WO2017043826A1

WO2017043826A1 - 용융로의 아일랜드 위치검출 장치 및 방법

Info

Publication number: WO2017043826A1
Application number: PCT/KR2016/009926
Authority: WO
Inventors: 김성렬; 김철민; 김노원; 황경환
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2015-09-07
Filing date: 2016-09-05
Publication date: 2017-03-16

Abstract

본 발명은 용융로에서 유동하고 있는 용융체의 표면에서 아일랜드의 위치를 보다 신속하고 정확히 검출할 수 있도록 한 아일랜드 위치검출장치이다. 본 발명의 제어수단은 촬영수단이 촬영한 용융로 표면의 이미지에서 온도 또는 명도에 관한 다수의 제1특이점을 도출하고, 상기 이미지 상의 다수의 제1특이점을 허프변환(Hough transform)에 의해 가상의 파라미터좌표의 선으로 변환한 후, 그 선들이 교차하는 다수의 교차점을 구하며, 가상의 파라미터좌표를 이루는 ρ,θ축과 그 ρ,θ축에 각각 수직인 축으로서 교차횟수에 관한 축을 가지는 가상의 파라미터공간에서 각 교차점을 표시할 때, 그 교차점들 중에서 가상의 파라미터공간 상의 피크를 이루게 되는 다수의 제2특이점을 구하며, 그 다수의 제2특이점을 허프변환의 역변환에 의해 다수의 연결라인으로 도출하고, 그 다수개의 연결라인에 기초하여 아일랜드의 위치를 선택한다.

Description

용융로의 아일랜드 위치검출 장치 및 방법

본 발명은 용융로의 아일랜드 위치검출 장치 및 방법에 관한 것으로서, 잉곳성장로와 같은 용융로에서 가열에 의해 유동하는 용융체의 표면에 발생하는 아일랜드의 위치를 정확하고 신속하게 검출하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

정밀한 전자제품에 이용되는 기초소재의 제작을 위해 사파이어, 실리콘 등의 단결정 잉곳이 제조되고 있다. 예를 들면, 반도체 직접회로는 단결정 실리콘 기판에서 제조되며, 발광다이오드, 데이터 저장장치, 광 탐지기 등과 같은 소자들은 일반적으로 사파이어 단결정 기판으로부터 제조된다.

도 1은 한국등록특허 제10-1390804호에 기재된 것으로서, 종래의 잉곳 성장로에서 단결정 육성을 위한 장치의 일예를 도시한다.

그러한 장치에서는 성장로의 도가니(2)에 원료를 넣은 뒤 히팅수단을 작동시켜 사파이어 원료를 용해시키고, 시드연결부(3)의 하단에 시드(3a)(seed;종자결정)를 장착한 후, 이송수단(5)의 동작으로 시드(3a)를 도가니 내의 용융표면 중심위치에 근접시켜 용융체(1)(Melt)와 접촉 또는 일부 침지시킨다.

그러한 상태에서 도가니(2)의 온도를 조절하여 사파이어 단결정의 육성을 개시하고, 인상 속도 및 위치, 온도를 적절히 조절하면서 잉곳을 성장시킬 수 있다.

그 공정의 초기에, 시드(3a)가 이송수단(5)의 동작에 의해 용융체(1)에 접촉 후 천천히 상승되는데, 시드(3a)가 용융체에 접촉하는 지점과 접촉시점은 사용자의 육안관찰과 경험적 판단에 의존하고 있다.

도 2는 성장로 내부에서 용융체 표면(6)의 유동상태를 도시하는 개략도이다.

도 2를 참조하면, 아일랜드(8)는 도 2에서 도면부호 8로 표시된 부분으로서, 가열에 의해 용융체의 용융이 양호한 정상상태인 경우, 아일랜드(8)는 동전크기만한 면적을 가지고 식별될 수 있는 영역으로 나타난다. 용융체(1)의 표면은 하측에서 표면으로 상승하는 높은 온도의 상승부(9a)와, 표면으로 상승한 용융체가 다시 하강하는 부분으로서 상승부(9a)에 비해 온도가 약간 낮은 하강부(9b)로 나뉘어 유동하고 있다. 중심부에서 방사상으로 뻗어 있는 하강부(9b)에는 주위의 용융체가 모여들어 하강함으로서 유동경계선(7)이 나타나고, 그러한 유동경계선(7)은 아일랜드(8)를 중심으로 방사상으로 생성된다.

상기 아일랜드(8)는 융융액이 하강하는 부분으로서, 용융액이 상승하는 주위의 영역들에 비해 온도가 낮은 영역이다. 따라서, 주위보다 온도가 낮은 상기 아일랜드(8)에 시드(3a)를 접촉시키고 상기 아일랜드(8)로부터 단결정의 성장이 시작된다.

아일랜드(8)는 용융체의 표면(6)의 중심에 항상 발생하는 것은 아니고, 용융체의 유동에 의해 시간의 변화에 따라 그 위치가 변하고 있다.

