CN103245613B - 发散性太赫兹光源光学光路的对焦系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发散性太赫兹光源光学光路的对焦系统和方法，其利用具有实时探测功能的太赫兹阵列探测器作为信号接收显示端，对已经搭建好的两类包含发散性太赫兹辐射源的典型光学光路进行对焦，根据不同对焦标准，完成了对发散性太赫兹辐射源的对焦操作。对焦光路主要分为平行光路对焦和汇聚光路对焦两类，平行光光路对焦主要采取平移太赫兹阵列探测器调节光斑不变的方法，汇聚光光路对焦以光斑大小和强度为依据，分别完成发散性太赫兹光源光路的对焦。本发明克服了太赫兹光学系统中光源对焦难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及发散性太赫兹光源光学技术领域，特别是涉及发散性太赫兹光源光学光路的对焦系统和方法。
背景技术
近年来，随着太赫兹源和探测器的快速发展，太赫兹波的实际应用研究也越发广泛。在安全检测方面，太赫兹波谱包含大量的物质特征信息，如毒品和TNT都具有其特殊的太赫兹吸收峰；在生物医学方面，太赫兹波能检测表皮生物细胞的病变情况，如皮肤烧伤，皮肤癌变等都可以通过检测太赫兹波的反射信息来进行表征；在物质检测方面，太赫兹波可以透过一些常见的红外无法穿透的材料，如塑料，纸张和半导体介质等无极性材料，并可以对材料内部结构进行探测，同时分辨率较之于微波超声技术更高，这得益于其更短的波长。但无论哪一类技术，都会涉及到对应的太赫兹光学系统，如近场光学显微系统，远场扫描成像系统和实时成像系统等。由于太赫兹源(固态源和气态源)的出光发散度大和太赫兹波的不可见性(与红外和可见光不同)，使得在搭建太赫兹光学系统时存在光源对焦难的问题。
光学系统是由各种功能的光路组合在一起而形成的，光路构建技术是基础，常见的可见和红外光源具有高汇聚性和可见性，所以在搭建其对应的光学系统时对焦技术不会成为难点(高精密光学系统除外)；但对于太赫兹波而言，太赫兹光路搭建存在对焦难的特点，在此我们提出一种结合太赫兹阵列探测器的光路对焦方法来弥补该缺陷，该技术属于光学应用技术领域。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种发散性太赫兹光源光学光路的对焦系统和方法，使得太赫兹光学系统中光源对焦简单化。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种发散性太赫兹光源光学光路的对焦系统，包括发散性太赫兹辐射源、平行光对焦系统光路模块、太赫兹阵列探测器、太赫兹信号标定显示模块，所述发散性太赫兹辐射源向所述平行光对焦系统模块发射发散的太赫兹信号；所述平行光对焦系统接收所述发散性太赫兹源发射的太赫兹信号，并将接收到的太赫兹信号转为平行的太赫兹信号发送至所述太赫兹阵列探测器；所述太赫兹阵列探测器将接收到的平行的太赫兹信号通过太赫兹信号标定显示模块实时显示出来，平移太赫兹阵列探测器根据显示的光斑调节所述发散性太赫兹辐射源。
所述发散性太赫兹辐射源的发射角大于10度。
所述平行光对焦系统光路模块包括奇数个离轴抛物面镜组成具有将发散光转换为平行光性能的光路系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种发散性太赫兹光源光学光路的对焦系统，包括发散性太赫兹辐射源、汇聚光对焦系统光路模块、太赫兹阵列探测器、太赫兹信号标定显示模块，所述发散性太赫兹辐射源向所述汇聚光对焦系统模块发射发散的太赫兹信号；所述汇聚光对焦系统光路模块将收到的太赫兹信号汇聚至所述太赫兹阵列探测器；所述太赫兹阵列探测器将接收到的汇聚的太赫兹信号通过太赫兹信号标定显示模块实时显示出来，根据显示的光斑大小调节所述发散性太赫兹辐射源。
所述汇聚光对焦系统光路模块包括偶数个离轴抛物面镜组成具有将发散光转换为汇聚光性能的光路系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种发散性太赫兹光源光学光路的对焦方法，包括以下步骤：
(1)利用可见光光源进行预对焦，标定可见光光源位置，移走可见光光源，将所述的发散性太赫兹辐射源置于标定位置处；
