CN105277561A - 基于机器视觉的硅片和电池片整齐度检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于机器视觉的硅片和电池片整齐度的检测装置，属于无损检测领域，在箱体内设有线激光光源、同轴光源、镜头、相机、光源控制器和支架，线激光光源、同轴光源和相机均分别通过支架固定在箱体内的底板上；其中，检测台、检测口、同轴光源、镜头和相机沿直线依次设置，同轴光源、镜头和相机在同一中心轴线上，线激光光源固定在检测口与同轴光源之间，所述的线激光光源的位置偏离镜头所在的中心线位置；本发明还公开了该装置的检测方法；本发明的检测装置通过使用激光光源以一定角度照射硅片或电池片侧面,完成对硅片或电池片整齐度的检测，装置结构简单，易于保养和维护，具备很好的实用性；本发明的检测方法提高硅片和电池片计数精度和系统适用性。

Description

基于机器视觉的硅片和电池片整齐度检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于无损检测领域，具体涉及基于机器视觉的硅片和电池片整齐度检测装置及检测方法。

背景技术

在太阳能电池片的生产过程中，原料硅片的入厂检验、成品电池片的出厂验收以及电池片加工过程中的每一次工序之后都需要对硅片或电池片进行计数。太阳能硅片的厚度很薄，普遍在180微米左右，正负误差20微米，对其计数方法多样，其中最主要的是基于机器视觉的检测。

在基于机器视觉的硅片和电池片计数设备(公开号为CN104713528A)的专利申请文件中，公开了基于机器视觉的硅片和电池片计数设备，该设备包括检测机箱、电脑屏幕和电脑机箱，电脑屏幕设置在电脑机箱上，电脑机箱与检测机箱相连；检测机箱包括箱体、设置在箱体内部的相机、镜头、同轴光源、环形光源、支架和光源控制器和设置在箱体外部的检测按钮、滑轨、压板、检测口、检测台、踏板开关，该踏板开关与检测机箱相连；检测按钮固定设置在箱体的顶部，滑轨设置在箱体的一侧并延伸到箱体的顶部，在箱体上设置了滑轨的该侧还设有配合压板使用的检测口。

该计数设备将电脑机箱、屏幕以及测试机箱结合在一起，通过机器视觉完成对硅片和电池片的无接触计数，操作员需将硅片或电池片层叠整理之后放置在检测机箱的检测台上，压上压板，之后点击电脑屏幕上的虚拟检测按钮或者按下检测机箱上的检测按钮或者踩下踏板来可启动测试，0.5～2s之后即可得到结果，整个数量检测过程无接触、速度快，提高了电池片生产效率。

然而，该计数设备也存在缺陷，在检测过程中，需要手动将硅片或电池片层叠整齐之后放置在检测台上，而硅片或电池片的整齐程度严重影响到硅片或电池片计数的精度和效率。如果硅片或电池片未整齐放置，在计数设备和操作人员未知的情况下，完成了计数过程，所得的计数结果可靠性和精度都大大降低。在此基础上，研究基于机器视觉的层叠硅片和电池片整齐度的检测装置及其检测方法对于基于机器视觉的硅片和电池片计数显得尤为重要。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供基于机器视觉的硅片和电池片整齐度检测装置，使其克服基于机器视觉的硅片和电池片计数设备中层叠硅片和电池片的整齐程度未知的问题，提高硅片和电池片计数精度和系统适用性；本发明的另一目的在于提供基于机器视觉的硅片和电池片整齐度的检测方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

