Как оптические призмы обеспечивают точность промышленного контроля?

В промышленных системах машинного зрения камера является «глазом», алгоритм — «мозгом», а оптическая призма — скрытым «командиром светового пути». Она невидима и неосязаема, но способна точно направлять «глаз» на объекты в сложных промышленных условиях за счёт отклонения света, коррекции изображений и распределения световых пучков. Будь то осмотр деталей в ограниченных пространствах, выявление дефектов на высокоскоростных конвейерных лентах или выполнение точной калибровки при 3D-моделировании — призмы играют незаменимую роль.

ⅰ. Основная задача призм: решение «проблем светового пути» в машинном зрении

Промышленные объекты гораздо сложнее лабораторий: некоторые точки осмотра скрыты глубоко внутри оборудования, что делает прямое позиционирование камеры невозможным; некоторые детали движутся с высокой скоростью, требуя одновременного захвата многогранных деталей; в некоторых сценариях требуется строгая ориентация изображения, при которой даже незначительные отклонения приводят к ошибочной оценке. Роль призм заключается в предоставлении точных оптических решений, адаптированных к этим «вызовам».

1. Ограничение пространства? Используйте призму, чтобы «изогнуть» обзор до цели  

При осмотре блока цилиндров автомобильного двигателя внутренние воздушные каналы узкие и извилистые, что не позволяет объективам камер проникать внутрь для прямой съёмки. Здесь на помощь приходит прямоугольная призма. Как «зеркало», она отклоняет изображение изнутри канала на 90 градусов, проецируя его на внешний датчик камеры — по сути, предоставляя камере «изгибающийся глаз», чтобы видеть внутреннюю структуру без разборки блока.

Еще более специализированный компонент — пентапризма — обладает уникальной способностью точно отклонять входящий свет на 90 градусов независимо от угла входа. В высокоточных приборах для измерения зубчатых колес измерительный луч может смещаться из-за вибраций при высокоскоростном вращении. Пентапризма стабилизирует и корректирует оптический путь, обеспечивая контроль погрешности измерений в пределах 0,001 мм, что позволяет сохранять точность при проверке шага и профиля зубьев.

2. Проблемы с ориентацией изображения? Используйте призму для «коррекции» перспективы

В камерах на линиях сортировки посылок посылки могут быть расположены произвольно — некоторые правой стороной вверх, некоторые на боку, — что приводит к хаотичной ориентации изображений, которые алгоритмам трудно интерпретировать. Здесь важную роль играет кровельная призма. Она зеркально отражает изображение слева направо, выполняя «зеркальную коррекцию», благодаря чему изображение этикетки всегда получается в правильной ориентации, что повышает эффективность сортировки более чем на 30%.

Призма Дове — настоящий «эксперт по вращению изображения», способная поворачивать изображение на любой нужный угол. При инспекции выводов микросхем, когда чипы могут быть наклонены из-за несоосности транспортировки, призма Дове корректирует угол изображения в реальном времени, позволяя алгоритмам точно определять расстояние между выводами и их целостность, предотвращая ошибки, вызванные угловыми отклонениями.

3. Нужна инспекция под несколькими углами? Используйте призму для «разделения» луча и одновременной съёмки

Для инспекции стеклянных панелей мобильных телефонов необходимо одновременно просматривать дефекты на передней поверхности, боковых гранях и краях. Использование нескольких камер по отдельности усложнило бы установку и потребовало бы последующего выравнивания изображений. Решение предлагает кубический светоделитель. Он разделяет один источник света на два или более луча, направляя их в камеры под разными углами — достигается эффект «один луч — несколько задач». Это уменьшает количество необходимых камер и обеспечивает синхронную съёмку под разными углами, удваивая эффективность инспекции.

Угловой кубический ретрорефлектор выполняет удивительную функцию — отражает падающий свет прямо обратно по исходному пути, действуя как «отражатель света». В лазерных 3D-сканерах призма углового отражателя работает с лазерными лучами, точно измеряя вариации высоты поверхности за счёт многократных отражений и быстро воссоздавая 3D-модель корпуса телефона с точностью до 0,01 мм, что значительно превосходит традиционные методы.

4. Нужен анализ материала? Используйте призму, чтобы «разделить» свет

В контроле качества пищевых продуктов определение наличия фальсификаций в сухом молоке требует анализа его спектральных характеристик. Треугольная призма выступает в роли «эксперта по расщеплению спектра». Она разлагает белый свет на различные длины волн — красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, индиго, фиолетовый. Разные вещества поглощают определённые длины волн; анализируя спектр поглощения, можно обнаружить наличие незаконных добавок в сухом молоке, что предоставляет более быструю и экологически чистую альтернативу традиционным химическим методам анализа.

ⅱ. Практическое применение: как призмы адаптируются к разнообразным промышленным задачам

Разные задачи машинного зрения предъявляют совершенно разные требования к призмам. Выбор подходящего типа призмы имеет решающее значение для максимальной эффективности системы. Ниже приведены четыре типичных сценария применения:

1. Сортировка на конвейерной ленте: прямоугольные призмы и призмы с крышеобразным отражением решают проблему «Не видно или видно нечётко»

На линии сортировки бутылок с водой проверка правильности нанесения этикеток и плотности закрытия крышек требует инспекции с помощью стационарной камеры. Однако пространство рядом с конвейером ограничено. Прямоугольная призма сначала отклоняет оптический путь на 90°, что позволяет боковой камере «увидеть» корпус бутылки. Если наклон бутылки приводит к переворачиванию изображения этикетки, призма с крышеобразным отражением корректирует его, обеспечивая точное считывание алгоритмом положения этикетки и состояния крышки, в результате чего доля успешной сортировки возрастает с 95% до 99,8%.

