CN104035197A

CN104035197A - 一种折反式太赫兹波成像系统

Info

Publication number: CN104035197A
Application number: CN201410272920.9A
Authority: CN
Inventors: 王军; 郭晓珮; 丁杰; 苟君; 蒋亚东; 吴志明
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-06-12
Filing date: 2014-06-12
Publication date: 2014-09-10

Abstract

本发明提出了一种折反式太赫兹波成像系统，它包括次级反射镜、环形初级反射镜、透镜、太赫兹探测窗口和焦平面，从前到后依次分布。环形初级反射镜对称地分布在次级反射镜后方且与次级反射镜保持适当距离，环形初级反射镜中心留有适当空隙，透镜和太赫兹探测窗口紧密结合，位于环形初级反射镜中心的空隙后方且透镜前表面与次级反射镜保持适当距离，焦平面位于最后方，且与太赫兹探测窗口后表面保持适当距离。反射镜表面采用反射率极高的金属镜面，透镜和太赫兹探测窗口采用高阻硅透镜，透镜前表面和太赫兹探测窗口前表面覆盖有一层聚对二甲苯抗反膜。本发明的优点在于：可同时满足以下要求：太赫兹波高透过率、较大视角、易于小型化以及高分辨率。

Description

一种折反式太赫兹波成像系统

技术领域

本发明涉及一种用于焦平面成像的光学成像系统，具体涉及一种折反式太赫兹波成像系统。

背景技术

太赫兹波(Terahertz/THz)因其波动频率处于THz量级而得名，通常指频率介于0.1THz到10THz之间的电磁波。太赫兹波成像系统用于收集来自目标和背景的太赫兹波，并将其汇集到焦平面上，以便显示目标和背景的图像。

目前，常用的光学成像系统分为折射式和反射式两种。

折射式光学成像系统是常用的一种光学成像系统，由一系列不同的透镜组成的光学系统。折射式光学成像系统可以通过对光学元件尺寸的调节而对像差进行较好的校正，但是会受到光学元件对太赫兹波透过率的制约。折射一次成像的光学系统结构简单，质量轻，易于装调，通光口径饱满，但是材料品种有限且对热敏感，无论冷光阑放在物镜前后，都会对成像产生影响。在中国专利“一种中红外光学系统”(专利号：CN101893757A)提出一种四片式折射式光学系统，适用于中红外波阶段，成像效果良好，但其结构复杂，不易于装配。在文献[Detection of terahertz radiation from quantum cascade laser，usingvanadium oxide microbolometer focal plane arrays[J].Proc.of SPIE Vol.694069402Y-1(2008)]中提出一种两片式太赫兹波成像系统，结构简单，适用于太赫兹波段，但其成像视角较小，对于大陈列，小像元(25μm一下)的探测器。

反射式光学成像系统是由两面反射镜组成，反射镜中大的称为主镜，小的称为副镜，通常在主镜中央开口，成像于主镜后面。采用反射式光学成像系统只需要考虑具有高反射率的材料。主次反射镜分担了大部分光焦度，有利于无热化的设计同时反射镜折叠光路，缩小了镜头的体积和减轻了质量，长度可做到比焦距更短。但是对于应具有相对较大的视场角及较小的光圈系数的光学成像结构，采取反射式光学成像系统很难校正其产生的像差。在文献[一种紧凑型红外光学系统，激光与红外，文章编号：1001-5078(2009)04-0419-04]中提出一种红外光学系统，在反射式光学成像系统的基础上，通过在主镜前后添加3个透镜校正反射型系统的像差，但其结构复杂，较多的透镜数量严重减小了太赫兹波的透过率，而且增加了整个系统体积，难于实现系统的小型化。

综上，现有技术方案不能够同时满足以下要求：太赫兹波高通过率、较大视角、易于实现小型化和图像的高分辨率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种折反式太赫兹波成像系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种折反式太赫兹波成像系统，其特征在于包括次级反射镜10，环形初级反射镜20，透镜30，太赫兹探测窗口40和焦平面50，太赫兹探测窗口40和孔径光阑重合。

所述次级反射镜10、环形初级反射镜20、透镜30、太赫兹探测窗口40和焦平面50从前到后依次分布；来自物方的光线依次经过环形初级反射镜20、次级反射镜10、透镜30、孔径光阑和太赫兹窗口40，成像在焦平面50上。

