本實(shí)用新型涉及了一種成像光譜儀，尤其涉及了一種基于時(shí)空聯(lián)合調(diào)制和MZI光波導(dǎo)陣列的成像光譜儀，具體是基于時(shí)空聯(lián)合調(diào)制的傅里葉變換光譜儀以及集成光波導(dǎo)器件中的MZI器件。

背景技術(shù)：

光學(xué)儀器一直是空間探索與對(duì)地遙感中重要的一部分，遙感衛(wèi)星和飛機(jī)上的成像光譜儀是對(duì)大氣、海洋、陸地進(jìn)行觀測(cè)的重要儀器。

成像光譜儀分為望遠(yuǎn)鏡成像系統(tǒng)和光譜儀系統(tǒng)，比較成熟，性能良好的光譜分光技術(shù)有色散光譜儀和傅里葉變換光譜儀，它們都是用分立的鏡頭，分光元件和探測(cè)器組合而成，體積和重量相對(duì)較大，成本較高，而且對(duì)于元件固定有著較高要求，且無(wú)法與信號(hào)采集系統(tǒng)集成。這對(duì)于星載和機(jī)載來說都是一個(gè)負(fù)擔(dān)。星載和機(jī)載儀器的重量和體積控制都非常嚴(yán)格。近年來，無(wú)人機(jī)成為成像光譜儀新的搭載平臺(tái)，具有成本低廉，測(cè)量范圍和空間分辨率調(diào)整靈活簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。因?yàn)闊o(wú)人機(jī)重量輕，負(fù)載小，所以要求成像光譜儀的尺寸更小和重量更輕。對(duì)于地外空間探索來說，衛(wèi)星的重量更是限制人們所能探索范圍的重要因素。如英國(guó)物理學(xué)家斯蒂芬霍金等提出的“突破射星”計(jì)劃中的微型星際飛船就是芯片級(jí)別大小，其中搭載了微型攝像機(jī)。如果成像光譜儀能夠做到同樣級(jí)別的大小以及克級(jí)別的重量，則攝像機(jī)就可以用微型成像光譜儀代替，遙感探測(cè)能力大大提升。

隨著光學(xué)領(lǐng)域的拓展，集成光學(xué)器件因?yàn)槠潴w積小，性能可靠，防振動(dòng)能力強(qiáng)以及高度集成化的特點(diǎn)，在很多領(lǐng)域有著巨大的潛力。也有種類繁多的芯片光譜儀報(bào)道，但是主要應(yīng)用集中在生物傳感，相干層析成像和激光光譜監(jiān)控方面，在遙感成像方面應(yīng)用集成平面光波導(dǎo)器件方案的設(shè)計(jì)還較少。

傳統(tǒng)傅里葉變換光譜儀分為空間調(diào)制型和時(shí)間調(diào)制型，而相里斌(董瑛,相里斌,趙葆常."大孔徑靜態(tài)干涉成像光譜儀的干涉系統(tǒng)分析."光學(xué)學(xué)報(bào)vol.21,no.3,pp.330-334,2001.)提出的大孔徑靜態(tài)干涉成像光譜儀屬于時(shí)空聯(lián)合調(diào)制型，工作方式特別適用于機(jī)載或星載的成像光譜儀。其原理簡(jiǎn)單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，沒有運(yùn)動(dòng)部件，允許有很大的視場(chǎng)和任意的形狀、大小的通光口徑，在滿足光通量要求下可以大大減小儀器的體積、重量、功耗等。但是其使用的空間光干涉系統(tǒng)體積天然遠(yuǎn)大于芯片光譜儀，后續(xù)還需要傅里葉變換透鏡結(jié)構(gòu)將干涉過的平行光聚焦到探測(cè)器陣列上，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和體積重量大于芯片光譜儀。

光波導(dǎo)MZI是一種常見的器件結(jié)構(gòu)。常用在光開關(guān)，光調(diào)制器，光學(xué)傳感領(lǐng)域。其原理是在波導(dǎo)中將一路光分成兩份，經(jīng)過了不同的光程之后再合并到一路進(jìn)行干涉。兩路通過光程差與波長(zhǎng)的不同會(huì)導(dǎo)致干涉結(jié)果亮暗不同。目前沒有將其應(yīng)用到成像光譜儀中的案例。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)背景技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的在于提供了一種基于時(shí)空聯(lián)合調(diào)制和MZI光波導(dǎo)陣列的成像光譜儀。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：

本實(shí)用新型包括前置鏡以及一層干涉光譜儀芯片或者多層干涉光譜儀芯片相層疊而成的三維芯片，每層干涉光譜儀芯片包括主要由模斑轉(zhuǎn)換器陣列、MZI陣列和探測(cè)器陣列依次連接而成的平行排列的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，MZI陣列由N個(gè)具有不同干涉臂差的MZI平行排列而成，每個(gè)MZI有輸入端口，所有MZI有N個(gè)等間隔排列的輸入端口，N個(gè)輸入端口在前置鏡(成像系統(tǒng))的成像像面上接收平行于推掃圖像區(qū)域上同一排或列的N個(gè)像元信號(hào)。

所述的前置鏡是指成像光譜儀中的成像系統(tǒng)，采用機(jī)載或者星載的成像系統(tǒng)，包括前置鏡和芯片在內(nèi)的成像系統(tǒng)會(huì)沿推掃方向移動(dòng)采集圖像。所述的作為成像系統(tǒng)的前置鏡包括沿光路依次排布的一系列物鏡，限制視場(chǎng)為對(duì)應(yīng)N×M個(gè)像元大小的孔瀾。

