CN103046128B - 直拉单晶直径测量方法 - Google Patents

Abstract

一种直拉单晶直径测量方法，包括利用一个CCD摄像头获取单晶生长图像以及对单晶生长图像进行处理，CCD摄像头的分辨率高于200万像素，对单晶生长图像进行处理包括步骤：提取单晶生长固液界面处的晶体轮廓；将晶体轮廓进行拟合，获得椭圆边界；将椭圆边界校正成圆形边界；以及获得单晶直径。本发明直拉单晶直径测量方法测定结果精度高，且操作简单，无噪音干扰。本发明可用于测量引晶、放肩、转肩及等径过程的单晶直径的测量。

Description

直拉单晶直径测量方法

技术领域

本发明属于单晶制造技术领域，涉及一种直拉单晶直径测量方法。

背景技术

光伏发电作为绿色能源以及人类可持续发展的主要能源的一种，日益受到世界各国的重视并得到大力发展。单晶硅片作为光伏发电的基础材料的一种，有着广泛的市场需求。一种常见的单晶硅生长方法是直拉法，即，在单晶炉中，使籽晶浸入容置于坩埚的熔体，在转动籽晶及坩埚的同时提拉籽晶，以在籽晶下端依次进行引晶、放肩、转肩、等径及收尾，获得单晶硅棒。

为确保单晶质量，在拉单晶过程中要对单晶的直径进行测量及控制。现有的一种直径测量方法是利用非高清的摄像头，采集单晶生长固液界面处的“亮环”图像并对图像进行一系列处理后，计算得到单晶直径。为兼顾引晶与等径过程中图像精度的需求，往往需要使用两个摄像头并在拉晶不同阶段进行切换，如此，操作复杂；此外，计算单晶直径之前，还需要对低清晰度的图像使用亚像素技术进行模拟以提高虚拟像素值。如此，引入模拟信号的干扰，且后续处理信息来源相对于原始图像已出现偏差。另外，现有的直径测量方法对图像进行处理过程中，直接将摄像头获取的非标准的椭圆信息校正成圆，并根据前述圆的信息计算单晶直径，导致计算精度也不够高。

发明内容

本发明的目的是提供一种直拉单晶直径测量方法，以解决现有的直径测量方法存在的操作复杂、噪音干扰及计算精度低的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种直拉单晶直径测量方法，包括利用一个CCD摄像头获取单晶生长图像以及对单晶生长图像进行处理，CCD摄像头的分辨率高于200万像素，对单晶生长图像进行处理包括步骤：提取单晶生长固液界面处的晶体轮廓；将晶体轮廓进行拟合，获得椭圆边界；将椭圆边界校正成圆形边界；以及获得单晶直径。

本发明的特点还在于：

晶体轮廓包括内缘和外缘，将晶体轮廓进行拟合，获得椭圆边界的步骤中，对晶体轮廓的外缘进行拟合。

将晶体轮廓进行拟合，获得椭圆边界的步骤中，还对晶体轮廓的内缘进行拟合，并根据内缘与外缘的变化获得单晶直径生长趋势。

对单晶生长图像进行处理过程中，提取单晶生长固液界面处的晶体轮廓之前，利用特征识别模块自动识别测量区域范围。

自动识别测量区域范围后，提取单晶生长固液界面处的晶体轮廓之前，还包括滤除图像的测量区域范围内的干扰的步骤。

提取单晶生长固液界面处的晶体轮廓包括步骤：将图像依次进行灰度化和二值化，以及利用轮廓跟踪技术获取单晶生长固液界面处的晶体轮廓。

使用链码逼近法提取单晶生长固液界面处的晶体轮廓。

使用最小二乘法将晶体轮廓进行拟合，获得椭圆边界。

将椭圆边界校正成圆形边界的步骤中，根据CCD摄像头的光轴与熔体液面的夹角α，对椭圆边界的像素点的横坐标x进行校正，校正后所得圆形边界的像素点的横坐标x′=x/cosα。

本发明具有如下有益效果：

本发明直拉单晶直径测量方法采用分辨率高于200万像素的取像CCD摄像头，并在对图形进行处理过程中将提取的晶体轮廓拟合成标准的椭圆边界，无需对应单晶生长过程进行多个摄像头之间的切换，操作简便；整个取像及图像处理过程均采用数字化处理，无噪音干扰；从椭圆形晶体轮廓拟合成标准的椭圆边界，有利于提高后续直径计算精度。本发明直拉单晶直径测量方法可用于测量引晶、放肩、转肩及等径过程的单晶直径的测量。

