專利名稱：高能電子衍射圖像處理系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明的方法適用于利用反射式高能電子衍射(RHEED，ReflectiveHigh Energy Electron Diffraction)進行表面分析的場合，特別是在分子束外延(MBE，Molecular Beam Epitaxy)設備中。
背景技術：
反射式高能電子衍射在分子束外延設備中被廣泛應用。它是MBE中最為重要的原位監(jiān)測手段。
高能電子衍射系統(tǒng)中，高能電子束(通常為14KV)以非常小的角度掠射到樣品的表面，入射角度通常為1°～2°。由于入射電子束的法向分量非常小，因此高能電子束只能深入到距離樣品表面一到二個原子層，這些衍射后的電子束打到磷熒光屏上形成衍射圖樣。由于高能電子束只能穿透樣品表面，所以RHEED衍射圖樣帶有樣品表面的信息。這些信息對于研究利用分子束外延的表面來講是非常重要的。圖1是RHEED高能電子衍射的原理圖。
RHEED圖像通常有如下幾種作用1、通過觀察RHEED衍射圖樣，人們可以觀察襯底表面的脫氮狀況，從而判定樣品的脫氧溫度，進而確定材料的生長溫度；2、通過RHEED衍射圖樣，可以得到樣品表面的信息，能過RHEED圖樣，人們可以看到外延層的生長質(zhì)量，還可以觀察樣品表面的再構狀況等許多信息；3、在材料生長的過程中，RHEED衍射斑點通常會出現(xiàn)按一定周期的振蕩，這個振蕩的周期對應于外延層原子層累加的周期，因此可以利用這個特性計算出材料的生長速率。
以往人們通常用肉眼來觀察RHEED衍射圖樣，所以觀察起來非常費力，容易出錯，雖然可以看到表面的衍射信息，但要計算生長速率是不可能的。
也有在RHEED屏幕后面放置一個CCD攝像頭，然后將衍射信息顯示在電視上，這種方法雖然觀察起來較為方便，但同樣非常難以計算生長速率。
為了計算生長速率，也有人將光纖放在屏幕衍射斑點的后面，但這種方法效果不好，噪聲很大。
以上這幾種方法都各有所長，但他們都不能將屏幕上的圖像保存下來，也就無法在材料生長后進行分析。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高能電子衍射圖像處理系統(tǒng)及方法，其具有操作簡單，使用方便，準確性高的優(yōu)點，本系統(tǒng)采用計算機處理，可以將RHEED熒光屏上的圖像保存到計算機的硬盤。
這種方法利用CCD攝像頭將RHEED屏幕上的衍射圖樣采集下來，由圖像采集卡將這些模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并保存在計算機的內(nèi)存中，利用軟件將這些數(shù)據(jù)顯示在計算機屏幕上，這樣就可以很方便地觀察RHEED屏幕上的圖像，從圖像中可以確定生長溫度，觀察樣品的生長模式；這個系統(tǒng)還可以將屏幕上選定衍射斑點的亮度變化，從而得到RHEED強度振蕩曲線，進而可以計算出材料的生長速率；利用計算機軟件還可以將實驗過程中的圖像保存為靜態(tài)的BMP格式，或者動態(tài)的AVI格式文件，這些文件可以用目前常用的多媒體處理軟件打開，為用戶在實驗后的分析提供有力的支持。
根據(jù)以上目的，本發(fā)明一種高能電子衍射圖像處理系統(tǒng)，其特征在于，包括一高能電子衍射熒光屏；一CCD攝像頭，該CCD攝像頭置于高能電子衍射熒光屏的后面，該CCD攝像頭用不銹鋼圓筒固定；一圖像采集卡，該圖像采集卡用視頻線與CCD攝像頭連接，該圖像采集卡將CCD攝像頭得到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并保存在內(nèi)存中；一計算機，該計算機用視頻線與圖像采集卡連接，該計算機處理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)在計算機的屏幕上成像。
根據(jù)以上目的，本發(fā)明一種高能電子衍射圖像處理方法，其特征在于包括如下步驟a)將一個CCD攝像頭放置在高能電子衍射熒光屏的后面，這個CCD攝像頭用不銹鋼圓筒固定；
b)固定CCD攝像頭圓筒的內(nèi)壁涂黑，并留有可調(diào)空間以調(diào)節(jié)CCD攝像頭與熒光屏之間的距離，可以使圖像更清晰；c)圖像采集卡與CCD攝像頭之間用視頻線連接，圖像采集卡將攝像頭得到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并保存在內(nèi)存中；d)計算機處理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，以方便用戶對實驗結果進行分析。
其中計算機處理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是將這些數(shù)據(jù)在計算機屏幕上成像。
其中計算機處理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進行分析，得到選定點的亮度隨時間的變化規(guī)律，得到材料的生長速率。