模斑轉(zhuǎn)換器陣列的間隔與N個(gè)像元的成像間隔相同，輸入光通過模斑轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與單模波導(dǎo)模式匹配的模斑進(jìn)入輸入波導(dǎo)，通過MZI分成兩束等強(qiáng)度的光經(jīng)過一定光程差后再合并進(jìn)行干涉，干涉的結(jié)果被對(duì)應(yīng)的片上探測(cè)器接收轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

所述的一干涉光譜儀芯片中，模斑轉(zhuǎn)換器陣列包括N個(gè)模斑轉(zhuǎn)換器，MZI陣列包括N個(gè)MZI，探測(cè)器陣列包括N個(gè)探測(cè)器，模斑轉(zhuǎn)換器經(jīng)各自對(duì)應(yīng)的MZI與各自對(duì)應(yīng)的探測(cè)器連接形成N組用于像元采集的光波導(dǎo)；所述的模斑轉(zhuǎn)換器陣列中的每個(gè)模斑轉(zhuǎn)換器的輸入端口對(duì)準(zhǔn)前置鏡中心，以保證接收所在像元的最大光能量。

第一種實(shí)施方式是包括前置鏡、一層干涉光譜儀芯片和壓電馬達(dá)，一層干涉光譜儀芯片置于前置鏡的成像像面上，壓電馬達(dá)連接干涉光譜儀芯片，壓電馬達(dá)控制沿成像像面的列方向平行移動(dòng)；模斑轉(zhuǎn)換器陣列中各個(gè)模斑轉(zhuǎn)換器的輸入端口對(duì)準(zhǔn)接收成像像面上沿排方向的各個(gè)像元的光信號(hào)，MZI陣列中MZI間的輸入端口間距與成像像面沿排方向的像元間的間距相同；干涉光譜儀芯片沿著成像像面的列方向通過壓電馬達(dá)控制其運(yùn)動(dòng)，使得干涉光譜儀芯片分別對(duì)準(zhǔn)成像像面不同排的像元進(jìn)行掃描，從而使得一個(gè)成像周期內(nèi)接收成像像面全部的像元信號(hào)；成像像面的排方向平行于推掃方向，列方向垂直于推掃方向，下一個(gè)成像周期沿推掃方向移動(dòng)一個(gè)像元距離再次進(jìn)行掃描，從而使得所針對(duì)圖像采集對(duì)象的每個(gè)像元位置均經(jīng)過多個(gè)成像周期在全視場(chǎng)被成像接收，每次經(jīng)過不同干涉臂差的MZI，獲得完整的干涉圖。

前置鏡出射的沿著推掃方向的一排視場(chǎng)內(nèi)不同位置的光進(jìn)入芯片不同干涉長(zhǎng)度差的MZI，干涉結(jié)果被對(duì)應(yīng)探測(cè)器接收。垂直于推掃方向的視場(chǎng)內(nèi)不同位置的光則對(duì)芯片快速定位掃描，依次被芯片接收。

第二種實(shí)施方式是包括前置鏡、由多片相同的干涉光譜儀芯片層疊粘接形成的三維芯片，三維芯片置于前置鏡的成像像面上，每片干涉光譜儀芯片中有N個(gè)干涉臂差不同的MZI陣列；一片干涉光譜儀芯片的模斑轉(zhuǎn)換器陣列中各個(gè)模斑轉(zhuǎn)換器的輸入端口對(duì)準(zhǔn)接收成像像面上沿排方向的各個(gè)像元的光信號(hào)，MZI陣列中MZI間的輸入端口間距與成像像面沿排方向的像元間的間距相同；三維芯片的多片干涉光譜儀芯片層疊方向?qū)?zhǔn)接收成像像面上沿列方向的各個(gè)像元的光信號(hào)，干涉光譜儀芯片之間對(duì)應(yīng)的輸入端口的間距通過基底和上包層厚度控制使得其與成像像面沿列方向的像元間的間距相同；三維芯片上各個(gè)模斑轉(zhuǎn)換器構(gòu)成對(duì)準(zhǔn)成像像面上各個(gè)像元信號(hào)的一平面，從而使得三維芯片一個(gè)成像周期內(nèi)接收成像像面全部的像元信號(hào)；成像像面的排方向平行于推掃方向，列方向垂直于推掃方向，下一個(gè)成像周期沿推掃方向移動(dòng)一個(gè)像元距離再次進(jìn)行掃描，從而使得所針對(duì)圖像采集對(duì)象的每個(gè)像元位置均經(jīng)過多個(gè)成像周期在全視場(chǎng)被成像接收，每次經(jīng)過不同干涉臂差的MZI，獲得完整的干涉圖。

