JP2020531860A - テラヘルツ波を用いて画像を構成するための多画素センサを備えたイメージング装置 - Google Patents
テラヘルツ波を用いて画像を構成するための多画素センサを備えたイメージング装置 Download PDFInfo
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Abstract
Description
− 多くの基準角度でアライメントが難しいこと;
− レンズユニットが非常に高価であること;
− 特に高開口で焦点距離範囲が制限されること;および、
− フラットな波面で、かつ光軸上で作動させなければならないこと。
− 周波数逓倍器と組み合わせて0.2THzを超える、インパットダイオード;または、
− 周波数逓倍器と組み合わせて、0〜0.02THzの間の固定または可変の発振器。
− df/f比が1%よりも高く、好ましくは2.5%よりも高いような、帯域幅dfのテラヘルツエミッタ105(f<200GHz);
− 1%よりも高く、好ましくは2.5%よりも高いdf/f比を維持しつつ、発光帯域を制限するためのフィルタ110;
− 増幅器または減衰器115;
− 周波数逓倍器120;および、
− 伝送アンテナ125。
− 狭帯域で発光するローバンドエミッタ130(f<1GHz)(0.1GHz〜40GHzの周波数範囲);
− 0.1GHz<Δf<40GHzの帯域の変調器135;
− 増幅器または減衰器140;
− 周波数逓倍器145;および、
− 伝送アンテナ150。
トランジスタのチャネルの抵抗は、1kΩのオーダであるため、チャネルに電流を注入すると、その端子間に連続的なオフセットが発生する。このオフセットは、THzの有無に関係なく現れる。このオフセットは、数百mVのオーダである可能性があり、これは増幅チェインにとって問題である。なぜなら、増幅器は、THzによって生成された有効な信号と、連続的なオフセットを、同じように増幅するからである。オフセットは、特定のレベルを超えると、個々の増幅器の入力の飽和を引き起こす。従って、増幅チェインが入力においてその動作範囲内に留まることができるように、トランジスタによって生成される信号から、オフセット電圧と同程度の大きさのDC電圧を減算する必要がある。
増幅は、これによって発生する雑音が少ないように、かつ、可能な限り低ドリフトであるとともに、動作周波数のための十分な帯域幅を有するように、選択される。例えば、Texas Instruments社の増幅器OPA735は、必要な性能レベルを有する。従来、2つの増幅段階が選択される。第1は、感光面に近く、10または100の固定利得であって、これにより、回路によって誘導される雑音レベルよりも数桁強い信号の伝送が確保される。次は、アナログ・デジタル変換器(ADC)に近く、(例えば1〜10の間の)可変利得の第2の増幅器である。これにより、ADC変換レンジを満たすように増幅を適応させつつ、全体として1000の最大増幅率を達成することが可能となる。
トランジスタで発生する雑音は、電流が注入されると、大幅に増加する。雑音レベルが高すぎるため、連続(DC)モードで動作させることは、もはや有効ではなく、特に低周波雑音は、オフセット電圧に関係している。しかしながら、有効な信号を1kHzのオーダの周波数にすると、60dBよりも高い信号対雑音比が得られ、これに対して、注入電流がないときの連続モードでは約45dBである。電流を注入することの利点は、この信号対雑音比にあり、100Hz〜100kHzの間の動作周波数では、電流によって信号対雑音比はより良好となる。
− THz検出器710の1つ以上の列705。各THz検出器は、0.25μm未満の技術によるGaAs、GaN、またはInPのRFナノトランジスタであり、これは、そのチャネルにおけるプラズマ効果によって、0.1THz〜2.5THzの帯域のTHz波を整流する。各ナノトランジスタは、表面積が0.5mm2未満のマイクロパッケージにパッケージ化されている;
