一种手持式太赫兹探测系统的光学及结构设计*

曹恩达，于 勇，宋长波，赵一鸣

一种手持式太赫兹探测系统的光学及结构设计*

曹恩达，于 勇，宋长波，赵一鸣

（北京遥测技术研究所 北京 100076）

随着现代安检技术与健康、隐私问题之间的矛盾愈加突出，人们迫切需要高效、便捷、安全的安检技术。首先介绍太赫兹非成像光谱探测技术的原理，提出适合于安检应用的太赫兹光谱探测系统技术指标，然后基于ZEMAX设计出配合该技术指标的光学系统，采用非序列模式对其进行仿真和评价，最后基于ProE设计完成了配合上述光学系统的紧凑型探测系统结构，实现了探测系统的手持式应用。

太赫兹；光谱探测；手持式；光学设计；结构设计

引 言

太赫兹THz（Terahertz，1THz=1000GHz）是波动频率单位之一。目前，普遍定义的太赫兹波频率范围在0.1THz~10THz之间，波长范围为0.03mm~3mm。太赫兹波是介于毫米波和远红外线之间的电磁辐射[1]，在太赫兹物质特征光谱研究领域中，被广泛研究的太赫兹频段集中于0.1THz~5THz范围内。由于大部分非极性材料不会明显地吸收太赫兹波，太赫兹波能够以很小的衰减穿透陶瓷、脂肪、布料及塑料等物质[2-5]，因此，太赫兹辐射对于这些常用的覆盖材料有非常强的穿透能力；同时，由于1THz电磁辐射的单光子能量只有4.1meV，远低于各种化学键的键能[6]，并非是有害的电离辐射，这使采用太赫兹在公共场所进行安全检查方面具有非常好的应用前景。目前，国内外已经研究出多种太赫兹成像系统，包括用于安检的太赫兹成像系统[7-10]。

在安检领域中，THz成像系统与X射线成像系统的安检原理类似，THz成像系统仅解决了X光机的电离辐射危害，并没有解决困扰毫米波和X射线安检技术应用的重大隐私问题（揭示了人体体貌特征[11]，如图1[12]所示），导致THz成像系统在安检领域的应用同样受到限制。同时，为了保证太赫兹成像质量，所采用的太赫兹光谱范围很窄，无法发挥太赫兹技术的频谱特征在物质成分鉴别上的应用优势。要解决上述问题的较好办法是，采取THz非成像光谱扫描的模式。由于不再需要THz成像，所采用的太赫兹光谱范围可以很大，足以覆盖物质特征指纹谱的范围。而且，也由于不再需要成像，系统对像差几乎没有要求，所使用的光学系统可以采用透镜构成的折射系统来代替目前广泛研究的反射太赫兹光学系统，而不用担心复杂的像差校正。这使得太赫兹光学系统可以发挥折射光学系统的优势，实现系统的小型化，以用于手持式太赫兹光谱探测。

图1 THz成像技术的隐私问题

1 太赫兹非成像光谱探测原理

太赫兹非成像光谱探测原理示于图2。利用光电导激发效应，使用InGaAs光电导半导体作为THz波发射和接收器的关键元件，而光学延迟线可以连续地改变激光的光程，产生相位延迟。具体过程如下：

将飞秒激光分束后，一束激光经熊猫型保偏光纤（在严酷环境条件下保证稳定和可靠性）后照射THz波发射器，通过光电导效应激发THz波。THz波照射探测目标，反射THz波携带物质特征信息被THz波接收器接收。利用光学延迟线连续调制另一束飞秒激光到达THz波接收器的时间，快速扫描重建THz波电场。通过计算机对THz波形做傅里叶变换等算法处理，获得探测目标的物质指纹光谱。

图2 太赫兹非成像光谱探测原理

2 太赫兹非成像光谱探测系统技术指标

考虑到在太赫兹物质特征光谱研究领域中，广泛研究的太赫兹频段集中于0.1THz~5THz范围，并根据系统要求的光谱范围（≥3THz），为保证足够的信噪比，设定探测系统的工作频段为0.1THz~4.5THz（波长0.067mm~3.000mm）。其他系统技术指标：动态范围≥60dB，光谱获取率≥20Hz。在此基础上，调研后找到合适的太赫兹时域光谱THz-TDS（Terahertz Time Domain Spectroscopy）系统Menlo Systems TERA15-FC，作为本文的THz源。

根据所选THz源，得到THz折射光学系统探测光路设计输入条件：波长范围0.1THz~4.5THz；THz源的发射发散角±12.5°（用戈莱盒测得）；THz源的发射面直径，即系统的入瞳直径10mm；THz波接收器接收面尺寸半径8mm。结合系统技术指标（探测线宽度≥15mm、目标距离≤10cm、手持探头重量≤1kg）对探测光路设计的限制要求，设计一种适用于太赫兹非成像光谱探测的折射光学系统。其技术指标总结如表1所示。

