CN112505807B - 太赫兹波准直聚焦透镜及太赫兹波系统 - Google Patents

太赫兹波准直聚焦透镜及太赫兹波系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种太赫兹波准直聚焦透镜，所述太赫兹波准直聚焦透镜，包括呈圆锥台状的透镜本体，所述透镜本体直径较小端凹设有一容置空间，所述容置空间包括第一入光面及第二入光面，所述透镜本体还包括有与第二入光面连接的全反射面以及与全反射面连接的第二出光面，其特征在于：所述第二出光面的中心凹设有中间透射部，所述中间透射部包括有与第一入光面正对的第一出光面，且所述第一出光面与第二出光面平行，入射至所述太赫兹波准直聚焦透镜的光线由所述全反射面反射后自所述第一出光面出射或者入射至所述第二入光面后自所述第二出光面出射。本发明还涉及一种包括所述太赫兹波准直聚焦透镜的太赫兹波系统。

Description

太赫兹波准直聚焦透镜及太赫兹波系统
技术领域
本发明涉及光学元件技术领域，具体而言，涉及一种太赫兹波准直聚焦透镜及太赫兹波系统。
背景技术
在太赫兹波成像探测系统中，对太赫兹波进行传输和整形的准直聚焦透镜是非常重要的光学元件，为满足太赫兹波成像探测系统对光学元件的小型化和太赫兹波高质量整形需求，特别是微型低成本准直聚焦透镜更是现阶段太赫兹波光学元件的研究重点。太赫兹波光学元件主要用于对波束进行整形，其性能指标有：发散角、光斑质量和能量吸收率等。传统的太赫兹波光学元件分为两类，一类是透射式，一类是反射式。由于典型的太赫兹波源的发散角达到60度，有的达到160度，传统的透射式透镜难以将如此大的发散角整形为小发散角，同时透射式透镜体积较大，也会极大吸收所传输太赫兹波的能量，而反射式透镜不能将所有太赫兹波进行反射，只有全反射面的区域才能有效反射，整形效果不好。
随着大功率LED光源技术的发展，LED光源被越来越多的应用于通用照明领域。针对LED的配光设计，二次LED透镜是实现高质量光源输出的关键技术。二次LED透镜，即全内反射TIR透镜，能够提高出射光束质量，降低杂光及出射光束均匀性，具有体积小、发散角小、照明均匀、发光效率高等特点。因此全内反射TIR透镜可考虑作为太赫兹波准直聚焦透镜应用于太赫兹成像系统中。
为了改善传统透射式透镜和反射式透镜的应用问题，对准直聚焦透镜进行研究具有重要意义。
发明内容
本发明提供了一种太赫兹波准直聚焦透镜及太赫兹波系统，本发明的目的在于，克服上述现有技术的缺点，以改善现有技术中太赫兹波准直聚焦透镜体积大，整形效果差，所传输的太赫兹波能量透过率。
为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
本发明实施例提供了一种太赫兹波准直聚焦透镜，包括呈圆锥台状的透镜本体，所述透镜本体直径较小端凹设有一容置空间，所述容置空间包括第一入光面及第二入光面，所述透镜本体还包括有与第二入光面连接的全反射面以及与全反射面连接的第二出光面，其特征在于：所述第二出光面的中心凹设有中间透射部，所述中间透射部包括有与第一入光面正对的第一出光面，且所述第一出光面与第二出光面平行，所述第一入光面、第二入光面及全反射面为自由曲面，所述第一入光面、第二入光面及全反射面分别能调整入射光线的角度以使自所述第一出光面出射的光线与自所述第二出光面出射的光线与竖直方向的夹角小于3°。
进一步地，本发明实施例中，所述第一出光面及/或第二出光面设有增透膜。
进一步地，本发明实施例中，所述透镜本体还包括安装定位面，所述安装定位面连接所述全反射面及所述第一出光面且与所述第一出光面垂直。
进一步地，本发明实施例中，所述中间透射部还包括有拔模面，所述拔模面分别连接第一出光面及第二出光面且所述拔模面与所述第二出光面垂直。
进一步地，本发明实施例中，所述全反射面为自由曲面以使自所述全反射面反射的光线自所述第一出光面出射。
