曹恩達(dá)，于 勇，宋長波，趙一鳴

一種手持式太赫茲探測系統(tǒng)的光學(xué)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

曹恩達(dá)，于 勇，宋長波，趙一鳴

（北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076）

隨著現(xiàn)代安檢技術(shù)與健康、隱私問題之間的矛盾愈加突出，人們迫切需要高效、便捷、安全的安檢技術(shù)。首先介紹太赫茲非成像光譜探測技術(shù)的原理，提出適合于安檢應(yīng)用的太赫茲光譜探測系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，然后基于ZEMAX設(shè)計(jì)出配合該技術(shù)指標(biāo)的光學(xué)系統(tǒng)，采用非序列模式對(duì)其進(jìn)行仿真和評(píng)價(jià)，最后基于ProE設(shè)計(jì)完成了配合上述光學(xué)系統(tǒng)的緊湊型探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了探測系統(tǒng)的手持式應(yīng)用。

太赫茲；光譜探測；手持式；光學(xué)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引 言

太赫茲THz（Terahertz，1THz=1000GHz）是波動(dòng)頻率單位之一。目前，普遍定義的太赫茲波頻率范圍在0.1THz~10THz之間，波長范圍為0.03mm~3mm。太赫茲波是介于毫米波和遠(yuǎn)紅外線之間的電磁輻射[1]，在太赫茲物質(zhì)特征光譜研究領(lǐng)域中，被廣泛研究的太赫茲頻段集中于0.1THz~5THz范圍內(nèi)。由于大部分非極性材料不會(huì)明顯地吸收太赫茲波，太赫茲波能夠以很小的衰減穿透陶瓷、脂肪、布料及塑料等物質(zhì)[2-5]，因此，太赫茲輻射對(duì)于這些常用的覆蓋材料有非常強(qiáng)的穿透能力；同時(shí)，由于1THz電磁輻射的單光子能量只有4.1meV，遠(yuǎn)低于各種化學(xué)鍵的鍵能[6]，并非是有害的電離輻射，這使采用太赫茲在公共場所進(jìn)行安全檢查方面具有非常好的應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)外已經(jīng)研究出多種太赫茲成像系統(tǒng)，包括用于安檢的太赫茲成像系統(tǒng)[7-10]。

在安檢領(lǐng)域中，THz成像系統(tǒng)與X射線成像系統(tǒng)的安檢原理類似，THz成像系統(tǒng)僅解決了X光機(jī)的電離輻射危害，并沒有解決困擾毫米波和X射線安檢技術(shù)應(yīng)用的重大隱私問題（揭示了人體體貌特征[11]，如圖1[12]所示），導(dǎo)致THz成像系統(tǒng)在安檢領(lǐng)域的應(yīng)用同樣受到限制。同時(shí)，為了保證太赫茲成像質(zhì)量，所采用的太赫茲光譜范圍很窄，無法發(fā)揮太赫茲技術(shù)的頻譜特征在物質(zhì)成分鑒別上的應(yīng)用優(yōu)勢。要解決上述問題的較好辦法是，采取THz非成像光譜掃描的模式。由于不再需要THz成像，所采用的太赫茲光譜范圍可以很大，足以覆蓋物質(zhì)特征指紋譜的范圍。而且，也由于不再需要成像，系統(tǒng)對(duì)像差幾乎沒有要求，所使用的光學(xué)系統(tǒng)可以采用透鏡構(gòu)成的折射系統(tǒng)來代替目前廣泛研究的反射太赫茲光學(xué)系統(tǒng)，而不用擔(dān)心復(fù)雜的像差校正。這使得太赫茲光學(xué)系統(tǒng)可以發(fā)揮折射光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化，以用于手持式太赫茲光譜探測。

圖1 THz成像技術(shù)的隱私問題

1 太赫茲非成像光譜探測原理

太赫茲非成像光譜探測原理示于圖2。利用光電導(dǎo)激發(fā)效應(yīng)，使用InGaAs光電導(dǎo)半導(dǎo)體作為THz波發(fā)射和接收器的關(guān)鍵元件，而光學(xué)延遲線可以連續(xù)地改變激光的光程，產(chǎn)生相位延遲。具體過程如下：

