TWI454689B - 光學檢測系統 - Google Patents

Description

光學檢測系統

本發明係關於一種光學檢測系統，更進一步說，本發明係關於一種用來檢測太陽能電池晶片表面之光學檢測系統。

近年來，能源以及環保議題受到重視，使得世界各國紛紛發展新式較無汙染的能源，例如，風力、潮汐、地熱、太陽能、以及生質能源等，其中太陽能由於應用範圍廣泛且發展較為成熟而成為各種新式替代能源中最被看好的其中之一。

太陽能的利用一般係藉由太陽能電池(solar cell)晶片，透過光電轉換把太陽光中所包含的能量轉化為電能。太陽能電池晶片依製程不同，可概分為矽晶太陽能電池晶片以及薄膜太陽能電池晶片等，其中矽晶太陽能電池晶片發展最久同時技術也最成熟。矽晶太陽能電池晶片的基本構造是P型半導體與N型半導體接合而成，當太陽光照射太陽能電池晶片時，其光能將矽原子中之電子激發出來而形成電子與電洞的對流，所產生的電子與電洞受到內建電位影響分別被P型半導體與N型半導體吸引而聚集至不同的兩側，藉由電極可引出電子與電洞進而產生電能。

由於太陽能電池晶片係以其表面接收太陽光而進行發電，因此，太陽能電池晶片表面是否能有效吸收光源，將成為提升能量轉換效率的關鍵所在。於製作太陽能電池晶片之製程中，例如，矽晶太陽能電池晶片主要製程之拉晶、修角、切片、蝕刻、清洗、擴散及蒸鍍等，各種物理及化學的作用可能使晶片表面產生許多缺陷，這些缺陷都可能降低光吸收效率。

此外，太陽能電池晶片表面具有一層抗反射層，可用來降低照射至表面之光線的反射率，換言之，增加光吸收效率。抗反射層之厚度將會影響抗反射的效率，而抗反射層之厚度可由太陽能電池晶片表面顏色來區分，一般而言，抗反射層越厚顏色越淺，反之則越深。顏色的差異主要取決於製程的管控，根據顏色之深淺以及均一性也可判斷製程的能力是否不足而須改善製程。

如上所述，太陽能電池晶片表面上的缺陷以及表面的顏色都是影響其光吸收效率的因素，故判斷缺陷與分類顏色皆可做為改進生產製程的依據。舊有判斷缺陷及顏色的方法是以人工方式將晶片放置於輸送帶上方，後方站員透過目視方式檢查晶片上的缺陷，再依晶片顏色相似者整理分群。受限於每個人對顏色定義無法均一，且人眼容易受到疲勞等因素而失準，因此人眼判定方法會具有相當大的誤差。

基於人眼判定方法之缺失，先前技術提出一種利用彩色感光耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)攝影機截取太陽能電池晶片表面之影像以進行分析之系統。此種系統所擷取之影像，經過軟體的分析可獲得較人眼判定更準確之結果。

然而，先前技術之檢測系統係使用彩色式的感光耦合元件攝影機，其需搭配彩色濾光片來進行取像。彩色濾光片一般而言品質較難以掌控，可能導致取得影像品質差距大而造成分色時的誤差。另一方面，進行太陽能電池晶片的顏色檢測時之影像時，並不需要如同進行太陽能電池晶片的缺陷檢測時所需的高解析度。雖然顏色檢測所用之影像也可如同缺陷檢測所用之影像的高解析度，然而高解析度的影像需要相當久的處理時間，對平均小於2秒的總檢測時間而言，全程進行高解析度影像擷取將無法在時間內完成檢測。為了在時間內完成檢測，於先前技術中，太陽能電池晶片的缺陷檢測以及顏色檢測係分開為兩站進行。當晶片於第一站完成高解析度的取像後，隨即送到下一站進行較低解析度的取像。上述兩階段的取像需要兩套取像及照光設備，將會大幅增加檢測所需之成本。

