CN107092075A - 一种太赫兹波段高相对孔径大视场成像物镜 - Google Patents

一种太赫兹波段高相对孔径大视场成像物镜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹波段高相对孔径大视场成像物镜，属于光学镜头成像技术领域，其目的在于提供一种太赫兹波段高相对孔径大视场成像物镜，实现了高相对孔径和大成像视场。其包括在光轴上依次排布的太赫兹滤光片、第一透镜、光阑、第二透镜，第一透镜、第二透镜均为凸透镜，且第一透镜、第二透镜的光焦度均为正；第一透镜和第二透镜的材料均为在低于0.5THz波段吸收系数低于0.5cm‑1的塑料，且第一透镜和第二透镜的材料的折射率为1.3至2。第一透镜和第二透镜的前表面均使用了高次非球面，较好的校正了全视场点的成像质量，实现了高相对孔径和大成像视场。本发明适用于太赫兹成像用的物镜。

Description

一种太赫兹波段高相对孔径大视场成像物镜
技术领域
本发明属于光学镜头成像技术领域，涉及太赫兹波段高相对孔径大视场成像物镜。
背景技术
太赫兹(Terahertz，简写为THz，1THz＝1012Hz)泛指频率在0.1～10THz波段内的电磁波，位于红外和微波之间，处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段。由于该波段具有宽光谱、窄脉宽、相干性、低能性、透视性、惧水性、指纹吸收谱等重要特征，在医学成像、安检反恐、无损探伤、化学药品分析、食品质量控制等相关领域，太赫兹技术扮演了越来越重要的角色。
在人体安检领域，太赫兹波既具有较高的穿透性，可以探测隐藏在衣物内的危险违禁物品，又不会对人体造成电离辐射危害。因此，利用太赫兹波进行成像安检是未来检测流动人员隐匿携带危险品的理想手段。近年来，随着太赫兹技术的发展和工艺水平的提升，非制冷阵列热探测器已逐步具备满足实际应用的能力。然而，用于安检成像的太赫兹波段高相对孔径大视场成像物镜却是一片空白，尚未有成熟的产品推向市场。部分研究机构通过将多个单透镜简单组合后形成成像物镜，由于缺乏完整的设计优化流程，很难得到高质量的成像结果。因此，研制太赫兹波段高质量成像物镜极为紧迫，会对太赫兹成像安检技术的进一步发展产生极为关键的作用。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种太赫兹波段高相对孔径大视场成像物镜，该成像物镜通过使用在低于0.5THz波段吸收系数低于0.5cm-1的材料作为透镜材料、使用高次非球面校正全视场点的像差，实现了高相对孔径和大成像视场。
本发明采用的技术方案如下：
一种太赫兹波段高相对孔径大视场成像物镜，包括在光轴上依次排布的太赫兹滤光片、第一透镜、光阑、第二透镜，所述第一透镜、第二透镜均为凸透镜，且第一透镜、第二透镜的光焦度均为正；所述第一透镜和第二透镜的材料均为在低于0.5THz波段吸收系数低于0.5cm-1的塑料，且所述第一透镜和第二透镜的材料的折射率为1.3至2。
其中，所述第一透镜的材料为聚四氟乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯或Tsurupica，所述第二透镜的材料为聚四氟乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯或Tsurupica。
其中，所述太赫兹滤波片的太赫兹透过率>80％，厚度<5mm。
其中，所述光阑与第一透镜的后表面贴合。
其中，所述第一透镜的前表面为曲面，且第一透镜的前表面的面型满足以下公式：
其中：z为曲面在光轴方向上的矢高，R为曲面顶点的半径，K为二次曲面系数，此处K＝0，y是轴向距离，非球面系数A、B、C为高次非球面系数。
其中，所述第二透镜的前表面为曲面，且第二透镜的前表面的面型满足以下公式：
其中：z为曲面在光轴方向上的矢高，R为曲面顶点的半径，K为二次曲面系数，此处K<0，y是轴向距离，非球面系数A、B、C为高次非球面系数。
其中，该成像物镜的材料、结构、参数具体为，
表1
表2
表面S21 非球面系数 表面S41 非球面系数
K 0 K -1.1654
A -2.1386e-008 A 0
B -4.4209e-013 B 1.3845e-014
C 6.1735e-018 C -7.8897e-019
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，该成像物镜采用聚四氟乙烯或高密度聚乙烯作为透镜材料，避免成像物镜对太赫兹波的强烈吸收。第一透镜和第二透镜的前表面使用高次非球面较好的校正了全视场点的像差，并实现了高相对孔径和大成像视场。
2、本发明中，高次非球面的引入显著减小了透镜数量，进而减小了成像物镜的体积与重量，也间接提升了太赫兹波的总透过率。
3、本发明中，由于太赫兹波段透镜的加工和装配公差较宽松，高次非球面的引入也不会增加透镜的加工和装配难度，透镜直接采用精密数控机床加工即可，常规机械装配精度即可满足要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本实施例在物距2m工作频率0.14THz(波长2.14mm)时成像物镜的MTF曲线；
图中标记：1-太赫兹滤光片、2-第一透镜、3-光阑、4-第二透镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种太赫兹波段高相对孔径大视场成像物镜，其包括太赫兹滤光片、第一透镜、光阑、第二透镜，太赫兹滤光片、第一透镜、光阑、第二透镜和像面在系统光轴上按自左至右顺序依次排布。该第一透镜、第二透镜均为凸透镜，且第一透镜、第二透镜的光焦度均为正。此外，第一透镜和第二透镜的材料均为在低于0.5THz波段吸收系数低于0.5cm-1的塑料，且第一透镜和第二透镜的材料的折射率为1.3至2。
