基于声光可调谐滤波器的高分辨光学系统

摘要

本发明涉及光谱成像技术领域，具体涉及一种基于声光可调谐滤波器的高分辨率光学系统，其包括混合滤波器单元，混合滤波器单元包括声光可调谐滤波器、第一光学镜片组、平面全息衍射光栅、第二光学镜片组和第三光学镜片组；所述混合滤波器单元内形成使声光可调谐滤波器和平面全息衍射光栅分别发生两次衍射的第一光路和第二光路；本发明高分辨率光学系统，倍增了系统的声光作用距离且提高了光谱分辨率高。

说明书

技术领域

本发明涉及光谱成像技术领域，具体涉及一种基于声光可调谐滤波器的高分辨率光学系统。

背景技术

光谱分析技术作为“绿色检测技术”的代表，具备能有效提高分析效率以及降低人工和生产成本的优势，从而取得飞速发展。目前，光谱成像技术作为光谱分析技术的重要分支，在分析测试领域，尤其是在线分析测试和工业控制领域扮演了越来越重要的角色，广泛应用于包括农牧、食品、化工、石化、制药、烟草等在内的许多领域。

声光可调谐滤波器(Acousto-optic tunable filter，简称为AOTF)，作为一种光谱分析技术的重要设备，是一种窄带可调谐滤波器，还是根据声光作用原理制成的分光器件；声光可调谐滤波器的工作原理如下：当一束复色光通过一个高频振动的具有光学弹性的晶体时，某一波长的单色光将会在晶体内部产生衍射，以一角度从晶体中出射，未发生衍射的复色光则沿原光线传播方向直接透射过晶体，由此达到分光的目的；通过改变施加在晶体上的射频驱动的频率选择分光波长，从而实现波长扫描。

此外，声光可调谐滤波器因其全固态的结构而具有较好的力、热特性，同时因其电调谐光谱滤波而具有灵活的光谱选择性能，且具有光谱采样间隔可控，波长扫描快速等优点，非常适应光谱探测对灵活高效的数据获取要求，因此得到越来越多的研究。

AOTF光谱成像探测技术，必须要以较高的光谱分辨率为基础，这就要求声光可调谐滤波器具备窄的光谱带宽。现有的采用单一的声光可调谐滤波器的光谱成像探测技术，其光谱分辨率的大小能够通过设计合适的入射光极角和声光相互作用距离在一定程度上得到控制，但是这种方法对于光谱分辨率的提高程度比较有限，并且调节过程也不灵活。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于声光可调谐滤波器的高分辨光学系统，一方面，在声光晶体的声光作用距离不变的前提下倍增了系统的声光作用距离，另一方面采用声光可调谐滤波器和平面全息衍射光栅联用方式，显著提高了光谱分辨率高。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于声光可调谐滤波器的高分辨率光学系统，包括混合滤波器单元，混合滤波器单元包括声光可调谐滤波器、第一光学镜片组、平面全息衍射光栅、第二光学镜片组和第三光学镜片组；所述混合滤波器单元内形成使声光可调谐滤波器和平面全息衍射光栅分别发生两次衍射的第一光路和第二光路；

所述第一光路为：入射光束入射声光可调谐滤波器并由声光可调谐滤波器出射第一衍射光束，第一衍射光束入射第一光学镜片组并由第一光学镜片组出射第一出射光束，第一出射光束入射平面全息衍射光栅并由平面全息衍射光栅出射第二衍射光束，第二衍射光束入射第二光学镜片组并由第二光学镜片组出射第二出射光束；

所述第二光路为：第二出射光束入射平面全息衍射光栅并由平面全息衍射光栅出射第三衍射光束，第三衍射光束入射第三光学镜片组并由第三光学镜片组出射第三出射光束，第三出射光束入射声光可调谐滤波器并由声光可调谐滤波器出射第四衍射光束。

