EL紅外缺陷測試儀關(guān)鍵參量校準(zhǔn)方法研究

張可佳， 張碧豐， 熊利民， 周桃庚， 張俊超， 孟海鳳，蔡 川， 赫英威, 李曉輝, 王常世

(1. 北京理工大學(xué) 光電學(xué)院 光學(xué)測量實驗室， 北京 100081； 2.中國計量科學(xué)研究院， 北京 100029)

1 引 言

目前，測試晶硅太陽電池及組件潛在缺陷的方法基本均是基于太陽能電池正向偏壓下的EL測試技術(shù)。EL測試技術(shù)是指EL測試儀利用紅外檢測的方法，通過CCD近紅外相機(jī)檢測出晶體硅太陽電池在可見光下不易被發(fā)現(xiàn)的隱性缺陷，如隱裂、斷柵、電阻不均勻、花邊等[1,2]。EL紅外缺陷測試儀(簡稱EL測試儀)其性能直接影響光伏組件的缺陷檢測程度。對EL測試儀的判定主要是其光學(xué)性能，即CCD近紅外相機(jī)的分辨率[3]。分辨率的測量指標(biāo)可包括：視覺分辨率、極限分辨率、空間頻率響應(yīng)(spatial frequency response,SFR)、調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function,MTF)和光學(xué)傳遞函數(shù)(optical transfer function,OTF)。分辨率常用線數(shù)每像高來表示，即LW/PH。它指的是分辨率測試圖上標(biāo)定線條的寬度相對于測試圖有效區(qū)域的高度的度量單位，它等于測試圖的有效高度除以黑色標(biāo)定線的寬度[4～6]。例：若測試圖的有效高度為200 mm，1 000 LW/PH 的黑線寬度等于200/1 000 mm，即0.2 mm。目前，實驗室及車間常用的分辨率測試方法為視覺分辨率測試法，即正常進(jìn)行EL測試過程中將測試靶板貼于組件正面進(jìn)行拍攝，人工觀察所得照片中測試靶板可分辨的線條數(shù)[7～9]。該測試方法，人眼觀察線條數(shù)主觀性太強(qiáng)，不適合校準(zhǔn)。

本文搭建了基于SFR測試方法的紅外缺陷測試儀分辨率校準(zhǔn)裝置，實驗分析了對焦以及位置擺放對分辨率測量結(jié)果的影響。對于便攜式和固定式EL測試儀，給出了相應(yīng)的測試方法及操作流程，并且提出了針對玻璃面式EL測試儀的五點測試法以及針對便攜式EL測試儀的分辨率判讀系數(shù)法，可以實現(xiàn)無參考背景情況下的校準(zhǔn)工作。利用搭建的校準(zhǔn)裝置可實現(xiàn)對EL測試儀的準(zhǔn)確、客觀的評估。

2 EL測試儀校準(zhǔn)裝置

2.1 EL測試儀分辨率校準(zhǔn)裝置

針對EL測試儀分辨率的校準(zhǔn)，搭建了如圖1所示的校準(zhǔn)裝置。

圖1 EL測試儀分辨率校準(zhǔn)裝置

該裝置主要包括：

(1)燈箱：光源的波長范圍介于700～1 100 nm之間的近紅外光源，直流穩(wěn)壓或穩(wěn)流電源供電，照度連續(xù)可調(diào)，光源面照度均勻性高于90%，光源有效照面面積大于35 cm×25 cm，該光源模擬組件電致發(fā)光時的近紅外波段。

(2)測試靶板：包含SFR測試區(qū)，分辨率判讀區(qū)，主觀判讀區(qū)，灰階區(qū)域及圖卡識別標(biāo)志的測試靶板，靶板型號為TTI-C-A21，見圖2。

(3)圖片處理軟件：分析EL測試儀拍攝的照片，計算分辨率。

圖2 推薦測試靶板TTI-C-A21

圖2中，A為SFR測試塊，傾斜角為5°～7°之間的正方形圖樣，對比度介于40:1到80:1之間，用于測試水平及垂直SFR；B為視覺分辨率區(qū)塊，黑白相間隔的光柵狀條紋，條紋寬度連續(xù)改變，將圖像高度方向能容納條紋寬度的數(shù)量標(biāo)識出來作為分辨率判讀依據(jù)，其對比度介于40:1到80:1之間，用于判讀極限分辨率；C為灰階圖，由黑到白(0～255)按照相等灰度值間隔區(qū)分出來的多個(12個)不同灰階塊，用于從圖像上判斷曝光的正確性；D為主觀分辨率測試區(qū)域，由一組不同寬度的黑色線條和大小粗細(xì)不同的描述性文字組成，人眼直接從圖像上判斷線條或文字是否清晰可見；E為圖卡識別標(biāo)志，位于圖像邊緣的識別標(biāo)志，用于判斷圖卡位置和分析軟件對圖像進(jìn)行識別。該測試靶版為透射式，其測量范圍為0～6 000 LW/PH, 極限分辨率超過6 000 LW/PH的相機(jī)推薦使用更高精度的測試靶版。測試結(jié)果:誤差小于±5%。