이에 따라, 작업자는 상기 아일랜드(8)가 시드(3a)의 하강위치에 진입한 적절한 시점에서, 시드(3a)의 하강조작을 하여야 하므로 그 시점 포착을 위해 고온의 성장로 내부를 육안으로 빈번하게 관찰해야 하는 어려움이 있다.

또한, 고품질의 단결정잉곳 생산을 위해서 계속 위치가 변하는 아일랜드(8)에 시드(3a)를 정확히 접촉시켜야 하므로 숙련도가 높은 조작자에 의해 작업이 이루어질 필요가 있다.

이러한 이유에서, 본 출원인에 의해 단결정잉곳 성장로의 아일랜드 위치검출장치가 한국등록특허공보 제10-1481442호로서 등록된 바 있다.

그와 같은 아일랜드 위치검출장치에서는 용융체의 표면이미지를 분석함으로써 자동적으로 아일랜드(8)의 위치를 검출할 수 있도록 하고, 설정된 위치에 아일랜드(8)가 발생시 시드(3a)의 하강이 자동적으로 이루어지도록 구성하고 있다.

그러한 장치에서는 숙련된 작업자의 육안관찰에 의존하지 않더라도 정확한 작업이 진행될 수 있는 이점이 있다.

그러나, 신속하고 정확한 작업의 진행을 위해서는 용융체 표면(6)에 발생하는 아일랜드(8)의 위치에 대한 결정이 보다 신속하게 이루어질 필요가 있다. 이에 의해, 설정위치에 아일랜드가 발생된 시점과, 시드(3a)의 하강작동 시점 사이의 시간간격을 줄이고, 아일랜드의 위치변화 전에 시드(3a)가 정확하고 신속히 아일랜드(8)에 접촉할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 관점에서 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 용융로에서 유동하고 있는 용융체의 표면에서 아일랜드의 위치를 보다 신속하고 정확히 검출할 수 있도록 구성한 아일랜드 위치검출장치 및 검출방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 용융로의 아일랜드 위치검출장치는 재료가 용융되는 용융로와, 상기 용융로의 상측에 설치되어 용융체 표면의 이미지를 획득하는 촬영수단과, 상기 촬영수단이 획득한 이미지를 분석하여 아일랜드의 위치를 검출하는 제어수단과, 용융체의 표면에 시드가 접촉하도록 하강시키기 위해 상기 용융로의 상측에 설치된 시드작동수단을 포함하되, 상기 제어수단은 상기 이미지에서 온도 또는 명도에 관한 다수의 제1특이점을 도출하고, 상기 이미지 상에 존재하는 다수의 상기 제1특이점을 허프변환(Hough transform)에 의해 가상의 파라미터좌표의 선으로 변환한 후, 그 선들이 교차하는 다수의 교차점을 구하며, 상기 가상의 파라미터좌표를 이루는 ρ,θ축과 그 ρ,θ축과 각각 수직인 교차횟수에 관한 축을 가지는 가상의 파라미터공간에서 각 교차점을 표시할 때, 그 교차점들 중에서 상기 가상의 파라미터공간 상의 피크를 이루게 되는 다수의 제2특이점을 구하며, 그 다수의 제2특이점을 허프변환의 역변환에 의해 다수의 연결라인으로 도출하고, 그 다수개의 연결라인에 기초하여 아일랜드의 위치를 선택하며, 상기 시드가 하강하도록 설정되어 있는 시드접촉영역에 상기 아일랜드가 위치하는지 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어수단은 상기 이미지를 설정된 일정크기의 픽셀영역으로 분할하고, 각 픽셀영역에서 그 픽셀영역 내에 존재하는 픽셀들의 밝기 차이를 서로 비교하며, 그 비교결과에 근거하여 각 픽셀영역 별로 독립적인 이진화를 수행함으로써 상기 제1특이점을 도출하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

상기 제어수단은 각 픽셀영역 별로 독립적인 이진화를 수행한 후, 마스킹(Masking)법을 사용하여 비관심영역을 제거하고, 로우패스필터(Low pass filter) 및 스몰오브젝터리무브(small object remove)를 통하여 노이즈 성분을 제거함으로써, 상기 제1특이점을 도출하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한, 상기 제어수단은 상기 제2특이점이 이루게 되는 상기 연결라인에 상기 교차횟수에 의한 가중치를 부여하고 상기 이미지 상에서 설정크기의 탐색영역으로 탐색한 결과 상기 탐색영역을 지나는 연결라인의 가중치를 모두 가산하여 가장 높은 가중치를 가지는 탐색영역에 상기 아일랜드가 위치하는 것으로 결정하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한, 상기 제어수단은 상기 아일랜드가 상기 시드접촉영역에 위치하는 경우, 상기 시드작동수단이 상기 시드를 용융체 표면으로 하강시키도록 제어하거나, 별도 구비된 표시수단이 알람신호를 발생시키도록 제어하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

