CN201100866Y - THz波普通灵敏度摄像头 - Google Patents
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Abstract
一种THz波普通灵敏度摄像头，其结构如下。包含有引导THz信号的高折射率半导体介质棒二维阵列，还包含有接收THz波在半导体介质棒中激发产生的电子空穴对的晶体管二维阵列，晶体管后面接消除THz背景辐射的差分放大电路。各差分放大电路的信号输出到通用图像信息处理电路、图像存储与显示装置，实现实时THz波成像。
Description
(一)技术领域
本发明涉及普通灵敏度的THz波摄像头，特别涉及应用于探测技术领域的THz波二维实时成像系统。
(二)背景技术
THz波通常指的是频率在100GHz～10THz(30μm～3mm)区间的电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间。由于以前缺乏有效的THz产生和检测方法，人们对该波段电磁辐射性质的了解非常有限，以至于长期以来该波段被称为电磁波谱中的“THz空隙”。近十几年来，超快激光技术的迅速发展，为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，促进了THz波辐射的机理研究、检测技术和应用技术的蓬勃发展。
THz脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质：例如脉宽很窄，约为皮秒量级；单个脉冲的频带覆盖范围很宽；THz波激光器发射的具有很高的时间和空间相干性的THz波可作为摄像光源，从而可以同时获得其带宽覆盖的各频率分量的振幅和位相；THz波光子的能量只有毫电子伏特，不容易破坏被检测的物质，从而可以进行无损检测。
THz波作为一种新型远红外相干光源，目前主要的应用集中在两个方面，即THz波时域光谱分析技术和THz波成像技术，可能的应用包括各种固体尤其是半导体的THz时间分辨光谱测量，THz波医学成像，生物分子构象的THz波时域光谱分析，无标记DNA分子探测，THz波显微成像等。
目前的THz光谱和成像技术中THz波的扫描延迟系统主要采用机械扫描或电动平移台进行扫描，实现时间延迟的时域光谱测量和逐点扫描成像。这种方法的一个缺点是有一个扫描上限，扫描时间太长，观测光谱信息不够及时，时空分辨率都很低，难以做到实时成像。另外，由于扫描速度太慢，属于慢扫描时间延迟测量，从而不能很有效地抑制热背景噪声。这使得THz成像技术无法在实际中获得应用，例如，在海关检查或者保密场所的安全检查中都需要立即获得图像信号，这就要求发展实用化的THz的探测器和摄像头。
另外，目前大多数THz探测和成像技术都是使用大体积的电光调制元件来实现的，这也阻碍了THz探测器和摄像头向小型化和集成化的方向发展。
(三)发明内容
本发明针对上述技术的不足和缺陷，提供了一种体积小、结构简单、可集成化以及可实时二维成像的普通灵敏度THz波摄像头，其结构如下。含有一层基体(衬底)层，在衬底上有一半导体介质棒二维持阵列，半导体介质棒二维持阵列的下面是一半导体晶体管二维阵列，各晶体管分别接到差分放大电路，差分放大电路的输出接普通的图像处理、存储和显示器。半导体晶体管的最佳选择为晶体三极管，下面在介绍工作原理时，选择晶体管为三极管。
该装置的工作原理如下：由于介质棒的折射率比四周空气的折射率高很多，由光学原理可知，当THz电磁波入射时，THz信号将主要集中沿着半导体介质棒下行，在介质棒下部分的区域产生热效应，激发出电子空穴对。在偏置电压的作用下，电子空穴对被注入三极管基极。三极管使得外回路中产生放大的信号电流，该信号电流的大小与入射波的强度成正比，因此可实现对THz波的探测。三极管后面接差分放大电路，其作用是消除THz背景辐射产生的共模信号，有利于它在常温环境下工作，去掉庞大的制冷装置。把许多个THz波探测器排列成二维阵列，使不同位置的探测器接收不同位置的THz入射波，把各个端口输出的信号电流连接到信号采集电路，在电子开关的作用下，信号采集电路将所采集的信号输入到A/D转换器，然后再存入存储器，最后通过显示器显示出来，这样就可以获得一幅完整的THz图像。
需要说明的是，由于介质杆引导THz波传输主要依靠其高介电常数，因此杆的形状和杆排列的结构不影响信号的检测。
在介质杆的下面布置的三极管除了接收电子空穴对产生电流外，还有一定的信号放大作用，在普通灵敏度要求的情况下，也可以用二极管接收电子空穴对产生信号电流。
因为上述THz波摄像头直接使用半导体材料来实现成像功能，所以可以实现和其它比如芯片等半导体器件的集成。介质棒的尺寸可以做得很小，因此在很小的体积上可以集成非常多的介质棒，从而提高探测精度。
(四)附图说明
图1：单个THz波普通灵敏度探测器的侧剖面图
图2：普通灵敏度型THz波图像摄像头核心部件局部图
其中：1为介质棒，2为基体。
(五)具体实施方式
下面结合附图给出本发明的核心部件的一个实施例。
参照图1，THz摄像头就是由许多这样的THz波探测器二维排列形成的。在陶瓷基体1上通过分子束外延方式制作半导体Si平板，然后在Si平板的下半部分掺入杂质原子形成NPN结，镀制连接导线，再在其上部再生长Si平板层，然后由刻蚀方法在Si平板的上半部分制作出所需尺寸的圆柱形介质棒2，最后在介质棒的上端镀制金属电极连线。介质棒的下方正好和三极管基极相连接。三极管和差分电路相连。差分电路后面接外电路。单个介质棒的半径为1μm，相邻介质棒相隔距离为10μm，参照CCD的像素2048×2048，整个探测面积约为2cm×2cm。
Claims (4)
1. 一种THz波普通灵敏度摄像头，其特征在于：含有引导THz波的高折射率半导体介质棒二维阵列，和接收THz波在半导体介质棒二维阵列中激发的电子空穴对、并对接收的信号进行放大的晶体管二维阵列。
2. 按权利要求1所述的THz波普通灵敏度摄像头，其特征在于：每根半导体介质棒的下面与晶体管相连接。
3. 按权利要求1所述的THz波普通灵敏度摄像头，其特征在于：介质棒所连接的晶体管最佳选择为三极管。
4. 按权利要求1所述的THz波普通灵敏度摄像头，其特征在于：晶体管后面连接了为消除背景THz噪声的差分放大电路。
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| CN111323385A (zh) * | 2020-03-03 | 2020-06-23 | 中国科学院物理研究所 | 一种太赫兹相机、太赫兹成像系统及应用 |
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2007
- 2007-01-12 CN CNU2007201179635U patent/CN201100866Y/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN111323385A (zh) * | 2020-03-03 | 2020-06-23 | 中国科学院物理研究所 | 一种太赫兹相机、太赫兹成像系统及应用 |
| CN111323385B (zh) * | 2020-03-03 | 2021-12-28 | 中国科学院物理研究所 | 一种太赫兹相机、太赫兹成像系统及应用 |
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