CN114545585A - 一种确定抛物面镜与硅棱镜之间的位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定抛物面镜与硅棱镜之间的位置的方法，包括：步骤一、选取参数已知的硅棱镜；步骤二、根据已知参数以及光路入射类型进行计算，得出能够表征抛物面镜与硅棱镜之间的位置的数值，即位置数值；位置数值包括AB,AB表示太赫兹波在硅棱镜上的入射点A到第一平面的距离，点B为垂足点，点B在第一平面上，光路入射类型为平行、聚焦或者平行聚焦中的其中一种。该方法通过设计好硅棱镜所使用的场景例如光路入射类型，并选取参数已知的硅棱镜，根据已知参数以及光路入射类型计算得出能够表征抛物面镜与硅棱镜之间的位置的数值AB，然后可以根据该数据设计太赫兹探测系统。

Description

一种确定抛物面镜与硅棱镜之间的位置的方法

技术领域

本发明涉及太赫兹测试技术领域，具体涉及一种确定抛物面镜与硅棱镜之间的位置的方法。

背景技术

目前太赫兹检测系统应用范围较广，且测量方式多样，ATR在高吸收样品探测与制作步骤简化方面优势显著,对于ATR测量中硅棱镜位置摆放及光线入射角度会影响整体的测量效果，因此，有必要找出一种可以确定硅棱镜的位置的方法。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，旨在提供一种确定抛物面镜与硅棱镜之间的位置的方法。

具体技术方案如下：

一种确定抛物面镜与硅棱镜之间的位置的方法，应用于太赫兹探测系统，所述太赫兹探测系统包括一硅棱镜、一太赫兹发射天线、一太赫兹接收天线以及至少两个抛物面镜，其特征在于，其中，所述硅棱镜为梯形结构，包括放置样品的第一平面、与所述第一平面相平行的第二平面，连接所述第一平面与所述第二平面的两个平行侧面以及两个倾斜侧面，其中两个所述倾斜侧面相正对，所述第一平面的长度大于所述第二平面的长度，所述第一平面、所述第二平面与两个所述倾斜侧面围成梯形；

所述方法包括以下步骤：

步骤一、选取参数已知的所述硅棱镜；

步骤二、根据已知参数以及光路入射类型进行计算，得出能够表征所述抛物面镜与所述硅棱镜之间的位置的数值，即位置数值；

所述位置数值包括AB,AB表示太赫兹波在所述硅棱镜上的入射点A到所述第一平面的距离，点B为垂足点，所述点B在所述第一平面上，所述光路入射类型为平行、聚焦或者平行聚焦中的其中一种。

上述的一种确定抛物面镜与硅棱镜之间的位置的方法中，还具有这样的特征，所述光路入射类型为平行时，根据第一公式和第二公式进行计算，所述第一公式为：

所述第二公式为：

其中，AC表示所述入射点A到所述第一平面的反射点C之间的距离，d表示所述第一平面的长度的一半，m表示倒角的边长，μ₁表示所述第一平面与所述倾斜侧面之间的夹角，μ₃表示射入所述硅棱镜内的入射光线与所述倾斜侧面的垂线之间的夹角，μ₄表示AC与所述第一平面的垂线之间的夹角。

上述的一种确定抛物面镜与硅棱镜之间的位置的方法中，还具有这样的特征，所述位置数值还包括DE,DE表示所述第一平面的边缘点D到所述抛物面镜的中心点O的水平距离，点E为所述抛物面镜的中心点O在所述第一平面上的投影。

上述的一种确定抛物面镜与硅棱镜之间的位置的方法中，还具有这样的特征，所述光路入射类型为平行聚焦时，根据第三公式、第四公式和第五公式进行计算，所述第三公式为：

所述第四公式为：

所述第五公式为：

其中，AC表示所述入射点A到所述第一平面的反射点C之间的距离，d表示所述第一平面的长度的一半，m表示倒角的边长(m≥0)，μ₁表示所述第一平面与所述倾斜侧面之间的夹角，μ₃表示射入所述硅棱镜内的入射光线与所述倾斜侧面的垂线之间的夹角，μ₄表示AC与所述第一平面的垂线之间的夹角,F表示所述抛物面镜的焦距，n表示所述硅棱镜的折射率。

上述的一种确定抛物面镜与硅棱镜之间的位置的方法中，还具有这样的特征，所述光路入射类型为聚焦时，根据第六公式、第七公式、第八公式和第九公式进行计算，所述第六公式为：

