CN112414965A - 太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置及其方法，包括发射光路单元、探测光路单元、可见激光测距仪、升降平移台；发射光路单元固定端和探测光路单元固定端均转动连接在转轴上，可见激光测距仪固定在发射光路单元光轴和探测光路单元光轴形成的夹角的角平分线上，且可见激光测距仪发出的激光与发射光路单元光轴和探测光路单元光轴在同一平面上，样品固定在升降平移台上表面，左右或前后移动升降平移台，使可见激光测距仪发出的激光光斑落在待测样品表面，可见激光测距仪能够检测可见激光测距仪到样品上表面的距离，基于可见激光测距仪检测的距离调整升降平移台，使样品置于最佳样品放置点，实现最大信噪比的成像。

Description

太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置及方法

技术领域：

本发明属于太赫兹时域光谱系统领域，具体涉及一种太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置。

背景技术：

太赫兹时域光谱成像测量技术是近十几年来新兴的热门研究领域，典型的太赫兹波是指频率在0.1-10THz(对应波长30μm-3mm)之间的电磁波，介于微波与红外线之间的一段电磁波谱，由于非极性大分子之间/内的弱作用力(氢键、范德华力)、骨架振动和偶极子旋转等正好处于THz频谱范围内，并且太赫兹脉冲信号具有良好的时间分辨率，使得太赫兹时域光谱技术和太赫兹三维层析成像技术近年来在多个领域迅速展开应用。基于太赫兹时域光谱技术的技术优势，快速太赫兹时域光谱检测技术能够快速对待测物质的光谱特性信息以及物质穿透信息进行测量，在半导体材料、超温超导材料的性质研究、断层扫描成像技术、基因检查、化学和生物检查、宽带通信等领域具有广泛的应用，是一种物质厚度检测、物质成分分析、物质分层信息测量、太赫兹三维层析成像等方面有效测量手段。

基于光电导天线的太赫兹时域光谱系统是当前最为有效的太赫兹光谱成像产品。其基本原理为：光纤飞秒激光器发出两束飞秒激光，一束作为泵浦光，经光纤传输到光电导发射天线上，在偏置电压的作用下产生宽带太赫兹波，该太赫兹波经反射方式携带测试样品的三维层析信号进入太赫兹探测天线；探测光经过快速光学延迟线，将携带有样品信息的太赫兹波谱信息通过波谱分析技术对样品进行三维层析成像。

太赫兹时域光谱系统的输出波谱频率为0.1-4THz，输出波谱位于人眼不能直接观察到的波段，在对待测样品进行反射成像过程中太赫兹波的束腰位置具有最高的成像信号信噪比，由于不能直观的观察到太赫兹波聚焦光斑点的位置，在对不规则样品进行成像过程中，每改变一次样品位置都需要手动对待测物质的空间位置进行手动调试，既浪费大量的人力物力又增加了在测试过程中偶然误差的存在。

发明内容：

本发明目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置，其利用激光测距仪中的可见光指示太赫兹时域光谱系统测量不规则物体时太赫兹光斑不能有效聚焦到样品表面的缺陷，通过本套系可以通过自动化控制系统实现待测物体自动调节高度的装置，该装置通过激光测距仪的实时位置信息反馈在线对待测样品的位置进行实时调节，保证太赫兹三维层析成像系统的信噪比，实现在优化的成像。

为了实现上述目的，本发明涉及的一种太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置，包括发射光路单元、探测光路单元、可见激光测距仪、升降平移台；发射光路单元固定端和探测光路单元固定端均转动连接在转轴上，可见激光测距仪固定在发射光路单元光轴和探测光路单元光轴形成的夹角的角平分线上，且可见激光测距仪发出的激光与发射光路单元光轴和探测光路单元光轴在同一平面上(称为平面A)，可见激光测距仪发出的激光、发射光路单元光轴和探测光路单元光轴相交于一点，该交点为样品最佳放置点，升降平移台上表面垂直于所述平面，同时可见激光测距仪发出的激光也垂直于升降平移台上表面，样品固定在升降平移台上表面，左右或前后移动升降平移台，使可见激光测距仪发出的激光光斑落在待测样品表面，可见激光测距仪能够检测可见激光测距仪到样品上表面的距离，基于可见激光测距仪检测的距离调整升降平移台，使样品置于最佳样品放置点，实现最大信噪比的成像。

具体地，本发明涉及的太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置，还包括实时反馈系统，实时反馈系统分别与可见光激光测距仪、升降平移台相连接。

本发明涉及的一种太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置，还包括圆弧标尺，圆弧标尺平行于所述平面设置，且圆弧标尺圆心固定在转轴上。