因此，本發明之一範疇在於光學檢測系統，可用於檢測太陽能電池晶片並解決先前技術之問題。

根據一具體實施例，本發明之光學檢測系統係用以對太陽能電池晶片進行缺陷檢測及顏色檢測，其包含殼體、取像裝置、發光裝置以及控制裝置。取像裝置係設置於殼體中，其根據一脈衝訊號可對放置於殼體中的太陽能電池晶片取像。發光裝置同樣設置於殼體中，其根據觸發訊號可提供光源並根據結束訊號可停止提供光源。控制裝置係與發光裝置及取像裝置電性連接，其可用來控制缺陷檢測與顏色檢測之進行。

於本具體實施例中，控制裝置控制進行缺陷檢測時，發光裝置可提供第一光源，並且取像裝置可以第一像素組合對太陽能電池晶片進行取像。另一方面，控制裝置控制進行顏色檢測時，發光裝置可提供第二光源，並且取像裝置可以第二像素組合對太陽能電池晶片進行取像。本具體實施例之光學檢測系統針對不同的檢測程序進行不同解析度的取像，其檢測速度快速並且僅使用一套取像系統而可降低太陽能電池晶片之檢測成本。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

請參閱圖一，圖一係繪示根據本發明之一具體實施例之光學檢測系統1的示意圖。如圖一所示，光學檢測系統1包含有殼體10、設置於殼體10中之發光裝置12及取像裝置14、以及電連接發光裝置12與取像裝置14之控制裝置16。

於本具體實施例中，殼體10進一步包含有兩個部份：燈箱容置部100及取像容置部102。燈箱容置部100之底部具有一開口，一輸送帶T可設置於燈箱容置部100之底部開口處，以將太陽能電池晶片2自外界輸送至燈箱容置部100之內。發光裝置12係設置於燈箱容置部100中，其根據所接收到的觸發訊號對燈箱容置部100之內部提供光源以照射太陽能電池晶片2之表面，並且根據所接收到的結束訊號停止提供光源。取像裝置14則設置於取像容置部102之中，根據所接收到的脈衝訊號對輸送至燈箱容置部100內之太陽能電池晶片2的表面進行取像。燈箱容置部100及取像容置部102連接處形成一小通孔，取像裝置14可透過此通孔進行取像。於實施例中，為了避免外界之環境光源進入殼體而影響發光裝置12發出之光源，燈箱容置部100可盡量靠近輸送帶T，並且可於輸送帶T兩側設置遮光元件C阻擋外部光線進入。

發光裝置12包含有不同種類的發光元件，藉此可分別發出不同顏色的光源。於本具體實施例中，發光裝置12具有紅光發光元件R、藍光發光元件B以及綠光發光元件G，實務上可分別為紅光LED、綠光LED以及藍光LED。控制裝置16分別電連接到發光裝置12以及取像裝置14，其係用來控制光學檢測系統1進行太陽能電池晶片2的缺陷檢測與顏色檢測，此外，控制裝置16還可控制取像裝置14取像時之像素組合與曝光時間。請注意，於圖一中所繪示之紅光發光元件R、藍光發光元件B以及綠光發光元件G分別為一個紅光LED、一個綠光LED及一個藍光LED，然而，紅光發光元件R亦可包含複數個紅光LED，藍光發光元件B以及綠光發光元件G同樣可分別包含複數個藍光LED及複數個綠光LED，其數量係由使用者或設計者需求而定，本發明對此並不加以限制。

針對太陽能電池晶片2之缺陷檢測程序，可經由控制裝置16控制發光裝置12與取像裝置14來進行。請參閱圖二，圖二係圖一之光學檢測系統1用來進行太陽能電池晶片2之缺陷檢測程序的步驟流程圖。如圖二所示，於缺陷檢測程序之步驟S30，控制裝置16傳送脈衝訊號至發光裝置12，以控制發光裝置12之紅光發光元件R發出紅光照射至太陽能電池晶片2；接著，於步驟S32，控制裝置16傳送觸發訊號至取像裝置14，以控制取像裝置14以第一像素組合對太陽能電池晶片2進行取像；以及，於步驟S34，控制裝置16於取像完成後傳送結束訊號至發光裝置12，以控制發光裝置12之紅光發光元件R停止發出紅光。由於取像裝置14係於太陽能電池晶片2被紅光照射下進行取像，因此，取像裝置14於此缺陷檢測程序中可應用單色感光陣列，例如，單色式感光耦合元件或互補式金氧半導體。於實施例中，缺陷檢測程序及顏色檢測程序之整個檢測程序可於背光條件下進行，因此在進行步驟S30前或進行步驟S30時，控制裝置16可控制光學檢測系統之背光模組(未繪示於圖中)開始並持續提供背光光源至整個檢測程序結束。此外，控制裝置16也可控制發光裝置12之藍光或綠光發光元件發光以供取像，端看使用者或設計者之需求而定。

