CN1828508A - 高能电子衍射图像处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种高能电子衍射图像处理系统，其特征在于，包括：一高能电子衍射荧光屏；一CCD摄像头，该CCD摄像头置于高能电子衍射荧光屏的后面，该CCD摄像头用不锈钢圆筒固定；一图像采集卡，该图像采集卡用视频线与CCD摄像头连接，该图像采集卡将CCD摄像头得到的模拟信号转换为数字信号，并保存在内存中；一计算机，该计算机用视频线与图像采集卡连接，该计算机处理内存中的数据，将这些数据在计算机的屏幕上成像。

Description

高能电子衍射图像处理系统及方法

技术领域

本发明的方法适用于利用反射式高能电子衍射(RHEED，ReflectiveHigh Energy Electron Diffraction)进行表面分析的场合，特别是在分子束外延(MBE，Molecular Beam Epitaxy)设备中。

背景技术

反射式高能电子衍射在分子束外延设备中被广泛应用。它是MBE中最为重要的原位监测手段。

高能电子衍射系统中，高能电子束(通常为14KV)以非常小的角度掠射到样品的表面，入射角度通常为1°～2°。由于入射电子束的法向分量非常小，因此高能电子束只能深入到距离样品表面一到二个原子层，这些衍射后的电子束打到磷荧光屏上形成衍射图样。由于高能电子束只能穿透样品表面，所以RHEED衍射图样带有样品表面的信息。这些信息对于研究利用分子束外延的表面来讲是非常重要的。图1是RHEED高能电子衍射的原理图。

RHEED图像通常有如下几种作用：

1、通过观察RHEED衍射图样，人们可以观察衬底表面的脱氮状况，从而判定样品的脱氧温度，进而确定材料的生长温度；

2、通过RHEED衍射图样，可以得到样品表面的信息，能过RHEED图样，人们可以看到外延层的生长质量，还可以观察样品表面的再构状况等许多信息；

3、在材料生长的过程中，RHEED衍射斑点通常会出现按一定周期的振荡，这个振荡的周期对应于外延层原子层累加的周期，因此可以利用这个特性计算出材料的生长速率。

以往人们通常用肉眼来观察RHEED衍射图样，所以观察起来非常费力，容易出错，虽然可以看到表面的衍射信息，但要计算生长速率是不可能的。

也有在RHEED屏幕后面放置一个CCD摄像头，然后将衍射信息显示在电视上，这种方法虽然观察起来较为方便，但同样非常难以计算生长速率。

为了计算生长速率，也有人将光纤放在屏幕衍射斑点的后面，但这种方法效果不好，噪声很大。

以上这几种方法都各有所长，但他们都不能将屏幕上的图像保存下来，也就无法在材料生长后进行分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高能电子衍射图像处理系统及方法，其具有操作简单，使用方便，准确性高的优点，本系统采用计算机处理，可以将RHEED荧光屏上的图像保存到计算机的硬盘。

这种方法利用CCD摄像头将RHEED屏幕上的衍射图样采集下来，由图像采集卡将这些模拟信号转换为数字信号，并保存在计算机的内存中，利用软件将这些数据显示在计算机屏幕上，这样就可以很方便地观察RHEED屏幕上的图像，从图像中可以确定生长温度，观察样品的生长模式；这个系统还可以将屏幕上选定衍射斑点的亮度变化，从而得到RHEED强度振荡曲线，进而可以计算出材料的生长速率；利用计算机软件还可以将实验过程中的图像保存为静态的BMP格式，或者动态的AVI格式文件，这些文件可以用目前常用的多媒体处理软件打开，为用户在实验后的分析提供有力的支持。

