一种单晶硅棒直径的检测方法及检测装置与流程

1.本发明涉及单晶炉控制技术领域，尤其涉及一种单晶硅棒直径的检测方法及检测装置。


背景技术：

2.目前，采用直拉法制备单晶硅棒时，首先是在单晶炉的石英坩埚中加热熔化高纯度的多晶硅硅料，将单晶籽晶浸入到石英坩埚中的熔融硅液表面，在籽晶下端依次进行引晶、放肩、转肩、等径、收尾等晶体生长工艺，在转动籽晶、坩埚的同时向上提拉晶体逐渐生长形成单晶硅棒。
3.在晶体生长过程中，固态晶体与熔融硅液的交界处温度较高，在硅棒与熔融硅液的交界处形成一个明亮的光环，称为光圈。光圈的变化能够反映直径的变化情况，通过检测光圈可以实现对晶体生长过程中直径的检测。
4.在先技术中，通常通过图像采集，获取光圈对应的椭圆图像，然后采用圆弧拟合方法处理椭圆的边界图像从而计算得到硅棒的直径，但是在图像采集过程中，由于摄像机位置和角度的问题，光圈图像为带有畸变的不完整的圆，因此圆弧拟合方法计算得到的硅棒的直径的精度误差较大。


技术实现要素：

5.本发明提供一种单晶硅棒直径的检测方法，以解决现有计算的单晶硅棒直径存在精度低误差大的问题。
6.本发明一方面提供了一种单晶硅棒直径的检测方法，包括：
7.获取图像采集装置采集的多帧连续的样本图像及所述样本图像对应的拍摄位置；其中，所述导轨机构的延伸方向与所述单晶硅棒的轴线方向垂直；所述图像采集装置设置在所述导轨机构上，并且在所述导轨机构上移动；所述图像采集装置的摄像头的光轴与所述导轨机构的延伸方向垂直；所述图像采集装置被配置为沿所述导轨机构移动的同时采集所述单晶硅棒的样本图像；
8.确定所述样本图像中的检测区域的平均灰度值，并根据所述平均灰度值和所述拍摄位置绘制坐标位置曲线图；其中，所述平均灰度值为所述坐标位置曲线图的纵坐标，所述拍摄位置为所述坐标位置曲线图的横坐标；
9.在所述坐标位置曲线图中选取第一峰值点和第二峰值点，并根据所述第一峰值点和所述第二峰值点确定所述单晶硅棒的直径。
10.可选地，获取各所述样本图像对应的拍摄位置包括：
11.获取所述图像采集装置采集的多帧连续的样本图像；
12.获取所述图像采集装置在所述导轨机构上的移动速度和采样频率；
13.根据所述移动速度和所述采样频率，确定各所述样本图像对应的拍摄位置。
14.可选地，所述导轨机构上设置有刻度标尺，则获取各所述样本图像对应的拍摄位
置包括：
15.根据所述图像采集装置采集所述样本图像时，在所述刻度标尺上的刻度值，确定各所述样本图像对应的拍摄位置。
16.可选地，获取所述图像采集装置在采集所述样本图像时，对应的所述刻度标尺上的刻度值；
17.将所述刻度值确定为所述样本图像对应的拍摄位置。
18.可选地，所述检测区域包括：目标检测线；所述目标检测线设置为沿第一方向且经过所述样本图像的几何中心，所述第一方向为所述样本图像的竖直方向。
19.可选地，所述图像采集装置在所述导轨机构上的移动距离大于所述单晶硅棒的目标直径。
20.可选地，所述检测区域与所述单晶硅棒的光圈区域具有重合部分。
21.本发明第二方面在于提供一种单晶硅棒直径的检测装置，所述装置包括：
22.获取模块，用于获取图像采集装置采集的多帧连续的样本图像及所述样本图像对应的拍摄位置；其中，所述导轨机构的延伸方向与所述单晶硅棒的轴线方向垂直；所述图像采集装置设置在所述导轨机构上，并且在所述导轨机构上移动；所述图像采集装置的摄像头的光轴与所述导轨机构的延伸方向垂直；所述图像采集装置被配置为沿所述导轨机构移动的同时采集所述单晶硅棒的样本图像；
23.绘制模块，用于确定所述样本图像中的检测区域的平均灰度值，并根据所述平均灰度值和所述拍摄位置绘制坐标位置曲线图；其中，所述平均灰度值为所述坐标位置曲线图的纵坐标，所述拍摄位置为所述坐标位置曲线图的横坐标；
