基于红外热像仪与超表面的太赫兹焦平面成像系统的制作方法

1.本发明涉及焦平面成像领域，尤其是一种太赫兹波段的焦平面成像系统。


背景技术：

2.太赫兹焦平面成像技术是太赫兹探测感知领域的研究热点之一，也是太赫兹探测感知系统的重要发展趋势之一。太赫兹焦平面成像主要具备以下三方面优势：
①
成像实时性好，能够获得非合作目标视频级图像；
②
能够获取目标的原始像素级信息，在信息完成度与可塑性方面优于其他技术途径，能够为目标识别提供优质信息源；
③
具备视场、焦距、工作频段等通用化、型谱化、系列化特质，可以满足多种任务需求。由于太赫兹焦平面成像技术的优势明显，其受到了各国的广泛重视。美国设立“太赫兹焦平面成像技术”“亚毫米波焦平面成像技术”“先进扫描成像项目”等研究专项用于军事领域；欧洲在其第七、第八框架中设立多个相关专项推动太赫兹焦平面成像技术的商业应用。太赫兹焦平面成像技术的核心是太赫兹探测器件，常见的thz探测器件主要包括测辐射热计(bolometer)、高莱探测器(golay cell)、热释电(pyroelectric)等基于光子学途径的红外技术器件以及肖特基二极管、场效应晶体管等基于电子学技术的器件。
3.基于电子学途径的太赫兹成像技术大多基于晶体管，2018年，法国j.meilhan团队研究了应用于2.5thz的基于天线耦合的测辐射热计，等效噪声功率达到2019年，d.rozban等人提出了一种基于辉光放电的焦平面阵列成像系统，工作在1thz，工作时需要cmos相机的辅助，阵列规模达到128
×
128，并实现了对5米外尺寸10cm2物体的轮廓成像。同年，天津大学研究了基于cmos的太赫兹近场传感器，工作频率在330-336ghz，空间分辨率达到μm级别。通过上述研究成果综述可以看出，基于电子学的太赫兹焦平面成像技术通常在低频太赫兹波段(《1thz)具有较高的灵敏度，但是其受到晶体管性能制约，较难实现工作频率的调整。
4.基于光子学途径的太赫兹焦平面成像技术借鉴于红外成像技术，使用光电导或热探测机理实现太赫兹波段成像。2018年，日本国立信息与通信技术研究所的zhang等人利用平面谐振结构，实现了在3thz下的主动成像，空间分辨率达到200μm。同年，东京大学的suguru hoson等人基于微电子机械系统(mems)研究出一种太赫兹探测器，该探测器利用材料电阻的热敏特性，检测出太赫兹波的强度。该探测器拥有数khz的工作带宽，响应速度达到50ms，80k温度下等效噪声功率为2019年，r.f.su等人研究出了基于超导隧道结的太赫兹探测器，在4.2k温度下，实现了0.65thz频率上的极低等效噪声功率。通过上述对近几年技术现状的综述可以看出，基于光子学途径的太赫兹探测技术通常在高频太赫兹波段(》1thz)具有较高的灵敏度。但是，由于材料吸收特性的限制，其只在特定波长处具有较高的吸收率，也就意味着其无法在太赫兹波段实现连续、灵活的探测；此外，由于热敏型探测器采用接触式直流偏置与信号读出，需要引入复杂的读出电路，这会极大的增加制造成本并限制了探测器阵列的规模；同时，由于电路带来了无法隔离和消除的热噪
声，导致探测器灵敏度下降，成像效果变差；由于太赫兹光子能量低，室温下甚至低于背景热噪声的能量，为降低背景热噪声，需要配置制冷设备，如上述研究中工作在80k、4.2k下的太赫兹探测器件，这就使得太赫兹焦平面成像技术的应用成本进一步上涨，影响其广泛应用。
5.综上所述，一种兼具工作频段可灵活设计、工作温度在室温无需制冷、易于形成大规模阵列、等效噪声功率低、响应时间快等优点的太赫兹焦平面成像技术将极大的提升其在军事以及商业领域的实用性。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于红外热像仪与超表面的太赫兹焦平面成像系统。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