(2)所述发散性太赫兹辐射源发出发散的太赫兹信号，并由平行光对焦系统转换成平行的太赫兹信号，并传输至所述太赫兹阵列探测器；
(3)所述太赫兹阵列探测器将接收到的平行的太赫兹信号通过太赫兹信号标定显示模块实时显示出来，平移太赫兹阵列探测器根据显示的光斑调节所述发散性太赫兹辐射源的对焦位置。
所述步骤(3)包括以下子步骤：调节太赫兹阵列探测器的光圈和位置直至太赫兹信号标定显示模块显示出太赫兹光斑，将太赫兹阵列探测器固定在光导轨上距离平行光对焦系统的两倍焦距处，所述太赫兹阵列探测器的阵列中心与平行光对焦系统的光轴重合，对发散性太赫兹辐射源进行三个维度微调，直至太赫兹信号标定显示模块上显示出太赫兹光斑，使边缘的杂散光斑最小或消失，然后将太赫兹阵列探测器在光导轨上进行前后移动，重复上述步骤至光斑在太赫兹信号标定显示模块上的大小和位置基本保持不变，则说明发散性太赫兹辐射源的位置被成功调节至平行光对焦系统的焦点处，即达到对发散性太赫兹源对焦的目的。
所述将太赫兹阵列探测器在光导轨上进行前后移动的幅度为平行光对焦系统的0.5倍焦距。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种发散性太赫兹光源光学光路的对焦方法，包括以下步骤：
(1)利用可见光光源进行预对焦，标定可见光光源位置，移走可见光光源，将所述的发散性太赫兹辐射源置于标定位置处；
(2)所述发散性太赫兹辐射源发出发散的太赫兹信号，并由汇聚光对焦系统汇聚至所述太赫兹阵列探测器；
(3)所述太赫兹阵列探测器将接收到的太赫兹信号通过太赫兹信号标定显示模块实时显示出来，根据显示的光斑大小调节所述发散性太赫兹辐射源的对焦位置。
所述步骤(3)包括以下子步骤：将太赫兹阵列探测器的镜头去除并置于汇聚光对焦系统的焦平面处，太赫兹阵列探测器的阵列中心与汇聚光对焦系统的焦点重合，对发散性太赫兹辐射源进行三个维度微调，直至显示出汇聚光斑，并使汇聚光斑面积最小，同时边缘无明显的杂散光斑，此时发散性太赫兹辐射源的位置即是会聚光对焦系统的焦点，从而达到对发散性太赫兹源对焦的目的。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明提出利用太赫兹阵列探测器的区域探测实时显示功能，表征发散性太赫兹源的出射光斑，根据光斑情况反向调节太赫兹光源的位置，完成准确对焦，从而简化了对焦过程。对常用的平行光路系统和汇聚光路系统，该方法均能完成对发散性太赫兹光源的对焦，有效的消除由可见光预对焦标定所引入的太赫兹光源位置误差。
附图说明
图1是本发明方法的结构示意图；
图2是可见性光源预对焦系统光路示意图；
图3是平行光和汇聚光对焦系统光路示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
参阅图1，本发明提出的一种关于发散性太赫兹光源光学光路的对焦方法，包括：发散性太赫兹辐射源(固态量子级联激光器)，平行光对焦光路系统，汇聚光对焦光路系统，太赫兹信号阵列探测器(热电子微阵列探测器)，太赫兹信号标定显示模块。
所述位于发散性太赫兹辐射源装置于一个三维平移台上，向所述的平行光对焦光路系统或汇聚光对焦光路系统发射太赫兹信号；所述太赫兹信号阵列探测器接收所述发散性太赫兹辐射源发出的太赫兹信号，然后发送至所述的太赫兹信号标定显示模块；对于平行光对焦系统，如图3所示，沿离轴抛物面镜PM1的出射光轴(z轴方向)移动太赫兹阵列探测器，根据所述的太赫兹信号标定显示模块所显示的情况，调节发散性太赫兹辐射源至PM1焦点处；对于汇聚光对焦系统，如图3所示，将探测器置于离轴抛物面镜PM2的焦平面处，使阵列中心位于PM2焦点处，根据显示模块所显示的情况，调节发散性太赫兹辐射源至PM1焦点处。
其中，所述发散太赫兹辐射源在本实施例中优选为太赫兹量子级联激光器。
所述的平行光对焦光路系统优选为奇数个离轴抛物面镜构建的具有将发散光转换为平行光性能的光路，该系统由1个离轴抛物面镜PM1组成，如图3所示。
所述汇聚光对焦光路系统优选为偶数个离轴抛物面镜组成具有将发散光转换为汇聚光性能的光路系统，该系统包括离轴抛物面镜PM1和与之配合的离轴抛物面镜PM2，如图3所示。
