一种AOTF同一幅图中光谱不均匀的解决方法及装置

摘要

本发明涉及AOTF光谱成像技术领域，更具体而言，涉及一种AOTF同一幅图中光谱不均匀的解决方法及装置，主要用来解决AOTF成像中同一幅图的光谱不均匀，是一种通过后续数据处理实现光谱修正的方法；本发明通过公式得出在任意驱动频率f、任意CCD的x方向的象元xi对应AOTF衍射的中心波长；本发明主要应用在AOTF光谱成像方面，与现有的AOTF成像光谱相比，同一幅图光谱的平均误差可降低一个数量级，明显提高了AOTF的光谱测量精度。

权利要求

1.一种AOTF同一幅图中光谱不均匀的解决方法，其特征在于：

首先设置一套装置，该装置包括前置光学系统、第一偏振片、光阑、AOTF、第二偏振片、成像透镜、CCD和计算机，所述前置光学系统由第一透镜、第二透镜和第三透镜组成，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第一偏振片、光阑、AOTF、第二偏振片、成像透镜、CCD和计算机依次排列；所述第一偏振片和第二偏振片的偏振方向正交；

上述装置中，在AOTF的光谱范围和角度范围内，对于任何驱动频率f下，入射角α与该情况下衍射中心波长λ(f,α)都可以近似为抛物线关系，具体为：                           （1）

上式中，λ(f,α)是驱动频率为f、入射角为α时AOTF衍射光中心波长；λ0(f )是驱动频率为f、垂直入射AOTF时衍射光中心波长；所述λ0(f )为AOTF出厂时自带，或者采用复色光垂直入射AOTF并由高分辨率光谱仪测得；所述A采用如下步骤获得：将AOTF放置在高精密角度测量装置上分别使AOTF在光谱范围内的n个驱动频率f1、f2、f3 ...fn下工作，对于每一种驱动频率fn下，平行的复色光通过AOTF衍射，并由高分辨率光谱仪得到不同入射角α下的衍射波长λ(fn,α)，对α和λ(fn,α)进行最小二乘法拟合，并要求二次曲线必过[α=0, λ0(fn)]点，拟合后获得的An，An为（1）式中A，可近似表示为：                             （2）

上述（2）式中的B和C可由前面获得的n个（λ0(f1), A1）、（λ0(f2), A2）、（λ0(f3), A3）...（λ0(fn), An）采用最小二乘法拟合获得，结合上述（1）式和（2）式可得：                    （3）

由于CCD放置在成像透镜的焦点上，所以CCD的象元xi与入射角α和成像透镜的焦距F的关系为：                         （4）

上式中，l为CCD象元的边长；i为以CCD中心为0在衍射方向象元xi的序号；

λ(f,α)中λ是有关f和α的函数，λ(f, xi)中λ是有关f和象元xi序号i的函数，因此将上述（4）式带入（3）式即可得到任意驱动频率f、任意CCD的象元xi 对应AOTF衍射的中心波长：                （5）。

2.根据权利要求1所述的一种AOTF同一幅图中光谱不均匀的解决方法，其特征在于：所述高精密角度测量装置为分光仪，所述分光仪角度测量精度1'=0.0167°。

说明书

一种AOTF同一幅图中光谱不均匀的解决方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及AOTF光谱成像技术领域，更具体而言，涉及一种AOTF同一幅图中光谱不均匀的解决方法及装置，主要用来解决AOTF成像中同一幅图的光谱不均匀，是一种通过后续数据处理实现光谱修正的方法。

背景技术

[0002] 声光可调谐滤光器(Acousto-optic tunable filter，AOTF)具有体积小、调谐速度快、光谱范围宽、衍射效率高等优点。基于AOTF的成像光谱仪已经在遥感、环境监测、生物医学和食品检测中得到应用。

[0003] AOTF中光谱测量精度对光谱成像质量起着关键性的作用。在实际研究中，对于AOTF成像光谱来说，当光垂直入射到AOTF中时，其某一驱动频率对应的某一固定的波长。但空间不同位置目标的光线不可能都垂直入射，这就导致进入AOTF光线的入射角不同，从而导致不同入射角的光其衍射中心波长也发生变化，使得CCD不同位置探测到不同衍射波长的光。而现有测AOTF成像光谱中，CCD不同位置探测得到的是：垂直入射时，固定驱动频率所对应波长的光。这就使得理论光谱测量和实际光谱的测量存在一定的误差。在追求高精度光谱测量的今天，这种由理论和实际带来的误差不能忽略。所以，通过理论和实验研究提出可以提高AOTF光谱测量精度的方法，此方法可以最大限度的减小测量误差，为以后的高精度光谱测量奠定了基础。

