基于蚀刻衍射光栅的成像光谱仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 作为光栅在集成光学器件中的变形一一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】
[0006] 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。
[0007] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
[0008] -、第一种基于蚀刻衍射光栅的成像光谱仪：
[0009] 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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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ldB，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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 二、第二种基于蚀刻衍射光栅的成像光谱仪：
[0019]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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 所述的柱面镜聚焦于水平方向或者垂直方向。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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ldB，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。
[0027]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。
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031] 本发明与【背景技术】相比，具有的有益效果是：
[0032] 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。
[0033] 2、从以前美国AVIRIS(Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer)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。
[0034] 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