專利名稱：一種多光束激光誘導紅外輻射成像裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多光束激光誘導紅外輻射成像領(lǐng)域，具體是一種利用衍射分光裝置分光的紅外輻射成像裝置及方法。
背景技術(shù)：
光熱福射測量(Photothermal radiometry)技術(shù)是測量樣品在激光照射下產(chǎn)生的紅外輻射波的一種無損檢測技術(shù)。光熱輻射技術(shù)的基本原理是一束經(jīng)過調(diào)制的激光束入射到樣品的表面，樣品吸收激光束的能量后會引起局部溫度變化，從而引起樣品的紅外熱輻射的變化。因激光照射而引起的紅外熱輻射與樣品的吸收系數(shù)、熱擴散系數(shù)等物質(zhì)特性有關(guān)，通過測量激光照射引起的紅外熱輻射信號，可以獲得樣品的吸收系數(shù)、熱擴散系數(shù)等物質(zhì)特性?；诠鉄彷椛錅y量技術(shù)的成像技術(shù)在無損檢測、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，包括對各種復合材料缺陷的檢測、表征、損傷與評估，半導體缺陷的測量，牙齒缺陷成像和早期癌癥檢測等?，F(xiàn)有的激光誘導的光熱輻射測量技術(shù)可分為兩大類。第一類是利用單點探測器，通過逐點掃描來進行顯微成像，從而獲得樣品的二維圖像。該方法的優(yōu)點是每一點都利用鎖相技術(shù)檢測，信噪比好，檢測靈敏度高，成像的分辨率決定于激發(fā)激光光斑，可以做到較高；缺點是需要逐點掃描，耗費大量時間，成像速度慢。第二類是利用紅外探測器陣列(例如紅外相機等)，直接獲得樣品的二維圖像。該方法的優(yōu)點是成像速度快；缺點是成像分辨率取決于紅外探測器陣列及其相關(guān)紅外成像系統(tǒng)，與逐點掃描方法相比，分辨率較低，靈敏度也較低，并且紅外相機價格昂貴，體積大，不易集成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種利用衍射分光裝置分光的紅外輻射成像裝置及方法，解決現(xiàn)有的采用單紅外探測器的逐點掃描光熱輻射成像中耗時過長的問題，也可以克服紅外照相機價格昂貴、體積大、不易集成，以及分辨率和靈敏度較低的問題。本發(fā)明的技術(shù)方案為
一種多光束激光誘導紅外輻射成像裝置，包括激光器和探測器，所述的探測器選用紅外探測器，從所述的激光器和紅外探測器之間依次設(shè)置有衍射分光裝置、激光光束調(diào)制裝置、激光聚焦透鏡、紅外輻射波收集裝置和紅外濾光裝置。所述的衍射分光裝置選用分光光柵。所述的紅外輻射波收集裝置選用紅外透鏡或者金屬拋面鏡。一種多光束激光誘導紅外輻射成像方法，包括以下步驟首先將待測樣品置于激光聚焦透鏡和紅外輻射波收集裝置之間，然后激光器發(fā)出的激光光束經(jīng)過衍射分光裝置被分成多束呈陣列分布的光束組，光束組經(jīng)過激光光束調(diào)制裝置后受到調(diào)制，并且每一束光束的調(diào)制頻率各不相同，調(diào)制后的激光束組經(jīng)由激光聚焦透鏡后照射到待測樣品，每一束激光都產(chǎn)生相應(yīng)的紅外輻射，由待測樣品的紅外輻射信號由紅外輻射收集裝置收集會聚，并經(jīng)過紅外輻射濾波裝置后進入紅外探測器；紅外探測器獲得的紅外輻射信號含有不同調(diào)制頻率下的激光束誘導紅外輻射信號，分別代表來自樣品上不同激光束所對應(yīng)的區(qū)域的信號，這些信號通過后續(xù)數(shù)據(jù)處理，得到樣品表面的二維激光誘導紅外輻射圖像。所述的每一束激光都產(chǎn)生相應(yīng)的紅外輻射，樣品前表面反射的紅外輻射信號由紅外輻射收集裝置收集會聚，并經(jīng)過紅外輻射濾波裝置后進入紅外探測器獲得待測樣品的二維圖像。 所述的每一束激光都產(chǎn)生相應(yīng)的紅外福射,經(jīng)樣品后表面出射的紅外福射信號由紅外輻射收集裝置收集會聚，并經(jīng)過紅外輻射濾波裝置后進入紅外探測器獲得待測樣品的二維圖像。所述的紅外探測器與多個模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路或鎖相放大器進行并行測量，可進一步節(jié)省測量時間，提高成像速度。 本發(fā)明的設(shè)計原理為
