本发明涉及计算机辅助生产技术领域，特别涉及一种晶体生长方法及其系统，以及一种计算机可读存储介质。
背景技术：
蓝宝石单晶体属于人造宝石晶体，主要应用于制作led灯的关键材料，也是应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的重要窗口材料。目前，大尺寸的蓝宝石单晶通常利用直拉法(czochralskimethod)或泡生法(kyropoulosmethod)来制备。
泡生法又称之为凯氏长晶法,简称ky法。其原理与直拉法类似，先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再以单晶之晶种(seedcrystal，又称籽晶)接触到熔汤表面，在籽晶与熔汤的固液界面上开始生长和籽晶相同晶体结构的单晶，籽晶以极缓慢的速度往上拉升，但在籽晶往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与籽晶界面的凝固速率稳定后，籽晶便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶碇。目前，全球的用于led衬底的蓝宝石晶片，有70％是通过泡生法生长出来的。
在采用泡生法制备大尺寸蓝宝石时，最为关键的阶段在于利用籽晶从熔融状态下的蓝宝石液体中引出晶颈的引晶阶段。其中，又以将籽晶接触到熔汤表面的那一瞬间最为关键。如果此时的炉内温度过高，则籽晶会被熔汤直接融化，导致籽晶损耗和引晶失败，而如果炉内温度过低，在进入蓝宝石过冷液体的瞬间，籽晶的附近就将会凝固大量的蓝宝石晶体，由于凝固速度过快，将形成多晶晶格，这些多晶的晶格的传染会导致也将导致长晶失败。
由于蓝宝石晶体的熔点很高(2050℃),晶体生长炉的热场通常采用钨钼材料制成，而且一次98千克以上的大尺寸蓝宝石晶体的生长周期需要两周以上，长时间维持极高的温度导致热场材料发生严重损耗。而在热场材料损耗后，下一次需要使蓝宝石晶体熔融所需要的加热功率将产生变化，因此，每次进行引晶时，加热器的输出功率都需要重新调整。这导致了每次长晶的时候，无法采用固定的功率来控制热场温度。同时，在2050℃的高温下，由于无法采用接触式温度计来测量温度，而非接触式温度计的误差范围较大，因此也无法采用固定的温度值来控制热场温度。
在此前提下，现有技术通常只能依靠非接触式温度计调节到大致的温度之后，根据操作人员的经验来观察液流线的运动，进而判断合适的下降籽晶的时机。
申请号为201310121996.7的中国发明专利，对此作了进一步探索。其利用图像分析程序，来观测液流线间形成的小网格数量的变化，进而调节炉内熔体的温度，直至小网格的数量在3-8个的范围内，进而确定引晶温度处于合适位置。
然而，液流线的运动速度较快，在利用图像分析程序观测时，液流线间形成的小网格数量的是不断地在变化的，具有很大的不确定性。如果在某一瞬间，小网格的数量达到了3-8个的范围内，下一瞬间可能小网格的数量就已经发生的新的变化。根据这一专利的方法直接降下籽晶具有巨大的风险。更遑论该专利的方法依然需要操作人员进一步地结合观察籽晶，依然十分依赖操作人员的操作经验了。
因此，现有技术的泡生法制备大尺寸蓝宝石的成品率不高,工艺的可重复性依然差。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种晶体生长方法及其系统，还有一种计算机可读存储介质。
本发明的晶体生长方法，应用于泡生法蓝宝石晶体生长，包括如下步骤：
获取晶体生长炉内的视频图像。
将蓝宝石材料加热至熔融状态。
调节炉内温度，同时分析蓝宝石晶体在熔融状态下的液流线图像，借助图像分析程序，将实时液流线间距变化图像与预设液流线变化图像作相似度拟合对比。
当在第一预设时间段内，实时液流线间距变化图像与预设液流线变化图像的相似度大于或等于预设的第一相似百分比时，进入引晶步骤。
可选的，预设的时间段为30秒至5分钟，预设的第一相似百分比为75％。
可选的，在引晶步骤中，还包括如下子步骤：
向着靠近蓝宝石晶体的熔融液面的方向降低籽晶。
每下降一定的距离后，暂停下降，分析籽晶图像，借助图像分析程序，将第二预设时间段内的第一帧图像的籽晶尺寸和之后的图像的籽晶尺寸作对比。
