CN106681015B - 一种适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦装置，包括第一移动装置和控制器，第一探测器用于检测成像面附近第一预设三维区域内的太赫兹波，控制器用于判别第一信号强度，并通过第一移动装置控制第一探测器进行移动。直到所检测的第一信号强度最大，则和强度最大相对应的点作为扫描成像的焦点位置。本发明还公开了一种对焦方法，包括：选取成像面附近的第一预设区域作为太赫兹波的第一扫描区域；通过第一移动装置控制第一探测器进行移动，获取太赫兹波；选取第一信号强度最大的点作为第一探测器扫描成像的焦点。因此通过采用第一移动装置带动第一探测器的方式来寻找焦点位置，不仅减少了成本，对焦效率和准确率也有所提高。

Description

一种适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦装置和方法

技术领域

本发明涉及太赫兹波光学领域，特别是涉及一种适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦装置和方法。

背景技术

THz波是介于微波和红外之间的电磁波，波长在30μm到3000μm之间，频率为0.1-10THz之间。THz波不仅拥有和光波相同的直进性，而且还具有与电波相类似的穿透性和吸收性，汇集了这些优点，THz波一直是商业产品开发的关键。太赫兹技术其主要优点如下：

(1)太赫兹谱带波长比一般光学和近红外谱的波长要长，所以太赫兹辐射检测生物组织样本不易发生散射；太赫兹辐射比微波具有更短的波长，这使得太赫兹光谱具有更高的空间分辨率，更大的景深。

(2)太赫兹波穿透性好，能够穿透非极性液体和许多介电材料(衣服、塑料、木材、纸张等)，这意味着人们可利用太赫兹波穿透包装材料对其内部物体进行探测。

(3)由于太赫兹波的光子能量很低(毫电子伏量级)，它穿透物质时，不易发生电离，因而可用来进行安全的无损检测，与之对应的X射线检测则有相当的电离辐射危险。

(4)许多物质大分子，如生物大分子的振动和旋转频率都在THz波段，所以在THz波段表现出很强的吸收和谐振，这表明采用太赫兹光谱分析技术可以很明显的看到很多物体、材料在太赫兹波段的特征吸收峰，即可用太赫兹波对待检物品进行非接触式成分分析。

(5)THz波的时域频谱信噪比很高，这使得THz非常适用于成像应用。太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级，可以方便地对各种材料(包括液体、半导体、超导体、生物样品等)进行时间分辨的研究。THz用于等离子体检测，利用THz辐射可以探测出高温、高密度等离子体中密度的空间分布。

(6)THz在皮肤癌的诊断和治疗、DNA探测、THz医学应用、THz断层成像、THz生物化学应用以及药物的分析和检测等方面都显示了其强大的功能和成效。

但是在太赫兹波段的光学系统中，往往存在需要对于聚焦光斑进行精确对焦的问题，而手动对焦往往存在对焦不准确、花费时间长等缺点，特别在一些需要高精度、低误差的太赫兹系统中，手动对焦比较困难。

因此，如何提高反射式太赫兹波系统的对焦准确度，是本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦装置和方法，可以有效解决对焦不准确，对焦时间长以及人力成本较高等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦装置，太赫兹系统包括：太赫兹波源、第一透镜、第二透镜、分束镜、第一探测器，所述太赫兹波源发出的太赫兹波经过所述分束镜折射后，被所述第一透镜和所述第二透镜准直、聚焦在样品面上，然后经过样品面的反射，再依次通过所述第二透镜和所述第一透镜，经所述分束镜反射聚焦在成像面，所述自动对焦装置包括第一移动装置和控制器，所述第一探测器用于检测所述成像面附近第一预设三维区域内的太赫兹波，所述控制器用于判别所述第一探测器探测到的太赫兹波的第一信号强度，并根据所述第一信号强度通过所述第一移动装置控制所述第一探测器进行移动。

优选地，所述自动对焦装置还包括第二移动装置，所述太赫兹系统还包括用于将检测到的所述样品面附近第二预设三维区域内的太赫兹波发送给控制器的第二探测器，所述第二移动装置用于根据所述控制器判别所述第二探测器探测到的太赫兹波的第二信号强度来控制所述第二探测器进行移动。