其中計算機處理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是將保存在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)以位圖或者視頻流文件的形式保存到硬盤上。
本發(fā)明高能電子衍射圖像處理系統(tǒng)及方法，該方法利用CCD攝像頭將RHEED屏幕上的衍射圖樣采集下來，通過軟件處理，將這個圖形顯示在計算機屏幕上。利用這個圖像處理系統(tǒng)可以方便地觀察RHEED衍射圖樣，還可以計算材料的生長速率，更為重要的是它可以將屏幕上的信息保存為靜態(tài)圖像或者動態(tài)的視頻流。


為進一步說明本發(fā)明的技術內(nèi)容，以下結合實施例及附圖，詳細說明如下，其中圖1是RHEED高能電子衍射的原理圖；圖2是本系統(tǒng)各個部件的連接圖；圖3是單點亮度曲線；
圖4是多點亮度均值后的曲線圖5脫氧前的RHEED圖樣；圖6是脫氧后的RHEED衍射圖樣；圖7是量子點形成后的RHED衍射圖樣。
具體實施例方式
請參閱圖2，圖2是本系統(tǒng)各個部件的連接圖，本發(fā)明一種高能電子衍射圖像處理系統(tǒng)，其特征在于，包括一高能電子衍射熒光屏1；一CCD攝像頭2，該CCD攝像頭2置于高能電子衍射熒光屏1的后面，該CCD攝像頭用不銹鋼圓筒固定；一圖像采集卡4，該圖像采集卡4用視頻線3與CCD攝像頭2連接，該圖像采集卡4將CCD攝像頭2得到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并保存在內(nèi)存中；一計算機5，該計算機5用視頻線3與圖像采集卡4連接，該計算機5處理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)在計算機5的屏幕上成像。
2、一種高能電子衍射圖像處理方法，其特征在于包括如下步驟a)將一個CCD攝像頭2放置在高能電子衍射熒光屏1的后面，這個CCD攝像頭2用不銹鋼圓筒固定；b)固定CCD攝像頭2圓筒的內(nèi)壁涂黑，并留有可調(diào)空間以調(diào)節(jié)CCD攝像頭2與熒光屏1之間的距離，可以使圖像更清晰；c)圖像采集卡4與CCD攝像頭2之間用視頻線3連接，圖像采集卡4將攝像頭2得到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并保存在內(nèi)存中；
d)計算機5處理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，以方便用戶對實驗結果進行分析。
其中計算機5處理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是將這些數(shù)據(jù)在計算機5屏幕上成像。
其中計算機5處理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進行分析，得到選定點的亮度隨時間的變化規(guī)律，得到材料的生長速率。
其中計算機5處理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是將保存在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)以位圖或者視頻流文件的形式保存到硬盤上。
本系統(tǒng)采用的圖像卡4為大恒公司生產(chǎn)的DH Imvision CG400。將CCD攝像頭2放置在RHEED屏幕1的后面，并用內(nèi)壁涂黑的不銹鋼圓筒(未圖示)固定，這要可以防止外界的雜散光給圖像造成的干擾，提高圖像的清晰度。
圖像采集卡4被插在計算機的PCI插槽中，它與CCD攝像頭2用視頻線3連接。它將CCD攝像頭2的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并放在內(nèi)存中轉(zhuǎn)換速率為25幀/秒。在內(nèi)存中，數(shù)據(jù)采用RGB三基色方式，排列順序依次為...B、G、R、B、G、R...。而在實際上，我們關心的是衍射點的亮度，所以應該將這些顏色值轉(zhuǎn)換為亮度值。它們之間的轉(zhuǎn)換關系由以下矩陣給出YUV=0.2990.5870.114-0.148-0.2890.4370.615-0.515-0.100RGB---[1]]]>從上式，我們可以看到亮度值與顏色值的計算公式為
Y＝R×0.299+G×0.587+B×0.114[2]圖像卡中得到的數(shù)據(jù)為整個RHEED屏幕的圖像，而我們真正關心的是某個區(qū)域的亮度值，這就需要對圖像進行定位。在這里我們假設圖像保存于pBuffer處的一段內(nèi)存區(qū)，圖像的寬度為w，高度為h，而我們想要知道(x，y)點處的亮度值，則可以通過如下公式得到該處的偏移量offset＝y(tǒng)*w+x[3]相應的，此點處所對應的顏色值分別為B＝pBuffer[3*offset]＝pBuffer[3*(y*w+x)]G＝pBuffer[3*offset+1]＝pBuffer[3*(y*w+x)+1][4]R＝pBuffer[3*offset+2]＝pBuffer[3*(y*w+x)+2]在實際應用中，我們發(fā)現(xiàn)，如果只計算一個點的亮度值，則噪聲非常大。如圖3所示，這個噪聲主要是由于CCD攝像頭2的熱噪聲引起的。為了抑制噪聲，我們采用亮度均值的方法來降低。