所述环形初级反射镜20在次级反射镜10后方，二者中心线在同一直线上且二者保持适当距离，环形初级反射镜20中心留有适当空隙，透镜30和太赫兹探测窗口40紧密结合，位于环形初级反射镜20中心的空隙后方且透镜30前表面与次级反射镜10保持适当距离，焦平面50位于最后方，且与太赫兹探测窗口40后表面保持适当距离。

次级反射镜10和环形初级反射镜20表面采用反射率极高的金属镜面(如金镜面、银镜面或铝镜面)，透镜30和太赫兹探测窗口40采用高阻硅透镜，透镜30前表面和太赫兹探测窗口40前表面覆盖有一定厚度的聚对二甲苯抗反膜。

上述的折反式太赫兹光学成像系统的次级反射镜10、环形初级反射镜20、透镜30前表面和太赫兹探测窗口40前表面都是非球面。

采用本发明，来自物方的光线依次经过环形初级反射镜20、次级反射镜10、透镜30、孔径光阑和太赫兹窗口40，成像在焦平面50上，系统焦距51mm，全视场角度8°，相对口径1.4，分辨率85lp/mm。与现有的折射式、反射式相比，视角大、结构简单。

在本发明中提出的折反型太赫兹波成像系统，采用高反射率的金属镜面作为次级反射镜10和环形初级反射镜20的镜面，各镜面采用非球面对系统像差进行校正。太赫兹光学设计可选透镜材料少，且价格昂贵，在十分有限的结构变量中消像差，非球面技术可以提供更多的优化自由度。现今非球面加工技术已经成熟，适当的使用非球面设计可以显著的提高成像系统的像质。

高阻浮区硅(HRFZ-Si)是一种在太赫兹波段表现出优良性能的材料，其吸收率在0.2％/mm-1％/mm之间。低的吸收率允许较厚的透镜厚度。HRFZ-Si的折射率在3.4左右，大的折射率与较厚的透镜厚度可以方便校正像差，但是HRFZ-Si的折射率较大，其表面反射率也较大，太赫兹波的透过率反而较低。一些聚合物对太赫兹波表现出较好的透过性，如TPX(聚4-甲基戊烯-1)，HDPE(高密度聚乙烯)，Picarin(聚四氟乙烯)等。这些聚合物材料的吸收率在4％/mm左右，要保障较高的THz波透过率必须使用厚度较薄的透镜(一般2-3mm)，否则将会有较大的损耗(10mm厚度约损耗40％)。同时这些聚合物的折射率在1.5左右，较小的折射率与较薄的透镜厚度将限制像差的校正。聚对二甲苯薄膜是一种有效的抗反膜，折射率n＝1.5，可以有效地降低透镜表面THz波的反射率，涂覆了聚对二甲苯抗反膜的透镜透过率可以由涂覆前的50％-60％提升到80％-90％。

附图说明

图1为：本发明所述太赫兹光学成像系统的结构示意图；

图2为：本发明所述太赫兹光学成像系统的点列图；

图3为：本发明所述太赫兹光学成像系统的曲线；

图4为：本发明所述太赫兹光学成像系统的测试原图；

图5为：物距1米时，本发明所述太赫兹光学成像系统的成像效果图；

图6为：物距2米时，本发明所述太赫兹光学成像系统的成像效果图；

图7为：物距无穷远时，本发明所述太赫兹光学成像系统的成像效果图。

具体实施方式

如图1所示，在本折反式太赫兹光学成像系统中，距离物面由近及远依次分布着次级反射镜10、环形初级反射镜20、透镜30、太赫兹探测窗口40和焦平面50，S2是次级反射镜10的反射面，S1是环形初级反射镜20的放射面，S3是透镜30的前表面，S4是透镜30的后表面，S5是太赫兹探测窗口40的前表面，S6是太赫兹探测窗口40的后表面。次级反射镜10位于本系统最前方，环形初级反射镜20位于次级反射镜10后方，透镜30和太赫兹探测窗口40紧密结合，太赫兹探测窗口40和孔径光阑重合，焦平面50位于最后方，来承接图像。S1到S2的距离为23mm，S3到S2的距离为27.3mm，S4到S5的距离为0.8mm，S6到焦平面50的距离为3.3mm。

