CN115125609A - 一种基于图像处理算法的蓝宝石引晶控制工艺和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于图像处理算法的蓝宝石引晶控制工艺和系统。本发明针对现有人工引晶过程工艺进行自动化改进，利用CCD摄像头拍摄籽晶状态及液面纹理，通过对图像进行分析，对温度以及籽晶位置进行模糊控制，从而达到提高良品率及产品质量一致性；以及减少工人重复性机械劳动，从而提高生产效率。

Description

一种基于图像处理算法的蓝宝石引晶控制工艺和系统
技术领域
本发明属于蓝宝石生产技术领域，具体涉及一种基于图像处理算法的蓝宝石引晶控制工艺和系统。
背景技术
本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
目前泡生法生产蓝宝石晶体中依然采用传统引晶方法，通过工人从观察镜进行观察进行人工判断。但是传统制备蓝宝石晶体的方法其生长控制过程对引晶人员的技术能力、经验要求较高，导致晶体良率较低，为了增加良率及产品质量的一致性，采用图像处理方法代替人工来进行引晶有着迫切的需求。
工业生产中，将颗粒状的氧化铝籽料放置在密封的加热炉内，然后利用通电的钨棒结成的网对加热炉进行加热。由于Al2O3的熔点是2050摄氏度，钨的温度可以达到3000摄氏度以上，钨网可以使得Al2O3熔化成液态状，液态的Al2O3温度分布是引晶点温度最低，靠近炉壁的地方温度高。然后降电压使得钨网的温度降低，液态的Al2O3的温度也随之降低。直到引晶点处的温度接近2050摄氏度时，把籽晶插入液态的Al2O3中去同时继续降温(降电压)，结晶体不断变大，这样就可以得到蓝宝石结晶体。结晶过程是从引晶点处开始，晶体呈现近似圆锥形状不断变大，直到所有的液态Al2O3全部变成晶体为止。由于2050摄氏度这个值非常高以致于现在没有一个有效的方法和可使用的设备去测量这个温度，现在能用的方法就是通过肉眼观察籽晶末端的熔化状态以及籽晶末端距离液面的距离来估计引晶点处的温度。这种通过肉眼观察的状态估计引晶点处温度的方法受到很多不确定因素的影响，往往会引起温度估计不准确从而得到的晶体质量不佳，温度过高不会结晶，温度过低籽晶不能和晶体结合，无法进行提升，影响后续的结晶过程。另外影响晶体质量的因素是电能质量和电压变化过程。如果电能质量不好，电源谐波含量较高时晶体结晶过程中会产生气泡。电压变化过快时，晶体结晶过程中会产生裂纹。综上所述，蓝宝石加热炉内温度控制过程包含许多不确定因素。
发明内容
针对现有技术中人工控制有着误差大，质量参差不齐，过度依赖经验，对技术工人熟练度要求过高等一系列问题，虽然有的厂家采用相应传感器间接估计内部温度，但由于误差过大导致产品质量强差人意，本发明提供一种基于图像处理算法的蓝宝石引晶控制工艺。本发明针对现有人工引晶过程工艺进行自动化改进，利用CCD摄像头拍摄籽晶状态及液面纹理，通过对图像进行分析，对温度以及籽晶位置进行模糊控制，从而达到提高良品率及产品质量一致性；以及减少工人重复性机械劳动，从而提高生产效率。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
本发明的第一方面，提供一种基于图像处理算法的蓝宝石引晶控制工艺，包括以下步骤：
(1)先对原图像采集画面，送到采集卡，对图像先使用腐蚀-膨胀去除噪声点，进行对焦；
(2)通过观察流体波纹，存在明显几条的向冷心点汇聚的流线，在调整焦距后，采集液面的图像，并对液面图进行闭运算消除白色空洞后，利用Laplace差分算子对图像进行边缘提取；
(3)籽晶浸入液面下后，进行提拉；采用Fast角点检测方法进行处理；情况1当为合适的引晶温度时，角点数小于三个或数量巨大；情况2当温度过高时，为避免与情况1重复，通过和前一次提拉时的图像进行对比，统计像素个数，若存在黑色像素个数减少的情况，则只有可能是温度过高引起融化；情况3当温度过低时，角点个数在一定阈值内，所述阈值根据实际情况进行调节；
