基于时空联合调制和MZI光波导阵列的成像光谱仪制造技术

本发明专利技术公开了一种基于时空联合调制和MZI光波导阵列的成像光谱仪。采用无狭缝成像系统，包括前置镜以及一层干涉光谱仪芯片或者多层干涉光谱仪芯片相层叠而成的三维芯片，每层干涉光谱仪芯片包括主要由模斑转换器阵列、MZI阵列和探测器阵列依次连接而成的光波导结构，MZI阵列由具有不同干涉臂差的MZI平行排列而成，每个MZI的输入端口在成像像面上接收平行于推扫图像区域上同一排或列的像元信号。本发明专利技术既简化了光路的复杂程度，又极大减轻了成像光谱仪的重量和体积，具有高集成度和高稳定性，并大大提升了系统的入射光通量，使得成像光谱仪小型化、轻型化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及了一种成像光谱仪，尤其涉及了一种基于时空联合调制和MZI光波导阵列的成像光谱仪，具体是基于时空联合调制的傅里叶变换光谱仪以及集成光波导器件中的MZI器件。
技术介绍
光学仪器一直是空间探索与对地遥感中重要的一部分，遥感卫星和飞机上的成像光谱仪是对大气、海洋、陆地进行观测的重要仪器。成像光谱仪分为望远镜成像系统和光谱仪系统，比较成熟，性能良好的光谱分光技术有色散光谱仪和傅里叶变换光谱仪，它们都是用分立的镜头，分光元件和探测器组合而成，体积和重量相对较大，成本较高，而且对于元件固定有着较高要求，且无法与信号采集系统集成。这对于星载和机载来说都是一个负担。星载和机载仪器的重量和体积控制都非常严格。近年来，无人机成为成像光谱仪新的搭载平台，具有成本低廉，测量范围和空间分辨率调整灵活简单等优势。因为无人机重量轻，负载小，所以要求成像光谱仪的尺寸更小和重量更轻。对于地外空间探索来说，卫星的重量更是限制人们所能探索范围的重要因素。如英国物理学家斯蒂芬霍金等提出的“突破射星”计划中的微型星际飞船就是芯片级别大小，其中搭载了微型摄像机。如果成像光谱仪能够做到同样级别的大小以及克级别的重量，则摄像机就可以用微型成像光谱仪代替，遥感探测能力大大提升。随着光学领域的拓展，集成光学器件因为其体积小，性能可靠，防振动能力强以及高度集成化的特点，在很多领域有着巨大的潜力。也有种类繁多的芯片光谱仪报道，但是主要应用集中在生物传感，相干层析成像和激光光谱监控方面，在遥感成像方面应用集成平面光波导器件方案的设计还较少。传统傅里叶变换光谱仪分为空间调制型和时间调制型，而相里斌(董瑛,相里斌,赵葆常.\大孔径静态干涉成像光谱仪的干涉系统分析.\光学学报vol.21,no.3,pp.330-334,2001.)提出的大孔径静态干涉成像光谱仪属于时空联合调制型，工作方式特别适用于机载或星载的成像光谱仪。其原理简单，系统结构简化，没有运动部件，允许有很大的视场和任意的形状、大小的通光口径，在满足光通量要求下可以大大减小仪器的体积、重量、功耗等。但是其使用的空间光干涉系统体积天然远大于芯片光谱仪，后续还需要傅里叶变换透镜结构将干涉过的平行光聚焦到探测器阵列上，整体结构复杂度和体积重量大于芯片光谱仪。光波导MZI是一种常见的器件结构。常用在光开关，光调制器，光学传感领域。其原理是在波导中将一路光分成两份，经过了不同的光程之后再合并到一路进行干涉。两路通过光程差与波长的不同会导致干涉结果亮暗不同。目前没有将其应用到成像光谱仪中的案例。
技术实现思路
针对
技术介绍
的不足，本专利技术的目的在于提供了一种基于时空联合调制和MZI光波导阵列的成像光谱仪。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：本专利技术包括前置镜以及一层干涉光谱仪芯片或者多层干涉光谱仪芯片相层叠而成的三维芯片，每层干涉光谱仪芯片包括主要由模斑转换器阵列、MZI阵列和探测器阵列依次连接而成的平行排列的光波导结构，MZI阵列由N个具有不同干涉臂差的MZI平行排列而成，每个MZI有输入端口，所有MZI有N个等间隔排列的输入端口，N个输入端口在前置镜(成像系统)的成像像面上接收平行于推扫图像区域上同一排或列的N个像元信号。