太赫茲焦平面陣列及其設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種太赫茲焦平面陣列，其特征在于，包括：平面天線陣列、第一透鏡陣列，平面透鏡陣列和第一透鏡陣列相連。本發(fā)明還公開(kāi)了太赫茲焦平面陣列的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明有效地克服了單一硅透鏡視場(chǎng)較小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列的缺點(diǎn)，另一方面又具有加工難度低、配置靈活、陣列規(guī)模不受限制等優(yōu)點(diǎn)，在太赫茲成像領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說(shuō)明】
太赫茲焦平面陣列及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種太赫茲焦平面陣列，具體涉及一種基于拼接硅透鏡的太赫茲焦平 面陣列。本發(fā)明還涉及一種太赫茲焦平面陣列的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明屬于太赫茲探測(cè)技術(shù)研 究領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲焦平面陣列在太赫茲天文、醫(yī)學(xué)成像和公共安全等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。太 赫茲探測(cè)器陣列與外部電磁信號(hào)的耦合通常依靠?jī)煞N方式來(lái)完成，一種是采用金屬饋源喇 叭陣列的方式，另一種是采用平面天線與介質(zhì)透鏡(通常選用硅材料)組合而成的準(zhǔn)光學(xué)天 線陣列，其中準(zhǔn)光學(xué)天線的優(yōu)點(diǎn)是陣列物理尺寸更為緊湊，制備成本更低，易于大規(guī)模集 成，并可以方便地實(shí)現(xiàn)與探測(cè)器芯片的集成，已在太赫茲單像元探測(cè)器和多像元探測(cè)器陣 列中得到成功應(yīng)用。
[0003] 由于平面天線輻射方向性較差，在實(shí)際應(yīng)用中通常需要與硅透鏡配合使用來(lái)提高 天線增益。硅透鏡同時(shí)起到了變焦的作用，即實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡(或其他成像系統(tǒng))焦平面上的焦 斑尺寸與探測(cè)器芯片物理尺寸的匹配。對(duì)于平面天線陣列而言，又有兩種實(shí)現(xiàn)變焦功能的 方式，其中一種是為探測(cè)陣列中的每一個(gè)平面天線單獨(dú)配置一塊小透鏡，即采用微透鏡陣 列的方式，但微透鏡陣列的缺點(diǎn)是加工成本較高，并且陣列所能達(dá)到的最大尺寸受到加工 設(shè)備的限制。另一種方法是將平面天線陣列放置在一塊大口徑硅透鏡的中心附近，每個(gè)平 面天線產(chǎn)生的光波束穿過(guò)硅透鏡后實(shí)現(xiàn)空間上的分離。相對(duì)于微透鏡陣列，單一硅透鏡加 工難度較低，但其缺點(diǎn)是離軸單元的成像質(zhì)量(或天線增益）隨離軸距離的增大而迅速惡 化，這一特性導(dǎo)致透鏡天線可用的視場(chǎng)范圍較小，從而限制了這種方式能實(shí)現(xiàn)的焦面陣的 規(guī)模。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種太赫茲焦平面陣列及其設(shè)計(jì) 方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)加工成本較高，并且陣列所能達(dá)到的最大尺寸受到加工設(shè)備的限制， 透鏡天線可用的視場(chǎng)范圍較小的技術(shù)問(wèn)題。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0006] 太赫茲焦平面陣列，其特征在于，包括:平面天線陣列、第一透鏡陣列，平面透鏡陣 列和第一透鏡陣列相連。
[0007] 前述的太赫茲焦平面陣列，其特征在于，平面天線陣列連接太赫茲探測(cè)器。
