CN115128791A - 光谱成像天文望远镜及天文望远镜光谱成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光谱成像天文望远镜及天文望远镜光谱成像方法，光谱成像天文望远镜包括望远镜镜筒和光谱成像芯片；望远镜镜筒收集从天体发射的光信号；光信号经望远镜镜筒入射至光谱成像芯片；光谱成像芯片包括光滤波器层和图像传感器，光滤波器层设置在图像传感器的感光区域表面；光滤波器层包含有光调制结构，光调制结构对进入至光调制结构不同位置点处的入射光分别进行不同的频谱调制；图像传感器将与不同位置点经光滤波器层调制后对应的入射光携带信息转换为与不同位置点对应的电信号。本发明可以替代传统天文望远镜中所用的上千个光纤阵列或像切割器的光谱采集方式，本发明对望远镜在像焦平面所获取的图像一次拍照即可一次获得光谱成像。
Description
技术领域
本发明涉及光谱学和天文学领域，尤其涉及一种光谱成像天文望远镜及天文望远镜光谱成像方法。
背景技术
天文望远镜是观测天体的重要工具，研究天体的电磁辐射光谱，包括可见光，是来自恒星和其它天体的辐射。光谱学可以用来推出远距离恒星和星系的许多性质，温度、化学组成、金属丰度，也可以从多普勒红移测量它们的运动。恒星光谱中的吸收线可以用于确定恒星的化学成分。每个元素在光谱中对应于一组不同波长的光谱，可以非常准确的测定这些吸收谱线。对应于特定波长的吸收谱线，显示必定就是存在着该种元素。通过一颗恒星的光谱，就可以分析其元素构成和含量等化学组成。
在天文观测中，光谱信息的获取具有非常重要的意义，大量天文学中的信息是通过光谱的形式表现出来。对于宇宙和星系的研究，宇宙的诞生、星系的形成都建立在光谱分析的基础之上。获得星系的光谱可以得到星系的红移，从而得知它的距离，由此获得星系的三维分布，进而了解整个宇宙的空间结构。同时可以研究包括星系的形成、演化在内的宇宙大尺度结构和星系物理。获取星系光谱是最基础的需要，光谱可以分析元素构成和含量等化学组成，还可以分析其密度、温度等物理条件，以及运动速度和运行轨迹。因此天文学中光谱的研究具有重要且不可替代的作用。
由于光谱信息在天文领域巨大的研究意义，天文学家提出光谱巡天的设想，然而，天文望远镜想要同时获得天文图像和天文光谱信息是十分困难的，按照传统获取方式包括光纤引出外加光栅和图像传感器获得光谱或者采用像切割器获得光谱的方式，只能获得天文图像中少数几点的光谱，无法对全天文图像实现高空间解像度的光谱获取。同时，目前应用于天文的光谱测量设备价格高昂。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种光谱成像天文望远镜及天文望远镜光谱成像方法。
具体地，本发明实施例提供了如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种光谱成像天文望远镜，包括：望远镜镜筒和光谱成像芯片；所述望远镜镜筒用于收集从天体发射的光信号；所述光信号经所述望远镜镜筒入射至所述光谱成像芯片；
所述光谱成像芯片包括所述光滤波器层和图像传感器，所述光滤波器层设置在所述图像传感器的感光区域表面；
所述光滤波器层包含有光调制结构，所述光调制结构用于对进入至所述光调制结构不同位置点处的入射光分别进行不同的频谱调制，以在所述感光区域的表面得到与不同位置点对应的入射光携带信息；所述入射光携带信息包括光强度分布信息和光谱信息；
所述图像传感器用于将与不同位置点经光滤波器层调制后对应的入射光携带信息转换为与不同位置点对应的电信号，所述电信号为经光滤波器层调制后的图像矩阵。
进一步地，所述光滤波器层中的光调制结构包含规则结构和/或不规则结构；和/或，所述光滤波器层中的光调制结构包含离散型结构和/或连续型结构。
进一步地，所述光滤波器层中的光调制结构包含由多个微纳单元组成的单元阵列，每个微纳单元对应图像传感器上的一个或多个像素点；各个微纳单元的结构相同或不同。
进一步地，所述微纳单元包含规则结构和/或不规则结构；和/或，所述微纳单元包含离散型结构和/或连续型结构。
进一步地，所述微纳单元包含有多组微纳结构阵列，各组微纳结构阵列的结构相同或不同。
进一步地，各组微纳结构阵列具有宽带滤波或窄带滤波的作用。
进一步地，各组微纳结构阵列为周期结构阵列或非周期结构阵列。
进一步地，所述微纳单元包含的多组微纳结构阵列中有一组或多组空结构。
进一步地，所述微纳单元具有四重旋转对称性。
进一步地，所述光滤波器层由一层或多层滤波器层构成；
所述滤波器层是由半导体材料、金属材料、液晶、量子点材料、钙钛矿材料中的一种或多种制备；和/或，所述滤波器层是由光子晶体、超表面、随机结构、纳米结构、金属表面等离激元SPP微纳结构、可调法布里-珀罗谐振腔中的一种或多种制备的滤波器层。
进一步地，所述半导体材料包括硅、氧化硅、氮化硅、氧化钛、按照预设比例混合的复合材料以及直接带隙化合物半导体材料中的一种或多种；和/或，所述纳米结构包括纳米点二维材料、纳米柱二维材料和纳米线二维材料中的一种或多种。
进一步地，所述光滤波器层的厚度为0.1λ～10λ，其中λ表示入射光的中心波长。
进一步地，所述望远镜镜筒中设置有促动器，所述促进器采用主动光学的方式或自适应光学的方式提高图像信噪比，其中，所述主动光学的方式是指通过促动器主动改变主镜镜面形状，修正由重力、温度和风力造成的镜面本身的形变对成像带来的影响；所述自适应光学的方式是指检测波前扭曲情况，通过安装在望远镜焦面前方带有促动器的可变形镜面对波前实时矫正。
进一步地，所述光谱成像芯片还包括控制调节层，所述控制调节层设置在所述光滤波器层远离所述图像传感器的一侧，所述控制调节层用于控制接收光信号的波长范围。