根据以上目的，本发明一种高能电子衍射图像处理系统，其特征在于，包括：

一高能电子衍射荧光屏；

一CCD摄像头，该CCD摄像头置于高能电子衍射荧光屏的后面，该CCD摄像头用不锈钢圆筒固定；

一图像采集卡，该图像采集卡用视频线与CCD摄像头连接，该图像采集卡将CCD摄像头得到的模拟信号转换为数字信号，并保存在内存中；

一计算机，该计算机用视频线与图像采集卡连接，该计算机处理内存中的数据，将这些数据在计算机的屏幕上成像。

根据以上目的，本发明一种高能电子衍射图像处理方法，其特征在于：包括如下步骤：

a)将一个CCD摄像头放置在高能电子衍射荧光屏的后面，这个CCD摄像头用不锈钢圆筒固定；

b)固定CCD摄像头圆筒的内壁涂黑，并留有可调空间以调节CCD摄像头与荧光屏之间的距离，可以使图像更清晰；

c)图像采集卡与CCD摄像头之间用视频线连接，图像采集卡将摄像头得到的模拟信号转换为数字信号，并保存在内存中；

d)计算机处理内存中的数据，以方便用户对实验结果进行分析。

其中计算机处理内存中的数据是将这些数据在计算机屏幕上成像。

其中计算机处理内存中的数据是将内存中的数据进行分析，得到选定点的亮度随时间的变化规律，得到材料的生长速率。

其中计算机处理内存中的数据是将保存在内存中的数据以位图或者视频流文件的形式保存到硬盘上。

本发明高能电子衍射图像处理系统及方法，该方法利用CCD摄像头将RHEED屏幕上的衍射图样采集下来，通过软件处理，将这个图形显示在计算机屏幕上。利用这个图像处理系统可以方便地观察RHEED衍射图样，还可以计算材料的生长速率，更为重要的是它可以将屏幕上的信息保存为静态图像或者动态的视频流。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图，详细说明如下，其中：

图1是RHEED高能电子衍射的原理图；

图2是本系统各个部件的连接图；

图3是单点亮度曲线；

图4是多点亮度均值后的曲线图5脱氧前的RHEED图样；

图6是脱氧后的RHEED衍射图样；

图7是量子点形成后的RHED衍射图样。

具体实施方式

请参阅图2，图2是本系统各个部件的连接图，本发明一种高能电子衍射图像处理系统，其特征在于，包括：

一高能电子衍射荧光屏1；

一CCD摄像头2，该CCD摄像头2置于高能电子衍射荧光屏1的后面，该CCD摄像头用不锈钢圆筒固定；

一图像采集卡4，该图像采集卡4用视频线3与CCD摄像头2连接，该图像采集卡4将CCD摄像头2得到的模拟信号转换为数字信号，并保存在内存中；

一计算机5，该计算机5用视频线3与图像采集卡4连接，该计算机5处理内存中的数据，将这些数据在计算机5的屏幕上成像。

2、一种高能电子衍射图像处理方法，其特征在于：包括如下步骤：

a)将一个CCD摄像头2放置在高能电子衍射荧光屏1的后面，这个CCD摄像头2用不锈钢圆筒固定；

b)固定CCD摄像头2圆筒的内壁涂黑，并留有可调空间以调节CCD摄像头2与荧光屏1之间的距离，可以使图像更清晰；

c)图像采集卡4与CCD摄像头2之间用视频线3连接，图像采集卡4将摄像头2得到的模拟信号转换为数字信号，并保存在内存中；

d)计算机5处理内存中的数据，以方便用户对实验结果进行分析。

其中计算机5处理内存中的数据是将这些数据在计算机5屏幕上成像。

其中计算机5处理内存中的数据是将内存中的数据进行分析，得到选定点的亮度随时间的变化规律，得到材料的生长速率。

其中计算机5处理内存中的数据是将保存在内存中的数据以位图或者视频流文件的形式保存到硬盘上。

本系统采用的图像卡4为大恒公司生产的DH Imvision CG400。将CCD摄像头2放置在RHEED屏幕1的后面，并用内壁涂黑的不锈钢圆筒(未图示)固定，这要可以防止外界的杂散光给图像造成的干扰，提高图像的清晰度。

图像采集卡4被插在计算机的PCI插槽中，它与CCD摄像头2用视频线3连接。它将CCD摄像头2的模拟信号转换为数字信号，并放在内存中转换速率为25帧/秒。在内存中，数据采用RGB三基色方式，排列顺序依次为...B、G、R、B、G、R...。而在实际上，我们关心的是衍射点的亮度，所以应该将这些颜色值转换为亮度值。它们之间的转换关系由以下矩阵给出：

