太阳能电池板表面形貌测量仪

杨高杰，马利民，王淑珍

(1.郑州大学 机械工程学院，河南 郑州 450001；2.洛阳理工学院 机械工程学院，河南 洛阳 471023)

太阳能电池板表面形貌测量仪

杨高杰1，马利民2，王淑珍2

(1.郑州大学 机械工程学院，河南 郑州 450001；2.洛阳理工学院 机械工程学院，河南 洛阳 471023)

本文介绍了一种用于太阳能电池板表面质量检测的三维形貌测量仪，重点介绍了基于白光显微干涉和双衍射光栅激光位移计量的垂直扫描系统和计算机信息处理系统的结构组成与工作原理。通过采用该测量仪对标准单刻线样板和A级多晶硅片表面进行比对实验，验证了太阳能电池板表面形貌测量仪所能达到的精度。

表面形貌；白光干涉；双衍射光栅；压电陶瓷；柔性铰链

对太阳能电池板表面形貌结构关键特征进行精确测量，尤其对产品表面进行纳米精度的测量，建立某些表面微观形貌参数与太阳能电池光电转换效率之间的关系模型，可为优化太阳能电池生产和加工过程提供数据支持[1]。本文介绍了基于白光显微干涉的太阳能电池板表面形貌测量仪的结构组成和基本工作原理，并通过对标准单刻线样板和A级多晶硅片表面测量，实现了太阳能电池板表面形貌测量仪所能达到精度的比对实验。

1 测量仪的结构组成

图1 太阳能电池板表面三维形貌测量仪

太阳能电池板表面形貌测量仪结构如图1 所示，由垂直扫描系统、计算机信息处理系统及支撑装置等组成，整体置于气浮隔震器上。垂直扫描系统由白光干涉显微扫描装置和垂直扫描精进给装置组成。白光干涉显微扫描装置由白光源发出白光经柯拉照明光路，到达分束棱镜进入成像光路，光束在Mirau镜中形成包含被测点高度信息的白光干涉条纹。CCD对白光干涉条纹拍照采集，由图像采集卡送入计算机。垂直进给装置中粗进给装置完成干涉显微镜初始扫描高度的定位，精进给装置由微位移进给机构、双衍射光栅激光计量装置等组成，完成对被测表面垂直方向的进给和计量。计算机控制压电陶瓷驱动微位移机构带动动光栅和Mirau镜在垂直方向移动，双衍射光栅产生的激光干涉条纹随着动光栅的位移而移动，“田”字型四象限光电阵列拾取激光干涉条纹转换成电信号，由信息处理电路对电信号进行调理、辨向、细分与计数，通过计算激光干涉条纹的移动量得到压电陶瓷位移量，精确计量垂直扫描系统的垂直进给高度。计算机提取白光干涉条纹的最佳干涉位置，结合双衍射光栅激光计量装置的计量结果，以较高的精度完成对太阳能电池表面微观形貌的测量。

2 垂直扫描系统组成

垂直扫描系统是测量仪的核心部分，白光干涉显微装置实现对被测表面的二维形貌扫描，垂直扫描精进给装置带动Mirau显微镜在垂直方向进给，计算机综合二者测量结果重构被测表面三维形貌。

2.1 白光干涉显微装置

白光干涉显微装置由柯拉照明光路和成像光路组成。照明光路由白光源、透镜组、孔径光阑、视场光阑、反射镜和透镜组成。光源发出白光束，经透镜组后使白光灯丝的成像在物镜的焦点上，并完全覆盖孔径光阑。光束经视场光阑、反射镜反射后到达分光镜进入成像光路。成像光路由Mirau干涉显微镜、透镜、反射镜等组成。光束在Mirau镜中被分束板分成两束，一束透射出Mirau镜，经被测表面反射回Mirau镜，在分束板处与经过参考面反射的另一束光相遇，两束光在等光程或光程差极小位置产生为数不多的干涉条纹，其中零级干涉条纹光强最强，包含被测点的高度信息[2-3]。白光干涉条纹经反射后通过镜筒透镜成像在CCD相机的感光面上被接受，并经图像采集卡传送给计算机进行条纹提取与位移计算处理。

2.2 垂直精进给与计量装置

太阳能电池板表面形貌测量仪垂直精进给与计量装置，主要有压电陶瓷驱动器、柔性铰链机构组成的微位移进给机构和由激光源、光栅副、光电接收器等组成双衍射光栅位移计量装置等组成。垂直位移的计量原理是激光源发射光束经反射镜1次反射方向改变90°，垂直入射动光栅，发生初次衍射，经静光栅发生两次衍射并产生干涉条纹。光电接收器拾取经前置放大镜放大的干涉条纹，转化成电信号并进行前置放大，信息处理电路对电信号进行调理、辨向、细分与计数，实现对垂直进给的位移量进行精确计量。采用双衍射光栅位移计量装置对进给量进行实时计量，计量结果不受压电陶瓷的非线性和滞回误差的影响。

