Hoe behouden optische prisma's de precisie van industriële inspectie?

In industriële machinevisiesystemen is de camera het "oog", het algoritme is de "hersenen" en het optische prisma is de verborgen "lichtpadcommandant"—onzichtbaar en intangibel, maar wel in staat om via lichtafbuiging, beeldaanpassing en lichtbundelverdeling precies te zorgen dat het "oog" doelen kan vastleggen in complexe industriële omgevingen. Of het nu gaat om het inspecteren van onderdelen op krappe plekken, het detecteren van gebreken op snelle transportbanden of het uitvoeren van precisiecalibratie bij 3D-modellering, prisma's zijn onmisbaar.

ⅰ. De kernopdracht van prisma's: oplossen van de "lichtpaduitdagingen" van machinevisie

Industriële locaties zijn veel complexer dan laboratoria: sommige inspectiepunten zijn diep in apparatuur verborgen, waardoor directe camerarichting onmogelijk is; sommige onderdelen bewegen met hoge snelheid, wat simultane opname van meervoudige details vereist; sommige scenario's vereisen strikte beeldoriëntatie, waarbij al kleine afwijkingen leiden tot verkeerde beoordelingen. De rol van prisma's is om nauwkeurige optische oplossingen te bieden die specifiek zijn afgestemd op deze "uitdagingen".

1. Beperkte ruimte? Gebruik een prisma om het zicht naar het doel te "buigen"  

Bij inspectie van automotorblokken zijn de interne luchtkanalen smal en kronkelig, waardoor cameralenzen niet kunnen binnendringen voor directe beeldvorming. Hier komt een rechthoekig prisma om de hoek kijken. Net als een "spiegel" buigt het het beeld uit het binnenste van het kanaal over 90 graden en projecteert het op een externe camerasensor — waardoor de camera in feite een "buigend oog" krijgt om de interne structuur te zien zonder het blok te demonteren.

Een nog speciaalder component, de penta prism, heeft de unieke eigenschap om invallend licht precies met 90 graden af te buigen, ongeacht de invalshoek. Bij hoogwaardige tandwielmeetapparatuur kan de meetstraal tijdens hoge snelheden gemakkelijk verplaatsen door trillingen. De penta prism stabiliseert en corrigeert het lichtpad, zodat meetfouten worden beperkt tot binnen 0,001 mm, waardoor de nauwkeurigheid bij inspectie van tandwielafstand en -profiel gehandhaafd blijft.

2. Problemen met beeldoriëntatie? Gebruik een prisma om de perspectief te "corrigeren"

Bij de camera op pakket sorteermachines zijn pakketten willekeurig georiënteerd – sommige rechtop, andere op hun kant – wat leidt tot chaotische beeldoriëntaties die algoritmes moeilijk kunnen interpreteren. Hier speelt een dakprisma een sleutelrol. Het spiegelt het beeld links-rechts, waardoor een "spiegelcorrectie" plaatsvindt, zodat het vastgelegde etiketbeeld altijd rechtop staat, wat de sorteerprestaties met meer dan 30% verbetert.

De Dove-prisma is een echte "experte in beeldrotatie" en kan een beeld roteren onder elke gewenste hoek. Bij inspectie van chippen, waarbij chips kunnen kantelen door uitlijningproblemen tijdens het transport, past het Dove-prisma de beeldhoek in real time aan, zodat algoritmen nauwkeurig de afstand en integriteit van elke pin kunnen identificeren, waardoor fouten door hoekafwijking worden voorkomen.

3. Hebt u inspectie onder meerdere hoeken nodig? Gebruik een prisma om de lichtbundel te "splitsen" voor gelijktijdige opname

Voor de inspectie van glazen deksels van mobiele telefoons moeten defecten op de voorkant, zijkanten en randen tegelijkertijd worden bekeken. Het gebruik van meerdere aparte camera's zou de installatie complexer maken en naverwerking met beelduitlijning vereisen. De kubuslichtsplitser lost dit op. Deze splitst één lichtbron in twee of meer lichtbundels en richt deze op camera's onder verschillende hoeken — waardoor wordt bereikt dat er "één lichtbundel meerdere taken uitvoert". Dit vermindert het benodigde aantal camera's en maakt synchrone beeldvorming onder meerdere hoeken mogelijk, waardoor de inspectiesnelheid verdubbelt.