较佳地，圆弧标尺上的刻度对称设置，由圆弧标尺对称轴向两边从0开始逐渐增大，发射光路单元和探测光路单元以圆弧标尺对称轴对称设置。

进一步地，沿角平分线固定设置一螺杆，螺杆一端与步进电机转动连接，在螺杆上螺纹连接一滑块，发射光路单元连杆一端与发射光路单元移动端转动连接，探测光路单元连杆一端与探测光路单元移动端转动连接，发射光路单元连杆另一端与探测光路单元连杆另一端铰接于滑块上,构成一平行四边形。

所述发射光路单元包括太赫兹发射天线、第一准直透镜、第一聚焦透镜和发射光路单元转动杆，太赫兹发射天线、第一准直透镜和第一聚焦透镜集成于一个镜筒中，发射光路单元组成的镜筒固定在发射光路单元转动杆上，发射光路单元转动杆固定端与转轴转动连接，发射光路单元连杆转动连接在发射光路单元转动杆移动端，发射光路单元转动杆移动端为指针状，发射光路单元转动杆靠近圆弧标尺设置，能够直接指示圆弧标尺上的刻度，得到发射光路单元与角平分线之间的夹角大小,，同理，所述探测光路单元包括第二聚焦透镜、第二准直透镜、太赫兹探测天线和探测光路单元转动杆，第二聚焦透镜、第二准直透镜和太赫兹探测天线集成于一个镜筒中，探测光路单元集成的镜筒固定在探测光路单元转动杆上，探测光路单元转动杆固定端与转轴转动连接，探测光路单元连杆转动连接在探测光路单元转动杆移动端，探测光路单元转动杆移动端为为指针状，探测光路单元转动杆靠近圆弧标尺设置，能够直接指示圆弧标尺上的刻度，得到探测光路单元与角平分线之间的夹角大小。

较佳地，为了不对其他结构造成干扰，可见激光测距仪固定在步进电机和滑块之间的螺杆上。

具体地，所述可见激光测距仪通过二轴调节架固定在调节架上部，调节架固定在螺杆上，二轴调节架用于调节俯仰与偏摆，调节架为现有升降杆。

本发明涉及的一种太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节方法，包括以下步骤：

(1)调整调节架和二轴调节架，使可见激光测距仪发出的激光与发射光路单元光轴和探测光路单元光轴相交于一点；

(2)将样品放置在升降平移台上表面，启动可见激光测距仪，根据光斑位置前后左右移动升降平移台，使光斑落在待测样品上，然后可见激光测距仪测量其与样品上表面之间的距离d，并将该值发送到实时反馈系统；

(3)若d＞d2，向上移动升降平移台9，d＜d2，向下移动升降平移台，直至d＝d2，完成调整，d为可见激光测距仪8到样品上表面之间的距离为，d2为可见激光测距仪到最佳样品放置点之间的距离，为已知量。

激光测距仪是利用脉冲激光的时间延迟对待测目标的距离进行准确测定的仪器，可见光激光测距仪不仅具有测量距离准确、聚焦光斑尺寸小、单色性高等优点，并且具有高亮度能够被人眼容易观察到，通过本装置的调节能够有效的指示太赫兹信号的聚焦光斑位置，结合太赫兹反射信号的角度信息与激光测距仪的测距信息可以有效的实现待测样品摆放位置的自动化调节，最终将待测样品的成像位置调节到太赫兹时域光谱系统的光斑聚焦位置，实现系统对样品进行高信噪比的成像。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、通过将发射光路单元和探测光路单元固定端固定，保证发射光路和探测光路的焦点位置不变，为距离的测量提供了理论基础，实现了样品位置的自动调整，方便操作人员对试样进行测试，减少由于人为操作不当造成的测试数据随机误差的概率，提高测试准确率；

2、首先构建了包括发射光路单元、探测光路单元、发射光路单元连杆和探测光路单元连杆的四连动结构，在步进电机的带动下，实现发射光路单元和探测光路单元的轴向对称调整

附图说明：

图1是本发明涉及的太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置立体图。

图2是本发明涉及的太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置结构示意图(含实时反馈系统)。

图3是本发明涉及的太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置平面图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及的一种太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置，包括发射光路单元2、探测光路单元3、可见激光测距仪8、升降平移台9；发射光路单元2固定端和探测光路单元3固定端均转动连接在转轴13上，可见激光测距仪8固定在发射光路单元2光轴和探测光路单元3光轴形成的夹角的角平分线上，且可见激光测距仪8发出的激光与发射光路单元2光轴和探测光路单元3光轴在同一平面上(称为平面A)，即可见激光测距仪8发出的激光、发射光路单元2光轴和探测光路单元3光轴相交于一点，该交点为样品最佳放置点，升降平移台9上表面垂直于所述平面(平面A)，同时可见激光测距仪8发出的激光也垂直于升降平移台9上表面，样品固定在升降平移台9上表面，左右或前后移动升降平移台9，使可见激光测距仪8发出的激光光斑落在待测样品表面，可见激光测距仪8能够检测可见激光测距仪8到样品上表面的距离，基于可见激光测距仪8检测的距离调整升降平移台9，使样品置于最佳样品放置点，实现最大信噪比的成像。

