CN105547478A - 基于蚀刻衍射光栅的成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蚀刻衍射光栅的成像光谱仪。包括推扫式扫描的成像系统和主要集成有第一分光系统或者第二分光系统的集成芯片，输入光经成像系统成像为空间光后，空间光经第一分光系统分光输出，或者空间光依次经数字微镜阵列光开关、柱面镜处理聚焦后再经第二分光系统分光输出。本发明极大减轻了成像光谱仪的重量和体积，具有高集成度，增强了系统的稳定性，具有大范围光谱和较好的系统功能扩展性，可用于小型无人机的遥感探测。

Description

基于蚀刻衍射光栅的成像光谱仪

技术领域

本发明涉及了一种成像光谱仪，尤其涉及了一种基于蚀刻衍射光栅的成像光谱仪。

背景技术

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棱镜、光栅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，空域不受管制，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。

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，在遥感成像方面还未有应用集成平面光波导器件方案的设计。

作为光栅在集成光学器件中的变形——蚀刻衍射光栅有着和普通光栅分光器件一样的原理，不同的是蚀刻衍射光栅通过罗兰圆结构，集聚焦透镜与光栅分光的功能为一体，在一个微小的芯片中实现了准直镜、色散元件、成像系统。通过单个器件多个输入通道时分复用，可在没有机械运动的情况下用一个蚀刻衍射光栅对多个像元的光信号实现分光的效果。

发明内容

针对背景技术的不足，本发明的目的在于提供了一种基于蚀刻衍射光栅的成像光谱仪。经过成像系统和狭缝所得到的像通过光开关阵列和蚀刻衍射光栅以时分复用的形式将每一个像元的光信号光谱在空间上分开，并且聚焦在对应输出波导处，再进入探测器阵列中转换为电信号。每一个时刻只有一个光开关打开，输入一个像元位置的光信号进入到蚀刻衍射光栅的对应输入波导，此时对应位置的输出波导作为对应此输入波导的各光谱接收端。不同像元用到的输入波导不同，对应的输出波导也有不同。同一个输出波导对应不同像元或输入波导的时接收的光谱波长会不同，但是探测器都能接收到光强度信号并对比定标结果进行归一化。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一、第一种基于蚀刻衍射光栅的成像光谱仪：

包括推扫式扫描的成像系统和主要集成有第一分光系统的集成芯片，输入光经成像系统成像为空间光后，输入集成芯片的第一分光系统中经分光处理输出为对应于各个不同像素入射信号光下的不同波长信号光。

所述的第一分光系统包括光开关阵列、蚀刻衍射光栅、探测器阵列、模斑转换器、输入波导阵列和输出波导阵列，模斑转换器依次经输入波导阵列、蚀刻衍射光栅和输出波导阵列后与探测器阵列连接，输入波导阵列的前半部分设有可调光衰减器光开关阵列；输入光经成像系统成像为空间光后输入到模斑转换器，经模斑转换器将其转为与输入波导阵列相匹配的模斑输入到输入波导阵列中，再经蚀刻衍射光栅进行转换输入到输出波导阵列并输出获得不同像素的输出信号光，同一像素的输出信号光包含有不同波长的信号光，最后经探测器阵列将光信号转化为电信号。

所述的集成芯片至少集成有一个分光系统，多个分光系统以阵列均布地集成在集成芯片基板上。

所述的成像系统包括沿光路依次排布的物镜、入射狭缝和准直仪。

所述的输入波导阵列采用罗兰圆结构排列，输出波导阵列采用两点法平场排列。

本发明的蚀刻衍射光栅采用罗兰圆结构为基础，在输出位置处采用两点法平场输出面设计以方便集成探测器时减小体积，输入波导阵列按照罗兰圆位置排列以获得边缘输入波导与中心输入波导的中心工作波长损耗均匀性小于1dB，器件所有输入位置的所有通道串扰小于-25dB，如图10，图12与图13中所示。最终使得蚀刻衍射光栅的工作波长范围大于500nm以满足成像光谱仪遥感工作要求。

