CN112255246A - 面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像系统，主要包括LED光源、双目相机拍摄装置、控制器；所述双目相机拍摄装置包括明域摄像机、暗域摄像机；所述LED光源包括LED灯、导光装置、照射角度转换装置，LED灯包括第一路LED灯珠阵列、第二路LED灯珠阵列；所述控制器用于控制第一路LED灯珠阵列、第二路LED灯珠阵列的亮灭形成第一LED光路或第二LED光路来检测锂电池极板表面不同的缺陷；以及控制明域摄像机、暗域摄像机在光源开启周期内进行拍摄，并根据给定的光源照射角自动调整摄像机位置。还公开了一种面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像方法。本发明适合锂电池极板表面绝大部分缺陷检测。

Description

面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像系统及其方法
技术领域
本发明涉及光学检测领域，特别是涉及一种面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像系统及其方法。
背景技术
电极极片是锂电池的重要部件，在极片涂覆工艺中，表面容易产生空洞、划痕等缺陷，这些缺陷会严重影响电池的质量和使用寿命。目前采用人工检测的方法由于依靠肉眼识别，易受到检测人员专业水平和工作强度等因素影响，会产生漏检和误检问题，检测效率很低。此外，一些基于机器视觉的锂电池极片检测技术，虽然可以实现自动检测，提高检测的效率和质量，但此类检测装置需要光源进行打光，由于在实际生产中，极板线速度经常发生变化，传统光学成像系统的光源所发生的能量不能适应这些变化，容易产生照明不均匀问题，直接影响图像质量和检测性能。
此外，由于锂电池电极极片缺陷检测精度要求比较高，而且缺陷种类繁多，传统光学成像系统通常是一个光源配合一个相机工作，即采用一个特定波长的光源，对应一个图像获取装置，比如摄像机，仅能基于一种视角进行图像分析，给出的图像对不同缺陷特征表示能力较弱，在多种缺陷检测方面表现出明显不足。
为了克服传统光学成像系统的局限性，需要研究新的光学成像系统来进行锂电池极板表面缺陷检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像系统及其方法，可以对锂电池极板表面形成宽视场高强度均匀照明，获取不同缺陷特征区分明显的高质量检测图像，实现对锂电池极板表面皱褶、麻点、划伤等缺陷的高效率和高精确度检测。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像系统，主要包括LED光源、双目相机拍摄装置、控制器；
所述双目相机拍摄装置包括明域摄像机、暗域摄像机，用于拍摄锂电池极板表面不同缺陷的图像；
所述LED光源包括LED灯、导光装置、照射角度转换装置，LED灯包括第一路LED灯珠阵列、第二路LED灯珠阵列；导光装置用于调整LED灯发出的光束照射到极板表面上的光的均匀性、稳定性和亮度满足缺陷检测要求；照射角度转换装置用于控制导光装置输出的光源照射到被测锂电池极板表面的角度，使光源照射到对应的检测区域；
所述控制器用于分别控制第一路LED灯珠阵列、第二路LED灯珠阵列的亮灭形成第一LED光路或第二LED光路来检测锂电池极板表面不同的缺陷；以及控制明域摄像机、暗域摄像机在光源开启周期内进行拍摄，设置明域摄像机、暗域摄像机的拍摄参数相同，并根据给定的光源照射角自动调整摄像机位置。
在本发明一个较佳实施例中，所述第一路LED灯珠阵列产生波段为450—465nm的白光，第二路LED灯珠阵列产生波段为600—620nm的红外光。
在本发明一个较佳实施例中，所述导光装置包括第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜、至少一片滤光片和衰减片；LED灯珠阵列中心、菲涅尔透镜中心、滤光片中心和衰减片中心同轴，LED灯珠阵列所在平面与第一菲涅尔透镜的前焦平面重合，第一菲涅尔透镜的后焦平面与第二菲涅尔透镜的前焦平面重合，在第二菲涅尔透镜前焦点处设置有视场光阑。
进一步的，在第一LED光路与第二LED之间切换时，LED灯珠阵列、第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜和视场光阑之间的相对位置是根据预设值自动或手动进行调整的。
进一步的，所述滤光片对第一路LED灯珠阵列的滤波范围为450—465nm之外的波长，对第二路LED灯珠阵列的滤波范围为600—620nm之外的波长。
进一步的，所述衰减片用于衰减给定光路的光照强度，衰减量根据光路、照射角度和缺陷检测要求进行设定。
在本发明一个较佳实施例中，所述照射角度转换装置手动/自动调节范围为5°—85°，手动调节精度为1°。
