CN113689401A - 一种直拉硅单晶炉晶棒直径检测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直拉硅单晶炉晶棒直径检测方法及其装置，其中装置包括双目图像采集模块(11)、识别模块(12)和检测模块(13)；方法包括采集左右图像；分别识别左右图像内同一边界点对应的左右像点，按三角法计算空间位置坐标，再经矩阵转换改为液面为Z=0的世界坐标后将对应x，y坐标代入方程

，计算得a，即晶棒直径。该检测方法及其装置直接测量物理直径，避免了系统误差。

Description

一种直拉硅单晶炉晶棒直径检测方法及其装置

技术领域

本发明涉及图像识别与处理技术，具体涉及一种基于机器视觉的直拉硅单晶炉晶棒直径检测方法及其装置。

背景技术

直拉硅单晶炉晶棒直径自动检测方法降低了生产人员需要，提高了生产效率和检验效果。中国发明专利“直拉锗单晶直径测量控制系统”，公开号CN102912429B，公开了一种直拉锗单晶直径测量控制系统，其特征在于 ：系统中有摄像头，图像处理装置和自动控制单元，摄像头采集锗单晶等径生长的图像，图像处理装置识别固液交接面光圈位置和计算固液交接面光圈的曲率半径，使自动控制单元实现锗单晶的等径生长。

该技术通过采集固液交界面图像上光斑位置与三条直线间的交点计算晶棒的直径，计算原理为：

根据正弦公式2R=a/sinA=b/sinB=c/sinC，图像处理装置计算出固液交接面光圈与三条预设直线相交的三点所确定的圆的半径作为曲率半径R，其中，a表示A、B、C三点所组成三角形中A点的对边，A还表示三角形中以A为顶点的三角形内角；b表示A、B、C三点所组成三角形中B点的对边，B还表示三角形中以B为顶点的三角形内角；c表示A、B、C三点所组成三角形中C点的对边，C还表示三角形中以C为顶点的三角形内角。但是因为相机轴线与液面不绝对垂直，所以成像得到的固液交界面的亮斑边缘不是绝对的圆形，且越靠近下边缘变形越严重，应该是一个椭圆形，所以圆形的计算公式就不适用。

另外，这类检测方法都是基于一个摄像头，对单个摄像头计算得到的像素直径和人为输入的一个缩放系数相乘，得到直径的估计值。采集平面上的图像，这与立体空间的实际形状存在差异，因此造成的系统误差也不可避免。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，如何提供一种直拉硅单晶炉晶棒直径检测方法及其装置，能得到晶棒直径的实际物理直径，避免估计值带来的系统误差干扰。

本发明的上述第一个技术问题这样解决：构建一种直拉硅单晶炉晶棒直径检测方法，采用双摄像头，包括：

双摄像头分别同时采集拉晶过程中的左和右光斑平面图像；

图像识别晶棒外边沿中同一点在左和右光斑平面图像内对应的左和右像点，再根据左和右像点的位置，通过光学几何关系计算该同一点的实际空间位置坐标；

获取若干所述同一点实际空间位置坐标并矩阵转换成以液面为Z=0平面、以光斑中心为坐标原点的世界坐标；

将所述世界坐标的x，y坐标代入方程

，计算得出a，即晶棒直径；其中：x，y，z分别是所述世界坐标的横、纵和竖坐标，a、b是待求系数。

按照本发明提供的直拉硅单晶炉晶棒直径检测方法，所述矩阵转换有多种具体形态的实现办法，可以是逐级实现，如：首先以液面为Z=0平面、以图像左上角为坐标原点进行转换。

按照本发明提供的直拉硅单晶炉晶棒直径检测方法，所述识别包括：

对左和右光斑平面图像进行边缘检测，对所有封闭边缘计算边缘面积和边缘重心；

每个光斑平面图像选取各自面积最大且重心在图像中心的封闭边缘作为自身特征区域生成对应的左和右测量窗口；

在纵向高度对所述左和右测量窗口进行等值均分，并分别在每个均分高度上按自左向右或自右向左扫描计算各自边缘梯度最大的点作为左和右待选特征像点集合；

按对应相同均分高度和扫描顺序匹配多个同一点，每个同一点只对应一个左待选特征像点集合元素和一个右待选特征像点集合元素。

按照本发明提供的直拉硅单晶炉晶棒直径检测方法，所述等值包括但不限制于是3、5或7。

按照本发明提供的直拉硅单晶炉晶棒直径检测方法，所述生成包括计算待检测区域测量窗口尺寸，宽度为：2*（X1 – X0) 高度为(Y3 - Y2)/2；其中：X0、X1、Y2 、Y3分别为待检测区域重心位置的横坐标、左侧边缘极限位置的横坐标、上边缘极限位置的纵坐标和下边缘极限位置的纵坐标。

