CN2380579Y - 晶体生长过程实时显示诊断装置 - Google Patents

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    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B7/00—Single-crystal growth from solutions using solvents which are liquid at normal temperature, e.g. aqueous solutions

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Abstract

本实用新型涉及一种晶体生长过程实时显示诊断装置。该装置由测试晶体生长速率的显微迈克尔逊干涉仪和流场显示测量固液界面浓度边界层的定量干涉计量部分组成,使用长工作距物镜和He－Ne激光器作光源,包括空间滤波器、分束镜、PZT全反镜、显微物镜、过渡透镜、电荷耦合器件;显微物镜成象在CCD上,载物台由PC计算机控制的步进电机调节;参考光与物光在CCD的靶面上形成干涉图输送给图象处理***进行分析处理、打印输出。

Description

晶体生长过程实时显示诊断装置
本实用新型涉及一种光学诊断及图象处理装置，特别是涉及一种晶体生长过程实时显示诊断装置。
目前，溶液晶体生长方法是光电晶体，非线性晶体，蛋白质晶体等人工生长的主要方法之一。但是在这方面的工作，人们只知道晶体生长的初始条件即培养液的组分和培养环境，而不知道晶体在成核、亚稳态结构的形成和晶体生长速率与培养溶液浓度之间的关系等实际过程，而以最终长出晶体的优劣来评价总的工艺过程。随着科学技术的进步，科学家们努力试图改变这种“暗箱”式的研究方式，以揭示晶体生长过程中的诸多物理现象，如传热、传质、热质对流以及溶液浓度对晶体生长全过程的影响。例如在“用激光全息干涉术研究α-碘酸锂晶体生长浓度分层现象”一文中(《中国科学》A辑第12期，1992年12月，第1300-1304页)，作者应用全息干涉***观察了α-碘酸锂在生长过程中的溶液浓度分层现象。他们所采用的光学诊断技术是以光导热塑材料作为全息图记录材料的实时全息干涉装置，用这种装置只能得到宏观的、定性的观察结果，该诊断测试***无法诊断到固(晶体)液(培养液)界面的细节对流(传热、传质)现象。
又如Kuznetsov等人(《J.Crystal Growth》，166(1996)第913-918页)用迈克尔逊干涉仪研究蛋白质与病毒晶体的生长速率，他们把晶体的一个生长面作为测量对象，即干涉仪的一束光射到这个面上，由该面反射回干涉仪***而与参考光相干得到干涉图象，再按不同时刻取到的干涉图进行离面位移的计算，位移量Δs与时间间隔Δt之比就是生长速率。这和固体力学中用干涉计量测量位移量的原理是一样的。显然，在这个研究中，忽略了一个极重要的因素，即培养溶液的浓度对晶体生长的关系。迈克尔逊干涉仪这个***无法测量固(晶体)液(培养溶液)界面附近的浓度分布与变化情况，无法建立起以传热传质为基础的晶体生长动力学关系。
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于晶体生长过程中诸多物理参数测量的光学显示诊断显示装置，该装置将流场显示技术，相移干涉计量技术和现代图象处理技术集成为一体，它不但可以测量晶体的生长速率，而且可进行宏观与细观并行的在线测量，测量晶体生长过程中的传热、传质和固/液界面附近的对流、浓度分布与变化，以及成核与亚稳态结构的形成过程。本实用新型的目的不仅为揭示晶体生长机理，同时也为制定合理的生长工艺提供直接的实验数据。
本实用新型的目的是这样实现的：
本实用新型提供的晶体生长过程中的实时诊断显示装置，包括两套干涉计量诊断仪，第一套干涉计量诊断仪为测试晶体生长速率的显微迈克尔逊干涉仪，包括：激光光源1、由激光光源1发射端起与激光光源1同光轴依次放置的空间滤波器2、分束镜3、PZT全反镜4以及与激光光源1光轴垂直且与分束镜3同光轴依次放置的显微物镜6、过渡透镜7和电荷耦合器件CCD 8，该套干涉计量诊断仪的所有零、部件位于同一平面内；
第二套干涉计量诊断仪为流场显示测量固液界面浓度界层的定量干涉计量装置，包括：激光光源10、由激光光源10发射端起与激光光源10同光轴依次放置的空间滤波器11、准直镜12、半反镜13、PZT全反镜14；PZT全反镜14和半反镜15同光轴且与激光光源10光轴垂直；与PZT全反镜14和半反镜15的光轴垂直并依次同光轴放置物镜16、半反镜18和电荷耦合器件CCD 19；与PZT全反镜14和半反镜15的光轴平行且同光轴放置全反镜18和半反镜20；与半反镜18、全反镜20光轴垂直且依次同光轴放置场镜21、显微物镜22、过渡透镜23和电荷耦合器件CCD 24；放置在四维调节机构26工作面上的晶体生长池5位于分束镜3的下方，全反镜17与半反镜15、CCD-c19同光轴且位于晶体生长池5的另一侧，全反镜17与半反镜13同光轴；四维调节机构26由四维步进电机25驱动绕X、Y坐标轴轴向旋转、平移；
