CN113483662A - 一种提升拉晶质量的视觉检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及视觉检测技术领域，提供一种提升拉晶质量的视觉检测装置，包括：图像采集单元、滤光片切换单元以及上位机；所述图像采集单元，包括：相机；所述相机与上位机信号连接；滤光片切换单元，包括：多个滤光片，多个滤光片中包含一个可见光滤光片以及多个红外滤光片；所述滤光片切换单元，用于在相机前方切换不同的滤光片；相机，分别采集经过滤光片滤光后的炉内图像，并传输给上位机；上位机，用炉内图像的亮度来表征对应的波长强度，得出各个波段的强度曲线；并将各个波段的强度曲线与维恩曲线进行对比，从而得到炉内对应点的温度。本发明能够实现更高质量图片的采集，得出精度更好的尺寸和温度，从而实现对拉晶过程中控制精度的提升。

Description

一种提升拉晶质量的视觉检测装置
技术领域
本发明涉及视觉检测技术领域，尤其涉及一种提升拉晶质量的视觉检测装置。
背景技术
在半导体拉晶领域，晶棒直径尺寸控制精度越高，就表示拉晶效率越高，意味着成本越优，如何有效的提升拉晶质量，一直是业界持续推进的课题。
为了控制晶棒直径，最大范围的降低成本，目前通用方法为：采用在拉晶炉上方架设工业相机检测的方式，通过图像分析晶棒边界进而计算晶棒直径，从而根据实际宽度进行拉晶速度的调节，保持晶棒的直径在比较好的范围内波动。
但是，由于拉晶炉内温度过高，红外区散射强烈，而红外区辐射波同样会干扰成像，导致图像接收到了很多长波段的光线，从而造成采集图像的清晰度差，进而影响图片分析质量，造成分析误差增大。目前的炉内监控，采用传统的测温仪，在1400℃左右情况下，测量精度明显收到干扰，无法达到±3℃的监控水平。同时采用视觉方案无法分析出炉内温度，炉内温度不均匀时，无法及时进行温控，造成拉晶速度无法正确给出，拉晶的直径波动更大。
发明内容
本发明主要解决当前拉晶设备视觉系统检测精度不高，无法监控温度的问题，本发明提出了一种提升拉晶质量的视觉检测装置，全新的辅助装置，通过滤光片和全新算法，实现更高质量图片的采集，得出精度更好的尺寸和温度，从而实现对拉晶过程中控制精度的提升，降低拉晶成本。
本发明提供了一种提升拉晶质量的视觉检测装置，包括：图像采集单元、滤光片切换单元以及上位机；
所述图像采集单元，包括：相机；所述相机与上位机信号连接；
所述滤光片切换单元，包括：多个滤光片，多个滤光片中包含一个可见光滤光片以及多个红外滤光片；所述滤光片切换单元，用于在相机前方切换不同的滤光片；
所述相机，分别采集经过滤光片滤光后的炉内图像，并传输给上位机；
所述上位机，用炉内图像的亮度来表征对应的波长强度，得出各个波段的强度曲线；并将各个波段的强度曲线与维恩曲线进行对比，从而得到炉内对应点的温度。
优选的，所述滤光片切换单元，包括：旋转电机和转盘；
所述旋转电机设置在相机旁，所述旋转电机的输出轴与转盘的轴心连接；
所述转盘配置在相机前端；所述转盘在圆周方向均匀设置多个滤光片；
所述旋转电机的输出轴旋转，能够使相机前方的滤光片切换。
优选的，所述滤光片切换单元采用抽拉式切换结构。
优选的，所述相机前端设置镜头。
优选的，多个红外滤光片的带宽不同，多个红外滤光片按切换顺序带宽逐渐变大。
优选的，所述滤光片安装架上设置四个滤光片，其中包含一个可见光滤光片以及三个红外滤光片。
优选的，可见光滤光片的带宽为400-700nm；
三个红外滤光片的带宽分别为800±50nm、1000±50nm、1200±50nm。
本发明提供的一种提升拉晶质量的视觉检测装置，与现有技术相比具有以下优点：
1、针对拍摄图像不清晰的问题，本发明根据光学镀膜原理，通过特定波长的光源进行闪光拍照，同时在相机前端架设对应的滤光片，效屏蔽其他波段光线，只保留有效的可见波段，使入射到相机的光线更纯净，从而提高成像质量。
2、针对无法区分炉内温度的问题，本发明通过在相机前端增加红外带通滤光片的方式，采用滤光片技术，通过滤光片屏蔽干扰的其他波段波长，提取有效波段波长成像，从而提高图像质量。利用相机感光芯片在红外区的敏感度，依靠亮度进行各区域温度的分析。
3、由于单一滤光片可能无法达到比较高的准确度，因此本发明采用多组滤光片，结合工业相机，采集各滤光片下对应各点的亮度，得出亮度曲线，并结合维恩公式，得出对应点的温度，进行光谱强度分析匹配。实现图像红外区的采集和温度的检测。
4、本发明设置旋转电机和转盘，将各个滤光片安装到转盘上，通过控制旋转不同的滤光片到达相机下方，便于滤光片的切换。
5、本发明可以在现有的视觉基础上，通过较低的硬件成本和新的处理方法，实现更高质量图片的采集，得出精度更好的尺寸和温度，从而实现对拉晶过程中控制精度的提升，降低拉晶成本。
