CN114232081B - 一种基于视觉的单晶炉液位、单晶棒直径测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于视觉的单晶炉液位、单晶棒直径测量方法及装置，先手动进行液位标定和相机参数标定，在线生产时结合已有标定数据和图像测量出的液口距像素值、直径像素值，来换算实际的液位及单晶棒直径，并将它们做为输入发送给温度控制系统和液位控制系统。可以减少人工干预，实现单晶硅生长炉生产过程的自动化、智能化控制，提高单晶棒的等径生成质量，以提升半导体行业的生产效率。

Description

一种基于视觉的单晶炉液位、单晶棒直径测量方法及装置
技术领域：
本发明涉及信息处理领域，特别涉及一种基于视觉的单晶炉液位、单晶棒直径测量方法及装置。
背景技术：
在单晶硅生长炉市场上，单晶硅炉作业过程中的检测和反馈控制的自动化、智能化技术目前主要被美国Kayex公司、日本Ferrotec公司和德国CGS公司掌握。他们所生产的硅单晶炉自动化程度很高，生产出的单晶硅产品质量很好，直径超过300mm，而直径的偏差仅有±1mm，但其价格也相当昂贵。
太阳能级单晶硅主要用于制造太阳能电池。我国的太阳能级单晶硅炉装备制造技术已经能满足大批量生产需要，但还未实现生产过程的自动化、智能化检测与反馈控制，主要依靠人工操作。
单晶硅炉生产过程中，随着单晶向上提拉，坩埚的硅溶液质量不断减少，硅溶液的液位会随之下降，因此，如果要保证单晶棒的等径生长，需要坩埚按照一定的速率上升，以使硅溶液液位维持在固定高度。坩埚上升过快，会使晶体直径增大，反之，会使晶体直径减少。液位决定了晶体生长界面处的温度梯度，而要保证晶体的质量，就需要固定合适的温度梯度生长环境。所以要实现单晶硅生长炉自动化、智能化检测及反馈控制，其中很重要的一环就是测量单晶硅炉的液位及单晶棒的直径，而由于单晶炉内部高温环境，要想持续地实时检测，就必须实现无接触测量。
发明内容：
针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的在于提供一种基于视觉的单晶炉液位、单晶棒直径测量方法及装置，先手动进行液位标定和相机参数标定，在线生产时结合已有标定数据和图像测量出的液口距像素值、直径像素值，来换算实际的液位及单晶棒直径，并将它们做为输入发送给温度控制系统和液位控制系统。可以减少人工干预，实现单晶硅生长炉生产过程的自动化、智能化控制，提高单晶棒的等径生成质量，以提升半导体行业的生产效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于视觉的单晶炉液位、单晶棒直径测量方法，包括离线液位标定和在线视觉检测；
其中，离线液位标定的过程包括：设置测量液位的步长、最小值和最大值；将液位调整至最小值；采集图像，并测量当前图像中的液口距像素值；将当前液口矩像素值和液位作为键值对追加到标定文件尾部；判断液位是否到最大值，是则标定结束，否则液位增高一个步长，重新采集图像，继续标定；
在线视觉检测的过程包括：初始化加载离线标定的液位标定文件、相机内参、外参；采集图像，测量当前图像中的液口距像素值、单晶棒直径像素值；
根据标定文件、液口距像素值插值计算实际液位；根据相机参数、单晶棒直径像素值计算实际单晶棒直径；将计算到的实际值发送给下位机用于反馈控制。
作为本发明进一步的方案，根据标定文件和液口距像素值计算实际液位的过程包括：将已标定好的液口距、液位键值对存入查询字典gapMap<gap，liquidLevel>
获取查询字典的键列表keyList，将之按升序排序；
若液口距像素值为gapPixel，查找gapMap的键列表keyList中是否存在gap，是则其对应的值就是实际液位，realLiqLevel＝gapMap[gapPixel]；若不存在该键，则使用二分查找法来查找离该键最近的两个键值key1、key2；
按如下公式线性插值计算实际液位：
作为本发明进一步的方案，所述离线液位标定的过程具体包括：设置测量液位的步长levelStep、最小值levelMin和最大值levelMax；