所述的太赫兹阵列探测器优选为热电子微阵列探测器。常温工作，实时显示，速度为8帧/s,响应的太赫兹频段为1～7THz，在4.2THz处的噪声等效功率～100pW。
所述的太赫兹信号标定显示模块优选为强度模式显示，由电脑显示太赫兹光斑图像。
进一步优选地，太赫兹发散源的发散角大于10°。
图3为本实施例中平行光和汇聚光对焦光路系统示意图，该方法具体包括如下步骤：
步骤一、利用可见光进行光路预对准，如图2所示。
对于平行光对焦光路系统而言，调节PM1的光轴，使得PM1光轴与Z轴方向平行。将发散的可见光光源(采用红外激光+光阑发散获得)置于离轴抛物面镜PM1的焦点处，经过PM1收集转换成平行光，光斑投影在光学挡板上。微调可见光光源位置，使得在挡板上获得均匀的圆形光斑；用探针标定可见光光源的空间位置，然后移开可见光光源；
对于汇聚光对焦光路系统而言，先调节PM1与PM2的光轴，使得PM1与PM2光轴与Z轴方向平行，将发散的可见光光源(采用红外激光+光阑发散获得)置于离轴抛物面镜PM1的焦点处，经过PM1收集转换成平行光，与平行光对焦不同，此处采用离轴抛物面镜PM2对平行光进行汇聚，然后再由光学挡板呈现可见光光斑，光学挡板置于PM2焦点处。然后微调可见光光源位置，同时将挡板在焦点处沿光轴(图2中点虚线方向)方向前后移动，使得挡板上可见光光斑均呈圆形扩大或缩小变化，变化过程中无形状上的畸变(及出现椭圆变化等情况)；用探针标定可见光光源的空间位置，然后移开可见光光源。
其中，离轴抛物面镜PM1和PM2均是90度离轴型，对应参数为焦距101.6mm，底面直径为50.8mm；光阑孔径设置为1mm，用滤纸遮挡以获得发散光效果，标定指针将产生一定位置误差。
步骤二、将太赫兹发散源置于指针位置，移开指针，点亮太赫兹激光器，并在平行光路中放置太赫兹阵列探测器。
对于平行光对焦系统而言，调节探测器阵列中心高度与PM1焦点高度相同，在后续调节过程中，保持此高度不变，且PM1光轴与阵列中心重合；对于汇聚光对焦光路系统而言，在PM2焦平面处放置太赫兹信号阵列探测器(去镜头)，且探测器阵列中心与PM2焦点重合。
其中，将太赫兹源置于标定空间位置的操作产生一定误差，使得光源与PM1焦点偏离；太赫兹量子级联激光器的工作温度为10K,驱动电压为14.67V，电流为0.39A。对于平行光对焦系统而言，太赫兹阵列探测器置于与Z轴平行的光导轨之上，方便于进行前后调节。探测器的显示帧率为8帧/秒，响应的太赫兹频段为1～7THz，在4.2THz处的噪声等效功率～100pW。
步骤三、根据阵列探测器光斑实时显示反向调节发散性太赫兹源至PM1焦点位置。
对于平行光对焦光路系统而言，调节探测器光圈和位置至显示出太赫兹光斑，将探测器固定在光导轨上距离轴抛物面镜两倍焦距处，阵列中心与离轴抛物面镜光轴重合，对太赫兹光源进行三个维度微调，直至显示器上显示出太赫兹光斑，且边缘的杂散光斑最小或消失，光斑形状视具体的太赫兹光源而定。然后将阵列探测器在光导轨上进行前后移动(幅度为0.5倍焦距)，重复该步骤至光斑在显示器上的大小和位置基本保持不变，则说明太赫兹光源位置被成功调节至离轴抛物面镜焦点处，即达到对发散性太赫兹源对焦的目的；
对于汇聚光对焦光路系统而言，将阵列探测器的镜头去除，并置于离轴抛物面镜的焦平面处，阵列中心与焦点重合，对太赫兹光源进行三个维度微调，直至显示出汇聚光斑且光斑面积最小，同时边缘无明显的杂散光斑(汇聚光斑形状视具体的太赫兹光源而定)，此时太赫兹源的位置即是离轴抛物面镜的焦点，从而达到对发散性太赫兹源对焦的目的。
其中，太赫兹光斑的标定模式为强度模式，即显示的灰度或者伪彩色图像对应的是接收到的太赫兹信号强度信息；太赫兹光斑的形状特性视具体的太赫兹源而定。
不难发现，本发明提出利用太赫兹阵列探测器的区域探测实时显示功能，表征发散性太赫兹源的出射光斑，根据光斑情况反向调节太赫兹光源的位置，完成准确对焦，从而简化了对焦过程。对常用的平行光路系统和汇聚光路系统，该方法均能完成对发散性太赫兹光源的对焦，有效的消除由可见光预对焦标定所引入的太赫兹光源位置误差。
Claims (10)
