CN104181131B - 红外调制光致发光二维成像光路自动定位校准装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种红外调制光致发光二维成像光路自动定位校准装置。该装置包括长时间稳定工作激光光源、等距长焦距光聚焦模块、垂直光轴校准系统、焦平面校准系统以及反馈自校准控制单元。主要利用菲涅尔双棱镜在高精度互补金属氧化物半导体光电元件阵列上所成干涉图样的位置偏移度进行相关光具的位置校准，同时利用电荷耦合元件激光测试阵列完成精确度可达微米量级的光斑尺寸测定。该装置具有高稳定性、高灵敏度、高自动化等特点，是研究包括大面积红外探测器面阵材料在内的窄禁带半导体的有效技术保障。
Description
技术领域：
本发明涉及一种红外调制光致发光二维成像光路自动定位校准装置。该装置包括可具备长时间稳定的校准(泵浦)光源、等距长焦距光聚焦模块、垂直光轴校准系统、焦平面校准系统以及反馈自校准控制单元。实现特别是红外波段光致发光二维空间分辨扫描成像所亟需的快速、精确、稳定的自动化定位校准光路系统，并可进一步结合调制技术对红外波段材料器件的光致发光特性进行测试，针对材料平面内参数(如组分分布、杂质与缺陷特征、辐射复合与非辐射复合占比)进行表征与研究。
背景技术：
光致发光(Photoluminescence,PL)光谱作为一种无损检测的常用有效手段，广泛应用于各类半导体材料的能带结构、杂质缺陷等研究。针对包括III-V族等宽禁带半导体材料的二维空间分辨与平面成像的实际需求，基于单色仪和线列或面阵探测器的空间分辨(微区)和成像的PL光谱技术得以快速发展，并用以研究材料在空间上的能带结构差异、杂质与缺陷分布，从而对光电器件的研发发挥了推动作用。
然而，对于中长红外(4～20μm)波段，室温背景辐射干扰、探测器响应率降低、材料发光强度下降以及传统单色仪自身性能的局限，使得传统的PL光谱手段很难得到良好的实验结果。近期发展的一种基于步进扫描傅里叶变换红外光谱仪的调制光致发光测量手段在中长红外波段具有高灵敏、高分辨、高信噪比等优势，一定程度上克服了上述难题。但是，相应波段的空间分辨与成像PL光谱至今仍是技术禁区。由于中长红外波段弱信号、低响应、高噪声的客观事实，二维空间分辨成像PL光谱测试的主要难点就集中到了构建长时间高稳定、强聚焦的测试光路系统以及快速便捷的样品空间校准与定位装置。
针对现有空间分辨光谱技术在红外波段的局限与空白，我们公开一种红外调制光致发光二维空间分辨与成像光路自动定位校准装置。具体地，利用经样品反射后通过菲涅尔双棱镜反映到互补金属氧化物半导体元件(CMOS)阵列上的干涉图样信号以及电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)激光测量阵列所得光斑尺寸信号，分别对样品表面与主光轴上的激光聚焦位置进行定位与校准，快速、精确地完成光路校准以及长时间的稳定和修正，以帮助实现红外波段的二维空间分辨与扫描成像调制PL光谱测试。
发明内容：
本发明的主要内容是基于菲涅尔双棱镜干涉原理与CCD阵列感光测试分别实现样品位置在垂直与平行主光轴的校准调试，以保证进一步的二维空间分辨与扫描成像的红外调制PL光谱实验测量。
搭建此红外调制光致发光二维成像光路自动定位校准装置的关键技术主要包括：各类光学元件的搭配与共轴调节、激光的稳定强聚焦与样品的焦点定位、样品表面与焦平面的重合校准、光电信号传输与同步反馈等。该装置主要部件包括长时间稳定工作激光光源1、等距长焦距光聚焦模块2、垂直光轴校准系统3、焦平面校准系统4以及反馈自校准控制单元5，其中：
所述的长时间稳定工作激光光源1由激光器和激光功率、方向控制器组成，激光器的波长短于1微米，激光功率0.05～200mW连续稳定可调；
所述的等距长焦距光聚焦模块2包括共轴光路定位光阑201，长焦汇聚透镜组202，长焦汇聚透镜组202的焦距不小于160毫米，球差不大于20微米；
