专利名称：一种用于砷化镓单晶生长光学测径的方法
技术领域：
本发明涉及一种光学测量方法，尤指一种用于在砷化镓单晶生长时测量其直径的光学测量方法。
背景技术：
砷化镓单晶生长采用液封直拉法(LEC法)，如图1所示，在晶体生长的炉室01内，砷化镓熔体07由氧化硼液体06液封，籽晶08置于旋转机构03的下端，在旋转机构的拉动下生长成砷化镓晶体05。
目前，广泛采用的测量砷化镓单晶生长直径的方法为称重法，所用的称重装置采用高精度称重头04，如图1所示。该高精度称重头04设置在旋转机构03上。称重头测量出晶体重量的变化，减去浮力后，可以得到真实的晶体重量变化，由于旋转机构的拉速已知，从而可以间接得出晶体直径的变化情况。
使用此种测量方法，测量得到的为晶体重量值，晶体的直径值只能间接求得。由于影响重量信号的因素非常多，如液封剂浮力变化、旋转机构转速变化、拉速变化、晶体重心与旋转轴不重合等，这些都会影响称重信号的准确程度；而且其中许多变化十分复杂，无法给出确定的解析关系，所以难以准确滤除这些干扰因素，因而得到的实际重量信号和直径信号也不很精确。
发明内容
为克服上述现有测量方法测量不够精确的问题，本发明的目的是提供一种用于砷化镓单晶生长的光学测径方法，此方法可使砷化镓单晶生长时直径的测量值更加精确。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案一种用于砷化镓单晶生长光学测径的方法，采用数码摄像机、数字滤波器、计算机及显示输出设备由传输线缆相连接组成，本方法的实现包括以下步骤A、采集砷化镓单晶不连续弯月面的图像信息；B、对采集到的不连续弯月面边界上的测量点进行选择；C、对选出的测量点进行计算，求出单晶直径的数值；D、输出算出的单晶直径的结果其中，所述步骤A-采集砷化镓单晶不连续弯月面的图像信息，由架设在炉室观察窗外的数码摄像机完成；所述步骤B-对采集到的不连续弯月面边界上的测量点进行选择，包括以下具体步骤1、划定坐标系，提取弯月面的位置信息；2、进行数字滤波，确定测量点位置；3、判断有效边界；4、确认被判断为有效边界的测试点的图像位置所述步骤C-对选出的测量点进行计算，求出单晶直径的数值，包括以下具体步骤1、将观测到的弯月面上测量点的位置坐标进行空间映射变换，得到实际弯月面上对应测量点的位置坐标；2、根据变换后的测量点的位置坐标，计算出晶体直径；3、计算晶体等效直径；所述步骤D-输出算出的单晶直径的结果，是将计算后得到的直径结果显示在与计算机连接的显示输出设备上。
在晶体生长时，用于图像采集的摄像机透过炉室观察窗对晶体的生长情况进行实时拍摄；拍摄到的图像经数字滤波器进行选择后，得到特征点；特征点数据信息传输到图像处理计算机，进行映射变换、计算处理，得到测量的晶体的直径数据；显示输出。
由于本发明采用以上技术方案，故可以直接获得品体直径的数据，并可避免由液封剂浮力变化、旋转机构转速变化、拉速变化、晶体重心与旋转轴不重合等原因造成的测量误差，使直径的测量值更加准确。
图1为砷化镓单晶生长采用称重法测量晶体直径的示意2为砷化镓单晶生长采用本发明提供的光学测径法的示意3为本发明光学测径方法的原理框4为本发明特征点选择方法的原理框5为本发明特征点计算方法的原理框6为本发明光学测径方法的测量原理7为晶体实际圆形弯月面的示意8为观察到的晶体椭圆形弯月面的示意图具体实施方式
如图2、图3所示，一种用于砷化镓单晶生长光学测径的方法，采用数码摄像机11、数字滤波器21、计算机31及显示输出设备41由传输线缆相连接组成，本方法的实现包括以下步骤A、采集砷化镓单晶不连续弯月面的图像信息；
