太赫兹焦平面阵列及其设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种太赫兹焦平面阵列，其特征在于，包括：平面天线阵列、第一透镜阵列，平面透镜阵列和第一透镜阵列相连。本发明还公开了太赫兹焦平面阵列的设计方法。本发明有效地克服了单一硅透镜视场较小，无法实现大规模阵列的缺点，另一方面又具有加工难度低、配置灵活、阵列规模不受限制等优点，在太赫兹成像领域具有广泛的应用前景。
【专利说明】
太赫兹焦平面阵列及其设计方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种太赫兹焦平面阵列，具体涉及一种基于拼接硅透镜的太赫兹焦平 面阵列。本发明还涉及一种太赫兹焦平面阵列的设计方法。本发明属于太赫兹探测技术研 究领域。
【背景技术】
[0002] 太赫兹焦平面阵列在太赫兹天文、医学成像和公共安全等领域有着广泛应用。太 赫兹探测器阵列与外部电磁信号的耦合通常依靠两种方式来完成，一种是采用金属馈源喇 叭阵列的方式，另一种是采用平面天线与介质透镜(通常选用硅材料)组合而成的准光学天 线阵列，其中准光学天线的优点是阵列物理尺寸更为紧凑，制备成本更低，易于大规模集 成，并可以方便地实现与探测器芯片的集成，已在太赫兹单像元探测器和多像元探测器阵 列中得到成功应用。
[0003] 由于平面天线辐射方向性较差，在实际应用中通常需要与硅透镜配合使用来提高 天线增益。硅透镜同时起到了变焦的作用，即实现望远镜(或其他成像系统)焦平面上的焦 斑尺寸与探测器芯片物理尺寸的匹配。对于平面天线阵列而言，又有两种实现变焦功能的 方式，其中一种是为探测阵列中的每一个平面天线单独配置一块小透镜，即采用微透镜阵 列的方式，但微透镜阵列的缺点是加工成本较高，并且阵列所能达到的最大尺寸受到加工 设备的限制。另一种方法是将平面天线阵列放置在一块大口径硅透镜的中心附近，每个平 面天线产生的光波束穿过硅透镜后实现空间上的分离。相对于微透镜阵列，单一硅透镜加 工难度较低，但其缺点是离轴单元的成像质量(或天线增益）随离轴距离的增大而迅速恶 化，这一特性导致透镜天线可用的视场范围较小，从而限制了这种方式能实现的焦面阵的 规模。
【发明内容】
[0004] 为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种太赫兹焦平面阵列及其设计 方法，以解决现有技术加工成本较高，并且阵列所能达到的最大尺寸受到加工设备的限制， 透镜天线可用的视场范围较小的技术问题。
[0005] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
[0006] 太赫兹焦平面阵列，其特征在于，包括:平面天线阵列、第一透镜阵列，平面透镜阵 列和第一透镜阵列相连。
[0007] 前述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，平面天线阵列连接太赫兹探测器。
[0008] 前述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，第一透镜阵列包括M个第一透镜，平面天 线阵列包括N个平面天线，每个第一透镜的中心处均放置所述平面天线阵列，每一个平面天 线都连接一个独立的太赫兹探测器，其中M、N是正整数。
[0009] 前述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，平面天线阵列与探测器阵列集成在同一 硅基芯片上。
[0010] 前述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，第一透镜为超半球透镜或椭球透镜。
[0011] 前述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，每个硅超半球透镜的中心处放置所述平 面天线阵列。
[0012] 前述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，还包括薄透镜阵列、望远镜焦平面，平面 天线阵列、第一透镜阵列、薄透镜阵列、望远镜焦平面依次排列，第一透镜阵列产生的发散 光波束经过薄透镜阵列汇聚后，变成相互平行的波束，相互平行的波束通过调整薄透镜阵 列到望远镜焦平面的距离，使得每个波束的最终焦点都正好位于望远镜焦面上。
