一种基于单相机的单晶炉液位、单晶棒直径的测量方法与流程

1.本发明涉及图像处理技术领域，特别涉及一种基于单相机的单晶炉液位、单晶棒直径的测量方法。


背景技术：

2.直拉硅单晶炉在拉晶生产过程中，影响到单晶硅棒品质的很重要的两个指标是对液口距和直径真实物理值的测量，因此需要对坩埚中硅液的液面高度和硅棒的结晶直径进行实时的测量和控制，只有这两个值真实准确，才能让控制系统更加精准的控制热场和拉晶速度的调整。当前通用的方法是利用单相机对导流筒倒影与导流筒边缘的像素差测量液位的变化以及相机测量光圈的像素值。然后根据测量的值与真实的值进行比较和校准，最后根据测量值和真实值测算得到各个阶段的调整系数。
3.现有技术测量的存在着一些缺陷，液位测量是根据相机图像中导流筒倒影与其边缘的像素差测量，这个值不是真实的物理测量值，需要和真实的物理值进行比较，计算出一个换算系数才能对应到真实的物理值。直径测量也是计算出图像中光圈部分的硅棒直径像素值，等硅棒生产完成后，对硅棒不同位置用卡尺测量，然后根据对应位置的测量值换算出不同位置的比例系数。这种间接的测量方法需人为调整系数，导致真实数据的操作复杂，并容易由此带来误差，因此本发明研制了一种基于单相机的单晶炉液位、单晶棒直径的测量方法，以解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

