CN112381807A - 一种直拉单晶生产中晶体直径检测方法、系统及计算机 - Google Patents

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CN112381807A CN202011296961.3A CN202011296961A CN112381807A CN 112381807 A CN112381807 A CN 112381807A CN 202011296961 A CN202011296961 A CN 202011296961A CN 112381807 A CN112381807 A CN 112381807A
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Abstract

本发明公开了一种直拉单晶生产中晶体直径检测方法、系统及计算机，属于直拉式单晶硅生产领域，通过获取熔融硅液表面图像，所述图像包括硅单晶棒和硅溶液的固液界面形成的光圈；根据所述图像拟合出圆的直径，对晶体直径进行计算，得出硅单晶直径的测量值；根据硅单晶直径的测量值，调整拉速和热场温度对直径进行控制，使得晶体直径的变化在预设范围内。本发明可以完成不同生产阶段，不同尺寸晶棒的直径测量，圆拟合的方法相较于三点确定圆的方法来说更加准确也更加稳定。对于光圈下方被遮挡的场景，本发明还可以完成精准测量，本发明依靠像素梯度寻找边界点，不需要进行二值化处理，对于不同图像亮度的差异适应性很强。

Description

一种直拉单晶生产中晶体直径检测方法、系统及计算机
技术领域
本发明涉及直拉式单晶硅生产技术，特别地，涉及一种直拉单晶生产中晶体直径检测方法、系统及计算机。
背景技术
直拉法生产过程中，首先多晶硅原料被放入石英坩埚中加热至熔融状态，液面上方通过提拉索悬吊一根通过化学蚀刻制作的单晶硅籽晶，籽晶下降至与液面接触，当温度合适时，籽晶与熔体达到热平衡，液面会在表面张力的支撑下，吸附在籽晶下方；籽晶旋转并缓慢向上提升，吸附熔体也会随之向上运动，从而形成过冷状态，具有过冷态的硅原子会顺着籽晶的排列结构在固液交界面上形成规则的结晶体。若整个生长环境稳定，就可以周而复始地在之前形成的单晶体上继续结晶，最终形成一根圆柱形的硅单晶体。
同时，在生产过程中，要实现上述工艺过程，需要对关键变量和信号进行准确的检测和处理，主要涉及两大类关键变量检测及处理问题，其中很重要的一类为过程变量，包括热场温度，晶体直径和坩埚内硅溶液液位，他们对警惕品质起着决定性的作用。
在硅单晶生长过程中，如何保证晶体直径的变化在允许范围内，一直是一个备受关注的问题。随着晶体直径的不断增大，品质要求越来越高，准确对晶体直径进行有效测量是实现晶体生长控制的关键。单晶炉直径控制系统根据硅单晶直径的测量值，通过改变拉速和热场温度对直径进行控制。因此，直径检测是直拉硅单晶生长过程中的一个关键检测问题。
由于单晶炉内部处于高温负压的工作状态，常规的测量方法无法对炉内的晶体直径直接进行测量。在晶体生长过程中，硅单晶棒和硅溶液的固液界面会形成一个高亮的光环，只要测到光环直径，就可以通过计算得到单晶硅的直径。
目前已发表的有代表性的方法有CN102912429B和CN103046128B，二者各有优劣。CN102912429B在计算晶体直径过程中需要人为标定三条线段，由三条线段与光圈交点确定圆的直径，由于晶棒本身并不是完美的圆形，仅靠三点确定的圆精确度较低，且短时内数值跳变较大，不利于生产过程的控制，这种方法只能用于直径变化微小的阶段，即等径阶段，而在放肩等直径持续增长的阶段则无法应用，由于只有三点，该方法对于遮挡的鲁棒性较差。CN103046128B相对来说则更加完备,使用边缘检测与圆拟合的方法对直径进行计算，该方法在边缘检测时对图片进行了二值化处理，在实际使用过程中容易发现，二值化操作对不同亮度的图像适应性较差，在直径变化速度较快时，边界亮度变小，这种方式在某些情况下会无法检测到光圈。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种直拉单晶生产中晶体直径检测方法、系统及计算机，以解决保证晶体直径的变化在允许范围内的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
