CN103175617B - 一种用于人工晶体生长的高温三维温场测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于人工晶体生长的高温三维温场测量系统，包括辐射遮挡板及依次相连的望远单元、共焦单元、成像单元、分光装置、光电探测器、信号放大装置、模数转换器、计算机及自动控制器，所述分光装置包括依次连接的分光滤光片和分光控制系统，其中分光滤光片为多组高信噪比单波长分光滤光片或波长渐变滤光片。采用本发明所述的高温三维温场测量系统，实现了非接触高温温度测量，能够精确无干扰地直接测量在高温下晶体熔融物的三维温度分布，为晶体生长炉加热元件，加热元件分布和温场的设计提供了实际数据；为人工晶体生长温度控制提供了基础；为人工晶体生长的成功率和良品率提供了工具。

Description

一种用于人工晶体生长的高温三维温场测量系统
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体是涉及一种用于人工晶体生长的高温三维温场测量系统，可用于高精度的高温温度检测和校准。
背景技术
目前，用于人工晶体生长中高温温场的测量一般是用单点和两点红外测量法。该方法是通过测量放入热场中的热辐射体的温度来估计热场的大致温度，采用这种测量方法的不足之处是：（1）只能间接测量热场中自由空间某点的温度，不能直接测量热场中该点的实际温度；（2）不能直接测量晶体熔融物的温度和晶体熔融物三维温度的分布；（3）由于这种方法属于间接测量法，而且测量的波段是热辐射体的长波部分的单点或者两点波长，因此测量温度的准确度不高；（4）由于人工晶体的生长过程的温度和温场是通过计算和估计，使得人工晶体的生长良率不高。
同时现有的高温温场测量方式大都是采用接触式，由于没有直接测量高温温场的方法，因此晶体生长炉中加热元件的设计和分布都是靠经验和计算，使得热场设计和实际温度分布存在很大的不确定性。因此如何研制一种用于高温三维温场的测量系统，用于高精度的高温温度检测，是目前光电技术领域亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种用于人工晶体生长的高温三维温场测量系统。
本发明是通过如下技术方案予以实现的。
一种用于人工晶体生长的高温三维温场测量系统，包括辐射遮挡板及依次相连的望远单元、共焦单元、成像单元、分光装置、光电探测器、信号放大装置、模数转换器、计算机及自动控制器。
所述分光装置包括依次连接的分光滤光片和分光控制系统。
根据不同的人工晶体的熔融温度，所述光电探测器为硅探测器，PbS探测器或InGaAs探测器。所采用的光电探测器为大面积类型，以提高信噪比，并使温度测量精度可以得到改善。
所述信号放大装置包括依次连接的对数放大器和运算放大器。
所述分光滤光片为多组高信噪比单波长分光滤光片或波长渐变滤光片。而不是和光栅的输出被直接附着到一个光检测器阵列，或者红外CCD。因为该类滤光片能阻挡除需要采集的指定波长外的所有本发明采用的光电探测器响应的光谱信号。
所述望远单元上设置有物镜和聚集镜。
本发明的技术效果是：
与现有技术相比，本发明通过共焦单元在成像面获得人工晶体熔融物在高温温度热场中单点的辐射像。人工晶体熔融物在高温温度热场中单点的辐射经过望远单元、共焦单元、成像单元及分光装置成像于探测器表面，经信号放大，采集和转换后进入电脑然后经过数据分析和处理得到高温三维温场的准确温度信息。本发明实现了非接触高温温度测量，通过共焦单元测量人工晶体熔融物中晶体生长方向任意点的温度高温测量，利用手动或自动共焦单元实现对高温温场的三维测量，同时利用独特分光技术实现了高信噪比多光谱探测。
本发明由于分光装置所采用的分光滤光片为独立设计的多组高信噪比单波长分光滤光片或波长渐变滤光片。从而较好底阻挡除需要采集的指定波长外的所有探测器响应的光谱信号。由于采用的探测器为大面积类型，提高了信噪比，使温度测量精度可以得到改善。
采用本发明所述的高温三维温场测量系统，实现了非接触高温温度测量，能够精确无干扰地直接测量在高温下晶体熔融物的三维温度分布，为晶体生长炉加热元件，加热元件分布和温场的设计提供了实际数据；为人工晶体生长过程提供了准确的实时高温三维温场测度分布；为人工晶体生长温度控制提供了基础；为人工晶体生长的成功率和良品率提供了工具。
附图说明
图1为本发明结构框图；
图2为本实施例工作示意图。
图中：1-晶体生长炉，2-晶体原材料，3-坩埚，4-目标点，5-辐射遮挡扳，6-望远单元，7-物镜，8-聚集镜，9-共焦单元，10-成像单元，11-分光滤光片，12-分光控制系统，13-光电探测器，14-对数放大器，15-运算放大器，16-模数转换器，17-计算机，18-显示软件，19-控制信号，20-自动控制器，21-外围设备。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1、图2所示，一种用于人工晶体生长的高温三维温场测量系统，包括辐射遮挡板5及依次相连的望远单元6、共焦单元9、成像单元10、分光装置、光电探测器13、信号放大装置、模数转换器16、计算机17及自动控制器20。
