CN111146109A - 一种检测系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种检测系统，包括阵列式光学取像装置、影像处理与检测装置、定位线性滑台装置、影像资料备份装置和人机界面装置等装置，适合于CIGS薄膜太阳能板的在线自动光学测试，于P3机械划线制造后，进行后续一系列的步骤，对生产在线的每片太阳能板都能进行数字化处理，快速且精确地完成相关的检测分析，整个作业总时间能够控制在60秒以内，完全符合生产线的检测速度要求，降低了次级品与不良品的数量，大幅提升制造合格率。

Description

一种检测系统

技术领域

本发明涉及检测领域，更具体地讲，涉及一种应用于CIGS薄膜太阳能电池的检测系统。

背景技术

随着经济社会的发展，人们对能源的需求也与日俱增，由于常规化石能源如煤炭、石油和天然气储量有限，且使用过程中产生大量的温室气体，污染环境，因此，发展利用新的清洁能源就成为解决常规能源乏，环境污染的主要途径。

众所周知的，太阳能是一种取之不尽的干净能源，在现今及未来的发展历程中，太阳能是不可或缺的极为重要关键能源之一。由于太阳能取之不尽用之不竭，清洁无污染，是未来最理想最可持续的可再生能源。太阳能的利用目前主要包括光热和光电转换两个方面，而光电转化是利用太阳电池把光能直接转换为电能，可以大大方便人们日常应用，此外，太阳电池还具有安全无污染、不受地域限制、维护方便和使用寿命长等诸多优点，广泛应用于航天、通讯、军事、交通等诸多领域。

太阳能电池是作为光电能源转换的重要基本组件，而光电转换效率与制造成本是最重要的两大关键因素。CIGS薄膜太阳能电池可以节省大量原料又具挠性特性，宽广的吸收光谱范围与18%以上的光电转换效率，被认为具有很好的发展潜力。CIGS薄膜太阳能电池在生产制造中会经过3道划线制作程序，包括激光划线与机械划线，但可能出现划线的线宽或线距的变化，划线扭曲，划线深度不足或崩裂等等不良现象。传统抽样脱机检查已不能符合现今量产需求，急需能与产线制造结合的在线全检系统，因此，发明一种光学取像装置与检测系统，作为CIGS薄膜太阳能电池加工过程中的在线全检自动光学检测系统十分有必要。

发明内容

因此，针对现有技术上存在的不足，提供本发明的示例以基本上解决由于相关领域的限制和缺点而导致的一个或更多个问题，安全性和可靠性大幅度提高，有效的起到保护设备的作用。

按照本发明提供的技术方案，本发明公开的检测系统包括阵列式光学取像装置、影像处理与检测装置、定位线性滑台装置、影像资料备份装置和人机界面装置；阵列式光学取像装置用于获取CIGS薄膜太阳能板的解像力影像，阵列式光学取像装置包括多组光学取像模组；影像处理与检测装置包括多个工业计算机，工业计算机的数量与光学取像模组的数量相同并一一对应，光学取像模组通过传输线与对应的工业计算机相连；定位线性滑台装置用于CIGS薄膜太阳能板的定位和往复运动；影像资料备份装置通过传输线与影像处理与检测装置相连，影像资料备份装置包括磁盘阵列储存设备，磁盘阵列储存设备用于将工业计算机存储的数据备份；人机界面装置提供图形化的系统操作界面，显示最终的CIGS薄膜太阳能板的检测分析结果。

进一步的，光学取像模组包括线性单色相机、镜头、镜筒、调焦环，每组光学取像模组获取的长条幅影像能够分割成多个影响段，光学取像模组上还设有调整滑台，调整滑台能够对光学取像模组的位置进行微调。

进一步的，阵列式光学取像装置还包括线性LED光源，线性LED光源的数量与光学取像模组的数量相同并一一对应，线性LED光源的外部为同轴光源的架构，内置玻璃材质的棱镜，棱镜具有镀膜，镀膜的折、反射系数均为50。

