專利名稱：晶體生長(zhǎng)過程實(shí)時(shí)顯示診斷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種光學(xué)診斷及圖象處理裝置，特別是涉及一種晶體生長(zhǎng)過程實(shí)時(shí)顯示診斷裝置。
目前，溶液晶體生長(zhǎng)方法是光電晶體，非線性晶體，蛋白質(zhì)晶體等人工生長(zhǎng)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(zhǎng)的初始條件即培養(yǎng)液的組分和培養(yǎng)環(huán)境，而不知道晶體在成核、亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的形成和晶體生長(zhǎng)速率與培養(yǎng)溶液濃度之間的關(guān)系等實(shí)際過程，而以最終長(zhǎng)出晶體的優(yōu)劣來(lái)評(píng)價(jià)總的工藝過程。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)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(zhǎng)過程中的諸多物理現(xiàn)象，如傳熱、傳質(zhì)、熱質(zhì)對(duì)流以及溶液濃度對(duì)晶體生長(zhǎng)全過程的影響。例如在“用激光全息干涉術(shù)研究α-碘酸鋰晶體生長(zhǎng)濃度分層現(xiàn)象”一文中(《中國(guó)科學(xué)》A輯第12期，1992年12月，第1300-1304頁(yè))，作者應(yīng)用全息干涉系統(tǒng)觀察了α-碘酸鋰在生長(zhǎng)過程中的溶液濃度分層現(xiàn)象。他們所采用的光學(xué)診斷技術(shù)是以光導(dǎo)熱塑材料作為全息圖記錄材料的實(shí)時(shí)全息干涉裝置，用這種裝置只能得到宏觀的、定性的觀察結(jié)果，該診斷測(cè)試系統(tǒng)無(wú)法診斷到固(晶體)液(培養(yǎng)液)界面的細(xì)節(jié)對(duì)流(傳熱、傳質(zhì))現(xiàn)象。
又如Kuznetsov等人(《J.Crystal Growth》，166(1996)第913-918頁(yè))用邁克爾遜干涉儀研究蛋白質(zhì)與病毒晶體的生長(zhǎng)速率，他們把晶體的一個(gè)生長(zhǎng)面作為測(cè)量對(duì)象，即干涉儀的一束光射到這個(gè)面上，由該面反射回干涉儀系統(tǒng)而與參考光相干得到干涉圖象，再按不同時(shí)刻取到的干涉圖進(jìn)行離面位移的計(jì)算，位移量Δs與時(shí)間間隔Δt之比就是生長(zhǎng)速率。這和固體力學(xué)中用干涉計(jì)量測(cè)量位移量的原理是一樣的。顯然，在這個(gè)研究中，忽略了一個(gè)極重要的因素，即培養(yǎng)溶液的濃度對(duì)晶體生長(zhǎng)的關(guān)系。邁克爾遜干涉儀這個(gè)系統(tǒng)無(wú)法測(cè)量固(晶體)液(培養(yǎng)溶液)界面附近的濃度分布與變化情況，無(wú)法建立起以傳熱傳質(zhì)為基礎(chǔ)的晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)關(guān)系。
本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于晶體生長(zhǎng)過程中諸多物理參數(shù)測(cè)量的光學(xué)顯示診斷顯示裝置，該裝置將流場(chǎng)顯示技術(shù)，相移干涉計(jì)量技術(shù)和現(xiàn)代圖象處理技術(shù)集成為一體，它不但可以測(cè)量晶體的生長(zhǎng)速率，而且可進(jìn)行宏觀與細(xì)觀并行的在線測(cè)量，測(cè)量晶體生長(zhǎng)過程中的傳熱、傳質(zhì)和固/液界面附近的對(duì)流、濃度分布與變化，以及成核與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的形成過程。本實(shí)用新型的目的不僅為揭示晶體生長(zhǎng)機(jī)理，同時(shí)也為制定合理的生長(zhǎng)工藝提供直接的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型提供的晶體生長(zhǎng)過程中的實(shí)時(shí)診斷顯示裝置，包括兩套干涉計(jì)量診斷儀，第一套干涉計(jì)量診斷儀為測(cè)試晶體生長(zhǎng)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(fā)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(jì)量診斷儀的所有零、部件位于同一平面內(nèi)；第二套干涉計(jì)量診斷儀為流場(chǎng)顯示測(cè)量固液界面濃度界層的定量干涉計(jì)量裝置，包括激光光源10、由激光光源10發(fā)射端起與激光光源10同光軸依次放置的空間濾波器11、準(zhǔn)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(chǎng)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)26工作面上的晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)池5的另一側(cè)，全反鏡17與半反鏡13同光軸；四維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)26由四維步進(jìn)電機(jī)25驅(qū)動(dòng)繞X、Y坐標(biāo)軸軸向旋轉(zhuǎn)、平移；第二套干涉計(jì)量診斷儀的所有零、部件位于和第一套干涉計(jì)量診斷儀所在平面不同的同一平面內(nèi)；電荷耦合器件CCD 8、CCD 19和CCD 24分別與計(jì)算機(jī)主機(jī)電連接。
