一种自适应太赫兹反射式测量系统对焦装置

技术领域：

本发明属于太赫兹光谱和成像技术领域，具体涉及一种自适应太赫兹反射式测量系统对焦装置。

背景技术：

基于光电导天线的太赫兹时域光谱系统(简称TDS)是当前最为成熟的太赫兹光谱和成像产品。由飞秒激光器发射的飞秒激光脉冲与光电导发射天线作用后产生太赫兹脉冲，该太赫兹脉冲在空间光路系统中传播并经过样品，携带样品信息经光学延迟线实现等效采样后，由光电导探测天线接收，获得太赫兹时域光谱信号。

空间光路系统可分为透射式光路系统和反射式光路系统，其中透射式光路系统获取的信息是被测样品对太赫兹波的吸收效应所产生的；而反射式光路系统获取的信息是被测样品对太赫兹波的反射效应所产生的；此间，需要将太赫兹波精确地对准聚焦于被测样品以获得较高的携带样品信息的太赫兹信号。对于透射光路系统，其焦点为中间两个聚焦透镜的距离的中心；对于反射光路系统，就需要操作人员手动调节样品台的高度来进行对焦。

人工对焦的操作繁琐不智能，无法精确对焦，导致太赫兹信号强度减弱，信号不稳定。通常情况下，被测样品会存在一些不规则样品、表面不平整样品、厚度不均匀样品等，这极大的提高了人工对焦的难度，引入更大的调节误差，不能精准对焦，难以获得最优反射信号质量，更不能保证其测量的准确性。尤其是对于太赫兹逐点扫描成像技术，需要将样品放置在一个二维扫描平移台上，通过不断的移动样品位置，在样品不同区域上测量太赫兹信号，最后将所有数据集合在一起组成样品的太赫兹图像，如果不能精准对焦，所测得的每个点的太赫兹信号都有误差，那集合在一起的数据将会存在更大的误差，导致样品的太赫兹图像严重失真。

另外，由于被测样品不同的测试需求，需将焦点聚焦至被测样品的上表面、下表面或是中间某一层，这使得人工对焦难上加难。

发明内容：

本发明目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种自适应太赫兹反射式测量系统对焦装置，解决了太赫兹反射式测量系统难以对焦的问题，依据样品形态和测试需求，自动调节样品台的高度，以获得最优反射信号质量，优化测量准确性。

为了实现上述目的，本发明涉及的自适应太赫兹反射式测量系统对焦装置，包括样品自适应调整台、样品自适应调整控制模块和太赫兹信号监测处理模块，样品自适应调整台置于第一聚焦透镜和第二聚焦透镜下侧且垂直于反射光路所在平面，待测样品放置在样品自适应调整台顶部，太赫兹信号监测处理模块与样品自适应调整控制模块连接，太赫兹信号监测处理模块用于实时获取太赫兹时域光谱信号、确定待测样品需要检测的位置对应的太赫兹反射峰并将所述太赫兹反射峰强度实时发送给样品自适应调整控制模块，样品自适应调整控制模块与样品自适应调整台连接，用于根据接收到的太赫兹时域光谱信号调整样品自适应调整台上下运动，至待测样品需要检测的位置处于反射光路的焦点位置。

进一步地，所述太赫兹信号监测处理模块包括太赫兹反射峰监测模块和太赫兹反射峰强度提取模块，太赫兹反射峰监测模块用于寻找实时获取的太赫兹时域光谱信号中太赫兹反射峰的数量，根据峰数量确定对应测量需要的太赫兹反射峰；太赫兹反射峰强度提取模块跟踪所述太赫兹反射峰随样品自适应调整台移动过程中的信号强度，并将太赫兹反射峰强度实时发送给样品自适应调整控制模块，太赫兹反射峰强度提取模块分别与太赫兹反射峰监测模块和样品自适应调整控制模块连接。

进一步地，所述样品自适应调整台包括载物台、柱塞、液压缸、油量控制系统、油管和底座，液压缸上的柱塞与载物台连接，液压缸1底部固定在底座上，油量控制系统通过油管与液压缸连接，样品自适应调整控制模块与油量控制系统连接，向油量控制系统发送运动指令并基于反馈到的太赫兹时域光谱信号实时调整运动指令。

进一步地，所述样品自适应调整台固定在二维扫描平移台上。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.提出了一种太赫兹反射式测量系统自动对焦装置，将人为调节改为自动调节，减少了操作人员调节的人力成本，很大程度的缩短了时间成本；