第二套干涉计量诊断仪的所有零、部件位于和第一套干涉计量诊断仪所在平面不同的同一平面内；
电荷耦合器件CCD 8、CCD 19和CCD 24分别与计算机主机电连接。
本实用新型提供的晶体生长过程实时显示诊断装置，由两套干涉计量诊断装置组成，第一套干涉计量诊断装置是测试晶体生长速率的显微迈克尔逊干涉仪，它使用长工作距物镜并采用He-Ne激光器作光源，其发射光经扩束空间滤波准直器射到分束镜而分成两束，其中一束直接射到PZT全反镜再经原路反射回分束镜进入显微物镜-过渡透镜-电荷耦合器件(CCD 8)***作为参考光束，另一束光经分束镜反射到晶体池中的晶体某一生长面上，由PC计算机控制的步进电机精确调节载物台，将由该晶体面上反射的光束精确调准进入显微物镜成象在CCD 8上，这是测量的物光束。两束光(参考光与物光)在CCD 8靶面上形成干涉图。用计算识别与驱动的方式对被测目标(物光反射面)进行捕捉与对中。捕捉到的干涉图象由图象处理***进行分析处理、打印输出。从中获得离面位移与时间的关系。
第二套干涉计量装置是流场显示测量固液界面浓度边界层的定量干涉计量装置。它对透明相位物体(即晶体培养溶液的浓度)进行定量计量。它用另一He-Ne激光器作为光源，经空间滤波使准直扩束后，再经半反射镜、PZT全反射镜、另一半反射镜形成参考光束，由半反射镜反射的那束光，经全反射镜、晶体池再到半反射镜形成物光束，这两束光干涉。相干光束透过半反镜的信息由CCD 19成象显示全场信息。为了将固液界面边界层显示得足够清晰，由半反镜反射的相干光束经全反射到场镜进入显微物镜，再经过渡透镜进入CCD 24，形成显微干涉图(即固液界边浓度边界层，大约50μm厚度)，对晶体界面流场进行定量的干涉计量，并由图象处理***未完成数据处理和分析计算。CCD 19和CCD 24分别与图象处理器相连，视频磁带录相机、打印机连接在计算机上。
为了提高干涉计量的测量精度，在上述两套干涉部分中均采用任意步长相移干涉计量技术。
本实用新型的优点：
本实用新型由于采用上述方案，不仅可以测量晶体的生长速率，而且可以对晶体生长过程中的传热、传质、热质对流进行宏观到细观、甚至微观的在线测量。同时，以高的测量精度(达λ/100)获得晶体生长速率与晶体界面(50μm内)溶液浓度间的动态曲线，建立起晶体生长过程的动力学关系，达到定量地分析晶体生长机理过程。
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步详细说明。
图1是本实用新型的结构示意图。
图面说明：
He-Ne激光器1        空间滤波器2            分束镜3
PZT全反镜4          晶体生长池5            显微物镜6
过渡透镜7           电荷耦合器件CCD8       步进电机9
He-Ne激光器10       空间滤波器11           准直镜12
半反镜13            PZT全反镜14            半反镜15
物镜16                  全反镜17                半反镜18
电荷耦合器件CCD 19       全反镜20                场镜21
显微物镜22              过滤透镜23              电荷耦合器件CCD 24
步进电机25              四维调节机构26          计算机图象处理器27
视频磁带录相机28        打印机29
实施例1
按图1所示的本实用新型结构示意图制做，用He-Ne激光器1做光源，发射出的激光束经过滤波器2射到分束镜3上分为两束光：一束光射入晶体培养生长池5，它是安装在通常的四维步进电机驱动调节机构26上的，调节调节机构26使晶体生长面上反射的光束沿原光轴返回分束镜3，其透射光进入由显微物镜6和过渡透镜7组成的长工作距显微镜成象在通常的CCD 8上，作为物光；另一束透过分束镜3的光射到PZT全反镜4上反射回分束镜3后，经45°反射，同样进入由6和7组成的长工作距显微镜成象在CCD 8上，作为参考光。两束光在8的靶面上形成干涉图象，输入计算机图象处理器27进行处理，得到晶体生长速率数据及图形，显示在监视器上，并可通过视频磁带录象机28和打印机29输出。
用与晶体的结晶成核与相变过程的另一套干涉仪：由He-Ne激光器10做光源，其发射出的激光束经空间滤波器11和准直镜12到达半反镜13而分为两束，其反射光经全反镜17进入晶体生长池5，由晶体生长池5透射出的光作为物光通过半反镜15，物镜16和半反镜18将晶体生长池5被深测的全场成象在CCD 19上。与其对应的参考光束是由透过半反镜13的光，经PZT全反镜14，由半反镜15反射，通过物镜16和光反镜18成象在CCD 19上，与物光产生干涉图象，输入计算机图象处理系器27。
由半反镜18反射的另一部分相干光束(物光与参考光)经全反镜20，及由场镜21，显微物镜22，过渡透镜23组成的长工作距显微成象***将流场放大十倍成象在CCD 24上产生一个放大的干涉图象，显示晶体固液界面的浓度分布场。
上述三套干涉图象同时在线显示。

