TWI504865B - 光強分佈的檢測系統 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種光強分佈的檢測系統，尤其涉及一種基於奈米碳管陣列的光強分佈的檢測系統。
光源所發出的光在哪個方向(角度)上傳播及強度大小統稱為“光強分佈”。
光強分佈的測量方法基本分為兩：一種係把感測器放在距樣品一定距離的地方，所述感測器在樣品周圍同心分佈的若干點移動並進行測量，即可測量光強的分佈；另一種係把測量裝置放在距樣品不同的距離處測量光強的分佈，所述測量裝置由一CCD感測器及一具有類似魚眼鏡頭的超廣角棱鏡的光學系統組成。
目前，檢測光強分佈的感測器主要分為兩大類：光子感測器(製冷型)及熱感測器(非製冷型)。光子傳感器具有靈敏度高、回應速度快的優點，然而，光子感測器需要液氮製冷、成本較高、且可探測的光波波段較窄。熱感測器成本較低、可探測的光波波段較寬、且可在室溫下操作，但係，熱感測器存在靈敏度較低、解析度低的缺點。
有鑒於此，提供一種光強分佈的檢測系統，該檢測系統具有較高的靈敏度及解析度，且可以檢測較寬的光波波段實為必要。
一種光強分佈的檢測系統，包括：一設置於基底的奈米碳管陣列、一反射鏡及一成像元件；所述奈米碳管陣列具有一遠離基底的第一表面及一與該第一表面相對設置且與所述基底接觸的第二表面，所述設置於基底的奈米碳管陣列放置於一惰性環境或真空環境中；所述反射鏡與奈米碳管陣列間隔設置，且所述奈米碳管陣列設置於反射鏡與基底之間；所述成像元件與基底間隔設置。
與先前技術相比，本發明提供的檢測系統中，奈米碳管陣列作為光強分佈的感測元件，由於奈米碳管係一種優異的熱敏性及光敏性材料，且其對光(尤其係紅外光)具有很寬的波長回應範圍及很高的吸收率，故，本發明提供的光強分佈的檢測系統具有很高的靈敏度，且可檢測的光波波長範圍很廣。其次，由於奈米碳管陣列的導熱性能具有各向異性，即，熱量幾乎只沿著奈米碳管的軸向傳導，不沿徑向傳導，故，本發明提供的檢測系統具有很高的解析度，至少能夠分辨10微米的細節。
10‧‧‧奈米碳管陣列
102‧‧‧第一表面
104‧‧‧第二表面
12，12A，12B‧‧‧奈米碳管
122‧‧‧第一端
124‧‧‧第二端
14‧‧‧生長基底
16‧‧‧光束
18‧‧‧成像元件
20‧‧‧腔室
22‧‧‧反射鏡
24‧‧‧檢測系統
圖1為本發明實施例提供的光強分佈的檢測系統的結構示意圖。
圖2為本發明實施例提供的利用所述檢測系統檢測光強分佈的光路示意圖。
圖3為本發明實施例提供的光強分佈的檢測系統中所採用的奈米碳管陣列的掃描電鏡照片。
下面將結合附圖及具體實施例對本發明提供的光強分佈的檢測系統作進一步的詳細說明。
請參見圖1，本發明實施例提供一種光強分佈的檢測系統24，包括：一設置於生長基底14的奈米碳管陣列10、一反射鏡22及一成像元件18；所述奈米碳管陣列10具有一遠離生長基底14的第一表面102及一與該第一表面102相對設置且與所述生長基底14接觸的第二表面104，所述設置於生長基底14的奈米碳管陣列10放置於一惰性環境或真空環境中；所述反射鏡22與奈米碳管陣列10間隔設置，且所述奈米碳管陣列10設置於反射鏡22與生長基底14之間；所述成像元件18與生長基底14間隔設置，且所述生長基底14設置於成像元件18與奈米碳管陣列10之間。
所述奈米碳管陣列10優選為超順排奈米碳管陣列10，該奈米碳管陣列10的製備方法，包括以下步驟：(a)提供一平整生長基底14，該生長基底14可選用P型或N型矽生長基底14，或選用形成有氧化層的矽生長基底14，本實施例優選為採用4英寸的矽生長基底14；(b)在生長基底14表面均勻形成一催化劑層，該催化劑層材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金之一；(c)將上述形成有催化劑層的生長基底14在700~900℃的空氣中退火約30分鐘~90分鐘；(d)將處理過的生長基底14置於反應爐中，在保護氣體環境下加熱到500~740℃，然後通入碳源氣體反應約5~30分鐘，生長得到奈米碳管陣列10。