优选地，所述第一移动装置和所述第二移动装置均包括三维电机。

一种适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦方法，包括：

选取成像面附近的第一预设区域作为太赫兹波的第一扫描区域；

通过第一移动装置控制第一探测器进行移动，使所述第一探测器依次接收经分束镜反射在所述第一扫描区域内各点的太赫兹波；

选取所述第一扫描区域内的太赫兹波的第一信号强度最大的点作为所述第一探测器扫描成像的焦点。

优选地，包括：

判断所述第一信号强度最大的点是否处于所述第一扫描区域的边界；

若否，则将所述第一信号强度最大的点作为所述第一探测器扫描成像的焦点；

若是，则扩大所述第一扫描区域。

优选地，在确定所述第一探测器扫描成像的焦点之后，还包括：

选取样品面附近的第二预设区域作为太赫兹波的第二扫描区域；

通过第二移动装置控制第二探测器进行移动，使所述第二探测器依次接收透射在所述第二扫描区域内各点的太赫兹波；

选取所述第二扫描区域内的太赫兹波的第二信号强度最大的点，作为所述第二探测器扫描样品的焦点。

优选地，在确定所述第二探测器扫描样品的焦点之后，还包括：

判断所述第二信号强度最大的点是否处于所述第二扫描区域的边界；

若否，则将所述第二信号强度最大的点作为所述第二探测器扫描样品的焦点；

若是，则扩大所述第二扫描区域。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明所提供的一种适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦装置，太赫兹系统包括：太赫兹波源、第一透镜、第二透镜、分束镜、第一探测器，太赫兹波源发出的太赫兹波经过分束镜折射后，被第一透镜和第二透镜准直、聚焦在样品面上，然后经过样品面的反射，再依次通过第二透镜和第一透镜，经分束镜反射聚焦在成像面，自动对焦装置包括第一移动装置和控制器，第一探测器用于检测成像面附近第一预设三维区域内的太赫兹波，控制器用于判别第一探测器探测到的太赫兹波的第一信号强度，并根据第一信号强度通过第一移动装置控制第一探测器进行移动。

本发明还公开了一种适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦方法，包括：选取成像面附近的第一预设区域作为太赫兹波的第一扫描区域；通过第一移动装置控制第一探测器进行移动，使第一探测器依次获取第一扫描区域内各点的太赫兹波；选取第一扫描区域内的太赫兹波的第一信号强度最大的点作为第一探测器扫描成像的焦点。

首先将成像面定位在距离分束镜中心的一个的工作距离处，然后通过第一移动装置带动第一探测器在样品面附近第一预设三维区域进行匀速运动来检测太赫兹波，控制器实时判别第一探测器所检测到的太赫兹波的第一信号强度，直到第一探测器所检测的太赫兹波的第一信号强度最大，则和第一信号强度最大所相对应的点作为第一探测器扫描成像的焦点位置。因此通过采用第一移动装置带动第一探测器的方式来寻找焦点位置，不仅减少了系统成本，而且还减少了人力成本，重要的是，对焦效率和准确率均有所提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种具体实施方式所提供的一种适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦装置的结构示意图；

图2为本发明一种具体实施方式所提供的一种适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦方法的流程示意图；

图3为本发明一种具体实施方式所提供的一种适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦方法中的第一探测器在光束y轴截面进行移动的流程示意图；

图4为本发明一种具体实施方式所提供的一种适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦方法中的第一探测器在光束x轴截面进行移动的流程示意图；

图5为本发明一种具体实施方式所提供的一种适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦方法中的第一探测器在光束z轴截面进行移动的流程示意图。

附图标记如下：

1为太赫兹波源，2为分束镜，3为成像面，4为第一透镜，5为第二透镜，6为样品面。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，目前的透射式太赫兹波系统需要通过手动进行对焦，不仅对焦时间长，而且对焦精度较低。

基于上述研究的基础上，本发明实施例提供了一种适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦装置和方法通过采用第一移动装置带动第一探测器的方式来寻找扫描成像的焦点位置，不仅减少了系统成本，而且还减少了人力成本，重要的是，对焦效率和准确率均有所提高。

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

请参考图1，图1为本发明一种具体实施方式所提供的一种适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦装置的结构示意图。

本发明的一种具体实施方式提供了一种适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦装置，太赫兹系统包括：太赫兹波源1、第一透镜4、第二透镜5、分束镜2、第一探测器，太赫兹波源1发出的太赫兹波经过分束镜2折射后，被第一透镜4和第二透镜5准直、聚焦在样品面6上，然后经过样品面6的反射，再依次通过第二透镜5和第一透镜4，经分束镜2反射聚焦在成像面3，自动对焦装置包括第一移动装置和控制器，第一探测器用于检测成像面3附近第一预设三维区域内的太赫兹波，控制器用于判别第一探测器探测到的太赫兹波的第一信号强度，并根据第一信号强度通过第一移动装置控制第一探测器进行移动。

