CN104502363A

CN104502363A - 一种蓝宝石微缺陷无损检测装置

Info

Publication number: CN104502363A
Application number: CN201410843379.2A
Authority: CN
Inventors: 喻更生; 周益春; 邓谋栋; 林建国
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2015-04-08

Abstract

本发明公开了一种蓝宝石微缺陷无损检测装置，该装置中激光器、分光镜和蓝宝石样品固定在光路直线导轨上的同一个水平面上；激光器发出的激光经分光镜分成两路：参考光和入射光，高清CCD1采集参考光信号传输到计算机；入射光照射蓝宝石样品后分为透射光和散射光，高清CCD2采集透射光信号传输到计算机，高清CCD3采集散射光信号传输到计算机，同步触发器使高清CCD1和高清CCD2同步对参考光和透射光进行采集。本发明对蓝宝石微/纳米级缺陷进行检测同，不受样品形状、尺寸的影响，可以在线检测、灵敏度高、重复性好、测量结果精确，不受衍射极限的限制，能分析由缺陷引起对应脉冲信号的衰减，便于标准化处理。

Description

一种蓝宝石微缺陷无损检测装置

技术领域

本发明涉及蓝宝石检测领域，具体地说，涉及一种能对蓝宝石微/纳米级缺陷的大小和位置进行准确判断的无损检测装置。

背景技术

虽然随着生长和加工工艺的增长，蓝宝石的各种缺陷尺寸不断减小，但仍然存在一些微米、亚微米乃至纳米级的缺陷。这些缺陷的存在可能导致器件在承受设定载荷下发生突然断裂，往往会造成晶体报废。当前主要采用光学显微镜、便面粗糙度仪、激光共聚焦显微镜等技术来检测晶体中的缺陷，但是它们只能检测到较大的微缺陷，目前对微/纳米级缺陷的无损检测还没有行之有效的方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种不受样品形状、尺寸的影响，可以在线检测、灵敏度高、重复性好、测量结果精确的蓝宝石微/纳米级缺陷无损检测装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种蓝宝石微缺陷无损检测装置，包括光路检测系统和缺陷信息分析系统；其中所述光路检测系统包括：激光器、分光镜和放置蓝宝石样品的载物工作平台；所述缺陷信息分析系统包括：高清CCD1、高清CCD2、高清CCD3、A/D转换器1、A/D转换器2、A/D转换器3和计算机；激光器、分光镜和蓝宝石样品固定在光路直线导轨上的同一个水平面上；所述激光器发出的激光经分光镜分成两路：参考光和入射光，所述高清CCD1采集参考光的光信号并通过A/D转换器1将光信号转换为数字信号传输到计算机；所述入射光照射蓝宝石样品后分为透射光和散射光，所述高清CCD2采集透射光的光信号并通过A/D转换器2将电信号转换成数字信号传输到计算机进行图像处理和光强分析；所述高清CCD3采集散射光的光信号并通过A/D转换器3将电信号转换成数字信号传输到计算机。

所述检测装置还包括能触发高清CCD1和高清CCD2同步对参考光和透射光进行采集的同步触发器。无论样品移动在何位置，对应任一时刻，参考光和透射光的信号总是瞬间来自同一束光，光的频率和强度一样，变化量总是固定的，保证了光源的相对稳定性，而散射光场的相对分布不受光源影响，两者之间的相对变化量是固定的，便于分析测量结果和量化处理。

所述激光器为输出功率连续可调的脉冲激光器，确保了光源的稳定性和测量结果具有可比性；同时由于蓝宝石中微体缺陷的大小跨度非常大，可以从微米级到纳米级，激光器的输出功率连续可调，使检测装置对较大的体缺陷和较小的体缺陷都能进行检测。

所述载物工作平台可在二维平面移动，这样可使激光对蓝宝石样品进行全面扫描，找出蓝宝石样品内存在的全部缺陷。

本发明的有益效果在于，本装置对蓝宝石微/纳米级缺陷进行检测同，不受样品形状、尺寸的影响，可以在线检测、灵敏度高、重复性好、测量结果精确，不受衍射极限的限制，能分析由缺陷引起对应脉冲信号的衰减，便于标准化处理，通过对微体缺陷发出的散射光的分布图样进行分析，而不是对微体缺陷进行成像来得出蓝宝石样品中是否有缺陷及缺陷大小，避开了光学成像中衍射的极限的缺点。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的对应脉冲信号衰减示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，为本发明的一种蓝宝石微缺陷无损检测装置，包括光路检测系统和缺陷信息分析系统；其中光路检测系统包括：激光器101、分光镜102和放置蓝宝石样品的载物工作平台103；缺陷信息分析系统包括：高清CCD1 104、A/D转换器1 105、高清CCD2 106、高清CCD3 107、计算机108、同步触发器109、A/D转换器2 110、A/D转换器3 111。

