Use of acousto-Optic Filters in imaging applications. A contribution to the SmartSpectra project

Abstract

This Thesis analyses the use of an acousto-optic tunable filter (AOTF) for the realisation of spectral imaging systems. An AOTF is an electronically tunable spectral bandpass optical filter. It consists on a crystal that, excited with acoustic waves, diffracts and then separates a single wavelength of light from a broadband source. The wavelength of selected light is a function of the frequency of the signal applied to the crystal. We have implemented a spectral imaging instrument called Autonomous Tunable Filtering System (ATFS) that includes an AOTF in order to acquire multispectral images with a monochrome digital camera. Careful design and calibration permits its use in spectroscopic applications. By using a convenient radio-frequency source, it is possible to configure the spectral filtering performance of the AOTF. This Thesis presents two different excitation techniques: the use of a Direct Digital Synthesiser, and the use of a high-speed Digital- to-Analog Converter. Both methods achieve a configurable broadening of the spectral bandwidth characteristic of the AOTF. In this Thesis we evaluate the use of AOTF’s in spectral imaging applications by means of the implemented instrument. We present a methodology to fully characterise the spectral performance of the AOTF’s respect to the parameters of the driving signal (frequency and power), and we apply this methodology for the characterisation of three different AOTF models from different manufacturers. Imaging performance of the AOTF’s presents some problems due to their low efficiency and chromatic aberration. However, we propose a methodology to overcome the drawbacks of this filtering technology. Finally, the Thesis demonstrates this spectral imaging technology in several applications, including the mapping of the spectral reflectance and transmittance indexes of plant leaves, and the multispectral imaging of different objects. This Thesis concludes that AOTF technology can be successfully applied to spectral imaging systems. Imaging performance of such systems is good, but a proper image processing is needed. Spectral performance of AOTF’s is accurate, allowing their use in quantitative measuring applications, although they require a careful calibration process.

Esta Tesis analiza el uso de los filtros ajustables acusto-ópticos (Acousto-Optic Tunable Filter, AOTF) en la implementación de sistemas de visión espectral. Un AOTF es un filtro espectral pasabanda ajustable electrónicamente. Está formado por un cristal que, al ser excitado con una onda acústica, difracta una determinada longitud de onda y por tanto la separa del resto del espectro lumínico. La longitud de onda de la luz separada es función de la frecuencia de la señal acústica aplicada al cristal. Para la realización de esta Tesis Doctoral hemos diseñado un instrumento de visión industrial denominado Sistema de Filtrado Ajustable Autónomo, el cual incluye un AOTF para la adquisición de imágenes multiespectrales a través de una cámara de video monocroma. El sistema ha sido diseñado y calibrado específicamente para permitir su uso en aplicaciones de espectroscopía. El uso de una fuente adecuada de señales de radio frecuencia (RF) para excitar el AOTF permite configurar dinámicamente el funcionamiento del filtrado espectral. En esta Tesis presentamos dos nuevas técnicas de excitación por RF: una basada en un Sintetizador Digital Directo y otra basada en un Conversor Digital-Analógico de alta velocidad. Ambas técnicas presentan la novedosa característica de que se pueden utilizar para ajustar dinámicamente el ancho de banda de filtrado del AOTF. El instrumento diseñado se ha utilizado en la presente Tesis para evaluar el uso de los AOTF en aplicaciones de visión espectral. Para ello, presentamos una metodología de caracterización del comportamiento espectral del AOTF respecto a su señal de excitación. Hemos aplicado esta metodología para la caracterización de tres modelos distintos de AOTF suministrados por diferentes fabricantes. El comportamiento en imagen de los AOTF presenta ciertos problemas, debido a su baja eficiencia espectral y a la existencia de aberraciones cromáticas. Sin embargo, proponemos una metodología de procesado que soluciona estos inconvenientes. Por último, esta Tesis demuestra el uso de esta tecnología de imagen espectral en varias aplicaciones. Entre otras, mostramos el mapa de reflectancia y transmitancia espectral de las hojas de diversas especies vegetales, y la adquisición de imágenes multiespectrales de diversos objetos.