CN108604880B - 检测太阳能晶片上的豁口的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于检测太阳能晶片的倒角边缘处的豁口缺陷的豁口缺陷检测系统，所述太阳能晶片是具有笔直边缘和倒角边缘的实质上矩形或方形的形状，所述豁口缺陷检测系统包括：(a)多个成像装置，所述多个成像装置用于拾取所述太阳能晶片的位置的图像并且水平地定位成使得所述成像装置的聚焦平面平行于所述太阳能晶片的倒角边缘；(b)多个照明装置，所述多个照明装置用于当所述成像装置在操作中时为所述成像装置提供光；(c)传送带，所述传送带用于在豁口检测操作过程中水平地运输所述太阳能晶片；(d)感测装置，所述感测装置提供信号以触发所述成像装置来开始图像捕获；和(e)频闪灯驱动器，所述频闪灯驱动器由所述成像装置触发以驱动所述照明装置，使得所述成像装置提供与所述照明装置一致的曝光时间，由此所述倒角边缘位于处在正由所述感测装置感测的相同位置处的失焦位置处，并且由所述成像装置捕获的图像不清晰是在所述太阳能晶片的所述倒角边缘上有豁口。本发明还披露了一种检测太阳能晶片上的豁口缺陷的方法。

Description

检测太阳能晶片上的豁口的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种检测太阳能晶片倒角侧壁上的豁口(chipping)的系统和方法，更具体地涉及适于检测太阳能晶片的任何边缘上可能引起裂纹和晶片破损的豁口的豁口检测系统和方法。

背景技术

作为太阳能电池制造工艺的部分，太阳能电池制造商常常执行对太阳能晶片的检测。这是为了确保在开始阶段中识别太阳能晶片上的任何缺陷并且后续生产的太阳能晶片是高质量的。

太阳能晶片是常用于制造太阳能电池的极薄的硅晶片。在太阳能电池的制造中，太阳能晶片经历许多工艺，诸如沉积、蚀刻和图案化等，从而在太阳能电池在制造工艺期间变成功能性太阳能电池之前充当太阳能电池的基板。由于太阳能晶片的脆性性质，当在太阳能电池的制造中使用时，太阳能晶片的任何边缘上的非常小的豁口都可能会引起裂纹并最终地引起晶片破损。因此，为了提高生产良率并保持生产成本低，从制造工艺开始就维持太阳能晶片的质量极其关键。

沿着太阳能晶片的笔直边缘和倒角边缘在顶表面和/或底表面上可能出现豁口缺陷(如图1所示)。可通过使用直接观察太阳能晶片的顶表面和底表面的两个照相机来检测此类型的豁口，并且在晶片移动时拍摄图像(即，即时图像捕获)(如图2所示)。沿着笔直边缘和倒角边缘的豁口都可被检测到。

豁口缺陷也会出现在沿着太阳能晶片的笔直边缘的侧壁表面上(如图3所示)。此类型的豁口从顶表面和/或底表面不可见，并且因此必须使用附加照相机。典型地，两个附加照相机沿着晶片移动方向水平地放置以观察侧壁，并且图像以即时方式拍摄(如图4所示)。为了检测前缘/后缘侧壁上的豁口，使用机械旋转器将太阳能晶片旋转90度，并且然后再通过在旋转之前与照相机类似地布置的另外两个照相机。

另外，豁口缺陷也会出现在沿着太阳能晶片的倒角边缘的侧壁表面上(如图5所示)。此类型的豁口是独特的，因为它仅出现在倒角边缘的仅与笔直边缘成45度的侧壁上。此外，此类型的豁口从顶表面和底表面不可见。虽然照相机的典型焦深为约2mm，但是某些单晶太阳能晶片的倒角大小可以高达25mm(取决于晶片大小和直径)(如图6所示)。目前，即使水平地定位，照相机也不能检测到豁口。

名称为“豁口检测系统和方法”的美国专利号5,157,735公开了一种检测薄膜磁头的滑块的轨道部分的豁口的系统和方法，它通过跟踪来自图像的检测物体的边界来获得检测物体的图像及其边界坐标。根据边界上的点的坐标获得豁口大小，并且根据豁口大小判断豁口存在或不存在，由此使得能够使用简单结构高精度地检测检测物体的边界部分上产生的豁口缺陷。