(4)当处于情况2时，通过每次提拉后与前一次图像做减法处理，统计生长出的白色月牙形中的像素个数n；使其控制在一定阈值之内；将像素个数n作为控制降温的反馈量进行控制；
(5)晶体逐层生长时，由于需要严格控制降温幅度，以电压变化率和提拉杆提拉速度作为输入量，统计白色月牙形内像素个数n作为反馈量进行控制。
进一步的，步骤(1)中，选用3*3的方型核：
Figure BDA0003753210870000031
其计算方法如下：
首先在原图像中选取3*3区域，寻找其最大值并赋予全体矩阵元素，依次遍历全图形后，再从改动后的图形中选取3*3区域，寻找其最小值并赋予x5，依次遍历全图形；
然后利用Sobel算子对原图x方向和y方向进行边沿检测，卷积因子如下：
Figure BDA0003753210870000032
具体计算公式如下：
Gx＝(Z7+2Z8+Z9)-(Z1+2Z2+Z3)
Gy＝(Z3+2Z6+Z9)-(Z1+2Z4+Z7)
使用该卷积因子对图像进行卷积运算，得出图像x与y方向的轮廓图，之后先求Tenengrad函数：
Sten(k)＝ΣxΣy[G(x,y)]2
对比每一帧的Tenengrad函数值，调节变焦电机，直至Sten(k)取得最小值，对焦完毕。
进一步的，所述Laplace算子如下：
Figure BDA0003753210870000041
具体计算公式如下：
Figure BDA0003753210870000042
提取出边缘后，通过选取其中的三条拟合为直线，选取三点相交外界矩形的中心为冷心点。
进一步的，步骤(3)中，当温度过高时，通过控制电源，降低钨棒加热功率。
进一步的，步骤(3)中，当温度过低时，通过控制电源，提高钨棒加热功率。
进一步的，原图像在Fast角点检测前首先要二值化处理；Fast角点检测是通过比较图形临近4个像素，当有3个像素和该像素不同时，可以认为该点为一个角点。
进一步的，Fast角点检测具体计算方法如下：
Figure BDA0003753210870000043
选定区域与F做卷积：
F＝X2+X4+X6+X8
If(F＝3*255&X5＝255)or(F＝255&X5＝0)Then It′s an angle Else It′s NOTan angle
进一步的，步骤(3)中，通过PID控制调节电压下降的速度。
本发明的第二方面，提供一种基于图像处理算法的蓝宝石引晶控制系统，所述系统包括CCD摄像头，视频采集卡，计算机，伺服电机，伺服电机驱动器，活塞气缸，PLC(可程序化逻辑控制器)；摄像头位于观察孔之上采集图像，通过采集卡输送到计算机，计算机通过工业以太网络与PLC相连接，PLC与伺服驱动器连接，伺服驱动器与伺服电机连接；活塞气缸连接到观察孔的遮挡板上。
进一步的，所述CCD摄像头置于坩埚上方，通过目镜、坩埚的遮蔽孔观测炉内状况。
本发明的有益效果如下：
本发明与现有技术相比，提高了蓝宝石引晶效率低的问题；避免了人为因素在引晶过程中的干扰；提高了设备的稳定性及自动化水平。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的蓝宝石炉自动引晶控制原理示意图。
其中，1-CCD摄像头；2-目镜；3-旋转挡板驱动；4-旋转挡板把手；5-挡板；6-隔热层；7-孔洞；8-提拉杆；9-坩埚；10-籽晶；11-钨加热器；12-炉壁；13-熔融状蓝宝石。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1：在引晶过程中，通过驱动设备3、4打开遮挡板5后，CCD摄像头1通过观察目镜2，坩埚9的遮蔽孔7观测炉内状况。调节拉杆8直至籽晶10与熔融液体13表面接触时，籽晶周围会生成一圈有明显灰度变化的光圈。可以根据该形态来控制引晶
