CN109891216A - 大光圈太赫兹-吉赫兹镜片*** - Google Patents
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Abstract
用于太赫兹‑吉赫兹影像***的镜片***。每一个提出的镜片***都包含或是球面状或是非球面状或是平面状的两个薄镜片元件，在此这些镜片元件可以组合起来提供具有小光圈值的太赫兹‑吉赫兹折光能力。镜片***可以将太赫兹‑吉赫兹波转向进而在平面状太赫兹‑吉赫兹影像感测器形成物件的影像(像是人体大小物件)。为了达到够好的聚焦品质，镜片元件的曲率半径、轮廓、距离与非球面系数都是可以调整选择的。镜片元件相互距离以及镜片元件与影像感测器距离都是可以调整的，藉以改变焦距长度与聚焦距离来达到最佳化的视野角与影像解析度。这些镜片的大小尺寸可以随着物件的大小尺寸或是孔径栏的大小尺寸而相对应改变。
Description
技术领域
本发明是关于可以用来聚焦自物件反射过来或是传输通过的太赫兹-吉赫兹(Terahertz-Gigahertz)波以形成影像的太赫兹-吉赫兹镜片***，特别是描述同时具有大光圈(小光圈值)与高解析能力(仅受限于绕射)但又能保持整体尺寸大小与重量在可以接受范围内的太赫兹-吉赫兹镜片***。
背景技术
太赫兹-吉赫兹影像形成与信号侦测是与能否有效率地在空间中控制与转移太赫兹-吉赫兹波有关。由于太赫兹-吉赫兹波的特殊性质可以用来识别像是隐藏在纤维衣物下的金属武器等的隐藏物件，太赫兹-吉赫兹波已经被应用在安全检查工具。但是可以减轻绕射极限(diffraction limitation)的影响又可以减少像差(aberration)以达到高影像解析度并可以提供涵盖整个人体大小物件(大小约200厘米)的视野角(field of view)的单一大光圈镜片***仍然是需要发展的。
在发展工作原理类似于摄影者普遍使用的光学照相机的太赫兹-吉赫兹照相机时，太赫兹-吉赫兹照相机所使用的太赫兹-吉赫兹镜片是一个很基本的原件，甚至比照像机机身/壳体还来的重要。太赫兹-吉赫兹镜片的一大问题是在于材料，目前太赫兹-吉赫兹镜片的主流材料是聚合物(polymer)或电介质(dielectrics)，前者像是黄玉(Topas)、交联聚苯乙烯微波塑料(Rexolite)、聚甲基戊烯(polymethylpentene/TPX)、聚乙烯(Polyethylene/PE)或是铁氟龙(Teflon)，后者像是硅(silicon)，但这些主流材料都不是在标准大尺寸光学***中普遍被使用的光学材料。因此，在制造大尺寸的太赫兹-吉赫兹镜片(特别是可以减少体积的非球面状太赫兹-吉赫兹镜片)时往往会面临材料成本昂贵、没有实际可用材料或是没有现成可用材料的问题。附带的，尽管聚合物材料已经普遍被应用来制作太赫兹-吉赫兹镜片，在较为严苛的环境中这些聚合物材料往往有不稳定的问题。除此之外，聚合物材料的折射系数通常都不大，进而引发偏低的折光能力(refractivepower)以及设计上受限制(design limitations)。
镜片设计是太赫兹-吉赫兹***中关键的一环，这是因为光学照相机中已知的许多重要特征在太赫兹-吉赫兹***仍是不明确的，这些重要特征包括了通过镜片设计来达到高解析度以及具有可调整焦距(focal length)的能力。对于前者，太赫兹-吉赫兹***的解析度本质上是受限于这些镜片的绕射极限。因此，有必要一方面加大太赫兹-吉赫兹***所使用镜片的直径而另一方面又尽可能地让这些镜片又薄又轻。对于后者，一个光学***需要至少二个镜片元件才能调整焦距长度，如此虽然会增加设计复杂度特别是所使用材料对光的吸收是一个必须考量的因素，但同时也可以进一步地改善影像品质。使用镜片***的另一个好处是可以又保持大光圈而又可以减少像差，进而有利于实现兼具高解析度与可调整视野角的种种影像应用。无论如何，使用镜片***也会有一些缺点，像是重量增加、成本增加、吸收增多、壳体设计的需要以及较复杂的镜片***设计。因此，限制使用镜片数目以及使用较薄较轻的镜片是镜片设计的关键。
综上所述，有需要提供具有至少大光圈、高解析度与可调整焦距长度的太赫兹-吉赫兹镜片***。
发明内容
本发明提出具有大光圈的太赫兹-吉赫兹镜片***。本发明借由使用一些特殊的镜片配置(lenses configurations)搭配一些特殊的镜片材料(lenses materials)来实现如此的太赫兹-吉赫兹镜片***。
本发明提出的太赫兹-吉赫兹镜片***所具有的视野角可以在几米的距离内得到人体大小物件的影像，并能同时实现大光圈尺寸以及高解析度。借由改变镜片元件之间的距离或是调整影像侦测器在光轴(optical axis)的位置，本发明提出的太赫兹-吉赫兹镜片***可以聚焦位于不同距离处的不同物件。
本发明的一些实施例是有关于使用具有不同折射系数的不同材料的一些镜片***设计的变化。在一个实施例，这些镜片元件的材料是玻璃，并且每一个镜片元件有两个不同的球面状表面。在另一个实施例，这些镜片元件的材料是玻璃，并且二个镜片元件中的每一个都有一个球面状表面与一个非球面状表面。在又一个实施例，这些镜片元件的材料是石英，其中一个镜片元件有一个非球面状表面与一个球面状表面而另一个镜片元件有二个不同的球面状表面。在再一个实施例，这些镜片元件的材料是石英，其中一个镜片元件有一个球面状表面与一个平面状表面而另一个镜片元件有二个不同的球面状表面。除此之外，在所有上述实施例中，诸如用以形成镜片元件的材料的折射系数、这些镜片元件之间的距离、每一个镜片元件的厚度以及每一个镜片元件的每一个表面的曲率半径都是可以轻微调整的。因此，在每一个上述实施例，有效焦距长度(Effective Focal Length/EFL)、半视野角(Half Field-Of-View)与光圈值(f-number/F#)也都是可以稍微调整的而不是被严格限制的。