請再參閱圖一，發光裝置12係與取像裝置14互相電性連接，而可互相傳送訊號。針對太陽能電池晶片2之顏色檢測程序，可經由控制裝置16控制發光裝置12與取像裝置14，以及發光裝置12與取像裝置14間之互相溝通來進行。

請參閱圖三，圖三係圖一之光學檢測系統1用來進行太陽能電池晶片2之顏色檢測程序的步驟流程圖。如圖三所示，於顏色檢測程序之步驟S40，控制裝置16首先傳送觸發訊號，以控制發光裝置12依一發光順序令順序中之第一個發光元件發出光源至太陽能電池晶片2；於步驟S42，發光裝置12於發光元件發光時，傳送脈衝訊號至取像裝置14；於步驟S44，取像裝置14收到脈衝訊號後，以第二像素組合進行取像，並於取像結束時依序發送結束訊號及觸發訊號至發光裝置12；於步驟S46，發光裝置12收到結束訊號時，令正在發光中之發光元件停止提供光源，並於收到觸發訊號後令發光順序中之下一個發光元件開始發光。

發光裝置12於步驟S46中收到結束訊號及觸發訊號時，若正在發光之發光元件不為發光順序中之最後一個則返回至步驟S42而重覆再進行步驟S42~S46，若正在發光之發光元件為發光順序中之最後一個則進行下一步驟S48，如同步驟S460所示。最後，於步驟S48，發光裝置12令發光順序中之最後一個發光元件停止發光。

上述顏色檢測程序之步驟，舉例而言，首先，控制裝置16可發出觸發訊號給發光裝置，藉以控制發光裝置12之藍光發光元件B開始發出藍光，此時，發光裝置12傳送脈衝訊號至取像裝置14使其開始進行第一次取像。當取像裝置14之第一次取像結束後，取像裝置14發送結束訊號至發光裝置12，使藍光發光元件B停止發光，接著，取像裝置14發送觸發訊號至發光裝置12，使綠光發光元件G開始發出綠光。當綠光發光元件G發光時，發光裝置12會再傳送脈衝訊號至取像裝置14使其開始進行第二次取像。同樣地，當取像裝置14之第二次取像結束後會傳送結束訊號與觸發訊號，使發光裝置12停止綠光並令紅光發光元件R開始發紅光。發光裝置12於發紅光時同樣傳送脈衝訊號至取像裝置14，使其開始進行第三次取像。最後，當取像裝置14結束第三次取像後發送結束訊號給發光裝置12，發光裝置12則關閉紅光光源結束顏色檢測程序。

在上述顏色檢測程序中，發光裝置12之各單色發光元件依序發出單色光供取像裝置14進行取像，因此，取像裝置14同樣可應用單色感光陣列進行取像。由於太陽能電池晶片2之缺陷檢測程序與顏色檢測程序均可透過單色光取像，故兩種檢測程序可透過光學檢測系統1一次檢測完成。如上所述，兩種檢測程序並不需要同樣高的影像解析度，光學檢測系統1可透過控制裝置16控制取像裝置14取像之像素組合，亦即，於缺陷檢測程序中以第一像素組合進行取像並於顏色檢測程序中以第二像素組合進行取像，以調整影像解析度進而縮短檢測時間。

請參閱圖四，圖四係圖一之光學檢測系統1用來進行太陽能電池晶片2之完整檢測程序的步驟流程圖。如圖四所示，於步驟S50，控制裝置16控制發光裝置12及控制取像裝置14以進行缺陷檢測程序；接著，於步驟S52，控制裝置16調整取像裝置14之像素組合；最後，於步驟S54，控制裝置16、發光裝置12以及取像裝置14互相溝通以進行顏色檢測程序。請注意，步驟S50之缺陷檢測程序的詳細步驟已於圖二中揭示，步驟S54之顏色檢測程序的詳細步驟已於圖三中揭示，故於此不再贅述。在步驟S54結束後，輸送帶T將此太陽能電池晶片2送出光學檢測系統1，並可將下一片太陽能電池晶片2送入光學檢測系統1再次進行檢測。