2.2.1 微位移进给机构

微位移机构包括叠层式平行平板柔性铰链结构、WTYD 0808025型压电陶瓷微驱动器[4]、动光栅支架和Mirau显微镜支架。叠层式平行平板柔性铰链采用线切割工艺加工而成，为扩大精驱动范围，减少测量定位次数，采用几何放大比为2的杠杆机构。4个折叠式平行平板对称设置，保证动光栅只沿垂直方向微动，保证了测量精度和准确性。WTYD0808025型压电陶瓷微驱动器的标称位移为25 μm，驱动电压0 V～200 V，0.1 V电压变化对应的压电陶瓷微致动器的变形量为1 nm。计算机采用16位D/A转换器转换器AD669对压电陶瓷驱动控制，则微位移机构的最大位移理论值为50 μm，理论位移分辨率为0.76 nm。

2.2.2 光电接收器

光电接收器装置选用滨松公司的S4349四象限硅PIN光电二极管，感光面积9 mm2[5]。在工作时，4个感光面结构对称，全部位于干涉场中与干涉条纹倾斜一定角度放置，产生两路差分信号。这种排列所获取的差分信号信噪比较高，对直流抑制大，允许条纹的形状与宽度在一定范围内变化，增强了单频干涉测量的抗干扰能力，为获得纳米级分辨率提供了良好的保证[6]。

由于光电管产生的电信号比较微弱，为保证信号的质量，将光电管阵列与前置放大电路布置在同一块圆形的PCB板上，通过旋转接收器放置角度来获取两路正交的正弦信号[7-8]。两路正弦信号含有噪声、直流偏置，需滤波、消除直流偏置和差动放大等整形处理。STM 32单片机定时器的编码器模式实现对两路整形处理后的方波信号进行计数和辨向，对不足1/4周期的正弦信号，采用单片机自带的12位ADC转换模块对相位角细分，可得瞬时相位角，计数结果存储到单片机的存储单元并传给计算机。计算机综合计数值、细分所得瞬时相位角得到干涉条纹的移动量，经过相关计算得出动光栅的移动量。

图2 信息处理原理框图

3 计算机信息处理系统

计算机信息处理原理框图如图2所示。计算机向信息处理部分发送压电陶瓷驱动命令，16位D/A转换器AD669将压电陶瓷驱动电路控制信号转换成模拟信号通过放大驱动电路驱动压电陶瓷位移。双衍射光栅计量装置中的光电接收器将拾取的激光干涉条纹位移信号转换成两路差分电信号，由信号处理电路中的STM32单片机进行辨向、细分和计数，并将结果传送给计算机计算激光干涉条纹位移量。Mirau镜在柔性铰链的带动下垂直位移，白光干涉条纹完成对被测表面的扫描，CCD相机对白光干涉条纹进行拍照采集，通过图像采集卡传输给计算机进行干涉条纹处理。

本文介绍形貌测量仪所使用的测量软件基于C++ builder开发，可以综合每张图片白光干涉条纹的提取结果和每张图片对应的扫描台阶高度，重构被测表面的三维形貌，可实现对表面形貌和轮廓信息的提取以及二、三维表面参数的评定。

4 结 语

为验证本设计太阳能电池板表面形貌测量仪所能达到的精度等级，采用标准刻划样板与A级多晶硅片进行比对测试。样板为中航工业北京长城计量测试技术研究所检定的产品编号为12 044，型号规格：H=4.7 μm的单刻线样板进行了单场测量，图3为单刻线样板单场测量三维形貌重构结果，台阶高度测量值为4.703 μm，与标称值误差-0.003 μm。对中硅高科A级多晶硅片进行单场测量，图4为多晶硅片单场测量三维形貌重构结果，表1为多晶硅片二维评定参数结果。

图3 单刻线样板单场测量三维形貌 图4 A级多晶硅片单场测量三维形貌

评定参数符号结果轮廓算术平均偏差Ra1.213μm微观不平十点高度Rz6.839μm轮廓最大高度Ry7.948μm轮廓单峰平均间距S0.006mm轮廓微观不平度的平均间距Sm0.007mm

比对实验测试结果表明，太阳能电池板表面形貌测量仪达到纳米精度，可应用于太阳能电池板表面形貌的测量。

[1] Erik Novak. 三维表面测量提高太阳能电池效[EB/OL] .http://www.chinabaike.com/z/dianlijishu /233330.html.

[2] 常素萍. 基于白光干涉轮廓尺寸与形貌非接触测量方法和系统[D].武汉：华中科技大学,2007:20-21.

[3] 王淑珍,谢铁邦,常素萍. 复合型超精密表面形貌测量仪[J]. 光学精密工程,2011,19(04):828-835.

[4] 王淑珍,王生怀,谢铁邦. 大量程纳米级垂直扫描系统研究[J]. 中国机械工程, 2010, 21(04):387-390+476.

[5]. 滨松光子学商贸(中国)有限公司. 四象限硅PIN光电二极管[EB/OL]. http://www.hamamatsu. com.cn/product/category/10002/10004/10475/index.html.

[6] 王淑珍,谢铁邦,常素萍,等. 四象限光电探测器用于表面形貌测量的研究[J]. 中国机械工程, 2008,19(19):2348-2351.

[7] 王生怀,杨旭东,谢铁邦. 双衍射光栅位移传感器原理及应用[J]. 计量技术,2008(06):7-10.

[8] 王淑珍,谢铁邦. 基于激光干涉的接触式微位移测量仪[J]. 工具技术,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

杨高杰(1990-)，男，河南周口人，在读硕士研究生，主要从事制造自动化技术方面的研究.

河南省科技攻关项目(132102210046).

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.02.014

TG802

A

1674-5403(2017)02-0048-04