调节执行元件将液位liquidLevel调整至最小值levelMin；
嵌入式智能相机系统采集图像，并测量当前图像中的液口距像素值gapPixel；
将当前液口矩像素值gapPixel和液位liquidLevel作为键值对追加到标定文件尾部；
判断液位liquidLevel是否到最大值levelMax，是则进入保存标定文件到嵌入式系统，否则继续调节执行元件，使液位增高一个步长liquidLevel＝liquidLevel+levelStep，重新执行采集图像。
作为本发明进一步的方案，所述在线视觉检测的过程具体包括：嵌入式智能相机系统中图像处理软件将已标定好的液口距、液位键值对存入查询字典gap Map<gap，liquidLevel>
获取查询字典键列表keyList，将之按升序排序；若液口距像素值为gapPixel，查找gapMap的键列表keyList中是否存在gap，是则其对应的值就是实际液位，realLiqLevel＝gapMap[gapPixel]；若不存在该键，则使用二分查找法来查找离该键最近的两个键值key1、key2；按如下公式线性插值计算实际液位：
作为本发明进一步的方案，包括显示屏、嵌入式智能相机系统、液位调节执行元件；所述显示屏与嵌入式智能相机系统通过以太网进行连接，并通过显示屏进行参数设置；液位调节执行元件的电机连接单晶炉的坩埚，通过电机的旋转运动来带动轴旋转，以实现坩埚的升降运动，调节单晶炉液位。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
附图说明：
图1是本发明中离线液位视觉标定流程图。
图2是本发明中视觉检测液位及单晶棒直径流程图；
图3是本发明中单晶炉液位、单晶棒直径测量装置结构示意图。
具体实施方式：
下面将结合附图和有关知识对本发明作出进一步的说明，进行清楚、完整地描述，显然，所描述的应用仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
参见图1-图3所示，一种基于视觉的单晶炉液位、单晶棒直径测量方法，包括离线液位标定和在线视觉检测，其中离线单晶炉液位视觉标定主要步骤如下：
设置测量液位的步长levelStep、最小值levelMin和最大值levelMax；
调节执行元件5将液位liquidLevel调整至最小值levelMin；
嵌入式智能相机系统2采集图像，并测量当前图像中的液口距像素值gapPixel；
将当前液口矩像素值gapPixel和液位liquidLevel作为键值对追加到标定文件尾部；
判断液位liquidLevel是否到最大值levelMax，是则进入保存标定文件到嵌入式系统2本地文件系统，否则继续调节执行元件5，使液位增高一个步长liquidLevel＝liquidLevel+levelStep，
重新执行嵌入式智能相机系统2采集图像，并测量当前图像中的液口距像素值gapPixel，并按照步骤重新判断液位liquidLevel是否到最大值levelMax，直至符合液位liquidLevel是否到最大值levelMax，则进入保存标定文件到嵌入式系统2本地文件系统。
进一步优选，在线视觉检测包括以下步骤：
嵌入式智能相机系统2中视觉软件初始化加载离线标定的液位标定文件、相机内参、外参；
嵌入式智能相机系统2采集图像，测量当前图像中的液口距像素值、单晶棒直径像素值；
根据标定文件、液口距像素值插值计算实际液位；
根据相机参数、单晶棒直径像素值计算实际单晶棒3直径；
将计算到的实际值发送给下位机用于反馈控制；
判断检测是否终止，若收到终止信号结束，否则继续采集图像，直至判断检测是否终止，若收到终止信号结束。
在本发明中，根据标定文件和液口距像素值计算实际液位的方法包括以下步骤：
嵌入式智能相机系统2中图像处理软件将已标定好的液口距、液位键值对存入查询字典
gapMap<gap，liquidLevel>
获取查询字典键列表keyList，将之按升序排序；
