CN102721664A - 一种多光束激光诱导红外辐射成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多光束激光诱导红外辐射成像装置及方法，多光束激光诱导红外辐射成像装置包括依次设置的激光器、衍射分光装置、激光光束调制装置、激光聚焦透镜、红外辐射波收集装置、红外滤光装置和红外探测器。本发明利用单红外探测器直接获得二维的光热红外辐射图像，成像速度较传统的逐点扫描成像方法大大提高，而且这种成像装置也不需要像传统的二维成像技术那样采用红外照相机，这也降低了系统的复杂程度，节约了成本。
Description
技术领域
本发明涉及多光束激光诱导红外辐射成像领域，具体是一种利用衍射分光装置分光的红外辐射成像装置及方法。
背景技术
光热辐射测量（Photothermal radiometry）技术是测量样品在激光照射下产生的红外辐射波的一种无损检测技术。光热辐射技术的基本原理是：一束经过调制的激光束入射到样品的表面，样品吸收激光束的能量后会引起局部温度变化，从而引起样品的红外热辐射的变化。因激光照射而引起的红外热辐射与样品的吸收系数、热扩散系数等物质特性有关，通过测量激光照射引起的红外热辐射信号，可以获得样品的吸收系数、热扩散系数等物质特性。
基于光热辐射测量技术的成像技术在无损检测、医疗诊断等领域获得了广泛的应用，包括对各种复合材料缺陷的检测、表征、损伤与评估，半导体缺陷的测量，牙齿缺陷成像和早期癌症检测等。现有的激光诱导的光热辐射测量技术可分为两大类。第一类是利用单点探测器，通过逐点扫描来进行显微成像，从而获得样品的二维图像。该方法的优点是每一点都利用锁相技术检测，信噪比好，检测灵敏度高，成像的分辨率决定于激发激光光斑， 可以做到较高；缺点是需要逐点扫描，耗费大量时间，成像速度慢。第二类是利用红外探测器阵列（例如红外相机等），直接获得样品的二维图像。该方法的优点是成像速度快；缺点是成像分辨率取决于红外探测器阵列及其相关红外成像系统，与逐点扫描方法相比，分辨率较低，灵敏度也较低，并且红外相机价格昂贵，体积大，不易集成。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种利用衍射分光装置分光的红外辐射成像装置及方法，解决现有的采用单红外探测器的逐点扫描光热辐射成像中耗时过长的问题，也可以克服红外照相机价格昂贵、体积大、不易集成，以及分辨率和灵敏度较低的问题。
本发明的技术方案为：
一种多光束激光诱导红外辐射成像装置，包括激光器和探测器，所述的探测器选用红外探测器，从所述的激光器和红外探测器之间依次设置有衍射分光装置、激光光束调制装置、激光聚焦透镜、红外辐射波收集装置和红外滤光装置。
所述的衍射分光装置选用分光光栅。
所述的红外辐射波收集装置选用红外透镜或者金属抛面镜。
一种多光束激光诱导红外辐射成像方法，包括以下步骤：首先将待测样品置于激光聚焦透镜和红外辐射波收集装置之间，然后激光器发出的激光光束经过衍射分光装置被分成多束呈阵列分布的光束组，光束组经过激光光束调制装置后受到调制，并且每一束光束的调制频率各不相同，调制后的激光束组经由激光聚焦透镜后照射到待测样品，每一束激光都产生相应的红外辐射，由待测样品的红外辐射信号由红外辐射收集装置收集会聚，并经过红外辐射滤波装置后进入红外探测器；红外探测器获得的红外辐射信号含有不同调制频率下的激光束诱导红外辐射信号，分别代表来自样品上不同激光束所对应的区域的信号，这些信号通过后续数据处理，得到样品表面的二维激光诱导红外辐射图像。
所述的每一束激光都产生相应的红外辐射，样品前表面反射的红外辐射信号由红外辐射收集装置收集会聚，并经过红外辐射滤波装置后进入红外探测器获得待测样品的二维图像。
所述的每一束激光都产生相应的红外辐射，经样品后表面出射的红外辐射信号由红外辐射收集装置收集会聚，并经过红外辐射滤波装置后进入红外探测器获得待测样品的二维图像。
所述的红外探测器与多个模拟-数字转换电路或锁相放大器进行并行测量，可进一步节省测量时间，提高成像速度。
本发明的设计原理为：
根据光路可逆原理，在成像系统中，用光源阵列代替探测阵列，用点探测器代替点光源，即光源阵列上的每一个点相当于一个像素，对应成像物体上的每一个点；经过成像物体的载波通过聚焦透镜会聚到点探测器上，只要光源阵列上每一个点源发出的信号是可分辨的，这样用单个探测器就能够同时获得每一个点源发出的信号的信息，从而获得物体的二维图像信息。
本发明的优点：
本发明利用单红外探测器直接获得二维的光热红外辐射图像，成像速度较传统的逐点扫描成像方法大大提高。用一台激光器发出的激光通过衍射分光装置分成10X10的光束组，相对激发产生10X10的红外辐射波束组，这样成像速度理论上可提高100倍。而且这种成像装置也不需要像传统的二维成像技术那样采用红外照相机，这也降低了系统的复杂程度，节约了成本。
附图说明
图1是本发明实施例1中多光束激光诱导红外辐射反射式成像装置的应用结构示意图。
