[发明专利]一种太赫兹焦平面成像探测器、成像系统及成像方法

说明书

本发明涉及一种太赫兹焦平面成像探测器、成像系统及成像方法，该成像探测器包括超表面吸波模块、形变模块、磁性探测模块和数据读出模块，超表面吸波模块底部设有磁性膜，超表面吸波模块接收太赫兹信号后吸波产生热量，形变模块产生形变，带动超表面吸波模块底部的磁膜随之移动，将形变位移转化为磁场变化，磁性探测模块将磁场变化量转化为电阻值的变化量，数据读出模块读取电阻信号并转换为电压信号；本发明将形变位移转化为磁场进行成像，等效噪声功率NEP性能优异，响应速度更快，可满足实时成像要求，并且工作频段的设计更具灵活性，能够实现室温下成像，无需额外的制冷设备，结构设计合理，可满足制备大规模阵列的需求。

技术领域

本发明涉及一种太赫兹焦平面成像探测器、成像系统及成像方法，特别是涉及一种基于磁性探测与超表面的太赫兹焦平面成像探测器、成像系统及成像方法，属于焦平面成像技术领域。

背景技术

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。

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。

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。