机器视觉中棱镜的作用与选择
机器视觉中棱镜的作用与选择
机器视觉作为现代工业中的关键技术，通过光学元件、图像传感器和算法，完成从检测、定位到测量和识别的一系列任务。在这其中，光学棱镜作为核心组件，承担了光路控制、图像调整以及光学性能优化的重要角色。本文将详细介绍机器视觉中棱镜的作用与选择。
棱镜在机器视觉中的核心作用
1.光路偏转与空间限制优化
在工业环境中，机器视觉系统常受到安装空间的限制，无法直接将光学传感器对准目标物体。这时，棱镜通过折射或反射光线，可以实现光路的偏转，以适应狭窄或复杂的空间。
- 直角棱镜：
作用：光路偏转90°或180°，减少光学系统的直线长度。
应用：例如在工业检测设备中，直角棱镜可将难以接近的区域投射至相机传感器上。
五角棱镜：
- 作用：确保光线偏转90°，且与入射角无关。
- 应用：用于精准校正光路，保持系统光路一致性，例如在高精度测量仪器中。
2.图像调整与方向修正
机器视觉对图像方向具有严格要求，特别是在运动检测或复杂的三维成像中，需要通过棱镜调整图像的方向和形态。
- 屋脊棱镜：
特点：将图像左右翻转，保持成像系统的方向一致性。
应用：用于传送带上物体检测，确保传感器接收的图像与实际物体的方向匹配。
道夫棱镜（Dove Prism）：
特点：图像以特定的角度旋转，支持以任意角度调整图像。
应用：适用于对称性检测或物体形状旋转匹配的工业场景。
3.光束分配与多视角采集
现代机器视觉系统中，多视角成像是提升识别精度和效率的重要手段。通过棱镜分配光束，可以实现多个角度的同时成像，避免多相机系统的复杂校准。
- 立方棱镜（分光棱镜）：
特点：将光束分成两束或更多，用于多传感器共享光源或同步成像。
应用：多角度立体视觉检测，例如产品表面瑕疵检查。
角锥棱镜（Corner Cube Prism）：
特点：将入射光束反射回原方向，便于多次叠加测量。
应用：激光雷达或三维扫描仪，用于精确测距和物体表面重建。
4.光线色散与光谱分析
部分工业视觉应用需要对物体的光谱特性进行分析，棱镜的色散特性使其成为分光系统中的核心组件。
- 三棱镜：
- 特点：将复合光分解为不同波长的光。
- 应用：在食品、制药等行业，用于物质成分检测或杂质分辨。
光学棱镜在典型工业机器视觉系统中的应用
1.物体识别与定位
在传送带产品分拣系统中，直角棱镜可以通过偏转光路，将检测点集中投射到特定位置，确保相机在固定安装角度下能够捕捉不同高度或角度的目标。
2.尺寸测量与三维建模
五角棱镜和分光棱镜在三维建模中常用于创建立体视觉，通过分配光束或校正光路，生成高精度的深度图像。例如：
- 五角棱镜在测量仪器中用来保持测量光束的恒定方向。
- 立方棱镜用于生成多视角图像，实现高精度尺寸测量。
3.表面检测
对高速运动的产品表面进行实时检测时，道夫棱镜可以将传感器的视角扩展，捕捉产品多面的状态，快速识别瑕疵、裂痕等问题。
4.定位与对准
角锥棱镜因其精准的反射特性，常用于激光对准或雷达系统，确保光束在复杂环境下返回原始方向，支持高精度的定位任务。
棱镜材料在机器视觉中的选择
机器视觉系统中的棱镜不仅需要满足光学性能，还需具备足够的耐用性，以应对工业环境中的高温、高湿、振动等挑战。以下是主要材料的选型建议：
- N-BK7玻璃：
- 优点：高透光率，适用于可见光和近红外波段。
- 应用场景：普通工业环境中的检测和测量。
- 紫外熔融石英：
- 优点：透紫外光，热膨胀系数低，抗环境变化。
- 应用场景：紫外光源检测和精密测量。
- 氟化钙（CaF₂）：
- 优点：低色散，高透射率。
- 应用场景：多光谱成像或紫外至红外检测。
- 蓝宝石：
- 优点：耐高温、抗刮擦、化学稳定性强。
- 应用场景：恶劣环境下的高精度测量。
- 锗（Ge）与硒化锌（ZnSe）：
- 优点：红外透射率高。
- 应用场景：热成像和红外检测。
机器视觉中的棱镜选择与设计建议
- 根据应用需求选型：
- 空间有限但需偏转光路时，选择直角棱镜。
- 需要光束分离时，选择立方棱镜或分光棱镜。
- 需要图像调整时，选择屋脊棱镜或道夫棱镜。
- 考虑材料适配性：
- 对于紫外或高温环境，应优先选用紫外熔融石英或蓝宝石材料。
- 在红外成像中，应选择锗或硒化锌棱镜。
- 重视系统整体性能：
- 选用高质量的棱镜表面加工和镀膜技术，确保光学性能。
总结
在工业机器视觉中，光学棱镜不仅是光路控制的重要组件，还直接影响系统的精度与效率。从空间优化、光束分配到图像调整，棱镜的广泛应用为工业自动化检测和测量提供了强有力的支持。在具体设计中，结合实际需求选择合适的棱镜材料与结构，将为机器视觉系统的可靠性与性能提升奠定坚实基础。