CN106370302A - 基于时空联合调制和mzi光波导阵列的成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

基于时空联合调制和MZI光波导阵列的成像光谱仪

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。

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。

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时空联合调制和MZI光波导阵列的成像光谱仪。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

本发明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。

第二种和第三种的实施方式是由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进入相同干涉长度差的不同个MZI，地面同一个位置的成像像元经过不同光程差N次干涉的结果被对应的片上探测器接收转换为电信号,最后使用傅里叶变换等处理方法转换成光谱信号。

所述的光波导MZI阵列芯片垂直于像面放置，其中芯片接收光的输入端阵列排成一条直线对准像面沿着飞行器扫描方向的那一列方向，N个输入对准像面的N个像元。

所述的MZI阵列中所有MZI的干涉臂差从零开始依次以等差数列方式递增，使得各个MZI中经过的光信号相干涉，然后被芯片上的探测器阵列各自对应的探测器接收。干涉臂长度差以等差数列从零开始到(n-1)×delta L，n为自然数，delta L表示干涉臂长度差。

各片所述干涉光谱仪芯片的所有MZI阵列的干涉臂差从零开始依次以等差数列方式递增，使得经过的光信号相干涉后被芯片上的探测器阵列各自对应的探测器接收。干涉臂长度差以等差数列从零开始到(n-1)×delta L，n为自然数，delta L表示干涉臂长度差。

所述的MZI阵列的每根输入波导经1×2耦合器后，再经2×1耦合器或者2×2耦合器的分支结构与各自对应的输出波导连接，使得工作带宽大。

所述的MZI阵列的每根输入波导经1×2耦合器后，再经2×1耦合器或者2×2耦合器的多模干涉器(MMI)结构与各自对应的输出波导连接，使得耦合损耗小。

所述MZI阵列的干涉臂采用位于同一侧的S型结构，如图7所示。当MZI数量较多，两臂最大的光程差相对于波导弯曲半径不大，波导弯曲半径相对占据主要面积时采用这种结构可以减小多个MZI堆叠所占用的面积。

所述MZI阵列采用大截面脊型单模波导结构。这种结构的光模场主要集中在波导中，可以在可见和近红外大工作波长范围内保持单模，同时波导的TE与TM模式折射率相差很小，可以让MZI偏振不敏感，从而接收外界全偏光工作而不需要滤除一半偏振。这种波导弯曲半径较大的缺点可以通过在90°弯曲的地方采用波导45°镜面反射转弯来解决。

所述MZI阵列干涉臂中的光程差变化满足奈奎斯特采样定理，具体由工作波长区间决定。根据成像光谱仪设计要求和光波导设计制作工艺，可以选用满足低通采样或者满足带通采样。

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。

本发明实施中采用改进的傅里叶变换处理方法解决使用光波导在较大波长范围内工作所引入的色散所导致的问题。相当于在原先的傅里叶变换处理得到的光谱在频率(波数)坐标下进行一定平移和拉伸处理以消除色散造成的影响。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

1、使用芯片光谱仪代替相里斌的大孔径静态干涉成像光谱仪中干涉系统部分，在保留了大孔径静态干涉成像光谱仪的各种优点同时，用一块芯片代替了系统中较为复杂的干涉器件部分，进一步缩小了整个成像光谱仪的体积重量，增强了系统的稳定性。

2、相对于已有的干涉光谱仪或者光栅型光谱仪芯片，采用时空联合调制方法的成像光谱仪所需的芯片不需要将一个入射口的信号平分成很多路，于是增大了每一路的能量从而提高了探测灵敏度。接收同一个像元的信号，同样性能的器件灵敏度是原先的N倍。

3、成像光谱仪没有入射狭缝结构，因而是“大口径”的，同时接收的光能量更大。在满足光通量要求下可以大大减小仪器的体积、重量、功耗。

4、针对成像光谱仪的应用需求，构成干涉光谱仪的光波导MZI阵列芯片采用了两种s型结构对应不同光程差，使得符合成像光谱仪的应用需求的多通道MZI阵列能够最紧密的排列在芯片上，大大提升了空间利用率，减小了芯片体积。

