ESPI 量測系統

d_z  n (4-22)

由(4-22)式可知，面外位移量測基本單位為 2。實驗上，面外位 移量測系統的架構如圖4.3(b)所示，雷射光經過分光鏡分為物光及參考 光，物光通過空間濾波器後，由待測試體反射回CCD 相機。參考光通 過空間濾波器後，在參考平面漫射產生參考光斑，物光及參考光均沿 CCD 相機的法線進入相機的感測元件。以 CCD 相機擷取太陽能電池 加熱變形前後之光斑圖形，將兩者的光強度相減再利用影像處理濾掉 (4-21)式中高頻的雜訊，即獲得光斑干涉條紋。接著根據 ESPI 影像中 光斑干涉條紋輪廓及數量，可得知待測物表面位移的分佈及改變量。

4.2 太陽能電池檢測系統

4.2.1 ESPI 量測系統

第三章提及之檢測系統的開發程序中，首要工作即是確認研究方 法的可行性，其中包括實驗架構的確認及數值模擬太陽能電池的熱變 形。本研究提出一有效檢測太陽能電池裂縫瑕疵的方法，利用太陽能 電池受熱時產生熱變形，裂縫瑕疵會造成熱變形的不連續，有裂縫瑕 疵與無缺陷的電池，在裂縫區域的位移變化應會有所不同。運用ESPI 量測系統拍攝電池背面的光斑影像，預期由光斑干涉條紋分佈的變 化，分辨出有無裂縫暇疵電池的差異。圖 4.4 為紅外線熱像儀拍攝有 缺陷太陽能電池於加熱過程的照片，太陽能電池置於加熱板上加熱，

圖中可清楚看出，缺陷處的溫度與其他區域不同，代表缺陷會導致溫

度傳遞不均勻。然而紅外線熱像儀的解析度不高，不易辨識微細裂縫 造成的差異。

為了確認量測系統的正確性，先以蜂鳴片代替太陽能電池做為量 測試片。蜂鳴片受到外加的電壓負載時會產生變形，若ESPI 量測系統 可正常使用時，應可拍下蜂鳴片因變形所產生的干涉條紋，藉此判斷 干涉系統的架設是否正確。步驟開始先在蜂鳴片上製造裂縫缺陷如圖 4.5(a)所示，ESPI 量測系統於蜂鳴片承受外加電壓 25 及 30V 時，各拍 攝光斑照片並進行影像處理，圖4.5(b)為 ESPI 量測系統拍攝面外位移 之干涉條紋，圖中顯示干涉條紋於缺陷處呈現不連續狀態，此為蜂鳴 片的缺陷處造成變形局部不連續情形。上述的結果可確認ESPI 量測系 統的正確性。經過驗證後，將臨時性的裝置及試片改換成檢測系統所 需的設備。

本研究中採用的電子光斑干涉實驗設備如下：

1. 波長 532 nm 之綠光半導體雷射，同調長度約 3 cm，可供干涉成像，

實體相片如圖4.6 所示。

2. 60X 物鏡及 10X 針孔(pin hole)組成的空間濾波器(spatial filter)，將 平行光轉換成球面光及擴束，使光源覆蓋整個太陽能電池。

3. 45°分光鏡將雷射光源一分為二，直接通過分光鏡的雷射光照射參 考物，反射的部分則照射待測物。

4. 500 萬像素(2452×2056) CCD 相機擷取太陽能電池背面的光斑強 度。

5. J-type 熱電偶(thermocouple)與 NI-9213 溫度擷取模組提供即時溫度 的量測，前者的實物如圖4.7 所示。

6. LabVIEW 程式監控溫度及操作 CCD 相機。

7. 電腦執行檢測系統軟硬體的整合控制與監控。

8. 加熱模組提供待測太陽能電池加熱。

實驗所使用的 CCD 相機感應器之廠牌為 Sony，對於綠光波段較 為敏感，故實驗採用波長532 nm 綠光雷射作為量測系統的光源。空間 濾波器使用高倍率60X 物鏡，將光源擴束至覆蓋整個太陽能電池。加 熱器使用PID (P、I 及 D 分別代表比例、積分微分)控制器，準確地控 制溫度。

ESPI 面外位移檢測系統的實驗架構如圖 4.8 所示，雷射光經過空 間濾波器，自平行光轉變成球面光，經由分光鏡分為物光及參考光，

物光照射在待測物上，於表面產生散射光斑。參考光照射於參考物，

同時產生散射光斑，待測物光斑及參考光斑兩者產生干涉後，透過相 機的物鏡進入相機的感測元件。檢測系統使用 J-type 熱電偶偵測加熱 板的溫度，以 NI-9213 溫度擷取模組傳回電腦，可於人機介面上監控 加熱器的即時溫度，設定 CCD 相機擷取太陽能電池受熱變形前、後之 光斑圖形，最後以影像處理程式將兩者的光強度相減並濾掉高頻的雜 訊，即可獲得光斑干涉條紋。太陽能電池的正面有抗反射層的結構，

會造成入射光有較高的反射性及較低的漫射效果，因此實驗採用用背 面作為量測面。

確認檢測系統架構之正確性後，接著討論加熱太陽能電池的方 式，在加熱太陽能電池過程中，必須調整並控制加熱器的升溫速度，

使加熱板的熱能在最短時內均勻傳導至試片上。由於電池的厚度只有 約200 μm，能量在電池的厚度方向傳遞非常快速，所以將熱電偶偵測 加熱板的溫度視作被加熱的試片溫度，假設系統中所監控的溫度為試 片的即時溫度。為確認試片的每個區域受到均勻加熱，於加熱前將試 片劃分為九個區域，四角以膠帶固定於加熱裝置上，如圖 4.9 所示，

接著利用接觸式測溫器記錄各區域溫度與時間關係，升溫過程中的初

始溫度為室溫(約 28℃)，設定停止加熱的溫度為 60℃，圖 4.10 顯示太 陽能電池九個區域的升溫過程無特別的差異，確認試片為均勻受熱。

圖4.11 為電子光斑量測系統在不同溫度間隔，拍攝代表太陽能電 池三方向位移的光斑干涉圖形。圖中顯示在相同負載(升溫間隔)下，面 外方向所產生的電子光斑條紋數目比面內方向多很多，代表太陽能電 池在面外方向的位移變化明顯大於面內方向，支持上述推導中只考慮 單一方向的假設，此結果亦可說明面外方向檢測較面內方向適合。圖 4.11 所示之三張不同溫度間隔拍攝的面外位移光斑干涉條紋照片中，

在太陽能電池邊緣至金屬接觸為39 mm 的範圍內，起始溫度為 32℃，

升溫 0.2℃、0.4℃與 0.6℃條紋數分別為 6、10、16，若考慮檢測的解 析度，條紋數越多解析度會越高，但在0.6℃圖片中，試片邊緣的條紋 已經幾乎模糊了，所以實驗的加熱溫度以0.4℃較佳。