本實(shí)用新型提供的晶體生長(zhǎng)過程實(shí)時(shí)顯示診斷裝置，由兩套干涉計(jì)量診斷裝置組成，第一套干涉計(jì)量診斷裝置是測(cè)試晶體生長(zhǎng)速率的顯微邁克爾遜干涉儀，它使用長(zhǎng)工作距物鏡并采用He-Ne激光器作光源，其發(fā)射光經(jīng)擴(kuò)束空間濾波準(zhǔn)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(jīng)原路反射回分束鏡進(jìn)入顯微物鏡-過渡透鏡-電荷耦合器件(CCD 8)系統(tǒng)作為參考光束，另一束光經(jīng)分束鏡反射到晶體池中的晶體某一生長(zhǎng)面上，由PC計(jì)算機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)精確調(diào)節(jié)載物臺(tái)，將由該晶體面上反射的光束精確調(diào)準(zhǔn)進(jìn)入顯微物鏡成象在CCD 8上，這是測(cè)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(jì)算識(shí)別與驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)被測(cè)目標(biāo)(物光反射面)進(jìn)行捕捉與對(duì)中。捕捉到的干涉圖象由圖象處理系統(tǒng)進(jìn)行分析處理、打印輸出。從中獲得離面位移與時(shí)間的關(guān)系。
第二套干涉計(jì)量裝置是流場(chǎng)顯示測(cè)量固液界面濃度邊界層的定量干涉計(jì)量裝置。它對(duì)透明相位物體(即晶體培養(yǎng)溶液的濃度)進(jìn)行定量計(jì)量。它用另一He-Ne激光器作為光源，經(jīng)空間濾波使準(zhǔn)直擴(kuò)束后，再經(jīng)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(jīng)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(chǎng)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(jīng)全反射到場(chǎng)鏡進(jìn)入顯微物鏡，再經(jīng)過渡透鏡進(jìn)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(duì)晶體界面流場(chǎng)進(jìn)行定量的干涉計(jì)量，并由圖象處理系統(tǒng)未完成數(shù)據(jù)處理和分析計(jì)算。CCD 19和CCD 24分別與圖象處理器相連，視頻磁帶錄相機(jī)、打印機(jī)連接在計(jì)算機(jī)上。
為了提高干涉計(jì)量的測(cè)量精度，在上述兩套干涉部分中均采用任意步長(zhǎng)相移干涉計(jì)量技術(shù)。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)本實(shí)用新型由于采用上述方案，不僅可以測(cè)量晶體的生長(zhǎng)速率，而且可以對(duì)晶體生長(zhǎng)過程中的傳熱、傳質(zhì)、熱質(zhì)對(duì)流進(jìn)行宏觀到細(xì)觀、甚至微觀的在線測(cè)量。同時(shí)，以高的測(cè)量精度(達(dá)λ/100)獲得晶體生長(zhǎng)速率與晶體界面(50μm內(nèi))溶液濃度間的動(dòng)態(tài)曲線，建立起晶體生長(zhǎng)過程的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，達(dá)到定量地分析晶體生長(zhǎng)機(jī)理過程。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明。


圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)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(zhǎng)池5顯微物鏡6過渡透鏡7 電荷耦合器件CCD8 步進(jìn)電機(jī)9He-Ne激光器10 空間濾波器11 準(zhǔn)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(chǎng)鏡21顯微物鏡22 過濾透鏡23 電荷耦合器件CCD 24步進(jìn)電機(jī)25 四維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)26 