所述的可调光衰减器光开关阵列是在SOI脊型直波导上制作横向pin结，通过载流子注入调控光吸收制成。

所述的可调光衰减器光开关阵列是在弯曲波导上通过载流子注入或热调制弯曲损耗来制成。

所述探测器阵列为集成于芯片上的探测器或者封装于芯片输出波导后的探测器阵列。

二、第二种基于蚀刻衍射光栅的成像光谱仪：

包括推扫式扫描的成像系统、主要集成有第二分光系统的集成芯片以及位于成像系统和集成芯片之间的数字微镜阵列光开关和柱面镜，输入光经成像系统成像为空间光后，再依次经数字微镜阵列光开关和柱面镜进行处理聚焦，然后通过集成芯片的第二分光系统中经分光处理输出为对应于各个不同像素入射信号光下的不同波长信号光。

推扫式扫描的成像系统前置光学系统成像到一列数字微镜阵列上，数字微镜阵列光开关作为光开关阵列，在数字微镜阵列光开关打开的状态下，反射光通过柱面镜成像到光谱仪芯片的入射端口；在数字微镜阵列光开关关闭的状态下反射光角度不同，无法进入后续系统。

所述的第二分光系统包括光开关阵列、蚀刻衍射光栅、探测器阵列、模斑转换器、输入波导阵列和输出波导阵列，模斑转换器依次经输入波导阵列、蚀刻衍射光栅和输出波导阵列后与探测器阵列连接，输入波导阵列的前半部分设有可调光衰减器光开关阵列；输入光经成像系统成像为空间光后输入到模斑转换器，经模斑转换器将其转为与输入波导阵列相匹配的模斑输入到输入波导阵列中，再经蚀刻衍射光栅进行转换输入到输出波导阵列并输出获得不同像素的输出信号光，同一像素的输出信号光包含有不同波长的信号光，最后经探测器阵列将光信号转化为电信号。

所述的柱面镜聚焦于水平方向或者垂直方向。

所述的集成芯片至少集成有一个分光系统，多个分光系统以阵列均布地集成在集成芯片基板上。

所述的成像系统包括沿光路依次排布的物镜、入射狭缝和准直仪。

所述的输入波导阵列采用罗兰圆结构排列，输出波导阵列采用两点法平场排列。

本发明的蚀刻衍射光栅采用罗兰圆结构为基础，在输出位置处采用两点法平场输出面设计以方便集成探测器时减小体积，输入波导阵列按照罗兰圆位置排列以获得边缘输入波导与中心输入波导的中心工作波长损耗均匀性小于1dB，器件所有输入位置的所有通道串扰小于-25dB，如图10，图12与图13中所示。最终使得蚀刻衍射光栅的工作波长范围大于500nm以满足成像光谱仪遥感工作要求。

所述的可调光衰减器光开关阵列是在SOI脊型直波导上制作横向pin结，通过载流子注入调控光吸收制成。

所述的可调光衰减器光开关阵列是在弯曲波导上通过载流子注入或热调制弯曲损耗来制成。

所述探测器阵列为集成于芯片上的探测器或者封装于芯片输出波导后的探测器阵列。

本发明前置的成像系统接收视场内对应一条线阵列像素的遥感图像，每一个波导接收一个像素的光信号，每一次只打开一个光开关让光通过对应的波导进入蚀刻衍射光栅。经过平板波导区域和刻蚀衍射光栅反射，不同波长的光就聚焦在输出面上不同的位置，从而被探测器阵列接收。不同像素对应的不同输入波导采用时分复用的方式共用同一个蚀刻衍射光栅，其分光后成像在输出面分布的位置也有不同，对应的探测器也有所不同。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