基于机器视觉的硅片和电池片整齐度的检测装置，包括电脑屏幕、电脑机箱和检测机箱，电脑屏幕设置在电脑机箱上，电脑机箱与检测机箱相连；在检测机箱上设有检测按钮，在检测机箱的一侧设有检测台，检测台贴紧检测机箱的一侧设置，在检测机箱的该侧设有配合检测台使用的检测口；检测机箱包括箱体，在箱体内设有线激光光源、同轴光源、镜头、相机、光源控制器和支架，所述的线激光光源、同轴光源和相机均分别通过支架固定在箱体内的底板上；其中，检测台、检测口、同轴光源、镜头和相机沿直线依次设置，同轴光源、镜头和相机在同一中心轴线上，所述的线激光光源固定在检测口与同轴光源之间，所述的线激光光源的位置偏离镜头所在的中心线位置；所述的线激光光源、同轴光源与光源控制器分别相连；所述的镜头与相机相连。

所述的光源控制器通过USB与电脑机箱相连。

所述的相机为CMOS百万相机，相机通过USB与电脑机箱相连。

所述的检测台为X形检测台。

基于机器视觉的硅片和电池片整齐度的检测装置的检测方法，包括如下步骤：

1)接收开始计数信号

在硅片和电池片计数检测之前，手动将硅片或电池片层叠整齐，放置在检测台上，然后按下检测按钮，启动测试，检测按钮通过与电脑机箱连接，电脑机箱接收开始计数的信号；

2)打开线激光光源

电脑机箱与光源控制器相连，当接收到开始计数的信号之后，先向光源控制器发送信号，打开线激光光源，进行层叠硅片或电池片整齐度的检测；

线激光光源发射线激光，线激光在偏离相机所在的中心线位置，与层叠太阳能硅片或电池片侧面平面呈45度角的方向照射到层叠太阳能硅片或电池片侧面，在层叠太阳能硅片或电池片侧面上形成光条；当太阳能硅片或电池片层叠整齐时，激光照射在层叠太阳能硅片或电池片侧面上形成一条弯曲度较小的平缓光线；当太阳能硅片或电池片层叠不整齐时，线激光照射在层叠太阳能硅片或电池片侧面上形成一条弯曲度较大的光线；

4)获取图像

与层叠太阳能硅片或电池片处于同一中心线上的相机，垂直拍摄到在线激光光源照射下的层叠太阳能硅片或电池片侧面图像；电脑机箱通过相机获取到在线激光光源照射下的层叠太阳能硅片或电池片侧面图像；

5)判断层叠硅片或电池片整齐程度

求取每一片太阳能硅片或电池片上的光线的中心位置，提取所有中心位置的坐标(x,y)，基于此坐标簇建立离散函数y＝f(x)，求取离散函数f(x)的极值和均值，以及极值与均值的差值，取差值的绝对值最大值作为衡量太阳能硅片或电池片层叠的整齐程度的偏差。当硅片或电池片层叠整齐时，偏差很小，硅片或电池片层叠完全整齐，偏差基本为零；当层叠硅片或电池片层叠不整齐时，偏差很大；

6)硅片或电池片整齐程度是否满足计数要求：

设定阈值，当步骤5)中的偏差小于等于此阈值时，认为硅片或电池片的层叠整齐程度满足硅片或电池片的计数要求，在电脑屏幕显示硅片或电池片的层叠整齐信息，并进行后续计数功能；当当步骤5)中的偏差大于此阈值时，认为硅片或电池片的层叠整齐程度不满足计数要求，在电脑屏幕显示硅片或电池片的层叠整齐信息，中止此次计数并提示操作员重新层叠硅片或电池片。

有益效果：与现有技术相比，本发明的基于机器视觉的硅片和电池片整齐度的检测装置通过使用激光光源以偏离相机与被测物所在的中心面45度角的方向照射层叠硅片和电池片侧面，将不可测的层叠硅片和电池片侧面的整齐程度信息转换为可测量的光线中心线信息，完成对硅片或电池片整齐度的检测，装置结构简单，易于保养和维护，具备很好的实用性；本发明基于机器视觉的硅片和电池片整齐度的检测方法，通过将获取的光线中心位置坐标转换为离散函数并进行极值检测，计算出表征层叠硅片和电池片侧面的整齐程度的偏差信息，克服了基于机器视觉的硅片和电池片计数设备中层叠硅片和电池片的整齐程度未知的问题，提高硅片和电池片计数精度和系统适用性。

