太赫兹测量装置及系统

1.本技术涉及光谱成像技术领域，具体而言，本技术涉及一种太赫兹测量装置及系统。


背景技术：

2.随着太赫兹科学技术的发展，利用太赫兹光谱成像技术实现待测样品的测量逐渐应用广泛。相关技术中，太赫兹测量方法通常采用太赫兹时域光谱仪与二维导轨相结合的方式，对待测样品进行测量。然而，此方法适用于平面样品，对于曲面样品而言，其测量精度会随着样品曲率的提高大幅度下降，甚至导致测量失败。
3.为此，机器人被引入太赫兹测量，以此来解决二维导轨对于曲面样品测量精度低下的问题。目前，基于机器人的太赫兹测量方法通常采用机器人离线编程的“开环”控制方式，对于太赫兹测量精度的提升有限。
4.由上可知，相关技术中仍存在难以实现高精度的太赫兹测量的局限性。


技术实现要素：

5.本技术各实施例提供了一种太赫兹测量装置及系统，可以解决相关技术中存在的难以实现高精度的太赫兹测量的问题。所述技术方案如下：
6.根据本技术实施例的一个方面，一种太赫兹测量装置，所述装置包括本体、安装在所述本体顶部的发射模块和接收模块、安装在所述本体第一侧部的光学扫描模块、安装在所述本体第二侧部的示踪激光模块、以及安装在所述本体底部的传感器模块，其中，在停止所述发射模块发射太赫兹光时，所述示踪激光模块发射示踪激光并传输至所述待测样品，形成激光测量区域，所述示踪激光的中心与所述太赫兹光的中心共轴；所述光学扫描模块按照参考扫描路径对所述激光测量区域进行扫描，以实现所述待测样品表面的模型重建；通过所述待测样品表面的模型和所述传感器模块检测到的距离，实现所述参考扫描路径的修正，所述距离是指所述太赫兹测量装置相对于所述待测样品表面的距离。
7.在一个示例性实施例，所述发射模块包括太赫兹发射器、第一抛面镜和第二抛面镜，其中，太赫兹光由所述太赫兹发射器发射，经所述第一抛面镜、所述第二抛面镜传输至所述待测样品；示踪激光透过所述第一抛面镜的中心，使得所述示踪激光的中心与所述太赫兹光的中心共轴，并经所述第二抛面镜传输至所述待测样品。
8.在一个示例性实施例，所述装置还包括光谱光路模块，通过光纤分别与所述发射模块和所述接收模块相连，使得所述光谱光路模块输出的太赫兹光分别传输至所述发射模块和所述接收模块。
9.在一个示例性实施例，所述光谱光路模块输出太赫兹光采用快慢速双模式光谱扫描光路；所述快慢速双模式光谱扫描光路包括：激光器产生的飞秒激光经单模光纤传输至准直透镜准直后，被偏振分束器分成两束飞秒激光，其中一束飞秒激光经长光程的慢速延迟线耦合至与所述发射模块相连的光纤，另一束飞秒激光经短光程的快速延迟线耦合至与
所述接收模块相连的光纤。
10.在一个示例性实施例，所述光谱光路模块还包括反射镜，用于在飞秒激光耦合至光纤之前的自由空间光路调节对准。
11.在一个示例性实施例，所述装置还包括安装在所述本体底部的光束调理模块，所述传感器模块安装在所述光束调理模块底部，用于对太赫兹光进行二次聚焦和调制。
12.在一个示例性实施例，所述光束调理模块为一太赫兹透镜，所述太赫兹透镜的形状为半球形，所述太赫兹透镜的材料为聚甲基戊烯(tpx)。
13.在一个示例性实施例，所述光学扫描模块的目标场以所述太赫兹测量装置的测量方向为中心，所述太赫兹测量装置的测量方向为所述发射模块发射太赫兹光的入射方向。
14.根据本技术实施例的一个方面，一种太赫兹测量系统，所述系统包括处理器和机械臂，还包括如上所述的太赫兹测量装置，其中，所述太赫兹测量装置安装在所述机械臂一端，在所述处理器控制所述机械臂按照修正后的参考扫描路径移动时，所述太赫兹测量装置跟随所述机械臂移动。
15.在一个示例性实施例，所述系统还包括采集模块，用于接收由所述太赫兹测量装置输出的经待测样品反射的太赫兹光，以使所述处理器根据接收到的太赫兹光对所述待测样品表面进行测量。
16.本技术提供的技术方案带来的有益效果是：