表1 探测系统技术指标

3 太赫兹折射光学系统设计

设计太赫兹折射光学系统相比设计传统波段的光学系统面临如下难点：透射光学材料少[6]、工作波长范围大、波长远大于可见光和红外波段。这些难点对太赫兹折射光学系统的设计提出严峻考验，特别是对太赫兹成像光学系统设计来说几乎不可能实现。而通过采用非成像的光谱探测方式，只收集太赫兹光谱能量，不仅解决了人体隐私问题，更避免了为获得足够高的调制传递函数MTF（Modulation Transfer Function）以保证成像质量而进行复杂像差优化时所面对的由于光学材料少、波长范围大而导致的优化不动的问题。

在现有ZEMAX光学设计软件的光学材料玻璃库中，材料的最大工作波长不超过11μm，距离太赫兹67μm的最小工作波长依然很远。使用现有光学玻璃库的材料及数据根本无法进行太赫兹折射光学系统设计，必须寻找合适的光学材料，建立专门的太赫兹光学材料玻璃库，才能进行太赫兹折射光学系统设计。按照光学系统的设计经验，用于光谱扫描探测的物镜，对材料质量和表面均匀性的要求比常规物镜更为严格[13]。

目前，太赫兹光学材料研究领域已经研究出较成熟的几种太赫兹透射材料，可分成晶体材料和有机聚合物材料两类。高阻硅（HRFZ-Si）是传统的太赫兹元件中最常用的太赫兹材料，它在太赫兹波段有很好的透过率。除去昂贵的人造钻石，高阻硅是晶体材料中最适合宽大波长范围的太赫兹材料[14]。而Tydex公司提供的HRFZ-Si材料能在1000μm波段中有50%~54%的透过率，该材料还可用于3000μm~8000μm波长的光。Z-cut的石英晶体是传输50 µm以上波长的光的极好材料。Z-cut的石英晶体窗口镜可以传输可见光，很容易用He-Ne激光器来调节准直。由于石英材料色散非常大，石英晶体材料的透镜将对可见光和远红外的光产生不同的焦距。如果需要对光学系统调节准直，那就必须考虑透镜的色散。

近年来，随着材料科学的发展，TPX、PE和PTFE等太赫兹有机材料被证明在200μm~1000µm之间透过率基本一致，可以达到80%~90%[14]，这有效地推动了太赫兹折射光学系统的发展。其中4-甲基戊烯聚合物（商品名TPX）是目前所有作为折射透镜材料的有机聚合物中密度最小的，这可以用于有效地实现探测头的轻量化；而且该材料也是目前高透明度树脂中唯一的结晶性聚合体，具有明显的熔点，注塑均匀性好，可以满足在扫描物镜设计中更严格的材料质量要求；同时，该材料耐高温、疏水、收缩率小，经过上百次的高温蒸煮实验不会出现表面雾化现象[15]，可以满足在扫描物镜设计中更严格的镜片表面质量要求，且该材料在紫外、可见和太赫兹波段都是透明的，透过率超过80%[14]，这意味着可以通过He-Ne激光器来进行装配的准直矫正，降低装配难度。TPX在整个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型参数

为保证良好的透过率和较低的装调难度，通过比较目前成熟的几种太赫兹透射材料的特性，选择TPX材料作为本文的太赫兹折射光学系统镜片材料较为合适。根据表3的数据，通过光学材料中常用的Schott函数，即式（1），可以建立TPX材料在THz波段的ZEMAX光学玻璃库。

其中，为材料折射率，为波长，A（i=0,1,2,3,4,5）为Schott函数的参数。将表2数据输入到新建玻璃库，并选择Schott型函数进行拟合，得到对应的Schott型参数，如表3所示。最后在玻璃库中添加TPX太赫兹光学材料。

通过MATLAB仿真该Schott函数并和离散折射率分布点对比，得到的关系如图3所示，证明在ZEMAX玻璃库中所添加的TPX材料的模型与实际情况基本符合。

为确认TPX太赫兹材料已经在ZEMAX玻璃库中正确地建立，并验证ZEMAX光学设计软件在太赫兹波段进行设计优化时仍然有效，本文首先设计了一种太赫兹扫描物镜照明光路，并对其进行设计优化。为提高照明光路在探测面的照明效果，应尽可能地保证光线在探测面聚焦。为避免较大的像差导致光线在探测面弥散，设计初始结构时，考虑调整光阑在镜组中的相对位置，使用对称结构的光学系统。由于太赫兹波长相对于可见光、红外线的波长长，衍射极限低，设计优化较为简单，所以在初始结构中选择最简单的双镜片组扫描物镜结构。经过优化，由ZEMAX生成多幅分析图，如图4所示。

