一种三片式反远距太赫兹波大视场镜头

1.本实用新型属于光学镜头成像技术领域，具体涉及一种三片式反远距太赫兹波大视场镜头。


背景技术：

2.太赫兹波是一种远红外波段，其波段介于微波和红外波之间。太赫兹波所具有的宽带性、低能性、强穿透性等独特性质，使得太赫兹应用技术受到研究人员的关注并不断地被发展。太赫兹探测成像是太赫兹应用技术中的一个重要研究方向，可广泛应用于医疗诊断、生物成像、物品检测和识别等方面。太赫兹探测成像系统主要是通过用光学镜头去获取物体的图像信息，故太赫兹波镜头作为整个探测成像系统的核心部件，将影响着整个系统性能的好坏。
3.在太赫兹探测成像系统中，为了实现对太赫兹能量的有效收集和获得更大成像视场，要求太赫兹镜头有足够大的孔径和视场角。目前，在一些安防和物体成像场合中，所设计的太赫兹波镜头的相对孔径一般在0.9/1-1.9/1范围内，其视场角主要集中在15-25
°
范围内，且大部分采用的是高折射率的高阻硅材料，反射损耗较大。当在检测范围较大的场合中，则需要使用更大视场的镜头与之匹配，因而设计一款采用低折射率材料、具有大孔径以及更大视场的太赫兹波镜头有着重要的实际应用价值，可拓展太赫兹探测成像的应用领域范围。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种三片式反远距太赫兹波大视场镜头，该镜头结构简单、紧凑，具有大孔径和大视场。
5.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种三片式反远距太赫兹波大视场镜头，沿光轴方向自左向右依次同轴排列有：第一单透镜、第二单透镜、第三单透镜及探测器保护片，所述第一单透镜为弯月形负透镜，厚度为2mm，所述第二单透镜为双凸正透镜，厚度为6mm，所述第三单透镜为双凸正透镜，厚度为5.4mm，所述探测器保护片为平行平板，厚度为1mm。
6.进一步地，所述第一单透镜和第二单透镜的空气间隔为24.5-26.5mm，所述第二单透镜和第三单透镜的空气间隔为0.5-2mm，所述第三单透镜和探测器保护片的空气间隔为12.5-13mm，所述探测器保护片到像面的空气间隔为1-1.5mm。
7.进一步地，该镜头采用反远距光学结构，包括镜头前组a和镜头后组b，所述镜头前组a的光焦度为负，由第一单透镜组成；所述镜头后组b的光焦度为正，包括第二单透镜和第三单透镜，且孔径光阑设置在第二单透镜的前表面。
8.进一步地，所述镜头前组a的焦距fa满足-3.8＜fa/f＇＜-3.3，其中f＇为光学系统的焦距；所述镜头后组b的焦距fb满足-0.4＜fb/fa＜-0.3；所述第二单透镜的焦距f2与镜头后组b的焦距fb满足1.9＜f2/fb＜2.2；所述第三单透镜的焦距f3与镜头后组b的焦距fb满足1.4
＜f3/fb＜1.7。
9.进一步地，所述第一单透镜、第二单透镜、第三单透镜和探测器保护片的材料均为聚4-甲基戊烯材料，所述第一单透镜的后表面和第三单透镜的前表面为偶次非球面，所述第一单透镜的前表面、第二单透镜的前后表面、第三单透镜的后表面均为球面，所述探测器保护片的前后表面均为平面。
10.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：该镜头采用反远距结构，实现了 42
°
大视场太赫兹波镜头。同时，该镜头结构紧凑，透镜材料可采用聚4-甲基戊烯(tpx)，不仅成本低，而且系统更为轻便。此外，该镜头在80-120μm太赫兹波段内全视场内均能清晰成像，有利于拓展太赫兹探测成像的功能，可广泛应用于太赫兹探测成像领域。
附图说明
11.图1为本实用新型实施例的光学结构示意图。
12.图2为本实用新型实施例的光学传递函数曲线图。
13.图3为本实用新型实施例的色球差曲线图。
14.图4为本实用新型实施例的畸变图。
15.图中：1-第一单透镜，2-第二单透镜，3-第三单透镜，4-探测器保护片，5-像面。
具体实施方式
16.下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。