所述奈米碳管陣列10包括複數個彼此平行的奈米碳管12，該奈米碳管12包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中的一種或幾種。該單壁奈米碳管的直徑為0.5奈米~50奈米，該雙壁奈米碳管的直徑為1.0奈米~50奈米，該多壁奈米碳管的直徑為1.5奈米~50奈米。所述奈米碳管12的長度大於等於100奈米，優選為
100奈米~10毫米，例如100微米、500微米、1000微米、5毫米。本實施例中，生長基底14為一圓形，所生長的圓形奈米碳管陣列10的半徑為3毫米。
所述奈米碳管陣列10中，奈米碳管12與生長基底14表面之間所形成的角度大於等於10度且小於等於90度，優選地，奈米碳管12與生長基底14的表面之間所形成的角度大於等於60度且小於等於90度。本實施例中，所述奈米碳管陣列10為複數個彼此平行且垂直於生長基底14生長的奈米碳管12形成的純奈米碳管陣列10，請參見圖3。所述奈米碳管陣列10中，相鄰奈米碳管12之間具有間隙，該間隙為0.1奈米~0.5奈米。所述奈米碳管12具有相對的第一端122及第二端124，第一端122遠離所述生長基底14，第二端124與所述生長基底14接觸。通過上述控制生長條件，該超順排奈米碳管陣列10中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。本實施例中碳源氣可選用乙炔等化學性質較活潑的碳氫化合物，保護氣體可選用氮氣、氨氣或惰性氣體。可以理解的係，本實施例提供的奈米碳管陣列10不限於上述製備方法。
可以理解，通過擠壓等方式可以使該奈米碳管陣列10中的奈米碳管12傾斜，從而使奈米碳管12與生長基底14形成小於90度的夾角。進一步，還可以採用刀片、膠帶或其他工具將奈米碳管陣列10從生長基底14整體剝離並設置於其他基底上。所述奈米碳管陣列10的奈米碳管12仍然彼此平行且與該基底所形成的角度大於等於10度且小於等於90度。所述其他基底優選不透光的材料，例如金屬、陶瓷、或樹脂等。
本實施例中，將所述生長於生長基底14的奈米碳管陣列10設置於
一腔室20內，該腔室20內為惰性環境或真空環境。所述惰性環境係指腔室20內填充氮氣、氨氣等或惰性氣體。所述真空環境係指將所述腔室20抽真空，使腔室20內為真空狀態。所述真空腔室20內的壓強小於10-3帕，優選地，壓強為10-3帕至10-9帕。製作所述腔室20的材料為透光材料，例如硒化鋅(ZnSe)、玻璃，透光樹脂等。
所述奈米碳管陣列10具有一遠離生長基底14的第一表面102及一與該第一表面102相對設置且與所述生長基底14接觸的第二表面104。所述複數個奈米碳管12的第一端122組成奈米碳管陣列10的第一表面102，複數個奈米碳管12的第二端124組成奈米碳管陣列10的第二表面104。所述奈米碳管12從奈米碳管陣列10的第一表面102向第二表面104延伸。
當一待測光源照射所述奈米碳管陣列時，由於奈米碳管12的軸向導熱性好，橫向導熱性差，故，奈米碳管陣列10按照黑體輻射的特性向外輻射可見光。此時，奈米碳管陣列10的第一表面102及第二表面104具有較多的輻射，而奈米碳管陣列10的側面具有極少的輻射。所述側面指奈米碳管陣列10平行於奈米碳管12軸向的一面，即奈米碳管陣列10中垂直於第一表面102及第二表面104的一面。由於所述生長基底14為矽，其對可見光不透明，而奈米碳管陣列10的第二表面104與生長基底14相接觸，故奈米碳管陣列10的第二表面104向外輻射的可見光被生長基底14擋住。故，在所述奈米碳管陣列10的第一表面102處間隔設置一反射鏡22。所述反射鏡22與奈米碳管陣列10之間的距離不限，可以理解，奈米碳管陣列10優選地設置於所述反射鏡22的焦點處，即，使反射鏡
22的焦點落在所述奈米碳管陣列10的第一表面102的中心位置。
為了獲取更多的光能，保證測量的靈敏度，所述反射鏡22的曲率半徑不能很大，反射鏡22的曲率半徑為10毫米至100毫米，同時奈米碳管陣列10儘量靠近反射鏡22，以獲得較大的物方孔徑角。本實施例中，所述反射鏡22的曲率半徑優選為88毫米，物方孔徑角大於等於22.5度，數值孔徑大於0.38。為了使待測光源所發出的光更容易照射到奈米碳管陣列10的第一表面102，奈米碳管陣列10到反射鏡22之間的距離在不影響整個系統像差的前提下應小於80毫米。