根據(jù)光路可逆原理，在成像系統(tǒng)中，用光源陣列代替探測陣列，用點探測器代替點光源，即光源陣列上的每一個點相當于一個像素，對應(yīng)成像物體上的每一個點；經(jīng)過成像物體的載波通過聚焦透鏡會聚到點探測器上，只要光源陣列上每一個點源發(fā)出的信號是可分辨的，這樣用單個探測器就能夠同時獲得每一個點源發(fā)出的信號的信息，從而獲得物體的二維圖像信息。本發(fā)明的優(yōu)點
本發(fā)明利用單紅外探測器直接獲得二維的光熱紅外輻射圖像，成像速度較傳統(tǒng)的逐點掃描成像方法大大提高。用一臺激光器發(fā)出的激光通過衍射分光裝置分成10X10的光束組，相對激發(fā)產(chǎn)生10X10的紅外輻射波束組，這樣成像速度理論上可提高100倍。而且這種成像裝置也不需要像傳統(tǒng)的二維成像技術(shù)那樣采用紅外照相機，這也降低了系統(tǒng)的復雜程度，節(jié)約了成本。


圖I是本發(fā)明實施例I中多光束激光誘導紅外輻射反射式成像裝置的應(yīng)用結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實施例2中多光束激光誘導紅外輻射透射式成像裝置的應(yīng)用結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式實施例I
見圖1，一種多光束激光誘導紅外輻射反射式成像裝置，包括依次設(shè)置的激光器I、衍射分光裝置2、激光光束調(diào)制裝置3、激光聚焦透鏡4、紅外輻射波收集裝置5、紅外濾光裝置6和紅外探測器7 ;衍射分光裝置2選用分光光柵；紅外輻射波收集裝置5選用紅外透鏡或者金屬拋面鏡；見圖1，一種多光束激光誘導紅外輻射成像方法，包括以下步驟首先將待測樣品8置于激光聚焦透鏡4和紅外輻射波收集裝置5之間，然后激光器I發(fā)出的激光光束經(jīng)過衍射分光裝置2被分成多束呈陣列分布的光束組，光束組經(jīng)過激光光束調(diào)制裝置3后受到調(diào)制，并且每一束光束的調(diào)制頻率各不相同，調(diào)制后的激光束組經(jīng)由激光聚焦透鏡4后照射到待測樣品8，每一束激光都產(chǎn)生相應(yīng)的紅外輻射，由待測樣品8前表面反射的紅外輻射信號由紅外輻射收集裝置5收集會聚，并經(jīng)過紅外輻射濾波裝置6后進入紅外探測器
7。紅外探測器7的輸出信號利用鎖相檢測技術(shù)探測，此時，以與某一激光束的調(diào)制頻率相同的交流信號作為鎖相檢測的參考信號，這樣只有該光束激發(fā)產(chǎn)生的紅外輻射信號能夠被鎖相放大器測出，其它激光束激發(fā)的信號都被濾掉，然后依次改變參考信號的頻率，就可以獲得對應(yīng)的激光束激發(fā)產(chǎn)生的信號，最后再根據(jù)激光束的編號以及對應(yīng)測得的信號，就可以獲得空間不透光樣品的二維圖像。在實際應(yīng)用中可以利用多個模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路或者多通道鎖相放大器進行并行測量，以節(jié)省依次改變參考信號頻率進行測量的時間，進一步提高成像速度。該成像方法的空間分辨率主要由樣品表面激發(fā)光的光斑大小決定。本實施例是利用在物體前表面輻射的紅外信號來對物體進行成像。本實施例可用 于固體材料的缺陷檢測，固體材料的缺陷檢測包括但不局限于半導體材料的缺陷檢測和復合材料的缺陷檢測。也可用于材料的物理特性的測定，物理特性包括但不局限于吸收系數(shù)、熱傳導系數(shù)、顯微硬度以及層狀結(jié)構(gòu)參數(shù)等。本實例還可用于醫(yī)療診斷，包括但不局限于牙齒缺陷檢測和早期癌癥診斷等。實施例2