24.确定模块，用于在所述坐标位置曲线图中选取第一峰值点和第二峰值点，并根据所述第一峰值点和所述第二峰值点确定所述单晶硅棒的直径。
25.本发明第三方面提供一种单晶硅棒直径的检测设备，所述单晶硅棒直径的检测设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条计算机指令，所述指令由所述处理器加载并执行以实现上述任一项所述的单晶硅棒直径的检测方法中所执行的步骤。
26.本发明第四方面提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一条计算机指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述任一项所述的单晶硅棒直径的检测方法中所执行的步骤。
27.本发明实施例提供的一种单晶硅棒直径的检测方法，获取图像采集装置采集的多帧连续的样本图像及所述样本图像对应的拍摄位置；确定所述样本图像中的检测区域的平均灰度值，并根据所述平均灰度值和所述拍摄位置绘制坐标位置曲线图；其中，所述平均灰度值为所述坐标位置曲线图的纵坐标，所述拍摄位置为所述坐标位置曲线图的横坐标；在所述坐标位置曲线图中选取第一峰值点和第二峰值点，并根据所述第一峰值点和所述第二峰值点确定所述单晶硅棒的直径。本发明实施例通过根据对图像采集装置采集的样本图像，进行坐标位置曲线图的绘制，根据坐标位置曲线图的峰值点能够准确的确定单晶硅棒的直径。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所
需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是本发明实施例提供的一种单晶硅棒直径的检测系统的结构示意图；
30.图2是本发明实施例提供的一种单晶硅棒直径的检测系统与单晶炉系统相对设置的结构示意图；
31.图3是本发明实施例提供的一种单晶硅棒直径的检测系统与单晶硅棒相对位置的示意图；
32.图4是本发明实施例提供的图像采集装置采集的样本图像的示意图；
33.图5是本发明实施例提供的一种单晶硅棒直径检测方法的步骤流程图；
34.图6是本发明实施例提供的一种获取样本图像对应的拍摄位置的步骤流程图；
35.图7是本发明实施例提供的一种坐标位置与平均灰度值变化曲线图；
36.图8是本发明实施例提供的一种单晶硅棒直径的检测装置的结构框图；
37.图9是本发明实施例提供的一种单晶硅棒直径的检测设备的结构图。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.本发明的单晶硅棒直径的检测方法，可以应用于单晶炉视觉系统，实现单晶硅棒直径的测量。其中，图像采集装置可以设置在单晶炉的观察窗口上，导轨机构的延伸方向与样本图像中的硅棒轴线方向垂直，图像采集装置的镜头轴线与导轨机构的延伸方向垂直，图像采集装置在沿导轨机构运动的同时采集单晶硅的样本图像。
40.在本发明实施例中，采用单晶硅棒直径的检测系统实现单晶硅棒直径的检测方法，该单晶硅棒直径的检测系统包括：导轨机构、图像采集装置、检测装置，其中，图像采集装置可以是ccd相机，检测装置可以是工控机。ccd相机设置在导轨机构上，导轨机构设置有伺服电机，ccd相机、伺服电机通过数据接口连接至工控机以进行数据通信，工控机用于设置ccd相机的图像采样频率、ccd相机的移动速度、获取单晶硅的样本图像、在单晶硅样本图像中设置检测区域。