进一步地，所述光谱成像芯片固定在电动三维调节台上，以在成像过程中调节光谱成像芯片的x、y、z轴位置。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于如第一方面所述的光谱成像天文望远镜的天文望远镜光谱成像方法，用于对一个或多个天体进行光谱探测和成像，包括：
基于光滤波器层调制后形成的图像矩阵识别成像天体边缘；
根据所述成像天体边缘，自动识别成像天体的位置。
进一步地，根据所述成像天体边缘，自动识别成像天体的位置，包括：
根据所述成像天体边缘，所述望远镜镜筒的光学系统，使天体独立完整地成像在光滤波器层中；其中，通过光滤波器层中的调制结构在同一天体上获得多个光谱数据，通过一次拍照成像，获得同一天体的多点光谱数据。
第三方面，本发明实施例还提供了一种如第一方面所述的光谱成像天文望远镜的制备方法，包括：
准备望远镜镜筒；
准备图像传感器；
在所述图像传感器的感光区域的表面制备光滤波器层；
其中，所述光滤波器层包含有光调制结构，所述光调制结构用于对进入至所述光调制结构不同位置点处的入射光分别进行不同的频谱调制，以在所述感光区域的表面得到与不同位置点对应的入射光携带信息；所述入射光携带信息包括光强度分布信息和光谱信息；
所述图像传感器用于将与不同位置点经光滤波器层调制后对应的入射光携带信息转换为与不同位置点对应的电信号，所述电信号为经光滤波器层调制后的图像矩阵。
进一步地，在所述图像传感器的感光区域的表面制备光滤波器层，包括：
在所述图像传感器的表面生长一层或多层预设材料；
对所述一层或多层预设材料进行光调制结构图案的刻蚀，得到包含有光调制结构的光滤波器层；
或对所述一层或多层预设材料进行压印转移，得到包含有光调制结构的光滤波器层；
或通过对所述一层或多层预设材料进行外加动态调制，得到包含有光调制结构的光滤波器层；
或对所述一层或多层预设材料进行分区打印，得到包含有光调制结构的光滤波器层；
或对所述一层或多层预设材料进行分区生长，得到包含有光调制结构的光滤波器层；
或对所述一层或多层预设材料进行量子点转移，得到包含有光调制结构的光滤波器层。
根据上面的技术方案可知，本发明实施例提供了一种光谱成像天文望远镜及天文望远镜光谱成像方法，所述光谱成像天文望远镜包括：望远镜镜筒和光谱成像芯片；所述望远镜镜筒用于收集从天体发射的光信号；所述光信号经所述望远镜镜筒入射至所述光谱成像芯片；所述光谱成像芯片包括所述光滤波器层和图像传感器，所述光滤波器层设置在所述图像传感器的感光区域表面；所述光滤波器层包含有光调制结构，所述光调制结构用于对进入至所述光调制结构不同位置点处的入射光分别进行不同的频谱调制，以在所述感光区域的表面得到与不同位置点对应的入射光携带信息；所述入射光携带信息包括光强度分布信息和光谱信息；所述图像传感器用于将与不同位置点经光滤波器层调制后对应的入射光携带信息转换为与不同位置点对应的电信号，所述电信号为经光滤波器层调制后的图像矩阵。需要说明的是，现有的光谱成像天文望远镜大多使用基于传统光栅的光谱仪，大型的光谱巡天望远镜造价极高、体积非常庞大，因其依靠光纤对采样的单点进行光谱分析，对一张捕捉图像的光谱成像需要几千个这样的基于单点光谱分析的光纤光谱仪。本发明提供了一种基于微纳调制结构的光谱成像天文望远镜及天文光谱成像方法，可以替代传统天文望远镜中所用的上千个光纤阵列或像切割器的光谱采集方式，对望远镜在像焦平面所获取的图像一次拍照即可一次获得光谱成像，同时基于光谱像素的动态重构算法，可实现对星体的自动跟踪和光谱自适应测量，极大的降低了天文光谱望远镜的成本和体积。此外，该方案可以利用现有的CMOS工艺实现量产，降低了器件的体积、功耗和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的光谱成像天文望远镜的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的光谱成像芯片的结构示意图；
图3和图4是本发明一实施例提供的光谱成像芯片拆解示意图；
图5是本发明一实施例提供的光谱成像天文望远镜示意图之一；
图6是本发明一实施例提供的光谱成像天文望远镜示意图之二；
图7是本发明一实施例提供的光谱成像天文望远镜示意图之三；
图8是本发明一实施例提供的光谱成像天文望远镜示意图之四；
图9是本发明一实施例提供的光谱成像天文望远镜示意图之五。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
正如背景技术部分所述，由于光谱信息在天文领域巨大的研究意义，天文学家提出光谱巡天的设想，然而，天文望远镜想要同时获得天文图像和天文光谱信息是十分困难的，按照传统获取方式包括光纤引出外加光栅和图像传感器获得光谱或者采用像切割器获得光谱的方式，只能获得天文图像中少数几点的光谱，无法对全天文图像实现高空间解像度的光谱获取。同时，应用于天文的光谱测量设备价格高昂，分布于世界各地的天文望远镜只有很少一部分实现了天文光谱的采集。本发明提供的一种光谱成像天文望远镜及天文望远镜光谱成像方法可以在降低体积、成本的基础上，一次性完整的获取天文图像和光谱图像，同时基于光谱像素的动态重构算法，可实现对星体的自动跟踪和光谱自适应测量。下面将通过具体实施例对本发明提供的内容进行详细解释和说明。
如图1所示，本发明一实施例提供的光谱成像天文望远镜，包括：望远镜镜筒100和光谱成像芯片200；所述望远镜镜筒100用于收集从天体300发射的光信号；所述光信号经所述望远镜镜筒100入射至所述光谱成像芯片200；
如图2所示，所述光谱成像芯片200包括所述光滤波器层1和图像传感器2，所述光滤波器层1设置在所述图像传感器2的感光区域表面；
