CN103308181B - 一种VOx太赫兹非制冷焦平面探测器组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种VOx太赫兹非制冷焦平面探测器组件，成像时间短，灵敏度高。其包括VOx太赫兹非制冷焦平面探测器、帧频和积分时间可调的探测器驱动电路、探测器信号处理部分；其中，帧频和积分时间可调的探测器驱动电路，用于驱动VOx太赫兹非制冷焦平面探测器工作，根据应用要求，调整VOx太赫兹非制冷焦平面探测器的帧频和曝光时间；VOx太赫兹非制冷焦平面探测器，用于将目标场景的太赫兹辐射成像于焦平面上，继而输出给探测器信号处理部分；探测器信号处理部分，接收VOx太赫兹非制冷焦平面探测器输出的信号，完成太赫兹成像的图像信号处理。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹探测、成像技术领域，具体涉及一种钒氧化合物（VOx）太赫兹非制冷焦平面探测器组件。
背景技术
太赫兹（Terahertz，THz）波是指频率在0.1～10THz（波长为30μm～3mm）之间的电磁波，处于毫米波（通常为1～10mm）与红外波（通常为1～20μm）之间，即通常所认为的电子学和光学的交界区域，因此，其性质有别于电子学和光学。近年来，由于太赫兹波具有瞬态性、宽带性、高时间和空间相干性、低能性以及独特的传输特性等特点，使得其在波谱分析、安全监测、成像与通信、化学、生物、材料科学和药学等领域展现出广泛的应用前景，成为国内外研究的重要方向之一。
THz技术主要有波谱和成像两种应用模式，探测器是THz成像中的核心部件。目前常用的THz探测器类型主要是液氦制冷的Si、Ge和InSb测辐射热计(Bolometer)、高莱探测器(Golay Cell)、肖特基二极管、场效应晶体管等，且市场上可得到的实用化产品大多为单元探测器，其用于成像只能采用扫描成像模式，成像周期较长，分辨力低，难以满足实际应用的需要；虽然也有少数几种可工作于THz波段的热释电(Pyroelectric)焦平面探测器，但其灵敏度较低，阵列规模较小(约120×120)，价格较高。这对THz成像技术的进一步研究和应用形成了较大的限制。因此，高灵敏度、高分辨力的THZ探测器以及相应的探测器组件成为国内外THz技术研究的重要内容之一。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种VOx太赫兹非制冷焦平面探测器组件，成像时间短，灵敏度高。
该VOx太赫兹非制冷焦平面探测器组件，用于太赫兹连续波或波谱成像，包括VOx太赫兹非制冷焦平面探测器、帧频和积分时间可调的探测器驱动电路、探测器信号处理部分；其中，VOx太赫兹非制冷焦平面探测器分别与探测器驱动模块和探测器信号处理部分相连；
帧频和积分时间可调的探测器驱动电路，用于驱动VOx太赫兹非制冷焦平面探测器工作，根据应用要求，调整VOx太赫兹非制冷焦平面探测器的帧频和曝光时间；
VOx太赫兹非制冷焦平面探测器，用于将目标场景的太赫兹辐射成像于焦平面上，继而输出给探测器信号处理部分；
探测器信号处理部分，接收VOx太赫兹非制冷焦平面探测器输出的信号，完成太赫兹成像的图像信号处理。
其中，所述VOx太赫兹非制冷焦平面探测器通过对VOx非制冷红外焦平面探测器的窗口进行替换得到：将VOx非制冷红外焦平面探测器中镀制8～14μm增透膜的锗窗口，更换为镀制太赫兹波段增透膜的窗口；窗口材料为锗、高纯硅、石英晶体、甲基戊乙烯聚合物或聚乙烯；窗口的镀膜材料为高密度聚乙烯或聚对二甲苯。
优选地，VOx太赫兹非制冷焦平面探测器中的探测器焦平面阵列包括吸收层和反射层，吸收层、反射层及其之间的间隙形成微桥；根据各类膜层材料在太赫兹波段的光学常数，通过调整各膜层的厚度和微桥的高度来调节探测器阵列的吸收率；同时，结合吸收率及填充因子综合考虑，提高探测器在THz波段的响应率。
其中，所述探测器信号处理部分包括探测器预处理电路和视频后处理模块；探测器预处理电路接收VOx太赫兹非制冷焦平面探测器输出的信号，并进行非均匀性校正和数字细节增强处理后输出给视频后处理模块；视频后处理模块接收探测器预处理电路输出的太赫兹信号，使用超分辨力算法对图像质量进行提升，输出太赫兹图像。
有益效果：
（1）本发明采用VOx太赫兹非制冷焦平面探测器，其与热释电太赫兹非制冷焦平面探测器相比，具有更高的灵敏度；与目前常用的单元探测器相比，其为面阵探测器，不需要扫描成像，所以响应速度快，成像时间短。
（2）本发明采用图像的自适应非均匀性校正、数字细节增强处理以及超分辨力图像处理算法等，进一步提高太赫兹成像图像分辨力。
