CN112082970A - 基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，包括直流电源，直流电源上串接限流电阻、电流表和供电控制模块并构成回路，供电控制模块上电连接有焦平面成像阵列，供电控制模块的两端并联有滤波器和锁相放大器且均构成回路，滤波器和锁相放大器与供电控制模块的共同回路上串接有电容器，供电控制模块与锁相放大器还共同连接有计算机。本发明基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，解决了现有太赫兹波焦平面探测器阵列价格昂贵、工作温度、带宽、响应速度、响应率和NEP方面存在不足以及氖灯辉光放电探测器焦平面成像阵列存在NEP大、分辨率低和功耗大的问题。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹波检测系统技术领域，具体涉及一种基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统。
背景技术
太赫兹(THz)电磁波能穿透很多介电材料和非极性液体，如衣料、塑料和纸张等，因此能对可见光不透明的物体可进行透视成像；由于其光子能量很低，不会对生物产生有害的光电离，故THz成像技术是一种安全的成像方法，在安检、无损检测和生物医学诊断等方面具有广阔的应用前景。THz成像技术可分为脉冲波成像和连续波成像。
对于THz脉冲波成像技术，大部分THz成像系统都采用超短激光泵浦光电导天线或非线性晶体产生THz脉冲，聚焦后照射到样品上，利用二维平移台控制样品的移动，实现逐点扫描成像。虽然扫描成像技术可以确保较高的信噪比，但是成像速度很慢。通常商业化的基于THz时域光谱系统成像装置对一个20mm×20mm的样品以0.5mm的扫描步长进行脉冲成像，耗时3小时以上。1996年，Q.Wu和X.-C.Zhang提出了THz脉冲实时成像技术，有效缩短了THz成像的图像获取时间，大大提高了THz成像技术的实用性。但是，由于成像时要将THz脉冲扩束直接照射样品，而目前的脉冲THz源的功率都很小，所以利用脉冲THz实时成像技术获得的图像的信噪比不高，且只能对很小的物体成像。脉冲THz成像需要飞秒激光器，成像系统复杂；数据处理也非常复杂。
与THz脉冲波成像技术相比，虽然使用一个具有固定频率的THz源和单个探测器的THz连续波成像系统只能给出通过样品后的THz波的强度信息，不能提供物质的深度、频谱和时域信息，但是它体积小巧、结构简单、价格相对较低。然而，这种THz连续波成像系统仍然需要在THz焦点位置处使用二维电动平移台机械的移动样品实现逐点扫描成像，不能实现实时成像。例如，对一个20mm×20mm的样品以0.2mm的扫描速度进行脉冲成像，耗时数分钟。
由于THz连续波源的功率较高，可将THz波扩束照射到样品上，然后将从样品透射(或反射)的THz波收集并聚焦到焦平面成像阵列上从而获得样品的实时THz图像。THz波实时成像技术是推动THz成像技术在安全检查、无损检测、生物医学诊断等领域广泛应用的一种有效途径。
THz波实时成像系统中的核心部件是THz波焦平面探测器阵列，它被用来接收携带有样品信息的THz波。目前常用的THz波焦平面探测器阵列有Bolometer阵列、焦热电探测器阵列、肖特基二极管阵列、CMOS阵列和场效应晶体管(FET)阵列等。这些探测器阵列不仅价格非常昂贵，而且在性能上还存在许多不足。如Bolometer阵列的带宽可达0.2-30THz，噪声等效功率(NEP)可达3pW/Hz1/2，但是，需要低温冷却系统，造成体积庞大；受“热时常数”的限制，响应速度慢，难以实现实时成像。虽然Microbolo meter阵列可以在室温下工作，但是其带宽大大降低(通常<5THz)，NEP增加到几十到几百pW/Hz1/2。焦热电探测器阵列可以在室温下工作，频谱响应范围0.1-30THz，但是NEP非常大。硅肖特基二极管阵列、CMOS阵列和FET阵列等电子学器件也可以在室温下工作，但是一般只能探测1THz以下的频段，并且NEP较大，一般为几十到几百pW/Hz1/2。表1比较了几种常见的室温THz焦平面成像阵列的性能。
表1常见的室温太赫兹焦平面成像阵列的性能对比
辉光放电探测器是一种新型的THz波探测器。它利用低压惰性气体直流放电产生等离子体，在THz电磁波的作用下，等离子体中的电子能量增加引起高激发态惰性气体原子电离，从而引起回路中电流增加。因为电流增量与THz波功率成正比，所以可以用其探测THz波。