进一步地，本发明实施例中，所述第一入光面为背离所述第一出光面的凸弧面且入射至所述第一入光面的光线均从所述第二出光面出射，自所述第一出光面出射的光线与自所述第二出光面出射的光线相互平行且均沿竖直方向出射。
进一步地，本发明实施例中，所述太赫兹波准直聚焦透镜由聚甲基丙烯酸甲酯、4-甲基戊烯、高阻硅或者聚四氟乙烯材料的任意一种经注塑成型制造而成。
本发明还涉及一种太赫兹波系统。
一种太赫兹波系统，包括：太赫兹波源、太赫兹波准直聚焦透镜和太赫兹波探测器，所述太赫兹波源包括电路板及位于电路板上的太赫兹芯片，所述太赫兹波准直聚焦透镜设置于所述电路板上，所述太赫兹波探测器位于所述太赫兹波准直聚焦透镜的出光光路上，其特征在于，所述太赫兹波准直聚焦透镜为如上任意一项所述的太赫兹波准直聚焦透镜，且所述太赫兹芯片位于所述容置空间。
进一步地，本发明实施例中，所述太赫兹波探测器包括探测面，所述探测面的直径与所述第二出光面的直径相同。
进一步地，本发明实施例中，所述太赫兹波准直聚焦透镜由聚甲基丙烯酸甲酯、4-甲基戊烯、高阻硅或者聚四氟乙烯材料的任意一种经注塑成型制造而成。
与现有技术相比较，对于本发明提供的一种太赫兹波准直聚焦透镜，本发明通过在所述第二出光面的中心凹设有中间透射部，所述中间透射部包括有与第一入光面正对的第一出光面，且所述第一出光面与第二出光面平行，入射至所述太赫兹波准直聚焦透镜的光线由所述全反射面反射后自所述第一出光面出射或者入射至所述第二入光面后直接自所述第二出光面出射，也即本发明的太赫兹波准直聚焦透镜，采用中间透射式结构与四周全反射式结构相结合，能够显著提高透镜对波束的整形效果和能量透过率。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明实施例的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书来实现和获得。
附图说明
图1是应用本发明一个实施例提高的太赫兹波准直聚焦透镜的剖视图。
图2是图1提供的太赫兹波准直聚焦透镜的立体结构图。
图3是图1提供的太赫兹波准直聚焦透镜的又一视角的立体结构图。
图4是本发明一个实施例中的太赫兹准直系统的剖视图。
图中各构件附图标记的名称为:1—太赫兹波源，2—太赫兹波准直聚焦透镜，20—透镜本体，200—容置空间，3—太赫兹探测器，201—第一入光面，202—第一出光面，203—第二入光面，204—全反射面，205—第二出光面，206—安装定位面，207—拔模面。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步说明如下：
第一实施例
请参阅图1-3，本发明实施例提供了一种太赫兹波准直聚焦透镜2。所述太赫兹波准直聚焦透镜2由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、4-甲基戊烯(TPX)、高阻硅或者聚四氟乙烯材料的任意一种经注塑成型制造而成。
聚甲基丙烯酸甲酯材料在太赫兹波和可见光波段都有较小的吸收系数，而且在整个可见光波段到太赫兹波段色散小，同时该材料非常适合注塑成型批量制造，因而选用基丙烯酸甲酯PMMA材料做太赫兹透镜，可用可见光进行太赫兹光路准直，能够极大地简化复杂太赫兹光学系统的准直和调试工作。
选用TPX或高阻硅或石英晶体材料制造透镜。其中，TPX材料既对太赫兹波能实现较小的吸收系数，还能在可见光波段实现较小的吸收系数，而且在整个可见光波段到太赫兹波段色散小，因而若选用TPX材料做透镜，可以直接采用可见光做准直参考光，能够极大地简化复杂太赫兹光学系统的准直和调试工作。
所述太赫兹波准直聚焦透镜2包括呈圆锥台状的透镜本体20。所述透镜本体20直径较小端凹设有一容置空间200，所述容置空间200包括第一入光面201及第二入光面203。所述容置空间200用于容纳太赫兹波源1。所述第一入光面201、第二入光面203均为自由曲面。所述第一入光面201为背离所述第一出光面202的凸弧面。