[0013] 前述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，在超半球透镜阵列后方距离为Ll处放置M 个薄介质透镜，M个薄介质透镜构成薄透镜阵列，通过调整薄透镜阵列到望远镜焦平面的距 离L2,使得每个波束的最终焦点都正好位于望远镜焦面上。
[0014] 前述的太赫兹焦平面阵列的设计方法，其特征在于，当第一透镜为超半球透镜时， 包括：当第一透镜为超半球透镜时，超半球透镜的扩展长度H选取为:H=0.195Dh，Dh是超半 球透镜的直径;平面天线阵列中心到超半球透镜顶点的距离Lh为
超半球透
镜顶点到薄透镜中心的距离L1S 其中η为硅材料的折射率;薄透镜的直径和等 * 效焦距分别为：
Tl = L1 ;薄透镜阵列到望远镜焦平面的距离L2设定为：
焦平面上像元焦斑（即束腰)半径w0为
[0015] 前述的太赫兹焦平面阵列的设计方法，其特征在于，当第一透镜
为椭球透镜时，包 括:椭球面的长轴和短轴分别）
扩展长度为
平面天线阵列中 心到椭球透镜顶点的距离为
[0016] 本发明的有益之处在于:本发明有效地克服了单一硅透镜视场较小，无法实现大 规模阵列的缺点，另一方面又具有加工难度低、配置灵活、阵列规模不受限制等优点，在太 赫兹成像领域具有广泛的应用前景。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明的一个优选实施的结构示意图；
[0018] 图2是本发明350GHz 1024像元焦面阵光学设计布局图；
[0019] 图3是本发明望远镜焦平面上的焦斑分布图。
【具体实施方式】
[0020] 以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
[0021] 参照图1所示，本发明由多块硅透镜拼接形成硅透镜阵列，每块硅透镜中心处放置 一个平面天线阵列，利用平面天线阵列和硅透镜阵列的组合，形成大规模太赫兹焦面阵。该 方法有效地克服了单一硅透镜视场较小，无法实现大规模阵列的缺点，另一方面又具有加 工难度低、配置灵活、阵列规模不受限制等优点，在太赫兹成像领域具有应用前景。本文还 给出了一个应用于天文观测的1024像元太赫兹焦面阵的光学设计实例。
[0022] 基于拼接硅透镜的太赫兹焦面阵设计方法的光学布局如图1所示。阵列由M个硅超 半球透镜(或椭球透镜）构成，每个硅超半球透镜的中心处放置一个由N个平面天线构成的 天线阵列，其中每一个天线都与一个独立的太赫兹探测器相连。平面天线阵列与探测器阵 列可集成在同一硅基芯片上，通过低温胶粘接在硅超半球透镜背面中心处。在超半球透镜 阵列后方距离SL 1处放置M个薄介质透镜，与M个超半球透镜一一对应。每一个超半球透镜 产生的N个发散光波束经过薄透镜汇聚后，变成N个相互平行的波束。通过调整薄透镜阵列 到望远镜焦平面的距离L 2,使得每个波束的最终焦点都正好位于望远镜焦面上。通过这种 方法，可以构建由MXN个像元构成的太赫兹焦平面阵列。
[0023] 上述光学设计方法中主要参数的确定方法如下：
[0024] 1)本方法的输入参数包括:工作波长λ，平面天线的间距s(由探测器阵列芯片设计 时确定)和系统变焦比例Mf。。
[0025] 2)超半球透镜的直径Dh由平面天线阵列的物理尺寸(Da)决定，一般选取Dh>10Da。
[0026] 3)超半球透镜的扩展长度选取为:H=0.1%Dh。
[0027] 4)平面天线阵列中心到超半球透镜顶点的距离Lh:
[0028] 5)超半球透镜顶点到薄透镜中心的距离Lj
,其中η为硅材料的折射
率。
[0029] 6)薄透镜的直径和等效焦距分别为：
[0030] 7)薄透镜阵列到望远镜焦平面的距离L2可以设定为
t时薄 透镜的成像焦点正好位于望远镜焦面上。
[0031] 8)焦平面上像元焦斑（即束腰)半径woi
[0032] 9)最终在望远镜焦平面上形成的像元数为MXN。
[0033] I 0 )可以用椭球透镜替代超半球透镜，此时，椭球面的长轴和短轴分别为
扩展长度为# = =，平面天线阵列中心到椭球透镜顶点的距离为 η
[0034] 薄透镜的材料可以选择硅、石英、聚四氟乙烯或HDPE等太赫兹透波材料。
[0035] 本发明中，望远镜焦面到探测器平面的变焦比例可以任意设定；（2)阵列配置灵 活、阵列规模不受限制；（3)透镜整体加工难度低于微透镜阵列方式；（4)利用本设计方法生 成的太赫兹焦面阵为稀疏焦面阵，即焦面阵各像元之间并非连续排列，需要结合望远镜扫 描运动实现对观测天区的连续覆盖。