將飛秒激光分束后，一束激光經(jīng)熊貓型保偏光纖（在嚴(yán)酷環(huán)境條件下保證穩(wěn)定和可靠性）后照射THz波發(fā)射器，通過光電導(dǎo)效應(yīng)激發(fā)THz波。THz波照射探測目標(biāo)，反射THz波攜帶物質(zhì)特征信息被THz波接收器接收。利用光學(xué)延遲線連續(xù)調(diào)制另一束飛秒激光到達(dá)THz波接收器的時(shí)間，快速掃描重建THz波電場。通過計(jì)算機(jī)對(duì)THz波形做傅里葉變換等算法處理，獲得探測目標(biāo)的物質(zhì)指紋光譜。

圖2 太赫茲非成像光譜探測原理

2 太赫茲非成像光譜探測系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

考慮到在太赫茲物質(zhì)特征光譜研究領(lǐng)域中，廣泛研究的太赫茲頻段集中于0.1THz~5THz范圍，并根據(jù)系統(tǒng)要求的光譜范圍（≥3THz），為保證足夠的信噪比，設(shè)定探測系統(tǒng)的工作頻段為0.1THz~4.5THz（波長0.067mm~3.000mm）。其他系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)：動(dòng)態(tài)范圍≥60dB，光譜獲取率≥20Hz。在此基礎(chǔ)上，調(diào)研后找到合適的太赫茲時(shí)域光譜THz-TDS（Terahertz Time Domain Spectroscopy）系統(tǒng)Menlo Systems TERA15-FC，作為本文的THz源。

根據(jù)所選THz源，得到THz折射光學(xué)系統(tǒng)探測光路設(shè)計(jì)輸入條件：波長范圍0.1THz~4.5THz；THz源的發(fā)射發(fā)散角±12.5°（用戈萊盒測得）；THz源的發(fā)射面直徑，即系統(tǒng)的入瞳直徑10mm；THz波接收器接收面尺寸半徑8mm。結(jié)合系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)（探測線寬度≥15mm、目標(biāo)距離≤10cm、手持探頭重量≤1kg）對(duì)探測光路設(shè)計(jì)的限制要求，設(shè)計(jì)一種適用于太赫茲非成像光譜探測的折射光學(xué)系統(tǒng)。其技術(shù)指標(biāo)總結(jié)如表1所示。

表1 探測系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

3 太赫茲折射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)太赫茲折射光學(xué)系統(tǒng)相比設(shè)計(jì)傳統(tǒng)波段的光學(xué)系統(tǒng)面臨如下難點(diǎn)：透射光學(xué)材料少[6]、工作波長范圍大、波長遠(yuǎn)大于可見光和紅外波段。這些難點(diǎn)對(duì)太赫茲折射光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出嚴(yán)峻考驗(yàn)，特別是對(duì)太赫茲成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。而通過采用非成像的光譜探測方式，只收集太赫茲光譜能量，不僅解決了人體隱私問題，更避免了為獲得足夠高的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF（Modulation Transfer Function）以保證成像質(zhì)量而進(jìn)行復(fù)雜像差優(yōu)化時(shí)所面對(duì)的由于光學(xué)材料少、波長范圍大而導(dǎo)致的優(yōu)化不動(dòng)的問題。

在現(xiàn)有ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的光學(xué)材料玻璃庫中，材料的最大工作波長不超過11μm，距離太赫茲67μm的最小工作波長依然很遠(yuǎn)。使用現(xiàn)有光學(xué)玻璃庫的材料及數(shù)據(jù)根本無法進(jìn)行太赫茲折射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，必須尋找合適的光學(xué)材料，建立專門的太赫茲光學(xué)材料玻璃庫，才能進(jìn)行太赫茲折射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。按照光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，用于光譜掃描探測的物鏡，對(duì)材料質(zhì)量和表面均勻性的要求比常規(guī)物鏡更為嚴(yán)格[13]。

