Các Ống Kính Công Nghiệp Đảm Bảo Kết Quả Thị Giác Máy Chính Xác Như Thế Nào

Vai trò then chốt của ống kính công nghiệp đối với độ chính xác trong đo lường

Tại sao các lỗi quang học từ ống kính công nghiệp là nguyên nhân hàng đầu gây thất bại trong thị giác máy

Khi các ống kính công nghiệp có khuyết tật quang học như sai sắc hoặc méo cầu, chúng làm giảm nghiêm trọng độ chính xác trong đo lường. Qua việc xem xét các báo cáo kiểm toán sản xuất, chúng tôi nhận thấy khoảng 60% tổng số trường hợp loại bỏ sai (false reject) trong các hệ thống kiểm tra tự động bắt nguồn từ những vấn đề liên quan đến ống kính chưa được giải quyết. Những biến dạng nhỏ cũng có thể làm lệch sự căn chỉnh hình ảnh so với các giá trị đo thực tế, dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng trong các công việc yêu cầu độ chính xác cao, chẳng hạn như kiểm tra các tấm bán dẫn (semiconductor wafers) hoặc xác minh thiết bị y tế. Để ngăn chặn những sự cố dạng này, các doanh nghiệp cần tập trung vào hiệu chuẩn đúng cách cho ống kính và tối ưu hóa toàn bộ đường đi quang học. Việc chỉ điều chỉnh cảm biến hoặc phần mềm là không đủ để khắc phục một vấn đề vốn dĩ thuộc về quang học.

Cách thức căn chỉnh giữa ống kính và cảm biến quy định độ trung thực hình học: Kiểm soát méo hình, hiện tượng mờ viền (vignetting) và vùng phủ ảnh tròn (image circle coverage)

Sự ghép nối cơ học chính xác giữa ống kính và cảm biến hình ảnh chi phối độ chính xác hình học trên ba thông số phụ thuộc lẫn nhau:

• Kiểm soát biến dạng giảm thiểu các hiệu ứng dạng thùng (barrel) hoặc dạng đệm (pincushion) làm sai lệch các phép đo kích thước
• Quản lý Vignetting đảm bảo độ đồng đều của độ sáng trên toàn bộ trường nhìn
• Phạm vi phủ sóng của vòng ảnh phải lớn hơn kích thước cảm biến để tránh mất dữ liệu ở vùng viền

Sai lệch vị trí gây ra sai số thị sai vượt quá 0,1% — ngưỡng này vi phạm dung sai đối với các linh kiện hàng không vũ trụ. Các nghiên cứu thực địa xác nhận rằng cấu hình ống kính–cảm biến được tối ưu hóa có thể giảm độ bất định về kích thước tới 80% so với các cấu hình bị lệch vị trí.

Các tiêu chí lựa chọn ống kính công nghiệp chủ chốt cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao

Tiêu cự, khoảng cách làm việc và trường nhìn: Tối ưu hóa độ chính xác trong giới hạn ràng buộc về mặt vật lý

Việc chọn đúng độ dài tiêu cự hoàn toàn phụ thuộc vào việc tìm ra điểm cân bằng lý tưởng giữa kích thước cảm biến, khoảng cách làm việc (WD) và cái gọi là trường nhìn (FOV). Khi sử dụng các ống kính có độ dài tiêu cự ngắn hơn, trường nhìn sẽ rộng hơn nhưng độ sâu trường ảnh lại giảm đáng kể. Ngược lại, các ống kính có độ dài tiêu cự dài hơn mang lại trường nhìn hẹp hơn nhưng đồng thời cũng tăng mức độ phóng đại. Đối với những người làm công tác kiểm tra bán dẫn, việc tính toán sai các thông số này có thể dẫn đến những vấn đề nghiêm trọng như méo dạng hình học vượt quá giới hạn cho phép ±0,1%. Ngoài ra, còn tồn tại những giới hạn thực tế cần xem xét. Không gian sẵn có dành cho cánh tay robot hoặc vị trí cần bố trí băng chuyền thường đặt ra những giới hạn cứng nhắc về khoảng cách tối đa mà máy ảnh có thể đặt lùi ra sau. Đồng thời, bất kỳ trường nhìn nào chúng ta đạt được cũng đều phải bao quát đầy đủ tất cả các đặc điểm quan trọng mà không làm mờ hình ảnh. Và đây là một điểm thú vị liên quan đến sự phối hợp giữa cảm biến và ống kính: nếu một người kết hợp cảm biến 5 megapixel với một ống kính chất lượng kém, thì theo các nghiên cứu đo lường gần đây năm 2023, khoảng 37% khả năng đo chính xác tiềm năng sẽ bị mất đi. Đó chính là lý do vì sao việc lựa chọn ống kính chất lượng tốt phù hợp với khả năng của cảm biến lại quan trọng đến vậy trong thực tiễn.