第一方面，
一种直拉单晶生产中晶体直径检测方法，包括以下步骤：
获取熔融硅液表面图像，所述图像包括硅单晶棒和硅溶液的固液界面形成的光圈；
根据所述图像拟合出圆的直径，对晶体直径进行计算，得出硅单晶直径的测量值；
根据硅单晶直径的测量值，调整拉速和热场温度对直径进行控制，使得晶体直径的变化在预设范围内。
进一步地，根据所述图像拟合出圆的直径，对晶体直径进行计算，得出硅单晶直径的测量值包括：
将所述图像中每个像素映射到极坐标空间；
在所述图像中标定中心点，并给定预设角度，和一条横向贯穿全图的横线；
在极坐标图上，对所述极坐标图进行径向差分的计算，得到径向差分图。
进一步地，将所述图像中每个像素映射到极坐标空间过程如下：
Figure BDA0002785683210000031
其中，(x,y)为原图像上位置上的像素点坐标，(center_x,center_y)为中心点坐标。
进一步地，根据所述图像拟合出圆的直径，对晶体直径进行计算，得出硅单晶直径的测量值，还包括：
处理所述图像；
通过阈值化操作和形态学处理得到掩膜图；
将所述掩膜图对径向差分图进行遮罩处理并阈值化得到径向边缘图；
筛选所述径向边缘图的有效区域点集；
根据所述有效区域点集进行晶棒圆拟合，得到拟合圆结果。
进一步地，根据所述有效区域点集进行晶棒圆拟合包括：
对于所述有效区域点集的所有点，随机抽取预设数量的点；
对所述随机抽取的预设数量的点使用最小二乘法的进行圆拟合；
记录所述有效区域点集中在当前拟合圆上的数量，保留覆盖最多边界点的圆；
遍历所述有效区域点集的所有点，使用最小二乘法拟合得到最终的拟合圆。
进一步地，所述最小二乘法拟合圆的计算公式如下：
设待拟合点集中有N个点，记做(Xi，Yi)，i∈(1，2，3…，N)，设待拟合曲线为
R2＝(x-A)2+(y-b)2
R2＝x2-2Ax+A2+y2-2BY+B2
令
a＝-2A
b＝-2B
b＝-2B
c＝A2+B2-R2
则圆可记为
x2+y2+ax+by+c＝0
其中圆心为
Figure BDA0002785683210000051
Figure BDA0002785683210000052
Figure BDA0002785683210000053
样本集中点导员新的距离为di
di 2＝(Xi-A)2+(Yi-B)2
点到圆距离的平方与半径的平方差记为
δi 2＝(Xi-A)2+(Yi-B)2-R2＝Xi 2+Yi 2+aXi+bYi+c
令Q(a，b，c)为δi的平方和
Q(a，b，c)＝∑δi 2＝∑Xi 2+Yi 2+aXi+bYi+c
分别对a，b，c求偏导使其偏导为0可得到Q的极小值点，令：
C＝(N∑Xi 2-∑Xi∑Xi)
D＝(N∑XiYi-∑Xi∑Yi)
E＝(N∑Xi 3-N∑XiYi-∑(Xi 2+Yi 2)∑Xi)
G＝(N∑Yi 2-∑Yi∑Yi)
H＝(N∑Xi 2Yi-N∑Yi 2-∑(Xi 2+Yi 2)∑Yi)
可解得：
Ca+Db+E＝0
Da+Gb+H＝0
Figure BDA0002785683210000061
Figure BDA0002785683210000062
Figure BDA0002785683210000063
将a，b，c代入可解得A，B，R的值即拟合圆结果。
第二方面，
一种直拉单晶生产中晶体直径检测系统，包括：
单晶硅生长炉，用于生产单晶硅；
工业相机，用于获取熔融硅液表面图像，所述图像包括硅单晶棒和硅溶液的固液界面形成的光圈；
计算模块，用于根据所述图像拟合出圆的直径，对晶体直径进行计算，得出硅单晶直径的测量值；
控制模块，用于根据硅单晶直径的测量值，调整拉速和热场温度对直径进行控制，使得晶体直径的变化在预设范围内。
进一步地，所述计算模块包括：
抽取模块，用于对于所述有效区域点集的所有点，随机抽取预设数量的点；