5、相比于大孔径静态干涉成像光谱仪像阵平行于飞行扫描方向的的N个像元所经过的干涉长度差因为其结构原因，是相对于编号N/2的中心点对称的，实际只有一半的干涉长度差是有用的。使用芯片光谱仪可以自主选择N个MZI的干涉长度差都是有用信号，从而在相同的空间分辨率情况下提高了一倍的光谱分辨率。

附图说明

图1是背景技术中提到的大口径静态干涉成像光谱仪。

图2是本发明成像光谱仪的一种实施方式。

图3是本发明成像光谱仪的另一种实施方式。

图4是前置镜的像平面上各个像元对应的地面位置以及推扫方向。

图5是随着时间变化，对应芯片上N个不同长度差的MZI的前置镜的像平面同一列N个像元在不同时刻接收到的地面位置坐标。

时间间隔是飞行器视场移动了一个像元对应的地面距离的时间。

图6是模斑转换器结构示意图。模斑转换器根据后续波导以及前置镜的像平面像元大小设计的不同而不同，代替图1中探测器阵列接收像平面上的光。同时模斑转换器在芯片上放置朝向前置镜中心以接收最大光能量其相互间距和像元间距相同。

图7是两种s型MZI的示意图。分别用于光程差接近0的一部分MZI结构(上方两个)和光程差稍大一些的情况的MZI结构(下方三个)图。

图8是实施例氮氧化硅脊型波导在0.9μm到1.7μm波长下TE与TM模式有效折射率图。

图9是仿真某个像元输入的归一化光谱信号，分别以波数和波长为横坐标。

图10是此仿真的像元被扫描经过了所有N(512)个MZI之后干涉得到的N(512)个输出光强度。以第1个光程差为0的MZI输出强度为1进行归一化处理。

图11是对图10的数据进行傅里叶变换以及考虑到光波导的色散进行补偿以后的还原的以波数为横坐标光谱图。和图9进行对比验证器件原理可行性。

图12是对图10的数据进行傅里叶变换以及考虑到光波导的色散进行补偿以后的还原的以波长为横坐标光谱图。和图9进行对比验证器件原理可行性。

图中：前置镜1，压电马达2，干涉光谱仪芯片3，模斑转换器阵列4，MZI阵列5，探测器阵列6，前置镜中心7，三维芯片8，准直镜9，sagnac横向剪切干涉仪10，傅氏镜11，探测器12。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

现有的光谱仪是如图1所示，包括作为光谱仪前置成像系统的前置镜1、准直镜9、sagnac横向剪切干涉仪10、傅氏镜11和探测器12，前置镜1出射光经准直镜9入射到sagnac横向剪切干涉仪10中，sagnac横向剪切干涉仪10出射端经傅氏镜11后被探测器12接收。

本发明的成像系统不需要狭缝，芯片上有N个不同干涉臂差的MZI，MZI阵列分别有N个等间隔排列的输入端口，输入端口在成像系统的像面进行接收，每个输入端口平行于飞行器推扫方向N个像元信号中对应的一个像元信号。

具体是包括前置镜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依次连接而成的平行排列的光波导结构，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(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。

本发明的成像光谱仪工作在推扫模式，但是其成像系统没有狭缝，接收的像在像面上得到N×M个像元的面阵信号，应用于飞行器的成像系统中，所涉及到的飞行器包括飞机、无人机、卫星等设备。飞行器推扫的方向是沿着N个像元的方向，此方向的N个像元通过光波导进入不同干涉长度差的光波导MZI，而平行于推扫方向的M个像元进入相同干涉长度差的光波导MZI。对于视场中的每一个点，通过飞行器的推扫相对于成像系统的视场在像面不同位置成像，当飞行器扫过一个全视场的面积时，经过N次成像的这一点通过了全部干涉长度差的MZI，从而得到了这一点的干涉图。对干涉图实施傅里叶变换就可以得到该点的光谱分布。对于视场中的每一点，都可以在上述过程中得到光谱信息，并与空间信息结合起来就得到了成像光谱仪的数据立方体。