第三種實(shí)施方式是包括前置鏡、由多片干涉光譜儀芯片層疊粘接形成的三維芯片，三維芯片置于前置鏡的成像像面上，每片干涉光譜儀芯片中有干涉臂差均相同的MZI陣列，各片干涉光譜儀芯片的MZI陣列的干涉臂差均不相同；一片干涉光譜儀芯片的模斑轉(zhuǎn)換器陣列中各個(gè)模斑轉(zhuǎn)換器的輸入端口對(duì)準(zhǔn)接收成像像面上沿列方向的各個(gè)像元的光信號(hào)，MZI陣列中MZI間的輸入端口間距與成像像面沿排方向的像元間的間距相同；三維芯片的多片干涉光譜儀芯片層疊方向?qū)?zhǔn)接收成像像面上沿排方向的各個(gè)像元的光信號(hào)，干涉光譜儀芯片之間對(duì)應(yīng)的輸入端口的間距通過基底和上包層厚度控制使得其與成像像面沿列方向的像元間的間距相同；三維芯片上各個(gè)模斑轉(zhuǎn)換器構(gòu)成對(duì)準(zhǔn)成像像面上各個(gè)像元信號(hào)的一平面，從而使得三維芯片一個(gè)成像周期內(nèi)接收成像像面全部的像元信號(hào)；成像像面的排方向平行于推掃方向，列方向垂直于推掃方向，下一個(gè)成像周期沿推掃方向移動(dòng)一個(gè)像元距離再次進(jìn)行掃描，從而使得所針對(duì)圖像采集對(duì)象的每個(gè)像元位置均經(jīng)過多個(gè)成像周期在全視場(chǎng)被成像接收，每次經(jīng)過不同干涉臂差的MZI，獲得完整的干涉圖。

第二種和第三種的實(shí)施方式是由前置鏡出射的沿著推掃方向的一排視場(chǎng)內(nèi)不同位置的光進(jìn)入芯片不同干涉長(zhǎng)度差的MZI，干涉結(jié)果被對(duì)應(yīng)探測(cè)器接收。垂直于推掃方向的視場(chǎng)內(nèi)不同位置的光則進(jìn)入相同干涉長(zhǎng)度差的不同個(gè)MZI，地面同一個(gè)位置的成像像元經(jīng)過不同光程差N次干涉的結(jié)果被對(duì)應(yīng)的片上探測(cè)器接收轉(zhuǎn)換為電信號(hào),最后使用傅里葉變換等處理方法轉(zhuǎn)換成光譜信號(hào)。

所述的光波導(dǎo)MZI陣列芯片垂直于像面放置，其中芯片接收光的輸入端陣列排成一條直線對(duì)準(zhǔn)像面沿著飛行器掃描方向的那一列方向，N個(gè)輸入對(duì)準(zhǔn)像面的N個(gè)像元。

所述的MZI陣列中所有MZI的干涉臂差從零開始依次以等差數(shù)列方式遞增，使得各個(gè)MZI中經(jīng)過的光信號(hào)相干涉，然后被芯片上的探測(cè)器陣列各自對(duì)應(yīng)的探測(cè)器接收。干涉臂長(zhǎng)度差以等差數(shù)列從零開始到(n-1)×delta L，n為自然數(shù)，delta L表示干涉臂長(zhǎng)度差。

各片所述干涉光譜儀芯片的所有MZI陣列的干涉臂差從零開始依次以等差數(shù)列方式遞增，使得經(jīng)過的光信號(hào)相干涉后被芯片上的探測(cè)器陣列各自對(duì)應(yīng)的探測(cè)器接收。干涉臂長(zhǎng)度差以等差數(shù)列從零開始到(n-1)×delta L，n為自然數(shù)，delta L表示干涉臂長(zhǎng)度差。

所述的MZI陣列的每根輸入波導(dǎo)經(jīng)1×2耦合器后，再經(jīng)2×1耦合器或者2×2耦合器的分支結(jié)構(gòu)與各自對(duì)應(yīng)的輸出波導(dǎo)連接，使得工作帶寬大。

所述的MZI陣列的每根輸入波導(dǎo)經(jīng)1′2耦合器后，再經(jīng)2×1耦合器或者2×2耦合器的多模干涉器(MMI)結(jié)構(gòu)與各自對(duì)應(yīng)的輸出波導(dǎo)連接，使得耦合損耗小。

所述MZI陣列的干涉臂采用位于同一側(cè)的S型結(jié)構(gòu)，如圖7所示。當(dāng)MZI數(shù)量較多，兩臂最大的光程差相對(duì)于波導(dǎo)彎曲半徑不大，波導(dǎo)彎曲半徑相對(duì)占據(jù)主要面積時(shí)采用這種結(jié)構(gòu)可以減小多個(gè)MZI堆疊所占用的面積。

所述MZI陣列采用大截面脊型單模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的光模場(chǎng)主要集中在波導(dǎo)中，可以在可見和近紅外大工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)保持單模，同時(shí)波導(dǎo)的TE與TM模式折射率相差很小，可以讓MZI偏振不敏感，從而接收外界全偏光工作而不需要濾除一半偏振。這種波導(dǎo)彎曲半徑較大的缺點(diǎn)可以通過在90°彎曲的地方采用波導(dǎo)45°鏡面反射轉(zhuǎn)彎來解決。

所述MZI陣列干涉臂中的光程差變化滿足奈奎斯特采樣定理，具體由工作波長(zhǎng)區(qū)間決定。根據(jù)成像光譜儀設(shè)計(jì)要求和光波導(dǎo)設(shè)計(jì)制作工藝，可以選用滿足低通采樣或者滿足帶通采樣。