附图说明
图1A到图1C为太赫兹-吉赫兹镜片***的一个使用二个玻璃制镜片元件的实施例的横截面示意图与镜片品质数据。
图2A到图2C为太赫兹-吉赫兹镜片***的一个使用二个玻璃制镜片元件的实施例的横截面示意图与镜片品质数据。
图3A到图3C为太赫兹-吉赫兹镜片***的一个使用二个石英制镜片元件的实施例的横截面示意图与镜片品质数据。
图4A到图4C为太赫兹-吉赫兹镜片***的一个使用二个石英制镜片元件的实施例的横截面示意图与镜片品质数据。
具体实施方式
本发明的详细描述将借由以下的实施例讨论，这些实施例并非用于限制本发明的范围，而且可适用于其他应用中。图示揭露了一些细节，必须理解的是揭露的细节可不同于已透露者，除非是明确限制特征的情形。
提出的几个实施例都是与太赫兹-吉赫兹波有关的镜片***，并皆可以在一个合理的距离内解析大尺寸的物件。提出的镜片***实施例皆可以被整合应用到任何的太赫兹-吉赫兹照相机或是太赫兹-吉赫兹影像***或是太赫兹-吉赫兹感测***以提供需要的有效焦距长度。
四个太赫兹-吉赫兹镜片***的实施例被特别提出讨论。其中之一有两个玻璃制的镜片元件并且这些镜片的表面都是互不相同的球面状表面。其中另一有两个玻璃制的镜片元件并且每一个镜片皆有一个球面状表面与一个非球面状表面。其中又一有二个石英制的镜片并且一个镜片具有两个不同的球面状表面而另一个镜片具有一个球面状表面和一个非球面状表面。其中再一有二个石英制的镜片并且一个镜片有一个球面状表面与一个平面状表面而另一个镜片有两个不同的球面状表面。
附带地，这些实施例都是设定物件位于这镜片***的左侧而影像感测器位于这物件***的右侧。并且，如相对应的图示所示，这些镜片元件都是选转对称(rotationalsymmetrical)于自镜片***左侧延伸至镜片***右侧的光轴(optical axis)。
除此之外，每一个被提出的实施例都有一个特定的有效聚焦长度、一个特定的光圈值与一个特定的半视野角。也就是说，每一个被提出的实施例都有一个独特的有效聚焦长度、一个独特的光圈值与一个独特的半视野角。换句话说，本发明的每一个变化都可以有其独特的有效聚焦长度、独特的光圈值与独特的半视野角。必须注意的是借由调整两个镜片元件之间的距离可以改变有效聚焦长度，并连带地改变半视野角与光圈值。有效聚焦长度(EFL)的定义是根据无限远共轭(infinite connnnnjugate)计算自镜片***的后主平面(real principal plane)到位于最后一个镜片元件后面的后焦点(rear focal point)(也就是说这些镜片元件最右侧的表面)的距离。半视野角(HFOV)的定义是HFOV＝tan-1(SS/2f)，其中SS是影像感测器的直径(若是矩形时便是宽度或高度)。光圈值(f-number)的定义是f-number＝EFL/D，其中D是孔径栏的直径。当然，半视野角是视野角的一半，而半视野角与视野角二者都可以被用来评估镜片***的品质。
可选择地，每一个提出的镜片***都可以再包含一个位于光轴上第一个镜片元件前面(或说是位于这些镜片元件最左侧表面的左侧)的孔径栏(aperture stop)。孔径栏的作用是阻止不需要的太赫兹-吉赫兹波甚至其他噪音进入镜片***。孔径栏是设计被放置在镜片***的顶点(vertex)或其附近，并且理想上孔径栏的中心是位于光轴上。为了处理镜片组装的公差(tolerance)或是其他镜片/***的设计限制(design constraint)，孔径栏的位置可以靠近或远离光轴上第一个镜片元件。进一步地，孔径栏的尺寸大小也是可以调整的借以让更多或更少的光通过或是符合因应固定镜片***而成的镜片***壳体的物理限制。孔径栏的材料可以是能够反射太赫兹-吉赫兹波的金属或是能够吸收太赫兹-吉赫兹波的吸收体或甚至是用以制作镜片***壳体部分元件的材料。理想上，孔径栏也应当用可吸收太赫兹-吉赫兹波的材料覆盖/制成，借以移除不需要的反射。合理地，调整孔径栏的直径来减少镜片像差时也会增加镜片***的绕射。举例来说，进一步地收缩孔径栏将减少已经达到绕射极限的镜片***的解析能力，虽然在镜片像差是降低影像品质的主要原因时(往往发生在太赫兹-吉赫兹波的频率偏高时)收缩孔径栏也将改善镜片***的解析能力。
可选择地，每一个提出的镜片***都可以再包含一个位于光轴上第二个镜片元件后面(或说是位于这些镜片元件最右侧表面的右侧)的影像感测器。影像感测器是用来接收与侦测传输通过这些镜片元件的太赫兹-吉赫兹波。任何商业化的、已知的、发展中的或是将来出现的可以接收与侦测太赫兹-吉赫兹波的感测器都可以使用，本发明并不限制影像感测器的细节。举例来说，影像感测器可以是二维平面阵列(2D planar array)的太赫兹-吉赫兹影像感测器。此外，这些镜片元件与影像感测器之间的距离是调整的，借以允许在不需要修改这些镜片元件的组态时便可以形成不同物件距离(像是不同尺寸大小的物件)的影像。
图1A绘示了一个样例用实施例(镜片***100)的横截面结构。镜片***100至少具有依序沿着光轴放置的两个镜片元件101与102，为了涵盖频率介于100吉赫(GHz)到300吉赫的种种(太赫兹-吉赫兹影像)应用，这二个镜片元件101与102是用折射系数2.52的玻璃所形成。镜片元件101的左表面与右表面(第二表面与第三表面)都是球面状表面但是二者的曲率半径并不相同，并且镜片元件102的左表面与右表面(第四表面与第五表面)也都是球面状表面但是各有各的曲率半径。镜片***100可以再包含孔径栏120与影像感测器110。在镜片***100，孔径栏120(第一表面)可以与镜片元件101的左表面(第二表面)稍微的错开，而影像感测器110可以在计算半视野角时被视为长10厘米宽10厘米的平面。但是，影像感测器110并不需要严格限定在这样的尺寸，因为镜片照明区域(lens illuminationarea)是固定的而感测器尺寸大小可以调整到大于或小于此。
