【精选】近代物理实验_光信息综合处理实验讲义

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1、近代物理实验光信息处理综合实验系列第 .1. 页 1实验二十一 AOTF 成像光谱测试实验传统的成像光谱仪大多采用棱镜、光栅、干涉仪滤光，进行推帚式线光谱扫描成像。这种方式往往需要目标和成像系统做相对移动，对载体运动的平稳性要求比较高，整个系统的构造十分复杂，需要经过相当复杂的校正处理才能得到最后的图像，因此成像速度慢，且仪器体积大而笨重，移动困难。声光可调谐滤光器（Acousto-Optic Tunable Filter，简称 AOTF）是一种声光调制器件。其工作原理主要是利用了声波在各向异性介质中传播时对入射到传播介质中的光的布拉格衍射作用。声光可调谐滤光器由单轴双折射晶体（通常采用的材料

2、为 TeO2） ，粘合在单轴晶体一侧的压电换能器，以及作用于压电换能器的高频信号组成。当输入一定频率的射频信号时，AOTF 会对入射的复色光进行衍射，从中选出波长为的单色光。单色光的波长与射频频率 f 有一一对应的关系，只要通过电信号的调谐即可快速、随机改变输出光的波长。采用 AOTF 进行电调谐滤光，可以实现凝视式面光谱成像。与推帚式相比，它不需要探测系统和目标之间做相对运动，而且能够获得很高的图像分辨率，一般也不需要进行几何校正就可以得到高质量的图像。而且凝视式成像系统一般结构也比较简单，可靠性高，因此相关的仪器产品体积可以做得很小，进而实现成像光谱仪的便携化。成像光谱系统既可构成便携式成

3、像光谱仪，用于近距离目标探测；又可构成显微成像光谱仪。【预习提要】（1）声光可调谐滤波器 AOTF 的分光原理是什么？（2）如何确定 AOTF 衍射光的波长？（3）成像光谱测试时成像位置不同对测试结果有无影响？【实验要求】（1）了解 AOTF 的工作原理和成像光谱测试的特点；（2）掌握成像光谱测试的基本光路系统；（3）掌握吸收光谱曲线的比较和吸收峰分析。s【实验目的】（1）了解基于 AOTF 的成像光谱测试系统光路和设备构成；（2）掌握成像光谱系统的软件操作；（3）利用成像系统测量不同样品的吸收光谱；【实验器材】声光可调谐滤波器一套（含 AOTF、驱动器、电源） ，高亮度光源一套（含光源、电流

4、源） ，光学元件若干，成像透镜一个，光学 CCD 一个，实验用微机一套（含自编控制和数据采集软件系统一套） 。近代物理实验光信息处理综合实验系列第 .2. 页 2【实验原理】1.1 成像红外光谱测量的原理与特点成 像 红 外 光 谱 是 对 待 测 样 品 使 用 某 谱 段 的 红 外 光 进 行 成 像 型 记 录 ， 从 而 可 分 别 研 究样 品 面 上 不 同 区 域 的 光 谱 。 而 一 般 的 光 谱 测 试 仪 器 ， 实 际 上 是 测 量 获 得 样 品 在 测 试 区 域的 平 均 光 谱 ； 因 此 相 比 说 来 ， 具 有 精 确 度 更 高 、 精 细 度 更

5、 高 、 可 同 时 测 量 比 较 大 面 积 样品 上 不 同 区 域 红 外 光 谱 等 特 点 。 如 图 21-1(a, b, c)分 别 是 某 溶 液 中 粒 子 样 品 在 1250nm、 1350nm 和 1450nm 波 长 的 成 像 ， 图 中 的 色 彩 表 示 不 同 的 强 度 。 (a) 1250nm (b) 1350nm (c) 1450nm图 21-1 某溶液中粒子样品在不同波长的成像00.020.040.060.080.11450 1500 1550 1600Wavelength (nm)absorbance图 21-2 图 21-1 粒子样品的吸收光谱曲