目前，太赫茲光學(xué)材料研究領(lǐng)域已經(jīng)研究出較成熟的幾種太赫茲透射材料，可分成晶體材料和有機(jī)聚合物材料兩類。高阻硅（HRFZ-Si）是傳統(tǒng)的太赫茲元件中最常用的太赫茲材料，它在太赫茲波段有很好的透過率。除去昂貴的人造鉆石，高阻硅是晶體材料中最適合寬大波長范圍的太赫茲材料[14]。而Tydex公司提供的HRFZ-Si材料能在1000μm波段中有50%~54%的透過率，該材料還可用于3000μm~8000μm波長的光。Z-cut的石英晶體是傳輸50 μm以上波長的光的極好材料。Z-cut的石英晶體窗口鏡可以傳輸可見光，很容易用He-Ne激光器來調(diào)節(jié)準(zhǔn)直。由于石英材料色散非常大，石英晶體材料的透鏡將對(duì)可見光和遠(yuǎn)紅外的光產(chǎn)生不同的焦距。如果需要對(duì)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)準(zhǔn)直，那就必須考慮透鏡的色散。

近年來，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，TPX、PE和PTFE等太赫茲有機(jī)材料被證明在200μm~1000μm之間透過率基本一致，可以達(dá)到80%~90%[14]，這有效地推動(dòng)了太赫茲折射光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展。其中4-甲基戊烯聚合物（商品名TPX）是目前所有作為折射透鏡材料的有機(jī)聚合物中密度最小的，這可以用于有效地實(shí)現(xiàn)探測頭的輕量化；而且該材料也是目前高透明度樹脂中唯一的結(jié)晶性聚合體，具有明顯的熔點(diǎn)，注塑均勻性好，可以滿足在掃描物鏡設(shè)計(jì)中更嚴(yán)格的材料質(zhì)量要求；同時(shí)，該材料耐高溫、疏水、收縮率小，經(jīng)過上百次的高溫蒸煮實(shí)驗(yàn)不會(huì)出現(xiàn)表面霧化現(xiàn)象[15]，可以滿足在掃描物鏡設(shè)計(jì)中更嚴(yán)格的鏡片表面質(zhì)量要求，且該材料在紫外、可見和太赫茲波段都是透明的，透過率超過80%[14]，這意味著可以通過He-Ne激光器來進(jìn)行裝配的準(zhǔn)直矯正，降低裝配難度。TPX在整個(gè)透明窗口的折射率分布如表2所示。

表2 TPX的折射率分布

表3 TPX的Schott型參數(shù)

為保證良好的透過率和較低的裝調(diào)難度，通過比較目前成熟的幾種太赫茲透射材料的特性，選擇TPX材料作為本文的太赫茲折射光學(xué)系統(tǒng)鏡片材料較為合適。根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，通過光學(xué)材料中常用的Schott函數(shù)，即式（1），可以建立TPX材料在THz波段的ZEMAX光學(xué)玻璃庫。

其中，為材料折射率，為波長，A（i=0,1,2,3,4,5）為Schott函數(shù)的參數(shù)。將表2數(shù)據(jù)輸入到新建玻璃庫，并選擇Schott型函數(shù)進(jìn)行擬合，得到對(duì)應(yīng)的Schott型參數(shù)，如表3所示。最后在玻璃庫中添加TPX太赫茲光學(xué)材料。

通過MATLAB仿真該Schott函數(shù)并和離散折射率分布點(diǎn)對(duì)比，得到的關(guān)系如圖3所示，證明在ZEMAX玻璃庫中所添加的TPX材料的模型與實(shí)際情況基本符合。

為確認(rèn)TPX太赫茲材料已經(jīng)在ZEMAX玻璃庫中正確地建立，并驗(yàn)證ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件在太赫茲波段進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)仍然有效，本文首先設(shè)計(jì)了一種太赫茲掃描物鏡照明光路，并對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。為提高照明光路在探測面的照明效果，應(yīng)盡可能地保證光線在探測面聚焦。為避免較大的像差導(dǎo)致光線在探測面彌散，設(shè)計(jì)初始結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮調(diào)整光闌在鏡組中的相對(duì)位置，使用對(duì)稱結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)。由于太赫茲波長相對(duì)于可見光、紅外線的波長長，衍射極限低，設(shè)計(jì)優(yōu)化較為簡單，所以在初始結(jié)構(gòu)中選擇最簡單的雙鏡片組掃描物鏡結(jié)構(gòu)。經(jīng)過優(yōu)化，由ZEMAX生成多幅分析圖，如圖4所示。

