Kako optične prizme zagotavljajo natančnost industrijskega pregleda?

V industrijskih sistemih strojnega vida je kamera »oko«, algoritem »možgani«, optični prizem pa skriti »poveljnik svetlobne poti« – neviden in nematerialen, a sposoben natančno omogočiti »oku« zajemanje ciljev v kompleksnih industrijskih okoljih z odklanjanjem svetlobe, prilagajanjem slik in razdeljevanjem svetlobnih žarkov. Naj gre za pregledovanje delov v tesnih prostorih, prepoznavanje napak na hitrih tekočih trakovih ali izvajanje natančne kalibracije pri 3D modeliranju – prizmi so nepogrešljivi.

ⅰ. Osnovna naloga prizmov: Reševanje »težav svetlobne poti« pri strojnem vidu

Industrijska področja so veliko bolj zapletena kot laboratoriji: nekatere točke pregleda so skrite globoko znotraj opreme, kar naredi neposredno poravnavo kamere nemogočo; nekatere dele se premikajo s hitrimi hitrostmi, kar zahteva hkratni zajem večplastnih podrobnosti; v nekaterih primerih je potrebna stroga usmeritev slike, kjer že majhne odstopitve vodijo do napačne ocene. Vloga prizem je zagotoviti natančne optične rešitve, prilagojene tem »izzivom«.

1. Omejitve prostora? Uporabite prizmo, da »zavijete« pogled proti cilju  

Pri pregledu motorja avtomobila so notranji zračni kanali ozki in zaviti, kar preprečuje uvedbo objektivov kamere za neposredni posnetek. Tu stopi v igro pravokotna prizma. Podobno kot »ogledalo« odklani sliko iz notranjosti kanala za 90 stopinj in jo projicira na zunanji senzor kamere – kar po vsebinsko pomeni, da kamero opremi z »zavijajočim očesom«, ki omogoča ogled notranje strukture, ne da bi bilo treba razstaviti motor.

Še posebej specializirana komponenta, penta prizma, ima edinstveno sposobnost, da natančno odkloni vhodno svetlobo za 90 stopinj, ne glede na kot vstopa. Pri visoko natančnih merilnih instrumentih za zobnike se merilni žarek lahko zaradi vibracij pri hitrem vrtenju enostavno premakne. Penta prizma stabilizira in popravi pot svetlobe, kar zagotavlja, da so merilne napake nadzorovane znotraj 0,001 mm, ter ohranja natančnost pri preverjanju razmika in profila zobnikov.

2. Težave z orientacijo slike? Uporabite prizmo za »popravek« perspektive

Kamera Na linijah za sortiranje pošiljk so paketi postavljeni naključno – nekateri pokonci, nekateri na boku – kar povzroča kaotične orientacije slik, ki jih algoritmi težko razumejo. Tukaj ključno vlogo igra strešna prizma. Prezrcali sliko levo-desno in izvede »zrcalni popravek«, tako da je zajeta slika nalepke vedno v pokončni legi, kar učinkovitost sortiranja poveča za več kot 30 %.

Dovejev prizma je resnični »strokovnjak za vrtenje slike«, ki lahko zavrti sliko za poljuben kot. Pri pregledu kontaktov čipov, kjer se čipi zaradi napačne poravnave transporta lahko nagnejo, Dovejeva prizma v realnem času prilagaja kot slike, kar algoritmom omogoča natančno prepoznavanje razmika in celovitosti vsakega kontakta ter preprečuje napake, povzročene zaradi odstopanja kota.

3. Potrebujete pregled iz več kotov? Uporabite prizmo, da »razdelite« žarek za hkratni zajem

Pri pregledu steklenih pokrovov mobilnih telefonov je treba hkrati opazovati pomanjkljivosti na sprednji strani, straneh in robovih. Uporaba več kamer ločeno bi zapletla namestitev in zahtevala poravnavo posnetih slik. To rešuje kubični razcepnik žarka. En vir svetlobe razdeli na dva ali več žarkov, ki jih usmeri proti kameram pod različnimi koti – doseže se tako »več opravil z enim žarkom svetlobe«. S tem se zmanjša potreba po številu kamer in omogoči sinhrono slikanje iz več kotov, kar podvoji učinkovitost pregleda.

