在线测量晶体生长直径的装置和方法与流程

本发明涉及晶体生长测量，具体涉及一种在线测量晶体生长直径的装置和方法。

背景技术：

1、在提拉法生长晶体的过程中，晶体直径的精确控制直接关系到晶体质量和成品率。缩颈、等径等关键阶段均需要对晶体直径进行实时测量，以指导生长全过程的控制。目前，在线测量晶体直径的主流方法主要包括称重法和ccd图像识别法。

2、称重法的原理在于通过晶体的质量增加速度结合晶体生长速度，计算出晶体实时的直径。然而，该方法要求称重传感器的精度足够高，但当生长的晶体较大时，往往因为兼顾称重量程而不得不牺牲精度，晶体越大，所用传感器的量程越大，绝对分辨率就越差。其次，由于晶体生长时存在液体对固态晶体的向上浮力，称重并不能准确表征当下实际的质量。特别是当晶体直径突然改变、叠加晶体固态密度低于液态密度时，称重表征的直径往往远远脱离实际的晶体直径。

3、ccd图像识别法通过拍摄晶体生长图像，利用图像识别技术测量晶体固液分界线而得到晶体实时直径。但该方法的适用场景受到严重限制，在生长低温晶体时，固液界面往往不清晰甚至识别不到固液界面；此外，高温环境产生的光晕现象也会模糊目标边缘，影响测量精度。

4、因此，如何提供一种不依赖称重传感器精度、不受固液界面成像条件限制的晶体生长直径在线测量装置，就需要进一步进行考虑。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种不依赖称重传感器精度、不受固液界面成像条件限制，实现晶体在生长条件下实现精确实时测量的晶体生长直径在线测量装置。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了的技术方案：

3、一种在线测量晶体生长直径的装置，包括：

4、激光测距仪，用于向晶体生长区域发射探测光束并接收回波信号；

5、水平扫描电机及水平编码器，与激光测距仪传动连接，用于驱动激光测距仪绕竖直轴线转动并检测其水平指向角度；

6、垂直扫描电机及垂直编码器，与激光测距仪传动连接，用于驱动激光测距仪绕水平轴线转动并检测其垂直指向角度；

7、数据处理模块，分别电连接激光测距仪、水平编码器和垂直编码器，用于根据各扫描点的回波信号区分固态扫描点和液态扫描点，并根据固态扫描点的空间分布拟合计算晶体直径。

8、在本发明中，通过激光测距仪向晶体生长区域发射探测光束并接收回波信号，配合水平扫描电机及编码器、垂直扫描电机及编码器构成二维扫描机构，能够对晶体生长区域进行全面的空间扫描；数据处理模块根据各扫描点的回波信号区分固态扫描点和液态扫描点，并基于固态扫描点的空间分布拟合计算晶体直径。该方案利用固态晶体反射激光、液态熔体透射激光的物理特性差异，从根本上规避了称重法受浮力干扰和量程精度制约的问题，同时不依赖ccd成像所需的清晰固液界面，适用于各类晶体生长环境，且装置结构简洁、安装灵活。

9、作为优化，所述数据处理模块区分固态扫描点和液态扫描点的方式为：将各扫描点的测距读数与预设阈值进行比较，预设阈值对应于所述激光测距仪与晶体之间的最大距离，当测距读数小于等于预设阈值时判定为固态扫描点，当测距读数大于预设阈值或为无穷大时判定为液态扫描点。该阈值比较方式计算量极低、判断逻辑清晰，无需复杂的图像处理算法或高精度称重传感器，即使在强高温辐射、熔体液面波动等恶劣环境下仍能稳定工作，保证了固液区分的可靠性和实时性。

10、作为优化，所述水平编码器和所述垂直编码器的精度均不低于10000线/转。高精度编码器确保了激光测距仪指向角度的精确获取，结合测距读数可精确计算各扫描点的空间位置，从而保证了最终直径测量结果的精度。

11、一种采用如上述所述装置在线测量晶体生长直径的方法，包括以下步骤：

12、（1）控制激光测距仪对晶体生长区域进行二维扫描，二维扫描包括沿水平方向往复扫描与沿垂直方向步进相结合，获取各扫描点的测距读数及对应的水平指向角度和垂直指向角度；

