本發(fā)明屬于太赫茲技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種多功能太赫茲光譜和成像測(cè)量模塊及其測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

太赫茲的光譜和成像測(cè)量模塊是太赫茲光譜系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于對(duì)材料光譜和成像的測(cè)量。

隨著太赫茲光譜技術(shù)的發(fā)展，太赫茲光譜系統(tǒng)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，應(yīng)用程度不斷加深。爆炸物檢測(cè)、毒品偵測(cè)、半導(dǎo)體材料分析、食品藥品安全等諸多領(lǐng)域都產(chǎn)生了對(duì)太赫茲光譜系統(tǒng)的應(yīng)用需求。太赫茲光譜系統(tǒng)一般工作過程如下：太赫茲發(fā)射單元產(chǎn)生的太赫茲波照射到樣品后，攜帶有樣品太赫茲波段特性信息的太赫茲波被探測(cè)單元探測(cè)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集和處理后得到樣品的太赫茲光譜信息，通過二維位移臺(tái)控制樣品的移動(dòng)，還可根據(jù)各測(cè)量點(diǎn)位的光譜信息實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的成像。

根據(jù)被測(cè)材料厚度和吸收程度的不同，太赫茲光譜系統(tǒng)可采用透射測(cè)量模式和反射測(cè)量兩模式，模式間的轉(zhuǎn)換主要通過調(diào)節(jié)發(fā)射單元和探測(cè)單元的相對(duì)位置和夾角實(shí)現(xiàn)。目前，由于缺乏具有相應(yīng)功能的測(cè)量模塊，在進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換時(shí)采用手動(dòng)的方式對(duì)天線的位置和夾角進(jìn)行調(diào)節(jié)，耗時(shí)費(fèi)力。

根據(jù)具體的應(yīng)用需求，太赫茲光譜系統(tǒng)又可工作在光譜測(cè)量模式和成像測(cè)量模式。光譜測(cè)量模式主要應(yīng)用于需要對(duì)樣品太赫茲波段光譜特性進(jìn)行測(cè)量和分析的場(chǎng)合；而成像測(cè)量模式則主要用于對(duì)樣品表面特征進(jìn)行成像識(shí)別的場(chǎng)合，具體實(shí)現(xiàn)方式為通過一個(gè)二維位移臺(tái)帶動(dòng)樣品在二維平面逐點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，光譜系統(tǒng)通過逐點(diǎn)掃描的方式得到樣品的二維成像?，F(xiàn)有技術(shù)方案尚沒有考慮光譜測(cè)量與成像測(cè)量功能模塊的集成，光譜測(cè)量部件和成像測(cè)量部件為分離的兩部分，一般光譜測(cè)量部件位于光譜系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)部而成像測(cè)量往往在機(jī)箱外部實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行光譜測(cè)量時(shí)將樣品固定在機(jī)箱內(nèi)的樣品架上；而在進(jìn)行成像測(cè)量時(shí)，需要將樣品移至二維位移臺(tái)上的樣品架中，同時(shí)將收發(fā)探頭移出并重新調(diào)節(jié)其與樣品的相對(duì)位置。這個(gè)過程導(dǎo)致在光譜測(cè)量和成像測(cè)量以及透射和反射測(cè)量之間的切換效率很低，同時(shí)部件間結(jié)構(gòu)分散、占用面積大，不利于實(shí)現(xiàn)在太赫茲光譜系統(tǒng)中的集成，造成材料光譜測(cè)試和成像的效率不高的現(xiàn)狀。

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有太赫茲光譜和成像測(cè)量模塊集成度低、模式間切換過程繁瑣、測(cè)試效率低的問題，提出了一種集透射、反射測(cè)量功能于一體的光譜和成像測(cè)量模塊。通過控制固定有光纖耦合式天線的機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)在透射模式和反射模式間的靈活切換；通過二維電控位移臺(tái)控制樣品的移動(dòng)，可以光譜測(cè)量模式與成像測(cè)量模式間之間進(jìn)行便捷的切換，能夠滿足太赫茲波段非接觸式光譜和成像測(cè)量儀器高集成度和實(shí)用性的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，提供了一種多功能太赫茲光譜和成像測(cè)量模塊及其測(cè)量方法。

