一定數(shù)量的注膠 小孔 , 在每組鏡片安裝好后注入 XM -31膠 , 既能防 止光學件的松動 , 又能應對惡劣的使用環(huán)境。采集鏡采

23、用傳統(tǒng)的鏡片安裝方式。 通過各個對 心加工的鏡片固定框 , 以及在光學裝配時適當修研隔圈來保證光學系統(tǒng)的像質。各片光學玻璃均由各自獨立的鏡框固定 , 如圖 8所示。將玻璃 (序號 3 安裝在鏡框 (序號 1 之中 , 通過壓圈 (序號 2 壓緊并從鏡框的注膠孔注入固定 用膠 (序號 4 , 在膠固化并確認玻璃無應力安裝的 狀態(tài)下 , 通過專用的對心車床 , 找出玻璃的光軸 , 以 光軸作為基準 A , 加工鏡框的外圓面及端面 , 保證各組鏡框的外圓和鏡筒的間隙 小于 0. 01mm , 這 樣 , 就能保證光學系統(tǒng)的同軸度優(yōu)于 0. 01mm 。通過研磨各鏡組間的調整墊片厚度 , 保證了各 鏡

24、片的光學間隔誤差優(yōu)于 0. 005mm 。這樣的誤差 值均在光學設計的容許范圍之內 , 從而實現(xiàn)了高精 348 應用光學 2010, 31(3 常凌穎 , 等 :A O T F 成像光譜儀光機系統(tǒng)設計圖 8對 心加工機械結構Fig . 8 Mechanical structure of cent ering part4結論近年來 , 光譜成像技術在軍事偵察、 精細農業(yè)、 生物醫(yī)學等領域的廣泛應用前景引起了愈來愈多 研究者的關注 , 同時具備空間分辨能力和光譜分辨 能力的光譜成像技術是圖像分析技術與光譜分析 技術的完美結合。 設計并研制了一種應用于 AOT F 成像光譜儀原理樣機的光機系統(tǒng) ,

25、該光學系統(tǒng)在工 作 譜段范圍 400nm 900nm 內具有消色差并達 到衍射極限。通過優(yōu)化設計可用于 AOTF 成像光 譜儀的光機系統(tǒng) (采用三組鏡頭組合而成 , 各鏡片 均采用外框固定并輔以光學對心加工 , 保證光學系 統(tǒng)的同軸。實驗驗證表明 , 該光機系統(tǒng)滿足 AOT F 成像光譜儀原理樣機成像要求 , 像質良好。參考文獻 :1 劉石神 . 聲光可調諧濾波器及其在成像光譜儀上的應 用 J.紅外 , 2004(07 :12-17.L IU Shi-shen. A co ust o-optic tunable filter and theapplicatio n of imag ing sp

26、ect ro meter J .Infrafed, 2004, 7:12-17. (in Chinese with an Eng lish abstr act 2 DEL WICHE S R, K IM M S. Hy per spectr al imag ing detection o f scab in wheat J. SPI E, 2000, 4203:13-20.3 ST A M A T A S G N , BA L AS C J, K O LL IA S N. Hy per spectr al imag e acquisition and analysis o f skin J.SPIE, 2003, 4959:77-82.4江益 , 曾立波 , 吳瓊水 . 基于聲光可調 諧濾光器的顯微 光譜成像技術 J . 光學技術 , 2005, 31(2 :193-195. JIA N G Y i , Z ENG Li -bo , WU Q io ng -shui . M icr oscopic spect ral imaging ba sed o n an aco ust o -optic tun