การออกแบบทางแสง: ปัญหาที่มักถูกละเลยเกี่ยวกับแสงรบกวน

ในโครงการที่ใช้ระบบมองเห็นของเครื่องจักร (Machine Vision) คุณภาพของการออกแบบทางแสง (Optical Design) มีผลโดยตรงว่าระบบจะสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพและแม่นยำหรือไม่ อย่างไรก็ตาม การมีแสงรบกวน (Stray Light) อาจเป็นอันตรายต่อคุณภาพของภาพที่ได้

ไม่ว่าจะเป็นในงานตรวจสอบอุตสาหกรรมที่ต้องการความแม่นยำสูง หรือสถานการณ์ที่ต้องมีการรับรู้แบบเรียลไทม์สำหรับรถยนต์ขับเคลื่อนอัตโนมัติ ปัญหาที่เกิดจากแสงรบกวน เช่น ภาพซ้อน (Ghosting) แสงแฟลร์แบบรุ้ง (Rainbow Flares) และภาพมัว (Image Fogging) สามารถนำไปสู่การตัดสินใจผิดพลาดและการลดความแม่นยำได้

ดังนั้น เมื่อออกแบบระบบแสงสำหรับระบบมองเห็นของเครื่องจักร เราควรคำนึงถึงปัจจัยใดบ้างที่เกี่ยวข้องกับแสงรบกวน และมีทางแก้ไขปัญหาอย่างไรบ้าง

I. แหล่งกำเนิดและอันตรายของแสงรบกวน

แสงรบกวน หมายถึง แสงที่เป็นอันตรายซึ่งเบี่ยงเบนออกจากเส้นทางภาพปกติ โดยสาเหตุค่อนข้างซับซ้อน

แหล่งกำเนิดแสงรบกวนทั่วไป ได้แก่:

1. ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับเลนส์: การเคลือบไม่สม่ำเสมอ ความสะท้อนสูงเกินไป หรือพื้นผิวขัดแตะไม่เรียบเนียน อาจทำให้เกิดการสะท้อนซ้ำๆ บนพื้นผิวเลนส์

2. ชิ้นส่วนเครื่องจักร: การออกซิเดชันสีดำไม่เพียงพอ ขาดการออกแบบป้องกันการสะท้อนภายใน และขนาดรูรับแสงที่ผลิตได้ไม่ดี ก็อาจทำให้เกิดแสงรบกวนได้เช่นกัน

3. ข้อบกพร่องในการออกแบบทางแสง: ความเสี่ยงที่แฝงอยู่ในโครงสร้างเส้นทางแสง เป็นอีกหนึ่งแหล่งสำคัญของแสงรบกวน

ผลกระทบของแสงรบกวนต่อคุณภาพของภาพไม่ควรถูกมองข้าม มัน จะทำให้:

1. ลด ความละเอียดและความคมชัดของภาพ ทำให้รายละเอียดเบลอ และส่งผลอย่างรุนแรงต่อความแม่นยำในการตรวจจับ

2. C เกิดปรากฏการณ์ภาพซ้อนและภาพหลอก (Ghosting and Virtual Images) ซึ่งข้อมูลเท็จจะบดบังภาพจริง ส่งผลให้ตัดสินใจผิดพลาด

3. ในบางสภาวะอาจทำให้เกิดการกระเจิงแสงและแสงแฟลร์แบบรุ้ง (Dispersion and Rainbow Flares) โดยจุดสีที่ปรากฏรอบแหล่งกำเนิดแสงที่มีความเข้มสูง จะรบกวนการวิเคราะห์ภาพ

4. ทำให้ภาพโดยรวมมีสภาพมัว (Hazy) ภาพดูหมองคล้ำ และทำให้เส้นแบ่งเขตพื้นที่ขาว-ดำเบลอลง ภาพสีอาจเกิดปรากฏการณ์หมอก (Fogging) ได้เช่นกัน

5. เมื่อมีมุมระหว่างแกนแสงของเลนส์กับแหล่งกำเนิดแสงที่อยู่ในมุมมอง (Field of View) อาจเกิดปรากฏการณ์แสงเลือนลาง (Smearing) ซึ่งจะปกคลุมพื้นที่เดิมและทำให้ข้อมูลสูญหาย

II. แนวทางแก้ไขปัญหาแสงรบกวน (Stray Light)

1.  ปรับปรุงการออกแบบทางแสง (Optical Design):  

ใช้สารเคลือบคุณภาพสูง: การเคลือบผิวเลนส์ด้วยสารเคลือบหลายชั้นที่มีค่าการสะท้อนต่ำ สามารถลดการสะท้อนของแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ออกแบบเส้นทางแสงอย่างเหมาะสม: ปรับปรุงโครงสร้างเส้นทางแสงด้วยการจำลองแบบจำลองรังสี (Ray Tracing Simulation) เพื่อป้องกันไม่ให้แสงรบกวนเข้าสู่พื้นที่แสดงภาพ

