一種用於砷化鎵單晶生長光學測徑的方法
2023-07-08 20:24:41 1
專利名稱：一種用於砷化鎵單晶生長光學測徑的方法
技術領域：
本發明涉及一種光學測量方法，尤指一種用於在砷化鎵單晶生長時測量其直徑的光學測量方法。
背景技術：
砷化鎵單晶生長採用液封直拉法(LEC法)，如圖1所示，在晶體生長的爐室01內，砷化鎵熔體07由氧化硼液體06液封，籽晶08置於旋轉機構03的下端，在旋轉機構的拉動下生長成砷化鎵晶體05。
目前，廣泛採用的測量砷化鎵單晶生長直徑的方法為稱重法，所用的稱重裝置採用高精度稱重頭04，如圖1所示。該高精度稱重頭04設置在旋轉機構03上。稱重頭測量出晶體重量的變化，減去浮力後，可以得到真實的晶體重量變化，由於旋轉機構的拉速已知，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。由於影響重量信號的因素非常多，如液封劑浮力變化、旋轉機構轉速變化、拉速變化、晶體重心與旋轉軸不重合等，這些都會影響稱重信號的準確程度；而且其中許多變化十分複雜，無法給出確定的解析關係，所以難以準確濾除這些幹擾因素，因而得到的實際重量信號和直徑信號也不很精確。
發明內容
為克服上述現有測量方法測量不夠精確的問題，本發明的目的是提供一種用於砷化鎵單晶生長的光學測徑方法，此方法可使砷化鎵單晶生長時直徑的測量值更加精確。
為實現上述目的，本發明採取以下設計方案一種用於砷化鎵單晶生長光學測徑的方法，採用數碼攝像機、數字濾波器、計算機及顯示輸出設備由傳輸線纜相連接組成，本方法的實現包括以下步驟A、採集砷化鎵單晶不連續彎月面的圖像信息；B、對採集到的不連續彎月面邊界上的測量點進行選擇；C、對選出的測量點進行計算，求出單晶直徑的數值；D、輸出算出的單晶直徑的結果其中，所述步驟A-採集砷化鎵單晶不連續彎月面的圖像信息，由架設在爐室觀察窗外的數碼攝像機完成；所述步驟B-對採集到的不連續彎月面邊界上的測量點進行選擇，包括以下具體步驟1、劃定坐標系，提取彎月面的位置信息；2、進行數字濾波，確定測量點位置；3、判斷有效邊界；4、確認被判斷為有效邊界的測試點的圖像位置所述步驟C-對選出的測量點進行計算，求出單晶直徑的數值，包括以下具體步驟1、將觀測到的彎月面上測量點的位置坐標進行空間映射變換，得到實際彎月面上對應測量點的位置坐標；2、根據變換後的測量點的位置坐標，計算出晶體直徑；3、計算晶體等效直徑；所述步驟D-輸出算出的單晶直徑的結果，是將計算後得到的直徑結果顯示在與計算機連接的顯示輸出設備上。
在晶體生長時，用於圖像採集的攝像機透過爐室觀察窗對晶體的生長情況進行實時拍攝；拍攝到的圖像經數字濾波器進行選擇後，得到特徵點；特徵點數據信息傳輸到圖像處理計算機，進行映射變換、計算處理，得到測量的晶體的直徑數據；顯示輸出。
由於本發明採用以上技術方案，故可以直接獲得品體直徑的數據，並可避免由液封劑浮力變化、旋轉機構轉速變化、拉速變化、晶體重心與旋轉軸不重合等原因造成的測量誤差，使直徑的測量值更加準確。
圖1為砷化鎵單晶生長採用稱重法測量晶體直徑的示意2為砷化鎵單晶生長採用本發明提供的光學測徑法的示意3為本發明光學測徑方法的原理框4為本發明特徵點選擇方法的原理框5為本發明特徵點計算方法的原理框6為本發明光學測徑方法的測量原理7為晶體實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施方式
如圖2、圖3所示，一種用於砷化鎵單晶生長光學測徑的方法，採用數碼攝像機11、數字濾波器21、計算機31及顯示輸出設備41由傳輸線纜相連接組成，本方法的實現包括以下步驟A、採集砷化鎵單晶不連續彎月面的圖像信息；