所述探測(cè)器陣列為集成于芯片上的探測(cè)器或者封裝于芯片輸出波導(dǎo)后的探測(cè)器陣列。

本實(shí)用新型與背景技術(shù)相比，具有的有益效果是：

1、使用芯片光譜儀代替相里斌的大孔徑靜態(tài)干涉成像光譜儀中干涉系統(tǒng)部分，在保留了大孔徑靜態(tài)干涉成像光譜儀的各種優(yōu)點(diǎn)同時(shí)，用一塊芯片代替了系統(tǒng)中較為復(fù)雜的干涉器件部分，進(jìn)一步縮小了整個(gè)成像光譜儀的體積重量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2、相對(duì)于已有的干涉光譜儀或者光柵型光譜儀芯片，采用時(shí)空聯(lián)合調(diào)制方法的成像光譜儀所需的芯片不需要將一個(gè)入射口的信號(hào)平分成很多路，于是增大了每一路的能量從而提高了探測(cè)靈敏度。接收同一個(gè)像元的信號(hào)，同樣性能的器件靈敏度是原先的N倍。

3、成像光譜儀沒有入射狹縫結(jié)構(gòu)，因而是“大口徑”的，同時(shí)接收的光能量更大。在滿足光通量要求下可以大大減小儀器的體積、重量、功耗。

4、針對(duì)成像光譜儀的應(yīng)用需求，構(gòu)成干涉光譜儀的光波導(dǎo)MZI陣列芯片采用了兩種S型結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同光程差，使得符合成像光譜儀的應(yīng)用需求的多通道MZI陣列能夠最緊密的排列在芯片上，大大提升了空間利用率，減小了芯片體積。

5、相比于大孔徑靜態(tài)干涉成像光譜儀像陣平行于飛行掃描方向的的N個(gè)像元所經(jīng)過的干涉長(zhǎng)度差因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)原因，是相對(duì)于編號(hào)N/2的中心點(diǎn)對(duì)稱的，實(shí)際只有一半的干涉長(zhǎng)度差是有用的。使用芯片光譜儀可以自主選擇N個(gè)MZI的干涉長(zhǎng)度差都是有用信號(hào)，從而在相同的空間分辨率情況下提高了一倍的光譜分辨率。

附圖說明

圖1是背景技術(shù)中提到的大口徑靜態(tài)干涉成像光譜儀。

圖2是本實(shí)用新型成像光譜儀的一種實(shí)施方式。

圖3是本實(shí)用新型成像光譜儀的另一種實(shí)施方式。

圖4是前置鏡的像平面上各個(gè)像元對(duì)應(yīng)的地面位置以及推掃方向。

圖5是隨著時(shí)間變化，對(duì)應(yīng)芯片上N個(gè)不同長(zhǎng)度差的MZI的前置鏡的像平面同一列N個(gè)像元在不同時(shí)刻接收到的地面位置坐標(biāo)。

時(shí)間間隔是飛行器視場(chǎng)移動(dòng)了一個(gè)像元對(duì)應(yīng)的地面距離的時(shí)間。

圖6是模斑轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖。模斑轉(zhuǎn)換器根據(jù)后續(xù)波導(dǎo)以及前置鏡的像平面像元大小設(shè)計(jì)的不同而不同，代替圖1中探測(cè)器陣列接收像平面上的光。同時(shí)模斑轉(zhuǎn)換器在芯片上放置朝向前置鏡中心以接收最大光能量其相互間距和像元間距相同。

圖7是兩種s型MZI的示意圖。分別用于光程差接近0的一部分MZI結(jié)構(gòu)(上方兩個(gè))和光程差稍大一些的情況的MZI結(jié)構(gòu)(下方三個(gè))圖。

圖8是實(shí)施例氮氧化硅脊型波導(dǎo)在0.9μm到1.7μm波長(zhǎng)下TE與TM模式有效折射率圖。

圖9是仿真某個(gè)像元輸入的歸一化光譜信號(hào)，分別以波數(shù)和波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)。

圖10是此仿真的像元被掃描經(jīng)過了所有N(512)個(gè)MZI之后干涉得到的N(512)個(gè)輸出光強(qiáng)度。以第1個(gè)光程差為0的MZI輸出強(qiáng)度為1進(jìn)行歸一化處理。

圖11是對(duì)圖10的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換以及考慮到光波導(dǎo)的色散進(jìn)行補(bǔ)償以后的還原的以波數(shù)為橫坐標(biāo)光譜圖。和圖9進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證器件原理可行性。

圖12是對(duì)圖10的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換以及考慮到光波導(dǎo)的色散進(jìn)行補(bǔ)償以后的還原的以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)光譜圖。和圖9進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證器件原理可行性。

圖中：前置鏡1，壓電馬達(dá)2，干涉光譜儀芯片3，模斑轉(zhuǎn)換器陣列4，MZI陣列5，探測(cè)器陣列6，前置鏡中心7，三維芯片8，準(zhǔn)直鏡9，sagnac橫向剪切干涉儀10，傅氏鏡11，探測(cè)器12。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。

現(xiàn)有的光譜儀是如圖1所示，包括作為光譜儀前置成像系統(tǒng)的前置鏡1、準(zhǔn)直鏡9、sagnac橫向剪切干涉儀10、傅氏鏡11和探測(cè)器12，前置鏡1出射光經(jīng)準(zhǔn)直鏡9入射到sagnac橫向剪切干涉儀10中，sagnac橫向剪切干涉儀10出射端經(jīng)傅氏鏡11后被探測(cè)器12接收。

本實(shí)用新型的成像系統(tǒng)不需要狹縫，芯片上有N個(gè)不同干涉臂差的MZI，MZI陣列分別有N個(gè)等間隔排列的輸入端口，輸入端口在成像系統(tǒng)的像面進(jìn)行接收，每個(gè)輸入端口平行于飛行器推掃方向N個(gè)像元信號(hào)中對(duì)應(yīng)的一個(gè)像元信號(hào)。