2007年，N.S.Kopeika报道了利用价格低廉的氖灯制作的辉光放电探测器(简称氖灯辉光放电探测器)探测THz电磁波，在100GHz波段，氖灯辉光放电探测器的响应率为20V/W，NEP为104pW/Hz1/2。为了提高成像速度，2011年，N.S.Kopeika制作了8×8的氖灯GDD阵列。由于氖灯的直径较大(6mm)，导致氖灯辉光放电探测器阵列的尺寸大，图像分辨率低；并且氖灯辉光放电探测器的响应率小、NEP大，即使采用很复杂的成像方法和图像重构算法也只能对很简单的物体成出很模糊的THz图像，更不能实现实时成像。当64个氖灯同时开启时，功耗很大，需要散热系统；而且需要64套数据采集和放大电路，系统复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，解决了现有太赫兹波焦平面探测器阵列价格昂贵、工作温度、带宽、响应速度、响应率和NEP方面存在不足以及氖灯辉光放电探测器焦平面成像阵列存在NEP大、分辨率低和功耗大的问题。
本发明所采用的技术方案是：基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，包括直流电源，直流电源上串接限流电阻、电流表和供电控制模块并构成回路，供电控制模块上电连接有焦平面成像阵列，供电控制模块的两端并联有滤波器和锁相放大器且均构成回路，滤波器和锁相放大器与供电控制模块的共同回路上串接有电容器，供电控制模块与锁相放大器还共同连接有计算机。
本发明的特点还在于，
焦平面成像阵列包括依次上下封装的上面板、中面板和下面板，中面板上刻蚀有m×n个供太赫兹波入射的通孔，m×n个通孔内均充入惰性气体形成气室阵列，上面板的下表面均匀间隔设置有m列x电极，m列x电极一一对应气室阵列的m列气室，下面板的上表面均匀间隔设置有n行y电极，n行y电极一一对应气室阵列的n行气室，n行y电极和m列x电极均电连接至供电控制模块。
气室均为正方形或圆形，气室的宽度均为10μm-1mm，气室的深度即中面板的厚度为10μm-1mm。
上面板选用石英玻璃材质，x电极的宽度为气室宽度的1/10-1/3。
y电极的宽度不小于气室的宽度。
气室内惰性气体的压强均为103-105Pa，惰性气体为He、Ne、Ar、Ke、Xe中的一种或两种以上组成的潘宁混合气体。
x电极和y电极均采用ITO薄膜或金属膜制作。
电容器的大小为
其中，f是入射太赫兹波的调制频率，R是与信号通路并联的等效电阻。
滤波器为带通滤波器，滤波器的谐振频率设置为入射太赫兹波的调制频率。
锁相放大器的积分时间为0.1ms-1s。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用惰性气体在若干具有微米尺度放电空间的阵元构成的阵列空间内发生直流放电产生的微等离子体阵列对携带物体信息的THz波进行实时成像。与常规等离子体相比，由于微等离子体尺寸的限制使其具有更高的等离子密度和稳定性，所以基于微等离子体阵列的THz波焦平面实时成像阵列将具有更高的响应率、更小的NEP和极高的分辨率。
2、本发明中采用逐点顺次启动探测的方式使焦平面成像阵列工作，每次只有一个像元工作，因此功耗低。
3、微等离子体放电同样遵循帕邢定律，因此基于微等离子体阵列的THz波焦平面成像阵列能够运行在大气压条件下，无需产生常规等离子体所需的真空系统，装置轻巧、便携，不仅节省了成本，也省去了大量的真空获得时间。
4、与现有技术相比，本发明响应波段较宽，频谱响应范围覆盖整个THz波段；同时，因为气体的电离率随入射THz波功率增加线性增加，所以，当THz电磁波的功率较高时，不会损坏焦平面成像阵列，也不会出现饱和现象。
附图说明
图1是本发明基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统的结构示意图；
图2是本发明基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统中焦平面成像阵列的结构示意图；
图3是本发明基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统中上面板的结构示意图；
图4是本发明基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统中中面板的结构示意图；
图5是本发明基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统中下面板的结构示意图。
图中，1.焦平面成像阵列，2.供电控制模块，3.电流表，4.限流电阻，5.直流电源，6.电容器，7.滤波器，8.锁相放大器，9.计算机，10.上面板，11.中面板，12.下面板，13.x电极，14.气室，15.y电极。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，如图1所示，包括直流电源5，直流电源5上串接限流电阻4、电流表3和供电控制模块2并构成回路，供电控制模块2上电连接有焦平面成像阵列1，供电控制模块2的两端并联有滤波器7和锁相放大器8且均构成回路，滤波器7和锁相放大器8与供电控制模块2的共同回路上串接有电容器6，供电控制模块2与锁相放大器8还共同连接有计算机9。其中，电容器6的大小取决于THz波的调制频率，