Y=Σi=0NYi/N---[6]]]>
式中，Yi為第i個點的亮度。N為所選取點的總數(shù)。
我們發(fā)現(xiàn)采用亮度平均后噪聲大大降低。如圖4所示。
圖5是通過本系統(tǒng)得到的RHEED振蕩曲線，通過RHEED振蕩，可以得到生長速率。
將RHEED屏幕上的衍射圖樣保存下來是非常重要的。這些RHEED圖像對于實驗后的結果分析、比較都是非常有幫助的。
而內(nèi)存中的數(shù)值只是圖像的顏色值，如果將這些數(shù)據(jù)保存于文件中，由于這沒有包含圖像的控制信息，因此在后來的文件讀取中會出現(xiàn)問題，即這些信息不能被通用軟件讀取。因此我們要在為這些數(shù)據(jù)加上文件頭，即bitmapinfoheader。文件頭中包含有圖像的寬度，高度等重要的信息。
有時候我們需要對RHEED圖像的變化過程進行保存，這樣保存靜態(tài)圖像就不能滿足這一要求了。為了實現(xiàn)這一功能，我們利用Microsoft的VFW進行開發(fā)，可以將這些視頻流保存為AVI文件。這些文件就可以用一些通用軟件如Media Player，Realplayer等軟件來播放了。這一功能更加增強了本圖像處理系統(tǒng)的分析能力。
圖5到圖7是利用本圖像處理系統(tǒng)所得到的幾個有代表性的RHEED圖樣。
權利要求
1.一種高能電子衍射圖像處理系統(tǒng)，其特征在于，包括一高能電子衍射熒光屏；一CCD攝像頭，該CCD攝像頭置于高能電子衍射熒光屏的后面，該CCD攝像頭用不銹鋼圓筒固定；一圖像采集卡，該圖像采集卡用視頻線與CCD攝像頭連接，該圖像采集卡將CCD攝像頭得到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并保存在內(nèi)存中；一計算機，該計算機用視頻線與圖像采集卡連接，該計算機處理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)在計算機的屏幕上成像。
2.一種高能電子衍射圖像處理方法，其特征在于包括如下步驟a)將一個CCD攝像頭放置在高能電子衍射熒光屏的后面，這個CCD攝像頭用不銹鋼圓筒固定；b)固定CCD攝像頭圓筒的內(nèi)壁涂黑，并留有可調(diào)空間以調(diào)節(jié)CCD攝像頭與熒光屏之間的距離，可以使圖像更清晰；c)圖像采集卡與CCD攝像頭之間用視頻線連接，圖像采集卡將攝像頭得到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并保存在內(nèi)存中；d)計算機處理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，以方便用戶對實驗結果進行分析。
3.根據(jù)權利要求2所述的高能電子衍射圖像處理方法，其特征在于，其中計算機處理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是將這些數(shù)據(jù)在計算機屏幕上成像。
4.根據(jù)權利要求2所述的高能電子衍射圖像處理方法，其特征在于，其中計算機處理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進行分析，得到選定點的亮度隨時間的變化規(guī)律，得到材料的生長速率。
5.根據(jù)權利要求2所述的高能電子衍射圖像處理方法，其特征在于，其中計算機處理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是將保存在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)以位圖或者視頻流文件的形式保存到硬盤上。
全文摘要
本發(fā)明一種高能電子衍射圖像處理系統(tǒng)，其特征在于，包括一高能電子衍射熒光屏；一CCD攝像頭，該CCD攝像頭置于高能電子衍射熒光屏的后面，該CCD攝像頭用不銹鋼圓筒固定；一圖像采集卡，該圖像采集卡用視頻線與CCD攝像頭連接，該圖像采集卡將CCD攝像頭得到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并保存在內(nèi)存中；一計算機，該計算機用視頻線與圖像采集卡連接，該計算機處理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)在計算機的屏幕上成像。
文檔編號G06F3/14GK1828508SQ200510051700
公開日2006年9月6日 申請日期2005年3月1日 優(yōu)先權日2005年3月1日
發(fā)明者孫永偉, 侯識華, 宋國峰, 楊曉杰, 葉曉軍 申請人:中國科學院半導體研究所