專利名稱：晶體生長過程實時顯示診斷裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光學診斷及圖象處理裝置，特別是涉及一種晶體生長過程實時顯示診斷裝置。
目前，溶液晶體生長方法是光電晶體，非線性晶體，蛋白質晶體等人工生長的主要方法之一。但是在這方面的工作，人們只知道晶體生長的初始條件即培養液的組分和培養環境，而不知道晶體在成核、亞穩態結構的形成和晶體生長速率與培養溶液濃度之間的關系等實際過程，而以最終長出晶體的優劣來評價總的工藝過程。隨著科學技術的進步，科學家們努力試圖改變這種“暗箱”式的研究方式，以揭示晶體生長過程中的諸多物理現象，如傳熱、傳質、熱質對流以及溶液濃度對晶體生長全過程的影響。例如在“用激光全息干涉術研究α-碘酸鋰晶體生長濃度分層現象”一文中(《中國科學》A輯第12期，1992年12月，第1300-1304頁)，作者應用全息干涉系統觀察了α-碘酸鋰在生長過程中的溶液濃度分層現象。他們所采用的光學診斷技術是以光導熱塑材料作為全息圖記錄材料的實時全息干涉裝置，用這種裝置只能得到宏觀的、定性的觀察結果，該診斷測試系統無法診斷到固(晶體)液(培養液)界面的細節對流(傳熱、傳質)現象。
又如Kuznetsov等人(《J.Crystal Growth》，166(1996)第913-918頁)用邁克爾遜干涉儀研究蛋白質與病毒晶體的生長速率，他們把晶體的一個生長面作為測量對象，即干涉儀的一束光射到這個面上，由該面反射回干涉儀系統而與參考光相干得到干涉圖象，再按不同時刻取到的干涉圖進行離面位移的計算，位移量Δs與時間間隔Δt之比就是生長速率。這和固體力學中用干涉計量測量位移量的原理是一樣的。顯然，在這個研究中，忽略了一個極重要的因素，即培養溶液的濃度對晶體生長的關系。邁克爾遜干涉儀這個系統無法測量固(晶體)液(培養溶液)界面附近的濃度分布與變化情況，無法建立起以傳熱傳質為基礎的晶體生長動力學關系。
本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，提供一種適用于晶體生長過程中諸多物理參數測量的光學顯示診斷顯示裝置，該裝置將流場顯示技術，相移干涉計量技術和現代圖象處理技術集成為一體，它不但可以測量晶體的生長速率，而且可進行宏觀與細觀并行的在線測量，測量晶體生長過程中的傳熱、傳質和固/液界面附近的對流、濃度分布與變化，以及成核與亞穩態結構的形成過程。本實用新型的目的不僅為揭示晶體生長機理，同時也為制定合理的生長工藝提供直接的實驗數據。
本實用新型的目的是這樣實現的本實用新型提供的晶體生長過程中的實時診斷顯示裝置，包括兩套干涉計量診斷儀，第一套干涉計量診斷儀為測試晶體生長速率的顯微邁克爾遜干涉儀，包括激光光源1、由激光光源1發射端起與激光光源1同光軸依次放置的空間濾波器2、分束鏡3、PZT全反鏡4以及與激光光源1光軸垂直且與分束鏡3同光軸依次放置的顯微物鏡6、過渡透鏡7和電荷耦合器件CCD 8，該套干涉計量診斷儀的所有零、部件位于同一平面內；第二套干涉計量診斷儀為流場顯示測量固液界面濃度界層的定量干涉計量裝置，包括激光光源10、由激光光源10發射端起與激光光源10同光軸依次放置的空間濾波器11、準直鏡12、半反鏡13、PZT全反鏡14；PZT全反鏡14和半反鏡15同光軸且與激光光源10光軸垂直；與PZT全反鏡14和半反鏡15的光軸垂直并依次同光軸放置物鏡16、半反鏡18和電荷耦合器件CCD 19；與PZT全反鏡14和半反鏡15的光軸平行且同光軸放置全反鏡18和半反鏡20；與半反鏡18、全反鏡20光軸垂直且依次同光軸放置場鏡21、顯微物鏡22、過渡透鏡23和電荷耦合器件CCD 24；放置在四維調節機構26工作面上的晶體生長池5位于分束鏡3的下方，全反鏡17與半反鏡15、CCD-c19同光軸且位于晶體生長池5的另一側，全反鏡17與半反鏡13同光軸；四維調節機構26由四維步進電機25驅動繞X、Y坐標軸軸向旋轉、平移；第二套干涉計量診斷儀的所有零、部件位于和第一套干涉計量診斷儀所在平面不同的同一平面內；電荷耦合器件CCD 8、CCD 19和CCD 24分別與計算機主機電連接。