Kotni kockasti reflektor izvaja izjemno nalogo, da odbija vpadajočo svetlobo neposredno nazaj po prvotni poti, deluje kot »odbijalec svetlobe«. V laserskih 3D skenerjih kotni kockasti prizemsko ogledalo deluje skupaj z laserskimi žarki za natančno merjenje višinskih razlik površin prek večkratnih odbojev in hitro rekonstruira 3D model telefonskega ohišja s točnostjo do 0,01 mm, kar znatno presega tradicionalne metode.

4. Potrebujete analizo materiala? Uporabite prizmo za »razcepljanje« svetlobe

Pri pregledu hrane za ugotavljanje, ali je mleko v prahu primesano, je potrebno analizirati njegove spektralne značilnosti. Trikotna prizma deluje kot »strokovnjak za razgradnjo spektra«. Belo svetlobo razcepi na različne valovne dolžine – rdečo, oranžno, rumeno, zeleno, modro, indigo in vijolično. Različne snovi absorbirajo določene valovne dolžine; s pomočjo analize absorpcijskega spektra je mogoče zaznati prisotnost nezakonitih dodatkov v mleku v prahu, kar ponuja hitrejšo in okolju prijaznejšo alternativo tradicionalnim kemičnim testom.

iI. Uporaba v resničnem svetu: kako se prizme prilagajajo različnim industrijskim potrebam

Različne naloge strojnega vida imajo zelo različne zahteve glede prizem. Izbira pravilnega tipa prizme je ključna za maksimiranje zmogljivosti sistema. Spodaj so štiri tipične uporabne situacije:

1. Razvrščanje na tekočem traku: pravokotne in strešne prizme rešujejo problem »Ne morem videti, ne morem jasno videti«

Na traku za razvrščanje steklenic z vodo je potrebna fiksna kamera za preverjanje, ali so nalepke pravilno nalepljene in pokrovi tesno zaprti. Vendar je prostor ob traku omejen. Pravokotni prizma najprej odkloni svetlobno pot za 90°, kar omogoča stransko nameščeni kameri, da »vidi« telo steklenice. Če nagnjena steklenica povzroči obrnjeno sliko nalepke, strešna prizma to popravi, kar zagotavlja, da algoritem natančno prebere položaj nalepke in stanje pokrova ter poveča uspešnost razvrščanja s 95 % na 99,8 %.

2. 3D modeliranje delov: Penta + Cube prizme ustvarjajo »stereoskopski vid«

Pri pregledu elektrod baterij vozil z alternativnimi viri energije je za merjenje debeline, ravnosti in profila roba potrebna 3D informacija, ki ni na voljo iz enojnega pogleda. Tukaj penta prizma stabilizira svetlobno pot in preprečuje odmik žarka, medtem ko kockasti razceplitveni žarek razdeli žarek na zgornji in spodnji kameri. S izračunom fazne razlike med žarki se hitro ustvari 3D model elektrode, pri čemer je napaka pri merjenju debeline ≤0,005 mm, kar preprečuje morebitne nevarnosti za varnost baterij, ki bi jih povzročila neenakomerna debelina elektrod.

3. Hitri pregled površine: Golobova prizma zajame »trenutne« napake

Na proizvodnih linijah za valjanje pločevine se pločevina premika s hitrostjo 3 metri na sekundo, površinske brazgotine ali vdelanice pa so kratkotrajne. Ena sama kamera ne more zajeti celotne širine. Golobova prizma razširi vidno polje kamere na 120° tako, da prilagodi kot slike. V kombinaciji s hitro kamerom omogoča hkratni zajem sprednje strani in obeh robov pločevine ter zazna več kot 1000 točk napak na sekundo, kar zmanjša stroške za 40 % v primerjavi s tradicionalnimi večkamernimi sistemi.