所述成像元件18的位置不限，只要可以接收到反射鏡22反射過來的可見光即可。優選地，所述成像元件18與反射鏡22分別間隔設置於腔室20的兩側，且所述奈米碳管陣列10設置於生長基底14與反射鏡22之間，生長基底14設置於奈米碳管陣列10與成像元件18之間。所述成像元件18的大小與反射鏡22的曲率半徑等有關。本實施例中，成像元件18到奈米碳管陣列10的距離優選為小於80毫米，成像元件的大小為1/3英寸，故像高為3.8毫米。本實施例測量光強分佈的方法至少能夠分辨10微米的細節，場區小於0.01毫米，像面彌散斑直徑小於0.01毫米，0.7視場畸變小於等於1%，對每毫米50線對的光學傳遞函數大於0.8。
成像元件18對奈米碳管陣列10所輻射的可見光成像，直接讀出奈米碳管陣列10所發出的光束16的光強分佈，或利用電腦等工具讀出奈米碳管陣列10所發出的光束16的光強分佈。本實施例中，所述CCD的像元不限，優選地，CCD的像元達到10微米以下。
所述成像元件18的種類不限，只要可以對奈米碳管陣列10輻射出
的可將光成像即可，例如CCD(電荷耦合元件)、CMOS(互補型金屬氧化物)等。本實施例中，成像元件18為CCD。
請參見圖2，本發明實施例進一步提供一種利用所述檢測系統24檢測光強分佈的方法，包括以下步驟：
步驟一、提供一待測光源，用該待測光源照射所述奈米碳管陣列10的第一表面102，使該奈米碳管陣列10輻射出可見光。
所述奈米碳管陣列10中奈米碳管12的第一端122靠近所述待測光源，第二端124遠離待測光源，且第二端124與所述生長基底14接觸。
待測光源所發出的光可以為紅外光等各種光。本實施例選用二氧化碳雷射器發射的鐳射。
待測光源發出的光束16可以任意角度照射奈米碳管陣列10的第一表面102，所述角度係指待測光源發出的光束16與奈米碳管陣列10的第一表面102之間所形成的夾角。優選地，待測光源沿著平行於奈米碳管12軸向的方向照射所述奈米碳管陣列10的第一表面102。
奈米碳管陣列10可近似為黑體，具有黑體的吸收及輻射特性。當待測光源所發出的光束16照射到奈米碳管陣列10的第一表面102時，光能轉換為熱能並被奈米碳管陣列10的第一表面102吸收，在奈米碳管陣列10的第一表面102形成與待測光源光強成正比的溫度場分佈。由於奈米碳管12的軸向導熱性好，橫向導熱性差，導熱的各向異性非常顯著，熱量在奈米碳管12與奈米碳管12之間橫向擴散極少，該熱量可以沿著奈米碳管12軸向的方向從每一奈
米碳管12的第一端122向第二端124傳遞，直至每一奈米碳管12本身具有相等、均一的熱量。可以理解，該熱量由奈米碳管陣列10的第一表面102經過奈米碳管12的軸向導熱而向奈米碳管陣列10的第二表面104傳遞。如此，奈米碳管陣列10中每一奈米碳管12本身具有相等、均一的熱量，在整個奈米碳管陣列10中形成與待測光源光強成正比的溫度場分佈，同時按黑體輻射的特性向外輻射可見光。
具體地，當待測光源所發出的光束16照射到奈米碳管陣列10的第一表面102時，光束16會分佈在該第一表面102，光能轉換為熱能並被奈米碳管陣列10的第一表面102吸收。例如，光束16分佈中光的強度大的地方對應奈米碳管12A，該奈米碳管12A的第一端122所吸收的熱量大，通過奈米碳管12A軸向導熱，該奈米碳管12A本身具有相等、均一的熱量，且該熱量大。光束16分佈中光的強度小的地方對應奈米碳管12B，該奈米碳管12B的第一端122所吸收的熱量小，通過奈米碳管12B軸向導熱，該奈米碳管12B本身具有相等、均一的熱量，且該熱量小。如此，在整個奈米碳管陣列10中形成與待測光源光強成正比的溫度場分佈。同時，奈米碳管陣列10按黑體輻射的特性向外輻射可見光。那麼，奈米碳管12A輻射的可見光的強度大，奈米碳管12B輻射的可見光的強度小，即奈米碳管陣列10中每一奈米碳管12所輻射的可見光的強度不相等。
故，奈米碳管陣列10中每一奈米碳管12所輻射的可見光的強度的大小與待測光源所發出的光束16的光強分佈有關，奈米碳管12所輻射的可見光的強度大，則待測光源照射該奈米碳管12的第一端
122處的光強大；奈米碳管12所輻射的可見光的強度小，則待測光源照射該奈米碳管12的第一端122處的光強小。
由於所述生長基底14為矽，其對可見光不透明，而奈米碳管陣列10的第二表面104與生長基底14相接觸，故奈米碳管陣列10的第二表面104向外輻射的可見光被生長基底14擋住。
