用于测量两个物体之间的距离的方法

摘要

为了甚至在困难的几何和光照条件下，使用于使用至少一个光源和至少一个光接收器借助光线以光学地测量在实质上散射的物体与实质上镜面反射的物体之间的距离的方法中的可靠的距离测量成为可能，所述光线包含所述散射物体的至少一个区域以及所述镜面反射物体的至少一个区域，且俘获所述光线在所述散射物体处散射的光以及所述光线在所述镜面反射物体处镜面反射的光两者。本发明的有利实施例在于在所述镜面反射物体处的镜面反射之后俘获在所述散射物体处散射的所述光，和/或在所述散射物体处的散射之后俘获在所述镜面反射物体处镜面反射的所述光。根据本发明的方法可尤其用于拉晶设施中的环绕锭的漏斗与硅熔融物之间的距离测量或距离调节中。

说明书

技术领域

本发明涉及用于使用至少一个光源和至少一个光接收器借助光线以光学 地测量在光学上实质上散射的物体与光学上实质上反射的物体之间的距离的 方法。

背景技术

已知多种光学距离测量方法，例如借助干涉或运行时间测量进行的激光 距离测量、光切法或其它三角测量方法。此处，为了获得有价值的光信号， 光源以及与其相关的光接收器必须以特定方式定位，以便获得充分强而使得 能够测量所述距离的有价值的光信号。

充当用于沿着投影光线测量表面的高程剖面的测量技术的光切法是已知 的，并且用于许多工业应用。所述光切法是基于三角测量的原理。为此，光 源、光接收器和测量样本需要形成三角形。发送和接收光学系统的光轴之间 的角度越大，测量布置的高程分辨率越大。由于物体的表面轮廓，投影到物 体上的光线经受变形，所述变形由充当光接收器的相机俘获和评估。光源与 光接收器之间的角度越大，光接收器中的光线的变形越可见。另外，已知的 光切法取决于被测量的物体的表面具有充分的光散射性质，以使得撞击物体 的表面的光的部分将朝向接收相机漫射地散射。然而，如果表面在其部分区 域中是反射的或是反射性的，那么所述表面处的反射的光泽反射将在此处占 主导地位。此镜面反射将一般不撞击接收光学系统，以致于在接收器处将没 有可接受的信号。

在一些应用中，如果由于特殊的几何条件，无法接收到用于确定实质上 散射的物体与实质上反射的物体之间的距离的有价值的信号或仅可接收到非 特定的信号，那么不可应用这些常规方法来确定两个物体之间的距离。

举例来说，如果是例如在用于生产单晶硅晶体(所谓的锭)的拉晶设备 中(其中将测量实质上散射的物体(环绕锭的漏斗)与实质上反射的物体(热 硅熔融物)之间的距离)的情况，物体中的一个具有反射表面，而另一物体 散射光，那么常规的光学距离测量方法是不可用的。

从第2010/0165321 A1号美国公开案已知一种测量装置和测量方法，其中 借助三角测量通过测量点状距离来实现与拉晶过程相关的距离测量。总的结 果是由在不同的所界定的点处一个接一个地进行的多个连续个别的测量的结 果组成。

第2004/0095584 A1号美国公开案描述了一种用于测量喷嘴与反射板的 距离的方法和装置。此处，激光束投射到与所述板平行的喷嘴上且平行于喷 嘴边缘。由此，激光束仅位于喷嘴的散射物体上。通过记录两条平行光线来 评估相机图像中的这两条光线相距的距离以便间接地以此方式确定喷嘴出口 与所述板的距离。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量方法，其中甚至在困难的几何和光照条件 下(例如，在拉晶过程中出现)，也可以精确地测量实质上散射的物体与实质 上反射的物体之间的距离。

根据本发明，在根据权利要求1所述的方法中实现此目的，其中光线包 含散射物体的至少一个区域以及反射物体的至少一个区域，且其中俘获并评 估所述光线在所述散射物体处散射的光以及所述光线在所述反射物体处反射 的光以用于确定所述距离，其中在所述反射物体处的反射之后俘获并评估在 所述散射物体处散射的光，且在所述散射物体处的散射之后俘获并评估在所 述反射物体处反射的光。