所述的垂直光轴校准系统3包括二维平面可升降、自由旋转狭缝301，二维平面可升降、自由旋转菲涅尔双棱镜302，同步升降旋转控制单元303，互补金属氧化物半导体元件阵列成像系统304；二维平面可升降、自由旋转狭缝与二维平面可升降、自由旋转菲涅尔双棱镜，需要升降操作可复原，可旋转角度不小于180°，菲涅尔双棱镜成像中两虚光源间距不低于3毫米，互补金属氧化物半导体元件阵列成像系统感光面积不小于10mm×10mm，单个元件不大于30μm×30μm，具备数模放大电路，波段覆盖300nm～1050nm；
所述的焦平面校准系统4包括分束器401，电荷耦合元件激光测试阵列402，五维传动控制装置403；电荷耦合元件激光测试阵列感光面积不小于5mm×5mm，光敏元不大于15μm×15μm，波段覆盖300nm～1050nm，其中400nm～800nm量子效率不低于30％；
所述的反馈自校准控制单元5包括杜瓦平台调节系统，互补金属氧化物半导体元件阵列304信号和电荷耦合元件激光测试阵列402信号传输分析模板；
所述的同步升降旋转控制单元303与五维传动控制装置403由数控电动微调，微调步距优于0.5微米；
由长时间稳定工作激光光源1产生稳定的校准激光，通过共轴光路定位光阑201后经长焦汇聚透镜组202，汇聚后的光斑先后经二维平面可升降、自由旋转狭缝301与二维平面可升降、自由旋转菲涅尔双棱镜302，产生干涉图样，经过分束器401后，一路引入校准样品表面，另一路入射至互补金属氧化物半导体元件阵列成像系统304；同时，校准样品表面的反射光也由分束器401分束，一部分反射至电荷耦合元件激光测试阵列402，另一部分透射至互补金属氧化物半导体元件阵列成像系统304成像；校准过程中，同步升降旋转控制单元303同步控制二维平面可升降、自由旋转狭缝301与二维平面可升降、自由旋转菲涅尔双棱镜302的高度与旋转角度，五维传动控制装置403控制校准样品调节架与电荷耦合元件激光测试阵列402同步移动，反馈自校准控制单元5用以统一分析处理互补金属氧化物半导体元件阵列图像、电荷耦合元件激光测试阵列信息，并反馈至五维传动控制装置403以进行样品平面垂直光轴与校准样品到聚焦平面距离的自动调节，同时也可实现共轴信号收集、后期扫描激发光斑位置精确可控、光斑大小与功率密度维持恒定等功能，长时间保证空间二维扫描成像光致发光光谱测量的能量、强度、空间等多参数可靠性。
校准步骤包括：
1.校准光路的光轴标定
将长时间稳定的激光光源调节为水平方向传播，共轴光路定位光阑201位置，确定其直径R1，调节分束器401位置与互补金属氧化物半导体元件(CMOS)阵列成像系统304位置，使激光光斑落在阵列中心位置，记录并设为阵列坐标零点。
2.光学元件的共轴调节
二维平面可升降、自由旋转狭缝301，旋转至竖直，令校准激光通过，并进一步将二维平面可升降、自由旋转菲涅尔双棱镜302升起并旋转至竖直方向，调节零级干涉条纹重合于互补金属氧化物半导体元件(CMOS)阵列成像系统304纵坐标轴线，利用同步升降旋转控制单元303同步旋转二维平面可升降、自由旋转狭缝301与二维平面可升降、自由旋转菲涅尔双棱镜302，保证所有零级干涉条纹通过互补金属氧化物半导体元件(CMOS)阵列成像系统304坐标零点，完成二维平面可升降、自由旋转狭缝301与二维平面可升降、自由旋转菲涅尔双棱镜302的共轴调节。
3.样品平面垂直光轴校准
将样品杜瓦置于大负重微米级五轴机械调节架上，样品待测表面尽量竖直，正对入射激光，观察二维平面可升降、自由旋转狭缝301竖直的像经待测样品表面反射后通过可升降、自由旋转菲涅尔双棱镜302在互补金属氧化物半导体元件(CMOS)阵列成像系统304上所成干涉图样，竖直方向为轴旋转调节样品架，调节零级干涉条纹重合于互补金属氧化物半导体元件(CMOS)阵列成像系统304纵坐标(X)轴线。进一步使用同步旋转控制单元调整二维平面可升降、自由旋转狭缝301与可升降、自由旋转菲涅尔双棱镜302至水平(Y)方向，同样调节样品表面方向，最终实现样品表面垂直于主光轴。