如图3和图4所示，所述光滤波器层1包含有光调制结构3，所述光调制结构3用于对进入至所述光调制结构3不同位置点处的入射光分别进行不同的频谱调制，以在图像传感器2的感光区域的表面得到与不同位置点对应的入射光携带信息；所述入射光携带信息包括光强度分布信息和光谱信息；
所述图像传感器2用于将与不同位置点经光滤波器层调制后对应的入射光携带信息转换为与不同位置点对应的电信号，所述电信号为经光滤波器层调制后的图像矩阵。
可以理解的是，本实施例提供的是一种基于光谱成像芯片的新型天文望远镜，其主要结构示意图如图1所示，包括望远镜镜筒100和光谱成像芯片200。由天体传播而来的光信号由望远镜镜筒100收集，经光学系统成像到光谱成像芯片200上。光谱成像芯片如图2所示，由光滤波器层1和图像传感器2组成。纵向上看如图3所示，光滤波器层1可以通过在图像传感器2上直接生长、转移、压印转移一层或多层介质或金属材料来制备。光滤波器层1上的光调制结构3可以看作是微纳结构滤波器阵列，每个微纳结构滤波器阵列内分别设有至少一个微纳结构光滤波器，微纳结构光滤波器大小约为1～20个图像传感器像素大小，每个微纳结构光滤波器内分别设有若干个穿于微纳结构光滤波器层内的滤波孔，如图4所示，每个滤波器阵列内滤波器结构各不相同，包括但不限于圆形、方形、十字形、椭圆形、星形、梅花形、或不规则图形。同一微纳结构滤波器阵列内的各个滤波器排布成一具有特定排布规律的二维图形结构。该芯片基于光电子学中的微纳结构光滤波器阵列对不同波长光的调制作用，且每个微纳结构光滤波器阵列中对应嵌套有多个微纳结构光滤波器。光调制层1位于图像传感器2的上面，利用光调制层1中的各个微纳滤波器结构对光谱进行光强感应探测，从而分别确定各像素点的像素数据，进而整合所有像素数据以构成最终的输出图像。该光谱成像芯片200能取代现有的物体成像识别设备中的复杂精密的分光元件直接进行光谱成像探测，利用光调制结构3和图像传感器2中的各个子单元分别对光谱进行调制并感应光强，从而实现了精确的图像重构过程，使得光谱成像芯片200能在不需要光栅、棱镜、反射镜或其他类似空间分光元件的情况下进行光强感应工作，从而代替现有光纤引出外加光栅和图像传感器获得光谱或者采用像切割器获得光谱的方式，进而极大的降低了光谱成像天文望远镜体积，提升光谱成像的空间光谱解像度，同时减少了中间光路的光损耗，提高了光强感应的精密性，使得天文望远镜光谱成像具有测量精度高、无需驻点扫描，可实时在线观测、操作简单、性能稳定、制造成本低等优点。
进一步的，对于不同观测天体，可根据需要设计光谱成像芯片用于探测不同的波长范围、加强某波段探测精度和分辨率、降低暗噪声、提高信噪比、光谱图像自适应可重构天体等实用功能。
在本实施例中，可以理解的是，调制强度与光调制结构的具体结构形式有关，例如，可以通过设计不同的光调制结构(如改变光调制结构的形状和/或尺寸参数)来实现不同的调制强度。
在本实施例中，可以理解的是，光滤波器层1上不同位置处的光调制结构对入射光具有不同的频谱调制作用。需要说明的是，光滤波器层1是由多个光滤波器单元组成的，每个光滤波器单元内不同位置处的光调制结构是不同的，因此对入射光具有不同的频谱调制作用；光滤波器单元之间不同位置处的光调制结构可以相同或不同，因此对入射光具有相同或不同的频谱调制作用。
可以理解的是，由图像传感器2转换成的电信号可以信号处理电路接收，信号处理电路接收的是每个感光像素探测到的图像像素值，利用这些图像像素值，结合事先实验测得的各组微纳结构阵列的透射谱，就可以通过相应的算法，恢复出输入光的光谱信息。在实际应用中，可以根据需求，采用不同的算法对包含所述入射光的频谱信息的图像进行处理，进而得到所述入射光的频谱信息，也即可以得到天体的频谱信息。
根据上面的技术方案可知，本发明实施例提供的光谱成像天文望远镜包括：望远镜镜筒和光谱成像芯片；所述望远镜镜筒用于收集从天体发射的光信号；所述光信号经所述望远镜镜筒入射至所述光谱成像芯片；所述光谱成像芯片包括所述光滤波器层和图像传感器，所述光滤波器层设置在所述图像传感器的感光区域表面；所述光滤波器层包含有光调制结构，所述光调制结构用于对进入至所述光调制结构不同位置点处的入射光分别进行不同的频谱调制，以在所述感光区域的表面得到与不同位置点对应的入射光携带信息；所述入射光携带信息包括光强度分布信息和光谱信息；所述图像传感器用于将与不同位置点经光滤波器层调制后对应的入射光携带信息转换为与不同位置点对应的电信号，所述电信号为经光滤波器层调制后的图像矩阵。需要说明的是，现有的光谱成像天文望远镜大多使用基于传统光栅的光谱仪，大型的光谱巡天望远镜造价极高、体积非常庞大，因其依靠光纤对采样的单点进行光谱分析，对一张捕捉图像的光谱成像需要几千个这样的基于单点光谱分析的光纤光谱仪。本发明提供了一种基于微纳调制结构的光谱成像天文望远镜及天文光谱成像方法，可以替代传统天文望远镜中所用的上千个光纤阵列或像切割器的光谱采集方式，对望远镜在像焦平面所获取的图像一次拍照即可一次获得光谱成像，同时基于光谱像素的动态重构算法，可实现对星体的自动跟踪和光谱自适应测量，极大的降低了天文光谱望远镜的成本和体积。此外，该方案可以利用现有的CMOS工艺实现量产，降低了器件的体积、功耗和成本。
在本实施例中，该芯片在图像传感器的感光区域表面上直接制备微纳调制结构，若干个分立或连续的微纳结构构成一个单元，不同位置处的微纳调制结构对入射光具有不同的频谱调制作用，共同构成了光滤波器层。可以理解的是，该芯片方案可以利用现有的CMOS工艺实现量产，降低了器件的体积、功耗和成本。