4.本发明目的是：提供一种基于单相机的单晶炉液位、单晶棒直径的测量方法，以解决现有技术中人为调整参数来接近真实数据的复杂操作和由此带来的误差问题。
5.本发明的技术方案是：一种基于单相机的单晶炉液位测量方法，所述测量方法包括：
6.a、安装相机，获取相机的内参、空间姿态及畸变系数；场景下对应具有以相机的光心为坐标原点的相机坐标系(x，y，z)，以及以成像平面的中心为坐标原点的图像坐标系(u，v，1)；
7.b、获取导流筒及导流筒倒影的实时图形，并计算出导流筒及导流筒倒影在成像平面上的直径；
8.c、以导流筒/导流筒的倒影、成像平面、相机的光心为要素，构建基于小孔成像的数学模型，并根据相似三角形的定理，计算出真实的液口距，进而得到单晶炉内的液位高度。
9.优选的，所述步骤c中，液口距的计算根据：
10.[0011][0012]
其中：
[0013]
f，相机的焦距；
[0014]
x1/x2，导流筒/导流筒倒影的实际直径；
[0015]
x1/x2，导流筒/导流筒倒影在成像平面上的直径；
[0016]
z1/z2，导流筒/导流筒倒影所在端面距离相机光心的距离；
[0017]
z，液口距。
[0018]
优选的，所述步骤a中，采用标定板，并将标定板放在不同的位置和不同的姿态，然后用相机获取标定板的图形；根据多张标定板的图形，求出相机的内参相机的空间姿态以及相机的畸变系数
[0019]
优选的，所述步骤b中，采用图像处理方法获取导流筒及导流筒倒影的边缘点在相机坐标系内的坐标，并基于相机坐标系与图像坐标系的转换，计算出导流筒及导流筒倒影的边缘点在图像坐标系内的坐标，进而拟合出导流筒及导流筒倒影在成像平面的直径。
[0020]
优选的，所述相机坐标系与图像坐标系的转换公式为：
[0021][0022]
其中，
[0023]
s，相机的转换系数；
[0024]
平移系数。
[0025]
本发明还研制了一种基于单相机的单晶棒直径的测量方法，所述测量方法包括：
[0026]
a、基于所述的一种基于单相机的单晶炉液位测量方法，计算出单晶炉内部的液位高度；
[0027]
b、获取单晶棒光圈的实时图像，并计算出光圈在成像平面上的直径；所述光圈与单晶炉内的液面处于同一平面内；
[0028]
c、以光圈、成像平面、相机的光心为要素，构建基于小孔成像的数学模型，并根据相似三角形的定理，计算出光圈的真实物理直径，并得到单晶棒的直径。
[0029]
优选的，所述步骤b中，采用图像处理方法获取光圈的边缘点在相机坐标系内的坐标，并基于相机坐标系与图像坐标系的转换，计算出光圈的边缘点在图像坐标系内的坐标，进而拟合出光圈在成像平面的直径。
[0030]
优选的，所述步骤c中，光圈直径的计算根据：
[0031]
其中：
[0032]
d，光圈的真实物理直径；
[0033]
d，光圈在成像平面上的直径；
[0034]
h，相机的光心距离液面的距离；
[0035]
f，相机的焦距。
[0036]
与现有技术相比，本发明的优点是：
[0037]
(1)本发明采用单相机实现对单晶炉液位及单晶棒直径进行测量，基于小孔成像的原理建立数学模型，能够获取真实物理测量值，避免传统测量方法需要人为调整系数而使得操作复杂且易存在误差的问题，也可避免对人员技术的严重依赖。
[0038]
(2)单晶棒直径的测量依赖于单晶炉液位的确定，因此在单晶炉液位获取计算之后能够迅速得到单晶棒的直径，计算方法有效、真实准确。
附图说明
[0039]
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
[0040]
图1为本发明所述的一种基于单相机的单晶炉液位测量方法的原理图；
[0041]
图2为本发明所述的一种基于单相机的单晶棒直径的测量方法的原理图。
具体实施方式
[0042]
下面结合具体实施例，对本发明的内容做进一步的详细说明：
[0043]
如图1所示，一种基于单相机的单晶炉液位测量方法，测量方法包括：
[0044]
a、在单晶炉开炉准备阶段，安装好相机；选取标定板，并将标定板放在不同的位置和不同的姿态，然后用相机获取标定板的图形；根据多张标定板的图形，求出相机的内参相机的空间姿态以及相机的畸变系数其中r为世界坐标系到相机坐标系的旋转矩阵，为世界坐标系到相机坐标系的平移向量。场景下对应具有以相机的光心为坐标原点的相机坐标系(x，y，z)，以及以成像平面的中心为坐标原点的图像坐标系(u，v，1)；
[0045]
b、获取导流筒及导流筒倒影的实时图形，采用图像处理方法获取导流筒及导流筒倒影的边缘点在相机坐标系内的坐标，并基于相机坐标系与图像坐标系的转换，计算出导流筒及导流筒倒影的边缘点在图像坐标系内的坐标，进而拟合出导流筒及导流筒倒影在成像平面的直径；需要注意的是，上述涉及到的导流筒及导流筒的倒影具体指：导流筒下端面边缘及导流筒下端面边缘的倒影，其分处于两个平面内，并相对于液面对称分布。
[0046]
相机坐标系与图像坐标系的转换公式为：
[0047][0048]
其中，
[0049]
s，相机的转换系数；
[0050]
平移系数。
[0051]
c、以导流筒/导流筒的倒影、成像平面、相机的光心为要素，构建基于小孔成像的数学模型，并根据相似三角形的定理，计算出真实的液口距，进而得到单晶炉内的液位高度；
[0052]
具体的，结合图1所示，液口距的计算根据：
[0053][0054][0055][0056]
其中：
[0057]
f，相机的焦距；
[0058]
x1/x2，导流筒/导流筒倒影的实际直径，且x1＝x2；
[0059]
x1/x2，导流筒/导流筒倒影在成像平面上的直径；
[0060]
z1/z2，导流筒/导流筒倒影所在端面距离相机光心的距离；
[0061]
z，液口距。
[0062]
本发明还研制了一种基于单相机的单晶棒直径的测量方法，测量方法包括：
[0063]
a、基于的一种基于单相机的单晶炉液位测量方法，计算出单晶炉内部的液位高度；
[0064]
b、获取单晶棒光圈的实时图像，该光圈与单晶炉内的液面处于同一平面内；采用图像处理方法获取光圈的边缘点在相机坐标系内的坐标，并基于相机坐标系与图像坐标系的转换，计算出光圈的边缘点在图像坐标系内的坐标，进而拟合出光圈在成像平面的直径；关于光圈，拉晶过程中，固态晶体与液态融液的交界处会形成一个明亮的光环，亮度很高，称为光圈；它其实是固液交界面处的弯月面对坩埚壁亮光的反射，当晶体变粗时，光圈直径变大，反之则变小，因此通过对光圈直径变化的检测，可以反映出单晶直径的变化情况；
[0065]
c、结合图2所示，以光圈(液面)、成像平面、相机的光心为要素，构建基于小孔成像的数学模型，并根据相似三角形的定理，计算出光圈的真实物理直径，并得到单晶棒的直径。
[0066]
光圈直径的计算根据：
[0067]
其中：
[0068]
d，光圈的真实物理直径；
[0069]
d，光圈在成像平面上的直径；
[0070]
h，相机的光心距离液面的距离；
[0071]
f，相机的焦距。
[0072]
针对上述基于单相机的单晶炉液位测量方法、以及单晶棒直径的测量方法，本发明主要基于小孔成像的原理建立数学模型，能够获取真实物理测量值，避免传统测量方法需要人为调整系数而使得操作复杂且易存在误差的问题，也可避免对人员技术的严重依赖。
[0073]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。