8.一种基于红外热像仪与超表面的太赫兹焦平面成像系统，包括太赫兹波源模块、超表面吸波模块和红外热像仪模块，太赫兹波从太赫兹波源模块发出后，按照搭建的光路传输，照射到超表面吸波模块上；超表面吸波模块吸收太赫兹波能量，并将太赫兹波的电磁能量转化为热能；超表面吸波模块温度上升，使用红外热成像仪模块对超表面吸波模块的金背板一侧进行观测，即可得到温度分布信息；超表面吸波模块的每一个像元的温度高低与该像元接收到的太赫兹辐射强度大小成正比，由温度分布图像得到被成像物体的形状信息，完成成像功能。
9.使用红外热像模块观测并记录超表面吸波模块无太赫兹波入射一侧的金背板温度分布，将红外热像仪的观测结果和数据导出至计算机上，温度分布与焦平面阵列上每个像元所接收到的太赫兹功率大小成正比，由此可推断出被成像物体的形状尺寸等信息，即温度分布图像对应为被成像物体图像，完成太赫兹波段的成像。
10.所述红外热像仪模块采用红外摄像机，红外热成像仪同时满足以下四点指标：可观测面积不小于超表面吸波模块面积、水平方向的分辨率和垂直方向的分辨率分别大于水平方向超表面吸波模块阵列规模和垂直方向超表面吸波模块阵列规模的两倍、温度分辨率小于1k且帧率高于60帧，例如超表面吸波模块阵列为64
×
64、则红外热像仪分辨率至少为128
×
128。
11.所述超表面吸波模块为为二维平面型周期性结构，最小结构为超表面单元，超表面单元分为三层，顶层为正方形金属方形单元，材料为金；中间层为介质层，材料为si3n4，相对介电常数为9.7；底层为金属背板，材料为金，超表面单元的尺寸参数见表1，超表面吸波模块单元的周期为p，上层金属方块的边长为a，上下两层金层的厚度均为t1，中间介质层厚度为t2；
12.表1结构尺寸参数表
13.14.以n
×
n个超表面单元在同一层上紧密排列组成吸波板，吸波板、连接悬臂和si晶圆基板组成一个像元，si晶圆基板刻蚀有方孔并位于吸波板四周，si晶圆基板其中两个相对的侧面中间设有连接悬臂，基于电磁超表面理论的单个像元结构如图3所示，尺寸参数见表1，吸波板的边长为超表面单元的n倍，记为p3；晶圆基底厚度为t3；si晶圆基板刻蚀有方孔，方孔的边长大于吸波板边长，即通过方孔观察吸波板时，吸波板周围空气间隙宽度为d2；每个像元中，si晶圆基板的方孔的壁厚为d1，则一个像元的边长(像元周期)为p2＝p3 (d1 d2)
×
2，si晶圆基板为最上层，依次向下为超表面单元形成的金方块阵列、si3n4基板、金背板；其中si3n4在同一水平面上相对两侧各伸出一条水平的连接悬臂，连接悬臂与si晶圆基板相接触；si晶圆基板上开有刻蚀形成的方孔，方孔位于金方块阵列的正上方，方孔口径尺寸大于整个金方块阵列，确保金方块阵列完全露出；方孔使得吸波板在连接悬臂的支撑下悬空；太赫兹波从超表面吸波模块的顶部入射，像元的底部指吸波板所在位置，顶部指刻蚀有方孔的si晶圆基板所在位置，穿过si晶圆基板上的方孔，直接照射到吸波板上，使得吸波板吸波之后产生热量。
15.超表面吸波模块即由若干像元(例如100
×
100)在同一平面上组成阵列，超表面吸波模块置于太赫兹波源光学系统的焦平面上，以便接收太赫兹辐射。
16.本发明的有益效果在于基于红外热像仪与超表面的太赫兹焦平面成像系统对比现有的太赫兹成像技术，优势主要体现在如下方面：
17.(1)本成像技术的工作频率具有设计灵活性。
18.本技术所设计的超表面吸波模块对太赫兹波吸收率极高，且吸收带宽、吸收频率可灵活设计。本技术采用基于人工调控的电磁超表面作为吸波模块，对比传统的vo
x
材料吸波，首先在吸收率上有了极大提升，如图4所示，在所设计的吸收频率处吸收率达到95％，较之传统材料在太赫兹波段的不足40％吸收率，提升一倍以上。其次，根据电磁超表面设计理论可以得知，通过调整超表面单元的尺寸，即可对超表面的吸收频率进行调节，设计上具有灵活性。