第一A表显示了镜片***100的镜片***数据。镜片***100具有下述的性质:光圈值0.92、有效焦距长度267毫米、半视野角11°以及镜头总长(total track length/TTL)468毫米。
第一A表
| 焦距 | 267毫米 |
| 半视野角 | 11° |
| 光圈值 | 0.92 |
| 镜头总长 | 468毫米 |
| 设计频率 | 100-300吉赫 |
第一B表显示了镜片***100的镜片***相关细节。
第一B表
在此，曲率半径是正的如果曲率中心是在镜片元件的右侧，直径是与光轴垂直方向上横截面的大小，厚度/距离的定义是沿着光轴上相邻两个平面间的距离。举例来说，第二表面的厚度/距离的定义是沿着光轴方向上镜片元件101的厚度，而第五表面的厚度/距离的定义是沿着光轴方向上镜片元件102右表面到影像感测器110的距离。镜片***中镜头总长的定义是指沿着光轴从这些镜片元件最左侧的表面到影像感测器的长度。
如第一B表所示，镜片元件101与镜片元件102的左表面的曲率半径(531毫米/188毫米)都比其右表面的曲率半径(1636毫米/427毫米)来得小。镜片元件101的厚度(27毫米)小于镜片元件102的厚度(38毫米)，而且孔径栏120与镜片元件101间的距离(0毫米)小于镜片元件102与影像感测器110的距离(52毫米)。如此的镜片***100有利于测量尺寸大小2000毫米并沿着光轴与孔径栏120相距4500毫米的物件。
图1B与图1C是用来强调这个样例的镜片***100的品质表现。如图1B所示，所有计算的调制转换函数(Modulation Transfer Function/MTF)相对于空间频率曲线(SpatialFrequency Curves)在不同的物件高度都显示了逼近绕射极限曲线的结果，在此调制转换函数包括了切线的(Tangential/T)与弧矢的(Sagittal/S)这二部分，而不同物件高度包括了T/S为0.00毫米、707.00毫米与1000.00毫米这三种状况。如图1C所示，不论太赫兹-吉赫兹波所来自的物件的高度是0.00毫米、707.00毫米与1000.00毫米，光程差(optical pathdifference)总是小于太赫兹-吉赫兹波的半波长，不论是在X轴或Y轴(当光轴是Z轴)。须注意在此的计算是以100吉赫为准。
图2A绘示了一个样例用实施例(镜片***200)的横截面结构。镜片***200至少具有依序沿着光轴放置的两个镜片元件201与202，为了涵盖频率介于100吉赫到300吉赫的种种(太赫兹-吉赫兹影像)应用，这二个镜片元件201与202是用折射系数2.52的玻璃所形成。镜片元件201与镜片元件202的左表面(第二表面与第四表面)都是非球面状表面但是二者并不相同，并且镜片元件201与镜片元件202的右表面(第三表面与第五表面)都是球面状表面但也是各不相同。镜片***200可以再包含孔径栏220与影像感测器210。在镜片***200，孔径栏220(第一表面)可以与镜片元件201的左表面(第二表面)稍微的错开，而影像感测器210可以在计算半视野角时认定为长10厘米宽10厘米的平面。但是，影像感测器210并不需要严格限定在这样的尺寸，因为镜片照明区域(lens illumination area)是固定的而感测器尺寸大小可以调整到大于或小于此。
第二A表显示了镜片***200的镜片***数据。镜片***200具有下述的性质:光圈值0.70、有效焦距长度211毫米、半视野角13°以及镜头总长302毫米。
第二A表
| 焦距 | 211毫米 |
| 半视野角 | 13° |
| 光圈值 | 0.70 |
| 镜头总长 | 302毫米 |
| 设计频率 | 100-300吉赫 |
第二B表显示了镜片***200的镜片***相关细节。
第二B表
在此，曲率半径、直径、厚度/距离与镜头总长的定义都与上述的讨论相同。此外，镜片表面的顶点(vertex)是指光轴与镜片表面的交会点。而如果这个表面是非球面状，曲率半径的定义是指在镜片表面顶点处的曲线的曲率半径。
如第二B表所示，镜片元件201与镜片元件202的左表面的曲率半径(232毫米/159毫米)都比其右表面的曲率半径(382毫米/172毫米)来得小。镜片元件201的厚度(45毫米)大于镜片元件202的厚度(32毫米)，而且孔径栏220与镜片元件201间的距离(0毫米)小于镜片元件202与影像感测器210的距离(43毫米)。如此的镜片***200有利于测量尺寸大小2000毫米并沿着光轴与孔径栏220相距4500毫米的物件。
图2B与图2C是用来强调这个样例的镜片***200的品质表现。如图2B所示，所有计算的调制转换函数(Modulation Transfer Function/MTF)相对于空间频率曲线(SpatialFrequency Curves)在不同的物件高度都显示了逼近绕射极限曲线的结果，在此调制转换函数包括了切线的(Tangential/T)与弧矢的(Sagittal/S)这二部分，而不同物件高度包括了T/S为0.00毫米、707.00毫米与1000.00毫米这三种状况。如图2C所示，不论太赫兹-吉赫兹波所来自的物件的高度是0.00毫米、707.00毫米与1000.00毫米，光程差(optical pathdifference)总是小于太赫兹-吉赫兹波的半波长，不论是在X轴或Y轴(当光轴是Z轴)。须注意在此的计算是以100吉赫为准。
