Як оптичні призми забезпечують точність промислового контролю?

У системах промислового машинного зору камера є «оком», алгоритм — «мозком», а оптична призма — прихованим «командиром світлового шляху»: невидима і несприйнятна, проте здатна точно дозволити «оку» фіксувати цілі в складних промислових умовах за рахунок відхилення світла, коригування зображень та розподілу світлових променів. Незалежно від того, чи йдеться про контроль деталей у обмежених просторах, виявлення дефектів на високошвидкісних конвеєрах чи виконання прецизійного калібрування в 3D-моделюванні, призми є незамінними.

ⅰ. Основне завдання призм: вирішення «проблем світлових шляхів» машинного зору

Промислові об'єкти набагато складніші, ніж лабораторії: деякі точки огляду приховані глибоко всередині обладнання, що робить неможливим безпосереднє наведення камери; деякі деталі рухаються з високою швидкістю, що вимагає одночасного знімання багатогранних деталей; у деяких сценаріях потрібна сувора орієнтація зображення, при якій навіть незначні відхилення призводять до помилкових висновків. Призми виконують роль точних оптичних рішень, адаптованих саме до цих «викликів».

1. Обмеженість простору? Використовуйте призму, щоб «зігнути» погляд на ціль  

Під час огляду блоку двигуна автомобіля внутрішні повітряні канали виявляються вузькими та звивистими, через що об’єктиви камер не можуть потрапити всередину для прямого знімання. Саме тут застосовується прямокутна призма. Як «дзеркало», вона відбиває зображення зсередини каналу під кутом 90 градусів, проектуючи його на зовнішній сенсор камери — фактично надаючи камері «зігнуте око», щоб побачити внутрішню структуру, не розбираючи блок.

Ще більш спеціалізований компонент — пентапризма — має унікальну здатність точно відхиляти падаюче світло на 90 градусів незалежно від кута входу. У високоточних приладах для вимірювання зубчастих коліс вимірювальний промінь може зміщуватися через вібрації під час швидкого обертання. Пентапризма стабілізує та коригує оптичний шлях, забезпечуючи контроль похибок вимірювання в межах 0,001 мм, що дозволяє зберігати точність при перевірці кроку та профілю зубчастих коліс.

2. Проблеми з орієнтацією зображення? Використовуйте призму для «корекції» перспективи

У камер на лініях сортування посилок посилки орієнтовані довільно — деякі правильним боком угору, інші — на боках, — що призводить до хаотичної орієнтації зображень, які важко інтерпретувати алгоритмам. Тут ключову роль відіграє дахоподібна призма. Вона дзеркально відображає зображення зліва направо, виконуючи «дзеркальну корекцію», завдяки чому отримане зображення етикетки завжди розташоване правильно, що підвищує ефективність сортування понад на 30%.

Призма Дове — це справжній «експерт з обертання зображення», здатний обертати зображення на будь-який потрібний кут. У інспектуванні контактних виводів мікросхем, де чіпи можуть нахилятися через невідповідність транспортування, призма Дове корегує кут зображення в реальному часі, дозволяючи алгоритмам точно визначати відстань між виводами та їхню цілісність, запобігаючи помилкам, спричиненим кутовим відхиленням.

3. Потрібен багатокутний огляд? Використовуйте призму, щоб «розділити» промінь для одночасного знімання

Для інспектування скляних кришок мобільних телефонів необхідно одночасно переглядати дефекти на передній панелі, боках і краях. Використання кількох окремих камер ускладнило б встановлення та вимагало б подальшого вирівнювання зображень. Кубічний дзеркальний розділювач вирішує цю проблему. Він розділяє один джерело світла на два або більше променів, спрямовуючи їх до камер під різними кутами — забезпечуючи «виконання кількох завдань одним променем світла». Це зменшує кількість необхідних камер і дозволяє синхронне знімання під кількома кутами, подвоюючи ефективність інспекції.

