楊高杰，馬利民，王淑珍

(1.鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.洛陽理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

太陽能電池板表面形貌測量儀

楊高杰1，馬利民2，王淑珍2

(1.鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.洛陽理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

本文介紹了一種用于太陽能電池板表面質(zhì)量檢測的三維形貌測量儀，重點(diǎn)介紹了基于白光顯微干涉和雙衍射光柵激光位移計(jì)量的垂直掃描系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與工作原理。通過采用該測量儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)單刻線樣板和A級(jí)多晶硅片表面進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了太陽能電池板表面形貌測量儀所能達(dá)到的精度。

表面形貌；白光干涉；雙衍射光柵；壓電陶瓷；柔性鉸鏈

對(duì)太陽能電池板表面形貌結(jié)構(gòu)關(guān)鍵特征進(jìn)行精確測量，尤其對(duì)產(chǎn)品表面進(jìn)行納米精度的測量，建立某些表面微觀形貌參數(shù)與太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系模型，可為優(yōu)化太陽能電池生產(chǎn)和加工過程提供數(shù)據(jù)支持[1]。本文介紹了基于白光顯微干涉的太陽能電池板表面形貌測量儀的結(jié)構(gòu)組成和基本工作原理，并通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)單刻線樣板和A級(jí)多晶硅片表面測量，實(shí)現(xiàn)了太陽能電池板表面形貌測量儀所能達(dá)到精度的比對(duì)實(shí)驗(yàn)。

1 測量儀的結(jié)構(gòu)組成

圖1 太陽能電池板表面三維形貌測量儀

太陽能電池板表面形貌測量儀結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由垂直掃描系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)及支撐裝置等組成，整體置于氣浮隔震器上。垂直掃描系統(tǒng)由白光干涉顯微掃描裝置和垂直掃描精進(jìn)給裝置組成。白光干涉顯微掃描裝置由白光源發(fā)出白光經(jīng)柯拉照明光路，到達(dá)分束棱鏡進(jìn)入成像光路，光束在Mirau鏡中形成包含被測點(diǎn)高度信息的白光干涉條紋。CCD對(duì)白光干涉條紋拍照采集，由圖像采集卡送入計(jì)算機(jī)。垂直進(jìn)給裝置中粗進(jìn)給裝置完成干涉顯微鏡初始掃描高度的定位，精進(jìn)給裝置由微位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)、雙衍射光柵激光計(jì)量裝置等組成，完成對(duì)被測表面垂直方向的進(jìn)給和計(jì)量。計(jì)算機(jī)控制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)微位移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)動(dòng)光柵和Mirau鏡在垂直方向移動(dòng)，雙衍射光柵產(chǎn)生的激光干涉條紋隨著動(dòng)光柵的位移而移動(dòng)，“田”字型四象限光電陣列拾取激光干涉條紋轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由信息處理電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、辨向、細(xì)分與計(jì)數(shù)，通過計(jì)算激光干涉條紋的移動(dòng)量得到壓電陶瓷位移量，精確計(jì)量垂直掃描系統(tǒng)的垂直進(jìn)給高度。計(jì)算機(jī)提取白光干涉條紋的最佳干涉位置，結(jié)合雙衍射光柵激光計(jì)量裝置的計(jì)量結(jié)果，以較高的精度完成對(duì)太陽能電池表面微觀形貌的測量。

2 垂直掃描系統(tǒng)組成

垂直掃描系統(tǒng)是測量儀的核心部分，白光干涉顯微裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)被測表面的二維形貌掃描，垂直掃描精進(jìn)給裝置帶動(dòng)Mirau顯微鏡在垂直方向進(jìn)給，計(jì)算機(jī)綜合二者測量結(jié)果重構(gòu)被測表面三維形貌。

2.1 白光干涉顯微裝置

白光干涉顯微裝置由柯拉照明光路和成像光路組成。照明光路由白光源、透鏡組、孔徑光闌、視場光闌、反射鏡和透鏡組成。光源發(fā)出白光束，經(jīng)透鏡組后使白光燈絲的成像在物鏡的焦點(diǎn)上，并完全覆蓋孔徑光闌。光束經(jīng)視場光闌、反射鏡反射后到達(dá)分光鏡進(jìn)入成像光路。成像光路由Mirau干涉顯微鏡、透鏡、反射鏡等組成。光束在Mirau鏡中被分束板分成兩束，一束透射出Mirau鏡，經(jīng)被測表面反射回Mirau鏡，在分束板處與經(jīng)過參考面反射的另一束光相遇，兩束光在等光程或光程差極小位置產(chǎn)生為數(shù)不多的干涉條紋，其中零級(jí)干涉條紋光強(qiáng)最強(qiáng)，包含被測點(diǎn)的高度信息[2-3]。白光干涉條紋經(jīng)反射后通過鏡筒透鏡成像在CCD相機(jī)的感光面上被接受，并經(jīng)圖像采集卡傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行條紋提取與位移計(jì)算處理。

