DE102010026488A1

DE102010026488A1 - Measuring and regulating height of melt surface in device for drawing crystal from melt, comprises providing target level for melt surface and position of crystal central axis in this level, and determining image coordinates of ring pixel

Info

Publication number: DE102010026488A1
Application number: DE102010026488A
Authority: DE
Inventors: Alexander Molchanov; Gerhard Eibelshäuser
Original assignee: PVA TePla AG
Current assignee: PVA TePla AG
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-01-12

Abstract

Measuring and regulating a height of a melt surface (5) in a device for drawing crystals from a melt in a circular cross-section, where the transition between a drawn crystal and the melt is visible as a bright ring on the melt surface, comprises: providing a target level for the melt surface and a position of a central axis of the crystal in a level of the target level; determining image coordinates of at least three pixels of the ring to determine the ring diameter and the position of its center; adjusting an input value to control a lifting device; and adjusting height of a crucible. Measuring and regulating a height of a melt surface (5) in a device for drawing crystals from a melt in a circular cross-section, where the transition between a drawn crystal and the melt is visible as a bright ring on the melt surface, and the device comprises a camera (9) facing the melt surface and the ring, where the camera exhibits an image evaluation device for its image information, a height-adjustable crucible (1) receiving the melt, and a lifting device (7) for adjusting the height of the crucible, where the image information delivered by the camera in the image evaluation device adjusts an input value for a control device (8), which controls the lifting device in such a manner that the height of the melt surface remains constant with respect to the device, comprises: providing a target level for the melt surface and a position of a central axis of the crystal in a level of the target level; determining image coordinates of at least three pixels of the ring; determining the diameter of the ring and the position of its center in the target level from the image coordinates of these pixels; adjusting the input value for controlling the lifting device from the deviation of the position of the determined center of the ring from the position of the central axis of the crystal; and adjusting height of the crucible in such a manner that the deviation of the position of the determined center of the ring from the position of the central axis of the crystal becomes zero. An independent claim is also included for the device for drawing crystals from the melt in a circular cross-section, comprising the camera, the height-adjustable crucible and the lifting device, where the image evaluation device and the control device are arranged in such a manner that the target level for the melt surface and the position of the central axis of the crystal are stored in the level of the target level, and the image coordinates of the three pixels of the ring are determined, and then the diameter of the ring and the position of its center in the target level are calculated from the image coordinates of these pixels.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung und Regelung der Höhe der Schmelzenoberfläche in einer Anlage zum Ziehen von im Querschnitt kreisförmigen Kristallen aus einer Schmelze, wobei der Übergang zwischen dem gezogenen Kristall und der Schmelze als heller Ring auf der Schmelzenoberfläche sichtbar ist, wobei die Anlage eine auf die Schmelzenoberfläche und den Ring gerichtete Kamera, die ihre Bildinformation einer Bildauswerteeinrichtung zur Verfügung stellt, einen höhenverstellbaren, die Schmelze aufnehmenden Tiegel und eine Hubeinrichtung zur Höhenverstellung des Tiegels aufweist, wobei in der Bildauswerteeinrichtung aus der von der Kamera gelieferten Bildinformation ein Eingangswert für eine Steuereinrichtung zur Verfügung gestellt wird, die die Hubeinrichtung so ansteuert, dass die Höhe der Schmelzenoberfläche in Bezug auf die Anlage konstant bleibt.The invention relates to a method for measuring and controlling the height of the melt surface in a system for drawing circular cross-section crystals from a melt, wherein the transition between the drawn crystal and the melt is visible as a bright ring on the melt surface, wherein the A camera directed onto the melt surface and the ring, which provides its image information to an image evaluation device, has a height-adjustable, crucible-receiving crucible and a lifting device for adjusting the height of the crucible, wherein an input value for the image information supplied by the camera in the image evaluation device a control device is provided, which controls the lifting device so that the height of the melt surface with respect to the system remains constant.

Beim Ziehen eines Kristalls aus einer Schmelze ist es vor allem notwendig, die Schmelzenoberfläche in einer möglichst konstanten räumlichen Anordnung zu der sie umgebenden Heizeinrichtung zu halten. Es ist daher bekannt, den Tiegel höhenverstellbar zu lagern, so dass mit dem Verbrauch der Schmelze der Tiegel in der Anlage angehoben werden kann, um die Schmelzenoberfläche im Wesentlichen auf konstanter Höhe zu halten.When pulling a crystal from a melt, it is above all necessary to keep the surface of the melt in the most constant possible spatial arrangement with respect to the surrounding heating device. It is therefore known to store the crucible so that it can be adjusted in height, so that with the consumption of the melt, the crucible can be raised in the system in order to keep the melt surface essentially at a constant height.