图3 TPX的折射率分布

图4 太赫兹扫描物镜照明光路多幅分析图

由图4可以看出，ZEMAX光学系统设计软件的调制传递函数（MTF）、光程差函数（OPD）、场曲畸变曲线（FCD）、点扩散函数（PSF）和几何能量包围（GEE）等各像质评价函数都可以正常表示，且ZEMAX软件的各优化函数在太赫兹波段也可以正常进行操作数运算。通过上述设计过程可以确定，光学系统设计软件可以用于太赫兹波段的光学系统设计，且已将太赫兹扫描物镜照明光路优化到衍射极限。

基于太赫兹照明光路的设计优化方法，作进一步的探测光学系统整体光路的设计。考虑到由简单的单透镜构成的用于傅里叶变换的4f光学系统的特点，通过对其进行改动和优化，可以快速获得适用于太赫兹光谱探测的光学系统，如图5所示。

图5 太赫兹探测光学系统光学结构

图5中第6表面为探测面，第1表面和最后表面分别是THz源和探测接收面。在上述光路中，加入反射镜折叠光路，并调整和优化光学系统的结构参数，得到小型化太赫兹反射光谱探测光学系统，如图6所示。

图6 小型化太赫兹反射光谱探测光学系统多幅分析图

其中第12表面（即中间的反射面）为目标探测表面。由于采用的序列模式SM（Sequential Mode）设计，在对光学元件进行空间布局时，各元件的位置坐标和偏转坐标的定义是沿主光线方向，各元件依次以光线传播的方向的前一元件为参考标准定义。在本设计中，光学元件的三维空间布局较为复杂。首先对光路进行了简化，取消了图6右上分图所示的最右侧两个反射镜向下垂直反射的偏转变换。在简化后，对光路进行优化，并由衍射能量集中度曲线作评价，如图6右下分图所示。该评价曲线显示了像面（即探测器接收面）上太赫兹能量分布的情况，其横坐标表示以像面主光线为中心的圆半径，纵坐标表示对应半径的圆所围面积内的能量占总能量的比例。由评价图可以看出，在半径1mm时，全视场角2=25°范围内的光线能量聚焦已经接近90%，而在半径3mm后，能量集中度曲线基本已经趋平，能量集中度达到97%，基本达到衍射极限，且能量集中区域可以被探测器接收面完全覆盖，满足设计要求。

考虑到序列模式设计的系统光路并不能模拟实际的光线追迹情况[16]，本文将上述设计的系统用ZEMAX的非序列模式NSM（Non-Sequential Mode）重新进行了仿真和优化，所得结果如图7所示。图中黑色正方形表面为用于仿真的跟踪分析光线探测器虚拟面，在实际光路中并不存在。

图7 探测光学系统在ZEMAX非序列模式下的仿真

应用NSM，不仅加入了在序列模式下逻辑错误（在序列模式中不允许光线多次透射同一元件）的探测系统THz窗口（如图7右分图所示，绿色反射镜和目标探测面之间的薄光学平板THz窗口），而且将序列模式下难以定义坐标位置和偏转角度的太赫兹反射镜按照实际情况对其坐标进行了定义。在序列模式下，只能进行子午面和弧矢面两个方向的光线追迹，而在非序列模式中，只要定义光源XY方向的视场角和半宽度大小，即可追迹光源发出的光线在沿主光线各个平面上不同视场角的情况，实现了真实的光线追迹。

为了将系统光路情况清晰地表述，相比SM只需几十条布局光线，NSM所需要的布局光线数要多很多。考虑到仿真计算量，本文在光源的布局光线（layout rays）数上设定为1000，同时为保证光线追迹仿真的有效性，跟踪分析光线（analysis rays）数量通常很大，本文设定其为500万。仿真的THz源能量为0.02W，其他输入条件同上文所述。本文的跟踪分析光线探测器虚拟面像素分布为XY方向上的200×200。经光线追迹仿真运算，获得了本文设计的光学系统三个关键位置和最终探测器光敏面处的光线追迹分布及能量分布，如图8所示。

由图8可明显地看出，THz源发出的发散非均匀太赫兹波，在经过太赫兹照明物镜光路部分后，得到能量均匀分布的准直太赫兹波，如图8右上分图所示。均匀太赫兹波经折转光路和探测面反射后进入缩束光路中，可以看出太赫兹波的均匀性变差，并产生太赫兹波像差，如图8左下分图所示。而经过缩束光学系统后，在探测器光敏面上，可以看出太赫兹波形基本校正，并较为均匀地汇聚到探测器光敏面半径内，如图8右下分图所示。根据仿真结果，基本确定本文设计的光学系统满足探测指标要求。

