Wie gewährleisten optische Prismen die Präzision der industriellen Inspektion?

In industriellen Maschinenvisionsystemen ist die Kamera das "Auge", der Algorithmus das "Gehirn" und das optische Prisma der verborgene "Befehlshaber des Lichtwegs" – unsichtbar und immateriell, dennoch in der Lage, dem "Auge" durch Lichtablenkung, Bildanpassung und Lichtstrahlverteilung präzise zu ermöglichen, Ziele in komplexen industriellen Umgebungen zu erfassen. Ob bei der Inspektion von Teilen in beengten Räumen, der Erkennung von Defekten auf schnellen Förderbändern oder der Durchführung präziser Kalibrierung im 3D-Modellieren – Prismen sind unverzichtbar.

ⅰ. Die Kernaufgabe von Prismen: Lösung der "Lichtweg-Herausforderungen" in der Maschinenvision

Industrieanlagen sind weitaus komplexer als Labore: Einige Inspektionspunkte liegen tief innerhalb von Geräten versteckt, sodass eine direkte Kameraausrichtung unmöglich ist; einige Teile bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit und erfordern gleichzeitige Erfassung mehrseitiger Details; in manchen Szenarien werden strenge Anforderungen an die Bildorientierung gestellt, bei denen bereits geringste Abweichungen zu Fehlbeurteilungen führen können. Die Aufgabe von Prismen besteht darin, präzise optische Lösungen für diese „Herausforderungen“ bereitzustellen.

1. Platzbegrenzungen? Verwenden Sie ein Prisma, um den Blick um die Ecke zu „lenken“  

Bei der Inspektion von Automotoren sind die inneren Luftkanäle eng und verwinkelt, wodurch Kameralinsen nicht eindringen und direkt abbilden können. Hier kommt ein rechteckiges Prisma zum Einsatz. Wie ein „Spiegel“ lenkt es das Bild aus dem Inneren des Kanals um 90 Grad ab und projiziert es auf einen externen Kamerachip – praktisch ausgestattet mit einem „gebogenen Auge“, das dem Kamerablick ermöglicht, die innere Struktur zu sehen, ohne den Motorblock zu zerlegen.

Eine noch spezialisiertere Komponente, das Pentaprisma, besitzt die einzigartige Fähigkeit, einfallendes Licht unabhängig vom Eintrittswinkel präzise um 90 Grad abzulenken. Bei hochpräzisen Getriebemessgeräten kann sich der Messstrahl aufgrund von Vibrationen bei Hochgeschwindigkeitsdrehung leicht verschieben. Das Pentaprisma stabilisiert und korrigiert den Lichtweg, wodurch Messfehler auf unter 0,001 mm begrenzt werden und die Genauigkeit bei der Untersuchung von Zahnradteilung und -profil gewährleistet bleibt.

2. Probleme mit der Bildorientierung? Verwenden Sie ein Prisma, um die Perspektive zu „korrigieren“

Bei der Kamera auf Paketsortieranlagen sind die Pakete zufällig orientiert – einige richtig herum, andere seitlich liegend – was zu chaotischen Bildausrichtungen führt, die Algorithmen nur schwer interpretieren können. Hier spielt ein Dachkantprisma eine Schlüsselrolle. Es spiegelt das Bild links-rechts, indem es eine „Spiegelkorrektur“ durchführt, sodass das erfasste Etikettenbild immer aufrecht ist, wodurch die Sortiergeschwindigkeit um über 30 % gesteigert wird.

Das Dove-Prisma ist ein wahrer „Experte für Bildrotation“ und in der Lage, ein Bild um einen beliebigen Winkel zu drehen. Bei der Prüfung von Chipstiften, bei denen Chips aufgrund einer Fehlausrichtung beim Transport gekippt sein können, passt das Dove-Prisma den Bildwinkel in Echtzeit an, sodass Algorithmen den Abstand und die Integrität jedes einzelnen Stifts genau erkennen können und Fehler durch Winkelschwenkungen vermieden werden.

3. Benötigen Sie die Inspektion aus mehreren Winkeln? Verwenden Sie ein Prisma, um den Strahl zum gleichzeitigen Erfassen zu „teilen“

Bei der Inspektion von Handy-Glasabdeckungen müssen Defekte an der Vorderseite, den Seiten und Kanten gleichzeitig betrachtet werden. Die separate Verwendung mehrerer Kameras würde die Installation erschweren und eine nachträgliche Bildausrichtung erforderlich machen. Der Würfelstrahlteiler löst dieses Problem. Er teilt eine Lichtquelle in zwei oder mehr Strahlen auf, die an Kameras unter verschiedenen Winkeln weitergeleitet werden – was „mehrere Aufgaben mit einem Lichtstrahl“ ermöglicht. Dadurch verringert sich die benötigte Anzahl an Kameras, und es wird eine synchronisierte Mehrwinkel-Aufnahme ermöglicht, wodurch die Inspektionsleistung verdoppelt wird.

