CN116907368A - 基于多个3d相机高度图单晶硅棒直径自动测量的方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及硅棒检测技术领域，公开了一种基于多个3D相机高度图单晶硅棒直径自动测量的方法，包括示教过程和检测过程，示教过程用于建立各个相机对应的变换矩阵，检测过程基于每个相机的变换矩阵对采集到的单晶硅棒进行矩阵变换并获取单晶硅棒的轮廓数据，再结合最小二乘法拟合圆的方式得到单晶硅棒的直径数据。本申请采用非接触视觉测量方式，实现在线实时检测的目的，具有速度快、准确性高等优点，能很好的克服现有人工检测效率低，结果不准确的现象。同时，本申请能够获得整体单晶硅棒所有的测量数据，而不是人工测量抽检的数据，这些数据可以进一步用于产品质量分析和控制，具有较高的实用性。

Description

基于多个3D相机高度图单晶硅棒直径自动测量的方法

技术领域

本申请涉及硅棒检测技术领域，具体是一种基于多个3D相机高度图单晶硅棒直径自动测量的方法。

背景技术

随着大规模集成电路产业的迅猛发展，半导体材料的应用已经深入到国民经济的各个领域。单晶硅棒是表面反光的银色长直圆柱体，由于生长工艺涉及控制参数众多，无法精确控制其直径均匀性，根据后续加工工序要求，需要对其进行直径自动测量。

如申请号为CN201810684413.4的中国专利公开了一种用于单晶硅棒的测量装置，包括长度测量部分和直径测量部分；所述长度测量部分包含工作台、固定架，且所述固定架固定横杆；所述横杆的外侧套接滑套，且所述滑套的底部固定气动杆；所述气动杆的底部固定有固定板，第一测量板的底部边缘处固定挡板，且所述第一测量板的一端通过卷尺连接第二测量板；所述第二测量板的顶部有第二连接杆，且所述第二连接杆通过发条弹簧连接转轴；所述第二连接杆固定活动板，且所述活动板连接限位杆；所述直径测量部分包含外伸板、第一压板和第二压板和标尺。基于其技术内容可以看出，该测量装置，是通过机械结构的配合来实现对单晶硅棒直径的测量，这种方式，其测量结果的准确性受限于测量机械的精度、安装准确性等，因此，易出现测量结果准确性较差的情况。

发明内容

本申请的目的在于提供一种基于多个3D相机高度图单晶硅棒直径自动测量的方法，以解决上述背景技术中提出的现有技术存在测量准确性较差的问题。

为实现上述目的，本申请公开了以下技术方案：

一种基于多个3D相机高度图单晶硅棒直径自动测量的方法，该方法包括示教过程和检测过程；

所述示教过程包括：

S001：使用多个3D相机采集标定块的高度图像，所述高度图像由多行上下相邻设置的轮廓构成；

S002：使用图像处理中的拟合圆和拟合平面方法，获得标定块的特征孔的圆心在3D相机的高度图像坐标系内的坐标点，并将所有的获取的坐标点定义为集合A；

S003：从标定块的加工尺寸中获得标定块的特征孔的圆心在世界坐标系内的坐标点，并将所有的获取的坐标点定义为集合B，其中，集合B中的点坐标排序和高度图像中顺序是相同的；

S004：计算每个3D相机和标定块之间的转换矩阵并保存；

所述检测过程包括：

T001：使用多个3D相机采集单晶硅棒的高度图像，所述高度图像由多行上下相邻设置的轮廓构成；

T002：将每个3D相机采集到高度图像各自乘以3D相机对应的转换矩阵后变换到同一个坐标系下；

T003：逐行遍历整个变换后的图像，获取单个轮廓数据；

T004：获得整个单晶硅棒的直径，并输出检测结果来判断是否合格。

作为优选，所述S004中计算每个3D相机和标定块之间的转换矩阵包括通过平移和旋转矩阵或的所述转换矩阵，其中，平移和旋转均为齐次4×4矩阵；转换矩阵为R为旋转矩阵，P为平移矩阵。