附图说明

图1为检测装置结构示意图；

图2为检测机箱的结构示意图；

图3为检测方法的流程图；

图4为线激光光源照射层叠硅片或电池片示意图；

图5为硅片和电池片整齐度判断方法示意图；

图6为硅片和电池片整齐度偏差计算方法示意图。

具体实施例

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

实施例1基于机器视觉的硅片和电池片整齐度的检测装置

如图1所示，基于机器视觉的层叠硅片和电池片整齐度的检测装置，包括电脑屏幕1、电脑机箱2和检测机箱3，电脑屏幕1设置在电脑机箱2上，电脑机箱2与检测机箱3相连。

如图2所示，在检测机箱3上设有检测按钮4，在检测机箱3的一侧设有检测台5，检测台5贴紧检测机箱3的一侧设置，在检测机箱3的该侧设有配合检测台使用的检测口6。检测机箱3包括箱体12，在箱体12内设有线激光光源7、同轴光源8、镜头9、相机10、光源控制器11和支架22。线激光光源7、同轴光源8和相机10均分别通过支架22固定在箱体12底板上。箱体12是整个检测机箱3的主体部分，该箱体12除去检测口6之外四面封闭，将线激光光源7和同轴光源8、相机10以及镜头9保护在箱体12内部，同时降低环境光的影响，提高检测精度。

检测台5、检测口6、同轴光源8、镜头9和相机10沿直线依次设置，其中，线激光光源7固定在检测口6与同轴光源8之间，偏离镜头9所在的中心线位置。

其中，线激光光源7、同轴光源8与光源控制器11分别相连，光源控制器11通过USB与电脑机箱2相连；镜头9与相机10相连，相机10为CMOS百万相机，相机10通过USB与电脑机箱2相连。检测台5为X形检测台，用于放置硅片或电池片。

工作过程：对硅片或电池片进行计数时需要将硅片或电池片手动放置在检测台5上；检测按钮4用于启动测试，检测按钮4通过USB与电脑机箱2连接，当硅片或电池片放置妥当之后，按下检测按钮4即可开始测试，在计数之前启动硅片或电池片整齐度的检测，被测物通过检测口6由线激光光源7照射之后由相机10获取层叠硅片或电池片的侧面图像；光源控制器11通过USB与电脑机箱2相连，接收电脑机箱2发出的配置命令，并根据命令对两个光源7和8独立的进行开关和亮度调整；相机10通过USB与电脑机箱2相连，将获得的层叠硅片或电池片侧面图像发送给电脑机箱2，同时可接收电脑机箱2的配置命令进行参数配置，相机10的供电也通过USB来源于电脑机箱2。

电脑机箱2内安装有系统软件，根据基于机器视觉的层叠硅片和电池片整齐度的检测方法完成硅片或电池片的整齐度检测、显示以及报警等功能，电脑机箱2通过USB与检测机箱3相连，接收检测机箱3获取的层叠硅片或电池片的侧面图像，同时电脑机箱2可发送控制命令给检测机箱3进行参数配置，实现多功能智能化无损检测。电脑屏幕1用于人机交互，显示系统的检测结果、获取的层叠硅片或电池片图像、报警提示以及参数配置界面等。

实施例2基于机器视觉的硅片和电池片整齐度的检测方法

如图3所示，基于机器视觉的层叠硅片和电池片整齐度的检测方法，包括如下步骤：

1)接收开始计数信号

在硅片和电池片计数检测之前，手动将硅片或电池片层叠整齐，放置在检测台5上，然后按下检测按钮4，启动测试，检测按钮4通过USB与电脑机箱2连接，电脑机箱2接收开始计数的信号；

2)打开线激光光源7

电脑机箱2通过USB与光源控制器11相连，当接收到开始计数的信号之后，先向光源控制器11发送信号，打开线激光光源7，进行层叠硅片或电池片整齐度的检测；

如图4所示，线激光光源7发射线激光14，线激光14在偏离相机10所在的中心线位置，与层叠太阳能硅片或电池片13侧面平面23呈45度角的方向照射到层叠太阳能硅片或电池片侧面23，在层叠太阳能硅片或电池片侧面23上形成光条15；

