CN104122266A - 太阳能硅片高速线扫描光致荧光成像检测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能硅片高速线扫描光致荧光成像检测设备，包括机架、硅片传送机构、激光发生装置、荧光成像模块和图像采集-处理模块，所述激光发生装置、至少一个荧光成像模块和图像采集-处理模块分别固设于机架上，硅片传送机构能够输送待检测硅片到达检测位置，激光发生装置能够发射垂直于硅片运动方向的激光线并照射检测位置的待检测硅片，荧光成像模块能够对检测位置的硅片发出的荧光信号进行探测并传信于图像采集-处理模块进行分析和处理，本发明极大的提高了光致荧光成像技术对硅材料的检测速度和最终图像的信噪比，适合产线上的实时检测应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能硅片检测系统，特别涉及一种太阳能硅片高速线扫描光致荧光成像检测设备。
背景技术
太阳能硅片光致荧光成像(PL,Photoluminescence imaging) 检测技术是近几年随着光伏产业的发展而出现的一种快速硅材料检测技术。该技术采用大功率激光器做激发照明源，通过高通滤光片将荧光同激光分离，而后采用近红外高灵敏相机对荧光图像进行采集。该技术可对样品荧光进行快速成像，能够满足快速检测的要求，适合产线上的实时检测应用。PL可用于对不同阶段的硅锭、硅片检测，工艺阶段包括：硅锭、硅片切片、制绒硅片、扩散硅片、清洗硅片、PECVD硅片和成品电池片。应用PL技术可检测出样品的缺陷种类有：黑芯、黑边、晶界、隐裂、扩散问题、边缘隔绝问题、漏电、烧结问题和接触电阻问题等。
太阳能原始硅片的光致荧光效率极低（<10^-8），早期为了检测这类产品，一般选择近红外响应增强型硅CCD和同时加大激光激发功率。但检测样品同样为硅材料，探测器的灵敏度曲线同硅片的荧光光谱只有很少部分重叠，因此很难提升探测效率，从而限制了检测速度和信噪比的提升。
采用InGaAs图像探测器检测硅材料荧光，最早始自于2005年首次将光致荧光成像引入太阳能硅片检测领域的T.Trupke，特点是其灵敏度光谱能够完全覆盖硅材料的荧光光谱，因此能够实现快速检测，但由于面阵InGaAs相机价格太高以及分辨率不足等问题，限制了其大规模产业化应用。相比较而言，线扫描InGaAs探测器比较成熟，在分辨率和价格方面有比较大的优势。因此如何应用线扫描InGaAs探测器构建太阳能硅片光致荧光成像检测系统成为行业内的技术热点。
发明内容
为了弥补以上不足，本发明提供了一种太阳能硅片高速线扫描光致荧光成像检测设备，该太阳能硅片高速线扫描光致荧光成像检测设备极大的提高了光致荧光成像技术对硅材料的检测速度和最终图像的信噪比，适合产线上的实时检测应用，节约生产成本。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种太阳能硅片高速线扫描光致荧光成像检测设备，包括机架、硅片传送机构、激光发生装置、荧光成像模块和图像采集-处理模块，所述激光发生装置、至少一个荧光成像模块和图像采集-处理模块分别固设于机架上，硅片传送机构能够输送待检测硅片到达检测位置，激光发生装置能够发射垂直于硅片运动方向的激光线并照射检测位置的待检测硅片，荧光成像模块能够对检测位置的硅片发出的荧光信号进行探测并传信于图像采集-处理模块进行分析和处理。
作为本发明的进一步改进，所述激光发生装置包括激光线照明模块和光纤耦合半导体激光器，激光线照明模块和光纤耦合半导体激光器通过光纤输出头相连接，激光线照明模块能够将光纤输出头输出的激光整形为超细、高均匀激光线。
作为本发明的进一步改进，所述激光线照明模块包括沿光线方向依次排列的球面准直透镜组、二向色镜、柱面镜阵列、负柱面镜、第一正柱面镜、第二正柱面镜、柱面镜组，其中负柱面镜、柱面镜组与柱面镜阵列、第一正柱面镜、第二正柱面镜的面型方向垂直。
作为本发明的进一步改进，所述激光线照明模块和荧光成像模块均放置于没有光线的暗室中，该暗室侧壁上设有供硅片传送机构带动硅片进出暗室的狭缝。
作为本发明的进一步改进，所述激光线照明模块和荧光成像模块位于硅片传送机构同侧或者异侧。
作为本发明的进一步改进，所述荧光成像模块包括依次排列设置的线扫描InGaAs相机、成像镜头和滤光片。
