3Dプリントされた超広帯域アクロマティック超解像度広角テラヘルツイメージングレンズ

出典: MF Precision

テラヘルツ信号は、高い浸透性と非イオン化特性を備えているため、早期癌組織の識別と観察、特定の化学成分の識別、複合材料の微小亀裂や気泡の検出など、バイオメディカルイメージング、バイオセンシング、非破壊検査などの分野で幅広い応用が期待されています。多くの学者や企業が関連分野の研究開発に取り組んでいます。しかし、テラヘルツイメージングシステムは、従来の誘電体レンズの強い色収差、強い球面収差、および低い解像度によって長い間制約されており、その結果、イメージング品質と実際のアプリケーション要件の間に大きなギャップが生じています。特に 0.3 THz を超えるイメージングシステムでは、超解像イメージングシステム用のソリューションの開発が急務となっています。

上記のニーズに基づき、香港城市大学テラヘルツ・ミリ波国家重点研究室は、超広帯域、色収差のない、超解像度の広角テラヘルツイメージングレンズの開発に成功し、生物学的イメージングおよび非破壊検査への応用を実証しました。関連する結果は、「高開口数による超広帯域無色超解像広角イメージングのための3Dプリント収差フリーテラヘルツメタレンズ」というタイトルでNature Communicationsに掲載されました。この研究では、超高動作帯域幅での超解像イメージングを実現し、同時に色収差とコマ収差を排除するために、放射状勾配周期メタマテリアルを創造的に提案し、設計しました。
テラヘルツスーパーレンズは、MMF microArch® S230 (精度: 2 μm) 高精度 3D 印刷システムによって作成された、複雑で精密な放射状勾配周期メタマテリアル構造で構成されています。

図 1. 3D プリントされた超広帯域超解像アクロマート広角テラヘルツイメージングレンズ。
テラヘルツスーパーレンズをベースに、2 つのテラヘルツスーパーレンズを焦点に沿って対称に配置し、新しいテラヘルツ超解像イメージングシステムを構築します。このシステムは、単一のテラヘルツスーパーレンズの焦点精度に基づいて解像度を 1.5 倍に高めることができ、サブミリメートルの組織の詳細を解像するシステムの能力をさらに強化します。図 1 は、テラヘルツメタレンズの色消し特性とコマのない特性を示しており、非破壊検査やバイオイメージングへの応用を芸術的に示しています。

図 2. 3D プリントされたテラヘルツメタレンズの色収差およびコマ収差のない超解像フォーカス特性の実験的検証。
研究チームは、0.2THz～0.9THzの範囲の電界分布を測定するために、アンリツMG3697C信号発生器を使用してRF入力信号を生成し、これを信号発生器エクスパンダー（SGX）モジュールVDI WR5.1、3.4、2.2、9.0、1.0に順番に送信し、0.2～0.9THzの範囲をカバーする直線偏波THz信号が対応するスピーカーから生成されました。 VDI WR9.0 SGX と 2 つの乗算器 (WR4.3×2 と WR1.5×3) で構成される乗算器チェーンは、0.5～0.75 THz の範囲の信号を生成します。関連する受信コンポーネントは、信号アナライザーエクスパンダー (SAX) モジュール VDI WR5.1、3.4、2.2、1.5、および 1.0 であり、対応するプローブを介した THz 信号の検出を容易にします。これらの受信コンポーネントは 2D 電動ステージに固定され、ステップサイズ 0.1 mm のコンピューター制御ステッピングモーターによって移動されます。受信したTHz信号を信号アナライザKEYSIGHT N9030Aで処理・記録することで、2次元電界分布を得ることができます。オフ軸フォーカスの測定のために、SGXモジュールVDI WR9.0と2つのマルチプライヤ（WR4.3×2とWR1.5×3）をターンテーブルに取り付け、製造されたメタレンズの中心に正確に配置しました。この配置により、SGX モジュールによって生成された THz 波の入射角を 0° から 90° の範囲で調整することが容易になります。したがって、この装置によってオフ軸フォーカスを測定することができます。

図3. 3Dプリントされたテラヘルツスーパーレンズの超解像イメージングの実験的検証。
図 3a に示すイメージングシステムの原理は次のとおりです。y 偏光 THz 波が対角ホーンから放射され、スーパーレンズ 1 (M1) に入射してサンプル上に焦点を形成します。その後、メタレンズ 2 (M2) は、M1 によって生成された集束ビームをコリメートする役割を果たします。最後に、図 3a に示すように、THz 信号は受信 (Rx) ホーンアンテナによって収集されます。このデュアルスーパーレンズセットアップでは、単一のスーパーレンズ構成と比較して、イメージング解像度を大幅に向上させることができます。 FWHM と効率の微妙なバランスを実現するために、動作周波数は 0.7 THz に設定されています。イメージングサンプルは、M1 と M2 の共焦点面に配置され、2D ラスタースキャンを容易にするためにコンピューター制御の電動ステージに取り付けられました。収集された 2D 電力データは後処理され、イメージングシーンマップが生成されます。イメージング性能を評価する前に、メタレンズなしおよびサンプルを取り付けた状態での総損失の評価を必要とするキャリブレーション手順を実行する必要があります。この評価には、パス損失（Tx から Rx へ）と VDI 機器によって導入される変換損失が含まれます。このキャリブレーション手順は、サンプルの測定データをデコンボリューションするために使用され、測定の不正確さを相殺し、画像のコントラストを高めます。

広角イメージング性能を実証するために、システムは xz 平面で 360° 回転ステージを使用し、対称的にマウントされた Tx と Rx により任意の入射角 (θ) を可能にし、オフ軸イメージングの柔軟性を確保します。メタレンズは中央に正確に配置されており、あらゆる入射角で包括的な照明とコリメーションを保証します。さらに、2 つのレンズ間の変位 (dx と dz) は、図 2e で評価された焦点距離のシフトに応じて慎重に調整され、対応する入射角に対して最適な焦点が確保されます。

イメージング実験では、誘電体板の下に隠れた精密回路構造、欠陥のある格子構造、新鮮な葉の超解像イメージングを実施しました。格子構造の 0.1 mm オーダーの欠陥、回路内の 0.2 mm 間隔のマイクロストリップ線路、誘電体プレート内の織物のような縞模様、葉の組織テクスチャを正確に識別できます。

図4. 入射角θ = 15°、30°、45°での結像性能の比較。
概要：本研究で開発した超広帯域アクロマティック超解像広角テラヘルツイメージングレンズは、0.2～0.9 THzの超広帯域領域において、開口数0.555のアクロマティック超解像フォーカスを初めて実現し、90度の大視野を実現し、0.2 mm間隔の対象物の高解像度認識を実現できます。この成果はテラヘルツイメージング技術の発展を大きく促進し、色消しレンズシステムの複雑さ、解像度の低さ、大きな開口数と広い動作帯域幅の非互換性、色消しとコマ除去の非互換性などの技術的困難を打破しました。これは、新世代のコンパクトで統合されたテラヘルツイメージングシステムの研究開発に新たな技術的道筋を提供します。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55624-w

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