CN220650461U - 一种太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头及检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头及检测系统，用于扫描检测面，包括壳体及设置在壳体中的发射组件、接收组件和检测光路，壳体中设有扫描振镜模块、分光片、第一镜面和第二镜面；检测光路包括输入光路和输出光路，输入光路从发射组件出发，依次经过第一镜面、分光片和扫描振镜模块，到达检测面，输入光路在检测面上的落点为检测点；输出光路在检测点处连接输入光路，输出光路自检测点依次经过扫描振镜模块、分光片和第二镜面，到达接收组件；扫描振镜模块调节输入光路和输出光路，改变检测点在检测面上的位置。本实用新型体积较小、稳定性高、使用方便、扫描速度快，提高了检测效率，适用于工业化快速成像扫描。

Description

一种太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头及检测系统

技术领域

本实用新型涉及太赫兹光谱仪领域，更具体地，涉及一种太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头及检测系统。

背景技术

太赫兹波是介于红外线和毫米波之间的一个特殊频段，通常频率在0.1THz到10THz(1THz＝10¹²Hz)之间。太赫兹波在电磁波谱的位置比较特殊，导致其具有许多独特的性质。基于太赫兹技术的太赫兹光谱仪能通过对特征频率的分析获取样品的物质结构和物性，分析和准确鉴定样品。其中，太赫兹时域光谱系统基于飞秒激光器作用在非线性晶体或光电导天线产生太赫兹脉冲，利用非线性晶体的线性电光效应或光电导天线的超快光电流对产生的太赫兹脉冲进行探测，使用太赫兹时域光谱系统获得的样品的时域信号，经快速傅里叶变换之后得到可以样品在频域上的振幅和相位信息。

振镜扫描作为一种矢量扫描方式，具有体积小，扫描速度快、定位精度高、转动惯量小等优点。使用高精度的振镜扫描器件取代传统的机械逐点扫描系统可以显著提高成像系统的实时性与集成度。振镜扫描系统通过精确控制反光镜片转动改变光束方向实现高速、高分辨率扫描，同时可以提供很高的定位精度与重复精度，从而实现对物体的高速高精度测量。目前太赫兹光纤光谱仪的成像扫描方式大部分为点扫描或者线扫描方式，扫描成像检测速度慢，只适合实验室的小批量研究使用，且体积较大，使用不便，无法满足工业产业化快速成像扫描的要求。

实用新型内容

本实用新型旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头及检测系统，用于解决扫描速度慢的问题。

本实用新型采取的技术方案是一种太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头，用于扫描检测面，包括壳体，以及设置在壳体中的发射组件、接收组件和检测光路，所述壳体中设有扫描振镜模块、分光片，以及用于引导检测光路的第一镜面和第二镜面；所述检测光路包括输入光路和输出光路，所述输入光路从发射组件出发，依次经过第一镜面、分光片和扫描振镜模块，到达检测面，所述输入光路在检测面上的落点为检测点；所述输出光路在检测点处连接输入光路，所述输出光路自检测点依次经过扫描振镜模块、分光片和第二镜面，到达接收组件；所述扫描振镜模块调节输入光路和输出光路，改变检测点在检测面上的位置。

所述发射组件用于发射太赫兹波。所述接收组件用于接收太赫兹波。所述检测光路为太赫兹波的传播路径。所述分光片用于透射和反射太赫兹波。所述检测面为样品表面。太赫兹波从发射组件出发，沿输入光路传播，所述第一镜面将太赫兹波引导到分光片，经分光片反射进入扫描振镜模块，到达检测面，太赫兹波在检测点发生反射，携带样品信息，沿输出光路回到扫描振镜模块，经分光片透射到达第二镜面，所述第二镜面将太赫兹波引导到接收组件。所述扫描振镜模块改变检测点在检测面上的位置，太赫兹波可以实现检测点的单点成像，将单点成像结合面扫方式，可以达到面扫成像的效果。

本技术方案结构简单，实用性强，通过扫描振镜模块实现了太赫兹波对检测面的面振扫描，提高了扫描成像的速度，从而提高了检测样品的效率，可以快速检测出样品内部如空洞、起层、异物等缺陷，满足工业化快速扫描成像的需求。