13、（2）通过数据处理模块，根据各扫描点的回波信号特征，判定各扫描点为固态扫描点或液态扫描点，生成二值化图形；

14、（3）通过数据处理模块，通过寻边算法提取二值化图形中的三个边界极值点，根据三个边界极值点坐标并应用三点定圆法计算晶体直径。

15、一种采用如上述所述装置在线测量晶体生长直径的方法，包括以下步骤：

16、（1）控制激光测距仪在垂直方向上的第一预定高度和第二预定高度分别沿水平方向进行扫描，获取各扫描点的测距读数及对应的水平指向角度；

17、（2）通过数据处理模块，根据各扫描点的回波信号特征，判定各扫描点为固态扫描点或液态扫描点，生成二值化图形，确定第一预定高度上固态扫描点的左边界端点和右边界端点、以及第二预定高度上固态扫描点的左边界端点和右边界端点，共获得四个边界端点；

18、（3）通过数据处理模块，取四个边界端点中的任意三个边界端点坐标，通过三点定圆法计算晶体直径。

19、作为优化，所述四个边界端点中任意三个端点构成四组三点组合，分别通过三点定圆法计算得到四个直径值，取四个直径值的平均值作为晶体直径。四点容错机制通过对多组三点组合的计算结果进行交叉验证和平均处理，能够有效抑制单个边界端点因晶体表面局部缺陷、熔体波动或信号噪声等因素引起的偶然测量误差，显著提高了测量结果的鲁棒性和精度稳定性，保证了连续生长过程中的测量可靠性。

20、作为优化，将各扫描点的测距读数与预设阈值进行比较，预设阈值对应于所述激光测距仪与晶体之间的最大距离，当测距读数小于等于预设阈值时判定为固态扫描点，当测距读数大于预设阈值或为无穷大时判定为液态扫描点。通过将测距读数与预设阈值进行比较来判定固态或液态扫描点，提供了具体的回波信号判定标准。

21、相比现有技术，本发明包括以下有益效果：

22、（1）本发明利用固态晶体反射激光、液态熔体透射激光的物理特性差异，通过检测回波信号特征区分固液边界，从根本上规避了称重法因浮力干扰和量程精度矛盾导致的测量失准问题，同时不依赖ccd图像识别所需的清晰固液界面，适用范围广；

23、（2）全局扫描模式通过二维扫描生成二值化图形，提取三个边界极值点并三点定圆；线扫描模式仅需两次水平扫描获得四个边界端点，任取三点定圆，效率更高，及时性更强。

1.一种在线测量晶体生长直径的装置，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的在线测量晶体生长直径的装置，其特征在于：所述数据处理模块区分固态扫描点和液态扫描点的方式为：将各扫描点的测距读数与预设阈值进行比较，预设阈值对应于所述激光测距仪与晶体之间的最大距离，当测距读数小于等于预设阈值时判定为固态扫描点，当测距读数大于预设阈值或为无穷大时判定为液态扫描点。

3.根据权利要求1所述的在线测量晶体生长直径的装置，其特征在于：所述水平编码器和所述垂直编码器的精度均不低于10000线/转。

4.一种采用如权利要求1所述装置在线测量晶体生长直径的方法，其特征在于：包括以下步骤：

5.一种采用如权利要求1所述装置在线测量晶体生长直径的方法，其特征在于：包括以下步骤：

6.根据权利要求5中所述在线测量晶体生长直径的方法，其特征在于：所述四个边界端点中任意三个端点构成四组三点组合，分别通过三点定圆法计算得到四个直径值，取四个直径值的平均值作为晶体直径。

7.根据权利要求4或5中任意一项所述在线测量晶体生长直径的方法，其特征在于：将各扫描点的测距读数与预设阈值进行比较，预设阈值对应于所述激光测距仪与晶体之间的最大距离，当测距读数小于等于预设阈值时判定为固态扫描点，当测距读数大于预设阈值或为无穷大时判定为液态扫描点。