美国专利号8400630涉及一种用于检测物体中的缺陷的方法，所述方法包括：通过用具有对物体透明的波长的入射光照射物体来局部地照明物体；检测入射光的多个反射分量，同时还至少部分地避免检测入射光的直接透射分量并至少部分地避免检测入射光的单一反射分量；和通过估计入射光的检测到的分量的强度差异来识别缺陷。

美国专利号8428337公开了一种用于晶片检查的方法，所述方法包括：实质上沿着第一轴线将光引导向晶片的第一表面，由此获得沿着第一轴线从晶片的第二表面发出的光，其中晶片的第一表面和第二表面基本上向外地相对并实质上平行于平面延伸；和实质上沿着第二轴线将光引导向晶片的第一表面，从而获得沿着第二轴线从晶片的第二表面发出的光，第一轴线围绕沿着平面延伸的参考轴线成角度地远离第二轴线，其中第一轴线在平面上的正交投影实质上平行于第二轴线在平面上的正交投影，并且第一轴线和第二轴线在平面上的正交投影中的每一个实质上正交于参考轴线。

另一豁口检测方法常规地是用人眼进行的，但是作为对此类检测的替代，已提出了各种用于自动地检测豁口的技术。

例如在日本专利待审公开号255484/1986和日本专利公开号13617/1987中公开了与这种系统有关的一些常规的技术。在前一方法中，通过最小平方法(least squaremethod)将直线应用于通过TV照相机或类似者的检测获得的二值图像的直线部分的边界，并且二值图像的值沿着直线进行检查。根据结果，判断豁口存在或不存在。在后一方法中，检测由豁口产生的散射光，并且为此目的，散射光接受器的入射角和设置被优化。

发明内容

因此，本发明的目的在于消除现有技术中的上述问题并且提供一种即时检测太阳能晶片的倒角侧壁上的豁口的方法，所述方法能够高速检测豁口而无错漏。

本发明的另一目的在于提供一种即时检测太阳能晶片的倒角侧壁上的豁口的系统，所述系统能够高速检测豁口而无错漏。

本发明的目的在于提供一种用于检测太阳能晶片的倒角边缘处的豁口缺陷的豁口缺陷检测系统，所述太阳能晶片是具有笔直边缘和倒角边缘的实质上矩形或方形的形状，所述豁口缺陷检测系统包括：

(a)多个成像装置，所述多个成像装置用于拾取所述太阳能晶片的位置的图像并且水平地定位成使得所述成像装置的聚焦平面平行于所述太阳能晶片的倒角边缘；

(b)多个照明装置，所述多个照明装置用于当所述成像装置在操作中时为所述成像装置提供光；

(c)传送带，所述传送带用于在豁口检测操作过程中水平地运输所述太阳能晶片；

(d)感测装置，所述感测装置提供信号以触发所述成像装置来开始图像捕获；和

(e)频闪灯驱动器(strobe light driver)，所述频闪灯驱动器由所述成像装置触发以驱动所述照明装置，使得所述成像装置提供与所述照明装置一致的曝光时间，

由此所述倒角边缘位于处在正由所述感测装置感测的相同位置处的失焦(out-of-focus)位置处，并且由所述成像装置捕获的图像不清晰是在所述太阳能晶片的所述倒角边缘上有豁口。

因此，本发明的目的在于消除现有技术中的上述问题并且提供一种具有简单结构并能够高速检测豁口而无错漏且受到检测物体的位置或状况影响的豁口检测系统和方法。

本发明的另一目的在于提供一种能够检测方形形状或构造的太阳能晶片的豁口检测系统和方法。

本发明的目的在于提供一种使用所述检测系统来进行的太阳能晶片的豁口缺陷检测的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)将多个照相机水平地定位，其中所述照相机的照相机聚焦平面平行于所述太阳能晶片的所述倒角边缘；