进一步地，所述扫描振镜模块包括互相垂直的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜以及双轴振镜组，所述双轴振镜组包括互相垂直的X轴振镜和Y轴振镜以及驱动电机；所述第一聚焦透镜设置在分光片与双轴振镜组之间，所述第二聚焦透镜设置在检测面与双轴振镜组之间；所述输入光路经分光片反射进入扫描振镜模块，由第一聚焦透镜聚焦于X轴振镜，经X轴振镜和Y轴振镜两次反射后穿过第二聚焦透镜聚焦于检测点，形成扫描路径；所述输出光路自检测点沿所述扫描路径逆向到达分光片；所述驱动电机驱动X轴振镜和Y轴振镜的镜面绕轴转动，改变检测点在检测面上的位置。

所述第一聚焦透镜和第二聚焦透镜均用于太赫兹波的聚焦有利于太赫兹波能量的集中。所述X轴振镜和Y轴振镜的镜面反射太赫兹波。太赫兹波落在检测面上，实现检测点的单点成像，在驱动电机的作用下，X轴振镜和Y轴振镜的镜面绕轴转动，反射角度变化，所述输入光路的方向改变，X轴振镜和Y轴振镜形成X轴方向和Y轴方向上的线扫描，从而实现面扫成像的效果。

进一步地，所述第一镜面为第三聚焦透镜的镜面，所述第二镜面为抛面镜的镜面；所述发射组件和接收组件并列设置，所述发射组件与输入光路的连接点、所述第三聚焦透镜的焦点和所述分光片的中心依次位于第一轴线上，所述抛面镜和第一聚焦透镜分布在分光片的两侧，且所述抛面镜的光轴、所述分光片的中心和所述第一聚焦透镜的焦点均位于垂直第一轴线的第二轴线上。

所述第三聚焦透镜用于聚焦太赫兹波，所述发射组件发射的太赫兹波是发散光束，所述第三聚焦透镜将太赫兹波聚焦成平行光束。所述抛面镜用于反射太赫兹波，透射分光片的太赫兹波是平行光束，所述抛面镜使太赫兹波改变方向并聚焦成光斑，便于接收组件接收。本技术方案进一步优化了检测光路，使得各光学器件布局紧凑，减少所占空间，从而缩小了所述壳体的体积，使太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头使用方便、容易安装；同时，所述发射组件与输入光路的连接点、所述第三聚焦透镜的焦点和所述分光片的中心依次位于第一轴线上，所述抛面镜的光轴、所述分光片的中心和所述第一聚焦透镜的焦点均位于第二轴线上，能够减少太赫兹波在各个光学器件之间传播造成的损耗，保证成像效果。

进一步地，所述分光片的镜面与第一轴线和第二轴线的夹角均为45°，所述分光片的分光比为5：5。

经过第三聚焦透镜的太赫兹波为平行光束，所述分光片的镜面与第一轴线和第二轴线的夹角均为45°，则太赫兹波在所述分光片上的反射角为90°，所述输入光路与第一轴线和第二轴线重合，太赫兹波可以平行于光轴直射入第一聚焦透镜，减少太赫兹波的损耗。

进一步地，所述抛面镜的离轴角为90°，且所述抛面镜的焦点为所述接收组件与输出光路的连接点。所述抛面镜的离轴角为90°，使透射分光片的太赫兹波转向接收组件；所述抛面镜可以使太赫兹波的能量集中于接收组件与输出光路的连接点，确保接收组件最大化地接收到太赫兹波，减少误差，提高精度，保证成像效果。

进一步地，所述壳体包括平行的第一端板和第二端板、垂直于第一端板和第二端板的第三端板以及用于形成封闭的壳体的配合板，所述发射组件、接收组件安装在第一端板，所述抛面镜、分光片和第二聚焦透镜安装在第二端板，所述第三聚焦透镜设置在发射组件和分光片之间，所述第一聚焦透镜设置在分光片与第二聚焦透镜之间、安装于第三端板，所述双轴振镜组通过连接件安装于第三端板。

本技术方案中，太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头内部结构紧凑、便于安装、稳定性强。

进一步地，所述发射组件为光纤式发射天线，所述接收组件为光纤式接收天线，所述发射组件和接收组件为大小相同的圆柱体，且所述发射组件和接收组件连接检测光路的一端设置在壳体内，另一端贯穿第一端板暴露于壳体外。

所述发射组件和接收组件安装简单，使用方便。连接检测光路的一端设置在壳体内，可以避免太赫兹波受外界影响；另一端贯穿第一端板暴露于壳体外，可以方便连接光纤和电线。

进一步地，所述分光片、第一聚焦透镜、第三聚焦透镜为圆形，所述发射组件和接收组件的直径、分光片的直径、第一聚焦透镜的直径、第三聚焦透镜的直径均相等，方便上述部件的位置对准和安装，优化壳体内部的布局，减少传播过程中太赫兹波的损耗。