作为本发明的进一步改进，所述线扫描InGaAs相机所配置的线扫描InGaAs图像探测器像素高度大于像素宽度。
作为本发明的进一步改进，所述荧光成像模块中还设有用于切换不同滤光片的滤光片切换装置。
作为本发明的进一步改进，还设有硅片少子寿命测量模块，该硅片少子寿命测量模块能够对样品荧光图像进行校准。
本发明的有益技术效果是：本发明通过大功率激光均匀化窄线宽线照明模块对样品的高效激发和线扫描InGaAs图像探测器对荧光信号的高效探测，极大的提高了光致荧光成像技术对硅材料的检测速度和最终图像的信噪比，适合产线上的实时检测应用。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图；
图2为本发明的立体图；
图3为本发明的激光线照明模块原理主视图；
图4为图3中A部放大图；
图5为图4中B部放大图；
图6为本发明的激光线照明模块原理左视图；
图7为图6中C部放大图；
图8为本发明的荧光成像模块原理示意图；
图9为本发明所采用的线扫描InGaAs图像探测器阵列示意图；
图10为本发明的滤光片切换装置结构原理示意图；
图11为本发明采用多个荧光成像模块对样品进行探测示意图；
图12为本发明采用激光线照明模块和荧光成像模块位于硅片传送机构异侧的结构原理示意图；
图13为少子寿命测量模块对光致荧光成像进行校准原理示意图。
具体实施方式
实施例：一种太阳能硅片高速线扫描光致荧光成像检测设备，包括机架、硅片传送机构1、激光发生装置、荧光成像模块3和图像采集-处理模块4，所述激光发生装置、至少一个荧光成像模块3和图像采集-处理模块4分别固设于机架上，硅片传送机构1能够输送待检测硅片到达检测位置，激光发生装置能够发射垂直于硅片运动方向的激光线并照射检测位置的待检测硅片，荧光成像模块3能够对检测位置的硅片发出的荧光信号进行探测并传信于图像采集-处理模块4进行分析和处理，激光发生装置输出激光线，并照射在硅片上激励样品使其均匀辐射出荧光，激光线的方向同硅片直线运动方向垂直，荧光成像模块3对准此激光线并对硅片辐射出的荧光信号进行探测，与此同时硅片传送机构1带动硅片水平移动完成对整个样品的扫描，得到整个样品的荧光图像，荧光成像模块3将图像数据传送给图像采集-处理模块4，图像采集-处理模块4对采集到的荧光图像进行计算分析得出检测结果，判断出样品缺陷类型及等级，而后发送分选命令给自动化分选系统对样品进行分选，其中荧光成像模块3可以采用多个，并同时对准激光发生装置所产生的激光细线，各个荧光成像模块3对不同波段的荧光进行采集，可使得该检测设备同时对样品中的硅材料荧光信号和材料杂质荧光信号分别进行成像探测。
所述激光发生装置包括激光线照明模块2和光纤耦合半导体激光器6，激光线照明模块2和光纤耦合半导体激光器6通过光纤输出头7相连接，激光线照明模块2能够将光纤输出头7输出的激光整形为超细、高均匀激光线，采用光纤耦合半导体激光器6作为输入光源，经激光线照明模块2对激光器光纤输出的发散光进行准直、滤波、均匀化和整形，最后会聚为亮度均匀的一条细线输出。
所述激光线照明模块2包括沿光线方向依次排列的球面准直透镜组11、二向色镜12、柱面镜阵列13、负柱面镜14、第一正柱面镜15、第二正柱面镜16、柱面镜组17，其中负柱面镜14、柱面镜组17与柱面镜阵列13、第一正柱面镜15、第二正柱面镜16的面型方向垂直，球面准直透镜组11将光纤输出头7输出的激光准直，二向色镜12对激光光束进行低通滤波从而消除激光中杂光光谱成份，柱面镜阵列13对入射平行光束进行单一方向发散和均匀化，第一正柱面镜15和第二正柱面镜16对发散和均匀化后的激光束进行准直从而形成一条均匀的激光线带，负柱面镜14对光束进行另一垂直方向发散，最后激光线带经柱面镜组17汇聚为一条均匀激光细线到硅片上。
所述激光线照明模块2和荧光成像模块3均放置于没有光线的暗室8中，该暗室8侧壁上设有供硅片传送机构1带动硅片5进出暗室8的狭缝9，暗室8可有效遮挡外界杂光对荧光信号的干扰和有效屏蔽高功率激光向暗室8外部的泄漏，进而提高检测精确度。
所述激光线照明模块2和荧光成像模块3位于硅片传送机构1同侧或者异侧，位于同侧时，可使得设备体积小巧;位于异侧时，可避免样品反射的激光进入荧光成像模块3。
