CN111077164A - 一种基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测装置，包括带灯罩的无影光源、工业相机、集成支架以及控制中心，灯罩和工业相机分别可调地固定在集成支架上，工业相机与控制中心数据连接，在控制中心内设置了用于处理工业相机拍摄图像的图像处理单元；在灯罩的底部设置载样板，含有钙钛矿薄膜的待检测的样件正面朝上地放置在载样板上，工业相机透过灯罩的顶部的观察窗口对样件进行拍摄。控制中心将工业相机拍摄的图像与已保存在控制中心数据库中的标准图像进行比对和判断。本发明还公开使用该基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测装置的方法。本发明能够实现钙钛矿薄膜快速、有效、无损的检测和筛选，大大提高了检测效率和检测的准确性。
Description
技术领域
本发明属于钙钛矿太阳能电池制造技术领域，特别涉及一种基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测装置及方法。
背景技术
在钙钛矿太阳能电池的生产过程中，钙钛矿薄膜质量的好坏直接影响钙钛矿电池性能的优劣。目前对钙钛矿薄膜质量的检测手段主要有两种，一种是微观检测手段，如利用X射线衍射仪（XRD）表征钙钛矿薄膜的结晶程度；利用扫描电子显微镜（SEM）观察钙钛矿薄膜的微观形貌；利用原子力显微镜（AFM）测试钙钛矿薄膜表面平整度等，这些微观检测手段不仅测试费用昂贵、制样繁琐、测试时间长，而且很难整合到实际的生产线中，无法满足后续钙钛矿电池组件的批量化生产要求。而另一种检测手段是使用常规光谱检测，如紫外可见漫反射谱（UV-vis）、荧光光谱（PL）等，也因价格昂贵，光路精度要求高，测试耗时等因素，限制了其在生产线中的大规模应用。
另一方面，钙钛矿薄膜的反应程度也会直接影响钙钛矿薄膜的质量，而目前对钙钛矿薄膜反应程度的判断尚未见到有效的方法。无论是溶液法还是气相法制备钙钛矿薄膜，只有当几种前驱体的摩尔量符合化学计量数之比时，钙钛矿薄膜才能充分反应，当其中一种前驱体的量不足时，钙钛矿就会出现反应不充分的情况。以最常见的MAPbI3钙钛矿材料为例，它是由MAI和PbI2两种前驱体通过化学反应转化而成，当MAI前驱体的量不足时，钙钛矿的转化不充分，此时薄膜中会残留较多的PbI2前驱体，使得钙钛矿薄膜在光照下，从正面（入光面为正面，即导电玻璃基底这一面）看去会呈现淡黄色，说明钙钛矿薄膜对可见光的吸收尚不充分。当MAI的量逐渐符合化学计量数之比时，MAPbI3的反应程度逐渐达到充分状态。在这一过程中，从正面观察钙钛矿薄膜所呈现出来的颜色变化会从淡黄色逐渐变为青绿色，再到淡蓝色，最后到紫色，这也从侧面印证了钙钛矿薄膜对光的吸收逐渐扩展至整个可见光范围。钙钛矿薄膜的这种颜色变化过程恰好为我们提供了一种判断其反应程度的指标。
机器视觉是一种使用机器代替人眼进行检测和判断的工业系统，其通过图像拍摄装置摄取待检测样品的图像信息，并传输至专用的图像处理系统。图像处理系统会将检测样品的颜色、亮度、均匀性等信息转换成数字信号，并与数据库中的标准样品进行比对，从而做出判断和筛选，并将结果反馈给现场工作的设备和检测人员。相比于人工检测与筛选，机器视觉大大提高了样品检测的准确性和生产效率，并在一些不适合人工作业的危险环境中发挥着重要作用。机器视觉的应用越来越广泛。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于机器视觉的，快速、高效、无损的钙钛矿薄膜质量检测装置及方法，解决了现有微观检测和常规光谱检测钙钛矿薄膜所带来的测试昂贵、耗时长、不利于工业化生产的问题，同时，能够在不损伤钙钛矿薄膜的前提下，对其反应程度进行判断，大大提高了检测效率和检测的准确性。
本发明是这样实现的，提供一种基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测装置，包括带灯罩的无影光源、工业相机、集成支架以及控制中心，所述灯罩通过灯罩固定架固定在集成支架上，所述工业相机通过相机固定架固定在集成支架上，所述灯罩固定架与相机固定架在集成支架上的高低位置分别可调，在所述灯罩的底部设置载样板，含有钙钛矿薄膜的待检测的样件正面朝上地放置在载样板上，所述无影光源对样件进行照射；在所述灯罩的顶部设置观察窗口，所述工业相机透过观察窗口对样件进行拍摄，所述工业相机与控制中心相互进行数据连接，在所述控制中心内设置了图像处理单元用于将工业相机拍摄的图像与已保存在控制中心数据库中的标准图像进行比对和判断。
