基于数学模型的全局高精度单晶炉液位检测方法技术

本发明专利技术涉及单晶炉液位检测技术领域，提供一种基于数学模型的全局高精度单晶炉液位检测方法，包括：步骤100，搭建单晶炉液位检测系统；步骤200，计算热屏口径在工业相机感光芯片上的位置，从而模拟出与实际图像相符的单晶炉液位检测系统参数；步骤300，利用得到的单晶炉液位检测系统参数，进行全局模拟，得到单晶炉的液口距；步骤400，利用液位检测数学模型从理论上分析出成像图中热屏内沿的视觉位置，在液位检测数学模型上移动热屏高度，通过不同位置在采集的实际图像上计算灰度的差值，找到差值变化最大的点，其对应的高度即为实际高度，进而得到单晶炉液位。本发明专利技术基于全局的检测，提高检测的稳定性。高检测的稳定性。高检测的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
基于数学模型的全局高精度单晶炉液位检测方法


[0001]本专利技术涉及单晶炉液位检测
，尤其涉及一种基于数学模型的全局高精度单晶炉液位检测方法。

技术介绍

[0002]在单晶炉拉晶过程中，热屏与液面的距离通常称之为液口距，适合的液口距可以有效提高拉晶成功率和降低功耗，对拉晶具有重要意义。
[0003]传统的液口距检测采用人工经验识别，具有波动性大，可靠性差的问题，目前主流的技术采用机器视觉原理，利用相机拍摄热屏在液面上的形成的倒影，利用倒影与热屏下沿的在图像上的尺寸与液口距具有一定的比例关系确定。
[0004]采用普通的图像识别，无法实现绝对的液口距测量，通常需要对实际图片进行标定，如果标定过程中存在误差，可能导致整体的检测效果偏差。同时由于检测点数少，易受底沿边界不清晰的影响、造成检测准确率差。

