CN103499873B - 50～100 μm波段折射式双分离THz照相镜头 - Google Patents

Abstract

50～100μm波段折射式双分离THz照相镜头属于THz成像技术领域。现有THz照相镜头结构较为复杂、造价高，工作波段不适用于天文、军事等领域。本发明之THz照相镜头其特征在于，会聚凸凹正透镜、补偿凸凹正透镜、平行平板依次光学同轴，材料均为高阻硅；会聚凸凹正透镜的凸面为高次椭球面，且与光阑重合，会聚凸凹正透镜的凹面是标准球面；补偿凸凹正透镜的凸面及凹面均为标准球面，补偿凸凹正透镜的凸面与会聚凸凹正透镜的凹面相对且相离；补偿凸凹正透镜的凹面与平行平板相对且相离。由于仅有两个透镜，且均为折射透镜，所以结构简单、造价降低；工作波段延至50～100μm。

Description

50～100 μm波段折射式双分离THz照相镜头

技术领域

本发明涉及一种50～100μm波段折射式双分离THz照相镜头，属于THz（Terahertz，太赫兹）成像技术领域。

背景技术

THz指频率为0.1～10THz、波长为3～0.03mm的波段，位于该波段的电磁波也就是THz波介于红外光与毫米波之间。THz波具有以下特性，这使得THz技术具有许多独特用途：

1、THz波对很多介电材料和非极性液体有很好的穿透性，这使得THz波能够用来对已经包装的物品进行质量检测或者进行安全检查；

2、THz波比X射线能量低多个数量级，不会对生物组织造成电离损失，这使其在生物医学检查方面具有安全性；

3、THz波的频率很高且脉冲很短，其时间分辨率很高，这使得其在射电天文学领域具有极重要的作用，如THz波可以结合卫星通过太空成像实现太空探测；

4、THz波具有很强的地面辐射穿透能力，这使得其能够用于探测地下雷场分布，或者探测远程炸弹。

可见，THz波的应用遍及质检、安检、生物医学、天文及军事等领域。

THz成像技术是THz技术的重要组成部分。而THz照相镜头又是THz成像技术中的关键技术，其特性参数必须与THz光源、CCD探测器相匹配，其像质必须满足要求，这样才能够识别探测目标。有关THz照相镜头的现有技术有以下两种：

1、由刊载于《光学精密工程》（Vol.16,No.11)的一篇题为“谐衍射/折射THz多波段成像系统设计”的文献所公开的方案。该方案中的光学系统由谐衍射元件及非球面元件共计三片透镜分离构成。虽然该光学系统结构得到简化，如减少了透镜片数，但是，谐衍射元件的加工、检测均具有难度。另外，该成像系统工作波段由五个不连续的窄波带组成：15.8～16.2μm、18.5～20.0μm、23.0～25.0μm、30.5～33.5μm、46.0～50.0μm，因此，在15.8～50.0μm这样一个范围内存在信息丢失。

2、由长春理工大学硕士学位论文“15～38μmTHz波成像光学系统设计研究”公开的一项 方案。该方案所记载的THz光学系统由三片透镜组成，其中包括衍射元件，然而，这种非折射透镜的加工十分困难。透镜材料为溴化铊一碘化铊(KRS-5)晶体，导致透镜价格昂贵，不利于普及应用。

所述现有技术在成像光学系统的设计上没有考虑CCD探测器晶体保护片即平行平板的像差，而位于THz照相镜头会聚光路中的平行平板会使像质变差。

与15～38μm波段相比较，50～100μm波段的THz波具有更高的能量效率和时域频谱信噪比，非常适用于成像；50～100μm波段的THz波还能够探测更远的信息，具有更强的穿透沙尘、烟雾的能力，正是这些特点使得50～100μm波段的THz波更适用于天文、军事等领域，如在天文领域对天基目标的探测和识别。因此，相比之下所述现有技术具有这方面的不足。

高阻硅是一种在THz波段最透明的绝缘材料，折射率为4.16，易于加工，机械强度高，具有高质量绝缘表面。并且，相比于溴化铊一碘化铊(KRS-5)晶体，价格较低。

发明内容

为了简化THz照相镜头的结构，降低造价，拓宽工作波段，同时保证像质，我们发明了一种50～100μm波段折射式双分离THz照相镜头。

本发明之50～100μm波段折射式双分离THz照相镜头其特征在于，如图1所示，会聚凸凹正透镜1、补偿凸凹正透镜2、平行平板3依次光学同轴，材料均为高阻硅；会聚凸凹正透镜1的凸面为高次椭球面，且与光阑重合，会聚凸凹正透镜1的凹面是标准球面；补偿凸凹正透镜2的凸面及凹面均为标准球面，补偿凸凹正透镜2的凸面与会聚凸凹正透镜1的凹面相对且相离；补偿凸凹正透镜2的凹面与平行平板3相对且相离。