ใช้รูรับแสงต่อต้านแสงกระเจิง: การเพิ่มรูรับแสงในเส้นทางแสงสามารถปิดกั้นแสงที่เบี่ยงเบนได้

2. ควบคุมแหล่งกำเนิดแสงภายนอก:

ปิดกั้นแหล่งกำเนิดแสงภายนอกที่มีความเข้มสูง: ใช้ฝาครอบเลนส์หรือแผ่นกันแสงในสภาพแวดล้อมการถ่ายภาพ เพื่อลดการสัมผัสแสงจัดโดยตรง

ปรับมุมของแหล่งกำเนิดแสง: หลีกเลี่ยงมุมที่แหล่งกำเนิดแสงและแกนแสงของเลนส์เอียงมากเกินไป เพื่อลดแสงสะท้อนที่เข้าสู่เลนส์

ใช้ตัวกรองแสงแบบโพลาไรซ์: กรองแสงในทิศทางเฉพาะเพื่อลดการรบกวนจากแสงกระเจิง

3. พัฒนาโครงสร้างทางกล:  

ปรับแต่งองค์ประกอบรอบระบบแสง: ใช้การเคลือบป้องกันการสะท้อน เช่น ฉีดสีด้านดำ เพื่อลดการสะท้อนแสง

เพิ่มโครงสร้างกันแสง: ป้องกันไม่ให้แสงกระเจิงเข้าสู่พื้นที่การสร้างภาพ

4. แก้ไขภาพหลังการถ่ายทำ:  

ในกรณีที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ให้ใช้อัลกอริทึมการประมวลผลภาพ เช่น การกำจัดหมอกและสัญญาณรบกวน เพื่อลดผลกระทบจากแสงกระเจิง

ปรับค่าพารามิเตอร์การรับแสงของกล้องแบบไดนามิกตามความเข้มของแสงแวดล้อม เพื่อป้องกันไม่ให้ภาพสว่างเกินไปหรือมืดเกินไป

III. กรณีศึกษาเชิงปฏิบัติ

ในโครงการตรวจสอบอุตสาหกรรม ลูกค้ารายงานว่ามีปัญหาภาพเบลอรบกวนอย่างรุนแรงภายใต้สภาพแสงแวดล้อมที่เข้มข้น ซึ่งส่งผลให้ความแม่นยำในการตรวจจับลดลงอย่างมาก การวิเคราะห์พบว่าแสงรบกวนส่วนใหญ่เกิดจากแสงสะท้อนภายในเลนส์และการสัมผัสกับแสงภายนอกที่เข้มข้นโดยตรง

ดำเนินการตามมาตรการดังต่อไปนี้:

1. เพิ่มสารเคลือบป้องกันแสงสะท้อนภายในเลนส์ เพื่อลดแสงสะท้อนจากชิ้นส่วนเครื่องจักร
2. ติดตั้งฝาครอบเลนส์ในสภาพแวดล้อมการถ่ายภาพ เพื่อบล็อกแสงภายนอกที่เข้มข้น
3. ปรับปรุงการออกแบบทางแสง โดยเพิ่มรูรับแสงป้องกันแสงรบกวน

หลังจากปรับปรุงแล้ว คุณภาพของภาพมีความชัดเจนดีขึ้นอย่างมาก และความแม่นยำในการตรวจจับกลับมาอยู่ในระดับที่คาดหวัง

IV สรุป

ปัจจัยที่ควรพิจารณาเมื่อเลือกซื้อเครื่องจับภาพ:

แสงรบกวนเป็นปัญหาสำคัญที่ไม่ควรมองข้ามในการออกแบบทางแสงสำหรับระบบการมองเห็นของเครื่องจักร เนื่องจากมีผลกระทบโดยตรงต่อคุณภาพของภาพและประสิทธิภาพระบบ

เพื่อลดแสงรบกวนให้น้อยที่สุด ระบบเลนส์ภาพต้องมีการป้องกันแสงรบกวนในทุกขั้นตอน ได้แก่ การออกแบบทางแสง การออกแบบโครงสร้าง การผลิตเลนส์ การผลิตชิ้นส่วนเครื่องกล และการประกอบ

ด้วยการปรับปรุงการออกแบบทางแสง การควบคุมแหล่งกำเนิดแสงภายนอก การพัฒนาโครงสร้างเครื่องกล และการนำการแก้ไขภาพหลังการประมวลผลมาใช้ สามารถลดผลกระทบจากแสงรบกวนได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพิ่มความเสถียรและความแม่นยำของระบบ

ในงานประยุกต์ใช้จริง ควรเลือกใช้แนวทางแก้ไขอย่างยืดหยุ่นตามสถานการณ์และข้อกำหนดเฉพาะ เพื่อให้แน่ใจว่าระบบปัจจัยภาพ (Machine Vision) สามารถทำงานได้อย่างเสถียรในทุกสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อน