所述分光装置包括依次连接的分光滤光片11和分光控制系统12。其中分光滤光片11为多组高信噪比单波长分光滤光片或波长渐变滤光片，因为该类滤光片能阻挡除需要采集的指定波长外的所有本发明采用的光电探测器响应的光谱信号。
根据不同的人工晶体的熔融温度，所述光电探测器13采用硅探测器、PbS探测器或InGaAs探测器。为了提高信噪比，使温度测量精度得到改善，所采用的光电探测器13为大面积类型探测器。
所述信号放大装置包括依次连接的对数放大器14和运算放大器15。
所述望远单元6上设置有物镜7和聚集镜8。
本发明的原理为：一个温场的三维测量是由测量热场中各点的温度而获得的。本发明能非接触地直接测量高温热场中的点温度从而获得高温热场的三维温度数据和分布。通过使用透镜成像和共焦单元，每个点辐射发散球面波被转换为的探测器上的像。由于傅立叶变换函数，从辐射对象上的每个点的波能量可以被转移到的透镜的后侧焦点面，即图像平面。探测器在成像单元的成像面上。探测器把点的辐射能量被转换为电的模拟数据。模拟数据经过放大和模数转换成为数字数据，这个数据是温度成正比。再由微处理器系统处理数字数据，可以得到的温度值并显示。当物体（晶体熔融物）加热到高温时，物体本身会发出各种波长的辐射。随着温度的升高，其辐射波长的峰值会向短波移动。各种人工晶体都有不同熔点和辐射波长曲线。在晶体生长炉中，当晶体原材料加热到接近或超过其熔点的高温时，其辐射的波长函数和其温度是对应的。
如图2所示，本发明的工作过程为：在晶体生长炉1中，将人工晶体原材料2装在难熔金属的坩埚3中，当人工晶体原材料2被加热到接近其熔融温度时，其处在高温三维温场中，形成待测量对象，人工晶体熔融物某目标点4的光的辐射频谱信息通过可以控制的辐射遮挡扳5，然后发送到望远单元6的物镜7，经过望远单元6的聚集镜8后再通过共焦单元9，共焦单元9过滤掉除目标点4辐射外的其他辐射，然后经过成像单元10、分光滤光片11和分光控制系统12后成像到光电探测器13上。光电探测器13把辐射能量转换成模拟电信号，然后依次经过对数放大器14、运算放大器15和模数转换器16转换成数字数据，并连接到计算机17，由温度的计算、拟合、显示软件18处理后输出控制信号19，并驱动输出端口输出高电位负脉冲数字信号，该高电位负脉冲数字信号被送往自动控制器20，即可完成整个高温三维温场的测量过程。待自动控制器20对数字信号进行处理后控制外围设备21动作，从而可根据测量温度状况，通过外围设备21对其测量温度进行调整和校准。所述外围设备21可以是加热控制器，可控硅控制器，PID控制器等可以控制加热和冷却的装置。
所述辐射遮挡板5置于待测高温三维温场上方，人工晶体熔融物在高温三维温场中单点的辐射频谱信息通过辐射遮挡板5后经过望远单元6、共焦单元9、成像单元10及分光装置成像于光电探测器13表面，经信号放大，三维辐射采集和转换后进入计算机17，然后经过数据分析和处理得到高温三维温场的准确温度信息。
所述三维辐射采集采用手动聚焦、自动聚焦或非聚焦。自适应聚焦系统可以用于自动聚焦。
所述高温三维温场的高温温度是由对多个波长辐射的数字拟合，或对多个波长辐射直线拟合斜率，或对多个波长辐射拟合直线与横坐标（波长）的交点值获得。
采用本发明测量后的温度校准方法可以由传统高温校准炉，黑体炉而得到。也可以使用一些方便的已知色温的灯，如一个LED灯和白炽灯作为温度校准。
本发明可实现非接触高温温度测量，用共焦单元测量人工晶体熔融物中晶体生长方向任意点的温度高温测量。同时利用手动或自动共焦单元实现对高温温场的三维测量，利用独特分光技术实现高信噪比多光谱探测。可在人工晶体生长的高温三维温场测量中广泛推广应用，可用于高精度的高温温度检测和校准。

Claims (3)

1.一种用于人工晶体生长的高温三维温场测量系统，其特征在于：包括辐射遮挡板(5)及依次相连的望远单元(6)、共焦单元(9)、成像单元(10)、分光装置、光电探测器(13)、信号放大装置、模数转换器(16)、计算机(17)及自动控制器(20)；所述分光装置包括依次连接的分光滤光片(11)和分光控制系统(12)；所述信号放大装置包括依次连接的对数放大器(14)和运算放大器(15)；所述望远单元(6)上设置有物镜(7)和聚集镜(8)。
2.根据权利要求1所述的一种用于人工晶体生长的高温三维温场测量系统，其特征在于：所述光电探测器(13)采用硅探测器、PbS探测器或InGaAs探测器。
3.根据权利要求1所述的一种用于人工晶体生长的高温三维温场测量系统，其特征在于：所述分光滤光片(11)为多组高信噪比单波长分光滤光片或波长渐变滤光片。
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