具体地，可见激光测距仪8到样品上表面之间的距离为d，由可见激光测距仪8直接测量得到，而d＝d1+d2，d2为可见激光测距仪8到最佳样品放置点(交点)之间的距离，为已知量，d1为样品上表面到最佳样品放置点(交点)之间的距离，即升降平移台9的位移量。

具体地，本实施例涉及的太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置，还包括实时反馈系统14，实时反馈系统14分别与可见光激光测距仪8、升降平移台9相连接，实时读取可见光激光测距仪8发送的距离d，若d＞d2，控制升降平移台9向上移动，d＜d2，控制升降平移台9向下移动，直至d＝d2。所述升降平移台为现有的电动升降平移台，能够精准地自动控制升降的位移量，同时也能够在前后左右方向上移动。

使用过程中，根据实际情况需要不断调整发射光路单元2和探测光路单元3之间的夹角，为了便于角度的调整，准确读出角度，本实施例涉及的一种太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置，还包括圆弧标尺10，圆弧标尺10平行于平面A设置，且圆弧标尺10圆心固定在转轴13上。转动发射光路单元2和探测光路单元3移动端，调整发射光路单元2和探测光路单元3之间的夹角，通过圆弧标尺10上的刻度实时确定夹角的角度。

较佳地，圆弧标尺10上的刻度对称设置，由圆弧标尺对称轴向两边从0开始逐渐增大，发射光路单元2和探测光路单元3以圆弧标尺对称轴对称设置，方便实现发射光路单元2和探测光路单元3的同步移动。

进一步地，为了保证角度调整过程中，可见激光测距仪8始终固定在发射光路单元2光轴和探测光路单元3光轴形成的夹角的角平分线上，沿角平分线固定设置一螺杆12，螺杆12一端与步进电机1转动连接，在螺杆12上螺纹连接一滑块11，发射光路单元连杆4一端与发射光路单元2移动端转动连接，探测光路单元连杆6一端与探测光路单元2移动端转动连接，发射光路单元连杆4另一端与探测光路单元连杆6另一端铰接于滑块11上,发射光路单元2和探测光路单元3长度相等，发射光路单元连杆和探测光路单元连杆长度相等。步进电机1带动螺杆12转动，进而通过发射光路单元连杆4和探测光路单元连杆6，同步调整发射光路单元2光轴与角平分线之间以及探测光路单元3光轴与角平分线之间的角度，使发射光路单元2光轴和探测光路单元3光轴之间的夹角在0-180°转动。

所述发射光路单元2包括太赫兹发射天线、第一准直透镜、第一聚焦透镜和发射光路单元转动杆5，太赫兹发射天线、第一准直透镜和第一聚焦透镜集成于一个镜筒中，发射光路单元2组成的镜筒固定在发射光路单元转动杆5上，发射光路单元转动杆5固定端与转轴13转动连接，发射光路单元连杆4转动连接在发射光路单元转动杆5移动端，发射光路单元转动杆5移动端为指针状，发射光路单元转动杆5靠近圆弧标尺10设置，能够直接指示圆弧标尺10上的刻度，得到发射光路单元2与角平分线之间的夹角大小。同理，所述探测光路单元3包括第二聚焦透镜、第二准直透镜、太赫兹探测天线和探测光路单元转动杆7，第二聚焦透镜、第二准直透镜和太赫兹探测天线集成于一个镜筒中，探测光路单元集成的镜筒固定在探测光路单元转动杆7上，探测光路单元转动杆7固定端与转轴13转动连接，探测光路单元连杆6转动连接在探测光路单元转动杆7移动端，探测光路单元转动杆7移动端为为指针状，探测光路单元转动杆7靠近圆弧标尺10设置，能够直接指示圆弧标尺10上的刻度，得到探测光路单元3与角平分线之间的夹角大小。集成化设置便于发射光路单元2或探测光路单元3各光学元件高度的同步调整。

较佳地，为了不对其他结构造成干扰，可见激光测距仪8固定在步进电机1和滑块11之间的螺杆12上。具体地，所述可见激光测距仪8通过二轴调节架固定在调节架13上部，调节架13固定在螺杆12上，二轴调节架用于调节俯仰与偏摆，调节架13具体为现有升降杆，实现高度的调整。

本实施例涉及的一种太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节方法，具体包括以下步骤：

(1)调整调节架13和二轴调节架，使可见激光测距仪8发出的激光与发射光路单元2光轴和探测光路单元3光轴相交于一点；

(2)将样品放置在升降平移台9上表面，启动可见激光测距仪8，根据光斑位置前后左右移动升降平移台，使光斑落在待测样品上，然后可见激光测距仪8测量其与样品上表面之间的距离d，并将该值发送到实时反馈系统14；