計(jì)算機(jī)圖象處理器27視頻磁帶錄相機(jī)28打印機(jī)29實(shí)施例1按圖1所示的本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖制做，用He-Ne激光器1做光源，發(fā)射出的激光束經(jīng)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(yǎng)生長(zhǎng)池5，它是安裝在通常的四維步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)26上的，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)26使晶體生長(zhǎng)面上反射的光束沿原光軸返回分束鏡3，其透射光進(jìn)入由顯微物鏡6和過渡透鏡7組成的長(zhǎng)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(jīng)45°反射，同樣進(jìn)入由6和7組成的長(zhǎng)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(jì)算機(jī)圖象處理器27進(jìn)行處理，得到晶體生長(zhǎng)速率數(shù)據(jù)及圖形，顯示在監(jiān)視器上，并可通過視頻磁帶錄象機(jī)28和打印機(jī)29輸出。
用與晶體的結(jié)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(fā)射出的激光束經(jīng)空間濾波器11和準(zhǔn)直鏡12到達(dá)半反鏡13而分為兩束，其反射光經(jīng)全反鏡17進(jìn)入晶體生長(zhǎng)池5，由晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)池5被深測(cè)的全場(chǎng)成象在CCD 19上。與其對(duì)應(yīng)的參考光束是由透過半反鏡13的光，經(jīng)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(chǎn)生干涉圖象，輸入計(jì)算機(jī)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(jīng)全反鏡20，及由場(chǎng)鏡21，顯微物鏡22，過渡透鏡23組成的長(zhǎng)工作距顯微成象系統(tǒng)將流場(chǎng)放大十倍成象在CCD 24上產(chǎn)生一個(gè)放大的干涉圖象，顯示晶體固液界面的濃度分布場(chǎng)。
上述三套干涉圖象同時(shí)在線顯示。
權(quán)利要求1.一種晶體生長(zhǎng)過程中的實(shí)時(shí)診斷顯示裝置，由干涉計(jì)量診斷儀，其特征在于干涉計(jì)量診斷儀為兩套，第一套干涉計(jì)量診斷儀為測(cè)試晶體生長(zhǎng)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(fā)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(jì)量診斷儀的所有零、部件位于同一平面內(nèi)；第二套干涉計(jì)量診斷儀為流場(chǎng)顯示測(cè)量固液界面濃度界層的定量干涉計(jì)量裝置，包括激光光源10、由激光光源10發(fā)射端起與激光光源10同光軸依次放置的空間濾波器11、準(zhǔn)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(chǎng)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)26工作面上的晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)池5的另一側(cè)，全反鏡17與半反鏡13同光軸；四維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)26由四維步進(jìn)電機(jī)25驅(qū)動(dòng)繞X、Y坐標(biāo)軸軸向旋轉(zhuǎn)、平移；第二套干涉計(jì)量診斷儀的所有零、部件位于和第一套干涉計(jì)量診斷儀所在平面不同的同一平面內(nèi)；電荷耦合器件CCD 8、CCD 19和CCD 24分別與計(jì)算機(jī)主機(jī)電連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種晶體生長(zhǎng)過程實(shí)時(shí)顯示診斷裝置。該裝置由測(cè)試晶體生長(zhǎng)速率的顯微邁克爾遜干涉儀和流場(chǎng)顯示測(cè)量固液界面濃度邊界層的定量干涉計(jì)量部分組成,使用長(zhǎng)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(tái)由PC計(jì)算機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié);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(tǒng)進(jìn)行分析處理、打印輸出。
文檔編號(hào)C30B7/00GK2380579SQ99211219
公開日2000年5月31日 申請(qǐng)日期1999年5月25日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月25日
發(fā)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(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所