見圖2，一種多光束激光誘導紅外輻射透射式成像裝置，包括依次設(shè)置的激光器I、衍射分光裝置2、激光光束調(diào)制裝置3、激光聚焦透鏡4、紅外輻射波收集裝置5、紅外濾光裝置6和紅外探測器7 ;衍射分光裝置2選用分光光柵；紅外輻射波收集裝置5選用紅外透鏡或者金屬拋面鏡；見圖2，一種多光束激光誘導紅外輻射成像方法，包括以下步驟首先將待測樣品8置于激光聚焦透鏡4和紅外輻射波收集裝置5之間，然后激光器I發(fā)出的激光光束經(jīng)過衍射分光裝置2被分成多束呈陣列分布的光束組，光束組經(jīng)過激光光束調(diào)制裝置3后受到調(diào)制，并且每一束光束的調(diào)制頻率各不相同，調(diào)制后的激光束組經(jīng)由激光聚焦透鏡4后照射到待測樣品8，每一束激光都產(chǎn)生相應(yīng)的紅外輻射，經(jīng)過待測樣品8后表面出射的紅外輻射信號由紅外輻射收集裝置5收集會聚，并經(jīng)過紅外輻射濾波裝置6后進入紅外探測器7。紅外探測器7的輸出信號利用鎖相檢測技術(shù)探測，具體探測過程同實施例I。
權(quán)利要求
1.一種多光束激光誘導紅外輻射成像裝置，包括激光器和探測器，其特征在于所述的探測器選用紅外探測器，從所述的激光器和紅外探測器之間依次設(shè)置有衍射分光裝置、激光光束調(diào)制裝置、激光聚焦透鏡、紅外輻射波收集裝置和紅外濾光裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種多光束激光誘導紅外輻射成像裝置，其特征在于所述的衍射分光裝置選用分光光柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種多光束激光誘導紅外輻射成像裝置，其特征在于所述的紅外輻射波收集裝置選用紅外透鏡或者金屬拋面鏡。
4.一種多光束激光誘導紅外輻射成像方法，其特征在于包括以下步驟首先將待測樣品置于激光聚焦透鏡和紅外輻射波收集裝置之間，然后激光器發(fā)出的激光光束經(jīng)過衍射分光裝置被分成多束呈陣列分布的光束組，光束組經(jīng)過激光光束調(diào)制裝置后受到調(diào)制，并且每一束光束的調(diào)制頻率各不相同，調(diào)制后的激光束組經(jīng)由激光聚焦透鏡后照射到待測樣品，每一束激光都產(chǎn)生相應(yīng)的紅外輻射，由待測樣品的紅外輻射信號由紅外輻射收集裝置 收集會聚，并經(jīng)過紅外輻射濾波裝置后進入紅外探測器；紅外探測器獲得的紅外輻射信號含有不同調(diào)制頻率下的激光束誘導紅外輻射信號，分別代表來自樣品上不同激光束所對應(yīng)的區(qū)域的信號，這些信號通過后續(xù)數(shù)據(jù)處理，得到樣品表面的二維激光誘導紅外輻射圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多光束激光誘導紅外輻射成像方法，其特征在于所述的每一束激光都產(chǎn)生相應(yīng)的紅外輻射，樣品前表面反射的紅外輻射信號由紅外輻射收集裝置收集會聚，并經(jīng)過紅外輻射濾波裝置后進入紅外探測器獲得待測樣品的二維圖像。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多光束激光誘導紅外輻射成像方法，其特征在于所述的每一束激光都產(chǎn)生相應(yīng)的紅外輻射，經(jīng)樣品后表面出射的紅外輻射信號由紅外輻射收集裝置收集會聚，并經(jīng)過紅外輻射濾波裝置后進入紅外探測器獲得待測樣品的二維圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多光束激光誘導紅外輻射成像裝置及方法，多光束激光誘導紅外輻射成像裝置包括依次設(shè)置的激光器、衍射分光裝置、激光光束調(diào)制裝置、激光聚焦透鏡、紅外輻射波收集裝置、紅外濾光裝置和紅外探測器。本發(fā)明利用單紅外探測器直接獲得二維的光熱紅外輻射圖像，成像速度較傳統(tǒng)的逐點掃描成像方法大大提高，而且這種成像裝置也不需要像傳統(tǒng)的二維成像技術(shù)那樣采用紅外照相機，這也降低了系統(tǒng)的復雜程度，節(jié)約了成本。
文檔編號G01N21/39GK102721664SQ201210123618
公開日2012年10月10日 申請日期2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月25日
發(fā)明者吳周令, 陳堅 申請人:吳周令