图3A绘示了一个样例用实施例(镜片***300)的横截面结构。镜片***300至少具有依序沿着光轴放置的两个镜片元件301与302，为了涵盖频率介于300吉赫到500吉赫的种种(太赫兹-吉赫兹影像)应用，这二个镜片元件301与302是用折射系数1.96的石英所形成。镜片元件301的左表面(第二表面)是非球面状表面但其右表面(第三表面)是球面状表面，相对地镜片元件302的左表面与右表面(第四表面与第五表面)都是球面状表面但是各不相同。镜片***300可以再包含孔径栏320与影像感测器310。在镜片***300，孔径栏320(第一表面)可以与镜片元件301的左表面(第二表面)稍微的错开，而影像感测器310可以在计算半视野角时被视为长10厘米宽10厘米的平面。但是，影像感测器310并不需要严格限定在这样的尺寸，因为镜片照明区域(lens illumination area)是固定的而感测器尺寸大小可以调整到大于或小于此。
第三A表显示了镜片***300的镜片***数据。镜片***300具有下述的性质:光圈值1.07、有效焦距长度290毫米、半视野角10°以及镜头总长
397毫米。第三A表
| 焦距 | 290毫米 |
| 半视野角 | 10° |
| 光圈值 | 1.07 |
| 镜头总长 | 397毫米 |
| 设计频率 | 300-500吉赫 |
第三B表显示了镜片***300的镜片***相关细节。
第三B表
在此，曲率半径、直径、厚度/距离与镜头总长的定义都与上述的讨论相同。此外，镜片表面的顶点(vertex)是指光轴与镜片表面的交会点。而如果这个表面是非球面状，曲率半径的定义是指在镜片表面顶点处的曲线的曲率半径。
如第三B表所示，镜片元件301与镜片元件302的左表面的曲率半径(216毫米/113毫米)都比其右表面的曲率半径(1390毫米/163毫米)来得小，并且镜片元件301的厚度(50毫米)大于镜片元件302的厚度(30毫米)。孔径栏320与镜片元件301间的距离(0毫米)小于镜片元件302与影像感测器310的距离(43毫米)。如此的镜片***300有利于测量尺寸大小2000毫米并沿着光轴与孔径栏320相距5500毫米的物件。
图3B与图3C是用来强调这个样例的镜片***300的品质表现。如图3B所示，所有计算的调制转换函数(Modulation Transfer Function/MTF)相对于空间频率曲线(SpatialFrequency Curves)在不同的物件高度都显示了逼近绕射极限曲线的结果，在此调制转换函数包括了切线的(Tangential/T)与弧矢的(Sagittal/S)这二部分，而不同物件高度包括了T/S为0.00毫米、707.00毫米与1000.00毫米这三种状况。如图3C所示，不论太赫兹-吉赫兹波所来自的物件的高度是0.00毫米、707.00毫米与1000.00毫米，光程差(optical pathdifference)总是小于太赫兹-吉赫兹波的半波长，不论是在X轴或Y轴(当光轴是Z轴)。须注意在此的计算是以300吉赫为准。
图4A绘示了一个样例用实施例(镜片***400)的横截面结构。镜片***400至少具有依序沿着光轴放置的两个镜片元件401与402，为了涵盖频率介于100吉赫到300吉赫的种种(太赫兹-吉赫兹影像)应用，这二个镜片元件401与402是用折射系数1.96的石英所形成。镜片元件401的左表面(第二表面)是球面状表面但其右表面(第三表面)是平面状表面，相对地镜片元件402的左表面与右表面(第四表面与第五表面)都是球面状表面但是各不相同。镜片***400可以再包含孔径栏420与影像感测器410。在镜片***400，孔径栏420(第一表面)可以与镜片元件401的左表面(第二表面)稍微的错开，而影像感测器410可以在计算半视野角时被视为长10厘米宽10厘米的平面。但是，影像感测器410并不需要严格限定在这样的尺寸，因为镜片照明区域(lens illumination area)是固定的而感测器尺寸大小可以调整到大于或小于此。
第四A表显示了镜片***400的镜片***数据。镜片***400具有下述的性质:光圈值0.71、有效焦距长度200毫米、半视野角14°以及镜头总长339.4毫米。
第四A表
| 焦距 | 200毫米 |
| 半视野角 | 14° |
| 光圈值 | 0.71 |
| 镜头总长 | 339.4毫米 |
| 设计频率 | 100-300吉赫 |
第四B表显示了镜片***400的镜片***相关细节。
第四B表
在此，曲率半径、直径、厚度/距离与镜头总长的定义都与上述的讨论相同。
如第四B表所示，镜片元件401与镜片元件402的左表面的曲率半径(334毫米/163毫米)都比其右表面的曲率半径(无限大毫米/623毫米)来得小，并且镜片元件401的厚度(45毫米)小于镜片元件402的厚度(40毫米)。孔径栏420与镜片元件401间的距离(0毫米)小于镜片元件402与影像感测器410的距离(49毫米)。如此的镜片***400有利于测量尺寸大小2000毫米并沿着光轴与孔径栏420相距4000毫米的物件。
图4B与图4C是用来强调这个样例的镜片***400的品质表现。如图4B所示，所有计算的调制转换函数(Modulation Transfer Function/MTF)相对于空间频率曲线(SpatialFrequency Curves)在不同的物件高度都显示了逼近绕射极限曲线的结果，在此调制转换函数包括了切线的(Tangential/T)与弧矢的(Sagittal/S)这二部分，而不同物件高度包括了T/S为0.00毫米、707.00毫米与1000.00毫米这三种状况。如图4C所示，不论太赫兹-吉赫兹波所来自的物件的高度是0.00毫米、707.00毫米与1000.00毫米，光程差(optical pathdifference)总是小于太赫兹-吉赫兹波的半波长，不论是在X轴或Y轴(当光轴是Z轴)。须注意在此的计算是以100吉赫为准。