41.在本发明实施例中，导轨结构可以为丝杠机构或线性滑轨，丝杠机构、线性滑轨可以通过伺服电机驱动，伺服电机、ccd相机分别连接至工控机，伺服电机、ccd相机与工控机采用标准协议通讯，由工控机实现ccd相机的运动控制、图像采集、计算处理。
42.实施例一
43.参照图1，示出了应用于单晶硅棒直径的检测方法的的检测系统10，其中检测系统10包括：导轨机构11、图像采集装置12和检测装置13。
44.在本发明实施例中，参照图2，提供的检测系统10是用在单晶炉系统40中，其中，单晶炉系统包括：单晶炉41，坩埚42和工控机43。检测系统10是设置在单晶炉41的观察窗口上。
45.在本发明实施例中，单晶硅棒20和液面a-a会形成一光圈，检测系统10中的图像采集装置12来采集单晶硅棒的光圈对应的图像。
46.其中，样本图像中包括单晶硅棒与熔融硅液交界区域的光圈图像。
47.在本发明实施例中，检测装置13可以是单独的一个装置进行工作，也可以集成在工控机43中进行工作，在此不加以限定。
48.其中，检测装置包括处理器。
49.在本发明实施例中，坩埚42中装有熔融的硅液体30。其中，在单晶硅棒20生长过程中，硅液体30与单晶硅棒20之间的液面a-a的高度是固定不变的。则，液面a-a上的光圈的高度也是固定不变的。
50.在本发明实施例中，参照图3，为导轨机构11、图像采集装置12和单晶硅棒20之间的相对关系。
51.其中，所述导轨机构的延伸方向与所述单晶硅棒20的轴线方向垂直；所述图像采集装置12设置在所述导轨机构11上；所述图像采集装置12的摄像头的光轴x与所述导轨机构11的延伸方向y垂直；所述图像采集装置12被配置为沿所述导轨机构11移动的同时采集所述单晶硅棒的样本图像。
52.在本发明实施例中，图像采集装置12在导轨机构11上移动并采集样本图像时，图像采集装置的摄像头的拍照参数是固定不变的，例如，光圈、焦距及其他参数是固定不变的。
53.其中，图像采集装置12和单晶硅棒20之间的垂直距离为预设距离，在该预设距离下，当图像采集装置12在导轨机构11上移动时，采集的样本图像为光轴x对应位置的物体的样本图像，即图像采集装置12在导轨机构11上移动的距离与对应采集的样本图像在单晶硅棒上移动的距离相同的。例如，在图3中，图像采集装置12在位置a时，拍摄的样本图像是单晶硅棒一边缘区域x对应的图像，在位置b时，拍摄的样本图像是单晶硅棒中间区域y对应的图像，在位置c时，拍摄的样本图像是单晶硅棒另一边缘区域z对应的图像。其中，a至b的距离等于x至y的距离；a至c的距离等于x至z的距离。
54.在本发明实施例中，所述图像采集装置包括：电荷藕合相机或互补金属氧化物导体相机。
55.其中，在本发明实施例中除电荷藕合(charge coupled device，ccd)相机或互补金属氧化物导体(complementary metal oxide semiconductor，cmos)相机，还可以选用其他相机，在此不加以限定。
56.在本发明实施例中，所述导轨机构包括：线性滑轨或丝杠滑轨。
57.在本发明实施例中，所述图像采集装置在所述导轨机构上的移动速度恒定。
58.其中，可以设置图像采集装置在导轨机构上的移动速度为0.5mm/s。
59.在本发明实施例中，可以根据需要设置图像采集装置在导轨机构上的移动速度，当速度较小时，图像采集装置在导轨机构上移动的较慢，则采集的样本图像较多，可以使图像采集装置采集的第一目标样本图像和第二目标样本图像中的光圈区域和目标检测线的重合部分更多，可以提高单晶硅棒直径的检测精度。
60.在本发明实施例中，所述图像采集装置在所述导轨机构上的移动距离大于所述单晶硅棒的目标直径，这里的目标直径可以是单晶硅在晶体生长过程中的产品控制参数。