1、本发明通过光开关与集成光学技术的蚀刻衍射光栅、探测器的光谱仪部分代替了传统成像光谱仪的分立器件光谱仪系统，极大的减轻了成像光谱仪的重量和体积，并且增强了系统的稳定性，适用于机载应用，尤其是对器件尺寸和重量要求较高的小型无人机，从而降低遥感探测的成本。

2、从以前美国AVIRIS(AirborneVisibleInfraredImagingSpectrometer)成像光谱仪的结构可以看出传统光谱仪的局限：为了得到400nm到2400nm的光谱范围，传统光谱仪需要增加很大体积的多个光谱仪，从而导致了较大重量和体积，所以一般卫星上遥感成像不会携带如此大范围光谱的光谱仪。本发明采用芯片光谱仪代替以上光谱仪，工作在不同波段的蚀刻衍射光栅光谱仪器件，在只增加很小的体积和重量的情况下极大的扩展遥感的光谱范围，具有很强的系统功能扩展性，解决了上述问题。

3、成像光谱仪出于性能考虑一般选择推扫型成像方式，比一般已有的芯片光谱仪，需要更大的工作波长范围和较多的输入通道。而目前的芯片光谱仪只能有一个输入通道工作，单通道工作的光谱仪若要用在成像光谱仪上则只能使用摇摆型成像，需要增加机械摇摆装置配合卫星轨道运行的扫描，效率低而且结构复杂。若现有的芯片光谱仪想要增加输入通道就只能增加一整个同样的器件使得体积翻倍，失去了集成器件的优势。本发明解决了上述问题，使得芯片光谱仪可以在保持高集成度优势的情况下应用在遥感成像的成像光谱仪领域。

4、本发明通过使用蚀刻衍射光栅在低衍射级次(第一衍射级次或第二衍射级次)下的设计，使得单个器件的工作波长范围大于500nm，能够在满足遥感成像的光谱范围需求的同时，使用多个输入输出波导快速切换满足成像光谱仪数量较多的像素点分别分光的要求，其他种类的芯片光谱仪能够有如此大工作波长范围的如微环阵列，FP腔阵列光谱仪都无法多路通道快速切换工作。而能够有多路通道快速切换工作，常用作路由器的阵列波导光栅却无法达到如此大工作波长范围。

附图说明

图1是背景技术中提到的传统推扫式光栅成像光谱仪。

图2是本发明一种成像光谱仪结构示意图。

图3是本发明另一种成像光谱仪结构示意图。

图4是光纤与波导耦合的模斑转换器结构。

图5是基于3μmSOI的脊型单模波导截面图。

图6是脊型波导TE模式图，此波导结构在1250nm到1750nm波长工作的TE模式是单模。

图7是脊型波导TM模式图，此波导结构在1250nm到1750nm波长工作的TM模式是单模。

图8是罗兰圆结构的蚀刻衍射光栅原理图。

图9是蚀刻衍射光栅的中心输入波导的输出平面模场分布。

图10是蚀刻衍射光栅的中心输入波导的输出光谱。

图11是三个相邻的输入波导在分别工作时，特定两个波长的光成像位置图。其中点画线是输入波导坐标5.3um，实线是输入波导坐标0um，虚线是输入波导坐标-5.3um。

图12是实施例中第128条输入波导的输出平面模场分布。

图13是实施例中第1条输入波导的输出平面模场分布。

图14是实施例中多个分光系统以阵列均布地集成在集成芯片2基板上的示意图。

图中：成像系统1，集成芯片2，模斑转换器3，输入波导阵列4，可调光衰减器光开关阵列5，平板波导区域6，蚀刻衍射光栅7，输出波导阵列8，探测器阵列9，数字微镜阵列光开关10，柱面镜11，物镜12、入射狭缝13、准直仪14。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图2所示，本发明的一种成像光谱仪包括推扫式扫描的成像系统1和主要集成有第一分光系统的集成芯片2，输入光经成像系统1成像为空间光后，输入集成芯片2的第一分光系统中经分光处理输出为对应于各个不同像素入射信号光下的不同波长信号光。