本发明利用自由曲面调整光束的出射方向，以达到调整太赫兹波源1发出的光束的光束角。太赫兹波源1发出的光线中，出射角度较小的光线入射至第一入光面201，出射角度较大的部分入射至第二入光面203。
所述透镜本体20还包括有与第二入光面203连接的全反射面204以及与全反射面204连接的第二出光面205。入射至所述第二入光面203的光线由所述全反射面204反射后能自所述第二出光面205出射。
本发明实施例中，所述第二出光面205的中心凹设有中间透射部，所述中间透射部包括所述第一出光面202，且所述第一出光面202与第二出光面205平行，请参阅图1，所述第一入光面201的底面宽度D2与所述第一出光面202的宽度D1相同，从而入射至所述第二入光面203的光线经所述全反射面204反射后自所述第二出光面205出射。
进一步地，本发明实施例中，所述第一出光面202及/或第二出光面205设有增透膜或者形成有增透结构。增透结构优选为亚波长抗反射微结构。亚波长抗反射微结构是一种浮雕结构的亚波长光栅。通过调节光栅的材料，沟槽深度、占空比和周期等结构参数可以使光栅具备近乎零反射率。也即，亚波长抗反射微结构能够显著提高增透效果。
进一步地，本发明实施例中，所述透镜本体20还包括安装定位面206，所述安装定位面206连接所述全反射面204及所述第二出光面205且与所述第二出光面205垂直。所述安装定位面206用于调整使太赫兹波准直聚焦透镜2与太赫兹探测器3同轴。
进一步地，本发明实施例中，所述中间透射部还包括有拔模面207，所述拔模面207分别连接第一出光面202及第二出光面205且所述拔模面207与所述第二出光面205垂直。也即，所述拔模面207为圆柱面，在所述透镜本体20中设置拔模面207，能使透镜本体20更好地脱离模具，避免透镜本体20在脱离模具的过程中、透镜本体20与模具之间摩擦较大而划伤透镜本体20，从而起到了保护透镜本体20的作用。
进一步地，本发明实施例中，所述全反射面204为自由曲面以使自所述全反射面204反射的光线自所述第二出光面205出射。
进一步地，所述第一入光面201、第二入光面203及全反射面204分别为自由曲面以能调整入射光线的角度以使分别自所述第二出光面205出射的光线与自所述第二出光面出射的光线与竖直方向的夹角小于3°，此处光线与竖直方向的夹角是指光束角的一半，也即光束角达到小于6°。
更优选地，能通过调整所述第一入光面201、第二入光面203及全反射面204的面形状使自所述第一出光面202出射的光线与自所述第二出光面205出射的光线相互平行且均沿竖直方向出射，以完成太赫兹波束的整形，将从太赫兹波源1发出的大角度的光束角(最大为160度的光束角)进行整形使光束角达到小于6°，从竖直方向出射，也即减少了光束在太赫兹波准直聚焦透镜2中的多次反射，从而显著提高太赫兹波经过透镜的传输透过率，提高光斑质量。
第二实施例
请参阅图2，本发明还涉及一种太赫兹波系统。
一种太赫兹波系统，包括：太赫兹波源1、太赫兹波准直聚焦透镜2和太赫兹波探测器3。
所述太赫兹波源1包括电路板及位于电路板上的太赫兹芯片，所述太赫兹波准直聚焦透镜2设置于所述电路板上，所述太赫兹波探测器3位于所述太赫兹波准直聚焦透镜2的出光光路上。
所述太赫兹波准直聚焦透镜2为所述的太赫兹波准直聚焦透镜2，所述太赫兹芯片位于所述容置空间200。
进一步地，本发明实施例中，所述太赫兹波探测器3包括探测面，所述探测面的直径与所述第二出光面205的直径相同。由于所述透镜本体20包括有安装定位面206，所述安装定位面206连接所述全反射面204及所述第二出光面205且与所述第二出光面205垂直，当调整探测面与所述第二出光面205重合，从而可以利用所述安装定位面206使太赫兹波源1和太赫兹探测器3调整同轴。实现了太赫兹波系统的快速组装与定位，且能使太赫兹探测器3完全接收从太赫兹波准直聚焦透镜2整形后的光束，提高了太赫兹光束的利用率。