附图说明
图1是本发明提供的提升拉晶质量的视觉检测装置的结构示意图；
图2是本发明提供的提升拉晶质量的视觉检测装置的俯视图；
图3是抽拉式切换结构的结构示意图；
图4是抽拉式切换结构的俯视示意图；
图5是普通相机在400-1000波段的感光曲线；
图6是550nm±50nm波长的滤光片的透过率曲线；
图7是维恩曲线的示意图；
图8是1000nm波段的带通滤光片的透过率曲线。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
如图1、2所示，本发明实施例提供的提升拉晶质量的视觉检测装置，包括：光源、图像采集单元、滤光片切换单元以及上位机。
所述光源配置在图像采集单元上方，选用550±50nm波长的光源进行闪光拍照，能够使图像拍摄清晰。
所述图像采集单元，包括：相机1；所述相机1与上位机信号连接；所述相机1前端设置镜头。
所述滤光片切换单元，包括：多个滤光片2，多个滤光片2中包含一个可见光滤光片以及多个红外滤光片。其中，多个红外滤光片的带宽不同，多个红外滤光片按切换顺序带宽逐渐变大。
本实施例给出一种较好的多个滤光片的组成形式，所述滤光片安装架上设置四个滤光片，其中包含一个可见光滤光片以及三个红外滤光片。具体的，可见光滤光片的带宽为400-700nm；三个红外滤光片的带宽分别为800±50nm、1000±50nm、1200±50nm。本发明可见光滤光片为550nm附近，实际使用可能在400-700的可见光区，也可能在紫外或红外波段，进行对应图像的采集和分析。需要说明的是，多个滤光片的组成形式具有较好的效果，但是单一滤光片也可以实现检测，精确度较低。
所述滤光片切换单元，用于在相机前方切换不同的滤光片。
本实施例给出一种较好的滤光片切换单元的可实现形式，但不限于此形式，其他能够实现不同滤光片切换的结构形式，也在本发明的保护范围之中。具体的，本实施例的滤光片切换单元，还包括：旋转电机3和转盘4；所述旋转电机3设置在相机1旁，所述旋转电机3的输出轴与转盘4的轴心连接；所述转盘4配置在相机1前端；所述转盘4在圆周方向均匀设置多个滤光片2；所述旋转电机3的输出轴旋转，能够使相机1前方的滤光片2切换。
实际使用时，旋转电机3带动转盘旋转，当各滤光片2到达图像采集系统前方时，图像采集系统拍照采图，如此往复。图像采集系统采集到不同滤光片2对应的图像，当可见光区图像清晰度提升，图像分析效果得到改善，而在红外区，结合三个红外滤光片，采集到三种图像不同亮度，通过对效果和曲线趋势的分析，得到对应点的温度。
本实施例给出另一种较好的滤光片切换单元的可实现形式，所述滤光片切换单元采用抽拉式切换结构。如图3-4，抽拉式切换结构，包括控制装置5和四组放置盘，放置盘上设置通孔，不同的滤光片2安装在对应的放置盘上。控制装置5采用能够实现推拉的机械结构，通过控制装置5推动对应的放置盘，实现不同滤光片的切换。另外，放置盘也可以采用手动抽拉。
本发明实施例提供的提升拉晶质量的视觉检测装置的判断处理过程：
所述相机，分别采集经过滤光片滤光后的炉内图像，并传输给上位机；所述上位机，用炉内图像的亮度来表征对应的波长强度，得出各个波段的强度曲线；并将各个波段的强度曲线与维恩曲线进行对比，从而得到炉内对应点的温度。得到炉内对应点的温度之后，便于对炉内温度进行调控。
本发明将可见光、不同波段的红外滤光片安装到一个旋转电机上，通过电机的旋转，得到对应的清晰图像以及不同波段的各点亮度，然后通过不同滤光片同一点的亮度曲线和维恩公式，推导出对应点温度，从而实现高精度的图像处理和温度监控。
本发明通过特定波长的光源进行闪光拍照，同时在相机前端架设对应的滤光片，使入射到相机的光线更纯净，从而提高成像质量。本发明以安装800nm/1000nm/1200nm的滤光片为例，分别采集对应滤光片下的图像，用图像的亮度来表征对应的波长强度，得出各个波段的强度曲线，将该曲线与维恩曲线进行对比，从而得到对应点的温度。本发明中采用三段式红外分析方法，实现了更高精度的温度检测，实际中可能采用单段或更多段的滤光片进行采集和分析，其分析方法均为通过滤光片过滤，相机采集，利用相机采集图片的灰度来计算对应红外线强度，从而计算对应点温度，均应在此范围。
下面对本申请的可行性进行说明：
图5是普通相机在400-1000波段的感光曲线。如图5所示，通过相机芯片的感光曲线(相机感光芯片随波长的响应曲线)，我们可以看到如下特点，普通相机感光在可见光区更强烈，在红外区有较弱的反应，因此，能够说明本发明对相机无特殊要求，说明本发明的可行性。
以550nm±50nm波长的滤光片为例说明滤光片的透过率。图6是550nm±50nm波长的滤光片的透光率曲线。如图6所示，通过该透光率曲线，可以看出在指定波长具有很高的透过率，其他波段截止效应明显，因此搭配该波段的闪光灯，可以实现更好图像质量的采集，从而提高了图像处理的精度。
