基于三維點云模型的單晶硅棒外形尺寸測量方法技術

一種基于三維點云模型的單晶硅棒外形尺寸測量方法：垂直于單晶硅棒三維點云模型的軸線方向進行分層，共計N層；分別計算每一層橫截面輪廓點云的幾何中心點；對N個幾何中心點進行直線擬合，得到單晶硅棒的幾何中心軸線；計算單晶硅棒點云模型中任一點到擬合幾何中心軸線的距離；所得單晶硅棒三維點云模型中最大y坐標和最小y坐標的差值即為該單晶硅棒的高度值。本發明專利技術可以有效避免由于單晶硅棒表面形狀復雜多變以及工人通過游標卡尺等工具手工測量產生的誤差。該專利算法簡便易行，復雜度低，準確性高，數據易于保存和傳輸，可實現自動化測量，可有效提高單晶硅棒外形尺寸的測量效率和精度，為單晶硅片生產提供高效的質量保證。

Method for measuring dimensions of monocrystalline silicon rod based on 3D point cloud model

A 3D point cloud model dimension measurement method based on single crystal silicon rod: axis perpendicular to the direction of the monocrystalline silicon 3D point cloud models were stratified, a total of N layer were calculated; the geometric center of each layer of cross section contour point cloud; linear fitting of N geometric center point, get the geometric center axis of monocrystalline silicon bar; calculate the distance of the monocrystalline silicon at any point to the fitting geometric center axis point cloud model; the maximum difference of silicon bar 3D point cloud model in Y coordinates and Y coordinates is the minimum height of monocrystalline silicon. The invention can effectively avoid the error caused by manual measurement of the surface shape of the monocrystalline silicon rod and the manual measurement of the workers by vernier calipers. The patented algorithm is simple, low complexity, high accuracy, easy data storage and transmission, can realize the automatic measurement, can effectively improve the measurement efficiency and accuracy of the monocrystalline silicon in dimensions, to provide efficient quality assurance for the production of monocrystalline silicon.