一种太赫兹光纤光谱仪检测系统，包括生产线，还包括上述的一种太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头，所述检测面设置在生产线上。所述太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头用于检测生产线上的产品。

进一步地，所述生产线上设有机械臂和测距仪，所述太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头安装在机械臂上，所述测距仪测量太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头与检测面之间的距离；或所述生产线上设有电动滑台，所述太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头安装在电动滑台上。

所述机械臂和电动滑台用于调节太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头与检测面之间的距离，使太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头使用更为灵活，实用性强。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型结构简单、内部布局紧凑、体积较小、成本较低；稳定性高、安装简单、使用方便、灵活性强；优化了光路结构，减少了太赫兹波的损耗；可以实现面扫，扫描速度快，提高了检测样品的效率，可以快速检测出样品内部如空洞、起层、异物等缺陷，适用于工业化快速成像扫描。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图。

图2为本实用新型隐藏了壳体的结构示意图。

图3为本实用新型中扫描振镜模块的结构示意图。

图4为本实用新型中检测光路的示意图。

附图标识说明：壳体100，第一端板110，第二端板120，第三端板130，发射组件200，接收组件300，检测光路400，输入光路410，输出光路420，扫描振镜模块500，第一聚焦透镜510，第二聚焦透镜520，双轴振镜组530，X轴振镜531，Y轴振镜532，驱动电机533，连接件534，第三聚焦透镜600，分光片700，抛面镜800，检测面900，检测点910。

具体实施方式

本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1、2和4所示，本实施例是一种太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头，用于扫描检测面900，包括壳体100，以及设置在壳体100中的发射组件200、接收组件300和检测光路400，壳体100中设有扫描振镜模块500、分光片700，以及用于引导检测光路400的第一镜面和第二镜面；检测光路400包括输入光路410和输出光路420，输入光路410从发射组件200出发，依次经过第一镜面、分光片700和扫描振镜模块500，到达检测面900，输入光路410在检测面900上的落点为检测点910；输出光路420在检测点910处连接输入光路410，输出光路420自检测点910依次经过扫描振镜模块500、分光片700和第二镜面，到达接收组件300；扫描振镜模块500调节输入光路410和输出光路420，改变检测点910在检测面900上的位置。

发射组件200用于发射太赫兹波。接收组件300用于接收太赫兹波。检测光路400为太赫兹波的传播路径。分光片700用于透射和反射太赫兹波。检测面900为样品表面。太赫兹波从发射组件200出发，沿输入光路410传播，第一镜面将太赫兹波引导到分光片700，经分光片700反射进入扫描振镜模块500，到达检测面900，太赫兹波在检测点910发生反射，携带样品信息，沿输出光路420回到扫描振镜模块500，经分光片700透射到达第二镜面，第二镜面将太赫兹波引导到接收组件300。扫描振镜模块500改变检测点910在检测面900上的位置，太赫兹波可以实现检测点910的单点成像，将单点成像结合面扫方式，可以达到面扫成像的效果。

本技术方案结构简单，实用性强，通过扫描振镜模块500实现了太赫兹波对检测面900的面振扫描，提高了扫描成像的速度，从而提高了检测样品的效率，可以快速检测出样品内部如空洞、起层、异物等缺陷，满足工业化快速扫描成像的需求。

如图3和4所示，扫描振镜模块包括互相垂直的第一聚焦透镜510和第二聚焦透镜520以及双轴振镜组530，双轴振镜组530包括互相垂直的X轴振镜531和Y轴振镜532以及驱动电机533；第一聚焦透镜510设置在分光片700与双轴振镜组530之间，第二聚焦透镜设置在检测面900与双轴振镜组530之间；输入光路410经分光片700反射进入扫描振镜模块500，由第一聚焦透镜510聚焦于X轴振镜531，经X轴振镜531和Y轴振镜532两次反射后穿过第二聚焦透镜520聚焦于检测点910，形成扫描路径；输出光路420自检测点910沿扫描路径逆向到达分光片700；驱动电机533驱动X轴振镜531和Y轴振镜532的镜面绕轴转动，改变检测点910在检测面900上的位置。