拟合模块，用于对所述随机抽取的预设数量的点使用最小二乘法的进行圆拟合；
选择模块，用于记录所述有效区域点集中在当前拟合圆上的数量，选择覆盖最多边界点的圆；
输出模块，用于遍历所述有效区域点集的所有点，使用最小二乘法拟合得到最终的拟合圆。
进一步地，所述工业相机采用MIC-7700工业控制计算机，采用德国BASLER巴斯勒acA4024-8hm面阵相机，Sony IMX 226 CMOS芯片，帧率8fps，分辨率1220万像素。
第三方面，
一种计算机，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上任一项所述方法的步骤。
本申请采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：
本发明技术方案公开了一种直拉单晶生产中晶体直径检测方法、系统及计算机，通过获取熔融硅液表面图像，所述图像包括硅单晶棒和硅溶液的固液界面形成的光圈；根据所述图像拟合出圆的直径，对晶体直径进行计算，得出硅单晶直径的测量值；根据硅单晶直径的测量值，调整拉速和热场温度对直径进行控制，使得晶体直径的变化在预设范围内。本发明可以完成不同生产阶段，不同尺寸晶棒的直径测量，圆拟合的方法相较于三点确定圆的方法来说更加准确也更加稳定。对于光圈下方被遮挡的场景，本发明还可以完成精准测量，本发明依靠像素梯度寻找边界点，不需要进行二值化处理，对于不同图像亮度的差异适应性很强。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种直拉单晶生产中晶体直径检测方法的流程图；
图2为本发明一个实施例工业相机捕获的熔融硅液表面图像；
图3为本发明一个实施例提供的一种直拉式单晶硅生长炉的结构示意图；
图4为本发明一个实施例提供的另一种直拉单晶生产中晶体直径检测方法的流程图；
图5为本发明一个实施例所提供的关键数据标定图；
图6为本发明一个实施例所提供的径向差分图；
图7为本发明一个实施例提供的另一种直拉单晶生产中晶体直径检测方法步骤流程图；
图8为本发明一个实施例所提供的液面掩膜图；
图9为本发明一个实施例所提供的径向边缘图；
图10为本发明一个实施例所提供经过筛选的晶棒边缘点图；
图11为本发明一个实施例提供的另一种直拉单晶生产中晶体直径检测方法步骤流程图；
图12为本发明一个实施例所提的供晶棒拟合圆结果图；
图13为本发明一个实施例所提供的一种直拉单晶生产中晶体直径检测系统结构图；
图14为本发明一个实施例所提供的计算模块内部结构图。
图中：
1、单晶硅生长炉；2、工业相机；3、计算模块；3-1、抽取模块；3-2、拟合模块；3-3、选择模块；3-4、输出模块；4、控制模块。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的描述说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本申请所保护的范围。
参照图1，本发明实施例提供一种直拉单晶生产中晶体直径检测方法，包括以下步骤：
步骤S101、获取熔融硅液表面图像，所述图像包括硅单晶棒和硅溶液的固液界面形成的光圈；
图2为工业相机捕获的熔融硅液表面图像；如图2所示，在该图像中有硅单晶棒和硅溶液的固液界面形成的光圈。
图3是本发明实施例提供的一种直拉式单晶硅生长炉的结构示意图；
如图3所示，本发明实施例中单晶硅的生产设备为生长炉，直拉法生产过程中，首先多晶硅原料被放入石英坩埚中加热至熔融状态，液面上方通过提拉索悬吊一根通过化学蚀刻制作的单晶硅籽晶，籽晶下降至与液面接触，当温度合适时，籽晶与熔体达到热平衡，液面会在表面张力的支撑下，吸附在籽晶下方；籽晶旋转并缓慢向上提升，吸附熔体也会随之向上运动，从而形成过冷状态，具有过冷态的硅原子会顺着籽晶的排列结构在固液叫界面上形成规则的结晶体。若整个生长环境稳定，就可以周而复始地在之前形成的单晶体上继续结。具体的生产过程在本申请背景技术中已记载，在此不再赘述。工业相机获取熔融硅液表面图像。首先由于整个生长炉是密闭的，石英坩埚内液体提供唯一光源；因此图像中黑色的是无法获得液体的光线，白色的是能够获取液体的光线。