各光学元件参数如表1所示：

各镜面参数如表2所示：

表2

关于非球面圆锥系数k，遵循下面的表面矢高公式：

z = \frac{{cr}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}}

其中z是表面矢高，c是表面定点曲率(表面半径的倒数)，r是到表面顶点的半径坐标，k是圆锥系数。

由于次级反射镜10和环形初级反射镜20表面采用金镜面，使得反射率接近100％，透镜30和太赫兹探测窗口40采用的高阻浮区硅对太赫兹波的吸收率仅有0.2％/mm-1％/mm，并且透镜30前表面和太赫兹探测窗口40前表面覆盖的聚对二甲苯薄膜使太赫兹波的透过率达到80％-90％，以上选材使得太赫兹波以很高的透过率通过整个系统。此外，次级反射镜10、透镜30和太赫兹探测窗口40表面都为非球面，为调整像差留有很大的空间。

图2所示点列图显示本系统弥散斑半径最大5.8μm，根据分辨率的定义可得系统分辨率为85lp/mm；图3所示在光学系统的截止频率10lp/mm处各个视场MTF值均大于0.1且衍射受限，利于提高成像质量；从图4至图7可看出，本系统对2米之外的物体成像效果良好。

本系统的系统焦距51mm，系统长度39mm，相对口径1.4，入瞳大小74mm，全视场角度达8°，分辨率达到85lp/mm。表2是本发明所述的折反式太赫兹光学成像系统与折射式太赫兹光学成像系统成像效果的对比。

表2

由表2可知，两片式折射型与本系统Zemax想仿真结果作比较如附表1所示：两片折射式光学系统不能同时获得小型化与高分辨率成像效果，虽然表2中的两片折射式2获得高分辨率成像效果，但其截止频率仅为51p/mm，不适合于小像元(小于100μm)探测器阵列。而本发明所述光学成像系统能够在兼顾小型化的同时，可以保证较高分辨率，且为校正像差留有很大的空间。

本专利申请的光学成像系统的各参数和材质并不局限于上述数值与类别，其他和本专利结构一致但尺寸与材质经过调整的太赫兹成像光学系统均属于本专利保护的范围。

Claims

1.一种折反式太赫兹波成像系统，其特征在于：该系统包括次级反射镜(10)，环形初级反射镜(20)，透镜(30)，太赫兹探测窗口(40)和焦平面(50)，太赫兹探测窗口40和孔径光阑重合。

2.如权利要求1所述的折反式太赫兹波成像系统，其特征在于：次级反射镜(10)、环形初级反射镜(20)、透镜(30)、太赫兹探测窗口(40)和焦平面(50)从前到后依次分布；来自物方的光线依次经过环形初级反射镜(20)、次级反射镜(10)、透镜(30)、孔径光阑和太赫兹窗口(40)，成像在焦平面(50)上。

3.如权利要求1所述的折反式太赫兹波成像系统，其特征在于：环形初级反射镜(20)在次级反射镜(10)后方，二者中心线在同一直线上且二者保持适当距离，环形初级反射镜(20)中心留有适当空隙，透镜(30)和太赫兹探测窗口(40)紧密结合，位于环形初级反射镜(20)中心的空隙后方且透镜(30)前表面与次级反射镜(10)保持适当距离，焦平面(50)位于最后方，且与太赫兹探测窗口(40)后表面保持适当距离。

4.如权利要求1所述的折反式太赫兹波成像系统，其特征在于：次级反射镜(10)和环形初级反射镜(20)表面采用反射率极高的金镜面、银镜面或铝镜面。

5.如权利要求1所述的折反式太赫兹波成像系统，其特征在于：透镜(30)和太赫兹探测窗口(40)采用折射率为2.6-3.9的高阻浮区硅制成。

6.如权利要求1所述的折反式太赫兹波成像系统，其特征在于：透镜(30)前表面和太赫兹探测窗口(40)前表面覆盖有80-130μm的聚对二甲苯抗反膜。

7.如权利要求1所述的折反式太赫兹波成像系统，其特征在于：次级反射镜(10)、环形初级反射镜(20)、透镜(30)前表面和太赫兹探测窗口(40)前表面都被是非球面。

8.如权利要求1所述的折反式太赫兹波成像系统，其特征在于：该系统视角可达8°。