本具體實施例藉由調整像素組合以因應不同檢測程序進行不同解析度之取像。舉例而言，控制裝置16可先將取像裝置14設定為全解析度，換言之，前述步驟S32之第一像素組合包含複數個原始像素(pixel)，而在步驟S50進行缺陷檢測程序期間取得了一張大小為16M之影像。接著，控制裝置16於步驟S52中令取像裝置14進行2x2的像素併鄰(Binning)，換言之，前述步驟S44之第二像素組合包含複數個經過像素併鄰後之複合像素，而每個複合像素內均包含有2x2個原始像素。因此，於步驟S54之顏色檢測程序中，取像裝置14將會取得三張大小為4M之影像。以此設定像素組合之方法可使顏色檢測程序下所取得之影像大小降低，使得影像處理時間降低進而縮短總檢測時間。

於圖四之完整檢測程序中，發光裝置12可分為第一發光模組與第二發光模組，分別用來提供缺陷檢測程序以及顏色檢測程序之單色光源。於上述具體實施例中，發光裝置12之第一發光模組包含紅光發光元件R，第二發光模組則包含了紅光發光元件R、藍光發光元件B以及綠光發光元件G。於實務中，第一發光模組中之發光元件可重覆於第二發光模組之發光元件，並且，第二發光模組中與第一發光模組重覆之發光元件可排列於發光順序中之最後一個，令同一發光元件開關時間不會太接近，以避免發光元件溫度過度上升而影響其光學性質並縮短其壽命。舉例而言，發光裝置12之第一發光模組係紅光發光元件R，第二發光模組之各發光元件發光順序則依序為藍光發光元件B、綠光發光元件G以及紅光發光元件R。因此，於一次完整檢測程序中，兩次紅光發光元件R發光間分別有藍光及綠光發光元件B、G發光，藉此提供了紅光發光元件R冷卻時間。此外，根據另一具體實施例，第一發光模組與第二發光模組可分別使用不同的紅光發光元件，此時第二模組之各發光元件的發光順序則可不受限制。

考慮到太陽能電池晶片2的整個檢測流程時間有限，除了上述調整取像裝置14之像素組合以減少取像時間之外，藉由選取適當的取像裝置14應用介面也可有效降低檢測流程時間。舉例而言，於實務中可選擇傳輸速率快之Gig-E介面做為取像裝置14之應用介面，Gig-E介面除了傳輸速度快之外，控制裝置16透過此介面設定取像裝置14之像素組合所需的時間亦相當短(小於20毫秒)，故其為較佳的應用介面選擇。

請再參閱圖一，於本具體實施例中發光裝置12之各發光元件可為LED光源，且其發光面可面對燈箱容置部100之內壁面。燈箱容置部100之內壁表面係經過白色霧化處理，而可將LED光源所發出之光線反射，使照射於太陽能電池晶片2表面之光線不為同一方向射入之光線，換言之，光線以擴散方式照射到太陽能電池晶片2之表面。基於太陽能電池晶片2表面之光學性質，特定入射角度的光線可能無法被反射，而影響取得影像之準確度。本具體實施例以燈箱容置部100之內壁面散射光線而提供各角度入射光線之設計，可使取像裝置14所取得之影像較準確。為了避免發光裝置12所提供之光源進入取像容置部102並被取像容置部102之內表面散射，進一步影響所獲得影像之準確度，取像容置部102之內壁表面可經過黑色消光處理防止壁面反射光線。此外，由於每次取像的打光時間相當短，因此，為了增進光源的利用率，發光裝置12上除了光源出光口之外均可塗上白漆或做白色霧化處理以反射光線。

上述具體實施例之光學檢測系統1之顏色檢測程序係於RGB光源下各進行一次取像，故取得各影像後需將各影像轉換至CIE LAB色度空間以計算太陽能電池晶片2表面顏色。此轉換流程的進行可以一處理裝置或由控制裝置16來進行，舉例而言，控制裝置16可為一電腦，用來控制取像並處理所獲得之影像。