Der Eckwürfelreflektor vollbringt die bemerkenswerte Leistung, einfallendes Licht direkt entlang seines ursprünglichen Weges zurückzuwerfen, und wirkt dabei wie ein "Lichtrückschleuderer". Bei Laser-3D-Scannern arbeitet das Eckwürfelprisma mit Laserstrahlen zusammen, um durch mehrfache Reflexion präzise Höhenunterschiede einer Oberfläche zu messen, und rekonstruiert so innerhalb kürzester Zeit ein 3D-Modell einer Handyhülle mit einer Genauigkeit von bis zu 0,01 mm – weit überlegen gegenüber herkömmlichen Methoden.

4. Benötigen Sie Materialanalysen? Nutzen Sie ein Prisma, um das Licht zu "spalten"

Bei der Lebensmittelkontrolle erfordert die Bestimmung, ob Milchpulver verfälscht ist, die Analyse seiner spektralen Eigenschaften. Das Dreiecksprisma fungiert als „Spektralzerlegungs-Experte“. Es zerstreut weißes Licht in verschiedene Wellenlängen – rot, orange, gelb, grün, blau, indigo, violett. Unterschiedliche Substanzen absorbieren bestimmte Wellenlängen; durch die Analyse des Absorptionsspektrums kann das Vorhandensein illegaler Zusatzstoffe in Milchpulver nachgewiesen werden, was eine schnellere und umweltfreundlichere Alternative zu herkömmlichen chemischen Analysen darstellt.

ⅱ. Praxisanwendungen: Wie Prismen sich an unterschiedliche industrielle Anforderungen anpassen

Unterschiedliche Aufgaben in der industriellen Bildverarbeitung stellen sehr unterschiedliche Anforderungen an Prismen. Die Auswahl des richtigen Prismatyps ist entscheidend, um die Systemleistung zu maximieren. Hier sind vier typische Anwendungsszenarien:

1. Sortierung auf Förderbändern: Rechtwinklige Prismen + Dachkantprismen lösen das Problem „Nicht sichtbar, nicht klar erkennbar"

Bei einer Wasserflaschen-Sortieranlage ist zur Überprüfung, ob Etiketten korrekt aufgebracht und Verschlüsse fest verschlossen sind, eine kameralbasierte Inspektion an fester Position erforderlich. Da jedoch der Platz neben dem Förderband begrenzt ist, lenkt ein rechteckiges Prisma den Lichtweg zunächst um 90° ab, wodurch eine seitlich montierte Kamera den Flaschenkörper „sehen“ kann. Falls eine schräg stehende Flasche bewirkt, dass das Etikettenbild gespiegelt wird, korrigiert ein Dachkantprisma dies, sodass der Algorithmus Position des Etiketts und Zustand des Verschlusses genau erkennen kann. Dadurch steigt die Erfolgsrate bei der Sortierung von 95 % auf 99,8 %.

2. Teile-3D-Modellierung: Penta- + Würfelprismen erzeugen „Stereo-Sehen"

Bei der Inspektion von Batterieelektroden von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben sind zur Messung von Dicke, Flachheit und Kantenprofil 3D-Informationen erforderlich, die aus einer einzelnen Ansicht nicht verfügbar sind. Hier stabilisiert ein Fünfkantprisma den Lichtweg und verhindert Strahlablenkung, während ein Würfelstrahlteiler den Strahl aufteilt und zu oberer und unterer Kamera projiziert. Durch die Berechnung der Phasendifferenz zwischen den Strahlen wird schnell ein 3D-Modell der Elektrode erzeugt, wobei der Dickenmessfehler ≤0,005 mm beträgt und somit potenzielle Sicherheitsrisiken durch ungleichmäßige Elektrodendicke vermieden werden.

3. Hochgeschwindigkeits-Oberflächeninspektion: Tauchprisma erfasst "flüchtige" Fehler

Auf Stahlplatten-Walzproduktionslinien bewegen sich die Platten mit 3 Metern pro Sekunde, und Oberflächenkratzer oder Dellen sind flüchtig. Eine einzelne Kamera kann nicht die gesamte Breite erfassen. Ein Taubenprisma erweitert das Sichtfeld der Kamera auf 120°, indem es den Bildwinkel anpasst. In Kombination mit einer Hochgeschwindigkeitskamera erfasst es Vorderseite und beide Kanten der Platte in einem Durchgang und detektiert über 1000 Fehlerstellen pro Sekunde, wodurch die Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Mehrkamerasystemen um 40 % gesenkt werden.

4. Laserpositionierung: Eckspiegelprisma ermöglicht „Präzises Zurückprallen“

Bei der Schweißung mit Industrierobotern ist eine präzise Nahtpositionierung entscheidend, die auf Lasersysteme angewiesen ist. Werkstattvibrationen und Staub können den Laserstrahl ablenken. Ein am Endeffektor des Roboters montierter Eckspiegel reflektiert den Laserstrahl direkt zurück zur Quelle. Anhand der Abweichung des reflektierten Lichts wird die Position des Roboters in Echtzeit korrigiert, wodurch die Schweißgenauigkeit auf 0,1 mm gesteuert wird und die Fehlerquote erheblich sinkt.