本发明的实施例及其实施过程如下：

图2和图3是本发明所述的两种时空联合调制的傅里叶变换成像光谱仪的实施方式示意。地面上某个区域被前置镜成像到像面上某一个位置成为一个像元，被干涉光谱仪芯片上的对应位置模斑转换器接收并导入对应序号的MZI，经过干涉以后被探测器接收探测强度。地面上此区域随着载具的移动，其对应成像像素位置沿着模斑转换器列移动不断被不同序号的模斑转换器接收进入对应MZI，最终经过512个相同的过程，此地面区域信号被所有序号的MZI扫过。

图4是前置镜成像像元对应到地面上的位置及其在飞行器移动时对应在地面上的移动方向，移动方向平行于N像元一列。此N像元对应的位置排列N个不同光程差的MZI，其在飞行器扫描过程中各个MZI接收信号对应的地面位置如图5所示。t₁到t₅相邻时间间隔是地面成像像元在像面移动了相邻像元的距离所对应的时间。当一个地面区域对应像元遍历过所有N个MZI之后，其光谱信息可以被计算出。

具体来看，经过前置镜成像的像元空间光由透镜聚焦到像点上，要能被耦合进入波导中，一个条件是需要例如图6所示的模斑转换器。其作用是使得像元的光场模场分布大小和波导接收口匹配，以接收尽可能多的光。另一个条件是波导的数值孔径满足能尽量多的接收透镜各个位置聚焦到像元的光。以嫦娥一号卫星的成像光谱仪为例，其前置光学系统的F数是7.34，所需接收波导的数值孔径是0.135，如果按照其全系统性能计算，F数是2.4，所需接收波导的数值孔径是0.385，这些数值基本上小于氮氧化硅或者硅波导的数值孔径。所以通过与前置镜参数相匹配的设计波导和模斑转换器可以达到满意的耦合效率。

光信号进入波导之后经过MZI干涉，图7是两种s型MZI的示意图。与一般经典的MZI结构不同，这种结构通过90度弯曲时内外两臂的波导路程不同来制造出光程差，此光程差为弯曲前后两臂波导间距之和。如图7中上方2个MZI所示，对于光程差较小(20μm以内)的情况，由于两臂两根波导之间间距有最小值(如10μm)，一个弯曲制造的最小光程差大于所需要的数值，所以通过两根波导进行两次相反方向的90度弯曲，用前后两个水平方向行进时波导间距之差来制造出合适的较小光程差。而对于稍大(大于20μm)的光程差，可以如图7中下方3个MZI所示，通过控制弯曲前后波导间距，通过一个90度弯曲达成。这种MZI结构特别适合于用在MZI数量很多，波导弯曲半径较大而MZI光程差相对较小的情况。

图8是一种具体的氮氧化硅脊型波导在0.9μm到1.7μm波长下TE与TM模式有效折射率图，其采用的氮氧化硅脊型波导芯层折射率1.6随波长略微变化，包层采用二氧化硅。脊型波导平板区厚度1.2μm，脊高1μm，脊宽2.2μm。脊型波导能在较宽波长范围内保持单模工作而且相对于矩形单模波导，其TE与TM偏振的等效折射率差较小，这些优点对于此成像光谱仪设计非常重要。

对于成像于芯片平面上方或者下发位置的像元，图2方案通过压电陶瓷的超声波电机快速上下移动芯片扫描不同位置的信号，图3方案通过堆叠M片芯片覆盖孔径内所有像元来接收所有像元。具体如下：

实施例1

具体是例如，如图2所示，前置镜1等成像系统置于飞行器底部，朝向正下方进行采集，前置镜1成像系统的成像像面为N×M像面，飞行器的推扫方向为图中向上推扫，成像像面对应于平行推扫方向是一排N个像元，模斑转换器阵列4中N个模斑转换器的输入端口对准对应接收成像像面上沿排方向的N个像元的光信号，MZI阵列5的N个MZI的输入端口接收和传输排方向的N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；