한편, 다른 관점에서 본 발명은 용융로에서 아일랜드의 위치를 검출하는 방법에 있어서, 상기 촬영수단에 의해 용융체 표면의 이미지를 획득하는 1단계, 상기 1단계에서 획득된 이미지에서 온도 또는 명도에 관한 다수의 제1특이점을 도출하는 2단계, 다수의 상기 제1특이점이 서로 연결되어 각각 직선을 이루게 되는 다수의 연결라인을 도출하는 3단계, 다수의 상기 연결라인들이 교차하는 영역 중에서 아일랜드의 위치를 검출하는 4단계를 포함하되, 상기 3단계는 상기 이미지 상에 존재하는 다수의 상기 제1특이점을 허프변환(Hough transform)에 의해 가상의 파라미터좌표의 선으로 변환한 후, 그 선들이 교차하는 다수의 교차점을 구하며, 상기 가상의 파라미터좌표를 이루는 ρ,θ축과 그 ρ,θ축과 각각 수직인 교차횟수에 관한 축을 가지는 가상의 파라미터공간에서 각 교차점을 표시할 때, 그 교차점들 중에서 상기 가상의 파라미터공간 상의 피크를 이루게 되는 다수의 제2특이점을 구하며, 그 다수의 제2특이점을 허프변환의 역변환에 의해 다수의 연결라인으로 도출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 2단계에서 상기 이미지를 설정된 일정크기의 픽셀영역으로 분할하고, 각 픽셀영역에서 그 픽셀영역 내에 존재하는 픽셀들의 밝기 차이를 서로 비교하며, 그 비교결과에 근거하여 각 픽셀영역 별로 독립적인 이진화를 수행함으로써 상기 제1특이점을 도출하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한, 상기 2단계에서 각 픽셀영역 별로 독립적인 이진화를 수행한 후, 마스킹(Masking)법을 사용하여 비관심영역을 제거하고, 로우패스필터(Low pass filter) 및 스몰오브젝터리무브(small object remove)를 통하여 노이즈 성분을 제거함으로써, 상기 제1특이점을 도출하는 것을 다른 특징으로 한다.

또한, 상기 4단계에서 상기 제2특이점이 이루게 되는 상기 연결라인에 상기 교차횟수에 의한 가중치를 부여하고 상기 이미지 상에서 설정크기의 탐색영역으로 탐색한 결과 상기 탐색영역을 지나는 연결라인의 가중치를 모두 가산하여 가장 높은 가중치를 가지는 탐색영역에 상기 아일랜드가 위치하는 것으로 결정하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 아일랜드가 시드가 하강하도록 설정되어 있는 시드접촉영역에 위치하는 경우, 별도 구비된 표시수단이 알람신호를 발생시키는 5단계를 더 포함하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

본 발명은 아일랜드를 검출하는 이미지 분석과정에서 유동경계선의 가능성이 낮은 연결라인들을 대폭 제거하고 유동경계선의 가능성이 매우 높은 연결라인들을 선별적으로 추출하여 연산함으로써, 연산량을 감소시켜 연산속도를 향상시키면서도 아일랜드의 정확한 위치를 검출할 수 있다.

또한, 본 발명은 획득된 이미지를 이진화시, 이미지를 설정된 일정크기의 픽셀영역으로 분할하고 각 픽셀영역에서 그 픽셀영역 내에 존재하는 픽셀들의 밝기 차이를 서로 비교하여 상대적 밝기 차이에 따라 각 픽셀영역 내에서 각각의 이진화를 수행하고 있다. 이에 따라, 이미지에서 유동경계선의 형태가 명확히 유지될 수 있도록 하여 아일랜드 검출의 신뢰성을 높일 수 있다.

도 1은 종래 잉곳 성장로에서 단결정 육성을 위한 장치의 구성도

도 2는 잉곳성장로 내부에서 용융체 표면의 유동상태를 도시하는 개략도

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 잉곳성장로의 전체적인 구성을 도시하는 구성도

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 잉곳성장로에서 촬영된 용융체 표면의 이미지에서 각 픽셀영역별로 독립적 이진화를 수행하는 과정을 설명하기 위한 설명도

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 잉곳성장로에서 촬영된 용융체 표면의 이미지를 각 픽셀영역 별로 독립적인 이진화를 수행한 후 나타난 이미지

도 6은 도 5의 이미지에서 마스킹(Masking)법을 사용하여 비관심영역을 제거하고 관심영역만 남은 이미지

도 7은 도 6의 이미지에서 로우패스필터(Low pass filter) 및 스몰오브젝터리무브(small object remove)를 통하여 노이즈 성분을 제거하고 허프 변환을 통해 이미지의 점을 파라미터좌표의 선으로 변환하는 과정을 설명하는 설명도

도 8은 허프변환을 설명하는 설명도

도 9는 도 8의 파라미터좌표 상에 나타나는 교점을 파라미터공간 상에서 표현하는 과정을 설명하는 설명도

도 10은 도 9의 파라미터공간 상에서 구한 다수의 제2특이점을 이미지 좌표에서 직선으로 변환하여 아일랜드를 탐색하는 과정을 설명하는 설명도

도 11은 이미지 상에서 결정된 아일랜드의 위치를 도시하는 설명도

이하, 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 용융로의 아일랜드 위치검출장치는 사파이어 잉곳을 성장시키기 위한 잉곳성장로 뿐 아니라 용융로의 용융체에서 아일랜드의 위치결정이 필요한 다양한 기술분야에서 사용될 수 있다.