4.电荷耦合元件(CCD)激光测试阵列与样品架标尺的同步
降下二维平面可升降、自由旋转狭缝301与可升降、自由旋转菲涅尔双棱镜302，加入长焦汇聚透镜组202，利用步骤2中相同原理校准其主光轴。并在电荷耦合元件(CCD)激光测试阵列402传动架和样品传动架沿主光轴方向(Z)分别放置两平面镜，调节其光轴上的位置，使得两个反射光斑在互补金属氧化物半导体元件(CMOS)阵列成像系统304上的信号基本一致，记两平面镜主轴方向位置为零点，取下平面镜，将电荷耦合元件(CCD)激光测试阵列402与样品表面位置置于零点。
5.调节汇聚光斑大小与激发光功率密度
利用五维传动控制装置403移动电荷耦合元件(CCD)激光测试阵列402，测量阵列上光斑大小，取适当大小光斑直径R2，记录主轴方向(Z)移动距离d，并将样品架移动相同距离。当后续测试中泵浦光源功率密度为ρ1时，样品表面激光功率密度ρ2＝R1 2ρ1/R2 2。
根据上述内容可以发现，本发明能够高效率、高精度、高稳定地实现应用于窄禁带半导体二维空间分辨的红外调制光致发光测试的光路构建、校准与定位。具有结构简单、原理明确、自动化程度高的特点，非常适用于大面积红外面阵探测器材料的面内空间均匀性检测。
本发明优点是：
1经由激光辅助校准各个光学元件的位置，提高元件共轴调节的精度，为样品位置与方向的精确定位提供保障；
2通过CCD阵列可以精确地反映样品表面的激发光斑情况，有效地检验和控制汇聚光束焦点与样品的相对位置，以保证空间分辨PL光谱激发强度在多次测量中的可比性；
3利用狭缝与菲涅尔双棱镜的干涉图成像原理的平行校准系统，可实现红外波段的激发光方向与功率密度精度的严格控制，保证样品不同空间位置上PL特征强度比能够准确反应相关辐射复合过程态密度之比；
4采用包括CCD阵列、CMOS阵列以及各类电控机械调节装置，并有效地集成到反馈控制单元上，实现实时、快速、自动化程度高的电控校准系统；
5基于前述优点，本发明有效解决二维空间分辨扫描系统光路的高精度调节与校正的问题，显著提高光路的精确性与稳定性，使得红外波段的二维空间分辨测试成为可能。
附图说明：
图1中给出了可实现二维空间分辨与扫描成像调制PL测量的二维成像光路自动定位校准装置示意图。其中：
1为长时间稳定的激光光源由激光器、激光功率、方向控制器组成。在具体的光学测量系统中，可同时作为校准光源与光致发光泵浦光源使用；
2为等距长焦距光聚焦模块，包括共轴光路定位光阑201，长焦汇聚透镜组202；透镜组可将激光光斑缩小至30μm的尺度，且可沿主光轴平移；
3为垂直光轴校准系统，包括二维平面可升降、自由旋转狭缝301，二维平面可升降、自由旋转菲涅尔双棱镜302，同步升降旋转控制单元303，互补金属氧化物半导体元件(CMOS)阵列成像系统304；
4为焦平面校准系统，包括分束器401，电荷耦合元件CCD激光测试阵列402，五维传动控制装置403；五维传动控制装置403要求实现分束器到待测样品位置与CCD激光测试阵列的等距，以保证校准与后期实验过程中CCD阵列与样品表面激光激发情形一致；
5为反馈自校准控制单元。
具体实施方式：
根据发明内容的技术方案构建一红外调制光致发光二维成像光路自动定位校准装置实例，具体如下：
长时间稳定的激光光源：
选用514.5nm氩离子激光器，并使用Brockton Electro Optics corp的LPC实现对激光功率的控制和方向的稳定；
等距长焦距光聚焦模块：
长焦汇聚透镜组使用索雷柏提供的氟化钙双凸透镜与平凹透镜组合，镜组直径为1/2英寸，等效焦距25mm；
垂直光轴校准系统：
