TWI614545B - 大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統 - Google Patents

大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統 Download PDF

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Abstract

用於太赫茲-吉赫茲影像系統的鏡片系統。每一個提出的鏡片系統都包含或是球面狀或是非球面狀或是平面狀的兩個薄鏡片元件，在此這些鏡片元件可以組合起來提供具有小光圈值的太赫茲-吉赫茲折光能力。鏡片系統可以將太赫茲-吉赫茲波轉向進而在平面狀太赫茲-吉赫茲影像感測器形成物件的影像(像是人體大小物件)。為了達到夠好的聚焦品質，鏡片元件的曲率半徑、輪廓、距離與非球面係數都是可以調整選擇的。鏡片元件相互距離以及鏡片元件與影像感測器距離都是可以調整的，藉以改變焦距長度與聚焦距離來達到最佳化的視野角與影像解析度。這些鏡片的大小尺寸可以隨著物件的大小尺寸或是孔徑欄的大小尺寸而相對應改變。

Description

大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統
本發明係關於可以用來聚焦自物件反射過來或是傳輸通過的太赫茲-吉赫茲(Terahertz-Gigahertz)波以形成影像的太赫茲-吉赫茲鏡片系統，特別是描述同時具有大光圈(小光圈值)與高解析能力(僅受限於繞射)但又能保持整體尺寸大小與重量在可以接受範圍內的太赫茲-吉赫茲鏡片系統。
太赫茲-吉赫茲影像形成與訊號偵測與能否有效地在空間中控制與轉移太赫茲-吉赫茲波有關。由於太赫茲-吉赫茲波的特殊性質可以用來識別像是隱藏在纖維衣物下的金屬武器等的隱藏物件，太赫茲-吉赫茲波已經被應用在安全檢查工具。但是可以減輕繞射極限(diffraction limitation)的影響又可以減少像差(aberration)以達到高影像解析度並可以提供涵蓋整個人體大小物件(大小約200公分)的視野角(field of view)的單一大光圈鏡片系統仍然是需要發展的。
在發展工作原理類似於攝影者普遍使用的光學照相機的太赫茲-吉赫茲照相機時，太赫茲-吉赫茲照相機所用的太赫茲-吉赫茲鏡片是很基本的原件，甚至比照像機機身/殼體還重要。太赫茲-吉赫茲鏡片的一大問題是在於材料，目前太赫茲-吉赫茲鏡片的主流材料是聚合物(polymer)或電介質(dielectrics)，前者像是黃玉(Topas)、交聯聚苯乙烯微波塑料(Rexolite)、聚甲基戊烯(polymethylpentene/TPX)、聚乙烯(Polyethylene/PE)或是鐵氟龍(Teflon)，後者像是矽(silicon)，但這些主流材料都不是在標準大尺寸光學系統中普遍被使用的光學材料。因此，在製造大尺寸的太赫茲-吉赫茲鏡片(特別是可以減少體積的非球面狀太赫茲-吉赫茲鏡片)時往往會面臨材料成本昂貴、沒有實際可用材料或是沒有現成可用材料的問題。附帶的，儘管聚合物材料已經普遍被應用來製作太赫茲-吉赫茲鏡片，在較為嚴苛的環境中這些聚合物材料往往有不穩定的問題。除此之外，聚合物材料的折射係數通常都不大，進而引發偏低的折光能力(refractive power)以及設計上受限制(design limitations)。
鏡片設計是太赫茲-吉赫茲系統中關鍵的一環，這是因為光學照相機中已知的許多重要特徵在太赫茲-吉赫茲系統仍是不明確的，這些重要特徵包括了透過鏡片設計來達到高解析度以及具有可調整焦距(focal length)的能力。對於前者，太赫茲-吉赫茲系統的解析度本質上是受限於這些鏡片的繞射極限。因此，有必要一方面加大太赫茲-吉赫茲系統所 使用鏡片的直徑而另一方面又盡可能地讓這些鏡片又薄又輕。對於後者，一個光學系統需要至少二個鏡片元件才能調整焦距長度，如此雖然會增加設計複雜度特別是所使用材料對光的吸收是一個必須考量的因素，但同時也可以進一步地改善影像品質。使用鏡片系統的另一個好處是可以又保持大光圈而又可以減少像差，進而有利於實現兼具高解析度與可調整視野角的種種影像應用。無論如何，使用鏡片系統也會有一些缺點，像是重量增加、成本增加、吸收增多、殼體設計的需要以及較複雜的鏡片系統設計。因此，限制使用鏡片數目以及使用較薄較輕的鏡片是鏡片設計的關鍵。
綜上所述，有需要提供具有至少大光圈、高解析度與可調整焦距長度的太赫茲-吉赫茲鏡片系統。
本發明提出具有大光圈的太赫茲-吉赫茲鏡片系統。本發明藉由使用一些特殊的鏡片配置(lenses configurations)搭配一些特殊的鏡片材料(lenses materials)來實現如此的太赫茲-吉赫茲鏡片系統。
本發明提出的太赫茲-吉赫茲鏡片系統所具有的視野角可以在幾公尺的距離內得到人體大小物件的影像，並能同時實現大光圈尺寸以及高解析度。藉由改變鏡片元件之間的距離或是調整影像偵測器在光軸(optical axis)的位置，本發 明提出的太赫茲-吉赫茲鏡片系統可以聚焦位於不同距離處的不同物件。
本發明的一些實施例係有關於使用具有不同折射係數的不同材料的一些鏡片系統設計的變化。在一實施例，這些鏡片元件的材料是玻璃，並且每一個鏡片元件有兩個不同的球面狀表面。在另一個實施例，這些鏡片元件的材料是玻璃，並且二個鏡片元件中的每一個都有一個球面狀表面與一個非球面狀表面。在又一個實施例，這些鏡片元件的材料是石英，其中一個鏡片元件有一個非球面狀表面與一個球面狀表面而另一個鏡片元件有二個不同的球面狀表面。在再一個實施例，這些鏡片元件的材料是石英，其中一個鏡片元件有一個球面狀表面與一個平面狀表面而另一個鏡片元件有二個不同的球面狀表面。除此之外，在所有上述實施例中，諸如用以形成鏡片元件的材料的折射係數、這些鏡片元件之間的距離、每一個鏡片元件的厚度以及每一個鏡片元件的每一個表面的曲率半徑都是可以輕微調整的。因此，在每一個上述實施例，有效焦距長度(Effective Focal Length/EFL)、半視野角(Half Field-Of-View)與光圈值(f-number/F#)也都是可以稍微調整的而不是被嚴格限制的。