此处，在根据本发明的本方法的情况下且与基于三角测量的原理的已知 的光切法相比，不需要光源、光接收器和测试样本形成三角形。在根据本发 明的方法中，不是测量因测试样本的表面轮廓引起的光线(即，光段 (light-section))的变形。相比而言，光源与光接收器之间的距离非常小，或 甚至可例如借助与光源和光接收器的光轴重叠的分束器而使光源和光接收器 处于近轴，实际上是有利的。在近轴情况下，光源与光接收器的光轴是重合 的。在此情况下，从光接收器的角度来看，光线始终显得是笔直的，而不管 被光线撞击的物体的高程轮廓如何变化。根据本发明的方法是基于以下事实： 由于反射物体处的反射，会出现可随后在由光接收器俘获的图像中评估的额 外反射。这些额外的反射几何上越远离，散射物体与反射物体之间的距离越 大。

根据本发明的方法的特别有利的实施例在于，散射物体在其面向反射物 体的末端的边缘处具有斜面，且在于在此处散射的光得以俘获和评估。几何 上界定的反射以及光线的镜面反射进而出现在所述斜面处，这于是准许精确 地评估由光接收器检测到的图像，例如相机图像。

另外，有利的是，旋转光线以使得其倾斜于垂直。所得的反射和镜面反 射进而相对于彼此水平地移位，且由于此几何间隔而促进对由光接收器检测 到的图像的评估。

根据本发明的另一实施例，非常有利的是，光源发射在给定波带、优选 地在紫外线、蓝光和/或绿光波长范围中的光。进而有利的是，优选地借助带 通滤波器依据光源的波长范围来限制光接收器的波长俘获范围。使用550纳 米以下的短波谱区域中的光接收器的优选窄带波长范围以及在此波长范围中 的光源的优选高强度会具有特殊的优点。已结合这些措施明确的是，例如热 硅源等反射物体的黑体辐射与被滤除的黑体辐射相比可被非常高效地吸收且 因此针对测量而评估的光占主导地位，这进而导致更简单且更精确的距离测 量结果。

优选的是，光接收器是数字或矩阵相机或线相机。

为了不仅确定距离还确定散射物体与反射物体之间的斜度，有利的是， 确定物体之间的至少两个选定的位置处的距离。

根据本发明的方法结合拉晶设备可以特别有利地得到利用，其中实质上 散射的物体是环绕锭的漏斗且实质上反射的物体是热硅熔融物。

为了生产单晶硅太阳能电池，需要单晶硅晶片。用于生产这些晶片的最 重要的方法由借助(例如)所谓的切克拉斯基(Czochralsky)拉晶过程从热 硅熔融物拉出单晶硅锭组成。由于晶体的缓慢生长，此过程通常花费数天。 随后，切割晶体且用锯切机器锯切成晶片，随后对晶片进一步处理以便生产 太阳能电池。

切克拉斯基拉晶过程是敏感的过程，其频频导致晶体中的结构性断裂。 所述拉晶过程于是必须中断且开始新的过程。晶体直径的变化或者导致晶体 质量降低的晶体中的缺陷数目的增加也可由于过程不稳定性而出现。或者， 由于过程不稳定性，必须以非常低的抽取速率来拉出晶体。

对于拉晶过程尤其重要的是，确保在切克拉斯基设备中的拉晶过程期间 热硅熔融物的热稳定条件以及熔融物上方的空气空间。这是重要的，以便防 止单个晶体中的结构性断裂，且用于使得晶体的抽取速率能够最大化，并且 还用于实现水平面上方的锭的直径尽可能地恒定。为了实现切克拉斯基设备 中的温度分布的提高的稳定性，通常使用漏斗形插入件，这些插入件以圆柱 对称的方式环绕锭且使得漏斗的下边缘能够尽可能近地向下接近熔融物。控 制漏斗的下边缘与熔融物的距离的过程进而是重要的过程参数。然而，难以 精确地控制并调节此距离。此距离应该在不影响熔融物的情况下非常小，并 且所述距离应该在拉晶过程期间保持恒定，或者有可能甚至在拉晶过程期间 以预先界定的方式改变。根据本发明的方法尤其良好地适合于维持漏斗与熔 融物之间的所需距离或者用于调节漏斗与熔融物之间的距离。

