CN113607241A - 一种用于提升液位检测精度及灵敏度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于提升液位检测精度及灵敏度的方法，包括将矩形捕捉框与导流筒底部及导流筒底部倒影所形成的椭圆圆心连线平行设置，即垂直于CCD视角，当液面位置动作时，矩形捕捉框捕捉到的像素值即为当前实际液口距，且呈现线性变化。本发明的优点是规避非线性测量工具需使用对数函数进行补偿的方式，降低对测量精度和灵敏度的影响，有效增加目标特征值，减少噪声对测量结果造成的波动，提高测液位精度和灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及光伏半导体制造技术领域，尤其涉及一种用于提升液位检测精度及灵敏度的方法。
背景技术
光伏制造行业中，现有的硅溶液位置测量方法主要有称重法、激光三角法和倒影法，其中倒影法对设备要求低，仅使用单个相机就能够完成任务，调试时十分方便，使用范围也最广。
但是，倒影法测量液位由于单晶炉内热场结构导致采集到的图像光照度分步不均且图像的亮度随加热器功率的变化而变化，很难选择合适的方式进行测量；现阶段所使用的倒影法测量方式为“伪线性”测量，且测量工具与CCD捕捉视角水平；液位实际变化过程中，CCD捕捉结果是非线性，为了保障液口距补偿阶段及拉晶过程中生长界面的稳定性，所以，通常在倒影法测量结果的后处理中使用了对数函数进行非线性运算，从而对测量结果进行线性修正。
然而，由于热场大小、结构及捕捉工具位置的差异，使用对数函数对测量结果修正后不能有效的保障测量精度及灵敏度，随着光伏行业对大尺寸单晶硅棒需求的增长，现阶段倒影法测量液位方式的测量精度及灵敏性已不能满足大尺寸晶棒拉制的需求。
发明内容
本发明目的就是为了解决现有倒影法测液位精度和灵敏度低的问题，提供了一种用于提升液位检测精度及灵敏度的方法，规避非线性测量工具需使用对数函数进行补偿的方式，降低对测量精度和灵敏度的影响，有效增加目标特征值，减少噪声对测量结果造成的波动，提高测液位精度和灵敏度。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种用于提升液位检测精度及灵敏度的方法，所用装置包括CCD相机，具体步骤如下，包括：
（1）硅棒从坩埚里的硅熔液中生长，用于隔热的导流筒与硅熔液形成间隙，距离设为x，且以导流筒底部所在平面设为初始平面；
（2）CCD相机安装在左边观察窗口上，CCD相机的观察方向与竖直方向的夹角为θ；
（3）炉体的底部安装有记录尺，可以测量坩埚上升或下降的距离，记为z；
（4）从相机角度观察内部结构，导流筒在硅熔液表面形成月牙形倒影，由于液面反射率高达0.7，在液面稳定的情况下，根据镜像原理，可以将导流筒底部和导流筒底部的倒影成像抽象成上下两个等大的椭圆C1和C2；
（5）液位以线性下降时，下方的导流筒倒影以两倍液位的速度沿着垂直方向下降，从相机的角度看，则变成上方的椭圆C1固定不动，下方的椭圆C2将整体竖直向下移动，因此液口距捕捉竖直切割时，垂直方向上的月牙区宽度等于两个椭圆的中心偏移长度，即L=O-O＇；
（6）在导流筒内设置矩形捕捉框P，矩形捕捉框与OO＇相互平行，OO＇为导流筒底部及导流筒底部倒影所形成的椭圆C1、C2的圆心连线；
（7）当液面位置动作时，矩形捕捉框P捕捉到的像素值即为当前实际液口距，且呈现线性变化。
进一步地，所述步骤（3）中，在保持熔液体积不变的情况下，坩埚的位置变化量等于缝隙的间隔变化量，即dx=dz。
进一步地，所述步骤（7）中，矩形捕捉框P与月牙区形成重合区域，重合区域面积设为S，S与P之间是关于x的线性关系式，利用S和P的线性关系即可得出液位距。
进一步地，所述步骤（7）中，矩形捕捉框P与C1、C2的交点坐标分别为P1、P2、P3、P4，矩形捕捉框P与月牙区重合区域面积S=∫xP1·xP2·（yC1-yC2）dx=∫xP1·xP2·Ldx =L（xP2-xP1）=x·k·cosθ（xP2-xP1），S与P之间呈线性关系。
与现有技术相比，本发明的优点具体在于：
（1）垂直方向上，硅熔液线性远离，相机下面的椭圆也线性下降，所以月牙区的面积大小仍然是线性变化，但对于其他方向切割的液口距捕捉则没有这个特性，利用此特性可以进行线性测量；
（2）x表示的缝隙间隔是以导流筒底部所在平面为初始平面，这样便于数学模型建立；
（3）使用线性的测量方式，可以规避非线性测量工具需使用对数函数进行补偿的方式，从而降低对测量精度和灵敏度的影响；
（4）使用线性的测量方式，能够有效的增加目标特征值，从而减少噪声对测量结果造成的波动；
（5）相比于平行于CCD视角的捕捉区域，本发明的捕捉区域面积更大，即目标特征值更多，能有效的避免噪声对液口距捕捉的稳定性、精度以及灵敏度的影响，从而实现液位检测精度及灵敏度的提升。
附图说明
图1为本发明的矩形捕捉框在直角坐标系下的分布图；
图2为本发明的CCD相机视角下的炉内结构图；
图3为本发明的的单晶炉剖视结构示意图。
具体实施方式
实施例1