B、對採集到的不連續彎月面邊界上的測量點進行選擇；C、對選出的測量點進行計算，求出單晶直徑的數值；D、輸出算出的單晶直徑的結果如圖2所示，所述步驟A-採集砷化鎵單晶不連續彎月面的圖像信息，由架設在爐室觀察窗外的數碼攝像機11完成；如圖4所示，所述步驟B-對採集到的不連續彎月面邊界上的測量點進行選擇，包括以下具體步驟1、劃定坐標系，提取彎月面的位置信息；2、進行數字濾波，確定測量點位置；3、判斷有效彎月面邊界；4、確認被判斷為有效邊界的測試點的圖像位置如圖5所示，所述步驟C-對選出的測量點進行計算，求出單晶直徑的數值，包括以下具體步驟1、將觀測到的彎月面上測量點的位置坐標進行空間映射變換，得到實際彎月面上對應測量點的位置坐標；2、根據變換後的測量點的位置坐標，計算出晶體的真實直徑；3、計算晶體等效直徑；如圖2所示，所述步驟D-輸出算出的單晶直徑的結果，是將計算後得到的直徑結果顯示在與計算機連接的顯示輸出設備上。
如圖1、圖2所示，砷化鎵單晶生長採用液封直拉法(LEC法)，對單晶的直徑的測量採用光學測徑方法。整個單晶生長的過程在設有觀察窗02的爐室01中進行，生長出的單晶體05可近似認為是一圓柱體，液封面06可認為是一平面，在晶體生長的過程中會產生大量揮發物，有些揮發物會附著在觀察窗02上。
鑑於上述進行砷化鎵單晶生長時的情況，本發明一種用於砷化鎵單晶生長光學測徑的方法採用數碼攝像機11、數字濾波器21、計算機31及顯示輸出設備41由傳輸線纜相連接組成。
如圖2所示，本發明一種用於砷化鎵單晶生長光學測徑的方法，採集砷化鎵單晶不連續彎月面的圖像信息，由架設在爐室01觀察窗02外的數碼攝像機11完成，數碼攝像機11與水平成θ角度(10度≤θ≤80度)設置，透過觀察窗02觀察單晶的生長。由於攝像機的設置與水平成θ角度，則彎月面的截面實際為一橢圓形，拍攝到的為一段橢圓弧，如圖8所示。又由於揮發物會將觀察窗02汙染，這樣攝像機11透過觀察窗02拍攝到的不連續彎月面的圖像信息，實際為一段不連續的橢圓弧。
如圖2、圖4所示，對採集到的不連續彎月面邊界上的測量點進行選擇，是將拍攝到的不連續的彎月面的圖像信息，通過傳輸線纜，傳輸到數字濾波器進行測量點選擇。
選擇的步驟為首先，對拍攝到的數位化彎月面圖像劃定坐標系，再根據圖像各像素點的亮度值提取出彎月面在拍攝到得圖像上的位置信息。本實施例採用的是將原點設在圖像中心點的直角坐標系，各像素點為坐標間隔；由於彎月面在攝像機拍攝到的圖像中表現為一條明顯的亮弧，故可以根據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行數字濾波，確定測量點位置。由於受到晶體本身旋轉和震動、攝像機的振動等幹擾因素的影響，彎月面上各點在拍攝到的圖像中的位置會不斷變化，直接按下文所述的方法進行後續的直徑計算會帶來嚴重的計算結果的波動。所以根據擾動值的隨機分布規律，進行數字濾波，過濾掉由於隨機信號引入的噪聲，得到彎月面上各測量點位置的最優化值。
最後，確認被判斷為有效邊界的測試點的圖像位置。
如圖5所示，對選出的測量點進行計算，求出單晶直徑的數值，包括以下具體步驟首先，將觀測到的彎月面上測量點的位置坐標(x』，y』)進行空間映射變換，得到實際彎月面上對應測量點的位置坐標(x，y)。根據上述已選定的坐標系，位置坐標空間映射變化的規則為x＝x』；y＝y』/sinθ，式中x，y為圖像對應的真實空間坐標系中的水平和垂直坐標值，x』，y』為圖像坐標系中的水平和垂直坐標值，θ為攝像機焦平面法線和水平面的夾角，即前文所述的θ。
其次，根據變換後的測量點的位置坐標，計算出晶體直徑。計算方法為在彎月面上任取3個經優化的測量點A(xA，yA)、B(xB，yB)、C(xC，yC)，如圖8、9所示，將每個點的值代入圓標準方程(x-x0)2+(y-y0)2＝R2，求解關於x0，y0(為圓的圓心在真實空間坐標系中的圓心)和R(為圓半徑)的聯立方程組，可以求出x0，y0和R的大小。