第一分光系统包括光开关阵列5、蚀刻衍射光栅7、探测器阵列9、模斑转换器3、输入波导阵列4和输出波导阵列8，模斑转换器3依次经输入波导阵列4、蚀刻衍射光栅7和输出波导阵列8后与探测器阵列9连接，输入波导阵列4的前半部分设有可调光衰减器光开关阵列5；输入光经成像系统1成像为空间光后输入到模斑转换器3，本发明的模斑转换器3如图4所示，经模斑转换器3将其转为与输入波导阵列4相匹配的模斑输入到输入波导阵列4中，再经蚀刻衍射光栅7进行转换输入到输出波导阵列8并输出获得不同像素的输出信号光，同一像素的输出信号光包含有不同波长的信号光，最后经探测器阵列9将光信号转化为电信号。

如图3所示，本发明的另一种成像光谱仪包括推扫式扫描的成像系统1、主要集成有第二分光系统的集成芯片2以及位于成像系统1和集成芯片2之间的数字微镜阵列光开关10和柱面镜11，输入光经成像系统1成像为空间光后，再依次经数字微镜阵列光开关10和柱面镜11进行处理聚焦，然后通过集成芯片2的第二分光系统中经分光处理输出为对应于各个不同像素入射信号光下的不同波长信号光。

推扫式扫描的成像系统前置光学系统成像到一列数字微镜阵列上，数字微镜阵列光开关10作为光开关阵列，在数字微镜阵列光开关10打开的状态下，反射光通过柱面镜成像到光谱仪芯片2的入射端口；在数字微镜阵列光开关10关闭的状态下反射光角度不同，无法进入后续系统。

第二分光系统包括光开关阵列5、蚀刻衍射光栅7、探测器阵列9、模斑转换器3、输入波导阵列4和输出波导阵列8，模斑转换器3依次经输入波导阵列4、蚀刻衍射光栅7和输出波导阵列8后与探测器阵列9连接，输入波导阵列4的前半部分设有可调光衰减器光开关阵列5；输入光经成像系统1成像为空间光后输入到模斑转换器3，本发明的模斑转换器3如图4所示，经模斑转换器3将其转为与输入波导阵列4相匹配的模斑输入到输入波导阵列4中，再经蚀刻衍射光栅7进行转换输入到输出波导阵列8并输出获得不同像素的输出信号光，同一像素的输出信号光包含有不同波长的信号光，最后经探测器阵列9将光信号转化为电信号。

本发明的集成芯片2至少集成有一个分光系统，多个分光系统以阵列均布地集成在集成芯片2基板上。每个分光系统所包含的输入波导阵列4和输出波导阵列8的波导个数均为N条，单个集成芯片2集成有M个分光系统，M表示分光系统的数量，由此集成芯片2上的输入波导阵列4拓展为M×N个，每N个输入波导进入蚀刻衍射光栅。

上述成像系统1包括沿光路依次排布的物镜12、入射狭缝13和准直仪14。

上述输出波导阵列对每一个输入波导接收N个波长的输出信号，相邻通道波长间隔4nm到8nm，扫描范围大于500nm。

蚀刻衍射光栅7主要有平板波导区域6和置于平板波导区域6上的闪耀光栅构成。

具体实施中的可调光衰减器光开关阵列5可以是在SOI脊型直波导上制作横向pin结，通过载流子注入调控光吸收制成；也可以是在弯曲波导上通过载流子注入或热调制弯曲损耗来制成。

本发明的实施例如下：

实施例1：

如图3是本发明的第一个实施方式中示意图，成像系统1将地面探测区域成像到狭缝处，被狭缝所限制得到一列对应128个像素的光耦合进入芯片的输入波导阵列，耦合损耗可以控制在1dB以内。通过控制输入波导上的可调谐光衰减器阵列，可依次读取每个输入通道对应的128个输出波导阵列光强信号，即每个空间点的光谱信息。

