CN116256373B - 一种钙钛矿电池薄膜表面缺陷检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钙钛矿电池薄膜表面缺陷检测的方法，包括：电池薄膜运动编码器获取到运动信号；所述编码器向光源控制器发送脉冲信号；所述光源控制器发送逻辑控制信号使多个光源分步频闪，同时给相机发送触发信号，使相机与频闪的光源同时工作；所述相机循环拍摄所有行数的图像，检测所述图像，得出检测结果；其中，多个光源照射不同角度，使所述相机拍摄到不同角度光源下的成像；该钙钛矿电池薄膜表面缺陷检测的方法，解决了钙钛矿电池薄膜表面缺陷精确差的问题；通过设置光源控制器的频闪控制逻辑参数控制每条光源的点亮顺序，设置光源控制器的逻辑输出外部触发信号控制相机进行分时曝光，光源同时点亮，实现了高质量图像输出。

Description

一种钙钛矿电池薄膜表面缺陷检测的方法

技术领域

本发明属于钙钛矿视觉检测技术领域，具体涉及一种钙钛矿电池薄膜表面缺陷检测的方法。

背景技术

钙钛矿电池具备原料丰富、制备成本低、光电转换效率高等优势，是目前最具产业前景的新型薄膜太阳能电池，经过多年发展，钙钛矿电池已经成为目前效率最高的薄膜电池，也是现阶段效率最高的柔性薄膜电池；

但是随着尺寸的增加钙钛矿太阳能电池的性能就会下降，因为电池的制造方式造成了纳米级的表面缺陷，并且小凹凸缺陷数量增加，每平方厘米产生的太阳能量就会减少；

现有的表面缺陷检测方法为人工检测，效率不高，对于不同角度和面积小的缺陷，肉眼无法观测，人工检测质量不稳定，并且检测缺陷的尺寸精度达不到要求，因此，需要研发一种新的钙钛矿电池薄膜表面缺陷检测的方法来解决现有的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钙钛矿电池薄膜表面缺陷检测的方法，以解决薄膜表面缺陷检测精度不高的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种钙钛矿电池薄膜表面缺陷检测的方法，包括：

电池薄膜运动使编码器获取到运动信号；

所述编码器向光源控制器发送脉冲信号；

所述光源控制器发送逻辑控制信号使多个光源分步频闪，同时给相机发送触发信号，使相机与频闪的光源同时工作；

所述相机循环拍摄所有行数的图像，检测所述图像，得出检测结果；其中，多个光源照射不同角度，使所述相机拍摄到不同角度光源下的成像。

优选的，所述光源包括：第一光源、第二光源、第三光源、第四光源；

所述光源控制器发送逻辑控制信号使第一光源频闪，同时给相机发送触发信号，使相机与第一光源同时工作；

所述光源控制器发送逻辑控制信号使第二光源频闪，同时给相机发送触发信号，使相机与第二光源同时工作；

所述光源控制器发送逻辑控制信号使第三光源频闪，同时给相机发送触发信号，使相机与第三光源同时工作；

所述光源控制器发送逻辑控制信号使第四光源频闪，同时给相机发送触发信号，使相机与第四光源同时工作。

优选的，所述相机总行频选择的方法包括：

计算相机的总行频数据，单个光源的行频=运动速度/单像素精度，所述相机的总行频需大于单个光源的行频*光源数量；

所述相机的镜头的选择包括：

计算镜头的焦段以及放大倍率，所述镜头的焦段根据拍摄视野、相机的芯片尺寸和物距来进行计算，焦距f=wd*ccd/fov，其中：wd为拍摄视野，ccd为芯片尺寸，fov为物距，所述镜头的放大倍率=芯片像元大小/单像素精度,根据计算结果选择最为接近焦距和放大倍率的镜头。