Claims (1)

1.一种晶体生长过程中的实时诊断显示装置，由干涉计量诊断仪，其特征在于：干涉计量诊断仪为两套，第一套干涉计量诊断仪为测试晶体生长速率的显微迈克尔逊干涉仪，包括：激光光源1、由激光光源1发射端起与激光光源1同光轴依次放置的空间滤波器2、分束镜3、PZT全反镜4以及与激光光源1光轴垂直且与分束镜3同光轴依次放置的显微物镜6、过渡透镜7和电荷耦合器件CCD 8，该套干涉计量诊断仪的所有零、部件位于同一平面内；
第二套干涉计量诊断仪为流场显示测量固液界面浓度界层的定量干涉计量装置，包括：激光光源10、由激光光源10发射端起与激光光源10同光轴依次放置的空间滤波器11、准直镜12、半反镜13、PZT全反镜14；PZT全反镜14和半反镜15同光轴且与激光光源10光轴垂直；与PZT全反镜14和半反镜15的光轴垂直并依次同光轴放置物镜16、半反镜18和电荷耦合器件CCD 19；与PZT全反镜14和半反镜15的光轴平行且同光轴放置全反镜18和半反镜20；与半反镜18、全反镜20光轴垂直且依次同光轴放置场镜21、显微物镜22、过渡透镜23和电荷耦合器件CCD 24；放置在四维调节机构26工作面上的晶体生长池5位于分束镜3的下方，全反镜17与半反镜15、CCD 19同光轴且位于晶体生长池5的另一侧，全反镜17与半反镜13同光轴；四维调节机构26由四维步进电机25驱动绕X、Y坐标轴轴向旋转、平移；
第二套干涉计量诊断仪的所有零、部件位于和第一套干涉计量诊断仪所在平面不同的同一平面内；
电荷耦合器件CCD 8、CCD 19和CCD 24分别与计算机主机电连接。
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