附图说明

图1为本发明实施例直拉单晶直径测量方法流程图；

图2为本发明实施例等径生长过程中单晶生长图像示意图；

图中，10.单晶，20.亮环，21.内边缘，22.外边缘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明直拉单晶直径测量方法，包括利用一个CCD摄像头获取单晶生长图像以及对单晶生长图像进行处理，CCD摄像头的分辨率高于200万像素，对单晶生长图像进行处理包括步骤：提取单晶生长固液界面处的晶体轮廓；将晶体轮廓进行拟合，获得椭圆边界；将椭圆边界校正成圆形边界；以及获得单晶直径。

晶体轮廓包括内缘和外缘，将晶体轮廓进行拟合，获得椭圆边界的步骤中，对晶体轮廓的外缘进行拟合。

将晶体轮廓进行拟合，获得椭圆边界的步骤中，还对晶体轮廓的内缘进行拟合，并根据内缘与外缘的变化获得单晶直径生长趋势。

对单晶生长图像进行处理过程中，提取单晶生长固液界面处的晶体轮廓之前，利用特征识别模块自动识别测量区域范围。

自动识别测量区域范围后，提取单晶生长固液界面处的晶体轮廓之前，还包括滤除图像的测量区域范围内的干扰的步骤。

提取单晶生长固液界面处的晶体轮廓包括步骤：将图像依次进行灰度化和二值化，以及利用轮廓跟踪技术获取单晶生长固液界面处的晶体轮廓。

使用链码逼近法提取单晶生长固液界面处的晶体轮廓。

使用最小二乘法将晶体轮廓进行拟合，获得椭圆边界。

将椭圆边界校正成圆形边界的步骤中，根据CCD摄像头的光轴与熔体液面的夹角α，对椭圆边界的像素点的横坐标x进行校正，校正后所得圆形边界的像素点的横坐标x′=x/cosα。

实施例，参照图1，直拉单晶直径测量方法，包括以下步骤：

第一步，利用高分辨率为200万像素的CCD摄像头获取单晶生长图像。具体地，CCD摄像头的光轴与坩埚中熔体液面之间成一定夹角，该夹角不等于90°。参照图2，在等径生长过程获取的单晶生长图像中，在单晶10下方的固液界面处具有亮环20。该亮环20包括靠近单晶10的内边缘21以及靠近熔体侧的外边缘22。图2中，由于拍摄角度及单晶炉结构的影响，亮环20有部分被遮挡。

后续各步中，单晶生长的图像通过电路输入至工控机中，由工控机的图像处理程序对单晶生长图像进行处理。

第二步，识别测量区域范围。可利用图像处理程序包含的特征识别模块自动识别测量区域范围，即，单晶生长固液界面处的亮环20所在范围。

自动识别测量区域范围后，可根据需要在该范围内进行锐化、腐蚀及扩张等操作，以滤除图像的测量区域范围内的细小干扰。

第三步，提取单晶生长固液界面处的晶体轮廓。

可先将亮环20图像依次进行灰度化和二值化，再利用轮廓跟踪技术获取单晶生长固液界面处的晶体轮廓。本实施例中，使用链码逼近法提取晶体轮廓。与亮环20形状相对应的，晶体轮廓也包括内缘和外缘。

优选地，对于获得的晶体轮廓，可采用平滑算法去除其中包含的凸点和凹点。

第四步，将晶体轮廓进行拟合，获得椭圆边界。

具体地，对晶体轮廓的外缘进行拟合。本实施例中，采用最小二乘法进行拟合。算法原理如下：椭圆可由5个参数描述：中心点（X₀，Y₀），半轴长a、b，姿态角θ（-π/2＜θ＜π/2）。记椭圆参数为：a=(a b X₀ Y₀ θ)。设给定点P（X₁，Y₁）在椭圆上的正交近邻点为P′（X₁′，Y₁′），则m个给定点的几何距离拟合可以表述为最小化：

E＝(X-X′)^TW^TW(X-X′)    (1)