作为优选，所述T004中获得整个单晶硅棒的直径包括：通过最小二乘法拟合圆的方式对通过所述T003中获取的多个轮廓数据计算后得到单晶硅棒的直径。

有益效果：本申请的基于多个3D相机高度图单晶硅棒直径自动测量的方法，采用非接触视觉测量方式，实现在线实时检测的目的，具有速度快、准确性高等优点，能很好的克服现有人工检测效率低，结果不准确的现象。同时，本申请能够获得整体单晶硅棒所有的测量数据，而不是人工测量抽检的数据，这些数据可以进一步用于产品质量分析和控制，具有较高的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中示教过程的流程框图；

图2为本申请实施例中检测过程的流程框图；

图3为本申请实施例中2个3D相机的安装示意图；

图4为可行的3个3D相机的安装示意图；

图5为可行的3个以上的3D相机的安装示意图；

图6为本申请实施例中相机1对应的标定块的高度图像和集合A的示意图；

图7为本申请实施例中标定块的加工尺寸和集合B的示意图；

图8为本申请实施例中建立的世界坐标系示意图；

图9为本申请实施例中矩阵的变换步骤示意图；

图10为平移后的矩阵参考图；

图11为旋转后的矩阵参考图；

图12为本申请实施例中相机2对应的标定块高度图像和集合C的示意图；

图13为本申请实施例中单晶硅棒的高度图像变换结果示意图；

图14为本申请实施例中轮廓数据的拟合示意图。

具体实施方式

下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。在本文中，术语“包括”意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

一种基于多个3D相机高度图单晶硅棒直径自动测量的方法，包括示教过程和检测过程。

在本实施例中，简单来说，示教过程包括如图1所示的流程，即：

a.使用多个3D相机分别从不同的安装角度获取标定块的高度图像；

b.从标定高度图像获取一组15个(x,y,z)三维坐标点；

c.从标定块的加工尺寸获取一组15个(x,y,z)三维坐标点；

d.计算相机1与标定块二者间转换矩阵并保存，以便后续使用；

e.以同样的方式，计算其他相机的转换矩阵并保存。

在本实施例中，简单来说，检测过程包括如图2所示的流程，即：

a.使用多个3D相机从不同的安装角度获取标定块的高度图像；

b.高度图像各自乘以自身对应的转换矩阵变换到同一个坐标系下；

c.逐行遍历整个图像，获取单个轮廓数据，使用最小二乘法拟合圆计算出直径值；

d.获得整个单晶硅棒的直径，并输出检测结果。

下面，将结合具体的示例来对本申请的单晶硅棒直径自动测量的方法进行描述。

具体来说，示教过程的内容包括以下步骤：

S001：使用多个3D相机采集标定块的高度图像，高度图像由一行行的轮廓组合而成的，为我们提取和计算轮廓提供了天然的便利性。为了获得较好的图像质量和高精度，3D相机的数量最少是2个，建议3～6个。本发明是以2个相机为例，参考图3中的3D相机安装示意，其中2个3D相机间的夹角是180°且二者之间的连线须经过单晶硅棒的圆心。当然，需要说明的是，也可以使用如图4、5示出的其他3D相机分布示意的方式，可结合相机安装图示与现场实际环境灵活选择。

S002：使用图像处理中的拟合圆和拟合平面方法，获得标定块特征孔的圆心在相机1的高度图像坐标系内的坐标点(x,y,z)的集合A，相机1对应的标定块的高度图像和集合A如图6示出。

S003：从标定块的加工尺寸，获得标定块特征孔的圆心在世界坐标系内的坐标点(x,y,z)的集合B，点坐标排序和高度图像中顺序时一致的，标定块的加工尺寸和集合B如图7示出。此时，在标定块所在位置建立了一个新的同一的世界坐标系，参考图8，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，Z轴正交于X Y平面且朝向高度图像高度值变大的方向，X轴、Y轴和Z轴的交点为坐标系原点。

S004：计算相机1和标定块二者间的转换矩阵并保存，计算矩阵过程离不开平移和旋转矩阵，矩阵的变换步骤参考图9。其中，平移矩阵是指：对于一个三维坐标(x,y,z)，当需要让它往x轴正方向移动1个单位，往y轴正方向移动1个单位，往z轴正方向移动1个单位，则可以让它加上一个向量(1,1,1)，平移后的矩阵如图10所示；旋转矩阵是指：对于一个三维坐标(x,y,z)，让其绕x,y,z轴旋转θ角的方法是在其左边乘上一个旋转矩阵得到绕x轴，绕y轴，绕z轴的旋转矩阵，旋转后的矩阵如图11所示。其中，位移和旋转的统一为齐次4×4矩阵，变换后的矩阵为R为旋转矩阵，P为平移矩阵。需要说明的是，求解变换矩阵的方法有很多，也有一些开源工具提供求解过程和方法，这里不做详细的进一步阐述。