当在第二预设时间段内所对比的图像中，有任意一帧图像的籽晶的尺寸小于第一帧的尺寸时，提升籽晶，否则继续下降，直至籽晶与蓝宝石晶体的熔融液面相接触，开始洗晶。
可选的，第二预设时间段大于或等于1分钟且小于或等于30分钟。
可选的，预设液流线变化图像根据在先的多次成功引晶时的视频图像拟合后生成。
可选的，在分析蓝宝石晶体在熔融状态下的液流线图像的步骤中，截取第一预设时间段内的各帧图像并逐帧与预设液流线变化图像比对。
当在第一预设时间段内的各帧实时液流线间距变化图像中，有任意一帧的图像与预设液流线变化图像中的任意一帧的图像的相似度大于或等于第一相似百分比时，比对下一帧的实时液流线间距变化图像和下一帧的预设液流线变化图像，直至在第一预设时间段内的各帧的图像的相似度都大于第一相似百分比时，进入引晶步骤。
可选的，在调节炉内温度，同时分析蓝宝石晶体在熔融状态下的液流线图像的步骤之前，还包括如下步骤：
判断本次晶体生长的生长炉内的蓝宝石晶体材料的回用次数。
在调节炉内温度，同时分析蓝宝石晶体在熔融状态下的液流线图像的步骤中，根据回用次数，调用与回用次数相同的预设液流线变化图像。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机可读存储介质所存储的计算机程序在被处理器执行时，能够实现上述的步骤。
本发明还提供了一种晶体生长系统，包括：
晶体生长炉，晶体生长炉包括：
炉腔，用于装入蓝宝石材料；
引晶装置，引晶装置设置于炉腔内的上方，引晶装置上夹持有籽晶；
图像获取装置，安装在炉腔内，用于获取炉腔内的液面和籽晶的图像；
晶体生长系统还包括上位机，与晶体生长炉通信连接；
上位机内安装有组态控制软件，组态控制软件包含有图像分析程序和控制程序，控制程序用于向晶体生长炉发送控制命令。
可选的，上位机为计算机集群。
相对于现有技术而言，本发明具有如下有益效果：
本发明借助预设液流线的变化图像作为新的下降籽晶时的液面温度参考，能够防止液面温度过高而熔化籽晶，导致损耗，也能够防止液面温度过低时籽晶上凝结多晶蓝宝石，导致引晶失败。本发明显著地提高了下降籽晶的成功率。
附图说明
图1.1是本发明第一实施方式晶体生长方法的流程图；
图1.2是本发明第一实施方式晶体生长系统的示意图。
图2是本发明第二实施方式晶体生长方法的流程图。
附图标记说明：
1-晶体生长炉；1a-炉腔；1b-引晶装置；2-籽晶；3-控制柜；4-上位机。
具体实施方式
实施方式一
本发明的第一实施方式提供了一种晶体生长方法，应用于泡生法蓝宝石晶体生长，参见图1.1所示，包括如下步骤：
获取晶体生长炉1内的视频图像。
将蓝宝石材料加热至熔融状态。
调节炉内温度，同时分析蓝宝石晶体在熔融状态下的液流线图像，借助图像分析程序，将实时液流线间距变化图像与预设液流线变化图像作相似度拟合对比。
当在第一预设时间段内，实时液流线间距变化图像与预设液流线变化图像的相似度大于或等于预设的第一相似百分比时，进入引晶步骤。
为了便于说明上述的晶体生长方法，本发明的第一实施方式同样提供了一种晶体生长系统。但值得一提的是，即便不基于本实施方式所提供的晶体生长系统，在满足条件的情况下也依然可以应用上述的晶体生长方法。
参见图1.2所示，本发明的第一实施方式的晶体生长系统包括：
晶体生长炉1，晶体生长炉1包括：
炉腔1a，用于装入蓝宝石材料；
引晶装置1b，引晶装置1b设置于炉腔1a内的上方，引晶装置1b上夹持有籽晶2；
图像获取装置，安装在炉腔1a内，用于获取炉腔1a内的液面和籽晶2的图像；
晶体生长系统还包括上位机4，与晶体生长炉1通信连接；
上位机4内安装有组态控制软件，组态控制软件包含有图像分析程序和控制程序，控制程序用于向晶体生长炉1发送控制命令。
其中，控制柜3汇集了晶体生长炉1的各种接口和总线，上位机4可以通过控制柜3与晶体生长炉1通信连接。
根据本发明，本实施方式提供了一种晶体生长的过程：
1、在晶体生长炉1的炉腔1a中，装入蓝宝石材料。通常，这些蓝宝石材料可以是高纯度的蓝宝石多晶粉末，当然，也可以是上一炉生长失败的，开裂或者存在其他缺陷的蓝宝石晶体。此外，在晶体生长炉1的炉腔1a上方的引晶装置1b上夹持籽晶2，完成长晶准备。