从纵向上看，如图2所示，光滤波器层中的每个微纳调制结构是通过预先设计得到的，可以通过在图像传感器上直接生长一层或多层介质或金属材料，再进行刻蚀来制备。光滤波器层中每个调制单元的整体尺寸通常为λ2～105λ2，厚度通常为0.1λ～10λ，λ是目标波段的中心波长。光滤波器层中的每个调制单元结构对应图像传感器上的至少1个像素。光滤波器层直接在图像传感器上制备，图像传感器和处理器之间通过电接触进行连接。
可以理解的是，光滤波器层和CIS晶圆(CIS晶圆作为一种特殊的图像传感器)都可以由半导体CMOS集成工艺制造，从晶圆级别直接在图像传感器上单片集成光滤波器层，利用CMOS工艺一次流片即可完成该芯片的制备，从而可以在晶圆级别实现单片集成，有利于减小传感器与光滤波器层之间的距离，缩小器件的体积，降低封装成本。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述光滤波器层中的光调制结构包含规则结构和/或不规则结构；和/或，所述光滤波器层中的光调制结构包含离散型结构和/或连续型结构。
在本实施例中，所述光滤波器层中的光调制结构可以只包括规则结构，也可以只包括不规则结构，还可以既包括规则结构，又包括不规则结构。
在本实施例中，这里光调制结构包括规则结构可以指：光调制结构包含的最小调制单元是规则的结构，如最小调制单元可以长方形、正方形和圆形等规则的图形。此外，这里光调制结构包括规则结构还可以指：光调制结构包含的最小调制单元的排布方式是规则的，如排布方式可以是规则的阵列形式、圆形形式、梯形形式、多边形形式等。此外，这里光调制结构包括规则结构还可以指：光调制结构包含的最小调制单元是规则的结构，同时最小调制单元的排布方式也是规则的等。
在本实施例中，这里的光调制结构包括不规则结构可以指：光调制结构包含的最小调制单元是不规则的结构，如最小调制单元可以不规则多边形、随机形状等不规则的图形。此外，这里光调制结构包括不规则结构还可以指：光调制结构包含的最小调制单元的排布方式是不规则的，如排布方式可以是不规则的多边形形式、随机排列形式等。此外，这里光调制结构包括不规则结构还可以指：光调制结构包含的最小调制单元是不规则的结构，同时最小调制单元的排布方式也是不规则的等。
在本实施例中，所述光滤波器层中的光调制结构可以包括离散型结构，也可以包括连续型结构，还可以既包括离散型结构，又包括连续型结构。
在本实施例中，这里光调制结构包括连续型结构可以指：光调制结构是由连续的调制图案构成的；这里光调制结构包括离散型结构可以指：光调制结构是由离散的调制图案构成的。
可以理解的是，这里连续的调制图案可以指直线型图案、波浪线型图案、折线型图案等等。
可以理解的是，这里离散的调制图案可以指由离散的图形(如离散的点、离散的方形、离散的不规则多变形等)形成的调制图案。
在本实施例中，需要说明的是，光调制结构对不同波长的光具有不同的调制作用，具体的调制方式包括但不限于散射、吸收、干涉、表面等离激元、谐振增强等。通过设计不同的滤波器结构，使得光通过不同组的滤波器结构后，对应的透射谱不同。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述光滤波器层为单层结构或多层结构。
在本实施例中，需要说明的是，所述光滤波器层可以为单层滤波器结构，也可以是多层滤波器结构，例如可以是两层、三层、四层等多层结构。
在本实施例中，如图2所示，所述光滤波器层1为单层结构，光滤波器层1的厚度与目标波长范围相关，对于波长400nm～10μm，光栅结构的厚度可以为50nm～5μm。
可以理解的是，由于光滤波器层1的作用是对入射光进行频谱调制，因此，优选折射率高、损耗小的材料制备，例如可以选择硅、锗、锗硅材料、硅的化合物、锗的化合物、III-V族材料等进行制备，其中硅的化合物包括但不限于氮化硅、二氧化硅、碳化硅等。
此外，需要说明的是，可以将所述光滤波器层1设置为多层结构，各层对应的光调制结构可以设置为不同的结构，从而增加光滤波器层对入射光的频谱调制能力，进而提高光谱成像光谱精度。
此外，需要说明的是，对于包含多层结构的滤波器层来说，每层结构的材料可以相同，也可以不同，举例来说，对于有二层的光滤波器层1，第一层可以为硅层，第二层可以为氮化硅层。
需要说明的是，光滤波器层1厚度与目标波长范围相关，对于波长400nm～10μm，多层结构总的厚度可以为50nm～5μm。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述光滤波器层中的光调制结构包含由多个微纳单元组成的单元阵列，每个微纳单元对应图像传感器上的一个或多个像素点；各个微纳单元的结构相同或不同。
在本实施例中，光调制结构为阵列结构形式，具体地，光调制结构包括由多个微纳单元组成的单元阵列，每个微纳单元对应图像传感器上的一个或多个像素点。需要说明的是，各个微纳单元的结构可以相同，也可以不同。此外，需要说明的是，各个微纳单元的结构可以是周期的，也可以是非周期的。此外，需要说明的是，各个微纳单元还可以进一步包含有至少一组微纳结构阵列，各组微纳结构阵列的结构相同或不同等。
在本实施例中，微纳单元对不同波长的光具有不同的调制作用，具体的调制方式包括但不限于散射、吸收、干涉、表面等离激元、谐振增强等。通过设计不同的滤波器结构，使得光通过不同组的滤波器结构后，对应的透射谱不同。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述微纳单元包含规则结构和/或不规则结构；和/或，所述微纳单元包含离散型结构和/或连续型结构。
在本实施例中，所述微纳单元可以只包括规则结构，也可以只包括不规则结构，还可以既包括规则结构，又包括不规则结构。