Um diesen Vorgang steuern zu können, wurde schon vorgeschlagen, die Höhe der Schmelzenoberfläche laufend aus dem Fortschritt beim Kristallziehen rechnerisch zu ermitteln. Dies hat sich als nicht ausreichend genau erwiesen. Es wurde auch schon vorgeschlagen, die Höhe mit einer Lasermesseinrichtung zu erfassen. Dies ist zwar eine sehr genaue, aber auch eine sehr aufwändige Messmethode.In order to be able to control this process, it has already been proposed to calculate the height of the melt surface by calculation from the progress in crystal pulling. This has proved to be insufficiently accurate. It has also been proposed to detect the height with a laser measuring device. Although this is a very accurate, but also a very expensive measurement method.

In der US-PS 5,961,716 wird vorgeschlagen, die von einer CCD-Kamera gelieferte Bildinformation, die zur Bestimmung des Kristalldurchmessers genutzt wird, auch dazu zu nutzen, die Höhe der Schmelzenoberfläche zu bestimmen. Der darin vorgeschlagene Rechenalgorithmus ist allerdings sehr aufwändig. Es muss außerdem dafür gesorgt werden, dass die Kamera exakt auf den hellen Ring, der sich im Übergang der Schmelze zum Kristall aufgrund optischer Effekte bildet, ausgerichtet wird. Ein solcher Ring wird in der Fachsprache auch als Meniskus bezeichnet.In the U.S. Patent 5,961,716 It is proposed to use the image information supplied by a CCD camera, which is used to determine the crystal diameter, also to determine the height of the melt surface. However, the calculation algorithm proposed therein is very complex. It must also be ensured that the camera is precisely aligned with the bright ring that forms in the transition of the melt to the crystal due to optical effects. Such a ring is referred to in the jargon as a meniscus.

Die Vorrichtung gemäß der US-PS 5,961,716 sieht somit vor, dass die Kamera so ausgerichtet wird, dass ihre optische Achse den Meniskus in einem zentralen Sollpunkt und die Mittelachse des Kristalls schneidet, wobei hinsichtlich der Lage des Meniskus unterstellt wird, dass der Kristall seinen Solldurchmesser hat und die Schmelzenoberfläche sich auf Sollhöhe befindet. Der Durchmesser des Kristalls kann dann bestimmt werden, indem die Anzahl der Pixel zwischen den beiden Randpunkten auf dem Meniskus, die gerade noch von der Kamera zu erkennen sind, ermittelt wird. Unter Berücksichtigung der Schrägstellung der Kamera und der Ausrichtung auf den zentralen Punkt lässt sich daraus der Durchmesser des Kristalls ermitteln. Um den Einfluss der Höhe der Schmelzenoberfläche herauszurechnen, wird festgestellt, in welchem Maß der zentrale Punkt aus der optischen Achse herausgewandert ist, sich also vom zentralen Sollpunkt entfernt hat. Unter Berücksichtigung der Schrägstellung der Kamera lässt sich daraus die Levelhöhe ermitteln. Der Algorithmus setzt somit voraus, dass die Kamera exakt auf den zentralen Sollpunkt ausgerichtet wird und die Schrägstellung der Kamera bekannt ist. Selbst wenn diese Informationen vorliegen, ergibt sich trotz allem eine Ungenauigkeit dadurch, dass eine Verschiebung des zentralen Punktes nicht nur auf die Veränderung der Höhe der Schmelzenoberfläche zurückzuführen ist, sondern auch auf eine Änderung des Kristalldurchmessers. In dem Algorithmus liegt somit ein gewisser Zirkelschluss vor, der zu ungenauen Ergebnissen führt.The device according to the U.S. Patent 5,961,716 thus provides that the camera is oriented so that its optical axis intersects the meniscus at a central set point and the central axis of the crystal, it being assumed that the crystal has its nominal diameter and the melt surface is at the desired level with respect to the position of the meniscus , The diameter of the crystal can then be determined by determining the number of pixels between the two edge points on the meniscus that are just visible from the camera. Taking into account the tilt of the camera and the focus on the central point, the diameter of the crystal can be determined from this. In order to calculate the influence of the height of the melt surface, it is determined to what extent the central point has migrated out of the optical axis, ie has moved away from the central set point. Taking into account the inclination of the camera can be determined from the level height. The algorithm thus presupposes that the camera is aligned exactly to the central set point and that the tilt of the camera is known. Nevertheless, even if this information is available, an inaccuracy results from the fact that a shift of the central point is due not only to the change in the height of the melt surface, but also to a change in the crystal diameter. In the algorithm there is thus a certain circularity, which leads to inaccurate results.