在本实施例中，首先将成像面3定位在距离分束镜2中心的一个工作距离处，然后通过第一移动装置带动第一探测器在成像面3附近第一预设三维区域进行匀速运动来检测太赫兹波，控制器实时判别第一探测器所检测到的太赫兹波的强度，直到第一探测器所检测的太赫兹波的强度最大，则和强度最大相对应的点作为扫描成像的焦点位置。因为第一探测器接收到的信号越强，接收到的能量就越多，那么最终的扫描图像质量就越好。因此通过采用第一移动装置带动第一探测器的方式来寻找焦点位置，不仅减少了系统成本，而且还减少了人力成本，重要的是，对焦效率和准确率均有所提高。

进一步地，自动对焦装置还包括第二移动装置，太赫兹系统还包括用于将检测到的样品面6附近第二预设三维区域内的太赫兹波发送给控制器的第二探测器，第二移动装置用于根据控制器判别第二探测器探测到的太赫兹波的第二信号强度来控制第二探测器进行移动。

应用本实施例提供的自动对焦装置时，首先将样品面6初步定位在第二透镜5的右侧，然后通过第二移动装置带动第二探测器在样品面6附近第二预设三维区域进行匀速运动来检测太赫兹波，控制器实时判别第二探测器所检测到的太赫兹波的第一信号强度，直到第二探测器所检测的太赫兹波的第二信号强度最大，则和第二信号强度最大所相对应的点作为第二探测器扫描样品面6的焦点位置。在对焦完成后，为了扫描更有效、花费时间更短，可以把焦点的初始位置放置在样品的边缘处，最好在样品的一个边角处，然后依次进行扫描。

更进一步地，第一移动装置和第二移动装置均包括三维电机。由三维电机带动第一探测器和第二探测器在三维空间内运动来检测太赫兹波。

请参考图2，图2为本发明一种具体实施方式所提供的一种适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦方法的流程示意图。

本发明还提供了一种适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦方法，包括以下步骤：

S400：选取成像面附近的第一预设区域作为太赫兹波的第一扫描区域。其中第一扫面区域包括初始成像面上下前后左右的扫描阈值和步长，步长优选为五倍太赫兹波长大小，当然也可以为其它倍数太赫兹波长的数值。

S500：通过第一移动装置控制第一探测器进行移动，使所述第一探测器依次接收从分束镜反射在所述第一扫描区域内各点的太赫兹波，选取所述第一扫描区域内的太赫兹波的第一信号强度最大的点作为所述第一探测器扫描成像的焦点。其中可以通过第一移动装置带动第一探测器在第一扫描区域内以预设步长进行移动，控制器实时判断第一探测器检测到的各点信号强度，并记录各点的坐标值。

S600：判断所述第一信号强度最大的点是否处于所述第一扫描区域的边界；

若否，则将所述第一信号强度最大的点作为所述第一探测器扫描成像的焦点；

若是，则扩大所述第一扫描区域。

因此通过第一移动装置带动第一探测器的方式寻找太赫兹波强度信号最大的点作为第一探测器扫描成像的焦点位置，不仅可以提高对焦效率，而且节约了人力成本。

进一步地，在确定第一探测器扫描成像的焦点位置之前，还包括以下步骤：

S100：选取样品面附近的第二预设区域作为太赫兹波的第二扫描区域；

S200：通过第二移动装置控制第二探测器进行移动，使所述第二探测器依次接收透射在所述第二扫描区域内各点的太赫兹波，选取所述第二扫描区域内的太赫兹波的第二信号强度最大的点，作为所述第二探测器扫描样品的焦点。其中第二扫面区域包括初始样品面上下前后左右的扫描阈值和步长，步长优选为五倍太赫兹波长大小，当然也可以为其它倍数太赫兹波长的数值。

进一步地，在确定第二探测器扫描样品的焦点之后，还包括：

S300：判断所述第二信号强度最大的点是否处于所述第二扫描区域的边界；

若否，则将所述第二信号强度最大的点作为所述第二探测器扫描样品的焦点；

若是，则扩大所述第二扫描区域。由于若第二信号强度最大的处于第二扫描区域的边界，则位于第二扫描区域外可能存在更大的第二信号强度点，因此通过扩大第二扫描区域，也即扩大扫描范围，可以使得扫描样品的焦点位置更加准确。