− 各検出器を分極させるための近接電子装置715。ナノトランジスタは、効果的な整流器であるためには、そのトランジスタの標準動作の非線形性が最も強い場合の、そのスイング電圧に近いゲート電圧によって分極される。その整流信号は、ドレインとソースの間に電流を注入することによってチャネルにおける電荷の非対称性を強いることにより、増幅される;
− THz信号を整形するための近接電子装置720。整流信号は、コモンモードまたはディファレンシャルモードで測定されるナノトランジスタのドレインとソースの間の連続的な電位差である。近接電子装置720は、信号の振幅を減衰させないように、さらには分極電流が増幅回路にではなくトランジスタに注入されることを強いるために、高インピーダンスである。減算器アセンブリは、ドレインとソースの間に電流を注入することにより発生するオフセットを補償する。1つ以上の低ドリフトかつ低雑音の増幅器により、アナログ・デジタル変換器(ADC)725のダイナミクスにわたって信号を増幅する;
− 並行して信号をデジタル化するための電子装置725。このアナログ・デジタル変換器725は、振幅の広いダイナミックレンジ(>12ビット)を有するとともに、高速(>100kサンプル/秒、すなわち>数千サンプル/秒)である;
− 雑音を低減するための信号取得・処理システム730。ポイントセンサの場合と同じように、THz源が振幅変調されることによって、平均差分測定を行うことが可能となる;
− イーサネット、USB、またはCameraLink(登録商標)通信プロトコルによる高速通信システム735。
− センサの画素は、形成される画像のディテールと比較して大きい;
− センサは大きく、192画素で、>150mmである;および、
− 実現すべき分解能には、非常に高いFナンバーが必要である。
− 第1のグループ:物体に近く、開口絞りで物体からの光の収集を可能とする;および、
− 第2のグループ:像に近く、結像開口絞りで物体の像の形成を可能とする。
− 像面湾曲を制限するための、第1のグループの像面補償器;および、
− 厚さおよび収差を制限するための、第2のグループの2つまたは3つのレンズ。
例1(図3):被写界40mm、倍率1.3×、235GHz
レンズユニット200は、それぞれ1つのレンズの2つのグループ205および210を有し、像側でテレセントリックではない。このレンズユニット200は、50mm超の物体距離という制約で設計されている。MTF(Modulation Transfer Function(変調伝達関数)の頭字語)は、0.4 lp/mmの分解能、すなわち物体に対する1.92mmの分解能、を示している。スポット図は、この系がフィールド全体の回折によって制限されることを示しており、収差によって像が歪められることはない。
レンズユニット215は、3つのレンズ220、225、230を有し、第2のグループは、1つのレンズの2つのサブグループに分割される。像側は、テレセントリックレンズユニットである。像側のMTFは、0.45 lp/mmの分解能、すなわち物体に対する1.3mmの分解能、を示している。スポット図は、この系がフィールド全体の回折によって制限されることを示しており、収差によって像が歪められることはない。
レンズユニット235は、2つのサブグループに分割された第2のグループを有する。倍率1×と像側のテレセントリック性を得るには、4つのレンズ240、245、250、255が必要である。像側のMTFは、0.40 lp/mmの分解能、すなわち物体に対する2.5mmの分解能、を示している。スポット図は、この系が、フィールドのエッジを除いて、回折によって制限されることを示している(わずかな欠陥)。
高倍率用のレンズユニット260は、2つのグループを有し、第1のグループに像面補償器を有する。3つのレンズ265、270、275を有するこのレンズユニットによって、波長未満の分解能を実現することが可能となる。像側のMTFは、0.41 lp/mmの分解能、すなわち物体に対する780μmの分解能、を示している。スポット図は、この系が、フィールドのエッジを除いて、回折によって制限されることを示している(わずかな欠陥)。
− 線源の照射を線形にすること;および、
− 線源の照射をシーンにわたって均一にすること。