进一步地，非球面状表面所使用的非球面表面方程式与系数是显示在第五表。在第五表所显示的方程式中,sag是镜片表面相对于顶点的位移量(displacement)在Z轴(亦即光轴)的分量，r是相对于顶点的曲率半径距离的r方向分量(半径方向分量)，K是锥状常数(conicconstant)，c是在顶点处的曲率(curvature)(其相等于顶点处曲率半径的倒数(reciprocal)，而A,B与C是非球面系数(aspheric coefficient)。
第五表
必须强调地是在第一B表、第二B表、第三B表与第四B表所列出的这些参数的数值都是可以再略为调整，不论是曲率半径、厚度、距离、折射系数或是其他。这些参数数值的轻微调整仍能达到相似的镜片***品质表现，或进一步减少镜片像差，或与相对应的镜片壳体设计相匹配，或是容许制造过程中折射系数偏差，或是达到其它的好处。当然，诸如尺寸大小等的变化会自动地引起在第一A表、第二A表、第三A表与第四A表中相对应参数的相应变化。
第六A表与第六B表呈现了上述样例的镜片***100/200/300/400可以接受的参数调整范围与设计公差的变化。
第六A表
第六B表
这些样例的镜片***的几何配置是可以调整的参数，例如镜片元件的厚度、镜片元件每个表面的曲率半径、以及每一对镜片元件彼此间的距离。此外，这些镜片元件的材料性质仅仅受限于其折射系数。也就是说，玻璃与石英只是两个可能的材料，但是镜片元件可以是用任何折射系数位于第六A表所示折射系数范围内的材料所形成。因此，具有相似的折射系数的多种材料都是这些样例的镜片***100/200/300/400可以接受的变化。为了简化说明书与图示，这些可以接受变化的镜片***数据并没有特别地显示。
显然地，借由参照第六A表与第六B表，在图1A、图2A、图3A与图4A所显示的这些样例的实施例都可以稍作变更而产生本发明的其他样例的实施例。举例来说，借由参照第六A表与第六B表，图1A所示的镜片***100可以有下述的变化:镜片元件101的厚度介于17毫米到37毫米之间(第一B表显示27毫米而第六A表显示了介于减10毫米到加10毫米的范围)，镜片元件102的厚度介于28毫米到48毫米之间(第一B表显示38毫米而第六A表显示了介于减10毫米到加10毫米的范围)，而镜片元件101与镜片元件102相互分隔的距离介于190毫米到450毫米之间(第六A表直接呈现了这个范围)。当然，镜片元件101与102二者的每个表面的曲率半径也都可用相同的方式来变动。举例来说，图1A所示的镜片***100的变化可以是镜片元件101的左表面的曲率半径介于477.1毫米到584.1毫米之间(第一B表显示531毫米而第六A表显示介于减10％到加10％的范围)而右表面的曲率半径介于1472.4毫米到1799.6毫米之间(第一B表显示1636毫米而第六A表显示介于减10％到加10％的范围)，并且镜片元件102的左表面的曲率半径介于179.2毫米到206.8毫米之间(第一B表显示188毫米而第六A表显示介于减10％到加10％的范围)而右表面的曲率半径介于384.3毫米到469.7毫米之间(第一B表显示427毫米而第六A表显示介于减10％到加10％的范围)。除此之外，借由参考第六A表，图1A所示的镜片***100可以有下述的变化:镜片元件101与102是由折射系数介于2.32到2.72之间的材料所形成(第一B表显示折射系数2.52而第六A表显示介于减0.2到加0.2的范围)，进而增加了可以用来形成镜片元件101与102的可能材料范围。此外，如第六B表所示，图1A所示的镜片***100可以有下述的变化:有效焦距长度介于185毫米到400毫米、半视野角介于7°到15°之间、光圈值介于0.64到1.38之间、以及相对应的频率介于80吉赫到300吉赫之间。除此之外，对于每一个镜片***，在所有具有可以接受的折射系数的材料中，具有较轻的重量以及对于第六B表所示频率范围有较少的太赫兹-吉赫兹波吸收的材料较为适用。显然地，对于镜片***100的种种变化，位于镜片元件101与102左侧并位于14°到30°的视野角内的物件可以透过镜片***100形成影像。当然，虽然没有在此特别描述，借由参照第六A表与第六B表，通过使用上述的轻微变更图1A所示样例的实施例的方法，在图2A、图3A与图4A所描述的样例的实施例也可以轻微地变更来产生其他样例的实施例。
在这些样例的实施例，使用玻璃或石英的一个理由是其易于将镜片元件加工成需求的轮廓，特别是当镜片元件的直径大时及/或镜片元件有非球面状表面时。附带地，石英的使用还有一个好处便是相对应的电磁耗损(electromagnetic loss)较小。须注意的是石英的折射系数比玻璃的折射系数通常较不会随着太赫兹-吉赫兹波频率的变化而变化。此外，太赫兹-吉赫兹波会如何被材料所吸收以及材料的折射系数是如何地随着太赫兹-吉赫兹波频率的变化而变化，是在决定镜片元件的尺寸大小与材料时的二个因素。
注意第六A表允许调整镜片元件之间的距离。也就是说，对于这个发明，镜片元件的相对距离不只可以如第一B表、第二B表、第三B表与第四B表所示般固定，也可以如第六A表所示般在一个范围内调整并进而产生可调整的有效焦距长度/半视野角/光圈值，这样的特征对于许多商业化与实用的应用都是有利的。附带地，虽然上述讨论的实施例是适用于将直径2000毫米且位于距离这些镜片元件4000毫米到5500毫米的物件形成影像，本发明的种种应用并不限于此。实际上，若镜片***是被设计来将直径小于一个极大值X毫米并位于这些镜片元件左侧且与这些镜片元件最左侧表面相距Y毫米的物件形成影像，X与Y的相对比例是一个可调整变数并且与镜片***的配置有关，像是镜片元件的材料、每一个镜片元件的曲率半径以及不同镜片元件间的距离。相同地，影像感测器与这些镜片元件最右侧表面的距离也是可调整变数并且取决于物件与镜片***的距离以及不同镜片元件间相互距离。