17.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
18.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
19.如图1所示，本实施例提供了一种三片式反远距太赫兹波大视场镜头，沿光轴方向自左向右依次同轴排列有：第一单透镜1、第二单透镜2、第三单透镜3及探测器保护片4，所述第一单透镜1为弯月形负透镜，厚度为2mm，所述第二单透镜2为双凸正透镜，厚度为6mm，所述第三单透镜3为双凸正透镜，厚度为5.4mm，所述探测器保护片4为平行平板，厚度为1mm。
20.在本实施例中，所述第一单透镜1和第二单透镜2的空气间隔为24.5-26.5mm，所述第二单透镜2和第三单透镜3的空气间隔为0.5-2mm，所述第三单透镜3和探测器保护片4的空气间隔为12.5-13mm，所述探测器保护片4到像面5的空气间隔为1-1.5mm。
21.在本实施例中，该镜头采用反远距光学结构，可以获得较长的后截距，有利于放置探测器保护片，通过合理分配透镜组的光焦度，还可以获得较大的视场。该镜头包括镜头前组a和镜头后组b，所述镜头前组a的光焦度为负，由第一单透镜组成；所述镜头后组b的光焦度为正，包括第二单透镜和第三单透镜，将孔径光阑设置在第二单透镜的前表面，可以减小通过镜头后组b的光线倾角，有利于像差的校正，同时还可以减小镜头后组b的纵向尺寸。
22.在本实施例中，所述镜头前组a的焦距fa满足-3.8＜fa/f＇＜-3.3，其中f＇为光学系统的焦距；所述镜头后组b的焦距fb满足-0.4＜fb/fa＜-0.3；所述第二单透镜的焦距 f2与镜头后组b的焦距fb满足1.9＜f2/fb＜2.2；所述第三单透镜的焦距f3与镜头后组b 的焦距fb满足1.4＜f3/fb＜1.7。
23.在本实施例中，所述第一单透镜、第二单透镜、第三单透镜和探测器保护片的材料均为聚4-甲基戊烯(tpx)材料，该材料是一种塑料，在太赫兹波段内具有良好的透过率，并且加工成本低。
24.在本实施例中，所述第一单透镜的后表面和第三单透镜的前表面为偶次非球面，可以进一步校正像差，提升光学系统的像质。所述第一单透镜的前表面、第二单透镜的前后表面、第三单透镜的后表面均为球面，所述探测器保护片的前后表面均为平面，便于加工。
25.在本实例中，所述第一单透镜后表面和第三单透镜前表面的非球面系数满足以下方程：
[0026][0027]
式中，c为非球面顶点处的曲率，r为光线在非球面的入射高度，k为二次曲面的圆锥系数，a4、a6为高次非球面系数。
[0028]
在本实施例中，镜头达到了以下的性能指标：(1)光谱范围：80～120μm的太赫兹波段；(2)焦距f＇＝12mm；(3)全视场角为42
°
；(4)相对孔径为1:1；(5)探测器：像素为320*240，像元尺寸为23.5μm。具体的镜头参数如下表所示。
[0029]
表1镜头参数
[0030][0031]
在本实施例中，两个非球面的圆锥系数和高次非球面系数如下表所示。
[0032]
表2非球面具体系数
[0033]
透镜表面ka4a6透镜1后表面-0.193-1.565
×
10-5
4.619
×
10-7
透镜3前表面0.594-1.142
×
10-4-5.414
×
10-7
[0034]
该镜头的光学传递函数曲线如图2所示，0.7视场以内的mtf值在空间频率为5 lp/mm处均大于0.3，并且接近衍射极限，表明镜头具有较高的成像质量。
[0035]
图3为球差曲线图，横坐标代表球差值，单位为毫米，纵坐标表示归一化后的孔径值。由图可知，该镜头的球差值较小，在整个光谱范围内球差值均在0.04mm以内。
[0036]
如图4所示的畸变图，横坐标表示畸变的大小，纵坐标表示视场。图中显示，全视场处的畸变最大，为负畸变，大小控制在5％内，符合成像系统的要求。
[0037]
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。