优选的，所述第一光学镜片组包括准直聚焦镜组，第一出射光束为平行光束。

优选的，所述第二光学镜片组包括对第二衍射光束进行准直和聚焦处理的反射镜组。

优选的，所述第三光学镜片组包括整形聚焦镜组和转折镜，第三衍射光束依次经过整形聚焦镜组、转折镜并由转折镜出射第三出射光束，第三出射光束入射声光可调谐滤波器。

优选的，所述第一衍射光束和第四衍射光束均为声光可调谐滤波器出射的衍射光中的+1级衍射光束；所述第二衍射光束、第三衍射光束均为平面全息衍射光栅出射的衍射光中的+1级衍射光束。

优选的，所述高分辨率光学系统还包括波长耦合单元，波长耦合单元包括与所述平面全息衍射光栅联动的旋转轴，平面全息衍射光栅绕旋转轴转动使第三出射光束的中心波长与第一出射光束的中心波长相等。

优选的，所述入射光束相对于声光可调谐滤波器的入射光极角为θ

优选的，所述第一出射光束的主光线在平面全息衍射光栅的主截面上的投影与平面全息衍射光栅的法线之间的夹角为α

所述第二出射光束的主光线在平面全息衍射光栅的主截面上的投影与平面全息衍射光栅的法线之间的夹角为φ

优选的，所述第一出射光束入射平面全息衍射光栅的角度和第二出射光束入射平面全息衍射光栅的角度为对称关系。

优选的，所述旋转轴的转动中心线与平面全息衍射光栅的主平面共面，旋转轴延伸方向与平面全息衍射光栅上的刻槽的延伸方向相同。

优选的，所述的声光可调谐滤波器的声光晶体具有可反常布拉格衍射的声光结构，射入声光可调谐滤波器的入射光束满足反常布拉格衍射的条件。

优选的，所述的声光结构包括声光晶体采用TeO

优选的，所述的入射光束满足反常布拉格衍射的条件包括入射光束为具有孔径角的会聚光束，其主光线的入射光极角为θ

本发明基于声光可调谐滤波器的高分辨率光学系统，与现有的目标光束仅单次通过声光可调谐滤波器的方式相比，目标光束在声光可调谐滤波器中经历两次声光相互作用，成倍增加了光学系统的声光作用距离，在平面全息衍射光栅中经历两次色散分光和在声光晶体的中经历两次滤波分色后，显著缩窄目标光束的光谱带宽，声光可调谐滤波器和平面全息衍射光栅联用显著提高了本发明高分辨率光学系统的光谱分辨率；而且目标光束两次通过同一个声光可调谐滤波器，只需一次控制声光可调谐滤波器的射频驱动即可，避免了目标光束通过不同声光可调谐滤波器导致的控制不易同步的问题。此外，所述声光可调谐滤波器可依据射频信号的频率的不同而出射不同中心波长的光谱，平面全息衍射光栅可通过旋转，以使平面全息衍射光栅出射的光谱的中心波长，与声光可调谐滤波器出射的光谱的中心波长相同，从而使本发明基于声光可调谐滤波器的高分辨率光学系统能够灵活、有效的提升光谱分辨率。

附图说明

图1是本发明基于声光可调谐滤波器的高分辨光学系统的原理结构示意图；

图2是本发明衍射前光束与衍射后光束在平面全息衍射光栅的传输路径示意图；

具体实施方式

以下结合附图1-2给出的实施例，进一步说明本发明的基于声光可调谐滤波器的高分辨率光学系统的具体实施方式。本发明的基于声光可调谐滤波器的高分辨率光学系统不限于以下实施例的描述。

本发明基于声光可调谐滤波器的高分辨率光学系统，其包括混合滤波器单元，混合滤波器单元包括声光可调谐滤波器1、第一光学镜片组、平面全息衍射光栅3、第二光学镜片组和第三光学镜片组；所述混合滤波器单元内形成使声光可调谐滤波器1和平面全息衍射光栅3分别发生两次衍射的第一光路和第二光路；

所述第一光路为：入射光束入射声光可调谐滤波器1并由声光可调谐滤波器1出射第一衍射光束，第一衍射光束入射第一光学镜片组并由第一光学镜片组出射第一出射光束，第一出射光束入射平面全息衍射光栅3并由平面全息衍射光栅3出射第二衍射光束，第二衍射光束入射第二光学镜片组并由第二光学镜片组出射第二出射光束；