（3）本发明的VOx太赫兹非制冷焦平面探测器组件具有高集成、结构紧凑、体积小、重量轻、便携性等特点，并且不需要超低温制冷，对环境要求低，成本较低。
附图说明
图1为太赫兹非制冷焦平面探测器组件结构示意图。
图2为太赫兹非制冷焦平面探测器结构示意图。
图3（a）为VOx非制冷焦平面探测器微桥结构示意图；图3（b）为微桥面剖面图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
近年来，高性能、低成本的非制冷焦平面探测器技术得到迅速的发展，并在红外热成像领域得到广泛应用。目前针对红外探测的较成熟的非制冷红外焦平面探测器主要有热释电和微测辐射热计两大类，其中微测辐射热计又主要有VOx和多晶硅两种。VOx非制冷焦平面探测器，在理论上具有较宽的光谱响应范围，甚至在THz波段也具有响应，因此有应用在太赫兹波段的基础。VOx非制冷焦平面探测器与热释电非制冷焦平面探测器相比，具有更高的灵敏度。与目前常用的单元探测器相比，其为面阵探测器，不需要扫描成像，所以响应速度快，成像时间短。
因此，本发明采用VOx非制冷焦平面探测器构成探测器组件，使其工作在太赫兹波段，并通过对探测器单元阵列的微桥结构进行调整提高探测器在THz 波段的响应率。
图1示出了本发明原理图。如图1所示，本发明提供的VOx太赫兹非制冷焦平面探测器组件，包括VOx太赫兹非制冷焦平面探测器、帧频和积分时间可调的探测器驱动电路和探测器信号处理部分；其中，VOx太赫兹非制冷焦平面探测器与探测器驱动电路和探测器信号处理部分相连。
其中，帧频和积分时间可调的探测器驱动电路，用于驱动VOx太赫兹非制冷焦平面探测器工作，可以根据应用要求，通过外接接口调整VOx太赫兹非制冷焦平面探测器的帧频和曝光时间，以最佳地探测入射的太赫兹波辐射。
VOx太赫兹非制冷焦平面探测器，将目标场景的太赫兹辐射成像于焦平面上，并输出给探测器处理电路。该VOx太赫兹非制冷焦平面探测器是在现有的VOx非制冷红外焦平面探测器基础上进行改进而获得的。
VOx太赫兹非制冷焦平面探测器的基本结构如图2所示，其包括真空舱、真空舱舱壁上的窗口、真空舱内壁上的TE（半导体）恒温器，以及位于真空舱内部且在窗口下方的探测器焦平面阵列。
其中，窗口用于透射太赫兹辐射并滤除其他辐射的影响。因此需要将现有的VOx非制冷红外焦平面探测器中镀制8～14μm增透膜的锗（Ge）窗口，更换为镀制THz波段增透膜的窗口。窗口材料可选择锗（Ge）、高纯硅(HRFZ-Si)、石英晶体以及甲基戊乙烯聚合物（TPX）、聚乙烯（PE）等高聚物材料；在窗口镀制THz波段增透膜，镀膜材料可选高密度聚乙烯（HDPE）及聚对二甲苯（parylene）等材料。
探测器焦平面阵列位于窗口下方，是VOx太赫兹非制冷焦平面探测器的核心部件。探测器焦平面阵列中具有微桥结构，微桥结构示意图如图3（a）和图3（b）所示。如图所示，探测器焦平面阵列中的每个探测单元主要由热绝缘层、对太赫兹辐射敏感的膜层即THz吸收层（图中未示出）、互连结构、反射层、读出电路、衬底几部分构成。如图3（a）所示，上边结构为热绝缘层、THz吸收层；下边结构为反射层、读出电路、衬底；上下两层结构由互连结构连接。如图3（b）所示，可看到，THz吸收层由SiNx保护层和VOx微测辐射热计层构 成，VOx微测辐射热计层受到SiNx保护层保护。而构成反射层的物质主要为Al，反射层位置在衬底之上。读出电路用于读出焦平面上的成像。
SiNx保护层与VOx微测辐射热计层共同构成了探测器的吸收层。吸收层与反射层之间的空气间隙构成了一个伪光学腔结构，如果想要在固定波长λ处获得最大灵敏度，则吸收层和反射层之间的光学路径长度为λ/4。
由于探测器的吸收越强，热导越小，填充因子越高则响应率越高，因此探测单元中各膜层的厚度和面积会直接影响探测单元的响应率，并且微桥的高度影响吸收层和反射层的光学路径长度，了解探测单元中各类膜层材料在THz波段的光学常数，然后通过调整各膜层的厚度和微桥的高度来调节探测器单元的吸收率，以提高探测器对入射THz辐射的吸收。同时，各膜层的厚度和面积也会直接影响热导的大小，因此必须和吸收率及填充因子等综合考虑，才能实现响应率的优化。其中，填充因子为像素中感光部分面积与像素总面积的比值。可见，在设计本发明的VOx非制冷红外焦平面探测器时，可对探测器微桥结构进行优化设计，来提高其在THz波段的响应率。
真空舱与TE恒温器为探测器提供了一个稳定的工作环境，可以避免温度变化、外界环境等对探测器性能的影响。