式（1）中，X与X′分别表示m个给定样本点击相应椭圆上最近邻点的坐标列向量；W是指定的对称正定加权矩阵，用于调整对不同样本点的权重。可见，椭圆拟合先要计算已知点X_i在初始拟合椭圆上的最近邻点X_i′(a)，再对椭圆上的点X_i′（a）进行拟合以获取优化的椭圆参数。

第五步，将椭圆边界校正成圆形边界。

具体地，根据CCD摄像头的光轴与熔体液面的夹角α，对椭圆边界的每个像素点的横坐标x进行校正，校正后所得圆形边界上的像素点的横坐标x′满足关系式（2）。

$x^{\′}=\frac{X}{\cos \mathrm{\α}}---\left(2\right)$

第六步，获得单晶直径。

在第五步获得的圆形边界上任取三个像素点，分别将其坐标值（x_i，y_i）代入圆坐标公式(3)中、组成方程式并求解，即可计算得出圆心坐标(x₀，y₀)和单晶10的直径R大小。

(χ-x₀)²+(y-y₀)²＝R²    (3)

本实施例中，第四步中若同时对晶体轮廓的内缘进行拟合，并在第五步中将内缘校正成内边圆形边界，根据前述的基于外缘的圆形边界及内边圆形边界的变化量可获得单晶直径生长趋势。

以上是以等径生长过程中单晶生长图像为例说明直径的测量方法，由于本发明使用高分辨率的CCD摄像头，无需进行镜头的切换，该单晶直径测量方法同样可适用于引晶、放肩及转肩等过程。

本发明提供的直拉单晶直径测量方法采用分辨率高于200万像素的CCD摄像头，并在对图形进行处理过程中将提取的晶体轮廓拟合成标准的椭圆边界，解决现有的直径测量方法存在的操作复杂、噪音干扰及计算精度低等问题。可产生以下有益效果：第一，无需对应单晶生长过程进行多个摄像头之间的切换，操作简便；第二，整个取像及图像处理过程均采用数字化处理，避免噪音干扰；第三，从椭圆形晶体轮廓拟合成标准的椭圆边界，有利于提高后续直径计算精度；第四，可实现预测单晶生长趋势。

Claims (7)

1.一种直拉单晶直径测量方法，包括利用一个CCD摄像头获取单晶生长图像以及对所述单晶生长图像进行处理，其特征在于，所述CCD摄像头的分辨率高于200万像素，对所述单晶生长图像进行处理包括步骤：提取单晶生长固液界面处的晶体轮廓，所述晶体轮廓包括内缘和外缘；对所述晶体轮廓的外缘进行拟合获得椭圆边界，并对所述晶体轮廓的内缘进行拟合获得内参考边界；将所述基于外缘的椭圆边界校正成圆形边界、并将所述基于内缘的内参考边界校正成内边圆形边界，然后根据圆形边界和内边圆形边界的变化量获得单晶直径生长趋势；以及获得单晶直径。

2.根据权利要求1所述的直拉单晶直径测量方法，其特征在于，对所述单晶生长图像进行处理过程中，提取单晶生长固液界面处的晶体轮廓之前，利用特征识别模块自动识别测量区域范围。

3. 根据权利要求2所述的直拉单晶直径测量方法，其特征在于，自动识别测量区域范围后，提取单晶生长固液界面处的晶体轮廓之前，还包括滤除图像的测量区域范围内的干扰的步骤。

4.根据权利要求1所述的直拉单晶直径测量方法，其特征在于，提取单晶生长固液界面处的晶体轮廓包括步骤：将图像依次进行灰度化和二值化，以及利用轮廓跟踪技术获取单晶生长固液界面处的晶体轮廓。

5.根据权利要求4所述的直拉单晶直径测量方法，其特征在于，使用链码逼近法提取晶体轮廓。

6. 根据权利要求1所述的直拉单晶直径测量方法，其特征在于，使用最小二乘法将所述晶体轮廓进行拟合，获得椭圆边界。

7.根据权利要求1所述的直拉单晶直径测量方法，其特征在于，将所述椭圆边界校正成圆形边界的步骤中，根据CCD摄像头的光轴与熔体液面的夹角α，对椭圆边界的像素点的横坐标x进行校正，校正后所得圆形边界的像素点的横坐标x′=x/cosα。