优选的，根据缺陷的种类选择光源进行照射，所述缺陷的种类包括：凹点、凸点、划伤、崩角崩边、针孔、表面破损以及盒内异物，具体的选择方法为：

若缺陷为凹点凸点则使用暗场明场来进行照射呈现，使用第一光源、第二光源进行照射；

若缺陷为针孔则使用下线光来进行照射呈现，使用第四光源进行照射；

若缺陷为盒内异物或表面破损则使用正面打光的方式来进行照射呈现，使用第三光源照射；划伤，崩角崩边使用第一光源、第二光源来进行照射成像；

其中，第一光源、第二光源、第四光源均为1100mm发光面的线性光源，第三光源为发光面110mm的同轴线性光源；

不同的光源角度下，不同缺陷的呈现会有不同，会更加明显或者微弱，所以选用多光源增加照射角度，以增加缺陷的检出率。

优选的，所述相机包括：第一相机、第二相机、第三相机以及第四相机；

所述第一相机与镜头固定安装在电池薄膜从左至右125mm、从下至上322mm处，且与电池薄膜成垂直90°状态；

根据成像要求的明场暗场的效果要求，确定第一光源为明场照射，调整第一光源与电池薄膜的夹角为55°-75°，与电池薄膜的距离为30mm-50mm；

确定第二光源为暗场照射，调整第二光源与电池薄膜的夹角为5°-35°，与电池薄膜的距离为30mm -70mm；

确定第三光源为同轴线扫光源，将第三光源与电池薄膜调整为平行成0°状态，与电池薄膜的距离为30mm -70mm；

确定第四光源为背面打光方式，将第四光源与电池薄膜调整成垂直状态，与电池薄膜的距离为30mm-70mm；

将第二相机安装在第一相机右侧255mm处，第三相机安装在第二相机右侧255mm处，第四相机安装在距离第三相机右侧255mm处。

优选的，所述编码器选择方法包括：

选择分辨率与脉冲信号数最接近的编码器，脉冲信号数=编码轮周长/检测精度，并将相机设置为2倍频；

选用辊径200mm的编码轮与编码器配合，根据检测精度0.032mm/pix来进行计算，编码器要满足一个周期内能够发送200/0.032=6250个脉冲信号，选择分辨率5000脉冲的编码器即可,根据纵向精度需要小于等于横向精度的原则来确定编码器的脉冲数量，再使用相机的驱动软件进行2倍频处理即5000*2=10000，纵向精度=200/10000=0.02mm/pix。

优选的，所述光源控制器的设置包括：

按照分频处理的数据设置分频参数进行设置，设置频闪阶梯照明参数，即软件内光源的曝光参数为30ms，将光源控制器显示的亮度参数调整至最大为255。

优选的，所述光源控制器和曝光值调整根据缺陷的图像灰度值确定；

第一光源：明场的缺陷呈现出黑色的状态，与正常区域的灰度值相差70-100以上；

第二光源：暗场的正常区域为黑色，缺陷为白色，缺陷与正常区域亮度的对比度需要相差245以上；

第三光源：缺陷是正常的灰度值120-150；

第四光源：针孔以及破损缺陷需要达到255，即亮度过曝的状态；

电池薄膜在辊轴表面运动的过程中，带动编码器进行转动，编码器每转动一圈即给光源控制器发送10000个脉冲信号，光源控制器在收到脉冲信号之后，控制四条光源的分时点亮，设置光源控制器的频闪控制逻辑参数控制每条光源的点亮顺序，通过设置光源控制器的逻辑输出外部触发信号控制相机进行分时曝光，光源同时点亮，确保对应的图像输出，最后细致调整各光源的亮度以及软件设置的曝光时间，保证图像的灰度值在正常标准的范围内。

优选的，检测所述图像的步骤如下：

利用计算机以及图像采集卡，对已经收集到的多行图像进行处理，合并在四个光源分时点亮的条件下采集的每行像素，输出四组在不同光源照射下的图像；

判断图像的清晰程度以及缺陷的对比度是否已满足检测软件的检测要求，如果不满足这个条件，调整镜头的调焦环直至满足，查看缺陷与正常区域部分的对比度以及图像的正常亮度；利用检测软件对已经采集到的四组图像分别进行数据分析处理，根据采集到的正常图像以及缺陷种类的缺陷图像，采集多组之后进行缺陷区域的标注以及正样本的标注、训练、生成模型、导入检测软件，完成图像的检测。