实施例2
在实施例一的基础上，该第一透镜的材料为聚四氟乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯或Tsurupica，该第二透镜的材料为聚四氟乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯或Tsurupica；且第一透镜的材料可与第二透镜的材料相同，也可以不同。
实施例3
在实施例一或实施例二的基础上，该太赫兹滤波片为两端面平行的平板材料，且该太赫兹滤波片的太赫兹透过率>80％，厚度<5mm。
实施例4
在上述实施例的基础上，该光阑与第一透镜的后表面贴合。
实施例5
在上述实施例的基础上，该第一透镜的前表面为曲面，且第一透镜的前表面的面型满足以下公式：
其中：z为曲面在光轴方向上的矢高，R为曲面顶点的半径，K为二次曲面系数，此处K＝0，y是轴向距离，非球面系数A、B、C为高次非球面系数。
实施例6
在上述实施例的基础上，第二透镜的前表面为曲面，且第二透镜的前表面的面型满足以下公式：
其中：z为曲面在光轴方向上的矢高，R为曲面顶点的半径，K为二次曲面系数，此处K<0，y是轴向距离，非球面系数A、B、C为高次非球面系数。
实施例7
为了能够更加直观地体现本申请的效果，还提供有一个测试例，如下：
一种太赫兹波段高相对孔径大视场成像物镜，包括太赫兹滤光片、第一透镜、光阑、第二透镜；太赫兹滤光片、第一透镜、光阑、第二透镜和像面在系统光轴上按自左至右顺序依次排布。太赫兹滤波片选用聚四氟乙烯平板，透过率大于80％，厚度为3mm，折射率为1.432。第一透镜和第二透镜均为凸透镜，光焦度为正，镜头材料均选用聚四氟乙烯(PTFE)，折射率为1.432；成像物镜光阑位置与第一透镜后表面重合。详细结构参数见表1所示。
表1
第一透镜和第二透镜的前表面为非球面，面型满足以下公式：
其中：z为曲面在光轴方向上的矢高，R为曲面顶点的半径，K为二次曲面系数，y是轴向距离，非球面系数A、B、C为高次非球面系数。系数具体取值见表2所示。
表2
表面S21 非球面系数 表面S41 非球面系数
K 0 K -1.1654
A -2.1386e-008 A 0
B -4.4209e-013 B 1.3845e-014
C 6.1735e-018 C -7.8897e-019
在本实施例中，成像物镜工作距离2m，工作频率0.14THz(波长2.14mm)，总长580mm，焦距f＝340mm，半视场角为12.6°，相对孔径达到1:0.97，实现了高相对孔径和大成像视场。图2为该成像物镜实施例的光学传递函数，中心视场点的MTF已接近衍射极限，边缘视场点的MTF稍微有所降低。在0.25cycles/mm时各视场点的MTF均大于30％，表明该成像物镜具有良好的成像质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种太赫兹波段高相对孔径大视场成像物镜，其特征在于：包括在光轴上依次排布的太赫兹滤光片(1)、第一透镜(2)、光阑(3)、第二透镜(4)，所述第一透镜(2)、第二透镜(4)均为凸透镜，且第一透镜(2)、第二透镜(4)的光焦度均为正；所述第一透镜(2)和第二透镜(4)的材料均为在低于0.5THz波段吸收系数低于0.5cm-1的塑料，且所述第一透镜(2)和第二透镜(4)的材料的折射率为1.3至2。
2.如权利要求1所述的一种太赫兹波段高相对孔径大视场成像物镜，其特征在于：所述第一透镜(2)的材料为聚四氟乙烯(PTFE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)或Tsurupica，所述第二透镜(4)的材料为聚四氟乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯或Tsurupica。
3.如权利要求1所述的一种太赫兹波段高相对孔径大视场成像物镜，其特征在于：所述太赫兹滤波片(1)的太赫兹透过率>80％，厚度<5mm。
4.如权利要求1所述的一种太赫兹波段高相对孔径大视场成像物镜，其特征在于：所述光阑(3)与第一透镜(2)的后表面贴合。
5.如权利要求1所述的一种太赫兹波段高相对孔径大视场成像物镜，其特征在于：所述第一透镜(2)的前表面为曲面，且第一透镜(2)的前表面的面型满足以下公式：
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其中：z为曲面在光轴方向上的矢高，R为曲面顶点的半径，K为二次曲面系数，此处K＝0，y是轴向距离，非球面系数A、B、C为高次非球面系数。
6.如权利要求1所述的一种太赫兹波段高相对孔径大视场成像物镜，其特征在于：所述第二透镜(4)的前表面为曲面，且第二透镜(4)的前表面的面型满足以下公式：
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其中：z为曲面在光轴方向上的矢高，R为曲面顶点的半径，K为二次曲面系数，此处K<0，y是轴向距离，非球面系数A、B、C为高次非球面系数。
7.如权利要求1-6中任一所述的一种太赫兹波段高相对孔径大视场成像物镜，其特征在于：该成像物镜的材料、结构、参数具体为，
表1
表2
表面S21 非球面系数 表面S41 非球面系数 K 0 K -1.1654 A -2.1386e-008 A 0 B -4.4209e-013 B 1.3845e-014 C 6.1735e-018 C -7.8897e-019
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