2.自适应调节引入的误差远小于人为调节，并可设置油量控制系统的高精度运行，还可依据所需的信号质量高低来进行运动参数的设置，大大的提高了反射测量的信号质量，优化了测量准确性；

3.自适应调节采用油量控制系统驱动压油进/出液压缸，进而带动载物台移动，可以自行设置油量控制系统的进/出油速率和进/出油量，使高度调节更灵活、更便捷、更智能。

附图说明：

图1是实施例1涉及的自适应太赫兹反射式测量系统对焦装置结构示意图。

图2是实施例1涉及的样品自适应调整单元结构图。

图3是自适应太赫兹反射式测量系统对焦装置中载物台移动的示意图。

图4是自适应太赫兹反射式测量系统对焦装置具体优化过程图。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明所述“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等方位词是为了描述部件之间的相对关系，“第一”、“第二”等数量词是为了分辨不同组件，不构成对本申请的限制。

如图1所示，太赫兹反射式测量系统主体结构，一般包括飞秒激光器1、分束器2、光学振荡延迟线3、偏压源4、太赫兹发射天线5、太赫兹探测天线10、反射光路、信号发生和采集处理单元11和上位机12。第一准直透镜6、第一聚焦透镜7、第二聚焦透镜8和第二准直透镜9构成反射光路，飞秒激光器1产生的飞秒脉冲激光经过分束器2分束，一束为泵浦光，另一束为探测光，在偏压源4的作用下，泵浦光直接聚焦于太赫兹发射天线5产生太赫兹脉冲，太赫兹脉冲依次经过第一准直透镜6和第一聚焦透镜7后照射在待测样品上，携带待测样品信息的太赫兹脉冲在依次经过第二聚焦透镜8和第二准直透镜9，聚焦于太赫兹探测天线10，与经过光学振荡延迟线3延迟的探测光相遇，输出光电流信号，光电流信号经信号发生和采集处理单元11处理后发送到上位机12，得到太赫兹时域光谱信号,过程中，光学振荡延迟线3、偏压源4均与信号发生和采集处理单元11连接，由其控制。

如图1和2所示，本实施例涉及的自适应太赫兹反射式测量系统对焦装置，包括样品自适应调整台13、样品自适应调整控制模块14和太赫兹信号监测处理模块15，其中，样品自适应调整控制模块14和太赫兹信号监测处理模块15内置于上位机1中，样品自适应调整台 13置于第一聚焦透镜7和第二聚焦透镜8下侧且垂直于反射光路所在平面，待测样品放置在样品自适应调整台13顶部，太赫兹信号监测处理模块15与样品自适应调整控制模块14连接，太赫兹信号监测处理模块15用于实时获取太赫兹时域光谱信号、确定待测样品需要检测的位置对应的太赫兹反射峰并将所述太赫兹反射峰强度实时发送给样品自适应调整控制模块14，样品自适应调整控制模块14与样品自适应调整台13连接，用于根据接收到的太赫兹时域光谱信号调整样品自适应调整台13上下运动，至待测样品需要检测的位置处于反射光路的焦点位置。

所述待测样品需要检测的位置随处理需求的变化而变化。当用于光谱测量时，反射光路的焦点需在被测样品的上表面，只有一次反射，对应的太赫兹时域波谱显示单峰。用于厚度测量时，反射光路的焦点需在样品的下表面，在光线经过样品到达下表面的过程中，对应的太赫兹时域波谱显示可形成双峰甚至多峰。当进行逐点扫描成像，需要不断移动样品实现对不同位置进行太赫兹数据采集。为此，所述太赫兹信号监测处理模块15包括太赫兹反射峰监测模块1501和太赫兹反射峰强度提取模块1502，太赫兹反射峰监测模块1501用于寻找实时获取的太赫兹时域光谱信号中太赫兹反射峰的数量，根据峰数量确定对应测量需要的太赫兹反射峰；太赫兹反射峰强度提取模块1502跟踪所述太赫兹反射峰随样品自适应调整台13移动过程中的信号强度，并将太赫兹反射峰强度实时发送给样品自适应调整控制模块14，太赫兹反射峰强度提取模块1502分别与太赫兹反射峰监测模块1501和样品自适应调整控制模块 14连接。

如图3所示，所述样品自适应调整台13包括载物台1301、柱塞1302、液压缸1303、油量控制系统1304、油管1305和底座1306，液压缸1303上的柱塞1302与载物台1301连接，液压缸1303 底部固定在底座1306上，油量控制系统1304通过油管1305与液压缸1303连接，样品自适应调整控制模块14与油量控制系统1304连接，向油量控制系统1304发送运动指令并基于反馈到的太赫兹时域光谱信号实时调整运动指令。

