Jak pryzmaty optyczne zapewniają precyzję w inspekcji przemysłowej?

W przemysłowych systemach wizyjnych kamera to „oko”, algorytm to „mózg”, a pryzmat optyczny to ukryty „dowódca ścieżki świetlnej” — niewidzialny i niematerialny, ale zdolny do precyzyjnego umożliwienia „oku” przechwytywania celów w złożonych środowiskach przemysłowych poprzez odchylenie światła, korygowanie obrazu i rozdział wiązek świetlnych. Niezależnie od tego, czy chodzi o kontrolę elementów w ciasnych przestrzeniach, wykrywanie wad na szybkich taśmach transportowych, czy kalibrację dokładności w modelowaniu 3D, pryzmaty są niezastąpione.

ⅰ. Główne zadanie pryzmatów: rozwiązywanie „problemów ze ścieżką świetlną” w wizji maszynowej

Tereny przemysłowe są znacznie bardziej złożone niż laboratoria: niektóre punkty inspekcyjne są ukryte głęboko wewnątrz urządzeń, co czyni bezpośrednią orientację kamery niemożliwą; niektóre części poruszają się z dużą prędkością, wymagając jednoczesnego przechwytywania wieloaspektowych szczegółów; niektóre scenariusze wymagają ścisłej orientacji obrazu, w których nawet niewielkie odchylenia prowadzą do błędnej oceny. Rola pryzmatów polega na dostarczaniu precyzyjnych rozwiązań optycznych dopasowanych do tych „wyzwań”.

1. Ograniczona przestrzeń? Użyj pryzmatu, aby „zgiąć” widok w kierunku celu  

Podczas kontroli bloku silnika samochodowego wewnętrzne kanały powietrzne są wąskie i kręte, co uniemożliwia wejście obiektywom kamer w celu bezpośredniego nagrywania obrazu. Właśnie tutaj przydaje się pryzmat prostokątny. Działa on jak „lustro”, odchylając obraz z wnętrza kanału o 90 stopni i rzutując go na zewnętrzny czujnik kamery — dając kamerze efektywnie „zgięte oko”, umożliwiając obejrzenie struktury wewnętrznej bez demontażu bloku.

Jeszcze bardziej specjalistycznym komponentem jest pięciokątny pryzmat, który ma unikalną zdolność precyzyjnego odchylenia padającego światła o 90 stopni niezależnie od kąta wejścia. W wysokodokładnych przyrządach pomiarowych do analizy przekładni, wiązka pomiarowa może ulec przesunięciu z powodu drgań podczas szybkiego obrotu. Pięciokątny pryzmat stabilizuje i koryguje ścieżkę światła, zapewniając kontrolę błędów pomiarowych na poziomie 0,001 mm, co gwarantuje dokładność pomiarów skoku i profilu zębów.

2. Problemy z orientacją obrazu? Użyj pryzmatu, aby "skorygować" perspektywę

W kamerze na liniach sortujących paczki, przesyłki są ułożone przypadkowo – niektóre prawidłowo, inne bokiem – co prowadzi do chaotycznej orientacji obrazów, które algorytmy mają trudności z interpretacją. Tutaj kluczową rolę odgrywa pryzmat dachowy. Odwraca on obraz w lewo i prawo, wykonując tzw. "korektę lustrzaną", dzięki czemu obraz etykiety jest zawsze ustawiony pionowo, zwiększając wydajność sortowania o ponad 30%.

Pryzmat Dove to prawdziwy „ekspert od obracania obrazu”, zdolny do obrócenia obrazu o dowolny pożądany kąt. W inspekcji pinów układów scalonych, gdzie układy mogą być nachylone z powodu nieprawidłowego ustawienia taśmy transportowej, pryzmat Dove dostosowuje kąt obrazu w czasie rzeczywistym, umożliwiając algorytmom dokładne określenie odstępów i integralności każdego pinu, zapobiegając błędom spowodowanym odchyleniem kątowym.

3. Potrzebujesz kontroli wielokątowej? Użyj pryzmatu, by „podzielić” wiązkę światła i uzyskać jednoczesne przechwytywanie

W przypadku kontroli szklanych pokryć telefonów komórkowych konieczne jest jednoczesne przeglądanie defektów na przedniej części, bokach i krawędziach. Oddzielne stosowanie wielu kamer skomplikowałoby instalację i wymagałoby późniejszego dopasowania obrazów. Rozwiązaniem jest rozdzielacz wiązki sześcienny. Dzieli on jedno źródło światła na dwie lub więcej wiązek, kierując je do kamer pod różnymi kątami – osiągając tym samym „wiele zadań jedną wiązką światła”. Redukuje to liczbę potrzebnych kamer i umożliwia synchroniczne uzyskiwanie obrazów z różnych kątów, podwajając wydajność kontroli.