探测器信号处理部分接收VOx太赫兹非制冷焦平面探测器输出的信号，完成太赫兹成像的图像信号处理。其具体包括探测器预处理电路和视频后处理模块。
探测器预处理电路接收VOx太赫兹非制冷焦平面探测器输出的信号，并进行非均匀性校正和数字细节增强处理，形成数字图像，将数字图像输出给视频后处理模块。其中，非均匀性校正处理主要校正焦平面探测器的非均匀性噪声，数字细节增强处理主要用于提升太赫兹图像中的微小细节信息。
视频后处理模块，接收探测器预处理电路处理后的THz信号，并对其进行提升图像质量的处理，使其在显示时符合显示和观察的需要。按照现有VOx非制冷焦平面探测器的单元结构参数，THz焦平面成像已进入光学衍射限，为了提高THz成像的空间分辨力，需要利用超分辨力图像处理算法对获得的THz图 像进行后处理。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种VOx太赫兹非制冷焦平面探测器组件，用于太赫兹连续波或波谱成像，其特征在于，包括VOx太赫兹非制冷焦平面探测器、帧频和积分时间可调的探测器驱动电路、探测器信号处理部分，所述VOx太赫兹非制冷焦平面探测器包括真空舱，所述真空舱壁开设有窗口，所述真空舱内部布置有TE恒温器、探测器焦平面阵列，所述探测器焦平面阵列位于所述窗口的正下方，所述TE恒温器设置于所述探测器焦平面阵列的下方，所述探测器焦平面阵列中的每个探测单元主要由热绝缘层、对太赫兹辐射敏感的膜层THz吸收层、互连结构、反射层、读出电路、衬底构成，所述吸收层由SiNx保护层和VOx微测辐射热计层构成，VOx微测辐射热计层受到SiNx保护层保护；吸收层、反射层及其之间的间隙形成微桥；所述吸收层和所述反射层之间的光学路径长度为λ/4，其中，λ为目标光波的波长；根据各类膜层材料在太赫兹波段的光学常数，通过调整各膜层的厚度来调节探测器焦平面阵列的吸收率；同时，结合吸收率及填充因子综合考虑，提高探测器在THz波段的响应率；其中，VOx太赫兹非制冷焦平面探测器分别与探测器驱动电路和探测器信号处理部分相连；
其中，帧频和积分时间可调的探测器驱动电路，用于驱动VOx太赫兹非制冷焦平面探测器工作，根据应用要求，通过外接接口调整VOx太赫兹非制冷焦平面探测器的帧频和曝光时间；
VOx太赫兹非制冷焦平面探测器，用于将目标场景的太赫兹辐射成像于焦平面上，继而输出给探测器信号处理部分；
探测器信号处理部分，接收VOx太赫兹非制冷焦平面探测器输出的信号，完成太赫兹成像的图像信号处理；
所述探测器信号处理部分包括探测器预处理电路和视频后处理模块；
探测器预处理电路接收VOx太赫兹非制冷焦平面探测器输出的信号，并进行非均匀性校正和数字细节增强处理后输出给视频后处理模块；
视频后处理模块接收探测器预处理电路输出的太赫兹信号，使用超分辨力算法对图像质量进行提升，输出太赫兹图像。
2.如权利要求1所述的一种VOx太赫兹非制冷焦平面探测器组件，其特征在于，所述VOx太赫兹非制冷焦平面探测器通过对VOx非制冷红外焦平面探测器的窗口进行替换得到：将VOx非制冷红外焦平面探测器中镀制8～14μm增透膜的锗窗口，更换为镀制太赫兹波段增透膜的窗口；窗口材料为锗、高纯硅、石英晶体、甲基戊乙烯聚合物或聚乙烯。
3.如权利要求2所述的一种VOx太赫兹非制冷焦平面探测器组件，其特征在于，窗口的镀膜材料为高密度聚乙烯或聚对二甲苯。
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| Uncooled bolometer-type Terahertz focal plane array and camera for real-time imaging;N.Oda;《C.R.Physique》;20101231;第11卷;第497页第2部分太赫兹实时成像技术、第3部分太赫兹焦平面阵列及附图1和2 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2701187C1 (ru) * | 2019-03-14 | 2019-09-25 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "НИКА-СВЧ" | Приёмник терагерцевого излучения на основе плёнки VOx |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103308181A (zh) | 2013-09-18 |
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