6、线在实际的测试过程中，在测试光谱范围 12 间每隔（设为波长系列 i） ，记录一幅样品图像 I1i，并以同等条件记录参照物的系列光谱图像 I0i；然后选定需要分析的样品位置，分别读取样品和参照物的所有 i 图像的光强 I1i 和 I0i，则该位置处样品的光谱曲线的第 i 点强度为：(21.1)iiiiIA10logl)/log(由 此 即 可 获 得 整 个 光 谱 范 围 的 吸 收 光 谱 曲 线 。 如 图 21-2 即 为 图 21-1 粒 子 样 品 在 1450nm 1650nm 区 间 的 吸 收 光 谱 曲 线 ， 样 品 在 1560nm 附 近 有 一 个 较 强 的 吸

7、收 峰 。光谱的另一种表达是透射光谱曲线，采用透射百分比方式：(21.2)iiIT/*样品的透射光谱曲线凹凸正好与吸收光谱曲线相反。上述图像记录时，需要先测量系统的环境光强，并在后续的记录中加以消除，以保证测试光强的准确。如可关闭照明光源，或测量起始波长处的光强计为系统的环境光强，此近代物理实验光信息处理综合实验系列第 .3. 页 3时的光强透过率很低，近似为无照明光时的环境光强。在本实验中，采用的是可见光/近红外的 AOTF，它是两个 AOTF 合并而成，分别针对 400695nm、6951000nm 的两个波段。1.2 成像红外光谱测试系统的基本构成与分析成像光谱系统主要由红外照明光源部分

8、、图像采集部分、照明与成像光路部分和系统控制与数据分析软件四部分构成，基本结构如图 21-3 所示。 Lamp Aperture Polarizer Lens AOTF Sample CD Computer 图 21-3 系统的基本构成示意图1. 红外照明光源系统：红外照明光源系统一般由大功率的点状白炽灯和分光系统组成，最终获得一个红外谱段的可变波长的照明光束。点状白炽灯一般使用大功率的卤素灯，如功率 250W、灯丝面积 7.012.0mm2 的卤素灯，以在准直后获得足够光强的近平行照明光。分光系统的核心是可将入射白光分解为准单色光的分光器件，一般可使用 AOTF（声光调谐滤波器）和 LCTF

9、（液晶调谐滤波器） 。上述两种器件均有较好的单色性和足够的速度，能够满足可见光到红外的光谱分析的需要。其中 AOTF 驱动速度快、单色性好、重复性好，但 AOTF 的面积较小，光束的准直度等受限，在相同入射光时输出的光强有限；而 LCTF 孔径大，透射光强比较大，但是波长变化时，可能出现输出光强的突然跳动，且跳动位置有所浮动，从而使该波长附近的光谱出现异常，需要用较繁琐的后期数据处理加以解决。本实验系统使用的是 AOTF。对于 AOTF，其驱动器由微波信号源和功放组成。系统所用功放输出最大约 3.5W，微波信号源可通过串口接收计算机控制信号，改变输出微波频率。计算机可通过控制系数的改变调节和设

10、定某波长对应的微波频率，输出信号频率由频率计进行标定。图 21-4 为系统使用的 AOTF 的驱动频率与输出波长曲线图，图中星号* 为器件出厂的实测标准值，按照实测标准值使用多项式拟合获得其驱动频率输出波长公式（5 阶） ，如式(21.3)。(21.3)1584633210(4.70.7610.920751.283693849)ff f 同理，按照实测标准值拟合获得输出波长驱动频率公式，拟合阶次到 4 阶，如式(21.4)所近代物理实验光信息处理综合实验系列第 .4. 页 4示，其曲线如图 21-5，根据器件情况，实用中将其测试范围扩展至 474nm1040nm。(21.4)124835210