实施例2：

对于第二个实施方式，成像系统被狭缝所限制得到一列对应128个像素的像。所得到的像通过128个微镜组成的光开关阵列10后通过柱面镜在垂直于芯片平面方向上聚焦到4所示的taper耦合结构，最终将光导入128个如图5所示的大截面SOI波导。通过控制微镜光开关依次打开不同像素的开关，使得只有对应此像素的波导有光进入并被分光。

在成像光谱仪要求更高的空间分辨率，从而导致推扫成像一排需要有更多的像素工作，如一排1024个像素时，本发明的两种实施例均可以拓展为8个上述的分光系统以阵列均匀的分布在芯片上，如图14所示。每个分光系统接收其中128个像素的光信号。光开关同时打开8个对应的通道进入8个系统中并行工作，并不增加扫描时间，而且避免了在同一个蚀刻衍射光栅上增加过多输入波导导致输入角度变化太大，边缘输入波导成像质量下降的后果。而且由于采用成熟的半导体加工工艺，制作的复杂程度和成本并不会随通道数量增加而大幅提升。

两个实施例子的蚀刻衍射光栅过程和原理如下：如图8所示，其核心部分是一个罗兰圆结构的闪耀光栅，闪耀光栅将光能量从干涉0级光谱转移到某一级光谱上。假设转移到衍射级次为m的干涉光传播方向上，闪耀光栅的入射角为θ_i，出射角为θ_d，光栅周期为d，工作介质折射率为n，则闪耀光栅的光栅方程为：

nd(sinθ_i+sinθ_d)＝mλ(1)

对于某一特定位置的输入波导入射处在图中I位置，其对应于公式(1)中某一特定的入射角度θ_i，一定波长λ的光经过光栅以后在衍射级次为m的光衍射角度为θ_d。又因为罗兰圆结构的蚀刻衍射光栅有会聚的作用，其波长λ的光就聚焦在位置对应光栅θ_d方向的接收波导入口处即图中D位置，波长λ的光在器件中从入射波导I经过任意光栅齿中点P再到接收波导D处都是相干叠加的。

由公式(1)可以得到不同波长的光出射角度不同，不同波长的光在空间上的区分用线色散来表示为：

$\frac{\mathrm{\δ}x}{\mathrm{\δ}\mathrm{\λ}}=\frac{2mr}{nd}---\left(2\right)$

其中，r表示罗兰圆半径，m表示衍射级次，n表示平板区域的有效折射率，d表示光栅的周期。x是不同波长的光聚焦位置的距离在图中垂直于OD方向的分量。在θ_i和θ_d的差距不大的情况下，sinθ_i与sinθ_d相差很小，当θ_i改变一个定量δθ_i时，所对应的出射角度的改变δθ_d与-δθ_i几乎相等。当输入波导间隔角度与输出波导近似一致时，工作的输入波导改变为相邻的一个，其输出谱对应的输出波导就向反方向平移了一个波导，结果如图11所示。只要有足够多近似等间隔排列的输出波导，对于所有输入波导都能有1250-1750nm波长的光谱输出。对于一个输入波导，有128个输出波导等间隔的输出不同波长的光强度，波长间隔3.94nm。而每增加一个输入波导则要相对应镜像的增加一个输出波导，所以一个蚀刻衍射光栅总共有255个输出波导，每个时刻只使用与输入波导对应的128个输出波导。

同时本发明所应用的情况无法使用常用的蚀刻衍射光栅路由器或者阵列波导光栅路由器设计中用两个级次级联来减少输出波导一半数量的目的，因为在低衍射级次(第一衍射级次和第二衍射级次)工作的情况下，级次1和2的色散δx/δλ相差了一倍，若采用路由器拼接级次来节省输出波导数量，则边缘输入通道只能得到设计的2/3波长工作范围，且不同输入通道在不同波长的分辨率相差很大，极大影响器件效果。另外在阵列波导光栅因为大波长范围下阵列波导色散和是否保持单模，低衍射级次的阵列波导排布等都有较大设计困难，所以不适合本发明。而蚀刻衍射光栅只有在同一级次工作下才能在输入波导切换时对应输出波导角度变化δθ_d与-δθ_i几乎相等，使得变化输入波导时器件一直工作在闪耀光栅的能量最强位置处，相比于路由器设计中常使用的相邻级次连接的方式也减小了器件设计损耗。