显然地，借由使用上述讨论实施例或变化的一或多者，直径(例如高度及/或宽度)介于80厘米到200厘米之间的物件可以在离物件0.5米到5.5米处形成可以覆盖大小100平方厘米影像感测器的影像。在此，这些镜片元件右侧那个与影像感测器(影像平面)间的距离是可以调整的以便于聚焦物件。附带地，借由使用上述讨论实施例或变化的一或多者，镜片***可以聚焦与镜片***的距离介于0.5米到无限大的物件。
除此之外，不论使用的材料是玻璃及/或石英，镜片***的总重量(gross weight)可以小于10千克。
除此之外，虽然上述讨论的实施例使用的孔径栏是位于这些镜片元件的左侧并且具有无限大的曲率半径与300毫米的有限直径，本发明并不限制孔径栏的细节。举例来说，孔径栏的直径可以大于300毫米，甚至大于第一镜片元件的直径。在此状况，第一镜片元件的直径可以相对地增加，但是其边缘厚度可能太薄而不可能制作。相对地，孔径栏的直径也可以小于300毫米，甚至小于第一镜片元件的直径(如第一B表、第二B表、第三B表与第四B表所示)。在此状况，第一镜片元件的直径可以缩小来匹配孔径栏的直径。附带地，在第二镜片元件的位置靠近影像平面并且物件尺寸小时，第二镜片元件的直径与影像感测器的直径都可以随着物件直径而等比例地缩小。
显然地，依照上面实施例中的描述，本发明可能有许多的修正与差异。因此需在其附加的权利要求的范围内加以理解，除上述详细描述外，本发明还可以广泛地在其他的实施例中施行。上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在下述申请专利范围内。
Claims (42)
1.一种大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于包含:
第一镜片元件，该第一镜片元件的左表面是曲率半径大约介于477.9毫米到589.1毫米的球面状表面并且该第一镜片元件的直径大约为300毫米，该第一镜片元件的右表面是曲率半径大约介于1472.4毫米到1799.6毫米的球面状表面并且第一镜片元件的直径大约为300毫米，在此该第一镜片元件的厚度大约介于17毫米到37毫米；以及
第二镜片元件，该第二镜片元件的左表面是曲率半径大约介于169.2毫米到206.8毫米的球面状表面并且该第一镜片元件的直径大约为240毫米，该第二镜片元件的右表面是曲率半径大约介于384.3毫米到469.7毫米的球面状表面并且该第一镜片元件的直径大约为240毫米，在此该第一镜片元件的厚度大约介于24毫米到48毫米；
在此，该第一镜片元件与该第二镜片元件之间的距离大约介于190毫米到450毫米；
在此，该第一镜片元件与该第二镜片元件是沿着光轴而同中心地排列；
在此，该第一镜片元件与该第二镜片元件都是由折射率大约介于2.32到2.72的材料所形成。
2.根据权利要求1所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：每一个该镜片元件都是由玻璃所形成。
3.根据权利要求1所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：更包含位于该第一镜片元件左侧的孔径栏，该孔径栏具有无限大的曲率半径以及大约为290毫米的直径，在此该孔径栏与该第一镜片元件的左表面的距离大约为0毫米。
4.根据权利要求1所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：在此该镜片***的半视野角的范围大约介于7°到15°，在此位于所述镜片元件左侧并且位于视野角的范围大约介于14°到30°间的物件可以被位于所述镜片元件右侧的影像感测器所侦测。
5.根据权利要求4所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：该镜片***是设计来形成直径大小大约为2000毫米并且位于该第一镜片元件左侧并且相距大约4500毫米的物件的影像。
6.根据权利要求1所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：更包含位于该第二镜片元件右侧的影像感测器，该影像感测器具有无限大的曲率半径与大约为100毫米的直径，在此该影像感测器与该第二镜片元件右表面的距离是变数，该变数取决于该物件与该镜片***二者的距离以及该二个镜片元件的距离。
7.根据权利要求1所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：更包含位于该第一镜片元件左侧的孔径栏，该孔径栏具有无限大的曲率半径以及大约为300毫米的有限大直径，在此该第一镜片元件的直径可以缩小以匹配该孔径栏的直径。
8.根据权利要求1所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：在此该镜片***是设计来形成位于该第一镜片元件左侧并与该第一镜片元件有有限大小距离的物件的影像，在此该镜片***具有位于该第二镜片元件右测并与该第二镜片元件有有限大小距离的影像感测器，在此该第二镜片元件的直径以及该影像感测器的直径都可以缩小以匹配该物件的直径。
9.一种大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于包含:
第一镜片元件，该第一镜片元件的左表面是曲率半径大约介于208.8毫米到255.2毫米的非球面状表面并且该第一镜片元件的直径大约为320毫米，该第一镜片元件的右表面是曲率半径大约介于343.8毫米到420.2毫米的球面状表面并且该第一镜片元件的直径大约为320毫米，在此该第一镜片元件的厚度大约介于35毫米到55毫米；以及