B、对采集到的不连续弯月面边界上的测量点进行选择；C、对选出的测量点进行计算，求出单晶直径的数值；D、输出算出的单晶直径的结果如图2所示，所述步骤A-采集砷化镓单晶不连续弯月面的图像信息，由架设在炉室观察窗外的数码摄像机11完成；如图4所示，所述步骤B-对采集到的不连续弯月面边界上的测量点进行选择，包括以下具体步骤1、划定坐标系，提取弯月面的位置信息；2、进行数字滤波，确定测量点位置；3、判断有效弯月面边界；4、确认被判断为有效边界的测试点的图像位置如图5所示，所述步骤C-对选出的测量点进行计算，求出单晶直径的数值，包括以下具体步骤1、将观测到的弯月面上测量点的位置坐标进行空间映射变换，得到实际弯月面上对应测量点的位置坐标；2、根据变换后的测量点的位置坐标，计算出晶体的真实直径；3、计算晶体等效直径；如图2所示，所述步骤D-输出算出的单晶直径的结果，是将计算后得到的直径结果显示在与计算机连接的显示输出设备上。
如图1、图2所示，砷化镓单晶生长采用液封直拉法(LEC法)，对单晶的直径的测量采用光学测径方法。整个单晶生长的过程在设有观察窗02的炉室01中进行，生长出的单晶体05可近似认为是一圆柱体，液封面06可认为是一平面，在晶体生长的过程中会产生大量挥发物，有些挥发物会附着在观察窗02上。
鉴于上述进行砷化镓单晶生长时的情况，本发明一种用于砷化镓单晶生长光学测径的方法采用数码摄像机11、数字滤波器21、计算机31及显示输出设备41由传输线缆相连接组成。
如图2所示，本发明一种用于砷化镓单晶生长光学测径的方法，采集砷化镓单晶不连续弯月面的图像信息，由架设在炉室01观察窗02外的数码摄像机11完成，数码摄像机11与水平成θ角度(10度≤θ≤80度)设置，透过观察窗02观察单晶的生长。由于摄像机的设置与水平成θ角度，则弯月面的截面实际为一椭圆形，拍摄到的为一段椭圆弧，如图8所示。又由于挥发物会将观察窗02污染，这样摄像机11透过观察窗02拍摄到的不连续弯月面的图像信息，实际为一段不连续的椭圆弧。
如图2、图4所示，对采集到的不连续弯月面边界上的测量点进行选择，是将拍摄到的不连续的弯月面的图像信息，通过传输线缆，传输到数字滤波器进行测量点选择。
选择的步骤为首先，对拍摄到的数字化弯月面图像划定坐标系，再根据图像各像素点的亮度值提取出弯月面在拍摄到得图像上的位置信息。本实施例采用的是将原点设在图像中心点的直角坐标系，各像素点为坐标间隔；由于弯月面在摄像机拍摄到的图像中表现为一条明显的亮弧，故可以根据亮度值提取到弯月面的位置信息。
其次，对提取的弯月面位置信息进行数字滤波，确定测量点位置。由于受到晶体本身旋转和震动、摄像机的振动等干扰因素的影响，弯月面上各点在拍摄到的图像中的位置会不断变化，直接按下文所述的方法进行后续的直径计算会带来严重的计算结果的波动。所以根据扰动值的随机分布规律，进行数字滤波，过滤掉由于随机信号引入的噪声，得到弯月面上各测量点位置的最优化值。
最后，确认被判断为有效边界的测试点的图像位置。
如图5所示，对选出的测量点进行计算，求出单晶直径的数值，包括以下具体步骤首先，将观测到的弯月面上测量点的位置坐标(x’，y’)进行空间映射变换，得到实际弯月面上对应测量点的位置坐标(x，y)。根据上述已选定的坐标系，位置坐标空间映射变化的规则为x＝x’；y＝y’/sinθ，式中x，y为图像对应的真实空间坐标系中的水平和垂直坐标值，x’，y’为图像坐标系中的水平和垂直坐标值，θ为摄像机焦平面法线和水平面的夹角，即前文所述的θ。
其次，根据变换后的测量点的位置坐标，计算出晶体直径。计算方法为在弯月面上任取3个经优化的测量点A(xA，yA)、B(xB，yB)、C(xC，yC)，如图8、9所示，将每个点的值代入圆标准方程(x-x0)2+(y-y0)2＝R2，求解关于x0，y0(为圆的圆心在真实空间坐标系中的圆心)和R(为圆半径)的联立方程组，可以求出x0，y0和R的大小。