具體是包括前置鏡1以及一層干涉光譜儀芯片3或者多層干涉光譜儀芯片3相層疊而成的三維芯片8，每層干涉光譜儀芯片3包括主要由模斑轉(zhuǎn)換器陣列4、MZI陣列5和探測(cè)器陣列6依次連接而成的平行排列的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，MZI陣列5由N個(gè)具有不同干涉臂差的MZI平行排列而成，每個(gè)MZI有輸入端口，所有MZI有N個(gè)等間隔排列的輸入端口，N個(gè)輸入端口在前置鏡1(成像系統(tǒng))的成像像面上接收平行于推掃圖像區(qū)域上同一排或列的N個(gè)像元信號(hào)。

本實(shí)用新型的成像光譜儀工作在推掃模式，但是其成像系統(tǒng)沒有狹縫，接收的像在像面上得到N×M個(gè)像元的面陣信號(hào)，應(yīng)用于飛行器的成像系統(tǒng)中，所涉及到的飛行器包括飛機(jī)、無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星等設(shè)備。飛行器推掃的方向是沿著N個(gè)像元的方向，此方向的N個(gè)像元通過光波導(dǎo)進(jìn)入不同干涉長(zhǎng)度差的光波導(dǎo)MZI，而平行于推掃方向的M個(gè)像元進(jìn)入相同干涉長(zhǎng)度差的光波導(dǎo)MZI。對(duì)于視場(chǎng)中的每一個(gè)點(diǎn)，通過飛行器的推掃相對(duì)于成像系統(tǒng)的視場(chǎng)在像面不同位置成像，當(dāng)飛行器掃過一個(gè)全視場(chǎng)的面積時(shí)，經(jīng)過N次成像的這一點(diǎn)通過了全部干涉長(zhǎng)度差的MZI，從而得到了這一點(diǎn)的干涉圖。對(duì)干涉圖實(shí)施傅里葉變換就可以得到該點(diǎn)的光譜分布。對(duì)于視場(chǎng)中的每一點(diǎn)，都可以在上述過程中得到光譜信息，并與空間信息結(jié)合起來就得到了成像光譜儀的數(shù)據(jù)立方體。

本實(shí)用新型的實(shí)施例及其實(shí)施過程如下：

圖2和圖3是本實(shí)用新型所述的兩種時(shí)空聯(lián)合調(diào)制的傅里葉變換成像光譜儀的實(shí)施方式示意。地面上某個(gè)區(qū)域被前置鏡成像到像面上某一個(gè)位置成為一個(gè)像元，被干涉光譜儀芯片上的對(duì)應(yīng)位置模斑轉(zhuǎn)換器接收并導(dǎo)入對(duì)應(yīng)序號(hào)的MZI，經(jīng)過干涉以后被探測(cè)器接收探測(cè)強(qiáng)度。地面上此區(qū)域隨著載具的移動(dòng)，其對(duì)應(yīng)成像像素位置沿著模斑轉(zhuǎn)換器列移動(dòng)不斷被不同序號(hào)的模斑轉(zhuǎn)換器接收進(jìn)入對(duì)應(yīng)MZI，最終經(jīng)過512個(gè)相同的過程，此地面區(qū)域信號(hào)被所有序號(hào)的MZI掃過。

圖4是前置鏡成像像元對(duì)應(yīng)到地面上的位置及其在飛行器移動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)在地面上的移動(dòng)方向，移動(dòng)方向平行于N像元一列。此N像元對(duì)應(yīng)的位置排列N個(gè)不同光程差的MZI，其在飛行器掃描過程中各個(gè)MZI接收信號(hào)對(duì)應(yīng)的地面位置如圖5所示。t₁到t₅相鄰時(shí)間間隔是地面成像像元在像面移動(dòng)了相鄰像元的距離所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。當(dāng)一個(gè)地面區(qū)域?qū)?yīng)像元遍歷過所有N個(gè)MZI之后，其光譜信息可以被計(jì)算出。

具體來看，經(jīng)過前置鏡成像的像元空間光由透鏡聚焦到像點(diǎn)上，要能被耦合進(jìn)入波導(dǎo)中，一個(gè)條件是需要例如圖6所示的模斑轉(zhuǎn)換器。其作用是使得像元的光場(chǎng)模場(chǎng)分布大小和波導(dǎo)接收口匹配，以接收盡可能多的光。另一個(gè)條件是波導(dǎo)的數(shù)值孔徑滿足能盡量多的接收透鏡各個(gè)位置聚焦到像元的光。以嫦娥一號(hào)衛(wèi)星的成像光譜儀為例，其前置光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)是7.34，所需接收波導(dǎo)的數(shù)值孔徑是0.135，如果按照其全系統(tǒng)性能計(jì)算，F(xiàn)數(shù)是2.4，所需接收波導(dǎo)的數(shù)值孔徑是0.385，這些數(shù)值基本上小于氮氧化硅或者硅波導(dǎo)的數(shù)值孔徑。所以通過與前置鏡參數(shù)相匹配的設(shè)計(jì)波導(dǎo)和模斑轉(zhuǎn)換器可以達(dá)到滿意的耦合效率。

