AOTF声光可调滤波器在光谱成像的相关领域有着很大的应用前景，对于超光谱的成像系统来说，其最为重要的衡量性能的参数之一就是成像仪器的光谱分辨率的大小。作为一个光谱成像设备，其主要的目的就是探测并显示稳定并且清晰的光谱图像，而要达到上述的要求，就需要光谱成像设备中的分光元件AOTF滤波单元有着足够高的光谱分辨能力。本文介绍了串联两个AOTF进行二次滤波的超光谱显微实验系统，主要包括：将两个AOTF单元进行前后排列，在实验的过程当中将一对AOTF单元视为一个整体；这两个AOTF单元分别与各自的射频驱动电路相连接，使其具有不同的驱动频率，从而能够分别单独调节各自晶体中传输的超声波的频率；根据光波长与超声频率之间的关系式可以知道，衍射光波长会随着超声频率的变化而变化；这两个AOTF元件所出射的衍射光波都有一定的谱线宽度，在实验当中，可以调节两个射频驱动电路的各自频率使其具有一定的频率差值，这样就会使两个出射光之间具有一定的波长差，那么最终的出射光将会是两束光相重合的部分，与单一AOTF元件的情况相比，其光谱宽度会被大大压缩，由此也就提高了系统的光谱分辨率。除此之外，利用上述手段来提高光谱分辨率的方法具有很好的灵活性，在实验当中可以随时通过调节超声频率值从而改变光谱分辨率，这也是二次滤波方法的优点之一。

图1实验系统原理

实验装置如图1所示。系统由透射型光学倒置显微镜、准直光学系统、偏振片以及双胶合透镜、AOTF单元、光谱探测仪及电荷耦合器件（CCD）和AOTF的电调谐控制器（RF）组成。采用了白光源功率是5W的尼康光学倒置显微镜，其光谱范围覆盖整个可见光至近红外区域。其中，前端的准直光学系统用于准直入射的光线，以保证入射光束以很小的发散角进入偏振片和AOTF。系统采用的双胶合透镜的焦距为150mm，使入射光以较小发散角变化进入AOTF。线偏振片的作用是调制入射光的偏振态，其工作波段为可见光范围。系统选用的AOTF由具有较低声光衰减的TeO2晶体材料组成，其波长调谐时间通常只有几十微秒。因此，AOTF能够在极短的时间内调谐到所需要的波长，从而提高系统的响应速度。AOTF单元由AOTF1和AOTF2串联组成，其中AOTF1的衍射光进入AOTF2，AOTF相关设计参数和性能指标如表1所示。后端的成像系统将AOTF滤波单元衍射出来的光线成像于CCD相机的焦平面，从而探测出图形信息；或者利用光谱探测仪测量衍射光谱，并通过对AOTF的快速电调谐控制，对测得的不同中心波长的光谱进行分析和计算。

表1 AOTF1和AOTF2的设计参数和性能指标

图2 AOTF系统成像模块的结构图

其中AOTF系统成像模块如图2所示，整个成像系统由如下部分组成：AOTF1，前端成像组，零级衍射光遮光板1，AOTF2，后端成像组以及零级衍射光遮光板2，以上的各个元件共同组成了ATOF系统的成像部分。对整个实验系统来说，成像模块是整个系统中的核心部分，系统的分光以及成像功能都由成像模块来完成。从以上的构成形式当中能够很清楚地设计出成像模块的工作流程。首先，被测目标发射出的光线会经过之前的透镜组入射到AOTF1当中，入射光在AOTF1中会发生第一次衍射，其衍射光会经过前端成像组被聚焦到AOTF2当中，之后再AOTF2当中会发生第二次衍射，其衍射光经过后端成像组之后能够进行成像，在后续的实验当中其所成的像会被CCD探测器所接收到，进而得到最后要的被测物体光谱图样。此外，从滤波器当中出射的光束除了衍射光之外，还会包含一定量的非衍射光波，而非衍射光波不是本文中所要研究的对象，因此采用两块遮光板对零级非衍射光波进行了遮蔽，从而规避了它对于衍射光波的干扰。