2、加热蓝宝石晶体。在针对大尺寸蓝宝石晶体所设计的晶体生长炉1中，为了均匀地加热，通常会沿着晶体的高度方向设计多个环状加热器，并且可以分别调节各个加热器的加热功率而进行加热。
3、在加热的同时，保持一定频率地观察和获取晶体生长炉1内的视频图像。在实际的工艺过程中，可以先将蓝宝石材料加热至熔融状态，也可以先开启视频图像的观测，这两个步骤的顺序没有严格要求。
4、当蓝宝石晶体进入熔融状态后，在观察窗口内，将可以看到不断流动的液流线。这些液流线的形态和运动方式基本上是相对固定的，线与线之间会形成网格。在现有技术中，常常需要于技术人员肉眼观察液流线的流动速度，液流线所形成的网格的数量，以及网格的形态来判断蓝宝石的液面温度是否适合引晶。这导致蓝宝石生长极度依赖操作人员的经验。在某些现有技术中，尽管应用了计算机来辅助分析液流线，然而其辅助分析的方式依然是十分机械的，例如利用计算机统计网格的数量这样的做法，难以响应不断运动的，动态的液流线的变化，其可操作性和可重复性很低。
而在本发明的实施方式中，则采用了完全不同的思路。
本发明的实施方式在调节炉内温度的同时，分析蓝宝石晶体在熔融状态下的液流线图像，借助图像分析程序，将实时液流线间距变化图像与预设液流线变化图像作相似度拟合对比。
所谓的相似度拟合对比，可以基于卷积神经网络等现有技术对图像进行特征提取，然后利用现有技术中的诸多图像相似度算法，例如opensse算法、sift算法等等，来判断两帧图片的相似度。另外，预设液流线变化图像的时长可以持续更长的时间，例如5分钟至10分钟，而实时液流线间距变化图像与这一时间段内任意一帧的液流线变化图像吻合时，都可以继续进行相似比对。
在现有技术中，各大厂商，包括俄罗斯atlas、美国tt、以及我国的诸多厂商，在出售晶体生长炉1时，都会配备有用于控制晶体生长炉1的设备运作的上位机4。上位机4常常和晶体生长炉1的控制柜3，也就是各个传感器和装置的总线设备相通信连接。在通常情况下，这些上位机4具备足够的性能对晶体生长炉1进行操作。在现有技术中，还常利用上位机4来导出长晶数据报表。
本发明的发明人发现，尽管这些上位机4通常足以实现对晶体生长炉1的控制，但要做到能够对图像实时的逐帧分析，其性能通常捉襟见肘。
因此在本发明中，可选的，上位机4可以采用计算机集群，特别可以是小规模的高性能计算机集群，来实现实时图像的分析。
计算机集群是一种计算机系统，它通过一组松散集成的计算机软件或硬件连接起来高度紧密地协作完成计算工作。在某种意义上，他们可以被看作是一台计算机。构建高性能计算系统的主要目的就是提高运算速度，要达到较高的计算速度，对系统的处理器、内存带宽、运算方式、系统i/o、存储等方面的要求都十分高，这其中的每一个环节都将直接影响到系统的运算速度。这类集群主要解决大规模科学问题的计算和海量数据的处理，如科学研究、气象预报、计算模拟、军事研究、cfd/cae、生物制药、基因测序等等，在本发明中则应用于图像处理。
当然，在一些情况下，如果无法做到逐帧对比，抽取关键帧对比也是可行的。
在本发明中，在上位机4内安装有组态控制软件。
所谓组态软件，主要指模块化地，提供人机交互的软件。具体来说，设备的plc，各种采集卡，各种仪表都能产生数据。上位机4可以通过串口，以太网或者专门的通信线路来获取这些数据。但是这些数据通常是不适合人类直接阅读和理解的，所以需要一个人机界面来展示这些数据，而组态软件的功能就是转化和展示这些数据。
在本发明中，借助组态控制软件所包含的图像分析程序来分析图像，所包含的控制程序来控制晶体生长炉1的运作。
在本发明中，为了减少计算延迟，可以将图像获取装置与上位机4通过高速线缆直接通信连接。由此，上位机4可以第一时间获得图像获取装置所获取的图像。由于反馈延迟的减小，因此能够显著提高图像分析的时效性。
5、当在第一预设时间段内，实时液流线间距变化图像与预设液流线变化图像的相似度大于或等于预设的第一相似百分比时，进入引晶步骤。
所谓的预设液流线的变化图像，可以是前一次引晶成功时，籽晶2下降之前的液流线变化图像。也可以在在先的多次引晶引晶中挑选一次最优的引晶时液流线变化图像来作为预设液流线的变化图像。