光信號(hào)進(jìn)入波導(dǎo)之后經(jīng)過MZI干涉，圖7是兩種s型MZI的示意圖。與一般經(jīng)典的MZI結(jié)構(gòu)不同，這種結(jié)構(gòu)通過90度彎曲時(shí)內(nèi)外兩臂的波導(dǎo)路程不同來制造出光程差，此光程差為彎曲前后兩臂波導(dǎo)間距之和。如圖7中上方2個(gè)MZI所示，對(duì)于光程差較小(20μm以內(nèi))的情況，由于兩臂兩根波導(dǎo)之間間距有最小值(如10μm)，一個(gè)彎曲制造的最小光程差大于所需要的數(shù)值，所以通過兩根波導(dǎo)進(jìn)行兩次相反方向的90度彎曲，用前后兩個(gè)水平方向行進(jìn)時(shí)波導(dǎo)間距之差來制造出合適的較小光程差。而對(duì)于稍大(大于20μm)的光程差，可以如圖7中下方3個(gè)MZI所示，通過控制彎曲前后波導(dǎo)間距，通過一個(gè)90度彎曲達(dá)成。這種MZI結(jié)構(gòu)特別適合于用在MZI數(shù)量很多，波導(dǎo)彎曲半徑較大而MZI光程差相對(duì)較小的情況。

圖8是一種具體的氮氧化硅脊型波導(dǎo)在0.9μm到1.7μm波長(zhǎng)下TE與TM模式有效折射率圖，其采用的氮氧化硅脊型波導(dǎo)芯層折射率1.6隨波長(zhǎng)略微變化，包層采用二氧化硅。脊型波導(dǎo)平板區(qū)厚度1.2μm，脊高1μm，脊寬2.2μm。脊型波導(dǎo)能在較寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)保持單模工作而且相對(duì)于矩形單模波導(dǎo)，其TE與TM偏振的等效折射率差較小，這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于此成像光譜儀設(shè)計(jì)非常重要。

對(duì)于成像于芯片平面上方或者下發(fā)位置的像元，圖2方案通過壓電陶瓷的超聲波電機(jī)快速上下移動(dòng)芯片掃描不同位置的信號(hào)，圖3方案通過堆疊M片芯片覆蓋孔徑內(nèi)所有像元來接收所有像元。具體如下：

實(shí)施例1

具體是例如，如圖2所示，前置鏡1等成像系統(tǒng)置于飛行器底部，朝向正下方進(jìn)行采集，前置鏡1成像系統(tǒng)的成像像面為N×M像面，飛行器的推掃方向?yàn)閳D中向上推掃，成像像面對(duì)應(yīng)于平行推掃方向是一排N個(gè)像元，模斑轉(zhuǎn)換器陣列4中N個(gè)模斑轉(zhuǎn)換器的輸入端口對(duì)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)接收成像像面上沿排方向的N個(gè)像元的光信號(hào)，MZI陣列5的N個(gè)MZI的輸入端口接收和傳輸排方向的N個(gè)像元的光信號(hào)，MZI陣列5中MZI間的輸入端口間距與成像像面沿排方向的像元間的間距相同；

在垂直于飛行器推掃方向的每列上有M個(gè)像元，干涉光譜儀芯片3沿著成像像面的列方向通過壓電馬達(dá)2控制其運(yùn)動(dòng)，使得干涉光譜儀芯片3分別對(duì)準(zhǔn)成像像面M列的排像元進(jìn)行掃描，從而使得一個(gè)成像周期內(nèi)接收成像像面全部的N×M像元信號(hào)；

下一個(gè)成像周期沿推掃方向移動(dòng)一個(gè)像元距離再次進(jìn)行掃描，從而使得所針對(duì)圖像采集對(duì)象的每個(gè)像元位置均經(jīng)過N個(gè)成像周期在全視場(chǎng)被成像接收，每次經(jīng)過不同干涉臂差的MZI，獲得完整的干涉圖。

實(shí)施例2

具體是例如，如圖3所示，前置鏡1等成像系統(tǒng)置于飛行器底部，朝向正下方進(jìn)行采集，前置鏡1成像系統(tǒng)的成像像面為N×M像面，飛行器的推掃方向?yàn)閳D中向上推掃，成像像面對(duì)應(yīng)于平行推掃方向是一排N個(gè)像元。

一片干涉光譜儀芯片3的模斑轉(zhuǎn)換器陣列4中N個(gè)模斑轉(zhuǎn)換器的輸入端口對(duì)準(zhǔn)接收成像像面上沿排方向的N個(gè)像元的光信號(hào)，MZI陣列5中MZI間的輸入端口間距與成像像面沿排方向的像元間的間距相同；三維芯片8的M片干涉光譜儀芯片3層疊方向?qū)?zhǔn)接收成像像面上沿列方向的M個(gè)像元的光信號(hào)，干涉光譜儀芯片3之間對(duì)應(yīng)的輸入端口的間距通過基底和上包層厚度控制使得其與成像像面沿列方向的像元間的間距相同。

三維芯片8上所有模斑轉(zhuǎn)換器構(gòu)成對(duì)準(zhǔn)成像像面上全部N×M像元信號(hào)的一平面，三維的芯片形成一個(gè)N×M的輸入波導(dǎo)矩陣，從而使得三維芯片8在飛行器的一個(gè)成像周期內(nèi)接收成像像面全部的像元信號(hào)。

