3D打印超宽带无色差超分辨广角太赫兹成像透镜

来源：摩方精密

鉴于太赫兹信号的高穿透性和非电离特性，其在生物医学成像，生物传感，无损检测等领域具备广阔的应用前景，如早期癌症组织的识别和观测，特定化学成分的鉴定，复合材料中微裂纹和空气泡的检测，已有众多学者和企业投身于相关领域的研发工作中。但是太赫兹成像系统长期以来受制于传统介质透镜的强色差，强球差和低分辨率等问题，导致成像质量与实际应用需求之间仍有较大差距。尤其是对于0.3 THz以上的成像系统，急需研发出超分辨率成像系统的解决方案。

基于上述需求，香港城市大学太赫兹与毫米波国家重点实验室成功研制了超宽带无色差超分辨广角太赫兹成像透镜，并在生物成像和无损检测方面做出了应用示范。相关成果以“3D-printed aberration-free terahertz metalens for ultra-broadband achromatic super-resolution wide-angle imaging with high numerical aperture”发表在《Nature Communications》。该研究创造性地提出并设计了径向梯度周期性超材料，以实现超高工作带宽下的超分辨率成像，并同时消除色差与彗差。

该太赫兹超透镜是由复杂且精密的径向梯度周期性超材料结构构成，该结构是通过摩方精密microArch® S230 (精度:2 μm) 高精密3D 打印系统制备完成。

图1. 3D打印的超宽带超分辨无色差广角太赫兹成像透镜。

在太赫兹超透镜的基础上，将二个太赫兹超透镜沿着焦点对称放置，构造全新的太赫兹超分辨成像系统，该系统可在单个太赫兹超透镜聚焦精度的基础上可将分辨率提升1.5倍，进一步增强了该系统对亚毫米组织细节的分辨能力。图1中展示了该太赫兹超透镜的消色差、消彗差特性，并对其在无损检测和生物成像中的应用做了艺术展示。

图2. 3D打印太赫兹超透镜无色差无彗差超分辨聚焦特性的实验验证。

为测量0.2THz~0.9THz范围内的电场分布，研究团队采用Anritsu MG3697C信号发生器产生射频输入信号，依次送入信号发生器扩展器（SGX）模块VDI WR5.1、3.4、2.2、9.0、1.0，通过相应的喇叭产生覆盖0.2~0.9 THz范围的线性极化THz信号。由一个VDI WR9.0 SGX和两个乘法器（WR4.3×2和WR1.5×3）组成的乘法器链产生0.5~0.75 THz范围内的信号。相关接收组件依次为信号分析仪扩展器（SAX）模块VDI WR5.1、3.4、2.2、1.5、1.0，方便通过相应的探头检测THz信号。这些接收组件被固定在一个二维电动平台上，由计算机控制的步进电机移动，步进电机的移动步长为 0.1 mm。通过使用信号分析仪 KEYSIGHT N9030A 处理和记录接收到的 THz 信号，可以获得二维电场分布。对于离轴聚焦的测量，SGX 模块 VDI WR9.0 和两个倍增器（WR4.3×2 和 WR1.5×3）被安装在转盘上，精确地定位在所制作的超透镜的中心。这种布置便于调整 SGX 模块产生的 THz 波的入射角，范围从 0° 到 90°。因此，可以通过该装置测量离轴聚焦。

图3. 3D打印太赫兹超透镜超分辨成像的实验验证。

图 3a 中展示的成像系统原理如下：从对角喇叭天发射 y 极化 THz 波，入射到超透镜 1（M1）上，以在样品上形成焦点。随后，超透镜 2（M2）负责准直 M1 产生的聚焦光束。最终，THz 信号由接收（Rx）喇叭天线收集，如图 3a 所示。与单超透镜配置相比，这种双超透镜设置可显著提高成像分辨率。工作频率设置为 0.7 THz，以在 FWHM 和效率之间取得微妙的平衡。成像样品位于 M1 和 M2 的共焦平面上，并安装在计算机控制的电动台上，以便于 2D光栅扫描。随后对收集到的 2D 功率数据进行后处理以生成成像场景映射。在评估成像性能之前，必须进行校准程序，该程序需要在没有超透镜和安装样品的情况下评估总损耗。该评估包括路径损耗（从 Tx 到 Rx）和 VDI 设备引入的转换损耗 。该校准程序用于对样品的测量数据进行反卷积，从而抵消测量不准确性并增强成像对比度。

为了展示广角成像性能，该系统在 xz 平面上采用了一个 360° 旋转台，对称安装的 Tx 和 Rx 可实现任意角度 (θ) 入射，确保离轴成像的灵活性。超透镜精确定位在中央，以确保任意入射角的全面照明和准直。此外，两个透镜 (dx 和 dz) 之间的位移根据图 2e 中评估的焦距偏移进行精心调整，保证相应入射角的最佳聚焦。

在成像实验中，分别对隐藏在介质板下的精密电路结构、带缺陷的光栅结构以及新鲜树叶进行了超分辨成像。可精确识别出光栅结构中0.1 mm量级的缺陷，电路中间距为0.2 mm的微带线路，介质板内部的纺织状条纹，树叶中的组织纹理。

图4. 入射角度为 θ = 15°、30°、45°的成像性能比较。

总结：在本项研究中研发的超宽带无色差超分辨广角太赫兹成像透镜，首次在0.2到0.9THz的超宽带范围内，实现了数值孔径0.555的无色差超分辨聚焦，90度的大视场角，并能对间距0.2mm的目标实现高分辨的识别。该项成果极大的推进了太赫兹成像技术的发展，突破了消色差透镜系统复杂，分辨率低，大数值孔径与大工作带宽不可兼容，消色差与消彗差不可兼容等技术难题。为新一代紧凑可集成的太赫兹成像系统的研发提供了全新的技术路径。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55624-w