AC＝(d+m)sinμ₁，

所述第七公式为：

所述第八公式为：

所述第九公式为：

其中，AC表示所述入射点A到所述第一平面的所述反射点C之间的距离，d表示所述第一平面的长度的一半，m表示倒角的边长(m≥0)，μ₁表示所述第一平面与所述倾斜侧面之间的夹角，F表示所述抛物面镜的焦距，n表示所述硅棱镜的折射率，OC表示所述抛物面镜的中心点O到所述反射点C处的距离，CD表示所述第一平面的中点C到所述第一平面的边缘点D的长度，即d。

上述的一种确定抛物面镜与硅棱镜之间的位置的方法中，还具有这样的特征，还包括步骤三，所述步骤三为根据计算出来的所述AB和所述DE值，设计所述太赫兹探测系统。

上述技术方案的积极效果是：

本发明提供的一种确定抛物面镜与硅棱镜之间的位置的方法，设计好硅棱镜所使用的场景例如光路入射类型，并选取参数已知的硅棱镜，根据已知参数以及光路入射类型计算得出能够表征抛物面镜与硅棱镜之间的位置的数值AB，然后可以根据该数据设计太赫兹探测系统。

附图说明

图1为本发明提供的光路入射类型为平行的太赫兹探测系统的平面结构示意图；

图2为图1中的太赫兹探测系统的立体结构示意图；

图3为平行入射时的硅棱镜的光路图；

图4为本发明提供的光路入射类型为平行聚焦或者聚焦的太赫兹探测系统的平面结构示意图；

图5为图4中的太赫兹探测系统的立体结构示意图；

图6为平行聚焦入射时的硅棱镜的光路图；

图7为平行聚焦入射时的硅棱镜的光路图。

附图中：1、硅棱镜；11、第一平面；12、第二平面；13、平行侧面；14、倾斜侧面；2、太赫兹发射天线；3、太赫兹接收天线；41、第一抛物面镜；42、第二抛物面镜；43、第三抛物面镜；44、第四抛物面镜；45、第五抛物面镜；46、第六抛物面镜；5、样品；6、反射镜；7、底板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本文中为组件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本发明所要设计的太赫兹探测系统包括一硅棱镜1、一太赫兹发射天线2、一太赫兹接收天线3以及至少两个抛物面镜。

进一步地，太赫兹探测系统还包括底板7，在底板7上设置若干个支架，支架上可安装定位相应的元器件，例如抛物面镜、反射镜6、硅棱镜1、太赫兹发射天线2、太赫兹接收天线3等，支架的外形根据所要安装的元器件外形设计，此处不予赘述。

请参阅图1至图4，本发明公开了一种确定抛物面镜与硅棱镜之间的位置的方法，该方法应用于太赫兹探测系统。

其中，硅棱镜1为梯形结构，包括放置样品5的第一平面11、与第一平面11相平行的第二平面12，连接第一平面11与第二平面12的两个平行侧面13以及两个倾斜侧面14，其中两个倾斜侧面14相正对，第一平面11的长度大于第二平面12的长度，第一平面11、第二平面12与两个倾斜侧面14围成梯形；优选地，为了防止硅棱镜1上第一平面11与倾斜侧面14之间的锐角在使用过程中损坏，硅棱镜1的锐角处设置直角倒角。

如图1至图3所示，在本实施例中，抛物面镜设置有两个，两个抛物面镜分别是第一抛物面镜41和第二抛物面镜42，为了实现光路的转向，还可以设置若干个反射镜6。例如在本实施例中设置有四个反射镜6，此处不予赘述。

太赫兹发射天线2发射发散的太赫兹波，经过第一抛物面镜41反射平行的太赫兹波，平行的太赫兹波与硅棱镜1的第一平面11相平行，太赫兹波从倾斜侧面14入射到硅棱镜1内后发生折射后并到达硅棱镜1的第一平面11，在样品5处由于衰减全反射到达硅棱镜1另一倾斜侧面14，从另一倾斜侧面14经折射射出，出射光线在第二抛物面镜42处反射聚焦，聚焦光最终入射到太赫兹接收天线光路3。

图3中的入射光a和出射光b均为平行光，本实施例中的探测系统中的抛物面镜具体包括第一抛物面镜41、第二抛物面镜42，第一抛物面镜41、第二抛物面镜42与硅棱镜1之间的高度差是未知的，而且第一抛物面镜41、第二抛物面镜42与硅棱镜1之间对称设置，因此，为了确定抛物面镜与硅棱镜之间的位置，该方法包括以下步骤：