圖3 TPX的折射率分布

圖4 太赫茲掃描物鏡照明光路多幅分析圖

由圖4可以看出，ZEMAX光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）、光程差函數(shù)（OPD）、場曲畸變曲線（FCD）、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）和幾何能量包圍（GEE）等各像質(zhì)評(píng)價(jià)函數(shù)都可以正常表示，且ZEMAX軟件的各優(yōu)化函數(shù)在太赫茲波段也可以正常進(jìn)行操作數(shù)運(yùn)算。通過上述設(shè)計(jì)過程可以確定，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件可以用于太赫茲波段的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，且已將太赫茲掃描物鏡照明光路優(yōu)化到衍射極限。

基于太赫茲照明光路的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，作進(jìn)一步的探測光學(xué)系統(tǒng)整體光路的設(shè)計(jì)?？紤]到由簡單的單透鏡構(gòu)成的用于傅里葉變換的4f光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)，通過對(duì)其進(jìn)行改動(dòng)和優(yōu)化，可以快速獲得適用于太赫茲光譜探測的光學(xué)系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 太赫茲探測光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)

圖5中第6表面為探測面，第1表面和最后表面分別是THz源和探測接收面。在上述光路中，加入反射鏡折疊光路，并調(diào)整和優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到小型化太赫茲反射光譜探測光學(xué)系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 小型化太赫茲反射光譜探測光學(xué)系統(tǒng)多幅分析圖

其中第12表面（即中間的反射面）為目標(biāo)探測表面。由于采用的序列模式SM（Sequential Mode）設(shè)計(jì)，在對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行空間布局時(shí)，各元件的位置坐標(biāo)和偏轉(zhuǎn)坐標(biāo)的定義是沿主光線方向，各元件依次以光線傳播的方向的前一元件為參考標(biāo)準(zhǔn)定義。在本設(shè)計(jì)中，光學(xué)元件的三維空間布局較為復(fù)雜。首先對(duì)光路進(jìn)行了簡化，取消了圖6右上分圖所示的最右側(cè)兩個(gè)反射鏡向下垂直反射的偏轉(zhuǎn)變換。在簡化后，對(duì)光路進(jìn)行優(yōu)化，并由衍射能量集中度曲線作評(píng)價(jià)，如圖6右下分圖所示。該評(píng)價(jià)曲線顯示了像面（即探測器接收面）上太赫茲能量分布的情況，其橫坐標(biāo)表示以像面主光線為中心的圓半徑，縱坐標(biāo)表示對(duì)應(yīng)半徑的圓所圍面積內(nèi)的能量占總能量的比例。由評(píng)價(jià)圖可以看出，在半徑1mm時(shí)，全視場角2=25°范圍內(nèi)的光線能量聚焦已經(jīng)接近90%，而在半徑3mm后，能量集中度曲線基本已經(jīng)趨平，能量集中度達(dá)到97%，基本達(dá)到衍射極限，且能量集中區(qū)域可以被探測器接收面完全覆蓋，滿足設(shè)計(jì)要求。

考慮到序列模式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)光路并不能模擬實(shí)際的光線追跡情況[16]，本文將上述設(shè)計(jì)的系統(tǒng)用ZEMAX的非序列模式NSM（Non-Sequential Mode）重新進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，所得結(jié)果如圖7所示。圖中黑色正方形表面為用于仿真的跟蹤分析光線探測器虛擬面，在實(shí)際光路中并不存在。

圖7 探測光學(xué)系統(tǒng)在ZEMAX非序列模式下的仿真

應(yīng)用NSM，不僅加入了在序列模式下邏輯錯(cuò)誤（在序列模式中不允許光線多次透射同一元件）的探測系統(tǒng)THz窗口（如圖7右分圖所示，綠色反射鏡和目標(biāo)探測面之間的薄光學(xué)平板THz窗口），而且將序列模式下難以定義坐標(biāo)位置和偏轉(zhuǎn)角度的太赫茲反射鏡按照實(shí)際情況對(duì)其坐標(biāo)進(jìn)行了定義。在序列模式下，只能進(jìn)行子午面和弧矢面兩個(gè)方向的光線追跡，而在非序列模式中，只要定義光源XY方向的視場角和半寬度大小，即可追跡光源發(fā)出的光線在沿主光線各個(gè)平面上不同視場角的情況，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)的光線追跡。