11、(9.63.79104.520714756)f图 21-4 AOTF 的驱动频率输出波长曲线 图 21-5 AOTF 的输出波长驱动频率曲线2. 图像采集系统图像采集系统一般由快速的图像采集卡和红外 CCD 相机构成。为达到对样品不同层面的红外性能透析，需要图像采集卡能够改变和控制曝光的起始时间以及曝光时间。本系统使用的是 USB 接口的 CCD 相机。红外 CCD 有两个指标，一个是光强的灵敏度，或者说动态范围，即 CCD 的位数，一般应选择 12bit 至 16bit，8bit 的 CCD 容易饱和，对动态范围较大的样品不易测试；另一个指标是 CCD 的像素数，一般应选择 512512 以

12、上，以获得较好的图像分辨率。本系统使用的 CCD 动态范围为 8bit/16bit 可选，最大分辨率为 13941040。由于图像采集卡速率和 CCD 积分时间的限制，图像的采集速率与图像的分辨率一般是有所矛盾的，图像分辨率越高，其采集速率越低。所以需要根据系统需求选择一个合适的图像采集速率或 CCD 积分时间。3. 照明与成像光路系统照明与成像光路系统是实现样品被照明后获得良好成像的关键。由于是在实验室的近距成像，一般的需使用复合透镜组的成像镜头，以获得小像差的成像结果。从照明的角度，成像光路系统可以分为透射式成像光路和反射式成像光路两种类型，其光路示意如图 21-6(a, b)；对于透明样

13、品应用的是透射式成像系统，反射式成像系统针对不透明样品。从成像放大率的角度，则可分为一般成像光路和显微成像光路两种类型。在显微成像中，根据显微放大的倍数不同，可以分为直接使用显微镜的成像方式，如图 21-7(a)，或使用双卡赛格伦望远镜显微成像方式，如图 21-7(b)。其中双卡赛格伦望远镜系统可获得更高的放大倍率。另外，如果使用光电探测器，而不是 CCD 作为光强采集器件，系统直接过渡为常见的光谱仪方式，获得的是照明区域样品的平均光谱。近代物理实验光信息处理综合实验系列第 .5. 页 5Diaphragm Lens 1 P Lens 2 Sample AOTF NIR CD Light so

14、urce Slit Lens 4 (a) 透射式 AOTF 成像光路示意图 Lens1 P Lens2 Lens3 AOTF NIR CD lamp Slit light barie Lens4 -1 Degr 0 DerSample Lens5 Lens6 Lens7 (b) 反射式 AOTF 成像光路示意图图 21-6 两种照明方式的成像光路系统示意AOTF 1CCD CameraFiberSampleAOTFsDrivers andControllersAOTF 2150-W Halogen lampPolarizer(a) 使用显微镜的进行显微成像示意图 Casegrain objec

15、tive Frame Graber Casegrain condenser Microscope Computer Lamp Aperture Polarizer AOTF LENS Sample InSb FPA Miror (b) 使用双卡赛格伦望远镜显微成像方式示意图图 21-7 显微成像的两种光路示意图近代物理实验光信息处理综合实验系列第 .6. 页 6如图 21-6 的光路可以采用分立光学元件搭建，可以方便地更改光路元件的位置，获得不同的成像放大率，视场大，系统较灵活；图 21-7 的光路，视场较小，出射光基本上就是平行光，可以对样品中的气泡和微粒的光谱进行精密测量。 Diaphrg

16、m Lens1 P Lens2 Lens3 AOTF NIR CD Light source Beam Stop Lens4 Sample 图 21-8 与透射式成像照明光路一致的反射式成像光路在后面分析照明光路对样品的影响时，我们可以看到不同照明方式对样品的温升不同，从而对测试结果产生不同的影响。简单地说，入射光先经过 AOTF 将使其能量大大削减，样品仅受到准单色光照明，从而使样品表面温度基本不变，且入射光是近平行光，受到AOTF 调制后单色性较好，样品可以获得较大面积的照明；而入射光先照明样品，再经过AOTF 分光，将使得样品表面温升严重，且 AOTF 的入射光是经样品散射的漫射光，样品照明面积较小，方向相对杂散，其分光后的准单色性将下降。但是由于被测结果为红外光谱，温升高的结果是其红外光谱强度更大，效果明显，易于观测。类似的思想可以使用到 AOTF 光路