CN114967026B - 一种柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头，其分光镜固定在分光镜镜架中心的分光镜固定孔中，分光镜呈45°角固定在共线适配器空腔内；太赫兹发射天线和透镜固定在发射端安装座上，发射端安装座安装在共线适配器的第一面板上；太赫兹探测天线和透镜固定在探测端安装座上，探测端安装座安装在共线适配器的第四面板上；消光板安装在共线适配器的第二面板上，聚焦透镜固定在聚焦透镜安装座上，聚焦透镜安装座安装在共线适配器的第三面板上；前盖板和后盖板分别安装在共线适配器前端开口和后端开口，共线适配器内形成密封腔体。其采用一体化设计，优化光路结构，保护光路不受外界信号串扰和水汽吸收影响，减少水汽吸收的影响。

Description

一种柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头
技术领域：
本发明属于太赫兹光谱和成像技术领域，具体涉及一种柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头。
背景技术：
太赫兹指的是频率在0.1THz-10THz之间的一种电磁波。近些年，国家、社会越来越重视太赫兹技术发展。太赫兹光谱具有以下独特优点：(1)该频段的整体振动模式和分子间振动模式对于待测环境更为敏感，相较其它手段更具优势；(2)图谱合一多维分析可以实现图像与频谱同时检测；(3)太赫兹频段对黑体辐射(热背景)不敏感，具备较高的信噪比；(5)太赫兹光子能量只有MeV级别，对活体生物的安全性高；(6)太赫兹在无损检测领域对很多非极性材料(如塑料、橡胶、纤维、泡沫等)具有很强的穿透性。基于太赫兹以上的突出特性，使它在军事、安检、质检、生化、物理等领域都具有巨大的应用价值和广阔的应用前景。
太赫兹波源目前是由飞秒激光激发特殊制备的半导体晶体，经由透镜对太赫兹波进行收集约束、整形聚焦，穿透待测物从而获取有效信息。但是，太赫兹波在空气中的传输光路过长，水汽吸收问题会导致信号减弱和失真，透镜、高阻硅片等光学器件调节灵敏度高，角度、位移、形变都会影响信号强度和信噪比，调节难度大。
发明内容：
本发明目的在于针对太赫兹波束空间传输光路存在的缺点，提供一种柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头，降低装配难度并实现微调的可操作性；而且整个传输光路处于内部封闭空间内，极大的减少了水汽吸收和噪声干扰对信号的影响。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头，包括分光镜镜架、分光镜压圈、分光镜、共线适配器、透镜、太赫兹发射天线、发射端安装座、太赫兹探测天线、探测端安装座、消光板、聚焦透镜、聚焦透镜安装座、前盖板和后盖板；共线适配器为两端开口的方形筒体，共线适配器环向上依次设置的第一面板、第二面板、第三面板和第四面板四个面板上分别开设第一圆孔、第二圆孔、第三圆孔和第四圆孔，第一圆孔与第三圆孔相对，第二圆孔和第四圆孔相对；分光镜通过分光镜压圈固定在分光镜镜架中心的分光镜固定孔中，分光镜镜架顶边固定在共线适配器的第一面板和第四面板相交处，分光镜镜架底边固定在共线适配器的第二面板和第三面板相交处，分光镜呈45°角固定在共线适配器空腔内；太赫兹发射天线和透镜固定在发射端安装座上，发射端安装座与第一圆孔对准安装在共线适配器的第一面板上；太赫兹探测天线和透镜固定在探测端安装座上，探测端安装座与第四圆孔对准安装在共线适配器的第四面板上；消光板与第二圆孔对准安装在共线适配器的第二面板上，消光板用于消除分光镜中产生的二次反射和多次反射；聚焦透镜固定在聚焦透镜安装座上，聚焦透镜安装座与第三圆孔对准安装在共线适配器的第三面板上；前盖板和后盖板分别安装在共线适配器前端开口和后端开口，共线适配器内形成密封腔体。
具体地，分光镜恰好嵌入分光镜固定孔中，分光镜为圆形，分光镜在第一面板、第二面板、第三面板或第四面板上的正投影正好为与第一圆孔、第二圆孔、第三圆孔和第四圆孔圆心重合的圆，圆形投影半径大于等于第一圆孔、第二圆孔、第三圆孔和第四圆孔半径。
优选地，分光镜采用楔形高阻硅片。