17.在上述技术方案中，通过在太赫兹测量装置中增设示踪激光模块和传感器模块，以在停止太赫兹测量时，由示踪激光模块发射示踪激光并传输至待测样品，形成激光测量区域，以供光学扫描模块按照参考扫描路径进行扫描，来实现待测样品表明的模型重建，进而通过待测样品表面的模型和传感器模块检测到的距离，形成修正后的参考扫描路径，供太赫兹测量时使用，从而实现高精度的任意曲面太赫兹测量。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对本技术实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
19.图1是根据本技术所涉及的太赫兹测量系统的示意图；
20.图2是根据本技术所涉及的太赫兹测量装置的示意图；
21.图3是根据一示例性实施例示出的太赫兹测量装置的示意图；
22.图4是根据一示例性实施例示出的发射模块和示踪激光模块的光路示意图；
23.图5是根据一示例性实施例示出的光束调理模块的示意图；
24.图6是根据一示例性实施例示出的快慢速双模式光谱扫描光路的示意图；
25.图7是根据一示例性实施例示出的太赫兹测量过程的流程示意图；
26.图8是根据一示例性实施例示出的太赫兹测量装置的测量方向的示意图；
27.图9是根据一示例性实施例示出的太赫兹时域光谱图像的示意图。
具体实施方式
28.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能解释为对本技术的限制。
29.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本技术的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
30.如前所述，为了提高针对曲面样品的太赫兹测量的精度，机器人被引入太赫兹测量，此机器人也可以理解为协作机器人。目前，机器人的编程方式包括两种：示教编程和离线编程。
31.相较于示教编程，离线编程针对复杂的测量任务可以进行复杂路径的规划，能获得更高精度的参考扫描路径。此外，利用离线编程仿真系统可以对测量任务进行模拟，以便实时地对生成的仿真路径进行修改及优化，使得参考扫描路径更加合理，而且仿真时不影响机器人工作，能够极大地提高机器人的运行效率。
32.因此，基于机器人的太赫兹测量方法普遍采用离线编程的“开环”控制方式。然而，模拟所得的参考扫描路径与针对待测样品进行太赫兹测量时形成的实际扫描路径往往会有所偏差，对于太赫兹测量精度的提升很有限。
33.由上可知，相关技术中仍存在难以实现高精度的太赫兹测量的缺陷。
34.为此，本技术提供的太赫兹测量装置，能够有效地提升扫描路径的精度，形成修正后的参考扫描路径，进而有效地提升任意曲面太赫兹测量的精度。
35.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施方式作进一步地详细描述。
36.请参阅图1，本技术实施例提供了一种太赫兹测量系统，该太赫兹测量系统包括太赫兹测量装置1、系统控制模块2和协作机器人模块3。
37.其中，系统控制模块2包括但不限于：处理器21、采集模块22、锁相放大器23、音圈电机(acs)24、偏置电压模块25。
38.协作机器人模块3包括但不限于：机械臂31及其控制器32。
39.在一个实施例中，太赫兹测量装置1安装在机械臂31一端，在处理器21控制机械臂31按照参考扫描路径移动时，太赫兹测量装置1跟随机械臂移动，以实现对待测样品的扫描成像。
40.对于系统控制模块2而言，便能够通过数据采集模块22接收由太赫兹测量装置1输出的经待测样品反射的太赫兹光，以使处理器21根据接收到的太赫兹光对待测样品表面进行测量。