在本实施例中，这里微纳单元包括规则结构可以指：微纳单元包含的最小调制单元是规则的结构，如最小调制单元可以长方形、正方形和圆形等规则的图形。此外，这里微纳单元包括规则结构还可以指：微纳单元包含的最小调制单元的排布方式是规则的，如排布方式可以是规则的阵列形式、圆形形式、梯形形式、多边形形式等。此外，这里微纳单元包括规则结构还可以指：微纳单元包含的最小调制单元是规则的结构，同时最小调制单元的排布方式也是规则的等。
在本实施例中，这里的微纳单元包括不规则结构可以指：微纳单元包含的最小调制单元是不规则的结构，如最小调制单元可以不规则多边形、随机形状等不规则的图形。此外，这里微纳单元包括不规则结构还可以指：微纳单元包含的最小调制单元的排布方式是不规则的，如排布方式可以是不规则的多边形形式、随机排列形式等。此外，这里微纳单元包括不规则结构还可以指：微纳单元包含的最小调制单元是不规则的结构，同时最小调制单元的排布方式也是不规则的等。
在本实施例中，所述光滤波器层中的微纳单元可以包括离散型结构，也可以包括连续型结构，还可以既包括离散型结构，又包括连续型结构。
在本实施例中，这里微纳单元包括连续型结构可以指：微纳单元是由连续的调制图案构成的；这里微纳单元包括离散型结构可以指：微纳单元是由离散的调制图案构成的。
可以理解的是，这里连续的调制图案可以指直线型图案、波浪线型图案、折线型图案等等。
可以理解的是，这里离散的调制图案可以指由离散的图形(如离散的点、离散的三角形、离散的星形等)形成的调制图案。
在本实施例中，需要说明的是，不同微纳单元对不同波长的光具有不同的调制作用，具体的调制方式包括但不限于散射、吸收、干涉、表面等离激元、谐振增强等。通过设计不同的微纳单元，使得光通过不同组的微纳单元后，对应的透射谱不同。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述微纳单元包含有多组微纳结构阵列，各组微纳结构阵列的结构相同或不同。
在本实施例中，微纳单元内的每组微纳结构阵列对不同波长的光具有不同的调制作用，并且各组滤波结构之间对输入光的调制作用也不同，具体的调制方式包括但不限于散射、吸收、干涉、表面等离激元、谐振增强等。通过设计不同的微纳结构阵列，使得光通过不同组的微纳结构阵列后，对应的透射谱不同。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，各组微纳结构阵列具有宽带滤波或窄带滤波的作用。
可以理解的是，对于各组微纳结构阵列来说，可以都具备宽带滤波作用，也可以都具备窄带滤波作用，也可以部分具备宽带滤波作用，部分具备窄带滤波作用。此外，各组微纳结构阵列的宽带滤波范围和窄带滤波范围也可以相同或不同。举例来说，通过设计微纳单元内各组微纳结构的周期、占空比、半径、边长等尺寸参数，使其具有窄带滤波作用，即只有一个(或较少个)波长的光可以通过。又如，通过设计微纳单元内各组微纳结构的周期、占空比、半径、边长等尺寸参数，使其具有宽带滤波作用，即允许较多波长或所有波长的光可以通过。
可以理解的是，在具体使用时，可以根据应用场景进行宽带滤波、窄带滤波或其组合的方式确定各组微纳结构阵列的滤波状态。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，各组微纳结构阵列为周期结构阵列或非周期结构阵列。
在本实施例中，各组微纳结构阵列可以均为周期结构阵列，也可以均为非周期结构阵列，也可以部分为周期结构阵列，部分为非周期结构阵列。其中，周期结构阵列易于进行光学仿真设计，非周期结构阵列可以实现更复杂的调制作用。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述图像传感器为下述中的任意一项或多项：
CMOS图像传感器(Contact Image Sensor，CIS)、电荷耦合元件(Charge CoupledDevice，CCD)、单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)阵列和焦平面光电图像传感器阵列。
在本实施例中，需要说明的是，采用晶圆级别的CMOS图像传感器CIS，在晶圆级别实现单片集成，可以最大程度减小图像传感器与光滤波器层之间的距离，有利用于缩小单元的尺寸，降低器件体积和封装成本，SPAD可以用于弱光探测，CCD可以用于增强光探测的积分时间。
在本实施例中，光滤波器层和图像传感器可以由互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)集成工艺制造，有利于降低器件失效率，提高器件的成品率并降低成本。例如，可以通过在图像传感器上直接生长一层或多层介质材料，再进行刻蚀，在除去用于刻蚀的牺牲层之前，沉积金属材料，最后再移除牺牲层，进行制备得到光滤波器层。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述光滤波器层与所述图像传感器之前设置有透光介质层。
在本实施例中，需要说明的是，在所述光滤波器层与所述图像传感器之间设置透光介质层，可以有效将光滤波器层与图像传感器层分开，避免两者相互干扰。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述图像传感器为前照式，包括：自上而下设置的金属线层和光探测层，所述光滤波器层集成在所述金属线层远离所述光探测层的一面；或，