进一步的，阵列式光学取像装置还包括支撑体，支撑体包括主结构支撑件和背部支撑件，主结构支撑件具有上板和下板，其中上板用于固定光学取像模组，下板用于固定线性LED光源，上板和下板之间通过2支铝型材固定连接，主结构支撑件通过多个L型角件与背部支撑件相连。

进一步的，阵列式光学取像装置能够在电动驱动马达的作用下进行位置的调整，电动驱动马达包括Y轴驱动马达和Z轴驱动马达。

进一步的，每个工业计算机内均设有影像采集卡，影像采集卡通过传输线与对应的光学取像模组相连。

进一步的，检测系统还包括机械手臂，机械手臂上真空吸附夹具。

本发明还公开了一种CIGS薄膜太阳能电池的自动光学检测方法。

本发明的测试系统包括阵列式光学取像装置、影像处理与检测装置、定位线性滑台装置、影像资料备份装置和人机界面装置等装置，适合于CIGS薄膜太阳能板的在线自动光学测试，于P3机械划线制造后，进行后续一系列的步骤，对生产在线的每片太阳能板都能进行数字化处理，快速且精确地完成相关的检测分析，整个作业总时间能够控制在60秒以内，完全符合生产线的检测速度要求，降低了次级品与不良品的数量，大幅提升制造合格率。

附图说明

图1为本发明的CIGS薄膜太阳能电池结构示意图。

图2为本发明的CIGS薄膜太阳能电池制造工艺示意图。

图3为本发明的检测系统示意图。

图4为本发明的检测系统工作示意图。

图5为本发明的光学取像模组示意图。

图6为本发明的主结构支撑件示意图。

图7为本发明的电池检测工序示意图。

图8-11为本发明的太阳能板检测影像示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

早期太阳能发展以单晶硅为主，其后扩展至多晶硅、非晶硅与化合物半导体等等材料。而薄膜式太阳能电池因为可以节省大量原材料又具有可挠的特性，因此被认为具有很大的发展潜力。其中CIGS薄膜具有350nm-1200nm广范围的吸收光谱 (大于硅材吸收光谱范围) 与高光吸收系数，所以只需薄薄一层微米厚度，就有良好的吸收率，非常适合用作薄膜太阳能电池中的吸收层，而它的光电转换效率可达18%以上。CIGS薄膜太阳能电池的结构示意如图1，由下而上，分别为基板、金属钼(Mo)背电极、CIGS吸收层、缓冲层以及透明导电薄膜。CIGS薄膜太阳能的制造工艺如图2所示，先以玻璃作基板，镀上一层钼，接着以激光线将钼层划开，再依序沉积CIGS吸收层与缓冲层，然后以机械划线方式将吸收层与缓冲层划开，然后沉积透明导电薄膜，再一次进行机械划线方式将其划开，最后进行封装并接上正负极，即可完成CIGS电池的制造。在生产制造中，共经过3道划线程序，第一道激光划线程序(简称P1)，第二道机械划线程序(简称P2)及第三道机械划线程序(简称P3)。使用机械划线机进行划线程序，划刀成多组式排列，实际生产过程中，在线进行机械划线程序时，容易出现以下情况，如划线的间隔逐渐变宽或变窄，划线的线宽不均，划线深度过深或不足，划线线条扭曲及划线边缘崩裂等等。以人工抽样方式脱机进行局部显微检测会导致检测时间冗长且抽样代表性不足，对于大型太阳能板只能作局部观测无法检视全貌。因为太阳能板制造上造成的划线误差或瑕疵，无法实时得知，不能立即采取相对应措施来进行制造调整或改善，不能有效率的降低次级品或不良品的数量，当然更无法提前进行参数调整以预防即将发生的误差。因此，迫切需要一种能够快速、精确且全面检测的技术与生产线结合以协助太阳能板的质量监控。

本发明的自动光学检测系统具有速度快、重现性高及失误率低等特性，可以导入CIGS薄膜太阳能电池的生产制程中。

具体的，本发明涉及的CIGS薄膜太阳能电池的在线自动光学检测系统主要由以下几个装置所组成，包括阵列式光学取像装置、影像处理与检测装置、定位线性滑台装置、影像资料备份装置和人机界面装置等等，系统组成图如图3所示，以下分别说明各个装置的主要功能。

