การเลือกเลนส์ที่เหมาะสมสำหรับการประยุกต์ใช้งานระบบมองเห็นของเครื่องจักร

บทนำ

ระบบมองเห็นของเครื่องจักรได้กลายเป็นส่วนสำคัญของกระบวนการอุตสาหกรรมและการผลิตในยุคปัจจุบัน ช่วยให้สามารถดำเนินงานอัตโนมัติ การควบคุมคุณภาพ และการตรวจสอบด้วยความแม่นยำสูง ส่วนประกอบสำคัญของระบบมองเห็นของเครื่องจักรใด ๆ คือ เลนส์ ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการถ่ายภาพที่ชัดเจนและแม่นยำเพื่อนำไปวิเคราะห์ขั้นต่อไป การเลือกเลนส์ที่ถูกต้องเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งเพื่อให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพโดยรวมและความมีประสิทธิผลของการประยุกต์ใช้งานระบบมองเห็นของเครื่องจักรนั้นทำงานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ บทความนี้จะกล่าวถึงปัจจัยหลักที่ควรพิจารณาเมื่อเลือกเลนส์สำหรับระบบมองเห็นของเครื่องจักร พร้อมทั้งแนะนำประเภทของเลนส์ต่าง ๆ และการประยุกต์ใช้งานของแต่ละประเภท

ปัจจัยหลักในการเลือกเลนส์

มุมมองสนาม (FOV)

มุมมอง (Field of view) คือ พื้นที่ที่กล้องและเลนส์สามารถจับภาพได้ มุมมองจะถูกกำหนดโดยระยะการทำงาน (ระยะห่างระหว่างเลนส์กับวัตถุที่ต้องการถ่ายภาพ) และความยาวโฟกัสของเลนส์ เลนส์ที่มีมุมมองกว้าง (Wide FOV) จะเป็นประโยชน์ในงานที่ต้องการตรวจสอบหรือเฝ้าดูพื้นที่ขนาดใหญ่ เช่น การตรวจสอบในอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ หรือระบบเฝ้าระวัง ตัวอย่างเช่น ในโรงงานบรรจุภัณฑ์อาหาร เลนส์ที่มีมุมมองกว้างสามารถนำมาใช้ในการตรวจสอบสายการบรรจุภัณฑ์ทั้งหมด เพื่อให้มั่นใจว่าผลิตภัณฑ์ทุกชิ้นได้รับการบรรจุอย่างถูกต้อง

ความละเอียด

ความละเอียดของเลนส์หมายถึงความสามารถในการแยกแยะรายละเอียดที่เล็กมากในภาพ เลนส์ที่มีความละเอียดสูงจำเป็นต้องใช้ในงานที่ต้องการการวัดค่าที่แม่นยำหรือตรวจจับองค์ประกอบขนาดเล็ก ตัวอย่างเช่น ในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ จะต้องใช้เลนส์ที่มีความละเอียดสูงเพื่อตรวจสอบวงจรขนาดเล็กบนแผ่นซิลิคอน เลนส์ที่มีความละเอียดมักกำหนดค่าเป็นจำนวนเส้นคู่ต่อ миллиเมตร (lp/mm) โดยค่า lp/mm ที่สูงขึ้นแสดงว่าเลนส์สามารถแยกแยะได้ดีกว่า สิ่งสำคัญคือการเลือกให้ความละเอียดของเลนส์ตรงกับความละเอียดของเซนเซอร์กล้อง หากเลนส์มีความละเอียดต่ำกว่าเซนเซอร์ ก็จะไม่สามารถใช้ศักยภาพของเซนเซอร์ได้อย่างเต็มที่

ความลึกของฟิลด์ (DoF)

ความลึกของสนามคือช่วงระยะห่างจากเลนส์ที่วัตถุจะปรากฏชัดเจนในภาพอย่างยอมรับได้ ความลึกของสนามที่มากจะเป็นประโยชน์เมื่อวัตถุอยู่ห่างจากกล้องเป็นระยะต่างกัน หรือเมื่อตำแหน่งของวัตถุมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย ในระบบตรวจสอบงานพิมพ์สามมิติ (3D printing inspection system) ซึ่งชิ้นงานที่พิมพ์อาจมีความสูงไม่เท่ากัน การใช้เลนส์ที่มีความลึกของสนามมากสามารถทำให้ส่วนต่าง ๆ ของวัตถุอยู่ในโฟกัสทั้งหมด ความลึกของสนามได้รับผลกระทบจากหลายปัจจัย รวมถึงความยาวโฟกัส ขนาดของรูรับแสง และระยะการทำงาน โดยทั่วไปแล้ว ความยาวโฟกัสที่สั้นลง รูรับแสงที่เล็กลง (ค่า f-number สูงขึ้น) และระยะการทำงานที่มากขึ้น จะทำให้เกิดความลึกของสนามที่เพิ่มขึ้น