所述荧光成像模块3包括依次排列设置的线扫描InGaAs相机18、成像镜头19和滤光片20，该线扫描InGaAs相机18灵敏度曲线覆盖硅荧光光谱范围，并具有较高的响应度，成像镜头19用于将硅片经激光激发出来的荧光信号成像到线扫描InGaAs相机18中，滤光片20对荧光信号有较高的透过率并对激光有较强的吸收。
所述线扫描InGaAs相机18所配置的线扫描InGaAs图像探测器21像素高度大于像素宽度，其优点是便于荧光成像模块3同激光线照明模产生的激光细线对准。
所述荧光成像模块3中还设有用于切换不同滤光片20的滤光片切换装置22，该滤光片切换装置22中配有带通滤光片20和几种截止波长不同的长波通滤光片20，这些滤光片20不仅可以隔绝样品所反射的激光，通过切换不同的滤光片20可使InGaAs图像探测器只接收1150nm波长附近的硅材料荧光信号，可使InGaAs图像探测器只接收大于1200nm波长的材料杂质荧光信号，也可使InGaAs图像探测器同时接收硅材料荧光信号和材料杂质荧光信号。所述的滤光片切换装置22作用为对不同的滤光片20进行切换，但不限于其实现方式。该滤光片切换装置22可以为转盘式结构，在转盘上设置若干不同规格的滤光片20，通过转动转盘使不同的滤光片20与成像镜头19对齐即可，也或者通过在成像镜头19下设置滤光片20容置装置，通过快速拆卸方式实现不同滤光片20的安装和拆卸，亦或通过滑动板式，通过抽拉实现不同滤光片20与成像镜头19对应，等等。
还设有硅片少子寿命测量模块23，该硅片少子寿命测量模块能够对样品荧光图像进行校准。
Claims (9)
1.一种太阳能硅片高速线扫描光致荧光成像检测设备，其特征是：包括机架、硅片传送机构（1）、激光发生装置、荧光成像模块（3）和图像采集-处理模块（4），所述激光发生装置、至少一个荧光成像模块（3）和图像采集-处理模块（4）分别固设于机架上，硅片传送机构（1）能够输送待检测硅片到达检测位置，激光发生装置能够发射垂直于硅片运动方向的激光线并照射检测位置的待检测硅片，荧光成像模块（3）能够对检测位置的硅片发出的荧光信号进行探测并传信于图像采集-处理模块（4）进行分析和处理。
2.如权利要求1所述的太阳能硅片高速线扫描光致荧光成像检测设备，其特征是：所述激光发生装置包括激光线照明模块（2）和光纤耦合半导体激光器（6），激光线照明模块（2）和光纤耦合半导体激光器（6）通过光纤输出头（7）相连接，激光线照明模块（2）能够将光纤输出头（7）输出的激光整形为超细、高均匀激光线。
3.如权利要求1所述的太阳能硅片高速线扫描光致荧光成像检测设备,其特征是：所述激光线照明模块（2）包括沿光线方向依次排列的球面准直透镜组（11）、二向色镜（12）、柱面镜阵列（13）、负柱面镜（14）、第一正柱面镜（15）、第二正柱面镜（16）、柱面镜组（17），其中负柱面镜（14）、柱面镜组（17）与柱面镜阵列（13）、第一正柱面镜（15）、第二正柱面镜（16）的面型方向垂直。
4.如权利要求3所述的太阳能硅片高速线扫描光致荧光成像检测设备，其特征是：所述激光线照明模块（2）和荧光成像模块（3）均放置于没有光线的暗室（8）中，该暗室（8）侧壁上设有供硅片传送机构（1）带动硅片（5）进出暗室（8）的狭缝（9）。
5.如权利要求2所述的太阳能硅片高速线扫描光致荧光成像检测设备，其特征是：所述激光线照明模块（2）和荧光成像模块（3）位于硅片传送机构（1）同侧或者异侧。
6.如权利要求1所述的太阳能硅片高速线扫描光致荧光成像检测设备，其特征是：所述荧光成像模块（3）包括依次排列设置的线扫描InGaAs相机（18）、成像镜头（19）和滤光片（20）。
7.如权利要求6所述的太阳能硅片高速线扫描光致荧光成像检测设备，其特征是：所述线扫描InGaAs相机（18）所配置的线扫描InGaAs图像探测器（21）像素高度大于像素宽度。
8.如权利要求6所述的太阳能硅片高速线扫描光致荧光成像检测设备，其特征是：所述荧光成像模块（3）中还设有用于切换不同滤光片（20）的滤光片切换装置（22）。
9.如权利要求1所述的太阳能硅片高速线扫描光致荧光成像检测设备，其特征是：还设有硅片少子寿命测量模块（23），该硅片少子寿命测量模块能够对样品荧光图像进行校准。
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