优选的，所述判断图像的清晰程度以及缺陷的对比度是否已满足软件的检测要求包括：

在相机下方放置黑色长条物体或者菲林尺、标定尺，进行采集图像后，放大图像，查看边缘过渡带部分的像素分布，边缘清晰的状态下只有一行或者两行像素，以此判断图像的清晰程度。

本发明的技术效果和优点：该钙钛矿电池薄膜表面缺陷检测的方法，解决了钙钛矿电池薄膜表面缺陷精确度差的问题，提高了生产效率和精度，通过设置光源控制器的频闪控制逻辑参数控制每条光源的点亮顺序，设置光源控制器的逻辑输出外部触发信号控制相机进行分时曝光，光源同时点亮，实现了高质量图像输出，通过调整各光源的亮度以及软件设置的曝光时间，保证图像的灰度值在正常标准的范围内，为后续图像的分析提供了高质量的图片，实现了单像素精度达到0.032mm，即32um，检测缺陷的面积达到0.0163mm²。

附图说明

图1为本发明方法的步骤示意图；

图2为本发明方法实施例的步骤示意图；

图3为本发明成像系统安装完成后正视图；

图4为本发明成像系统安装完成后横截面立体图；

图5为本发明成像系统安装间距示意图；

图6为本发明第一光源明场成像效果图；

图7为本发明第二光源暗场成像效果图；

图8为本发明第三光源正面打光成像效果图；

图9为本发明第四光源针孔以及漏光缺陷的出图效果图；

图10为本发明成像系统安装完成后立体图；

图11为本发明成像系统安装完成后右侧示意图。

图中：11、第一光源；12、第二光源；13、第三光源；14、第四光源；20、相机；30、镜头；40、电池薄膜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了如图1、图2中所示的一种钙钛矿电池薄膜表面缺陷检测的方法，包括以下步骤：

辊轴开始运动，带动电池薄膜40以及编码器开始运动；

编码器开始向光源控制器发送脉冲信号；

光源控制器开始发送逻辑控制信号，使第一光源11开始频闪，同时给相机20发送外部触发信号，使相机20与第一光源11同时进行工作；同理，光源控制器发送逻辑控制信号，使第二光源12开始频闪，同时给相机20发送外部触发信号，使相机20与第二光源12同时进行工作；同理，光源控制器发送逻辑控制信号，使第三光源13开始频闪，同时给相机20发送外部触发信号，使相机20与第三光源13同时进行工作；同理，光源控制器发送逻辑控制信号，使第四光源14开始频闪，同时给相机20发送外部触发信号，使相机20与第四光源14同时进行工作；光源使用分时或者分步的方式进行频闪；多个光源照射不同角度，使所述相机20拍摄到不同角度光源下的成像；

所述相机20循环拍摄所有行数的图像，输出图像，通过软件对所述图像进行检测，输出检测结果；

完成一片电池薄膜40的检测工作流程，继续进行下一片的检测。

相机20的选择：

单个光源的行频=运动速度/单像素精度=100/0.035≈2857≈2.9k，由于是四个光源，需要在原本100mm的运动速度下拍摄四个光源所成的像，所以需要拍摄4次，总行频=2.9*4=11.6，所以相机20需要满足行频大于11.6k；

根据所拍摄电池薄膜40的大小为1000mm，缺陷检测精度需满足0.02mm²的检测要求来进行计算，可以得出单像素精度需要满足0.035mm/pix以内，选择8k线扫相机，根据8k线扫相机的芯片像元个数为8192，可以计算得出幅宽为245mm，根据电池薄膜40最大为1000mm，采用4个8k线扫相机，其要求幅宽不能低于250mm，加上中间重合部分，幅宽不能低于270mm，所以选择拍摄幅宽为270mm，单像素精度为270mm/8192=0.032mm/pix，即满足单像素精度要求；四个相机增加了检测的长度，覆盖更大的视野，四个相机是同时进行工作的，四个光源分步进行；