이하, 사파이어, 실리콘 등 잉곳성장로의 구성에 관한 실시예를 설명한다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 용융로(100)의 아일랜드(8) 위치검출장치는 재료가 용융되는 용융로(100)와, 상기 용융로(100)의 상측에 설치되어 용융체 표면(6)의 이미지를 획득하는 촬영수단(200)과, 상기 촬영수단(200)이 획득한 이미지를 분석하여 아일랜드(8)의 위치를 검출하는 제어수단(500)과, 용융체의 표면(6)에 시드(340)가 접촉하도록 하강시키기 위해 상기 용융로(100)의 상측에 설치된 시드작동수단(300)을 포함한다.

상기 용융로(100)는 그 내부에 사파이어 등 단결정을 형성하기 위한 원료를 충전하여 용융시키고 있다. 용융로(100)에 공급된 원료를 용융할 수 있도록 히팅수단(150)이 설치된다.

용융로(100)의 상부에는 상부커버(400)가 설치되어 용융체(6)를 보호하는 역할을 하고, 촬영수단(200), 시드작동수단(300) 등이 고정설치된다.

상기 시드작동수단(300)은 용융로(100)의 상부커버(400)의 중심부에 수직으로 설치되는 것으로서, 시드(340)(seed)가 하단에 부착되어 있는 시딩로드(320)가 구비되고, 시딩로드의 하강에 의해 시드(340)가 용융체의 표면(6)에 접촉되거나 침지될 수 있다.

상기 촬영수단(200)은 용융로(100)의 상부커버(400)에서 시드작동수단(300)의 일측에 설치되고 상부커버(400)의 하측에서 용융체의 표면(6)을 촬영한다. 고온표면의 영상을 얻을 수 있는 통상의 고화질화상카메라를 사용하거나, 용융체(6) 표면의 온도분포를 측정하는 열화상카메라가 사용될 수도 있다.

상기 촬영수단(200)은 표면에서의 유동경계선(7)을 촬영하기 위한 것으로서, 유동시 경계를 형성하는 부분에서는 육안으로 관찰시에 명도의 차이가 발생하고, 온도분포에 있어서도 유동경계선(7)과 그 주변부분에서 차이가 발생하므로 이를 이용하여 촬영이 이루어진다.

전술한 촬영수단(200)에 의해 용융체의 표면(6)을 촬영한 이미지는 도 2에서 도시하는 유동경계선(7)에서 명도나 색상의 차이를 발생시킨다. 도 4를 참조하면, 실제 이미지에서 유동경계선(7)이 그 주위와 명도의 차이가 있음을 확인할 수 있다.

상기 제어수단(500)은 상기 용융로(100)의 온도조절, 상기 시드작동수단(300)의 작동 등을 위한 제어신호를 전송한다. 또한, 상기 제어수단(500)은 시드작동수단(300)에 의해 시드(340)의 하강동작을 실시하기 위하여 촬영수단(200)이 획득한 이미지를 분석하여 아일랜드(8)의 위치를 검출한다.

제어수단(500)에 의해 아일랜드(8)의 위치가 검출되고, 용융체의 표면(6)에서 용융체의 유동에 의해 이동하는 아일랜드(8)가 설정된 영역에 진입하면 제어수단(500)은 시드작동수단(300)을 하강작동시킴으로써 시드(340)를 용융체의 아일랜드(8)에 접촉시킨다.

이하, 촬영수단(200)이 획득한 이미지를 제어수단(500)이 분석하여 아일랜드(8)의 위치를 검출하는 작동과정을 설명한다.

상기 제어수단(500)은 촬영수단(200)에 의해 용융체 표면(6)의 이미지를 획득하는 1단계, 상기 1단계에서 획득된 이미지에서 온도 또는 명도에 관한 다수의 제1특이점을 도출하는 2단계, 다수의 상기 제1특이점이 서로 연결되어 각각 직선을 이루게 되는 다수의 연결라인을 도출하는 3단계, 다수의 상기 연결라인들이 교차하는 영역 중에서 아일랜드(8)의 위치를 검출하는 4단계를 포함하여 순차적으로 진행됨으로서 아일랜드(8)의 위치를 결정하게 된다.

상기 1단계는 촬영수단(200)에 의해 용융체 표면(6)의 이미지를 획득하는 단계이다.

촬영수단(200)이 이미지를 획득하기 위해 셔터를 개폐하고 그 사이에 촬영이 이루어지는 동작은 설정시간(예컨대 5초)마다 반복됨으로써 용융체 표면(6)에서 용융체의 유동으로 그 위치가 변화하고 있는 아일랜드(8)의 위치를 설정시간마다 감시할 수 있다.

촬영된 용융체 표면(6)에서 유동경계선(7) 등의 형상은 용융체의 유동이 계속 발생하고 있으므로 시간에 따라 변한다.