如图4(a)所示，当太阳能硅片或电池片13层叠整齐时，激光14照射在层叠太阳能硅片或电池片侧面23上形成一条弯曲度较小的平缓光线15；如图4(b)所示，当太阳能硅片或电池片13层叠不整齐时，有某一片或者多片硅片或电池片17突出或者凹陷在层叠硅片或电池片13中，激光14照射在层叠太阳能硅片或电池片侧面23上形成一条弯曲度较大的的光线15，在硅片或电池片突出或者凹陷部分17的光线16相对于其他部分有一定的偏移；

步骤4)获取图像

与层叠太阳能硅片或电池片13处于同一中心线上的相机10，垂直拍摄到在线激光光源7照射下的层叠太阳能硅片或电池片侧面图像；电脑机箱2通过相机10获取到在线激光光源7照射下的层叠太阳能硅片或电池片侧面图像；

步骤5)判断层叠硅片或电池片整齐程度

如图5所示，在获取的图像上，以图像的左上角为原点，向下为横轴正方向，向右为纵轴正方向，建立图像坐标系23。以图像坐标系23为基准，求取每一片太阳能硅片或电池片13上的光线15的中心位置18，提取所有中心位置18的坐标(x,y)；如图6所示，基于获取的坐标簇建立离散函数y＝f(x)20；通过对该函数求导的方式，求取其极值点22，由于该获取的函数为离散函数，因此，根据式(1)进行求一阶导数，并通过查找一阶导数的零点，即f'(x)＝0的点，即可获得离散函数f(x)的极值点(x_mai,y_mai)22，因为硅片层叠的随机性，离散函数f(x)的极值点(x_mai,y_mai)22并不唯一，其中，i的取值范围从0到中心位置个数n之间。

f'(x)＝f(x+1)-f(x)(1)

根据式(2)计算所有中心位置纵坐标y_j的均值y_me19，其中，n为所求取中心位置18的个数。

$y_{me}=\frac{\underset{j=0}{\overset{n}{\Σ}}{y}_j}{n}---\left(2\right)$

根据式(3)求取每个极值点22与纵坐标y_j的均值y_me19的距离y_Δi。

y_Δi＝|y_mai-y_me|(3)

取距离的最大值y_Δmax21作为衡量太阳能硅片或电池片层叠的整齐程度的偏差。当硅片或电池片层叠整齐时，偏差y_Δmax21很小，如图5(a)所示，硅片或电池片层叠完全整齐，偏差y_Δmax21基本为零；当层叠硅片或电池片层叠不整齐时，偏差y_Δmax21很大。如图5(b)所示，有部分硅片或电池片17层叠时突出或者凹陷在层叠硅片或电池片13中，在硅片或电池片突出或者凹陷部分17的光线16相对于其他部分有一定的偏移，计算所得的偏差y_Δmax21较大。

步骤6)硅片或电池片整齐程度是否满足计数要求

设定阈值，当偏差21小于等于此阈值时，认为硅片或电池片的层叠整齐程度满足硅片或电池片的计数要求，在电脑屏幕1显示硅片或电池片的层叠整齐信息，并进行后续计数功能；当偏差21大于此阈值时，认为硅片或电池片的层叠整齐程度不满足计数要求，在电脑屏幕1显示硅片或电池片的层叠整齐信息，中止此次计数并提示操作员重新层叠硅片或电池片。

Claims (5)