步骤S102、根据所述图像拟合出圆的直径，对晶体直径进行计算，得出硅单晶直径的测量值；
步骤S103、根据硅单晶直径的测量值，调整拉速和热场温度对直径进行控制，使得晶体直径的变化在预设范围内。
本发明实施例提供的一种直拉单晶生产中晶体直径检测方法，通过获取熔融硅液表面图像，所述图像包括硅单晶棒和硅溶液的固液界面形成的光圈；根据所述图像拟合出圆的直径，对晶体直径进行计算，得出硅单晶直径的测量值；根据硅单晶直径的测量值，调整拉速和热场温度对直径进行控制，使得晶体直径的变化在预设范围内。本发明可以完成不同生产阶段，不同尺寸晶棒的直径测量，圆拟合的方法相较于三点确定圆的方法来说更加准确也更加稳定。对于光圈下方被遮挡的场景，本发明还可以完成精准测量，本发明依靠像素梯度寻找边界点，不需要进行二值化处理，对于不同图像亮度的差异适应性很强。
作为对上述实施例的一种改进说明，如图4所示，本发明实施例还提供了另一种直拉单晶生产中晶体直径检测方法，包括以下步骤：
步骤201、获取熔融硅液表面图像，所述图像包括硅单晶棒和硅溶液的固液界面形成的光圈；
步骤202、将所述图像中每个像素映射到极坐标空间；
步骤203、在所述图像中标定中心点，并给定预设角度，和一条横向贯穿全图的横线；
步骤204、在极坐标图上，对所述极坐标图进行径向差分的计算，得到径向差分图。
步骤205、根据硅单晶直径的测量值，调整拉速和热场温度对直径进行控制，使得晶体直径的变化在预设范围内。
如图5所示，为一个实施例所提供的关键数据标定图，图中以中心点(center_x,center_y)为射线起点，对整张图象进行径向差分的计算，射线上近心点与其相邻远心点计算差分作为差分图对应像素数值。
具体地，将所述图像中每个像素映射到极坐标空间过程如下：
Figure BDA0002785683210000111
其中，(x,y)为原图像上位置上的像素点坐标，(center_x,center_y)为中心点坐标。
在极坐标图上，对于每个θ，进行横向差分，再经过极坐标反变换，可得到如图6所示的径向差分图。
本发明实施例提供的一种直拉单晶生产中晶体直径检测方法，通过获取熔融硅液表面图像，所述图像包括硅单晶棒和硅溶液的固液界面形成的光圈；将所述图像中每个像素映射到极坐标空间；在所述图像中标定中心点，并给定预设角度，和一条横向贯穿全图的横线；在极坐标图上，对所述极坐标图进行径向差分的计算，得到径向差分图。根据硅单晶直径的测量值，调整拉速和热场温度对直径进行控制，使得晶体直径的变化在预设范围内。本发明可以完成不同生产阶段，不同尺寸晶棒的直径测量，圆拟合的方法相较于三点确定圆的方法来说更加准确也更加稳定。对于光圈下方被遮挡的场景，本发明还可以完成精准测量，本发明依靠像素梯度寻找边界点，不需要进行二值化处理，对于不同图像亮度的差异适应性很强。
作为对上述实施例的一种改进说明，如图7所示，本发明实施例还提供了另一种直拉单晶生产中晶体直径检测方法，包括以下步骤：
步骤301、获取熔融硅液表面图像，所述图像包括硅单晶棒和硅溶液的固液界面形成的光圈；
步骤302、处理所述图像；
步骤303、通过阈值化操作和形态学处理得到掩膜图；
步骤304、将所述掩膜图对径向差分图进行遮罩处理并阈值化得到径向边缘图；
步骤305、筛选所述径向边缘图的有效区域点集；
步骤306、根据所述有效区域点集进行晶棒圆拟合，得到拟合圆结果。
具体地，如图8所示为液面掩膜图，图2中导流筒与液面交界处有一明显的边缘，通过阈值化操作和形态学处理可得到图8所示掩膜，使用该掩膜对径向差分图进行遮罩处理并阈值化可得到图9所示的径向边缘图。得到径向边缘之后，通过中心点(x,y)，夹角α，以及横线L确定一个区域，仅保留此区域内的边缘点，此时区域内部有很多不属于晶棒边缘的纹理点，为去除这些点，以中心点(x,y)为基准，径向每个角度仅保留距该中心点最远的边缘点，确保得到的点在晶棒边缘上，得到图10经过筛选的晶棒边缘点图。