19.(2)本成像技术可应用在室温工作环境下。
20.本成像技术属于热-光转换型成像，与同样采用热成像的现有太赫兹成像技术相比，本技术可工作在室温(293k)环境下，对与环境温度要求较低，无需配置庞大且昂贵的制冷设备，在使用与维护上做到了简单、低成本。
21.(3)本成像技术所设计的焦平面阵列，其阵列可达到较大规模。
22.本技术中所设计的每个焦平面像元尺寸约为200μm
×
200μm，阵列规模为100
×
100，因此整个焦平面阵列大小为2cm
×
2cm，实现了较大规模的阵列。且还可随着工艺水平的成熟，进一步提升阵列规模而无需改变结构。
23.(4)本成像技术的系统等效噪声功率(nep)性能优异。
24.本成像技术的系统等效噪声功率(nep)为与现有太赫兹成像技术相比，在室温下的太赫兹成像系统中处于先进水平。
25.系统的等效噪声功率(nep)等同于1赫兹输出带宽内，信噪比为1时的信号功率。对本成像技术的nep进行测试与计算，nep表示为：
26.27.其中tn、t0分别为噪声下、p0功率太赫兹辐射下的焦平面阵列金背板温度升高值，单位为k。p0是平均到一个像元上的太赫兹功率大小，可由下式计算得出：
[0028][0029]
其中τ0是太赫兹透镜对于工作频点太赫兹波的传输率，或表示为反射型抛物镜对于工作频点太赫兹波的反射率；f是太赫兹透镜的f数；ad是焦平面阵列的有效光敏面积；p
t
是太赫兹源的发射功率密度。
[0030]
温度升高量的基准为所处环境的室温。测试nep时，首先由红外热像仪观测并记录无太赫兹功率入射时，焦平面阵列金背板的温度，接着将太赫兹源输出开启，并算出此时的输出功率p0，再由红外热像仪记录此时焦平面阵列金背板的温度，与室温比较得出温度升高量。将两温度升高量对比，即可得到nep数值，单位为w。测试时认为测试系统带宽为b，即太赫兹源输出带宽为b，则得到单位为若测试系统带宽为1hz，则nep1和nep2数值上相同。
[0031]
根据所提出的选用红外热像仪指标可知，其温度分辨率不大于1k，也就意味着红外热像仪所能输出的最小温度变化量δt≤1k，吸波板吸收率为80％，由测试时台和资源发射功率计算得每个像元上接收到的太赫兹功率为p0＝0.002mw，太赫兹源的发射带宽b约为1ghz，计算得到：
[0032][0033]
(5)本成像技术的响应时间为27ms，可满足实时成像要求。
[0034]
成像系统的相应时间是从开始成像到第一帧图像输出所用的时间。在本成像技术中，可将响应时间看作两部分时间的相加，第一部分是太赫兹源发出太赫兹辐射开始，到焦平面阵列的金背板温度升高量达到稳态温度升高量的63.2％时所用时间；第二部分是红外热像仪记录图片所用时间。第一部分时间中，焦平面阵列的金背板温度变化速度只于焦平面阵列自身结构、环境温度有关。经过仿真测试，如图7所示，焦平面阵列的金背板温度升高至稳态温度的63.2％所用时间为10ms，即第一部分时间为10ms。第二部分时间中，红外热像仪帧数高于60fps，也就意味着其成像时间不超过17ms，因此本成像技术总的响应时间为27ms。
[0035]
(6)本成像技术无需读出电路。
[0036]
由于本成像技术将难以观察的电磁能量通过超表面构成的焦平面阵列转化成了热量，并利用现有成熟的红外热像仪、对温度变化与分布进行了准确的记录，记录结果可直接对应太赫兹波段的成像结果。因此无需引入复杂的偏置电路、读出电路，降低了制备成本，同时排除了电路带来的热噪声。
附图说明
[0037]
图1为成像技术方案流程图。
[0038]
图2为电磁超表面单元结构示意图，图2(a)为侧视图，图2(b)为俯视图。
[0039]
图3为超表面吸波模块单个像元结构图。图3(a)为顶面视图，图3(b)为底面视图，图3(c)为侧视图。
[0040]
图4为超表面吸波模块单个像元的吸收率-频率特性曲线