100、200、300、400‧‧‧鏡片系統
101、201、301、401‧‧‧鏡片元件
102、202、302、402‧‧‧鏡片元件
110、210、310、410‧‧‧影像感測器
120、220、320、420‧‧‧孔徑欄
第一A圖到第一C圖為太赫茲-吉赫茲鏡片系統的一個使用二個玻璃製鏡片元件的實施例的橫截面示意圖與鏡片品質數據。
第二A圖到第二C圖為太赫茲-吉赫茲鏡片系統的一個使用二個玻璃製鏡片元件的實施例的橫截面示意圖與鏡片品質數據。
第三A圖到第三C圖為太赫茲-吉赫茲鏡片系統的一個使用二個石英製鏡片元件的實施例的橫截面示意圖與鏡片品質數據。
第四A圖到第四C圖為太赫茲-吉赫茲鏡片系統的一個使用二個石英製鏡片元件的實施例的橫截面示意圖與鏡片品質數據。
本發明的詳細描述將藉由以下的實施例討論，這些實施例並非用於限制本發明的範圍，而且可適用於其他應用中。圖示揭露了一些細節，必須理解的是揭露的細節可不同於已透露者，除非是明確限制特徵的情形。
提出的幾個實施例都是與太赫茲-吉赫茲波有關的鏡片系統，並皆可以在一個合理的距離內解析大尺寸的物件。提出的鏡片系統實施例皆可以被整合應用到任何的太赫茲-吉赫茲照相機或是太赫茲-吉赫茲影像系統或是太赫茲-吉赫茲感測系統以提供需要的有效焦距長度。
四個太赫茲-吉赫茲鏡片系統的實施例被特別提出討論。其中之一有兩個玻璃製的鏡片元件並且這些鏡片的表面都是互不相同的球面狀表面。其中另一有兩個玻璃製的鏡片元件並且每一個鏡片皆有一個球面狀表面與一個非球面狀表面。
其中又一有二個石英製的鏡片並且一個鏡片具有兩個不同的球面狀表面而另一個鏡片具有一個球面狀表面和一個非球面狀表面。其中再一有二個石英製的鏡片並且一個鏡片有一個球面狀表面與一個平面狀表面而另一個鏡片有兩個不同的球面狀表面。
附帶地，這些實施例都是設定物件位於這鏡片系統的左側而影像感測器位於這物件系統的右側。並且，如相對應的圖示所示，這些鏡片元件都是選轉對稱(rotational symmetrical)於自鏡片系統左側延伸至鏡片系統右側的光軸(optical axis)。
除此之外，每一個被提出的實施例都有一個特定的有效聚焦長度、一個特定的光圈值與一個特定的半視野角。也就是說，每一個被提出的實施例都有一個獨特的有效聚焦長度、一個獨特的光圈值與一個獨特的半視野角。換句話說，本發明的每一個變化都可以有其獨特的有效聚焦長度、獨特的光圈值與獨特的半視野角。必須注意的是藉由調整兩個鏡片元件之間的距離可以改變有效聚焦長度，並連帶地改變半視野角與 光圈值。有效聚焦長度(EFL)的定義是根據無限遠共軛(infinite connnnnjugate)計算自鏡片系統的後主平面(real principal plane)到位於最後一個鏡片元件後面的後焦點(rear focal point)(也就是說這些鏡片元件最右側的表面)的距離。半視野角(HFOV)的定義是HFOV=tan-1(SS/2f)，其中SS是影像感測器的直徑(若是矩形時便是寬度或高度)。光圈值(f-number)的定義是f-number=EFL/D，其中D是孔徑欄的直徑。當然，半視野角是視野角的一半，而半視野角與視野角二者都可以被用來評估鏡片系統的品質。
可選擇地，每一個提出的鏡片系統都可以再包含一個位於光軸上第一個鏡片元件前面(或說是位於這些鏡片元件最左側表面的左側)的孔徑欄(aperture stop)。孔徑欄的作用是阻止不需要的太赫茲-吉赫茲波甚至其他雜訊進入鏡片系統。孔徑欄是設計被放置在鏡片系統的頂點(vertex)或其附近，並且理想上孔徑欄的中心係位於光軸上。為了處理鏡片組裝的公差(tolerance)或是其他鏡片/系統的設計限制(design constraint)，孔徑欄的位置可以靠近或遠離光軸上第一個鏡片元件。進一步地，孔徑欄的尺寸大小也是可以調整的藉以讓更多或更少的光通過或是符合因應固定鏡片系統而成的鏡片系統殼體的物理限制。孔徑欄的材料可以是能夠反射太赫茲-吉赫茲波的金屬或是能夠吸收太赫茲-吉赫茲波的吸收體或甚至是用以製作鏡片系統殼體部分元件的材料。理想上，孔徑欄也應當用可吸收太赫茲-吉赫茲波的材料覆蓋/製成，藉以移除不 需要的反射。合理地，調整孔徑欄的直徑來減少鏡片像差時也會增加鏡片系統的繞射。舉例來說，進一步地收縮孔徑欄將減少已經達到繞射極限的鏡片系統的解析能力，雖然在鏡片像差是降低影像品質的主要原因時(往往發生在太赫茲-吉赫茲波的頻率偏高時)收縮孔徑欄也將改善鏡片系統的解析能力。
可選擇地，每一個提出的鏡片系統都可以再包含一個位於光軸上第二個鏡片元件後面(或說是位於這些鏡片元件最右側表面的右側)的影像感測器。影像感測器係用來接收與偵測傳輸通過這些鏡片元件的太赫茲-吉赫茲波。任何商業化的、已知的、發展中的或是將來出現的可以接收與偵測太赫茲-吉赫茲波的感測器都可以使用，本發明並不限制影像感測器的細節。舉例來說，影像感測器可以是二維平面陣列(2D planar array)的太赫茲-吉赫茲影像感測器。此外，這些鏡片元件與影像感測器之間的距離是調整的，藉以允許在不需要修改這些鏡片元件的組態時便可以形成不同物件距離(像是不同尺寸大小的物件)的影像。