本實用新型提供的晶體生長過程實時顯示診斷裝置，由兩套干涉計量診斷裝置組成，第一套干涉計量診斷裝置是測試晶體生長速率的顯微邁克爾遜干涉儀，它使用長工作距物鏡并采用He-Ne激光器作光源，其發射光經擴束空間濾波準直器射到分束鏡而分成兩束，其中一束直接射到PZT全反鏡再經原路反射回分束鏡進入顯微物鏡-過渡透鏡-電荷耦合器件(CCD 8)系統作為參考光束，另一束光經分束鏡反射到晶體池中的晶體某一生長面上，由PC計算機控制的步進電機精確調節載物臺，將由該晶體面上反射的光束精確調準進入顯微物鏡成象在CCD 8上，這是測量的物光束。兩束光(參考光與物光)在CCD 8靶面上形成干涉圖。用計算識別與驅動的方式對被測目標(物光反射面)進行捕捉與對中。捕捉到的干涉圖象由圖象處理系統進行分析處理、打印輸出。從中獲得離面位移與時間的關系。
第二套干涉計量裝置是流場顯示測量固液界面濃度邊界層的定量干涉計量裝置。它對透明相位物體(即晶體培養溶液的濃度)進行定量計量。它用另一He-Ne激光器作為光源，經空間濾波使準直擴束后，再經半反射鏡、PZT全反射鏡、另一半反射鏡形成參考光束，由半反射鏡反射的那束光，經全反射鏡、晶體池再到半反射鏡形成物光束，這兩束光干涉。相干光束透過半反鏡的信息由CCD 19成象顯示全場信息。為了將固液界面邊界層顯示得足夠清晰，由半反鏡反射的相干光束經全反射到場鏡進入顯微物鏡，再經過渡透鏡進入CCD 24，形成顯微干涉圖(即固液界邊濃度邊界層，大約50μm厚度)，對晶體界面流場進行定量的干涉計量，并由圖象處理系統未完成數據處理和分析計算。CCD 19和CCD 24分別與圖象處理器相連，視頻磁帶錄相機、打印機連接在計算機上。
為了提高干涉計量的測量精度，在上述兩套干涉部分中均采用任意步長相移干涉計量技術。
本實用新型的優點本實用新型由于采用上述方案，不僅可以測量晶體的生長速率，而且可以對晶體生長過程中的傳熱、傳質、熱質對流進行宏觀到細觀、甚至微觀的在線測量。同時，以高的測量精度(達λ/100)獲得晶體生長速率與晶體界面(50μm內)溶液濃度間的動態曲線，建立起晶體生長過程的動力學關系，達到定量地分析晶體生長機理過程。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步詳細說明。
圖1是本實用新型的結構示意圖。
圖面說明He-Ne激光器1空間濾波器2分束鏡3PZT全反鏡4 晶體生長池5顯微物鏡6過渡透鏡7 電荷耦合器件CCD8 步進電機9He-Ne激光器10 空間濾波器11 準直鏡12半反鏡13PZT全反鏡14半反鏡15
物鏡16 全反鏡17半反鏡18電荷耦合器件CCD 19 全反鏡20場鏡21顯微物鏡22 過濾透鏡23 電荷耦合器件CCD 24步進電機25 四維調節機構26 計算機圖象處理器27視頻磁帶錄相機28打印機29實施例1按圖1所示的本實用新型結構示意圖制做，用He-Ne激光器1做光源，發射出的激光束經過濾波器2射到分束鏡3上分為兩束光一束光射入晶體培養生長池5，它是安裝在通常的四維步進電機驅動調節機構26上的，調節調節機構26使晶體生長面上反射的光束沿原光軸返回分束鏡3，其透射光進入由顯微物鏡6和過渡透鏡7組成的長工作距顯微鏡成象在通常的CCD 8上，作為物光；另一束透過分束鏡3的光射到PZT全反鏡4上反射回分束鏡3后，經45°反射，同樣進入由6和7組成的長工作距顯微鏡成象在CCD 8上，作為參考光。兩束光在8的靶面上形成干涉圖象，輸入計算機圖象處理器27進行處理，得到晶體生長速率數據及圖形，顯示在監視器上，并可通過視頻磁帶錄象機28和打印機29輸出。