$\left[\begin{array}{c}Y\\ U\\ V\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0.299& 0.587& 0.114\\ -0.148& -0.289& 0.437\\ 0.615& -0.515& -0.100\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]---\left[1\right]$

从上式，我们可以看到亮度值与颜色值的计算公式为：

Y＝R×0.299+G×0.587+B×0.114[2]

图像卡中得到的数据为整个RHEED屏幕的图像，而我们真正关心的是某个区域的亮度值，这就需要对图像进行定位。在这里我们假设图像保存于pBuffer处的一段内存区，图像的宽度为w，高度为h，而我们想要知道(x，y)点处的亮度值，则可以通过如下公式得到该处的偏移量：

                offset＝y*w+x    [3]

相应的，此点处所对应的颜色值分别为

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]

在实际应用中，我们发现，如果只计算一个点的亮度值，则噪声非常大。如图3所示，这个噪声主要是由于CCD摄像头2的热噪声引起的。为了抑制噪声，我们采用亮度均值的方法来降低。

$Y=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Yi}/N---\left[6\right]$

式中，Yi为第i个点的亮度。N为所选取点的总数。

我们发现采用亮度平均后噪声大大降低。如图4所示。

图5是通过本系统得到的RHEED振荡曲线，通过RHEED振荡，可以得到生长速率。

将RHEED屏幕上的衍射图样保存下来是非常重要的。这些RHEED图像对于实验后的结果分析、比较都是非常有帮助的。

而内存中的数值只是图像的颜色值，如果将这些数据保存于文件中，由于这没有包含图像的控制信息，因此在后来的文件读取中会出现问题，即这些信息不能被通用软件读取。因此我们要在为这些数据加上文件头，即bitmapinfoheader。文件头中包含有图像的宽度，高度等重要的信息。

有时候我们需要对RHEED图像的变化过程进行保存，这样保存静态图像就不能满足这一要求了。为了实现这一功能，我们利用Microsoft的VFW进行开发，可以将这些视频流保存为AVI文件。这些文件就可以用一些通用软件如Media Player，Realplayer等软件来播放了。这一功能更加增强了本图像处理系统的分析能力。

图5到图7是利用本图像处理系统所得到的几个有代表性的RHEED图样。

Claims (5)

1、一种高能电子衍射图像处理系统，其特征在于，包括：

一高能电子衍射荧光屏；

一CCD摄像头，该CCD摄像头置于高能电子衍射荧光屏的后面，该CCD摄像头用不锈钢圆筒固定；

一图像采集卡，该图像采集卡用视频线与CCD摄像头连接，该图像采集卡将CCD摄像头得到的模拟信号转换为数字信号，并保存在内存中；

一计算机，该计算机用视频线与图像采集卡连接，该计算机处理内存中的数据，将这些数据在计算机的屏幕上成像。

2、一种高能电子衍射图像处理方法，其特征在于：包括如下步骤：

a)将一个CCD摄像头放置在高能电子衍射荧光屏的后面，这个CCD摄像头用不锈钢圆筒固定；

b)固定CCD摄像头圆筒的内壁涂黑，并留有可调空间以调节CCD摄像头与荧光屏之间的距离，可以使图像更清晰；

c)图像采集卡与CCD摄像头之间用视频线连接，图像采集卡将摄像头得到的模拟信号转换为数字信号，并保存在内存中；

d)计算机处理内存中的数据，以方便用户对实验结果进行分析。

3、根据权利要求2所述的高能电子衍射图像处理方法，其特征在于，其中计算机处理内存中的数据是将这些数据在计算机屏幕上成像。

4、根据权利要求2所述的高能电子衍射图像处理方法，其特征在于，其中计算机处理内存中的数据是将内存中的数据进行分析，得到选定点的亮度随时间的变化规律，得到材料的生长速率。

5、根据权利要求2所述的高能电子衍射图像处理方法，其特征在于，其中计算机处理内存中的数据是将保存在内存中的数据以位图或者视频流文件的形式保存到硬盘上。

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