Die Erfindung beruht somit auf der Aufgabe, das Verfahren zur Messung und Regelung der Höhe der Schmelzenoberfläche weiter zu vereinfachen und gleichzeitig die Genauigkeit zu steigern. Insbesondere soll die Bildauswertung so vereinfacht werden, dass auf eine genaue Ausrichtung der Kamera verzichtet werden kann. Es wird daher vorgeschlagen, dass
eine Soll-Ebene für die Schmelzenoberfläche sowie die Lage der Mittelachse des Kristalls in der Ebene der Soll-Ebene vorgegeben wird,
die Bildkoordinaten von wenigstens 3 Bildpunkten des Ringes bestimmt werden,
aus den Bildkoordinaten dieser Bildpunkte der Durchmesser des Ringes sowie die Lage seines Mittelpunktes in der Soll-Ebene bestimmt wird,
aus der Abweichung der Lage des ermittelten Mittelpunkts des Ringes von der Lage der Mittelachse des Kristalls ein Eingangswert für die Steuerung der Hubeinrichtung zur Verfügung gestellt wird, und
die Höhenverstellung des Tiegels derart erfolgt, dass die Abweichung der Lage des ermittelten Mittelpunkts des Ringes von der Lage der Mittelachse des Kristalls zu Null wird.The invention is thus based on the object to further simplify the method for measuring and regulating the height of the melt surface and at the same time to increase the accuracy. In particular, the image analysis should be simplified so that can be dispensed with an accurate alignment of the camera. It is therefore suggested that
a target plane for the melt surface and the position of the central axis of the crystal in the plane of the desired plane is specified,
the image coordinates of at least 3 pixels of the ring are determined
the diameter of the ring and the position of its center in the target plane are determined from the image coordinates of these pixels,
from the deviation of the position of the determined center of the ring from the position of the central axis of the crystal an input value for the control of the lifting device is provided, and
the height adjustment of the crucible is such that the deviation of the position of the detected center of the ring from the position of the central axis of the crystal is zero.

Grundsätzlich ist es bekannt, den Durchmesser des Kristalls dadurch zu bestimmen, indem die elliptische Darstellung des Meniskus im Bild der Kamera in wenigstens drei Punkten erfasst wird und aus den Bildkoordinaten durch perspektivische Entzerrung ein Kreis berechnet wird, wobei der Durchmesser des Kreises mit dem Durchmesser des Meniskus und damit mit dem Durchmesser des Kristalls übereinstimmt, wenn sich die Schmelzenoberfläche tatsächlich in der Soll-Ebene befindet.Basically, it is known to determine the diameter of the crystal by detecting the elliptical representation of the meniscus in the image of the camera in at least three points and calculating a circle from the image coordinates by perspective equalization, the diameter of the circle being equal to the diameter of the circle Meniscus and thus with the diameter of the crystal matches when the melt surface is actually in the desired plane.

Dieses Verfahren wird erfindungsgemäß nun dahingehend erweitert, dass auch die Lage des Mittelpunktes des Kreises in der Soll-Ebene ermittelt wird und seine Abweichung von einer Soll-Lage, nämlich der vorgegebenen Lage der Mittelachse des Kristalls bestimmt wird. Eine solche Abweichung ergibt sich, wenn die Schmelzenoberfläche sich tatsächlich nicht in der Soll-Ebene befindet. Dadurch verschiebt sich das Bild des Meniskus in der Kamera und damit die Koordinaten des ermittelten Kreismittelpunkts. Damit kann diese Verschiebung als Maß für die Veränderung der Höhenlage der Schmelzenoberfläche gewertet werden. Diese Abweichung wird nun gemäß der Erfindung wiederum genutzt, um eine nachführende Höhenverstellung des Tiegels zu bewirken, indem die Abweichung zu Null geregelt wird.This method according to the invention is now extended to the effect that the position of the center of the circle in the target plane is determined and its deviation from a desired position, namely the predetermined position of the central axis of the crystal is determined. Such a deviation arises when the melt surface is actually not in the desired plane. This shifts the image of the meniscus in the camera and thus the coordinates of the determined circle center. Thus, this shift can be considered as a measure of the change in the altitude of the melt surface. This deviation is again used according to the invention to effect a tracking height adjustment of the crucible by controlling the deviation to zero.