步骤一、选取参数已知的硅棱镜1；

步骤二、根据已知参数以及光路入射类型进行计算，得出能够表征抛物面镜与硅棱镜1之间的位置的数值，即位置数值；

位置数值包括AB,AB用于表征抛物面镜与硅棱镜1之间的高度差，在图3中，AB表示太赫兹波在硅棱镜1上的入射点A(后面简称入射点A)到第一平面11的距离，点B为垂足点，点B在第一平面11上，光路入射类型为平行。此时，根据第一公式和第二公式进行计算，第一公式为：

第二公式为：

其中，AC表示硅棱镜1的入射点A到第一平面11的反射点C(为了便于计算，将反射点C与硅棱镜1的第一平面11的中心重合)之间的距离，d表示第一平面11的长度的一半，m表示倒角的边长(m≥0)，μ₁表示第一平面11与倾斜侧面14之间的夹角，μ₃表示射入硅棱镜1内的入射光线与倾斜侧面14的垂线之间的夹角，μ₄表示AC与第一平面11的垂线之间的夹角。硅棱镜1的参数AC、d、m、μ₁、折射率n已知，当入射光a与第一平面11平行时，由于n已知，则可以知道μ₃，同时也可以知道μ₄，AC可以测量得到，因此可以计算得到AB，AB表征抛物面镜的中心点O与硅棱镜1的第一平面11的竖直高度差，抛物面镜的中心低于第一平面11。

如图4至图5所示，在本实施例中，抛物面镜设置有四个，四个抛物面镜分别是第三抛物面镜43、第四抛物面镜44、第五抛物面镜45和第六抛物面镜46，为了实现光路的转向，还可以设置若干个反射镜6。例如在本实施例中设置有两个反射镜6，此处不予赘述。

在本实施例中，太赫兹发射天线2发射发散的太赫兹波，经过第三抛物面镜43反射平行的太赫兹波，平行太赫兹波入射到第四抛物面镜44反射出聚焦太赫兹波，聚焦太赫兹波平行于硅棱镜1的第一平面11，由一倾斜侧面14折射进入硅棱镜1内，折射的太赫兹波聚焦于硅棱镜1的第一平面11的中心处并在待测样品5处发生衰减全反射，反射后的发散太赫兹波由硅棱镜1的另一倾斜侧面14折射出硅棱镜1，出射的太赫兹波在第五抛物面镜45反射为平行太赫兹波，平行太赫兹波在第六抛物面镜46处反射聚焦到太赫兹接收天线3。

本实施例中的探测系统中的抛物面镜具体包括四个，只需要确定与硅棱镜1最近的两个抛物面镜与硅棱镜1之间的高度差(同样为AB)以及水平距离即可，离得最近的两个抛物面镜为第四抛物面镜44及第五抛物面镜45，而且第四抛物面镜44及第五抛物面镜45与硅棱镜1之间对称设置，位置数值还包括DE,DE用于表征抛物面镜与硅棱镜1之间的水平距离，DE表示第一平面11的边缘点D到抛物面镜的中心点O的水平距离，点E为抛物面镜的中心点O在第一平面11上的投影，点E在第一平面11的延长面上。

在本实施例中，光路入射类型为平行聚焦或者聚焦，两种探测系统主要区别点在于元器件的倾斜角度，非本申请的重点，此处不予赘述。

如图6所示，光路入射类型为平行聚焦时，根据第三公式、第四公式和第五公式进行计算，第三公式为：

第四公式为：

第五公式为：

其中，AC表示硅棱镜1的入射点A到第一平面11的反射点C之间的距离，d表示第一平面11的长度的一半，m表示倒角的边长(m≥0)，μ₁表示第一平面11与倾斜侧面14之间的夹角，μ₃表示射入硅棱镜内的入射光线与倾斜侧面14的垂线之间的夹角，μ₄表示AC与第一平面11的垂线之间的夹角,F表示抛物面镜的焦距，n表示硅棱镜的折射率。硅棱镜1的参数AC、d、m、μ₁、折射率n已知，当入射光a与第一平面11平行时，由于n已知，则可以知道μ₃，同时也可以知道μ₄，AC可以测量得到，因此可以计算得到AB和DE。

如图7所示，光路入射类型为聚焦时，根据第六公式、第七公式、第八公式和第九公式进行计算，第六公式为：

AC＝(d+m)sinμ₁；

第七公式为：

第八公式为：

第九公式为：

其中，AC表示入射点A到第一平面11的反射点C之间的距离，d表示第一平面11的长度的一半，m表示倒角的边长(m≥0)，μ₁表示第一平面11与倾斜侧面14之间的夹角，F表示抛物面镜的焦距，n表示硅棱镜的折射率，OC表示抛物面镜的中心点O到反射点C处的距离，CD表示第一平面11的中点C到第一平面11的边缘点D的长度，即d。

