基于AOTF的偏振成像光谱仪控制系统

摘要

偏振成像光谱仪是一种利用特殊的光学器件对入射光进行偏振、选频等处理来研究目标物质在不同波长下的图像和光谱信息的新型仪器，在现代医疗、环境监测等领域得到普遍应用。该成像系统的波长测量范围、分辨率、图像清晰度等在新光谱成像技术发展中已被提出了更高要求。声光可调谐滤光器(Acousto-Optic Tunable Filter，AOTF)作为光谱成像技术领域应用非常广泛的一种新型声光器件，其具有体积小、衍射效率及分辨率高、波长任意切换、调谐灵活、调谐范围宽等优点。因此在偏振成像光谱仪中得到了应用。
　　偏振成像光谱仪的成像质量及性能主要受到核心部件AOTF的影响，AOTF的衍射光光强在一定范围内取决于AOTF超声换能器实际得到的功率，同时在不同的频段范围内所需功率也不相同。本文在研究超声换能器阻抗频率特性的基础上，运用宽带阻抗匹配理论设计了一种宽频带、衍射效率及功率效率高的AOTF驱动控制系统，能使驱动功率最大限度的传递给换能器来进行选频滤光，并进一步提高偏振成像光谱仪的成像质量。该驱动系统由高速DDS芯片与高速单片机组成，由VC上位机进行控制并能够在60MHz到180MHz频率范围产生功率可控的高频驱动信号，经过功率放大及阻抗匹配网络后加载在AOTF的双路超声换能器上，为声光晶体形成声光互作用提供必要条件。其在60～180MHz频段内有最高36dBm的稳定且可控的输出功率，可使得AOTF工作在最佳状态，并可通过上位机的自动控制下实现目标物质在可见光波段的光谱图像获取。
　　通过进一步优化换能器阻抗匹配网络，最终AOTF的光谱衍射效率在可见光波段最高达94％左右，使得AOTF在421～1151nm波段范围内的衍射效率大大提高。通过组装该光谱仪样机并对目标物进行图像采集，其图像质量可满足实际要求。

目录

声明

摘要

1．1研究背景及意义

1．2 AOTF成像技术国内外研究现状

1．3 AOTF驱动系统研究现状

1．3．1 AOTF驱动电路系统研究现状

1．3．2 AOTF超声换能器匹配电路研究现状

1．4课题来源及研究内容

2双路宽光谱AOTF工作原理

2．1双路AOTF工作原理

2．2 AOTF的主要性能参数

2．2．1光谱分辨率R

2．2．2光谱衍射效率

2．3本章小结

3双路可见光AOTF超声换能器阻抗特性分析及匹配设计

3．1超声换能器的玛森等效电路

3．2超声换能器频率特性

3．3双路超声换能器阻抗匹配网络设计

3．4本章小结

4偏振成像光谱仪控制系统设计与实现

4．1偏振成像光谱仪控制系统总体设计原理

4．2偏振成像光谱仪射频信号源电路设计

4．2．1 DDS及输出信号转换电路

4．2．2低通滤波器电路

4．3偏振成像光谱仪射频信号源功率放大及匹配电路设计

4．3．1功率放大电路总体设计

4．3．2一级功率放大电路设计

4．3．3二级功率放大电路设计

4．3．4驱动源总体设计分析

4．4偏振成像光谱仪内部光路偏振角控制装置

4．5偏振成像光谱仪拍摄角度变换装置

4．7偏振成像光谱仪样机设计实现

4．8本章小结

5实验系统测试与分析

5．1射频信号源电路测试与分析

5．2射频功率放大电路测试与分析

5．3双路超声换能器阻抗匹配电路测试与优化

5．4 AOTF光谱衍射效率实验测试与分析

5．5基于AOTF的偏振成像光谱仪成像质量测试

5．6本章小结

6．1研究总结

6．2研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及取得的研究成果

致谢