所述第二光路为：第二出射光束入射平面全息衍射光栅3并由平面全息衍射光栅3出射第三衍射光束，第三衍射光束入射第三光学镜片组并由第三光学镜片组出射第三出射光束，第三出射光束入射声光可调谐滤波器1并由声光可调谐滤波器1出射第四衍射光束。

参照图1所示，所述声光可调谐滤波器1采用T

所述衍射光束(第一衍射光束)的光谱带宽为：

所述入射光束通过声光可调谐滤波器1后的衍射效率为：

η＝η

其中，η

可见，若要提升声光可调谐滤波器的光谱分辨率可通过以下两条途经：途经一，加大入射光极角θ

本发明基于声光可调谐滤波器的高分辨率光学系统，与现有的目标光束仅单次通过声光可调谐滤波器的方式相比，目标光束在声光可调谐滤波器中经历两次声光相互作用，成倍增加了光学系统的声光作用距离，在平面全息衍射光栅中经历两次色散分光和在声光可调谐滤波器的晶体中经理两次滤波分色后，显著缩窄了目标光束的光谱带宽，声光可调谐滤波器和平面全息衍射光栅联用显著提高了本发明高分辨率光学系统的光谱分辨率；而且目标光束两次通过同一个声光可调谐滤波器，只需一次控制声光可调谐滤波器的射频驱动即可，避免了目标光束通过不同声光可调谐滤波器导致的控制不易同步的问题。

优选的，如图1所示，本发明高分辨率光学系统还包括波长耦合单元，波长耦合单元包括与平面全息衍射光栅3联动的旋转轴，平面全息衍射光栅3绕旋转轴转动使第三出射光束的中心波长与第一出射光束的中心波长相等。所述声光可调谐滤波器可依据射频信号的频率的不同而出射不同中心波长的光谱，平面全息衍射光栅可通过旋转，以使平面全息衍射光栅出射的光谱的中心波长，与声光可调谐滤波器出射的光谱的中心波长相同，从而使本发明基于声光可调谐滤波器的高分辨率光学系统能够灵活、有效的提升光谱分辨率；而且平面全息衍射光栅3还能增强光束的强度。

需要指出的，一方面为了获得较好的光谱分辨率，则要求平面全息衍射光栅3具有较小的光谱范围，以尽可能的收窄光谱宽度；另一方面为了获得较强的光信号，则要求平面全息衍射光栅3具有较大的光谱范围，以提高衍射效率；因此要综合考虑以上两种情况，以选取具有恰当光谱范围的平面全息衍射光栅3，以使光谱宽度和衍射效率都能在较优的范围内。

以下将结合说明书附图和具体实施例，对本发明的基于声光可调谐滤波器的高分辨光学系统作进一步说明。

如图1所示，本实施例的基于声光可调谐滤波器的高分辨光学系统，其包括混合滤波器单元，混合滤波器单元包括声光可调谐滤波器1(AOTF)、第一光学镜片组、平面全息衍射光栅3、第二光学镜片组和第三光学镜片组；所述混合滤波器单元内形成使声光可调谐滤波器1和平面全息衍射光栅3分别发生两次衍射的第一光路和第二光路；

所述第一光路为：入射光束入射声光可调谐滤波器1并由声光可调谐滤波器1出射第一衍射光束，第一衍射光束入射第一光学镜片组并由第一光学镜片组出射第一出射光束，第一出射光束入射平面全息衍射光栅3并由平面全息衍射光栅3出射第二衍射光束，第二衍射光束入射第二光学镜片组并由第二光学镜片组出射第二出射光束；

所述第二光路为：第二出射光束入射平面全息衍射光栅3并由平面全息衍射光栅3出射第三衍射光束，第三衍射光束入射第三光学镜片组并由第三光学镜片组出射第三出射光束，第三出射光束入射声光可调谐滤波器1并由声光可调谐滤波器1出射第四衍射光束。