(b)沿着所述传送带安装存在传感器以检测太阳能晶片存在，使得所述太阳能晶片在所述倒角边缘进入所述照相机的焦深(DOF)范围之前被所述存在传感器检测到；

(c)由所述传送带以恒定速度水平地运输所述太阳能晶片；

(d)由所述存在传感器来检测所述太阳能晶片以输出真信号；

(e)用由所述存在传感器生成的信号来触发所述照相机以恒定间隔来捕获所述倒角边缘的多个图像，并还触发频闪灯驱动器以提供与所述照相机曝光时间一致的照明；

(f)将已被所述照相机捕获的图像传输到链接到所述检测系统的计算机；

(g)由所述计算机接收一系列倒角边缘图像，其开始于在DOF范围外、在DOF范围内、离开DOF范围并再次又在DOF范围外；

(h)通过选择具有最大图像清晰度的图像，由所述计算机来定位其中所述倒角边缘在所述DOF范围内的图像；和

(i)分析最清晰的图像以执行图像分析来检测任何存在的豁口。

本发明的以上和其它目的、特征和优点将从结合附图进行的以下对本发明的优选实施方式的描述中变得清楚。

附图说明

图1示出了沿着太阳能晶片的边缘的表面上的豁口；

图2图解了用于检测如图1所示的豁口的常规系统，其中顶部照相机和底部照相机放在太阳能晶片之上；

图3示出了在沿着太阳能晶片的笔直边缘的侧壁表面上具有豁口缺陷的典型的太阳能晶片；

图4示出了用于检测如图3所述的豁口的系统；

图5示出了沿着太阳能晶片的倒角边缘的侧壁表面上的豁口缺陷；

图6示意性地示出了出现在太阳能晶片的倒角边缘的侧壁表面上的豁口，其中倒角大小达25mm，并且照相机是处于水平位置；

图7示意性地示出了根据本发明的用于检测太阳能晶片中的豁口的系统；

图8示意性地示出了根据本发明的照相机相对于倒角边缘的位置的定位；

图9示意性地示出了根据本发明的照相机相对于倒角边缘的位置的定位，其中太阳能晶片在传送带上具有位置变化Δx；

图10示意性地示出了根据本发明的倒角边缘落在照相机聚焦平面内的情况，即使太阳能晶片位置变化是Δx。

图11示出了根据本发明的在突发模式(burst mode)下由照相机101捕获的高达数量N的太阳能晶片103位置；

图12示出了根据本发明的具有以突发模式和它们的计算的边缘清晰度拍摄的豁口图像的倒角侧壁的示例；和

图13A和13B示意性地示出了本发明的另一优选实施方式。

具体实施方式

参照附图，下文描述的本发明的实施方式涉及用于即时检测太阳能晶片的倒角侧壁上的豁口的方法和系统。

如图所示，图1示意性地示出了在制造太阳能电池的过程中在太阳能晶片上形成的豁口。这些常见缺陷包括沿着倒角边缘93在顶表面和底表面上的豁口、仅沿着太阳能晶片的笔直边缘92在顶表面或底表面上的豁口、沿着太阳能晶片的笔直边缘91在顶表面和底表面上的豁口、和沿着太阳能晶片的倒角边缘90在顶表面或底表面上的豁口。图2-4示出了形成在太阳能晶片上但不在倒角边缘上的豁口。在附图中，附图标记101指示照相机，103指示太阳能晶片，并且传送带被标记为104。

参照图5，示出了沿着太阳能晶片的倒角边缘202在侧壁上形成的豁口。无法采用对此情况的豁口检测的常规方法，这是因为此类型的豁口从太阳能晶片的顶表面和底表面不可见，并且此类型的豁口出现在倒角边缘上的与笔直边缘成45度的侧壁表面上。虽然照相机的典型的焦深为约2mm，但是某些单晶硅太阳能晶片的倒角大小可以高达25mm，这取决于晶片大小和直径，并且因此，即使太阳能晶片水平地定位，照相机也不能检测到豁口。图6示意性地示出了出现在太阳能晶片的倒角边缘的侧壁表面上的豁口，其中倒角大小达25mm，并且照相机是处于水平位置。