在本实施例中，参见图5所示，光谱成像天文望远镜包括望远镜镜筒100、光谱成像芯片200。由天体300传播而来的光信号由望远镜镜筒100收集，并成像到焦平面处所在的光谱成像芯片200上。望远镜镜筒包括但不限于反射式天文望远镜(包括牛顿式、卡塞格林式、格里式、折射式)；折射式天文望远镜(包括伽利略望远镜、开普勒望远镜)；折反射式天文望远镜(包括施密特-卡塞格林式、马克苏托夫-卡塞格林式)；多镜面望远镜；双筒望远镜；也包括用于卫星、空间站之上的空间天文望远镜。光谱成像芯片200包括光滤波器层1和图像传感器2，光滤波器层1可以通过在图像传感器2上直接生长、转移、压印一层或多层介质或金属材料来制备。光滤波器层1中的每个微纳结构滤波器阵列内分别设有至少一个微纳结构光滤波器，每个微纳结构光滤波器内分别设有若干个穿于微纳结构光滤波器层内的微纳结构光滤波孔，同一微纳结构光滤波器内的各个微纳结构光滤波孔排布成一具有特定排布规律的二维图形结构。该芯片中的光滤波器层1上设置有光调制结构，光调制结构对不同波长光具有不同的调制作用，光调制结构中每个微纳结构滤波器阵列中对应嵌套有多个微纳结构光滤波器。光滤波器层1位于图像传感层2的上面，光滤波器层1位于图像传感层2对光谱进行光强感应探测，从而分别确定各成像点的强度数据并构成最终的输出光谱图像。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述望远镜镜筒中设置有促动器，所述促进器采用主动光学的方式或自适应光学的方式提高图像信噪比，其中，所述主动光学的方式是指通过促动器主动改变主镜镜面形状，修正由重力、温度和风力造成的镜面本身的形变对成像带来的影响；所述自适应光学的方式是指检测波前扭曲情况，通过安装在望远镜焦面前方带有促动器的可变形镜面对波前实时矫正。
如图6所示，在本实施例中，引入促动器400主动光学调节器，采用主动光学或自适应光学提高图像信噪比，其中，所述主动光学通过促动器主动改变主镜镜面形状，修正由重力、温度和风力造成的镜面本身的形变对成像带来的影响，减少由此产生的光学畸变；所述自适应光学需要首先检测波前扭曲情况，通过安装在望远镜焦面前方带有促动器的小型可变形镜面对波前实时矫正，修复大气湍流等因素对成像的影响。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述光谱成像芯片还包括控制调节层，所述控制调节层设置在所述光滤波器层远离所述图像传感器的一侧，所述控制调节层用于控制接收光信号的波长范围。
如图7所示，在本实施例中，包括望远镜镜筒100、光谱成像芯片200，由天体300传播而来的光信号由望远镜镜筒100收集，并成像到光谱成像芯片200上。光谱成像芯片200由控制调节层4、光滤波器层1和图像传感器2组成。光滤波器层1可以通过在图像传感器2上直接生长、转移、压印一层或多层介质或金属材料来制备。控制调节层4用于控制接收光信号的波长范围，可根据实际需要设计带宽和波段，由此可以更加精确的设计下方的光调制结构3(微纳结构滤波器阵列)的结构，对应提高在此波长范围内的芯片探测灵敏度和对应像素探测的精度。光调制结构3(微纳结构滤波器阵列)上下对应的设置在光光滤波器层1和图像传感层2上，利用各组像素确认模块分别对光谱进行光强感应探测，从而分别确定各成像点的强度数据并构成最终的输出光谱图像。
具体的，天体300传播而来的光信号由望远镜镜筒100收集，并成像到光谱成像芯片200上。通过控制调节层4透过400nm-750nm的光进入光滤波器层1中介质材料为多晶硅，对于波段400nm～10μm，多晶硅层的厚度为50nm-5μm。光滤波器层1共有500～200000个单元，每个单元整体尺寸为100μm2～40000μm2，每组微纳结构滤波器阵列结构为同一形状的周期排布，占空比为10％～90％。上述滤波孔阵列包括但不限于一维光子晶体、二维光子晶体、表面等离子激元、超材料、超表面等。具体材料可包括硅、锗、锗硅材料、硅的化合物、锗的化合物、金属、III-V族材料等，其中硅的化合物包括但不限于氮化硅、二氧化硅、碳化硅等。控制调节层4可根据观测天体波长范围设计选用或弃用，包括但不限于滤波不同波段或多波段。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述光谱成像芯片固定在电动三维调节台上，以在成像过程中调节光谱成像芯片的x、y、z轴位置。
如图9所示，封装好的光谱成像芯片200固定在电动三维调节台600上，成像过程中，可电动调节光谱相机位置的x、y、z轴位置，调节精度为10微米，调节量程为5厘米，本实施例可以更加精确的控制相机在天文望远镜焦平面位置，使成像更加清晰，更易于光谱成像的数据获取。
基于相同的发明构思，本发明另一实施例提供了一种基于上面所述的光谱成像天文望远镜的天文望远镜光谱成像方法，用于对一个或多个天体进行光谱探测和成像，包括：
步骤101：基于光滤波器层调制后形成的图像矩阵识别成像天体边缘；
步骤102：根据所述成像天体边缘，自动识别成像天体的位置。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，根据所述成像天体边缘，自动识别成像天体的位置，包括：
根据所述成像天体边缘，所述望远镜镜筒的光学系统，使天体独立完整地成像在光滤波器层中；其中，通过光滤波器层中的调制结构在同一天体上获得多个光谱数据，通过一次拍照成像，获得同一天体的多点光谱数据。
本实施例提供了一种基于上面所述的光谱成像天文望远镜的天文望远镜光谱成像方法，由于该天文望远镜光谱成像方法基于上述实施例所述的光谱成像天文望远镜，因此相同之处不再赘述，不同之处在于本实施例提供了一种图像自适应光谱可重构的天文望远镜光谱成像方法。
如图8所示，在上述本实施例提到的光谱成像天文望远镜中，光滤波器层1的各个光调制结构3可以通过算法根据获得光谱强度数据自动识别成像天体边缘，也即通过所得到空间上不同位置的光谱数据，通过算法可识别强度不同，从而区分天体和周边的黑暗区域，进而控制望远镜系统调节成像放大倍数，即可实现在光谱芯片上成像某特定天体。