第一聚焦透镜510和第二聚焦透镜520均用于太赫兹波的聚焦有利于太赫兹波能量的集中。X轴振镜531和Y轴振镜532的镜面反射太赫兹波。当驱动电机533驱动X轴振镜531和Y轴振镜532的镜面绕轴转动时，由于反射角度不同，输入光路410的方向改变，则检测点910在检测面900上的两个方向形成线扫，从而实现快速面扫成像的效果。本实施例中，采用扫描频率为100Hz的飞秒激光器作为太赫兹源产生和采集快速太赫兹波，可以实现快速面振扫描，扫描振镜模块的单次扫描范围最大可以达到20mm。

如图4所示，第一镜面为第三聚焦透镜600的镜面，第二镜面为抛面镜800的镜面；发射组件200和接收组件300并列设置，发射组件200与输入光路410的连接点、第三聚焦透镜600的焦点和分光片700的中心依次位于第一轴线上，抛面镜800和第一聚焦透镜510分布在分光片700的两侧，且抛面镜800的光轴、分光片700的中心和第一聚焦透镜510的焦点均位于垂直第一轴线的第二轴线上。

第三聚焦透镜600用于聚焦太赫兹波，发射组件200发射的太赫兹波是发散光束，第三聚焦透镜600将太赫兹波聚焦成平行光束。抛面镜800用于反射太赫兹波，透射分光片700的太赫兹波是平行光束，抛面镜800使太赫兹波改变方向并聚焦成光斑，便于接收组件300接收。本技术方案进一步优化了检测光路400，使得各光学器件布局紧凑，减少所占空间，从而缩小了壳体100的体积，使太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头使用方便、容易安装；同时，发射组件200与输入光路410的连接点、第三聚焦透镜600的焦点和分光片700的中心依次位于第一轴线上，抛面镜800的光轴、分光片700的中心和第一聚焦透镜510的焦点均位于第二轴线上，能够减少太赫兹波在各个光学器件之间传播造成的损耗，保证成像效果。

分光片700的镜面与第一轴线和第二轴线的夹角均为45°，分光片700的分光比为5：5。经过第三聚焦透镜600的太赫兹波为平行光束，分光片700的镜面与第一轴线和第二轴线的夹角均为45°，则太赫兹波在分光片700上的反射角为90°，输入光路410与第一轴线和第二轴线重合，太赫兹波可以平行于光轴直射入第一聚焦透镜510，减少太赫兹波的损耗。

抛面镜800的离轴角为90°，且抛面镜800的焦点为接收组件300与输出光路420的连接点。抛面镜800的离轴角为90°，使透射分光片700的太赫兹波转向接收组件300；抛面镜800可以使太赫兹波的能量集中于接收组件300与输出光路420的连接点，确保接收组件300最大化地接收到太赫兹波，减少误差，提高精度，保证成像效果。

如图1所示，壳体100包括平行的第一端板110和第二端板120、垂直于第一端板110和第二端板120的第三端板130以及用于形成封闭的壳体100的配合板，发射组件200、接收组件300安装在第一端板110，抛面镜800、分光片700和第二聚焦透镜520安装在第二端板120，第三聚焦透镜600设置在发射组件200和分光片700之间，第一聚焦透镜510设置在分光片700与第二聚焦透镜520之间、安装于第三端板130，双轴振镜组530通过连接件534安装于第三端板130。

如图1和2所示，发射组件200为光纤式发射天线，接收组件300为光纤式接收天线，发射组件200和接收组件300为大小相同的圆柱体，且发射组件200和接收组件300连接检测光路400的一端设置在壳体100内，另一端贯穿第一端板110暴露于壳体100外。发射组件200和接收组件300连接检测光路400的一端设置在壳体100内，可以避免太赫兹波受外界影响；另一端贯穿第一端板110暴露于壳体100外，可以方便连接光纤和电线。

在偏置电压和飞秒激光的作用下，光纤式发射天线内部的光电导天线产生太赫兹波。抛面镜800将太赫兹波聚焦于光纤式接收天线内部的硅透镜，再通过硅透镜聚焦到光电导天线的芯片上，在飞秒激光的作用下，将太赫兹光谱信号转化为电流信号，经前置放大器和锁相放大器处理后，转化为太赫兹电压信号。

分光片700、第一聚焦透镜510、第三聚焦透镜600为圆形，发射组件200和接收组件300的直径、分光片700的直径、第一聚焦透镜510的直径、第三聚焦透镜600的直径均相等，均为25mm。方便上述部件的位置对准和安装，优化壳体100内部的布局，减少传播过程中太赫兹波的损耗。