2. 3D-моделирование деталей: пятиугольные + кубические призмы создают "стереоизображение"

При осмотре электродов аккумуляторов транспортных средств на новой энергии измерение толщины, плоскостности и профиля края требует трёхмерной информации, которую невозможно получить одним взглядом. В данном случае пятигранная призма стабилизирует оптический путь, предотвращая отклонение луча, а кубический делитель луча разделяет его, направляя на верхнюю и нижнюю камеры. Путём вычисления фазовой разницы между лучами быстро создаётся трёхмерная модель электрода с погрешностью измерения толщины ≤0,005 мм, что предотвращает потенциальные угрозы безопасности аккумулятора, вызванные неравномерной толщиной электрода.

3. Инспекция поверхности на высокой скорости: призма Дове фиксирует "мимолётные" дефекты

На линиях прокатки стальных плит пластины движутся со скоростью 3 метра в секунду, а царапины или вмятины на поверхности появляются мгновенно. Одной камерой невозможно охватить всю ширину. Призма Дове расширяет угол обзора камеры до 120° за счёт изменения угла изображения. В паре с высокоскоростной камерой она позволяет одновременно снимать переднюю часть пластины и оба края, фиксируя более 1000 дефектных точек в секунду, что снижает затраты на 40% по сравнению с традиционными многокамерными системами.

4. Лазерное позиционирование: уголковый отражатель обеспечивает "точное отражение"

В сварке промышленными роботами точное позиционирование шва имеет решающее значение и зависит от лазерных систем. Вибрации в цеху и пыль могут отклонять лазерный луч. Уголковый отражатель, установленный на конце эффектора робота, отражает лазерный луч прямо обратно к источнику. На основе вычисления отклонения отражённого света положение робота корректируется в реальном времени, обеспечивая точность сварки в пределах 0,1 мм и значительно снижая уровень брака.

ⅲ.  Выбор материала призмы: не только «хорошая передача света», но и «прочность»

Промышленные среды сложны и изменчивы; такие факторы, как высокая температура, влажность, вибрация и химическая коррозия, могут влиять на производительность и срок службы призм. Поэтому выбор призмы включает не только оптические характеристики, но и долговечность материала. Ниже приведены пять распространённых материалов и соответствующие сферы их применения:

Пример: при измерении температуры расплавленной стали в сталеплавильном цехе температура окружающей среды превышает 500 °C. Призмы из обычного оптического стекла N-BK7 расплавятся, тогда как сапфировая призма выдерживает такие температуры. В сочетании с ИК-камерой она обеспечивает контроль изменения температуры в реальном времени. Для инспекции УФ-литографии в полупроводниковой промышленности предпочтительный выбор — плавленый кварц для УФ-диапазона, обеспечивающий эффективную передачу ультрафиолетового излучения и точную проверку точности рисунка.

ⅳ.  Выбор и проектирование призм: 3 ключевых принципа, позволяющих избежать ошибок

Правильный выбор призмы повышает точность и стабильность системы машинного зрения; неправильный выбор приводит к значительным ошибкам при контроле и частым сбоям. Ниже приведены три основных принципа выбора:

1. Определяйте тип исходя из «требований задачи», не стремитесь слепо к «премиум-классу»

• Для простого отклонения света в ограниченных пространствах достаточно призмы с прямым углом; нет необходимости в дорогой пентапризме.

• Для синхронного многоканального контроля отдайте предпочтение кубическому светоделителю перед использованием нескольких камер и стандартных призм.

• Для поворота или коррекции изображения выбирайте между призмами Дове или кровельными призмами в зависимости от требуемого угла поворота, избегая функциональной избыточности.

2. Выбор материала на основе «условий эксплуатации» с учетом баланса между производительностью и стоимостью

• Стандартная комнатная температура, некоррозионные среды: выбирайте стекло N-BK7 для оптимального соотношения цены и качества.

• Высокие температуры, жесткие условия эксплуатации: выбирайте сапфир или плавленый кварц для обеспечения долговечности.

• Сценарии в ИК- или УФ-диапазонах: выбирайте соответствующие материалы для ИК (Ge, ZnSe) или УФ (плавленый кварц); избегайте использования стандартного стекла.

3. Особое внимание «деталям изготовления» для повышения общей производительности

• Покрытие призмы имеет решающее значение: в условиях высокой отражательной способности (например, при контроле металлов) выбирайте призмы с просветляющим покрытием, чтобы уменьшить потери на отражение и повысить четкость изображения.

• Производственная точность должна соответствовать стандартам: ошибка угла призмы должна находиться в пределах ±30 угловых секунд (1 угловая секунда = 1/3600 градуса); в противном случае возникает отклонение светового луча, что влияет на точность инспекции.

• Совместимость системы: размер призмы и способ крепления должны соответствовать камере и объективу, чтобы предотвратить несоосность из-за ошибок монтажа.

Вывод: Маленькая, но мощная — «Краеугольный камень точности» в системах машинного зрения

В системах машинного зрения призмы, возможно, не так заметны, как камеры или алгоритмы, однако они тихо выполняют ключевую задачу «управления световым путем» — решая такие задачи, как ограниченное пространство, хаотичное изображение и инспекция под несколькими углами, обеспечивая переход промышленной инспекции от «видения» к «точному и быстрому видению».

Как в производстве автомобилей, электроники, контроле качества продуктов питания, так и в секторе новых источников энергии, выбор правильного типа и материала призмы имеет ключевое значение для повышения эффективности систем машинного зрения. По мере того как технологии машинного зрения развиваются в сторону более высокой точности и сложных сценариев, роль призм будет становиться ещё более значимой.