发明内容

[0004] 为了克服现有技术中AOTF成像中同一幅图光谱不均匀的问题，本发明提供一种采用二次拟合来修正光谱的方法，从而提高了AOTF光谱的测量精度。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

[0006] 一种AOTF同一幅图中光谱不均匀的解决方法，在AOTF的光谱范围和角度范围内，对于任何驱动频率f下，入射角α与该情况下衍射中心波长λ(f,α)都可以近似为抛物线关系，具体为：

[0007] λ(f,α)＝Aα2+λ0(f)      (1)

[0008] 上式中，λ(f,α)是驱动频率为f、入射角为α时AOTF衍射光中心波长；λ0(f)是驱动频率为f、垂直入射AOTF时衍射光中心波长；所述λ0(f)为AOTF出厂时自带，也可以采用复色光垂直入射AOTF并由高分辨率光谱仪测得；所述A采用如下步骤获得：

[0009] 将AOTF放置在高精密角度测量装置上分别使AOTF在光谱范围内的n个驱动频率f1、f2、f3...fn下工作，对于每一种驱动频率fn下，平行的复色光通过AOTF衍射，并由高分辨率光谱仪得到不同入射角α下的衍射波长λ(fn,α)，对α和λ(fn,α)进行最小二乘拟合，并要求二次曲线必过[α＝0,λ0(fn)]点，拟合后获得的An，An为(1)式中A，可近似表示为：

[0010] An＝Bλ0(fn)+C        (2)

[0011] 上述(2)式中的B和C可由前面获得的n个(λ0(f1),A1)、(λ0(f2),A2)、(λ0(f3),A3)...(λ0(fn),An)采用最小二乘法拟合获得，结合上述(1)式和(2)式可得：

[0012] λ(f,α)＝[Bλ0(f)+C]α2+λ0(f)        (3)

[0013] 由于CCD放置在成像透镜的焦点上，所以CCD的象元xi与入射角α和成像透镜的焦距F的关系为：

[0014]

[0015] 上式中，l为CCD象元的边长；i为以CCD中心为0在衍射方向象元xi的序号；

[0016] λ(f,α)中λ是有关f和α的函数，λ(f,xi)中λ是有关f和象元xi序号i的函数，因此将上述(4)式带入(3)式即可得到任意驱动频率f、任意CCD的象元xi对应AOTF衍射的中心波长：

[0017]

[0018] 所述高精密角度测量装置为分光仪，所述分光仪角度测量精度1'＝0.0167°。

[0019] 一种AOTF同一幅图中光谱不均匀的解决装置，包括前置光学系统、第一偏振片、光阑、AOTF、第二偏振片、成像透镜、CCD和计算机，所述前置光学系统由第一透镜、第二透镜和第三透镜组成，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第一偏振片、光阑、AOTF、第二偏振片、成像透镜、CCD和计算机依次排列。

[0020] 所述第一偏振片和第二偏振片的偏振方向正交。

[0021] 与现有技术相比本发明所具有的有益效果为：

[0022] 本发明采用二次拟合来修正AOTF成像中同一幅图光谱不均匀的问题，与现有的AOTF成像光谱相比，同一幅图光谱的平均误差可降低一个数量级，明显提高了AOTF的光谱测量精度。

附图说明

[0023] 下面通过附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

[0024] 图1为本发明装置的基本光路图；

[0025] 图2为本发明AOTF衍射角光谱分布图；

[0026] 图3为CCD上光谱分布示意图；

[0027] 图4为驱动频率为116MHz时垂直入射、实际和修正后的数值示意图；

[0028] 图5为驱动频率为120MHz时垂直入射、实际和修正后的数值示意图；

[0029] 图6为驱动频率为136MHz时垂直入射、实际和修正后的数值示意图；

[0030] 图7为驱动频率为140MHz时垂直入射、实际和修正后的数值示意图。

[0031] 图中：1为前置光学系统、2为第一偏振片、3为光阑、4为AOTF、5为第二偏振片、6为成像透镜、7为CCD、8为计算机、9为第一透镜、10为第二透镜、11为第三透镜。

具体实施方式

[0032] 下面实施例结合附图对本发明作进一步的描述。

[0033] 如图1所示，一种AOTF同一幅图中光谱不均匀的解决装置，包括前置光学系统1、第一偏振片2、光阑3、AOTF4、第二偏振片5、成像透镜6、CCD7和计算机8，前置光学系统1由第一透镜9、第二透镜10和第三透镜11组成，远处被测目标光依次经过前置光学系统1、第一偏振片2和光阑3后，进入AOTF4衍射滤光，通过第二偏振片5，经成像透镜6成像在CCD7上，最后通过计算机8将光谱修正。