成像像面的排方向平行于推掃方向，列方向垂直于推掃方向，下一個(gè)成像周期沿推掃方向移動(dòng)一個(gè)像元距離再次進(jìn)行掃描，從而使得所針對(duì)圖像采集對(duì)象的每個(gè)像元位置均經(jīng)過N個(gè)成像周期在全視場(chǎng)被成像接收，每次經(jīng)過不同干涉臂差的MZI，獲得完整的干涉圖。

實(shí)施例3

具體是例如，如圖3所示，前置鏡1等成像系統(tǒng)置于飛行器底部，朝向正下方進(jìn)行采集，前置鏡1成像系統(tǒng)的成像像面為N×M像面，飛行器的推掃方向?yàn)閳D中向上推掃，成像像面對(duì)應(yīng)于平行推掃方向是一排N個(gè)像元。

一片干涉光譜儀芯片3的模斑轉(zhuǎn)換器陣列4中M個(gè)模斑轉(zhuǎn)換器的輸入端口對(duì)準(zhǔn)接收成像像面上沿列方向的M個(gè)像元的光信號(hào)，MZI陣列5中MZI間的輸入端口間距與成像像面沿排方向的像元間的間距相同；三維芯片8的N片干涉光譜儀芯片3層疊方向?qū)?zhǔn)接收成像像面上沿列方向的N個(gè)像元的光信號(hào)，干涉光譜儀芯片3之間對(duì)應(yīng)的輸入端口的間距通過基底和上包層厚度控制使得其與成像像面沿列方向的像元間的間距相同。

三維芯片8上所有模斑轉(zhuǎn)換器構(gòu)成對(duì)準(zhǔn)成像像面上全部N×M像元信號(hào)的一平面，三維的芯片形成一個(gè)N×M的輸入波導(dǎo)矩陣，從而使得三維芯片8在飛行器的一個(gè)成像周期內(nèi)接收成像像面全部的像元信號(hào)。

成像像面的排方向平行于推掃方向，列方向垂直于推掃方向，下一個(gè)成像周期沿推掃方向移動(dòng)一個(gè)像元距離再次進(jìn)行掃描，從而使得所針對(duì)圖像采集對(duì)象的每個(gè)像元位置均經(jīng)過N個(gè)成像周期在全視場(chǎng)被成像接收，每次經(jīng)過不同干涉臂差的MZI，獲得完整的干涉圖。

本實(shí)用新型的原理如下：

如圖2和圖3所示，地面上某個(gè)區(qū)域被前置鏡成像到像面上某一個(gè)位置成為一個(gè)像元，被干涉光譜儀芯片上的對(duì)應(yīng)位置模斑轉(zhuǎn)換器接收并導(dǎo)入對(duì)應(yīng)序號(hào)的MZI，經(jīng)過干涉以后被探測(cè)器接收探測(cè)強(qiáng)度。地面上此區(qū)域隨著載具的移動(dòng)，其對(duì)應(yīng)成像像素位置沿著模斑轉(zhuǎn)換器列移動(dòng)不斷被不同序號(hào)的模斑轉(zhuǎn)換器接收進(jìn)入對(duì)應(yīng)MZI如圖5所示。最終經(jīng)過N個(gè)相同的過程，此地面區(qū)域信號(hào)被所有序號(hào)的MZI掃過。接著根據(jù)已知的各個(gè)MZI光程差，通過對(duì)各個(gè)探測(cè)器接收光信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換得到接收的地面位置光譜圖。與相里斌提出的大口徑靜態(tài)干涉成像光譜儀不同的是，本實(shí)用新型對(duì)各個(gè)像元光信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換的部分由MZI陣列來承擔(dān)與一般的傅里葉變換光譜儀不同的是，此處用光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在較大波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行的干涉，其波導(dǎo)色散不能忽略。

在不考慮波導(dǎo)色散的情況下，波導(dǎo)的有效折射率可以認(rèn)為與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，設(shè)為n_eff。對(duì)于一個(gè)波導(dǎo)長(zhǎng)度差為L(zhǎng)＝x/n_eff的MZI，x表示在有效折射率下的干涉臂光程差。不考慮器件不完美引入的損耗，其對(duì)某個(gè)波數(shù)σ的光的透過率是：

T(σ,x)＝0.5+0.5cos(2πσx) (1)

其中，T(σ,x)是波數(shù)σ的光輸入波導(dǎo)干涉臂光程差為x的MZI的透射率。一頻率譜分布(按照波數(shù)為坐標(biāo))為G(σ)的光輸入此MZI之后得到的總光強(qiáng)是：

其中，I(x)是波導(dǎo)干涉臂光程差為x的MZI輸出的總光強(qiáng)。在x＝0時(shí)的MZI接收光強(qiáng)I(0)記為I₀，同時(shí)(2)式可以寫成指數(shù)形式：

根據(jù)傅里葉變換的性質(zhì)以及將關(guān)系式L＝x/n_eff帶入(3)式，可以得到

其中，I(σ)是對(duì)2I(n_effL)-I₀進(jìn)行傅里葉變換操作得到的函數(shù)。

在N個(gè)干涉臂光程差分別為從0到(N-1)·n_effΔL，以n_effΔL為等差數(shù)列的不同MZI依次接收同一個(gè)光源輸出的情況下，I(x)離散化成為數(shù)列：

I_MZI(k)＝I(k·n_effΔL),k＝0,1,2,…,N-1 (5)