第二镜片元件，该第二镜片元件的左表面是曲率半径大约介于143.1毫米到174.9毫米的非球面状表面并且该第一镜片元件的直径大约为170毫米，该第二镜片元件的右表面是曲率半径大约介于154.8毫米到189.2毫米的球面状表面并且该第一镜片元件的直径大约为170毫米，在此该第一镜片元件的厚度大约介于22毫米到42毫米；
在此，该第一镜片元件与该第二镜片元件之间的距离大约介于150毫米到230毫米；
在此，该第一镜片元件与该第二镜片元件是沿着光轴而同中心地排列；
在此，该第一镜片元件与该第二镜片元件都是由折射率大约介于2.32到2.72的材料所形成。
10.根据权利要求9所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：每一个该镜片元件都是由玻璃所形成。
11.根据权利要求9所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：更包含位于该第一镜片元件左侧的孔径栏，该孔径栏具有无限大的曲率半径以及大约为300毫米的直径，在此该孔径栏与该第一镜片元件的左表面的距离大约为0毫米。
12.根据权利要求9所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：在此该镜片***的半视野角的范围大约介于12°到14°，在此位于所述镜片元件左侧并且位于视野角的范围大约介于24°到28°间的物件可以被位于所述镜片元件右侧的影像感测器所侦测。
13.根据权利要求12所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：该镜片***是设计来形成直径大小大约为2000毫米并且位于该第一镜片元件左侧并且相距大约4500毫米的物件的影像。
14.根据权利要求9所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：更包含位于该第二镜片元件右侧的影像感测器，该影像感测器具有无限大的曲率半径与大约为100毫米的直径，在此该影像感测器与该第二镜片元件右表面的距离是变数，该变数取决于该物件与该镜片***二者的距离以及该二个镜片元件的距离。
15.根据权利要求9所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：更包含位于该第一镜片元件左侧的孔径栏，该孔径栏具有无限大的曲率半径以及大约为300毫米的有限大直径，在此该第一镜片元件的直径可以缩小以匹配该孔径栏的直径。
16.根据权利要求9所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：在此该镜片***是设计来形成位于该第一镜片元件左侧并与该第一镜片元件有有限大小距离的物件的影像，在此该镜片***具有位于该第二镜片元件右测并与该第二镜片元件有有限大小距离的影像感测器，在此该第二镜片元件的直径以及该影像感测器的直径都可以缩小以匹配该物件的直径。
17.一种大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于包含:
第一镜片元件，该第一镜片元件的左表面是曲率半径大约介于194.4毫米到237.6毫米的非球面状表面并且该第一镜片元件的直径大约为300毫米，该第一镜片元件的右表面是曲率半径大约介于1251毫米到1529毫米的球面状表面并且该第一镜片元件的直径大约为300毫米，在此该第一镜片元件的厚度大约介于40毫米到60毫米；以及
第二镜片元件，该第二镜片元件的左表面是曲率半径大约介于101.7毫米到124.3毫米的球面状表面并且该第一镜片元件的直径大约为150毫米，该第二镜片元件的右表面是曲率半径大约介于146.7毫米到179.3毫米的球面状表面并且该第一镜片元件的直径大约为150毫米，在此该第一镜片元件的厚度大约介于24毫米到40毫米；
在此，该第一镜片元件与该第二镜片元件之间的距离大约介于200毫米到300毫米；
在此，该第一镜片元件与该第二镜片元件是沿着光轴而同中心地排列；
在此，该第一镜片元件与该第二镜片元件都是由折射率大约介于1.76到2.16的材料所形成。
18.根据权利要求17所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：每一个该镜片元件都是由石英所形成。
19.根据权利要求17所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：更包含位于该第一镜片元件左侧的孔径栏，该孔径栏具有无限大的曲率半径以及大约为270毫米的直径，在此该孔径栏与该第一镜片元件的左表面的距离大约为0毫米。
20.根据权利要求17所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：在此该镜片***的半视野角的范围大约介于9°到12°，在此位于所述镜片元件左侧并且位于视野角的范围大约介于18°到24°间的物件可以被位于所述镜片元件右侧的影像感测器所侦测。
21.根据权利要求20所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：该镜片***是设计来形成直径大小大约为2000毫米并且位于该第一镜片元件左侧并且相距大约5500毫米的物件的影像。
22.根据权利要求17所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：更包含位于该第二镜片元件右侧的影像感测器，该影像感测器具有无限大的曲率半径与大约为150毫米的直径，在此该影像感测器与该第二镜片元件右表面的距离是变数，该变数取决于该物件与该镜片***二者的距离以及该二个镜片元件的距离。