作为对上述实施例的一种改进说明，如图11所示，本发明实施例还提供了另一种直拉单晶生产中晶体直径检测方法，包括以下步骤：
根据所述有效区域点集进行晶棒圆拟合包括：
步骤401、对于所述有效区域点集的所有点，随机抽取预设数量的点；
步骤402、对所述随机抽取的预设数量的点使用最小二乘法的进行圆拟合；
步骤403、记录所述有效区域点集中在当前拟合圆上的数量，保留覆盖最多边界点的圆；
步骤404、遍历所述有效区域点集的所有点，使用最小二乘法拟合得到最终的拟合圆。
具体地，由晶棒边缘点可以得到平面上点集，用于晶棒圆拟合。某些情况下，该点集仍然会有少量非边缘点，因此使用RANSAC算法结合最小二乘法进行圆拟合。对于点集中的所有点，每次随机抽取一部分进基于行最小二乘法的圆拟合，重复若干次，得到若干圆，保留其中覆盖最多边界点的圆，遍历所有边缘点，保留距离拟合圆较近的点，使用这些再次进行最小二乘法拟合得到最终的拟合圆。最小二乘法拟合圆的计算流程如下：
设待拟合点集中有N个点，记做(Xi，Yi)，i∈(1，2，3…，N)，设待拟合曲线为
R2＝(x-A)2+(y-b)2
R2＝x2-2Ax+A2+y2-2BY+B2
令
a＝-2A
b＝-2B
b＝-2B
c＝A2+B2-R2
则圆可记为
x2+y2+ax+by+c＝0
其中圆心为
Figure BDA0002785683210000141
Figure BDA0002785683210000142
Figure BDA0002785683210000151
样本集中点导员新的距离为di
di 2＝(Xi-A)2+(Yi-B)2
点到圆距离的平方与半径的平方差记为
δi 2＝(Xi-A)2+(Yi-B)2-R2＝Xi 2+Yi 2+aXi+bYi+c
令Q(a，b，c)为δi的平方和
Q(a，b，c)＝∑δi 2＝∑Xi 2+Yi 2+aXi+bYi+c
分别对a，b，c求偏导使其偏导为0可得到Q的极小值点，令：
C＝(N∑Xi 2-∑Xi∑Xi)
D＝(N∑XiYi-∑Xi∑Yi)
E＝(N∑Xi 3-N∑XiYi-∑(Xi 2+Yi 2)∑Xi)
G＝(N∑Yi 2-∑Yi∑Yi)
H＝(N∑Xi 2Yi-N∑Yi 2-∑(Xi 2+Yi 2)∑Yi)
可解得：
Ca+Db+E＝0
Da+Gb+H＝0
Figure BDA0002785683210000152
Figure BDA0002785683210000153
Figure BDA0002785683210000154
将a，b，c代入可解得A，B，R的值即拟合圆结果。
如图12所示为晶棒拟合圆结果图，其中白色实线部分为拟合圆的结果，白色虚线部分为图像中光圈所在椭圆，采用这种方法拟合出圆的直径与图像中光圈所在椭圆的长轴一致，因此不需要进行额外的变化，拟合圆的直径即为晶棒的直径。
本发明实施例所提供的一种直拉单晶生产中晶体直径检测方法通过径向差分的方法寻找晶棒边缘点集，通过极坐标展开的方式计算径向差分，通过使用ransac与最小二乘法结合的方式进行圆拟合。本发明能够完成不同生产阶段，不同尺寸晶棒的直径测量，其圆拟合的方法相较于三点确定圆的方法来说更加准确也更加稳定。对于光圈下方被遮挡的场景，本发明还可以完成精准测量，本发明依靠像素梯度寻找边界点，不需要进行二值化处理，对于不同图像亮度的差异适应性很强。
一个实施例中，本发明还提供了一种直拉单晶生产中晶体直径检测系统，如图13所示，包括：
单晶硅生长炉1，用于生产单晶硅；
工业相机2，用于获取熔融硅液表面图像，所述图像包括硅单晶棒和硅溶液的固液界面形成的光圈；
其中，工业相机采用MIC-7700工业控制计算机，采用德国BASLER巴斯勒acA4024-8hm面阵相机，Sony IMX 226 CMOS芯片，帧率8fps，分辨率1220万像素。
计算模块3，用于根据所述图像拟合出圆的直径，对晶体直径进行计算，得出硅单晶直径的测量值；
控制模块4，用于根据硅单晶直径的测量值，调整拉速和热场温度对直径进行控制，使得晶体直径的变化在预设范围内。