ⅲ.  Prismamaterialauswahl: Nicht nur „gute Lichtdurchlässigkeit“, sondern auch „Robustheit“

Industrielle Umgebungen sind komplex und wechselhaft; Faktoren wie hohe Temperaturen, Feuchtigkeit, Vibrationen und chemische Korrosion können die Leistung und Lebensdauer von Prismen beeinträchtigen. Daher umfasst die Auswahl eines Prismas nicht nur optische Leistung, sondern auch Materialbeständigkeit. Hier sind fünf gängige Materialien und ihre geeigneten Anwendungsbereiche:

Beispiel: Bei der Messung der Temperatur von flüssigem Stahl in einer Stahlfabrik übersteigen die Umgebungstemperaturen 500 °C. Herkömmliche Prismen aus N-BK7-Glas würden schmelzen, während ein Saphirprisma der Hitze standhält. In Kombination mit einer IR-Kamera ermöglicht es die Echtzeitüberwachung von Temperaturänderungen. Für die UV-Lithographieinspektion in der Halbleiterindustrie ist synthetisches Quarzglas die bevorzugte Wahl, da es eine effiziente UV-Transmission für präzise Kontrollen der Mustergenauigkeit gewährleistet.

ⅳ.  Prismenauswahl und -konstruktion: 3 Schlüsselprinzipien, um Fehler zu vermeiden

Die richtige Prismenauswahl steigert die Präzision und Stabilität eines maschinellen Sichtsystems; die falsche Auswahl führt zu erheblichen Inspektionsfehlern und häufigen Ausfällen. Hier sind drei zentrale Auswahlprinzipien:

1. Typ basierend auf den „Aufgabenanforderungen“ festlegen, nicht blind „High-End“ verfolgen

• Für die einfache Umlenkung von Licht in engen Räumen genügt ein rechteckiges Prisma; ein teures Pentaprisma ist nicht erforderlich.

• Für die synchrone Inspektion aus mehreren Winkeln bevorzugen Sie einen Strahlteilerwürfel gegenüber mehreren Kameras und Standardprismen.

• Für die Bildrotation/Korrektur wählen Sie je nach benötigtem Drehwinkel zwischen Dove- oder Dachkantprismen, um funktionale Redundanz zu vermeiden.

2. Material basierend auf „Umgebungsbedingungen“ auswählen, Leistung und Kosten abwägen

• Normale Raumtemperatur, nicht korrosive Umgebungen: Wählen Sie N-BK7-Glas für das beste Preis-Leistungs-Verhältnis.

• Hohe Temperaturen, raue Umgebungen: Wählen Sie Saphir oder UV-Fused Silica für hohe Haltbarkeit.

• IR- oder UV-Anwendungen: Wählen Sie entsprechende IR-Materialien (Ge, ZnSe) oder UV-Materialien (UV-Fused Silica); vermeiden Sie Standardglas.

3. Auf „detaillierte Verarbeitung“ achten, um die Gesamtleistung zu verbessern

• Die Prismenbeschichtung ist entscheidend: Wählen Sie bei Anwendungen mit hoher Reflektivität (z. B. Metallinspektion) Prismen mit Antireflexbeschichtung, um Reflexionsverluste zu reduzieren und die Bildklarheit zu verbessern.

• Die Fertigungsgenauigkeit muss den Standards entsprechen: Der Prismawinkelfehler sollte innerhalb von ±30 Bogensekunden (1 Bogensekunde = 1/3600 Grad) liegen; andernfalls tritt eine Abweichung des Lichtwegs auf, was die Inspektionsgenauigkeit beeinträchtigt.

• Systemkompatibilität: Die Größe des Prismas und die Montage müssen zur Kamera und Linse passen, um Fehlausrichtungen durch Installationsfehler zu vermeiden.

Fazit: Klein aber Leistungsstark – der „Grundpfeiler der Präzision“ in der industriellen Bildverarbeitung

In Systemen der industriellen Bildverarbeitung sind Prismen zwar nicht so auffällig wie Kameras oder Algorithmen, übernehmen jedoch stillschweigend die zentrale Aufgabe der „Lichtwegsteuerung“ – sie lösen Herausforderungen wie beengte Bauräume, ungeordnete Bilder und die Inspektion aus mehreren Winkeln und treiben so die industrielle Inspektion vom bloßen „Sehen“ hin zum „genauen und schnellen Sehen“.

Ob in der Automobilfertigung, der Elektronikproduktion, der Lebensmittelinspektion oder im Bereich der neuen Energien – die Auswahl des richtigen Prismatyps und Materials ist entscheidend, um die Leistung von Maschinenvisionsystemen zu verbessern. Mit dem Fortschritt der Maschinenvision hin zu höherer Präzision und komplexeren Anwendungen wird die Rolle von Prismen noch bedeutender werden.