Design of optical components for terahertz/sub-terahertz imaging systems

Abstract. The possibility of using the lenses with an aspherical surface for terahertz/ sub-terahertz (THz/sub-THz) imaging systems has been considered. Diffraction-limited optical system of four identical plano-convex aspheric lenses has been obtained. Tests of the lenses have been performed on the specially made stand. These calculated and experimental data have similar values, which confirms the use of such lenses in the THz/ sub-THz imaging systems

Использование новейших технологий для создания асферических линз ТГц/суб-ТГц диапазона

В багатьох областях науки і техніки існує потреба в формуванні зображень терагерцового/субтерагерцового (ТГц/суб-ТГц) діапазонів спектру. Такі системи активно використовуються в навігації, біології, медицини, безпеки, а також для виявлення наркотичних та вибухових речовин. Одними з важливих компонентів ТГц/суб-ТГц техніки є оптичні елементи. На сьогодні запропоновано багато системи з використанням позаосьових дзеркал та лінз. Основною задачею залишається вибір матеріалу та технології виготовлення, з урахуванням оптимального співвідношення ціна-якість. Робота присвячена розрахункам, виготовленню та тестуванню асферичних лінз для ТГц/суб-ТГц діапазонів спектру зі застосуванням новітніх технологій їх виготовлення. Проведені дослідження якості розрахованих та виготовлених асферичних лінз із АВС пластику, за допомогою 3D друку, показали чітке відтворення форми сигналу та відповідність розмірів розрахункам функції розсіяння точки; зниження ціни виробу в декілька разів. Суттєвим недоліком таких лінз є зменшення сигналу випромінювання, що є головним при використанні приймачів з невеликою чутливістю. Для таких випадків запропоновано використання додаткових заходів по підвищенню коефіцієнта пропускання лінз. Отримані результати показали можливість використання менш затратної 3-D технології друку для створення оптики ТГц/суб-ТГц діапазонів.A lot of areas of science and technology needs in the imaging terahertz / subterahertz (THz / sub-THz) range of the spectrum. Such systems are widely used in navigation, biology, medicine, security, as well as to detect drugs and explosives. The optical elements are very important for this technique. A lot of systems with off-axis mirrors and lenses used today. The choice of material and manufacturing technology remains a major challenge, given the optimal price-performance ratio. The paper is devoted to calculations and fabrication of aspheric lenses for THz / sub-THz spectral ranges with the latest technology. ABC plastic lenses were designed manufactured using 3D printing. Studies have shown a clear reproduction of the calculated waveform matching sizes and the point spread function; reduction in price of the product several times. A significant disadvantage of lenses is made of the radiation attenuation of the signal due to transmission loss. For such cases, it was suggested the use of additional measures to improve the surface finish, through the use of 3D printers with a ball filled with plastic 20-50 microns, or additional surface polishing. The results showed the possibility of using less expensive 3-D printing technology to create THz/sub-THz optics range. Obtained lenses can be used in problems THz imaging/sub-THz range, provided the increase of transmittance.В многих областях науки и техники существует потребность в формировании изображений терагерцового/субтерагерцового (ТГц/суб-ТГц) диапазонов спектра. Такие системы активно используются в навигации, биологии, медицине, безопасности, а также для выявления наркотических и взрывчатых веществ. Одними из важных компонентов ТГц/суб-ТГц техники являются оптические элементы. В настоящее время предложено много систем с использованием внеосевых зеркал и линз. Основной задачей остается выбор материала и технологии изготовления, с учетом оптимального соотношения цена-качество. Работа посвящена расчетам и изготовлению асферических линз для ТГц/суб-ТГц диапазонов спектра с применением новейших технологий их изготовления. Проведенные исследования качества рассчитанных и изготовленных асферических линз из АВС пластика, с помощью 3D печати, показали четкое воспроизведение формы сигнала и соответствие размеров расчетам функции рассеяния точки; снижение цены изделия в несколько раз. Существенным недостатком изготовленных линз является уменьшение сигнала излучения, за счет потери на пропускание. Для таких случаев предложено использование дополнительных мер по повышению чистоты поверхности, путем использования 3D принтеров с шаровым наполнением пластиком 20-50 мкм, или дополнительной полировкой поверхности. Полученные результаты показали возможность использования менее затратной 3-D технологии печати для создания оптики ТГц/суб-ТГц диапазонов

Designing and manufacturing aspherical polystyrene lenses for the terahertz region

We report on the development of lenses for terahertz vision systems from their design up to manufacturing. Fused deposition modeling was used for assisting the 3D printing manufacturing process. HIP (High Impact Polystyrene) used for printing has high transmittance in the terahertz region and low deformation in the manufacturing process. The comparative analysis of experimental parameters data and the designed ones showed good agreement for the aspherical lenses manufactured. Application of the lenses manufactured to get imaging of some objects at 140 GHz radiation with 32 elements linear detector array has been demonstrated