第一A圖繪示了一個樣例用實施例(鏡片系統100)的橫截面結構。鏡片系統100至少具有依序沿著光軸放置的兩個鏡片元件101與102，為了涵蓋頻率介於100吉赫(GHz)到300吉赫的種種(太赫茲-吉赫茲影像)應用，這二個鏡片元件101與102是用折射係數2.52的玻璃所形成。鏡片元件101的左表面與右表面(第二表面與第三表面)都是球面 狀表面但是二者的曲率半徑並不相同，並且鏡片元件102的左表面與右表面(第四表面與第五表面)也都是球面狀表面但是各有各的曲率半徑。鏡片系統100可以再包含孔徑欄120與影像感測器110。在鏡片系統100，孔徑欄120(第一表面)可以與鏡片元件101的左表面(第二表面)稍微的錯開，而影像感測器110可以在計算半視野角時被視為長10公分寬10公分的平面。但是，影像感測器110並不需要嚴格限定在這樣的尺寸，因為鏡片照明區域(lens illumination area)是固定的而感測器尺寸大小可以調整到大於或小於此。
第一A表顯示了鏡片系統100的鏡片系統數據。鏡片系統100具有下述的性質：光圈值0.92、有效焦距長度267公厘、半視野角11°以及鏡頭總長(total track length/TTL)468公厘。
第一B表顯示了鏡片系統100的鏡片系統相關細節。
在此，曲率半徑是正的如果曲率中心是在鏡片元件的右側，直徑是與光軸垂直方向上橫截面的大小，厚度/距離的定義是沿著光軸上相鄰兩個平面間的距離。舉例來說，第二表面的厚度/距離的定義是沿著光軸方向上鏡片元件101的厚度，而第五表面的厚度/距離的定義是沿著光軸方向上鏡片元件102右表面到影像感測器110的距離。鏡片系統中鏡頭總長的定義是指沿著光軸從這些鏡片元件最左側的表面到影像感測器的長度。
如第一B表所示，鏡片元件101與鏡片元件102的左表面的曲率半徑(531公厘/188公厘)都比其右表面的曲率半徑(1636公厘/427公厘)來得小。鏡片元件101的厚度(27公厘)小於鏡片元件102的厚度(38公厘)， 而且孔徑欄120與鏡片元件101間的距離(0公厘)小於鏡片元件102與影像感測器110的距離(52公厘)。如此的鏡片系統100有利於測量尺寸大小2000公厘並沿著光軸與孔徑欄120相距4500公厘的物件。
第一B圖與第一C圖係用來強調這個樣例的鏡片系統100的品質表現。如第一B圖所示，所有計算的調制轉換函數(Modulation Transfer Function/MTF)相對於空間頻率曲線(Spatial Frequency Curves)在不同的物件高度都顯示了逼近繞射極限曲線的結果，在此調制轉換函數包括了切線的(Tangential/T)與弧矢的(Sagittal/S)這二部分，而不同物件高度包括了T/S為0.00公厘、707.00公厘與1000.00公厘這三種狀況。如第一C圖所示，不論太赫茲-吉赫茲波所來自的物件的高度是0.00公厘、707.00公厘與1000.00公厘，光程差(optical path difference)總是小於太赫茲-吉赫茲波的半波長，不論是在X軸或Y軸(當光軸是Z軸)。須注意在此的計算是以100吉赫為準。
第二A圖繪示了一個樣例用實施例(鏡片系統200)的橫截面結構。鏡片系統200至少具有依序沿著光軸放置的兩個鏡片元件201與202，為了涵蓋頻率介於100吉赫到300吉赫的種種(太赫茲-吉赫茲影像)應用，這二個鏡片元件201與202是用折射係數2.52的玻璃所形成。鏡片元件201與鏡片元件202的左表面(第二表面與第四表面)都是 非球面狀表面但是二者並不相同，並且鏡片元件201與鏡片元件202的右表面(第三表面與第五表面)都是球面狀表面但也是各不相同。鏡片系統200可以再包含孔徑欄220與影像感測器210。在鏡片系統200，孔徑欄220(第一表面)可以與鏡片元件201的左表面(第二表面)稍微的錯開，而影像感測器210可以在計算半視野角時認定為長10公分寬10公分的平面。但是，影像感測器210並不需要嚴格限定在這樣的尺寸，因為鏡片照明區域(lens illumination area)是固定的而感測器尺寸大小可以調整到大於或小於此。
第二A表顯示了鏡片系統200的鏡片系統數據。鏡片系統200具有下述的性質：光圈值0.70、有效焦距長度211公厘、半視野角13°以及鏡頭總長302公厘。
第二B表顯示了鏡片系統200的鏡片系統相關細節。
在此，曲率半徑、直徑、厚度/距離與鏡頭總長的定義都與上述的討論相同。此外，鏡片表面的頂點(vertex)係指光軸與鏡片表面的交會點。而如果這個表面是非球面狀，曲率半徑的定義是指在鏡片表面頂點處的曲線的曲率半徑。
如第二B表所示，鏡片元件201與鏡片元件202的左表面的曲率半徑(232公厘/159公厘)都比其右表面的曲率半徑(382公厘/172公厘)來得小。鏡片元件201的厚度(45公厘)大於鏡片元件202的厚度(32公厘)，而且孔徑欄220與鏡片元件201間的距離(0公厘)小於鏡片元件202與影像感測器210的距離(43公厘)。如此的鏡片系統200有利於測量尺寸大小2000公厘並沿著光軸與孔徑欄220相距4500公厘的物件。
第二B圖與第二C圖係用來強調這個樣例的鏡片系統200的品質表現。如第二B圖所示，所有計算的調 制轉換函數(Modulation Transfer Function/MTF)相對於空間頻率曲線(Spatial Frequency Curves)在不同的物件高度都顯示了逼近繞射極限曲線的結果，在此調制轉換函數包括了切線的(Tangential/T)與弧矢的(Sagittal/S)這二部分，而不同物件高度包括了T/S為0.00公厘、707.00公厘與1000.00公厘這三種狀況。如第二C圖所示，不論太赫茲-吉赫茲波所來自的物件的高度是0.00公厘、707.00公厘與1000.00公厘，光程差(optical path difference)總是小於太赫茲-吉赫茲波的半波長，不論是在X軸或Y軸(當光軸是Z軸)。須注意在此的計算是以100吉赫為準。
