EL红外缺陷测试仪关键参量校准方法研究

2018-06-25张可佳张碧丰熊利民周桃庚张俊超孟海凤赫英威李晓辉王常世

计量学报 2018年2期

张可佳，张碧丰，熊利民，周桃庚，张俊超，孟海凤，蔡川，赫英威, 李晓辉, 王常世

(1. 北京理工大学光电学院光学测量实验室，北京 100081； 2.中国计量科学研究院，北京 100029)

1 引言

目前，测试晶硅太阳电池及组件潜在缺陷的方法基本均是基于太阳能电池正向偏压下的EL测试技术。EL测试技术是指EL测试仪利用红外检测的方法，通过CCD近红外相机检测出晶体硅太阳电池在可见光下不易被发现的隐性缺陷，如隐裂、断栅、电阻不均匀、花边等[1,2]。EL红外缺陷测试仪(简称EL测试仪)其性能直接影响光伏组件的缺陷检测程度。对EL测试仪的判定主要是其光学性能，即CCD近红外相机的分辨率[3]。分辨率的测量指标可包括：视觉分辨率、极限分辨率、空间频率响应(spatial frequency response,SFR)、调制传递函数(modulation transfer function,MTF)和光学传递函数(optical transfer function,OTF)。分辨率常用线数每像高来表示，即LW/PH。它指的是分辨率测试图上标定线条的宽度相对于测试图有效区域的高度的度量单位，它等于测试图的有效高度除以黑色标定线的宽度[4～6]。例：若测试图的有效高度为200 mm，1 000 LW/PH 的黑线宽度等于200/1 000 mm，即0.2 mm。目前，实验室及车间常用的分辨率测试方法为视觉分辨率测试法，即正常进行EL测试过程中将测试靶板贴于组件正面进行拍摄，人工观察所得照片中测试靶板可分辨的线条数[7～9]。该测试方法，人眼观察线条数主观性太强，不适合校准。

本文搭建了基于SFR测试方法的红外缺陷测试仪分辨率校准装置，实验分析了对焦以及位置摆放对分辨率测量结果的影响。对于便携式和固定式EL测试仪，给出了相应的测试方法及操作流程，并且提出了针对玻璃面式EL测试仪的五点测试法以及针对便携式EL测试仪的分辨率判读系数法，可以实现无参考背景情况下的校准工作。利用搭建的校准装置可实现对EL测试仪的准确、客观的评估。

2 EL测试仪校准装置

2.1 EL测试仪分辨率校准装置

针对EL测试仪分辨率的校准，搭建了如图1所示的校准装置。

图1 EL测试仪分辨率校准装置

该装置主要包括：

(1)灯箱：光源的波长范围介于700～1 100 nm之间的近红外光源，直流稳压或稳流电源供电，照度连续可调，光源面照度均匀性高于90%，光源有效照面面积大于35 cm×25 cm，该光源模拟组件电致发光时的近红外波段。

(2)测试靶板：包含SFR测试区，分辨率判读区，主观判读区，灰阶区域及图卡识别标志的测试靶板，靶板型号为TTI-C-A21，见图2。

(3)图片处理软件：分析EL测试仪拍摄的照片，计算分辨率。

图2 推荐测试靶板TTI-C-A21

图2中，A为SFR测试块，倾斜角为5°～7°之间的正方形图样，对比度介于40:1到80:1之间，用于测试水平及垂直SFR；B为视觉分辨率区块，黑白相间隔的光栅状条纹，条纹宽度连续改变，将图像高度方向能容纳条纹宽度的数量标识出来作为分辨率判读依据，其对比度介于40:1到80:1之间，用于判读极限分辨率；C为灰阶图，由黑到白(0～255)按照相等灰度值间隔区分出来的多个(12个)不同灰阶块，用于从图像上判断曝光的正确性；D为主观分辨率测试区域，由一组不同宽度的黑色线条和大小粗细不同的描述性文字组成，人眼直接从图像上判断线条或文字是否清晰可见；E为图卡识别标志，位于图像边缘的识别标志，用于判断图卡位置和分析软件对图像进行识别。该测试靶版为透射式，其测量范围为0～6 000 LW/PH, 极限分辨率超过6 000 LW/PH的相机推荐使用更高精度的测试靶版。测试结果:误差小于±5%。

该装置适用于各种类型的EL测试仪，且易于操作，方便携带，可以为生产企业和检测机构提供EL测试仪的现场计量认证服务。

2.2 光源及测试靶板的选取

2.2.1 光源的选取

该校准装置的光源模拟组件电致发光时的近红外波段，光源的波长范围为700～1 100 nm，并且光源照度连续可调，当拍得的照片过曝或曝光不足时，可考虑调节光源强度或相机曝光时间，使之达到合适的曝光量。

判断曝光是否过量的方法如下：

(a)灰阶测试区域中密度最大(最黑)的测试块，曝光后不应出现发白的情况。如出现发白认为曝光过度，见图3。与图3(c)对比，发现图3(b)黑色区块发白，过度曝光，此时应适当降低曝光参数，如缩小曝光时间或者可以调节光源适当降低辐照度。

(b)灰阶测试区域中密度最大(最黑)的测试块应该能够与其相邻的测试块区分出来，如果不能区分则认为曝光不足，见图4。与图4(c)对比，发现图4(b)黑色区块与相邻区块无法区分，曝光不足，此时应当适当加强曝光参数，如延长曝光时间或者可以调节光源适当提高辐照度。

