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-OpticTunableFilter，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

2、轴双折射晶体（通常采用的材料为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l的单色光。单色光的波长l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

3、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

4、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）。24第.24.页近代物理实验光信息处理综合实验系列【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、精细度更高、可同时测量比较大面积样品上不同区域

5、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图21-2图21-1粒子样品的吸收光谱曲线在实际的测试过程中，在测试光谱范围l1~l2间每隔Dl（设为波长系列li），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li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

6、度为：(21.1)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)样品的透射光谱曲线凹凸正好与吸收光谱曲线相反。24第.24.页近代物理实验光信息处理综合实验系列上述图像记录时，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，此时的光强透过率很低，近似为无照明光时的环境光强。在

7、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400－695nm、695－1000nm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、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。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7.0×12.0mm2的卤素灯，以

8、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（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