專利名稱：一種用于砷化鎵單晶生長光學(xué)測徑的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)測量方法，尤指一種用于在砷化鎵單晶生長時(shí)測量其直徑的光學(xué)測量方法。
背景技術(shù)：
砷化鎵單晶生長采用液封直拉法(LEC法)，如圖1所示，在晶體生長的爐室01內(nèi)，砷化鎵熔體07由氧化硼液體06液封，籽晶08置于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)03的下端，在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的拉動(dòng)下生長成砷化鎵晶體05。
目前，廣泛采用的測量砷化鎵單晶生長直徑的方法為稱重法，所用的稱重裝置采用高精度稱重頭04，如圖1所示。該高精度稱重頭04設(shè)置在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)03上。稱重頭測量出晶體重量的變化，減去浮力后，可以得到真實(shí)的晶體重量變化，由于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的拉速已知，從而可以間接得出晶體直徑的變化情況。
使用此種測量方法，測量得到的為晶體重量值，晶體的直徑值只能間接求得。由于影響重量信號的因素非常多，如液封劑浮力變化、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速變化、拉速變化、晶體重心與旋轉(zhuǎn)軸不重合等，這些都會(huì)影響稱重信號的準(zhǔn)確程度；而且其中許多變化十分復(fù)雜，無法給出確定的解析關(guān)系，所以難以準(zhǔn)確濾除這些干擾因素，因而得到的實(shí)際重量信號和直徑信號也不很精確。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述現(xiàn)有測量方法測量不夠精確的問題，本發(fā)明的目的是提供一種用于砷化鎵單晶生長的光學(xué)測徑方法，此方法可使砷化鎵單晶生長時(shí)直徑的測量值更加精確。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下設(shè)計(jì)方案一種用于砷化鎵單晶生長光學(xué)測徑的方法，采用數(shù)碼攝像機(jī)、數(shù)字濾波器、計(jì)算機(jī)及顯示輸出設(shè)備由傳輸線纜相連接組成，本方法的實(shí)現(xiàn)包括以下步驟A、采集砷化鎵單晶不連續(xù)彎月面的圖像信息；B、對采集到的不連續(xù)彎月面邊界上的測量點(diǎn)進(jìn)行選擇；C、對選出的測量點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，求出單晶直徑的數(shù)值；D、輸出算出的單晶直徑的結(jié)果其中，所述步驟A-采集砷化鎵單晶不連續(xù)彎月面的圖像信息，由架設(shè)在爐室觀察窗外的數(shù)碼攝像機(jī)完成；所述步驟B-對采集到的不連續(xù)彎月面邊界上的測量點(diǎn)進(jìn)行選擇，包括以下具體步驟1、劃定坐標(biāo)系，提取彎月面的位置信息；2、進(jìn)行數(shù)字濾波，確定測量點(diǎn)位置；3、判斷有效邊界；4、確認(rèn)被判斷為有效邊界的測試點(diǎn)的圖像位置所述步驟C-對選出的測量點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，求出單晶直徑的數(shù)值，包括以下具體步驟1、將觀測到的彎月面上測量點(diǎn)的位置坐標(biāo)進(jìn)行空間映射變換，得到實(shí)際彎月面上對應(yīng)測量點(diǎn)的位置坐標(biāo)；2、根據(jù)變換后的測量點(diǎn)的位置坐標(biāo)，計(jì)算出晶體直徑；3、計(jì)算晶體等效直徑；所述步驟D-輸出算出的單晶直徑的結(jié)果，是將計(jì)算后得到的直徑結(jié)果顯示在與計(jì)算機(jī)連接的顯示輸出設(shè)備上。
在晶體生長時(shí)，用于圖像采集的攝像機(jī)透過爐室觀察窗對晶體的生長情況進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝；拍攝到的圖像經(jīng)數(shù)字濾波器進(jìn)行選擇后，得到特征點(diǎn)；特征點(diǎn)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綀D像處理計(jì)算機(jī)，進(jìn)行映射變換、計(jì)算處理，得到測量的晶體的直徑數(shù)據(jù)；顯示輸出。
