Jak optické hranoly zajišťují přesnost průmyslové inspekce?

V průmyslových systémech strojového vidění je kamera „okem“, algoritmus „mozkem“ a optický hranol skrytým „velitelem světelné dráhy“ – neviditelným a hmatatelným, přesto schopným přesně umožnit „oku“ zachycení cílů v komplexních průmyslových prostředích odrazováním světla, úpravou obrazu a rozváděním světelných paprsků. Ať už jde o kontrolu dílů v těsných prostorech, identifikaci vad na rychlých dopravnících nebo provedení přesné kalibrace při 3D modelování, hranoly jsou nepostradatelné.

ⅰ. Základní úkol hranolů: Řešení „výzev světelné dráhy“ strojového vidění

Průmyslové objekty jsou mnohem složitější než laboratoře: některé kontrolní body jsou skryty hluboko uvnitř zařízení, což znemožňuje přímé zarovnání kamery; některé části se pohybují vysokou rychlostí a vyžadují současné zachycení detailů z více úhlů; některé scénáře vyžadují přísnou orientaci obrazu, kdy i malé odchylky vedou k chybnému posouzení. Úlohou hranolů je poskytnout přesná optická řešení přizpůsobená těmto „výzvám“.

1. Omezený prostor? Použijte hranol, abyste „ohli“ pohled na cíl  

Při kontrole automobilových válcových bloků jsou vnitřní vzduchové kanály úzké a klikaté, takže objektivy kamer nemohou proniknout pro přímé zobrazení. Zde přichází ke slovu pravoúhlý hranol. Jako „zrcadlo“ odkloní obraz z vnitřku kanálu o 90 stupňů a promítne jej na externí snímač kamery – efektivně dává kameře „ohnuté oko“, které vidí vnitřní strukturu bez nutnosti demontáže bloku.

Ještě specializovanější komponent, pětisklový hranol, má jedinečnou schopnost přesně odrazit dopadající světlo o 90 stupňů bez ohledu na úhel dopadu. U vysoce přesných měřicích přístrojů ozubených kol se měřicí paprsek může během rychlého otáčení snadno posunout kvůli vibracím. Pětisklový hranol stabilizuje a opravuje dráhu světla, čímž zajišťuje, že chyby měření jsou udržovány v mezích 0,001 mm, a tím zaručuje přesnost při kontrole rozteče a profilu ozubení.

2. Problémy s orientací obrazu? Použijte hranol k „opravě“ perspektivy

Kamera Na linkách pro řazení zásilek jsou balíky náhodně orientovány – některé správně, jiné na boku – což vede k chaotické orientaci obrazu, kterou algoritmy obtížně interpretují. Zde hraje klíčovou roli střešní hranol. Ten obrátí obraz zleva doprava, provádí takzvanou „zrcadlovou korekci“, takže zachycený obraz štítku je vždy ve svislé poloze, čímž zvyšuje efektivitu třídění o více než 30 %.

Doveův hranol je skutečným „odborníkem na rotaci obrazu“ a je schopen otočit obraz o libovolný požadovaný úhel. Při kontrole pinů čipů, kdy mohou být čipy nakloněné kvůli nesrovnalosti dopravníku, hranol Dove v reálném čase upravuje úhel obrazu, což umožňuje algoritmům přesně identifikovat vzdálenost a celistvost jednotlivých pinů a předchází tak chybám způsobeným odchylkou úhlu.

3. Potřebujete kontrolu z více úhlů? Použijte hranol k „rozdělení“ svazku pro současné zachycení

Při kontrole skleněných krytů mobilních telefonů je třeba současně vyhodnocovat vady na předním, bočním i okrajovém povrchu. Použití více kamer samostatně by zkomplikovalo instalaci a vyžadovalo by následné zarovnání obrazů. Řešením je dělič svazku ve tvaru krychle. Ten rozdělí jeden světelný zdroj na dva nebo více svazků, které promítne do kamer pod různými úhly – dosahuje se tak „více úkolů jedním světelným svazkem“. Tím se snižuje počet potřebných kamer a umožňuje se synchronní zobrazení z více úhlů, čímž se zdvojnásobí efektivita kontroly.