도 4는 실제적으로 획득한 용융체 표면(6)의 이미지(10)이고, 장치들의 간섭으로 인해 용융체 표면(6)의 일부만이 부채꼴 형상으로 획득되어 있다. 유동경계선이 도면부호 7로 표시되어 있고, 도면부호 13은 촬영수단(200)에 의해 용융체 표면(6)이 가려진 것이다.

상기 2단계는 1단계에서 획득된 이미지(10)에서 온도 또는 명도에 관한 다수의 제1특이점을 도출하는 단계이다.

먼저, 다수의 제1특이점을 검출하기 위해, 상기 이미지(10)를 설정된 일정크기의 픽셀영역으로 분할하고, 각 픽셀영역에서 그 픽셀영역 내에 존재하는 픽셀들의 밝기 차이를 서로 비교하며, 그 비교결과에 근거하여 각 픽셀영역(15) 별로 독립적인 이진화를 수행한다.

즉, 도 4에서도 도시하는 바와 같이, 설정된 일정크기의 픽셀영역(15)으로 이미지를 전체적으로 분할하고, 그 픽셀영역(15) 각각에서 서로 독립적으로 이진화를 수행한다.

예컨대, 각 픽셀영역(15) 내에서의 픽셀들의 밝기를 그 픽셀영역(15) 내의 평균을 기준으로 0과 1로 구분하는 이진화를 수행하고, 이는 다른 픽셀영역(15)과는 독립적으로 수행한다.

이러한 각 픽셀영역(15) 별로 이진화를 수행하는 이유는, 이미지 전체를 대상으로 일괄적인 이진화를 실시할 경우, 이미지의 전측부, 후측부, 좌측부, 우측부, 중앙부 등 위치에 따라 상대적인 밝기의 차이가 있으므로, 이진화시 상대적으로 어둡게 나타나는 넓은 부분이 전체적으로 0의 값이 되어 이미지가 제거되어 버리는 문제점이 있기 때문이다. 예컨대, 도 4에서 부채꼴모양으로 나타난 용융체 표면(6)에서 하측부분이 상측부분보다 대체로 밝기가 약하므로, 평균값에 의해 전체 이미지를 일괄적으로 이진화한다면, 중앙 상측부분은 상당히 넓은 부분이 1의 값을 가지고, 중앙 하측부분은 상당히 넓은 부분이 대부분 0의 값을 가짐으로써 얻고자 하는 유동경계선(7)을 구분하기 어려워지는 문제가 있다.

각 픽셀영역(15) 별로 독립적인 이진화를 수행함으로써 그러한 문제점이 해결될 수 있다.

도 4의 이미지에 대한 각 픽셀영역(15) 별로 독립적인 이진화를 수행함으로써 도 5의 이미지(20)를 얻을 수 있다.

도 5에서는 유동경계선(7)과는 관련이 없는 외곽선 등의 비관심영역이 강조되어 있으므로, 관심영역만의 이미지를 획득하기 위하여 공지된 마스킹(Masking)법을 사용하여 비관심영역을 제거한다. 비관심영역의 제거를 통해 노이즈나 후술하는 특이점이 불필요하게 많이 생성되는 것을 방지한다.

이에 따라, 도 6과 같이, 마스킹(Masking)법을 사용하여 비관심영역을 제거하고 관심영역만 남은 이미지(30)를 얻을 수 있다. 도 5의 도면부호 22 및 도 6의 32에서 지시하는 바와 같이 유동경계선에 나타나고 있다.

또한, 도 6에서 노이즈 성분을 더 제거하기 위해, 공지의 이미지 처리기법인 로우패스필터(Low pass filter) 및 스몰오브젝터리무브(small object remove)를 통하여 노이즈 성분을 제거함으로써 도 7의 (a)와 같이 유동경계선(7) 이외의 노이즈 성분들이 상당히 제거된 이미지를 획득할 수 있다.

상기 스몰오브젝터리무브(small object remove)는 이미지상에서 상대적으로 영역이 작은 부분을 제거하는 것으로서, 유동경계선(7)은 대체로 많은 점들이 연결되어 집적된 형태로 이미지 상에 나타나고 있어 제거되지 않고, 그것과 분리되어 나타나는 작은 점들은 제거됨으로써, 유동경계선(7) 이외의 노이즈가 상당부분 제거되고 이미지상에 남아 있는 점들은 도 7과 같이 유동경계선(7)에 집중될 수 있다.

전술한 이미지 처리과정을 거쳐 남은 점들이 본 발명에서 제1특이점이 된다.

상기 3단계는 다수의 제1특이점이 서로 연결되어 각각 직선을 이루게 되는 다수의 연결라인을 도출하는 단계이다.

