CN110779456A - 一种太赫兹波段超表面相移装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹波段超表面相移装置及其测量方法，所述太赫兹波段超表面相移装置包括接收组件、干涉组件和发射组件，通过所述发射组件发出强度一致的太赫兹波在被测物体表面产生反射光，通过所述干涉组件产生干涉图纹，所述接收组件中的所述相移器接收该干涉图纹后产生多个已知相位差的干涉图纹，其中，所述相移器由多个结构不同的超表面相移单元组成，所述超表面相移单元由C型开口环构成，呈周期性阵列形式，将对应的被测物体的相位组合在一起，得到被测物体表面的完整相位，从而得到被测物体的变形量，提高了检测精确度，并降低了成本。

Description

一种太赫兹波段超表面相移装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及太赫兹测量技术领域，尤其涉及一种太赫兹波段超表面相移装置及其测量方法。

背景技术

超材料是一种人工结构并且拥有天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料，可对光波偏振、相位、振幅和频率实现有效控制，而电子散斑干涉技术(ESPI)是以激光散斑作为被测物场变化信息的载体，利用被测物体在受激光照射后产生干涉散斑场的相关条纹来检测双光束波前后之间的相位变化。而以往的空间相移技术是基于光栅分光和偏振干涉的单CCD成像空间相移系统，结构复杂且测量精度不足，目前，采用将偏振片和光栅用不同厚度的玻璃相移台阶组成的相移单元代替，但其检测精度低，成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太赫兹波段超表面相移装置及其测量方法，提高被测物体的形变量的检测精确度，同时降低生产成本。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种太赫兹波段超表面相移装置，所述太赫兹波段超表面相移装置包括接收组件、干涉组件和发射组件，所述接收组件包括相移器和CCD摄像机，所述相移器和所述CCD摄像机电性连接，并位于所述CCD摄像机前方，所述相移器包括多个超表面相移单元，所述超表面相移单元呈周期性阵列形式排列，所述干涉组件和所述接收组件电性连接，并位于所述接收组件前方，所述发射组件与所述干涉组件电性连接，所述发射组件为多个，对称分布于所述干涉组件两侧。

其中，所述超表面相移单元包括基底和金属层，所述金属层与所述基底固定连接，并位于所述基底上表面。

其中，所述金属层包括第一相移表面、第二相移表面、第三相移表面和第四相移表面，所述第一相移表面、所述第二相移表面、所述第三相移表面和所述第四相移表面为4个不同角度、不同开口大小的C型开口环，并成矩形周期阵列形式排布。

其中，所述干涉组件包括成像镜头和干涉器，所述成像镜头与所述相移器电性连接，位于远离所述CCD摄像机一侧，所述干涉器与所述成像镜头电性连接，位于远离所述相移器一侧。

其中，所述发射组件包括激光器和扩束整型镜，所述扩束整型镜固定于所述激光器正前方。

第二方面，本发明提供一种太赫兹波段超表面相移测量方法，包括：

通过在被测物体表面产生的反射光投射到干涉组件，得到干涉图纹；

接收所述干涉图纹，组合被测物体表面的相位，得到被测物体的变形量。

其中，所述通过发射光在被测物体表面产生的反射光投射到干涉组件，得到干涉图纹，包括：

利用激光器发射出的太赫兹波经过扩束整型镜后，在被测物体表面产生对应的反射光，所述反射光投射到干涉组件，经过成像镜头和干涉器，得到被测物体表面干涉图纹。

其中，所述接收所述干涉图纹，组合被测物体表面的相位，得到被测物体的变形量，包括：

通过相移器接收所述干涉图纹，得到多个相位差的干涉图纹，利用所述相移器中的每个相移单元与所述CCD摄像机中的光板上的像素一一对应的关系，得到相应像素的相位。

其中，所述得到相应像素的相位后，所述方法还包括：

将对应的被测物体的相位组合在一起，得到被测物体表面的完整相位，从而得到被测物体的变形量。

本发明提供的一种太赫兹波段超表面相移装置及其测量方法，所述太赫兹波段超表面相移装置包括接收组件、干涉组件和发射组件，通过所述发射组件发出强度一致的太赫兹波在被测物体表面产生反射光，通过所述干涉组件产生干涉图纹，所述接收组件中的所述相移器接收该干涉图纹后产生多个已知相位差的干涉图纹，其中，所述相移器由多个超表面相移单元组成，所述超表面相移单元由C型开口环构成，呈周期性阵列形式，利用所述相移器中的每个相移单元与所述CCD摄像机中的光板上的像素一一对应的关系，得到相应像素的相位，将对应的被测物体的相位组合在一起，得到被测物体表面的完整相位，从而得到被测物体的变形量，提高了检测精确度，并降低了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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，下面描述中的附图仅仅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是本发明提供的一种太赫兹波段超表面相移装置的示意图。