本发明之50～100μm波段折射式双分离THz照相镜头的目标探测过程如下，在THz光源照射下，来自被探测物体的散射THz波入射到本发明之THz照相镜头，先后经过会聚凸凹正透镜1、补偿凸凹正透镜2、平行平板3，被CCD探测器4接收，获得电子图像信号，如图1所示，该电子图像信号被输入到计算机5上，由计算机5进行数据处理，并在其显示器上实时显示出被探测物体的THz图像。

从所述本发明之方案能够看出，与现有技术相比，在本发明之THz照相镜头中，仅有两个透镜，这使得镜头结构变得简单；另外，两个透镜均属于折射透镜，并且，除了一个椭球面外，其他镜面均为球面，这使得镜头的造价大幅降低；镜头材料均为高阻硅，这使得镜头的成本进一步降低。本发明之THz照相镜头属于一种双分离透镜组，结合透镜特点，所形成 的光学系统具有大相对孔径和视场，尽管大相对孔径会引起球差、色差，大视场会引起慧差、像散，按照通常的设计，要校正这4种像差，至少需要三片透镜，但是，为了减请镜头重量、减小镜头体积、简化镜头结构、降低光能损失。会聚凸凹正透镜1的作用是会聚光束，满足THz照相镜头的焦距要求。会聚凸凹正透镜1的凸面为高次椭球面，能够有效减小THz照相镜头的高级球差，提高像质；其与光阑重合，能够较好的校正相对畸变和倍率色差，同时也能够有效地减小透镜的直径，进而减小镜头横向尺寸；减少一个透镜则能够降低光能损失。补偿凸凹正透镜2的作用是补偿会聚凸凹正透镜1产生的球差、慧差、像散等像差，即使视场大小不同，在焦距25～100mm范围内，光学系统的MTF（调制传递函数）曲线均接近理想光学系统的衍射受限MTF曲线，如图2、4、6和8所示，这使得该THz照相镜头的径向尺寸能够对应焦距在25～100mm范围内的变化而调整，使其能够兼顾大视场搜索和小视场瞄准跟踪，其DIST（相对畸变）小于0.5%，远小于目视光学系统DIST5%的要求，如图3、5、7和9所示；对应孔径缩放范围25.8～102.9mm。

可见，本发明之THz照相镜头由于整体结构和透镜特点，其光学系统具有波长、焦距的设计可变的特征，可根据需要，改变镜头工作波长、焦距的设计，如工作波长能够在20～100μm范围内确定，对应的焦距范围为25～100mm，对应的孔径范围为25.8～102.9mm，在所述各范围内，像质优良。

与现有技术相同的是，平行平板3的作用是保护CCD探测器的感光面，与现有技术不同的是，本发明还从光学上将平行平板3作为光学系统的一部分，这是因为在会聚光路中平行平板会产生除场曲以外的所有像差，因此，本发明为校正像差改善像质，将平行平板3与会聚凸凹正透镜1、补偿凸凹正透镜2作为一个整体进行光学设计。

本发明各光学元件材料均为高阻硅，不仅降低光学元件造价，还由于高阻硅的折射率高达4.16，在相同光焦度的前提下，透镜曲率半径增大，入射其表面的光线发生偏折不大，引入的高级像差较小；当波长小于200μm时，固有振动和散射的不均匀性较弱；再有，高阻硅光学元件具有很高的透过率。

附图说明

图1是本发明之50～100μm波段折射式双分离THz照相镜头结构示意图，该图兼作为摘要附图。图2是本发明之波段为50～100μm、焦距为45mm的THz照相镜头的MTF曲线图。图3是本发明之波段为50～100μm、焦距为45mm的THz照相镜头的DIST曲线图。图4本发明之波段为50～100μm、焦距为25mm的THz照相镜头的MTF曲线图。图5是本发明之波段为50～100μm、焦距为25mm的THz照相镜头的DIST曲线图。图6本发明之波段为50～100 μm、焦距为100mm的THz照相镜头的MTF曲线图。图7是本发明之波段为50～100μm、焦距为100mm的THz照相镜头的DIST曲线图。图8是本发明之波段为20～50μm、、焦距为45mm的THz照相镜头的MTF曲线图。图9是本发明之波段为20～50μm、焦距为45mm的THz照相镜头的DIST曲线图。