在常规的光学测量方法中，对所述距离的测量因此是困难的，这是因为 仅可通过以一角度且另外以极陡的角度位于容纳熔融物的腔室上方的检查窗 口从不适宜的角度看向所述腔室中，并且因为熔融物自身的约1500℃的高温 和光使得更加难以进行光学测量。通过根据本发明的方法来克服此难题和限 制。

附图说明

下文基于充当示范性实施例的拉晶设备来详细地描述根据本发明的方法 以及其优点。

图1展示切克拉斯基拉晶设备的示意性横截面说明。

图2为图1所说明的设备的透视图。

图3到图5为用于解释根据本发明的方法的示意性光束路径。

图6为特殊实施例的情况中的光束路径，其中散射物体(在本情况中为 漏斗)的边缘包括斜面。

图7为图6所示的实施例的放大说明，包含示意性光束路径。

图8为沿着朝向光接收器的视线从图2截取的放大截面。

具体实施方式

图1展示切克拉斯基拉晶设备的截面，所述设备并有：容纳腔室8；热 硅熔融物3，处于可通过提升装置6垂直地移位的坩埚7中；拉晶过程期间 的单个晶体(锭)2；以及漏斗1，其以圆柱对称的方式环绕晶体2且所述漏 斗的下边缘向下延伸到熔融物3，从而留出数毫米的自由距离d。通常在容纳 腔室8中设置若干检查窗口9。在一个有利的布置中，光源4和接收相机5 一起尽可能靠近地布置且看向同一检查窗口9。然而，还可以将光源4和接 收器5进一步间隔开且将它们附接到两个分离的检查窗口。

图2从上方展示沿着倾斜视线的相同布置。此处描绘光线10，光线10 由光源4投射且由相机5接收，且其包含漏斗1的下边缘以及与漏斗边缘接 界的硅熔融物2的部分。同样描绘来自光源4且去向相机5的光锥。

在图3到图7中示意性说明由相机接收且评估的在此布置中发生的光反 射。为了更好地理解，假设在图3到图7中，光源4和接收器5的光轴与所 传输(照射)和所接收(反射或散射)的光束的相反引导但平行的方向向量 L和K近轴，借此所传输的光射线形成平行的窄的笔光线(光线)，且接收器 相机5仅接收在与所传输的光束相同的方向上散射回或反射回的平行光。

另外，为了简明起见，假设光线10、所述光的辐射方向L和接收方向K 以及漏斗1的沿着光线10的撞击线的法向量全部位于图的平面中。这说明于 图3中。可以在其中看到漏斗1和具有反射表面11的硅熔融物3。漏斗1包 含与硅熔融物3的法向量的角度α且位于与硅熔融物3的表面11相距自由距 离d处。在方向L上辐射的平行笔光线在图的平面中形成一条线。此连续光 线10在此通过七条光射线13、14、15、16、17、18、19(从左到右)来表 示，借此从射线13到射线19的距离指示光线的长度。

假设在垂直于图的平面的方向上的光线10的范围是可忽略地小的。辐射 方向L包含与硅熔融物3的表面11的法向量的角度β。

规则α＜β适用于图3和图4中的角度α和β。射线13、14、15直接撞 击漏斗1且在此处在漏斗1的粗糙表面处散射。在方向K上散射的散射光的 分量由相机5接收(如在图4中可见)且因此可在相机图像中看到。这个射 线路径在下文被称作L-T-K(光源-漏斗-相机)。

在图4中示范性地展示光在所有方向上散射的射线13在漏斗1上的碰撞 点。因此，在硅熔融物3的方向上散射的射线13、14、15的光的一部分也以 类似镜面的方式在此处反射。在此处反射且在方向K上反射的光的分量是图 4中的射线20、21、22。射线20、21、22被相机5接收且因此可以在相机图 像中看到。这个射线路径在下文被称作L-TS-K(光源-漏斗-熔融物-相机)。