Кутовий кубовий ретрорефлектор виконує дивовижну дію — відбиває падаюче світло прямо назад уздовж його початкового шляху, діючи як «відбивач світла». У лазерних 3D-сканерах призма кутового куба працює з лазерними променями, щоб точно виміряти варіації висоти поверхні за допомогою багаторазових відбиттів, швидко відтворюючи 3D-модель корпусу телефону з точністю до 0,01 мм, що значно перевершує традиційні методи.

4. Потрібен аналіз матеріалу? Використовуйте призму, щоб «розділити» світло

Під час інспектування харчових продуктів визначення наявності фальсифікації молочної крихти потребує аналізу її спектральних характеристик. Трикутна призма виступає «експертом з розкладання спектру». Вона розсіює білий світло на різні довжини хвиль — червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий. Різні речовини поглинають певні довжини хвиль; аналізуючи спектр поглинання, можна виявити наявність заборонених добавок у молочній крихті, що надає швидшу та екологічнішу альтернативу традиційним хімічним тестам.

ⅱ. Практичне застосування: як призми адаптуються до різноманітних промислових потреб

Різні завдання машинного зору мають значно відрізняються вимоги до призм. Вибір правильного типу призми має вирішальне значення для максимізації продуктивності системи. Ось чотири типові сценарії застосування:

1. Сортування на конвеєрі: прямокутні + дахоподібні призми вирішують проблему "Не видно, не видно чітко"

На лінії сортування пляшок з водою перевірка правильності нанесення етикеток і щільності закриття кришок вимагає інспектування за допомогою камер з фіксованою позицією. Однак простір поруч із конвеєром обмежений. Прямокутна призма спочатку відхиляє оптичний шлях на 90°, дозволяючи бічній камері «бачити» тіло пляшки. Якщо нахилена пляшка призводить до перевертання зображення етикетки, дахова призма коригує його, забезпечуючи точне визначення алгоритмом положення етикетки та стану кришки, що збільшує частку успішного сортування з 95% до 99,8%.

2. 3D-моделювання деталей: п'ятикутна + кубічна призми створюють "стерео зображення"

Під час перевірки електродів акумуляторів у транспортних засобах на нових джерелах енергії вимірювання товщини, плоскості та профілю краю вимагає тривимірної інформації, якої неможливо отримати з одного ракурсу. У цьому випадку пентапризма стабілізує оптичний шлях, запобігаючи відхиленню променя, тоді як кубічний дзеркальний роздільник ділить промінь, спрямовуючи його до верхньої та нижньої камер. Шляхом обчислення фазової різниці між променями швидко створюється тривимірна модель електрода, похибка вимірювання товщини становить ≤0,005 мм, що запобігає потенційним небезпекам для безпеки акумулятора, спричиненим неоднаковою товщиною електрода.

3. Інспектування поверхні на високій швидкості: призма Дове виявляє "миттєві" дефекти

На лініях виробництва прокату сталевих плит плити рухаються зі швидкістю 3 метри на секунду, а подряпини чи вм'ятини на поверхні з’являються тимчасово. Один камера не може охопити повну ширину. Призма Дове розширює кут огляду камери до 120° за рахунок зміни кута зображення. У поєднанні з високошвидкісною камерою вона одночасно фіксує передню частину плити та обидва краї, виявляючи понад 1000 дефектних точок на секунду, що зменшує витрати на 40% у порівнянні з традиційними багатокамерними системами.

4. Лазерне позиціонування: кутовий куб-призма забезпечує «точне відбиття»

У процесі зварювання промисловими роботами важливе значення має точне позиціонування шва, яке забезпечується лазерними системами. Вібрації в цеху та пил можуть відхиляти лазерний промінь. Кутову куб-призму, встановлену на виконавчому елементі робота, відбиває лазерний промінь безпосередньо назад до джерела. Шляхом обчислення відхилення відбитого променя положення робота коригується в реальному часі, забезпечуючи точність зварювання в межах 0,1 мм і значно знижуючи рівень браку.

