AOTF偏振光谱成像仪的原理及构造

偏振超光谱成像技术是一个新兴的交叉技术领域，探索该技术在航天、民用等领域的应用已经成为国内外的重点研究课题，特别是基于声光可调谐滤波器（AOTF）的光谱成像仪，与传统仪器相比，在工作机制和仪器设计上都有着众多的优点。

光谱成像技术利用多个光谱通道进行图像数据的采集、显示、处理和分析，是图像分析技术与光谱分析技术的完美结合。

随着光谱成像技术的发展以及声光可调谐滤波器（Acousto-optic Tunable Filter，AOTF）的出现，AOTF偏振光谱成像仪的研发已经成为国内外研究的热点。

国外的许多科研机构已经开发了应用于不同领域的基于声光可调滤波技术的光谱成像仪，国内一些科研单位虽然也在此方面进行了积极的探索，但是还没有进入实用阶段的仪器产品问世。

AOTF偏振光谱成像仪是目前获取信息最多的一种光学遥感器，具有结构简单、光谱波段宽、分辨率高等特点。

其所获取的数据中不仅包含了空间信息和光谱信息，还包含了待测目标的偏振信息，增强了所获取待测目标的信息量。

通过对不同波段情况下的目标图像数据进行分析，可以获得目标物的物质成分和相对丰度，在军事、民用、航天等众多领域都有着重要应用。

AOTF原理

AOTF是根据各向异性双折射晶体声光衍射原理而制成的一种新型分光器件，主要由声光晶体，超声换能器和声吸收体构成，

其基本原理如图所示。

AOTF有共线和非共线两种工作模式，其通常处于反常布拉格衍射的非共线模式下进行工作。

超声换能器能够将所加载的电信号转换为同频率的超声波，在声光晶体中超声波与入射光波产生非线性效应。

当超声波矢量与入射光矢量满足布拉格衍射条件时，入射光将发生布拉格衍射，且衍射光的偏振态与入射光的偏振态正交。

当衍射发生时，入射光与衍射光必须满足波矢量动态匹配条件：

式中ni为入射光折射率，nd为衍射光折射率，λ为真空光波长，f为超声波频率，Va为矢量方向的超声波速度值。

结合AOTF的平行切线波矢布局，可以得到超声波频率与衍射波长的对应关系：

式中θi为入射光矢量与晶体光轴间夹角，θd为衍射光矢量与晶体光轴间夹角。

由于超声波频率f取决于驱动电信号的频率，因此通过改变激励声波的驱动信号频率，就可以实现对衍射光波长的控制，以达到滤波的目的。

与传统分光器件相比，AOTF具有体积小、无活动部件、通光孔径大、衍射效率高、调谐范围宽等众多优点，从而使其在光谱成像技术上有着巨大的应用潜力。

仪器结构

实验中所搭建的AOTF偏振光谱成像仪主要包括以下几部分：

• 前置光学系统
• AOTF分光系统
• CCD成像系统
• 射频驱动系统
• 数据采集控制系统

AOTF偏振光谱成像仪结构示意图

目标景物被光源照射后的反射光经过前置光学系统进行会聚、准直后进入到AOTF分光系统。

由可控射频信号源产生的射频信号控制波长调谐，使入射光经过AOTF衍射后产生对应波段的零级衍射光和正负一级衍射光，正负一级衍射光即为偏振态正交的O光和E光。

然后，经过后续光学系统分别成像于H通道和V通道的CCD阵列上，获得单一波长的目标图像。

通过操控PC机上的数据采集控制系统，一方面可以调整射频驱动器的驱动信号频率，另一方面可以控制CCD相机的工作状态，同时对相机所传回的采集数据进行接收，进而可以得到AOTF调谐波段范围内各波段的目标景物图像。

最后对所采集的各波段范围的图像数据进行存储。