이를 위해, 3단계에서는 이미지 상에 존재하는 다수의 제1특이점을 허프변환(Hough transform)에 의해 가상의 파라미터좌표의 선으로 변환한 후, 그 선들이 교차하는 다수의 교차점을 구하며, 상기 가상의 파라미터좌표를 이루는 ρ,θ축과, 그 ρ,θ축과 각각 수직인 교차횟수에 관한 축을 가지는 가상의 파라미터공간에서 각 교차점을 표시할 때, 그 교차점들 중에서 상기 가상의 파라미터공간(60) 상의 피크를 이루게 되는 다수의 제2특이점을 구하며, 그 다수의 제2특이점을 허프변환의 역변환에 의해 다수의 연결라인으로 도출한다.

먼저, 다수의 상기 제1특이점을 허프변환(Hough transform)에 의해 가상의 파라미터좌표의 선으로 변환한다.

허프변환(Hough transform)은 도 8에서 도시하는 바와 같이, x, y축으로 이루어지는 이미지 상에서 직선으로 표현되는 y=mx+b 방정식은 ρ=xcosθ+ysinθ 의 방정식으로 변환이 가능하다. 여기서, ρ는 원점에서 직선까지의 법선거리이고, θ는 x축과의 각도를 나타낸다.

공지된 바와 같이, 허프변환은 이미지 공간에서 직선으로 표현되는 ρ= x cosθ+y sinθ의 방정식이 θ,ρ축의 파라미터 공간에서는 곡선으로 나타난다. 또한, 이미지 공간에서 직선 ρ= x cosθ+y sinθ의 위에 위치하는 점 P1, P2, P3는 θ,ρ축을 가진 파라미터 공간에서 각각의 곡선 P1, P2, P3로 나타난다.

결국, 상기 파라미터 공간에서의 점은 이미지 공간에서 선으로 나타나는 성질이 있고, 상기 이미지 공간에서 점 P1 ,P2, P3는 하나의 직선위에 있던 점들이므로, 파라미터 공간에서 곡선 P1, P2, P3이 서로 교차하는 하나의

점 C를 생성한다. 그 점 C는 이미지 공간상에서 직선 ρ= x cosθ+y sinθ을 나타내게 된다.

본 실시예에 상기 허프변환(Hough transform)을 활용하여, 도 7의 (a)에서 나타나는 이미지(40) 상의 제1특이점들(전처리 과정을 거쳐 이미지 상에 남아 있는 점들)을 도 7의 (b)와 같이 파라미터 좌표(50)에서 각각의 곡선으로 나타난다. 다수의 특이점은 그 각각에 해당하는 곡선이 각각 생성되므로, 수많은 곡선이 서로 중첩되면서 표현된다.

도 8의 허프변환(Hough transform)의 원리와 같이, 이미지 좌표에서 하나의 직선위에 존재하는 점들이 가상의 파라미터 좌표에서 각각 생성하는 곡선은 그 직선을 의미하는 하나의 점 C에서 교차하는 성질이 있다. 따라서, 도 7의 (b)에 생성된 다수의 곡선들이 하나의 점에서 교차하고 있다면, 그 하나의 교차점을 가지는 다수의 곡선들은 이미지 상에서 하나의 직선위에 있는 점들에 의해 생성된 것임을 알 수 있다.

이에 따라, 다수의 제1특이점을 허프변환(Hough transform)에 의해 가상의 파라미터좌표의 선으로 변환한 후, 그 선들이 교차하는 다수의 교차점을 파라미터 좌표 상에서 구한다.

그러한 다수의 교차점(53)은 도 9의 (a)에서 예를 들어 표시하고 있다.

다수의 교차점을 구한 이후, 가상의 파라미터좌표를 이루는 ρ,θ축과 그 ρ,θ축과 각각 수직인 교차횟수에 관한 축(도 9에서 수직축)을 가지는 가상의 파라미터공간(60) 상에서 각 교차점(53)을 표시해 볼 수 있다.

그에 따라 교차점(53)을 파라미터공간(60) 상에 표시한 것으로 표현된 그래프가 도 9의 (b)에 예시되어 있다. 수많은 교차점(53) 들이 파라미터공간(60) 상에 입체적으로 표시된다.

그 파라미터공간(60) 상에 다수의 교차점(53)들이 표시될 때, 그 교차점(53)들 중, 파라미터공간(60) 상의 피크를 이루게 되는 피크점들이 발생하게 되고, 그 피크점들을 다수의 제2특이점으로 한다.

그 제2특이점들은 도 9의 (b)에서 도면부호 61~65로 표시되어 있다.

상기 제2특이점(61~65)은 각각이 그것이 위치하는 영역에서 주위보다 교차횟수가 가장 많은 점을 의미하고, 이는 이미지 상의 선으로 변환할 경우, 허프변환에 따른 이미지좌표와 파라미터좌표의 변환원리에 의해 많은 제1특이점을 지나는 직선을 의미한다. 결국 상기 제2특이점(61~65)은 이미지 상에 나타나는 유동경계선(7)을 의미할 가능성이 매우 높은 직선이 된다.

다수의 제2특이점(61~65)을 구한 후, 허프변환을 통해 이미지 상의 직선으로 변환하면, 도 10과 같이 다수의 연결라인(71~73)이 도출되게 된다.