在垂直于飞行器推扫方向的每列上有M个像元，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M列的排像元进行扫描，从而使得一个成像周期内接收成像像面全部的N×M像元信号；

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N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。

实施例2

具体是例如，如图3所示，前置镜1等成像系统置于飞行器底部，朝向正下方进行采集，前置镜1成像系统的成像像面为N×M像面，飞行器的推扫方向为图中向上推扫，成像像面对应于平行推扫方向是一排N个像元。

一片干涉光谱仪芯片3的模斑转换器阵列4中N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N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M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M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8上所有模斑转换器构成对准成像像面上全部N×M像元信号的一平面，三维的芯片形成一个N×M的输入波导矩阵，从而使得三维芯片8在飞行器的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N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。

实施例3

具体是例如，如图3所示，前置镜1等成像系统置于飞行器底部，朝向正下方进行采集，前置镜1成像系统的成像像面为N×M像面，飞行器的推扫方向为图中向上推扫，成像像面对应于平行推扫方向是一排N个像元。

一片干涉光谱仪芯片3的模斑转换器阵列4中M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M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N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N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8上所有模斑转换器构成对准成像像面上全部N×M像元信号的一平面，三维的芯片形成一个N×M的输入波导矩阵，从而使得三维芯片8在飞行器的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N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。

本发明的原理如下：

如图2和图3所示，地面上某个区域被前置镜成像到像面上某一个位置成为一个像元，被干涉光谱仪芯片上的对应位置模斑转换器接收并导入对应序号的MZI，经过干涉以后被探测器接收探测强度。地面上此区域随着载具的移动，其对应成像像素位置沿着模斑转换器列移动不断被不同序号的模斑转换器接收进入对应MZI如图5所示。最终经过N个相同的过程，此地面区域信号被所有序号的MZI扫过。接着根据已知的各个MZI光程差，通过对各个探测器接收光信号进行傅里叶变换得到接收的地面位置光谱图。与相里斌提出的大口径静态干涉成像光谱仪不同的是，本发明对各个像元光信号进行傅里叶变换的部分由MZI阵列来承担与一般的傅里叶变换光谱仪不同的是，此处用光波导结构在较大波长范围内进行的干涉，其波导色散不能忽略。本发明针对研究了在引入波导色散情况下如何对傅里叶变换光谱仪的信息作处理，得到了适用的处理方法。

在不考虑波导色散的情况下，波导的有效折射率可以认为与波长无关，设为n_eff。对于一个波导长度差为L＝x/n_eff的MZI，x表示在有效折射率下的干涉臂光程差。不考虑器件不完美引入的损耗，其对某个波数σ的光的透过率是：

T(σ,x)＝0.5+0.5cos(2πσx) (1)

其中，T(σ,x)是波数σ的光输入波导干涉臂光程差为x的MZI的透射率。一频率谱分布(按照波数为坐标)为G(σ)的光输入此MZI之后得到的总光强是：

$\begin{array}{c}I\left(x\right)=\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}\frac{1}{2}G\left(\mathrm{\σ}\right)\[1+cos\left(2\mathrm{\π}\mathrm{\σ}x\right)\]d\mathrm{\σ}\\ =\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}\frac{1}{2}G\left(\mathrm{\σ}\right)d\mathrm{\σ}+\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}\frac{1}{2}G\left(\mathrm{\σ}\right)cos\left(2\mathrm{\π}\mathrm{\σ}x\right)d\mathrm{\σ}\end{array}---\left(2\right)$

其中，I(x)是波导干涉臂光程差为x的MZI输出的总光强。在x＝0时的MZI接收光强I(0)记为I₀，同时(2)式可以写成指数形式：

$2I\left(x\right)-I_0=\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}G\left(\mathrm{\σ}\right)\exp \left(2\mathrm{\π}i\mathrm{\σ}x\right)d\mathrm{\σ}---\left(3\right)$