為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種多功能太赫茲光譜和成像測(cè)量模塊，包括太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線、太赫茲接收光電導(dǎo)天線、電控可旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂、樣品夾持裝置、電控水平移動(dòng)導(dǎo)軌、電控豎直移動(dòng)導(dǎo)軌、模塊底座、模塊供電和控制接口，所述模塊底座的頂面上設(shè)置有兩個(gè)固定于同一旋轉(zhuǎn)中軸的電控可旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂，側(cè)面設(shè)置有模塊供電和控制接口，所述電控可旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂上分別固定有太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線和太赫茲接收光電導(dǎo)天線，所述電控可旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)中軸上固定有電控水平移動(dòng)導(dǎo)軌和電控豎直移動(dòng)導(dǎo)軌，所述電控水平移動(dòng)導(dǎo)軌和電控豎直移動(dòng)導(dǎo)軌共同組成電控二維位移臺(tái)，所述電控二維位移臺(tái)中間設(shè)置有樣品夾持裝置。

上述技術(shù)方案中，所述模塊供電和控制接口用于設(shè)置天線所需電壓和控制所述電控可旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)以及所述電控二維位移臺(tái)的移動(dòng)。

上述技術(shù)方案中，所述太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線和太赫茲接收光電導(dǎo)天線為光纖耦合型太赫茲光電導(dǎo)天線，尾纖為單模光纖。

上述技術(shù)方案中，所述電控可旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)角度為0°-360°。

上述技術(shù)方案中，所述太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線和太赫茲接收光電導(dǎo)天線均采用光纖耦合式輸入，分別連接有發(fā)射天線耦合光纖和接收天線耦合光纖。

上述技術(shù)方案中，所述太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線和太赫茲接收光電導(dǎo)天線還分別連接有發(fā)射天線供電電纜和接收天線電纜。

一種多功能太赫茲光譜和成像測(cè)量模塊的透射測(cè)量方法，包括以下步驟：

一、通過樣品夾持裝置將樣品固定在電控二維位移臺(tái)上；

二、通過可旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂將太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線旋轉(zhuǎn)到與樣品前表面垂直的位置，將太赫茲接收光電導(dǎo)天線旋轉(zhuǎn)到與樣品后表面垂直的位置，使太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線和太赫茲接收光電導(dǎo)天線出射方向相交于樣品同一點(diǎn)上；

三、接通所述模塊供電和控制接口使所述發(fā)射天線供電電纜對(duì)光電導(dǎo)天線施加電壓，同時(shí)激勵(lì)光通過所述發(fā)射天線耦合光纖入射到所述太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線，從而實(shí)現(xiàn)太赫茲發(fā)射信號(hào)的輻射。所述太赫茲接收光電導(dǎo)天線在所述接收天線耦合光纖中的光激勵(lì)和樣品太赫茲信號(hào)的共同作用下產(chǎn)生出電信號(hào)并由所述接收天線電纜將信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集單元以完成樣品特定相位上透射信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量，結(jié)合延遲采樣和傅里葉變換最終可得到樣品的太赫茲透射光譜；

四、控制電控水平移動(dòng)導(dǎo)軌帶動(dòng)樣品在水平方向移動(dòng)，發(fā)射天線和接收天線位置不動(dòng)，完成樣品水平方向逐點(diǎn)掃描成像，控制電控豎直移動(dòng)導(dǎo)軌帶動(dòng)樣品在豎直方向上移動(dòng)一個(gè)步進(jìn)，然后繼續(xù)控制電控水平移動(dòng)導(dǎo)軌在水平方向按照特定步進(jìn)帶動(dòng)樣品進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)并重復(fù)上述步驟，以此完成對(duì)樣品整個(gè)被測(cè)面上的逐點(diǎn)掃描就可實(shí)現(xiàn)透射成像測(cè)量。

一種多功能太赫茲光譜和成像測(cè)量模塊的反射測(cè)量方法，包括以下步驟：

一、通過樣品夾持裝置將樣品固定在電控二維位移臺(tái)上；

二、通過電控可旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂使發(fā)射天線旋轉(zhuǎn)到與樣品前表面法線成一定角度α的位置，使接收天線旋轉(zhuǎn)到與樣品前表面法線成相同的角度α的位置，且發(fā)射光束和接收光束相交于樣品上同一點(diǎn)；

三、發(fā)射天線輻射的信號(hào)經(jīng)樣品反射后即含有樣品的各種特征信息，之后入射到太赫茲接收光電導(dǎo)天線，太赫茲接收光電導(dǎo)天線在接收天線耦合光纖中的光激勵(lì)和樣品太赫茲信號(hào)的共同作用下產(chǎn)生出電信號(hào)并由接收天線電纜將信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集單元以完成樣品特定相位上反射信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量，結(jié)合延遲采樣和傅里葉變換最終可得到樣品的太赫茲反射光譜；

