专利名称：基于支持向量机回归的晶体直径测量方法
技术领域：
本发明属于测量技术领域，涉及一种基于支持向量机回归的晶体直径测量方法。
背景技术：
在单晶硅生长的直径控制系统中，晶体直径的检测是保证单晶硅能够等径生长的关键步骤，拉单晶的过程始终保持在高温负压的环境中，直径检测必须隔着观察窗在拉晶炉体外部非接触式实现，拉晶过程中固态晶体与液态溶液的交接处会形成一个明亮的光环，亮度很高，称之为光圈，它其实是固液交接面处的弯月面对坩埚壁亮光的反射，当结晶加速造成的晶体直径变大时，光圈直径变大，此时可以通过增大拉速以及提高温度避免。反之，当结晶变慢晶体直径变小时光圈变�。蚩梢酝ü跣±俸徒滴伦柚咕逯本侗湫�。在结晶的过程中，光圈直径的变化与生长中晶体的直径是一致的，因此光圈的直径可用作控制变量来调节拉速和控温以便最终生成的晶体接近完美的圆柱形。所以，当前光圈孔径 的直径测量在单晶硅生长控制系统中起着至关重要的作用，因此，检测孔径的变化趋势也等价于检测到了晶体直径的变化趋势，这样晶体的直径估计问题就可以转化为椭圆拟合的问题。对于晶体直径控制的先进、可靠的方法是非常重要的，它关系到能否及早发现问题，以降低不必要的损失。拟合问题可以描述为给定一系列平面上的点，寻找拟合这些点的最佳椭圆。椭圆拟合算法通�？梢苑治�2类基于聚类的技术(如运算量较大的霍夫变换以及最小二乘方法，其中最小二乘方法通过最小化误差获得椭圆参数。最小二乘方法又可以分为两类第一类为基于数据点和估计椭圆之间正交距离的几何方法，其通过迭代过程解决非线性优化问题获得椭圆参数；第二类为代数方法，其由于线性计算简单而使用较广。代数方法的最新进展为直接最小二乘方法，其主要贡献为施加了新的限制保证其结果为一椭圆并保持计算有效性。最近，Barwick提出一种基于平行弦2次多项式的非间接几何方法，但该方法必须首先获得平行弦进而才可以执行，一旦无法获取平行弦，该方法就失效。因此，上述的检测方法都存在一定的局限性和不可靠性，并且有的方法样本点采集要求高、计算复杂，精确性达不到技术上的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于支持向量机回归的晶体直径测量方法，解决了现有技术中的检测方法都存在一定的局限性和不可靠性，并且有的方法样本点采集要求高、计算复杂，精确性达不到技术上的要求问题。本发明所采用的技术方案是，一种基于支持向量机回归的晶体直径测量方法，首先采用CCD照相机采集单晶硅生长过程中的孔径图像，对该孔径图像进行预处理得到用于估计的采样点；然后，针对椭圆的标准模型推导出来一个用于支持向量机回归的ε-SVR模型，利用ε -SVR模型解出模型中的权值w及偏移量b，从而确定出椭圆拟合的参数。本发明的有益效果是，能准确的估计晶体生长中的直径变化，使生长中的晶体直径得到很好的控制，又能在很少样本点的情况下进行很好的直径拟合，在解决高维数据时发挥了很大的优势，这是其他方法所不能达到的。
图I是本发明方法用于孔径图像提取的CXD照相机安装位置图；图2是本发明方法利用(XD照相机获得的孔径图像不意图；图3是本发明方法采用ε -SVR方法得到的内外椭圆拟合结果图；图4是本发明方法采用ε-SVR方法得到的实际拟合效果图。
具体实施例方式支持向量机回归(SupportVector machines for Regression,简称 SVR)。支持 向量机(Support Vector Machine)是根据统计学理论中的最小化原则提出来的，由有限数据得到判别函数，对独立的测试样本能够得到较小的误差。本发明基于支持向量机回归的晶体直径测量方法是，首先采用CCD照相机采集单晶硅生长过程中的孔径图像，对该孔径图像进行预处理得到用于估计的采样点；然后，针对椭圆的标准模型推导出来一个用于支持向量机回归的模型，利用ε -SVR模型解出模型中的权值w及偏移量b，从而确定出椭圆拟合的参数。