根据图7至13中提供的图例，在下文更详细地描述了本发明的示例性实施方式，其中相似元件以相似的附图标记标识。

图7示意性地示出了根据本发明的用于检测太阳能晶片的倒角边缘处的豁口缺陷的系统。在本发明的优选实施方式中，用于检测太阳能晶片的倒角边缘处的豁口缺陷的豁口缺陷检测系统包括多个成像装置，诸如照相机101，用于拾取太阳能晶片103的位置的图像。一般地，太阳能晶片103是具有笔直边缘和倒角边缘的实质上矩形或方形的形状。在这种情况下，共四个照相机101用于在太阳能晶片103的倒角边缘处的豁口检测。所述系统进一步包括多个照明装置102，用于当在豁口检测中进行操作时为成像装置101提供光。豁口检测系统进一步包括用于在豁口检测操作过程中水平地运输太阳能晶片的传送带104和用于提供信号以触发成像装置101来开始图像捕获的感测装置105(存在传感器)。系统中提供了频闪灯驱动器107，用来触发成像装置101以驱动照明装置102，使得成像装置101提供与照明装置102一致的曝光时间。换句话说，本优选实施方式的豁口检测系统提供多个照相机，例如在这种情况下，是四个照相机，每一个照相机都配备有镜头101(lens)，以及4组照明装置(照明器)102。照相机101水平地定位并定向成使得照相机聚焦平面201平行于太阳能晶片103的每个倒角边缘202并与之重合。太阳能晶片103装载在传送带104上，并且当太阳能晶片103由传送带104运输时，由安装在传送带104四周或任何适当的位置处的存在传感器105感测，使得能够在某个时间(t0)检测太阳能晶片的存在，存在传感器105触发照相机101开始图像捕捉。照相机101还触发频闪灯驱动器107，频闪灯驱动器驱动照明器102，使得照相机曝光时间与照明一致。

在本优选实施方式中，鉴于照相机的取向，太阳能晶片103的倒角边缘202和照相机聚焦平面201彼此平行，并且由此可能获得倒角侧壁的清晰图像并由此检测太阳能晶片103的倒角侧壁上的豁口。

图8示意性地示出了根据本发明的优选实施方式的豁口检测系统的一个角落。如图所示，照相机聚焦平面201直接地平行于太阳能晶片103的倒角边缘。为了获得倒角侧壁的清晰图像，需要高精度地控制传送带104上的太阳能晶片103位置。图9示意性地图解了传送带104上的太阳能晶片103的位置变化ΔX。当太阳能晶片103在传送带104上具有位置变化ΔX时，倒角边缘202可以位于处在正由存在传感器105感测的相同位置处的失焦位置处。因此，由照相机101捕获的图像不清晰，并且豁口检测性能受影响。

图10示意性地图解了根据本发明的捕获清晰倒角边缘202。换句话说，即使太阳能晶片103位置变化是ΔX，倒角边缘202图像也应落在照相机聚焦平面201内。为实现这一点，存在传感器105向前移动，使得照相机图像捕获更早地开始。一旦照相机由存在传感器105触发，它将在太阳能晶片103以速度v移动时以固定的每秒帧数(FPS)在突发模式下捕获图像。当照相机101开始突发模式图像捕获时，倒角边缘202不需要在照相机聚焦平面201处。

图11示意性地示出了在突发模式下由照相机101捕获的高达数量N的太阳能晶片103位置的位置。太阳能晶片103的第一位置P1是存在传感器105触发照相机101的位置，并且在间隔ρ之后触发下一图像，并且间隔ρ可以如下进行计算：

ρ＝v/FPS

其中ρ是间隔，v是移动的太阳能晶片的速度，并且FPS是突发模式的固定的每秒帧数。

参照图11，由于在运输太阳能晶片103时，照相机捕获是连续的，因此可能获得其中倒角边缘202定位在照相机101的焦深(DOF)范围内的图像Pn，假如间隔ρ至少为DOF的1/2。因此，计算出照相机101必须具有基于以下等式的最小FPS，以便确保照相机101必须具有基于以下等式的最小FPS，以便确保倒角边缘202在DOF范围内被捕获到：

〖FPS〗_min＝(2×v×cos 45°)/DOF

其中FPS是固定的每秒帧数，v是移动的太阳能晶片的速度，并且DOF是照相机的焦深范围。

举例来说，给定典型的传送带的行进速度为200mm/s，并且照相机101的焦深(DOF)为2mm，计算出获得清晰倒角侧壁图像所需的最小FPS为约每秒141帧。这可以通过使用现代CMOS传感器照相机来实现，现代CMOS传感器照相机具有设定为足以覆盖太阳能晶片103厚度加上某些余量的薄窗口的感兴趣区域(Area-Of-Interest,AOI)。