最后，为了获得更准确的直径大小，每次测量可取N(N＝5-8)个测量点，按照上述步骤，任取其中3个进行计算，计算出CN3个弯月面直径，然后求平均获得晶体等效直径，计算晶体等效直径；如图2所示，所述输出算出的单晶直径的结果，是将计算后得到的晶体直径的结果显示在与计算机连接的显示输出设备上，该显示设备可以是显示器，也可以是打印输出设备，或是其他控制软件的输入接口。
权利要求
1.一种用于砷化镓单晶生长光学测径的方法，采用数码摄像机、数字滤波器、计算机及显示输出设备，由传输线缆相连接组成，其特征在于它的实现包括以下步骤A、采集砷化镓单晶不连续弯月面的图像信息；B、对采集到的不连续弯月面边界上的测量点进行选择；C、对选出的测量点进行计算，求出单晶直径的数值；D、输出算出的单晶直径的结果。
2.根据权利要求1所述的一种用于砷化镓单晶生长光学测径的方法，其特征在于所述的采集砷化镓单晶不连续弯月面的图像信息，由架设在炉室观察窗外的数码摄像机完成。
3.根据权利要求1所述的一种用于砷化镓单晶生长光学测径的方法，其特征在于所述的对采集到的不连续弯月面边界上的测量点进行选择，包括以下具体步骤(1)、划定坐标系，提取弯月面位置信息；(2)、进行数字滤波，确定测量点位置；(3)、判断有效边界；(4)、确认被判断为有效边界的测试点的图像位置。
4.根据权利要求1所述的一种用于砷化镓单晶生长光学测径的方法，其特征在于所述的对选出的测量点进行计算，求出单晶直径的数值，包括以下具体步骤(1)、将观测到的弯月面上测量点的位置坐标进行空间映射变换，得到实际弯月面上对应测量点的位置坐标；(2)、根据变换后的测量点的位置坐标，计算出晶体直径；(3)、计算晶体等效直径。
5.根据权利要求1所述的一种用于砷化镓单晶生长光学测径的方法，其特征在于所述的输出算出的单晶直径的结果，是将计算后得到的直径结果显示在与计算机连接的显示输出设备上。
6.根据权利要求3所述的一种用于砷化镓单晶生长光学测径的方法，其特征在于所述的划定坐标系，提取弯月面位置信息，坐标系是原点设在图像中心点的直角坐标系。
7.根据权利要求4所述的一种用于砷化镓单晶生长光学测径的方法，其特征在于所述的将观测到的弯月面上测量点的位置坐标进行空间映射变换，得到实际弯月面上对应测量点的位置坐标，映射规则为x＝x’；y＝y’/sinθ
8.根据权利要求4所述的一种用于砷化镓单晶生长光学测径的方法，其特征在于所述的根据变换后的测量点的位置坐标，计算出晶体直径的计算方法为在弯月面上任取3个经优化的测量点A(xA，yA)、B(xB，yB)、C(xC，yC)，将每个点的值代入圆标准方程(x-x0)2+(y-y0)2＝R2，求出x0，y0和R的大小。
全文摘要
本发明公开了一种用于砷化镓单晶生长光学测径的方法，采用数码摄像机、数字滤波器、计算机及显示输出设备由传输线缆相连接组成，实现步骤包括A.采集砷化镓单晶不连续弯月面的图像信息；B.对采集到的不连续弯月面边界上的测量点进行选择；C.对选出的测量点进行计算，求出单晶直径的数值；D.输出算出的单晶直径的结果。由于本发明采用以上步骤实施，故可以直接获得晶体直径的数据，并可避免由液封剂浮力变化、旋转机构转速变化、拉速变化、晶体重心与旋转轴不重合等原因造成的测量误差，使直径的测量值更加准确。
文档编号C30B15/20GK1510177SQ0215793
公开日2004年7月7日 申请日期2002年12月20日 优先权日2002年12月20日
发明者屠海令, 张峰燚, 石瑛, 郑杰, 周新民, 朱力, 马庆祥, 王钺 申请人:北京有色金属研究总院