进一步地，所述样品自适应调整台13固定在二维扫描平移台上，实现沿X轴和Y轴的移动。

具体地，样品自适应调整控制模块14发送运动指令，控制调整样品自适应调整台13上升 (或下降)，当太赫兹反射峰信号变优时，运动指令不变，当监测到太赫兹反射峰信号变差时，反向调整运动指令，反向运动过程中获得正向运动过程中最优太赫兹反射峰信号时，发送停止运动指令。所述运动指令包括上升、下降和停止，上升对应的运动参数为进油速率和最大进油量等，下降对应的运动参数为出油速率和最大出油量等，停止对应的运动参数为出油速率为0，其中进油速率与最大进油量对应于柱塞上升的速度与范围，出油速率与最大出油量对应于柱塞下降的速度与范围。如，油量控制系统1304接收到上升指令，按照设定的进油速率和最大进油量，将压油经油管压入液压缸，液压缸驱动柱塞向上运动，柱塞带动载物台向上运动；油量控制系统1304接收到下降运动指令后，按照设定的进油速率和最大进油量将压油经油管从液压缸排出，柱塞下降运动，带动载物台向下运动。

如图4所示，所述自适应太赫兹反射式测量系统对焦装置具体优化过程为：

(1)在不进油的情况下，样品自适应调整台13处于自然高度状态(即最低位置)，此时将样品自适应调整台13放在第一聚焦透镜7和第二聚焦透镜8的下方且水平，该位置记为L0。载物台与两个聚焦透镜的距离至少为一个焦距(即聚焦透镜的焦距f)的距离。

(2)提前在上位机4中的样品自适应调整控制模块14中设置好第一运动参数，第一运动参数可设为先进油后出油，进/出油速率a1，最大进/出油量c1(对应最大距离d1)，则在L0+d1 的范围内，油量控制系统将以a1的进油速度运动，柱塞则匀速向上运动，信号变优则继续进油，柱塞继续向上运动，信号变差则油量控制系统将以a1的出油速度运动，柱塞则匀速向下运动，第一太赫兹信号最强时停止；

(3)在上位机4中的样品自适应调整控制模块14中再设置第二运动参数，第二运动参数可设为先进油后出油(或先出油后进油)，进/出油速率a2，最大进/出油量c2(对应最大距离d2)，则在L1±d2的范围内，油量控制系统将以a2的进油(或出油)，柱塞则匀速向上(或向下)运动，信号变优则继续进油(或出油)，柱塞继续向上(或向下)运动，信号变差则油量控制系统将以a2的出油(或进油)速度运动，柱塞则匀速向下(或向上)运动，第二太赫兹信号最强时停止。为了实现待测样品所处位置进一步精确调整，第一运动参数和第二运动参数需满足a1>a2，c1>c2(即d1>d2)。同理，为了提高调节精度，可结合实际情况增加设置第三运动参数或更多运动参数。

实施例1

采用上述自适应太赫兹反射式测量系统对焦装置对表面粗糙样品、厚度不均匀的不规则样品进行光谱测量，具体包括以下步骤：

(1)将待测样品置于载物台上，反射光路焦点对准待测样品某位置，太赫兹反射峰监测模块1501监测到太赫兹时域光谱信号中出现单峰，即为需要监测的太赫兹反射峰，进行光谱测量时，反射光路的焦点需在被测样品的上表面，只有一次反射，故太赫兹信号会出现单峰；

(2)样品自适应调整控制模块14控制样品自适应调整台13以第一运动参数移动，第一运动参数设为先进油后出油，进/出油速率a1，最大进/出油量c1(对应最大距离d1)，则在L0+d1 的范围内，油量控制系统将以a1的进油速度运动，柱塞则匀速向上运动，太赫兹反射峰强度提取模块1502跟踪上述太赫兹反射峰随样品自适应调整台13移动过程中的太赫兹时域光谱信号强度，并将该太赫兹时域光谱信号强度再反馈给样品自适应调整控制模块14，信号变优则继续进油，柱塞继续向上运动，信号变差则油量控制系统将以a1的出油速度运动，柱塞则匀速向下运动第一太赫兹信号最强时停止；