ⅲ.  Вибір матеріалу призми: не тільки «хороша передача світла», але й «міцність»

Промислове середовище складне та змінне; такі фактори, як висока температура, вологість, вібрація та хімічна корозія, можуть впливати на продуктивність і термін служби призм. Тому вибір призми передбачає врахування не лише оптичних характеристик, а й міцності матеріалу. Ось п’ять поширених матеріалів і відповідні сфери їх застосування:

Приклад: під час вимірювання температури розплавленої сталі в цеху з виробництва сталі, температура навколишнього середовища перевищує 500 °C. Призми зі стандартного скла N-BK7 розплавляться, тоді як сапфірова призма витримує такі температури. У поєднанні з ІЧ-камерою вона дозволяє контролювати зміни температури в реальному часі. Для інспектування ультрафіолетової літографії в напівпровідниковій промисловості переважно використовують кварцове скло, що забезпечує ефективну передачу УФ-променів для точного контролю точності малюнка.

ⅳ.  Вибір призми та проектування: 3 ключових принципи, щоб уникнути помилок

Правильний вибір призми підвищує точність і стабільність системи машинного зору; помилковий вибір призводить до значних похибок інспекції та частих збоїв. Ось три основні принципи вибору:

1. Визначте тип на основі "вимог до завдання", не сліпо прагніть до "преміум"

• Для простого відбиття світла в обмежених просторах достатньо прямокутної призми; немає потреби використовувати дорогу пентапризму.

• Для синхронного багатокутного огляду надавайте перевагу кубічному дзеркально-подільному елементу замість кількох камер та звичайних призм.

• Для обертання/корекції зображення вибирайте між призмами Дова або даховими призмами залежно від необхідного кута обертання, уникаючи функціональної надлишковості.

2. Вибирайте матеріал на основі "умов навколишнього середовища", поєднуючи продуктивність і вартість

• Стандартна кімнатна температура, неагресивне середовище: обирайте скло N-BK7 для найкращого співвідношення ціни та якості.

• Висока температура, жорсткі умови: обирайте сапфір або ультрафіолетове фузоване кремнезем для довговічності.

• Сценарії ІЧ або УФ: вибирайте відповідні ІЧ-матеріали (Ge, ZnSe) або УФ-матеріали (УФ фузоване кремнезем); уникайте звичайного скла.

3. Звертайте увагу на "детальну якість виготовлення", щоб підвищити загальну продуктивність

• Покриття призми має важливе значення: у сценаріях із високим відбиттям (наприклад, огляд металу) вибирайте призми з антирефлексним покриттям, щоб зменшити втрати від відбиття та покращити чіткість зображення.

• Виготовлення має відповідати стандартам точності: похибка кута призми повинна контролюватися в межах ±30 кутових секунд (1 кутова секунда = 1/3600 градуса); інакше виникає відхилення променя світла, що впливає на точність інспектування.

• Сумісність системи: розмір призми та її кріплення мають відповідати камері та об'єктиву, щоб запобігти розалігнуванню через помилки встановлення.

Висновок: Мала, але Потужна — «Крайовий камінь точності» у системах машинного зору

У системах машинного зору призми, можливо, не такі помітні, як камери чи алгоритми, проте саме вони непомітно виконують ключове завдання «керування оптичним шляхом» — вирішуючи проблеми обмеженого простору, хаотичного зображення та інспектування під кількома кутами, забезпечуючи перехід промислового інспектування від «побачити» до «побачити точно та швидко».

Як у виробництві автомобілів, так і в електроніці, інспектуванні харчових продуктів чи секторі нових джерел енергії, вибір правильного типу та матеріалу призми має ключове значення для підвищення продуктивності систем машинного зору. Оскільки технології машинного зору розвиваються в напрямку підвищеної точності та складніших сценаріїв, роль призм ставатиме ще вагомішою.