− 第1のステップでは、シリンドリカルレンズ325の入力において必要な分布305を計算する;
− 第2のステップでは、この分布305を形成するために、2つの非球面レンズ315、320を有する系を最適化する。
− エネルギー分布を準備するためのビーム整形に、レンズ335を用いる(例えば、XY多項式面を有するレンズ);
− 非球面シリンドリカルレンズ340によって、単一方向へのビームの集束を実現する。
− THz源;
− 線形照射を実現するためのレンズで構成される光学系;
− 物体を透過した後または物体で反射された後の照射の収集を実現するためのレンズで構成される光学系;
− 反射の場合のビームスプリッタ;
− 多画素センサ;および、
− センサから出力される信号を処理するユニット。
− 第1のグループは、計算された物体側開口数を確保して、無限遠の入射瞳(テレセントリックレンズユニット)によって、シーンの光の収集を確保する。さらに、この光を、フィールドのすべてのポイントからの光線が開口を完全に満たすように、第2のグループの上流に位置するレンズユニットの開口を通して投影する。制約が厳しいレンズユニット(開口数<1、または倍率>>1)の場合には、フィールド補正器の役割を果たすメニスカスレンズを、第1のグループに追加する必要がある。
− 第2のグループは、倍率および計算された像側開口数を確保して、開口からの光をセンサの表面に集束させる。第2のグループは、第1のグループによって生じる収差(特に球面収差)の補正を確保し、これにより、レンズユニットは、フィールド全体の回折によって制限される。また、射出瞳も無限遠にすることができるが、これは像側では必須ではない。
Claims (30)
- イメージング装置(40,42,44)であって、
物体を照射するための、周波数が0.075THz〜10THzの間のインコヒーレント線源(100)と、
前記物体からの放射線のセンサ(415,470)であって、前記インコヒーレント線源からの放射線を感受する複数の領域を有するとともに、前記インコヒーレント線源から前記センサの前記領域のそれぞれに到達する光線の強度を表す電気信号を発するセンサと、
少なくとも1つの光学系(235,260)であって、1よりも高い倍率を有するとともに、画素間を前記倍率で除算した値の4倍よりも高い分解能を有し、前記インコヒーレント線源から放出された光線が前記インコヒーレント線源から前記物体を通過して前記センサに達する光路に配置された光学系と、を備えることと、
中心波長に対する帯域幅の比率は、1%よりも高いこと、を特徴とする装置。 - 中心波長に対する帯域幅の前記比率は、2.5%よりも高い、請求項1に記載の装置。
- 前記インコヒーレント線源は、周波数逓倍器が後に続く白色雑音源である、請求項1または2のいずれか一項に記載の装置。
- 前記白色雑音源は、20GHz未満の中心波長の場合に、200MHz〜500MHzの間の帯域幅にわたって放射する、請求項3に記載の装置。
- 前記白色雑音源は、フィルタ周波数シンセサイザである、請求項3または4のいずれか一項に記載の装置。
- 前記光学系は2つのレンズグループで構成され、第1のグループは、無限遠の入射瞳で、シーンの光を収集するとともに、前記光を、光フィールドのすべてのポイントからの光線が開口を完全に満たすように、第2のグループの上流に位置するレンズユニットの開口を通して投影することを確保し、前記第2のグループは、前記倍率および像側開口数を確保して、前記開口からの光を前記センサの表面に集束させるとともに、前記第2のグループは、前記第1のグループによって生じる球面収差の補正も確保する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の装置。
- 前記第1のグループは、光フィールド補正器を形成するように構成されたメニスカスレンズを含む、請求項6に記載の装置。
- 射出瞳は無限遠にある、請求項6または7のいずれか一項に記載の装置。
- 最大レンズ直径が100mmの場合に、光フィールドは40mmである、請求項1〜7のいずれか一項に記載の装置。