需要指出的，所述第一衍射光束、第一出射光束、第二衍射光束、第二出射光束、第三衍射光束、第三出射光束和第四衍射光束的中心波长相同。

优选的，如图1所示，本发明高分辨率光学系统还包括波长耦合单元，波长耦合单元包括与所述平面全息衍射光栅3联动的旋转轴，平面全息衍射光栅3绕旋转轴转动使第三出射光束的中心波长与第一出射光束的中心波长相等。进一步的，所述波长耦合单元的旋转轴的转动中心线与平面全息衍射光栅3的主平面(平面全息衍射光栅3的主平面指的是第一出射光束入射平面全息衍射光栅3的平面)共面，旋转轴的延伸方向与平面全息衍射光栅3的刻槽的延伸方相同。

优选的，所述平面全息衍射光栅3的波长范围为500nm-2500nm。

优选的，所述声光可调谐滤波器1包括晶体和换能器，换能器设置在晶体上，可调射频源产生射频信号并通过换能器将射频信号转换为超声波振动以穿过晶体内部，同时换能器避免反射声波对前行声波造成干扰，从而提高性能的稳定度。进一步的，所述声光可调谐滤波器1的晶体具有可发常布拉格衍射的声光结构，入射声光可调谐滤波器1的入射光束满足反常布拉格衍射的条件。进一步的，所述晶体优选为T

优选的，所述第一衍射光束和第四衍射光束均是由声光可调谐滤波器1出射的+1级衍射光束；所述第二衍射光束、第三衍射光束均为平面全息衍射光栅3的+1级衍射光束。具体的，所述入射光束入射声光可调谐滤波器1后，在声光可调谐滤波器1的晶体内与超声波发生声光相互作用，发生布拉格衍射，由声光可调谐滤波器1出射与入射光束方向相同的零级光束和两束衍射光束，两束衍射光束分别为+1级衍射光束和-1级衍射光束，两束衍射光束分别位于零级光束的两侧且为中心波长相同的单色偏振光，两束衍射光的偏振态相互正交。需要指出的，所述第一衍射光束、第二衍射光束、第三衍射光束、第四衍射光束为+1级衍射光束，则其他零级光束和-1级光束被预设值的光陷阱吸收；此外，所述第一衍射光束也可以是-1级衍射光束，但是本发明高分辨率光学系统的光路结构需要做适应性调整，在此不再展开描述。

优选的，如图1所示，所述第一光学镜片组包括准直聚焦镜组2，第一衍射光束入射准直聚焦镜组2后，由准直聚焦镜组2出射平行光束，平行光束入射平面全息衍射光栅3。进一步的，所述准直聚焦镜组2由一个或多个光学镜片组成。

优选的，如图1所示，所述第二光学镜片组包括用于对第二衍射光束进行准直和聚焦处理的反射镜组4。进一步的，反射镜组4由一个或多个反射镜组成，具有准直和聚焦功能。

优选的，如图1所示，所述第三光学镜片组包括整形聚焦镜组5和转折镜6，第三衍射光束依次经过整形聚焦镜组5和转折镜6并由转折镜6出射第三出射光束。进一步的，所述第三衍射光束入射聚焦镜组5，聚焦镜组5将具有一定发散角的第三衍射光束整形为平行光束，平行光束入射转折镜6，转折镜6出射第三出射光束。需要指出的，所述转折镜6通常由一块反射镜组成即可，主要是将平行光束按一定角度进行反射，但是，如果实施过程中光斑变形严重，则采用多个反射镜实现转折镜6的功能。

优选的，参照图1所示，所述入射光束相对于声光可调谐滤波器1的入射光极角为θ

优选的，如图1所示，所述入射光束垂直入射声光可调谐滤波器1的晶体表面(图1中，入射光线与声光可调谐滤波器1的下边线的垂足标识表示了入射光线与声光可调谐滤波器1的晶体表面的垂直关系)，方便光路走向以及光谱选择等方面的计算过程，当然入射光束也可以不垂直入射声光可调谐滤波器1，但是会复杂化换能器的控制方法。