f是入射太赫兹波的调制频率，使用时从2Hz到20kHz之间调节，R是与信号通路并联的等效电阻；滤波器7为带通滤波器，其谐振频率设置为入射THz波的调制频率；锁相放大器8的积分时间从0.1ms-1s可调。
如图2所示，焦平面成像阵列1包括依次上下封装的上面板10、中面板11和下面板12，其中的y电极15和x电极13均电连接至供电控制模块2，通过其内部的控制电路为x电极13和y电极15供电。
如图4所示，中面板11采用机械强度好、耐热性好、气密性好的材质制作，中面板11上刻蚀有m×n个供太赫兹波入射的通孔，m×n个通孔内均充入惰性气体形成气室14阵列，气室14均为正方形或圆形，气室14的宽度均为10μm-1mm，气室14的深度即中面板11的厚度为10μm-1mm；气室14阵列内充入103-105Pa的惰性气体，并将上面板10、中面板11和下面板12封装在一起，惰性气体为He、Ne、Ar、Ke、Xe中的一种或两种以上组成的潘宁混合气体。
如图3所示，上面板10采用机械强度好、耐热性好、对THz波具有较高透过率的材质制成，一般选用石英玻璃，在其下表面采用ITO薄膜或金属膜制作等间距的m个平行电极作为x电极13，m列x电极13一一对应气室14阵列的m列气室14，x电极13的宽度为气室14(像元)的宽度的1/10-1/3，其目的是让入射THz波尽可能多的入射到气室14中与微等离子体作用。
如图5所示，下面板12由机械强度好、耐热性好的材质制成，上表面制备不小于气室14宽度的等间距金属电极作为y电极15，n行y电极15一一对应气室14阵列的n行气室14，其目的是让入射THz波与微等离子体作用后再次反射回气室14中与微等离子体再作用一次，以增强响应率。
工作时，先让供电控制模块2接通任意一对电极(xi，yj)，调节放电电压，当xi与yj之间的电压达到气室14内惰性气体的击穿电压时，气体放电产生微等离子体，调节电压使电流表3显示的放电电流介于0.1mA-5mA之间，可以产生稳定的微等离子体。此时，如果有THz波照射到微等离子体上，会引起惰性气体的电离率增加，引起回路中电流变化，从而引起其两端偏置电压改变。该电压的变化量与接收到的THz波的功率成正比，因此可以利用该电压的变化量来反映THz波的功率大小。电容器6可以滤除在气室14两端所施加的直流电压，然后将被调制的入射THz波引起的放电气室14两端变化的电压信号经滤波器7滤波处理后输入锁相放大器8中，同时将THz波的TTL调制信号输入到锁相放大器8中。锁相放大器8在气室(i，j)发光后10μs，开始读取数据，并将积分后的信号输入计算机9中，即反映了该像元(i，j)所测THz波的功率大小。利用计算机9启动扫描成像程序，供电控制模块2将接通电极y1，然后依次分别接通电极x1、x2、……、xm；断开电极y1，接通电极y2，然后依次分别接通电极x1、x2、……、xm；……；断开电极yn-1，接通电极yn，然后依次分别接通电极x1、x2、……、xm。这样就实现了单独开通各个像元探测所接收到的THz波，从而实现了对携带样品信息的THz光的逐点扫描。计算机9中的成像软件记录下像素位置和对应位置的THz波的功率等效值，利用灰度图或者伪彩图显示出来，即可得到样品的THz图像。在焦平面成像阵列1的发热功率许可范围内，也可以同时开启多个甚至全部像元，获得更快的成像速度。
通过上述方式，本发明的基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统通过惰性气体在若干具有微米尺度放电空间的阵元构成的阵列空间内发生直流放电产生的微等离子体阵列对携带物体信息的THz波进行实时成像。与常规等离子体相比，由于微等离子体尺寸的限制使其具有更高的等离子密度和稳定性，所以基于微等离子体阵列的THz波焦平面实时成像阵列将具有更高的响应率、更小的NEP和极高的分辨率。本发明中采用逐点顺次启动探测的方式使焦平面成像阵列工作，每次只有一个像元工作，因此功耗低。微等离子体放电同样遵循帕邢定律，因此基于微等离子体阵列的THz波焦平面成像阵列能够运行在大气压条件下，无需产生常规等离子体所需的真空系统，装置轻巧、便携，不仅节省了成本，也省去了大量的真空获得时间。与现有技术相比，本发明响应波段较宽，频谱响应范围覆盖整个THz波段；同时，因为气体的电离率随入射THz波功率增加线性增加，所以，当THz电磁波的功率较高时，不会损坏焦平面成像阵列，也不会出现饱和现象。
Claims (10)