按照本发明提供的直拉硅单晶炉晶棒直径检测方法，所述光斑是无须外部光源、由拉晶过程中自身产在的光斑。

按照本发明提供的直拉硅单晶炉晶棒直径检测方法，双摄像头通过直拉硅单晶炉上的二个或同一个观察窗口进行采集。

本发明的上述另一个技术问题这样解决：构建一种直拉硅单晶炉晶棒直径检测装置，其特征在于，包括：

含二摄像头的双目图像采集模块：用于通过直拉硅单晶炉上的观察窗口分别同时采集炉内拉晶过程中的左和右光斑平面图像；

输入端电连接所述双目图像采集模块的识别模块：用于图像识别晶棒外边沿中同一点在左和右光斑平面图像内对应的左和右像点；

输入端电连接所述识别模块的检测模块：用于根据所述左和右像点位置计算对应同一点空间位置坐标，再根据若干同一点空间位置坐标按拟合方程

计算出a，即晶棒直径；其中：x，y，z分别是以液面为Z=0平面、以光斑中心为坐标原点的世界坐标的横、纵和竖坐标，a、b是待求系数。

按照本发明提供的直拉硅单晶炉晶棒直径检测装置，所述检测模块包括用于根据所述左和右像点位置计算对应同一点空间位置坐标的空间位置测算单元。

按照本发明提供的直拉硅单晶炉晶棒直径检测装置，所述检测模块还包括用于根据若干同一点空间位置进行椭圆或圆方程拟合的空间大小测算单元。

按照本发明提供的直拉硅单晶炉晶棒直径检测装置，摄像头包括但不限制于是电荷耦合器件CCD（charge-coupled device）或互补金属氧化物半导体CMOS（complementarymetal oxide semiconductor）。

本发明提供的直拉硅单晶炉晶棒直径检测方法及其装置，采用基于自动检测的光斑识别与直接空间坐标测量，与现有技术相比，至少包括以下优势：

1、避免引晶过程中晶棒光斑的位置随晶棒晃动发生改变的不良检测影响；

2、避免引晶过程中直径缩小时部分光斑会被遮挡的不良检测影响；

3、避免拉晶过程当中的液面波动造成的检测误差。可以直接计算晶棒的直径，避免系统误差。

附图说明

下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。

图1是本发明优选的直拉硅单晶炉晶棒直径检测装置的功能模块结构示意图；

图2是图1所示装置的检测程序控制流程示意图。

其中，附图标记：11-双目图像采集单元，12-识别模块，13-检测模块。

具体实施方式

首先，说明本发明的原理与核心：

原理

在单晶硅拉制过程中，需要实时监控单晶炉内部的拉制情况，拉晶过程当中，晶棒和熔融状态的硅液的固液交界面会形成亮斑，通过CCD工业摄像头采集拉经过程图像，首先对图像进行矫正，消除图像的畸变。将矫正过后的图像先进行灰度特征提取，确定光斑图像部分的灰度值，这样可以通过阈值分割将图像光斑部分与熔融状态的硅溶液区分开，之后可以提取光斑的图像特征，方便后续检测使用。

核心

本发明在单晶炉炉盖上安装两个已经进行过摄像头标定的面阵 CCD 摄像头，通过两个CCD摄像头采集拉晶过程当中的图像，首先对采集到的图像做预处理操作，然后对预处理过后的图像进行极限矫正，对极限矫正过后的图像进行分析，分析晶棒与熔融状态的硅溶液的固液交界面的亮斑图像成像特点，通过求晶棒与熔融状态的硅溶液的固液交界面的亮斑边缘梯度的最大值，计算出两个边缘图像中的对应的特征点在摄像头坐标系下的坐标，计算出两个工业摄像头中图像相同点的视差，通过三角测量的方法，计算出特征点在摄像头坐标系下的实际三维空间坐标，计算摄像头坐标系相对于世界坐标系的转换矩阵，将三角法计算出的特征点的世界坐标带入到计算公式中。世界坐标是以液面为Z=0平面、以光斑中心为坐标原点的坐标系。