61.例如，当待检测单晶硅棒的目标直径约为215mm时，可以设置图像采集装置在所述导轨机构上的移动距离为300mm。
62.具体的，可以设置导轨机构的行程范围为300mm，图像采集装置的图像采样频率为5帧/s，图像采集装置的移动速度为2.5mm/s，则一个检测周期的时间长度t＝300/2.5＝120(s)，在一个检测周期内，图像采集装置可以获取到600个不同位置对应的样本图像。
63.在本发明实施例中，图像采样频率5帧/s对应图像采样周期为0.2s，图像采集装置在导轨机构的初始坐标位置可以记作0，样本图像的编号可以记作ni，ni可以为从1开始的自然数，样本图像n1对应图像采集装置的初始坐标位置0，则样本图像ni的坐标位置＝2.5mm/s
×
(ni-1)，从而在图像采集装置沿导轨机构运动的过程中形成了样本图像中的检测区域的灰度值平均值与图像采集装置在导轨机构上的坐标位置的对应关系。
64.参照图5，基于上述图像采集装置、导轨机构和单晶硅棒之间的位置关系，示出了本发明实施例提供的一种单晶硅棒直径的检测方法的步骤流程图：
65.步骤101，获取所述图像采集装置采集的多帧连续的样本图像及所述样本图像对应的拍摄位置。
66.在本发明实施例中，参照图3，在图像采集装置12在导轨机构11上移动时，连续进行样本图像的采集，采集的样本图像如图4所示，其中b-b为单晶硅棒对应的光圈区域。
67.其中，图像采集装置和检测装置连接，将采集的样本图像传输给检测装置。
68.在本发明实施例中，可以在导轨机构上设置伺服电机，驱动图像采集装置在导轨机构上移动并进行拍照。
69.其中，可以设定图像采集装置的采样频率为3帧/s-5帧/s，具体可以根据实际需要进行设定。
70.在本发明实施例中，获取各所述样本图像对应的拍摄位置包括：
71.获取所述图像采集装置采集的多帧连续的样本图像；
72.获取所述图像采集装置在所述导轨机构上的移动速度和采样频率；
73.根据所述移动速度和所述采样频率，确定各所述样本图像对应的拍摄位置。
74.在本发明实施例中，例如，图像采集装置的移动速度为2.5mm/s，图像采样频率5帧/s，对应图像采样周期为0.2s，图像采集装置在导轨机构的初始拍摄位置可以记作0，样本图像的编号可以记作ni，ni可以为从1开始的自然数，样本图像n1对应图像采集装置的初始坐标位置0，则样本图像ni的坐标位置＝2.5mm/s
×
(ni-1)，从而可以确定每帧图像在拍摄时对应的拍摄位置。
75.步骤102，确定所述样本图像中的检测区域的平均灰度值，并根据所述平均灰度值和所述拍摄位置绘制坐标位置曲线图；其中，所述平均灰度值为所述坐标位置曲线图的纵坐标，所述拍摄位置为所述坐标位置曲线图的横坐标。
76.在本发明实施例中，所述检测区域与所述单晶硅棒的光圈区域具有重合部分。
77.参照图4，样本图像包括硅棒图像、硅棒图像与硅液图像交界区域的光圈图像，其中光圈图像为半月形，光圈图像的亮度较高相应的像素点的灰度值越大。第一目标样本图像为j1，第二目标样本图像为j3；其中，图像采集装置在位置b采集的图像为图4中的j2。
78.在本发明实施例中，参照图7，将拍摄位置作为横坐标，将平均灰度值作为纵坐标绘制坐标位置曲线图。
79.在本发明实施例中，样本图像的光圈图像存在一定宽度，当检测线与硅棒图像的边缘重合时，由于检测线经过样本图像的几何中心且与硅棒的轴线方向平行，此时检测线与光圈图像中的外圆弧形成的弦的长度最大，检测线上的像素点的灰度值平均值对应灰度值曲线上的两个峰值点。
80.在本发明实施例中，参照图6，所述步骤102，包括：
81.子步骤1021，确定所述样本图像中的检测区域的平均灰度值，并建立所述样本图像对应的拍摄位置与所述平均灰度值的对应关系。