进一步地，所述一种柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头，还包括定位钢珠、细牙调节螺栓和弹性件，分光镜镜架顶边和底边上分别开设两个螺纹孔，一细牙调节螺栓穿过共线适配器与分光镜镜架顶边螺纹孔连接，另一细牙调节螺栓穿过共线适配器与分光镜镜架底边螺纹孔连接，在后盖板上设置钢珠槽，固定在钢珠槽内的定位钢珠抵靠在分光镜镜架上侧，两细牙调节螺栓和定位钢珠在分光镜镜架上侧成三角状对分光镜镜架施加作用力，在分光镜镜架下侧两细牙调节螺栓和定位钢珠施力点附近分别对应设置至少一个弹性件，弹性件一端抵靠在分光镜镜架下侧，另一端固定在后盖板或第三面板的固定座上。
具体地，分光镜镜架下侧设置3-6个弹性件，优选为4个，弹性件优选为压簧。
优选地，两个螺纹孔处于分光镜镜架1的对角线上。
优选地，两细牙调节螺栓和定位钢珠在分光镜镜架上的施加力点相连形成直角三角形。
具体地，细牙调节螺纹按照1°为调节步进角度，位移进给量约为1μm；压簧为Φ4-15轻载型不锈钢压簧，刚性模数为71000M/mm2，分光镜倾角调节精度与细牙调节螺纹支点到定位钢珠的距离相关，分别设计为84.4mm和60mm，计算得到分光镜的倾角调节精度分别为0.0007°和0.001°。
具体地，发射端安装座包括同轴心设置的天线固定筒和透镜固定筒，太赫兹发射天线固定在天线固定筒上，天线固定筒底部和透镜固定筒上部连接，透镜固定筒底部四周向外延展形成透镜固定部，透镜固定筒内壁底部开设透镜安装槽，透镜压片将透镜固定在透镜安装槽内，透镜固定筒底部与第一圆孔轴心对准，然后通过紧固螺钉将透镜固定部安装在共线适配器第一面板将其封堵。
具体地，探测端安装座结构与发射端安装座结构相同，包括同轴心设置的天线固定筒和透镜固定筒，太赫兹探测天线固定在天线固定筒上，天线固定筒底部和透镜固定筒上部连接，透镜固定筒底部四周向外延展形成透镜固定部，透镜固定筒内壁底部开设透镜安装槽，透镜压片将透镜固定在透镜安装槽内，透镜固定筒底部与第四圆孔轴心对准，然后通过紧固螺钉将透镜固定部安装在共线适配器第四面板将其封堵。
具体地，聚焦透镜安装座包括聚焦透镜固定筒和聚焦透镜固定部，聚焦透镜固定筒底部四周向外延展形成聚焦透镜固定部，在聚焦透镜固定筒内壁上开设聚焦透镜安装槽，透镜压片将聚焦透镜固定在透镜安装槽内，聚焦透镜固定筒与第三圆孔轴心对准，然后通过紧固螺钉将聚焦透镜固定部固定在共线适配器第三面板将其封堵。
为了便于理解，在图2中，本实施例中的第一面板1101指的上方面板、第二面板1102指的是下方面板、第三面板1103指的是左方面板、第四面板1104指的是右方面板。
1.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：太赫兹光学集成镜头采用一体化设计，优化光路结构，保护光路不受外界信号串扰和水汽吸收影响，整个光学系统尺寸设计紧凑，减少了太赫兹波传输过程中水汽吸收的影响；
2.通过采用细牙螺纹、定位钢珠和压簧的结构设计，柔性连接安装分光镜，实现分光镜角度无级微调；
3.分光镜倾角调节精度可以达到0.0007°和0.001°，远远满足实际调节需求；
4.两个细牙调节螺纹与定为钢珠成直角分布排列设计，实现分光镜架的俯仰和偏摆二维角度调节。
附图说明：
图1为实施例1中涉及的柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头零件爆炸图。
图2为实施例1中涉及的柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头剖面图。
图3为实施例1中涉及的共线适配器与分光镜的安装状态图。
图4为实施例1中涉及的柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头工作原理图。