S005：同样的方法，计算相机2和标定块另一面的变换矩阵。获得标定块特征圆孔圆心在世界坐标系内的坐标点(x,y,z)的集合C，点坐标排序和高度图像中顺序时一致的。其中，标定块另一面特征孔圆心坐标值是相对于S003创建的新的同一的世界坐标系原点的，因此，集合C中坐标点(x,y,z)和前面S003中集合A的坐标点的值是不一样的，二者都是基于标定块建立的坐标系，天然上是位于同一个坐标系，相机2对应的标定块高度图像和集合C如图12所示。

具体来说，检测过程的内容包括以下步骤：

T001：使用多个3D相机采集单晶硅棒的高度图像，高度图像由一行行的轮廓组合而成的，为我们提取和计算轮廓提供了天然的便利性。

T002：每个相机采集到高度图像各自乘以其对应的转换矩阵变换到同一个坐标系下，变换结果如下图13所示。

T003：逐行遍历整个图像，获取单个轮廓数据，如图14所示，其中，各点为相机1和相机2的在同一个坐标系下面的轮廓数据，弧线段为拟合圆的结果。

S004：获得整个单晶硅棒的直径，并输出检测结果来判断是否合格

综上所述，本申请的基于多个3D相机高度图单晶硅棒直径自动测量的方法，采用非接触视觉测量方式，实现在线实时检测的目的，具有速度快、准确性高等优点，能很好的克服现有人工检测效率低，结果不准确的现象。同时，本申请能够获得整体单晶硅棒所有的测量数据，而不是人工测量抽检的数据，这些数据可以进一步用于产品质量分析和控制，具有较高的实用性。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，可以以硬件、软件、固件、中间件、代码或其任何恰当组合来实现这里描述的实施例。对于硬件实现，处理器可以在一个或多个下列单元中实现：专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于实现这里所描述功能的其他电子单元或其组合。对于软件实现，实施例的部分或全部流程可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。实现时，可以将上述程序存储在计算机可读介质中或作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质。计算机可读介质可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质。

最后应说明的是：以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于多个3D相机高度图单晶硅棒直径自动测量的方法，其特征在于，该方法包括示教过程和检测过程；

所述示教过程包括：

S001：使用多个3D相机采集标定块的高度图像，所述高度图像由多行上下相邻设置的轮廓构成；

S002：使用图像处理中的拟合圆和拟合平面方法，获得标定块的特征孔的圆心在3D相机的高度图像坐标系内的坐标点，并将所有的获取的坐标点定义为集合A；

S003：从标定块的加工尺寸中获得标定块的特征孔的圆心在世界坐标系内的坐标点，并将所有的获取的坐标点定义为集合B，其中，集合B中的点坐标排序和高度图像中顺序是相同的；

S004：计算每个3D相机和标定块之间的转换矩阵并保存；

所述检测过程包括：

T001：使用多个3D相机采集单晶硅棒的高度图像，所述高度图像由多行上下相邻设置的轮廓构成；

T002：将每个3D相机采集到高度图像各自乘以3D相机对应的转换矩阵后变换到同一个坐标系下；

T003：逐行遍历整个变换后的图像，获取单个轮廓数据；

T004：获得整个单晶硅棒的直径，并输出检测结果来判断是否合格。

2.根据权利要求1所述的基于多个3D相机高度图单晶硅棒直径自动测量的方法，其特征在于，所述S004中计算每个3D相机和标定块之间的转换矩阵包括通过平移和旋转矩阵或的所述转换矩阵，其中，平移和旋转均为齐次4×4矩阵；转换矩阵为R为旋转矩阵，P为平移矩阵。

3.根据权利要求1所述的基于多个3D相机高度图单晶硅棒直径自动测量的方法，其特征在于，所述T004中获得整个单晶硅棒的直径包括：通过最小二乘法拟合圆的方式对通过所述T003中获取的多个轮廓数据计算后得到单晶硅棒的直径。