82.在本发明实施例中，参照图4，所述检测区域包括：目标检测线l；所述目标检测线l设置为沿第一方向且经过所述样本图像的几何中心，所述第一方向为所述样本图像的竖直方向。
83.其中，目标检测线l在各个样本图像中的相对位置是固定的。
84.在本发明实施例中，可以设置目标检测线的长度为50个像素。
85.在本发明实施例中，光圈区域对应的灰度值较高，当目标检测线与样本图像中的单晶硅棒的左右轮廓线重合时，则与光圈区域重合的部分的检测线的长度较大，此时，目标检测线对应的像素点的平均灰度值较高，对应灰度值曲线上的极大值点。
86.在本发明实施例中，ccd相机的轴线方向与导轨机构的延伸方向垂直，导轨机构的延伸方向与硅棒的轴线方向垂直，当检测线l与样本图像中的硅棒的边缘轮廓线重合时，检测线l与光圈图像的重合部分的长度最长，而光圈图像的像素点的灰度值较大，此时检测线l上的像素点的灰度值平均值对应灰度值曲线上的极大值点。
87.子步骤1022，根据所述对应关系绘制所述坐标位置曲线图。
88.在本发明实施例中，平均灰度值为样本图像的平均灰度值，拍摄位置为样本图像的拍摄位置，因此可以对同一样本图像建立平均灰度值和拍摄位置之间的对应关系。
89.当所述导轨机构上设置有刻度标尺，步骤102包括：获取所述图像采集装置在采集所述样本图像时，对应的所述刻度标尺上的刻度值；将所述刻度值确定为所述样本图像对应的拍摄位置。
90.在本发明实施例中，当图像采集装置12在采集各样本图像时，记录图像采集装置在导轨机构上的刻度值，以得到每帧样本图像都有其对应的刻度值，以该刻度值作为坐标曲线图中的横坐标值。
91.步骤103，在所述坐标位置曲线图中选取第一峰值点和第二峰值点，并根据所述第一峰值点和所述第二峰值点确定所述单晶硅棒的直径。
92.在本发明实施例中，具体的，根据第一峰值点的横坐标值和第二峰值点的横坐标值，确定单晶硅棒的直径。
93.其中，第一峰值点对应的样本图像是图4中的j1，第二峰值点对应的样本图像是图4中的j3，拍摄j1时的拍摄位置和拍摄j2之间的拍摄位置之间的距离为单晶硅棒的直径。
94.在本发明实施例中，参照图7，也可以将建立拍摄位置与平均灰度值的坐标关系，绘制拍摄位置、平均灰度值变化曲线，即图7中的灰度值曲线，检测装置可以通过峰值检测算法确定灰度值曲线上的第一峰值点a1和第二峰值点a2。然后获取第一峰值点a1的横坐标和第二峰值点a2的横坐标，将二者进行差值计算得到单晶硅棒的直径。
95.例如，第一峰值点a1的对应的横坐标为39mm，第二峰值点a2对应的横坐标为
255mm，则单晶硅棒的直径为|a1a2|＝255-39＝216mm。
96.本发明实施例提供的一种单晶硅棒直径的检测方法，该方法包括：获取图像采集装置采集的多帧连续的样本图像及所述样本图像对应的拍摄位置；确定所述样本图像中的检测区域的平均灰度值，并根据所述平均灰度值和所述拍摄位置绘制坐标位置曲线图；其中，所述平均灰度值为所述坐标位置曲线图的纵坐标，所述拍摄位置为所述坐标位置曲线图的横坐标；在所述坐标位置曲线图中选取第一峰值点和第二峰值点，并根据所述第一峰值点和所述第二峰值点确定所述单晶硅棒的直径。本发明实施例通过根据对图像采集装置采集的样本图像，进行坐标位置曲线图的绘制，根据坐标位置曲线图的峰值点能够准确的确定单晶硅棒的直径。
97.在本发明实施例中，图像采集装置沿导轨机构运动的同时采集硅棒与硅液生长界面的光圈图像，导轨机构的延伸方向与硅棒的轴线垂直，工控机根据样本图像中的检测区域的灰度值、图像采集装置的在导轨机构上的坐标位置得到灰度值曲线，根据灰度值曲线上的峰值点间的坐标距离确定硅棒的直径。