四、控制電控水平移動(dòng)導(dǎo)軌帶動(dòng)樣品在水平方向移動(dòng)，發(fā)射天線和接收天線位置不動(dòng)，完成樣品水平方向逐點(diǎn)掃描成像，控制電控豎直移動(dòng)導(dǎo)軌帶動(dòng)樣品在豎直方向上移動(dòng)一個(gè)步進(jìn)，然后繼續(xù)控制電控水平移動(dòng)導(dǎo)軌在水平方向按照特定步進(jìn)帶動(dòng)樣品進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)并重復(fù)上述步驟，以此完成對(duì)樣品整個(gè)被測(cè)面上的逐點(diǎn)掃描以實(shí)現(xiàn)反射成像測(cè)量。

本發(fā)明提出的多功能太赫茲光譜和成像測(cè)量模塊與現(xiàn)有技術(shù)方案相比具有以下有益效果和優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明提出的多功能太赫茲光譜和成像測(cè)量模塊將太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線和太赫茲接收光電導(dǎo)天線分別固定在兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂上，可靈活地調(diào)整太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線和太赫茲接收光電導(dǎo)天線的相對(duì)位置和夾角，從而快速便捷地實(shí)現(xiàn)太赫茲透射測(cè)量光路和反射測(cè)量光路間的切換，避免了現(xiàn)有方式在透反射測(cè)量模式切換時(shí)繁瑣的部件定位與光路調(diào)節(jié)過程；

(2)本發(fā)明提出的多功能太赫茲光譜和成像測(cè)量模塊集成了小型二維電控掃描位移臺(tái)，通過二維位移臺(tái)帶動(dòng)樣品在豎直平面移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)樣品的太赫茲成像探測(cè)，避免了現(xiàn)有技術(shù)中光譜測(cè)量和成像測(cè)量模式間切換時(shí)需要更換樣品夾持機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)光路相對(duì)位置等繁瑣環(huán)節(jié)；

(3)本發(fā)明提出的多功能太赫茲光譜和成像測(cè)量模塊功能全面、控制方便、結(jié)構(gòu)緊湊、易于在常用太赫茲光譜系統(tǒng)中進(jìn)行集成。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提出的多功能太赫茲光譜和成像測(cè)量模塊進(jìn)行透射測(cè)量時(shí)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明提出的多功能太赫茲光譜和成像測(cè)量模塊進(jìn)行反射測(cè)量時(shí)的結(jié)構(gòu)圖。

圖中編號(hào)說明：1、太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線；2、發(fā)射天線供電電纜；3、發(fā)射天線耦合光纖；4、太赫茲接收光電導(dǎo)天線；5、接收天線電纜；6、接收天線耦合光纖；7、電控可旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂；8、樣品；9、樣品夾持裝置；10、電控水平移動(dòng)導(dǎo)軌；11、電控豎直移動(dòng)導(dǎo)軌；12、模塊底座；13、模塊供電和控制接口。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述：

本發(fā)明提出的多功能太赫茲光譜和成像測(cè)量模塊如圖1和圖2所述，主要包括太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線1、太赫茲接收光電導(dǎo)天線4、電控可旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂7、樣品夾持裝置9、電控水平移動(dòng)導(dǎo)軌10、電控豎直移動(dòng)導(dǎo)軌11、模塊底座12、模塊供電和控制接口13，模塊底座12的頂面上設(shè)置有兩個(gè)固定于同一旋轉(zhuǎn)中軸的電控可旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂7，側(cè)面設(shè)置有模塊供電和控制接口13，電控可旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂7上分別固定有太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線1和太赫茲接收光電導(dǎo)天線4，電控可旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂7的旋轉(zhuǎn)中軸上固定有電控水平移動(dòng)導(dǎo)軌10和電控豎直移動(dòng)導(dǎo)軌11，電控水平移動(dòng)導(dǎo)軌10和電控豎直移動(dòng)導(dǎo)軌11共同組成電控二維位移臺(tái)，電控二維位移臺(tái)中間設(shè)置有樣品夾持裝置9。

模塊供電和控制接口13用于設(shè)置天線所需電壓和控制所述電控可旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂7的旋轉(zhuǎn)以及所述電控二維位移臺(tái)的移動(dòng)。

太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線1和太赫茲接收光電導(dǎo)天線4為光纖耦合型太赫茲光電導(dǎo)天線，尾纖為單模光纖。