激光器101、分光镜102和蓝宝石样品固定在光路直线导轨上的同一个水平面上；激光器101发出的激光经分光镜102分成两路：参考光和入射光，高清CCD1 104采集参考光的光信号并通过A/D转换器1 105将光信号转换为数字信号传输到计算机108；入射光照射蓝宝石样品后分为透射光和散射光，高清CCD2106采集透射光信号并通过A/D转换器2 110将电信号转换成数字信号传输到计算机108进行图像处理和光强分析；高清CCD3 107采集散射光信号并通过A/D转换器3 111将电信号转换成数字信号传输到计算机108，同步触发器109与高清CCD1 104和高清CCD2 106相连，触发高清CCD1 104和高清CCD2 106同步对参考光和透射光进行采集。

移动载物工作平台，使入射光照射到蓝宝石样品对蓝宝石进行全面的二维扫描。由于蓝宝石内部存在微体缺陷，会出现入射光的散射。

先对标准蓝宝石样品进行检测，高清CCD1 104和高清CCD2 106同步采集的参考光和透射光信号送入计算机108中进行光强分析；高清CCD3 107采集的散射光送入计算机108中对散射光光强进行分析。再对待测蓝宝石样品进行上述操作，根据对标准蓝宝石样品和待测蓝宝石样品的散射光图像进行图像对比处理初步判断是否存在缺陷、并根据蓝宝石微体缺陷激光散射检测原理进行计算机仿真得出具体缺陷形貌和大小。

工作过程是当激光用分光镜102将光源分成两半，一路作为入射光I，另一路作为参考光I(固定不变)。入射光在空气中因为空气散射损失一部分能量I₁(这一部分光强我们可以用CCD测得，为一恒定值)，然后射入到蓝宝石样品上，激光透过蓝宝石样品后一部分因为样品中的缺陷而形成散射光，另一部分为透射光，这时用CCD3107采集散射光数据，用CCD2106采集透射光数据。入射光源能量分成三部分，即I＝I₁+I₂+I₃，I为入射光的总强度，I₁为空气散射强度，I₂为蓝宝石样品散射强度，I₃为蓝宝石样品透射光强度。

测试环境相对稳定下，空气散射强度I₁可以认为是一个恒定的常数。变化量是由蓝宝石样品的缺陷引起散射光强的变化，且I₂与I₃的和为一恒定的常数。如果样品中存在缺陷，无论形貌多么复杂，尺度跨度多大，透射光I₃强度会发生显著变化，然后用CCD测试光强。分析响应时间差，将具体缺陷的I₃与I的值进行比较得到对应脉冲下光的损失量。我们始终可以两者之间相对变化与具体缺陷的对应关系，如图2所示。

将散射光和透射光的测量结果与标准样品的结果对比，确定样品内是否含有缺陷，并判断缺陷的密度与分布；分析激光在晶体介质的散射模型与缺陷形貌之间的关联，得到具体的缺陷引起的散射光场与透射光场的分布规律。由散射成像显微镜获取缺陷形貌，并找到缺陷对应的散射光信号，与仿真结果对比，初步判断缺陷的大小；根据具体位置对应的光信号，分析两者之间的相对变化量，并反演得到具体缺陷，找到相对变化量与缺陷大小的对应关系；用散射成像显微镜获取缺陷形貌，摄像头记录的每一张照片并储存在电脑里，检验后汇总所有照片，根据这些缺陷的信息反演得到具体缺陷形貌、密度以及分布。

本发明可以通过缺陷散射成像与散射光场相对变化关系，结合计算仿真结果，准确判断材料中缺陷的形貌、尺寸、密度以及分布。根据缺陷形貌大小和光强的变化建立相对应关系可以实现蓝宝石的在线检测。

Claims

1.一种蓝宝石微缺陷无损检测装置，其特征在于，包括光路检测系统和缺陷信息分析系统；其中所述光路检测系统包括：激光器、分光镜和放置蓝宝石样品的载物工作平台；所述缺陷信息分析系统包括：高清CCD1、高清CCD2、高清CCD3、A/D转换器1、A/D转换器2、A/D转换器3和计算机；激光器、分光镜和蓝宝石样品固定在光路直线导轨上的同一个水平面上；所述激光器发出的激光经分光镜分成两路：参考光和入射光，所述高清CCD1采集参考光的光信号并通过A/D转换器1将光信号转换为数字信号传输到计算机；所述入射光照射蓝宝石样品后分为透射光和散射光，所述高清CCD2采集透射光的光信号并通过A/D转换器2将电信号转换成数字信号传输到计算机进行图像处理和光强分析；所述高清CCD3采集散射光的光信号并通过A/D转换器3将电信号转换成数字信号传输到计算机。

2.如权利要求1所述的蓝宝石微缺陷无损检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括能触发高清CCD1和高清CCD2同步对参考光和透射光进行采集的同步触发器。

3.如权利要求1所述的蓝宝石微缺陷无损检测装置，其特征在于，所述激光器为输出功率连续可调的脉冲激光器。

4.如权利要求1所述的蓝宝石微缺陷无损检测装置，其特征在于，所述载物工作平台可在二维平面移动。