2.2 垂直精進(jìn)給與計(jì)量裝置

太陽能電池板表面形貌測量儀垂直精進(jìn)給與計(jì)量裝置，主要有壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)組成的微位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)和由激光源、光柵副、光電接收器等組成雙衍射光柵位移計(jì)量裝置等組成。垂直位移的計(jì)量原理是激光源發(fā)射光束經(jīng)反射鏡1次反射方向改變90°，垂直入射動(dòng)光柵，發(fā)生初次衍射，經(jīng)靜光柵發(fā)生兩次衍射并產(chǎn)生干涉條紋。光電接收器拾取經(jīng)前置放大鏡放大的干涉條紋，轉(zhuǎn)化成電信號(hào)并進(jìn)行前置放大，信息處理電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、辨向、細(xì)分與計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)垂直進(jìn)給的位移量進(jìn)行精確計(jì)量。采用雙衍射光柵位移計(jì)量裝置對(duì)進(jìn)給量進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)量，計(jì)量結(jié)果不受壓電陶瓷的非線性和滯回誤差的影響。

2.2.1 微位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)

微位移機(jī)構(gòu)包括疊層式平行平板柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)、WTYD 0808025型壓電陶瓷微驅(qū)動(dòng)器[4]、動(dòng)光柵支架和Mirau顯微鏡支架。疊層式平行平板柔性鉸鏈采用線切割工藝加工而成，為擴(kuò)大精驅(qū)動(dòng)范圍，減少測量定位次數(shù)，采用幾何放大比為2的杠桿機(jī)構(gòu)。4個(gè)折疊式平行平板對(duì)稱設(shè)置，保證動(dòng)光柵只沿垂直方向微動(dòng)，保證了測量精度和準(zhǔn)確性。WTYD0808025型壓電陶瓷微驅(qū)動(dòng)器的標(biāo)稱位移為25 μm，驅(qū)動(dòng)電壓0 V～200 V，0.1 V電壓變化對(duì)應(yīng)的壓電陶瓷微致動(dòng)器的變形量為1 nm。計(jì)算機(jī)采用16位D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器AD669對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)控制，則微位移機(jī)構(gòu)的最大位移理論值為50 μm，理論位移分辨率為0.76 nm。

2.2.2 光電接收器

光電接收器裝置選用濱松公司的S4349四象限硅PIN光電二極管，感光面積9 mm2[5]。在工作時(shí)，4個(gè)感光面結(jié)構(gòu)對(duì)稱，全部位于干涉場中與干涉條紋傾斜一定角度放置，產(chǎn)生兩路差分信號(hào)。這種排列所獲取的差分信號(hào)信噪比較高，對(duì)直流抑制大，允許條紋的形狀與寬度在一定范圍內(nèi)變化，增強(qiáng)了單頻干涉測量的抗干擾能力，為獲得納米級(jí)分辨率提供了良好的保證[6]。

由于光電管產(chǎn)生的電信號(hào)比較微弱，為保證信號(hào)的質(zhì)量，將光電管陣列與前置放大電路布置在同一塊圓形的PCB板上，通過旋轉(zhuǎn)接收器放置角度來獲取兩路正交的正弦信號(hào)[7-8]。兩路正弦信號(hào)含有噪聲、直流偏置，需濾波、消除直流偏置和差動(dòng)放大等整形處理。STM 32單片機(jī)定時(shí)器的編碼器模式實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路整形處理后的方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)和辨向，對(duì)不足1/4周期的正弦信號(hào)，采用單片機(jī)自帶的12位ADC轉(zhuǎn)換模塊對(duì)相位角細(xì)分，可得瞬時(shí)相位角，計(jì)數(shù)結(jié)果存儲(chǔ)到單片機(jī)的存儲(chǔ)單元并傳給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)綜合計(jì)數(shù)值、細(xì)分所得瞬時(shí)相位角得到干涉條紋的移動(dòng)量，經(jīng)過相關(guān)計(jì)算得出動(dòng)光柵的移動(dòng)量。