Retroreflektor narożnikowy wykonuje zadziwiające wyczyn, odbijając padające światło bezpośrednio z powrotem wzdłuż jego pierwotnej ścieżki, działając jak "odbiornik światła". W laserowych skanerach 3D pryzmat narożnikowy współpracuje z wiązkami laserowymi, aby dokładnie mierzyć różnice wysokości powierzchni poprzez wielokrotne odbicia, szybko rekonstruując model 3D obudowy telefonu z dokładnością do 0,01 mm, znacznie przewyższając tradycyjne metody.

4. Potrzebujesz analizy materiału? Użyj pryzmatu, by "rozdzielić" światło

W inspekcji żywności, określenie, czy mleko w proszku jest sfałszowane, wymaga analizy jego charakterystyki spektralnej. Graniastosłup trójkątny pełni rolę „eksperta od rozkładu widma”. Rozprasza światło białe na różne długości fal – czerwoną, pomarańczową, żółtą, zieloną, niebieską, indygo, fioletową. Różne substancje pochłaniają określone długości fal; poprzez analizę widma absorpcyjnego można wykryć obecność nielegalnych dodatków w mleku w proszku, co stanowi szybszą i bardziej przyjazną dla środowiska alternatywę dla tradycyjnych badań chemicznych.

ⅱ. Zastosowania w praktyce: Jak graniastosłupy dostosowują się do różnorodnych potrzeb przemysłowych

Różne zadania wizji maszynowej nakładają zupełnie inne wymagania na graniastosłupy. Wybór odpowiedniego typu graniastosłupa ma kluczowe znaczenie dla maksymalizacji wydajności systemu. Oto cztery typowe scenariusze zastosowań:

1. Sortowanie na taśmie transportowej: Graniastosłupy prostokątne i dachowe rozwiązują problem „Nie widać, albo nie widać wyraźnie"

Na linii sortującej butelki z wody, sprawdzanie, czy etykiety są poprawnie przyklejone, a zakrętki szczelnie zamknięte, wymaga inspekcji za pomocą kamery o stałym położeniu. Jednak przestrzeń obok taśmy transportowej jest ograniczona. Pryzmat prostokątny najpierw odchyla tor światła o 90°, umożliwiając bocznej kamerze "zobaczenie" ścianki butelki. Jeśli przechylona butelka powoduje odwrócenie obrazu etykiety, pryzmat dachowy koryguje ten efekt, zapewniając, że algorytm poprawnie odczyta położenie etykiety i stan zakrętki, zwiększając wskaźnik skuteczności sortowania z 95% do 99,8%.

2. Modelowanie 3D części: Pryzmaty Penta + Cube tworzą "Wizję Stereoskopijną"

Podczas inspekcji elektrod akumulatorów pojazdów napędzanych energią elektryczną pomiar grubości, płaskości oraz profilu krawędzi wymaga informacji 3D, której nie można uzyskać z jednego ujęcia. W tym przypadku pryzmat pięciokątny stabilizuje tor świetlny, zapobiegając odchyleniu wiązki, podczas gdy rozdzielacz wiązki sześcienny dzieli promień, kierując go do górnej i dolnej kamery. Poprzez obliczenie różnicy faz między wiązkami generowany jest szybko model 3D elektrody, przy czym błąd pomiaru grubości wynosi ≤0,005 mm, co zapobiega potencjalnym zagrożeniom bezpieczeństwa akumulatora spowodowanym nierówną grubością elektrody.

3. Szybka Inspekcja Powierzchni: Pryzmat Golebia Uchwytytuje "Chwilowe" Wady

Na liniach produkcyjnych toczenia płyt stalowych płyty poruszają się z prędkością 3 metry na sekundę, a powierzchniowe zadrapania lub wgniecenia są chwilowe. Jedna kamera nie jest w stanie objąć całej szerokości. Pryzmat Gołębicy poszerza pole widzenia kamery do 120° poprzez regulację kąta obrazu. W połączeniu z kamerą wysokiej szybkości umożliwia jednoczesne uchwycenie przedniej części płyty i obu jej krawędzi, wykrywając ponad 1000 punktów uszkodzeń na sekundę, co redukuje koszty o 40% w porównaniu z tradycyjnymi układami wielokameralnymi.