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柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头，包括分光镜镜架1、分光镜压圈2、分光镜3、共线适配器11、透镜6、太赫兹发射天线12、发射端安装座4、太赫兹探测天线12＇、探测端安装座4＇、消光板8、聚焦透镜15、聚焦透镜安装座13、前盖板9、后盖板10；共线适配器11为两端开口的方形筒体，共线适配器11环向上依次设置的第一面板1101、第二面板1102、第三面板1103和第四面板1104四个面板上分别开设第一圆孔1105、第二圆孔1106、第三圆孔1107和第四圆孔1108，第一圆孔1105与第三圆孔1107相对，第二圆孔1106和第四圆孔1108相对；分光镜压圈2将分光镜3固定在分光镜镜架1中心的分光镜固定孔中，分光镜镜架1顶边固定在共线适配器11的第一面板1101和第四面板1104相交处，分光镜镜架1底边固定在共线适配器11的第二面板1102和第三面板1103相交处，分光镜3呈45°角固定在共线适配器11空腔内；太赫兹发射天线12和透镜6固定在发射端安装座4上，发射端安装座4与第一圆孔1105对准安装在共线适配器11的第一面板1101上；太赫兹探测天线12＇和透镜6固定在探测端安装座4＇上，探测端安装座4＇与第四圆孔1108对准安装在共线适配器11的第四面板1104上；消光板8与第二圆孔1106对准安装在共线适配器11的第二面板1102上，消光板8用于消除分光镜3中产生的二次反射和多次反射；聚焦透镜15固定在聚焦透镜安装座13上，聚焦透镜安装座13与第三圆孔1107对准安装在共线适配器11的第三面板1103上；前盖板9和后盖板10分别安装在共线适配器11前端开口和后端开口，将两开口密封，共线适配器11内形成密封腔体。整个集成镜头内部透镜设计紧凑，缩小空间体积，整个光路处于内部独立空间传输，与外界水汽隔离，降低水汽吸收影响。
具体地，分光镜3正好嵌入分光镜固定孔中，分光镜为圆形，分光镜3在第一面板1101、第二面板1102、第三面板1103或第四面板1104上的正投影正好为与第一圆孔1105、第二圆孔1106、第三圆孔1107和第四圆孔1108圆心重合的圆，圆形投影半径大于等于第一圆孔1105、第二圆孔1106、第三圆孔1107和第四圆孔1108半径。
具体地，分光镜可以采用楔形高阻硅片替代平行高阻硅片，可以有效降低太赫兹波束在入射、出射镜面时产生的二次及多次反射。
为尽量减少太赫兹波在经过第一次透射和第二次反射时在分光镜3处的能量衰减，分光镜3的安装精度要求较高，为了保证分光镜3呈45°角设置，本实施例涉及的一种柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头，还包括定位钢珠7、细牙调节螺栓17和压簧18，分光镜镜架1顶边和底边上分别开设两个螺纹孔，优选地，两个螺纹孔处于分光镜镜架1的对角线上，一细牙调节螺栓17穿过共线适配器11的第一面板1101上的螺纹孔以及对应的分光镜镜架1顶边螺纹孔，另一细牙调节螺栓17穿过共线适配器11的第二面板1102上的螺纹孔以及对应的分光镜镜架1底边螺纹孔，在后盖板10上设置钢珠槽14，固定在钢珠槽14内的定位钢珠7抵靠在分光镜镜架1上侧，两细牙调节螺栓17和定位钢珠7在分光镜镜架1上侧成三角状排布，在三个点对分光镜镜架1施加作用力，在分光镜镜架1下侧两细牙调节螺栓17和定位钢珠7施力点附近分别对应设置一个压簧18，压簧18一端抵靠在分光镜镜架1下侧，另一端固定在后盖板10或第三面板1103的固定座19上。使用时，调节任一细牙调节螺栓17，其下的压簧向上弹压分光镜镜架，进行分光镜镜架进行角度的俯仰、偏摆的角度微调，直至分光镜成45°角放置形成垂直光路，实现分光镜3柔性无级调节，弥补加工高精度、高成本的缺陷。
优选地，两细牙调节螺栓17和定位钢珠7在分光镜镜架上的施加力点相连形成直角三角形，在对向压簧直接也形成三角状施力点，形成稳定的三角形支撑结构，同时也方便分光镜镜架角度的微调。另外，由于定位钢珠7的安装定位，可以限制住分光镜镜架位移。
具体地，细牙调节螺纹按照1°为调节步进角度，选用M3*0.35国标细牙螺纹，位移进给量约为1μm；压簧为Φ4-15轻载型不锈钢压簧，刚性模数为71000M/mm2。分光镜倾角调节精度与细牙调节螺纹支点到定位钢珠的距离相关，分别设计为84.4mm和60mm，计算得到分光镜的倾角调节精度分别为0.0007°和0.001°，完全可以满足分光镜角度调节敏感性问题。