在整个的拟合参数的估计过程中，关于ε-SVR椭圆估计模型的构建很重要，为了避免过拟合情况下出现无意义解，本发明方法通过对估计模型进行巧妙的转化，在此过程中，关于模型中惩罚因子C和不敏感损失系数ε的选取很重要，C值选取过�。盗肺蟛畋浯螅低车姆夯芰Ρ洳睿珻值选取过大，也会导致系统的泛化能力变差；不敏感系数ε值选取的过�。毓楣兰凭雀撸С窒蛄渴龆啵胖笛∪〉墓螅毓楣兰凭冉档停С窒蛄渴跣�。本发明方法中利用的SVR的椭圆拟合方式，其目的是构造一个回归估计函数，首先，需要推导出一个用于拟合的支持向量回归模型，从而可以定义椭圆的未知参数，该方法最终可以转化为一个凸二规划问题，从理论上说，得到了全局的最优解，此最优解能够准确的估计晶体生长的直径；而且该方法具有稀疏性，用于未知参数的求解只决定于少数的那些称之为“支持向量”的样本，从而减少了训练的计算量，加快了速度，具有良好的推广能力。如图I所示，在单晶硅生长的直径控制系统中，孔径直径不可能在单晶炉中的高温环境中进行检测，但可以从单晶炉视窗外通过CXD照相机拍摄的图像中检测，由于CXD照相机的基座和固液交界面孔径都是水平的，且照相机不在孔径的正上方，因此图像中孔径是一个顺时针旋转角度为O的虚拟椭圆而并非是圆，在笛卡尔坐标下，椭圆中心为(h，k)，顺时针旋转角度为Θ，长短轴为(a，b)，该椭圆方程描述见式(I):
权利要求
1.一种基于支持向量机回归的晶体直径测量方法，其特征在于首先采用CCD照相机采集单晶硅生长过程中的孔径图像，对该孔径图像进行预处理得到用于估计的采样点；然后，针对椭圆的标准模型推导出来一个用于支持向量机回归的ε-SVR模型，利用ε-SVR模型解出模型中的权值w及偏移量b，从而确定出椭圆拟合的参数。
2.根据权利要求I所述的基于支持向量机回归的晶体直径测量方法，其特征在于所述的预处理采用图像分割和边缘提取方法，用逐行扫描法对孔径的内外圆样本点进行采样，得到用于训练的样本数据。
3.根据权利要求I或2所述的基于支持向量机回归的晶体直径测量方法，其特征在于，所述的ε-SVR模型的构建过程的具体步骤是 CCD照相机采集单晶硅生长过程中的孔径图像，孔径是一个顺时针旋转角度为O的虚拟椭圆而并非是圆，在笛卡尔坐标下，椭圆中心为(h，k)，顺时针旋转角度为Θ，长短轴为(a, b)，该椭圆方程描述见式(I):
4.根据权利要求3所述的基于支持向量机回归的晶体直径测量方法，其特征在于，所述的椭圆的参数，采用二阶锥规划优化工具求取最优解，具体步骤是SeDuMi是Strum开发的用于处理对称锥优化问题的MATLAB工具箱，能够用来求解二阶锥和线性约束下的凸优化问题，在SeDuMi中，标准的优化问题形式定义为max ρΓζ
全文摘要
本发明公开了一种基于支持向量机回归的晶体直径测量方法，首先采用CCD照相机采集单晶硅生长过程中的孔径图像，对该孔径图像进行预处理得到用于估计的采样点；然后，针对椭圆的标准模型推导出来一个用于支持向量机回归的模型，利用ε-SVR模型解出模型中的权值w及偏移量b，从而确定出椭圆拟合的参数。本发明的方法，能准确的估计晶体生长中的直径变化，使生长中的晶体直径得到很好的控制，又能在很少样本点的情况下进行很好的直径拟合，在解决高维数据时发挥了很大的优势，这是其他方法所不能达到的。
文档编号G01B11/08GK102914270SQ20121039146
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月12日 优先权日2012年10月12日
发明者梁军利, 张妙花, 范自强, 刘丁, 梁炎明 申请人:西安理工大学
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