圖2 信息處理原理框圖

3 計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)信息處理原理框圖如圖2所示。計(jì)算機(jī)向信息處理部分發(fā)送壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)命令，16位D/A轉(zhuǎn)換器AD669將壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)通過放大驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷位移。雙衍射光柵計(jì)量裝置中的光電接收器將拾取的激光干涉條紋位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩路差分電信號(hào)，由信號(hào)處理電路中的STM32單片機(jī)進(jìn)行辨向、細(xì)分和計(jì)數(shù)，并將結(jié)果傳送給計(jì)算機(jī)計(jì)算激光干涉條紋位移量。Mirau鏡在柔性鉸鏈的帶動(dòng)下垂直位移，白光干涉條紋完成對(duì)被測表面的掃描，CCD相機(jī)對(duì)白光干涉條紋進(jìn)行拍照采集，通過圖像采集卡傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行干涉條紋處理。

本文介紹形貌測量儀所使用的測量軟件基于C++ builder開發(fā)，可以綜合每張圖片白光干涉條紋的提取結(jié)果和每張圖片對(duì)應(yīng)的掃描臺(tái)階高度，重構(gòu)被測表面的三維形貌，可實(shí)現(xiàn)對(duì)表面形貌和輪廓信息的提取以及二、三維表面參數(shù)的評(píng)定。

4 結(jié) 語

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)太陽能電池板表面形貌測量儀所能達(dá)到的精度等級(jí)，采用標(biāo)準(zhǔn)刻劃樣板與A級(jí)多晶硅片進(jìn)行比對(duì)測試。樣板為中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所檢定的產(chǎn)品編號(hào)為12 044，型號(hào)規(guī)格：H=4.7 μm的單刻線樣板進(jìn)行了單場測量，圖3為單刻線樣板單場測量三維形貌重構(gòu)結(jié)果，臺(tái)階高度測量值為4.703 μm，與標(biāo)稱值誤差-0.003 μm。對(duì)中硅高科A級(jí)多晶硅片進(jìn)行單場測量，圖4為多晶硅片單場測量三維形貌重構(gòu)結(jié)果，表1為多晶硅片二維評(píng)定參數(shù)結(jié)果。

圖3 單刻線樣板單場測量三維形貌 圖4 A級(jí)多晶硅片單場測量三維形貌

評(píng)定參數(shù)符號(hào)結(jié)果輪廓算術(shù)平均偏差Ra1.213μm微觀不平十點(diǎn)高度Rz6.839μm輪廓最大高度Ry7.948μm輪廓單峰平均間距S0.006mm輪廓微觀不平度的平均間距Sm0.007mm

比對(duì)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，太陽能電池板表面形貌測量儀達(dá)到納米精度，可應(yīng)用于太陽能電池板表面形貌的測量。

[1] Erik Novak. 三維表面測量提高太陽能電池效[EB/OL] .http://www.chinabaike.com/z/dianlijishu /233330.html.

[2] 常素萍. 基于白光干涉輪廓尺寸與形貌非接觸測量方法和系統(tǒng)[D].武漢：華中科技大學(xué),2007:20-21.

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[4] 王淑珍,王生懷,謝鐵邦. 大量程納米級(jí)垂直掃描系統(tǒng)研究[J]. 中國機(jī)械工程, 2010, 21(04):387-390+476.

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[6] 王淑珍,謝鐵邦,常素萍,等. 四象限光電探測器用于表面形貌測量的研究[J]. 中國機(jī)械工程, 2008,19(19):2348-2351.

[7] 王生懷,楊旭東,謝鐵邦. 雙衍射光柵位移傳感器原理及應(yīng)用[J]. 計(jì)量技術(shù),2008(06):7-10.

[8] 王淑珍,謝鐵邦. 基于激光干涉的接觸式微位移測量儀[J]. 工具技術(shù),2010,44(01):105-108.

Surface Morphology of Solar Panel Measuring Instrument

YANG Gaojie1, MA Limin2, WANG Shuzhen2

(1.Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 2.Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

3D surface morphology measuring instrument is introduced in the paper. It can detect the solar cell panel surface topography. The structure and working principle of the vertical scanning system based on the white light interference and the double diffraction grating laser displacement measurement are introduced. Working principle of information acquisition system is also introduced. And a comparison test between the standard single line model and grade A polycrystalline silicon wafer is performed. The test results show the accuracy of the measuring instrument.

surface topography; white light interference; double diffraction grating; piezoelectric ceramic; flexible hinge

2017-03-20

楊高杰(1990-)，男，河南周口人，在讀碩士研究生，主要從事制造自動(dòng)化技術(shù)方面的研究.

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(132102210046).

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.02.014

TG802

A

1674-5403(2017)02-0048-04