针对炉内温度检测的内容，本发明提出多滤光片结合检测，精度较高，本方案以三种红外滤光片结合的方式，进行理论说明。首线根据维恩公式，如图7所示，不同温度下物体发射的光线波长不同。单晶炉内温度通常在1400℃，即1700K，通过曲线可以看出，该温度范围主要辐射500nm-1500nm范围红外线，针对该情况，我们可以设置3种滤光片的波段，以800nm/1000nm/1200nm。
维恩位移定律，Wien displacement law，热辐射的基本定律之一。在一定温度下，绝对黑体的温度与辐射本领最大值相对应的波长λ的乘积为一常数。
维恩位移定律是针对黑体来说的，说明了黑体越热，其辐射谱光谱辐射力的最大值所对应的波长越短，而除了绝对零度外其他的任何温度下物体辐射的光的频率都是从零到无穷的，只是各个不同的温度对应的“波长-能量”图形不同，而实际物体都是黑体乘以黑度所对应的灰体所对应的理想情况，譬如在宇宙中，不同恒星随表面温度的不同会显示出不同的颜色，温度较高的显蓝色，次之显白色，濒临燃尽而膨胀的红巨星表面温度只有2000-3000K，因而显红色(可见光颜色的波长从长到短依次为红->橙->黄->绿->青->蓝->紫)。太阳的表面温度是5778K，根据维恩位移定律计算得的峰值辐射波长则为502nm，这近似处于可见光光谱范围的中点，为绿色光(整个太阳光光谱完整覆盖(且超出)了可见光光谱范围，使得太阳光(在没有大气的情况下)呈白色。
用f表示频率，单位赫兹，则维恩位移定律可表示为以下频率形式：
Figure BDA0003149376310000061
α≈2.821439...是数值求解最大值方程得到的常数；k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，T为绝对温度(单位开尔文)。
需要注意的是，以上频率形式中的辐射能流密度定义为“通过单位面积、单位宽度的频率带在单位时间中辐射出的能量”，而波长形式的辐射能流密度则定义为“通过单位面积、单位宽度的波长范围在单位时间中辐射出的能量”，因此fmax和λmax对应的并不是同一个辐射峰。所以fmax和波长形式中的λmax不满足频率×波长＝波速的关系式，即：
Figure BDA0003149376310000071
其中c表示光速。
如图8所示，通过相机芯片的感光曲线可以看出，其在1000nm处也有明显的响应，因此通过该波段滤波后，相机可以接收到1000nm的红外线。以此类推，相机可以在三个红外波段接收到对应的红外强度。通过该三个波段的强度，制作成维恩曲线，并通过维恩曲线的趋势推导出对应的炉内温度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种提升拉晶质量的视觉检测装置，其特征在于，包括：图像采集单元、滤光片切换单元以及上位机；
所述图像采集单元，包括：相机；所述相机与上位机信号连接；
所述滤光片切换单元，包括：多个滤光片，多个滤光片中包含一个可见光滤光片以及多个红外滤光片；所述滤光片切换单元，用于在相机前方切换不同的滤光片；
所述相机，分别采集经过滤光片滤光后的炉内图像，并传输给上位机；
所述上位机，用炉内图像的亮度来表征对应的波长强度，得出各个波段的强度曲线；并将各个波段的强度曲线与维恩曲线进行对比，从而得到炉内对应点的温度。
2.根据权利要求1所述的提升拉晶质量的视觉检测装置，其特征在于，所述滤光片切换单元，包括：旋转电机和转盘；
所述旋转电机设置在相机旁，所述旋转电机的输出轴与转盘的轴心连接；
所述转盘配置在相机前端；所述转盘在圆周方向均匀设置多个滤光片；
所述旋转电机的输出轴旋转，能够使相机前方的滤光片切换。
3.根据权利要求1所述的提升拉晶质量的视觉检测装置，其特征在于，所述滤光片切换单元采用抽拉式切换结构。
4.根据权利要求2或3所述的提升拉晶质量的视觉检测装置，其特征在于，所述相机前端设置镜头。
5.根据权利要求2或3所述的提升拉晶质量的视觉检测装置，其特征在于，多个红外滤光片的带宽不同，多个红外滤光片按切换顺序带宽逐渐变大。
6.根据权利要求2或3所述的提升拉晶质量的视觉检测装置，其特征在于，所述滤光片安装架上设置四个滤光片，其中包含一个可见光滤光片以及三个红外滤光片。
7.根据权利要求6所述的提升拉晶质量的视觉检测装置，其特征在于，可见光滤光片的带宽为400-700nm；
三个红外滤光片的带宽分别为800±50nm、1000±50nm、1200±50nm。
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