单晶硅是当代信息产业重要的基础材料,其生长工艺受到行业乃至国家的高度重视。直拉法生产单晶硅时,生产过程中熔硅液面的精准控制对于单晶硅的品质起着重要作用,因此对熔硅液面的变化进行准确检测具有重要的意义。然而,由于直拉法单晶硅生长炉具有高温(1000℃以上)、密闭、负压(15Torr左右)环境的特性,导致无法对熔硅液面进行直接测量,因此非接触式测量是熔硅液面常见的方案。本文利用单晶炉内导流筒在熔硅液面的设备自然结构倒影,开展了基于图像处理的熔硅液面检测技术研究。首先分析了传统方法的优势与不足,介绍了本文熔硅液面检测系统的组成结构,建立了导流筒结构倒影图像目标特征与熔硅液面之间的数学模型,描述了熔硅液面检测系统主要的硬件和软件;然后在单晶生产现场分别采集了4个实验图像:标定实验、精度测试实验、坩埚旋转实验以及等径过程实验;在比较了不同的图像处理方法后,提出了一种基于局部阈值分割与边缘检测相结合的图像处理算法;最后对提取的特征值数据进行了处理和分析。标定实验和精度测试实验表明,图像像素面积与熔硅液面位置的变化系数为270.1 pixel/mm,检测精度在0.5 mm以内,相较于以往的称重法更加精确;坩埚旋转实验表明,坩埚旋转会导致熔体表面发生形变,坩埚旋转速度越大,熔硅液面形变越大,而随着熔硅质量的减小,坩埚旋转速度对熔硅液面的影响也增大;等径实验表明,检测等径过程熔硅液面波动幅度为1.5 mm左右,频率为0.36 Hz,是晶棒转动频率的3倍。本文研究工作的意义在于:一方面,通过熔硅液面位置动态变化的实时精确检测,工控系统可以根据反馈信息实时调整坩埚位置,从而保持熔硅液面处于相对恒定位置,降低晶体生长界面在相变过程中由潜热造成的影响,进而提升单晶硅的生长品质。另一方面,通过图像处理反演液面振动频率与振动幅度变化,对于分析复杂流体系统多物理场之间的相互耦合与作用规律具有重要的实验参考意义。