本发明实施例提供了一种直拉单晶生产中晶体直径检测系统通过单晶硅生长炉生产单晶硅；通过工业相机获取熔融硅液表面图像，所述图像包括硅单晶棒和硅溶液的固液界面形成的光圈；通过计算模块根据所述图像拟合出圆的直径，对晶体直径进行计算，得出硅单晶直径的测量值；通过控制模块根据硅单晶直径的测量值，调整拉速和热场温度对直径进行控制，使得晶体直径的变化在预设范围内。本发明能够完成不同生产阶段，不同尺寸晶棒的直径测量，其圆拟合的方法相较于三点确定圆的方法来说更加准确也更加稳定。对于光圈下方被遮挡的场景，本发明还可以完成精准测量，本发明依靠像素梯度寻找边界点，不需要进行二值化处理，对于不同图像亮度的差异适应性很强。
作为上述系统的进一步改进，在一个实施例中，如图14所示，计算模块3包括：
抽取模块3-1，用于对于所述有效区域点集的所有点，随机抽取预设数量的点；
拟合模块3-2，用于对所述随机抽取的预设数量的点使用最小二乘法的进行圆拟合；
选择模块3-3，用于记录所述有效区域点集中在当前拟合圆上的数量，选择覆盖最多边界点的圆；
输出模块3-4，用于遍历所述有效区域点集的所有点，使用最小二乘法拟合得到最终的拟合圆。
本发明实施例提供了一种直拉单晶生产中晶体直径检测系统通过抽取模块对于有效区域点集的所有点，随机抽取预设数量的点；通过拟合模块对所述随机抽取的预设数量的点使用最小二乘法的进行圆拟合；通过选择模块记录所述有效区域点集中在当前拟合圆上的数量，选择覆盖最多边界点的圆；通过输出模块遍历有效区域点集的所有点，使用最小二乘法拟合得到最终的拟合圆。本发明能够完成不同生产阶段，不同尺寸晶棒的直径测量，其圆拟合的方法相较于三点确定圆的方法来说更加准确也更加稳定。对于光圈下方被遮挡的场景，本发明还可以完成精准测量，本发明依靠像素梯度寻找边界点，不需要进行二值化处理，对于不同图像亮度的差异适应性很强。
一些实施例中，本发明还提供一种计算机，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上任一项所述方法的步骤。具体地，一种计算机，采用MIC-7700工业控制计算机，支持英特尔第七代Core I台式机CPU，2x RS-232/422/485和4x RS232串口(预留可扩展)，1x 2.5"HDD,1x CFast,1x mSATA和1x mini-PCIe带SIM插槽，支持2LAN,带隔离COM,32-bit GPIO模块，2个千兆网口和8x USB 3.0，支持VGA和DVI输出，支持研华i-module扩展模块,SUSIAccess和嵌入式软件APIs，宽电压输入9～36V DC，支持宽温。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种直拉单晶生产中晶体直径检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取熔融硅液表面图像，所述图像包括硅单晶棒和硅溶液的固液界面形成的光圈；
根据所述图像拟合出圆的直径，对晶体直径进行计算，得出硅单晶直径的测量值；
根据硅单晶直径的测量值，调整拉速和热场温度对直径进行控制，使得晶体直径的变化在预设范围内。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述图像拟合出圆的直径，对晶体直径进行计算，得出硅单晶直径的测量值包括：
将所述图像中每个像素映射到极坐标空间；
在所述图像中标定中心点，并给定预设角度，和一条横向贯穿全图的横线；
在极坐标图上，对所述极坐标图进行径向差分的计算，得到径向差分图。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述图像中每个像素映射到极坐标空间过程如下：
Figure FDA0002785683200000011
其中，(x，y)为原图像上位置上的像素点坐标，(center_x，center_y)为中心点坐标。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述图像拟合出圆的直径，对晶体直径进行计算，得出硅单晶直径的测量值，还包括：