Retroreflektor ve tvaru rohové krychle provádí pozoruhodný úkon, kdy odráží dopadající světlo přímo zpět po původní dráze, čímž působí jako „odražeč světla“. V laserových 3D skenerech pracuje hranol ve tvaru rohové krychle s laserovými paprsky tak, aby přesně měřil výškové rozdíly povrchu pomocí více odrazů a rychle rekonstruoval 3D model telefonního pouzdra s přesností až 0,01 mm, čímž daleko převyšuje tradiční metody.

4. Potřebujete analýzu materiálu? Použijte hranol k „rozdělení“ světla

Při kontrole potravin je k určení, zda byl práškový mléko naplněn, nutné analyzovat jeho spektrální vlastnosti. Trojúhelníkový hranol funguje jako „odborník na rozklad spektra“. Rozkládá bílé světlo na různé vlnové délky – červenou, oranžovou, žlutou, zelenou, modrou, indigo a fialovou. Různé látky absorbují specifické vlnové délky; analýzou absorpčního spektra lze detekovat přítomnost nelegálních přísad v práškovém mléce, což představuje rychlejší a ekologičtější alternativu k tradičním chemickým testům.

ⅱ. Reálné aplikace: Jak se hranoly přizpůsobují různorodým průmyslovým potřebám

Různé úlohy strojového vidění mají zcela odlišné požadavky na hranoly. Výběr správného typu hranolu je klíčový pro maximalizaci výkonu systému. Zde jsou čtyři typické aplikační scénáře:

1. Třídění na pásu: Pravoúhlé + střešní hranoly řeší problém „Nevidím, nebo nevidím jasně“

Na linkě na třídění lahví na vodu vyžaduje kontrola, zda jsou nálepky správně připevněny a víčka pevně uzavřena, inspekci kamerou s pevnou pozicí. Prostor vedle pásu je však omezený. Pravoúhlý hranol nejprve odchyluje optickou dráhu o 90°, čímž umožňuje bočně umístěné kamere "vidět" tělo lahve. Pokud nakloněná láhev způsobí převrácení obrazu nálepky, střešní hranol jej opraví, čímž zajistí, že algoritmus přesně přečte polohu nálepky a stav víčka, a zvýší úspěšnost třídění z 95 % na 99,8 %.

2. 3D modelování dílu: Penta + Cube hranoly vytvářejí „stereoskopické vidění“

Při kontrole elektrod baterií vozidel s novými druhy pohonu je ke změření tloušťky, rovinnosti a profilu okraje potřeba trojrozměrná informace, která není dostupná z jednoho pohledu. Zde pětisklá priezma stabilizuje dráhu světla a zabrání odchylce paprsku, zatímco kubický dělič paprsku rozděluje svazek a promítá jej do horní a dolní kamery. Výpočtem fázového rozdílu mezi paprsky je rychle vytvořen trojrozměrný model elektrody s chybou měření tloušťky ≤0,005 mm, čímž se předchází potenciálním bezpečnostním rizikům baterie způsobeným nerovnoměrnou tloušťkou elektrody.

3. Kontrola povrchu vysokou rychlostí: Holubicí hranol zachycuje „prchavé“ vady

Na linkách pro válcování ocelových plechů se plechy pohybují rychlostí 3 metry za sekundu a povrchové škrábance nebo výdlažky jsou krátkodobé. Jediná kamera nemůže pokrýt celou šířku. Holubí hranol rozšiřuje zorné pole kamery na 120° úpravou úhlu obrazu. Spolu s vysoce rychlou kamerou zachytí najednou přední stranu plechu i oba okraje, detekuje více než 1000 bodů vady za sekundu a snižuje náklady o 40 % ve srovnání s tradičními vícekamerovými uspořádáními.

4. Laserové pozicování: Rohový hranol umožňuje „přesné odražení“

Při svařování průmyslových robotů je klíčové přesné pozicování švu, které závisí na laserových systémech. Vibrace dílny a prach mohou odklonit laserový paprsek. Rohový hranol namontovaný na koncovém článku robota odráží laserový paprsek přímo zpět ke zdroji. Výpočtem odchylky odraženého světla se poloha robota upravuje v reálném čase, čímž se řídí přesnost svařování do 0,1 mm a výrazně se snižuje míra vad.