[0008] 前述的太赫茲焦平面陣列，其特征在于，第一透鏡陣列包括M個(gè)第一透鏡，平面天 線陣列包括N個(gè)平面天線，每個(gè)第一透鏡的中心處均放置所述平面天線陣列，每一個(gè)平面天 線都連接一個(gè)獨(dú)立的太赫茲探測(cè)器，其中M、N是正整數(shù)。
[0009] 前述的太赫茲焦平面陣列，其特征在于，平面天線陣列與探測(cè)器陣列集成在同一 硅基芯片上。
[0010] 前述的太赫茲焦平面陣列，其特征在于，第一透鏡為超半球透鏡或橢球透鏡。
[0011] 前述的太赫茲焦平面陣列，其特征在于，每個(gè)硅超半球透鏡的中心處放置所述平 面天線陣列。
[0012] 前述的太赫茲焦平面陣列，其特征在于，還包括薄透鏡陣列、望遠(yuǎn)鏡焦平面，平面 天線陣列、第一透鏡陣列、薄透鏡陣列、望遠(yuǎn)鏡焦平面依次排列，第一透鏡陣列產(chǎn)生的發(fā)散 光波束經(jīng)過(guò)薄透鏡陣列匯聚后，變成相互平行的波束，相互平行的波束通過(guò)調(diào)整薄透鏡陣 列到望遠(yuǎn)鏡焦平面的距離，使得每個(gè)波束的最終焦點(diǎn)都正好位于望遠(yuǎn)鏡焦面上。
[0013] 前述的太赫茲焦平面陣列，其特征在于，在超半球透鏡陣列后方距離為L(zhǎng)l處放置M 個(gè)薄介質(zhì)透鏡，M個(gè)薄介質(zhì)透鏡構(gòu)成薄透鏡陣列，通過(guò)調(diào)整薄透鏡陣列到望遠(yuǎn)鏡焦平面的距 離L2,使得每個(gè)波束的最終焦點(diǎn)都正好位于望遠(yuǎn)鏡焦面上。
[0014] 前述的太赫茲焦平面陣列的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，當(dāng)?shù)谝煌哥R為超半球透鏡時(shí)， 包括：當(dāng)?shù)谝煌哥R為超半球透鏡時(shí)，超半球透鏡的擴(kuò)展長(zhǎng)度H選取為:H=0.195Dh，Dh是超半 球透鏡的直徑;平面天線陣列中心到超半球透鏡頂點(diǎn)的距離Lh為
超半球透
鏡頂點(diǎn)到薄透鏡中心的距離L1S 其中η為硅材料的折射率;薄透鏡的直徑和等 * 效焦距分別為：
Tl = L1 ;薄透鏡陣列到望遠(yuǎn)鏡焦平面的距離L2設(shè)定為：
焦平面上像元焦斑（即束腰)半徑w0為
[0015] 前述的太赫茲焦平面陣列的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，當(dāng)?shù)谝煌哥R
為橢球透鏡時(shí)，包 括:橢球面的長(zhǎng)軸和短軸分別）
擴(kuò)展長(zhǎng)度為
平面天線陣列中 心到橢球透鏡頂點(diǎn)的距離為
[0016] 本發(fā)明的有益之處在于:本發(fā)明有效地克服了單一硅透鏡視場(chǎng)較小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大 規(guī)模陣列的缺點(diǎn)，另一方面又具有加工難度低、配置靈活、陣列規(guī)模不受限制等優(yōu)點(diǎn)，在太 赫茲成像領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2是本發(fā)明350GHz 1024像元焦面陣光學(xué)設(shè)計(jì)布局圖；
[0019] 圖3是本發(fā)明望遠(yuǎn)鏡焦平面上的焦斑分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作具體的介紹。
[0021] 參照?qǐng)D1所示，本發(fā)明由多塊硅透鏡拼接形成硅透鏡陣列，每塊硅透鏡中心處放置 一個(gè)平面天線陣列，利用平面天線陣列和硅透鏡陣列的組合，形成大規(guī)模太赫茲焦面陣。該 方法有效地克服了單一硅透鏡視場(chǎng)較小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列的缺點(diǎn)，另一方面又具有加 工難度低、配置靈活、陣列規(guī)模不受限制等優(yōu)點(diǎn)，在太赫茲成像領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。本文還 給出了一個(gè)應(yīng)用于天文觀測(cè)的1024像元太赫茲焦面陣的光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例。