处理所述图像；
通过阈值化操作和形态学处理得到掩膜图；
将所述掩膜图对径向差分图进行遮罩处理并阈值化得到径向边缘图；
筛选所述径向边缘图的有效区域点集；
根据所述有效区域点集进行晶棒圆拟合，得到拟合圆结果。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述有效区域点集进行晶棒圆拟合包括：
对于所述有效区域点集的所有点，随机抽取预设数量的点；
对所述随机抽取的预设数量的点使用最小二乘法的进行圆拟合；
记录所述有效区域点集中在当前拟合圆上的数量，保留覆盖最多边界点的圆；
遍历所述有效区域点集的所有点，使用最小二乘法拟合得到最终的拟合圆。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述最小二乘法拟合圆的计算公式如下：
设待拟合点集中有N个点，记做(Xi，Yi)，i∈(1，2，3…，N)，设待拟合曲线为
R2＝(x-A)2+(y-b)2
R2＝x2-2Ax+A2+y2-2BY+B2
令
a＝-2A
b＝-2B
b＝-2B
c＝A2+B2-R2
则圆可记为
x2+y2+ax+by+c＝0
其中圆心为
Figure FDA0002785683200000031
Figure FDA0002785683200000032
Figure FDA0002785683200000033
样本集中点导员新的距离为di
di 2＝(Xi-A)2+(Yi-B)2
点到圆距离的平方与半径的平方差记为
δi 2＝(Xi-A)2+(Yi-B)2-R2＝Xi 2+Yi 2+aXi+bYi+c
令Q(a，b，c)为δi的平方和
Q(a，b，c)＝∑δi 2＝∑Xi 2+Yi 2+aXi+bYi+c
分别对a，b，c求偏导使其偏导为0可得到Q的极小值点，令：
C＝(N∑Xi 2-∑Xi∑Xi)
D＝(N∑XiYi-∑Xi∑Yi)
E＝(N∑Xi 3-N∑XiYi-∑(Xi 2+Yi 2)∑Xi)
G＝(N∑Yi 2-∑Yi∑Yi)
H＝(N∑Xi 2Yi-N∑Yi 2-∑(Xi 2+Yi 2)∑Yi)
可解得：
Ca+Db+E＝0
Da+Gb+H＝0
Figure FDA0002785683200000041
Figure FDA0002785683200000042
Figure FDA0002785683200000043
将a，b，c代入可解得A，B，R的值即拟合圆结果。
7.一种直拉单晶生产中晶体直径检测系统，其特征在于，包括：
单晶硅生长炉，用于生产单晶硅；
工业相机，用于获取熔融硅液表面图像，所述图像包括硅单晶棒和硅溶液的固液界面形成的光圈；
计算模块，用于根据所述图像拟合出圆的直径，对晶体直径进行计算，得出硅单晶直径的测量值；
控制模块，用于根据硅单晶直径的测量值，调整拉速和热场温度对直径进行控制，使得晶体直径的变化在预设范围内。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述计算模块包括：
抽取模块，用于对于所述有效区域点集的所有点，随机抽取预设数量的点；
拟合模块，用于对所述随机抽取的预设数量的点使用最小二乘法的进行圆拟合；
选择模块，用于记录所述有效区域点集中在当前拟合圆上的数量，选择覆盖最多边界点的圆；
输出模块，用于遍历所述有效区域点集的所有点，使用最小二乘法拟合得到最终的拟合圆。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述工业相机采用MIC-7700工业控制计算机，采用德国BASLER巴斯勒acA4024-8hm面阵相机，Sony IMX 226 CMOS芯片，帧率8fps，分辨率1220万像素。
10.一种计算机，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。
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