1.一种发散性太赫兹光源光学光路的对焦系统，包括发散性太赫兹辐射源、平行光对焦系统光路模块、太赫兹阵列探测器、太赫兹信号标定显示模块，其特征在于，所述发散性太赫兹辐射源向所述平行光对焦系统模块发射发散的太赫兹信号；所述平行光对焦系统接收所述发散性太赫兹源发射的太赫兹信号，并将接收到的太赫兹信号转为平行的太赫兹信号发送至所述太赫兹阵列探测器；所述太赫兹阵列探测器将接收到的平行的太赫兹信号通过太赫兹信号标定显示模块实时显示出来，平移太赫兹阵列探测器根据显示的光斑调节所述发散性太赫兹辐射源。
2.根据权利要求1所述的发散性太赫兹光源光学光路的对焦系统，其特征在于，所述发散性太赫兹辐射源的发射角大于10度。
3.根据权利要求1所述的发散性太赫兹光源光学光路的对焦系统，其特征在于，所述平行光对焦系统光路模块包括奇数个离轴抛物面镜组成具有将发散光转换为平行光性能的光路系统。
4.一种发散性太赫兹光源光学光路的对焦系统，包括发散性太赫兹辐射源、汇聚光对焦系统光路模块、太赫兹阵列探测器、太赫兹信号标定显示模块，其特征在于，所述发散性太赫兹辐射源向所述汇聚光对焦系统模块发射发散的太赫兹信号；所述汇聚光对焦系统光路模块将收到的太赫兹信号汇聚至所述太赫兹阵列探测器；所述太赫兹阵列探测器将接收到的汇聚的太赫兹信号通过太赫兹信号标定显示模块实时显示出来，根据显示的光斑大小调节所述发散性太赫兹辐射源。
5.根据权利要求4所述的发散性太赫兹光源光学光路的对焦系统，其特征在于，所述汇聚光对焦系统光路模块包括偶数个离轴抛物面镜组成具有将发散光转换为汇聚光性能的光路系统。
6.一种发散性太赫兹光源光学光路的对焦方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用可见光光源进行预对焦，标定可见光光源位置，移走可见光光源，将所述的发散性太赫兹辐射源置于标定位置处；
(2)所述发散性太赫兹辐射源发出发散的太赫兹信号，并由平行光对焦系统转换成平行的太赫兹信号，并传输至所述太赫兹阵列探测器；
(3)所述太赫兹阵列探测器将接收到的平行的太赫兹信号通过太赫兹信号标定显示模块实时显示出来，平移太赫兹阵列探测器根据显示的光斑调节所述发散性太赫兹辐射源的对焦位置。
7.根据权利要求6所述的发散性太赫兹光源光学光路的对焦方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下子步骤：调节太赫兹阵列探测器的光圈和位置直至太赫兹信号标定显示模块显示出太赫兹光斑，将太赫兹阵列探测器固定在光导轨上距离平行光对焦系统的两倍焦距处，所述太赫兹阵列探测器的阵列中心与平行光对焦系统的光轴重合，对发散性太赫兹辐射源进行三个维度微调，直至太赫兹信号标定显示模块上显示出太赫兹光斑，使边缘的杂散光斑最小或消失，然后将太赫兹阵列探测器在光导轨上进行前后移动，重复上述步骤至光斑在太赫兹信号标定显示模块上的大小和位置基本保持不变，则说明发散性太赫兹辐射源的位置被成功调节至平行光对焦系统的焦点处，即达到对发散性太赫兹源对焦的目的。
8.根据权利要求7所述的发散性太赫兹光源光学光路的对焦方法，其特征在于，所述将太赫兹阵列探测器在光导轨上进行前后移动的幅度为平行光对焦系统的0.5倍焦距。
9.一种发散性太赫兹光源光学光路的对焦方法，其特征在于，包括以下步骤，
(1)利用可见光光源进行预对焦，标定可见光光源位置，移走可见光光源，将所述的发散性太赫兹辐射源置于标定位置处；
(2)所述发散性太赫兹辐射源发出发散的太赫兹信号，并由汇聚光对焦系统汇聚至所述太赫兹阵列探测器；
(3)所述太赫兹阵列探测器将接收到的太赫兹信号通过太赫兹信号标定显示模块实时显示出来，根据显示的光斑大小调节所述发散性太赫兹辐射源的对焦位置。
10.根据权利要求9所述的发散性太赫兹光源光学光路的对焦方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下子步骤：将太赫兹阵列探测器的镜头去除并置于汇聚光对焦系统的焦平面处，太赫兹阵列探测器的阵列中心与汇聚光对焦系统的焦点重合，对发散性太赫兹辐射源进行三个维度微调，直至显示出汇聚光斑，并使汇聚光斑面积最小，同时边缘无明显的杂散光斑，此时发散性太赫兹辐射源的位置即是会聚光对焦系统的焦点，从而达到对发散性太赫兹源对焦的目的。
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