23.根据权利要求17所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：更包含位于该第一镜片元件左侧的孔径栏，该孔径栏具有无限大的曲率半径以及大约为300毫米的有限大直径，在此该第一镜片元件的直径可以缩小以匹配该孔径栏的直径。
24.根据权利要求17所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：在此该镜片***是设计来形成位于该第一镜片元件左侧并与该第一镜片元件有有限大小距离的物件的影像，在此该镜片***具有位于该第二镜片元件右测并与该第二镜片元件有有限大小距离的影像感测器，在此该第二镜片元件的直径以及该影像感测器的直径都可以缩小以匹配该物件的直径。
25.一种大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于包含:
第一镜片元件，该第一镜片元件的左表面是曲率半径大约介于300.6毫米到367.4毫米的球面状表面并且该第一镜片元件的直径大约为300毫米，该第一镜片元件的右表面是曲率半径为无限大的平面状表面并且该第一镜片元件的直径大约为300毫米，在此该第一镜片元件的厚度大约介于35毫米到55毫米；以及
第二镜片元件，该第二镜片元件的左表面是曲率半径大约介于119.7毫米到146.3毫米的一球面状表面并且该第一镜片元件的直径大约为180毫米，该第二镜片元件的右表面是曲率半径大约介于558.9毫米到683.1毫米的球面状表面并且该第一镜片元件的直径大约为180毫米，在此该第一镜片元件的厚度大约介于30毫米到50毫米；
在此，该第一镜片元件与该第二镜片元件之间的距离大约介于200毫米到290毫米；
在此，该第一镜片元件与该第二镜片元件是沿着光轴而同中心地排列；
在此，该第一镜片元件与该第二镜片元件都是由折射率大约介于1.80到2.12的材料所形成。
26.根据权利要求25所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：每一个该镜片元件都是由石英所形成。
27.根据权利要求25所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：更包含位于该第一镜片元件左侧的孔径栏，该孔径栏具有无限大的曲率半径以及大约为280毫米的直径，在此该孔径栏与该第一镜片元件的左表面的距离大约为0毫米。
28.根据权利要求25所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：在此该镜片***的半视野角的范围大约介于10°到14.2°，在此位于所述镜片元件左侧并且位于视野角的范围大约介于20°到28.2°间的物件可以被位于所述镜片元件右侧的影像感测器所侦测。
29.根据权利要求28所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：该镜片***是设计来形成直径大小大约为2000毫米并且位于该第一镜片元件左侧并且相距离大约4000毫米的物件的影像。
30.根据权利要求25所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：更包含位于该第二镜片元件右侧的影像感测器，该影像感测器具有无限大的曲率半径与大约为100毫米的直径，在此该影像感测器与该第二镜片元件右表面的距离是变数，该变数取决于该物件与该镜片***二者的距离以及该二个镜片元件的距离。
31.根据权利要求25所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：更包含位于该第一镜片元件左侧的孔径栏，该孔径栏具有无限大的曲率半径以及大约为300毫米的有限大直径，在此该第一镜片元件的直径可以缩小以匹配该孔径栏的直径。
32.根据权利要求25所述的大光圈太赫兹-吉赫兹镜片***，其特征在于：在此该镜片***是设计来形成位于该第一镜片元件左侧并与该第一镜片元件有有限大小距离的物件的影像，在此该镜片***具有位于该第二镜片元件右测并与该第二镜片元件有有限大小距离的影像感测器，在此该第二镜片元件的直径以及该影像感测器的直径都可以缩小以匹配该物件的直径。
33.一种镜片***，其特征在于：其具有两个镜片元件并且这二个镜片元件可以将来自物件的太赫兹-吉赫兹波予以反射或传输借以形成影像。
34.根据权利要求33所述的镜片***，其特征在于：任一个该镜片元件的材料可以是玻璃或石英。
35.根据权利要求33所述的镜片***，其特征在于：该物件的尺寸大小具有大约介于80厘米到200厘米的直径，并且该物件与该镜片***的距离近可以近到大约只有50厘米而远可以远到无限远。
36.根据权利要求33所述的镜片***，其特征在于：是使用尺寸大小大约为10平方厘米的二维平面式太赫兹-吉赫兹影像感测器来侦测该影像。
37.根据权利要求33所述的镜片***，其特征在于：所述镜片元件的直径最大大约为32厘米，而且该镜片***的光圈值可以小到大约为0.64。
38.根据权利要求33所述的镜片***，其特征在于：该二个镜片元件的距离是可调整的借以调整该镜片***的聚焦长度。
39.根据权利要求33所述的镜片***，其特征在于：至少一个该镜片元件的至少一个表面是球面状表面。
40.根据权利要求33所述的镜片***，其特征在于：至少一个该镜片元件的至少一个表面是非球面状表面。
41.根据权利要求33所述的镜片***，其特征在于：该镜片***的重量是低于大约10公斤。
42.根据权利要求33所述的镜片***，其特征在于：所述镜片元件的尺寸大小是可随着该物件的尺寸大小而相对应调整。
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