如从图5或图6可以看到，射线16撞击硅熔融物3的表面11且从此处 以类似镜面的方式在漏斗1后方反射。此反射无法被相机5看到。射线17撞 击硅熔融物3的表面11，其以类似镜面的方式在此处反射且从下方撞击漏斗 1的边缘且随后在此处散射。散射的光随后再次撞击硅熔融物3，在方向K 上部分反射朝向相机5，且随后同样在相机图像中可见。原则上，此反射可 用于评估过程，但由于熔融物3的表面11处的双重反射以及出于几何原因， 不大适合用于所述评估过程。这个射线路径在下文被称作L-STS-K。射线 18和19撞击硅熔融物3的表面11，其以类似镜面的方式在此处反射且随后 撞击漏斗1。在方向K上散射的在漏斗1处散射的光的分量随后由相机5接 收，且可在相机图像中看到。这个射线路径在下文被称作L-ST-K(光源-熔融 物-漏斗-相机)。供应相机中的光线的部分的可评估图像的所得的射线路径因 此是：

L-T-K(光源-漏斗-相机)

L-ST-K(光源-熔融物-漏斗-相机)

L-TS-K(光源-漏斗-熔融物-相机)

L-STS-K(光源-熔融物-漏斗-熔融物-相机)

反射L-STS-K当然可以用于评估过程，但没有其它三种反射那么良好地 适合于此任务，这是因为其由于熔融物3处的双重类似镜面的反射而在强度 上被削弱，并且由于双重反射而具有更多的干扰。另外，如果距离d较小， 那么漏斗1本身造成此射线路径的部分遮蔽。因此在下文将不考虑此射线路 径。

在下文将考虑三条射线路径L-T-K、L-ST-K、L-TS-K的几何性质和强度 特性。

L-T-K：散射回到相机5中的信号的强度是由漏斗表面的散射特性来确 定。如可在图4中看到，传入的射线13、14、15之间的间距以及散射回到相 机5中的射线之间的间距是相等的。光束位于彼此之上。因此，不存在所接 收的光束相对于照射的光束的透视压缩或扩张。照射和接收的光束两者都包 含与漏斗1的角度β+α。

L-TS-K：散射的光与漏斗1所成的角度是β-α，即，其非常平坦。因此， 朝向相机反射的笔光线以因数sin(β-α)/sin(β+α)被透视压缩，即，其在相机 图像中显得变短。这可在图4中看到，其中射线20、21、22比射线13、14、 15显著地更靠在一起。

L-ST-K：在熔融物3的表面11处的反射之后，光撞击漏斗1且同样包含 与漏斗1的角度β-α。以角度β+α散射进入相机5中的光因此以因数sin(β+ α)/sin(β-α)被透视扩展。这可以在图3中从较广相隔的碰撞点看到，所述碰 撞点由从熔融物3的表面11反射的射线18和19在漏斗1上形成。因此，线 的此部分在相机图像中显得透视扩展，且因此其辐射度或亮度在相机图像中 实质上被削弱。

因此，角度差β-α越小，用于测量过程的几何比例和强度比率越不适宜。 L-TS-K和L-ST-K的透视压缩和扩张针对小值的β-α而增加，且其在相机图 像中的亮度差异同样增加，此进而增加对相机5的动态范围的需求。

如果漏斗角度α大于β，那么反射L-TS-K和L-ST-K完全消失。这可以 在图5中看到。在图5中，α＞β。射线18和19不再撞击漏斗1。另外，射 线20和21被漏斗1遮蔽，如图4所描绘。在此情况下，不可以进行测量。

实际上，检查窗口9的位置以及漏斗角度是由设备的安装者或拉晶设备 的操作员规定。这通常对α和β的可能的角度范围强加非常大的约束，且可 甚至使得测量是不可能的。随后无法使用根据本发明的布置。然而，根据本 发明，在特别有利的实施例中，此问题可以得到克服，其中垂直斜面12被研 磨为漏斗1的下边缘。这说明于图6中且在图7中以放大比例说明。在图7 中仅说明经由此斜面12的射线路径。在此处可以从双向射线20、21、22以 及23、24、25看到，射线路径L-ST-K和L-TS-K现在完全对称，且在熔融 物处反射的射线始终包含与斜面12的法向量的角度β，而在斜面12处散射 的射线始终包含与所述法向量的角度90°-β。在此非常有利的实施例中，此 适用于所有三条射线路径L-T-K、LST-K和L-TS-K。因此，两个反射L-ST-K 和L-TS-K在相机图像中具有相同的亮度和相同的长度。与L-T-K的亮度相比， LST-K和L-TS-K的亮度仅以固定的因数减少。此因数是熔融物3的表面11 的表面反射率，这是因为在射线路径L-ST-K和LTS-K中在熔融物3的表面 11处存在额外的反射，但在射线路径L-T-K中不发生此反射。因此，漏斗1 上的斜面13的布置是特别有利的，这是因为如此建立稳定且适宜的几何比例 和亮度比率，且使得所述布置独立于漏斗1的漏斗角度和检查窗口9的位置。

