CN104880254A - 用于显微红外热像仪响应时间参数测试的模拟脉冲温度源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于显微红外热像仪响应时间参数测试的模拟脉冲温度源，涉及辐射测温装置技术领域。所述温度源包括红外辐射源和光学调制器，红外辐射源与光学调制器正对设置，所述红外辐射源发出的恒定的红外信号传输至光学调制器，光学调制器对所述恒定的红外信号进行调制，得到变化的红外辐射信号，模拟物体辐射温度的变化。该模拟脉冲温度源能够模拟物体辐射温度的变化，能够精确控温，具有高发射率以及良好的温度均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及辐射测温装置技术领域，尤其涉及一种用于显微红外热像仪响应时间参数测试的模拟脉冲温度源。
背景技术
显微红外热像仪是一种非接触显微测温装置，可以用于半导体器件和芯片的温度测量，在半导体行业有着重要应用。
常见的显微红外热像仪典型结构如图5所示，被测器件搭载在控温平台上，其发射出的红外辐射经显微红外光学系统投射在红外探测器上，红外探测器将红外辐射信号转换为电信号，最后计算机对电信号进行分析处理，得到温度数据。
常见显微红外热像仪的测温功能可以分为成像测温与瞬态测温两种。其中瞬态测温能够捕捉特定区域的温度高速变化，通常用于测量脉冲工作器件的温度变化情况。由于高性能雷达及通讯系统采用的微波功率器件多工作在脉冲条件下，基于红外原理的瞬态测温装置在微波功率器件的温度检测、可靠性评价中有着重要的作用。图6是一个典型的瞬态测温结果，横轴为时间，纵轴为温度。
对于高速信号测量系统而言，响应时间是衡量显微红外热像仪瞬态测温性能的一项重要技术指标，反映了设备对高速变化信号的捕捉能力。响应时间通常采用上升时间或下降时间来表征，最为常见的定义是由脉冲最大值的10%上升到90%或90%下降到10%所需的时间。
显然，为真实反映被测信号的随时间变化的情况，设备的响应时间至少应小于被测信号的上升/下降时间，否则将产生严重的畸变。
举例来说，当设备的响应时间略长于输入脉冲信号的上升/下降时间时，脉冲的上升沿和下降沿会被拉长，如图7所示。进一步的，当脉冲宽度较小或占空比较小，以至于设备输出信号还没有来的及上升到最大值，信号就开始下降，如图8所示，此时设备输出信号的峰值将低于应有水平，因此在信号上升沿和下降沿被拉长的同时，整个信号的动态范围也会被压缩。
目前的商用显微红外热像仪的瞬态测温功能实现的最高带宽性能在20 kHz -100 kHz的水平，因此，为了对显微红外热像仪的瞬态测温功能响应时间参数进行测试，需要有一个高速变化的温度源，且温度变化的上升下降时间在μs量级。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于显微红外热像仪响应时间参数测试的模拟脉冲温度源，该模拟脉冲温度源能够模拟物体辐射温度的变化，能够精确控温，具有高发射率以及良好的温度均匀性。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种用于显微红外热像仪响应时间参数测试的模拟脉冲温度源，其特征在于包括红外辐射源和光学调制器，红外辐射源与光学调制器正对设置，所述红外辐射源发出的恒定的红外信号传输至光学调制器，光学调制器对所述恒定的红外信号进行调制，得到变化的红外辐射信号，模拟物体辐射温度的变化。
进一步的技术方案在于：所述红外辐射源为黑体辐射源。
进一步的技术方案在于：所述红外辐射源包括温控装置、靶标和光阑，所述靶标的温度受控于所述温控装置，靶标用于提供被测温度目标，在使用时显微红外热像仪测量的即是该靶标的温度；所述靶标与所述光阑相对设置，所述光阑上设有通光孔，光阑用于控制通光孔径尺寸，影响红外辐射信号强度，以及调制的上升下降时间。
进一步的技术方案在于：所述温控装置包括铂电阻或热电阻，所述铂电阻或热电阻位于靶标上，用于监测靶标的温度，提供温度反馈到温控装置。
