CN111999874B - 一种近距离离轴三反准光系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太赫兹成像技术领域，特别是利用离轴三反光学镜头对近距离太赫兹波成像技术，具体地提供一种近距离离轴三反准光系统，它包括扫描摆镜、第一反射镜、次镜、三镜和阵列探测天线，所述扫描摆镜的曲率半径为无穷大，所述第一反射镜在弧矢方向具有第一曲率半径，所述次镜在子午方向具有第二曲率半径，所述三镜为具有第三曲率半径的球面反射镜。本发明能够进行图像拼接，实现小F数、大孔径、高分辨率成像，具有近距离的1.5米物距，使弧矢方向线分辨率可高达10mm，温度探测灵敏度得到了大大提高；适用于子午面和弧矢面二维扫描，对物面两个不同维度进行放大率的控制，并匹配像面天线，实现对不同维度光波进行收集探测。

Description

一种近距离离轴三反准光系统

技术领域：

本发明涉及太赫兹成像技术领域，特别是利用离轴三反光学镜头对近距离太赫兹波成像技术，具体地提供一种近距离离轴三反准光系统。

背景技术：

太赫兹(THz)是指频率在0.1～10THz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波，它处于红外和微波之间，在短波段与红外光相重合，在长波段与毫米波相重合。由于其辐射能以很小的衰减穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等对可见光不透明的物质，使得在太赫兹波的照射下是透明的，并且其时域频谱信噪比很高，使得太赫兹技术非常适用于成像，例如在航天缺陷检测、地球表面成像、人体安检等方向广泛应用。

在人体安检方向，基于太赫兹波特殊的透过率和反射率，可对一些衣服等织物具有穿透作用，而遇到金属类物质会发生高反射，因此可进行无接触检测人体携带的危险物等；例如中国专利CN201911206955.1公开了一种多焦距离轴三反准光系统，包括孔径光阑、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和探测器像面，孔径光阑为光学系统的入口，第一反射镜具有单一面型且与孔径光阑相对设置，第二反射镜的各面型区域具有不同的面型参数且设置于第一反射镜的反射光路上，第三反射镜的各面型区域具有不同的面型参数且设置于第二反射镜的反射光路上，探测器像面的各视场区域具有不同的像面且用于接收第三反射镜的反射光线，该光学系统可以实现不同的放大率，解决了在单一离轴三反准光系统中不能同时具备多个焦距值的问题，但其增加了三个反射镜的反射面积，使有效孔径却相对减小了，其中的第二反射镜和第三反射镜采用了自由曲面，提高了加工装配的难度和加工成本，降低了环境适应力；另外，中国专利CN201610010649.0公开了一种离轴三反射镜前置光学系统，是适用于光谱成像仪的反射式前置光学系统，按入射光方向，其结构为：光线经主镜反射后形成会聚光束入射至次镜，再经次镜反射后入射到三镜，三镜将光束会聚成像，主镜为非球面凹面反射镜，具有结构简单，制造难度和制造成本低，易于装调等优点，该光学系统的F/#为3.36，焦距为83.6mm，可计算出其有效口径不到25mm，衍射极限分辨率比较低，该系统反射镜呈现折叠式排布，结构不够紧凑。同时，以上两篇专利公开的光学系统成像的物距都是无穷远，平行光入射到光学系统，不能适用于近距离太赫兹成像。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的离轴三反准光系统存在物距是无穷远、有效孔径小以及结构不够紧凑等缺点，提供一种近距离离轴三反准光系统。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种近距离离轴三反准光系统，其特征在于：包括扫描摆镜、第一反射镜、次镜、三镜和阵列探测天线；按入射方向，入射光波经所述扫描摆镜反射后入射至所述第一反射镜，再经所述第一反射镜反射后入射至次镜，然后经所述次镜反射后入射至三镜，最后经所述三镜反射后入射至所述阵列探测天线成像，所述扫描摆镜的曲率半径为无穷大，所述第一反射镜在子午方向具有无限大的曲率半径、在弧矢方向具有第一曲率半径，所述次镜在子午方向具有第二曲率半径、在弧矢方向具有无限大的曲率半径，所述三镜为具有第三曲率半径的球面反射镜。