第三A圖繪示了一個樣例用實施例(鏡片系統300)的橫截面結構。鏡片系統300至少具有依序沿著光軸放置的兩個鏡片元件301與302，為了涵蓋頻率介於300吉赫到500吉赫的種種(太赫茲-吉赫茲影像)應用，這二個鏡片元件301與302是用折射係數1.96的石英所形成。鏡片元件301的左表面(第二表面)是非球面狀表面但其右表面(第三表面)是球面狀表面，相對地鏡片元件302的左表面與右表面(第四表面與第五表面)都是球面狀表面但是各不相同。鏡片系統300可以再包含孔徑欄320與影像感測器310。在鏡片系統300，孔徑欄320(第一表面)可以與鏡片元件301的左表面(第二表面)稍微的錯開，而影像感測器310可以在計算半視野角時被視為長10公分寬10公分的平面。但是，影像感測器310並不需要嚴格限定在這樣的尺寸，因為鏡片照明 區域(lens illumination area)是固定的而感測器尺寸大小可以調整到大於或小於此。
第三A表顯示了鏡片系統300的鏡片系統數據。鏡片系統300具有下述的性質：光圈值1.07、有效焦距長度290公厘、半視野角10°以及鏡頭總長397公厘。
第三B表顯示了鏡片系統300的鏡片系統相關細節。
在此，曲率半徑、直徑、厚度/距離與鏡頭總長的定義都與上述的討論相同。此外，鏡片表面的頂點(vertex)係指光軸與鏡片表面的交會點。而如果這個表面是非 球面狀，曲率半徑的定義是指在鏡片表面頂點處的曲線的曲率半徑。
如第三B表所示，鏡片元件301與鏡片元件302的左表面的曲率半徑(216公厘/113公厘)都比其右表面的曲率半徑(1390公厘/163公厘)來得小，並且鏡片元件301的厚度(50公厘)大於鏡片元件302的厚度(30公厘)。孔徑欄320與鏡片元件301間的距離(0公厘)小於鏡片元件302與影像感測器310的距離(43公厘)。如此的鏡片系統300有利於測量尺寸大小2000公厘並沿著光軸與孔徑欄320相距5500公厘的物件。
第三B圖與第三C圖係用來強調這個樣例的鏡片系統300的品質表現。如第三B圖所示，所有計算的調制轉換函數(Modulation Transfer Function/MTF)相對於空間頻率曲線(Spatial Frequency Curves)在不同的物件高度都顯示了逼近繞射極限曲線的結果，在此調制轉換函數包括了切線的(Tangential/T)與弧矢的(Sagittal/S)這二部分，而不同物件高度包括了T/S為0.00公厘、707.00公厘與1000.00公厘這三種狀況。如第三C圖所示，不論太赫茲-吉赫茲波所來自的物件的高度是0.00公厘、707.00公厘與1000.00公厘，光程差(optical path difference)總是小於太赫茲-吉赫茲波的半波長，不論是在X軸或Y軸(當光軸是Z軸)。須注意在此的計算是以300吉赫為準。
第四A圖繪示了一個樣例用實施例(鏡片系統400)的橫截面結構。鏡片系統400至少具有依序沿著光軸放置的兩個鏡片元件401與402，為了涵蓋頻率介於100吉赫到300吉赫的種種(太赫茲-吉赫茲影像)應用，這二個鏡片元件401與402是用折射係數1.96的石英所形成。鏡片元件401的左表面(第二表面)是球面狀表面但其右表面(第三表面)是平面狀表面，相對地鏡片元件402的左表面與右表面(第四表面與第五表面)都是球面狀表面但是各不相同。鏡片系統400可以再包含孔徑欄420與影像感測器410。在鏡片系統400，孔徑欄420(第一表面)可以與鏡片元件401的左表面(第二表面)稍微的錯開，而影像感測器410可以在計算半視野角時被視為長10公分寬10公分的平面。但是，影像感測器410並不需要嚴格限定在這樣的尺寸，因為鏡片照明區域(lens illumination area)是固定的而感測器尺寸大小可以調整到大於或小於此。
第四A表顯示了鏡片系統400的鏡片系統數據。鏡片系統400具有下述的性質：光圈值0.71、有效焦距長度200公厘、半視野角14°以及鏡頭總長339.4公厘。
第四B表顯示了鏡片系統400的鏡片系統相關細節。
在此，曲率半徑、直徑、厚度/距離與鏡頭總長的定義都與上述的討論相同。
如第四B表所示，鏡片元件401與鏡片元件402的左表面的曲率半徑(334公厘/163公厘)都比其右表面的曲率半徑(無限大公厘/623公厘)來得小，並且鏡片元件401的厚度(45公厘)小於鏡片元件402的厚度(40公厘)。孔徑欄420與鏡片元件401間的距離(0公厘)小於鏡片元件 402與影像感測器410的距離(49公厘)。如此的鏡片系統400有利於測量尺寸大小2000公厘並沿著光軸與孔徑欄420相距4000公厘的物件。
第四B圖與第四C圖係用來強調這個樣例的鏡片系統400的品質表現。如第四B圖所示，所有計算的調制轉換函數(Modulation Transfer Function/MTF)相對於空間頻率曲線(Spatial Frequency Curves)在不同的物件高度都顯示了逼近繞射極限曲線的結果，在此調制轉換函數包括了切線的(Tangential/T)與弧矢的(Sagittal/S)這二部分，而不同物件高度包括了T/S為0.00公厘、707.00公厘與1000.00公厘這三種狀況。如第四C圖所示，不論太赫茲-吉赫茲波所來自的物件的高度是0.00公厘、707.00公厘與1000.00公厘，光程差(optical path difference)總是小於太赫茲-吉赫茲波的半波長，不論是在X軸或Y軸(當光軸是Z軸)。須注意在此的計算是以100吉赫為準。