- 前記センサは、ビアを有する多層プリント回路基板を含み、前記多層プリント回路基板の裏面に、横接続を有しない、個々の感光領域のポイントセンサが半田付けされている、請求項1〜9のいずれか一項に記載の装置。
- 前記多層プリント回路基板の前記ビアは、レーザで形成される、請求項10に記載の装置。
- 少なくとも1つのポイントセンサは、ボールグリッドアレイを備えるハウジング内にある、請求項10または11のいずれか一項に記載の装置。
- 少なくとも1つのポイントセンサは、ウェハレベルパッケージ型またはボードレベルパッケージ型のものである、請求項10〜12のいずれか一項に記載の装置。
- 個々の感光領域の少なくとも1つのポイントセンサは、ホットビアで配線されたトランジスタを含む、請求項10〜13のいずれか一項に記載の装置。
- 個々の感光領域の少なくとも1つのポイントセンサは、少なくとも3dBの信号対雑音比の利得を得るために、トランジスタのゲート電圧を生成してチャネルに微小電流を発生させる回路によって分極される、請求項10〜14のいずれか一項に記載の装置。
- 前記センサの前記領域の画素間の中心間距離は、1mm未満である、請求項1〜15のいずれか一項に記載の装置。
- 前記装置は、少なくとも1つの非回転対称レンズ、例えば、シリンドリカルレンズまたはXY多項式面を有するレンズを備える、請求項1〜16のいずれか一項に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの光学系は、非球面光学レンズを含む、請求項1〜17のいずれか一項に記載の装置。
- 前記光学系の少なくとも1つの光学素子は、コーンまたはクレータの形態の微細構造を含む反射防止処理を有する、請求項1〜18のいずれか一項に記載の装置。
- 前記インコヒーレント線源の放射周波数は変調される、請求項1〜19のいずれか一項に記載の装置。
- 前記インコヒーレント線源は、インパットダイオードまたは抵抗器に熱雑音型の雑音源を含む、請求項1〜20のいずれか一項に記載の装置。
- それぞれの前記領域はナノトランジスタであり、THz波によって生成される信号は、コモンモードまたはディファレンシャルモードで測定される前記ナノトランジスタのドレインとソースの間の連続的な電位差である、請求項1〜21のいずれか一項に記載の装置。
- 前記装置は、それぞれの前記ナノトランジスタを、前記ナノトランジスタの標準動作の非線形性が最も強い場合の、そのスイング電圧に近いゲート電圧によって分極させるための近接電子装置を備える、請求項22に記載の装置。
- それぞれの前記ナノトランジスタからの整流信号は、前記ナノトランジスタのドレインとソースの間のチャネルに電流を注入することによって前記ナノトランジスタの前記チャネルにおける電荷の非対称性を強いることにより、および/またはアンテナとして機能する金属パターンを用いることにより、増幅される、請求項23に記載の装置。
- 前記近接電子装置は、それぞれの前記ナノトランジスタのドレインとソースの間に電流を注入することにより発生するオフセットを、例えば減算器アセンブリを用いて調整するための補償回路を含む、請求項23または24のいずれか一項に記載の装置。
- 前記装置は、アナログ・デジタル変換器のダイナミクスにわたって信号を増幅する、少なくとも1つの低ドリフトかつ低雑音の増幅器を備える、請求項1〜25のいずれか一項に記載の装置。
- 前記装置は、信号の復調を前記インコヒーレント線源の振幅変調信号と同期させるための手段を備える、請求項1〜26のいずれか一項に記載の装置。
- 前記装置は、例えばエンコーダを用いることによる、撮像対象の前記物体の位置のセンサを備える、請求項1〜27のいずれか一項に記載の装置。
- 前記装置は、ビームスプリッタを備え、前記ビームスプリッタでの入射偏光は、フィールドが入射面に平行であるTMモード(横モードの頭字語)の偏光である、請求項1〜28のいずれか一項に記載の装置。
- 前記装置は、前記物体からの放射線の強度、および/または前記物体からの光線の偏光、を測定するための手段を備える、請求項1〜29のいずれか一項に記載の装置。
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