为使本发明更加清楚明白，下面结合附图对本发明的一种用于提升液位检测精度及灵敏度的方法进一步说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1~3，一种用于提升液位检测精度及灵敏度的方法，所用装置包括CCD相机，具体步骤如下，其特征在于，包括：
（1）硅棒从坩埚里的硅熔液中生长，用于隔热的导流筒与硅熔液形成间隙，距离设为x，且以导流筒底部所在平面设为初始平面；
（2）CCD相机安装在左边观察窗口上，CCD相机的观察方向与竖直方向的夹角为θ；
（3）炉体的底部安装有记录尺，可以测量坩埚上升或下降的距离，记为z；
（4）从相机角度观察内部结构，导流筒在硅熔液表面形成月牙形倒影，由于液面反射率高达0.7，在液面稳定的情况下，根据镜像原理，可以将导流筒底部和导流筒底部的倒影成像抽象成上下两个等大的椭圆C1和C2；
（5）液位以线性下降时，下方的导流筒倒影以两倍液位的速度沿着垂直方向下降，从相机的角度看，则变成上方的椭圆C1固定不动，下方的椭圆C2将整体竖直向下移动，因此液口距捕捉竖直切割时，垂直方向上的月牙区宽度等于两个椭圆的中心偏移长度，即L=O-O＇；
（6）在导流筒内设置矩形捕捉框P，矩形捕捉框与OO＇相互平行，OO＇为导流筒底部及导流筒底部倒影所形成的椭圆C1、C2的圆心连线；
（7）当液面位置动作时，矩形捕捉框P捕捉到的像素值即为当前实际液口距，且呈现线性变化。
参见图1，矩形捕捉框P与月牙区形成重合区域，重合区域面积设为S，矩形捕捉框P与C1、C2的交点坐标分别为P1、P2、P3、P4，S=∫xP1·xP2·（yC1-yC2）dx=∫xP1·xP2·Ldx =L（xP2-xP1）=x·k·cosθ（xP2-xP1）。
S与P之间呈线性关系。
相比于传统采用的与视角平行的液口距捕捉方式，测量结果为非线性且需要使用对数函数进行线性修正，修正后的结果受累计误差和系统误差的影响，稳定性及精度都较差；
当使用本发明所述方法后，捕捉区域面积相比于平行于CCD视角的捕捉区域面积更大，即目标特征值更多，能有效的避免噪声对液口距捕捉的稳定性、精度以及灵敏度的影响，从而实现液位检测精度及灵敏度的提升。
本实施例中，硅熔液线性远离，相机下面椭圆也线性下降，所以S的面积大小仍然是线性变化，但对于其他方向切割的液口距捕捉则没有这个特性；其中，这里x表示的缝隙间隔是以导流筒底部所在平面为初始平面，便于数学模型建立；此外，缝隙间隔反映熔体液位，但是在工业场景中，缝隙间隔无法获得，是待求量；因为坩埚可以通过电机控制且底部有测量坩埚位置的尺子，本文是在保持熔液体积不变的情况下进行实验，因此坩埚的位置变化量等于缝隙的间隔变化量，即dx=dz。
本发明的测量方法可直接实现液位检测的线性变化，从而提升原平行于CCD视角下的液位检测的精度及灵敏度，同时可进一步提升原本平行于CCD视角下的液位检测的抗干扰能力，提升检测的稳定性。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种用于提升液位检测精度及灵敏度的方法，所用装置包括CCD相机，具体步骤如下，其特征在于，包括：
（1）硅棒从坩埚里的硅熔液中生长，用于隔热的导流筒与硅熔液形成间隙，距离设为x，且以导流筒底部所在平面设为初始平面；
（2）CCD相机安装在左边观察窗口上，CCD相机的观察方向与竖直方向的夹角为θ；
（3）炉体的底部安装有记录尺，可以测量坩埚上升或下降的距离，记为z；
（4）从相机角度观察内部结构，导流筒在硅熔液表面形成月牙形倒影，由于液面反射率高达0.7，在液面稳定的情况下，根据镜像原理，可以将导流筒底部和导流筒底部的倒影成像抽象成上下两个等大的椭圆C1和C2；
（5）液位以线性下降时，下方的导流筒倒影以两倍液位的速度沿着垂直方向下降，从相机的角度看，则变成上方的椭圆C1固定不动，下方的椭圆C2将整体竖直向下移动，因此液口距捕捉竖直切割时，垂直方向上的月牙区宽度等于两个椭圆的中心偏移长度，即L=O-O＇；
（6）在导流筒内设置矩形捕捉框P，矩形捕捉框与OO＇相互平行，OO＇为导流筒底部及导流筒底部倒影所形成的椭圆C1、C2的圆心连线；
（7）当液面位置动作时，矩形捕捉框P捕捉到的像素值即为当前实际液口距，且呈现线性变化。
2.根据权利要求1所述的用于提升液位检测精度及灵敏度的方法，其特征在于：
所述步骤（3）中，在保持熔液体积不变的情况下，坩埚的位置变化量等于缝隙的间隔变化量，即dx=dz。
3.根据权利要求1或2所述的用于提升液位检测精度及灵敏度的方法，其特征在于：
所述步骤（7）中，矩形捕捉框P与月牙区形成重合区域，重合区域面积设为S，S与P之间是关于x的线性关系式，利用S和P的线性关系即可得出液位距。
4.根据权利要求3所述的用于提升液位检测精度及灵敏度的方法，其特征在于：
进一步地，所述步骤（7）中，矩形捕捉框P与C1、C2的交点坐标分别为P1、P2、P3、P4，矩形捕捉框P与月牙区重合区域面积S=∫xP1·xP2·（yC1-yC2）dx=∫xP1·xP2·Ldx =L（xP2-xP1）=x·k·cosθ（xP2-xP1），S与P之间呈线性关系。
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