一种组合式高温多光谱内窥镜的制作方法

本发明涉及多光谱成像，特别涉及一种组合式高温多光谱内窥镜。

背景技术：

1、晶体生长技术是利用物质(液态、固态、气态)的物理化学性质控制相变过程，获得具有一定结构、尺寸、形状和性能的晶体的技术。近年来，多种化合物半导体等电子材料、光电子材料、非线性光学材料、超导材料、铁电材料、金属单晶材料的发展，对晶体生长技术提出了越来越复杂的要求，晶体生长已逐渐形成了一系列的科学理论，并被用于晶体生长过程的控制。

2、人们通常认为人工晶体生长是技艺和科学的结合，制备完整晶体需要具备以下条件：(1)反应体系的温度要控制得均匀一致，以防止局部过冷或过热，影响晶体的成核和生长；(2)结晶过程要尽可能地慢，以防止自发成核的出现，阻碍晶体长大；(3)使降温速度与晶体成核、生长速度相配匹，使晶体生长得均匀、晶体中没有浓度梯度、组成不偏离化学整比性。

3、晶体生长炉主要由晶体提拉控制系统、晶体旋转控制系统、真空泵操作控制系统、晶体生长温度控制系统等几部分组成。晶体生长炉中的温度场测量是一个难度极高的技术，由于生长炉中的温度极高，并且炉腔封闭性极好，任何额外的测温装置的介入都会对炉腔内的温场造成影响。目前主要采用装在升降装置底部的热电偶，或者采用在观察窗外通过红外测温仪进行测量。上述两种方式，热电偶的测温位置固定，不能够完全测量炉内的温度场分布；外部的红外测温仪，由于受到观察窗口较小、红外辐射变化大等因素影响，温度测量极不稳定。

4、中国专利申请cn202111372355.x，公开了一种高光谱内窥镜光源装置及内窥镜，采用两个光源组件及其相对应的两个分色合光部件构成，应用于医学内窥镜领域，通过双波长照明及采集，获得双波长的内窥图像。但是，需要具有双波长照明光源，并且只能采集两个波长的图像，并不具有高光谱甚至多光谱的特性。另外的，采用光谱仪获得高光谱的中国专利申请cn202310199253.5采用光纤光谱仪采集温场的单点光谱，虽然光谱分辨率较高，但是不具有高光谱成像的特性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题是：提供一种组合式高温多光谱内窥镜，在不破坏晶体生长炉中的温度场的情况下，对炉腔内的温度场进行多光谱成像。

2、本发明采用如下技术方案：一种组合式高温多光谱内窥镜，包括：装置前端、分光成像装置和装置后端；

3、装置前端，由高温窗口、前端透镜和内窥管构成，高温窗口插入晶体生长炉腔内，前端透镜置于内窥管内，内窥管一端连接高温窗口，另一端连接至分光成像装置；

4、分光成像装置，两端通过固定装置分别连接装置前端和装置后端，分光成像装置由若干个单光谱模块构成，单光谱模块按不同波段标记，依次组合连接；每个单光谱模块包括：双色镜、成像透镜、ccd，以及用于数据传输及供电的传输线接口；

5、装置后端包括后端透镜及观察口，肉眼通过观察口，对晶体生长炉腔内进行观察。

6、进一步地，高温窗口由可见光至红外波段透明的材料构成，包括石英、氟化钙、蓝宝石；其中，优选为可耐2050℃的蓝宝石晶体材料。

7、内窥管内的透镜构成材料与上述窗口片材料相同，其焦距选择为约1m，对约1m处的物体发出的热辐射光线进行准直，准直平行的热辐射红外光线穿过内窥管，传输至单光谱模块中的双色镜进行分光。

8、进一步地，单光谱模块有n个，每个单光谱模块的两端都具有固定装置，第一个单光谱模块通过一端的固定装置连接至内窥管，通过另一端的固定装置连接至其他单光谱模块，若干个单光谱模块依次连接，最后一个单光谱模块通过固定装置连接至装置后端。

9、固定装置包括固定孔，通过螺丝或销钉穿过固定孔进行组合连接。

10、每个单光谱模块中的双色镜为窄带反射滤光片，反射的中心波长为λi，i＝1、2...n；若干个单光谱模块，按照λ1<λ2<λ3<......<λn的方式或相反方式排列。

11、每个单光谱模块中ccd的响应波长与双色镜反射的中心波长相对应，在成像透镜作用下，将内窥管内透镜传输过来的光线进行聚焦成像，由ccd进行采集。

12、每个单光谱模块上还具有接入和输出两个传输接口，通过传输线连接，传输线通过接插传输端口，进行供电以及信号传输，若干个单光谱模块通过传输线进行串联，最后一个单光谱模块的传输线连接至图像处理装置。