(3)若d＞d2，向上移动升降平移台9，d＜d2，向下移动升降平移台9，直至d＝d2，完成调整。

Claims (9)

1.一种太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置，其特征在于，包括发射光路单元、探测光路单元、可见激光测距仪、升降平移台；发射光路单元固定端和探测光路单元固定端均转动连接在转轴上，可见激光测距仪固定在发射光路单元光轴和探测光路单元光轴形成的夹角的角平分线上，且可见激光测距仪发出的激光与发射光路单元光轴和探测光路单元光轴在同一平面上，可见激光测距仪发出的激光、发射光路单元光轴和探测光路单元光轴相交于一点，该交点为样品最佳放置点，升降平移台上表面垂直于所述平面，同时可见激光测距仪发出的激光也垂直于升降平移台上表面，样品固定在升降平移台上表面，左右或前后移动升降平移台，使可见激光测距仪发出的激光光斑落在待测样品表面，可见激光测距仪能够检测可见激光测距仪到样品上表面的距离，基于可见激光测距仪检测的距离调整升降平移台，使样品置于最佳样品放置点，实现最大信噪比的成像。

2.根据权利要求1所述的太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置，其特征在于，太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置，还包括实时反馈系统，实时反馈系统分别与可见光激光测距仪、升降平移台相连接。

3.根据权利要求2所述的太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置，其特征在于，所述太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置，还包括圆弧标尺，圆弧标尺平行于所述平面设置，且圆弧标尺圆心固定在转轴上。

4.根据权利要求3所述的太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置，其特征在于，圆弧标尺上的刻度对称设置，由圆弧标尺对称轴向两边从0开始逐渐增大，发射光路单元和探测光路单元以圆弧标尺对称轴对称设置。

5.根据权利要求4所述的太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置，其特征在于，沿角平分线固定设置一螺杆，螺杆一端与步进电机转动连接，在螺杆上螺纹连接一滑块，发射光路单元连杆一端与发射光路单元移动端转动连接，探测光路单元连杆一端与探测光路单元移动端转动连接，发射光路单元连杆另一端与探测光路单元连杆另一端铰接于滑块上,构成一平行四边形。

6.根据权利要求5所述的太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置，其特征在于，所述发射光路单元包括太赫兹发射天线、第一准直透镜、第一聚焦透镜和发射光路单元转动杆，太赫兹发射天线、第一准直透镜和第一聚焦透镜集成于一个镜筒中，发射光路单元组成的镜筒固定在发射光路单元转动杆上，发射光路单元转动杆固定端与转轴转动连接，发射光路单元连杆转动连接在发射光路单元转动杆移动端，发射光路单元转动杆移动端为指针状，发射光路单元转动杆靠近圆弧标尺设置，能够直接指示圆弧标尺上的刻度，得到发射光路单元与角平分线之间的夹角大小,，同理，所述探测光路单元包括第二聚焦透镜、第二准直透镜、太赫兹探测天线和探测光路单元转动杆，第二聚焦透镜、第二准直透镜和太赫兹探测天线集成于一个镜筒中，探测光路单元集成的镜筒固定在探测光路单元转动杆上，探测光路单元转动杆固定端与转轴转动连接，探测光路单元连杆转动连接在探测光路单元转动杆移动端，探测光路单元转动杆移动端为为指针状，探测光路单元转动杆靠近圆弧标尺设置，能够直接指示圆弧标尺上的刻度，得到探测光路单元与角平分线之间的夹角大小。

7.根据权利要求6所述的太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置，其特征在于，可见激光测距仪固定在步进电机和滑块之间的螺杆上。

8.根据权利要求7所述的太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节装置，其特征在于，所述可见激光测距仪通过二轴调节架固定在调节架上部，调节架固定在螺杆上，二轴调节架用于调节俯仰与偏摆，调节架为现有升降杆。

9.一种权利要求1-8任一项所述的太赫兹三维层析成像系统样品位置自动调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)调整调节架和二轴调节架，使可见激光测距仪发出的激光与发射光路单元光轴和探测光路单元光轴相交于一点；

(2)将样品放置在升降平移台上表面，启动可见激光测距仪，根据光斑位置前后左右移动升降平移台，使光斑落在待测样品上，然后可见激光测距仪测量其与样品上表面之间的距离d，并将该值发送到实时反馈系统；

(3)若d＞d2，向上移动升降平移台9，d＜d2，向下移动升降平移台，直至d＝d2，完成调整，d为可见激光测距仪8到样品上表面之间的距离为，d2为可见激光测距仪到最佳样品放置点之间的距离，为已知量。

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