由于本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，故可以直接獲得品體直徑的數(shù)據(jù)，并可避免由液封劑浮力變化、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速變化、拉速變化、晶體重心與旋轉(zhuǎn)軸不重合等原因造成的測量誤差，使直徑的測量值更加準(zhǔn)確。


圖1為砷化鎵單晶生長采用稱重法測量晶體直徑的示意2為砷化鎵單晶生長采用本發(fā)明提供的光學(xué)測徑法的示意3為本發(fā)明光學(xué)測徑方法的原理框4為本發(fā)明特征點(diǎn)選擇方法的原理框5為本發(fā)明特征點(diǎn)計(jì)算方法的原理框6為本發(fā)明光學(xué)測徑方法的測量原理7為晶體實(shí)際圓形彎月面的示意8為觀察到的晶體橢圓形彎月面的示意圖具體實(shí)施方式
如圖2、圖3所示，一種用于砷化鎵單晶生長光學(xué)測徑的方法，采用數(shù)碼攝像機(jī)11、數(shù)字濾波器21、計(jì)算機(jī)31及顯示輸出設(shè)備41由傳輸線纜相連接組成，本方法的實(shí)現(xiàn)包括以下步驟A、采集砷化鎵單晶不連續(xù)彎月面的圖像信息；
B、對采集到的不連續(xù)彎月面邊界上的測量點(diǎn)進(jìn)行選擇；C、對選出的測量點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，求出單晶直徑的數(shù)值；D、輸出算出的單晶直徑的結(jié)果如圖2所示，所述步驟A-采集砷化鎵單晶不連續(xù)彎月面的圖像信息，由架設(shè)在爐室觀察窗外的數(shù)碼攝像機(jī)11完成；如圖4所示，所述步驟B-對采集到的不連續(xù)彎月面邊界上的測量點(diǎn)進(jìn)行選擇，包括以下具體步驟1、劃定坐標(biāo)系，提取彎月面的位置信息；2、進(jìn)行數(shù)字濾波，確定測量點(diǎn)位置；3、判斷有效彎月面邊界；4、確認(rèn)被判斷為有效邊界的測試點(diǎn)的圖像位置如圖5所示，所述步驟C-對選出的測量點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，求出單晶直徑的數(shù)值，包括以下具體步驟1、將觀測到的彎月面上測量點(diǎn)的位置坐標(biāo)進(jìn)行空間映射變換，得到實(shí)際彎月面上對應(yīng)測量點(diǎn)的位置坐標(biāo)；2、根據(jù)變換后的測量點(diǎn)的位置坐標(biāo)，計(jì)算出晶體的真實(shí)直徑；3、計(jì)算晶體等效直徑；如圖2所示，所述步驟D-輸出算出的單晶直徑的結(jié)果，是將計(jì)算后得到的直徑結(jié)果顯示在與計(jì)算機(jī)連接的顯示輸出設(shè)備上。
如圖1、圖2所示，砷化鎵單晶生長采用液封直拉法(LEC法)，對單晶的直徑的測量采用光學(xué)測徑方法。整個(gè)單晶生長的過程在設(shè)有觀察窗02的爐室01中進(jìn)行，生長出的單晶體05可近似認(rèn)為是一圓柱體，液封面06可認(rèn)為是一平面，在晶體生長的過程中會(huì)產(chǎn)生大量揮發(fā)物，有些揮發(fā)物會(huì)附著在觀察窗02上。
鑒于上述進(jìn)行砷化鎵單晶生長時(shí)的情況，本發(fā)明一種用于砷化鎵單晶生長光學(xué)測徑的方法采用數(shù)碼攝像機(jī)11、數(shù)字濾波器21、計(jì)算機(jī)31及顯示輸出設(shè)備41由傳輸線纜相連接組成。
如圖2所示，本發(fā)明一種用于砷化鎵單晶生長光學(xué)測徑的方法，采集砷化鎵單晶不連續(xù)彎月面的圖像信息，由架設(shè)在爐室01觀察窗02外的數(shù)碼攝像機(jī)11完成，數(shù)碼攝像機(jī)11與水平成θ角度(10度≤θ≤80度)設(shè)置，透過觀察窗02觀察單晶的生長。由于攝像機(jī)的設(shè)置與水平成θ角度，則彎月面的截面實(shí)際為一橢圓形，拍攝到的為一段橢圓弧，如圖8所示。又由于揮發(fā)物會(huì)將觀察窗02污染，這樣攝像機(jī)11透過觀察窗02拍攝到的不連續(xù)彎月面的圖像信息，實(shí)際為一段不連續(xù)的橢圓弧。