41.也就是说，一方面，太赫兹测量系统提供太赫兹测量模式，具体地，频率可调的方波电压信号经偏置电压模块25放大后，接入发射模块11中光电导天线的电极，以形成太赫兹源的偏置电场，进而发射太赫兹光并传输至待测样品，最终将待测样品反射至接收模块12。同时，锁相放大器23对接收模块12输出的模拟信号(反射的太赫兹光经前置放大器183放大后形成太赫兹时域波形)进行滤波放大，使得数据采集卡22能够利用模数转换器对锁
相放大器23的输出信号进行采样，最终将采集到的信号输入处理器21以实现待测样品的太赫兹测量。
42.另一方面，太赫兹测量系统提供离线编程优化模式，具体地，通过太赫兹测量装置1中增设示踪激光模块14和传感器模块15，以在停止太赫兹测量时，由示踪激光模块14发射示踪激光并传输至待测样品，形成激光测量区域，以供光学扫描模块13按照参考扫描路径进行扫描，来实现待测样品表明的模型重建，进而通过待测样品表面的模型和传感器模块15检测到的距离，形成修正后的参考扫描路径，供太赫兹测量时使用。
43.值得一提的是，频率可调的方波电压信号由偏置电压模块25提供，电压为0～60v，占空比为50％，调制频率为10khz～100khz。此调制频率可根据应用场景的实际需要灵活地调整，以此有效地降低方波电压信号受低频电子串扰信号的影响，例如，调制频率为20khz。
44.请参阅图2，本技术实施例提供了一种太赫兹测量装置1，该装置1包括但不限于：本体10、安装在本体10顶部的发射模块11和接收模块12、安装在本体10第一侧部的光学扫描模块13、安装在本体10第二侧部的示踪激光模块14、以及安装在本体10底部的传感器模块15。其中，示踪激光模块14用于实现太赫兹光扫描路径的可视化，以便于辅助太赫兹测量；传感器模块15可以用于检测太赫兹测量装置1与待测样品表面的距离，还可以用于检测太赫兹测量装置1相对于待测样品表面法向量的方向。
45.在一实施例中，本体的第一侧部和第二侧部并非相对。例如，第一侧部可以是本体的左侧部或者右侧部，第二侧部则可以是本体的前侧部或者后侧部；或者，第一侧部可以是本体的前侧部或者后侧部，而第二侧部可以是本体的左侧部或者右侧部，此处并未加以限定。图3示出了太赫兹测量装置在一个实施例中的具体结构示意图，如图3所示，示踪激光模块的安装位位于本体的前侧部，光学扫描模块的安装位位于本体的左侧部。
46.回请参阅图2，本技术实施例提供了一种太赫兹测量装置1，该装置1还包括：安装在本体10底部的光束调理模块16，传感器模块15安装在光束调理模块16底部，用于对太赫兹光进行二次聚焦和调制，以收集传递倏逝波，减慢倏逝波衰减，进而实现亚波长太赫兹光束，有利于远场实现超分辨成像。图3示出了太赫兹测量装置在一个实施例中的具体结构示意图，如图2所示，光束调理模块位于本体与传感器模块之间。
47.在一实施例中，光束调理模块为一太赫兹透镜，太赫兹透镜的形状为半球形。
48.在一实施例中，太赫兹透镜的材料为聚甲基戊烯(tpx)，此材料在太赫兹透镜的折射率为1.45，透光率为90％～92％。
49.由此，一方面，通过光束调理模块集成在太赫兹测量装置中，既有利于示踪激光透过，又有利于太赫兹透镜产生的太赫兹波段喷射效应的亚波长太赫兹光束；另一方面，光束调理模块可拆卸连接于本体底部，有利于后期的升级更换，能够有效地提升安装效率。
50.请参阅图4，本技术实施例提供了一种太赫兹测量装置，在此太赫兹测量装置中，发射模块11包括但不限于：太赫兹发射器111、第一抛面镜112和第二抛面镜113。
51.如图4所示，发射模块11的光路包括：太赫兹光由太赫兹发射器111发射，经第一抛面镜112、第二抛面镜113传输至待测样品17。在一个实施例中，第一抛面镜112和第二抛面镜113为离轴抛物面镜，上下空间错位布设于本体中。
52.继续参阅图4，示踪激光模块14的光路包括：示踪激光透过第一抛面镜112的中心，使得示踪激光的中心与太赫兹光的中心共轴，并经第二抛面镜113传输至待测样品17。