镜头30的选择：

镜头30要根据相机20所需镜头30的焦段以及放大倍率来进行选择，根据拍摄视野270mm和相机20的芯片尺寸57.3mm，物距大于300mm来进行计算，焦距f=wd*ccd/fov≈63.7，选择最为接近焦距的镜头30，即60mm；计算镜头30的放大倍率，根据放大倍率=芯片像元大小/单像素精度=0.007/0.032=0.218,根据这两个参数来进行选择60mm，放大倍率0.218的适配镜头；本实施例中，计算的焦距数值可能不是刚好符合这个焦距的镜头，焦段就是指在这个焦段范围内找一个相近焦距的镜头，例如计算得出焦距为63.6mm，可供选择的镜头焦距有40mm，50mm，60mm，则选择60mm的镜头，而40-60mm就是指一个焦段；

光源的选择：

根据缺陷的种类：凹点凸点、划伤、崩角崩边、针孔、表面破损，盒内异物等来进行选择光源，凹点凸点缺陷适合使用暗场明场来进行照射呈现，遂使用第一光源11、第二光源12进行照射，以满足明场和暗场的呈现，其中盒内异物、表面破损缺陷适合使用正面打光的方式来进行呈现，遂使用第三光源13来进行照射，其中针孔缺陷适合使用下线光来进行透射照明，以满足针孔缺陷的呈现，使用第四光源14来进行照射；

划伤，崩角崩边使用第一光源11、第二光源12来进行照射成像；第一光源11、第二光源12的角度对于凹点凸点、划伤、崩角崩边缺陷都能够清晰成像；

其中，第一光源11、第二光源12、第四光源14均为1100mm发光面的线性光源，第三光源13为发光面110mm的同轴线性光源；

不同的光源角度下，不同缺陷的呈现会有不同，会更加明显或者微弱，所以选用多光源增加照射角度，以增加缺陷的检出率；

成像系统的安装：如图3、图4、图5、图10、图11所示；所述相机20包括：第一相机、第二相机、第三相机以及第四相机；

根据镜头30所需的工作距离以及拍摄视野，将第一相机与镜头30固定安装在电池薄膜40从左至右125mm、上方322mm处，与电池薄膜40成垂直状态，根据所成像要求的明场暗场的效果要求，确定第一光源11为明场照射，调整光源与电池薄膜40的夹角为45°-75°，距离电池薄膜4030mm-70mm,第二光源12为暗场照射，调整光源与电池薄膜40的夹角为5°-35°，距离电池薄膜4030mm-70mm，第三光源13为同轴线扫光源，所以将光源与电池薄膜40调整为平行状态，距离电池薄膜40 30mm-70mm，第四光源14为背面打光方式，调整与电池薄膜40成垂直状态，距离电池薄膜4030mm-70mm；按照以上方式，将第二相机安装在距离第一相机右侧255mm处，第三相机距离第二相机右侧255mm处，第四相机距离第三相机右侧255mm处，光源安装固定方式与以上一致。

编码器选择：

选用辊径200mm的编码器，根据检测精度0.032mm/pix来进行计算，编码器要满足一个周期内能够发送200/0.032=6250个脉冲信号，选择每周期5000脉冲的编码器即可,根据纵向精度需要小于等于横向精度的原则来确定编码器的脉冲数量，再使用相机的驱动软件进行2倍频处理即5000*2=10000，纵向精度=200/10000=0.02mm/pix。

设置频闪控制单元：

按照光源控制器与相机20的硬触发接线方式，将线材接好，按照倍频计算的理论数据设置好2倍的倍频参数，设置频闪阶梯照明参数即软件内光源的曝光参数为30ms，将光源控制器显示的亮度参数调整至最大为255；

根据出图效果进一步调整硬件位置：

按照设计方案的相机20以及光源的角度以及高度进行安装，将相机20与光源、光源控制器、编码器等安装完成后进行拍照测试，根据图像效果进一步细致调整各光源角度，以满足方案的光源的照射以及出图要求效果，即第一光源11满足明场成像效果，第二光源12满足暗场成像效果，第三光源13满足正面打光成像效果，第四光源14满足针孔以及漏光缺陷的出图效果，满足检测方案要求；调整完成后进行相机20以及光源的固定，使光源与相机20之间，与电池薄膜40之间的角度和相对位置关系不发生变化；如图6-图9所示；

