In che modo i prismi ottici garantiscono la precisione dell'ispezione industriale?

Nei sistemi industriali di visione artificiale, la telecamera è l'"occhio", l'algoritmo è il "cervello" e il prisma ottico è il "comandante nascosto del percorso della luce"—invisibile e intangibile, ma in grado di abilitare con precisione l'"occhio" a catturare gli obiettivi in ambienti industriali complessi deviando la luce, regolando le immagini e distribuendo i fasci luminosi. Che si tratti di ispezionare componenti in spazi ristretti, identificare difetti su nastri trasportatori ad alta velocità o eseguire calibrazioni precise nella modellazione 3D, i prismi sono indispensabili.

ⅰ. Il compito fondamentale dei prismi: risolvere le "sfide del percorso della luce" nella visione artificiale

I siti industriali sono molto più complessi dei laboratori: alcuni punti di ispezione sono nascosti in profondità all'interno delle attrezzature, rendendo impossibile l'allineamento diretto della telecamera; alcune parti si muovono a velocità elevate, richiedendo la cattura simultanea di dettagli multipli; alcuni scenari richiedono un orientamento rigoroso dell'immagine, dove anche piccole deviazioni possono portare a errori di giudizio. Il ruolo dei prismi è quello di fornire soluzioni ottiche precise adatte a queste "sfide".

1. Spazio limitato? Usa un prisma per "deviare" la visuale verso l'obiettivo  

Nell'ispezione del blocco motore automobilistico, i passaggi d'aria interni sono stretti e tortuosi, impedendo alle lenti della telecamera di accedervi per un'imaging diretta. È qui che entra in gioco un prisma ad angolo retto. Come uno "specchio", devia l'immagine dall'interno del passaggio di 90 gradi, proiettandola su un sensore esterno della telecamera, dotando essenzialmente la telecamera di un "occhio flessibile" per vedere la struttura interna senza dover smontare il blocco.

Un componente ancora più specializzato, il prisma pentagonale, ha la particolare capacità di deviare con precisione la luce in entrata di 90 gradi indipendentemente dall'angolo di incidenza. Negli strumenti di misura ad alta precisione per ingranaggi, il fascio di misurazione può spostarsi facilmente a causa delle vibrazioni durante la rotazione ad alta velocità. Il prisma pentagonale stabilizza e corregge il percorso della luce, garantendo che gli errori di misurazione siano contenuti entro 0,001 mm, mantenendo così l'accuratezza nell'ispezione del passo e del profilo degli ingranaggi.

2. Problemi di orientamento dell'immagine? Usa un prisma per "correggere" la prospettiva

Nella telecamera sulle linee di smistamento pacchi, i pacchi sono orientati in modo casuale—alcuni dritti, altri di lato—creando orientamenti caotici delle immagini che risultano difficili da interpretare per gli algoritmi. In questo caso, un prisma tetto svolge un ruolo fondamentale. Ribalta l'immagine da sinistra a destra, effettuando una "correzione speculare", in modo che l'immagine dell'etichetta acquisita sia sempre diritta, aumentando l'efficienza di smistamento di oltre il 30%.

Il prisma di Dove è un vero "esperto di rotazione dell'immagine", in grado di ruotare un'immagine di qualsiasi angolo desiderato. Nell'ispezione dei pin dei chip, dove i chip possono inclinarsi a causa di un allineamento improprio del trasporto, il prisma di Dove regola in tempo reale l'angolo dell'immagine, consentendo agli algoritmi di identificare con precisione la distanza e l'integrità di ciascun pin, prevenendo errori causati da deviazioni angolari.

3. È necessaria un'ispezione multiangolare? Utilizzare un prisma per "dividere" il fascio e acquisire simultaneamente

Per ispezionare le coperture in vetro dei telefoni cellulari, è necessario visualizzare contemporaneamente difetti sulla parte anteriore, sui lati e sui bordi. L'uso di più telecamere separate complicherebbe l'installazione e richiederebbe un allineamento delle immagini successivo. Il divisore cubico del fascio risolve questo problema. Divide una singola sorgente luminosa in due o più fasci, proiettandoli su telecamere poste a diversi angoli, realizzando così "più compiti con un unico fascio di luce". Ciò riduce il numero di telecamere necessarie e consente un'imaging sincrona multiangolare, raddoppiando l'efficienza dell'ispezione.