在本发明的优选实施方式中，同样重要的是，计算在突发模式下所需的图像数量N以确保太阳能晶片103的倒角边缘202已经通过照相机聚焦平面201而不管位置变化ΔX如何。

N_min＝(ΔX×FPS)/(v×cos45°)

其中N是图像数量，ΔX是位置变化，FPS是固定的每秒帧数，并且v是移动的太阳能晶片的速度。

举例来说，给定±5mm的典型的位置变化ΔX，就将发现在突发模式下要捕获的图像的最小数量为10。在考虑到存在传感器105的位置之后，实际数量应当更大。

先前已经提到的是，当存在传感器105感测到太阳能晶片103时，照相机101开始突发模式图像捕获。这造成将数量N的图像发送到连接到豁口检测系统的计算机106。将注意，仅需要从所收集的N个图像中选择一个来进行豁口检测。

图12示出了根据本发明的具有以突发模式拍摄的具有计算的边缘清晰度的豁口图像的一系列倒角侧壁。如图所示，由于系列图像中的图像7具有最高的边缘清晰度，因此选择此图像来进行豁口检测。要注意，倒角边缘202已经从失焦转变为聚焦，并且然后从聚焦转变为失焦。另外，将注意，由于照相机相对于太阳能晶片移动方向成45度定向，倒角边缘202不停留在相同的位置处。

因此，本发明提供了一种使用上面披露的检测系统来进行的太阳能晶片的豁口缺陷检测的方法。所述方法包括以下步骤：将多个照相机水平地定位，其中照相机的照相机聚焦平面平行于太阳能晶片的倒角边缘。沿着传送带安装存在传感器以检测太阳能晶片存在，并且将存在传感器定位成使得当存在传感器检测太阳能晶片时，在倒角边缘进入照相机的焦深(DOF)范围之前先检测太阳能晶片的倒角边缘。由传送带104以恒定速度运输太阳能晶片。当太阳能晶片103被运输并到达存在传感器105时，存在传感器105检测太阳能晶片103，并且因此将所述系统的输出信号设定为真。输出信号连接到照相机101，并且所述信号触发照相机101以恒定间隔捕获倒角边缘的多个图像(或突发模式)。在照相机101捕获图像的同时，照相机101还触发频闪灯驱动器107以提供与照相机曝光时间一致的照明。将由照相机捕获的图像传输到计算机。在多个图像捕捉结束时，计算机106接收一系列倒角边缘图像，其开始于在DOF范围外、进入DOF范围、在DOF范围内、离开DOF范围并再次又在DOF范围外。

根据本发明，将软件加载到计算机106中，计算机将通过选择具有最大图像清晰度的图像来定位其中倒角边缘在DOF范围内的图像。软件然后将使用最清晰的图像来执行图像分析以检测豁口的存在。

图13A和图13B示意性地示出了本发明的另一优选实施方式中的豁口检测系统的可能修改。将注意，采用的照相机数量可减少到两个。这可通过将两个分束器301放置在传送带104的每一侧上实现。分束器301允许照相机101首先捕获前导倒角边缘(leadingchamfer edge)302，并且然后接着捕获拖尾倒角边缘(trailing chamfer edge)303，只要前导倒角边缘和拖尾倒角边缘不同时出现在照相机聚焦平面上即可，这可以通过控制太阳能晶片之间的间隙来完成。

虽然已描述了目前被视为本发明的优选实施方式的内容，但将理解，可以对其做出各种修改，并且所附的权利要求书旨在覆盖落入本发明的真实的精神和范围内的所有此类修改。

Claims (17)

1.一种用于检测太阳能晶片的倒角边缘处的豁口缺陷的豁口检测系统，包括：

传送带，所述传送带被配置为在第一方向上移动所述太阳能晶片通过图像捕获位置；和

第一照相机，所述第一照相机设置在所述图像捕获位置的第一侧上并且具有以下取向：将所述第一照相机的聚焦平面相对于所述第一方向以45度的角度定位在所述图像捕获位置内并与所述倒角边缘重合，