调整光学参数：

电池薄膜40在辊轴表面运动的过程中，带动编码器进行转动，编码器每转动一圈即给光源控制器发送10000个脉冲信号，光源控制器在收到脉冲信号之后，可以控制四条光源的分时点亮，设置光源控制器的频闪控制逻辑参数控制每条光源的点亮顺序，通过设置光源控制器的逻辑输出外部触发信号控制相机20进行分时曝光，光源同时点亮，确保对应的图像输出，最后细致调整各光源的亮度以及软件设置的曝光时间，保证图像的灰度值在正常标准的范围内；可以根据缺陷图像呈现的灰度值来进行确定调整光源控制器和曝光值的参数范围，第一光源11：明场的缺陷呈现出黑色的状态，与正常区域的灰度值相差70-100以上；第二光源12：暗场的正常区域为黑色，缺陷为白色，缺陷与正常区域亮度的对比度需要相差245以上；第三光源13：缺陷只要是正常的灰度值120-150即可，第四光源14：由于是背面打光的方式，针孔以及破损缺陷需要达到255，即亮度过曝的状态；

图像拆图：

利用计算机以及图像采集卡，对已经收集到的多行图像进行处理，合并在四个光源分时点亮的条件下采集的每行像素，输出四组在不同光源照射下的图像；

判断图像清晰度：

判断图像的清晰程度以及缺陷的对比度是否已满足软件的检测要求，在相机20下方放置黑色长条物体或者菲林尺，标定尺，进行采集图像，放大图像，查看边缘过渡带（黑白交接的部分）部分的像素分布，边缘很清晰的状态下只有一行或者两行像素，根据这个特点来判断图像的清晰程度，如果不满足这个条件，调整镜头30的调焦环直至满足这个状态即可，根据调整光学参数步骤中查看缺陷与正常区域部分的对比度以及图像的正常亮度，不满足进行调整软件的曝光值设置，直至满足即可；

图像分析处理：

利用argusmart检测软件对已经采集到的四组图片分别进行数据分析处理，argusmart检测软件搭载深度学习，根据采集到的图片以及多种缺陷种类的缺陷图片，采集多组之后进行缺陷区域的标注以及正样本的标注、训练、生成模型，最后导入argusmart检测软件，开启运行检测软件，完成图像的检测，完成对电池薄膜40的检测，其中正常图片和缺陷图片的格式均为Bmp。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种钙钛矿电池薄膜表面缺陷检测的方法，其特征在于：所述方法包括：

电池薄膜（40）运动使编码器获取到运动信号；

所述编码器向光源控制器发送脉冲信号；

所述光源控制器发送逻辑控制信号使多个光源分步频闪，同时给相机（20）发送触发信号，使相机（20）与频闪的光源同时工作；

所述相机（20）循环拍摄所有行数的图像，检测所述图像，得出检测结果；其中，多个光源照射不同角度，使所述相机（20）拍摄到不同角度光源下的成像；所述光源包括：第一光源（11）、第二光源（12）、第三光源（13）、第四光源（14）；

所述光源控制器发送逻辑控制信号使第一光源（11）频闪，同时给相机（20）发送触发信号，使相机（20）与第一光源（11）同时工作；

所述光源控制器发送逻辑控制信号使第二光源（12）频闪，同时给相机（20）发送触发信号，使相机（20）与第二光源（12）同时工作；

所述光源控制器发送逻辑控制信号使第三光源（13）频闪，同时给相机（20）发送触发信号，使相机（20）与第三光源（13）同时工作；

所述光源控制器发送逻辑控制信号使第四光源（14）频闪，同时给相机（20）发送触发信号，使相机（20）与第四光源（14）同时工作；所述相机（20）的总行频选择的方法包括：