图2是本发明实施例2中多光束激光诱导红外辐射透射式成像装置的应用结构示意图。
具体实施方式
实施例1
见图1，一种多光束激光诱导红外辐射反射式成像装置，包括依次设置的激光器1、衍射分光装置2、激光光束调制装置3、激光聚焦透镜4、红外辐射波收集装置5、红外滤光装置6和红外探测器7；衍射分光装置2选用分光光栅；红外辐射波收集装置5选用红外透镜或者金属抛面镜；见图1，一种多光束激光诱导红外辐射成像方法，包括以下步骤：首先将待测样品8置于激光聚焦透镜4和红外辐射波收集装置5之间，然后激光器1发出的激光光束经过衍射分光装置2被分成多束呈阵列分布的光束组，光束组经过激光光束调制装置3后受到调制，并且每一束光束的调制频率各不相同，调制后的激光束组经由激光聚焦透镜4后照射到待测样品8，每一束激光都产生相应的红外辐射，由待测样品8前表面反射的红外辐射信号由红外辐射收集装置5收集会聚，并经过红外辐射滤波装置6后进入红外探测器7。红外探测器7的输出信号利用锁相检测技术探测，此时，以与某一激光束的调制频率相同的交流信号作为锁相检测的参考信号，这样只有该光束激发产生的红外辐射信号能够被锁相放大器测出，其它激光束激发的信号都被滤掉，然后依次改变参考信号的频率，就可以获得对应的激光束激发产生的信号，最后再根据激光束的编号以及对应测得的信号，就可以获得空间不透光样品的二维图像。在实际应用中可以利用多个模拟-数字转换电路或者多通道锁相放大器进行并行测量，以节省依次改变参考信号频率进行测量的时间，进一步提高成像速度。该成像方法的空间分辨率主要由样品表面激发光的光斑大小决定。
本实施例是利用在物体前表面辐射的红外信号来对物体进行成像。本实施例可用于固体材料的缺陷检测，固体材料的缺陷检测包括但不局限于半导体材料的缺陷检测和复合材料的缺陷检测。也可用于材料的物理特性的测定，物理特性包括但不局限于吸收系数、热传导系数、显微硬度以及层状结构参数等。本实例还可用于医疗诊断，包括但不局限于牙齿缺陷检测和早期癌症诊断等。
实施例2
见图2，一种多光束激光诱导红外辐射透射式成像装置，包括依次设置的激光器1、衍射分光装置2、激光光束调制装置3、激光聚焦透镜4、红外辐射波收集装置5、红外滤光装置6和红外探测器7；衍射分光装置2选用分光光栅；红外辐射波收集装置5选用红外透镜或者金属抛面镜；见图2，一种多光束激光诱导红外辐射成像方法，包括以下步骤：首先将待测样品8置于激光聚焦透镜4和红外辐射波收集装置5之间，然后激光器1发出的激光光束经过衍射分光装置2被分成多束呈阵列分布的光束组，光束组经过激光光束调制装置3后受到调制，并且每一束光束的调制频率各不相同，调制后的激光束组经由激光聚焦透镜4后照射到待测样品8，每一束激光都产生相应的红外辐射，经过待测样品8后表面出射的红外辐射信号由红外辐射收集装置5收集会聚，并经过红外辐射滤波装置6后进入红外探测器7。红外探测器7的输出信号利用锁相检测技术探测，具体探测过程同实施例1。
Claims (6)
1.一种多光束激光诱导红外辐射成像装置，包括激光器和探测器，其特征在于：所述的探测器选用红外探测器，从所述的激光器和红外探测器之间依次设置有衍射分光装置、激光光束调制装置、激光聚焦透镜、红外辐射波收集装置和红外滤光装置。
2.根据权利要求1所述的一种多光束激光诱导红外辐射成像装置，其特征在于：所述的衍射分光装置选用分光光栅。
3.根据权利要求1所述的一种多光束激光诱导红外辐射成像装置，其特征在于：所述的红外辐射波收集装置选用红外透镜或者金属抛面镜。
4.一种多光束激光诱导红外辐射成像方法，其特征在于：包括以下步骤：首先将待测样品置于激光聚焦透镜和红外辐射波收集装置之间，然后激光器发出的激光光束经过衍射分光装置被分成多束呈阵列分布的光束组，光束组经过激光光束调制装置后受到调制，并且每一束光束的调制频率各不相同，调制后的激光束组经由激光聚焦透镜后照射到待测样品，每一束激光都产生相应的红外辐射，由待测样品的红外辐射信号由红外辐射收集装置收集会聚，并经过红外辐射滤波装置后进入红外探测器；红外探测器获得的红外辐射信号含有不同调制频率下的激光束诱导红外辐射信号，分别代表来自样品上不同激光束所对应的区域的信号，这些信号通过后续数据处理，得到样品表面的二维激光诱导红外辐射图像。
5.根据权利要求4所述的一种多光束激光诱导红外辐射成像方法，其特征在于：所述的每一束激光都产生相应的红外辐射，样品前表面反射的红外辐射信号由红外辐射收集装置收集会聚，并经过红外辐射滤波装置后进入红外探测器获得待测样品的二维图像。
6.根据权利要求4所述的一种多光束激光诱导红外辐射成像方法，其特征在于：所述的每一束激光都产生相应的红外辐射，经样品后表面出射的红外辐射信号由红外辐射收集装置收集会聚，并经过红外辐射滤波装置后进入红外探测器获得待测样品的二维图像。
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