[0022] 基于拼接硅透鏡的太赫茲焦面陣設(shè)計(jì)方法的光學(xué)布局如圖1所示。陣列由M個(gè)硅超 半球透鏡(或橢球透鏡）構(gòu)成，每個(gè)硅超半球透鏡的中心處放置一個(gè)由N個(gè)平面天線構(gòu)成的 天線陣列，其中每一個(gè)天線都與一個(gè)獨(dú)立的太赫茲探測(cè)器相連。平面天線陣列與探測(cè)器陣 列可集成在同一硅基芯片上，通過(guò)低溫膠粘接在硅超半球透鏡背面中心處。在超半球透鏡 陣列后方距離SL 1處放置M個(gè)薄介質(zhì)透鏡，與M個(gè)超半球透鏡一一對(duì)應(yīng)。每一個(gè)超半球透鏡 產(chǎn)生的N個(gè)發(fā)散光波束經(jīng)過(guò)薄透鏡匯聚后，變成N個(gè)相互平行的波束。通過(guò)調(diào)整薄透鏡陣列 到望遠(yuǎn)鏡焦平面的距離L 2,使得每個(gè)波束的最終焦點(diǎn)都正好位于望遠(yuǎn)鏡焦面上。通過(guò)這種 方法，可以構(gòu)建由MXN個(gè)像元構(gòu)成的太赫茲焦平面陣列。
[0023] 上述光學(xué)設(shè)計(jì)方法中主要參數(shù)的確定方法如下：
[0024] 1)本方法的輸入?yún)?shù)包括:工作波長(zhǎng)λ，平面天線的間距s(由探測(cè)器陣列芯片設(shè)計(jì) 時(shí)確定)和系統(tǒng)變焦比例Mf。。
[0025] 2)超半球透鏡的直徑Dh由平面天線陣列的物理尺寸(Da)決定，一般選取Dh>10Da。
[0026] 3)超半球透鏡的擴(kuò)展長(zhǎng)度選取為:H=0.1%Dh。
[0027] 4)平面天線陣列中心到超半球透鏡頂點(diǎn)的距離Lh:
[0028] 5)超半球透鏡頂點(diǎn)到薄透鏡中心的距離Lj
,其中η為硅材料的折射
率。
[0029] 6)薄透鏡的直徑和等效焦距分別為：
[0030] 7)薄透鏡陣列到望遠(yuǎn)鏡焦平面的距離L2可以設(shè)定為
t時(shí)薄 透鏡的成像焦點(diǎn)正好位于望遠(yuǎn)鏡焦面上。
[0031] 8)焦平面上像元焦斑（即束腰)半徑woi
[0032] 9)最終在望遠(yuǎn)鏡焦平面上形成的像元數(shù)為MXN。
[0033] I 0 )可以用橢球透鏡替代超半球透鏡，此時(shí)，橢球面的長(zhǎng)軸和短軸分別為
擴(kuò)展長(zhǎng)度為# = =，平面天線陣列中心到橢球透鏡頂點(diǎn)的距離為 η
[0034] 薄透鏡的材料可以選擇硅、石英、聚四氟乙烯或HDPE等太赫茲透波材料。
[0035] 本發(fā)明中，望遠(yuǎn)鏡焦面到探測(cè)器平面的變焦比例可以任意設(shè)定；（2)陣列配置靈 活、陣列規(guī)模不受限制；（3)透鏡整體加工難度低于微透鏡陣列方式；（4)利用本設(shè)計(jì)方法生 成的太赫茲焦面陣為稀疏焦面陣，即焦面陣各像元之間并非連續(xù)排列，需要結(jié)合望遠(yuǎn)鏡掃 描運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)天區(qū)的連續(xù)覆蓋。
[0036]以下給出一個(gè)350GHz 1024像元焦面陣的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例，如圖2所示。該焦面陣工 作頻段的中心頻率為350GHz，平面天線單元為雙槽式平面天線，單元間距為400 X 400微米。 陣列為8 X 8矩形陣列，覆蓋焦平面成像區(qū)域?yàn)?.2 X 3.2mm。透鏡陣列采用了4 X 4硅橢球透 鏡與HDPE薄透鏡的組合，其中橢球透鏡由高阻硅材料加工而成，折射率η = 3.42，長(zhǎng)短軸分 別26 · 142mm和25mm，擴(kuò)展長(zhǎng)度H=7 · 65mm。薄透鏡采用直徑78mm，厚18mm的HDPE透鏡，折射率 η = 3.42，等效焦距f L = 98.8mm。超半球透鏡頂點(diǎn)到薄透鏡中心的距離Li = 98.8mm，薄透鏡陣 列到望遠(yuǎn)鏡焦平面的距離L2 = 98.3mm。光學(xué)系統(tǒng)變焦比例為10.0,最終在望遠(yuǎn)鏡焦平面上 形成1024個(gè)焦斑，每個(gè)焦斑的束腰半徑為1.36mm，像元間距為4mm。望遠(yuǎn)鏡焦平面上的焦斑 分布如圖3所示，其中圓圈大小表示焦斑束腰直徑。
