【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光测力学和变形测量的，具体涉及一种硅材内部应变快速无损非接触测量装置的测量方法。
技术介绍
1、目前，芯片尺寸已进入纳米时代。由于芯片封装体积的缩小、芯片总体功耗的上升，芯片产生的热量容易聚集，引起芯片温度的升高。而芯片基板常由复合材料构成，不同组分的热膨胀系数不同，在温度变化下内部会产生热失配，从而产生应力和应变，引起翘曲变形，甚至引发焊点失效、芯片开裂分层等问题。因此，芯片应变的检测问题正受到越来越多的关注。
2、由于芯片尺寸较小，属于微观测量，传统的基于应变片或引伸计的接触式应变测量方法难以满足该领域的需求。目前，数字图像相关方法(digital imagecorrelation,dic)是该领域中广泛应用的一种非接触式测量方法。该方法首先在试样上采用喷涂、淹没、刻蚀等方法在表面制作散斑点，再利用光学显微镜(om)或者扫描电子显微镜(sem)拍摄变形前后的散斑图像，通过对比变形前后散斑点的位置变化，分析生成试样的应变场分布。
3、然而，传统的应变测量方法存在两个重大局限：首先，传统的dic技术基于在被试样表面制作散斑进行分析，通过变形前后的散斑图，采用算法计算得出样品表面的应变分布及变化，测量质量很大程度上取决于散斑制作的质量；其次，传统dic技术要想实现高帧率的高速测量，需求价格昂贵的高速相机，帧率受到高速相机的限制，最高帧率在每秒万帧量级，且与视场大小和分辨率相互掣肘。
技术实现思路
1、本专利技术的一个目的在于针对现有技术的不足之处
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种硅材内部应变快速无损非接触测量装置，包括：
4、近红外飞秒激光器，用于产生足以透过待测样品成像且不损伤待测样品的近红外飞秒激光脉冲；
5、时域拉伸组件，其与所述近红外飞秒激光器相连，用于对所述近红外飞秒激光脉冲进行时域拉伸；
6、光信号放大组件，其与时域拉伸组件相连，用于对时域拉伸组件拉伸后的近红外飞秒激光脉冲进行功率补偿；
7、第一空间分散组件，其设置在光信号放大组件的出射光路上，用于将出射的近红外飞秒激光脉冲空间色散为空间脉冲；
8、显微物镜件，其设置于空间分散组件的出射光路上，用于将空间脉冲聚焦到待测样品上并将聚焦到待测样品上的空间脉冲进行透射；
9、第二空间分散组件，其设置在显微物镜件的出射光路上，所述第二空间分散组件用于将透过待测样品的光脉冲进行汇聚得到点光；
10、高速光电探测器，其位于第二空间分散组件的出射光路上，用于将透射光脉冲信号转换为模拟信号；
11、高速示波器，其与所述高速光电探测器电连接，用于采样模拟电信号；
12、数据处理装置，其与所述高速示波器电连接，用于将采样得到的模拟电信号进行处理计算获得待测样品内部的应变。
13、进一步地，还包括光功率计，在测试前，将所述光功率计放置在所述显微物镜与待测样品之间，在测试时，将所述光功率计移出光路。
14、进一步地，还包括第一透镜组件和第二透镜组件，所述第一透镜组件设置在所述第一空间分散组件与所述显微物镜件之间，其中，所述第一透镜组件用于调节脉冲光斑的大小以及脉冲入射至显微物镜件的角度；所述第二透镜组件设置在所述待测样品出射侧与所述第二空间分散组件之间，所述第二透镜组件用于将所述透射脉冲汇聚至第二空间分散组件上。
15、进一步地，还包括第一准直器和第二准直器，其中，所述第一准直器位于所述光信号放大组件与所述第一空间分散组件之间，所述第一准直器用于将经所述光信号放大组件放大后的脉冲以特定角度和空间光的形式入射至所述第一空间分散组件上；所述第二准直器位于所述第二空间分散组件与所述高速光电探测器之间，所述第二准直器用于将透射脉冲耦合至光路中。
16、进一步地，所述第一空间分散组件包括依次设置在光信号放大组件的出射光路上的第一声光偏转器和第一衍射光栅，所述第一声光偏转器用于改变脉冲的传播方向以实现飞秒激光在第一衍射光栅上入射位置及角度的改变，所述第一衍射光栅用于将近红外飞秒激光脉冲色散为一维空间脉冲。
17、进一步地，所述第二空间分散组件包括依次设置在显微物镜件的出射光路上的第二衍射光栅和第二声光偏转器，所述第二衍射光栅用于将一维空间脉冲还原为点光，所述第二声光偏转器用于将透过样品的二维扫描光束转换为一维空间脉冲。
18、进一步地，所述显微物镜件包括依次设置在第一空间分散组件的出射光路上的第一显微物镜和第二显微物镜，待测样品位于第一显微物镜和第二显微物镜之间的光路上。
19、本专利技术的另一个目的是提供一种根据上述的硅材内部应变快速无损非接触测量装置的测量方法，包括如下步骤：
20、步骤1、清洁待测样品，将其固定在所述显微物镜件的光路上；
21、步骤2、启动近红外飞秒激光器，产生足以透过待测样品成像且不损伤待测样品的近红外飞秒激光脉冲；
22、步骤3、时域拉伸组件对近红外飞秒脉冲进行时域拉伸后经过光信号放大组件放大，再经过第一空间分散组件、显微物镜件聚焦到待测样品上；
23、步骤4、穿过待测样品的脉冲通过第二空间分散组件依次入射到高速光电探测器和高速示波器上，最后传输至数据处理装置中，数据处理装置根据高速示波器采样得到的模拟电信号恢复透射过待测样品的光脉冲信号分布图像序列，并根据光脉冲信号分布图像序列获取待测样品发生应变前后光强度分布图像轮廓边界的变化，计算各区域应变，最后通过插值计算得出待测样品内部的应变。
24、进一步地，获得光强度分布图像序列的方法包括：