用與晶體的結晶成核與相變過程的另一套干涉儀由He-Ne激光器10做光源，其發射出的激光束經空間濾波器11和準直鏡12到達半反鏡13而分為兩束，其反射光經全反鏡17進入晶體生長池5，由晶體生長池5透射出的光作為物光通過半反鏡15，物鏡16和半反鏡18將晶體生長池5被深測的全場成象在CCD 19上。與其對應的參考光束是由透過半反鏡13的光，經PZT全反鏡14，由半反鏡15反射，通過物鏡16和光反鏡18成象在CCD 19上，與物光產生干涉圖象，輸入計算機圖象處理系器27。
由半反鏡18反射的另一部分相干光束(物光與參考光)經全反鏡20，及由場鏡21，顯微物鏡22，過渡透鏡23組成的長工作距顯微成象系統將流場放大十倍成象在CCD 24上產生一個放大的干涉圖象，顯示晶體固液界面的濃度分布場。
上述三套干涉圖象同時在線顯示。
權利要求1.一種晶體生長過程中的實時診斷顯示裝置，由干涉計量診斷儀，其特征在于干涉計量診斷儀為兩套，第一套干涉計量診斷儀為測試晶體生長速率的顯微邁克爾遜干涉儀，包括激光光源1、由激光光源1發射端起與激光光源1同光軸依次放置的空間濾波器2、分束鏡3、PZT全反鏡4以及與激光光源1光軸垂直且與分束鏡3同光軸依次放置的顯微物鏡6、過渡透鏡7和電荷耦合器件CCD 8，該套干涉計量診斷儀的所有零、部件位于同一平面內；第二套干涉計量診斷儀為流場顯示測量固液界面濃度界層的定量干涉計量裝置，包括激光光源10、由激光光源10發射端起與激光光源10同光軸依次放置的空間濾波器11、準直鏡12、半反鏡13、PZT全反鏡14；PZT全反鏡14和半反鏡15同光軸且與激光光源10光軸垂直；與PZT全反鏡14和半反鏡15的光軸垂直并依次同光軸放置物鏡16、半反鏡18和電荷耦合器件CCD 19；與PZT全反鏡14和半反鏡15的光軸平行且同光軸放置全反鏡18和半反鏡20；與半反鏡18、全反鏡20光軸垂直且依次同光軸放置場鏡21、顯微物鏡22、過渡透鏡23和電荷耦合器件CCD 24；放置在四維調節機構26工作面上的晶體生長池5位于分束鏡3的下方，全反鏡17與半反鏡15、CCD 19同光軸且位于晶體生長池5的另一側，全反鏡17與半反鏡13同光軸；四維調節機構26由四維步進電機25驅動繞X、Y坐標軸軸向旋轉、平移；第二套干涉計量診斷儀的所有零、部件位于和第一套干涉計量診斷儀所在平面不同的同一平面內；電荷耦合器件CCD 8、CCD 19和CCD 24分別與計算機主機電連接。
專利摘要本實用新型涉及一種晶體生長過程實時顯示診斷裝置。該裝置由測試晶體生長速率的顯微邁克爾遜干涉儀和流場顯示測量固液界面濃度邊界層的定量干涉計量部分組成,使用長工作距物鏡和He－Ne激光器作光源,包括空間濾波器、分束鏡、PZT全反鏡、顯微物鏡、過渡透鏡、電荷耦合器件;顯微物鏡成象在CCD上,載物臺由PC計算機控制的步進電機調節;參考光與物光在CCD的靶面上形成干涉圖輸送給圖象處理系統進行分析處理、打印輸出。
文檔編號C30B7/00GK2380579SQ99211219
公開日2000年5月31日 申請日期1999年5月25日 優先權日1999年5月25日
發明者束繼祖, 郝沛明, 陳吉祥, 羅睿智, 段俐, 康琦, 伍小平, 繆泓 申請人:中國科學院力學研究所