[0041]
图5为超表面吸波模块3
×
3阵列结构示意图，图5(a)为顶面视图，图5(b)底面视图，图5(c)为侧视图。
[0042]
图6为成像技术原理示意图。
[0043]
图7为超表面吸波模块的金背板温度变化曲线。
[0044]
其中，1-金属方形单元，2-si3n4介质层，3-金属背板，4-悬臂，5-空气间隙，6-硅，7-金阵列，8-氮化硅介质层及悬臂，9-离轴抛物净一，10-离轴抛物镜二，11-被探测物体，12-焦平面阵列，13-观测镜头，14-红外热成像仪，15-可选外接显示器。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0046]
本发明是基于红外热像仪与超表面的太赫兹焦平面成像技术，针对上一小节中所陈述的现有太赫兹成像技术存在的问题，重点改善或解决如下问题：
[0047]
1)实现工作频段的设计灵活性；
[0048]
2)实现室温下成像，无需额外的制冷设备；
[0049]
3)结构设计合理，可满足制备大规模阵列的需求；
[0050]
4)等效噪声功率达到pw量级；
[0051]
5)响应时间不高于100ms，满足实时成像需求。
[0052]
6)降低因读出电路而带来的制备成本。
[0053]
一种基于红外热像仪与超表面的太赫兹焦平面成像系统，如图1所示，包括太赫兹波源模块、超表面吸波模块和红外热像仪模块，太赫兹波从太赫兹波源模块发出后，按照搭建的光路传输，照射到超表面吸波模块上；超表面吸波模块吸收太赫兹波能量，并将太赫兹波的电磁能量转化为热能；超表面吸波模块温度上升，使用红外热成像仪模块对超表面吸波模块的金背板一侧进行观测，即可得到温度分布信息；超表面吸波模块的每一个像元的温度高低与该像元接收到的太赫兹辐射强度大小成正比，由温度分布图像得到被成像物体的形状信息，完成成像功能。
[0054]
根据太赫兹焦平面成像系统的可用空间尺寸，选取离轴抛物镜，需要两个完全一样的离轴抛物镜，离轴抛物镜迎光面的截面尺寸为超表面吸波模块迎光面尺寸10倍-15倍，将其编号为1号、2号，搭建光路时，在1号离轴抛物镜焦点处放置太赫兹波源模块，使得1号、2号离轴抛物镜中心光轴重合，且迎光面相互面对，两个离轴抛物镜距离大于离轴抛物镜的一倍焦距；超表面吸波模块放置在2号离轴抛物镜的焦点附近但不位于焦点处，超表面吸波模块与2号离轴抛物镜光心(光心指的是位于离轴抛物镜迎光面上中心的点)的距离小于离轴抛物镜的焦距，具体距离取决于超表面吸波模块的尺寸、离轴抛物镜的尺寸、焦距。红外热像仪模块较为灵活，主要完成对焦平面阵列上超平面吸波模块温度分布的测量。对红外热像仪模块，采用红外摄像机，红外热成像仪的指标与超表面吸波模块的面积、阵列规模相关，假设超表面吸波模块的面积为2cm
×
2cm、阵列规模为100
×
100，则红外热成像仪只要同时满足以下四点指标要求即可：可观测面积不低于2cm
×
2cm(不小于超表面吸波模块面积)、有效分辨率不低于200
×
200(这里的有效分辨率指的是平均到超表面吸波模块同等面积大小上的分辨率，此外，有效分辨率指标取决于超表面吸波模块的阵列规模，水平、垂直
方向的分辨率至少是水平方向、垂直方向超表面吸波模块阵列规模的两倍)、温度分辨率小于1k、帧率高于60帧。
[0055]
本发明技术方案的核心技术模块包是基于人工电磁调控的超表面吸波模块。基于人工电磁调控的超表面吸波模块完成对太赫兹波的吸收，从而实现从太赫兹波中的电磁能量到固体中热能之间的转换。电磁超表面指的是一种二维平面型周期性结构，称其重复的最小结构为超表面单元。通过对超表面单元的尺寸、形状进行设计，并选取合适材料，即可实现对电磁波的人工调控，对某一频率的电磁波进行吸收、传输、偏转或反射等，且该频率可通过调整超表面单元的尺寸进行灵活调节。本发明所设计的电磁超表面单元如图2所示，从侧视图可看到，结构分为三层，顶层为正方形金属方片，材料为金；中间层为介质层，材料为si3n4，相对介电常数为9.7；底层为金属背板，材料为金。由于太赫兹波源模块所发射的太赫兹波频率为3.4thz，则需要超表面吸波模块的吸波频段包含3.4thz，优化设计得出超表面单元的尺寸参数见表1。