Mit der vorliegenden Erfindung wird auf eine exakte Ausrichtung der Kamera verzichtet, vielmehr wird die elliptische Darstellung des Meniskus im Bild der Kamera entzerrt, weil zuvor eine Mehrzahl von Punkten auf dem Meniskus ermittelt worden ist. Die Entzerrung erlaubt es, die Lage des Mittelpunktes des Kristalls sowie dessen Durchmesser zu bestimmen. Die errechnete Lage des Mittelpunktes ist dabei unabhängig vom Durchmesser, denn auch bei einer Abweichung des Durchmessers vom Solldurchmesser ergibt sich bei einer Entzerrung der Ellipse weiterhin derselbe Mittelpunkt. Dasselbe gilt für eine scheinbare Durchmessererhöhung, weil die Mittelachse des Kristalls eine leicht kreisende Bewegung, das sogenannte Orbiting, ausführt.With the present invention is dispensed with an exact alignment of the camera, but the elliptical representation of the meniscus is equalized in the image of the camera, because previously a plurality of points on the meniscus has been determined. The equalization makes it possible to determine the position of the center of the crystal and its diameter. The calculated position of the center is independent of the diameter, because even with a deviation of the diameter from the nominal diameter results in an equalization of the ellipse continue the same center. The same is true for an apparent increase in diameter, because the central axis of the crystal performs a slightly circular motion, called orbiting.

Die Abweichung des errechneten Mittelpunktes vom Sollmittelpunkt ergibt somit eine unmittelbare Information über die Levelhöhe, die wiederum zur Korrektur des ermittelten Durchmessers verwendet werden kann; ein Zirkelschluss ist somit nicht vorhanden.The deviation of the calculated center from the desired center thus results in immediate information about the level height, which in turn can be used to correct the determined diameter; a circular conclusion is therefore not available.

Da der Algorithmus unabhängig ist vom Durchmesser des Kristalls, kann er z. B. auch beim Ankeimen verwendet werden, bei dem zunächst nur ein kleiner Impfkristall in die Schmelze eingetaucht wird. Da das verfahren es ermöglicht, die Höhe der Schmelzenoberfläche unabhängig vom Durchmesser des Kristalls zu bestimmen, kann auch schon der Keimling exakt positioniert werden, bevor der eigentliche Ziehprozess beginnt.Since the algorithm is independent of the diameter of the crystal, it can, for. B. are also used in the germination, in which initially only a small seed crystal is immersed in the melt. Since the method makes it possible to determine the height of the melt surface independently of the diameter of the crystal, even the seedling can be exactly positioned before the actual drawing process begins.

Rein theoretisch ist es notwendig, lediglich die Bildkoordinaten von drei Punkten des Meniskus zu bestimmen. Um aber Fehlmessungen, sowie prinzipielle durch die Pixelgröße der Kamera hervorgerufene Ungenauigkeiten auszugleichen, wird vorgeschlagen, dass die Bildpunktkoordinaten von mehr als drei Bildpunkten bestimmt werden, durch die dann mittels bekannter mathematischer Methoden eine Ausgleichsellipse gelegt wird, deren Abweichung von den Bildpunktkoordinaten in der Summe minimiert ist.Theoretically, it is necessary to determine only the image coordinates of three points of the meniscus. However, in order to compensate for erroneous measurements, as well as in principle caused by the pixel size of the camera inaccuracies, it is proposed that the pixel coordinates of more than three pixels are determined by the then by means of known mathematical methods a compensation ellipse is laid whose minimization of the pixel coordinates in the sum minimized is.

Üblicherweise wird die Kamera ein wenig seitlich zum Kristall oberhalb der Schmelzenoberfläche angebracht, so dass sie leicht schräg von oben auf die Schmelzenoberfläche schaut. Dadurch ergibt sich nur eine leichte perspektivische Verzerrung des Bildes, so dass das Bild linear, das heißt mit linearen Umrechnungsfaktoren für die beiden Bildrichtungen entzerrt werden kann.Usually, the camera is mounted a little laterally of the crystal above the melt surface, so that it looks slightly obliquely from above onto the melt surface. This results in only a slight perspective distortion of the image, so that the image can be rectified linearly, that is with linear conversion factors for the two image directions.