阵列式光学取像装置

本装置的作用在能快速获取CIGS太阳能板的高解像力影像，是整个检测系统的关键装置与核心之一。本装置包括4组相同配置的光学取像模块，光学取像模组包括16K高像素的线性单色相机、高分辨率工业用镜头、镜筒、调焦环。每组光学取像模块获取的长条幅影像可依据硬件规格与图像处理速度要求，再分割成数个图像文件，本发明中分割成4个图像文件以方便后续计算处理。本发明的检测系统要求单片太阳能板的影像获取作业需在20秒内完成。

本发明的阵列式光学取像装置在生产在线时，要全时处于运转状态，整套装置的稳定性与使用效率非常重要。该阵列式光学取像装置还包括线性LED光源，线性LED光源的数量与光学取像模组的数量相同并一一对应，线性LED光源由于尺寸及重量等因素，需要与光学取像模组是分开设置。线性LED光源是采用外同轴光源架构，内置玻璃材质的棱镜，棱镜上的镀膜具有50-50的折反射系数。每支光学取像模组上还设有调整滑台，调整滑台能够对光学取像模组的位置进行微调。因为希望得到最大的照度，所以将线型光源的位置摆放在靠近太阳能板的正上方，这是因为受检物的照度会随着与光源的距离平方成反比。阵列式光学取像装置能够在电动驱动马达的作用下进行位置的调整，电动驱动马达包括Y轴驱动马达和Z轴驱动马达，也就是说，阵列式光学取像装置可以进行Y-Z轴的粗调整， Y轴调整作为配合上方的取像模块，Z 轴调整作为改变与太阳能板的距离。阵列式光学取像装置还包括支撑体，支撑体包括主结构支撑件和背部支撑件，将主结构支撑件具有类似工字型结构，如图6所示，主结构支撑件具有上板和下板，其中上板用于固定光学取像模组，下板用于固定线性LED光源，组装上不仅方便做调整，同时达到减轻重量的目的，上板和下板之间通过2支铝型材固定连接，主结构支撑件通过多个L型角件与背部支撑件相连，该背部支撑件正中央上方留有缺口供作Y轴驱动马达和Z轴驱动马达维修用。

需要指出的是，太阳能板是由机械手臂抓取后放置在定位线性滑台装置上，以线性马达带动定位线性滑台装置进行往复运动并同时进行光学扫描，之后再由机械手臂抓取后移出滑台，因此，可以利用太阳能板随定位线性滑台装置上往复来回一次的特性，规划由同一台线扫描相机进行2次扫描，则取像的相关硬件建置成本可以减半，硬件成本大幅减少，光学取像模组规划如图5所示，编号#1-#4代表4组光学取像模组，而编号#1'-#4'代表4组光学取像模块移动到新的位置进行同一片太阳能板的第2次扫描。

影像处理与检测装置

影像处理与检测装置包括多个工业计算机(IPC)，工业计算机的数量与光学取像模组的数量相同并一一对应，光学取像模组通过传输线与所述的工业计算机相连，每个工业计算机内均设有影像采集卡，每组光学取像模块所获取的高解像力数字影像通过影像采集卡先储存于所对应工业计算机的内存中，例如编号第1组的光学取像模块有对应数据储存的编号1的IPC，依序共有编号2、3、4等共4台IPC，然后将影像数据另储存至IPC内的磁盘装置中。4 台IPC同时进行图像处理与检测作业，每台IPC均配置多核心双 CPU及大容量RAM，以满足上述多任务处理程序。影像处理与检测装置内的检测分析软件主要功能为读取各IPC中RAM所暂存经分割过的条幅影像，依据所订的检测项目，以检测算法来进行分析与辨识，如线宽尺寸或瑕疵尺寸及位置等等信息，储存于各IPC中后再进行传送至人机界面装置。