4. Pozycjonowanie laserowe: Pryzmat narożnikowy umożliwia „Precyzyjne odbicie”

W spawalnictwie przemysłowych robotów precyzyjne pozycjonowanie szwu ma kluczowe znaczenie i opiera się na systemach laserowych. Wibracje warsztatu i kurz mogą odchylić wiązkę laserową. Pryzmat narożnikowy zamontowany na efektorze końcowym robota odbija wiązkę laserową bezpośrednio z powrotem do nadajnika. Poprzez obliczenie odchylenia światła odbitego, pozycja robota jest korygowana w czasie rzeczywistym, zapewniając dokładność spawania w granicach 0,1 mm i znacząco zmniejszając liczbę wad.

iII. Wprowadzenie do obrotu  Wybór materiału pryzmatu: nie tylko „dobra przepuszczalność światła”, ale także „trwałość”

Środowiska przemysłowe są złożone i zmienne; czynniki takie jak wysoka temperatura, wilgotność, wibracje oraz korozja chemiczna mogą wpływać na wydajność i żywotność pryzmatów. Dlatego wybór pryzmatu obejmuje nie tylko właściwości optyczne, ale także trwałość materiału. Poniżej przedstawiono pięć najczęstszych materiałów oraz odpowiednie zastosowania:

Przykład: Podczas pomiaru temperatury stali ciekłej w hucie, temperatura otoczenia przekracza 500°C. Gryfy ze szkła N-BK7 uległyby stopieniu, natomiast gryf z szafiru wytrzymuje takie warunki. W połączeniu z kamerą podczerwieni umożliwia on monitorowanie zmian temperatury w czasie rzeczywistym. W przypadku inspekcji litografii UV w przemyśle półprzewodnikowym, krzemionka topiona UV jest rozwiązaniem preferowanym, zapewniając skuteczne przepuszczanie promieniowania UV dla precyzyjnej kontroli dokładności wzorów.

ⅳ.  Wybór i projektowanie gryfów: 3 kluczowe zasady pozwalające uniknąć pułapek

Prawidłowy wybór gryfu zwiększa precyzję i stabilność systemu wizyjnego; błędny wybór prowadzi do znaczących błędów pomiarowych i częstych awarii. Oto trzy podstawowe zasady doboru:

1. Dobierz typ na podstawie wymagań zadania, nie dąż ślepo do rozwiązania wysokiej klasy

• Do prostego odbijania światła w ciasnych przestrzeniach wystarczy pryzmat kątowy; nie ma potrzeby stosowania drogiego pryzmatu pentagonalnego.

• Do synchronicznej kontroli wielokątnej należy preferować rozgałęźnik sześcienny zamiast wielu kamer i standardowych pryzmatów.

• Do obracania lub korekcji obrazu wybierz między pryzmatem Dove a dachowym w zależności od potrzebnego kąta obrotu, unikając funkcjonalnego nadmiaru.

2. Wybierz materiał na podstawie "warunków środowiskowych", uwzględniając równowagę między wydajnością a kosztem

• Standardowa temperatura pokojowa, środowiska niekorozyjne: wybierz szkło N-BK7 dla najlepszej relacji koszt-wydajność.

• Wysoka temperatura, trudne warunki środowiskowe: wybierz szafir lub stopiony krzemionkowy szkło kwarcowe ze względu na trwałość.

• Scenariusze IR lub UV: wybierz odpowiednie materiały IR (Ge, ZnSe) lub materiały UV (stopiony krzemionkowy szkło kwarcowe); unikaj standardowego szkła.

3. Zwróć uwagę na "szczegóły wykonania", aby poprawić ogólną wydajność

• Pokrycie pryzmatu jest kluczowe: w przypadkach wysokiej refleksyjności (np. kontrola metali) wybierz pryzmaty z powłoką antyrefleksyjną, aby zmniejszyć straty odbiciowe i poprawić ostrość obrazu.

• Precyzja produkcji musi spełniać normy: błąd kąta pryzmatu powinien być kontrolowany w granicach ±30 sekund kątowych (1 sekunda kątowa = 1/3600 stopnia); w przeciwnym razie występuje odchylenie ścieżki światła, co wpływa na dokładność inspekcji.

• Zgodność systemu: rozmiar pryzmatu i sposób montażu muszą odpowiadać kamerze i obiektywowi, aby zapobiec nieprawidłowemu ustawieniu wynikającemu z błędów instalacji.

Wnioski: Mały, ale Mocny – «Kamień Węgielny Precyzji» w wizji maszynowej

W systemach wizji maszynowej pryzmaty mogą nie być tak znaczące jak kamery czy algorytmy, jednak cicho wykonują kluczowe zadanie „kontroli ścieżki światła” — rozwiązując wyzwania takie jak ograniczona przestrzeń, nieuporządkowany obraz czy inspekcja wielokątowa, przyczyniając się do przejścia kontroli przemysłowej od „widzenia” do „widzenia precyzyjnego i szybkiego”.

Nie ważne, czy chodzi o produkcję samochodów, elektronikę, kontrolę jakości żywności, czy sektor nowych źródeł energii, wybór odpowiedniego typu i materiału pryzmatu ma kluczowe znaczenie dla poprawy wydajności systemów wizyjnych. W miarę jak technologia wizji maszynowej będzie się rozwijać w kierunku większej precyzji i bardziej złożonych scenariuszy, rola pryzmatów stanie się jeszcze bardziej istotna.