成像型声光可调谐滤光器关键性能指标测试方法研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

272 光谱学与光谱分析 第 33卷- 1级光。在做成像用途时，-般采用图中的1级光。

对于成像型 A0TF，其有几个重要的技术指标，包括衍射效率、光谱分辨率、波长温漂、空问衍射效率均匀性、可靠性、图像漂移等。针对这些指标，研究构建了部分测试设备及-些测试方法，取得了较好的效果。

2 指标测试方法所要测试的 AOTF器件工作波段范围是 450～1 000am，并针对这个器件进行性能测试。

2.1 衍射效率、光谱分辨率、波长-频率曲线测试所构建的测试装置如图2所示。采用溴钨灯(3002 500me)作为光源，光源发出的光经过椭球反射镜后变为平行光，再经过竖直方向的偏振片，使光源变为线偏振光，从而经过 AOTF滤光后只有1级衍射光和 0级光，而-1级衍射光被滤除掉了。1级衍射光我们不进行收集，0级光经过透镜收集后送入光谱仪，光谱仪采用海洋光学(Ocean Op-tics)公司的基于线阵CCD原理的近红外光谱仪。

匿固 羔圈Fig.2 Diffraction eficiencytesting equipment衍射效率是 AOTF最为重要的指标，指的是某个波段下，衍射光的强度与该波段下入射光的强度之比。但实际上直接测衍射光的强度不太容易，因为必须保证衍射光 100被收集才能使计算结果准确。基于此考虑，采用测量0级光而不是1级衍射光的方法进行问接测量。

设总共有n个波段，计法为第k(k∈(1， ))个波段的波长为 ，入射光在第是个波段的强度为， ( )。射频信号加在AOTF上时，1级衍射光强度为 -(扎)，0级光强度为L( )；当射频信号没有加在AOTF上时，0级光强度为 j 。

(扎)，存在以下关系J 0( )- L(扎) (1)I ( )- f1( ) (沁) (2)衍射效率 T(A )可用下式进行计算T( )- ! 2- 生 2二 2L( ) Ii( ) (3)由式可见，只需要测量A0TF在加射频信号和未加射频信号两种情况下的0级光的强度，即可以计算出对应波段下的衍射效率。

式中，-定频率的射频信号加在 AOTF上后，可以通过光谱仪获得该波段下准确的波长值和强度。通过射频信号的交替开关，可得到I o( )和Io(扎)，从而计算出波长 下的衍射效率T(A )，TO， )强度1/2处峰宽即是该波段下的分辨率。

图3中，曲线 1是未加射频信号时 0级光的光谱，曲线2是加了136.1 MHz射频信号时的0级光光谱，可以看出加了射频信号后，发生了1级光衍射，曲线2在 550.5 nm处产生-个下陷峰。曲线3是按照式(3)进行计算形成的-条衍射效率曲线，其在峰值处 550.5 nlTl处的衍射效率为49.38 。曲线4是通过峰值的-条竖线，其高度1/2处的峰宽为550 am处的光谱分辨率，即2.395 nlTl。因此，通过-个波段下两次光谱采集，可以计算出该波段下的衍射效率、分辨率，以及该波长所对应的射频信号频率。

i 撼 ，l ～ ≈嬲 -§ i； 渤l l R ， ＆ ，r400 520 640 760 880 1 000，nmFig.3 Diffraction efi ciency and bandwidthresult at single band图3获得了-个波段下的衍射效率，要实现全波段测试，还需要配合自动射频频率信号的扫描。即设定-个频率下限、上限、步进间隔(如图3中对话框所示)，通过频率步进扫描，可以实现各个波段下衍射效率、光谱分辨率、波长-频率关系的快速获龋最终测试结果与上海技术物理所采用的大功率可调谐激光器方案测试结果相吻合，而本方法成本却低得多，而且速度更快。

2.2 空间衍射效率均匀性与-般滤光片不同，在 AOTF器件整个入射面上，衍射效率在空间上是不均匀的，中间和上、下边缘的衍射效率存在差异。为了测量这种不均匀性，构建了如图4所示的测试装置。

毋 婀Fig.4 Spati uniformity ofdiffractionefi ciency testing equipme nt由于要进行的是均匀性测试，我们只需要测量-个波段即可。为了实现精确的位置对准，与图2不同的是，这里采用准直性更好的激光作为光源。采用532 rim(或632.8 nrn，视 AOTF的工作范围而定)的激光照明，检测器采用光电倍增管，将AOTF上的射频信号设置在激光波长所对应的频率上，衍射效率的测试方法与2.1节完全相同。