当籽晶接触到液面时，通过CCD摄像头采集到画面，通过图像采集卡传输给PC端，PC端首先对图像进行二值化，然后对其进行腐蚀-膨胀操作去除噪声点，选取图像中3*3的领域：
Figure BDA0003753210870000061
首先在x1～x9中，如果存在一个数值为0，则将矩阵全部数值变为0。重复此步骤遍历全图片。
然后在变换后图形的基础上，选取一个3*3的领域：
Figure BDA0003753210870000062
如果该领域中存在一个数值为255，则将矩阵全部数值变为255。重复此步骤遍历全图片。得到去除噪点后的图片。
然后，对滤波去噪后的图像使用Sobel算子。
选取处理后图像的一个3*3的领域
Figure BDA0003753210870000063
卷积因子如下：
Figure BDA0003753210870000064
具体计算公式如下：
Gx＝(Z7+2Z8+Z9)-(Z1+2Z2+Z3)
Gy＝(Z3+2Z6+Z9)-(Z1+2Z4+Z7)
此法遍历全图，再求Tenengrad函数
Sten(k)＝ΣxΣy[G(x,y)]2
依此方法来进行对焦。
然后通过对滤波去噪的图形Pic2使用Laplace算子，达到边缘检测。
Laplace算子如下：
Figure BDA0003753210870000071
具体计算公式如下：
Figure BDA0003753210870000072
依此法将La的数值代替原图的X5，遍历全图，可以提取出向冷心点汇聚的流线，然后通过选取其中的三条拟合为直线，不妨选取三点相交外界矩形的中心为冷心点。将拉杆移动至冷心点上方。
然后籽晶缓慢下降至液面，一定时间后提拉上来，CCD采集此时的图像
Figure BDA0003753210870000073
然后对每个像素取上下左右四个点像素值进行判断，其伪代码如下：
F＝X2+X4+X6+X8
If(F＝3*255&X5＝255)or(F＝255&X5＝0)Then It′s an angle Else It′s NOTan angle
依照此法遍历全图，记录角点的数量为k。
适合引晶时，图像经过平滑处理，边沿毛刺近似平滑，原图形只有在“光圈”与籽晶交汇处才会产生角点。而且有可能角度过大时会导致无法检测出来或小毛刺未被滤掉，故可以认为当角点数小于三个或数量巨大时时，是合适引晶的温度。为了提高可靠性，阈值可以适当的提高。
温度过高时，同样有小于3个角点甚至检测不到的情况。为了避免与第一种情况重复，可以通过和前一次提拉时的图像进行对比，统计像素个数，若存在黑色像素个数减少的情况，则只有可能是温度过高引起融化。
温度过低时，因为存在大量无法平滑的毛刺，故角点个数必然会在一定阈值内，这个阈值可以根据实际情况进行调节。
晶体逐层生长时，由于需要严格控制降温幅度，可以以电压变化率作为输入量，统计白色月牙形内像素个数n作为反馈进行控制。
采集月牙形状方法为：可以采集前一次采集的图像与现在的图像做差，统计其中差值像素个数。
之后通过PID控制，将n作为反馈量，ΔU和提拉杆上升速度作为输出量，进行调参，从而可以达到自动化连续控制引晶流程。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于图像处理算法的蓝宝石引晶控制工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)先对原图像采集画面，送到采集卡，对图像先使用腐蚀-膨胀去除噪声点；
(2)通过观察流体波纹，存在明显几条的向冷心点汇聚的流线，在调整焦距后，采集液面的图像，并对液面图进行闭运算消除白色空洞后，利用Laplace差分算子对图像进行边缘提取；