步驟二、奈米碳管陣列10所輻射的可見光經所述反射鏡22反射。
奈米碳管陣列10輻射出可見光，該可見光到達反射鏡22後，被該反射鏡22反射至所述成像元件18。
步驟三、利用成像元件18對反射鏡22所反射的可見光成像，讀出待測光源的光強分佈。
所述成像元件18對反射鏡22所反射的可見光成像，直接讀出奈米碳管陣列10所發出的光束16的光強分佈，或利用電腦等工具讀出奈米碳管陣列10所發出的光束16的光強分佈。
相較於先前技術，本發明提供的光強分佈的檢測系統具有以下優點：(1)利用奈米碳管陣列作為光強分佈的感測元件，由於奈米碳管係一種優異的熱敏性及光敏性材料，且其對光(尤其係紅外光)具有很寬的波長回應範圍及很高的吸收率，故，本發明提供的檢測系統具有很高的靈敏度，且可測量的光波波長範圍很廣；(2)由於奈米碳管陣列的導熱性能具有各向異性，即，熱量幾乎只沿著奈米碳管的軸向傳導，不沿徑向傳導，故，本發明提供的光強分佈的檢測系統具有很高的解析度及準確度，至少能夠分辨10微米的細節；(3)該光強分佈的檢測系統結構簡單，成本較低。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧奈米碳管陣列
102‧‧‧第一表面
104‧‧‧第二表面
12，12A，12B‧‧‧奈米碳管
122‧‧‧第一端
124‧‧‧第二端
14‧‧‧生長基底
18‧‧‧成像元件
20‧‧‧腔室
22‧‧‧反射鏡
24‧‧‧檢測系統
Claims (17)
- 一種光強分佈的檢測系統，其包括：一設置於基底一表面的奈米碳管陣列，該奈米碳管陣列具有一遠離基底的第一表面，且所述設置於基底的奈米碳管陣列放置於一惰性環境或真空環境中，所述奈米碳管陣列用於吸收一待測光源所發出的光並輻射出可見光；一反射鏡，所述反射鏡與奈米碳管陣列間隔設置，且所述奈米碳管陣列設置於反射鏡與基底之間，所述反射鏡用於反射奈米碳管陣列所輻射的可見光；及一成像元件，所述成像元件與基底間隔設置，所述成像元件用於對反射鏡所反射的可見光成像。
- 如請求項1所述的光強分佈的檢測系統，其中，所述基底設置於成像元件與奈米碳管陣列之間。
- 如請求項1所述的光強分佈的檢測系統，其中，所述奈米碳管陣列包括複數個奈米碳管，該複數個奈米碳管相互平行。
- 如請求項3所述的光強分佈的檢測系統，其中，所述奈米碳管陣列中奈米碳管與基底的表面之間的角度為大於等於10度且小於等於90度。
- 如請求項4所述的光強分佈的檢測系統，其中，所述奈米碳管陣列中奈米碳管與基底的表面之間的角度大於等於60度且小於等於90度。
- 如請求項1所述的光強分佈的檢測系統，其中，所述檢測系統進一步包括一腔室，所述奈米碳管陣列設置於該腔室內。
- 如請求項6所述的光強分佈的檢測系統，其中，所述成像元件與反射鏡分別間隔設置於該腔室的兩側。
- 如請求項6所述的光強分佈的檢測系統，其中，所述腔室的材料為透光材料。
- 如請求項6所述的光強分佈的檢測系統，其中，所述腔室內填充氮氣、氨氣或惰性氣體，或所述腔室內為真空狀態。
- 如請求項1所述的光強分佈的檢測系統，其中，所述檢測系統使用時，採用所述待測光源照射所述奈米碳管陣列的第一表面，該奈米碳管陣列輻射出可見光，該可見光被所述反射鏡反射至成像元件，所述成像元件接收該可見光，並讀出待測光源的光強分佈。
- 如請求項10所述的光強分佈的檢測系統，其中，所述待測光源為二氧化碳雷射器。
- 如請求項10所述的光強分佈的檢測系統，其中，所述待測光源沿著平行於奈米碳管軸向的方向照射所述奈米碳管陣列的第一表面。
- 如請求項1所述的光強分佈的檢測系統，其中，所述反射鏡的焦點落在奈米碳管陣列的第一表面的中心位置。
- 如請求項1所述的光強分佈的檢測系統，其中，所述反射鏡的曲率半徑為10毫米至100毫米。
- 如請求項1所述的光強分佈的檢測系統，其中，所述奈米碳管陣列到反射鏡之間的距離小於80毫米。
- 如請求項1所述的光強分佈的檢測系統，其中，所述成像元件到奈米碳管陣列的距離小於80毫米。
- 如請求項1所述的光強分佈的檢測系統，其中，所述成像元件為CCD或CMOS。
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