在二次滤波超光谱成像系统实验中，将一次滤波AOTF的频率信号fa1设为140MHz，所对应的中心波长为556.41nm，如图3中的蓝色实线所示。当入射光依次通过AOTF1和AOTF2时，在140MHz邻域内调节AOTF2频率信号fa2，实验结果如图3所示。由图3可知，紫色实线部分是一次滤波衍射曲线，虚线部分是不同中心波长下的二次滤波衍射曲线。当一次滤波中心波长和二次滤波中心波长重合时，双滤波的光谱宽度和衍射效率最大。而且从图3中可以看出，谱线的旁瓣得到明显抑制，光谱的纯度得到了提高。当入射光通过AOTF1时，光谱宽度Δλ1＝1.18nm，一次滤波峰值的衍射效率为78%；当入射光再通过AOTF2时，二次光谱宽度最大值为Δλ2＝0.77nm，双滤波强度最大的峰值衍射效率为61%。衍射效率降低了15%，光谱宽度减少了0.31nm。通过调谐AOTF2的频率，系统地分析了二次滤波的衍射效率和光谱宽度的变化规律。图4和图5是在确定的参考中心波长λ1＝556.41nm下，通过改变AOTF2的超声频率fa2来调谐二次中心波长λ12的变化范围，得到二次滤波最大衍射效率和光谱宽度。图4给出了二次滤波衍射效率极大值与二次中心波长的调谐关系理论曲线和实际测量结果，可以看出随着二次中心波长增大，衍射效率的最大值逐渐减小，衍射效率的变化规律符合理论分析。图5展示了二次滤波光谱宽度和中心波长的变化关系，可以看出，光谱宽度随波长与一次中心波长偏离量的增大而减小，光谱宽度的变化符合理论研究。

图3单次滤波和二次滤波衍射效率测量曲线

图4二次滤波衍射效率最大值的理论计算与测量结果

图5二次滤波光谱宽度的理论计算与测量结果

以上研究在中心波长为λ1＝556.41nm的情况下，分析了二次滤波的光谱宽度和衍射效率的变化规律。表2给出了不同超声频率下一次和二次滤波所测得的光谱宽度实验数据和光谱分辨率R。R1是一次光谱分辨率，R12是二次光谱分辨率。通过对比不同超声频率下一次滤波和二次滤波在中心波长相等时所测得的光谱宽度Δλ1和Δλ12，可以看出，Δλ12比Δλ1窄很多。通过对实验数据进行分析，对比了不同频率下的光谱宽度，可以发现双滤波结构较单一滤波器光谱宽度平均降低37%，光谱分辨率平均提高57%，这说明双滤波技术对提高光谱分辨率十分有效。

表2中心波长相等时，一次滤波和二次滤波的实验数据

超光谱图像可以简单地理解为同一空间位置的宽带电磁波图像通过色散棱镜得到不同光谱波段的窄带电磁波图像，其以电磁波谱分析和成像光谱学为基础。电磁波谱分析用来研究不同物质的发射、反射、吸收电磁波能量的特性。成像光谱学是按照电磁波谱系的规律对不同波长的电磁波能量进行的排列记录。如图6所示，以胃癌组织切片为对象，通过超光谱成像系统，以图像立方体的形式记录了超光谱图像数据，它的每一层代表着特定波长的图像，实现了图谱合一。

图6 AOTF分光原理图

经过对比，选用相关性比较小的110,140,170MHz的胃癌组织的超光谱图像，对应的波长分别为651.23,538.52,466.97nm，并通过Matlab2016版软件对三个波长的图像进行RGB三通道伪彩色融合。图7(a)为胃癌组织原始图像，图7(b)为超光谱RGB图像融合图像。从这两幅图像的某些轮廓和形态研究出发，可以发现，在红色圆圈区域中超光谱RGB图像融合图比原图像轮廓细节更加明显，黑色圆圈区域的纹理也比较细腻平滑，这反映出窄带信号相比宽带信号在不同区域的光谱吸收存在差异性。它们的相关系数为0.5211，说明图像信息之间具有很强的差异性。为了对这种差异性进行客观地描叙，分别选取图7(a)和(b)局部纵向直线区域的灰度值进行比较，由图7(c)可知，1和2灰度值曲线几乎不相交且多处差值较大，说明图7(a)和(b)在蓝色直线区域差异性较大；同理，由图7(d)可知，3和4灰度值曲线相对较平缓，但仍有几处差值较大，说明图7(a)和(b)在紫色直线区域仍存在较大的差异性。由图７的分析可知，通过对胃癌组织图像进行像素级超光谱RGB图像融合，有效地提高了胃癌组织图像的空间分辨率。通过双滤波超光谱显微成像系统，可以得到更多波谱图像，且它们之间的相关性越小，越能有效地检测出目标之间细小的差异。

图7（ａ）胃癌组织显微图；（ｂ）超光谱ＲＧＢ图像融合图；（ｃ）蓝色纵向直线区域的灰度值曲线；（ｄ）紫色纵向直线区域的灰度值曲线

来自《基于声光可调滤波器双滤波技术的超光谱显微成像系统及其图像分析》

《基于二次声光可调滤波器的超光谱成像系统的实验研究》