非球面狀表面所使用的非球面表面方程式與係數係顯示在第五表。在第五表所顯示的方程式中，sag是鏡片表面相對於頂點的位移量(displacement)在Z軸(亦即光軸)的分量，r是相對於頂點的曲率半徑距離的r方向分量(半徑方向分量)，K是錐狀常數(conic constant)，c是在頂點處的曲率(curvature)(其相等於頂點處曲率半徑的倒數(reciprocal)，而A,B與C是非球面係數(aspheric coefficient)。
必須強調地是在第一B表、第二B表、第三B表與第四B表所列出的這些參數的數值都是可以再略為調整，不論是曲率半徑、厚度、距離、折射係數或是其他。這些參數數值的輕微調整仍能達到相似的鏡片系統品質表現，或進一步減少鏡片像差，或與相對應的鏡片殼體設計相匹配，或是容許製造過程中折射係數偏差，或是達到其它的好處。當然，諸如尺寸大小等的變化會自動地引起在第一A表、第二A表、第三A表與第四A表中相對應參數的相應變化。
第六A表與第六B表呈現了上述樣例的鏡片系統100/200/300/400可以接受的參數調整範圍與設計公差的變化。
這些樣例的鏡片系統的幾何配置是可以調整的參數，例如鏡片元件的厚度、鏡片元件每個表面的曲率半徑、以及每一對鏡片元件彼此間的距離。此外，這些鏡片元件的材料性質僅僅受限於其折射係數。也就是說，玻璃與石英只是兩個可能的材料，但是鏡片元件可以是用任何折射係數位於第六A表所示折射係數範圍內的材料所形成。因此，具有相似的折射係數的多種材料都是這些樣例的鏡片系統 100/200/300/400可以接受的變化。為了簡化說明書與圖示，這些可以接受變化的鏡片系統數據並沒有特別地顯示。
顯然地，藉由參照第六A表與第六B表，在第一A圖、第二A圖、第三A圖與第四A圖所顯示的這些樣例的實施例都可以稍作變更而產生本發明的其他樣例的實施例。舉例來說，藉由參照第六A表與第六B表，第一A圖所示的鏡片系統100可以有下述的變化：鏡片元件101的厚度介於17公厘到37公厘之間(第一B表顯示27公厘而第六A表顯示了介於減10公厘到加10公厘的範圍)，鏡片元件102的厚度介於28公厘到48公厘之間(第一B表顯示38公厘而第六A表顯示了介於減10公厘到加10公厘的範圍)，而鏡片元件101與鏡片元件102相互分隔的距離介於190公厘到450公厘之間(第六A表直接呈現了這個範圍)。當然，鏡片元件101與102二者的每個表面的曲率半徑也都可用相同的方式來變動。舉例來說，第一A圖所示的鏡片系統100的變化可以是鏡片元件101的左表面的曲率半徑介於477.1公厘到584.1公厘之間(第一B表顯示531公厘而第六A表顯示介於減10%到加10%的範圍)而右表面的曲率半徑介於1472.4公厘到1799.6公厘之間(第一B表顯示1636公厘而第六A表顯示介於減10%到加10%的範圍)，並且鏡片元件102的左表面的曲率半徑介於179.2公厘到206.8公厘之間(第一B表顯示188公厘而第六A表顯示介於減10%到加10%的範圍)而右表面的曲率半徑介於384.3公厘到469.7公厘之間(第一B表 顯示427公厘而第六A表顯示介於減10%到加10%的範圍)。除此之外，藉由參考第六A表，第一A圖所示的鏡片系統100可以有下述的變化：鏡片元件101與102是由折射係數介於2.32到2.72之間的材料所形成(第一B表顯示折射係數2.52而第六A表顯示介於減0.2到加0.2的範圍)，進而增加了可以用來形成鏡片元件101與102的可能材料範圍。此外，如第六B表所示，第一A圖所示的鏡片系統100可以有下述的變化：有效焦距長度介於185公厘到400公厘、半視野角介於7°到15°之間、光圈值介於0.64到1.38之間、以及相對應的頻率介於80吉赫到300吉赫之間。除此之外，對於每一個鏡片系統，在所有具有可以接受的折射係數的材料中，具有較輕的重量以及對於第六B表所示頻率範圍有較少的太赫茲-吉赫茲波吸收的材料較為適用。顯然地，對於鏡片系統100的種種變化，位於鏡片元件101與102左側並位於14°到30°的視野角內的物件可以透過鏡片系統100形成影像。當然，雖然沒有在此特別描述，藉由參照第六A表與第六B表，透過使用上述的輕微變更第一A圖所示樣例的實施例的方法，在第二A圖、第三A圖與第四A圖所描述的樣例的實施例也可以輕微地變更來產生其他樣例的實施例。
在這些樣例的實施例，使用玻璃或石英的一個理由是其易於將鏡片元件加工成需求的輪廓，特別是當鏡片元件的直徑大時及/或鏡片元件有非球面狀表面時。附帶地，石英的使用還有一個好處便是相對應的電磁耗損 (electromagnetic loss)較小。須注意的是石英的折射係數比玻璃的折射係數通常較不會隨著太赫茲-吉赫茲波頻率的變化而變化。此外，太赫茲-吉赫茲波會如何被材料所吸收以及材料的折射係數是如何地隨著太赫茲-吉赫茲波頻率的變化而變化，是在決定鏡片元件的尺寸大小與材料時的二個因素。
注意第六A表允許調整鏡片元件之間的距離。也就是說，對於這個發明，鏡片元件的相對距離不只可以如第一B表、第二B表、第三B表與第四B表所示般固定，也可以如第六A表所示般在一個範圍內調整並進而產生可調整的有效焦距長度/半視野角/光圈值，這樣的特徵對於許多商業化與實用的應用都是有利的。附帶地，雖然上述討論的實施例係適用於將直徑2000公厘且位於距離這些鏡片元件4000公厘到5500公厘的物件形成影像，本發明的種種應用並不限於此。實際上，若鏡片系統係被設計來將直徑小於一個極大值X公厘並位於這些鏡片元件左側且與這些鏡片元件最左側表面相距Y公厘的物件形成影像，X與Y的相對比例是一個可調整變數並且與鏡片系統的配置有關，像是鏡片元件的材料、每一個鏡片元件的曲率半徑以及不同鏡片元件間的距離。相同地，影像感測器與這些鏡片元件最右側表面的距離也是可調整變數並且取決於物件與鏡片系統的距離以及不同鏡片元件間相互距離。