激光器可以上下方向移动，每移动-个位置，就采集该位置下的衍射效率，从而获得器件不同位置下的衍射效率差异。

2.3 波长温漂特性在同-频率的射频信号下，AOTF衍射光的波长会随着∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 如 加 m 0第 1期 光谱学与光谱分析 273温度的变化而产生轻微的漂移，在-些高精度的测量中，需要测定波长温度漂移特性参数。

测试装置与图2相同，所不同的是需要将整个装置的光学部分放入-个恒温的环境中进行测试。固定射频信号频率不变，每次改变温度，都至少恒温 10 rain以上再行测试。通过光谱仪可获得衍射光的波长，从而获得波长的温度漂移特性 。

2.4 图像漂移特性AOTF作为成像应用时，必须克服不同波长衍射光出射角不相同的问题。若衍射光出射角随波长的变化而变化，则不同波段的图像在进行合成时，就需要经过十分复杂的像素配准才能使用，这也是A0TF问世后很长-段时间在光谱成像领域无法推广的原因。

为了测试图像漂移特性，构建了如图5所示的AOTF成像拈 ，其主要由两个正交的偏振片、光阑、AOTF、透镜组和挡板等组成。入射光经过第-个偏振片后进入 AOTF，经衍射后产生1级衍射光和 0级光，再经过第二个偏振片后，1级光能够顺利通过，0级光则绝大部分被吸收，从而减少了杂散光。l级光经透镜组会聚成像在后面的摄像机靶面上，未被偏振片吸收干净的0级光则会聚后被挡板吸收。

ll 西Fig.5 AOTF imagingmodule构建的图像漂移性能测试装置如图 6所示，采用显微成像方式测试成像性能。底灯光源透过光栅尺后，被2O倍放大显微镜头收集，经 ATF成像拈成像在高灵敏度黑 白CCD(512×512像素，像元尺寸 13 m×13 m)上。光栅尺上有很多10邶 间距的刻痕，固定光栅尺不动，通过在不同波段下拍摄刻痕图像，比较图像中刻痕是否存在位移来测试图像偏移程度。

图7为 550和800 nlTl波段下采集到的图像，通过比较两幅图之问的同-刻痕像素位置的差异，来确定偏移的大校 。

广-- l- 册 尺[ 二誊 灯光Fig.6 AOTF imaging performance testing equipmentFig.7 Grating images at different wavelenths(a)：550 nm；(b)：800 nm3 结 论成像型A0TF在国内的研究起步较晚，目前尚未发现有对其性能进行系统测试的报道。本工作针对衍射效率、光谱分辨率、波长温漂、空问衍射效率均匀性、可靠性、图像漂移等关键性能指标，构建了系统的测试设备和测试方法。本测试方法的建立，能够为高性能成像型AOTF的研制和生产提供-个思路或技术支撑。

[1] van der Meer Freek D，van der werff Harald M A，van Ruitenbeek Frank J八 International Journal of Applied Earth Observation andGeoinformation，2012，14(1)：112。

[2] Rodriguez J M，Ustin S L，Riano n Hydrological Processes，2011，25(26)：4069。

[4] SUN Zhen-dong，wAN Feng，ZHAO Yu-chun，et a1(孙振东，万 峰，赵玉春，等).Analytical Instrumentation(分析仪器)，2000，(4)：43。

[5] Yang Y，Sha X J，Zhang ZL Chinese Optics Letters，2011，9(8)：24。

274 光谱学与光谱分析 第33卷Testing M ethod Research for Key Performance Indicator of ImagingAcousto-Optic Tunable Filter(AOTF)HU Shan-zhou ，CHEN Fen-fei2，ZENG Li-bo ，WU Qiong-shui1I School of Science，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China2.School of Electronic Information，Wuhan University，Wuhan 430072，ChinaAbstract Imaging AOTF is an important optical filter component for new spectral imaging instruments developed in recentyears.The principle of imaging AOTF component was demonstrated，and a set of testing methods for some key performanceswere studied，such as diffraction efficiency，wavelength shift with temperature，homogeneity in space for diffraction efficiency，imaging shift，etc。

Keywords Acousto-optic tunable filter；AOTF；Testing method；Spectral imagingCorresponding author(Received Ju1.3，2012；accepted Oct.5，2012)