在本发明一个较佳实施例中，所述明域摄像机、暗域摄像机采用线阵CCD多光谱一体化摄像机，线阵相机峰值响应波长根据光路变化加装相应滤波片进行光源波长匹配。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像方法，包括以下步骤：
S1：根据待检测的锂电池极板表面的缺陷类型，所述控制器控制所述第一路LED灯珠阵列、第二路LED灯珠阵列的亮灭，确定LED光路；
S2：利用所述照射角度转换装置调整光源照射角度，并根据确定的LED光路，利用导光装置对菲涅尔透镜、滤光片和衰减片进行调整，达到照射到极板表面上的光的均匀性、照射角度和亮度都满足缺陷检测要求；
S3：调整所述双目相机拍摄装置的工作参数，通过锂电池极板传送装置上的编码器感知极板传送速度变化，控制器采用新息自适应卡尔曼滤波算法进行测速，用于调整相机的扫描频率以匹配极板传送速度，确保获得恒定质量的图像；
S4：所述控制器控制明域相机和暗域相机同时工作，根据给定的光源照射角自动调整摄像机位置，采用明域、暗域成像接收模式相结合，获取缺陷细节，最终实现缺陷检出。
在本发明一个较佳实施例中，在步骤S1中，若检测锂电池极板表面色差、厚度不均匀的缺陷，则控制器控制第一路LED灯珠阵列打开，第二路LED灯珠阵列关闭；若检测锂电池极板表面孔洞、划痕、颗粒的缺陷，则控制器控制第一路LED灯珠阵列关闭，第二路LED灯珠阵列打开。
本发明的有益效果是：本发明选用了新型LED光源，增加了光源种类，减少了光学镜头数量及装调难度，使得光照亮度更加均匀，保证了成像的质量，降低了照明设备整体成本；本发明的技术方案适合锂电池极板表面绝大部分缺陷检测，通过光路、照射角度、明域和暗域成像接收模式等参数调整，可实现表面缺陷检测的全表面检测，重点解决了缺陷检测过程中的光照强度、相机扫描频率、缺陷细节等失配带来的检测精度损失问题，使整个光学成像系统具而较强的扩展性，满足了锂电池极板表面缺陷的模块化升级的需要。
附图说明
图1是本发明面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像系统的结构框图；
图2是所述导光装置的光路结构示意图；
图3是所述面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1，本发明实施例包括：
一种面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像系统，主要包括LED光源、双目相机拍摄装置、控制器。所述双目相机拍摄装置包括明域摄像机、暗域摄像机，用于拍摄锂电池极板表面不同缺陷的图像。所述LED光源包括LED灯、导光装置、照射角度转换装置，LED灯包括第一路LED灯珠阵列、第二路LED灯珠阵列；导光装置用于调整LED灯发出的光束照射到极板表面上的光的均匀性、稳定性和亮度满足缺陷检测要求；照射角度转换装置用于控制导光装置输出的光源照射到被测锂电池极板表面的角度，使光源照射到对应的检测区域。所述控制器用于分别控制第一路LED灯珠阵列、第二路LED灯珠阵列的亮灭形成第一LED光路或第二LED光路来检测锂电池极板表面不同的缺陷；以及控制明域摄像机、暗域摄像机在光源开启周期内进行拍摄，设置明域摄像机、暗域摄像机的拍摄参数相同，并根据给定的光源照射角自动调整摄像机位置。
具体的，所述第一路LED灯珠阵列产生波段为450—465nm的白光，第二路LED灯珠阵列产生波段为600—620nm的红外光，所述LED灯珠阵列呈长条形分布。
结合图2，所述导光装置包括第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜、至少一片滤光片和衰减片。LED灯珠阵列中心、菲涅尔透镜中心、滤光片中心和衰减片中心同轴，LED灯珠阵列所在平面与第一菲涅尔透镜的前焦平面重合，第一菲涅尔透镜的后焦平面与第二菲涅尔透镜的前焦平面重合，在第二菲涅尔透镜前焦点处设置有视场光阑。
针对两路LED光路，所述导光装置分别预设了LED灯珠阵列、第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜和视场光阑之间的相对位置(随焦距而定)，并可在LED光路切换时根据预设值自动进行位置调整。同时，所述导光装置支持手动微调第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜和视场光阑的位置，以及支持手动调节视场光阑的大小。
所述第一菲涅尔透镜和第二菲涅尔透镜能使LED光源散出的光亮度均匀地进行照射，不会出现照射盲区，提高了照明效率，同时工作稳定性强。
所述滤光片用于消除不在给定光路波长范围内的光，针对两路LED灯分别预设了滤波范围。具体的，滤光片对第一路LED灯珠阵列的滤波范围为450—465nm之外的波长，对第二路LED灯珠阵列的滤波范围为600—620nm之外的波长。同时，所述滤光片可在光路切换时根据预设滤波范围自动进行调整。