图2是本发明提供的一种相移器的结构示意图。

图3是本发明提供的一种超表面相移单元的结构示意图。

图4是本发明提供的一种C型开口环的结构示意图。

图5是本发明提供的一种太赫兹波段超表面相移测量方法的步骤图。

图6是本发明提供的四种不同参数下结构的透过幅度和相位图。

1-发射组件、2-被测物体、3-干涉组件、4-接收组件、5-CCD摄像机、6-相移器、7-超表面相移单元、11-激光器、12-扩束整型镜、31-成像镜头、32-干涉器、71-基底、72-第一相移表面、73-第二相移表面、74-第三相移表面、75-第四相移表面、76-金属层。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1至图4，本发明提供一种太赫兹波段超表面相移装置，所述太赫兹波段超表面相移装置包括接收组件4、干涉组件3和发射组件1，所述接收组件4包括相移器6和CCD摄像机5，所述相移器6和所述CCD摄像机5电性连接，并位于所述CCD摄像机5前方，所述相移器6包括多个超表面相移单元7，所述超表面相移单元7呈周期性阵列形式排列，所述干涉组件3和所述接收组件4电性连接，并位于所述接收组件4前方，所述发射组件1与所述干涉组件3电性连接，所述发射组件1为多个，对称分布于所述干涉组件3两侧。

在本实施方式中，参见图1和图2，所述太赫兹波段超表面相移装置包括接收组件4、干涉组件3和发射组件1，所述接收组件4包括相移器6和CCD摄像机5，所述相移器6和所述CCD摄像机5电性连接，并位于所述CCD摄像机5前方，所述干涉组件3和所述接收组件4电性连接，并位于所述接收组件4前方，所述发射组件1与所述干涉组件3电性连接，所述发射组件1为多个，对称分布于所述干涉组件3两侧，一般所述发射组件的数量为两个，其中一个用于作为参照光，而所述相移器6包括多个结构不同的超表面相移单元7，所述超表面相移单元7呈周期性阵列形式排布，结构简单，可实现相移和均匀分光，提高被测物体的形变量的检测精确度，同时降低生产成本。

进一步的，所述超表面相移单元7包括基底71和金属层76，所述金属层76与所述基底71固定连接，并位于所述基底71上表面。

在本实施方式中，所述超表面相移单元7包括基底71和金属层76，所述金属层76与所述基底71固定连接，并位于所述基底71上表面，其中，所述基底使用材料蓝宝石，介电常数9.7，长宽：160×160μm，厚度：20μm，结构简单，厚度小。

进一步的，所述金属层76包括第一相移表面72、第二相移表面73、第三相移表面74和第四相移表面75，所述第一相移表面72、所述第二相移表面73、所述第三相移表面74和所述第四相移表面为4个不同角度、不同开口大小的C型开口环，并成矩形周期阵列形式排布。

在本实施方式中，参见图3，所述金属层76包括第一相移表面72、第二相移表面73、第三相移表面74和第四相移表面75，所述第一相移表面72、所述第二相移表面73、所述第三相移表面74和所述第四相移表面为4个不同角度、开口大小的C型开口环，α为环开口角度，θ为环对称轴与X轴的夹角，W为环宽，r为环外圈半径，其中，开口环外圈半径r均为31μm，内圈半径均为为26μm，环宽w为5μm，开口环厚度均为为0.2μm，第一相移表面72的开口角度为100度，环对称轴与X轴夹角为135度，第二相移表面73的开口角度为15度，环对称轴与X轴夹角为45度，第三相移表面74的开口角度为100度，环对称轴与X轴夹角为45度，第四相移表面的开口角度为15度，环对称轴与X轴夹角为135度，并成矩形周期阵列形式排布，具体排布方法为：这四个相移表面分为前后两行，每行两个，后行从左至右分别是第一相移表面72和第二相移表面73，前行从左至右分别是第三相移表面74和第四相移表面75，结构规则，无间隙，提高检测精确度。

进一步的，所述干涉组件3包括成像镜头31和干涉器32，所述成像镜头31与所述相移器6电性连接，位于远离所述CCD摄像机5一侧，所述干涉器32与所述成像镜头31电性连接，位于远离所述相移器6一侧。

在本实施方式中，所述干涉组件3包括成像镜头31和干涉器32，所述成像镜头31与所述相移器6电性连接，位于远离所述CCD摄像机5一侧，所述干涉器32与所述成像镜头31电性连接，位于远离所述相移器6一侧，所述成像镜头31采集通过所述干涉器32后的反射光，产生干涉条纹图。

进一步的，所述发射组件1包括激光器11和扩束整型镜12，所述扩束整型镜12固定于所述激光器11正前方。

在本实施方式中，所述发射组件1包括激光器11和扩束整型镜12，所述扩束整型镜12固定于所述激光器11正前方，所述激光器11发射出一太赫兹波，通过所述扩束整型镜12在被测物体2表面产生对应的反射光，并投射到所述干涉组件3中进行干涉。