綜上所述，本發明之用來檢測太陽能電池晶片的光學檢測系統，透過其中之控制裝置、發光裝置及取像裝置間的硬體溝通，可利用單色光以及單色感光陣列連續進行缺陷檢測程序及顏色檢測程序之取像，使整個檢測程序可應用同一套取像及照光設備。另外，透過控制裝置控制取像裝置在不同檢測程序之像素組合，可加速影像轉換及傳輸之速率，並且由選擇適當應用介面還可進一步縮短設定像素組合所需的時間。相較於先前技術，本發明具有上述特點之光學檢測系統可同時達到較精確的檢測、降低檢測成本與縮短檢測程序時間之優點。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

1．．．光學檢測系統

10．．．殼體

12．．．發光裝置

14．．．取像裝置

16．．．控制載體

100．．．燈箱容置部

102．．．取像容置部

R．．．紅光發光元件

G．．．綠光發光元件

B．．．藍光發光元件

T．．．輸送帶

C．．．遮光元件

2．．．太陽能電池晶片

S30~S34、S40~S48、S50~S54．．．流程步驟

圖一係繪示根據本發明之一具體實施例之光學檢測系統的示意圖。

圖二係圖一之光學檢測系統用來進行太陽能電池晶片之缺陷檢測程序的步驟流程圖。

圖三係圖一之光學檢測系統用來進行太陽能電池晶片之顏色檢測程序的步驟流程圖。

圖四係圖一之光學檢測系統用來進行太陽能電池晶片之完整檢測程序的步驟流程圖。

1．．．光學檢測系統

10．．．殼體

12．．．發光裝置

14．．．取像裝置

16．．．控制載體

100．．．燈箱容置部

102．．．取像容置部

R．．．紅光發光元件

G．．．綠光發光元件

B．．．藍光發光元件

T．．．輸送帶

C．．．遮光元件

2．．．太陽能電池晶片

Claims (9)

1. 一種光學檢測系統，用以對一太陽能電池晶片進行一缺陷檢測以及一顏色檢測，該光學檢測系統包含：一殼體，用以容置該太陽能電池晶片；一取像裝置，設置於該殼體中，用以根據一脈衝訊號對該太陽能電池晶片取像；一發光裝置，設置於該殼體中，用以根據一觸發訊號以開始提供光源以及根據一結束訊號以停止提供光源；以及一控制裝置，電連接該發光裝置及該取像裝置，該控制裝置係用以控制進行該缺陷檢測或該顏色檢測；其中於進行該缺陷檢測時該發光裝置提供一第一光源且該取像裝置以一第一像素組合對該太陽能電池晶片取像，於進行該顏色檢測時該發光裝置提供一第二光源且該取像裝置以一第二像素組合對該太陽能電池晶片取像，該第一像素組合包含複數個原始像素，該第二像素組合包含像素併鄰(Binning)後之原始像素。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測系統，其中該取像裝置係一單色感光陣列。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光學檢測系統，其中該單色感光陣列包含單色式感光耦合元件及互補式金氧半導體中之一者。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測系統，其中該發光裝置包含一紅光發光元件、一綠光發光元件以及一藍光發光元件。
5. 如申請專利範圍第4項所述之光學檢測系統，其中該第一光源係由該紅光發光元件所提供，該第二光源係該紅光發光元件、該綠光發光元件以及該藍光發光元件其中之一者所提供。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測系統，其中該取像裝置係由該控制裝置接收該脈衝訊號，該發光裝置係由該控制裝置接收該觸發訊號以及該結束訊號。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測系統，其中於進行該顏色檢測時，該發光裝置係由該取像裝置接收該觸發訊號以及該結束訊號，該取像裝置係由該發光裝置接收該脈衝訊號。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測系統，其中該殼體包含一取像容置部以及一燈箱容置部，該取像裝置係設置於該取像容置部中且該發光裝置係設置於該燈箱容置部中，該取像容置部之內部表面係經過黑色消光處理且該燈箱容置部之內部表面係經過白色霧化處理。
9. 如申請專利範圍第8項所述之光學檢測系統，其中該發光裝置所提供之光源照射至該燈箱容置部之內部表面，並且該燈箱容置部之內部表面將該光源散射至該太陽能電池晶片上。