具体地，弹簧预紧不限于压簧或拉簧以及簧片等弹性器件，其功能是对镜架产生一定的预紧力即可。
本实施例涉及的太赫兹发射天线12(光电导天线)和透镜固定在发射端安装座4上，发射端安装座4与第一圆孔1105对准安装在共线适配器11的第一面板1101上，具体为：发射端安装座4包括同轴心设置的天线固定筒401和透镜固定筒402，太赫兹发射天线12固定在天线固定筒401上，天线固定筒401底部和透镜固定筒402上部连接，透镜固定筒402底部四周向外延展形成透镜固定部403，透镜固定筒402内壁底部开设透镜安装槽，透镜压片5将透镜6固定在透镜安装槽内，透镜固定筒402底部与第一圆孔1105轴心对准，然后通过紧固螺钉16将透镜固定部403安装在共线适配器11第一面板1101将其封堵。
本实施例涉及的太赫兹探测天线12＇(光电导天线)和透镜固定在探测端安装座4＇上，探测端安装座4＇与第四圆孔1108对准安装在共线适配器11的第四面板1104上，具体为：探测端安装座4＇结构与发射端安装座4结构相同，包括同轴心设置的天线固定筒401和透镜固定筒402，太赫兹探测天线12＇固定在天线固定筒401上，天线固定筒401底部和透镜固定筒402上部连接，透镜固定筒402底部四周向外延展形成透镜固定部403，透镜固定筒402内壁底部开设透镜安装槽，透镜压片5将透镜6固定在透镜安装槽内，透镜固定筒底部与第四圆孔1108轴心对准，然后通过紧固螺钉16将透镜固定部403安装在共线适配器11第四面板1104将其封堵。
本实施例涉及的聚焦透镜15固定在聚焦透镜安装座13上，聚焦透镜安装座13与第三圆孔1107对准安装在共线适配器11第三面板1103上，具体为：聚焦透镜安装座13包括聚焦透镜固定筒1301和聚焦透镜固定部1302，聚焦透镜固定筒1301底部四周向外延展形成聚焦透镜固定部1302，在聚焦透镜固定筒1301内壁上开设聚焦透镜安装槽，透镜压片5将聚焦透镜固定在透镜安装槽内，聚焦透镜固定筒1301与第三圆孔1107轴心对准，然后通过紧固螺钉16将聚焦透镜固定部1302固定在共线适配器11第三面板1103将其封堵。
为了便于理解，在图2中，本实施例中的第一面板1101指的上方面板、第二面板1102指的是下方面板、第三面板1103指的是左方面板、第四面板1104指的是右方面板。
本实施例涉及的一种柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头的实现过程如下：
1.太赫兹发射天线12产生太赫兹波，经过透镜6约束整形，形成平行太赫兹波束；
2.平行的太赫兹波束经过分光镜3、聚焦透镜15对测试样品进行聚焦检测，分光镜3与平行传输光线理论设计角度为45°，经过聚焦透镜15在待测样品进行聚焦检测；
3.波束携带检测信息反射，产生频移后的波束，再次经过45°分光镜3，改变原传输路径，沿垂直路径被接收天线接收。

Claims (10)

1.一种柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头，其特征在于，包括分光镜镜架、分光镜压圈、分光镜、共线适配器、透镜、太赫兹发射天线、发射端安装座、太赫兹探测天线、探测端安装座、消光板、聚焦透镜、聚焦透镜安装座、前盖板和后盖板；共线适配器为两端开口的方形筒体，共线适配器环向上依次设置的第一面板、第二面板、第三面板和第四面板四个面板上分别开设第一圆孔、第二圆孔、第三圆孔和第四圆孔，第一圆孔与第三圆孔相对，第二圆孔和第四圆孔相对；分光镜固定在分光镜镜架中心的分光镜固定孔中，分光镜镜架呈45°角固定在共线适配器空腔内并将其二等分；太赫兹发射天线和透镜固定在发射端安装座上，发射端安装座与第一圆孔对准安装在共线适配器的第一面板上；太赫兹探测天线和透镜固定在探测端安装座上，探测端安装座与第四圆孔对准安装在共线适配器的第四面板上；消光板与第二圆孔对准安装在共线适配器的第二面板上，消光板用于消除分光镜中产生的二次反射和多次反射；聚焦透镜固定在聚焦透镜安装座上，聚焦透镜安装座与第三圆孔对准安装在共线适配器的第三面板上；前盖板和后盖板分别安装在共线适配器前端开口和后端开口，共线适配器内形成密封腔体。