计算相机（20）的总行频数据，单个光源的行频=运动速度/单像素精度，所述相机（20）的总行频大于单个光源的行频*光源数量；

所述相机（20）的镜头（30）选择包括：计算镜头（30）的焦段以及放大倍率，所述镜头（30）的焦段根据拍摄视野、相机（20）的芯片尺寸和物距来进行计算，焦距f=wd*ccd/fov，其中：wd为拍摄视野，ccd为芯片尺寸，fov为物距；所述镜头（30）的放大倍率=芯片像元大小/单像素精度；根据计算结果选择最为接近焦距和放大倍率的镜头；所述光源的确定包括：根据缺陷的种类选择光源进行照射，所述缺陷的种类包括凹点、凸点、划伤、崩角崩边、针孔、表面破损以及盒内异物，具体的选择方法为：

若缺陷为凹点凸点则使用暗场明场来进行照射呈现，使用第一光源（11）、第二光源（12）进行照射；

若缺陷为针孔则使用下线光来进行照射呈现，使用第四光源（14）进行照射；

若缺陷为盒内异物或表面破损则使用正面打光的方式来进行照射呈现，使用第三光源（13）照射；

若缺陷为划伤，崩角崩边使用第一光源（11）、第二光源（12）来进行照射成像；

其中，第一光源（11）、第二光源（12）、第四光源（14）均为1100mm发光面的线性光源，第三光源（13）为发光面110mm的同轴线性光源；所述相机（20）包括：第一相机、第二相机、第三相机以及第四相机；

所述第一相机与镜头（30）固定，安装在电池薄膜（40）从左至右125mm、从下至上322mm处，且与电池薄膜（40）垂直；

根据成像明场暗场的效果要求，确定第一光源（11）为明场照射，调整第一光源（11）与电池薄膜（40）的夹角为55°-75°，与电池薄膜（40）的距离为30mm-50mm；

确定第二光源（12）为暗场照射，调整第二光源（12）与电池薄膜（40）的夹角为5°-35°，与电池薄膜（40）的距离为30mm -70mm；

确定第三光源（13）为同轴线扫光源，将第三光源（13）与电池薄膜（40）调整为平行状态，与电池薄膜的距离为30mm -70mm；

确定第四光源（14）为背面打光方式，将第四光源（14）与电池薄膜（40）调整成垂直状态，与电池薄膜（40）的距离为30mm-70mm；

将第二相机安装在第一相机右侧255mm处，第三相机安装在第二相机右侧255mm处，第四相机安装在第三相机右侧255mm处；所述编码器选择方法包括：

选择分辨率与脉冲信号数最接近的编码器，脉冲信号数=编码轮周长/检测精度，并将相机设置为2倍频；所述光源控制器和曝光值的参数范围调整根据缺陷图像呈现的灰度值确定；

第一光源（11）：明场的缺陷呈现出黑色的状态，与正常区域的灰度值相差70-100以上；

第二光源（12）：暗场的正常区域为黑色，缺陷为白色，缺陷与正常区域亮度的对比度需要相差245以上；

第三光源（13）：缺陷是正常的灰度值120-150；

第四光源（14）：针孔以及破损缺陷需要达到255，即亮度过曝的状态；检测所述图像的步骤如下：

利用计算机以及图像采集卡，对已经收集到的多行图像进行处理，合并在四个光源分时点亮的条件下采集的每行像素，输出四组在不同光源照射下的图像；

判断图像的清晰程度以及缺陷的对比度是否已满足检测软件的检测要求，如果不满足检测软件的检测要求，调整镜头（30）的调焦环直至满足，查看缺陷与正常区域部分的对比度以及图像的正常亮度；利用检测软件对已经采集到的四组图像分别进行数据分析处理，根据采集到的正常图像以及不同缺陷种类的缺陷图像，采集多组之后进行缺陷区域的标注以及正样本的标注、训练、生成模型、导入检测软件，完成图像的检测；所述光源控制器的设置包括：

设置频闪阶梯照明参数，即软件内光源的曝光参数为30ms，将光源控制器显示的亮度参数调整至255。

2.根据权利要求1所述的一种钙钛矿电池薄膜表面缺陷检测的方法，其特征在于：所述判断图像的清晰程度以及缺陷的对比度是否已满足检测软件的检测要求包括：

在相机（20）下方放置黑色长条物体或者菲林尺、标定尺，进行采集图像后放大图像，查看边缘过渡带部分的像素分布，边缘清晰的状态下只有一行或者两行像素，以此判断图像的清晰程度。