該裝置適用于各種類型的EL測試儀，且易于操作，方便攜帶，可以為生產(chǎn)企業(yè)和檢測機(jī)構(gòu)提供EL測試儀的現(xiàn)場計量認(rèn)證服務(wù)。

2.2 光源及測試靶板的選取

2.2.1 光源的選取

該校準(zhǔn)裝置的光源模擬組件電致發(fā)光時的近紅外波段，光源的波長范圍為700～1 100 nm，并且光源照度連續(xù)可調(diào)，當(dāng)拍得的照片過曝或曝光不足時，可考慮調(diào)節(jié)光源強(qiáng)度或相機(jī)曝光時間，使之達(dá)到合適的曝光量。

判斷曝光是否過量的方法如下：

(a)灰階測試區(qū)域中密度最大(最黑)的測試塊，曝光后不應(yīng)出現(xiàn)發(fā)白的情況。如出現(xiàn)發(fā)白認(rèn)為曝光過度，見圖3。與圖3(c)對比，發(fā)現(xiàn)圖3(b)黑色區(qū)塊發(fā)白，過度曝光，此時應(yīng)適當(dāng)降低曝光參數(shù)，如縮小曝光時間或者可以調(diào)節(jié)光源適當(dāng)降低輻照度。

(b)灰階測試區(qū)域中密度最大(最黑)的測試塊應(yīng)該能夠與其相鄰的測試塊區(qū)分出來，如果不能區(qū)分則認(rèn)為曝光不足，見圖4。與圖4(c)對比，發(fā)現(xiàn)圖4(b)黑色區(qū)塊與相鄰區(qū)塊無法區(qū)分，曝光不足，此時應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加強(qiáng)曝光參數(shù)，如延長曝光時間或者可以調(diào)節(jié)光源適當(dāng)提高輻照度。

(c)曝光水平介于圖3(a)與圖3(b)描述的曝光水平之間，即最黑色灰階塊可以和相鄰灰階區(qū)分，同時本身又沒有發(fā)白時認(rèn)為曝光正常，可以繼續(xù)進(jìn)行測試，見圖5。其中圖5(b)為正常曝光，圖5(a)為正常曝光上限，圖5(c)為正常曝光下限。

圖3 過度曝光例圖(灰階區(qū)域放大)

圖4 曝光不足例圖(灰階區(qū)域放大)

圖5 正常曝光例圖

2.2.2 測試靶板的選取

實驗采用了3種不同大小規(guī)格測試靶板，尺寸分別為38 cm×51 cm，30 cm×40 cm，21 cm×28 cm。 SFR測試中，國際標(biāo)準(zhǔn)組織推薦分析數(shù)據(jù)的測試區(qū)大小如圖6所示，寬度大于60 pixel，長度在80～500 pixels之間。實際測試時3種大小不同的靶板對應(yīng)的可分析像素如圖7所示，可見大小為 21 cm×28 cm的測試靶板無法達(dá)到長度方向至少含有80個pixel的要求。其他兩種測試靶板可以滿足需求。

圖6 推薦測試區(qū)包含像素數(shù)

圖7 3種測試靶板測試區(qū)包含像素數(shù)

考慮到光源設(shè)計、靶板制作的難易程度以及攜帶方便等因素，測試儀燈箱尺寸為60 cm×55 cm×5 cm，靶板大小為40 cm×30 cm。

3 EL測試儀關(guān)鍵參量校準(zhǔn)

3.1 分辨率校準(zhǔn)結(jié)果

對于校準(zhǔn)裝置，理論上靶面大小應(yīng)與實際使用面積大小一致，考慮到圖1中校準(zhǔn)裝置靶面大小有限，故在測試區(qū)域的中間、左上、左下、右上、右下5個位置，各測試10次，取各個位置的平均值，其中：MTF50指MTF=0.5時的空間頻率調(diào)制傳遞函數(shù)值，MTF20指MTF=0.2時的空間頻率調(diào)制傳遞函數(shù)值。表1為對某一紅外缺陷測試儀的分辨率參數(shù)進(jìn)行了校準(zhǔn)，采用SFR測試分析得到的結(jié)果。

基于表1中的數(shù)據(jù)，可得到圖8的曲線。

由此可以看出，在相機(jī)的測試區(qū)域內(nèi)，各個位置的分辨率有一定差異，因此必須用5個位置的測試結(jié)果，才能更加確切反映相機(jī)的分辨率。