[0056]
表2结构尺寸参数表
[0057][0058]
以10
×
10个超表面单元组成一个像元，作为成像系统最小分辨率单元，成像系统的焦平面阵列以像元为最小重复结构，进而形成大规模像元阵列，像元阵列规模为方阵(例如100
×
100)或长方形阵列(例如100
×
200、120
×
180)。基于电磁超表面理论的单个像元结构如图3所示，尺寸参数见表1。每个像元中包含的10
×
10个超表面单元组成的吸波板、吸波板四周各10μm的空气间隔、以及宽度10μm的si晶圆基板，si晶圆基板与吸波板并不在同一水平面上，规定si晶圆基板位于最上层，则吸波板位于从上向下的第二层，两层之间无其他任何结构；空气间隙是由于在si晶圆基板上刻蚀方孔，从像元上方俯视看，方孔的水平截面尺寸大于吸波板水平截面尺寸，方孔内充满空气，俯视图显示的结果就是吸波板四周为空气、空气外侧为10μm的si晶圆基板壁。si晶圆基板位于最顶层，如图3(c)所示，si晶圆为最上层，依次向下为金方块阵列、si3n4基板、金背板。其中si3n4在同一水平面上相对两侧各伸出一条水平悬臂，悬臂与si晶圆基板相接触。si晶圆基板上开有刻蚀形成的方孔，方孔位于金方块阵列的正上方，尺寸大于整个金阵列，确保金阵列完全露出，方孔四周的si晶圆壁厚度为10μm，方孔的具体尺寸与si晶圆臂厚度、像元尺寸互相约束；方孔使得吸波板在悬臂的支撑下悬空，这种设计大大减小了相邻像元之间的热传递效应，使得成像系统灵敏度提升。太赫兹波从超表面吸波模块顶部入射(这里规定像元的底部指吸波板所在位置，顶部指刻蚀有方孔的si晶圆基板所在位置)，穿过si晶圆基板上的方孔，直接照射到吸波板(即10
×
10超表面单元阵列)上，使得吸波板吸波之后产生热量。该像元的吸收率-频率特性曲线如图4所示，吸收率在3.4thz处达到峰值，为95％。基于人工调控的超表面吸波模块实现了极高的太赫兹吸收率。
[0059]
使用像元来构建超表面吸波模块(焦平面阵列)，阵列中所有像元处于同一水平面上，各像元间紧密排列，组成平面矩形阵列，以3
×
3阵列为例，其三视图如图5所示。
[0060]
基于纳米上转换粒子与超表面的太赫兹焦平面成像技术原理示意图如图6所示，图中所有光学仪器，如各抛物镜、观测镜头、红外热像仪镜头的中心光轴应位于和被成像物体几何中心(近似)、焦平面阵列几何中心相同的水平面中。被成像物体对于太赫兹波具有阻挡或衰减传输效果。
[0061]
如图6所示，工作中太赫兹波光路流程为：3.4thz源发出太赫兹信号，经过两个离轴抛物镜的反射，将太赫兹信号汇聚在焦平面阵列上，焦平面阵列吸波并产生热量，导致其温度上升。使用红外热像仪观测并记录焦平面阵列无太赫兹波入射一侧的金背板温度分布，过程中可选择将红外热像仪的观测结果、数据导出至计算机上。温度分布与焦平面阵列上每个像元所接收到的太赫兹功率大小成正比，由此可推断出被成像物体的形状尺寸等信息，即温度分布图像对应为被成像物体图像，至此，完成太赫兹波段的成像。
[0062]
如图6所示，工作时操作流程为：
[0063]
1)调整离轴抛物镜、观察物镜、红外热像仪、太赫兹源、焦平面阵列的位置和高度，使得太赫兹源发出的辐射可全部照射到焦平面阵列上，且在两个离轴抛物镜之间为平行波束。
[0064]
2)打开3.4thz太赫兹源，调整功率至5mw，发出太赫兹信号；打开红外热像仪，并选择是否外界显示设备或计算机等。
[0065]
3)将被成像物体放在两个离轴抛物镜之间，开始成像，可在红外热像仪处观察到被成像物体的图像。至此，完成太赫兹波段的成像。