若液口距像素值为gapPixel，查找gapMap的键列表keyList中是否存在gap，是则其对应的值就是实际液位，realLiqLevel＝gapMap[gapPixel]；若不存在该键，则使用二分查找法来查找离该键最近的两个键值key1、key2；
按如下公式线性插值计算实际液位：
本发明还提供了一种基于视觉的单晶炉液位、单晶棒直径测量装置，参照图3所示，包括显示屏1、嵌入式智能相机系统2、液位调节执行元件5；显示屏1与嵌入式智能相机系统2通过以太网进行连接，并通过显示屏1进行参数设置；液位调节执行元件的电机连接单晶炉的坩埚4，通过电机的旋转运动来带动轴旋转，以实现坩埚的升降运动，调节单晶炉液位。
本发明提出的单晶炉液位、单晶棒直径检测方法及装置，先手动进行液位标定和相机参数标定，在线生产时结合已有标定数据和图像测量出的液口距像素值、直径像素值，来换算实际的液位及单晶棒直径，并将它们做为输入发送给温度控制系统和液位控制系统。可以减少人工干预，实现单晶硅生长炉生产过程的自动化、智能化控制，提高单晶棒的等径生成质量，以提升半导体行业的生产效率。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，仅是本发明的优选实施方式。本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于视觉的单晶炉液位、单晶棒直径测量方法，其特征在于，包括离线液位标定和在线视觉检测；
其中，离线液位标定的过程包括：设置测量液位的步长、最小值和最大值；将液位调整至最小值；采集图像，并测量当前图像中的液口距像素值；将当前液口矩像素值和液位作为键值对追加到标定文件尾部；判断液位是否到最大值，是则标定结束，否则液位增高一个步长，重新采集图像，继续标定；在线视觉检测的过程包括：初始化加载离线标定的液位标定文件、相机内参、外参；采集图像，测量当前图像中的液口距像素值、单晶棒直径像素值；根据标定文件、液口距像素值插值计算实际液位；根据相机参数、单晶棒直径像素值计算实际单晶棒直径；将计算到的实际值发送给下位机用于反馈控制；根据标定文件和液口距像素值计算实际液位的过程包括：将已标定好的液口距、液位键值对存入查询字典gapMap<gap，liquidLevel>
获取查询字典的键列表keyList，将之按升序排序；
若液口距像素值为gapPixel，查找gapMap的键列表keyList中是否存在gap，是则其对应的值就是实际液位，realLiqLevel＝gapMap[gapPixel]；若不存在该键，则使用二分查找法来查找离该键最近的两个键值key1、key2；
按如下公式线性插值计算实际液位，
；
所述离线液位标定的过程具体包括：设置测量液位的步长levelStep、最小值levelMin和最大值levelMax；
调节执行元件将液位liquidLevel调整至最小值levelMin；嵌入式智能相机系统采集图像，并测量当前图像中的液口距像素值gapPixel；
将当前液口矩像素值gapPixel和液位liquidLevel作为键值对追加到标定文件尾部；判断液位liquidLevel是否到最大值levelMax，是则进入保存标定文件到嵌入式系统，否则继续调节执行元件，使液位增高一个步长liquidLevel＝liquidLevel+levelStep，重新执行采集图像。
2.如权利要求1的一种基于视觉的单晶炉液位、单晶棒直径测量方法，其特征在于，所述在线视觉检测的过程具体包括：嵌入式智能相机系统中图像处理软件将已标定好的液口距、液位键值对存入查询字典gapMap<gap，liquidLevel>获取查询字典键列表keyList，将之按升序排序；若液口距像素值为gapPixel，查找gapMap的键列表keyList中是否存在gap，是则其对应的值就是实际液位，realLiqLevel＝gapMap[gappixel]；若不存在该键，则使用二分查找法来查找离该键最近的两个键值key1、key2；按如下公式线性插值计算实际液位：
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