具体实施方式

本发明之50～100μm波段折射式双分离THz照相镜头具体实施方式如下。如图1所示，会聚凸凹正透镜1、补偿凸凹正透镜2、平行平板3依次光学同轴，材料均为高阻硅，即SILICON_TH；所构成的光学系统总长度L为65mm。会聚凸凹正透镜1的凸面为高次椭球面，且与光阑重合，会聚凸凹正透镜1的凹面是标准球面；补偿凸凹正透镜2的凸面及凹面均为标准球面，补偿凸凹正透镜2的凸面与会聚凸凹正透镜1的凹面相对且相离；补偿凸凹正透镜2的凹面与平行平板3相对且相离。平行平板3厚度为1.5mm，覆盖于CCD探测器4的感光面上。CCD探测器4为红外非制冷型IRM160A，并连接到计算机5。

实施例1：

波段为50～100μm、焦距为45mm的THz照相镜头数据由下表给出，表中数据单位为毫米。

其中：会聚凸凹正透镜1的凸面为8次椭球面，其系数为：-3.1461×10^-4、7.8671×10^-7、-4.4511×10^-11、2.1432×10^-13。表中凸椭球面的通光孔径大小即为THz照相镜头的孔径光阑大小。

该THz照相镜头各视场的MTF曲线表明，其光学系统像质优良，如图2所示，图中光学系统各视场的MTF曲线几乎与理想光学系统的衍射受限MTF曲线重合。

调制MTF虽然可以综合评价光学系统中的各种像差，但不能评价DIST，所以，需要对DIST进行单独分析。一般目视光学系统要求DIST小于5%，本实施例之THz照相镜头的DIST如图3所示，小于0.5%，即远小于5%，说明该光学系统DIST完全满足成像要求。

实施例2：

波段为50～100μm、焦距为25mm的THz照相镜头数据由下表给出，表中数据单位为毫米。

当该THz照相镜头焦距缩小为25mm时，光学系统像质优良，如图4所示，图中各视场的MTF曲线几乎与理想光学系统的衍射受限MTF曲线重合。DIST小于0.5%，如图5所示，远小于5%，说明该光学系统DIST完全满足成像要求。

实施例3：

波段为50～100μm、焦距为100mm的THz照相镜头数据由下表给出，表中数据单位为毫米。

当该THz照相镜头焦距放大为100mm时，光学系统像质优良，如图6所示，图中光学 系统0.707视场的MTF曲线几乎与理想光学系统的衍射受限MTF曲线重合，0视场与全视场的MTF曲线接近理想光学系统的衍射受限MTF曲线。DIST小于0.5%，如图7所示，远小于5%，说明该光学系统DIST完全满足成像要求。

实施例4：

波段为25～50μm、焦距为100mm的THz照相镜头数据由下表给出，表中数据单位为毫米。

当该THz照相镜头的波段为20～50μm、焦距为45mm时，光学系统像质优良，如图8所示，图中光学系统0.707视场的MTF曲线几乎与理想光学系统的衍射受限MTF曲线重合，0视场与全视场的MTF曲线接近理想光学系统的衍射受限MTF曲线。DIST小于0.5%，如图9所示，远小于5%，说明该系统相对畸变完全满足成像要求。

Claims (2)

1.一种50～100μm波段折射式双分离THz照相镜头，其特征在于，会聚凸凹正透镜(1)、补偿凸凹正透镜(2)、平行平板(3)依次光学同轴设置，材料均为高阻硅；会聚凸凹正透镜(1)的凸面为高次椭球面，且与光阑重合，会聚凸凹正透镜(1)的凹面是标准球面；补偿凸凹正透镜(2)的凸面及凹面均为标准球面，补偿凸凹正透镜(2)的凸面与会聚凸凹正透镜(1)的凹面相对且相离；补偿凸凹正透镜(2)的凹面与平行平板(3)相对且相离。

2.根据权利要求1所述的THz照相镜头，其特征在于，THz照相镜头光学系统工作波长50～100μm、焦距25～100mm、孔径25.8～102.9mm；光学系统总长度L为65mm。