Il riflettore retroflesso a cubo d'angolo compie l'eccezionale operazione di riflettere la luce in arrivo direttamente lungo il suo percorso originale, agendo come un "rimbalzo di luce". Nei laser scanner 3D, il prisma a cubo d'angolo lavora insieme ai raggi laser per misurare con precisione le variazioni dell'altezza superficiale attraverso multiple riflessioni, ricostruendo rapidamente un modello 3D di un involucro telefonico con una precisione fino a 0,01 mm, superando di gran lunga i metodi tradizionali.

4. Hai bisogno di un'analisi del materiale? Usa un prisma per "dividere" la luce

Nell'ispezione alimentare, determinare se il latte in polvere è adulterato richiede l'analisi delle sue caratteristiche spettrali. Il prisma triangolare funge da "esperto di decomposizione dello spettro". Esso disperde la luce bianca in diverse lunghezze d'onda—rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco, violetto. Diverse sostanze assorbono specifiche lunghezze d'onda; analizzando lo spettro di assorbimento, è possibile rilevare la presenza di additivi illegali nel latte in polvere, offrendo un'alternativa più rapida e rispettosa dell'ambiente rispetto ai tradizionali test chimici.

ⅱ. Applicazioni pratiche: come i prismi si adattano alle diverse esigenze industriali

Diversi compiti di visione artificiale presentano requisiti molto diversi per quanto riguarda i prismi. La scelta del tipo di prisma giusto è fondamentale per massimizzare le prestazioni del sistema. Ecco quattro scenari applicativi tipici:

1. Ordinamento su nastro trasportatore: prismi a angolo retto e prismi a tetto risolvono il problema del "Non vedo, non vedo chiaramente"

Su una linea di smistamento di bottiglie d'acqua, verificare che le etichette siano correttamente applicate e che i tappi siano ben sigillati richiede un'ispezione con telecamera a posizione fissa. Tuttavia, lo spazio laterale al nastro trasportatore è limitato. Un prisma ad angolo retto devia prima il percorso della luce di 90°, consentendo a una telecamera montata lateralmente di "vedere" il corpo della bottiglia. Se una bottiglia inclinata fa capovolgere l'immagine dell'etichetta, un prisma a tetto la corregge, garantendo che l'algoritmo legga con precisione la posizione dell'etichetta e lo stato del tappo, aumentando la percentuale di successo dello smistamento dal 95% al 99,8%.

2. Modellazione 3D dei pezzi: prismi Penta + Cube creano la "Visione Stereoscopica"

Nell'ispezione degli elettrodi delle batterie dei veicoli a energia nuova, la misurazione dello spessore, della planarità e del profilo del bordo richiede informazioni 3D non disponibili da una singola vista. In questo caso, un prisma pentagonale stabilizza il percorso della luce, impedendo la deviazione del fascio, mentre un divisore di fascio cubico suddivide il raggio, proiettandolo sulle telecamere superiore e inferiore. Calcolando la differenza di fase tra i fasci, viene generato rapidamente un modello 3D dell'elettrodo, con un errore di misurazione dello spessore ≤0,005 mm, prevenendo potenziali rischi per la sicurezza della batteria causati da uno spessore irregolare dell'elettrodo.

3. Ispezione Superficiale ad Alta Velocità: Il Prisma Dovuto cattura difetti "fugaci"

Nelle linee di produzione per la laminazione di lastre d'acciaio, le lastre si muovono a 3 metri al secondo e i graffi o ammaccature superficiali sono fugaci. Una singola telecamera non riesce a coprire l'intera larghezza. Un prisma a colombo espande l'angolo visivo della telecamera fino a 120° regolando l'angolazione dell'immagine. Abbinato a una telecamera ad alta velocità, cattura in un unico passaggio la superficie anteriore della lastra e entrambi i bordi, rilevando oltre 1000 punti difettosi al secondo, riducendo i costi del 40% rispetto ai tradizionali sistemi con più telecamere.