优选地，所述扫描摆镜为标准平面反射镜，所述第一反射镜为圆柱面反射镜，所述次镜为圆柱面反射镜。

优选地，所述次镜的球心方向与光波从左向右传播的传播方向相反。

优选地，所述第一反射镜的第一曲率半径大于所述次镜的第二曲率半径，所述次镜的第二曲率半径大于所述三镜的第三曲率半径。

优选地，所述扫描摆镜、第一反射镜、次镜和三镜选用金镜、银镜或铝镜。

优选地，所述扫描摆镜、第一反射镜、次镜和三镜的基底材料为航空铝。

优选地，所述扫描摆镜和所述第一反射镜之间的传播路径与所述次镜和所述三镜之间的传播路径相交叉，所述第一反射镜和所述次镜之间的传播路径与所述三镜和所述阵列探测天线之间的传播路径相交叉。

优选地，所述近距离离轴三反准光系统的物距为1.5米。

优选地，所述近距离离轴三反准光系统在弧矢方向具有固定的第一焦距值，在俯仰方向具有固定的第二焦距值。

本发明所述的近距离离轴三反准光系统能够利用扫描摆镜矩形扫描进行图像拼接，实现小F数、大孔径、高分辨率成像，具有近距离的1.5米物距，使弧矢方向线分辨率可高达10mm，温度探测灵敏度得到了大大提高；并且适用于子午面和弧矢面二维扫描，对物面两个不同维度进行放大率的控制，并匹配像面天线，实现对不同维度光波进行收集探测，方便匹配像面天线接收。

附图说明：

图1为本发明所述的近距离离轴三反准光系统的结构示意图。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明所述的近距离离轴三反准光系统，适用于250GHz太赫兹成像，包括扫描摆镜1、第一反射镜2、次镜3、三镜4和阵列探测天线5；其中，所述扫描摆镜1用于扫描物面光波，作为该光学系统的孔径光阑，是该光学系统的入口；所述第一反射镜2用于接收来自所述扫描摆镜1的光波，所述次镜3用于接收来自所述所述第一反射镜2的光波，所述三镜4用于接收来自所述次镜3的的光波，所述阵列探测天线5用于接收来自所述三镜4的光波。

所述扫描摆镜1能够反射空间不同位置处的光波，收集各视场光波，为该光学系统提供不同视场的信号，其曲率半径为无穷大，限制该光学系统的成像孔径；为了解决近距离成像存在的视场较大的问题，本发明所述的扫描摆镜1的最大扫描范围为600mm(W)×1200mm(H)，实现了大角度扫描。

所述第一反射镜2为圆柱面反射镜，在子午方向具有无限大的曲率半径，在弧矢方向具有第一曲率半径，能够收集来自所述扫描摆镜1的光波，为该光学系统贡献光焦度。

所述次镜3为非球面反射镜，在子午方向具有第二曲率半径，在弧矢方向具有无限大的曲率半径，优选为圆柱面反射镜。所述次镜3设置于所述第一反射镜2的反射光路上，用于收集光波，为该光学系统贡献光焦度。

所述三镜4为球面反射镜，具有第三曲率半径，设置于所述次镜3的反射光路上，能够对光波进行聚焦，为该光学系统贡献光焦度。

其中，优选所述第一反射镜2的第一曲率半径大于所述次镜3的第二曲率半径，所述次镜3的第二曲率半径大于所述三镜4的第三曲率半径，具体举例所述第一曲率半径为1000mm，所述第二曲率半径为900mm，所述第三曲率半径为800mm。

所述阵列探测天线5用于接收来自所述三镜4的光波，作为像面天线，所述来自所述三镜4的光波根据需求调制后焦距，最后耦合到所述阵列探测天线5成像。

在本发明中，所述扫描摆镜1、第一反射镜2、次镜3和三镜4可以选用金镜、银镜或铝镜，它们均在太赫兹波段具有高反射性。优选地，所述扫描摆镜1、第一反射镜2、次镜3和三镜4的基底材料可以选用航空铝，其具有膨胀系数低、环境适应性强、高反射率、易加工、成本低等特性。

在图1中，按入射方向，入射光波经所述扫描摆镜1反射后入射至所述第一反射镜2，再经所述第一反射镜2反射后入射至次镜3，然后经所述次镜3反射后入射至三镜4，最后经所述三镜4反射后入射至所述阵列探测天线5成像。本发明采用交叉式光路排布，能够大大缩小空间体积，具体举例如表1：