为了进一步使本领域技术人员更加理解本发明所提供的技术方案，在此进行举例说明，请参考图3、图4和图5：

当第一探测器在xy平面内沿y轴运动时，令第一探测器的运动范围大于图3中圆形光斑截面的直径，以便第一探测器的探测范围能够穿过整个光斑，此时在第一探测器的运动范围内存在两个信号零点(探测器信号强度回到初始值，此时可以认为没有收到光信号)，即图中的A、B两点，当由三维电机带动的第一探测器以一定步长(初始步长可设为五倍太赫兹波长大小)检测到这两个信号零点之后，此时将A、B连线的中点记为点P，且与直线AB垂直的平面记为α，其中为了使A、B两点的位置更加精确，可减小步长趋于毫米级范围内。若第一探测器检测不到这两个零点，那么需要由三维电机带动第一探测器沿x轴方向移动一定距离，若第一探测器只能检测到一个零点，那么需要加大第一探测器在x轴方向的运动范围，直到可以检测到这两个零点为止。

当第一探测器在xy平面内沿x轴运动时，令第一探测器的运动范围大于图4中圆的直径，以便第一探测器的探测范围能够穿过整个光斑，此时在第一探测器的运动范围内存在两个信号零点，即图中的M、N两点，当由三维电机带动的第一探测器以一定步长(初始步长可设为五倍太赫兹波长大小)检测到这两个信号零点之后，此时将A、B连线的中点记为点F，且与直线MN垂直的平面记为β，其中为了使A、B两点的位置更加精确，可减小步长趋于毫米级范围内。若第一探测器检测不到这两个零点，那么需要由三维电机带动第一探测器沿y轴方向移动一定距离，若第一探测器只能检测到一个零点，那么需要加大第一探测器在y轴方向的运动范围，直到可以检测到这两个零点为止。平面α和β的交线即为光轴。

当第一探测器在光轴(即图5中的z轴)上移动时，若第一信号强度最大的点位于C端或者D端，则需要增加第一扫描区域的扫描范围，直到第一信号最强点位于CD范围内。

此外，第二探测器可以以第一探测器的移动方式进行移动来获取焦点位置，此处不再赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另一个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或顺序。

以上对本发明所提供的一种适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦装置和方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦装置，太赫兹系统包括：太赫兹波源、第一透镜、第二透镜、分束镜、第一探测器，所述太赫兹波源发出的太赫兹波经过所述分束镜折射后，被所述第一透镜和所述第二透镜准直、聚焦在样品面上，然后经过样品面的反射，再依次通过所述第二透镜和所述第一透镜，经所述分束镜反射聚焦在成像面，其特征在于，所述自动对焦装置包括第一移动装置和控制器，所述第一探测器用于检测所述成像面附近第一预设三维区域内的太赫兹波，所述控制器用于判别所述第一探测器探测到的太赫兹波的第一信号强度，并根据所述第一信号强度通过所述第一移动装置控制所述第一探测器进行移动。

2.根据权利要求1所述的自动对焦装置，其特征在于，所述自动对焦装置还包括第二移动装置，所述太赫兹系统还包括用于将检测到的所述样品面附近第二预设三维区域内的太赫兹波发送给控制器的第二探测器，所述第二移动装置用于根据所述控制器判别所述第二探测器探测到的太赫兹波的第二信号强度来控制所述第二探测器进行移动。

3.根据权利要求2所述的自动对焦装置，其特征在于，所述第一移动装置和所述第二移动装置均包括三维电机。

4.一种适用于反射式太赫兹波系统的自动对焦方法，其特征在于，包括：

选取成像面附近的第一预设区域作为太赫兹波的第一扫描区域；

通过第一移动装置控制第一探测器进行移动，使所述第一探测器依次接收从分束镜反射在所述第一扫描区域内各点的太赫兹波；

选取所述第一扫描区域内的太赫兹波的第一信号强度最大的点作为所述第一探测器扫描成像的焦点。

5.根据权利要求4所述的自动对焦方法，其特征在于，包括：

判断所述第一信号强度最大的点是否处于所述第一扫描区域的边界；

若否，则将所述第一信号强度最大的点作为所述第一探测器扫描成像的焦点；

若是，则扩大所述第一扫描区域。

6.根据权利要求5所述的自动对焦方法，其特征在于，在确定所述第一探测器扫描成像的焦点之后，还包括：

选取样品面附近的第二预设区域作为太赫兹波的第二扫描区域；

通过第二移动装置控制第二探测器进行移动，使所述第二探测器依次接收透射在所述第二扫描区域内各点的太赫兹波；

选取所述第二扫描区域内的太赫兹波的第二信号强度最大的点，作为所述第二探测器扫描样品的焦点。

7.根据权利要求6所述的自动对焦方法，其特征在于，在确定所述第二探测器扫描样品的焦点之后，还包括：

判断所述第二信号强度最大的点是否处于所述第二扫描区域的边界；

若否，则将所述第二信号强度最大的点作为所述第二探测器扫描样品的焦点；

若是，则扩大所述第二扫描区域。