【技術實現步驟摘要】
基于三維點云模型的單晶硅棒外形尺寸測量方法
本專利技術涉及一種單晶硅棒外形尺寸測量方法。特別是涉及一種基于三維點云模型的單晶硅棒外形尺寸測量方法。
技術介紹
從單晶硅棒加工成單晶硅拋光硅片的工藝流程主要包括切斷、外徑滾磨、平邊或V型槽處理及切片的過程。經過切斷處理后，單晶硅棒的兩個斷面平整且相互平行，但是通過單晶生長得到的單晶硅棒表面形狀起伏變化大，直徑不均勻，因此在外徑滾磨前需要對單晶硅棒進行測量，得到硅棒最細直徑值，從而預判該單晶硅棒是否能夠加工成合格的單晶硅片，或者可加工成多大直徑的單晶硅片。目前該行業一般采用工人通過游標卡尺等工具進行測量的方式完成。由于單晶硅棒表面的形狀復雜性，這樣測量容易偏離真實值，為后續加工工序帶來不必要的麻煩。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是，提供一種能夠快速、準確地實現單晶硅棒外形尺寸，特別是最大、最小直徑尺寸及相對位置三維測量的基于三維點云模型的單晶硅棒外形尺寸測量方法。本專利技術所采用的技術方案是：一種基于三維點云模型的單晶硅棒外形尺寸測量方法，包括如下步驟：1)垂直于單晶硅棒三維點云模型的軸線方向，即y坐標方向等間隔的對點云進行分層，得到平行于xoz坐標平面的橫截面輪廓點云，共計N層；2)分別計算每一層橫截面輪廓點云的幾何中心點，記為Ci(xcen,i,yi,zcen,i)，i＝1,…,N；3)對步驟2)中得到的N個幾何中心點進行直線擬合，得到的擬合直線即為單晶硅棒的幾何中心軸線；4)計算單晶硅棒點云模型中任一點到擬合幾何中心軸線的距離，并記錄最大距離值、最小距離值和對應點的y坐標，即測得單晶硅棒的最大直徑、最小直徑和位置；5)所得單晶硅棒三維點云模型中最大y坐標和最小y坐標的差值即為該單晶硅棒的高度值。步驟2)所述的計算每一層橫截面輪廓點云的幾何中心點坐標，是采用如下公式：式中，xcen,i是幾何中心點的x坐標；zcen,i是幾何中心點的z坐標；Mi是第i層橫截面輪廓點云的點的個數；xij是第i層橫截面輪廓點云第j個點的x坐標；zij是第i層橫截面輪廓點云第j個點的z坐標。步驟3)擬合后的幾何中心軸線方程如下：式中m,l,n是幾何中心軸線的方向向量，x0,y0,z0是擬合后幾何中心軸線上任一點的x、y、z坐標分量。步驟4)所述的計算單晶硅棒點云模型中任一點到擬合幾何中心軸線的距離，是采用如下公式：式中xk,yk,zk是單晶硅棒點云模型中任一點的x、y、z坐標分量。本專利技術的基于三維點云模型的單晶硅棒外形尺寸測量方法，利用單晶硅棒的三維點云模型，采用幾何建模的方法通過計算機程序自動實現，可以有效避免由于單晶硅棒表面形狀復雜多變以及工人通過游標卡尺等工具手工測量產生的誤差。該專利算法簡便易行，復雜度低，準確性高，數據易于保存和傳輸，可實現自動化測量，可有效提高單晶硅棒外形尺寸的測量效率和精度，為單晶硅片生產提供高效的質量保證。附圖說明圖1是本專利技術的基于三維點云模型的單晶硅棒外形尺寸測量方法流程圖；圖2是本專利技術中單晶硅棒三維點云模型、坐標系和水平橫截面；圖3是第i層輪廓線點云及其幾何中心坐標；圖4初始幾何中心軸線和擬合后的幾何中心軸線；圖5單晶硅棒原始點云(a)、最大直徑對應圓柱(b)和最小直徑對應圓柱(c)的示意圖。具體實施方式下面結合實施例和附圖對本專利技術的基于三維點云模型的單晶硅棒外形尺寸測量方法做出詳細說明。如圖1所示，本專利技術的基于三維點云模型的單晶硅棒外形尺寸測量方法，包括如下步驟：1)垂直于單晶硅棒三維點云模型的軸線方向，即y坐標方向等間隔的對點云進行分層，得到平行于xoz坐標平面的橫截面輪廓點云，共計N層；2)分別計算每一層橫截面輪廓點云的幾何中心點，記為Ci(xcen,i,yi,zcen,i)，i＝1,…,N；所述的計算每一層橫截面輪廓點云的幾何中心點坐標，是采用如下公式：式中，xcen,i是幾何中心點的x坐標；zcen,i是幾何中心點的z坐標；Mi是第i層橫截面輪廓點云的點的個數；xij是第i層橫截面輪廓點云第j個點的x坐標；zij是第i層橫截面輪廓點云第j個點的z坐標。3)對步驟2)中得到的N個幾何中心點進行直線擬合，得到的擬合直線即為單晶硅棒的幾何中心軸線；擬合后的幾何中心軸線方程如下：式中m,l,n是幾何中心軸線的方向向量，x0,y0,z0是擬合后幾何中心軸線上任一點的x、y、z坐標分量。4)計算單晶硅棒點云模型中任一點到擬合幾何中心軸線的距離，并記錄最大距離值、最小距離值和對應點的y坐標，即測得單晶硅棒的最大直徑、最小直徑和位置；5)所得單晶硅棒三維點云模型中最大y坐標和最小y坐標的差值即為該單晶硅棒的高度值。所述的計算單晶硅棒點云模型中任一點到擬合幾何中心軸線的距離，是采用如下公式：式中xk,yk,zk是單晶硅棒點云模型中任一點的x、y、z坐標分量。下面給了具體實例：(1)如圖2所示，垂直于單晶硅棒三維點云模型的高度方向(y坐標方向)，以4mm間隔對點云進行分層。第i層的y坐標值yi為2mm+i×4mm，y坐標在yi±2mm范圍內的點同屬于一層輪廓點云，共得到N層輪廓線點云。這樣處理后認為同層輪廓線點云具有相同的y坐標.(2)圖3是第i層輪廓點云，通過式(1)計算該層輪廓線點云的幾何中心坐標，式中Mi是該層輪廓線中點的個數，(xj,zj)是該層輪廓線點云中的任意一點。計算得到的中心坐標(xcen,i,zcen,i)如圖3中的中心圓點所示。(3)對步驟(2)中得到的所有N個中心點進行直線擬合，得到擬合后的幾何中心軸線，其直線方程可用式(2)表示。(4)利用式(3)計算單晶硅棒點云模型中任一點pk(xk,yk,zk)到擬合后幾何中心線的距離dk。對所有距離進行排序，找出最大離值、最小距離值和對應點的y坐標，即測得該單晶硅棒的最大、最小直徑和位置.(5)利用如下式(4)得到該單晶硅棒的高度值。H＝ymax-ymin(4)圖4是初始幾何中心軸線和擬合后的幾何中心軸線，離散點是步驟(2)得到的各層幾何中心點，中間的細線是步驟(3)擬合得到的幾何中心軸線。圖5是測量結束后三維可視化顯示結果，標記a指示的是單晶硅棒原始點云，標記b指示的是最大直徑對應的外接圓柱，標記c指示的是最小直徑對應的內接圓柱。表1給出了該單晶硅棒的具體測量結果和測量時間。表1圖2所示點云模型對應單晶硅棒外形關鍵尺寸測量結果本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于三維點云模型的單晶硅棒外形尺寸測量方法，其特征在于，包括如下步驟：1)垂直于單晶硅棒三維點云模型的軸線方向，即y坐標方向等間隔的對點云進行分層，得到平行于xoz坐標平面的橫截面輪廓點云，共計N層；2)分別計算每一層橫截面輪廓點云的幾何中心點，記為C

【技術特征摘要】
1.一種基于三維點云模型的單晶硅棒外形尺寸測量方法，其特征在于，包括如下步驟：1)垂直于單晶硅棒三維點云模型的軸線方向，即y坐標方向等間隔的對點云進行分層，得到平行于xoz坐標平面的橫截面輪廓點云，共計N層；2)分別計算每一層橫截面輪廓點云的幾何中心點，記為Ci(xcen,i,yi,zcen,i)，i＝1,…,N；3)對步驟2)中得到的N個幾何中心點進行直線擬合，得到的擬合直線即為單晶硅棒的幾何中心軸線；4)計算單晶硅棒點云模型中任一點到擬合幾何中心軸線的距離，并記錄最大距離值、最小距離值和對應點的y坐標，即測得單晶硅棒的最大直徑、最小直徑和位置；5)所得單晶硅棒三維點云模型中最大y坐標和最小y坐標的差值即為該單晶硅棒的高度值。2.根據權利要求1所述的基于三維點云模型的單晶硅棒外形尺寸測量方法，其特征在于，步驟2)所述的計算每一層橫截面輪廓點云的幾何中心點坐標，是采用如下公式：

【專利技術屬性】
技術研發人員：田慶國，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：天津,12