4. Posizionamento Laser: Il prisma corner cube permette il "Rimbalzo Preciso"

Nella saldatura industriale con robot, un posizionamento preciso della giunzione è fondamentale e dipende da sistemi laser. Le vibrazioni del laboratorio e la polvere possono deviare il fascio laser. Un prisma corner cube montato sull'effettore finale del robot riflette il fascio laser direttamente verso l'emettitore. Calcolando la deviazione della luce riflessa, la posizione del robot viene aggiustata in tempo reale, mantenendo la precisione della saldatura entro 0,1 mm e riducendo significativamente i tassi di difetto.

iII.  Selezione del materiale del prisma: non solo "buona trasmissione della luce", ma anche "robustezza"

Gli ambienti industriali sono complessi e variabili; fattori come alte temperature, umidità, vibrazioni e corrosione chimica possono influire sulle prestazioni e sulla durata del prisma. Pertanto, la selezione di un prisma richiede non solo valutare le prestazioni ottiche, ma anche la resistenza del materiale. Ecco i cinque materiali più comuni e gli scenari a cui sono adatti:

Esempio: durante la misurazione della temperatura dell'acciaio fuso in un impianto siderurgico, le temperature ambientali superano i 500°C. Prismi in vetro N-BK7 standard si fonderebbero, mentre un prisma in zaffiro resiste al calore. Combinato con una telecamera a infrarossi, consente il monitoraggio in tempo reale delle variazioni di temperatura. Per ispezioni di litografia UV nell'industria dei semiconduttori, la silice fusa UV è la scelta preferita, garantendo un'elevata trasmissione UV per controlli precisi dell'accuratezza dei pattern.

ⅳ.  Selezione e progettazione del prisma: 3 principi chiave per evitare errori

Scegliere il prisma giusto migliora la precisione e la stabilità di un sistema di visione artificiale; una scelta errata porta a significativi errori di ispezione e frequenti guasti. Ecco i tre principi fondamentali di selezione:

1. Determinare il tipo in base ai "requisiti del compito", non perseguire ciecamente il "top di gamma"

• Per deviare semplicemente la luce in spazi ristretti, un prisma ad angolo retto è sufficiente; non è necessario un costoso prisma pentagonale.

• Per ispezioni sincrone da più angolazioni, privilegiare un divisore di fascio a cubo piuttosto che più telecamere e prismi standard.

• Per la rotazione/correzione dell'immagine, scegliere tra prismi di Dove o prismi a tetto in base all'angolo di rotazione richiesto, evitando ridondanze funzionali.

2. Selezionare il materiale in base alle "Condizioni ambientali", bilanciando prestazioni e costo

• Temperatura ambiente standard, ambienti non corrosivi: scegliere vetro N-BK7 per il miglior rapporto costo-prestazioni.

• Alte temperature, ambienti difficili: scegliere zaffiro o silice fusa UV per la durata nel tempo.

• Scenari IR o UV: selezionare i materiali IR corrispondenti (Ge, ZnSe) o materiali UV (silice fusa UV); evitare il vetro standard.

3. Dare priorità alla "Lavorazione accurata" per migliorare le prestazioni complessive

• Il rivestimento del prisma è fondamentale: in scenari ad alta riflettanza (ad es. ispezione metalli), scegliere prismi con rivestimento antiriflesso per ridurre le perdite dovute a riflessione e migliorare la nitidezza dell'immagine.

• La precisione della produzione deve rispettare gli standard: l'errore dell'angolo del prisma deve essere controllato entro ±30 secondi d'arco (1 secondo d'arco = 1/3600 di grado); in caso contrario, si verifica una deviazione del percorso luminoso, compromettendo l'accuratezza dell'ispezione.

• Compatibilità del sistema: le dimensioni del prisma e il montaggio devono essere compatibili con la telecamera e l'obiettivo per evitare disallineamenti causati da errori di installazione.

Conclusione: Piccolo ma Potente, la "Pietra Angolare della Precisione" nella Visione Artificiale

Nei sistemi di visione artificiale, i prismi potrebbero non essere appariscenti come le telecamere o gli algoritmi, tuttavia svolgono silenziosamente il compito fondamentale del "controllo del percorso luminoso", risolvendo sfide come limitazioni di spazio, disordine dell'immagine e ispezioni multiangolari, consentendo all'ispezione industriale di passare dal semplice "vedere" al "vedere con precisione e rapidità".

Sia nella produzione automobilistica, nell'elettronica, nel controllo alimentare o nel settore dell'energia nuova, la scelta del tipo e del materiale del prisma giusto è fondamentale per migliorare le prestazioni dei sistemi di visione artificiale. Con il progressivo avanzamento della visione artificiale verso livelli più elevati di precisione e scenari sempre più complessi, il ruolo dei prismi assumerà un'importanza ancora maggiore.