为了评估相机图像中的射线路径L-T-K、L-ST-K和L-TS-K，需要这些射 线路径在相机图像中分离。然而，可以在图3和图7中看到，L-T-K和L-ST-K 位于彼此之上。此问题根据本发明的另一实施例而得到克服，原因在于光线 被旋转。在图3到图7中，光线位于图的平面中，即，与也被熔融物3的表 面11的法向量以及相机5的方向向量(光轴)横跨的平面相同的平面中。然 而，如果将线旋转，那么图3中的射线13到19与图的平面垂直地一个接一 个地移位，且因此射线路径L-T-K和L-ST-K也在此方向上彼此分离。这是适 用的，与漏斗1的法向量是否位于图的平面中无关。因此，也与漏斗1的哪 一区被光线照射无关。这是尤其重要的，因为与检查窗口9相对的漏斗1的 一侧在锭2的拉晶过程期间是被覆盖的。因此，所述测量必须在拉晶过程期 间在锭2的左边或右边进行。

图8展示包含光线10的但现在确切沿着相机5的视线从图2截取的放大 图。在此处展示漏斗1的截面。另外，在图8中描绘熔融物3的表面11处的 相关镜面反射。在图8中以有利的方式旋转光线10，且漏斗1的下边缘具有 宽度F的斜面。同样描绘熔融物3的表面11上的斜面F的镜面图像FR。F 与FR之间的距离与2d成比例，借此d是借助测量布置测量的在漏斗1与熔 融物3之间的距离。光线的部分段30照射斜面F，且可直接在相机图像中看 到。另外，其被反射为熔融物3的表面11中的镜面反射29，借此镜平面26 被熔融物3的表面11的法向量以及相机5的查看方向横跨。撞击硅熔融物3 的区域FR的光线的部分段31在熔融物中反射，且随后撞击漏斗1的斜面F 以作为反射28。此反射沿着镜平面27发生。反射30、29和28是已借助图3 到图7论述的射线路径L-T-K、L-ST-K和L-TS-K。由于光线的旋转，射线路 径L-ST-K、L-TS-K和L-T-K在相机图像中横向地移位，借此所述移位与由 所述布置测量的距离d成比例。在光线10未旋转(即，其平行于镜平面26 (或27))的特殊情况下，不存在横向分裂。所辐射光线以及射线路径28、29 和30随后沿着一条线且部分地在彼此之上定位，且这不利于测量。

在光源4和相机5不近轴的情况下或者甚至在光源4和相机5彼此显著 间隔且因此包含较大角度的情况下，根据已在此描述的本发明的测量原理仍 有效。这正是(例如)光源4和相机5附接到设备的两个分离的检查窗口的 情况。然而，相机图像中的射线路径的几何比例和评估于是变得更复杂。

此外，在相机5和光源4不依靠平行的射线工作但是(例如)照射的光 线10在线平面中展现射线发散的情况下，根据已在此描述的本发明的测量原 理仍有效。这正是(例如)具有最初平行的光束的激光用作光源4且此光束 随后借助圆柱体透镜单向地扩张以形成发散的光线的情况。

在根据本发明的一个有利的实施例中，测量发生在短波谱区域中，借此 硅熔融物3的非常强的且另外格外具干扰性的辐射热量被相机5中的窄带通 滤波器抑制。为此有利的是，使用在短波谱区域中、优选地在蓝光或紫外线 谱区域中操作的激光以及适配相机光学器件中的激光波长的窄带通滤波器。

根据本发明，还可使用沿着一条线扫描的光点来替代光线。

上文使用拉晶设备的实例来描述根据本发明的方法。然而，根据本发明 的方法的应用不限于此使用实例，而是还可有利地用于其它类型的应用以用 于在特殊以及复杂的几何和技术条件下确定至少两个物体之间的自由距离。