进一步地，该方法还包括步骤三，步骤三为根据计算出来的AB和DE值，设计太赫兹探测系统。该步骤中，已知AB和DE值,即可设计出抛物面镜的中心点O的高度以及水平位置，进而设计出整个太赫兹探测系统。

本发明提供的确定抛物面镜与硅棱镜之间的位置的方法，通过初步设计出太赫兹探测系统的框架，选用已知参数的硅棱镜1，经过调试实现太赫兹光按照预设光路传输，即可进行计算得到能够表征抛物面镜与硅棱镜之间的位置的数值，即位置数值；例如高度差AB值和水平距离DE值，即可计算出准确的抛物面镜的中心点O的高度以及水平位置，进而设计出完整的太赫兹探测系统。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种确定抛物面镜与硅棱镜之间的位置的方法，应用于太赫兹探测系统，所述太赫兹探测系统包括一硅棱镜、一太赫兹发射天线、一太赫兹接收天线以及至少两个抛物面镜，其特征在于，其中，所述硅棱镜为梯形结构，包括放置样品的第一平面、与所述第一平面相平行的第二平面，连接所述第一平面与所述第二平面的两个平行侧面以及两个倾斜侧面，其中两个所述倾斜侧面相正对，所述第一平面的长度大于所述第二平面的长度，所述第一平面、所述第二平面与两个所述倾斜侧面围成梯形；

所述方法包括以下步骤：

步骤一、选取参数已知的所述硅棱镜；

步骤二、根据已知参数以及光路入射类型进行计算，得出能够表征所述抛物面镜与所述硅棱镜之间的位置的数值，即位置数值；

所述位置数值包括AB,AB表示太赫兹波在所述硅棱镜上的入射点A到所述第一平面的距离，点B为垂足点，所述点B在所述第一平面上，所述光路入射类型为平行、聚焦或者平行聚焦中的其中一种。

2.根据权利要求1所述的确定抛物面镜与硅棱镜之间的位置的方法，其特征在于，所述光路入射类型为平行时，根据第一公式和第二公式进行计算，所述第一公式为：

所述第二公式为：

其中，AC表示所述入射点A到所述第一平面的反射点C之间的距离，d表示所述第一平面的长度的一半，m表示倒角的边长，μ₁表示所述第一平面与所述倾斜侧面之间的夹角，μ₃表示射入所述硅棱镜内的入射光线与所述倾斜侧面的垂线之间的夹角，μ₄表示AC与所述第一平面的垂线之间的夹角。

3.根据权利要求1所述的确定抛物面镜与硅棱镜之间的位置的方法，其特征在于，所述位置数值还包括DE,DE表示所述第一平面的边缘点D到所述抛物面镜的中心点O的水平距离，点E为所述抛物面镜的中心点O在所述第一平面上的投影。

4.根据权利要求3所述的确定抛物面镜与硅棱镜之间的位置的方法，其特征在于，所述光路入射类型为平行聚焦时，根据第三公式、第四公式和第五公式进行计算，所述第三公式为：

所述第四公式为：

所述第五公式为：

其中，AC表示所述入射点A到所述第一平面的反射点C之间的距离，d表示所述第一平面的长度的一半，m表示倒角的边长(m≥0)，μ₁表示所述第一平面与所述倾斜侧面之间的夹角，μ₃表示射入所述硅棱镜内的入射光线与所述倾斜侧面的垂线之间的夹角，μ₄表示AC与所述第一平面的垂线之间的夹角,F表示所述抛物面镜的焦距，n表示所述硅棱镜的折射率。

5.根据权利要求3所述的确定抛物面镜与硅棱镜之间的位置的方法，其特征在于，所述光路入射类型为聚焦时，根据第六公式、第七公式、第八公式和第九公式进行计算，所述第六公式为：

AC＝(d+m)sinμ₁；

所述第七公式为：

所述第八公式为：

所述第九公式为：

其中，AC表示所述入射点A到所述第一平面的所述反射点C之间的距离，d表示所述第一平面的长度的一半，m表示倒角的边长(m≥0)，μ₁表示所述第一平面与所述倾斜侧面之间的夹角，F表示所述抛物面镜的焦距，n表示所述硅棱镜的折射率，OC表示所述抛物面镜的中心点O到所述反射点C处的距离，CD表示所述第一平面的中点C到所述第一平面的边缘点D的长度，即d。

6.根据权利要求1至5任一项所述的确定抛物面镜与硅棱镜之间的位置的方法，其特征在于，还包括步骤三，所述步骤三为根据计算出来的所述AB和所述DE值，设计所述太赫兹探测系统。

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