对于同一衍射级次m，不同的波长有不同输出角度，而如果波长的变化太大，相邻衍射级次的不同波长可能会有相同的输出角而重叠起来无法区分。所以不会重叠的波长范围即自由光谱FSR范围是器件工作在一个级次的允许范围，近似为：

FSR＝λ/m

对于工作波长1250-1750nm，衍射级次m只能最高取2，这导致了较小的光栅周期。

采用3μm硅层的SOI平台设计蚀刻衍射光栅光谱仪。各个输入输出波导的间隔为4μm，输入波导为3μm宽，平板厚度1.8μm的脊型波导如图5所示，其TE与TM两种偏振的模场如图6与图7所示为单模波导。而且大半在平板区域的模场比较适合添加PIN可调谐光衰减器光开关。在输入阵列位置则转换为3μm×3μm矩形波导，输出波导为3μm×3μm的矩形波导，蚀刻衍射光栅的平板区域为3μm厚的平板波导可以使得器件TE和TM模式基本不敏感(此时两种模式的波长漂移为0.28nm，与相邻通道间隔接近4nm相比可以忽略)可以同时工作，避免了光输入芯片时只能接收一个偏振方向而导致的50％的损耗。为了使得光栅不完全垂直导致反射产生的高阶模式与基模聚焦到同一位置输出，输出角度要取在0度附近以降低串扰和损耗，降低制作要求。同时由于所以实施中取中心的θ_i为10度，θ_d在0度左右。另外根据公式(1)以及所确定能够制作出的光栅齿大小d不能小于4um，衍射级次取2以及输入波导排列的空余位置考虑(输入波导不能占据输出波导阵列位置)，以上输入输出角度选择也是基本确定的。

为了使得光栅周期足够大在工艺容差之内，同时输入输出角度变化不是太大，设计取罗兰圆半径r为4000μm，衍射光栅齿的闪耀面和阴影面长度为4μm和0.2μm，作为工作面的闪耀面在工艺容差之内，得到蚀刻衍射光栅的器件如图3所示。

两个实施例最终对于中心输入波导通过蚀刻衍射光栅的成像，用标量衍射法进行仿真。设定输入波导模场为高斯光束，其束腰半径为波导基模的半高全宽。通过基尔霍夫公式得到输出平面的光强分布如图9所示。其各个通道光谱响应结果如图10所示。对于像差最大的两端边缘输入通道的结果，如图12和图13所示。

本发明所示的成像光谱仪相对于图1所示的传统成像光谱仪，在成像的过程中，需要采用时分复用的方法对128个输入波导分别进行分光，但是可调谐光衰减器的响应时间为亚微秒量级，在毫秒量级时间内即可完成对多至1024路输入波导的测量，所以实际使用时仍然更接近逐线扫描的推扫式成像光谱仪。而且只需要使用使用线阵探测器而不是通常推扫式扫描使用的面阵探测器，进一步降低成本。系统使用芯片光谱仪使得仪器总体重量体积大大下降，并且布局方便，拓展性好。

最终利用本发明器件的高集成度，制成的光谱仪芯片尺寸可小于1.5cm×1.7cm，可用于飞行器的传感，具有有着明显的小而轻的优点。

Claims (10)

1.一种基于蚀刻衍射光栅的成像光谱仪，其特征在于：包括推扫式扫描的成像系统(1)和主要集成有第一分光系统的集成芯片(2)，输入光经成像系统(1)成像为空间光后，输入集成芯片(2)的第一分光系统中经分光处理输出为对应于各个不同像素入射信号光下的不同波长信号光。