De hoekcubus retroreflector voert de opmerkelijke prestatie uit om invallend licht direct terug te kaatsen langs het oorspronkelijke pad, waardoor hij fungeert als een "lichtterugkaatser". In laser-3D-scanners werkt de hoekcubusprisma samen met laserstralen om oppervlaktehoogtevariaties nauwkeurig te meten via meervoudige reflecties, en reconstrueert snel een 3D-model van een telefoonbehuizing met een precisie tot 0,01 mm, veel beter dan traditionele methoden.

4. Hebt u materiaalanalyse nodig? Gebruik een prisma om het licht te "splitsen"

Bij voedselinspectie vereist het bepalen of melkpoeder is verontreinigd een analyse van de spectraleeigenschappen. De driehoekige prisma fungeert als de "spectrumontledingsexpert". Het verspreidt wit licht in verschillende golflengten — rood, oranje, geel, groen, blauw, indigo, violet. Verschillende stoffen absorberen specifieke golflengten; door het absorptiespectrum te analyseren, kan de aanwezigheid van illegale toevoegingen in melkpoeder worden gedetecteerd, wat een snellere en milieuvriendelijkere alternatief biedt voor traditionele chemische tests.

iI. de Commissie Toepassingen in de praktijk: hoe prisma's zich aanpassen aan uiteenlopende industriële behoeften

Verschillende machinevisietaken hebben zeer uiteenlopende eisen ten aanzien van prisma's. Het kiezen van het juiste prisma-type is cruciaal om de systeemprestaties te maximaliseren. Hieronder volgen vier typische toepassingsscenario's:

1. Transportbandsortering: rechthoekige + dakprisma's lossen op "Kan niet zien, kan niet duidelijk zien"

Op een sorteerlijn voor waterflessen is het controleren of etiketten correct zijn aangebracht en doppen stevig zijn gesloten, afhankelijk van inspectie met vaste camera's. Echter, de ruimte naast de transportband is beperkt. Een rechthoekige prisma buigt eerst het lichtpad met 90° af, waardoor een zijdelings gemonteerde camera het fleslichaam kan "zien". Als een scheefstaande fles ervoor zorgt dat de etiketafbeelding wordt gespiegeld, corrigeert een dakprisma dit, zodat het algoritme de positie van het etiket en de status van de dop nauwkeurig kan lezen. Hierdoor stijgt het succespercentage van de sortering van 95% naar 99,8%.

2. 3D-modellering van onderdelen: Penta + Cube-prisma's creëren "stereozicht"

Bij het inspecteren van elektroden van accu's voor voertuigen op nieuwe energie is 3D-informatie nodig om dikte, vlakheid en randprofiel te meten, wat niet beschikbaar is uit een enkele opname. Hier zorgt een vijfhoekprisma voor stabilisatie van de lichtweg en voorkomt het afbuiging van de straal, terwijl een kubusstralenbreker de straal splitst en naar boven- en ondercamera's projecteert. Door het faseverschil tussen de stralen te berekenen, wordt snel een 3D-model van de elektrode gegenereerd, met een meetfout in dikte van ≤0,005 mm, waardoor mogelijke veiligheidsrisico's van de accu door ongelijke elektrodedikte worden voorkomen.

3. Snelle oppervlakte-inspectie: Duifprisma detecteert "vluchtige" gebreken

Op staalplaatwalslijnen bewegen platen zich met 3 meter per seconde, en oppervlaktekrassen of deuken zijn vluchtig. Een enkele camera kan niet de volledige breedte overzien. Een Duif-prisma vergroot het gezichtsveld van de camera tot 120° door de beeldhoek aan te passen. Gecombineerd met een high-speedcamera vangt het de voorkant en beide randen van de plaat in één keer in, detecteert meer dan 1000 defectpunten per seconde en verlaagt de kosten met 40% ten opzichte van traditionele multi-cameralandbouwen.

4. Laserpositionering: Hoekreflectorprisma maakt "Precieze Terugkaatsing" mogelijk

Bij industriële robotlassen is nauwkeurige nadenpositionering cruciaal, wat afhankelijk is van lasersystemen. Trillingen in de werkplaats en stof kunnen de laserstraal afbuigen. Een hoekreflectorprisma dat is gemonteerd op het eindelement van de robot kaatst de laserstraal rechtstreeks terug naar de emitter. Door de afwijking van het gereflecteerde licht te berekenen, wordt de positie van de robot in real time aangepast, waardoor de lasnauwkeurigheid binnen 0,1 mm wordt gehouden en de foutfrequentie aanzienlijk wordt verminderd.