相对于现有技术而言，本发明借助预设液流线的变化图像作为新的下降籽晶2时的液面温度参考，能够防止液面温度过高而熔化籽晶2，导致损耗，也能够防止液面温度过低时籽晶2上凝结多晶蓝宝石，导致引晶失败。本发明的工艺可重复性好，能够显著提高下降籽晶2的成功率。
其中，这一第一预设时间段和预设的第一相似度可以通过人为定义，并且可以根据实际使用情况作出调整。
可选的，预设的时间段可以是10秒至20分钟，而优选的，可以是30秒至5分钟。本发明的发明人发现，当液流线持续30秒至5分钟的状态都与在先的预设液流线变化图像基本一致时，能够说明当前的液面温度与在先的引晶温度是一致的，此时为下降籽晶2的最佳时机。
可选的，预设的第一相似百分比可以为60％，而优选的，预设的第一相似百分比可以为75％，甚至80％。
其中，所指的相似度的比对可以有多种算法。举例来说，可以在分析蓝宝石晶体在熔融状态下的液流线图像的步骤中，截取第一预设时间段内的各帧图像并逐帧与预设液流线变化图像比对。
当在第一预设时间段内的各帧实时液流线间距变化图像中，有任意一帧的图像与预设液流线变化图像中的任意一帧的图像的相似度大于或等于第一相似百分比时，比对下一帧的实时液流线间距变化图像和下一帧的预设液流线变化图像，直至在第一预设时间段内的各帧的图像的相似度都大于第一相似百分比时，进入引晶步骤。
越高的第一相似百分比能够越精准地决定籽晶2的下降时机，但越高的第一相似百分比越难获得。而将第一相似百分比定得过高也有可能导致引晶周期拖得过长，使得热场的损耗加剧。经本发明的发明人的试验结果，以第一相似百分比为75％为最优选择。
实施方式二
本发明的第二实施方式提供了一种晶体生长方法，第二实施方式是第一实施方式的晶体生长方法的进一步改进，其主要改进之处在于，在本发明的第二实施方式中，参见图2所示，在调节炉内温度，同时分析蓝宝石晶体在熔融状态下的液流线图像的步骤之前，还包括如下步骤：
判断本次晶体生长的生长炉内的蓝宝石晶体材料的回用次数。
在调节炉内温度，同时分析蓝宝石晶体在熔融状态下的液流线图像的步骤中，根据回用次数，调用与回用次数相同的预设液流线变化图像。
随着蓝宝石晶体材料的回用次数的上升，杂质的增多，表现在液流线的形态上也会有些许差异。因此考虑到回用次数而选取调用与回用次数相同的预设液流线变化图像，能够更好地提高图像相似度的判断精度。
实施方式三
本发明的第三实施方式提供了一种晶体生长方法，第三实施方式是第一或第二实施方式的晶体生长方法的进一步改进，其主要改进之处在于，在本发明的第三实施方式中，在引晶步骤中，还包括如下子步骤：
向着靠近蓝宝石晶体的熔融液面的方向降低籽晶2。
每下降一定的距离后，暂停下降，分析籽晶2图像，借助图像分析程序，将第二预设时间段内的第一帧图像的籽晶尺寸和之后的图像的籽晶2尺寸作对比。
当在第二预设时间段内所对比的图像中，有任意一帧图像的籽晶2的尺寸小于第一帧的尺寸时，提升籽晶2，否则继续下降，直至籽晶2与蓝宝石晶体的熔融液面相接触，开始洗晶。
洗晶完毕后，缓慢提升籽晶2，同时降低功率输出，就可以开始引晶、放肩了。
在晶体生长炉1内的高温状态下，一部分挥发的氧化铝、熔化升华的热场以及其他的一些杂质会黏附在籽晶2上，导致籽晶2表面脏污，因此需要进行洗晶。也就是将籽晶2浸没在蓝宝石晶体的熔融液体中，借助高温的蓝宝石熔融液体洗去晶体表面的杂质。洗晶时，可能需要反复多次地浸没和提升籽晶2。
在籽晶2下降的途中，越接近液面，环境温度越高。如果温度过高将导致籽晶2熔化，俗称烤籽晶2。因此，为了避免籽晶2的熔化，通常都需要在每下降一定的距离后，令籽晶2暂停下降，由技术人员肉眼来分析籽晶2是否熔化。如果发生熔化，则需要重新提高籽晶2至安全区域，并调低晶体生长炉1的功率输出。
在本发明的实施方式中，通过借助图像分析程序，将第二预设时间段两帧图像作对比，无需通过技术人员的观察就能得出籽晶2的状态，因此能够自动化地判别环境温度是否过高，而无须人工干预，从而提高复现性。其中，可以令第二预设时间段中的每一帧图像都和第一帧作对比，也可以每隔若干帧中抽取一帧作对比。
可选的，第二预设时间段建议持续1分钟以上。而优选的，可以是一分钟至30分钟之间。最为优选的，建议为10至20分钟左右。本发明的发明人发现，当籽晶2的熔化相对比较迅速，在较短的时间内就需要作出反应，但同样的，也需要持续观察足够长的时间，以防止籽晶2缓慢融化的情形。显然，为了防止炉内光线的变动影响的籽晶2的尺寸的显示，可以为软件设置相应的补偿。