根据傅里叶变换的性质以及将关系式L＝x/n_eff带入(3)式，可以得到

$G\left(\mathrm{\σ}\right)=I\left(\mathrm{\σ}\right)=n_{eff}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}\left(2I\right(n_{eff}L)-I_0)\exp (-2{\mathrm{\πi\σn}}_{eff}L)dL---\left(4\right)$

其中，I(σ)是对2I(n_effL)-I₀进行傅里叶变换操作得到的函数。

在N个干涉臂光程差分别为从0到(N-1)·n_effΔL，以n_effΔL为等差数列的不同MZI依次接收同一个光源输出的情况下，I(x)离散化成为数列

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

其中，I_MZI(k)代表第k+1个MZI。从而可以得到输入光谱曲线G(σ)的计算公式：

$G\left(\mathrm{\σ}\right)=I\left(\mathrm{\σ}\right)=\frac{1}{2N}{n}_{eff}\mathrm{\Δ}L\left(2I_{MZI}\right(0)-I_0)+\frac{1}{N}{n}_{eff}\mathrm{\Δ}L\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(2I_{MZI}\right(k)-I_0)cos(-2{\mathrm{\π\σkn}}_{eff}\mathrm{\Δ}L)---\left(6\right)$

其中，第一个光程差为0的MZI的输出光强值计算时需要多除以2，因此计算时单独列出。因为其在采样范围的边界。

设计中因为工作波长范围很大，需要考虑波导色散效应，波导的等效折射率随着波长的变化如图8所示，一定范围内可以看成是和波长线性关系。因此认为折射率-波数关系能拟合成关系式n(σ)＝A-B/σ。其中A和B均表示折射率波数关系系数，是常数，由波导材料色散和波导结构决定。

于是公式(1)～(6)式变为公式(7)～(10)：

$T(\mathrm{\σ},L)=0.5+0.5cos\left(2\mathrm{\π}\mathrm{\σ}L\right(A-\frac{B}{\mathrm{\σ}}\left)\right)---\left(7\right)$

$2I\left(n_{eff}L\right)-I_0=\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}G\left(\mathrm{\σ}\right)\exp \left(2\mathrm{\π}i\mathrm{\σ}L\right(A-\frac{B}{\mathrm{\σ}}\left)\right)d\mathrm{\σ}---\left(8\right)$

$G\left(\frac{n_{eff}\mathrm{\σ}+B}{A}\right)=A\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}\left(2I\right(n_{eff}L)-I_0)\exp (-2{\mathrm{\πi\σn}}_{eff}L)dL=\frac{A}{n_{eff}}I\left(\mathrm{\σ}\right)---\left(9\right)$

其中，I(σ)是对2I(n_effL)-I₀进行傅里叶变换操作得到的函数，G(σ)是输入的光谱。

离散化的情况下，计算公式为：

$G\left(\frac{n_{eff}\mathrm{\σ}+B}{A}\right)=\frac{A}{2N}\mathrm{\Δ}L\left(2I_{MZI}\right(0)-I_0)+\frac{A}{N}\mathrm{\Δ}L\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(2I_{MZI}\right(k)-I_0)cos(-2{\mathrm{\π\σkn}}_{eff}\mathrm{\Δ}L)=\frac{A}{n_{eff}}I\left(\mathrm{\σ}\right)---\left(10\right)$

$G\left(\mathrm{\σ}\right)=\frac{A}{n_{eff}}I\left(\frac{A\mathrm{\σ}-B}{n_{eff}}\right)---\left(11\right)$

其中，I(σ)函数表示对2I_MZI(k)-I₀序列的傅里叶变换得到的函数(变换过程由公式(6)表示)，G()是输入光谱。于是，可以通过N个MZI的输出光强I_MZI(k)反推出输入的光信号的光谱曲线G(σ)。