如圖2、圖4所示，對采集到的不連續(xù)彎月面邊界上的測量點(diǎn)進(jìn)行選擇，是將拍攝到的不連續(xù)的彎月面的圖像信息，通過傳輸線纜，傳輸?shù)綌?shù)字濾波器進(jìn)行測量點(diǎn)選擇。
選擇的步驟為首先，對拍攝到的數(shù)字化彎月面圖像劃定坐標(biāo)系，再根據(jù)圖像各像素點(diǎn)的亮度值提取出彎月面在拍攝到得圖像上的位置信息。本實(shí)施例采用的是將原點(diǎn)設(shè)在圖像中心點(diǎn)的直角坐標(biāo)系，各像素點(diǎn)為坐標(biāo)間隔；由于彎月面在攝像機(jī)拍攝到的圖像中表現(xiàn)為一條明顯的亮弧，故可以根據(jù)亮度值提取到彎月面的位置信息。
其次，對提取的彎月面位置信息進(jìn)行數(shù)字濾波，確定測量點(diǎn)位置。由于受到晶體本身旋轉(zhuǎn)和震動(dòng)、攝像機(jī)的振動(dòng)等干擾因素的影響，彎月面上各點(diǎn)在拍攝到的圖像中的位置會(huì)不斷變化，直接按下文所述的方法進(jìn)行后續(xù)的直徑計(jì)算會(huì)帶來嚴(yán)重的計(jì)算結(jié)果的波動(dòng)。所以根據(jù)擾動(dòng)值的隨機(jī)分布規(guī)律，進(jìn)行數(shù)字濾波，過濾掉由于隨機(jī)信號引入的噪聲，得到彎月面上各測量點(diǎn)位置的最優(yōu)化值。
最后，確認(rèn)被判斷為有效邊界的測試點(diǎn)的圖像位置。
如圖5所示，對選出的測量點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，求出單晶直徑的數(shù)值，包括以下具體步驟首先，將觀測到的彎月面上測量點(diǎn)的位置坐標(biāo)(x’，y’)進(jìn)行空間映射變換，得到實(shí)際彎月面上對應(yīng)測量點(diǎn)的位置坐標(biāo)(x，y)。根據(jù)上述已選定的坐標(biāo)系，位置坐標(biāo)空間映射變化的規(guī)則為x＝x’；y＝y(tǒng)’/sinθ，式中x，y為圖像對應(yīng)的真實(shí)空間坐標(biāo)系中的水平和垂直坐標(biāo)值，x’，y’為圖像坐標(biāo)系中的水平和垂直坐標(biāo)值，θ為攝像機(jī)焦平面法線和水平面的夾角，即前文所述的θ。
其次，根據(jù)變換后的測量點(diǎn)的位置坐標(biāo)，計(jì)算出晶體直徑。計(jì)算方法為在彎月面上任取3個(gè)經(jīng)優(yōu)化的測量點(diǎn)A(xA，yA)、B(xB，yB)、C(xC，yC)，如圖8、9所示，將每個(gè)點(diǎn)的值代入圓標(biāo)準(zhǔn)方程(x-x0)2+(y-y0)2＝R2，求解關(guān)于x0，y0(為圓的圓心在真實(shí)空間坐標(biāo)系中的圓心)和R(為圓半徑)的聯(lián)立方程組，可以求出x0，y0和R的大小。
最后，為了獲得更準(zhǔn)確的直徑大小，每次測量可取N(N＝5-8)個(gè)測量點(diǎn)，按照上述步驟，任取其中3個(gè)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出CN3個(gè)彎月面直徑，然后求平均獲得晶體等效直徑，計(jì)算晶體等效直徑；如圖2所示，所述輸出算出的單晶直徑的結(jié)果，是將計(jì)算后得到的晶體直徑的結(jié)果顯示在與計(jì)算機(jī)連接的顯示輸出設(shè)備上，該顯示設(shè)備可以是顯示器，也可以是打印輸出設(shè)備，或是其他控制軟件的輸入接口。
權(quán)利要求
1.一種用于砷化鎵單晶生長光學(xué)測徑的方法，采用數(shù)碼攝像機(jī)、數(shù)字濾波器、計(jì)算機(jī)及顯示輸出設(shè)備，由傳輸線纜相連接組成，其特征在于它的實(shí)現(xiàn)包括以下步驟A、采集砷化鎵單晶不連續(xù)彎月面的圖像信息；B、對采集到的不連續(xù)彎月面邊界上的測量點(diǎn)進(jìn)行選擇；C、對選出的測量點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，求出單晶直徑的數(shù)值；D、輸出算出的單晶直徑的結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于砷化鎵單晶生長光學(xué)測徑的方法，其特征在于所述的采集砷化鎵單晶不連續(xù)彎月面的圖像信息，由架