1.基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，其特征在于，包括直流电源(5)，直流电源(5)上串接限流电阻(4)、电流表(3)和供电控制模块(2)并构成回路，供电控制模块(2)上电连接有焦平面成像阵列(1)，供电控制模块(2)的两端并联有滤波器(7)和锁相放大器(8)且均构成回路，滤波器(7)和锁相放大器(8)与供电控制模块(2)的共同回路上串接有电容器(6)，供电控制模块(2)与锁相放大器(8)还共同连接有计算机(9)。
2.如权利要求1所述的基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，其特征在于，所述焦平面成像阵列(1)包括依次上下封装的上面板(10)、中面板(11)和下面板(12)，中面板(11)上刻蚀有m×n个供太赫兹波入射的通孔，m×n个通孔内均充入惰性气体形成气室(14)阵列，上面板(10)的下表面均匀间隔设置有m列x电极(13)，m列x电极(13)一一对应气室(14)阵列的m列气室(14)，下面板(12)的上表面均匀间隔设置有n行y电极(15)，n行y电极(15)一一对应气室(14)阵列的n行气室(14)，n行y电极(15)和m列x电极(13)均电连接至供电控制模块(2)。
3.如权利要求2所述的基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，其特征在于，所述气室(14)均为正方形或圆形，气室(14)的宽度均为10μm-1mm，气室(14)的深度即中面板(11)的厚度为10μm-1mm。
4.如权利要求3所述的基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，其特征在于，所述上面板(10)选用石英玻璃材质，x电极(13)的宽度为气室(14)宽度的1/10-1/3。
5.如权利要求3所述的基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，其特征在于，所述y电极(15)的宽度不小于气室(14)的宽度。
6.如权利要求2所述的基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，其特征在于，所述气室(14)内惰性气体的压强均为103-105Pa，惰性气体为He、Ne、Ar、Ke、Xe中的一种或两种以上组成的潘宁混合气体。
7.如权利要求2所述的基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，其特征在于，所述x电极(13)和y电极(15)均采用ITO薄膜或金属膜制作。
8.如权利要求1所述的基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，其特征在于，所述电容器(6)的大小为
其中，f是入射太赫兹波的调制频率，R是与信号通路并联的等效电阻。
9.如权利要求1所述的基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，其特征在于，所述滤波器(7)为带通滤波器，滤波器(7)的谐振频率设置为入射太赫兹波的调制频率。
10.如权利要求1所述的基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，其特征在于，所述锁相放大器(8)的积分时间为0.1ms-1s。
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| CN102721468A (zh) * | 2012-06-26 | 2012-10-10 | 西安理工大学 | 一种太赫兹波探测器 |
| US20130256535A1 (en) * | 2010-12-10 | 2013-10-03 | TeraOptronics B.V. | Terahertz radiation detection using micro-plasma |
| CN107064050A (zh) * | 2017-04-21 | 2017-08-18 | 中国科学院微电子研究所 | 一种连续太赫兹波成像系统及其方法 |
-
2020
- 2020-08-25 CN CN202010862464.9A patent/CN112082970B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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|---|---|
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