1.基于机器视觉的硅片和电池片整齐度的检测装置，包括电脑屏幕(1)、电脑机箱(2)和检测机箱(3)，电脑屏幕(1)设置在电脑机箱(2)上，电脑机箱(2)与检测机箱(3)相连；在检测机箱(3)上设有检测按钮(4)，在检测机箱(3)的一侧设有检测台(5)，检测台(5)贴紧检测机箱(3)的一侧设置，在检测机箱(3)的该侧设有配合检测台(5)使用的检测口(6)；检测机箱(3)包括箱体(12)，其特征在于：在箱体(12)内设有线激光光源(7)、同轴光源(8)、镜头(9)、相机(10)、光源控制器(11)和支架(22)，所述的线激光光源(7)、同轴光源(8)和相机(10)均分别通过支架(22)固定在箱体(12)内的底板上；其中，检测台(5)、检测口(6)、同轴光源(8)、镜头(9)和相机(10)沿直线依次设置，同轴光源(8)、镜头(9)和相机(10)在同一中心轴线上，所述的线激光光源(7)固定在检测口(6)与同轴光源(8)之间，所述的线激光光源(7)的位置偏离镜头(9)所在的中心线位置；所述的线激光光源(7)、同轴光源(8)与光源控制器(11)分别相连；所述的镜头(9)与相机(10)相连。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的硅片和电池片整齐度的检测装置，其特征在于：所述的光源控制器(11)通过USB与电脑机箱(2)相连。

3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的硅片和电池片整齐度的检测装置，其特征在于：所述的相机(10)为CMOS百万相机，相机(10)通过USB与电脑机箱(2)相连。

4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的硅片和电池片整齐度的检测装置，其特征在于：所述的检测台(5)为X形检测台。

5.权利要求1～4中任意一项所述的基于机器视觉的硅片和电池片整齐度的检测装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)接收开始计数信号

在硅片和电池片计数检测之前，手动将硅片或电池片层叠整齐，放置在检测台上，然后按下检测按钮，启动测试，检测按钮通过与电脑机箱连接，电脑机箱接收开始计数的信号；

2)打开线激光光源

电脑机箱与光源控制器相连，当接收到开始计数的信号之后，先向光源控制器发送信号，打开线激光光源，进行层叠硅片或电池片整齐度的检测；

线激光光源发射线激光，线激光在偏离相机所在的中心线位置，与层叠太阳能硅片或电池片侧面平面呈45度角的方向照射到层叠太阳能硅片或电池片侧面，在层叠太阳能硅片或电池片侧面上形成光条；当太阳能硅片或电池片层叠整齐时，激光照射在层叠太阳能硅片或电池片侧面上形成一条弯曲度较小的平缓光线；当太阳能硅片或电池片层叠不整齐时，线激光照射在层叠太阳能硅片或电池片侧面上形成一条弯曲度较大的光线；

4)获取图像

与层叠太阳能硅片或电池片处于同一中心线上的相机，垂直拍摄到在线激光光源照射下的层叠太阳能硅片或电池片侧面图像；电脑机箱通过相机获取到在线激光光源照射下的层叠太阳能硅片或电池片侧面图像；

5)判断层叠硅片或电池片整齐程度

求取每一片太阳能硅片或电池片上的光线的中心位置，提取所有中心位置的坐标(x,y)，基于此坐标簇建立离散函数y＝f(x)，求取离散函数f(x)的极值和均值，以及极值与均值的差值，取差值的绝对值最大值作为衡量太阳能硅片或电池片层叠的整齐程度的偏差。当硅片或电池片层叠整齐时，偏差很小，硅片或电池片层叠完全整齐，偏差基本为零；当层叠硅片或电池片层叠不整齐时，偏差很大；

6)硅片或电池片整齐程度是否满足计数要求：

设定阈值，当步骤5)中的偏差小于等于此阈值时，认为硅片或电池片的层叠整齐程度满足硅片或电池片的计数要求，在电脑屏幕显示硅片或电池片的层叠整齐信息，并进行后续计数功能；当步骤5)中的偏差大于此阈值时，认为硅片或电池片的层叠整齐程度不满足计数要求，在电脑屏幕显示硅片或电池片的层叠整齐信息，中止此次计数并提示操作员重新层叠硅片或电池片。