一种太赫兹光纤光谱仪检测系统，包括生产线，还包括上述的一种太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头，检测面900设置在生产线上。太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头用于检测生产线上的产品。

生产线上设有机械臂和测距仪，太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头安装在机械臂上，测距仪测量太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头与检测面900之间的距离；或生产线上设有电动滑台，太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头安装在电动滑台上。机械臂和电动滑台用于调节太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头与检测面900之间的距离，使太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头使用更为灵活，实用性强。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头，用于扫描检测面，包括壳体，以及设置在壳体中的发射组件、接收组件和检测光路，其特征在于，所述壳体中设有扫描振镜模块、分光片，以及用于引导检测光路的第一镜面和第二镜面；所述检测光路包括输入光路和输出光路，所述输入光路从发射组件出发，依次经过第一镜面、分光片和扫描振镜模块，到达检测面，所述输入光路在检测面上的落点为检测点；所述输出光路在检测点处连接输入光路，所述输出光路自检测点依次经过扫描振镜模块、分光片和第二镜面，到达接收组件；所述扫描振镜模块调节输入光路和输出光路，改变检测点在检测面上的位置。

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头，其特征在于，所述扫描振镜模块包括互相垂直的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜以及双轴振镜组，所述双轴振镜组包括互相垂直的X轴振镜和Y轴振镜以及驱动电机；所述第一聚焦透镜设置在分光片与双轴振镜组之间，所述第二聚焦透镜设置在检测面与双轴振镜组之间；所述输入光路经分光片反射进入扫描振镜模块，由第一聚焦透镜聚焦于X轴振镜，经X轴振镜和Y轴振镜两次反射后穿过第二聚焦透镜聚焦于检测点，形成扫描路径；所述输出光路自检测点沿所述扫描路径逆向到达分光片；所述驱动电机驱动X轴振镜和Y轴振镜的镜面绕轴转动，改变检测点在检测面上的位置。

3.根据权利要求2所述的一种太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头，其特征在于，所述第一镜面为第三聚焦透镜的镜面，所述第二镜面为抛面镜的镜面；所述发射组件和接收组件并列设置，所述发射组件与输入光路的连接点、所述第三聚焦透镜的焦点和所述分光片的中心依次位于第一轴线上，所述抛面镜和第一聚焦透镜分布在分光片的两侧，且所述抛面镜的光轴、所述分光片的中心和所述第一聚焦透镜的焦点均位于垂直第一轴线的第二轴线上。

4.根据权利要求3所述的一种太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头，其特征在于，所述分光片的镜面与第一轴线和第二轴线的夹角均为45°，所述分光片的分光比为5：5。

5.根据权利要求3所述的一种太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头，其特征在于，所述抛面镜的离轴角为90°，且所述抛面镜的焦点为所述接收组件与输出光路的连接点。

6.根据权利要求3所述的一种太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头，其特征在于，所述壳体包括平行的第一端板和第二端板、垂直于第一端板和第二端板的第三端板以及用于形成封闭的壳体的配合板，所述发射组件、接收组件安装在第一端板，所述抛面镜、分光片和第二聚焦透镜安装在第二端板，所述第三聚焦透镜设置在发射组件和分光片之间，所述第一聚焦透镜设置在分光片与第二聚焦透镜之间、安装于第三端板，所述双轴振镜组通过连接件安装于第三端板。

7.根据权利要求3所述的一种太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头，其特征在于，所述发射组件为光纤式发射天线，所述接收组件为光纤式接收天线，所述发射组件和接收组件为大小相同的圆柱体，且所述发射组件和接收组件连接检测光路的一端设置在壳体内，另一端贯穿第一端板暴露于壳体外。

8.根据权利要求3所述的一种太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头，其特征在于，所述分光片、第一聚焦透镜、第三聚焦透镜为圆形，所述发射组件和接收组件的直径、分光片的直径、第一聚焦透镜的直径、第三聚焦透镜的直径均相等。

9.一种太赫兹光纤光谱仪检测系统，包括生产线，其特征在于，还包括权利要求1-8任一项所述的一种太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头，所述检测面设置在生产线上。

10.根据权利要求9所述的一种太赫兹光纤光谱仪检测系统，其特征在于，所述生产线上设有机械臂和测距仪，所述太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头安装在机械臂上，所述测距仪测量太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头与检测面之间的距离；或所述生产线上设有电动滑台，所述太赫兹光纤光谱仪小型面振扫描探头安装在电动滑台上。