优选的，如图1所示，所述平面全息衍射光栅3的每次分光过程中，入射所述平面全息衍射光栅3的光束记为衍射前光束，平面全息衍射光栅3出射的光束记为衍射后光束，衍射前光束和衍射后光束满足以下光栅方程：

dcosξ(sinα+sinφ)＝mλ

其中，d为光栅常数，ξ为衍射前光束的主光线与平面全息衍射光栅3的主截面的夹角(即立体角)，α为衍射前光束的主光线在平面全息衍射光栅3的主截面上的投影与平面全息衍射光栅3的光栅法线之间的夹角，m为衍射后光束的衍射级次，λ为衍射后光束的中心波长。所述衍射前光束经过平面全息衍射光栅3分光后，得到的衍射后光束具有更窄的光谱宽带，有利于提高本发明基于声光可调谐滤波器的高分辨光学系统的光谱分辨率。进一步的，如图2所示，假定所述衍射前光束和衍射后光束的主光线在平面全息衍射光栅3的主截面上的投影之间的夹角为δ，当衍射前光束和衍射后光束的方向确定(也即是衍射前光束和衍射后光束的主光线之间的夹角δ为确定值)时，衍射前光束和衍射后光束满足的光栅方程可以变形为：

其中，ω为平面全息衍射光栅3的旋转角(指的是平面全息衍射光栅3每次转动后相对于其某一预设位置，即平面全息衍射光栅3的0°位置，转过的角度)，波长耦合单元的旋转轴的转动中心线与平面全息衍射光栅3的主平面共平面，旋转轴的延伸方向与平面全息衍射光栅3上的刻槽的延伸方向一致；由于

例如，如图2所示，Ao表示衍射前光束的主光线，Bo表示衍射后光束的主光线，原点o位于平面全息衍射光栅3的中心，y轴平行于平面全息衍射光栅3的刻槽，x轴通过平面全息衍射光栅3中心的法线(也即是：x轴为平面全息衍射光3的光栅法线)，yoz表示与平面全息衍射光栅3的主平面重合的平面，xoz表示平面全息衍射光栅3的主截面，A1o为衍射前光束的主光线在平面全息衍射光栅3的主截面上的投影，B1o为衍射后光束的主光线在平面全息衍射光栅3的主截面上的投影，∠A1ox(即α)为衍射前光束的主光线在平面全息衍射光栅3的主截面上的投影与平面全息衍射光栅3的光栅法线之间的夹角，∠B1ox(即φ)为衍射后光束的主光线在平面全息衍射光栅3的主截面上的投影与平面全息衍射光栅3的光栅法线之间的夹角，∠AoA1(即ξ)为衍射前光束的主光线与平面全息衍射光栅3的主截面的夹角。

具体的：

如图1所示，所述第一出射光束的主光线在平面全息衍射光栅3的主截面上的投影与平面全息衍射光栅3的法线之间的夹角为α

如图1所示，所述第二出射光束的主光线在平面全息衍射光栅)的主截面上的投影与平面全息衍射光栅3的法线之间的夹角为φ

所述第一出射光束和第二衍射光束满足以下光栅方程：

其中，φ

所述第二出射光束与第三衍射光束满足以下光栅方程：

其中，ξ

所述第一出射光束入射平面全息衍射光栅3的角度和第二出射光束入射平面全息衍射光栅3的角度为对称关系，即图1中所示α

所述平面全息衍射光栅3的色散率

所述第一衍射光束和第四衍射光束的光谱带宽均可以通过下式进行计算：Δλ＝1.8πλ

例如：本发明基于声光可调谐滤波器的高分辨率光学系统：

其声光可调谐滤波器1，选定超声极角为78°，入射声光可调谐滤波器1的晶体的入射光束为具有孔径角的会聚光束，该入射光束的入射光极角为θ

通过计算可得第一衍射光束的光谱带宽为2.4nm，第四衍射光束的光谱带宽为0.05nm，可见本发明基于声光可调谐滤波器的高分辨率光学系统的综合衍射效率能够保持在68％左右。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。