Ống kính công nghiệp telecentric so với entocentric: Loại bỏ sai số thị sai trong đo lường kích thước

Ống kính telecentric giải quyết một vấn đề phổ biến trong đo lường, khi các vật ở các khoảng cách khác nhau xuất hiện bị méo mó. Chúng duy trì độ phóng đại không đổi bất kể khoảng cách từ vật đến ống kính là bao nhiêu, nhờ đó rất phù hợp để đo các chi tiết như các bộ phận tròn hoặc các thành phần nhiều lớp. Ngược lại, ống kính tiêu chuẩn hoạt động theo cách khác: chúng cho phép tia sáng chiếu tới cảm biến dưới các góc khác nhau, gây ra những sai số thị sai khó chịu mà ai cũng đều quen thuộc. Với quang học telecentric, tia sáng luôn đi song song khi chạm vào bề mặt cảm biến. Điều này đặc biệt quan trọng khi kiểm tra các chi tiết nhỏ trên vòng bi, ví dụ như vậy. Các ống kính thông thường có thể làm sai lệch kết quả đo khoảng 3% chỉ do vị trí đặt camera không chính xác. Ống kính entocentric vẫn có vai trò riêng của mình, nhất là khi phát hiện khuyết tật trên bề mặt; tuy nhiên, khi độ chính xác yêu cầu tới mức micromet và độ sâu trở nên then chốt, thì trong các ứng dụng đo lường học (metrology), công nghệ telecentric thực sự không có gì có thể thay thế.

Báo cáo Thị giác Máy năm 2024 xác nhận việc áp dụng ống kính telecentric làm giảm độ trôi lệch hiệu chuẩn tới 89% trong các hệ thống đo lường ô tô—đảm bảo độ chính xác dài hạn bất chấp chi phí đầu tư ban đầu cao hơn.

Chuyển đổi các chỉ số hiệu năng quang học thành độ chính xác thực tế

Hàm truyền mô-đun (MTF), bản đồ méo và kiểm soát sai lệch: Từ thông số kỹ thuật trong phòng thí nghiệm đến tỷ lệ đạt yêu cầu đã được xác minh trong kiểm tra bao bì dược phẩm

Ống kính công nghiệp chuyển đổi các thông số quang học trong phòng thí nghiệm thành kết quả sản xuất có thể đo lường được thông qua ba chỉ số đã được xác thực:

• Hàm truyền mô-đun (MTF) định lượng khả năng giữ lại độ tương phản ở các tần số không gian ngày càng tăng; các giá trị trên 0,6 tại 50 lp/mm có thể phát hiện đáng tin cậy các khuyết tật vi mô như vết nứt ở cổ lọ thủy tinh
• Bản đồ méo , được hiệu chuẩn để sai lệch dạng thùng hoặc dạng đệm dưới 0,1%, đảm bảo độ chính xác vị trí dán nhãn trong dung sai ±0,05 mm
• Kiểm soát sai lệch đa bước sóng tối thiểu hóa các dịch chuyển tiêu cự sắc màu nhằm duy trì độ rõ nét ở viền ảnh trên nhiều loại vật liệu bao bì khác nhau

Các con số thực sự quan trọng khi nói đến độ tin cậy trong kiểm tra. Các công ty dược phẩm áp dụng các phương pháp kiểm tra ống kính tiên tiến như phân tích MTF, kiểm tra độ méo và xác thực sai lệch quang học đạt tỷ lệ phát hiện khuyết tật trên 99,8% đối với các vấn đề nghiêm trọng. Con số này cao hơn đáng kể so với mức thông thường từ 92–95% mà các hệ thống quang học thông thường đạt được. Độ chính xác như vậy giúp loại bỏ những vấn đề như tem niêm phong bị lệch tâm, mã lô sản xuất không đọc được và các hạt nhỏ li ti ra khỏi dòng sản phẩm trước khi sản phẩm đến tay khách hàng. Hãy suy ngẫm về ý nghĩa tài chính của điều này: chi phí thu hồi sản phẩm trung bình khoảng 740.000 USD, theo nghiên cứu của Viện Ponemon năm ngoái. Khi các nhà sản xuất gắn thông số kỹ thuật thiết bị của mình với dữ liệu sản xuất thực tế, họ không chỉ đáp ứng các yêu cầu của FDA theo Điều 11 Phần 21 CFR mà còn tiết kiệm chi phí bằng cách tránh việc loại bỏ không cần thiết các sản phẩm đạt chuẩn.