Gemäß der oben genannten US-Patentschrift wird vorgeschlagen, den Winkel, mit dem die Kamera gegenüber einer Senkrechten zur Schmelzenoberfläche geneigt ist, zur Berechnung der Verzerrung heranzuziehen. Dies setzt allerdings voraus, dass die Kamera exakt ausgerichtet wird. Dies kann aber nicht immer gewährleistet sein, so dass erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, dass sowohl in der Meridianebene, das ist eine senkrecht auf der Schmelzenoberfläche stehende Ebene, in der die optische Achse der Kamera liegt, als auch senkrecht dazu jeweils ein linearer Umrechnungsfaktor zwischen Längen im Bild und in der Soll-Ebene benutzt wird. Der dadurch entstehende Fehler kann hingenommen werden, da es insbesondere bei der Bestimmung der Höhe der Schmelzenoberfläche nicht darauf ankommt, diese absolut zu bestimmen, sondern nur darauf, diese konstant zu halten, um eine bestimmte Temperatur der Schmelze zu erreichen. Eine konstante Abweichung von der Soll-Ebene kann somit durchaus vorliegen, ohne dieses Ziel zu vernachlässigen.According to the above-mentioned US patent, it is proposed to use the angle at which the camera is inclined with respect to a perpendicular to the melt surface in order to calculate the distortion. However, this assumes that the camera is aligned exactly. However, this can not always be guaranteed, so that according to the invention it is proposed that both in the meridian plane, which is a plane perpendicular to the melt surface, in which the optical axis of the camera is located, and perpendicular thereto, in each case a linear conversion factor between lengths Image and used in the target plane. The resulting error can be tolerated, since it is not important to determine these absolutely, especially in determining the height of the melt surface, but only to keep it constant in order to achieve a certain temperature of the melt. A constant deviation from the desired level can therefore be present without neglecting this goal.

Es wird somit vorgeschlagen, nach einer Montage der Kamera in der Anlage diese zu kalibrieren, indem für eine horizontal verlaufende, also senkrecht zur Meridianebene verlaufende Bildachse ein erster linearer Umrechnungsfaktor und für eine dazu senkrecht verlaufende Bildachse ein zweiter linearer Umrechnungsfaktor bestimmt wird, der ggf. eine mittlere Verzerrung berücksichtigt. Ein Umrechnungsfaktor gibt jeweils das Verhältnis zwischen einer Länge in Bild, gemessen in Anzahl der Pixel, und einer Länge in der Soll-Ebene, gemessen in einer metrischen Längeneinheit, z. B. [mm], an.It is thus proposed, after mounting the camera in the system, to calibrate the latter by determining a first linear conversion factor for a horizontally extending image axis, ie perpendicular to the meridian plane, and a second linear conversion factor for a perpendicular image axis. considered a mean distortion. A conversion factor respectively gives the ratio between a length in the image, measured in number of pixels, and a length in the desired plane, measured in a metric unit of length, e.g. B. [mm], on.

Der Fehler wird besonders klein, wenn der Abstand der Kamera zur Soll-Ebene mehrfach größer ist als ihr Abstand zur Mittelachse des Kristalls.The error becomes particularly small if the distance of the camera to the desired plane is several times greater than their distance from the central axis of the crystal.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine nach dem vorbeschriebenen Verfahren arbeitende Anlage.The invention further relates to a system operating according to the method described above.

Im Folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispieles die Erfindung näher erläutert werden. Dazu zeigenIn the following, the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. Show this

1 eine schematische Darstellung einer Kristallziehanlage; 1 a schematic representation of a crystal pulling system;

2a eine perspektivische Frontansicht des in der Kristallziehanlage gezogenen Kristalls mit der Schmelzenoberfläche und einem um den Kristall in der Schmelzenoberfläche verlaufenden Meniskus, sowie eine vor dem Kristall angeordnete Kamera; 2a a front perspective view of the drawn in the crystal pulling crystal with the melt surface and a running around the crystal in the melt surface meniscus, and arranged in front of the crystal camera;

2b eine perspektivische Seitenansicht des Kristalls nach 2a und der wegen des anderen Blickwinkels nun seitlich zum Kristall angeordneten Kamera; 2 B a perspective side view of the crystal after 2a and because of the different angle of view, the camera is now arranged laterally to the crystal;

3 ein typisches Kamerabild, in dem der Meniskus als halbellipsenförmiger heller Ring zu erkennen ist und 3 a typical camera image in which the meniscus is to be recognized as a semi-elliptical light ring and

4 ein Diagramm zur Darstellung der Auswirkung einer gegenüber der Soll-Ebene versetzten Schmelzenoberfläche. 4 a diagram illustrating the effect of a relation to the target plane offset melt surface.

Die 1 zeigt eine Kristallziehanlage mit einem Tiegel 1 und einer sich darin befindenden Schmelze 2. Aus der Schmelze 2 wird ein Kristall 3 mittels einer Zieheinrichtung 4 langsam herausgezogen. In der Schmelzenoberfläche 5 lagert sich an dem schon gezogenen Kristall eine neue Kristallschicht an, so dass der Tiegelinhalt nach und nach verbraucht wird.The 1 shows a crystal puller with a crucible 1 and a melt therein 2 , From the melt 2 becomes a crystal 3 by means of a pulling device 4 slowly pulled out. In the melt surface 5 A new crystal layer is deposited on the crystal that has already been pulled, so that the contents of the crucible are gradually consumed.