顯然地，藉由使用上述討論實施例或變化的一或多者，直徑(例如高度及/或寬度)介於80公分到200公分 之間的物件可以在離物件0.5公尺到5.5公尺處形成可以覆蓋大小100平方公分影像感測器的影像。在此，這些鏡片元件右側那個與影像感測器(影像平面)間的距離是可以調整的以便於聚焦物件。附帶地，藉由使用上述討論實施例或變化的一或多者，鏡片系統可以聚焦與鏡片系統的距離介於0.5公尺到無限大的物件。
除此之外，不論使用的材料是玻璃及/或石英，鏡片系統的總重量(gross weight)可以小於10公斤。
除此之外，雖然上述討論的實施例使用的孔徑欄係位於這些鏡片元件的左側並且具有無限大的曲率半徑與300公厘的有限直徑，本發明並不限制孔徑欄的細節。舉例來說，孔徑欄的直徑可以大於300公厘，甚至大於鏡片元件101/201/301/401的直徑。在此狀況，鏡片元件101/201/301/401的直徑可以相對地增加，但是其邊緣厚度可能太薄而不可能製作。相對地，孔徑欄的直徑也可以小於300公厘，甚至小於鏡片元件101/201/301/401的直徑(如第一B表、第二B表、第三B表與第四B表所示)。在此狀況，鏡片元件101/201/301/401的直徑可以縮小來匹配孔徑欄的直徑。附帶地，在鏡片元件102/202/302/402的位置靠近影像平面並且物件尺寸小時，鏡片元件102/202/302/402的直徑與影像感測器的直徑都可以隨著物件直徑而等比例地縮小。
附帶一提地，雖然上述實施例中鏡片元件是分別以101/201/301/401與102/202/302/402這樣的編號來指稱，但由於這個個鏡片元件是沿著光軸排列，也可以分別以第一鏡片元件與第二鏡片元件來指稱。
顯然地，依照上面實施例中的描述，本發明可能有許多的修正與差異。因此需在其附加的權利請求項的範圍內加以理解，除上述詳細描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例中施行。上述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用以限定本發明的申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在下述申請專利範圍內。
401、402‧‧‧鏡片元件
410‧‧‧影像感測器
420‧‧‧孔徑欄

Claims (32)

  1. 一種大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，包含：一第一鏡片元件，該第一鏡片元件的左表面是曲率半徑大約介於477.9公厘到589.1公厘的一球面狀表面並且該第一鏡片元件的直徑大約為300公厘，該第一鏡片元件的右表面是曲率半徑大約介於1472.4公厘到1799.6公厘的一球面狀表面並且第一鏡片元件的直徑大約為300公厘，在此該第一鏡片元件的厚度大約介於17公厘到37公厘；以及一第二鏡片元件，該第二鏡片元件的左表面是曲率半徑大約介於169.2公厘到206.8公厘的一球面狀表面並且該第一鏡片元件的直徑大約為240公厘，該第二鏡片元件的右表面是曲率半徑大約介於384.3公厘到469.7公厘的一球面狀表面並且該第一鏡片元件的直徑大約為240公厘，在此該第一鏡片元件的厚度大約介於24公厘到48公厘；在此，該第一鏡片元件與該第二鏡片元件之間的距離大約介於190公厘到450公厘；在此，該第一鏡片元件與該第二鏡片元件係沿著一光軸而同中心地排列；在此，該第一鏡片元件與該第二鏡片元件都是由折射率大約介於2.32到2.72的材料所形成。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，每一個該鏡片元件都是由玻璃所形成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，更包含位於該第一鏡片元件左側的一孔徑欄，該孔徑欄具有無限大的曲率半徑以及大約為290公厘的直徑，在此該孔徑欄與該第一鏡片元件的左表面的距離大約為0公厘。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，在此該鏡片系統的半視野角的範圍大約介於7°到15°，在此位於該些鏡片元件左側並且位於視野角的範圍大約介於14°到30°間的一物件可以被位於該些鏡片元件右側的一影像感測器所偵測。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，該鏡片系統係設計來形成直徑大小大約為2000公厘並且位於該第一鏡片元件左側並且相距大約4500公厘的一物件的一影像。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，更包含位於該第二鏡片元件右側的一影像感測器，該影像感測器具有無限大的曲率半徑與大約為100公厘的直徑，在此該影像感測器與該第二鏡片元件右表面的距離係為一變數，該變數取決於該物件與該鏡片系統二者的距離以及該二個鏡片元件的距離。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，更包含位於該第一鏡片元件左側的一孔徑欄，該孔徑欄具有無限大的曲率半徑以及大約為300公厘的有限大直徑，在此該第一鏡片元件的直徑可以縮小以匹配該孔徑欄的直徑。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，在此該鏡片系統係設計來形成位於該第一鏡片元件左側並與該第一鏡片元件有一有限大小距離的一物件的一影像，在此該鏡片系統具有位於該第二鏡片元件右測並與該第二鏡片元件有一有限大小距離的一影像感測器，在此該第二鏡片元件的直徑以及該影像感測器的直徑都可以縮小以匹配該物件的直徑。