菲涅尔双棱镜虚光源间距选择1.6mm，使用经改装的卓立汉光生产的偏振调节支架支持狭缝与双棱镜，互补金属氧化物半导体元件(CMOS)阵列成像系统选择索雷柏Customer Inspired高灵敏度USB 2.0 CMOS相机(1280×1024)；
焦平面校准系统：
大型五维调节平台选择最大负重50kg，调节精度1.0um；电荷耦合元件(CCD)激光测试阵列选择Synapse 2048×512，front-illuminated UV-coatedCCD Detector。像元尺寸13.5μm，成像面积27.6mm×6.9mm。
Claims (2)
1.一种红外调制光致发光二维成像光路自动定位校准装置，它包括长时间稳定工作激光光源(1)、等距长焦距光聚焦模块(2)、垂直光轴校准系统(3)、焦平面校准系统(4)以及反馈自校准控制单元(5)，其特征在于：
所述的长时间稳定工作激光光源(1)由激光器和激光功率、方向控制器组成，激光器的波长短于1微米，激光功率在0.05～200mW之间连续稳定可调；
所述的等距长焦距光聚焦模块(2)包括共轴光路定位光阑(201)，长焦汇聚透镜组(202)，长焦汇聚透镜组(202)的焦距不小于160毫米，球差不大于20微米；
所述的垂直光轴校准系统(3)包括二维平面可升降、自由旋转狭缝(301)，二维平面可升降、自由旋转菲涅尔双棱镜(302)，同步升降旋转控制单元(303)，互补金属氧化物半导体元件阵列成像系统(304)；二维平面可升降、自由旋转狭缝与二维平面可升降、自由旋转菲涅尔双棱镜，需要升降可复位，可旋转角度不小于180°，菲涅尔双棱镜成像中两虚光源间距不低于3毫米，互补金属氧化物半导体元件阵列成像系统感光面积不小于10mm×10mm，单个元件不大于30μm×30μm，具备数模放大电路，波段覆盖300nm～1050nm；
所述的焦平面校准系统(4)包括分束器(401)，电荷耦合元件激光测试阵列(402)，五维传动控制装置(403)；电荷耦合元件激光测试阵列感光面积不小于5mm×5mm，光敏元不大于15μm×15μm，波段覆盖300nm～1050nm，其中400nm～800nm波段的量子效率不低于30％；
所述的反馈自校准控制单元(5)包括杜瓦平台调节系统，互补金属氧化物半导体元件阵列成像系统(304)信号和电荷耦合元件激光测试阵列(402)信号传输分析模板；
由长时间稳定工作激光光源(1)产生稳定的校准激光，通过共轴光路定位光阑(201)后经长焦汇聚透镜组(202)，汇聚后的光斑先后经二维平面可升降、自由旋转狭缝(301)与二维平面可升降、自由旋转菲涅尔双棱镜(302)，产生干涉图样，经过分束器(401)后，一路引入校准样品表面，另一路入射至互补金属氧化物半导体元件阵列成像系统(304)；同时，校准样品表面的反射光也由分束器(401)分束，一部分反射至电荷耦合元件激光测试阵列(402)，另一部分透射至互补金属氧化物半导体元件阵列成像系统(304)成像；校准过程中，同步升降旋转控制单元(303)同步控制二维平面可升降、自由旋转狭缝(301)与二维平面可升降、自由旋转菲涅尔双棱镜(302)的高度与旋转角度，五维传动控制装置(403)控制校准样品调节架与电荷耦合元件激光测试阵列(402)同步移动，反馈自校准控制单元(5)用以统一分析处理互补金属氧化物半导体元件阵列图像、电荷耦合元件激光测试阵列信息，并反馈至五维传动控制装置(403)以进行样品平面垂直光轴与校准样品到聚焦平面距离的自动调节，同时也可实现共轴信号收集、后期扫描激发光斑位置精确可控、光斑大小与功率密度维持恒定功能，长时间保证空间二维扫描成像光致发光光谱测量的能量、强度、空间参数可靠性。
2.根据权利要求1所述的一种红外调制光致发光二维成像光路自动定位校准装置，其特征在于：所述的同步升降旋转控制单元(303)与五维传动控制装置(403)由数控电动微调，微调步距优于0.5微米。
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