[0034] 前置光学系统1是将远处被测目标光入射角压缩到AOTF4允许的视场角范围内，并将一种平行光束变为另一种平行光束，见图1。由于被测目标距离AOTF成像光谱系统比较远，再加上光阑3的限制，不同位置目标可以近似看作为：不同视场角下，一束很细的平行光束。也就是远处不同位置的被测目标，进入AOTF成像光谱系统的入射角不同，进而经前置光学系统1后进入AOTF4的入射角不同，经过成像透镜6成像在CCD7不同的象元上，如图1所示；又由于在固定驱动频率时，AOTF4衍射波长与入射AOTF4的角度有关，因此根据成像透镜6的焦距和CCD7不同的象元位置就可以修正波长，如图2所示。

[0035] 所述第一偏振片2和第二偏振片5的偏振方向完全正交，主要是为了消除AOTF4中0级和-1级衍射光对AOTF光谱成像的影响。

[0036] 如图2所示，假设AOTF衍射方向是x方向，由于AOTF4只有衍射方向的中心波长与入射角有关，因此在CCD7上的不同象元的实际中心波长如图3所示。

[0037] 由于晶体加工精度、安装精度等影响，实际生产出的AOTF与理论会存在一定差异，因此对于实际的AOTF4来说，每一个驱动频率下，进入AOTF4衍射中心波长与入射角的关系可以采用高精度角度测量装置和高光谱分辨率的光谱仪测得，由于要测得每一个驱动频率下、不同入射角对应的衍射中心波长，工程量很大，因此采用拟合的方式。具体如下：实际的AOTF，由于在一定光谱范围和角度范围内，对于任何驱动频率f下入射角α与该情况下衍射波长λ(f,α)都可以近似为抛物线关系，并且关于入射角α＝0°两边对称：

[0038] λ(f,α)＝Aα2+λ0(f)        (1)

[0039] 上式中，λ(f,α)是驱动频率为f、入射角为α时AOTF4衍射光中心波长；λ0(f)是驱动频率为f、垂直入射AOTF时衍射光中心波长；λ0(f)也是现有AOTF成像光谱普遍采用的波长，没有考虑入射角α的影响。

[0040] 其中，(1)式中，λ0(f)在购买AOTF时厂家会给出，或者也可以采用复色光垂直入射AOTF并由高分辨率光谱仪测得。

[0041] 其中，(1)式中，A可采用高分辨率光谱仪和高精度角度测量装置测量数据最小二乘法拟合获得，具体方法是：将AOTF4放置在高精密角度测量装置上(如分光仪，角度测量精度1'＝0.0167°)，分别使AOTF在光谱范围内的n个驱动频率f1、f2、f3...fn下工作，对于每一种驱动频率fn下，平行的复色光通过AOTF衍射，并由高分辨率光谱仪得到不同入射角α下的衍射波长λ(fn,α)，对α和λ(fn,α)进行最小二乘拟合，并要求二次曲线必过[α＝0,λ0(fn)]点，拟合后获得(1)式中的An，见下表1：

[0042] 表1不同衍射光波长λ0(f)所对应的A值

[0043]衍射波长λ0(f)/nm 617.41 600.88 585.62 571.10 557.59 545.10 533.37
A 0.1890 0.1774 0.1634 0.1522 0.1481 0.1319 0.1198

[0044] 其中，由于不同驱动频率下的An不同，但是可近似表示为：

[0045] An＝Bλ0(fn)+C         (2)

[0046] (2)式中的B和C可由前面获得的n个(λ0(f1),A1)、(λ0(f2),A2)、(λ0(f3),A3)...(λ0(fn),An)采用最小二乘法拟合获得，拟合后(2)为：A＝0.000802λ0(f)-0.3048。

[0047] 其中，结合(1)式和(2)式可得：

[0048] λ(f,α)＝[0.000802λ0(f)-0.3048]α2+λ0(f)          (3)

[0049] 其中，垂直入射值(即目前AOTF普遍采用的数值)、实际测量值和修正值在驱动频率为116MHz、120MHz、136MHz和140MHz的结果分别如图4、图5、图6和图7所示。

[0050] 其中，拟合修正后与没有修正后(即目前AOTF普遍采用的值)的相对误差对比如表2所示，修正后的相对误差比修正前要降低一个数量级。

[0051] 表2不同衍射光波长下修正前后的相对误差值

[0052]

[0053] 其中，结合图2和图3可知，CCD7的x方向的象元xi与入射角α和成像透镜6的焦距F的关系为：

[0054]

[0055] l为CCD象元的边长，i为以CCD中心为0在衍射方向(即x方向)象元xi的序号。

[0056] 将(4)式带入(3)式就可得到任意驱动频率f、任意CCD的x方向的象元xi对应AOTF衍射的中心波长：

[0057]