4. Laserjsko pozicioniranje: Kotna kubična prizma omogoča »natančen odboj«

Pri varjenju industrijskih robotov je natančno pozicioniranje šiva ključno in temelji na laserskih sistemih. Vibracije v delavnici in prah lahko odklonijo laserski žarek. Na koncu izvajalnega orodja (end-effector) pritrjena kotna kubična prizma odbija laserski žarek neposredno nazaj do oddajnika. S izračunom odstopanja odbitega svetlobe se položaj robota prilagaja v realnem času, natančnost varjenja pa se nadzoruje znotraj 0,1 mm, kar znatno zmanjša delež napak.

iII.  Izbira materiala prizme: Ni samo »dobra prepošiljnost svetlobe«, temveč tudi »vzdržnost«

Industrijska okolja so zapletena in spremenljiva; dejavniki, kot so visoka temperatura, vlažnost, vibracije in kemična korozija, lahko vplivajo na zmogljivost in življenjsko dobo prizme. Zato izbira prizme vključuje ne le optične zmogljivosti, temveč tudi trdnost materiala. Spodaj je pet pogostih materialov in primerne uporabe:

Primer: Pri merjenju temperature raztaljene jeklene mase v jekarni presegajo okoljske temperature 500 °C. Standardni prizmi iz N-BK7 stekla bi se stopili, medtem ko prizma iz safira zdrži toploto. V kombinaciji s IR kamero omogoča spremljanje sprememb temperature v realnem času. Za UV litografsko preverjanje v polprevodniški industriji je prednostna izbira kvarec za UV, ki zagotavlja učinkovito prenosnost UV-ja za natančne preglede točnosti vzorcev.

ⅳ.  Izbira in načrtovanje prizme: 3 ključna načela za izogibanje pasti

Pravilna izbira prizme poveča natančnost in stabilnost sistema strojnega vida; napačna izbira pa vodi do pomembnih napak pri pregledu in pogostih okvar. Tukaj so trije osnovni načeli izbire:

1. Določite tip glede na »zahtevano nalogo«, ne slepo sledite »visokim zmogljivostim«

• Za preusmerjanje svetlobe v tesnih prostorih zadostuje prizma pod pravim kotom; ni potrebe po dragi pentaprizmi.

• Za sinhronski pregled iz več kot enega kota dajte prednost razcepnemu zrcalu oblike kocke namesto več kameram in standardnim prizmam.

• Pri vrtenju ali popravljanju slike izberite med Dove ali strešno prizmo glede na potreben kot vrtenja, da se izognete funkcionalni podvojenosti.

2. Izberite material glede na »okoljske pogoje«, pri čemer uravnotežite zmogljivost in stroške

• Standardna sobna temperatura, neagresivna okolja: Izberite steklo N-BK7 za najboljšji razmerje med zmogljivostjo in stroški.

• Visoke temperature, trda okolja: Izberite safir ali UV siliko za vzdržljivost.

• IR ali UV scenariji: Izberite ustrezne IR materiale (Ge, ZnSe) ali UV materiale (UV silika); izogibajte se standardnemu steklu.

3. Poudarite »podrobnost izdelave« za izboljšanje skupnih zmogljivosti

• Prevleka prizem je ključna: V primerih visoke refleksije (npr. pregled kovin) izberite prizme s protirefleksno prevleko, da zmanjšate izgube zaradi refleksije in izboljšate jasnost slike.

• Izdelava mora ustrezati standardom: napaka kota prizme mora biti omejena na ±30 lokovnih sekund (1 lokovna sekunda = 1/3600 stopinje); sicer pride do odstopanja svetlobne poti, kar vpliva na natančnost pregleda.

• Kompatibilnost sistema: velikost prizme in namestitev morata biti prilagojeni kameri in objektivu, da se prepreči napačna poravnava zaradi napak pri namestitvi.

Zaključek: Majhna, a močna – »temelj natančnosti« v sistemu strojnega vida

V sistemih strojnega vida prizme morda niso tako pomembne kot kamere ali algoritmi, vendar tiho opravljajo osrednjo nalogo »nadzora svetlobne poti« – rešujejo izzive, kot so omejene razmere v prostoru, neurejenost slik in večkotni pregled, ter spodbujajo industrijski pregled od »videnja« do »natančnega in hitrega videti«.

Ali pri proizvodnji avtomobilov, elektronike, pregledu hrane ali v sektorju obnovljivih virov energije, je izbira pravilnega tipa in materiala prizme ključnega pomena za izboljšanje zmogljivosti sistema strojnega vida. Ko se strojni vid premika proti višji natančnosti in bolj zapletenim scenarijem, bo vloga prizem postala še pomembnejša.