技术实现思路

[0005]本专利技术主要解决现有技术的普通液位检测图像识别，无法实现绝对的液口距测量，可能导致整体的检测效果偏差等技术问题，提出一种基于数学模型的全局高精度单晶炉液位检测方法，基于全局的检测，提高检测的稳定性。
[0006]本专利技术提供了一种基于数学模型的全局高精度单晶炉液位检测方法，包括以下过程：
[0007]步骤100，初步搭建适用于单晶炉的液位检测数据模型；在位检测数学模型中建立如下的单晶炉液位检测系统；
[0008]所述单晶炉液位检测系统，包括：图像采集系统；图像采集系统设置在单晶炉顶壁上，单晶炉壳体内设置热屏，单晶炉壳体内具有晶体硅的熔融液，图像采集系统中具有工业相机；所述单晶炉液位检测系统，还包括：在热屏底部设置的标识物，所述标识物可以采用标识槽或其他标识物；
[0009]步骤200，计算热屏口径在工业相机感光芯片上的位置，从而模拟出与实际图像相符的单晶炉液位检测系统参数，得到液位检测数学模型，包括步骤201至步骤205：
[0010]步骤201，计算图像采集系统的光轴的方程；
[0011]步骤202，根据图像采集系统的光轴的方程，计算感光芯片的面方程；
[0012]步骤203，根据感光芯片的面方程，计算与第一边缘点A对应的感光芯片的第一成像点F的位置；
[0013]步骤204，按照步骤201至203的方法，依次计算每一个边缘点对应的感光点的位置；
[0014]步骤205，根据每一个边缘点对应的感光点的位置，并绘制出拟合的热屏口曲线；
[0015]步骤300，利用得到的液位检测数学模型，进行全局模拟，得到单晶炉的液口距，包
括步骤301至步骤303：
[0016]步骤301，根据第一边缘点A与第一边缘点反射点A
′
的距离，得到第一边缘点反射点A
′
的坐标；
[0017]步骤302，按照步骤301的方法，计算各个边缘点反射点在成像图中的位置；
[0018]步骤303，对成像图进行灰度差特征分析，校准液口距；
[0019]步骤400，利用液位检测数学模型从理论上分析出成像图中热屏内沿的视觉位置，在液位检测数学模型上移动热屏高度，通过不同位置在采集的实际图像上计算灰度的差值，找到差值变化最大的点，其对应的高度即为实际高度，进而得到单晶炉液位。
[0020]进一步的，在步骤201中，计算图像采集系统的光轴的方程，包括：
[0021]根据坐标系xyz标识，点A的坐标为(g/2，0，
‑
a)，用(x
a
，y
a
，z
a
)表示，点C坐标为(
‑
c，0，
‑
b)，用(x
c
，y
c
，z
c
)表示；
[0022]图像采集系统的光轴2a，即GC直线，与单晶炉轴线的倾角为d，利用点斜式计算可得光轴的方程为：
[0023]tan(d)＝(x
‑
x
c
)/(z
‑
z
c
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0024]转换后方程为：
[0025]z＝(x
‑
x
c
)/tan(d)+z
c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0026]将光心位置C点坐标带入后，得到光轴的直线方程：
[0027]z＝(x+c)/tan(d)
–
b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)。
[0028]进一步的，在步骤202中，根据图像采集系统的光轴的方程，计算感光芯片的面方程，包括：
[0029]先计算感光芯片中心点G坐标(x
g
，y
g
，z
g
)，其中y
g
＝0；
[0030]x
g
＝
‑
i*sin(d)+x
c
＝
‑
i*tan(d)
‑
c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0031]z
g
＝i*cos(d)+z
c
＝i/tan(d)
‑
b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0032]计算出感光芯片中心点G后，利用点斜式可得到感光芯片的面方程为：
[0033](z
–
z
g
)/(x
–
x
g
)＝1/tan(d)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0034]即：
[0035]z＝(x
–
x
g
)/tan(d)+z
g
；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0036]通过上述计算，可以得到感光芯片的面方程。
[0037]进一步的，在步骤202中，感光芯片的面方程满足以下条件：
[0038]感光芯片的平面与剖面图垂直，因此方程中不存在变量y；
[0039]感光芯片的平面在剖面图上的直线与光轴倾角成90
°
，其斜率为tan(d)；
[0040]感光芯片的平面过光心位置C沿光轴向上距离为i的感光芯片中心点G。
[0041]进一步的，在步骤203中，根据感光芯片的面方程，计算与第一边缘点A对应的感光芯片的第一成像点F的位置，包括：
[0042]根据第一边缘点A和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数学模型的全局高精度单晶炉液位检测方法，其特征在于，包括以下过程：步骤100，初步搭建适用于单晶炉的液位检测数据模型；在位检测数学模型中建立如下的单晶炉液位检测系统；所述单晶炉液位检测系统，包括：图像采集系统(2)；图像采集系统(2)设置在单晶炉(1)顶壁上，单晶炉壳体(1)内设置热屏(3)，单晶炉壳体(1)内具有晶体硅的熔融液，图像采集系统(2)中具有工业相机；所述单晶炉液位检测系统，还包括：在热屏(3)底部设置的标识物，所述标识物可以采用标识槽或其他标识物；步骤200，计算热屏(3)口径在工业相机感光芯片上的位置，从而模拟出与实际图像相符的单晶炉液位检测系统参数，得到液位检测数学模型，包括步骤201至步骤205：步骤201，计算图像采集系统的光轴的方程；步骤202，根据图像采集系统的光轴的方程，计算感光芯片(6)的面方程；步骤203，根据感光芯片(6)的面方程，计算与第一边缘点A对应的感光芯片(6)的第一成像点F的位置；步骤204，按照步骤201至203的方法，依次计算每一个边缘点对应的感光点的位置；步骤205，根据每一个边缘点对应的感光点的位置，并绘制出拟合的热屏口曲线；步骤300，利用得到的液位检测数学模型，进行全局模拟，得到单晶炉的液口距，包括步骤301至步骤303：步骤301，根据第一边缘点A与第一边缘点反射点A
′
的距离，得到第一边缘点反射点A
′
的坐标；步骤302，按照步骤301的方法，计算各个边缘点反射点在成像图中的位置；步骤303，对成像图进行灰度差特征分析，校准液口距；步骤400，利用液位检测数学模型从理论上分析出成像图中热屏内沿的视觉位置，在液位检测数学模型上移动热屏高度，通过不同位置在采集的实际图像上计算灰度的差值，找到差值变化最大的点，其对应的高度即为实际高度，进而得到单晶炉液位。2.根据权利要求1所述的基于数学模型的全局高精度单晶炉液位检测方法，其特征在于，在步骤201中，计算图像采集系统的光轴的方程，包括：根据坐标系xyz标识，点A的坐标为(g/2，0，
‑
a)，用(x
a
，y
a
，z
a
)表示，点C坐标为(
‑
c，0，
‑
b)，用(x
c
，y
c
，z
c
)表示；图像采集系统(2)的光轴2a，即GC直线，与单晶炉(1)轴线的倾角为d，利用点斜式计算可得光轴的方程为：tan(d)＝(x
‑
x
c
)/(z
‑
z
c
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)转换后方程为：z＝(x
‑
x
c
)/tan(d)+z
c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)将光心位置C点坐标带入后，得到光轴的直线方程：z＝(x+c)/tan(d)
–
b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)。3.根据权利要求2所述的基于数学模型的全局高精度单晶炉液位检测方法，其特征在于，在步骤202中，根据图像采集系统的光轴的方程，计算感光芯片(6)的面方程，包括：先计算感光芯片中心点G坐标(x
g
，y
g
，z
g
)，其中y
g
＝0；x
g
＝
‑
i*sin(d)+x
c
＝
‑
i*tan(d)
‑
c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
z
g
＝i*cos(d)+z

【专利技术属性】
技术研发人员：张书会，俞正学，张东旭，
申请(专利权)人：大连耐视科技有限公司，
类型：发明
国别省市：