Der Tiegel 1 ist von einer Heizeinrichtung 6 umgeben, mit deren Hilfe Material im Tiegel eingeschmolzen und auf einer konstanten Temperatur gehalten werden kann. Der Tiegel 1 ist weiterhin auf einer Hubeinrichtung 7 angeordnet, die von einer Steuereinrichtung 8 gesteuert wird. Die Hubeinrichtung 7 erlaubt es, den Tiegel anzuheben und abzusenken, so dass die Schmelzenoberfläche stets in gleicher Höhe in Bezug auf die Kristallziehanlage und auf die Heizeinrichtung gehalten werden kann.The crucible 1 is from a heater 6 surrounded by material in the crucible and can be kept at a constant temperature. The crucible 1 is still on a lifting device 7 arranged by a control device 8th is controlled. The lifting device 7 allows the crucible to be raised and lowered so that the melt surface can always be maintained at the same height with respect to the crystal puller and to the heater.

Neben dem Kristall 3 und oberhalb der Schmelze ist eine CCD-Kamera 9 angeordnet, die mit einer leicht schräg gestellten optischen Achse 10 auf die Schmelzenoberfläche ausgerichtet ist. Die Kamera 9 ist mit einer Bildauswerteeinrichtung 11 verbunden, die über einen Signalkanal 12 einen Eingangswert an die Steuereinrichtung 8 gibt.Next to the crystal 3 and above the melt is a CCD camera 9 arranged with a slightly slanted optical axis 10 aligned with the melt surface. The camera 9 is with an image evaluation device 11 connected via a signal channel 12 an input value to the controller 8th gives.

Die 2a und 2b zeigen den Kristall 3, die Schmelzenoberfläche 5 sowie einen so genannten Meniskus 13. Gemäß der 2a befindet sich die Kamera 9 vor dem Kristall 3 in der so genannten Meridianebene 14, durch die die optische Achse 10 der Kamera 9 verläuft. Die Ansicht zeigt somit die Ausdehnung des Kristalls in X-Richtung. Die genaue Ausrichtung der Kamera 9 ist dabei nicht entscheidend, es muss lediglich dafür gesorgt werden, dass der Meniskus 13 – soweit er für die Kamera sichtbar ist – von der Kamera erfasst wird. 2b zeigt eine entsprechende seitliche Ansicht des Kristalls 3 mit Blick auf die Meridianebene 14. Die Ansicht zeigt somit die Ausdehnung des Kristalls 3 in Y-Richtung.The 2a and 2 B show the crystal 3 , the melt surface 5 as well as a so-called meniscus 13 , According to the 2a is the camera 9 in front of the crystal 3 in the so-called meridian plane 14 through which the optical axis 10 the camera 9 runs. The view thus shows the expansion of the crystal in the X direction. The exact orientation of the camera 9 is not crucial, it just has to be made sure that the meniscus 13 - As far as it is visible to the camera - is detected by the camera. 2 B shows a corresponding side view of the crystal 3 overlooking the meridian plane 14 , The view thus shows the extent of the crystal 3 in the Y direction.

In der 3 ist ein typisches von der CCD-Kamera 9 aufgenommenes Bild zu sehen, man erkennt den Meniskus 13 als sichelförmigen Bogen. Da das Bild elektronisch vorliegt, kann es mittels der elektronischen Bildauswerteeinrichtung 11 ausgewertet werden. Die Ausrichtung der Meridianebene 14 wird in dem Bild mit ”Y” und die Ausrichtung senkrecht dazu mit ”X” bezeichnet.In the 3 is a typical of the CCD camera 9 to see the picture taken, one recognizes the meniscus 13 as a crescent-shaped arch. Since the image is present electronically, it can by means of the electronic image evaluation device 11 be evaluated. The orientation of the meridian plane 14 is referred to as "Y" in the image and perpendicular to it as "X".