进一步的技术方案在于：所述温控装置包括电加热器、半导体制冷器、水冷器或液氮制冷器，用于调制靶标温度。
进一步的技术方案在于：所述靶标使用高发射率或低发射率材料制作。
进一步的技术方案在于：所述光学调制器采用光学斩波器，所述光学斩波器与所述光阑相对设置，用于调制靶标发射出的红外辐射信号，光学斩波器的调制频率决定温度信号的调制频率，光学斩波器的转动频率以及光阑通光孔径尺寸决定温度信号的上升下降时间。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提出的模拟脉冲温度源能够模拟物体辐射温度的变化，对显微红外热像仪瞬态功能的响应时间参数进行测试和校准，给出定量的测试结果数据，从而对显微红外热像仪瞬态功能的响应时间进行验证或有效评价。
该模拟脉冲温度源能够根据测试需要设定特定的调制频率和动作时间（即上升/下降时间或开启/关断时间），既可以用于验证被测系统是否满足特性指标要求，也可以用于确定被测系统响应时间。
该模拟脉冲温度源具有广泛的适用性，能够用于常见的显微红外热像仪。常见的显微红外热像仪在测量黑体时具有最好的性能，该脉冲黑体辐射源采用黑体形式，具有高发射率，具有良好的温度均匀性，保证了最广泛的适应性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的所述脉冲温度源的整体原理框图；
图2是本发明的所述脉冲温度源的一种实施例原理框图；
图3是图2中光学斩波器与光阑的配合结构示意图；
图4是图3中光学斩波器与光阑的局部配合放大结构示意图；
图5是典型的显微红外热像仪结构示意图；
图6是典型的瞬态测温结果波形图；
图7是当设备的响应时间略长于输入脉冲信号的上升/下降时间时的波形图；
图8是当脉冲宽度较小或占空比较小时的波形图；
其中：1、温控装置 2、靶标 3、光阑 4、通光孔 5、光学斩波器 6、光学斩波器的叶片。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
总体的如图1所示，本发明公开了一种用于显微红外热像仪响应时间参数测试的模拟脉冲温度源，包括红外辐射源和光学调制器，红外辐射源与光学调制器正对设置，所述红外辐射源发出的恒定的红外信号传输至光学调制器，本发明通过在黑体辐射源（红外辐射源）的基础上增加光开关（光学调制器），对黑体辐射源发出的红外辐射信号进行调制，模拟物体的辐射温度的变化，从而实现模拟脉冲温度源。
显微红外热像仪的测温原理基于普朗克黑体辐射定律，通过测量被测物体发出的红外辐射强度来计算被测物体的温度，属于辐射测温仪器，所得温度为辐射温度。由于显微红外热像仪实际测量的是红外辐射强度，故而被测物体的温度变化对显微红外热像仪来说实际上是红外辐射强度的变化，因此可以通过提供强度变化的红外辐射来模拟物体温度变化，实现对显微红外热像仪响应时间参数的测试和校准。
具体的，如图2所示，本发明公开了一种用于显微红外热像仪响应时间参数测试的模拟脉冲温度源，包括控温装置1、靶标2、光阑3和光学斩波器5。
控温装置能够精确控制靶标温度，用于调整和保持靶标温度处于用户所需状态。可以采用铂电阻或热电偶监测温度提供反馈，采用电加热、半导体制冷、水冷或液氮制冷来调制温度。靶标提供高发射率的被测目标，在使用时显微红外热像仪测量的即是该靶标的温度。靶标可以采用高导热率金属表面涂覆黑体涂料来实现。在有需要时，靶标也可以采用较低发射率的材料制作，以贴近显微红外热像仪实际使用时的情况，即被测目标是由较低发射率的半导体材料构成的微波功率器件。
光阑，具体来说是光阑的通光孔径的尺寸（概念上说，限制光束尺寸的就是光阑，实物光阑通常是一个遮光的圆片中间打一个通光的小孔，光阑尺寸通常指通光孔的尺寸），影响红外辐射信号强度，以及调制的上升下降时间。
光学斩波器用于调制靶标发射出的红外辐射。光学斩波器的调制频率决定模拟温度信号的调制频率。光学斩波器的转动频率以及光阑通光孔径尺寸决定模拟温度信号的上升下降时间。