53.由此，通过示踪激光的中心与太赫兹光的中心共轴，不仅有利于对机器人控制采用现场可校正误差的离线编程优化和坐标系修正，而且有利于实现可视化示踪手段能够直观地显示太赫兹光扫描路径，来辅助太赫兹测量。
54.请参阅图5，本技术实施例提供了一种太赫兹测量装置1，该装置1还包括：光谱光路模块18，通过光纤181分别与发射模块11和接收模块12相连，使得光谱光路模块18输出的太赫兹光分别传输至发射模块11和接收模块12。
55.在一个实施例中，光谱光路模块输出太赫兹光采用快慢速双模式光谱扫描光路。具体地，光谱光路模块包括但不限于：激光器和延迟线模块，此延迟线模块进一步包括：慢速延迟线和快速延迟线，以此形成了快慢速双模式光谱扫描光路。
56.在一个实施例中，如图6所示，快慢速双模式光谱扫描光路包括：激光器182产生的飞秒激光经单模光纤(fiber)传输至准直透镜c1(collimator)准直后，被偏振分束器bs(beam splitter)分成两束飞秒激光，其中一束飞秒激光经长光程的慢速延迟线经耦合器fc1(fiber couple)耦合至与发射模块11相连的光纤，另一束飞秒激光经短光程的快速延迟线经耦合器fc2耦合至与接收模块12相连的光纤。其中，在快慢速双模式光谱扫描光路中，光谱光路模块还包括：若干个反射镜(m1～m5)，用于用于在飞秒激光耦合至光纤之前的自由空间光路调节对准。
57.在一个实施例中，激光器的最大输出功率为110mw，单模光纤的直径为0.5m。
58.在一个实施例中，单模光纤为单模保偏光纤。
59.在一个实施例中，快速延迟线采用音圈电机驱动后向反射镜进行快速扫描的方式，扫描范围为20mm，相应的激光时延为130ps，扫描频率≥1hz。延迟位置由光栅尺反馈，精确度可达0.1μm。
60.在上述实施例的作用下，一方面，结合机器人和太赫兹测量装置，太赫兹测量系统适用于任意曲面的太赫兹无损检测；另一方面，结合示踪激光模块和传感器模块，对机器人控制采用现场可校正误差的离线编程优化和坐标系修正，并且实现了可视化示踪手段能够直观地显示太赫兹光扫描路径，来辅助太赫兹测量；又一方面，结合光束调理模块，实现远场的高分辨成像，最终实现高精度、高分辨、集成度高、紧凑型好、便捷安装的任意曲面的太赫兹测量系统。
61.现结合图7至图9、以及上述各实施例中的太赫兹测量系统，对太赫兹测量过程进行如下详细地说明：
62.如图7所示，太赫兹测量过程可以包括以下步骤：
63.步骤310，机器人预标定：
64.第一步，建立基于改进d-h参数的机器人模型。具体地，根据改进d-h参数进行机器人运动学建模，包括机器人的正向运动学和逆向运动学，确定机器人运动学参数。本技术各实施例所涉及的机器人的型号为aubo i5机器人，当然，在其他应用场景中，也可以采用其他型号的机器人，此处并非构成具体限定。
65.第二步，利用视觉测量系统对机器人运动学参数进行标定，确定标定后的机器人运动学参数，以根据标定后的机器人运动学参数获得机器人模型。具体地，标定包括但不限于：机器人基坐标系标定、连杆扭角标定。
66.第三步，工具坐标系标定。由于太赫兹测量装置的引入使得机器人工具坐标系发
生改变，由机器人末端(即机械臂连接太赫兹测量装置的一端)法兰中心平移到太赫兹测量装置焦点处。为此，需要重新对工具坐标系进行标定。具体地，利用视觉测量系统与探针，进行工具坐标系标定，得到机器人末端法兰中心坐标系与工具坐标系的转换矩阵，即为：
[0067][0068]
其中，t
tool
表示转换矩阵，toolx表示工具坐标系的x轴，tooly表示工具坐标系的y轴，toolz表示工具坐标系的z轴。
[0069]
那么，基于此转换矩阵，便可由机器人末端法兰中心坐标系转换得到太赫兹测量装置焦点处坐标系，以供后续太赫兹测量时使用。
[0070]
步骤330，机器人预离线编程：
[0071]