98.实施例二
99.参照图8，示出了本发明实施例一种单晶硅棒直径的检测装置200的结构框图，该检测装置200包括：
100.获取模块201，用于获取图像采集装置采集的多帧连续的样本图像及所述样本图像对应的拍摄位置；其中，所述导轨机构的延伸方向与所述单晶硅棒的轴线方向垂直；所述图像采集装置设置在所述导轨机构上，并且在所述导轨机构上移动；所述图像采集装置的摄像头的光轴与所述导轨机构的延伸方向垂直；所述图像采集装置被配置为沿所述导轨机构移动的同时采集所述单晶硅棒的样本图像；
101.绘制模块202，用于确定所述样本图像中的检测区域的平均灰度值，并根据所述平均灰度值和所述拍摄位置绘制坐标位置曲线图；其中，所述平均灰度值为所述坐标位置曲线图的纵坐标，所述拍摄位置为所述坐标位置曲线图的横坐标；
102.确定模块203，用于在所述坐标位置曲线图中选取第一峰值点和第二峰值点，并根据所述第一峰值点和所述第二峰值点确定所述单晶硅棒的直径。
103.其中，所述绘制模块202，包括：
104.第一确定单元，用于确定所述样本图像中的检测区域的平均灰度值，并建立所述样本图像对应的拍摄位置与所述平均灰度值的对应关系；
105.绘制单元，用于根据所述对应关系绘制所述坐标位置曲线图。
106.其中，所述获取模块201包括：
107.第一获取单元，用于获取所述图像采集装置采集的多帧连续的样本图像；
108.第二获取单元，用于获取所述图像采集装置在所述导轨机构上的移动速度和采样频率；
109.第二确定单元，用于根据所述移动速度和所述采样频率，确定各所述样本图像对应的拍摄位置。
110.其中，所述导轨机构上设置有刻度标尺，所述刻度标尺上具有刻度值，则所述获取模块201，包括：
111.第三获取单元，用于获取所述图像采集装置在采集所述样本图像时，对应的所述
刻度标尺上的刻度值；
112.第三确定单元，用于将所述刻度值确定为所述样本图像对应的拍摄位置。
113.本发明的单晶硅棒直径的检测装置，可以根据多个样本图像中的检测区域的灰度值得到灰度值、坐标位置曲线图，根据灰度值坐标位置曲线图上的灰度值的峰值对应的坐标位置计算得到单晶硅的直径。
114.本发明实施例提供的一种单晶硅棒直径的检测装置，具体实施方式参照实施例一，在次不再赘述。
115.本发明实施例还提供了一种单晶硅棒直径的检测设备，参照图9，该单晶硅棒直径的检测设备包括接收器301、发射器302、存储器303和处理器304，该发射器302和存储器303分别与处理器304连接，存储器303中存储有至少一条计算机指令，处理器304用于加载并执行至少一条计算机指令，以实现上述图5对应的实施例中所描述的单晶硅棒直径的检测方法。
116.基于上述图5对应的实施例中所描述的单晶硅棒直径的检测方法，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，例如，非临时性计算机可读存储介质可以是只读存储器(英文：read only memory，rom)、随机存取存储器(英文：random access memory，ram)、cd-rom、磁带、软盘和光数据存储装置等。该存储介质上存储有至少一条计算机指令，用于执行上述图5对应的实施例中所描述的单晶硅棒直径的检测方法。
117.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
118.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
119.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。