具体的，在此基础上，光谱成像天文望远镜通过算法处理系统，对天体300在光谱成像芯片200成像后，根据得到成像光谱强度数据自动识别各个天体边缘，对应识别得到的某一个具体的天体500，可根据需要，调整望远镜100光学系统，使之独立、完整成像在光滤波器层1中。此实施例可以通过光滤波器层1中的至少1个微纳结构滤波器阵列在同一天体上获得多个光谱数据，通过一次拍照成像，即可获得同一天体的多点光谱数据。从而提高了天体光谱分析的空间分辨率和探测精度。
基于相同的发明构思，本发明另一实施例提供了一种如上面实施例所述的光谱成像天文望远镜的制备方法，包括：
步骤201：准备望远镜镜筒；
步骤202：准备图像传感器；
步骤203：在所述图像传感器的感光区域的表面制备光滤波器层；
其中，所述光滤波器层包含有光调制结构，所述光调制结构用于对进入至所述光调制结构不同位置点处的入射光分别进行不同的频谱调制，以在所述感光区域的表面得到与不同位置点对应的入射光携带信息；所述入射光携带信息包括光强度分布信息和光谱信息；
所述图像传感器用于将与不同位置点经光滤波器层调制后对应的入射光携带信息转换为与不同位置点对应的电信号，所述电信号为经光滤波器层调制后的图像矩阵。
在本实施例中，在所述图像传感器的感光区域的表面制备包含有光调制结构的光滤波器层，包括：
在所述图像传感器的表面生长一层或多层预设材料；
对所述一层或多层预设材料进行光调制结构图案的干法刻蚀，得到包含有光调制结构的光滤波器层；
或对所述一层或多层预设材料进行压印转移，得到包含有光调制结构的光滤波器层；
或通过对所述一层或多层预设材料进行外加动态调控，得到包含有光调制结构的光滤波器层；
或对所述一层或多层预设材料进行分区打印，得到包含有光调制结构的光滤波器层；
或对所述一层或多层预设材料进行分区材料生长，得到包含有光调制结构的光滤波器层；
或对所述一层或多层预设材料进行量子点转移，得到包含有光调制结构的光滤波器层。
在本实施例中，需要说明的是，如图2所示，光滤波器层1可以通过在图像传感器2上直接生长一层或多层介质材料，再进行刻蚀，在除去用于刻蚀的牺牲层之前，沉积金属材料，最后再移除牺牲层，进行制备得到。通过设计光调制结构的尺寸参数，各个单元能够对目标范围内不同波长的光有不同的调制作用。光滤波器层1中的每个单元对应图像传感器2上一个或多个像素。1是直接在2上制备的。
此外，需要说明的是，所述光滤波器层上的光调制结构可以通过对一层或多层预设材料进行光调制结构图案的干法刻蚀，干法刻蚀就是直接将图像传感器感光区域表面的一层或多层预设材料中不需要的部分去除，得到包含有光调制结构的光滤波器层；或对一层或多层预设材料进行压印转移，压印转移是在其它衬底上通过刻蚀制备所需的结构，再通过PDMS等材料将结构转移到图像传感器的感光区域，得到包含有光调制结构的光滤波器层；或通过对一层或多层预设材料进行外加动态调控，外加动态调控是采用外加电极通过改变电压来调控相应区域的光调制特性，得到包含有光调制结构的光滤波器层；或对一层或多层预设材料进行分区打印，分区打印是分区采用打印的技术，得到包含有光调制结构的光滤波器层；或对一层或多层预设材料进行分区材料生长，得到包含有光调制结构的光滤波器层；或对一层或多层预设材料进行量子点转移，得到包含有光调制结构的光滤波器层。
此外，需要说明的是，由于本实施例提供的制备方法是上述实施例中的光谱成像芯片的制备方法，因此，关于一些原理和结构等方面的详细内容，可以参见上述实施例的介绍，本实施例对此不再赘述。
根据上面的技术方案可知，在本实施例中，天体入射光射入所述光谱成像天文望远镜光谱芯片的微纳结构光滤波器层，并且经由微纳结构光滤波器层的若干个微纳结构光滤波器单元得到不同波长的透过强度数据，通过对响应信号算法重构光谱。在本实施例中，通过光滤波层分别探测、成像不同光谱范围的天体，可以在实现光谱成像天文望远镜及天文望远镜光谱成像方法的基础上，能够提升光谱探测的随机性和灵活性，扩大光谱探测范围。可采用算法优化实现动态观测图像自适应-光谱重构，对不同观测天体一次性完成光谱成像和天体多点像素光谱成像，提高了观测天体的光谱成像的准确性和天体光谱空间分辨率。
本发明中光谱成像天文望远镜及天文望远镜光谱成像的自适应测量方法有以下效果：
A、采用体积小、高度集成的光谱成像芯片代替传统光谱天文望远镜中采用光纤引出外加光栅和图像传感器获得光谱或者采用像切割器获得光谱的方式。极大的降低了光谱望远镜体积和成本。
B、可对望远镜光学系统采集到的天体图像一次性完成高光谱成像，无需扫描，极大的提高了光谱图像数据处理时间，可动态完成采集天体光谱成像。
C、可对观测天体图像自适应，光谱图像动态可重构，一次性完成所观测天体的光谱成像，并可对同一观测天体多点光谱一次性成像，提高了光谱空间分辨率和探测精度，可实现全天文图像的高空间解析度光谱成像。
D、集成度高，可用于反射式天文望远镜(包括牛顿式、卡塞格林式、格里式、折射式)；折射式天文望远镜(包括伽利略望远镜、开普勒望远镜)；折反射式天文望远镜(包括施密特-卡塞格林式、马克苏托夫-卡塞格林式)；多镜面望远镜；双筒望远镜；也包括用于卫星、空间站之上的空间天文望远镜。
E、可以通过CMOS工艺一次流片完成对该光谱成像芯片的制备，有利于降低器件失效率，提高器件的成品良率，并降低成本。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (19)
1.一种光谱成像天文望远镜，其特征在于，包括：望远镜镜筒和光谱成像芯片；所述望远镜镜筒用于收集从天体发射的光信号；所述光信号经所述望远镜镜筒入射至所述光谱成像芯片；