定位线性滑台装置

定位线性滑台装置用于CIGS薄膜太阳能板的定位于往复运动，真空吸附与精密线性往复运动等功能以及阵列式光学取像装置的精密双轴向 (Y-Z轴) 线性运动，定位线性滑台装置的运动行程范围至少需涵盖可取得整片太阳能板的数字影像。

影像资料备份装置

影像资料备份装置配置一组高储存容量的磁盘阵列储存设备，容量可达80TB以上，设定可以手动或定时自动方式将4台IPC数据备份至磁盘阵列中，并定时清除原IPC内硬盘数据，以便空出硬盘空间储存后续的太阳能板的数字影像数据。

人机界面装置

人机界面装置（Host-IPC）主要功能为提供图形化的系统操作接口，便利操作人员进行系统管理、参数设定、流程控制、监控、数据显示及异常状况处理等等。由Host-IPC显示最终太阳能板的分析结果，例如线宽值、线距值、瑕疵面积与等级分类、瑕疵所在位置标示等等。

本申请的CIGS薄膜太阳能电池的自动光学检测方法包括如下步骤：

A）. 组装阵列式光学取像装置：先将Y轴驱动马达和Z轴驱动马达的传动轴固定在背部支撑件，其次通过多个L型角件将主结构支撑件固定在背部支撑件上，然后再分别将4 个光学取像模组依照顺序安装于主结构支撑件的上板上，再将4个线性LED光源依照顺序安装于主结构支撑件的下板上；

B）.校正光学取像模组：将校正片放置于一线性螺杆推动的平台上，将单个光学取像模组架设于平台正上方，调整电子快门时间后以定速度移动校正片通过镜头下方，将所得影像选取正中心附近10个圆点的距离，测量数据后与校正片上的规格数值做比对，推算出倍率，如果倍率值与实际不符，则调整调焦环的数值，重复上述操作，直至倍率值与实际相符；

C）. 调整光学取像模组的位置：将阵列式光学取像装置以Z轴驱动马达驱动，将第一组镜头的调整至指定的工作距离，进行取像分析，如果影像不清晰，则操作Z轴驱动马达使得阵列式光学取像装置上下微动，重复进行取像分析，直到影像清晰后停止；然后调整第二组镜头，此时Z轴驱动马达固定不动，操作调整滑台使得第二组镜头的位置进行微调，以所取得的影像作为分析判断，直到清晰后停止；依此方法，依序进行第三组镜头及第四组镜头的调整；最后，将四组镜头以连动方式进行取像，并定出每组镜头的景深范围，最终使四组镜头的连动取像都能消除外在因素的误差，得到全范围的清晰影像；

D）. 启动真空吸附夹具，将太阳能板吸附在机械手臂上，操作机械手臂带动太阳能板，将太阳能板置入定位线性滑台装置内；

E）.启动定位线性滑台装置，使得定位线性滑台装置带动太阳能板向阵列式光学取像装置运动；

F）. 定位线性滑台装置的移动触发阵列式光学取像装置，使得阵列式光学取像装置开始获取太阳能板的影像资料；

G）. 阵列式光学取像装置获取的太阳能板的影像资料传输至影像处理与检测装置的影像采集卡中，影像处理与检测装置的检测软件进行图像处理与测量辨识，分析数据储存，人机界面装置对数据进行显示；

H）.检测结束后，操作机械手臂到达指定位置，将太阳能板吸附在真空吸附夹具上，操作机械手臂将太阳能板移出。

本发明的阵列式光学取像装置所获取的薄膜太阳能板的数字影像数据，经由数字图像处理后所要进行的检测分析项目主要有机械划线P2、P3的线宽、P2、P3的线距、 P3与相邻P2的总宽度以及镀膜和机械划线的瑕疵辨识等等。