综上所述，对于本发明提供的一种太赫兹波准直聚焦透镜2，本发明通过在所述第二出光面205的中心凹设中间透射部，所述中间透射部包括有与第一入光面201正对的第一出光面202，且所述第一出光面202与第二出光面205平行，入射至所述太赫兹波准直聚焦透镜2的光线由所述全反射面204反射后自所述第二出光面205出射或者入射至所述第一入光面201后经过所述第一入光面201的折射直接自所述第一出光面202沿竖直方向出射，也即本发明的太赫兹波准直聚焦透镜2，采用中间透射式结构与四周全反射式结构相结合，能够显著提高透镜对波束的整形效果和能量透过率。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种太赫兹波准直聚焦透镜，包括呈圆锥台状的透镜本体，所述透镜本体直径较小端凹设有一容置空间，所述容置空间包括第一入光面及第二入光面，所述透镜本体还包括有与第二入光面连接的全反射面以及与全反射面连接的第二出光面，其特征在于：所述第二出光面的中心凹设有中间透射部，所述中间透射部包括有与第一入光面正对的第一出光面，且所述第一出光面与第二出光面平行，所述第一入光面、第二入光面及全反射面为自由曲面，所述第一入光面、第二入光面及全反射面分别能调整入射光线的角度以使自所述第一出光面出射的光线与自所述第二出光面出射的光线与竖直方向的夹角小于3°；
能通过调整所述第一入光面、第二入光面及全反射面的面形状使自所述第一出光面出射的光线与自所述第二出光面出射的光线相互平行且均沿竖直方向出射，以完成太赫兹波束的整形；
所述透镜本体还包括安装定位面，所述安装定位面连接所述全反射面及所述第二出光面且与所述第二出光面垂直；
所述中间透射部还包括有拔模面，所述拔模面分别连接第一出光面及第二出光面且所述拔模面与所述第二出光面垂直；
所述第一入光面的底面宽度与所述第一出光面的宽度相同。
2.根据权利要求1所述的太赫兹波准直聚焦透镜，其特征在于，所述第一出光面及/或第二出光面设有增透膜或者形成有增透结构。
3.根据权利要求1所述的太赫兹波准直聚焦透镜，其特征在于，所述第一入光面为背离所述第一出光面的凸弧面且入射至所述第一入光面的光线均从所述第一出光面出射。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的太赫兹波准直聚焦透镜，其特征在于，所述太赫兹波准直聚焦透镜由聚甲基丙烯酸甲酯、4-甲基戊烯、高阻硅或者聚四氟乙烯材料的任意一种经注塑成型制造而成。
5.一种太赫兹波系统，其包括：太赫兹波源、太赫兹波准直聚焦透镜和太赫兹波探测器；所述太赫兹波源包括电路板及位于电路板上的太赫兹芯片，所述太赫兹波准直聚焦透镜设置于所述电路板上，所述太赫兹波探测器位于所述太赫兹波准直聚焦透镜的出光光路上，其特征在于，所述太赫兹波准直聚焦透镜为如权利要求1至4任意一项所述的太赫兹波准直聚焦透镜，且所述太赫兹芯片位于所述容置空间；
中间透射部包括有与第一入光面正对的第一出光面，且所述第一出光面与第二出光面平行，入射至所述太赫兹波准直聚焦透镜的光线由所述全反射面反射后自所述第二出光面出射或者入射至所述第一入光面后经过所述第一入光面的折射直接自所述第一出光面沿竖直方向出射。
6.根据权利要求5所述的太赫兹波系统，其特征在于，所述太赫兹波探测器包括探测面，所述探测面的直径与所述第二出光面的直径相同。
7.根据权利要求6所述的太赫兹波系统，其特征在于，所述太赫兹波准直聚焦透镜由聚甲基丙烯酸甲酯、4-甲基戊烯、高阻硅或者聚四氟乙烯材料的任意一种经注塑成型制造而成。
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