方法一：设椭圆方程为

，计算出椭圆长轴系数a，a就是晶棒直径。

方法二：在长轴于椭圆交点附近，重心点O于特征点距离可以近似为相等，就可以等价用圆形弦长计算半径公式计算圆形的直径。

本发明采集亮斑部分的图像，小范围内的液面波动，对亮斑部分的影响不大，对检测不能造成影响，本发明可以避免拉晶过程当中的液面波动造成的检测误差。可以直接计算晶棒的直径。

本发明另一核心是基于自动检测的光斑识别。

第二，简要说明本发明直拉硅单晶炉晶棒直径检测装置：

如图1所示，该装置包括：

双目图像采集模块11，由各自编码器和二个独立摄像头组成，二个独立摄像头优选采用CCD图像传感器，通过单晶炉上的观察窗口进行双目图像采集：左和右光斑平面图像；

识别模块 12，用于图像识别晶棒外边沿（光斑外边沿）中同一点在左和右光斑平面图像内对应的左和右像点；

检测模块13，主要由空间位置测算单元和空间大小测算单元构成。空间位置测算单元：根据左和右像点位置通过三角几何光学关系计算对应同一点的空间位置坐标；空间大小测算单元：根据若干同一点空间位置坐标进行椭圆或圆拟合，求解相应方程的对应大小参数。

第三，结合本发明最优实施例进一步对本发明进行详细说明：

本发明优选基于机器视觉的直拉硅单晶炉晶棒直径检测装置中控制程序，具体如图2所示，包括以下步骤：

201）开始；

202）采集拉晶过程中的图片，利用第一摄像头CCD1和第二摄像头CCD2中得到的摄像头映射矩阵，对采集到的图片进行极限矫正，得到极限矫正过后的图片。极限矫正过后的图片可以保证，在矫正过后的图像中，在实际拉晶过程中，晶棒的实际物理目标点，在左相机矫正图片与右相机矫正图片中位于同一图像高度。极限矫正图片通过光斑识别算法计算左右两矫正图片中的光斑位置，在视野范围内设定相同高度的特征点计算窗口，将测量窗口沿Y方向进行均分，在各个均分高度，分别按照从左到右的方向，计算边缘梯度的最大点作为特征点。记录特征点的像素坐标，用于计算目标点在左右两个视图上形成的视差。其中目标点又称同一点；

203）分析极限矫正后的图片中光斑区域的位置，得到光斑区域边缘点的像素坐标，标记CCD1的像点坐标为集合A，CCD2的像点坐标为集合B；

204）因为CCD1和CCD2两个摄像头视角会有不同，所以边缘点会有不同，在步骤203）中的集合A和集合B中得到同一点对应的CCD1和CCD2极限矫正图像下的左和右像点坐标；

205）对步骤204）中得到的多组同一点的左和右像点坐标，计算出两个工业摄像头中图像同一点的视差，通过三角测量的方法，计算出同一点的空间位置坐标；

206）通过关系矩阵将所述空间位置坐标转换为以液面为Z=0平面、以光斑中心为坐标原点的世界坐标，再将所述世界坐标的x，y坐标代入拟合方程

，计算得出a，即晶棒直径；其中：x，y，z分别是所述世界坐标的横坐标、纵坐标和竖坐标，a、b是待求系数；

208）结束。

其中：步骤202）中光斑识别算法采用自动检测光斑位置和图像信息，可以在原始图像上准确提取到准确的光斑信息，便于检测窗口的跟随移动，提高检测精度。不采用固定在图像位置设置特征区域，然后在特征区域内计算光斑的位置和其他检测信息，从而避免引晶过程中晶棒产生晃动、晶棒光斑的位置就会发生改变和在等径过程中，如果直径缩小、部分光斑会被遮挡的不良检测影响。