其中，I_MZI(k)代表第k+1個(gè)MZI。從而可以得到輸入光譜曲線G(σ)的計(jì)算公式：

其中，第一個(gè)光程差為0的MZI的輸出光強(qiáng)值計(jì)算時(shí)需要多除以2，因此計(jì)算時(shí)單獨(dú)列出。因?yàn)槠湓诓蓸臃秶倪吔纭?/p>

設(shè)計(jì)中因?yàn)楣ぷ鞑ㄩL(zhǎng)范圍很大，需要考慮波導(dǎo)色散效應(yīng)，波導(dǎo)的等效折射率隨著波長(zhǎng)的變化如圖8所示，一定范圍內(nèi)可以看成是和波長(zhǎng)線性關(guān)系。因此認(rèn)為折射率-波數(shù)關(guān)系能擬合成關(guān)系式n(σ)＝A-B/σ。其中A和B均表示折射率波數(shù)關(guān)系系數(shù)，是常數(shù)，由波導(dǎo)材料色散和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)決定。

于是公式(1)～(6)式變?yōu)楣?7)～(10)：

其中，I(σ)是對(duì)2I(n_effL)-I₀進(jìn)行傅里葉變換操作得到的函數(shù)，G(σ)是輸入的光譜。

離散化的情況下，計(jì)算公式為：

其中，I(σ)函數(shù)表示對(duì)2I_MZI(k)-I₀序列的傅里葉變換得到的函數(shù)(變換過程由公式(6)表示)，G()是輸入光譜。于是，可以通過N個(gè)MZI的輸出光強(qiáng)I_MZI(k)反推出輸入的光信號(hào)的光譜曲線G(σ)。

下面以帶有具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。

芯片基底選擇硅，波導(dǎo)芯層是折射率1.6的氮氧化硅，厚度2.2μm，制作波導(dǎo)時(shí)刻蝕1μm深，得到脊型波導(dǎo)，等效折射率如圖8所示。芯層上下面各有二氧化硅上下包層4μm。設(shè)計(jì)一個(gè)成像光譜儀，前置鏡成像像元間距25μm，則圖2所示的模斑耦合器間距25μm。成像光譜儀工作波長(zhǎng)范圍900nm～1700nm，根據(jù)帶通采樣定理，為了使得采樣后頻譜不重疊，讓工作頻率放在1/2采樣頻率到一倍采樣頻率之間。則單元光程差Δx可在0.85μm到0.9μm之間。取0.875μm。成像光譜儀沿著飛行器運(yùn)動(dòng)方向的像元數(shù)N為512，則MZI最長(zhǎng)光程差x_N-1＝0.875×511＝447.125μm。對(duì)應(yīng)波導(dǎo)長(zhǎng)度差L_N-1＝x_N-1/n_eff＝284.612μm。其光譜分辨率按照一般的傅里葉變換光譜儀的分辨率公式

進(jìn)行符合本實(shí)用新型情況的變化以后得到：

在900nm波長(zhǎng)時(shí)分辨率為1.74nm。在1700nm時(shí)波長(zhǎng)分辨率為6.2nm。處于很高的水平。

將具有如圖9所示的光譜的光輸入芯片中各個(gè)MZI，得到的各個(gè)編號(hào)的MZI輸出光強(qiáng)如圖10所示。在經(jīng)過上述原理中所述處理之后，得到的還原光譜如圖11和圖12所示(橫坐標(biāo)分別為波數(shù)和波長(zhǎng)，方便對(duì)比)。可以看出基于時(shí)空聯(lián)合調(diào)制的使用光波導(dǎo)MZI(MZI)陣列的成像光譜儀其對(duì)于光譜的還原能力是準(zhǔn)確的。

對(duì)于一般有狹縫的推掃式成像光譜儀來說，地面一個(gè)像元的光進(jìn)入光譜儀之后會(huì)被分成N份進(jìn)行光譜測(cè)量，每一份的平均光能量是1/N。而基于時(shí)空聯(lián)合調(diào)制的傅里葉變換成像光譜儀對(duì)地面一個(gè)像元的光只等分成2份以后進(jìn)行相干疊加，探測(cè)器探測(cè)到的光能量強(qiáng)度是前者的N倍的量級(jí)，靈敏度大大增加。另外對(duì)于芯片光譜儀來說，在進(jìn)入芯片后再將光分成N份還會(huì)引入額外損耗，本實(shí)用新型的芯片光譜儀省去了這一結(jié)構(gòu)，避免了此種額外損耗。從整個(gè)成像光譜儀的角度來說，原本在平行于推掃方向上只接收一個(gè)地面像元光信號(hào)，現(xiàn)在在平行于推掃方向上同時(shí)接收N個(gè)像元光信號(hào)，系統(tǒng)同時(shí)入射的光通量增加了N倍。這樣在保持探測(cè)器靈敏度不變的情況下，成像前置鏡的接收孔徑就能減小。

由此，上述實(shí)施例可說明本實(shí)用新型簡(jiǎn)化了光路的復(fù)雜程度，又利用光芯片的特點(diǎn)極大減輕了成像光譜儀的重量和體積，具有高集成度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提升了系統(tǒng)的入射光通量，在相同探測(cè)器靈敏度的情況下減小了接收孔徑，使得成像光譜儀的成像部分和光譜部分都小型化、輕型化。

注意，上述實(shí)施例是用來解釋說明本實(shí)用新型，而不是對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行限制，在本實(shí)用新型的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本實(shí)用新型做出的任何修改和改變，都將落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。