ⅲ.  Selectie van prismamateriaal: Niet alleen "goede lichttransmissie", maar ook "robustheid"

Industriële omgevingen zijn complex en wisselend; factoren zoals hoge temperatuur, vochtigheid, trillingen en chemische corrosie kunnen de prestaties en levensduur van prisma's beïnvloeden. Daarom omvat de keuze van een prisma niet alleen optische prestaties, maar ook duurzaamheid van het materiaal. Hieronder staan vijf veelvoorkomende materialen en hun geschikte toepassingen:

Voorbeeld: Bij het meten van de temperatuur van gesmolten staal in een staalfabriek zijn omgevingstemperaturen hoger dan 500 °C. Standaard N-BK7 glasprisma's zouden smelten, terwijl een saffierprisma de hitte weerstaat. In combinatie met een IR-camera wordt hiermee realtime temperatuurverandering gemonitord. Voor UV-lithografie-inspectie in de halfgeleiderindustrie is UV-gesinterd silica de voorkeur, omdat dit zorgt voor efficiënte UV-transmissie voor nauwkeurige controle op patroongenauheid.

ⅳ.  Prisma-selectie en -ontwerp: 3 kernprincipes om valkuilen te vermijden

Het kiezen van het juiste prisma verhoogt de precisie en stabiliteit van een machinevisionsysteem; de verkeerde keuze leidt tot significante inspectiefouten en frequente storingen. Hieronder volgen drie kernselectieprincipes:

1. Bepaal het type op basis van "taakvereisten", niet blindelings streven naar "high-end"

• Voor eenvoudige lichtafbuiging in beperkte ruimtes volstaat een rechthoekige prisma; er is geen dure penta-prisma nodig.

• Voor synchrone inspectie onder meerdere hoeken heeft een kubusdeeldeler de voorkeur boven meerdere camera's en standaardprisma's.

• Voor beeldrotatie/correctie kiest u tussen Dove- of dakprisma's op basis van de benodigde rotatiehoek, om functionele redundantie te voorkomen.

2. Kies materiaal op basis van "omgevingsomstandigheden", waarbij prestatie en kosten in balans worden gehouden

• Standaard kamertemperatuur, niet-corrosieve omgevingen: kies N-BK7-glas voor de beste prijs-kwaliteitverhouding.

• Hoge temperaturen, zware omgevingen: kies saffier of UV-gefuseerd silica voor duurzaamheid.

• IR- of UV-toepassingen: kies het bijbehorende IR-materiaal (Ge, ZnSe) of UV-materiaal (UV-gefuseerd silica); vermijd standaardglas.

3. Leg nadruk op "gedetailleerde afwerking" om de algehele prestaties te verbeteren

• Prismacoating is cruciaal: bij toepassingen met hoge reflectie (bijvoorbeeld metaleninspectie) kiest u gecoate prisma's met antireflectie om reflectieverlies te verminderen en de beeldkwaliteit te verbeteren.

• De productienauwkeurigheid moet voldoen aan de normen: de hoekfout van de prisma moet worden beheerst binnen ±30 boogseconden (1 boogseconde = 1/3600 graad); anders treedt afwijking van de lichtweg op, wat de inspectienauwkeurigheid beïnvloedt.

• Systeemcompatibiliteit: de grootte en montage van het prisma moeten overeenkomen met de camera en lens om misalignering door installatiefouten te voorkomen.

Conclusie: Klein maar Krachtig, de "Hoeksteen van Precisie" in Machinevisie

In machinesystemen voor beeldverwerking zijn prisma's misschien niet zo prominent als camera's of algoritmen, maar zij vervullen stilletjes de kernopdracht van "lichtbaancontrole"—waarmee ze uitdagingen oplossen zoals ruimtebeperkingen, wanorde in beelden en inspectie onder meerdere hoeken, en daarmee industriële inspectie van "zien" naar "nauwkeurig en snel zien" tillen.

Of het nu gaat om de auto-industrie, elektronica-productie, voedselinspectie of de nieuwe-energiesector: het kiezen van het juiste prisma-type en -materiaal is essentieel om de prestaties van een machinesight-systeem te verbeteren. Naarmate machinesight zich verder ontwikkelt richting hogere precisie en complexere toepassingen, zal de rol van prisma's nog belangrijker worden.