상기 4단계는 다수의 상기 연결라인(71~73)들이 교차하는 영역 중에서 아일랜드(8)의 위치를 검출하는 단계이다.

도 10을 참조하면, 먼저 상기 제2특이점(61~65)이 이루게 되는 연결라인(71~73)에 각 연결라인(71~73)별로 파라미터좌표 상의 교차횟수에 의한 가중치를 부여한다.

파라미터좌표 상에서 교차횟수가 높은 점은 이미지 상에서 많은 제1특이점을 지나는 직선을 의미하므로, 이미지의 유동경계선(7)일 가능성이 상대적으로 더 높다.

따라서, 상기 교차횟수에 의한 가중치를 부여함으로써 아일랜드(8) 위치결정시 중요도를 더 높이 부여한다. 교차횟수에 의한 가중치를 부여한다는 것은 교차횟수를 점수로 부여하거나 교차횟수에 비례한 크기의 값을 부여함을 의미한다.

도 10에 각 연결라인(71~73)별로 파라미터좌표 상의 교차횟수에 의한 가중치를 부여하여 표시하고 있다.

이후, 아일랜드(8)의 위치를 결정하기 위해 설정크기의 탐색영역(75)으로 탐색을 시작한다. 탐색영역(75)은 원형이 바람직하고 상기 설정크기는 통상 아일랜드(8)의 발생크기를 경험적으로 평균한 면적값으로 할 수 있다.

상기 탐색영역(75)이 연결라인(71~73)의 교차가 발생한 위치를 이동하면서 아일랜드(8)의 위치를 탐색한다.

도 10과 같이, 상기 이미지(70) 상에서 설정크기의 탐색영역(75)으로 탐색한 결과, 탐색영역(75) 내을 지나는 연결라인(71~73)의 가중치를 모두 가산하여 가장 높은 가중치를 가지는 탐색영역(75)에 아일랜드(8)가 위치하는 것으로 결정할 수 있다.

도 11은 이미지(80) 상에서 결정된 아일랜드(8)의 위치를 도시하고 있다.

4단계에서 아일랜드(8)의 위치를 탐색한 결과, 상기 아일랜드(8)가 시드(340)가 하강하도록 설정되어 있는 시드접촉영역에 위치하는 경우, 별도 구비된 표시수단(520)이 알람신호를 발생시켜 작업자에게 인지시킨다. 표시수단(520)에 의한 알람신호는 선택적으로 구성될 수 있다.

또한, 제어수단(500)은 시드작동수단(300)을 제어하여 시드(340)를 하강시킴으로써 아일랜드(8)에 시드(340)의 접촉이 이루어지고, 단결정 잉곳의 육성을 개시한다.

전술한 아일랜드 위치의 결정과정을 통해 제2특이점(61~65)을 추출하여 연산하게 되므로, 연산량이 줄어들고 신속한 결정이 가능하며, 정확도도 향상시킬 수 있다.

본 발명은 단결정잉곳이 제조되는 성장로를 자동화하기 위한 장치 및 방법으로 유용하게 이용될 수 있다. 특히, 사파이어 단결정잉곳의 제조과정에서 유용하게 활용될 수 있다.

Claims

재료가 용융되는 용융로(100)와,

상기 용융로(100)의 상측에 설치되어 용융체 표면(6)의 이미지를 획득하는 촬영수단(200)과,

상기 촬영수단(200)이 획득한 이미지를 분석하여 아일랜드(8)의 위치를 검출하는 제어수단(500)과,

용융체의 표면(6)에 시드(340)가 접촉하도록 하강시키기 위해 상기 용융로(100)의 상측에 설치된 시드작동수단(300)을 포함하되,

상기 제어수단(500)은

상기 이미지에서 온도 또는 명도에 관한 다수의 제1특이점을 도출하고,

상기 이미지 상에 존재하는 다수의 상기 제1특이점을 허프변환(Hough transform)에 의해 가상의 파라미터좌표의 선으로 변환한 후, 그 선들이 교차하는 다수의 교차점을 구하며,

상기 가상의 파라미터좌표를 이루는 ρ,θ축과, 그 ρ,θ축에 각각 수직인 축으로서 교차횟수에 관한 축을, 가지는 가상의 파라미터공간(60)에서 각 교차점을 표시할 때,

그 교차점들 중에서 상기 가상의 파라미터공간(60) 상의 피크를 이루게 되는 다수의 제2특이점(61~65)을 구하며,

그 다수의 제2특이점(61~65)을 허프변환의 역변환에 의해 다수의 연결라인(71~73)으로 도출하고,

그 다수개의 연결라인(71~73)에 기초하여 아일랜드(8)의 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 용융로의 아일랜드 위치검출장치
제1항에 있어서,

상기 제어수단(500)은

상기 이미지를 설정된 일정크기의 픽셀영역(15)으로 분할하고, 각 픽셀영역(15)에서 그 픽셀영역(15) 내에 존재하는 픽셀들의 밝기 차이를 서로 비교하며, 그 비교결과에 근거하여 각 픽셀영역(15) 별로 독립적인 이진화를 수행함으로써 상기 제1특이점을 도출하는 것을 특징으로 하는 용융로의 아일랜드 위치검출장치
제2항에 있어서,