  9. 一種大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，包含：一第一鏡片元件，該第一鏡片元件的左表面是曲率半徑大約介於208.8公厘到255.2公厘的一非球面狀表面並且該第一鏡片元件的直徑大約為320公厘，該第一鏡片元件的右表面是曲率半徑大約介於343.8公厘到420.2公厘的一球面狀表面並且該第一鏡片元件的直徑大約為320公厘，在此該第一鏡片元件的厚度大約介於35公厘到55公厘；以及一第二鏡片元件，該第二鏡片元件的左表面是曲率半徑大約介於143.1公厘到174.9公厘的一非球面狀表面並且該第一鏡片元件的直徑大約為170公厘，該第二鏡片元件 的右表面是曲率半徑大約介於154.8公厘到189.2公厘的一球面狀表面並且該第一鏡片元件的直徑大約為170公厘，在此該第一鏡片元件的厚度大約介於22公厘到42公厘；在此，該第一鏡片元件與該第二鏡片元件之間的距離大約介於150公厘到230公厘；在此，該第一鏡片元件與該第二鏡片元件係沿著一光軸而同中心地排列；在此，該第一鏡片元件與該第二鏡片元件都是由折射率大約介於2.32到2.72的材料所形成。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，每一個該鏡片元件都是由玻璃所形成。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，更包含位於該第一鏡片元件左側的一孔徑欄，該孔徑欄具有無限大的曲率半徑以及大約為300公厘的直徑，在此該孔徑欄與該第一鏡片元件的左表面的距離大約為0公厘。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，在此該鏡片系統的半視野角的範圍大約介於12°到14°，在此位於該些鏡片元件左側並且位於視野角的範圍大約介於24°到28°間的一物件可以被位於該些鏡片元件右側的一影像感測器所偵測。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，該鏡片系統係設計來形成直徑大小大約為2000公厘並且位於該第一鏡片元件左側並且相距大約4500公厘的一物件的一影像。
  14. 如申請專利範圍第9項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，更包含位於該第二鏡片元件右側的一影像感測器，該影像感測器具有無限大的曲率半徑與大約為100公厘的直徑，在此該影像感測器與該第二鏡片元件右表面的距離係為一變數，該變數取決於該物件與該鏡片系統二者的距離以及該二個鏡片元件的距離。
  15. 如申請專利範圍第9項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，更包含位於該第一鏡片元件左側的一孔徑欄，該孔徑欄具有無限大的曲率半徑以及大約為300公厘的有限大直徑，在此該第一鏡片元件的直徑可以縮小以匹配該孔徑欄的直徑。
  16. 如申請專利範圍第9項所述之大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，在此該鏡片系統係設計來形成位於該第一鏡片元件左側並與該第一鏡片元件有一有限大小距離的一物件的一影像，在此該鏡片系統具有位於該第二鏡片元件右測並與該第二鏡片元件有一有限大小距離的一影像感測器，在此該第二鏡片元件的直徑以及該影像感測器的直徑都可以縮小以匹配該物件的直徑。
  17. 一種大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，包含：一第一鏡片元件，該第一鏡片元件的左表面是曲率半徑大約介於194.4公厘到237.6公厘的一非球面狀表面並且該第一鏡片元件的直徑大約為300公厘，該第一鏡片元件的右表面是曲率半徑大約介於1251公厘到1529公厘的一球面狀表面並且該第一鏡片元件的直徑大約為300公厘，在此該第一鏡片元件的厚度大約介於40公厘到60公厘；以及一第二鏡片元件，該第二鏡片元件的左表面是曲率半徑大約介於101.7公厘到124.3公厘的一球面狀表面並且該第一鏡片元件的直徑大約為150公厘，該第二鏡片元件的右表面是曲率半徑大約介於146.7公厘到179.3公厘的一球面狀表面並且該第一鏡片元件的直徑大約為150公厘，在此該第一鏡片元件的厚度大約介於24公厘到40公厘；在此，該第一鏡片元件與該第二鏡片元件之間的距離大約介於200公厘到300公厘；在此，該第一鏡片元件與該第二鏡片元件係沿著一光軸而同中心地排列；在此，該第一鏡片元件與該第二鏡片元件都是由折射率大約介於1.76到2.16的材料所形成。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片 系統，每一個該鏡片元件都是由石英所形成。
  19. 如申請專利範圍第17項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，更包含位於該第一鏡片元件左側的一孔徑欄，該孔徑欄具有無限大的曲率半徑以及大約為270公厘的直徑，在此該孔徑欄與該第一鏡片元件的左表面的距離大約為0公厘。