进一步地，在所述载样板上设置了镂空孔，所述待检测的样件正面朝上放置在镂空孔的位置上。
进一步地，所述无影光源包括穹顶光源、环形光源、碗形光源、桶形光源、四面可调光源、四边形漫反射无影光源、跑道形漫反射光源中的至少任意一种，或者是以上光源间相互组合后的组合型光源。
进一步地，所述无影光源为穹顶光源与环形光源的组合型光源，所述无影光源在穹顶光源灯罩内安装有若干排环形灯珠，所述每排环形灯珠与穹顶光源灯罩底部中心的连线与灯罩竖直轴线的夹角范围为15°~75°。
进一步地，所述无影光源包括LED灯、卤钨灯、荧光灯中的任意一种的灯珠，所述无影光源的总照度大于1000 lx。
进一步地，所述工业相机包括CCD相机、CMOS相机、数码相机中任意一种，其拍摄像素在100万以上。
进一步地，在所述灯罩的内壁涂有漫反射涂层。
进一步地，所述集成支架设有底座和支撑柱，所述灯罩固定架与相机固定架分别设置在支撑柱上，所述底座表面颜色为黑色，所述载样板的表面颜色为黑色。
本发明是这样实现的，提供一种基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测方法，其采用如前所述的基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测装置，包括以下步骤：
第一步，首先将带无影光源的灯罩及工业相机分别安装在集成支架的合适位置，将含有钙钛矿薄膜的待检测的样件正面朝上地放置在载样板上，调节工业相机的高度直至其焦距对准待检测样件的表面位置；
第二步，利用控制中心的图像处理单元控制工业相机对待检测样件进行拍照，并将拍摄的照片直接传输至控制中心；
第三步，控制中心的图像处理单元将工业相机拍摄的图像与已保存在控制中心数据库中的标准图像进行比对和判断，并给出样件表面的钙钛矿薄膜的质量好坏的判断。
与现有技术相比，本发明的基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测装置及方法，首先将含有钙钛矿薄膜的待检测的样件正面朝上地放置于载样板上，然后将载样板置于无影光源的底部进行打光，在无影光源的灯罩顶部预留有观察窗口，供位于其正上方的工业相机进行拍照，工业相机将拍摄的照片通过数据线直接传输至控制中心，并通过图像处理单元进行分析，图像处理单元将刚拍摄出的钙钛矿薄膜照片与数据库中保存的标准钙钛矿薄膜照片进行比对，通过分析色差、均匀性、缺陷态等指标的偏差率判断此片钙钛矿薄膜质量的好坏，从而达到对钙钛矿薄膜进行快速、有效、无损的检测和筛选。本装置既可单独作为一种钙钛矿薄膜质量检测装置，也可整合到钙钛矿电池组件的生产线中，作为生产线的一个检测模块使用。
附图说明
图1为本发明的基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测装置一较佳实施例的平面示意图；
图2是图1中无影光源一较佳实施例的剖面图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参照图1和图2所示，本发明基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测装置的较佳实施例，包括带灯罩1的无影光源12、工业相机2、集成支架3以及控制中心4。
所述集成支架3设有底座5和支撑柱6，支撑柱6固定在底座5上，保证整个装置的稳定性。所述底座5表面颜色为黑色。所述黑色的底座5作为检测样件11拍照时的背底，减少其他颜色背底对照射光的反射。所述灯罩1通过灯罩固定架7固定在支撑柱6上。所述工业相机2通过相机固定架8固定在支撑柱6上。所述灯罩固定架7与相机固定架8在支撑柱6上的高低位置分别可调。
采用无影光源进行照射，最大程度地展现样件11的真实状态。所述无影光源12包括穹顶光源、环形光源、碗形光源、桶形光源、四面可调光源、四边形漫反射无影光源、跑道形漫反射光源中的至少任意一种，或者是以上光源间的相互组合后的组合型光源。所述无影光源12包括LED灯、卤钨灯、荧光灯中的任意一种的灯珠，所述无影光源的总照度大于1000 lx。采用无影光源是为了在拍摄样件时提供一个全方位、高亮度、均匀无反光的照明环境，可全面反映检测样件的真实状态，便于图像处理单元的比对和筛选。