3.2 調(diào)焦對測試的影響

對于EL測試儀的校準(zhǔn)，是為了充分反映其分辨率性能參數(shù)，而實際使用過程中，調(diào)焦的準(zhǔn)確與否，直接影響到照片的質(zhì)量和對缺陷的分析能力。對此，針對3種不同調(diào)焦?fàn)顟B(tài)，分別在最佳調(diào)焦位置，調(diào)焦環(huán)左旋1/4圈，調(diào)焦環(huán)左旋1/2圈這3種狀態(tài)下，對相機(jī)拍攝區(qū)域的中間位置進(jìn)行測試，得到SFR測試分析結(jié)果如表2所示。

表1 5個位置SFR測試分析結(jié)果

表2 3種不同調(diào)焦?fàn)顟B(tài)下中間區(qū)域分辨率SFR測試分析結(jié)果

圖8 5個不同位置的分辨率

圖9 不同調(diào)焦各個位置的分辨率

基于表2中的數(shù)據(jù)，可得到圖9的曲線，

由此可以看出，調(diào)焦環(huán)偏離最佳位置幅度越大，其測試結(jié)果越差。然而，偏離最佳位置得到的測試數(shù)據(jù)并不能代表該測試儀的真實性能，因此必須在調(diào)焦準(zhǔn)確的情況下進(jìn)行測試，才能更加確切反映相機(jī)的分辨率。

3.3 紅外缺陷測試儀校準(zhǔn)流程

玻璃面式EL測試儀的校準(zhǔn)步驟如下：

(1)將測試靶板貼附于光源有效光照區(qū)表面，要求測試靶板貼附平整。

(2)接通紅外測試光源的電源，將光源置于被測相機(jī)視場的中心位置，使光源外殼高度(寬度)邊緣與被測相機(jī)視場高度(寬度)邊緣保持基本水平。

(3)固定被測試相機(jī)的光圈設(shè)定，將感光度設(shè)定為實際使用中最常用的值(如ISO 3200)，調(diào)節(jié)曝光時間，使得圖像可以得到正確的曝光。如果曝光時間小于1/1 000 s，應(yīng)適當(dāng)降低紅外光源的輻照度。

(4)按照步驟(3)中找到的合適的曝光參數(shù)進(jìn)行拍照，并保存照片。

(5)分析照片中5個SFR測試塊的MTF值，得到MTF曲線，取MTF50的平均值結(jié)果作為中心區(qū)域的MTF50的測試結(jié)果。

(6)將裝好測試靶板的光源放于被測試相機(jī)的邊緣(左上，右上，左下，右下四角)，重復(fù)上面(3)～(5)步驟，作為邊緣區(qū)域的測試結(jié)果。

相機(jī)分辨率的測試是通過相機(jī)拍攝被測靶板，用像高上可分辨的線條數(shù)來表示。相機(jī)和靶板的距離不同，會使得拍攝的圖片中靶板在圖片中占的比例不同，從而影響像高方向的線條數(shù)目。因此對于便攜式EL測試儀的校準(zhǔn)，在拍攝照片時需在測試靶板后面放一個光伏組件，并使得拍攝圖片中組件占滿畫面，以此保證和實際使用情況一致。

軟件分析中的分辨率判讀系數(shù)=圖像高度像素數(shù)/測試靶板高度數(shù)，且光伏組件寬度近似100 cm，靶板實際高為30 cm，所以當(dāng)組件占滿畫面時，分辨率判讀系數(shù)=3.33。如果沒有光伏組件作為背景參考，也可以選擇拍攝圖片的分辨率判讀系數(shù)為3.33的位置進(jìn)行測試。因此，便攜式EL測試儀的校準(zhǔn)流程可參考玻璃面式EL測試儀的校準(zhǔn)過程，其擺放位置如圖10所示。

4 結(jié) 論

本文針對不同EL測試儀校準(zhǔn)特點，搭建了基于SFR測試方法的紅外缺陷測試儀分辨率校準(zhǔn)裝置。實驗分析了對焦以及位置擺放對分辨率測量結(jié)果的影響，實驗表明對于固定式EL測試儀，必須將調(diào)焦環(huán)調(diào)至最佳位置，且應(yīng)在5個不同區(qū)域進(jìn)行測試。對于便攜式EL測試儀， 可通過分辨率判讀系數(shù)來確定測試儀的擺放位置。利用搭建的校準(zhǔn)裝置，可對各類EL測試儀的分辨率參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，測量結(jié)果的重復(fù)性較好。

圖10 相機(jī)靶板擺放示意圖

[參考文獻(xiàn)]

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