基于步骤310中的机器人模型和工具坐标系标定，利用离线编程软件建立虚拟的仿真空间，并使虚拟的仿真空间与待测样品所在的实际空间关于待测样品位置匹配。采取笛卡尔空间轨迹规划方式，规划机器人的运动路径。
[0072]
同时，结合插补点处的曲面法向，对为机器人规划的运动路径进行仿真，从而实现对激光测量区域的参考扫描路径规划及预离线编程，经后处理生成参考扫描路径的控制脚本。
[0073]
由此，基于虚拟的仿真空间，经第一次离线编程，得到参考扫描路径。
[0074]
步骤350，现场校准和离线编程二次优化：
[0075]
首先，关闭太赫兹测量功能，即停止发射模块发射太赫兹光，同时开启示踪激光，即控制示踪激光模块发射示踪激光，此示踪激光经光路传输至待测样品并形成激光测量区域。回请参阅图4所示，当光学扫描模块按照参考扫描路径对激光测量区域进行扫描时，传感器模块15和光学扫描模块随示踪激光的移动而移动，则传感器模块15、光学扫描模块与示踪激光出光处141相对固定，也理解为保持静止，从而使得光学扫描模块中的镜头始终对准激光测量区域，以此实现待测样品表面的模型重建。
[0076]
处理器通过待测样品表明的模型、以及传感器模型检测到的太赫兹测量装置与待测样品表面的距离，确定太赫兹测量装置与待测样品表面的距离与法向的实际偏差，以获得实际轨迹和参考扫描路径之间的偏差值，并利用偏差值修正参考扫描路径，以此实现扫描路径的精度提升，从而形成修正后的扫描路径。
[0077]
由此，基于待测样品所在的实际空间(现场)，经第二次离线编程，得到修正后的参考扫描路径。
[0078]
步骤370，太赫兹测量：
[0079]
开启太赫兹测量功能和示踪激光，即发射模块发射太赫兹光，此太赫兹光经光路传输至待测样品，并经待测样品反射传输至接收模块，同时，基于中心与太赫兹光的中心共轴的示踪激光，以便于直观地显示太赫兹光扫描路径。
[0080]
如图8所示，太赫兹光所经光路具体包括：太赫兹光经两个上下空间错位的离轴抛物面镜后从本体底部的开孔处射出，并经光束调理模块聚焦入射至待测样品表面(入射角度为30度)；太赫兹光在待测样品表面发生反射后，携带待测样品表面信息(例如纹理)的反
射太赫兹光从本体底部的开孔处进入太赫兹测量装置，同样经过两个离轴抛物面镜后入射至接收模块。
[0081]
在此说明的是，如图8所示，太赫兹测量装置的测量方向为发射模块发射太赫兹光的入射方向，并以此作为光学扫描模块的目标场的中心，从而保证扫描成像的准确性。
[0082]
根据修正后的扫描路径对待测样品进行太赫兹测量。具体地：
[0083]
第一步，太赫兹测量系统连续采集经机器臂控制器实时反馈的机械臂末端的路点信息，并结合前述转换矩阵，根据机械臂末端的路点信息得到太赫兹测量装置对应的三维空间坐标信息。
[0084]
第二步，结合太赫兹测量装置对应的三维空间坐标信息，针对每一个坐标信息，对源于接收模块的太赫兹时域波形进行基于时域或者频域的算法得到太赫兹成像参数。
[0085]
第三步，根据太赫兹成像参数重构待测样品表面的太赫兹时域光谱图像，如图9所示，并根据太赫兹时域光谱图像进行待测样品的太赫兹测量，得到待测样品的太赫兹测量结果。
[0086]
通过上述过程，将太赫兹测量装置和机器人结合，利用机器人作为太赫兹测量装置的载体，充分发挥了机器人高灵活性的优点，并对机器人分别进行了预标定、预离线编程、现场校准和离线编程二次优化等，不仅有效地提升了扫描路径的精度，而且实现了任意曲面样品的高精度“柔性”太赫兹无损检测，最终实现了基于机器人的太赫兹自适应测量系统。
[0087]
应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0088]
以上所述仅是本技术的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。