ⅲ.  Výběr materiálu hranolu: Nejen „dobrá propustnost světla“, ale také „odolnost“

Průmyslová prostředí jsou složitá a proměnlivá; faktory jako vysoká teplota, vlhkost, vibrace a chemická koroze mohou ovlivnit výkon a životnost hranolu. Výběr hranolu proto zahrnuje nejen optický výkon, ale i odolnost materiálu. Níže jsou uvedeny pět běžných materiálů a jejich vhodné aplikace:

Příklad: Při měření teploty roztavené oceli ve výrobním prostoru pro výrobu oceli přesahují okolní teploty 500 °C. Hranoly ze standardního skla N-BK7 by roztátly, zatímco safírový hranol tepelnému namáhání odolá. V kombinaci s infračervenou kamerou umožňuje sledování změn teploty v reálném čase. Pro kontrolu UV litografie v polovodičovém průmyslu je nejvhodnější volbou křemenové sklo pro UV, které zajišťuje efektivní průchod UV záření a přesnou kontrolu přesnosti vzorů.

ⅳ.  Výběr a návrh hranolů: 3 klíčové principy, jak se vyhnout chybám

Správná volba hranolu zvyšuje přesnost a stabilitu systému strojového vidění; špatná volba naopak vede k významným chybám při inspekci a častým poruchám. Zde jsou tři základní principy výběru:

1. Určete typ podle požadavků úkolu, nepropadajte nutkání slepě usilovat o „nejvyšší třídu“

• Pro jednoduché odvádění světla v těsných prostorech postačí pravoúhlý hranol; není třeba dražšího penta hranolu.

• Pro synchronní inspekci z více úhlů upřednostněte dělič paprsku ve tvaru krychle před více kamerami a standardními hranoly.

• Pro rotaci obrazu/korekci vyberte mezi hranolem Dove nebo střešním hranolem podle potřebného úhlu rotace a vyhněte se funkční redundanci.

2. Vyberte materiál na základě „podmínek prostředí“, vyvažujte výkon a náklady

• Běžná pokojová teplota, neagresivní prostředí: Pro nejlepší poměr cena/výkon zvolte sklo N-BK7.

• Vysoká teplota, náročné prostředí: Pro trvanlivost zvolte safír nebo UV fúzovanou křemelinu.

• Aplikace v IR nebo UV: Vyberte odpovídající IR materiály (Ge, ZnSe) nebo UV materiály (UV fúzovaná křemelina); vyhněte se běžnému sklu.

3. Zaměřte se na „podrobné zpracování“ pro zlepšení celkového výkonu

• Nátěr hranolů je rozhodující: V situacích s vysokým odrazem (např. kontrola kovů) zvolte hranoly s antireflexním nátěrem, čímž snížíte ztráty odrazem a zlepšíte ostrost obrazu.

• Výrobní přesnost musí splňovat normy: chyba úhlu hranolu by měla být omezena na ±30 obloukových vteřin (1 oblouková vteřina = 1/3600 stupně); jinak dochází k odchylce světelné dráhy, což ovlivňuje přesnost inspekce.

• Kompatibilita systému: velikost hranolu a jeho uchycení musí odpovídat kameře a objektivu, aby nedošlo k nesprávnému zarovnání způsobenému chybami při instalaci.

Závěr: Malý, ale silný – „základní kámen přesnosti“ ve strojovém vidění

Ve systémech strojového vidění sice hranoly nemusí být tak výrazné jako kamery nebo algoritmy, avšak tiše zajišťují klíčovou funkci „řízení světelné dráhy“ – řeší výzvy jako omezený prostor, nepořádek obrazu a kontrola z více úhlů a tím posouvají průmyslovou inspekci od „vidění“ k „přesnému a rychlému vidění.“

Ať už v automobilové výrobě, výrobě elektroniky, kontrolě potravin nebo v odvětví nových zdrojů energie, výběr správného typu a materiálu hranolu je klíčový pro zlepšení výkonu systémů strojového vidění. Vzhledem k tomu, že se strojové vidění posouvá směrem ke vyšší přesnosti a složitějším scénářům, bude role hranolů ještě výraznější.