CN105890769A - 太赫兹焦平面阵列及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹焦平面阵列，其特征在于，包括：平面天线阵列、第一透镜阵列，平面透镜阵列和第一透镜阵列相连。本发明还公开了太赫兹焦平面阵列的设计方法。本发明有效地克服了单一硅透镜视场较小，无法实现大规模阵列的缺点，另一方面又具有加工难度低、配置灵活、阵列规模不受限制等优点，在太赫兹成像领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹焦平面阵列，具体涉及一种基于拼接硅透镜的太赫兹焦平面阵列。本发明还涉及一种太赫兹焦平面阵列的设计方法。本发明属于太赫兹探测技术研究领域。
背景技术
太赫兹焦平面阵列在太赫兹天文、医学成像和公共安全等领域有着广泛应用。太赫兹探测器阵列与外部电磁信号的耦合通常依靠两种方式来完成，一种是采用金属馈源喇叭阵列的方式，另一种是采用平面天线与介质透镜(通常选用硅材料)组合而成的准光学天线阵列，其中准光学天线的优点是阵列物理尺寸更为紧凑，制备成本更低，易于大规模集成，并可以方便地实现与探测器芯片的集成，已在太赫兹单像元探测器和多像元探测器阵列中得到成功应用。
由于平面天线辐射方向性较差，在实际应用中通常需要与硅透镜配合使用来提高天线增益。硅透镜同时起到了变焦的作用，即实现望远镜(或其他成像系统)焦平面上的焦斑尺寸与探测器芯片物理尺寸的匹配。对于平面天线阵列而言，又有两种实现变焦功能的方式，其中一种是为探测阵列中的每一个平面天线单独配置一块小透镜，即采用微透镜阵列的方式，但微透镜阵列的缺点是加工成本较高，并且阵列所能达到的最大尺寸受到加工设备的限制。另一种方法是将平面天线阵列放置在一块大口径硅透镜的中心附近，每个平面天线产生的光波束穿过硅透镜后实现空间上的分离。相对于微透镜阵列，单一硅透镜加工难度较低，但其缺点是离轴单元的成像质量(或天线增益)随离轴距离的增大而迅速恶化，这一特性导致透镜天线可用的视场范围较小，从而限制了这种方式能实现的焦面阵的规模。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种太赫兹焦平面阵列及其设计方法，以解决现有技术加工成本较高，并且阵列所能达到的最大尺寸受到加工设备的限制，透镜天线可用的视场范围较小的技术问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
太赫兹焦平面阵列，其特征在于，包括：平面天线阵列、第一透镜阵列，平面透镜阵列和第一透镜阵列相连。
前述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，平面天线阵列连接太赫兹探测器。
前述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，第一透镜阵列包括M个第一透镜，平面天线阵列包括N个平面天线，每个第一透镜的中心处均放置所述平面天线阵列，每一个平面天线都连接一个独立的太赫兹探测器，其中M、N是正整数。
前述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，平面天线阵列与探测器阵列集成在同一硅基芯片上。
前述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，第一透镜为超半球透镜或椭球透镜。
前述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，每个硅超半球透镜的中心处放置所述平面天线阵列。
前述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，还包括薄透镜阵列、望远镜焦平面，平面天线阵列、第一透镜阵列、薄透镜阵列、望远镜焦平面依次排列，第一透镜阵列产生的发散光波束经过薄透镜阵列汇聚后，变成相互平行的波束，相互平行的波束通过调整薄透镜阵列到望远镜焦平面的距离，使得每个波束的最终焦点都正好位于望远镜焦面上。
前述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，在超半球透镜阵列后方距离为L1处放置M个薄介质透镜，M个薄介质透镜构成薄透镜阵列，通过调整薄透镜阵列到望远镜焦平面的距离L2，使得每个波束的最终焦点都正好位于望远镜焦面上。
前述的太赫兹焦平面阵列的设计方法，其特征在于，当第一透镜为超半球透镜时，包括：当第一透镜为超半球透镜时，超半球透镜的扩展长度H选取为：H＝0.195DH，DH是超半球透镜的直径；平面天线阵列中心到超半球透镜顶点的距离LH为：超半球透镜顶点到薄透镜中心的距离L1为：其中n为硅材料的折射率；薄透镜的直径和等效焦距分别为：fL＝L1；薄透镜阵列到望远镜焦平面的距离L2设定为：焦平面上像元焦斑(即束腰)半径w0为：
前述的太赫兹焦平面阵列的设计方法，其特征在于，当第一透镜为椭球透镜时，包括：椭球面的长轴和短轴分别为扩展长度为平面天线阵列中心到椭球透镜顶点的距离为
本发明的有益之处在于：本发明有效地克服了单一硅透镜视场较小，无法实现大规模阵列的缺点，另一方面又具有加工难度低、配置灵活、阵列规模不受限制等优点，在太赫兹成像领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的一个优选实施的结构示意图；
图2是本发明350GHz 1024像元焦面阵光学设计布局图；
图3是本发明望远镜焦平面上的焦斑分布图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参照图1所示，本发明由多块硅透镜拼接形成硅透镜阵列，每块硅透镜中心处放置一个平面天线阵列，利用平面天线阵列和硅透镜阵列的组合，形成大规模太赫兹焦面阵。该方法有效地克服了单一硅透镜视场较小，无法实现大规模阵列的缺点，另一方面又具有加工难度低、配置灵活、阵列规模不受限制等优点，在太赫兹成像领域具有应用前景。本文还给出了一个应用于天文观测的1024像元太赫兹焦面阵的光学设计实例。