In dem Bild werden mindestens drei Punkte A, B, C, im Allgemeinen aber eine Vielzahl von Punkten ausgewählt, die sich möglichst gleichmäßig über den dargestellten Meniskus 13 verteilen. Sie werden erfasst, indem jeweils Hell-Dunkel-Sprünge zwischen der Kante des Meniskus 13 gegenüber dem angrenzenden Kristall 3 oder gegenüber der Schmelzenoberfläche 5 ermittelt werden. Danach werden die dazugehörigen Bildkoordinaten bestimmt. Da mehr als drei Punkte ermittelt werden, lässt sich daraus eine vollständige Ellipse berechnen, die die ausgewählten Punkte mit möglichst kleinem Fehlerabstand ausgleicht. Die Ellipse wird mathematisch in einen Kreis entzerrt. Für die Entzerrung werden zuvor gewonnene lineare Umrechnungsfaktoren für die X- und Y-Richtung genutzt, mit denen jeweils Längen im Bild und in der Soll-Ebene in Bezug zueinander gesetzt werden. Weil lineare Umrechnungsfaktoren genutzt werden, wird somit bei der Entzerrung die Perspektive nicht vollständig ausgeglichen, sondern insbesondere in Y-Richtung nur als Mittelwert. Die Umrechnungsfaktoren für die X- und Y-Richtung sind somit ggf. unterschiedlich, weil sich in Y-Richtung die Stauchung des Bildes durch die Perspektive stärker auswirkt.In the image, at least three points A, B, C, but generally a plurality of points are selected which are as uniform as possible over the meniscus shown 13 to distribute. They are captured by each light-dark jumps between the edge of the meniscus 13 opposite the adjacent crystal 3 or against the melt surface 5 be determined. Thereafter, the associated image coordinates are determined. Since more than three points are determined, it can be calculated from a complete ellipse, which compensates the selected points with the smallest possible error distance. The ellipse is mathematically equalized in a circle. For the equalization, previously obtained linear conversion factors for the X and Y direction are used, with which lengths in the image and in the desired plane are set in relation to each other. Because linear conversion factors are used, the perspective is not completely compensated for in the equalization, but only in the Y direction as a mean value. The conversion factors for the X and Y directions may therefore differ, because the compression of the image in the Y direction has a stronger effect on the perspective.

Die mathematischen Instrumente für die Entzerrung sind bekannt und brauchen nicht näher erläutert werden. Aus den gewonnenen Kreisdaten lassen sich wiederum der Durchmesser des Kreises sowie insbesondere die Lage seines Mittelpunktes M in der Soll-Ebene bestimmen. Wenn die optische Achse in etwa auf die Mittelachse 15 des Kristalls 3 ausgerichtet ist, reicht es aus, die Lage des Kreismittelpunktes in Y-Richtung zu bestimmen.The mathematical instruments for the equalization are known and need not be explained in more detail. From the obtained circular data can in turn be determined the diameter of the circle and in particular the position of its center M in the desired plane. When the optical axis is approximately on the central axis 15 of the crystal 3 is aligned, it is sufficient to determine the position of the circle center in the Y direction.

Wie der 4 entnommen werden kann, wird der ermittelte Mittelpunkt M verglichen mit der Lage der Mittelachse 15 des Kristalls 3 in der Soll-Ebene. Sollte die Schmelzenoberfläche 5 über der Soll-Ebene liegen, wie in 4 dargestellt, errechnet die Bildauswerteeinrichtung 11 einen scheinbar nach hinten (rechts in der 4) weggerückten Kreis. Der ermittelte Kreismittelpunkt M ist um den Abstand Δ gegenüber der tatsächliche Lage der Mittelachse 15 des Kristalls 3 verschoben. Aus dem Abstand Δ lässt sich ein Eingangswert für die Steuereinrichtung 8 ableiten, die die Hubeinrichtung 7 derart ansteuert, dass die Höhe des Tiegels 1, in dem sich die Schmelze 2 mit der Schmelzenoberfläche 5 befindet, geändert wird, bis der Eingangswert bzw. der Abstand Δ zu Null geregelt ist.Again 4 can be taken, the determined center M is compared with the position of the central axis 15 of the crystal 3 in the target level. Should the melt surface 5 above the target level, as in 4 displayed, calculates the image evaluation device 11 a seemingly backwards (right in the 4 ) withdrawn circle. The determined circle center M is by the distance Δ relative to the actual position of the central axis 15 of the crystal 3 postponed. From the distance Δ can be an input value for the controller 8th derive the lifting device 7 so controls that the height of the crucible 1 in which the melt is 2 with the melt surface 5 is changed until the input value or the distance Δ is regulated to zero.