2.根据权利要求1所述的柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头，其特征在于，分光镜恰好嵌入分光镜固定孔中，分光镜为圆形，分光镜在第一面板、第二面板、第三面板或第四面板上的正投影正好为与第一圆孔、第二圆孔、第三圆孔和第四圆孔圆心重合的圆，圆形投影半径大于等于第一圆孔、第二圆孔、第三圆孔和第四圆孔半径。
3.根据权利要求1所述的柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头，其特征在于，分光镜采用楔形高阻硅片。
4.根据权利要求1所述的柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头，其特征在于，所述一种柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头，还包括定位钢珠、细牙调节螺栓和弹性件，分光镜镜架顶边和底边上分别开设两个螺纹孔，一细牙调节螺栓穿过共线适配器与分光镜镜架顶边螺纹孔连接，另一细牙调节螺栓穿过共线适配器与分光镜镜架底边螺纹孔连接，在后盖板上设置钢珠槽，固定在钢珠槽内的定位钢珠抵靠在分光镜镜架上侧，两细牙调节螺栓和定位钢珠在分光镜镜架上侧成三角状对分光镜镜架施加作用力，在分光镜镜架下侧两细牙调节螺栓和定位钢珠施力点附近分别对应设置至少一个弹性件，弹性件一端抵靠在分光镜镜架下侧，另一端固定在后盖板或第三面板的固定座上。
5.根据权利要求4所述的柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头，其特征在于，分光镜镜架下侧设置3-6个弹性件，弹性件为压簧。
6.根据权利要求4所述的柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头，其特征在于，两个螺纹孔处于分光镜镜架的对角线上，两细牙调节螺栓和定位钢珠在分光镜镜架上的施加力点相连形成直角三角形。
7.根据权利要求5或6所述的柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头，其特征在于，细牙调节螺纹按照1°为调节步进角度，位移进给量为1μm；压簧为Φ4-15轻载型不锈钢压簧，刚性模数为71000M/mm2，分光镜倾角调节精度与细牙调节螺纹支点到定位钢珠的距离相关，分别设计为84.4mm和60mm，计算得到分光镜的倾角调节精度分别为0.0007°和0.001°。
8.根据权利要求1所述的柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头，其特征在于，发射端安装座包括同轴心设置的天线固定筒和透镜固定筒，太赫兹发射天线固定在天线固定筒上，天线固定筒底部和透镜固定筒上部连接，透镜固定筒底部四周向外延展形成透镜固定部，透镜固定筒内壁底部开设透镜安装槽，透镜压片将透镜固定在透镜安装槽内，透镜固定筒底部与第一圆孔轴心对准，然后通过紧固螺钉将透镜固定部安装在共线适配器第一面板将其封堵。
9.根据权利要求1所述的柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头，其特征在于，探测端安装座结构与发射端安装座结构相同，包括同轴心设置的天线固定筒和透镜固定筒，太赫兹探测天线固定在天线固定筒上，天线固定筒底部和透镜固定筒上部连接，透镜固定筒底部四周向外延展形成透镜固定部，透镜固定筒内壁底部开设透镜安装槽，透镜压片将透镜固定在透镜安装槽内，透镜固定筒底部与第四圆孔轴心对准，然后通过紧固螺钉将透镜固定部安装在共线适配器第四面板将其封堵。
10.根据权利要求1所述的柔性二维可调的太赫兹系统光学集成镜头，其特征在于，聚焦透镜安装座包括聚焦透镜固定筒和聚焦透镜固定部，聚焦透镜固定筒底部四周向外延展形成聚焦透镜固定部，在聚焦透镜固定筒内壁上开设聚焦透镜安装槽，透镜压片将聚焦透镜固定在透镜安装槽内，聚焦透镜固定筒与第三圆孔轴心对准，然后通过紧固螺钉将聚焦透镜固定部固定在共线适配器第三面板将其封堵。
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