상기 제어수단(500)은

각 픽셀영역(15) 별로 독립적인 이진화를 수행한 후, 마스킹(Masking)법을 사용하여 비관심영역을 제거하고, 로우패스필터(Low pass filter) 및 스몰오브젝터리무브(small object remove)를 통하여 노이즈 성분을 제거함으로써, 상기 제1특이점을 도출하는 것을 특징으로 하는 용융로의 아일랜드 위치검출장치
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제어수단(500)은

상기 제2특이점(61~65)이 이루게 되는 상기 연결라인(71~73)에 상기 교차횟수에 의한 가중치를 부여하고 상기 이미지 상에서 설정크기의 탐색영역(75)으로 탐색한 결과 상기 탐색영역(75) 내를 지나는 연결라인(71~73)의 가중치를 모두 가산하여 가장 높은 가중치를 가지는 탐색영역(75)에 상기 아일랜드(8)가 위치하는 것으로 결정하는 것을 특징으로 하는 용융로의 아일랜드 위치검출장치
제4항에 있어서,

상기 제어수단(500)은

상기 시드(340)가 하강하도록 설정되어 있는 시드접촉영역에, 상기 아일랜드(8)가 위치하는지 여부를 판단하고,

상기 아일랜드(8)가 상기 시드접촉영역에 위치하는 경우, 상기 시드작동수단(300)이 상기 시드(340)를 용융체 표면(6)으로 하강시키도록 제어하거나,

별도 구비된 표시수단(520)이 알람신호를 발생시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 용융로의 아일랜드 위치검출장치
용융로(100)에서 아일랜드(8)의 위치를 검출하는 방법에 있어서,

촬영수단(200)에 의해 용융체 표면(6)의 이미지를 획득하는 1단계,

상기 1단계에서 획득된 이미지에서 온도 또는 명도에 관한 다수의 제1특이점을 도출하는 2단계,

다수의 상기 제1특이점이 서로 연결되어 각각 직선을 이루게 되는 다수의 연결라인(71~73)을 도출하는 3단계,

다수의 상기 연결라인(71~73)이 교차하는 영역 중에서 아일랜드(8)의 위치를 검출하는 4단계를 포함하되,

상기 3단계는

상기 이미지 상에 존재하는 다수의 상기 제1특이점을 허프변환(Hough transform)에 의해 가상의 파라미터좌표의 선으로 변환한 후, 그 선들이 교차하는 다수의 교차점을 구하며,

상기 가상의 파라미터좌표를 이루는 ρ,θ축과, 그 ρ,θ축에 각각 수직인 축으로서 교차횟수에 관한 축을, 가지는 가상의 파라미터공간(60)에서 각 교차점을 표시할 때,

그 교차점들 중에서 상기 가상의 파라미터공간(60) 상의 피크를 이루게 되는 다수의 제2특이점(61~65)을 구하며,

그 다수의 제2특이점(61~65)을 허프변환의 역변환에 의해 다수의 연결라인(71~73)으로 도출하는 것을 특징으로 하는 용융로의 아일랜드 위치검출방법
제6항에 있어서,

상기 2단계에서

상기 이미지를 설정된 일정크기의 픽셀영역(15)으로 분할하고, 각 픽셀영역(15)에서 그 픽셀영역(15) 내에 존재하는 픽셀들의 밝기 차이를 서로 비교하며, 그 비교결과에 근거하여 각 픽셀영역(15) 별로 독립적인 이진화를 수행함으로써 상기 제1특이점을 도출하는 것을 특징으로 하는 용융로의 아일랜드의 위치검출방법
제7항에 있어서,

상기 2단계에서

각 픽셀영역(15) 별로 독립적인 이진화를 수행한 후, 마스킹(Masking)법을 사용하여 비관심영역을 제거하고, 로우패스필터(Low pass filter) 및 스몰오브젝터리무브(small object remove)를 통하여 노이즈 성분을 제거함으로써, 상기 제1특이점을 도출하는 것을 특징으로 하는 용융로의 아일랜드의 위치검출방법
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 4단계에서

상기 제2특이점(61~65)이 이루게 되는 상기 연결라인(71~73)에 상기 교차횟수에 의한 가중치를 부여하고 상기 이미지 상에서 설정크기의 탐색영역(75)으로 탐색한 결과 상기 탐색영역(75) 내를 지나는 연결라인(71~73)의 가중치를 모두 가산하여 가장 높은 가중치를 가지는 탐색영역(75)에 상기 아일랜드(8)가 위치하는 것으로 결정하는 것을 특징으로 하는 용융로의 아일랜드의 위치검출방법
제9항에 있어서,

상기 아일랜드(8)가 시드(340)가 하강하도록 설정되어 있는 시드접촉영역에 위치하는 경우,

별도 구비된 표시수단(520)이 알람신호를 발생시키는 5단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용융로의 아일랜드 위치검출방법