参见图5，本发明提供一种太赫兹波段超表面相移测量方法，包括：

S101、通过在被测物体表面产生的反射光投射到干涉组件，得到干涉图纹。

具体的，所述发射组件1中的所述激光器11发射出强度一致的太赫兹波，通过所述扩束整型镜12后投射到被测物体2表面产生对应的反射光，所述干涉组件3中的所述干涉器32对该反射光干涉后，经过所述成像镜头31得到干涉图纹，提高了检测精度。

S102、接收所述干涉图纹，组合被测物体表面的相位，得到被测物体的变形量。

具体的，所述相移器6接收所述成像镜头31产生的所述干涉图纹，得到多个已知相位差的干涉图纹，其中，如图6所示，一个所述超表面相移单元7可以得到四幅已知相位差的干涉图纹，由于每一个所述超表面相移单元7与所述CCD摄像机5镜头上的光板的一个像素对应，因此光板上的一个像素记录一个所述超表面相移单元7的干涉图纹，对应的就可以计算出被测物体2表面上的一个相应像素位置的相位，将多个所述超表面相移单元7对应的待测面的相位组合起来，就可以得到整个被测物体2表面的完整相位，从而得到被测物体2的变形量，简化了结构，并提升了检测精度。

本发明提供的一种太赫兹波段超表面相移装置及其测量方法，所述太赫兹波段超表面相移装置包括接收组件4、干涉组件3和发射组件1，通过所述发射组件1发出强度一致的太赫兹波在被测物体2表面产生反射光，通过所述干涉组件3产生干涉图纹，所述接收组件4中的所述相移器6接收该干涉图纹后产生多个已知相位差的干涉图纹，其中，所述相移器6由多个超表面相移单元7组成，所述超表面相移单元7由C型开口环构成，呈周期性阵列形式，利用所述相移器6中的每个超表面相移单元7与所述CCD摄像机5中的光板上的像素一一对应的关系，得到相应像素的相位，将对应的被测物体的相位组合在一起，得到被测物体2表面的完整相位，从而得到被测物体2的变形量，提高了检测精确度，并降低了成本。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种太赫兹波段超表面相移装置，其特征在于，所述太赫兹波段超表面相移装置包括接收组件、干涉组件和发射组件，所述接收组件包括相移器和CCD摄像机，所述相移器和所述CCD摄像机电性连接，并位于所述CCD摄像机前方，所述相移器包括多个超表面相移单元，所述超表面相移单元呈周期性阵列形式排列，所述干涉组件和所述接收组件电性连接，并位于所述接收组件前方，所述发射组件与所述干涉组件电性连接，所述发射组件为多个，对称分布于所述干涉组件两侧。

2.如权利要求1所述的一种太赫兹波段超表面相移装置，其特征在于，所述超表面相移单元包括基底和金属层，所述金属层与所述基底固定连接，并位于所述基底上表面。

3.如权利要求2所述的一种太赫兹波段超表面相移装置，其特征在于，所述金属层包括第一相移表面、第二相移表面、第三相移表面和第四相移表面，所述第一相移表面、所述第二相移表面、所述第三相移表面和所述第四相移表面为4个不同角度、不同开口大小的C型开口环，并成矩形周期阵列形式排布。

4.如权利要求3所述的一种太赫兹波段超表面相移装置，其特征在于，所述干涉组件包括成像镜头和干涉器，所述成像镜头与所述相移器电性连接，位于远离所述CCD摄像机一侧，所述干涉器与所述成像镜头电性连接，位于远离所述相移器一侧。

5.如权利要求4所述的一种太赫兹波段超表面相移装置，其特征在于，所述发射组件包括激光器和扩束整型镜，所述扩束整型镜固定于所述激光器正前方。

6.一种太赫兹波段超表面相移测量方法，其特征在于，包括：

通过在被测物体表面产生的反射光投射到干涉组件，得到干涉图纹；

接收所述干涉图纹，组合被测物体表面的相位，得到被测物体的变形量。

7.如权利要求6所述的一种太赫兹波段超表面相移测量方法，其特征在于，所述通过在被测物体表面产生的反射光投射到干涉组件，得到干涉图纹，包括：

利用激光器发射出的太赫兹波经过扩束整型镜后，在被测物体表面产生对应的反射光，所述反射光投射到干涉组件，经过成像镜头和干涉器，得到被测物体表面干涉图纹。

8.如权利要求7所述的一种太赫兹波段超表面相移测量方法，其特征在于，所述接收所述干涉图纹，组合被测物体表面的相位，得到被测物体的变形量，包括：

通过相移器接收所述干涉图纹，得到多个相位差的干涉图纹，利用所述相移器中的每个超表面相移单元与所述CCD摄像机中的光板上的像素一一对应的关系，得到相应像素的相位。

9.如权利要求8所述的一种太赫兹波段超表面相移测量方法，其特征在于，所述得到相应像素的相位后，所述方法还包括：

将对应的被测物体的相位组合在一起，得到被测物体表面的完整相位，从而得到被测物体的变形量。

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