(3)样品自适应调整控制模块14控制样品自适应调整台13以第二运动参数移动，第二运动参数设为先进油后出油，进/出油速率a2，最大进/出油量c2(对应最大距离d2)，则在L1 ±d2的范围内，油量控制系统将以a2的进油，柱塞则匀速向上运动，太赫兹反射峰强度提取模块1502跟踪上述太赫兹反射峰随样品自适应调整台13移动过程中的太赫兹时域光谱信号强度，并将该太赫兹时域光谱信号强度再反馈给样品自适应调整控制模块14，信号变优则继续进油，柱塞继续向上运动，信号变差则油量控制系统将以a2的出油速度运动，柱塞则匀速向下运动，第二太赫兹信号最强时停止，此时将会获得最佳反射信号，即将反射光路的焦点精确聚焦在样品上表面，以便于准确获取该点的太赫兹信号。

实施例2

采用上述自适应太赫兹反射式测量系统对焦装置对表面粗糙样品、厚度不均匀的不规则单层样品进行厚度测量，具体包括以下步骤：

(1)在载物台不放置单层样品时，通过样品自适应调整控制模块14控制样品自适应调整台13从上向下(或从下向上)移动，太赫兹反射峰监测模块1501监测到太赫兹时域光谱信号中的单峰，即为需要监测的太赫兹反射峰，反射光路的焦点需在载物台的上表面，只有一次反射，故太赫兹信号会出现单峰；

(2)样品自适应调整控制模块14控制样品自适应调整台13依次以第一运动参数和第二运动参数移动，按照实施例1所述步骤进行调节，获得最佳反射信号，即将反射光路的焦点精确聚焦在载物台上表面，以便于准确获取不放置样品时的太赫兹信号；

(3)在(2)的基础上，将待测单层样品置于载物台上，反射光路焦点对准待测样品某位置，进行厚度测量时反射光路的焦点需在样品的下表面，在光线经过样品到达下表面的过程中，可形成双峰；太赫兹反射峰监测模块1501监测到太赫兹时域光谱信号中的双峰，并以其中较强的一个反射峰作为主监测对象，另外一个反射峰作为次监测对象；

(4)重新设置第一运动参数和第二运动参数，样品自适应调整控制模块14控制样品自适应调整台13依次以第一运动参数和第二运动参数移动，对放置样品后的高度进行微调，按照实施例1所述步骤进行调节，同时兼顾双峰信号强度，获得最佳反射信号，即将反射光路的焦点精确聚焦在样品下表面，以便于准确获取经过单层样品的太赫兹信号。

实施例3

采用上述自适应太赫兹反射式测量系统对焦装置对表面粗糙样品、厚度不均匀的不规则多层样品进行厚度测量，具体包括以下步骤：

(1)按照实施例2所述步骤(1)-(2)将不放置多层样品的载物台调至最佳高度；

(2)将待测多层样品置于载物台上，反射光路焦点对准待测样品某位置；进行厚度测量时反射光路的焦点需在样品的下表面，在光线经过多层样品到达下表面的过程中，可形成多峰；太赫兹反射峰监测模块1501监测到太赫兹时域光谱信号中出现N+1个峰并将其作为多层样品的多个反射峰，N为样品的层数，以其中较强的一个反射峰作为主监测对象，其余的反射峰作为次监测对象；

(3)重新设置第一运动参数和第二运动参数，样品自适应调整控制模块14控制样品自适应调整台13从上向下移动，对放置样品后的高度进行微调，按照实施例1所述步骤进行调节，同时兼顾多峰信号强度，获得最佳反射信号，即将反射光路的焦点精确聚焦在第N层样品下表面，以便于准确获取经过多层样品的太赫兹信号。

实施例4

采用实施例1所述自适应太赫兹反射式测量系统对焦装置对表面粗糙样品、厚度不均匀的不规则样品进行太赫兹逐点扫描成像，此时一般需将焦点调至样品下表面，具体包括以下步骤：

(1)按照实施例2所述步骤(1)-(2)将不放置待测样品的载物台调至最佳高度；

(2)将待测样品置于载物台上，依据样品类型重复实施例2中的步骤(3)-(4)或实施例3中的步骤(2)-(3)，获得最佳反射信号，即将反射光路的焦点精确聚焦在待测样品下表面，以便于准确获取该点的太赫兹信号；

(3)沿二维扫描平移台的X轴或Y轴以一定规律移动样品自适应调整台13，重复步骤(2)，完成对待测样品的逐点扫描，直至完成整个样品的太赫兹信号采集，之后进行三维信息重构，组成样品的太赫兹图像。如果样品的厚度不均匀，表面粗糙，或是样品不规则，则会使得样品逐点扫描时每个点的太赫兹信号并非最优，导致测量结果失真。采用上述方法则使得太赫兹信号始终处于最优，以获得最佳的太赫兹图像。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。