การบิดเบือน

การบิดเบือนของเลนส์ทำให้ภาพของวัตถุที่มีเส้นตรงปรากฏเป็นเส้นโค้ง มีอยู่สองประเภทหลักของการบิดเบือน ได้แก่ การบิดเบือนแบบทรงกลอง (barrel distortion) ซึ่งภาพจะดูเหมือนป่องออกด้านนอกที่ขอบ และการบิดเบือนแบบหมอนเข็ม (pincushion distortion) ซึ่งภาพจะดูเหมือนหดเข้าด้านในที่ขอบ ในงานประยุกต์ที่การวัดค่าทางเรขาคณิตอย่างแม่นยำมีความสำคัญ เช่น ในงานเมโทรโลยี หรือระบบนำทางหุ่นยนต์ เลนส์ที่มีการบิดเบือนต่ำมีความจำเป็นอย่างมาก ตัวอย่างเช่น ในระบบแขนกลอัตโนมัติสำหรับหยิบจับวัตถุ เลนส์ที่มีการบิดเบือนน้อยที่สุดจะช่วยให้ระบุตำแหน่งและทิศทางของวัตถุได้อย่างแม่นยำ

ระยะการทำงาน

ระยะการทำงาน (Working distance) คือระยะห่างจากด้านหน้าของเลนส์ถึงวัตถุที่ต้องการสร้างภาพ มีความสำคัญขึ้นอยู่กับข้อกำหนดในการใช้งาน บางแอปพลิเคชัน เช่น การตรวจสอบองค์ประกอบขนาดเล็กบนแผงวงจรพิมพ์ อาจต้องการระยะการทำงานที่สั้น ในขณะที่แอปพลิเคชันอื่นๆ เช่น การตรวจสอบพื้นที่ภายนอกอาคารขนาดใหญ่ จะต้องการระยะการทำงานที่ยาว นอกจากนี้ ระยะการทำงานยังมีผลต่อพารามิเตอร์อื่นๆ ของเลนส์ เช่น มุมมอง (Field of view) และความลึกของโฟกัส (Depth of field)

การติดตั้งและความเข้ากันได้

เลนส์จะต้องสามารถใช้งานร่วมกับกล้องที่นำมาใช้ด้วย กล้องแต่ละชนิดมีประเภทของฐานยึด (mount) แตกต่างกันไป เช่น C-mount, CS-mount หรือ F-mount เป็นต้น สิ่งสำคัญคือต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าเลนส์มีฐานยึดที่ตรงกันเพื่อให้ติดตั้งกับกล้องได้อย่างมั่นคง ยิ่งไปกว่านั้น เลนส์ควรมีความเข้ากันได้กับขนาดเซ็นเซอร์ของกล้องด้วย การใช้เลนส์ที่มีภาพวงกลม (image circle) เล็กเกินไปสำหรับเซ็นเซอร์ อาจทำให้เกิดปรากฏการณ์มุมภาพมืดลง (vignetting) หรือภาพไม่ครอบคลุมเซ็นเซอร์ทั้งหมด

ประเภทของเลนส์สำหรับระบบ Machine Vision

เลนส์ความยาวโฟกัสคงที่

เลนส์ความยาวโฟกัสคงที่ หรือที่เรียกว่าเลนส์ไพรม์ (Prime Lenses) มีความยาวโฟกัสเพียงระยะเดียวและไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ โครงสร้างของเลนส์ประเภทนี้ค่อนข้างเรียบง่าย และมักมีประสิทธิภาพทางแสงที่ดีในแง่ของความละเอียดและความบิดเบือนต่ำ เลนส์เหล่านี้เหมาะสำหรับการใช้งานที่มุมมองและระยะการทำงานคงที่ ตัวอย่างเช่น ในระบบอ่านบาร์โค้ดที่เคาน์เตอร์ชำระเงินของร้านขายของชำ เลนส์ความยาวโฟกัสคงที่สามารถนำมาใช้เพื่อบันทึกรูปภาพของบาร์โค้ดให้ชัดเจนที่ระยะห่างที่เฉพาะเจาะจง