為了將系統(tǒng)光路情況清晰地表述，相比SM只需幾十條布局光線，NSM所需要的布局光線數(shù)要多很多?？紤]到仿真計(jì)算量，本文在光源的布局光線（layout rays）數(shù)上設(shè)定為1000，同時(shí)為保證光線追跡仿真的有效性，跟蹤分析光線（analysis rays）數(shù)量通常很大，本文設(shè)定其為500萬。仿真的THz源能量為0.02W，其他輸入條件同上文所述。本文的跟蹤分析光線探測器虛擬面像素分布為XY方向上的200×200。經(jīng)光線追跡仿真運(yùn)算，獲得了本文設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)三個(gè)關(guān)鍵位置和最終探測器光敏面處的光線追跡分布及能量分布，如圖8所示。

由圖8可明顯地看出，THz源發(fā)出的發(fā)散非均勻太赫茲波，在經(jīng)過太赫茲照明物鏡光路部分后，得到能量均勻分布的準(zhǔn)直太赫茲波，如圖8右上分圖所示。均勻太赫茲波經(jīng)折轉(zhuǎn)光路和探測面反射后進(jìn)入縮束光路中，可以看出太赫茲波的均勻性變差，并產(chǎn)生太赫茲波像差，如圖8左下分圖所示。而經(jīng)過縮束光學(xué)系統(tǒng)后，在探測器光敏面上，可以看出太赫茲波形基本校正，并較為均勻地匯聚到探測器光敏面半徑內(nèi)，如圖8右下分圖所示。根據(jù)仿真結(jié)果，基本確定本文設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)滿足探測指標(biāo)要求。

圖8 分析光線探測器獲得的太赫茲輻射分布

考慮到本文設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)的特殊性，該光學(xué)結(jié)構(gòu)擬采用3D打印一體成型技術(shù)，而3D打印的精度相比于傳統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)件精密機(jī)加的加工精度低。為研究本光學(xué)系統(tǒng)對(duì)加工誤差的耐受性，本文采用多重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，進(jìn)一步對(duì)光學(xué)系統(tǒng)做工裝精度耐受性分析。

將上文所述光學(xué)系統(tǒng)定義為初始結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，考慮到3D打印的加工精度為0.05mm~0.1mm，通過多重結(jié)構(gòu)編輯，將各光學(xué)元件間的距離和反射鏡偏轉(zhuǎn)角度提取為多重結(jié)構(gòu)變化參數(shù)，并將±0.1和0三個(gè)數(shù)值定義為結(jié)構(gòu)參數(shù)變量取值范圍，得到多個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)比各系統(tǒng)的仿真結(jié)果，所得結(jié)果基本與圖8一致，證明本文設(shè)計(jì)的太赫茲探測光學(xué)系統(tǒng)可以用于3D打印的結(jié)構(gòu)工裝。

4 太赫茲折射光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上文設(shè)計(jì)的探測頭光學(xué)系統(tǒng)，考慮探測頭整體重量指標(biāo)要求，本文決定在結(jié)構(gòu)材料上選擇樹脂等低密度的復(fù)合材料，通過3D打印一體成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)。首先提出手持式探測頭結(jié)構(gòu)的組裝概念：探測頭光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以采用高加工精度、低熱收縮性的光敏樹脂一體成型；探測頭外殼采用高強(qiáng)度、耐腐蝕、抗氧化的尼龍材料一體成型；并考慮氣密性設(shè)計(jì)[17]。根據(jù)上述組裝概念，探測頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及解決方法如下所述：

① 針對(duì)探測頭工作中可能影響探測頭封閉性的可移動(dòng)部件，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

② 探測頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以采取多重密封的方式。在探測頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了光學(xué)元件的安裝方便，難以做到儀器整體的全密封?？梢愿鶕?jù)需要設(shè)計(jì)兩個(gè)分離的一體化密封外殼，通過密封對(duì)接設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)良好氣密性。同時(shí)，除必要的走線孔和光學(xué)窗口外避免其他開孔。