表1：近距离离轴三反准光系统的光路排布

面型类型

曲率半径

空气厚度

旋转半径

类型

倾斜角度

扫描摆镜

标准平面

无穷大

260mm

--

反射镜

45°

第一反射镜

圆柱面

无穷大

180mm

1000mm

反射镜

16°

次镜

圆柱面

-900mm

190mm

无穷大

反射镜

14.2°

三镜

标准球面

800mm

189.385mm

--

反射镜

14.7°

表1中：所述次镜3的曲率半径为-900mm，负号表示所述次镜3的球心方向与光波从左向右传播的传播方向相反，利于收集光波，为该光学系统贡献光焦度。

本发明所述的交叉式光路排布具体为：所述扫描摆镜1和所述第一反射镜2之间的传播路径与所述次镜3和所述三镜4之间的传播路径相交叉，所述第一反射镜2和所述次镜3之间的传播路径与所述三镜4和所述阵列探测天线5之间的传播路径相交叉。

本发明所述的近距离离轴三反准光系统的物距为1.5米，光圈数(F数)为3.1，弧矢方向线分辨率可高达10mm，温度探测灵敏度得到了大大提高；并且适用于子午面和弧矢面二维扫描，对物面两个不同维度进行放大率的控制，并匹配像面天线，实现对不同维度光波进行收集探测。

在所述扫描摆镜1、第一反射镜2、三镜4组合下，所述近距离离轴三反准光系统在方位方向具有固定的第一焦距值A，对方位方向(弧矢方向)的光波进行聚焦成像；在所述扫描摆镜1、次镜3、三镜4组合下，所述近距离离轴三反准光系统在俯仰方向具有固定的第二焦距值B，对俯仰方向(子午方向)的光波进行聚焦成像。

在一实施例中，第一焦距值A大于所述第二焦距值B，所述扫描摆镜1的入瞳直径为160mm，第一焦距值A为578.7mm，第二焦距值B为433.3mm，所述、第一反射镜2为圆柱面反射镜，所述次镜3为圆柱面反射镜，所述三镜4为球面反射镜。此时，入射光波经过所述扫描摆镜1可实现大视场扫描成像，通过不同的反射镜的不同区域反射，实现了在方位、俯仰两个方向不同的焦距值，能够使所述扫描摆镜1矩形扫描图像拼接，扩大成像的视场范围，实现两个不同维度的焦距值，方便匹配像面天线接收。

以上内容是对本发明所述的近距离离轴三反准光系统作出的进一步详细说明，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明构思的前提下，本领域普通技术人员依据本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种近距离离轴三反准光系统，其特征在于：包括扫描摆镜、第一反射镜、次镜、三镜和阵列探测天线；按入射方向，入射光波经所述扫描摆镜反射后入射至所述第一反射镜，再经所述第一反射镜反射后入射至次镜，然后经所述次镜反射后入射至三镜，最后经所述三镜反射后入射至所述阵列探测天线成像，所述扫描摆镜的曲率半径为无穷大，所述第一反射镜在子午方向具有无限大的曲率半径、在弧矢方向具有第一曲率半径，所述次镜在子午方向具有第二曲率半径、在弧矢方向具有无限大的曲率半径，所述三镜为具有第三曲率半径的球面反射镜；所述扫描摆镜为标准平面反射镜，所述第一反射镜为圆柱面反射镜，所述次镜为圆柱面反射镜；所述第一反射镜的第一曲率半径大于所述次镜的第二曲率半径，所述次镜的第二曲率半径大于所述三镜的第三曲率半径；所述次镜的球心方向与入射光波从左向右传播的传播方向相反。

2.根据权利要求1所述的近距离离轴三反准光系统，其特征在于：所述的扫描摆镜的最大扫描范围为600mm×1200mm。

3.根据权利要求1所述的近距离离轴三反准光系统，其特征在于：所述扫描摆镜、第一反射镜、次镜和三镜选用金镜、银镜或铝镜。

4.根据权利要求1所述的近距离离轴三反准光系统，其特征在于：所述扫描摆镜、第一反射镜、次镜和三镜的基底材料为航空铝。

5.根据权利要求1所述的近距离离轴三反准光系统，其特征在于：所述扫描摆镜和所述第一反射镜之间的传播路径与所述次镜和所述三镜之间的传播路径相交叉，所述第一反射镜和所述次镜之间的传播路径与所述三镜和所述阵列探测天线之间的传播路径相交叉。

6.根据权利要求1所述的近距离离轴三反准光系统，其特征在于：所述近距离离轴三反准光系统的物距为1.5米。

7.根据权利要求1所述的近距离离轴三反准光系统，其特征在于：所述近距离离轴三反准光系统在弧矢方向具有固定的第一焦距值，在俯仰方向具有固定的第二焦距值。

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