[0036]以下给出一个350GHz 1024像元焦面阵的优化设计实例，如图2所示。该焦面阵工 作频段的中心频率为350GHz，平面天线单元为双槽式平面天线，单元间距为400 X 400微米。 阵列为8 X 8矩形阵列，覆盖焦平面成像区域为3.2 X 3.2mm。透镜阵列采用了4 X 4硅椭球透 镜与HDPE薄透镜的组合，其中椭球透镜由高阻硅材料加工而成，折射率η = 3.42，长短轴分 别26 · 142mm和25mm，扩展长度H=7 · 65mm。薄透镜采用直径78mm，厚18mm的HDPE透镜，折射率 η = 3.42，等效焦距f L = 98.8mm。超半球透镜顶点到薄透镜中心的距离Li = 98.8mm，薄透镜阵 列到望远镜焦平面的距离L2 = 98.3mm。光学系统变焦比例为10.0,最终在望远镜焦平面上 形成1024个焦斑，每个焦斑的束腰半径为1.36mm，像元间距为4mm。望远镜焦平面上的焦斑 分布如图3所示，其中圆圈大小表示焦斑束腰直径。
[0037]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该 了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的 技术方案，均落在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 太赫兹焦平面阵列，其特征在于，包括:平面天线阵列、第一透镜阵列，平面透镜阵列 和第一透镜阵列相连。2. 根据权利要求1所述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，平面天线阵列连接太赫兹探 测器。3. 根据权利要求2所述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，第一透镜阵列包括M个第一 透镜，平面天线阵列包括N个平面天线，每个第一透镜的中心处均放置所述平面天线阵列， 每一个平面天线都连接一个独立的太赫兹探测器，其中M、N是正整数。4. 根据权利要求3所述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，平面天线阵列与探测器阵列 集成在同一娃基芯片上。5. 根据权利要求4所述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，第一透镜为超半球透镜或椭 球透镜。6. 根据权利要求5所述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，每个硅超半球透镜的中心处 放置所述平面天线阵列。7. 根据权利要求1至6任一项所述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，还包括薄透镜阵 列、望远镜焦平面，平面天线阵列、第一透镜阵列、薄透镜阵列、望远镜焦平面依次排列，第 一透镜阵列产生的发散光波束经过薄透镜阵列汇聚后，变成相互平行的波束，相互平行的 波束通过调整薄透镜阵列到望远镜焦平面的距离，使得每个波束的最终焦点都正好位于望 远镜焦面上。8. 根据权利要求7所述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于，在超半球透镜阵列后方距离 SL1处放置M个薄介质透镜，M个薄介质透镜构成薄透镜阵列，通过调整薄透镜阵列到望远 镜焦平面的距离L2,使得每个波束的最终焦点都正好位于望远镜焦面上。9. 权利要求1至8任一项所述的太赫兹焦平面阵列的设计方法，其特征在于，当第一透 镜为超半球透镜时，包括：当第一透镜为超半球透镜时，超半球透镜的扩展长度H选取为:H = 0.195Dh，Dh是超半球透镜的直径；平面天线阵列中心到超半球透镜顶点的距离Lh为：;超半球透镜顶点到薄透镜中心的距离Lj，其中η为硅材料的折 射率;薄透镜的直径和等效焦距分别为:薄透镜阵列到望远镜焦 平面的距离L2设定为、焦平面上像元焦斑（即束腰）半径w〇为：?ο.仪利妥求1全8仕一项所述的太赫兹焦平面阵五'丨士·、、土甘眺//7Ε，当第一透 镜为椭球透镜时，包括：椭球面的长轴和短轴分别 广展长度为P面天线阵列中心到椭球透镜顶点的距离^
【文档编号】G02B3/00GK105890769SQ201610208331
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月5日
【发明人】娄铮, 史生才, 缪巍
【申请人】中国科学院紫金山天文台