③ 在探測頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，難以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到密封效果的地方可以采取其他密封技術(shù)。如通過向縫隙填充硅膠密封條，以消除接觸面間可能存在的縫隙。在光纖和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)線連接處，可以用橡膠等常用的密封材料作整體包覆。同時(shí)，在探測頭的必要位置可放置干燥劑，保證探測頭內(nèi)部光路處于干燥中，進(jìn)一步降低水汽對(duì)系統(tǒng)的影響。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了一種簡單、易于構(gòu)建且低成本的手持式探測頭，并制造了原型機(jī)，用于系統(tǒng)測試。如圖9所示，本文研究設(shè)計(jì)的一種手持式探測頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使用很少的部件構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了上述設(shè)計(jì)原則所述的功能，使其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高以及成本低。

圖9 一種手持式探測頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

各部件可以安裝組成一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的手持式探測頭，圖9(a)、圖9(b)展示了探測頭光學(xué)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)和外觀，通過在探測器工裝下設(shè)計(jì)干燥劑儲(chǔ)盒，實(shí)現(xiàn)探測頭內(nèi)部干燥及緊湊的空間布局。將光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一體，并在結(jié)構(gòu)的邊緣設(shè)計(jì)了密封槽和實(shí)現(xiàn)盲螺紋孔的梁，不僅保證了探測頭氣密性，還通過底板梁，增強(qiáng)了探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。圖9(c)、圖9(d)展示了探測頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的外觀和細(xì)節(jié)。將系統(tǒng)外殼設(shè)計(jì)為兩部分，降低系統(tǒng)的安裝難度，并減少不必要的間隙實(shí)現(xiàn)了良好密封；探測頭把手部分設(shè)計(jì)了防脫密封結(jié)構(gòu)，使探測頭和計(jì)算機(jī)等有線連接時(shí)，可以通過密封膠套實(shí)現(xiàn)氣密，避免數(shù)據(jù)線等走線開孔破壞探測系統(tǒng)的干燥氣密性；同時(shí)在探測頭外殼的頂部保留有足夠的空間，為設(shè)計(jì)可視屏幕提供可能。

5 結(jié)束語

本文論證了一種手持式太赫茲探測系統(tǒng)在人體安檢和室內(nèi)爆炸物危險(xiǎn)品探測方面應(yīng)用的可行性。探測系統(tǒng)結(jié)合了太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)在快速精準(zhǔn)識(shí)別物質(zhì)指紋譜、反射太赫茲光譜探測極性液體等透射光譜無法探測的物質(zhì)、以及反射太赫茲時(shí)域系統(tǒng)可以小型化這幾方面的技術(shù)優(yōu)勢。通過在系統(tǒng)窗口位置加持保護(hù)罩結(jié)構(gòu)，使其在探測時(shí)保證探測器窗口和探測表面位置相對(duì)固定，提高了探測器信噪比和探測精度。通過調(diào)整太赫茲源發(fā)射的工作頻段和能量，太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)也可以很方便地應(yīng)用于其他領(lǐng)域，比如文物的無損探測鑒別與保護(hù)、汽修的涂層質(zhì)量探測等。

[1] 張興寧, 陳稷, 周澤魁. 太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2005, 42(7): 35–38. ZHANG Xingning, CHEN Ji, ZHOU Zekui. THz time-domain spectroscopy technology[J]. Laser& Optoelectronics Progress, 2005, 42(7): 35–38.

[2] TRIBE W R, NEWNHAM D A, TADAY P F, et al. Hidden object detection: security applications of terahertz technology[J]. Proc. SPIE, 2004, 5354: 168–176.

[3] 韓元, 周燕, 阿布來提, 等. 太赫茲技術(shù)在安全領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代科學(xué)儀器, 2006, 2: 45–47. HAN Yuan, ZHOU Yan, ABLET, et al. Application of terahertz technology in security field[J]. Modern Scientific Instruments, 2006, 2: 45–47.

[4] 任榮東, 王新柯, 趙國忠, 等. 建筑材料的太赫茲譜實(shí)驗(yàn)研究[J]. 量子電子學(xué)報(bào), 2006, 23(4): 555–559. REN Rongdong, WANG Xinke, ZHAO Guozhong, et al. Experimental research on terahertz spectrum of architectural materials[J]. Chinese Journal of Quantum Electronics, 2006, 23(4): 555–559.

