[发明专利]竖直—水平正交式激光散斑照相方法及装置

说明书

本发明所属技术领域为光学测试技术。

本发明的现有技术情况：

激光散斑测试技术是七十年代发展起来的一门新的光学测试技术，目前国内外主要利用该项技术测量固体的应力、应变，位移及流体的速度场，密度场。而对测量加热物体壁面的热流分布时，往往只能采用传统的光学干涉方法，该方法只适用于测量二维或轴对称加热物体对流热流，而且只能获得与光束传播方向相垂直截面内的热流分布。对测量微小电子器件三维对流换热热流分布则无能为力。随着微电子技术的发展，芯片的集成度不断提高，集成块尺寸越来越小，使芯片上的热流密度日益增高，而微电子器件的工作温度对其寿命和可靠性影响极大，因此微电子器件的冷却问题已成为九十年代的“热障”。如何测量微电子器件壁面热流分布已是微电子冷却技术研究的关键。

加热物体周围流体形成的热透镜效应所导致的光束偏转技术，已在纹影仪，光热光谱技术中得到应用，如：发明人为John    C.Murphy等的美国专利U.S.No.4，468，136，发明名称：光束偏转的热成象。该项专利技术是用光束偏转的光热光谱技术来测量材料表面性质的方法及装置。另外一项专利，发明人为Jacgues    Badoz等，专利申请号为U.S.No.4299，494，发明名称：在试样与环境介质之间的传热特性测量。该项专利是用光束偏转技术测量样品表面的传热特性而获得样品光能吸收光谱。这两项专利技术对光束偏折量的测量都是借助于电子学的方法，该方法可以进行动态实时测量，能记录下空间某一特定位置光束偏折量随时间的变化，但不足之处是，它只能逐点扫描测量，不能在瞬时记录下整个场的分布，即不能记录下同一时刻不同空间位置的光束偏折量的分布。

本发明的目的，为了解决当前现有技术的问题，而发明一种竖直-水平正交式激光散斑照相方法及装置。

本发明对加热物体壁面三维温度场的热流进行测量，可以同时获得加热物体壁面热流沿水平方向和竖直方向的分布。由于电子器件的几何尺寸较小，相应的自然对流的温度场呈三维分布特征，因而测量类似电子器件这样小尺寸物体的对流换热热流时，使用本发明的竖直-水平正交式激光散斑照相方法及装置是十分有效的。该装置容易实现计算机，图象处理，从而提高了工作效率和对实验结果的分析能力。

本发明的基本点：其方法是，在加热物体周围的流体呈现一个不均匀的温度场，类似一个热透镜，从而产生一个不均匀的折射率场，称之为热透镜效应。在其后放置一块毛玻璃（1），以激光散斑照相技术，可将由于热透镜效应所产生的光线偏折量转变成相应的散斑位移ε（2）（见图2），并记录在全息干板（3）上，形成散斑图。通过对散斑图的再现获得这些散斑位移量ε（2）的大小，从而确立加热物体表面的对流热流。

本发明的竖直-水平正交式激光散斑照相装置（见图1），它由激光器（4），水平光路，竖直光路组成的，其水平光路为激光纹影-主观散斑照相光路，竖直光路为毛玻璃后置式的主观散斑照相光路。其水平光路与竖直光路是正交式的。可以同时直接测量加热物体壁面热流沿水平方向和竖直方向的分布。

附图：

图1    竖直-水平正交式激光散斑照相装置示意图。

图2    光束偏转方向的变化产生散斑位移示意图。

图3    小尺寸加热物体坐标系统示意图。

图4    激光散斑图视频成象及计算机图象处理框图。

下面结合附图说明本发明创造的原理及其结构。

对流传热是电子器件冷却技术中的重要方法，通常对流热流的测量是借助于光学干涉方法，然而传统的光学干涉方法必须首先对流体的温度场做二维分布近似或轴对称分布近似处理，而且只能获得与光束传播方向相垂直截面内的热流分布，对于电子器件及几何尺寸很小的试验件，相应的自然对流温度场呈三维分布的特征。因而对测量类似电子器件这样小尺寸物体的对流换热热流分布时，传统的光学方法难以胜任。本发明是用激光散斑照相技术测量具有三维温度场分布的加热物体壁面热流分布。

激光散斑照相技术是激光束照射在漫射物体的表面时，漫射表面好似呈现无数微小的点光源，这些点光源所发射的相干子波光束在空间彼此相干，若相干光束间的位相差满足相长干涉的条件，则在空间形成亮斑;若位相差满足相消干涉的条件，则在空间形成暗斑;其他情况光斑的强度介于亮斑与暗斑之间。由于漫射相干子波光束之间的位相差是随机分布的，因而这些相干子波光束在空间形成无数随机分布的亮斑与暗斑，人们把它称之为“散斑”。