所述的前置镜是指成像光谱仪中的成像系统，采用机载或者星载的成像系统，包括前置镜和芯片在内的成像系统会沿推扫方向移动采集图像。所述的作为成像系统的前置镜包括沿光路依次排布的一系列物镜，限制视场为对应N×M个像元大小的孔澜。模斑转换器阵列的间隔与N个像元的成像间隔相同，输入光通过模斑转换器转换成与单模波导模式匹配的模斑进入输入波导，通过MZI分成两束等强度的光经过一定光程差后再合并进行干涉，干涉的结果被对应的片上探测器接收转换为电信号。所述的一干涉光谱仪芯片中，模斑转换器阵列包括N个模斑转换器，MZI阵列包括N个MZI，探测器阵列包括N个探测器，模斑转换器经各自对应的MZI与各自对应的探测器连接形成N组用于像元采集的光波导；所述的模斑转换器阵列中的每个模斑转换器的输入端口对准前置镜中心，以保证接收所在像元的最大光能量。第一种实施方式是包括前置镜、一层干涉光谱仪芯片和压电马达，一层干涉光谱仪芯片置于前置镜的成像像面上，压电马达连接干涉光谱仪芯片，压电马达控制沿成像像面的列方向平行移动；模斑转换器阵列中各个模斑转换器的输入端口对准接收成像像面上沿排方向的各个像元的光信号，MZI阵列中MZI间的输入端口间距与成像像面沿排方向的像元间的间距相同；干涉光谱仪芯片沿着成像像面的列方向通过压电马达控制其运动，使得干涉光谱仪芯片分别对准成像像面不同排的像元进行扫描，从而使得一个成像周期内接收成像像面全部的像元信号；成像像面的排方向平行于推扫方向，列方向垂直于推扫方向，下一个成像周期沿推扫方向移动一个像元距离再次进行扫描，从而使得所针对图像采集对象的每个像元位置均经过多个成像周期在全视场被成像接收，每次经过不同干涉臂差的MZI，获得完整的干涉图。前置镜出射的沿着推扫方向的一排视场内不同位置的光进入芯片不同干涉长度差的MZI，干涉结果被对应探测器接收。垂直于推扫方向的视场内不同位置的光则对芯片快速定位扫描，依次被芯片接收。第二种实施方式是包括前置镜、由多片相同的干涉光谱仪芯片层叠粘接形成的三维芯片，三维芯片置于前置镜的成像像面上，每片干涉光谱仪芯片中有N个干涉臂差不同的MZI阵列；一片干涉光谱仪芯片的模斑转换器阵列中各个模斑转换器的输入端口对准接收成像像面上沿排方向的各个像元的光信号，MZI阵列中MZI间的输入端口间距与成像像面沿排方向的像元间的间距相同；三维芯片的多片干涉光谱仪芯片层叠方向对准接收成像像面上沿列方向的各个像元的光信号，干涉光谱仪芯片之间对应的输入端口的间距通过基底和上包层厚度控制使得其与成像像面沿列方向的像元间的间距相同；三维芯片上各个模斑转换器构成对准成像像面上各个像元信号的一平面，从而使得三维芯片一个成像周期内接收成像像面全部的像元信号；成像像面的排方向平行于推扫方向，列方向垂直于推扫方向，下一个成像周期沿推扫方向移动一个像元距离再次进行扫描，从而使得所针对图像采集对象的每个像元位置均经过多个成像周期在全视场被成像接收，每次经过不同干涉臂差的MZI，获得完整的干涉图。第三种实施方式是包括前置镜、由多片干涉光谱仪芯片层叠粘接形成的三维芯片，三维芯片置于前置镜的成像像面上，每片干涉光谱仪芯片中有干涉臂差均相同的MZI阵列，各片干涉光谱仪芯片的MZI阵列的干涉臂差均不相同；一片干涉光谱仪芯片的模斑转换器阵列中各个模斑转换器的输入端口对准接收成像像面上沿列方向的各个像元的光信号，MZI阵列中MZI间的输入端口间距与成像像面沿排方向的像元间的间距相同；三维芯片的多片干涉光谱仪芯片层叠方向对准接收成像像面上沿排方向的各个像元的光信号，干涉光谱仪芯片之间对应的输入端口的间距通过基底和上包层厚度控制使得其与成像像面沿列方向的像元间的间距相同；三维芯片上各个模斑转换器构成对准成像像面上各个像元信号的一平面，从而使得三维芯片一个成像周期内接收成像像面全部的像元信号；成像像面的排方向平行于推扫方向，列方向垂直于推扫方向，下一个成像周期沿推扫方向移动一个像元距离再次进行扫描，从而使得