镀膜制作的瑕疵辨识

镀膜制作上的瑕疵，主要为镀膜剥落或是微粒附着，此二者在自动光学检测影像上所呈现的形貌十分类似，在主要电池区块中，突然呈现出不规则形状的明亮小区块。因为CIGS电池的划线是规则性的，所以可以容易地定义出非划线区域作为影像分析用的ROI，再以门坎值找出较亮的像素点集合并加以链接定义出各别瑕疵的面积以及重心位置，如图8(a)、(b)所显示。此外，在人机界面装置的屏幕上显示出镀膜瑕疵的所在位置，如图9所示，大矩形区块代表整片太阳能板的面积，坐标XY轴原点定义在太阳能板左上角位置，将影像分析过后的镀膜瑕疵以小方块标示于太阳能板上，可供操作了解镀膜区域的质量状态。

机械划线的瑕疵辨识

当进行P3机械划线时，若P3线与P2线的位置十分靠近时，则容易产生崩裂现象，在数字影像上可见 P3线的两侧，特别是靠近P2线的一侧容易出现不规则区块的亮带，此称之为P3划线崩裂，如图10与图11的左侧原始数字影像所显示。同样地，以影像分析进行辨识，如图10及图11的右侧影像中区块代表ROI，指示部分显示崩裂的所在，并同时计算崩裂瑕疵的面积、重心位置以及数量等等信息。

测量分析

测量分析项目主要有P2、P3线宽，P2、P3线距，P2与相邻P3总宽度等，均以平均值±标准偏差作为表示。凡超出范围值区域，均以显著字体于人机界面装置的屏幕中显示。

在完成机械划线P3制程后以机械手臂将太阳能电池板加载到精密定位线性滑台装置上，利用光学取像装置以高速度对太阳能板进行数字取像和影像分析。因为自动光学检测处理速度够快故可配合产线流程，对生产在线的每一片太阳能板都记录唯一的生产编号，经过自动光学检测处理后的检测信息 (如划线线宽、线距，镀膜瑕疵等) 均储存于磁盘阵列中，可以随时通过人机接口软件显示在人机界面装置的屏幕上，还可设定当自动光学检测系统检测出重大误差或瑕疵时，系统可发出警报，提醒相关人员进行相对应的处理措施，有效提升CIGS薄膜太阳能电池的质量与生产率。

本发明的系统适合于CIGS薄膜太阳能板的在线自动光学测试，于P3机械划线制造后，进行后续一系列的步骤，对生产在线的每片太阳能板都能进行数字化处理，快速且精确地完成相关的检测分析，整个作业总时间能够控制在60秒以内，完全符合生产线的检测速度要求，有此丰富的数字信息，可以连续监控制造中镀膜区域与划线的质量。当发现重大异常质量警示时，相关人员可以立即采取适当的处置，或调整工艺上的参数，或更换必要的工具或进行必要的检修等等，以降低次级品与不良品的数量，大幅提升制造合格率。

本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种检测系统，所述的检测系统包括阵列式光学取像装置、影像处理与检测装置、定位线性滑台装置、影像资料备份装置和人机界面装置；其特征在于，所述的阵列式光学取像装置用于获取CIGS薄膜太阳能板的解像力影像，所述的阵列式光学取像装置包括多组光学取像模组；所述的影像处理与检测装置包括多个所述的工业计算机，所述的工业计算机的数量与所述的光学取像模组的数量相同并一一对应，所述的光学取像模组通过传输线与对应的所述的工业计算机相连；所述的定位线性滑台装置用于所述的CIGS薄膜太阳能板的定位和往复运动；所述的影像资料备份装置通过传输线与所述的影像处理与检测装置相连，所述的影像资料备份装置包括磁盘阵列储存设备，所述的磁盘阵列储存设备用于将所述的工业计算机存储的数据备份；所述的人机界面装置提供图形化的系统操作界面，显示最终的所述的CIGS薄膜太阳能板的检测分析结果。

2.根据权利要求1所述的一种检测系统，其特征在于，所述的光学取像模组包括线性单色相机、镜头、镜筒、调焦环，每组所述的光学取像模组获取的长条幅影像能够分割成多个影像段，所述的光学取像模组上还设有调整滑台，所述的调整滑台能够对所述的光学取像模组的位置进行微调。