2.根据权利要求1所述的一种基于蚀刻衍射光栅的成像光谱仪，其特征在于：所述的第一分光系统包括光开关阵列(5)、蚀刻衍射光栅(7)、探测器阵列(9)、模斑转换器(3)、输入波导阵列(4)和输出波导阵列(8)，模斑转换器(3)依次经输入波导阵列(4)、蚀刻衍射光栅(7)和输出波导阵列(8)后与探测器阵列(9)连接，输入波导阵列(4)的前半部分设有可调光衰减器光开关阵列(5)；输入光经成像系统(1)成像为空间光后输入到模斑转换器(3)，经模斑转换器(3)将其转为与输入波导阵列(4)相匹配的模斑输入到输入波导阵列(4)中，再经蚀刻衍射光栅(7)进行转换输入到输出波导阵列(8)并输出获得不同像素的输出信号光，同一像素的输出信号光包含有不同波长的信号光，最后经探测器阵列(9)将光信号转化为电信号。

3.一种基于蚀刻衍射光栅的成像光谱仪，其特征在于：包括推扫式扫描的成像系统(1)、主要集成有第二分光系统的集成芯片(2)以及位于成像系统(1)和集成芯片(2)之间的数字微镜阵列光开关(10)和柱面镜(11)，输入光经成像系统(1)成像为空间光后，再依次经数字微镜阵列光开关(10)和柱面镜(11)进行处理聚焦，然后通过集成芯片(2)的第二分光系统中经分光处理输出为对应于各个不同像素入射信号光下的不同波长信号光。

4.根据权利要求3所述的一种基于蚀刻衍射光栅的成像光谱仪，其特征在于：所述的第二分光系统包括光开关阵列(5)、蚀刻衍射光栅(7)、探测器阵列(9)、模斑转换器(3)、输入波导阵列(4)和输出波导阵列(8)，模斑转换器(3)依次经输入波导阵列(4)、蚀刻衍射光栅(7)和输出波导阵列(8)后与探测器阵列(9)连接，输入波导阵列(4)的前半部分设有可调光衰减器光开关阵列(5)；输入光经成像系统(1)成像为空间光后输入到模斑转换器(3)，经模斑转换器(3)将其转为与输入波导阵列(4)相匹配的模斑输入到输入波导阵列(4)中，再经蚀刻衍射光栅(7)进行转换输入到输出波导阵列(8)并输出获得不同像素的输出信号光，同一像素的输出信号光包含有不同波长的信号光，最后经探测器阵列(9)将光信号转化为电信号。

5.根据权利要求3所述的一种基于蚀刻衍射光栅的成像光谱仪，其特征在于：所述的柱面镜(11)聚焦于水平方向或者垂直方向。

6.根据权利要求1～5任一所述的一种基于蚀刻衍射光栅的成像光谱仪，其特征在于：所述的集成芯片(2)至少集成有一个分光系统，多个分光系统以阵列均布地集成在集成芯片(2)基板上。

7.根据权利要求1～5任一所述的一种基于蚀刻衍射光栅的成像光谱仪，其特征在于：所述的成像系统(1)包括沿光路依次排布的物镜(12)、入射狭缝(13)和准直仪(14)。

8.根据权利要求1～5任一所述的一种基于蚀刻衍射光栅的成像光谱仪，其特征在于：所述的输入波导阵列采用罗兰圆结构排列，输出波导阵列采用两点法平场排列。

9.根据权利要求1～5任一所述的一种基于蚀刻衍射光栅的成像光谱仪，其特征在于：所述的可调光衰减器光开关阵列(5)是在SOI脊型直波导上制作横向pin结，通过载流子注入调控光吸收制成。

10.根据权利要求1～5任一所述的一种基于蚀刻衍射光栅的成像光谱仪，其特征在于：所述的可调光衰减器光开关阵列(5)是在弯曲波导上通过载流子注入或热调制弯曲损耗来制成。