本实施例中，所述无影光源12是由穹顶光源和环形光源组合在一起的组合型光源，如附图2所示。所述无影光源12在穹顶光源灯罩1内安装有若干排环形灯珠13。通过在穹顶光源灯罩1内安装若干排环形灯珠13，一方面利用穹顶光源全区域、无死角、均匀光线照射的优点，另一方面利用环形光源加强光线照度，实现光线补偿，使得工业相机2在拍摄检测样件11时有一个高亮、均匀的照明环境。其中，环形灯珠13与检测样件11的中心的连线和灯罩1的竖直轴线的夹角α取值范围为15°-75°，如此设计可实现对灯罩1底部区域的照明效果最好。因为当夹角α小于15℃时，环形灯珠13的光斑将进入检测区域，光源发出的光线将直接反射进工业相机2中，遮挡了检测样件11的真实信息；当夹角α大于75℃时，光源射出的大部分光线无法打在检测样件11上，无法起到打光的作用。
优选地，在穹顶光源灯罩1内安装有三排环形灯珠13，其中，最上面一排环形灯珠13的夹角为α1，中间一排环形灯珠13的夹角为α2，最下面一排环形灯珠13的夹角为α3，α1=30°、α2=45°、α3=60°。本实施例中的无影光源环形灯珠13优选白光LED灯珠，照度在10000-50000 lx。无影光源12也可换成手持式单光源的强光LED灯，只要保证照射检测样件11的光线与样件竖直轴线的夹角在15°至75°范围也能基本实现上述拍照效果。
所述工业相机2与控制中心4通过数据线14相互进行数据连接。在所述控制中心4内设置了图像处理单元用于将工业相机2拍摄的实时图像与已保存在控制中心4数据库中的标准图像进行比对和判断。所述工业相机2包括CCD相机、CMOS相机、数码相机中任意一种，其拍摄像素在100万以上。本实施例中，工业相机2采用CMOS相机，其拍摄静态物体的效果较好，且性价比高，像素不低于1000万。
所述控制中心4数据库中的标准钙钛矿薄膜照片是通过性能更高的器件的钙钛矿薄膜照片不断替换已有照片的方式进行更新，因此适用于不同成分和不同制备方法得到的钙钛矿薄膜的质量检测。
在所述灯罩1的顶部设置观察窗口9，便于样件的漫反射光线进入工业相机2的镜头，从而实现拍摄，光线如图1中长线箭头所示。在所述灯罩1的底部设置载样板10。在所述灯罩1的内壁涂有漫反射涂层，用以使光线发生多次和多角度的反射，增强无影照明效果，发射光线如图1中短线箭头所示。所述载样板10的表面颜色为黑色，可减少对照射光线的反射，降低对样件11的漫反射光线的干扰。灯罩1底部预留有卡口，便于载样板10的取放。
在所述载样板10上设置了与样件尺寸一致的镂空孔，含有钙钛矿薄膜的待检测的样件11正面朝上地放置在载样板10的镂空孔上，以防钙钛矿薄膜受损。样件正面朝上中的正面是指钙钛矿太阳能电池的入光面，即导电玻璃一面，而制备有钙钛矿薄膜的一面为背面。所述工业相机2透过观察窗口9对样件11进行拍摄，并将拍摄的照片通过数据线14直接传输至控制中心4，控制中心4中的图像处理软件将工业相机2拍摄的照片与数据库中标准钙钛矿薄膜照片进行比对，得到所检测样品在色差、均匀性、缺陷态等指标上的偏差率，同时在图像处理软件上显示合格或不合格的结果，以此来判断此片钙钛矿薄膜质量的优良，完成检测。最终，合格的钙钛矿薄膜将送入下一道电池制作工序，不合格的薄膜将进行二次反应或直接剔除。
待检测的样件11所含有的钙钛矿薄膜包括一步溶液法、两步溶液法、多源共蒸发法、化学气相沉积法、近场蒸发法等方法制备得到。在钙钛矿薄膜材料ABX3中，其中A为甲胺（CH3NH3+、MA）、甲脒（CH3(NH2)2 +、FA）、铯（Cs+）、铷（Rb+）中的任意一种；B为铅（Pb2+）、锡（Sn2 +）、锗（Ge2+）中的任意一种；X为氯（Cl-）、溴（Br-）、碘（I-）中的任意一种。
本发明还公开一种基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测方法，其采用如前所述的基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测装置，包括以下步骤：
第一步，首先将带无影光源的灯罩1及工业相机2分别安装在集成支架3的合适位置，将含有钙钛矿薄膜的待检测的样件11正面朝上地放置在载样板10上，并将载样板10置于灯罩1的底部进行打光，调节工业相机2的高度直至其焦距对准待检测样件11的表面位置。