所述光谱成像芯片包括所述光滤波器层和图像传感器，所述光滤波器层设置在所述图像传感器的感光区域表面；
所述光滤波器层包含有光调制结构，所述光调制结构用于对进入至所述光调制结构不同位置点处的入射光分别进行不同的频谱调制，以在所述感光区域的表面得到与不同位置点对应的入射光携带信息；所述入射光携带信息包括光强度分布信息和光谱信息；
所述图像传感器用于将与不同位置点经光滤波器层调制后对应的入射光携带信息转换为与不同位置点对应的电信号，所述电信号为经光滤波器层调制后的图像矩阵。
2.根据权利要求1所述的光谱成像天文望远镜，其特征在于，所述光滤波器层中的光调制结构包含规则结构和/或不规则结构；和/或，所述光滤波器层中的光调制结构包含离散型结构和/或连续型结构。
3.根据权利要求1所述的光谱成像天文望远镜，其特征在于，所述光滤波器层中的光调制结构包含由多个微纳单元组成的单元阵列，每个微纳单元对应图像传感器上的一个或多个像素点；各个微纳单元的结构相同或不同。
4.根据权利要求3所述的光谱成像天文望远镜，其特征在于，所述微纳单元包含规则结构和/或不规则结构；和/或，所述微纳单元包含离散型结构和/或连续型结构。
5.根据权利要求3所述的光谱成像天文望远镜，其特征在于，所述微纳单元包含有多组微纳结构阵列，各组微纳结构阵列的结构相同或不同。
6.根据权利要求5所述的光谱成像天文望远镜，其特征在于，各组微纳结构阵列具有宽带滤波或窄带滤波的作用。
7.根据权利要求5所述的光谱成像天文望远镜，其特征在于，各组微纳结构阵列为周期结构阵列或非周期结构阵列。
8.根据权利要求5所述的光谱成像天文望远镜，其特征在于，所述微纳单元包含的多组微纳结构阵列中有一组或多组空结构。
9.根据权利要求5所述的光谱成像天文望远镜，其特征在于，所述微纳单元具有四重旋转对称性。
10.根据权利要求1所述的光谱成像天文望远镜，其特征在于，所述光滤波器层由一层或多层滤波器层构成；
所述滤波器层是由半导体材料、金属材料、液晶、量子点材料、钙钛矿材料中的一种或多种制备；和/或，所述滤波器层是由光子晶体、超表面、随机结构、纳米结构、金属表面等离激元SPP微纳结构、可调法布里-珀罗谐振腔中的一种或多种制备的滤波器层。
11.根据权利要求10所述的光谱成像天文望远镜，其特征在于，所述半导体材料包括硅、氧化硅、氮化硅、氧化钛、按照预设比例混合的复合材料以及直接带隙化合物半导体材料中的一种或多种；和/或，所述纳米结构包括纳米点二维材料、纳米柱二维材料和纳米线二维材料中的一种或多种。
12.根据权利要求1所述的光谱成像天文望远镜，其特征在于，所述光滤波器层的厚度为0.1λ～10λ，其中λ表示入射光的中心波长。
13.根据权利要求1所述的光谱成像天文望远镜，其特征在于，所述望远镜镜筒中设置有促动器，所述促进器采用主动光学的方式或自适应光学的方式提高图像信噪比，其中，所述主动光学的方式是指通过促动器主动改变主镜镜面形状，修正由重力、温度和风力造成的镜面本身的形变对成像带来的影响；所述自适应光学的方式是指检测波前扭曲情况，通过安装在望远镜焦面前方带有促动器的可变形镜面对波前实时矫正。
14.根据权利要求1所述的光谱成像天文望远镜，其特征在于，所述光谱成像芯片还包括控制调节层，所述控制调节层设置在所述光滤波器层远离所述图像传感器的一侧，所述控制调节层用于控制接收光信号的波长范围。
15.根据权利要求1所述的光谱成像天文望远镜，其特征在于，所述光谱成像芯片固定在电动三维调节台上，以在成像过程中调节光谱成像芯片的x、y、z轴位置。
16.一种基于权利要求1～15任一项所述的光谱成像天文望远镜的天文望远镜光谱成像方法，其特征在于，用于对一个或多个天体进行光谱探测和成像，包括：
基于光滤波器层调制后形成的图像矩阵识别成像天体边缘；
根据所述成像天体边缘，自动识别成像天体的位置。
17.根据权利要求16所述的天文望远镜光谱成像方法，其特征在于，根据所述成像天体边缘，自动识别成像天体的位置，包括：
根据所述成像天体边缘，所述望远镜镜筒的光学系统，使天体独立完整地成像在光滤波器层中；其中，通过光滤波器层中的调制结构在同一天体上获得多个光谱数据，通过一次拍照成像，获得同一天体的多点光谱数据。
18.一种如权利要求1～15任一项所述的光谱成像天文望远镜的制备方法，其特征在于，包括：
准备望远镜镜筒；
准备图像传感器；
在所述图像传感器的感光区域的表面制备光滤波器层；
其中，所述光滤波器层包含有光调制结构，所述光调制结构用于对进入至所述光调制结构不同位置点处的入射光分别进行不同的频谱调制，以在所述感光区域的表面得到与不同位置点对应的入射光携带信息；所述入射光携带信息包括光强度分布信息和光谱信息；
所述图像传感器用于将与不同位置点经光滤波器层调制后对应的入射光携带信息转换为与不同位置点对应的电信号，所述电信号为经光滤波器层调制后的图像矩阵。
19.根据权利要求18所述的光谱成像天文望远镜的制备方法，其特征在于，在所述图像传感器的感光区域的表面制备光滤波器层，包括：
在所述图像传感器的表面生长一层或多层预设材料；
对所述一层或多层预设材料进行光调制结构图案的刻蚀，得到包含有光调制结构的光滤波器层；
或对所述一层或多层预设材料进行压印转移，得到包含有光调制结构的光滤波器层；
或通过对所述一层或多层预设材料进行外加动态调制，得到包含有光调制结构的光滤波器层；
或对所述一层或多层预设材料进行分区打印，得到包含有光调制结构的光滤波器层；
或对所述一层或多层预设材料进行分区生长，得到包含有光调制结构的光滤波器层；
或对所述一层或多层预设材料进行量子点转移，得到包含有光调制结构的光滤波器层。
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