图8 分析光线探测器获得的太赫兹辐射分布

考虑到本文设计的光学系统的特殊性，该光学结构拟采用3D打印一体成型技术，而3D打印的精度相比于传统光学结构件精密机加的加工精度低。为研究本光学系统对加工误差的耐受性，本文采用多重结构设计的方法，进一步对光学系统做工装精度耐受性分析。

将上文所述光学系统定义为初始结构系统，考虑到3D打印的加工精度为0.05mm~0.1mm，通过多重结构编辑，将各光学元件间的距离和反射镜偏转角度提取为多重结构变化参数，并将±0.1和0三个数值定义为结构参数变量取值范围，得到多个系统结构，并对比各系统的仿真结果，所得结果基本与图8一致，证明本文设计的太赫兹探测光学系统可以用于3D打印的结构工装。

4 太赫兹折射光学系统结构设计

根据上文设计的探测头光学系统，考虑探测头整体重量指标要求，本文决定在结构材料上选择树脂等低密度的复合材料，通过3D打印一体成型技术实现。首先提出手持式探测头结构的组装概念：探测头光学系统结构可以采用高加工精度、低热收缩性的光敏树脂一体成型；探测头外壳采用高强度、耐腐蚀、抗氧化的尼龙材料一体成型；并考虑气密性设计[17]。根据上述组装概念，探测头结构设计原则及解决方法如下所述：

① 针对探测头工作中可能影响探测头封闭性的可移动部件，进行合理的设计。

② 探测头结构设计可以采取多重密封的方式。在探测头的结构设计中，为了光学元件的安装方便，难以做到仪器整体的全密封。可以根据需要设计两个分离的一体化密封外壳，通过密封对接设计实现良好气密性。同时，除必要的走线孔和光学窗口外避免其他开孔。

③ 在探测头结构设计中，难以通过结构设计达到密封效果的地方可以采取其他密封技术。如通过向缝隙填充硅胶密封条，以消除接触面间可能存在的缝隙。在光纤和计算机数据线连接处，可以用橡胶等常用的密封材料作整体包覆。同时，在探测头的必要位置可放置干燥剂，保证探测头内部光路处于干燥中，进一步降低水汽对系统的影响。

根据上述设计原则，设计了一种简单、易于构建且低成本的手持式探测头，并制造了原型机，用于系统测试。如图9所示，本文研究设计的一种手持式探测头系统结构使用很少的部件构建，实现了上述设计原则所述的功能，使其结构简单、可靠性高以及成本低。

图9 一种手持式探测头系统结构

各部件可以安装组成一个特殊设计的手持式探测头，图9(a)、图9(b)展示了探测头光学结构的细节和外观，通过在探测器工装下设计干燥剂储盒，实现探测头内部干燥及紧凑的空间布局。将光学系统设计为一体，并在结构的边缘设计了密封槽和实现盲螺纹孔的梁，不仅保证了探测头气密性，还通过底板梁，增强了探测系统的结构强度。图9(c)、图9(d)展示了探测头系统结构的外观和细节。将系统外壳设计为两部分，降低系统的安装难度，并减少不必要的间隙实现了良好密封；探测头把手部分设计了防脱密封结构，使探测头和计算机等有线连接时，可以通过密封胶套实现气密，避免数据线等走线开孔破坏探测系统的干燥气密性；同时在探测头外壳的顶部保留有足够的空间，为设计可视屏幕提供可能。

5 结束语

本文论证了一种手持式太赫兹探测系统在人体安检和室内爆炸物危险品探测方面应用的可行性。探测系统结合了太赫兹时域光谱技术在快速精准识别物质指纹谱、反射太赫兹光谱探测极性液体等透射光谱无法探测的物质、以及反射太赫兹时域系统可以小型化这几方面的技术优势。通过在系统窗口位置加持保护罩结构，使其在探测时保证探测器窗口和探测表面位置相对固定，提高了探测器信噪比和探测精度。通过调整太赫兹源发射的工作频段和能量，太赫兹时域光谱系统也可以很方便地应用于其他领域，比如文物的无损探测鉴别与保护、汽修的涂层质量探测等。

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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

航天预研项目（KY-06721）

2019-11-08

Email:ycyk704@163.com

TEL:010-68382327 010-68382557

曹恩达 1994年生，在读硕士，主要研究方向为太赫兹时域光谱探测系统设计。

于 勇 1971年生，博士，研究员，主要研究方向为雷达总体技术、雷达信号处理技术。

宋长波 1979年生，博士，研究员，主要研究方向为激光雷达技术与激光大气遥感。

赵一鸣 1983年生，博士，研究员，主要研究方向为激光雷达遥感。