该光斑识别算法具体如下：

301）获取液面部分的灰度值V_l和整个图像灰度值均值V_mean和灰度值最大值V_max；

302）对图像进行阈值分割，计算阈值 V_thre = V_1 + (V_max - V_mean)/2；

303）对阈值分割之后的图像，边缘检测，对所有封闭边缘计算边缘面积和边缘重心；

304）设定面积筛选阈值，对面积超过一定范围的待选区域进行筛选，重心在图像视野左侧的光斑作为待选区域；

305）按照待选区域重心坐标和边缘点坐标，重心坐标P(X, Y),左侧边缘极限位置P1(X1, Y1)，上边缘坐标点P2(X2, Y2)， 下边缘点坐标为：P3(X3, Y3)；

306）计算待检测区域测量窗口尺寸，宽度为：2*（X1 - X) 高度为(Y3 - Y2)/2；

307）在原图像中，在测量窗口中从左向右计算边缘梯最大的点作为待选特征点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种直拉硅单晶炉晶棒直径检测方法，其特征在于，采用双摄像头，包括：

双摄像头分别同时采集拉晶过程中的左和右光斑平面图像；

图像识别晶棒外边沿中同一点在左和右光斑平面图像内对应的左和右像点，再根据左和右像点的位置，通过光学几何关系计算该同一点的实际空间位置坐标；

获取若干所述同一点实际空间位置坐标并矩阵转换成以液面为Z=0平面、以光斑中心为坐标原点的世界坐标；

将所述世界坐标的x，y坐标代入方程

，计算得出a，即晶棒直径；其中：x，y，z分别是所述世界坐标的横、纵和竖坐标，a、b是待求系数。

2.根据权利要求1所述直径检测方法，其特征在于，所述识别包括：

对所述左和右光斑平面图像进行边缘检测，对所有封闭边缘计算边缘面积和边缘重心；

每个光斑平面图像选取各自面积最大且重心在图像中心的封闭边缘作为自身特征区域生成对应的左和右测量窗口；

在窗口纵向上对所述左和右测量窗口进行等值均分，并分别在每个均分高度上按自左向右或自右向左横向扫描计算各自边缘梯度最大的点作为左和右待选特征像点集合；

按对应相同均分高度和扫描顺序匹配多个同一点，每个同一点只对应一个左待选特征像点集合元素和一个右待选特征像点集合元素。

3.根据权利要求2所述直径检测方法，其特征在于，所述等值是3、5或7。

4.根据权利要求2所述直径检测方法，其特征在于，所述生成包括计算待检测区域测量窗口尺寸，宽度为：2*（X1 – X0) 高度为(Y3 - Y2)/2；其中：X0、X1、Y2 、Y3分别为待检测区域重心位置的横坐标、左侧边缘极限位置的横坐标、上边缘极限位置的纵坐标和下边缘极限位置的纵坐标。

5.根据权利要求1所述直径检测方法，其特征在于，所述光斑是无须外部光源、由拉晶过程中自身产在的光斑。

6.根据权利要求1-5中任一项所述直径检测方法，其特征在于，双摄像头通过直拉硅单晶炉上的二个或同一个观察窗口进行采集。

7.一种直拉硅单晶炉晶棒直径检测装置，其特征在于，包括：

含二摄像头的双目图像采集模块(11)：用于通过直拉硅单晶炉上的观察窗口分别同时采集炉内拉晶过程中的左和右光斑平面图像；

输入端电连接所述双目图像采集模块的识别模块(12)：用于图像识别晶棒外边沿中同一点在左和右光斑平面图像内对应的左和右像点；

输入端电连接所述识别模块的检测模块(13)：用于根据所述左和右像点位置计算对应同一点空间位置坐标，再根据若干同一点空间位置坐标按拟合方程

计算出a，即晶棒直径；其中：x，y，z分别是以液面为Z=0平面、以光斑中心为坐标原点的世界坐标的横、纵和竖坐标，a、b是待求系数。

8.根据权利要求7所述直径检测装置，其特征在于，所述检测模块(13)包括用于根据所述左和右像点位置计算对应同一点空间位置坐标的空间位置测算单元。

9.根据权利要求8所述基于机器视觉的直拉硅单晶炉晶棒直径检测装置，其特征在于，所述检测模块(13)还包括用于根据若干同一点空间位置进行椭圆或圆方程拟合的空间大小测算单元。

10.根据权利要求7-9中任一项所述直径检测装置，其特征在于，摄像头是CCD或CMOS。

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