作为本实施方式的更为进一步改进，可以在每隔预设数量的帧中抽取一帧与第一帧作对比，从而大幅度降低计算量，降低对上位机4的性能需求。其中，预设数量可以是25帧至300帧之间(以每25帧或30帧一秒的摄像头为标准)。
更进一步来说，可以在每隔预设数量的帧中抽取籽晶2尺寸最大的一帧，与第一帧作对比，如此可以更好地防止和降低炉内光线的变动导致的影响。
实施方式四
本发明的第四实施方式提供了一种晶体生长方法，第四实施方式是第一至第三实施方式中任意一实施方式的晶体生长方法的进一步改进，其主要改进之处在于，在本发明的第三实施方式中，预设液流线变化图像根据在先的多次成功引晶时的视频图像拟合后生成。
可以预先提取在先的，多次成功引晶时的视频图像的特征和规律预先提取出来，降低计算量。另外，拟合多次引晶的视频图像，可以防止“偶然的成功”引晶可能带来的偏差，使得最终的引晶工艺更加稳定。
在上述的各实施方式中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是本领域的普通技术人员应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。另外，本领域的普通技术人员可以理解，为了使读者更好地理解本申请，本发明的实施方式提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施方式的种种变化和修改，也可以基本实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
实施方式五
本发明的第五实施方式还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现第一至第四实施方式中任意一实施方式所提供的晶体生长方法的步骤。
借助计算机程序能够自动化地完成上述步骤，提高效率。
本实施方式所指的处理器可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、状态机、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如dsp与微处理器的组合、多个微处理器、与dsp核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。
在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括ram、rom、eeprom、cd-rom或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(dsl)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器140、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、dsl、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(cd)、激光碟、光碟、数字多用碟(dvd)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。作为替换方案，存储介质可以被整合到处理器中。处理器和存储介质可驻留在asic中。asic可驻留在用户终端中。或者在替换方案中，处理器和存储介质也可作为分立组件驻留在用户终端中。
综上所述，本发明借助预设液流线的变化图像作为新的下降籽晶时的液面温度参考，能够防止液面温度过高而熔化籽晶，导致损耗，也能够防止液面温度过低时籽晶上凝结多晶蓝宝石，导致引晶失败。本发明显著地提高了下降籽晶的成功率。
本领域的普通技术人员可以理解，在上述的各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施方式的种种变化和修改，也可以基本实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。