13、优选地，传输接口为usb接口，传输接口和传输线采用usb协议进行供电和信号传输。

14、进一步地，图像处理装置通过温度拟合算法计算温度场，通过显示装置显示晶体生长炉内的图像以及温度分布；

15、所述温度拟合算法，根据测量到的辐射谱u(λ,t)，通过二分法、插值法算法，计算温度k，然后依次对整幅图像进行拟合，获得温度场分布后，考虑空气损耗、窗口损耗、表面发射损耗线性损耗，对温度场进行修正；

16、辐射谱按照如下普朗克黑体辐射公式给出：

17、

18、其中，u(λ,t)是单位波长的功率密度，h是普朗克常数，c是真空光速，λ是波长，k是玻尔兹曼常数，t是温度。

19、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

20、1、本发明组合式高温多光谱内窥镜，在不破坏晶体生长炉中的温度场的情况下，对炉腔内的温度场进行成像，解决了高温内窥镜所缺少的多光谱成像问题。

21、2、本发明组合式高温多光谱内窥镜，采用多个单光谱模块，测量多个波长的热辐射功率，从而获得多个波长的热辐射功率相对值，通过拟合获得温场分布，并对晶体生长炉内的温度场进行成像，有利于炉内晶体生长的控制。

技术特征：

1.一种组合式高温多光谱内窥镜，其特征在于，包括：装置前端、分光成像装置和装置后端；

2.根据权利要求1所述的组合式高温多光谱内窥镜，其特征在于，高温窗口及前端透镜由可见光至红外波段透明的材料构成，包括石英、氟化钙、蓝宝石；

3.根据权利要求2所述的组合式高温多光谱内窥镜，其特征在于，所述透明材料为耐2050℃的蓝宝石晶体材料，前端透镜焦距为1米。

4.根据权利要求1所述的组合式高温多光谱内窥镜，其特征在于，每个单光谱模块的两端都具有固定装置，第一个单光谱模块通过一端的固定装置连接至内窥管，通过另一端的固定装置连接至其他单光谱模块，若干个单光谱模块依次连接，最后一个单光谱模块通过固定装置连接至装置后端。

5.根据权利要求4所述的组合式高温多光谱内窥镜，其特征在于，固定装置包括固定孔，通过螺丝或销钉穿过固定孔进行组合连接。

6.根据权利要求1所述的组合式高温多光谱内窥镜，其特征在于，单光谱模块有n个，每个单光谱模块中的双色镜为窄带反射滤光片，反射的中心波长为λi，i＝1、2...n；若干个单光谱模块，按照λ1<λ2<λ3<......<λn的顺序或相反顺序排列。

7.根据权利要求6所述的组合式高温多光谱内窥镜，其特征在于，每个单光谱模块中ccd的响应波长与双色镜反射的中心波长相对应，在成像透镜作用下，将内窥管内透镜传输过来的光线进行聚焦成像，由ccd进行采集。

8.根据权利要求1所述的组合式高温多光谱内窥镜，其特征在于，每个单光谱模块的ccd上具有接入和输出两个传输接口，通过传输线连接，传输线通过接插传输端口，进行供电以及信号传输，若干个单光谱模块通过传输线进行串联，最后一个单光谱模块的传输线连接至图像处理装置，将ccd采集的图像传输至图像处理装置。

9.根据权利要求8所述的组合式高温多光谱内窥镜，其特征在于，图像处理装置通过温度拟合算法计算温度场，通过显示装置显示晶体生长炉内的图像以及温度分布；

10.根据权利要求8所述的组合式高温多光谱内窥镜，其特征在于，传输接口为usb接口，传输接口和传输线采用usb协议进行供电和信号传输。

技术总结
本发明公开了一种组合式高温多光谱内窥镜，包括：由高温窗口、前端透镜和内窥管构成的装置前端、由可组合的若干个单光谱模块构成的分光成像装置、由后端透镜及观察口组成的装置后端；分光成像装置的两端通过固定装置分别连接装置前端和装置后端，每个单光谱模块还包括：双色镜、成像透镜、CCD，以及用于数据传输及供电的传输线接口。高温窗口插入晶体生长炉腔内，前端透镜对焦距处物体发出的热辐射光线进行准直，准直平行的热辐射红外光线穿过内窥管，传输至单光谱模块中的双色镜进行分光，成像透镜将光线进行聚焦成像，由CCD进行采集，通过温度拟合算法计算温度场，对晶体生长炉内的温度场进行成像，有利于炉内晶体生长的控制。

技术研发人员：尹志军,叶志霖,崔国新,汤济,石家康,成钊宇,沈厚军,吕新杰,许启诚
受保护的技术使用者：南京南智先进光电集成技术研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31