[发明专利]太赫兹近场成像装置

说明书

本发明涉及一种用于太赫兹成像系统的传感器，所述传感器包括太赫兹辐射接收器(18)的阵列；以及太赫兹辐射发射器(10)的阵列，其具有所述接收器阵列的间距相同的间距，设置在所述接收器的阵列与位于所述发射器的近场中的分析区域(12)之间，并且被配置为使得每个发射器向所述分析区域和所述接收器阵列的相应接收器两者发射波。

技术领域

本发明涉及近距离成像技术，它特别是使用要与待分析物体接触放置的太赫兹探针。

背景技术

太赫兹(THz)波范围在毫米波与可见辐射之间。一般认为，太赫兹波范围的频率从约300GHz至数个THz。该范围内的波具有射频和光学特性两者，特别是它们可以通过天线来发送和接收，并且通过诸如硅透镜之类的光学系统来聚焦。

THz波具有穿过某些物体的特性，而没有X射线的恶性。在医学成像中，它们用于例如检测癌变组织，因为这种组织在THz范围内具有与健康组织不同的吸收和反射特性。

文章“Use of a handheld terahertz pulsed imaging device todifferentiate benign and malignant breast tissue(使用手持式太赫兹脉冲成像设备来区分良性和恶性乳腺组织)”(Maarten R.Grootendorst等人，第8卷第6期，2017年6月1日，Biomedical Optics express(生物医学光学快报)2932)公开了一种手持式探针，其被设计为在患者的皮肤上移动并且通过波反射对皮肤进行分析，类似于超声波探针。

THz波在探针中经由飞秒激光脉冲实现，这些飞秒激光脉冲在探针外部产生并且被引导通过光纤到达被置于探针内部的光电导发射器/接收器。然后，通过发射器/接收器与存在于探针末端的石英窗之间的振荡镜来引导所产生的0.1至1.8THz的脉冲，以便在15×2mm的区域中以4Hz的频率逐步扫描26个像素。在扫描的每个步骤中，通过对应的像素将反射的THz脉冲返回到接收器。

这种手持式探针使用复杂且昂贵的光学技术。此外，约0.6mm的像素间距提供相对较低的分辨率。该分辨率取决于镜驱动机构的精度和THz波的相对较长的波长。对于所使用的脉冲的最低频率(在此为0.1THz且波长为1.2mm)，0.6mm的像素间距大约对应于空气中的阿贝衍射极限。

因此，这种系统需要笨重并且昂贵的设备来实现仅15×2mm的图像传感器，其中主体的实质部分被用于产生所需激光束的设备所占据。

最近，已使用半导体技术成功实现THz接收器和发射器，其可以通过集成在同一芯片上的电子电路来充分利用。

因此，THz接收器以阵列形式在半导体芯片上进行分组以形成紧凑型图像传感器。例如，论文“A 1 k-Pixel Video Camera for 0.7-1.1 Terahertz Imaging Applicationsin 65-nm CMOS(用于采用65nm CMOS的0.7-1.1太赫兹成像应用的1k像素摄像机)”(Richard Al Hadi、Hani Sherry等人，IEEE固态电路杂志，第47卷第12期，2012年12月)公开了一种图像传感器，其包括完全采用65nm CMOS技术生产的THz接收器。所述接收器能通过使用无源元件和其中晶体管的频率限制更小(共源极连接)的配置来以高于晶体管的工作频率的频率处理信号。特别地，使用功率感测配置—在天线上接收THz波并且对产生的天线信号进行整流，以将电容器充电到信号振荡的峰值。这种接收器(被称为零差接收器)不提供相位信息，而仅提供振幅信息。

还已经可以设计出可集成在半导体技术(尤其是CMOS)中的THz发射器。发射器的一个难题是产生频率高于晶体管的工作频率的THz信号。通过使用所谓的谐波振荡器克服了这一难题。这种振荡器以与该技术兼容的频率工作，并且产生可以在THz范围内使用的谐波。专利US9083324公开了这种振荡器。