[5] KEMP M C, CLUFF J A, TRIBE W R. Security applications of terahertz technology[J]. Proc Spie, 2003, 50–70.

[6] 卜凡亮, 行鴻彥. 太赫茲光譜技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 電子測量與儀器學(xué)報(bào), 2009, 23(4): 1–6. BU Fanliang, XING Hongyan. Progress of terahertz spectroscopy[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrument, 2009, 23(4): 1–6.

[7] 江舸, 楊陳, 周曉青, 等. 雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)在太赫茲成像中的應(yīng)用[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2013, 25(6): 1555–1560. JIANG Ge, YANG Chen, ZHOU Xiaoqing, et al. Application of radar signal processing in terahertz imaging[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2013, 25(6): 1555–1560.

[8] DUBREUILL D, BAUDRAND J, ABERGEL A, et al. Optical design for the 5~28μm NGST infrared damager of MIRI[C]. Proc of SPIE, 2003, 4850: 564–573.

[9] PAMELA S D, MATTHEW R B, BRENT J B, et al. Focus determination for the James Webb Telescope Instruments: A survey of methods[C]. Proc of SPIE, 2003: 626512.

[10] 魏佳賓，鄧琥. 基于LabVIEW的太赫茲掃描成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào), 2018, 16(1): 21–26. WEI Jiabin, DENG Hu. Design of terahertz time-domain spectroscopy scanning imaging system based on LabVIEW[J]. Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology, 2018, 16(1): 21–26.

[11] 葉金晶, 周健, 孫謙晨, 等. 主動(dòng)毫米波成像隱私保護(hù)算法[J]. 紅外與毫米波學(xué)報(bào), 2017, 36(4): 505–512. YE Jinjing, ZHOU Jian, SUN Qianchen, et al. A privacy protection algorithm for active millimeter-wave imaging[J]. Infrared Millim Waves, 2017, 36(4): 505–512.

[12] CLERY D. Brainstorming their way to an imaging revolution[J]. Science, 2002, 297: 761–763.

[13] 李曉彤, 岑兆豐. 幾何光學(xué)·像差·光學(xué)設(shè)計(jì)[M]. 杭州: 浙江大學(xué)出版社, 2014.

[14] ZHANG X C, XU J, STEVEN D J, et al. THz material –Datasheet[R]. Highlight Optics: TYDEX, 2011.

[15] 三井化學(xué). TPXTM(Polymethyl Pentene)聚甲基戊烯產(chǎn)品目錄[EB/OL]. https://mccn.mitsuichemicals.cn/service/ mobility/polymers/tpx/index.htm.

[16] 林曉陽. ZEMAX超級(jí)學(xué)習(xí)手冊[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2014.

[17] DEMIAN D, DUMA VF, SINESCU C, et al. Design and testing of prototype handheld scanning probes for optical coherence tomography[J]. Engineering in Medicine, 2014, 228(8): 743–753.

An optical and structural design of a hand-held Terahertz detection system based on ZEMAX and ProE

CAO Enda, YU Yong, SONG Changbo, ZHAO Yiming

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

People need efficient, convenient and safe security inspection technology urgently, as the contradiction between modern security inspection technology and health privacy issues becomes more prominent. This article first introduces the principle of terahertz non-imaging spectral detection technology, proposes the technical indicators of the terahertz spectral detection system suitable for security applications, and then designs an optical system based on ZEMAX that matches the technical indicators, and uses non-sequential mode to simulate and Evaluation, finally based on ProE, completed the design of the compact detection system structure with the optical system, and realized the handheld application of the detection system.

Terahertz; Spectrum detection; Hand-held; Optical design; Configuration design

O439; TH74

A

CN11-1780(2020)02-0001-09

航天預(yù)研項(xiàng)目（KY-06721）

2019-11-08

Email:ycyk704@163.com

TEL:010-68382327 010-68382557

曹恩達(dá) 1994年生，在讀碩士，主要研究方向?yàn)樘掌潟r(shí)域光譜探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

于 勇 1971年生，博士，研究員，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)總體技術(shù)、雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)。

宋長波 1979年生，博士，研究員，主要研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)技術(shù)與激光大氣遙感。

趙一鳴 1983年生，博士，研究員，主要研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)遙感。