衰减片配置在滤光片之后，用以衰减给定光路的光照强度，针对不同光路、不同光照角度和不同缺陷检测类型分别预设了衰减量。当LED灯珠阵列发出光束后，先经过第一菲涅尔透镜在视场光阑处成像，而后光束经过第二菲涅尔透镜，最后经过衰减片和滤波片照射到锂电池极板表面上，从而保证照射到极板表面上的光的均匀性、稳定性和亮度都满足缺陷检测要求。
进一步地，所述衰减片可根据预设衰减量进行自动/手动调节。所述预设衰减量可根据不同光路、不同照射角度条件下的不同缺陷检测要求进行优化设定，并支持自定义。具体通过不同参数的衰减片的串联组合，来获取与衰减量设定值偏差最小的衰减片组合。
所述照射角度转换装置手动/自动调节范围为5°—85°，手动调节精度为1°，自动调节按预设值进行依次切换。优选的，所述照射角度默认设定为45°，所述照射角度转换装置默认为自动调节模式。
通过选用新型LED光源，增加了光源种类，减少了光学镜头数量及装调难度，使得光照亮度更加均匀，保证了成像的质量，降低了照明设备整体成本。
在机器视觉系统中，照明方式包括明域照明和暗域照明，明域照明方式是使用合理的角度使光源发出的光经物体表面产生的反射光直接接入镜头，暗域照明方式则是使反射光不直接接入镜头。不同的照明方式下，同一物体表面不同缺陷类型对给定照射角度的光源会有不同角度的反射光，呈现出完全不同的成像效果。比如，当目标表面缺陷是裂纹、划伤等，在明域照明模式下，缺陷部分的反射光因缺陷形态的凸起或凹陷，反射光不再落入镜头范围，在相机中，缺陷区域成像为低灰度区域，即比正常区域更暗；相反，暗域照明模式时，缺陷部分的反射光进入镜头，而正常区域的反射光不进入镜头，成像时缺陷区域比正常区域更亮，成高亮度区域，具有更清晰的缺陷细节，故此类缺陷宜采用暗域照明方式。通过采用明域、暗域成像接收模式相结合，可以实现多种类型的缺陷检出。
具体的，在明域光路放置摄像机构成明域摄像机，主要适用于检测明亮极板表面的吸收光线的缺陷类型，如皱褶、麻点。在暗域光路放置摄像机构成暗域摄像机，主要适用于检测极板表面的散射光线，如划伤等，组合这两种相机，可以确保检测出大多数极板的表面缺陷。
优选的，所述明域摄像机、暗域摄像机采用线阵CCD多光谱一体化摄像机，线阵相机峰值响应波长根据光路变化加装相应滤波片进行光源波长匹配。
利用该新型光学成像系统进行面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像方法，包括以下步骤：
S1：根据待检测的锂电池极板表面的缺陷类型，所述控制器控制所述第一路LED灯珠阵列、第二路LED灯珠阵列的亮灭，确定LED光路；
具体的，若检测锂电池极板表面色差、厚度不均匀等缺陷，则控制器控制第一路LED灯珠阵列打开，第二路LED灯珠阵列关闭，形成第一成像模式，即第一LED光路；若检测锂电池极板表面孔洞、划痕、颗粒等缺陷，则控制器控制第一路LED灯珠阵列关闭，第二路LED灯珠阵列打开，形成第二成像模式，即第二LED光路。
S2：利用所述照射角度转换装置调整光源照射角度，并根据确定的LED光路，利用导光装置对菲涅尔透镜、滤光片和衰减片进行调整，达到照射到极板表面上的光的均匀性、照射角度和亮度都满足缺陷检测要求；
S3：调整所述双目相机拍摄装置的工作参数，所述双目相机拍摄装置的两个相机采用线扫描方式，当极板传送速度在一定范围内变化时，通过锂电池极板传送装置上的编码器感知极板传送速度变化，控制器采用新息自适应卡尔曼滤波算法进行高精度测速，用于调整相机的扫描频率以匹配极板传送速度，确保获得恒定质量的图像，消除动态检测过程中传送速度变化对检测效果的影响；
S4：所述控制器控制明域相机和暗域相机在光源开启周期内同时工作进行拍摄，且两个相机拍摄起始时间间隔、线扫描频率、曝光时间等参数均相同，根据给定的光源照射角自动调整摄像机位置，采用明域、暗域成像接收模式相结合，获取缺陷细节，最终实现缺陷检出；
具体的，通过将给定光源照射角的光源照射到如皱褶、麻点缺陷(或者划伤缺陷)的极片样片上，然后调整明域摄像机(或者暗域摄像机)位置直至采集到的缺陷图像满足预设检测条件。所述预设检测条件原则上应满足获取的缺陷检测图像有助于更精确地识别出缺陷特征点，在实际操作中，当获取的缺陷检测图像由极片表面缺陷识别模型给出的缺陷检测准确率不低于特定阈值时，即认为此时满足所述预设检测条件，此时的摄像机位置即为最终调整位置。优选的，所述极片表面缺陷识别模型为控制器内基于深度学习建立的数据模型。
本发明适合锂电池极板表面绝大部分缺陷检测，通过光路、照射角度、明域和暗域成像接收模式等参数调整，可实现表面缺陷检测的全表面检测，重点解决了缺陷检测过程中的光照强度、相机扫描频率、缺陷细节等失配带来的检测精度损失问题，使整个光学成像系统具而较强的扩展性，满足了锂电池极板表面缺陷的模块化升级的需要。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像系统，其特征在于，主要包括LED光源、双目相机拍摄装置、控制器；