所针对图像采集本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时空联合调制和MZI光波导阵列的成像光谱仪，其特征在于：包括前置镜(1)以及一层干涉光谱仪芯片(3)或者多层干涉光谱仪芯片(3)相层叠而成的三维芯片(8)，每层干涉光谱仪芯片(3)包括主要由模斑转换器阵列(4)、MZI阵列(5)和探测器阵列(6)依次连接而成的光波导结构，MZI阵列(5)由N个具有不同干涉臂差的MZI平行排列而成，每个MZI有输入端口，所有MZI有N个等间隔排列的输入端口，N个输入端口在前置镜(1)的成像像面上接收平行于推扫图像区域上同一排或列的N个像元信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于时空联合调制和MZI光波导阵列的成像光谱仪，其特征在于：包括前置镜(1)以及一层干涉光谱仪芯片(3)或者多层干涉光谱仪芯片(3)相层叠而成的三维芯片(8)，每层干涉光谱仪芯片(3)包括主要由模斑转换器阵列(4)、MZI阵列(5)和探测器阵列(6)依次连接而成的光波导结构，MZI阵列(5)由N个具有不同干涉臂差的MZI平行排列而成，每个MZI有输入端口，所有MZI有N个等间隔排列的输入端口，N个输入端口在前置镜(1)的成像像面上接收平行于推扫图像区域上同一排或列的N个像元信号。2.根据权利要求1所述的一种基于时空联合调制和MZI光波导阵列的成像光谱仪，其特征在于：所述的一干涉光谱仪芯片(3)中，模斑转换器阵列(4)包括N个模斑转换器，MZI阵列(5)包括N个MZI，探测器阵列(6)包括N个探测器，模斑转换器经各自对应的MZI与各自对应的探测器连接形成N组用于像元采集的光波导；所述的模斑转换器阵列(4)中的每个模斑转换器的输入端口对准前置镜中心(7)。3.根据权利要求1-2任一所述的一种基于时空联合调制和MZI光波导阵列的成像光谱仪，其特征在于：包括前置镜(1)、一层干涉光谱仪芯片(3)和压电马达(2)，一层干涉光谱仪芯片(3)置于前置镜(1)的成像像面上，压电马达(2)连接干涉光谱仪芯片(3)，压电马达(2)控制沿成像像面的列方向平行移动；模斑转换器阵列(4)中各个模斑转换器的输入端口对准接收成像像面上沿排方向的各个像元的光信号，MZI阵列(5)中MZI间的输入端口间距与成像像面沿排方向的像元间的间距相同；干涉光谱仪芯片(3)沿着成像像面的列方向通过压电马达(2)控制其运动，使得干涉光谱仪芯片(3)分别对准成像像面不同排的像元进行扫描，从而使得一个成像周期内接收成像像面全部的像元信号；成像像面的排方向平行于推扫方向，列方向垂直于推扫方向，下一个成像周期沿推扫方向移动一个像元距离再次进行扫描，从而使得所针对图像采集对象的每个像元位置均经过多个成像周期在全视场被成像接收，每次经过不同干涉臂差的MZI，获得完整的干涉图。4.根据权利要求1-2任一所述的一种基于时空联合调制和MZI光波导阵列的成像光谱仪，其特征在于：包括前置镜(1)、由多片相同的干涉光谱仪芯片(3)层叠粘接形成的三维芯片(8)，三维芯片(8)置于前置镜(1)的成像像面上，每片干涉光谱仪芯片(3)中有N个干涉臂差不同的MZI阵列(5)；一片干涉光谱仪芯片(3)的模斑转换器阵列(4)中各个模斑转换器的输入端口对准接收成像像面上沿排方向的各个像元的光信号，MZI阵列(5)中MZI间的输入端口间距与成像像面沿排方向的像元间的间距相同；三维芯片(8)的多片干涉光谱仪芯片(3)层叠方向对准接收成像像面上沿列方向的各个像元的光信号，干涉光谱仪芯片(3)之间对应的输入端口的间距与成像像面沿列方向的像元间的间距相同；三维芯片(8)上各个模斑转换器构成对...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨旻岳，何建军，李明宇，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33