(c)曝光水平介于图3(a)与图3(b)描述的曝光水平之间，即最黑色灰阶块可以和相邻灰阶区分，同时本身又没有发白时认为曝光正常，可以继续进行测试，见图5。其中图5(b)为正常曝光，图5(a)为正常曝光上限，图5(c)为正常曝光下限。

图3 过度曝光例图(灰阶区域放大)

图4 曝光不足例图(灰阶区域放大)

图5 正常曝光例图

2.2.2 测试靶板的选取

实验采用了3种不同大小规格测试靶板，尺寸分别为38 cm×51 cm，30 cm×40 cm，21 cm×28 cm。 SFR测试中，国际标准组织推荐分析数据的测试区大小如图6所示，宽度大于60 pixel，长度在80～500 pixels之间。实际测试时3种大小不同的靶板对应的可分析像素如图7所示，可见大小为 21 cm×28 cm的测试靶板无法达到长度方向至少含有80个pixel的要求。其他两种测试靶板可以满足需求。

图6 推荐测试区包含像素数

图7 3种测试靶板测试区包含像素数

考虑到光源设计、靶板制作的难易程度以及携带方便等因素，测试仪灯箱尺寸为60 cm×55 cm×5 cm，靶板大小为40 cm×30 cm。

3 EL测试仪关键参量校准

3.1 分辨率校准结果

对于校准装置，理论上靶面大小应与实际使用面积大小一致，考虑到图1中校准装置靶面大小有限，故在测试区域的中间、左上、左下、右上、右下5个位置，各测试10次，取各个位置的平均值，其中：MTF50指MTF=0.5时的空间频率调制传递函数值，MTF20指MTF=0.2时的空间频率调制传递函数值。表1为对某一红外缺陷测试仪的分辨率参数进行了校准，采用SFR测试分析得到的结果。

基于表1中的数据，可得到图8的曲线。

由此可以看出，在相机的测试区域内，各个位置的分辨率有一定差异，因此必须用5个位置的测试结果，才能更加确切反映相机的分辨率。

3.2 调焦对测试的影响

对于EL测试仪的校准，是为了充分反映其分辨率性能参数，而实际使用过程中，调焦的准确与否，直接影响到照片的质量和对缺陷的分析能力。对此，针对3种不同调焦状态，分别在最佳调焦位置，调焦环左旋1/4圈，调焦环左旋1/2圈这3种状态下，对相机拍摄区域的中间位置进行测试，得到SFR测试分析结果如表2所示。

表1 5个位置SFR测试分析结果

表2 3种不同调焦状态下中间区域分辨率SFR测试分析结果

图8 5个不同位置的分辨率

图9 不同调焦各个位置的分辨率

基于表2中的数据，可得到图9的曲线，

由此可以看出，调焦环偏离最佳位置幅度越大，其测试结果越差。然而，偏离最佳位置得到的测试数据并不能代表该测试仪的真实性能，因此必须在调焦准确的情况下进行测试，才能更加确切反映相机的分辨率。

3.3 红外缺陷测试仪校准流程

玻璃面式EL测试仪的校准步骤如下：

(1)将测试靶板贴附于光源有效光照区表面，要求测试靶板贴附平整。

(2)接通红外测试光源的电源，将光源置于被测相机视场的中心位置，使光源外壳高度(宽度)边缘与被测相机视场高度(宽度)边缘保持基本水平。

(3)固定被测试相机的光圈设定，将感光度设定为实际使用中最常用的值(如ISO 3200)，调节曝光时间，使得图像可以得到正确的曝光。如果曝光时间小于1/1 000 s，应适当降低红外光源的辐照度。

(4)按照步骤(3)中找到的合适的曝光参数进行拍照，并保存照片。

(5)分析照片中5个SFR测试块的MTF值，得到MTF曲线，取MTF50的平均值结果作为中心区域的MTF50的测试结果。

(6)将装好测试靶板的光源放于被测试相机的边缘(左上，右上，左下，右下四角)，重复上面(3)～(5)步骤，作为边缘区域的测试结果。

相机分辨率的测试是通过相机拍摄被测靶板，用像高上可分辨的线条数来表示。相机和靶板的距离不同，会使得拍摄的图片中靶板在图片中占的比例不同，从而影响像高方向的线条数目。因此对于便携式EL测试仪的校准，在拍摄照片时需在测试靶板后面放一个光伏组件，并使得拍摄图片中组件占满画面，以此保证和实际使用情况一致。

软件分析中的分辨率判读系数=图像高度像素数/测试靶板高度数，且光伏组件宽度近似100 cm，靶板实际高为30 cm，所以当组件占满画面时，分辨率判读系数=3.33。如果没有光伏组件作为背景参考，也可以选择拍摄图片的分辨率判读系数为3.33的位置进行测试。因此，便携式EL测试仪的校准流程可参考玻璃面式EL测试仪的校准过程，其摆放位置如图10所示。

4 结论

本文针对不同EL测试仪校准特点，搭建了基于SFR测试方法的红外缺陷测试仪分辨率校准装置。实验分析了对焦以及位置摆放对分辨率测量结果的影响，实验表明对于固定式EL测试仪，必须将调焦环调至最佳位置，且应在5个不同区域进行测试。对于便携式EL测试仪，可通过分辨率判读系数来确定测试仪的摆放位置。利用搭建的校准装置，可对各类EL测试仪的分辨率参数进行校准，测量结果的重复性较好。