CN103215641A - 一种泡生法蓝宝石视频引晶系统及其控制方法 - Google Patents

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本发明涉及一种泡生法蓝宝石视频引晶系统及其控制方法，包括相机支架（1），高清相机（2），观察窗口（3），炉盖（4）和观察窗口（3）上的进/出水接口（5），所述相机支架（1）可实现在两个观察窗口（3）之间的移动，所述高清相机（2）通过交换机网络连接至炉台控制系统，在所述两个观察窗口（3）上开有进/出水接口（5），所述控制方法包括：A．图像清晰化、B．寻找合适引晶温度、C．自动引晶操作，本发明可实现采用统一量化的标准来进行自动引晶操作，减少了对技术人员引晶水平的依赖性，可以有效提高蓝宝石晶体产量以及减少因人为因素引起的晶体质量问题。

Description

一种泡生法蓝宝石视频引晶系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种泡生法生长蓝宝石的视频引晶系统及其控制方法。属于晶体生长技术领域。
背景技术
由于蓝宝石晶体具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，因而被广泛应用于整流罩、窗口材料等军工领域以及LED衬底材料和手机屏等民用领域。近年来，随着现代科学技术的发展，蓝宝石在国际市场上的需求量越来越大，同时对晶体质量及尺寸的要求也愈来愈高。
目前，在蓝宝石晶体生长方法中，世界上公认的、最适合规模化生产大尺寸、高质量LED衬底级蓝宝石晶体的生长技术是泡生法。泡生法同提拉法相似，是在一根受冷的（多采用水冷）提拉杆上安装上籽晶，将坩埚内原料熔化为熔体，然后将籽晶与熔体接触，如果界面的温度适合，熔体则沿籽晶晶向进行结晶生长（引晶）。为了使晶体不断长大，就需要逐渐下降功率，以降低熔体的温度使之结晶；同时，需要缓慢上提晶体，以扩大散热面。
采用泡生法生长蓝宝石晶体与其他方法相比，最重要的一个过程就是引晶，晶体质量的好坏非常依赖于技术人员的引晶经验和操作水平，但目前还没有统一量化的标准和操作规程来控制引晶过程，实现自动化引晶。在引晶期间，技术人员需要通过观察窗口来查看籽晶与熔体的接触和生长情况，进而做出正确的判断。但通常引晶过程持续时间较长，从原料熔化到引晶过程结束一般为20小时左右，在此过程中，由于炉内温度高达2100℃，观察窗口只能间断式打开以免高温下观察用视镜炸裂，以及炉内钨钼等杂质挥发物会不断吸附在观察窗口上，导致观察窗口的可视性被逐渐破坏。同时，技术人员需要长时间的利用观察窗口来进行引晶，受炉内高温辐射影响，视力也会逐渐疲劳，每天只能完成最多2-3炉台的引晶工作，制约了晶体产量的提高。以上这些都给引晶工作造成极大的困难，会直接影响到晶体的质量。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种泡生法蓝宝石视频引晶系统及其控制方法，可实现使用视频图像、图像增强算法以及专业图像分析程序进行自动引晶操作，并可有效解决观察用视镜易炸裂和技术人员视力容易疲劳等问题。
本发明的目的是这样实现的：一种泡生法蓝宝石视频引晶系统，它包括：相机支架、高清相机、两个观察窗口和炉盖，所述高清相机固定于相机支架上，所述两个观察窗口设置于炉盖上，所述相机支架可实现在两个观察窗口之间的移动，以方便对两个观察窗口内的引晶情况进行拍摄，所述高清相机通过交换机网络连接至炉台控制系统，在所述两个观察窗口上开有进/出水接口。
  一种采用上述泡生法蓝宝石视频引晶系统的控制方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
A．图像清晰化。
当原料完全熔化出现液流线后，利用高清相机采集图像并显示于炉台控制系统的显示屏上，通过图像增强算法，提高图像的清晰度，使图像及熔体液流线变得更加清晰；
B．寻找合适引晶温度。
在自动引晶过程中，通过拍摄的液流线间形成的小网格数量变化，调节炉内熔体温度，直至小网格数量达到3-8个，引晶温度较为合适，此时技术人员进一步结合观察籽晶与熔体的熔接生长情况，当籽晶放进熔体约20-30秒内，籽晶既不熔化，熔体也不在籽晶上结晶时，炉体内的温度达到最佳引晶所需要的温度；
C．自动引晶操作。当通过图像分析达到引晶温度时，开始自动引晶操作，根据预设的晶体生长速度，调节炉内温度，使晶体按照预设的引晶工艺的生长速度进行生长。
3、根据权利要求2所述的一种泡生法蓝宝石视频引晶系统的控制方法，其特征在于步骤C的引晶工艺中的提拉时间间隔为5-15min，提拉速度为2-5mm/min、提拉高度为1-5mm/次。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明使用视频图像、图像增强算法和专业图像分析程序可实现采用统一量化的标准来进行自动引晶操作，减少了对技术人员引晶水平的依赖性，引晶一致性好，操作方便，生产过程简单，可以有效提高蓝宝石晶体产量以及减少因人为因素引起的晶体质量问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明图像清晰化处理前的示意图。