所述双目相机拍摄装置包括明域摄像机、暗域摄像机，用于拍摄锂电池极板表面不同缺陷的图像；
所述LED光源包括LED灯、导光装置、照射角度转换装置，LED灯包括第一路LED灯珠阵列、第二路LED灯珠阵列；导光装置用于调整LED灯发出的光束照射到极板表面上的光的均匀性、稳定性和亮度满足缺陷检测要求；照射角度转换装置用于控制导光装置输出的光源照射到被测锂电池极板表面的角度，使光源照射到对应的检测区域；
所述控制器用于分别控制第一路LED灯珠阵列、第二路LED灯珠阵列的亮灭形成第一LED光路或第二LED光路来检测锂电池极板表面不同的缺陷；以及控制明域摄像机、暗域摄像机在光源开启周期内进行拍摄，设置明域摄像机、暗域摄像机的拍摄参数相同，并根据给定的光源照射角自动调整摄像机位置。
2.根据权利要求1所述的面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像系统，其特征在于，所述第一路LED灯珠阵列产生波段为450—465nm的白光，第二路LED灯珠阵列产生波段为600—620nm的红外光。
3.根据权利要求1所述的面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像系统，其特征在于，所述导光装置包括第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜、至少一片滤光片和衰减片；LED灯珠阵列中心、菲涅尔透镜中心、滤光片中心和衰减片中心同轴，LED灯珠阵列所在平面与第一菲涅尔透镜的前焦平面重合，第一菲涅尔透镜的后焦平面与第二菲涅尔透镜的前焦平面重合，在第二菲涅尔透镜前焦点处设置有视场光阑。
4.根据权利要求3所述的面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像系统，其特征在于，在第一LED光路与第二LED之间切换时，LED灯珠阵列、第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜和视场光阑之间的相对位置是根据预设值自动或手动进行调整的。
5.根据权利要求3所述的面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像系统，其特征在于，所述滤光片对第一路LED灯珠阵列的滤波范围为450—465nm之外的波长，对第二路LED灯珠阵列的滤波范围为600—620nm之外的波长。
6.根据权利要求3所述的面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像系统，其特征在于，所述衰减片用于衰减给定光路的光照强度，衰减量根据光路、照射角度和缺陷检测要求进行设定。
7.根据权利要求1所述的面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像系统，其特征在于，所述照射角度转换装置手动/自动调节范围为5°—85°，手动调节精度为1°。
8.根据权利要求1所述的面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像系统，其特征在于，所述明域摄像机、暗域摄像机采用线阵CCD多光谱一体化摄像机，线阵相机峰值响应波长根据光路变化加装相应滤波片进行光源波长匹配。
9.一种基于权利要求1所述的面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像的成像方法，包括以下步骤：
S1：根据待检测的锂电池极板表面的缺陷类型，所述控制器控制所述第一路LED灯珠阵列、第二路LED灯珠阵列的亮灭，确定LED光路；
S2：利用所述照射角度转换装置调整照射角度，并根据确定的LED光路，利用导光装置对菲涅尔透镜、滤光片和衰减片进行调整，达到照射到极板表面上的光的均匀性、照射角度和亮度都满足缺陷检测要求；
S3：调整所述双目相机拍摄装置的工作参数，通过锂电池极板传送装置上的编码器感知极板传送速度变化，控制器采用新息自适应卡尔曼滤波算法进行测速，用于调整相机的扫描频率以匹配极板传送速度，确保获得恒定质量的图像；
S4：所述控制器控制明域相机和暗域相机同时工作，根据给定的光源照射角自动调整摄像机位置，采用明域、暗域成像接收模式相结合，获取缺陷细节，最终实现缺陷检出。
10.根据权利要求9所述的面向锂电池极板表面缺陷检测的新型光学成像方法，其特征在于，在步骤S1中，若检测锂电池极板表面色差、厚度不均匀的缺陷，则控制器控制第一路LED灯珠阵列打开，第二路LED灯珠阵列关闭；若检测锂电池极板表面孔洞、划痕、颗粒的缺陷，则控制器控制第一路LED灯珠阵列关闭，第二路LED灯珠阵列打开。
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