3.根据权利要求1所述的一种检测系统，其特征在于，所述的阵列式光学取像装置还包括线性LED光源，所述的线性LED光源的数量与所述的光学取像模组的数量相同并一一对应，所述的线性LED光源的外部为同轴光源的架构，内置玻璃材质的棱镜，所述的棱镜具有镀膜，所述的镀膜的折、反射系数均为50。

4.根据权利要求1所述的一种检测系统，其特征在于，所述的阵列式光学取像装置还包括支撑体，所述的支撑体包括主结构支撑件和背部支撑件，所述的主结构支撑件具有上板和下板，其中上板用于固定所述的光学取像模组，下板用于固定所述的线性LED光源，所述的上板和下板之间通过2支铝型材固定连接，所述的主结构支撑件通过多个L型角件与所述的背部支撑件相连。

5.根据权利要求1所述的一种检测系统，其特征在于，所述的阵列式光学取像装置能够在电动驱动马达的作用下进行位置的调整，所述的电动驱动马达包括Y轴驱动马达和Z轴驱动马达。

6.根据权利要求1所述的一种检测系统，其特征在于，每个所述的工业计算机内均设有影像采集卡，所述的影像采集卡通过传输线与对应的所述的光学取像模组相连。

7.根据权利要求1所述的一种检测系统，其特征在于，所述的检测系统还包括机械手臂，所述的机械手臂上真空吸附夹具。

8.一种CIGS薄膜太阳能电池的自动光学检测方法，所述的自动光学检测方法由权利要求1-7中任意一项所述的检测系统完成，其特征在于，所述的CIGS薄膜太阳能电池的自动光学检测方法包括如下步骤：

A）. 组装阵列式光学取像装置：先将Y轴驱动马达和Z轴驱动马达的传动轴固定在背部支撑件，其次通过多个L型角件将主结构支撑件固定在背部支撑件上，然后再分别将4个光学取像模组依照顺序安装于主结构支撑件的上板上，再将4个线性LED光源依照顺序安装于主结构支撑件的下板上；

B）.校正光学取像模组：将校正片放置于一个线性螺杆推动的平台上，将单个光学取像模组架设于平台正上方，调整电子快门时间后以定速度移动校正片通过镜头下方，将所得影像选取正中心附近10个圆点的距离，测量数据后与校正片上的规格数值做比对，推算出倍率，如果倍率值与实际不符，则调整调焦环的数值，重复上述操作，直至倍率值与实际相符；

C）. 调整光学取像模组的位置：将阵列式光学取像装置以Z轴驱动马达驱动，将第一组镜头的调整至指定的工作距离，进行取像分析，如果影像不清晰，则操作Z轴驱动马达使得阵列式光学取像装置上下微动，重复进行取像分析，直到影像清晰后停止；然后调整第二组镜头，此时Z轴驱动马达固定不动，操作调整滑台使得第二组镜头的位置进行微调，以所取得的影像作为分析判断，直到清晰后停止；依此方法，依序进行第三组镜头及第四组镜头的调整；最后，将四组镜头以连动方式进行取像，并定出每组镜头的景深范围，最终使四组镜头的连动取像都能消除外在因素的误差，得到全范围的清晰影像；

D）. 启动真空吸附夹具，将太阳能板吸附在机械手臂上，操作机械手臂带动太阳能板，将太阳能板置入定位线性滑台装置内；

E）.启动定位线性滑台装置，使得定位线性滑台装置带动太阳能板向阵列式光学取像装置运动；

F）. 定位线性滑台装置的移动触发阵列式光学取像装置，使得阵列式光学取像装置开始获取太阳能板的影像资料；

G）. 阵列式光学取像装置获取的太阳能板的影像资料传输至影像处理与检测装置的影像采集卡中，影像处理与检测装置的检测软件进行图像处理与测量辨识，分析数据储存，人机界面装置对数据进行显示；

H）.检测结束后，操作机械手臂到达指定位置，将太阳能板吸附在真空吸附夹具上，操作机械手臂将太阳能板移出。

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