Die Umrechnung der Bildkoordinaten mittels linearer Umrechnungsfaktoren in Koordinaten in der Soll-Ebene ist zwar in geometrischem Sinne keine exakte, die Perspektive vollständig berücksichtigende Umrechnung, so dass die Regelung möglicherweise zu einer Höhe der Schmelzenoberfläche führt, die nicht mit der Soll-Ebene übereinstimmt. Dies ist aber nicht entscheidend. Entscheidend ist vielmehr, dass eine konstante Höhe eingehalten wird, damit die Schmelze stets dem gleichen Temperaturfeld der Heizeinrichtung 6 ausgesetzt ist. Dies wird mit der vorstehend beschriebenen Regelung erreicht.Although the conversion of the image coordinates by means of linear conversion factors into coordinates in the desired plane is not an exact conversion in a geometrical sense, the conversion completely takes into account the perspective, so that the control possibly leads to a height of the melt surface that does not coincide with the desired plane. This is not crucial. Rather, it is crucial that a constant height is maintained, so that the melt always the same temperature field of the heater 6 is exposed. This is achieved with the control described above.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Tiegelcrucible
22: Schmelzemelt
33: Kristallcrystal
44: Zieheinrichtungpuller
55: Schmelzenoberflächemelt surface
66: Heizeinrichtungheater
77: Hubeinrichtunglifting device
88th: Steuereinrichtungcontrol device
99: CCD-KameraCCD camera
1010: optische Achseoptical axis
1111: Bildauswerteeinrichtungimage evaluation
1212: Signalkanalsignal channel
1313: Ring/MeniskusRing / meniscus
1414: Meridianebenemeridian plane
1515: Mittelachsecentral axis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 5961716 [0004, 0005]

Claims

Method for measuring and regulating the height of the melt surface ( 5 ) in a plant for drawing circular cross-section crystals from a melt ( 2 ), the transition between the pulled crystal ( 3 ) and the melt ( 2 ) as a bright ring ( 13 ) on the melt surface ( 5 ) is visible, the plant a on the melt surface ( 5 ) and the ring ( 13 ), which provides its image information to an image evaluation device, a height-adjustable, the melt ( 2 ) receiving crucible ( 1 ) and a lifting device ( 7 ) for height adjustment of the crucible ( 1 ), wherein in the image evaluation device ( 11 ) from the image information supplied by the camera, an input value for a control device ( 8th ) provided by the lifting device ( 7 ) so that the height of the melt surface ( 5 ) remains constant with respect to the plant, characterized in that a target plane for the melt surface ( 5 ) as well as the position of the central axis ( 15 ) of the crystal ( 3 ) in the plane of the target plane, the image coordinates of at least 3 pixels of the ring ( 13 ) are determined from the image coordinates of these pixels of the diameter of the ring ( 13 ) as well as the position of its center in Soll-plane is determined, from the deviation of the position of the determined center of the ring ( 13 ) of the position of the central axis ( 15 ) of the crystal ( 3 ) an input value for the control of the lifting device ( 7 ) is provided, and the height adjustment of the crucible is such that the deviation of the position of the determined center of the ring ( 13 ) of the position of the central axis ( 15 ) of the crystal ( 3 ) becomes zero.

Method according to claim 1, characterized in that the coordinates of more than three pixels of the ring ( 13 ) be determined.

A method according to claim 1, characterized in that after mounting the camera ( 9 ) in the plant it is calibrated, by for a perpendicular to the meridian plane ( 14 ) a first linear conversion factor is determined and for a perpendicular image axis a second linear conversion factor is determined which determines the distortion in the meridian plane ( 14 ) considered.

A method according to claim 1, characterized in that the distance of the camera mounted in the system ( 9 ) to the desired level of the melt surface ( 5 ) is greater than its distance from the central axis ( 15 ) of the crystal ( 3 ).

Apparatus for drawing circular cross-section crystals from a melt ( 2 ), the transition between the pulled crystal ( 3 ) and the melt ( 2 ) as a bright ring ( 13 ) on the melt surface ( 5 ) is visible, the plant a on the melt surface ( 5 ) and the ring ( 13 ) directed camera ( 9 ), which provides its image information to an image evaluation device, a height-adjustable, the melt ( 2 ) receiving crucible ( 1 ) and a lifting device ( 7 ) for height adjustment of the crucible ( 1 ), wherein in the image evaluation device ( 11 ) from the camera ( 9 ) supplied image information an input value for a control device ( 8th ), characterized in that the image evaluation device ( 11 ) and the control device ( 8th ) are set up such that a target plane for the melt surface ( 5 ) as well as the position of the central axis ( 15 ) of the crystal ( 3 ) is stored in the plane of the target plane, the image coordinates of at least 3 pixels of the ring ( 13 ) are determinable, from the image coordinates of these pixels the diameter of the ring ( 13 ) and the position of its center can be calculated in nominal plane, from the deviation of the position of the determined center of the ring ( 13 ) of the position of the central axis ( 15 ) of the crystal ( 3 ) an input value for the control of the lifting device ( 7 ), and the height adjustment of the crucible ( 1 ) such that the deviation of the position of the determined center of the ring ( 13 ) of the position of the central axis ( 15 ) of the crystal ( 3 ) becomes zero.