高温单晶硅液位和直径视觉检测关键技术及应用研究

摘要

作为信息产业和新能源产业最重要的原材料，单晶硅在国民经济与国家战略中都占有重要地位。使用直拉法生产单晶硅时，需要及时、准确地测量熔硅液位与晶体直径，以便高效率地生产高质量的单晶硅。对单晶硅生产而言，机器视觉是一种理想的非接触检测手段。但受高温环境的影响，机器视觉系统应用于单晶硅生产时，在光路设计、高质量图像获取、图像精确检测等方面面临挑战。本文结合实际需求，对高温单晶硅液位和直径视觉检测的关键技术进行了系统、深入地研究，并把研究成果集成为相应的视觉检测系统，应用到实际生产中，主要内容如下:
　　第一章阐述了单晶硅的重要性和直拉式单晶硅生产技术，并具体分析了现有的单晶硅液位检测技术和直径检测技术的不足。同时，本章概述了机器视觉的发展和国内外研究成果，指出了机器视觉成功应用到单晶硅生产中要解决的几大关键技术。最后，针对这些困难，阐明了本课题的来源与本文的主要研究内容。
　　第二章对机器视觉系统的光路设计和检测原理进行了研究，提出了高温视觉系统要根据被测目标的空间结构特点设计光路、优化检测原理的原则。并以单晶硅生产为例，针对单晶硅液位的结构特点，提出了一种使用钼片平面和线性激光的液位三角测量光路。该光路设计利用单晶硅液位本质上是缝隙的特点，在导流筒底部添加钼片平面，使用线性激光投射液位，在钼片平面上形成入射光条和反射光条。研究发现，两个光条信号端点间的距离与待测液位呈线性关系。同时该光路还设计了“虚拟距离”加速图像处理，提高检测实时性。其中，“虚拟距离”的大小与待测液位也呈正比。
　　针对单晶硅直径成像的空间结构，提出了基于同心椭圆的直径检测方法。这个方法基于释能环与导流筒倒影在图像中呈现为一对同心椭圆的特点，利用同心椭圆中心线的特殊性质，在已知外椭圆的情况下，可以借助中心线弦长比快速计算单晶硅直径，避免了复杂耗时的椭圆拟合过程，提高了直径检测效率。
　　第三章针对高温图像质量问题，提出了高温高质量图像的3个标准，并结合单晶硅液位检测应用，围绕3个标准展开了硬件设计。为了获取清晰图像，本章分析了相机和镜头的选型。为了在高温中稳定成像，本章设计了高温防护装置。为了获取高信噪比的图像，本章分析了高温物体的辐射特性，建立了激光图像的SNR模型。实验证明，按照以上方法设计的单晶硅液位检测系统，能拍摄出高质量的高温图像。
　　第四章研究了图像中椭圆的检测技术，在分析了常见的椭圆检测算法的基础上，提出了一种新的结合参数降维与随机Hough变换的椭圆检测算法。该算法首先证明了椭圆上任意一组平行弦中心线穿过椭圆中心的几何性质，根据这个性质，利用两组平行弦确定椭圆中心。在获取椭圆中心的基础上，研究了椭圆与其同心圆交点间的对称关系，并发现椭圆旋转角度可以从两个距离椭圆中心相等但不关于中心对称的点中获取。进一步，可以利用这两点计算椭圆的长轴和短轴。使用随机Hough变换，就能从椭圆边缘中计算上述三个参数。实验结果证明本文提出的算法检测结果准确，检测速度快，对噪声和残缺椭圆不敏感，在单晶硅直径测量中能很好地检测导流筒倒影形成的外椭圆。
　　第五章研究了高温应用中边缘检测不准确的问题。针对高温光晕模糊目标边缘的现象，提出了基于轮廓形状和Sigmoid拟合的亚像素边缘检测算法。该算法先用经典的Sobel算子检测得到目标轮廓形状，再用Sigmoid函数对轮廓法线上的像素灰度分布进行了拟合。从拟合得到的模型参数中，能快速求出边缘的亚像素位置。在第六章单晶硅直径视觉检测系统中，将该算法和其他边缘检测算法进行了对比测试，实验结果显示它能准确、快速地检测释能环边缘。
　　第六章将本文的理论研究成果应用于实际的工业化设备开发，研制了单晶硅液位视觉检测系统和单晶硅直径视觉检测系统。通过这两套系统对本文提出的理论成果进行了验证，实验发现这些技术和方法都有很好的实用价值。单晶硅液位视觉检测系统的实验结果显示，该系统在量程范围内的检测精度达到0.068mm，能够实现实时检测，具有良好的稳定性。单晶硅直径视觉检测系统的实验结果显示，该系统不但具备良好的检测精度（0.09mm），检测效率也比传统方法也得到了大幅提升，并且系统拥有良好的稳定性，满足工业生产需求。
　　第七章进行了全文总结，简要描述了本课题的研究内容、结论和创新点，并对未来的研究工作做了展望。

目录

声明

致谢

摘要

图目录

表目录

1．1 课题背景及意义

1．2 直拉式单晶硅的发展和现状

1．2．1 单晶硅液位检测的现状和不足

1．2．2 单晶硅直径检测的现状和不足

1．3 机器视觉的发展及国内外应用概述

1．4 机器视觉在单晶硅生产应用中的关键技术

1．5 课题目标和主要研究内容

1．5．1 课题来源

1．5．2 论文研究目标及主要内容

第2章 单晶硅液位检测光路设计与直径检测原理优化

2．1 引言

2．2 常见的光路设计及原理

2．3 单晶硅液位检测光路设计和检测原理

2．3．1 光路设计

2．3．2 检测原理

2．3．3 钼片平面

2．4 单晶硅直径检测光路设计和检测原理

2．4．1 检测原理

2．4．2 同心椭圆的中心线性质

2．5 本章小结

3．1 引言

3．2 高温高质量图像标准

3．3 机器视觉系统硬件设计技术

3．4 单晶硅液位视觉检测系统的硬件设计

3．4．1 相机与镜头的选型

3．4．2 高温物体的辐射特性与激光图像SNR模型

3．4．3 窄带滤光片的选型

3．4．4 隔热玻璃和机械支架

3．4．5 图像工作站

3．5 图像质量验证

3．6 本章小结

4．1 引言

4．2 椭圆检测算法综述

4．3 一种结合参数降维与随机Hough变换的椭圆检测算法

4．3．1 椭圆中心坐标求解

4．3．2 椭圆旋转角度、长轴与短轴求解

4．4 实验分析

4．4．1 仿真实验

4．4．2 真实图像实验

4．5 本章小结

5．1 引言

5．2 边缘检测算法综述

5．2．1 像素级边缘检测算法

5．2．2 亚像素级边缘检测算法

5．3 高温图像中的光晕现象

5．4 基于轮廓形状和Sigmoid拟合的亚像素边缘检测算法

5．4．1 轮廓法线上像素灰度分布

5．4．2 Sigmoid函数拟合

5．4．3 亚像素边缘检测流程

5．5 本章小结

6．1 引言

6．2 单晶硅液位视觉检测系统

6．2．1 实验对象和技术指标

6．2．2 检测软件实现

6．2．3 液面波动处理

6．2．4 精度测试实验

6．2．5 稳定性实验

6．3 单晶硅直径视觉检测系统

6．3．1 实验对象和技术指标

6．3．2 图像处理流程

6．3．3 检测软件实现

6．3．4 精度对比实验

6．3．5 稳定性测试

6．4 本章小结

7．1 全文内容总结

7．2 论文创新点

7．3 工作展望

参考文献

作者简历及在攻读博士学位期间的主要科研成果