25、构建透射过待测样品的二维光强度分布图像序列，其帧率等于近红外飞秒激光器的重复频率，从被采样光脉冲信号i(x)到光强度信号is(x)转换的公式如下：
26、
27、其中，ir(x)为参考脉冲强度，t为被采样光脉冲信号i(x)经滤波的高频成分经希尔伯特变换后的分量，re(t)和im(t)分别为t的实部和虚部。
28、进一步地，数据处理装置根据光脉冲信号分布图像序列计算待测样品内部应变的方法包括：
29、采用非局部均值算法对光强度分布图像序列进行滤波处理，再对上述滤波后的光强度分布图序列提取二值化图像，采用特征值和特征向量法追踪待测样品应变前后的各轮廓区域分布，各轮廓区域对待测样品边界的位置坐标矩阵a表示为：a＝qλq，其中q为特征向量的矩阵，λ为特征值的矩阵；
30、应变前后各轮廓区域的变形表示为：
31、
32、式中：ei为单位向量；与分别代表应变前后各轮廓区域的变换矩阵；ej为区域的特征值；
33、则变形张量表示为：
34、
35、各轮廓区域的应变由下式计算得到：
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1.一种硅材内部应变快速无损非接触测量装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的硅材内部应变快速无损非接触测量装置，其特征在于，还包括光功率计，在测试前，将所述光功率计放置在所述显微物镜与待测样品之间，在测试时，将所述光功率计移出光路。
3.根据权利要求1所述的硅材内部应变快速无损非接触测量装置，其特征在于，还包括第一透镜组件和第二透镜组件，所述第一透镜组件设置在所述第一空间分散组件与所述显微物镜件之间，其中，所述第一透镜组件用于调节脉冲光斑的大小以及脉冲入射至显微物镜件的角度；所述第二透镜组件设置在所述待测样品出射侧与所述第二空间分散组件之间，所述第二透镜组件用于将所述透射脉冲汇聚至第二空间分散组件上。
4.根据权利要求1所述的硅材内部应变快速无损非接触测量装置，其特征在于，还包括第一准直器和第二准直器，其中，所述第一准直器位于所述光信号放大组件与所述第一空间分散组件之间，所述第一准直器用于将经所述光信号放大组件放大后的脉冲以特定角度和空间光的形式入射至所述第一空间分散组件上；所述第二准直器位于所述第二空间分散组件与所述高速光电探测器
5.根据权利要求1所述的硅材内部应变快速无损非接触测量装置，其特征在于，所述第一空间分散组件包括依次设置在光信号放大组件的出射光路上的第一声光偏转器和第一衍射光栅，所述第一声光偏转器用于改变脉冲的传播方向，所述第一衍射光栅用于将近红外飞秒激光脉冲色散为一维空间脉冲。
6.根据权利要求1所述的硅材内部应变超快无损非接触测量装置，其特征在于，所述第二空间分散组件包括依次设置在显微物镜件的出射光路上的第二衍射光栅和第二声光偏转器，所述第二衍射光栅用于将一维空间脉冲还原为点光，所述第二声光偏转器用于将透过样品的二维扫描光束转换为一维空间脉冲。
7.根据权利要求1所述的硅材内部应变快速无损非接触测量装置，其特征在于，所述显微物镜件包括依次设置在第一空间分散组件的出射光路上的第一显微物镜和第二显微物镜，待测样品位于第一显微物镜和第二显微物镜之间的光路上。
8.一种根据权利要求1-7任意一项所述的硅材内部应变快速无损非接触测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的硅材内部应变快速无损非接触测量装置的测量方法，其特征在于，获得光强度分布图像序列的方法包括：
10.根据权利要求8所述的硅材内部应变快速无损非接触测量装置的测量方法，其特征在于，数据处理装置根据光脉冲信号分布图像序列计算待测样品内部应变的方法包括：
...【技术特征摘要】
1.一种硅材内部应变快速无损非接触测量装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的硅材内部应变快速无损非接触测量装置，其特征在于，还包括光功率计，在测试前，将所述光功率计放置在所述显微物镜与待测样品之间，在测试时，将所述光功率计移出光路。
3.根据权利要求1所述的硅材内部应变快速无损非接触测量装置，其特征在于，还包括第一透镜组件和第二透镜组件，所述第一透镜组件设置在所述第一空间分散组件与所述显微物镜件之间，其中，所述第一透镜组件用于调节脉冲光斑的大小以及脉冲入射至显微物镜件的角度；所述第二透镜组件设置在所述待测样品出射侧与所述第二空间分散组件之间，所述第二透镜组件用于将所述透射脉冲汇聚至第二空间分散组件上。
4.根据权利要求1所述的硅材内部应变快速无损非接触测量装置，其特征在于，还包括第一准直器和第二准直器，其中，所述第一准直器位于所述光信号放大组件与所述第一空间分散组件之间，所述第一准直器用于将经所述光信号放大组件放大后的脉冲以特定角度和空间光的形式入射至所述第一空间分散组件上；所述第二准直器位于所述第二空间分散组件与所述高速光电探测器之间，所述第二准直器用于将透射脉冲耦合至光路中。
5.根据权利要求1所述的硅材内部应变快速无损非接触测量装置，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈志文，张家驹，雷诚，翁跃云，刘胜，刘俐，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
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