電控可旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂7的旋轉(zhuǎn)角度為0°-360°。

太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線1和太赫茲接收光電導(dǎo)天線4均采用光纖耦合式輸入，分別連接有發(fā)射天線耦合光纖3和接收天線耦合光纖6。

太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線1和太赫茲接收光電導(dǎo)天線4還分別連接有發(fā)射天線供電電纜2和接收天線電纜5。

一種多功能太赫茲光譜和成像測(cè)量模塊的透射測(cè)量方法如圖1所示，包括以下步驟：

一、通過樣品夾持裝置9將樣品8固定在電控二維位移臺(tái)上；

二、通過電控可旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂7將太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線1旋轉(zhuǎn)到與樣品8前表面垂直的位置，將太赫茲接收光電導(dǎo)天線4旋轉(zhuǎn)到與樣品8后表面垂直的位置，使太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線1和太赫茲接收光電導(dǎo)天線4出射方向相交于樣品8同一點(diǎn)上；

三、接通所述模塊供電和控制接口13使所述發(fā)射天線供電電纜2對(duì)所述太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線1施加電壓，同時(shí)激勵(lì)光通過所述發(fā)射天線耦合光纖3入射到所述太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線1，從而實(shí)現(xiàn)太赫茲發(fā)射信號(hào)的輻射。所述太赫茲接收光電導(dǎo)天線4在所述接收天線耦合光纖6中的光激勵(lì)和樣品太赫茲信號(hào)的共同作用下產(chǎn)生出電信號(hào)并由所述接收天線電纜5將信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集單元以完成樣品8特定相位上透射信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量，結(jié)合延遲采樣和傅里葉變換最終可得到樣品的太赫茲透射光譜；

四、控制電控水平移動(dòng)導(dǎo)軌10帶動(dòng)樣品8在水平方向移動(dòng)，太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線1和太赫茲接收光電導(dǎo)天線4位置不動(dòng)，完成樣品8水平方向逐點(diǎn)掃描成像，控制電控豎直移動(dòng)導(dǎo)軌11帶動(dòng)樣品8在豎直方向上移動(dòng)一個(gè)步進(jìn)，然后繼續(xù)控制電控水平移動(dòng)導(dǎo)軌10在水平方向按照特定步進(jìn)帶動(dòng)樣品8進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)并重復(fù)上述步驟，以此完成對(duì)樣品8整個(gè)被測(cè)面上的逐點(diǎn)掃描就可實(shí)現(xiàn)透射成像測(cè)量。

一種多功能太赫茲光譜和成像測(cè)量模塊的反射測(cè)量方法如圖2所示，包括以下步驟：

一、通過樣品夾持裝置9將樣品8固定在電控二維位移臺(tái)上；

二、通過電控可旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂7使太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線1旋轉(zhuǎn)到與樣品8前表面法線成一定角度α的位置，使太赫茲接收光電導(dǎo)天線4旋轉(zhuǎn)到與樣品8前表面法線成相同的角度α的位置，且發(fā)射光束和接收光束相交于樣品8上同一點(diǎn)；

三、太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線1輻射的信號(hào)經(jīng)樣品8反射后即含有樣品的各種特征信息，之后入射到太赫茲接收光電導(dǎo)天線4，太赫茲接收光電導(dǎo)天線4在接收天線耦合光纖6中的光激勵(lì)和樣品太赫茲信號(hào)的共同作用下產(chǎn)生出電信號(hào)并由接收天線電纜5將信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集單元以完成樣品8特定相位上反射信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量，結(jié)合延遲采樣和傅里葉變換最終可得到樣品的太赫茲反射光譜；

控制電控水平移動(dòng)導(dǎo)軌10帶動(dòng)樣品8在水平方向移動(dòng)，太赫茲發(fā)射光電導(dǎo)天線1和太赫茲接收光電導(dǎo)天線4位置不動(dòng)，完成樣品8水平方向逐點(diǎn)掃描成像，控制電控豎直移動(dòng)導(dǎo)軌11帶動(dòng)樣品8在豎直方向上移動(dòng)一個(gè)步進(jìn)，然后繼續(xù)控制電控水平移動(dòng)導(dǎo)軌10在水平方向按照特定步進(jìn)帶動(dòng)樣品8進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)并重復(fù)上述步驟，以此完成對(duì)樣品8整個(gè)被測(cè)面上的逐點(diǎn)掃描以實(shí)現(xiàn)反射成像測(cè)量。