由此由所述第一照相机捕获的图像不清晰是在所述太阳能晶片的所述倒角边缘上有豁口。

2.如权利要求1所述的豁口检测系统，其中所述角度平行于所述太阳能晶片的所述倒角边缘，所述倒角边缘在所述图像捕获位置中将设置在所述传送带上的所述太阳能晶片的相邻侧耦接。

3.如权利要求1所述的豁口检测系统，进一步包括：

照明器，所述照明器被配置成照亮所述图像捕获位置。

4.如权利要求3所述的豁口检测系统，其中所述照明器进一步包括频闪灯。

5.如权利要求1所述的豁口检测系统，进一步包括：

存在传感器，所述存在传感器被配置成通过所述第一照相机对所述太阳能晶片的所述倒角边缘触发图像捕获。

6.如权利要求5所述的豁口检测系统，其中所述第一照相机被配置为，响应于所述存在传感器的触发，以捕获所述太阳能晶片的所述倒角边缘的多个图像。

7.如权利要求6所述的豁口检测系统，进一步包括：

计算机，所述计算机被配置成从所述多个图像定位最清晰的图像并分析所述最清晰的图像以检测所述倒角边缘中存在的豁口缺陷。

8.如权利要求6所述的豁口检测系统，其中所述存在传感器位于被配置为在所述太阳能晶片穿过所述第一照相机的聚焦平面之前通过所述第一照相机触发图像捕获的位置。

9.如权利要求6所述的豁口检测系统，其中所述第一照相机被配置为在至少(2×v×cos 45°)/DOF的每秒帧数(FPS)下操作，其中v是所述太阳能晶片在所述第一方向上移动的速度，并且DOF是所述第一照相机的焦深。

10.如权利要求1所述的豁口检测系统，进一步包括：

第二照相机，所述第二照相机被配置为获得设置在所述图像捕获位置内的所述太阳能晶片的图像，其中通过所述第二照相机获得的所述太阳能晶片的图像是从与所述图像捕获位置的所述第一侧相对的所述图像捕获位置的第二侧。

11.如权利要求10所述的豁口检测系统，其中所述第二照相机具有以下取向：将所述第二照相机的聚焦平面相对于所述第一方向以45度的角度定位在所述图像捕获位置内。

12.如权利要求10所述的豁口检测系统，进一步包括：

存在传感器，所述存在传感器被配置成通过所述第一照相机和所述第二照相机触发图像捕获。

13.如权利要求12所述的豁口检测系统，其中所述第一照相机和所述第二照相机的每一个被配置为，响应于所述存在传感器的触发，捕获所述太阳能晶片的相应倒角边缘的多个图像。

14.如权利要求10所述的豁口检测系统，进一步包括：

第三照相机，所述第三照相机被配置为获得设置在所述图像捕获位置内的所述太阳能晶片的图像，通过所述第三照相机获得的所述太阳能晶片的图像是从所述图像捕获位置的第一侧，所述第三照相机的聚焦平面垂直于所述第一照相机的聚焦平面；和

第四照相机，所述第四照相机被配置为获得设置在所述图像捕获位置内的所述太阳能晶片的图像，通过所述第四照相机获得的所述太阳能晶片的图像是从所述图像捕获位置的第二侧，所述第四照相机的聚焦平面平行于所述第一照相机的聚焦平面并且垂直于所述第三照相机的聚焦平面。

15.一种用于太阳能晶片的倒角边缘的豁口缺陷检测的方法，所述方法包括：

在第一方向上移动所述太阳能晶片通过具有多个照相机的图像捕获位置，所述照相机具有相对于所述太阳能晶片的所述倒角边缘平行取向布置的聚焦平面；和

利用所述照相机捕获的所述倒角边缘的图像来检测所述太阳能晶片的所述倒角边缘上的豁口，其中由所述照相机捕获的图像不清晰是在所述太阳能晶片的所述倒角边缘上有豁口。

16.如权利要求15所述的方法，进一步包括：

当所述太阳能晶片的所述倒角边缘穿过所述图像捕获位置时捕获突发图像。

17.如权利要求16所述的方法，进一步包括：

从所述突发图像中选择具有最大图像清晰度的图像；和

分析最清晰的图像以检测所述倒角边缘之一中存在的豁口缺陷。

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