图3为本发明图像清晰化处理后的示意图。
图4为本发明计算出熔体液流小网格数量的示意图。
图5为本发明完成引晶后的示意图。
其中： 
相机支架1
高清相机2
观察窗口3
炉盖4
进/出水接口5。
具体实施方式
参见图1，本发明涉及一种泡生法蓝宝石视频引晶系统，所述系统包括：相机支架1，高清相机2，观察窗口3，炉盖4和观察窗口3上的进/出水接口5，配备合适滤光片的工业用耐高温的高清相机2置于用于固定相机并调节拍摄角度的相机支架1上，所述相机支架1可实现在两个观察窗口3之间的移动，以方便对两个观察窗口3内的引晶情况进行拍摄，所述高清相机2通过交换机网络技术连接至炉台控制系统，炉台控制系统采集相机拍摄的图像，并成像在控制系统的显示屏上。同时，在炉盖4上的两个观察窗口3上开有进/出水接口5，用以连接进/出水管路，以实现通水冷却观察窗口内的观察用视镜，防止其炸裂。
参见图2、图3、图4和图5， 本发明还涉及一种泡生法蓝宝石视频引晶的控制方法，所述方法包括如下步骤：
A．图像清晰化。当原料完全熔化出现液流线后，通过高清相机采集图像并显示于炉台控制系统的显示屏上。通过C++语言编译图像分析程序（运行环境VS2010），并嵌入在炉台控制系统的组态软件NetSCADA中。然后，通过图像增强算法，提高图像的清晰度，使图像及熔体液流线变得更加清晰，方便操作人员通过控制系统的显示屏进行观察，准确判断炉内的变化状态。利用图像增强算法处理前后的对比图像，如图2、图3所示。
B．寻找合适引晶温度。在自动引晶过程中，通过拍摄的液流线间形成的小网格数量变化，系统将自动进行调节输出功率大小，以调节炉内熔体温度，直至小网格数量达到3-8个，引晶温度较为合适。此时，技术人员进一步结合观察籽晶与熔体的熔接生长情况，当籽晶放进熔体约20-30秒内，籽晶既不熔化，熔体也不在籽晶上结晶时，炉体内的温度达到最佳引晶所需要的温度。图4为计算出来的小网格数量。
C．自动引晶操作。当通过图像分析达到引晶温度时，开始自动引晶操作。通过C++语言编译的图像分析程序（运行环境VS2010）可以计算拍摄的引晶过程中晶体生长的速度（即结晶边缘的向外扩展速度，通常以mm/min计）。根据预设的晶体的生长速度，系统将自动调节输出功率的大小，以调节炉内温度，使晶体按照预设的引晶工艺的生长速度进行生长，同时，根据长速在控制程序中设定好提拉时间间隔和每次提拉速度、提拉高度等引晶工艺，实现自动引晶的操作。
例如，生长速度，即结晶边缘向外扩展速率为0.2-0.5mm/min时，较为合适，此时，技术人员可根据扩展速率来确定提拉时间间隔（一般提拉时间间隔5-15min）和每次提拉速度（一般2-5mm/min）、提拉高度（一般1-5mm/次）等引晶工艺。最终引晶结束后，引晶末端直径约30-60mm，引晶高度在25-70mm左右。
通过对这些工艺参数的试验优化，建立一个统一的量化标准，以实现自动化引晶操作，提高引晶成功率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种泡生法蓝宝石视频引晶系统，其特征在于它包括：相机支架（1）、高清相机（2）、两个观察窗口（3）和炉盖（4），所述高清相机（2）固定于相机支架（1）上，所述两个观察窗口（3）设置于炉盖（4）上，所述相机支架（1）可实现在两个观察窗口（3）之间的移动，以方便对两个观察窗口（3）内的引晶情况进行拍摄，所述高清相机（2）通过交换机网络连接至炉台控制系统，在所述两个观察窗口（3）上开有进/出水接口（5）。
2.  一种采用权利要求1所述的泡生法蓝宝石视频引晶系统的控制方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
A．图像清晰化 
当原料完全熔化出现液流线后，利用高清相机采集图像并显示于炉台控制系统的显示屏上，通过图像增强算法，提高图像的清晰度，使图像及熔体液流线变得更加清晰；
B．寻找合适引晶温度 
在自动引晶过程中，通过拍摄的液流线间形成的小网格数量变化，调节炉内熔体温度，直至小网格数量达到3-8个，引晶温度较为合适，此时技术人员进一步结合观察籽晶与熔体的熔接生长情况，当籽晶放进熔体约20-30秒内，籽晶既不熔化，熔体也不在籽晶上结晶时，炉体内的温度达到最佳引晶所需要的温度；
C．自动引晶操作 
当通过图像分析达到引晶温度时，开始自动引晶操作，根据预设的晶体生长速度，调节炉内温度，使晶体按照预设的引晶工艺的生长速度进行生长。
3.根据权利要求2所述的一种泡生法蓝宝石视频引晶系统的控制方法，其特征在于步骤C的引晶工艺中的提拉时间间隔为5-15min，提拉速度为2-5mm/min、提拉高度为1-5mm/次。
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