下面以带有具体实验数据的实例对本发明做进一步说明。

芯片基底选择硅，波导芯层是折射率1.6的氮氧化硅，厚度2.2μm，制作波导时刻蚀1μm深，得到脊型波导，等效折射率如图8所示。芯层上下面各有二氧化硅上下包层4μm。设计一个成像光谱仪，前置镜成像像元间距25μm，则图2所示的模斑耦合器间距25μm。成像光谱仪工作波长范围900nm～1700nm，根据带通采样定理，为了使得采样后频谱不重叠，让工作频率放在1/2采样频率到一倍采样频率之间。则单元光程差Δx可在0.85μm到0.9μm之间。取0.875μm。成像光谱仪沿着飞行器运动方向的像元数N为512，则MZI最长光程差x_N-1＝0.875×511＝447.125μm。对应波导长度差L_N-1＝x_N-1/n_eff＝284.612μm。其光谱分辨率按照一般的傅里叶变换光谱仪的分辨率公式

$\mathrm{\δ}\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0^2}{{\mathrm{\ΔL}}_{max}}---\left(11\right)$

进行符合本发明情况的变化以后得到：

$\mathrm{\δ}\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0^2}{x_{N-1}}\·\frac{n_{eff}}{A}---\left(12\right)$

在900nm波长时分辨率为1.74nm。在1700nm时波长分辨率为6.2nm。处于很高的水平。

将具有如图9所示的光谱的光输入芯片中各个MZI，得到的各个编号的MZI输出光强如图10所示。在经过上述原理中所述处理之后，得到的还原光谱如图11和图12所示(横坐标分别为波数和波长，方便对比)。可以看出基于时空联合调制的使用光波导MZI(MZI)阵列的成像光谱仪其对于光谱的还原能力是准确的。

对于一般有狭缝的推扫式成像光谱仪来说，地面一个像元的光进入光谱仪之后会被分成N份进行光谱测量，每一份的平均光能量是1/N。而基于时空联合调制的傅里叶变换成像光谱仪对地面一个像元的光只等分成2份以后进行相干叠加，探测器探测到的光能量强度是前者的N倍的量级，灵敏度大大增加。另外对于芯片光谱仪来说，在进入芯片后再将光分成N份还会引入额外损耗，本发明的芯片光谱仪省去了这一结构，避免了此种额外损耗。从整个成像光谱仪的角度来说，原本在平行于推扫方向上只接收一个地面像元光信号，现在在平行于推扫方向上同时接收N个像元光信号，系统同时入射的光通量增加了N倍。这样在保持探测器灵敏度不变的情况下，成像前置镜的接收孔径就能减小。

由此，上述实施例可说明本发明简化了光路的复杂程度，又利用光芯片的特点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，提升了系统的入射光通量，在相同探测器灵敏度的情况下减小了接收孔径，使得成像光谱仪的成像部分和光谱部分都小型化、轻型化。

注意，上述实施例是用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权力要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

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准成像像面上各个像元信号的一平面，从而使得三维芯片(8)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。

5.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)中有干涉臂差均相同的MZI阵列(5)，各片干涉光谱仪芯片(3)的MZI阵列(5)的干涉臂差均不相同；

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列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排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准成像像面上各个像元信号的一平面，从而使得三维芯片(8)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。

6.根据权利要求3或4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MZI阵列(5)中所有MZI的干涉臂差从零开始依次以等差数列方式递增，使得各个MZI中经过的光信号相干涉，然后被芯片上的探测器阵列各自对应的探测器接收。

7.根据权利要求5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：各片所述干涉光谱仪芯片(3)的所有MZI阵列(5)的干涉臂差从零开始依次以等差数列方式递增，使得经过的光信号相干涉后被芯片上的探测器阵列各自对应的探测器接收。

8.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MZI阵列(5)的每根输入波导1×2耦合器后，再经Y分支结构或者多模干涉器结构的2×1耦合器合路后与各自对应的输出波导连接。

9.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MZI阵列(5)的干涉臂采用位于同一侧的S型结构，干涉臂中的光程差变化满足奈奎斯特采样定理。

10.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MZI阵列(5)采用大截面脊型单模波导结构。