  20. 如申請專利範圍第17項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，在此該鏡片系統的半視野角的範圍大約介於9°到12°，在此位於該些鏡片元件左側並且位於視野角的範圍大約介於18°到24°間的一物件可以被位於該些鏡片元件右側的一影像感測器所偵測。
  21. 如申請專利範圍第20項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，該鏡片系統係設計來形成直徑大小大約為2000公厘並且位於該第一鏡片元件左側並且相距大約5500公厘的一物件的一影像。
  22. 如申請專利範圍第17項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，更包含位於該第二鏡片元件右側的一影像感測器，該影像感測器具有無限大的曲率半徑與大約為150公厘的直徑，在此該影像感測器與該第二鏡片元件右表面的距離係為一變數，該變數取決於該物件與該鏡片系統二者的距離以及該二個鏡片元件的距離。
  23. 如申請專利範圍第17項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，更包含位於該第一鏡片元件左側的一孔徑欄，該孔徑欄具有無限大的曲率半徑以及大約為300公厘的有限大直徑，在此該第一鏡片元件的直徑可以縮小以匹配該孔徑欄的直徑。
  24. 如申請專利範圍第17項所述之大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，在此該鏡片系統係設計來形成位於該第一鏡片元件左側並與該第一鏡片元件有一有限大小距離的一物件的一影像，在此該鏡片系統具有位於該第二鏡片元件右測並與該第二鏡片元件有一有限大小距離的一影像感測器，在此該第二鏡片元件的直徑以及該影像感測器的直徑都可以縮小以匹配該物件的直徑。
  25. 一種大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，包含：一第一鏡片元件，該第一鏡片元件的左表面是曲率半徑大約介於300.6公厘到367.4公厘的一球面狀表面並且該第一鏡片元件的直徑大約為300公厘，該第一鏡片元件的右表面是曲率半徑為無限大的一平面狀表面並且該第一鏡片元件的直徑大約為300公厘，在此該第一鏡片元件的厚度大約介於35公厘到55公厘；以及一第二鏡片元件，該第二鏡片元件的左表面是曲率半徑大約介於119.7公厘到146.3公厘的一球面狀表面並且該第一鏡片元件的直徑大約為180公厘，該第二鏡片元 件的右表面是曲率半徑大約介於558.9公厘到683.1公厘的一球面狀表面並且該第一鏡片元件的直徑大約為180公厘，在此該第一鏡片元件的厚度大約介於30公厘到50公厘；在此，該第一鏡片元件與該第二鏡片元件之間的距離大約介於200公厘到290公厘；在此，該第一鏡片元件與該第二鏡片元件係沿著一光軸而同中心地排列；在此，該第一鏡片元件與該第二鏡片元件都是由折射率大約介於1.80到2.12的材料所形成。
  26. 如申請專利範圍第25項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，每一個該鏡片元件都是由石英所形成。
  27. 如申請專利範圍第25項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，更包含位於該第一鏡片元件左側的一孔徑欄，該孔徑欄具有無限大的曲率半徑以及大約為280公厘的直徑，在此該孔徑欄與該第一鏡片元件的左表面的距離大約為0公厘。
  28. 如申請專利範圍第25項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，在此該鏡片系統的半視野角的範圍大約介於10°到14.2°，在此位於該些鏡片元件左側並且位於視野角的範圍大約介於20°到28.2°間的一物件可以被位於該些鏡片元件右側的一影像感測器所偵測。
  29. 如申請專利範圍第28項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，該鏡片系統係設計來形成直徑大小大約為2000公厘並且位於該第一鏡片元件左側並且相距離大約4000公厘的一物件的一影像。
  30. 如申請專利範圍第25項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，更包含位於該第二鏡片元件右側的一影像感測器，該影像感測器具有無限大的一曲率半徑與大約為100公厘的一直徑，在此該影像感測器與該第二鏡片元件右表面的距離係為一變數，該變數取決於該物件與該鏡片系統二者的距離以及該二個鏡片元件的距離。
  31. 如申請專利範圍第25項所述的大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，更包含位於該第一鏡片元件左側的一孔徑欄，該孔徑欄具有無限大的曲率半徑以及大約為300公厘的有限大直徑，在此該第一鏡片元件的直徑可以縮小以匹配該孔徑欄的直徑。
  32. 如申請專利範圍第25項所述之大光圈太赫茲-吉赫茲鏡片系統，在此該鏡片系統係設計來形成位於該第一鏡片元件左側並與該第一鏡片元件有一有限大小距離的一物件的一影像，在此該鏡片系統具有位於該第二鏡片元件右測並與該第二鏡片元件有一有限大小距離的一影像感測器，在此該第二鏡片元件的直徑以及該影像感測器的直徑都可以縮 小以匹配該物件的直徑。
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