Kiểm định hiệu năng của ống kính công nghiệp trong môi trường sản xuất

Ống kính công nghiệp không chỉ cần đáp ứng các tiêu chuẩn phòng thí nghiệm mà còn phải hoạt động đúng cách khi được lắp đặt trên sàn nhà máy — nơi điều kiện thường rất phức tạp. Nhiệt độ thay đổi trong suốt cả ngày, rung động liên tục từ máy móc và tiếp xúc với nhiều loại hóa chất đều gây ra những sai lệch so với kết quả thử nghiệm trong điều kiện kiểm soát chặt chẽ. Một nghiên cứu điển hình gần đây trong ngành ô tô cho thấy, dù các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đã được tăng tốc nhằm mô phỏng hàng năm sử dụng, chúng vẫn hoàn toàn bỏ sót tổn hại do tiếp xúc với muối làm tan băng trên đường — tổn hại này rõ ràng quan sát được sau khi triển khai thực tế trong môi trường khắc nghiệt. Phát hiện này nhấn mạnh tầm quan trọng then chốt của việc thử nghiệm trong điều kiện thực tế để xây dựng các mô hình độ tin cậy chính xác. Khi nói đến các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như kiểm tra chất lượng thuốc, các nhà sản xuất hàng đầu hiện nay không còn mạo hiểm nữa. Họ đã bắt đầu tiến hành kiểm tra định kỳ các hệ thống quang học của mình nhằm đảm bảo mọi thông số luôn duy trì trong giới hạn quy định theo thời gian.

• Kiểm tra ứng suất môi trường mô phỏng chu kỳ nhiệt và sốc cơ học để đánh giá độ ổn định của thấu kính
• Giám sát MTF trực tuyến theo dõi sự trôi lệch của hàm truyền điều chế (MTF) trong suốt quá trình vận hành liên tục
• Bản đồ méo so sánh độ chính xác hình học ban đầu với các mẫu sản xuất định kỳ

Viện Ponemon đưa ra báo cáo năm 2023 rằng khoảng hai phần ba lỗi thị giác máy do các bộ phận quang học chưa được kiểm định xuất hiện chỉ trong vòng sáu tháng sau khi lắp đặt. Để khắc phục vấn đề này, các nhà sản xuất hàng đầu đã bắt đầu thực hiện toàn bộ quy trình kiểm định trên từng đơn vị trong thời gian dưới năm giây. Những kiểm tra nhanh này bao quát mọi sản phẩm được sản xuất mà không làm chậm dây chuyền lắp ráp, đồng thời liên kết hiệu suất của thấu kính với các khuyết tật sản phẩm thực tế phát sinh về sau. Bằng cách liên tục so sánh dữ liệu đo lường với các thông số thiết lập quang học, các hệ thống này duy trì độ chính xác đo lường cực kỳ cao ở mức dưới một pixel, ngay cả khi điều kiện sản xuất thay đổi trong suốt ca làm việc.

Sẵn sàng nâng cao độ chính xác thị giác máy của bạn với các thấu kính công nghiệp?

Ống kính công nghiệp không phải là thành phần thứ cấp của các hệ thống thị giác máy ; mà là nền tảng đảm bảo độ chính xác trong đo lường và độ tin cậy trong phát hiện khuyết tật. Từ việc giảm thiểu sai số quang học và tối ưu hóa sự căn chỉnh giữa ống kính và cảm biến đến việc lựa chọn đúng loại ống kính telecentric hoặc entocentric phù hợp với nhu cầu ứng dụng cụ thể của bạn, mọi quyết định liên quan đến ống kính công nghiệp đều ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất sản xuất, tỷ lệ loại bỏ sai (false reject rate) và hiệu quả vận hành tổng thể.

Với 15 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực thị giác máy, HIFLY Technology cung cấp một loạt đầy đủ các ống kính công nghiệp , bao gồm độ chính xác cao bao gồm ống kính telecentric, ống kính entocentric và các giải pháp quang học tùy chỉnh , được thiết kế nhằm đáp ứng yêu cầu độ chính xác đặc thù của ứng dụng cụ thể bạn đang triển khai. Các ống kính của chúng tôi được hiệu chuẩn để tích hợp liền mạch với HIFLY các camera công nghiệp và hệ thống chiếu sáng thị giác máy, từ đó tạo thành một hệ thống quang học được tối ưu hóa hoàn toàn cho các quy trình kiểm tra và đo lường của bạn. Được chứng nhận theo tiêu chuẩn ISO 9001:2015 và hỗ trợ kỹ thuật toàn cầu, chúng tôi cam kết đảm bảo rằng các ống kính công nghiệp của bạn luôn mang lại độ ổn định và độ chính xác ở mức phòng thí nghiệm độ chính xác trong thế giới thực của sản xuất nhà máy.

Liên hệ với chúng tôi ngay hôm nay để được không ràng buộc tư vấn để lựa chọn và hiệu chuẩn các ống kính công nghiệp nhằm tối ưu hóa hệ thống thị giác máy hệ thống độ chính xác và độ tin cậy.