[0037]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該 了解，上述實(shí)施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的 技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 太赫茲焦平面陣列，其特征在于，包括:平面天線陣列、第一透鏡陣列，平面透鏡陣列 和第一透鏡陣列相連。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲焦平面陣列，其特征在于，平面天線陣列連接太赫茲探 測(cè)器。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的太赫茲焦平面陣列，其特征在于，第一透鏡陣列包括M個(gè)第一 透鏡，平面天線陣列包括N個(gè)平面天線，每個(gè)第一透鏡的中心處均放置所述平面天線陣列， 每一個(gè)平面天線都連接一個(gè)獨(dú)立的太赫茲探測(cè)器，其中M、N是正整數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的太赫茲焦平面陣列，其特征在于，平面天線陣列與探測(cè)器陣列 集成在同一娃基芯片上。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的太赫茲焦平面陣列，其特征在于，第一透鏡為超半球透鏡或橢 球透鏡。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的太赫茲焦平面陣列，其特征在于，每個(gè)硅超半球透鏡的中心處 放置所述平面天線陣列。7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的太赫茲焦平面陣列，其特征在于，還包括薄透鏡陣 列、望遠(yuǎn)鏡焦平面，平面天線陣列、第一透鏡陣列、薄透鏡陣列、望遠(yuǎn)鏡焦平面依次排列，第 一透鏡陣列產(chǎn)生的發(fā)散光波束經(jīng)過(guò)薄透鏡陣列匯聚后，變成相互平行的波束，相互平行的 波束通過(guò)調(diào)整薄透鏡陣列到望遠(yuǎn)鏡焦平面的距離，使得每個(gè)波束的最終焦點(diǎn)都正好位于望 遠(yuǎn)鏡焦面上。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的太赫茲焦平面陣列，其特征在于，在超半球透鏡陣列后方距離 SL1處放置M個(gè)薄介質(zhì)透鏡，M個(gè)薄介質(zhì)透鏡構(gòu)成薄透鏡陣列，通過(guò)調(diào)整薄透鏡陣列到望遠(yuǎn) 鏡焦平面的距離L2,使得每個(gè)波束的最終焦點(diǎn)都正好位于望遠(yuǎn)鏡焦面上。9. 權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的太赫茲焦平面陣列的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，當(dāng)?shù)谝煌?鏡為超半球透鏡時(shí)，包括：當(dāng)?shù)谝煌哥R為超半球透鏡時(shí)，超半球透鏡的擴(kuò)展長(zhǎng)度H選取為:H = 0.195Dh，Dh是超半球透鏡的直徑；平面天線陣列中心到超半球透鏡頂點(diǎn)的距離Lh為：;超半球透鏡頂點(diǎn)到薄透鏡中心的距離Lj，其中η為硅材料的折 射率;薄透鏡的直徑和等效焦距分別為:薄透鏡陣列到望遠(yuǎn)鏡焦 平面的距離L2設(shè)定為、焦平面上像元焦斑（即束腰）半徑w〇為：?ο.儀利妥求1全8仕一項(xiàng)所述的太赫茲焦平面陣五'丨士·、、土甘眺//7Ε，當(dāng)?shù)谝煌?鏡為橢球透鏡時(shí)，包括：橢球面的長(zhǎng)軸和短軸分別 廣展長(zhǎng)度為P面天線陣列中心到橢球透鏡頂點(diǎn)的距離^
【文檔編號(hào)】G02B3/00GK105890769SQ201610208331
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月5日
【發(fā)明人】婁錚, 史生才, 繆巍
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)