该方案的优点是采用控温装置加热靶标的方式，由靶标的自发热辐射作为稳定的红外辐射源，贴近显微红外热像仪实际工作时测量目标的状态；通过控温装置直接控制靶标温度，不需要对红外辐射强度进行具体的控制。
光学斩波器的叶轮转动，光路在开断之间切换，形成对红外辐射信号的调制。斩波器的调制频率就决定了模拟脉冲温度源的调制频率。脉冲温度源的上升下降时间，即是稳态温度源发出的红外辐射信号由完全被显微红外热像仪接收到完全被遮蔽的过程所经历的时间，这个过程的时间长度由光学斩波器的叶片边沿划过光阑的通光孔的时间决定，由于光阑的通光孔径远小于1mm，而光阑通光孔到斩波器叶轮圆心的距离在40mm-50 mm，因而当叶片边沿划过光阑的通光孔时，轨迹的弧度可以忽略不计，近似看成直线运动，如图3-4所示。
此时可以估算光学斩波器的叶片边沿划过光阑通光孔所需时间：
(1)
式中，d为光阑的通光孔的直径，R为光学斩波器的叶片边沿与通光孔圆心交点到斩波器的叶轮圆心的距离，f为斩波器的叶轮转动频率。典型情况下，取d为50 μm，R为40 mm，f为100 r/s，根据上式计算可得出此时t约为2μs，也就是说以目前常规的技术水平可以容易的实现2μs的上升下降时间，能够满足目前显微红外热像仪的瞬态测温功能响应时间参数的测试需要。
本发明提出的模拟脉冲温度源能够模拟物体辐射温度的变化，对显微红外热像仪瞬态功能的响应时间参数进行测试和校准，给出定量的测试结果数据，从而对显微红外热像仪瞬态功能的响应时间进行验证或有效评价。
该模拟脉冲温度源能够根据测试需要设定特定的调制频率和动作时间（即上升/下降时间或开启/关断时间），既可以用于验证被测系统是否满足特性指标要求，也可以用于确定被测系统响应时间。
该模拟脉冲温度源具有广泛的适用性，能够用于常见的显微红外热像仪。常见的显微红外热像仪在测量黑体时具有最好的性能，该脉冲黑体辐射源采用黑体形式，具有高发射率，具有良好的温度均匀性，保证了最广泛的适应性。
Claims (7)
1.一种用于显微红外热像仪响应时间参数测试的模拟脉冲温度源，其特征在于包括红外辐射源和光学调制器，红外辐射源与光学调制器正对设置，所述红外辐射源发出的恒定的红外信号传输至光学调制器，光学调制器对所述恒定的红外信号进行调制，得到变化的红外辐射信号，模拟物体辐射温度的变化。
2.根据权利要求1所述的用于显微红外热像仪响应时间参数测试的模拟脉冲温度源，其特征在于：所述红外辐射源为黑体辐射源。
3.根据权利要求1所述的用于显微红外热像仪响应时间参数测试的模拟脉冲温度源，其特征在于：所述红外辐射源包括温控装置（1）、靶标（2）和光阑（3），所述靶标（2）的温度受控于所述温控装置（1），靶标（2）用于提供被测温度目标，在使用时显微红外热像仪测量的即是该靶标（2）的温度；所述靶标（2）与所述光阑（3）相对设置，所述光阑（3）上设有通光孔（4），光阑（3）用于控制通光孔径尺寸，影响红外辐射信号强度，以及调制的上升下降时间。
4.根据权利要求3所述的用于显微红外热像仪响应时间参数测试的模拟脉冲温度源，其特征在于：所述温控装置（1）包括铂电阻或热电阻，所述铂电阻或热电阻位于靶标（2）上，用于监测靶标（2）的温度，提供温度反馈到温控装置（1）。
5.根据权利要求3所述的用于显微红外热像仪响应时间参数测试的模拟脉冲温度源，其特征在于：所述温控装置（1）包括电加热器、半导体制冷器、水冷器或液氮制冷器，用于调制靶标（2）温度。
6.根据权利要求3所述的用于显微红外热像仪响应时间参数测试的模拟脉冲温度源，其特征在于：所述靶标（2）使用高发射率或低发射率材料制作。
7.根据权利要求3所述的用于显微红外热像仪响应时间参数测试的模拟脉冲温度源，其特征在于：所述光学调制器采用光学斩波器（5），所述光学斩波器（5）与所述光阑（3）相对设置，用于调制靶标（2）发射出的红外辐射信号，光学斩波器（5）的调制频率决定温度信号的调制频率，光学斩波器（5）的转动频率以及光阑通光孔径尺寸决定温度信号的上升下降时间。
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