最後，為了獲得更準確的直徑大小，每次測量可取N(N＝5-8)個測量點，按照上述步驟，任取其中3個進行計算，計算出CN3個彎月面直徑，然後求平均獲得晶體等效直徑，計算晶體等效直徑；如圖2所示，所述輸出算出的單晶直徑的結果，是將計算後得到的晶體直徑的結果顯示在與計算機連接的顯示輸出設備上，該顯示設備可以是顯示器，也可以是列印輸出設備，或是其他控制軟體的輸入接口。
權利要求
1.一種用於砷化鎵單晶生長光學測徑的方法，採用數碼攝像機、數字濾波器、計算機及顯示輸出設備，由傳輸線纜相連接組成，其特徵在於它的實現包括以下步驟A、採集砷化鎵單晶不連續彎月面的圖像信息；B、對採集到的不連續彎月面邊界上的測量點進行選擇；C、對選出的測量點進行計算，求出單晶直徑的數值；D、輸出算出的單晶直徑的結果。
2.根據權利要求1所述的一種用於砷化鎵單晶生長光學測徑的方法，其特徵在於所述的採集砷化鎵單晶不連續彎月面的圖像信息，由架設在爐室觀察窗外的數碼攝像機完成。
3.根據權利要求1所述的一種用於砷化鎵單晶生長光學測徑的方法，其特徵在於所述的對採集到的不連續彎月面邊界上的測量點進行選擇，包括以下具體步驟(1)、劃定坐標系，提取彎月面位置信息；(2)、進行數字濾波，確定測量點位置；(3)、判斷有效邊界；(4)、確認被判斷為有效邊界的測試點的圖像位置。
4.根據權利要求1所述的一種用於砷化鎵單晶生長光學測徑的方法，其特徵在於所述的對選出的測量點進行計算，求出單晶直徑的數值，包括以下具體步驟(1)、將觀測到的彎月面上測量點的位置坐標進行空間映射變換，得到實際彎月面上對應測量點的位置坐標；(2)、根據變換後的測量點的位置坐標，計算出晶體直徑；(3)、計算晶體等效直徑。
5.根據權利要求1所述的一種用於砷化鎵單晶生長光學測徑的方法，其特徵在於所述的輸出算出的單晶直徑的結果，是將計算後得到的直徑結果顯示在與計算機連接的顯示輸出設備上。
6.根據權利要求3所述的一種用於砷化鎵單晶生長光學測徑的方法，其特徵在於所述的劃定坐標系，提取彎月面位置信息，坐標系是原點設在圖像中心點的直角坐標系。
7.根據權利要求4所述的一種用於砷化鎵單晶生長光學測徑的方法，其特徵在於所述的將觀測到的彎月面上測量點的位置坐標進行空間映射變換，得到實際彎月面上對應測量點的位置坐標，映射規則為x＝x』；y＝y』/sinθ
8.根據權利要求4所述的一種用於砷化鎵單晶生長光學測徑的方法，其特徵在於所述的根據變換後的測量點的位置坐標，計算出晶體直徑的計算方法為在彎月面上任取3個經優化的測量點A(xA，yA)、B(xB，yB)、C(xC，yC)，將每個點的值代入圓標準方程(x-x0)2+(y-y0)2＝R2，求出x0，y0和R的大小。
全文摘要
本發明公開了一種用於砷化鎵單晶生長光學測徑的方法，採用數碼攝像機、數字濾波器、計算機及顯示輸出設備由傳輸線纜相連接組成，實現步驟包括A.採集砷化鎵單晶不連續彎月面的圖像信息；B.對採集到的不連續彎月面邊界上的測量點進行選擇；C.對選出的測量點進行計算，求出單晶直徑的數值；D.輸出算出的單晶直徑的結果。由於本發明採用以上步驟實施，故可以直接獲得晶體直徑的數據，並可避免由液封劑浮力變化、旋轉機構轉速變化、拉速變化、晶體重心與旋轉軸不重合等原因造成的測量誤差，使直徑的測量值更加準確。
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 優先權日2002年12月20日
發明者屠海令, 張峰燚, 石瑛, 鄭傑, 周新民, 朱力, 馬慶祥, 王鉞 申請人:北京有色金屬研究總院