基于拼接硅透镜的太赫兹焦面阵设计方法的光学布局如图1所示。阵列由M个硅超半球透镜(或椭球透镜)构成，每个硅超半球透镜的中心处放置一个由N个平面天线构成的天线阵列，其中每一个天线都与一个独立的太赫兹探测器相连。平面天线阵列与探测器阵列可集成在同一硅基芯片上，通过低温胶粘接在硅超半球透镜背面中心处。在超半球透镜阵列后方距离为L1处放置M个薄介质透镜，与M个超半球透镜一一对应。每一个超半球透镜产生的N个发散光波束经过薄透镜汇聚后，变成N个相互平行的波束。通过调整薄透镜阵列到望远镜焦平面的距离L2，使得每个波束的最终焦点都正好位于望远镜焦面上。通过这种方法，可以构建由M×N个像元构成的太赫兹焦平面阵列。
上述光学设计方法中主要参数的确定方法如下：
1)本方法的输入参数包括：工作波长λ，平面天线的间距s(由探测器阵列芯片设计时确定)和系统变焦比例Mf。。
2)超半球透镜的直径DH由平面天线阵列的物理尺寸(DA)决定，一般选取DH>10DA。
3)超半球透镜的扩展长度选取为：H＝0.195DH。
4)平面天线阵列中心到超半球透镜顶点的距离LH为：
5)超半球透镜顶点到薄透镜中心的距离L1为：其中n为硅材料的折射率。
6)薄透镜的直径和等效焦距分别为：fL＝L1。
7)薄透镜阵列到望远镜焦平面的距离L2可以设定为：此时薄透镜的成像焦点正好位于望远镜焦面上。
8)焦平面上像元焦斑(即束腰)半径w0为：
9)最终在望远镜焦平面上形成的像元数为M×N。
10)可以用椭球透镜替代超半球透镜，此时，椭球面的长轴和短轴分别为 扩展长度为平面天线阵列中心到椭球透镜顶点的距离为
薄透镜的材料可以选择硅、石英、聚四氟乙烯或HDPE等太赫兹透波材料。
本发明中，望远镜焦面到探测器平面的变焦比例可以任意设定；(2)阵列配置灵活、阵列规模不受限制；(3)透镜整体加工难度低于微透镜阵列方式；(4)利用本设计方法生成的太赫兹焦面阵为稀疏焦面阵，即焦面阵各像元之间并非连续排列，需要结合望远镜扫描运动实现对观测天区的连续覆盖。
以下给出一个350GHz 1024像元焦面阵的优化设计实例，如图2所示。该焦面阵工作频段的中心频率为350GHz，平面天线单元为双槽式平面天线，单元间距为400×400微米。阵列为8×8矩形阵列，覆盖焦平面成像区域为3.2×3.2mm。透镜阵列采用了4×4硅椭球透镜与HDPE薄透镜的组合，其中椭球透镜由高阻硅材料加工而成，折射率n＝3.42，长短轴分别26.142mm和25mm，扩展长度H＝7.65mm。薄透镜采用直径78mm，厚18mm的HDPE透镜，折射率n＝3.42，等效焦距fL＝98.8mm。超半球透镜顶点到薄透镜中心的距离L1＝98.8mm，薄透镜阵列到望远镜焦平面的距离L2＝98.3mm。光学系统变焦比例为10.0，最终在望远镜焦平面上形成1024个焦斑，每个焦斑的束腰半径为1.36mm，像元间距为4mm。望远镜焦平面上的焦斑分布如图3所示，其中圆圈大小表示焦斑束腰直径。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.太赫兹焦平面阵列，其特征在于，包括：平面天线阵列、第一透镜阵列，平面透镜阵列和第一透镜阵列相连。
2.根据权利要求1所述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，平面天线阵列连接太赫兹探测器。
3.根据权利要求2所述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，第一透镜阵列包括M个第一透镜，平面天线阵列包括N个平面天线，每个第一透镜的中心处均放置所述平面天线阵列，每一个平面天线都连接一个独立的太赫兹探测器，其中M、N是正整数。
4.根据权利要求3所述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，平面天线阵列与探测器阵列集成在同一硅基芯片上。
5.根据权利要求4所述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，第一透镜为超半球透镜或椭球透镜。
6.根据权利要求5所述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，每个硅超半球透镜的中心处放置所述平面天线阵列。
7.根据权利要求1至6任一项所述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，还包括薄透镜阵列、望远镜焦平面，平面天线阵列、第一透镜阵列、薄透镜阵列、望远镜焦平面依次排列，第一透镜阵列产生的发散光波束经过薄透镜阵列汇聚后，变成相互平行的波束，相互平行的波束通过调整薄透镜阵列到望远镜焦平面的距离，使得每个波束的最终焦点都正好位于望远镜焦面上。
8.根据权利要求7所述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，在超半球透镜阵列后方距离为L1处放置M个薄介质透镜，M个薄介质透镜构成薄透镜阵列，通过调整薄透镜阵列到望远镜焦平面的距离L2，使得每个波束的最终焦点都正好位于望远镜焦面上。
9.权利要求1至8任一项所述的太赫兹焦平面阵列的设计方法，其特征在于，当第一透镜为超半球透镜时，包括：当第一透镜为超半球透镜时，超半球透镜的扩展长度H选取为：H＝0.195DH，DH是超半球透镜的直径；平面天线阵列中心到超半球透镜顶点的距离LH为：超半球透镜顶点到薄透镜中心的距离L1为：其中n为硅材料的折射率；薄透镜的直径和等效焦距分别为：fL＝L1；薄透镜阵列到望远镜焦平面的距离L2设定为：焦平面上像元焦斑(即束腰)半径w0为：。
10.权利要求1至8任一项所述的太赫兹焦平面阵列的设计方法，其特征在于，当第一透镜为椭球透镜时，包括：椭球面的长轴和短轴分别为扩展长度为平面天线阵列中心到椭球透镜顶点的距离为
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |