一种太赫兹焦平面成像探测器、成像系统及成像方法与流程

1.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：

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，亟待提供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探测技术。
6.发明目的
7.本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种太赫兹焦平面成像探测器，实现了工作频段的设计灵活性，室温下可以成像，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，并且等效噪声功率(nep)性能优异，等效噪声功率达到pw量级，响应时间不高于100ms，满足实时成像需求
8.本发明的另外一个目的在于提供一种包含该太赫兹焦平面成像探测器的成像系统及成像方法。
9.本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
10.一种太赫兹焦平面成像探测器，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，其中形变模块与超表面吸波模块连接，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，使得形变模块产生形变，带动超表面吸波模块底部的磁性膜随之移动，从而将形变位移转化为磁场变化，磁性探测模块探测所述磁场变化，将磁场变化转化为电阻值的变化，数据读出模块从磁性探测模块读取电阻信号并转换为电压信号后向外输出。
11.在上述太赫兹焦平面成像探测器中，所述超表面吸波模块包括n
×
m个超表面像元组成的像元阵列，每个超表面像元包括p
×
q个超表面单元，每个超表面像元对应一个形变模块、一个磁性探测模块和一个数据读出模块，共包含n
×
m个形变模块、n
×
m个磁性探测模块和n
×
m个数据读出模块，n、m、p、q均为大于或等于1的正整数。
12.在上述太赫兹焦平面成像探测器中，所述超表面吸波模块结构的每个超表面像元包括顶层、中间层、底层和磁性膜，层与层之间紧密结合，其中磁性膜的厚度为5～10μm，镀在底层的下表面。
13.在上述太赫兹焦平面成像探测器中，所述磁性膜为通过化学气相沉积法在底层的下表面镀钕铁硼ndfeb形成。
14.在上述太赫兹焦平面成像探测器中，所述形变模块包括悬臂梁、支柱和衬底，所述悬臂梁为两根，对称设置在超表面像元两侧，且悬臂梁一端折弯与超表面像元连接，另一端与支柱连接，支柱设置在衬底上，通过与形变模块连接使超表面吸波模块处于悬空状态。
15.在上述太赫兹焦平面成像探测器中，所述悬臂梁为双层结构，两层紧密结合，两层的材料分别为au和si3n4。
16.在上述太赫兹焦平面成像探测器中，所述磁性探测模块为tmr膜，设置在形变模块的衬底表面；所述tmr膜的厚度为5～10μm。
17.在上述太赫兹焦平面成像探测器中，所述tmr膜通过化学气相沉积方法镀在衬底
表面，具体为采用气相沉积设备依次蒸镀氧化铁fe3o4、氧化铝al2o3和氧化铁fe3o4。
18.在上述太赫兹焦平面成像探测器中，所述磁性膜与tmr膜之间的距离为10～20μm；其中磁性膜、tmr膜以及吸波表面的面积大小关系为：吸波表面面积＞磁性膜面积＞tmr膜面积；所述tmr膜面积为磁性膜面积的50％～80％；磁性膜面积为吸波表面面积的50％～80％。
19.在上述太赫兹焦平面成像探测器中，所述tmr膜的拓扑结构为tmr推挽半桥单元，tmr推挽半桥单元包括tmr1和tmr2，tmr1与tmr2正敏感方向反向放置，tmr1一端连接偏置电压vbias，另一端与tmr2一端连接，tmr2的另一端接地，输出信号vout由tmr1和tmr2相连处引出。
20.在上述太赫兹焦平面成像探测器中，所述数据读出模块包括模拟模块与数字模块，其中模拟模块将从磁性探测模块接收的电阻信号转化为电压信号，并进行滤波、放大后输出至数字模块，数字模块对接收的信号进行数字化处理。
21.在上述太赫兹焦平面成像探测器中，所述模拟模块包括基准电流源电路、数字化读出通道，电流比较器电路、斜坡发生器电路、lvds驱动和接收模块，其中基准电流源电路用于提供电流基准；数字化读出通道由探测电桥支路、参比电桥支路、非均匀性校正电路、积分放大电路，采样保持电路，比较器、信号采集电路组成，用于实现信号的读出和数字化输出；斜坡发生器电路、电流比较器电路构成单斜adc，用于实现数字化输出；lvds驱动和接收模块构成了lvds高速输入输出接口电路，用于实现数据的高速传输；
22.所述数字模块包括中央控制电路、静态寄存器写入模块、nuc控制电路、计数器电路、行选/列选电路、转码电路、并串转化电路、行/列保护电路，其中静态寄存器写入模块用于在每帧开始时，将外部输入的控制信号写入并寄存在相应的寄存器中；nuc控制电路用于在每帧复位期间，将外部输入的控制信号作为nuc校正数据并寄存在相应的寄存器中；中央控制电路在每帧开始期间写入的控制信号作用下，控制完成行选控制、列选控制的时序，同时控制计数器电路的行清零；行选电路在中央控制电路作用下，产生每行像元的行选信号；列选电路在中央控制电路作用下，产生每列像元的列选信号；行/列保护电路用于对行选/列选电路产生的行选/列选信号高电平时间进行计数，以避免某一行/列像元一直被选中由于热量聚集被烧毁的现象；转码电路用于将行选/列选电路输出的信号转换为自然二进制信号；并串转换电路用于将像元阵列输出的并行信号转换为串行信号。
23.一种太赫兹焦平面成像系统，包括上述成像探测器、第一离轴抛物镜、第二离轴抛物镜、太赫兹波源和处理器，其中太赫兹波源靠近第一离轴抛物镜设置，成像探测器靠近第二离轴抛物镜设置，被成像物体设置在两个离轴抛物镜之间，成像探测器与处理器连接，太赫兹波源发出的太赫兹波依次经过第一离轴抛物镜、被成像物体和第二离轴抛物镜后被成像探测器吸收，成像探测器将电压信号输出至处理器，处理器接收电压信号经过处理得到被成像物体的图像。
24.在上述太赫兹焦平面成像系统中，所述太赫兹波源设置在第一离轴抛物镜的焦点处；所述成像探测器设置在距离第二离轴抛物镜的焦点前后5mm以内。
25.在上述太赫兹焦平面成像系统中，所述两个离轴抛物镜之间的距离大于离轴抛物镜的一倍焦距，且两个离轴抛物镜中心光轴重合，迎光面相互面对；所述超表面吸波模块与第二离轴抛物镜光心的距离小于离轴抛物镜的焦距。
26.在上述太赫兹焦平面成像探测器进行成像的方法中，包括：
27.(1)、搭建成像系统，具体包括：将太赫兹波源设置在靠近第一离轴抛物镜处，被成像物体设置在两个离轴抛物镜之间，成像探测器设置在靠近第二离轴抛物镜处，成像探测器与处理器连接；
28.(2)、打开太赫兹波源，太赫兹波源发出的太赫兹波依次经过第一离轴抛物镜、被成像物体和第二离轴抛物镜后被成像探测器的超表面吸波模块接收；
29.(3)、超表面吸波模块接收太赫兹波后，将太赫兹波的电磁能量转化为热能产生热量，使得形变模块产生形变，带动超表面吸波模块底部的磁膜随之移动，从而将形变位移转化为磁场变化，磁性探测模块探测所述磁场变化，将磁场变化转化为电阻值的变化，数据读出模块从磁性探测模块读取电阻信号并转换为电压信号后输出至处理器；
30.(4)、处理器接收所述电压信号，经过处理得到被成像物体的图像。
31.在上述太赫兹焦平面成像探测器进行成像的方法中，所述步骤(1)中，太赫兹波源设置在第一离轴抛物镜的焦点处；成像探测器设置在距离第二离轴抛物镜的焦点前后5mm以内；
32.所述两个离轴抛物镜之间的距离大于离轴抛物镜的一倍焦距，且两个离轴抛物镜中心光轴重合，迎光面相互面对；超表面吸波模块与第二离轴抛物镜光心的距离小于离轴抛物镜的焦距；
33.调整离轴抛物镜，使得太赫兹波源发出的太赫兹波照射到超表面吸波模块的像元阵列上，且在两个离轴抛物镜之间为平行波束。
34.本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
35.(1)、本发明提供一种新型的太赫兹焦平面成像探测器，由超表面吸波模块、形变模块、磁性探测模块和数据读出模块组成，其中形变模块与超表面吸波模块连接，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，使得形变模块产生形变，带动超表面吸波模块底部的磁膜随之移动，引起磁场变化，磁性探测模块的电阻值随磁场变化而变化，数据读出模块从磁性探测模块读取电阻值并转换为电压信号用于成像，本发明将形变位移转化为磁场进行成像，相比现有太赫兹成像技术系统等效噪声功率(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；
36.(2)、本发明成像探测器原理为热-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。
37.(3)、本发明所设计的成像探测器中的超表面阵列，其阵列可达到较大规模，并且无需改变结构，并且本发明成像技术的系统等效噪声功率(nep)性能优异，等效噪声功率达到pw量级。
38.(4)、本发明成像系统的响应速度更快，响应时间为100ms以内，可满足实时成像要求。
39.(5)、本发明成像探测器、成像系统及实现方法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，将极大的提升其在军用以及民用商业领域的实用性。
附图说明
40.图1为本发明太赫兹焦平面成像探测器结构组成示意图；
41.图2为本发明超表面吸波模块中超表面单元结构示意图，其中2a为侧视图，图2b为俯视图；
42.图3为本发明超表面吸波模块中像元阵列与形变模块、磁性探测模块结构示意图，其中图3a为俯视图，图3b为侧视图1，图3c为侧视图3；
43.图4为本发明超表面吸波模块单个像元的吸收率-频率特性曲线；
44.图5为本发明实施例中超表面吸波模块3
×
3阵列结构示意图，其中图5a为俯视图，图5b为侧视图1，图5c为侧视图2；
45.图6为本发明超表面吸波模块的金背板温度变化曲线；
46.图7为本发明理想状态下tmr响应曲线；
47.图8为本发明太赫兹焦平面成像系统结构示意图；
48.图9为本发明太赫兹焦平面成像探测器三维结构示意图；
49.图10为本发明磁性探测模块原理图，其中图10a为tmr薄膜电路拓扑结构图，图10b为4
×
4阵列各单元电气连接示意图1，图10c为4
×
4阵列各单元电气连接示意图2；
50.图11为本发明数据读出模块组成原理图；
51.图12为本发明行选/列选电路结构原理图。
具体实施方式
52.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
53.如图1所示为本发明太赫兹焦平面成像探测器结构组成示意图，图3所示为本发明超表面吸波模块中像元阵列与形变模块结构示意图，其中图3a为俯视图，图3b为侧视图1，图3c为侧视图2；本发明成像探测器包括超表面吸波模块1、形变模块、磁性探测模块4和数据读出模块，其中形变模块与超表面吸波模块1连接，超表面吸波模块1底部设有磁性膜3，超表面吸波模块1接收太赫兹信号后吸波产生热量，使得形变模块产生形变，带动超表面吸波模块底部的磁性膜3随之移动，从而将形变位移转化为磁场变化，磁性探测模块4探测所述磁场变化，将磁场变化量转化为电阻值的变化量，数据读出模块从磁性探测模块读取电阻信号并转换为电压信号后向外输出。
54.如图2所示为本发明超表面吸波模块中超表面单元结构示意图，其中2a为侧视图，图2b为俯视图；本发明超表面吸波模块包括n
×
m个超表面像元组成的像元阵列，每个超表面像元包括p
×
q个超表面单元，每个超表面像元对应一个形变模块、一个磁性探测模块和一个数据读出模块，共包含n
×
m个形变模块、n
×
m个磁性探测模块和n
×
m个数据读出模块，n、m、p、q均为大于或等于1的正整数。
55.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。由特定形状的超表面单元按照特定间距进行重复的亚波长二维平面周期性结构为超表面。通过对超表面单元的尺寸、形状进行设计，即可实现对电磁波的人工调控。
56.本发明所设计的电磁超表面单元如图2所示，从图2a可看到，结构分为三层，层与层之间紧密结合。如图3所示，本发明一可选实施例中，顶层为正方形金属方片101，材料为
金，厚度为h4；中间层为介质层102，材料为si3n4，相对介电常数为9.7，厚度为h1；底层为金属背板103，材料为金，厚度为h2。底层103表面镀磁性膜。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，优化设计得出实施例中超表面单元的尺寸参数见表1。
57.表1结构尺寸参数表
[0058][0059]
在本发明一可选实施例中，以10
×
10个超表面单元组成一个超表面像元，成像系统的超表面吸波模块以超表面像元为最小重复结构，可以根据需要灵活排布形成大规模像元阵列。基于电磁超表面理论的单个超表面像元结构如图2a所示，尺寸参数见表1。每个像元中包含10
×
10个超表面单元组成的吸波板单元。该超表面像元的吸收率-频率特性曲线如
[0060]
图4所示，可以看到其吸收率在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。如图6所示为本发明超表面吸波模块的金背板温度变化曲线。
[0061]
本发明中超表面吸波模块的每个超表面像元除包含顶层、中间层和底层外，还在底层下表面附着磁性薄膜，磁性薄膜的厚度为为5～10μm，通过化学气相沉积法方法镀在底层的下表面，具体工艺方法为：采用等离子体增强化学的气相沉积设备(pecvd)蒸镀钕铁硼(ndfeb)，例如蒸镀nd2fe14b。
[0062]
本发明形变模块包括悬臂梁2、支柱5和衬底7，如图3b所示，悬臂梁2为两根，对称设置在超表面像元两侧，且悬臂梁一端折弯与超表面像元紧密连接，另一端与支柱5连接，支柱5设置在衬底7上，通过与形变模块连接使超表面吸波模块处于悬空状态。位于像元同一边的两根si3n4支柱在高度为l4+l5的水平面上各伸出一条水平悬臂，悬臂梁为双层结构，支柱与最底部的衬底相连。
[0063]
形变模块基于热膨胀理论进行设计，主要形式为由同样形状紧密结合的金和si3n4两种材料组成的双层微悬臂梁。由于这两种材料的热膨胀系数差异巨大(金为14.2
×
10-6
(1/k)，si3n4为2.3
×
10-6
(1/k))，在受热时，由两种材料紧密贴合制作而成的悬臂梁由于两部分膨胀程度差异明显，造成悬臂梁向热膨胀系数较小的材料(si3n4)一侧弯折，超表面像元随之向下位移。
[0064]
如图3c所示，磁性探测模块为tmr膜，紧密附着在形变模块的衬底表面；本发明一可选是实施例中，tmr膜的厚度为5～10μm。tmr膜通过化学气相沉积方法分层镀在衬底表面，具体工艺方法为：采用等离子体增强化学的气相沉积设备(pecvd)依次蒸镀氧化铁(fe3o4)、氧化铝(al2o3)和氧化铁(fe3o4)。
[0065]
本发明一可选实施例中，磁性膜与tmr膜之间的距离为10～20μm；其中磁性膜、tmr
膜以及吸波表面的面积大小关系为：吸波表面面积＞磁性膜面积＞tmr膜面积；所述tmr膜面积为磁性膜面积的50％～80％；磁性膜面积为吸波表面面积的50％～80％。
[0066]
在超表面单元受热后，形变模块产生形变，超表面单元随之向下位移，此时附着在超表面单元下侧的磁性薄膜也随之移动，引起磁场的变化。附着在衬底上面的tmr薄膜的电阻值在一定区间内随磁场变化而变化，具体变化如图7所示。这样，就将形变量转化为电阻值的变化，完成了磁性探测。
[0067]
如图10所示为本发明磁性探测模块原理图，其中图10a为tmr薄膜电路拓扑结构图，图10b为4
×
4阵列各单元电气连接示意图1，图10c为4
×
4阵列各单元电气连接示意图2。磁性探测模块中的tmr膜包括探测像元芯片，探测像元芯片中不同阵列单元的tmr桥式电路为相互并联关系，即各单元的偏置电压接口、接地接口汇聚到探测像元芯片的总接口上，各单元的tmr桥式电路输出为独立输出，通过tmr膜上的通孔，即tmr输出触点通孔6，将输出触点设置在探测像元芯片的背部。
[0068]
如图10a，tmr桥式电路为tmr推挽半桥单元，tmr推挽半桥单元中包含两个tmr结构，tmr1和tmr2的性能参数保持一致。其中，箭头方向和弧线表示的是trm的磁场正敏感方向，tmr2与tmr1正敏感方向反向放置，即：tmr1的电阻随着方向向下的磁场强度增大而增大；tmr2的电阻随着方向向下的磁场强度增大而减小，由此才能形成推挽半桥电路。其中，tmr1一端连接偏置电压vbias，另一端与tmr2的一端连接，tmr2的另一端接地，输出信号vout由tmr1和tmr2两者相连处引出。
[0069]
如图10b、10c所示，以4
×
4阵列为例，说明各单元的偏置端口、地端口、信号输出端口的相互连接关系。其中，各单元的偏置端口通过导线连接汇总到同一偏置端口；各单元的地端口通过导线连接汇总到同一地端口。
[0070]
探测像元芯片与读出电路模块通过芯片背部金属触点与读出电路模块上对应的底座直接接触，二者的位置由压杆机械结构固定，即压杆将探测芯片固定在底座上。二者之间通过金属触点传递直流电压信号，其中偏置触点为探测像元芯片模块的tmr桥式电路提供稳定0-7v的电压偏置；接地触点将探测像元芯片模块接地；阵列电压触点传递时变电压信号(0-14v)，信号从探测像元芯片模块的tmr桥式电路流向读出电路模块。
[0071]
如图11所示为本发明数据读出模块组成原理图，数据读出模块包含模拟模块与数字模块两部分，总体实现对磁性探测模块所输出的阵列电阻值的读出功能，其中模拟模块将从磁性探测模块接收的电阻信号转化为电压信号，并进行滤波、放大后输出至数字模块，数字模块对接收的信号进行数字化处理。
[0072]
模拟模块包含基准电流源电路、数字化读出通道，电流比较器电路、斜坡发生器电路、lvds驱动和接收模块。基准电流源电路用于为其他模拟电路模块提供电流基准，也是功耗检测的基础；数字化读出通道由探测电桥支路、参比电桥支路、非均匀性校正电路、积分放大电路，采样保持电路，比较器、信号采集电路组成，用于实现信号的读出和数字化输出；斜坡发生器电路、电流比较器电路等构成单斜adc，用于实现数字化输出；lvds驱动和接收模块构成了lvds高速输入输出接口电路，用于实现数据的高速传输。
[0073]
数字模块包含：中央控制电路、静态寄存器写入模块、nuc控制电路、计数器电路、行选/列选电路、转码电路、并串转化电路、行/列保护电路。其中静态寄存器写入模块主要用于在每帧开始时，将外部输入的控制信号写入并寄存器在相应的寄存器中；nuc控制电路
用于在每帧复位期间，将外部输入的控制信号作为nuc校正数据并寄存在相应的寄存器中；中央控制电路在每帧开始期间写入的控制信号作用下，控制完成行选控制、列选控制等数字控制模块以及模拟通道的时序，同时控制计数器的行清零。行选电路在中央控制电路作用下，产生每行像元的行选信号；列选电路在中央控制电路作用下，产生每列像元的列选信号。行/列保护电路用于对行选/列选电路产生的行选/列选信号高电平时间进行计数，以避免某一行/列像元一直被选中由于热量聚集而被烧毁的现象发生。转码电路用于将行选/列选电路输出的信号转换为自然二进制信号；并串转换电路用于将像元阵列输出的并行信号转换为串行信号。
[0074]
读出电路模块与外界连接分两部分，一部分为供电接口，为读出电路提供0-15v直流电压；另一部分为图像输出接口，读出电路将电阻值转换为电压值，输出8bit单色灰度图片，分辨率为64*64@60hz。
[0075]
如图12所示为本发明行选/列选电路结构原理图。例如，如果要读出第m行、第n列单元，即行选电路选通第m行，列级读出通道选通第n列，则单元(m,n)可以通过输出模块输出。
[0076]
如图5所示为本发明一个实施例中超表面吸波模块3
×
3阵列结构示意图，其中图5a为俯视图，图5b为侧视图1，图5c为侧视图2。
[0077]
如图8所示为本发明太赫兹焦平面成像系统结构示意图，本发明太赫兹焦平面成像系统包括上述成像探测器、第一离轴抛物镜、第二离轴抛物镜、太赫兹波源和处理器，其中太赫兹波源靠近第一离轴抛物镜设置，成像探测器靠近第二离轴抛物镜设置，被成像物体设置在两个离轴抛物镜之间。
[0078]
本发明一可选是实例中，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约为超表面吸波模块迎光面尺寸10倍-15倍)，搭建光路时，在第一离轴抛物镜s2焦点处放置太赫兹波源s1模块，使得第一、第二离轴抛物镜s3中心光轴重合，且迎光面相互面对，两个离轴抛物镜距离应大于离轴抛物镜的一倍焦距。成像探测器100放置在距离第二离轴抛物镜的焦点附近，例如焦点前后5mm以内。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)的距离应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。
[0079]
成像探测器与处理器连接，太赫兹波源发出的太赫兹波依次经过第一离轴抛物镜、被成像物体和第二离轴抛物镜后被成像探测器吸收，成像探测器将电压信号输出至处理器s4，处理器接收电压信号经过处理得到被成像物体的图像。
[0080]
所有仪器均处于同一水平面上，各抛物镜的中心光轴应位于和其他仪器相同的水平面中。被成像物体s5对于太赫兹波具有阻挡或衰减传输效果。工作中太赫兹波光路流向为：3.4thz太赫兹波源模块发出太赫兹信号，经过两个离轴抛物镜的反射，将太赫兹信号汇聚在超表面吸波模块上，超表面吸波模块吸波产生热量，导致其温度上升。
[0081]
本发明还提供一种太赫兹焦平面成像探测器进行成像的方法，具体包括如下步骤：
[0082]
(1)、搭建成像系统，具体包括：将太赫兹波源设置在第一离轴抛物镜的焦点处，被成像物体设置在两个离轴抛物镜之间，成像探测器设置在距离第二离轴抛物镜的焦点附近(例如距离焦点前后5mm以内)；两个离轴抛物镜之间的距离大于离轴抛物镜的一倍焦距，且
两个离轴抛物镜中心光轴重合，迎光面相互面对；超表面吸波模块与第二离轴抛物镜光心的距离小于离轴抛物镜的焦距，将成像探测器与处理器连接；
[0083]
(2)、打开太赫兹波源，太赫兹波源发出的太赫兹波依次经过第一离轴抛物镜、被成像物体和第二离轴抛物镜后被成像探测器的超表面吸波模块接收；
[0084]
(3)、超表面吸波模块接收太赫兹信号后，将太赫兹波的电磁能量转化为热能产生热量，使得形变模块产生形变，带动超表面吸波模块底部的磁膜随之移动，从而将形变位移转化为磁场变化，磁性探测模块探测所述磁场变化，将磁场变化量转化为电阻值的变化量，数据读出模块从磁性探测模块读取电阻信号并转换为电压信号后输出至处理器；
[0085]
(4)、处理器接收所述电压信号，经过处理得到被成像物体的图像。
[0086]
本发明基于磁阻效应与超表面的太赫兹焦平面成像技术对比现有的太赫兹成像技术具有如下特点与优势：
[0087]
(1)本发明成像探测器及实现方法的工作频率具有设计灵活性。
[0088]
本发明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，本发明采用基于人工电磁调控的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。
[0089]
(2)本发明成像探测器及实现方法可应用在室温工作环境下。
[0090]
本发明属于热-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，本发明可工作在室温(293k)环境下，对于环境温度要求较低，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。
[0091]
(3)本发明所设计的超表面阵列，其阵列可达到较大规模。
[0092]
本发明实施例中所设计的每个超表面像元尺寸约为230μm
×
230μm，阵列规模为87
×
87时，整个焦平面阵列大小为2cm
×
2cm，可实现较大规模的阵列。为展示阵列效果，如
[0093]
图9所示，展示了单个像元(a)和3
×
3阵列的3d图像。随着工艺水平的成熟，可进一步提升阵列规模而无需改变结构。
[0094]
(4)本发明成像探测器及成像系统等效噪声功率(nep)性能优异。
[0095]
本发明成像系统等效噪声功率(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。
[0096]
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：
[0097][0098]
其中vn、v0分别为噪声下、p0功率太赫兹辐射下的tmr输出电压信号，此时因为tmr工作在线性区间，输出电压信号随着磁膜位移变大而变大，也就是随着太赫兹波功率变大而变大。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：
[0099][0100]
其中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。
[0101]
测试时，首先由记录tmr模组无太赫兹功率入射时的输出电压信号，接着将太赫兹源输出开启，并算出此时的p0，再记录tmr模组此时的电压信号，将两电压信号矩阵对比，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。
[0102]
根据制备的pdms-ucnps的温度-光强度特性曲线可知pdms-ucnps薄膜所能输出的最小温度变化量δt＝1k，吸波板吸收率为80％，由测试时太赫兹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：
[0103][0104]
(5)本发明成像方法的响应时间为100ms以内，可满足实时成像要求。
[0105]
成像系统的响应时间是从开始成像到第一帧图像输出所用的时间。在本发明成像方法中，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，到悬臂吸波结构发生位移达到稳态位移的63.2％时所用时间；第二部分是tmr及其读出电路从探测到磁场变化到输出电压信号所用时间。由于悬臂形变与悬臂温度变化同步，因此第一部分时间即为悬臂吸波结构温度升高至稳态温度的63.2％所用时间。温度的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8所示，悬臂吸波结构温度升高至稳态温度的63.2％所用时间为60ms，即第一部分时间为60ms。第二部分时间中，读出电路处理时间不超过40ms，因此本成像技术总的响应时间为100ms。
[0106]
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0107]
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。