設(shè)在爐室觀察窗外的數(shù)碼攝像機(jī)完成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于砷化鎵單晶生長光學(xué)測徑的方法，其特征在于所述的對采集到的不連續(xù)彎月面邊界上的測量點(diǎn)進(jìn)行選擇，包括以下具體步驟(1)、劃定坐標(biāo)系，提取彎月面位置信息；(2)、進(jìn)行數(shù)字濾波，確定測量點(diǎn)位置；(3)、判斷有效邊界；(4)、確認(rèn)被判斷為有效邊界的測試點(diǎn)的圖像位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于砷化鎵單晶生長光學(xué)測徑的方法，其特征在于所述的對選出的測量點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，求出單晶直徑的數(shù)值，包括以下具體步驟(1)、將觀測到的彎月面上測量點(diǎn)的位置坐標(biāo)進(jìn)行空間映射變換，得到實(shí)際彎月面上對應(yīng)測量點(diǎn)的位置坐標(biāo)；(2)、根據(jù)變換后的測量點(diǎn)的位置坐標(biāo)，計(jì)算出晶體直徑；(3)、計(jì)算晶體等效直徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于砷化鎵單晶生長光學(xué)測徑的方法，其特征在于所述的輸出算出的單晶直徑的結(jié)果，是將計(jì)算后得到的直徑結(jié)果顯示在與計(jì)算機(jī)連接的顯示輸出設(shè)備上。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于砷化鎵單晶生長光學(xué)測徑的方法，其特征在于所述的劃定坐標(biāo)系，提取彎月面位置信息，坐標(biāo)系是原點(diǎn)設(shè)在圖像中心點(diǎn)的直角坐標(biāo)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于砷化鎵單晶生長光學(xué)測徑的方法，其特征在于所述的將觀測到的彎月面上測量點(diǎn)的位置坐標(biāo)進(jìn)行空間映射變換，得到實(shí)際彎月面上對應(yīng)測量點(diǎn)的位置坐標(biāo)，映射規(guī)則為x＝x’；y＝y(tǒng)’/sinθ
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于砷化鎵單晶生長光學(xué)測徑的方法，其特征在于所述的根據(jù)變換后的測量點(diǎn)的位置坐標(biāo)，計(jì)算出晶體直徑的計(jì)算方法為在彎月面上任取3個(gè)經(jīng)優(yōu)化的測量點(diǎn)A(xA，yA)、B(xB，yB)、C(xC，yC)，將每個(gè)點(diǎn)的值代入圓標(biāo)準(zhǔn)方程(x-x0)2+(y-y0)2＝R2，求出x0，y0和R的大小。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于砷化鎵單晶生長光學(xué)測徑的方法，采用數(shù)碼攝像機(jī)、數(shù)字濾波器、計(jì)算機(jī)及顯示輸出設(shè)備由傳輸線纜相連接組成，實(shí)現(xiàn)步驟包括A.采集砷化鎵單晶不連續(xù)彎月面的圖像信息；B.對采集到的不連續(xù)彎月面邊界上的測量點(diǎn)進(jìn)行選擇；C.對選出的測量點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，求出單晶直徑的數(shù)值；D.輸出算出的單晶直徑的結(jié)果。由于本發(fā)明采用以上步驟實(shí)施，故可以直接獲得晶體直徑的數(shù)據(jù)，并可避免由液封劑浮力變化、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速變化、拉速變化、晶體重心與旋轉(zhuǎn)軸不重合等原因造成的測量誤差，使直徑的測量值更加準(zhǔn)確。
文檔編號C30B15/20GK1510177SQ0215793
公開日2004年7月7日 申請日期2002年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月20日
發(fā)明者屠海令, 張峰燚, 石瑛, 鄭杰, 周新民, 朱力, 馬慶祥, 王鉞 申請人:北京有色金屬研究總院