(3)籽晶浸入液面下后，进行提拉；采用Fast角点检测方法进行处理；情况1：当为合适的引晶温度时，角点数小于三个或数量巨大；情况2：当温度过高时，为避免与情况1重复，通过和前一次提拉时的图像进行对比，统计像素个数，若存在黑色像素个数减少的情况，则只有可能是温度过高引起融化；情况3：当温度过低时，角点个数在一定阈值内，所述阈值根据实际情况进行调节；
(4)当处于情况2时，通过每次提拉后与前一次图像做减法处理，统计生长出的白色月牙形中的像素个数n；使其控制在一定阈值之内；将像素个数n作为控制降温的反馈量进行控制；
(5)晶体逐层生长时，由于需要严格控制降温幅度，以电压变化率和提拉杆提拉速度作为输入量，统计白色月牙形内像素个数n作为反馈量进行控制。
2.根据权利要求1所述基于图像处理算法的蓝宝石引晶控制工艺，其特征在于，步骤(1)中，选用3*3的方型核：
Figure FDA0003753210860000011
其计算方法如下：
首先在原图像中选取3*3区域，寻找其最大值并赋予全体矩阵元素，依次遍历全图形后，在从改动后的图形中选取3*3区域，寻找其最小值并赋予x5，依次遍历全图形；
然后利用Sobel算子对原图x方向和y方向进行边沿检测，卷积因子如下：
Figure FDA0003753210860000021
具体计算公式如下：
Gx＝(Z7+2Z8+Z9)-(Z1+2Z2+Z3)
Gy＝(Z3+2Z6+Z9)-(Z1+2Z4+Z7)
使用该卷积因子对图像进行卷积运算，得出图像x与y方向的轮廓图，之后先求Tenengrad函数：
Sten(k)＝∑x∑y[G(x,y)]2
对比每一帧的Tenengrad函数值，调节变焦电机，直至Sten(k)取得最小值，对焦完毕。
3.根据权利要求1所述基于图像处理算法的蓝宝石引晶控制工艺，其特征在于，所述Laplace算子如下：
Figure FDA0003753210860000022
具体计算公式如下：
Figure FDA0003753210860000023
提取出边缘后，通过选取其中的三条拟合为直线，选取三点相交外界矩形的中心为冷心点。
4.根据权利要求1所述基于图像处理算法的蓝宝石引晶控制工艺，其特征在于，步骤(3)中，当温度过高时，通过控制电源，降低钨棒加热功率。
5.根据权利要求1所述基于图像处理算法的蓝宝石引晶控制工艺，其特征在于，步骤(3)中，当温度过低时，通过控制电源，提高钨棒加热功率。
6.根据权利要求1所述基于图像处理算法的蓝宝石引晶控制工艺，其特征在于，原图像在Fast角点检测前首先要二值化处理；Fast角点检测是通过比较图形临近4个像素，当有3个像素和该像素不同时，可以认为该点为一个角点。
7.根据权利要求6所述基于图像处理算法的蓝宝石引晶控制工艺，其特征在于，Fast角点检测具体计算方法如下：
Figure FDA0003753210860000031
选定区域与F做卷积：
F＝X2+X4+X6+X8
If(F＝3*255&X5＝255)or(F＝255&X5＝0)Then It′s an angle；
Else It′s NOT an angle。
8.根据权利要求1所述基于图像处理算法的蓝宝石引晶控制工艺，其特征在于，步骤(3)中，通过PID控制调节电压下降的速度。
9.一种基于图像处理算法的蓝宝石引晶控制系统，其特征在于，所述系统包括CCD摄像头，视频采集卡，计算机，伺服电机，伺服电机驱动器，活塞气缸，PLC(可程序化逻辑控制器)；摄像头位于观察孔之上采集图像，通过采集卡输送到计算机，计算机通过工业以太网络与PLC相连接，PLC与伺服驱动器连接，伺服驱动器与伺服电机连接；活塞气缸连接到观察孔的遮挡板上。
10.根据权利要求9所述基于图像处理算法的蓝宝石引晶控制系统，其特征在于，所述CCD摄像头置于坩埚上方，通过目镜、坩埚的遮蔽孔观测炉内状况。
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