Ultimate and reality NEP detectors of millimeter and submillimeter wavelength band

Випромінювання в ТГц діапазоні (ν ≈ (0,1–10)ТГц)) використовується в багатьох галузях діяльності людини. Одним із важливих критеріїв оцінки ефективності роботи приймача випромінювання є потужність, еквівалентна шуму (NEP). В літературних джерелах освітлюються питання пов’язані із розрахунками граничних та реальних значень NEP приймачів міліметрового та субміліметрового діапазонів, але без врахування фактора групування фотонів для низькочастотного випромінювання та умови дифракції при введенні випромінювання мікроантеною, що і було зроблено в даній статті. Створення охолоджувальних надпровідникових болометрів на ефекті електронного розігріву (hot electron bolometer – HEB), а також давачів на краю переходу (TES – transition edge sensors) дозволило реєструвати потужність сигналів, які наближуються до їх граничних значень NEP = (10⁻¹⁷÷10⁻¹⁹) Вт/√Гц (для космічних задач, з роздільною здатністю R ≥ 1000). При врахуванні фактора групування фотонів NEP приймачів випромінювання міліметрового та субміліметрового діапазонів погіршується, особливо це впливає при розв’язанні задач, коли температура навколишнього середовища T ≈ 300K, тобто біля земної поверхні. Однією з важливих невирішених задач залишається створення неохолоджуваних приймачів для портативних систем бачення.The terahertz radiation (ν ≈ (0,1–10)ТГц)) are set to become important in diverse range of human activity applications. One of the important parameter of a detector is the limiting noise equivalent power (NEP). Many of literary sources give of review about ultimate and reality values of NEP detectors, but not effect of the photons bunching and diffraction of light on a microantenna. These factors in this article are considered. The generation of cooled hot electron bolometers and transition edge sensors (TES) are given an opportunity to obtain of signals near for ultimate NEP = (10⁻¹⁷÷10⁻¹⁹) Вт/√Гц (for cosmos, for a resolution spectrometer R ≥ 1000). NEP show bad results for an incident of the photons bunching, especially environment temperature T ≈ 300K. One of important task is created of uncooled detectors millimeter and submillimeter wavelength band for portable visual system.Излучение в ТГц области (ν ≈ (0,1–10)ТГц)) нашло применение во многих областях человеческой деятельности. Одним из главных критериев эффективности работы приемника излучения (ПИ) служит мощности, эквивалентной шуму (NEP). В литературе освещаются вопросы, связанные с граничными и реальными значениями NEP ПИ мм и суб-мм, но не учтено влияние фактора группировки фотонов и дифракции для случая ввода излучения в ПИ микроантенной, что и было сделано в данной статье. Создание охлаждаемых сверхпроводниковых болометров на эффекте электронного разогрева (hot electron bolometer – HEB), а также датчиков на краю перехода (TES – transition edge sensors) позволило регистрировать мощности сигналов, которые сопоставимы с их предельными значениями NEP = (10⁻¹⁷÷10⁻¹⁹) Вт/√Гц (для космических задач, с разрешением R ≥ 1000). При учете фактора группировки фотонов NEP приемника излучения миллиметровых и субмиллиметровых диапазонов ухудшается, особенно это ощутимо для решения задач вблизи поверхности земли (T ≈ 300K). Одной из нерешенных задач остается создание неохлаждаемых приемников для портативных систем видения

Ways of increasing the informativity of thermal imaging systems

На основі раніше розробленого тепловізора з 128-елементною інфрачервоною (ІЧ) фотодіодною лінійкою HgCdTe, розглянуто питання підвищення інформативності тепловізійних приладів за рахунок додавання додаткових спектральних діапазонів. Вбудований канал реєстрації видимого спектра випромінювання забезпечено роботою камери CCD STS-104/16. Показано зв’язок кількості чутливих елементів технічних систем бачення та інформаційної місткості. Обговорено вплив розмірів чутливої площини приймача на ймовірність розпізнавання об’єктів спостереження.Based on a previously developed the 128-element HgCdTe photodetector array is considered increasing the informativity of thermal devices by adding additional spectral bands. Built-channel registration of the visible-light spectrum is provided by the camera CCD STS-104/16. A connection number of sensitive elements and informative capacity are demonstrated. The influence of the size of sensitive areas of the receiver on the possibility of recognition of object under observation is discussed.На основе разработанного ранее тепловизора с 128-элементной ИК (инфракрасной) фотодиодной линейкой HgCdTe, рассмотрены вопросы повышение информативности тепловизионных приборов за счет добавления видимого канала, обеспеченного наличием CCD камеры STS-104/16