第二步，利用控制中心4的图像处理单元控制工业相机2对待检测样件11进行拍照，并将拍摄的照片通过数据线实时地直接传输至控制中心4。
第三步，控制中心4的图像处理单元将工业相机2拍摄的实时图像与已保存在控制中心4数据库中的标准图像进行比对，得到所检测样品在色差、均匀性、缺陷态等指标上的偏差率，并对偏差进行直接判断，得出样件11表面的钙钛矿薄膜的质量合格已否的判断，完成检测。最终，合格的钙钛矿薄膜将送入下一道电池制作工序，不合格的薄膜将进行二次反应或直接剔除。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测装置，包括带灯罩的无影光源、工业相机、集成支架以及控制中心，其特征在于，所述灯罩通过灯罩固定架固定在集成支架上，所述工业相机通过相机固定架固定在集成支架上，所述灯罩固定架与相机固定架在集成支架上的高低位置分别可调，在所述灯罩的底部设置载样板，含有钙钛矿薄膜的待检测的样件正面朝上地放置在载样板上，所述无影光源对样件进行照射；在所述灯罩的顶部设置观察窗口，所述工业相机透过观察窗口对样件进行拍摄，所述工业相机与控制中心相互进行数据连接，在所述控制中心内设置了图像处理单元用于将工业相机拍摄的图像与已保存在控制中心数据库中的标准图像进行比对和判断。
2.如权利要求1所述的基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测装置，其特征在于，在所述载样板上设置了镂空孔，所述待检测的样件正面朝上放置在镂空孔的位置上。
3.如权利要求1所述的基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测装置，其特征在于，所述无影光源包括穹顶光源、环形光源、碗形光源、桶形光源、四面可调光源、四边形漫反射无影光源、跑道形漫反射光源中的至少任意一种，或者是以上光源间相互组合后的组合型光源。
4.如权利要求3所述的基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测装置，其特征在于，所述无影光源为穹顶光源与环形光源的组合型光源，所述无影光源在穹顶光源灯罩内安装有若干排环形灯珠，所述每排环形灯珠与穹顶光源灯罩底部中心的连线与灯罩竖直轴线的夹角范围为15°~75°。
5. 如权利要求1所述的基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测装置，其特征在于，所述无影光源包括LED灯、卤钨灯、荧光灯中的任意一种的灯珠，所述无影光源的总照度大于1000 lx。
6.如权利要求1所述的基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测装置，其特征在于，所述工业相机包括CCD相机、CMOS相机、数码相机中任意一种，其拍摄像素在100万以上。
7.如权利要求1所述的基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测装置，其特征在于，在所述灯罩的内壁涂有漫反射涂层。
8.如权利要求1所述的基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测装置，其特征在于，所述集成支架设有底座和支撑柱，所述灯罩固定架与相机固定架分别设置在支撑柱上，所述底座表面颜色为黑色，所述载样板的表面颜色为黑色。
9.一种基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测方法，其特征在于，其采用如权利要求1至8中任意一项所述的基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量检测装置，包括以下步骤：
第一步，首先将带无影光源的灯罩及工业相机分别安装在集成支架的合适位置，将含有钙钛矿薄膜的待检测的样件正面朝上地放置在载样板上，调节工业相机的高度直至其焦距对准待检测样件的表面位置；
第二步，利用控制中心的图像处理单元控制工业相机对待检测样件进行拍照，并将拍摄的照片直接传输至控制中心；
第三步，控制中心的图像处理单元将工业相机拍摄的图像与已保存在控制中心数据库中的标准图像进行比对和判断，并给出样件表面的钙钛矿薄膜质量好坏的判断。
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