เลนส์ซูม

เลนส์ซูมช่วยให้ผู้ใช้งานสามารถปรับเปลี่ยนความยาวโฟกัส ซึ่งจะส่งผลให้มุมมองของภาพเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย สิ่งนี้ทำให้เลนส์ซูมมีความหลากหลายในการนำไปใช้งาน โดยเฉพาะในระบบที่ต้องการให้กล้องจับภาพพื้นที่หรือวัตถุที่อยู่ในระยะห่างแตกต่างกัน เช่น ในระบบกล้องวงจรปิดสำหรับการรักษาความปลอดภัย เลนส์ซูมสามารถปรับเพื่อโฟกัสในส่วนต่างๆ ของอาคาร หรือติดตามวัตถุที่เคลื่อนที่ได้ อย่างไรก็ตาม เลนส์ซูมอาจไม่สามารถให้คุณภาพทางแสงได้เทียบเท่ากับเลนส์ที่มีความยาวโฟกัสคงที่ โดยเฉพาะในแง่ของความละเอียดและภาพบิดเบือน

Telecentric Lenses

เลนส์เทเลเซนตริก (Telecentric lenses) ถูกออกแบบมาให้มีกำลังขยายคงที่โดยไม่คำนึงถึงระยะห่างของวัตถุภายในช่วงหนึ่ง สิ่งนี้ทำให้เหมาะสำหรับงานที่ต้องการวัดขนาดอย่างแม่นยำ เช่น การควบคุมคุณภาพของชิ้นส่วนที่ผลิตออกมา ในโรงงานผลิตชิ้นส่วนความแม่นยำ เลนส์เทเลเซนตริกสามารถนำมาใช้วัดขนาดของชิ้นส่วนเครื่องจักรได้อย่างแม่นยำสูง เพราะสามารถลดผลกระทบจากภาพบิดเบือนเชิงมุมมอง

เลนส์แมคโร

เลนส์มาโครได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการถ่ายภาพแบบระยะใกล้ และสามารถให้อัตราขยายที่สูง เลนส์ชนิดนี้ถูกใช้ในงานที่ต้องการตรวจสอบวัตถุขนาดเล็กหรือรายละเอียดที่ละเอียดอ่อน เช่น การตรวจสอบเครื่องประดับ หรือการถ่ายภาพตัวอย่างทางชีวภาพ ในขั้นตอนกระบวนการผลิตเครื่องประดับ เลนส์มาโครสามารถนำมาใช้เพื่อตรวจสอบรายละเอียดที่ซับซ้อนของการตั้งอัญมณี หรือคุณภาพของงานโลหะ

สรุป

การเลือกเลนส์ที่เหมาะสมสำหรับระบบการประมวลภาพอัตโนมัติเป็นกระบวนการที่ซับซ้อน ซึ่งต้องคำนึงถึงหลายปัจจัยร่วมกัน โดยการประเมินอย่างรอบคอบในเรื่องของมุมมอง (Field of View), ความละเอียด (Resolution), ความลึกชัด (Depth of Field), การบิดเบือนของภาพ (Distortion), ระยะการทำงาน (Working Distance), ความเข้ากันได้ของการติดตั้ง (Mounting Compatibility) และข้อกำหนดด้านสภาพแวดล้อม จะช่วยให้วิศวกรและผู้บูรณาการระบบสามารถเลือกเลนส์ที่เหมาะสม เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงานของระบบการประมวลภาพอัตโนมัติ ไม่ว่าจะเป็นการใช้งานในระบบออโตเมชันภาคอุตสาหกรรม การควบคุมคุณภาพ หรืองานวิจัยทางวิทยาศาสตร์ การเลือกเลนส์ที่ถูกต้องคือกุญแจสำคัญในการได้มาซึ่งข้อมูลภาพที่แม่นยำและเชื่อถือได้ สำหรับการวิเคราะห์และการตัดสินใจในขั้นตอนต่อไป