Hướng dẫn lựa chọn ống kính thị giác máy cho ứng dụng công nghiệp

Các thông số quang học chính: FOV, khoảng cách làm việc và tiêu cự

Cách trường nhìn (FOV) xác định mức độ phù hợp của ống kính thị giác máy cho kiểm tra trên dây chuyền lắp ráp

Góc nhìn, hay viết tắt là FOV, về cơ bản cho biết khu vực mà một camera có thể quan sát được cùng lúc, điều này đặc biệt quan trọng khi kiểm tra sản phẩm trên dây chuyền lắp ráp. Nếu FOV quá hẹp, các khuyết tật nhỏ ở vùng rìa có thể hoàn toàn bị bỏ sót. Ngược lại, nếu FOV quá rộng thì mỗi điểm ảnh sẽ bao phủ một diện tích lớn hơn, dẫn đến chi tiết bắt đầu bị mờ và độ phân giải suy giảm. Có một công thức tiện dụng để tính toán toàn bộ thông số này: lấy kích thước cảm biến nhân với khoảng cách làm việc, rồi chia cho tiêu cự. Chẳng hạn, nếu ai đó cần bao quát toàn bộ đối tượng bằng một cảm biến 100 mm, họ sẽ phải tiến gần hơn tới vật cần quan sát hoặc chọn một ống kính khác phù hợp hơn, tùy thuộc vào không gian sẵn có. Theo một số báo cáo ngành đang lưu hành, gần một phần ba tổng số sự cố liên quan đến hệ thống thị giác máy tính xuất phát từ việc thiết lập sai FOV ngay từ đầu. Việc xác định chính xác FOV đảm bảo rằng từng centimet của chi tiết đều được quét đầy đủ, không bị ảnh hưởng bởi các hiện tượng nhiễu do chuyển động — từ đó giúp phát hiện khuyết tật nhanh hơn trong các quy trình sản xuất tốc độ cao.

Sự tương tác giữa Khoảng cách Làm việc và Độ dài Tiêu cự trong Các Hệ thống Hướng dẫn Robot và Thị giác Nhúng

Mối quan hệ giữa khoảng cách làm việc (khe hở giữa ống kính và vật thể) với tiêu cự hoạt động theo chiều nghịch, điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống dẫn hướng robot và công nghệ thị giác nhúng. Khi cần tăng khoảng cách làm việc, tiêu cự cũng phải tăng lên nếu muốn duy trì độ nét — yếu tố then chốt để các robot di chuyển an toàn mà không va chạm vào vật cản. Tuy nhiên, luôn tồn tại một hạn chế: việc tăng tiêu cự thực tế làm giảm độ sâu trường ảnh, khiến việc hiệu chuẩn đạt độ chính xác mong muốn trở thành bài toán nan giải. Đối với những không gian chật hẹp — nơi các thiết bị như công cụ kiểm tra bảng mạch in (PCB) phải vừa khít — tiêu cự ngắn hơn cho phép chúng ta tiến sát hơn tới vật thể mà vẫn quan sát rõ những chi tiết cần thiết. Việc cân bằng đúng giữa các thông số này giúp giảm thiểu hiện tượng mờ do chuyển động khi các đối tượng di chuyển với tốc độ cao. Các thử nghiệm trong ngành cho thấy mỗi lần tiêu cự tăng lên, độ phân giải ngang tăng từ 15% đến 30%, nghĩa là các hệ thống này có thể đạt độ chính xác định vị ở mức micromet cho các tác vụ dẫn hướng tự động.

Tính tương thích của cảm biến và tiêu chuẩn lắp đặt cho việc tích hợp ống kính thị giác máy tính đáng tin cậy

Phạm vi che phủ vòng ảnh so với kích thước cảm biến: Vì sao việc lựa chọn ống kính thị giác máy tính không phù hợp gây ra hiện tượng tối góc (vignetting) và suy giảm độ phân giải

Chọn sai ống kính máy ảnh cho một cảm biến vì nó không bao phủ đủ diện tích, dẫn đến các vấn đề quang học nghiêm trọng về sau. Nếu ống kính tạo ra vòng ảnh nhỏ hơn kích thước mà cảm biến yêu cầu, chúng ta sẽ gặp hiện tượng viền tối (vignetting), trong đó các góc ảnh trở nên rất tối, đôi khi mức độ suy giảm ánh sáng lên tới 80%. Điều này đồng nghĩa với việc mất hoàn toàn dữ liệu quý giá từ những vùng rìa này. Điều xảy ra tiếp theo còn tệ hơn đối với độ phân giải. Chẳng hạn, một cảm biến 12 megapixel kết hợp với ống kính được thiết kế chỉ dành riêng cho định dạng 1/1,8 inch? Hiệu năng thực tế sẽ giảm xuống chỉ còn khoảng tối đa 8 megapixel. Đối với những người làm việc trên bảng mạch in (PCB), sự thiếu hụt như vậy có thể che khuất những vết nứt siêu nhỏ, rộng chưa đến 10 micromet. Một nguyên tắc thực tiễn khi chọn mua ống kính là kiểm tra xem thông số kỹ thuật của chúng có nêu rõ phạm vi bao phủ vòng ảnh lớn hơn đường chéo cảm biến ít nhất khoảng 10% hay không.

C-Mount so với CS-Mount: Độ tương thích cơ học, khoảng cách tiêu cự sau (back focal distance) và các ràng buộc thực tế trong các hệ thống nhỏ gọn

Các ren trên các ống kính gắn C-mount (với khoảng cách mặt bích là 17,526 mm) và các ống kính gắn CS-mount (ở mức 12,526 mm) tương thích về mặt cơ học, dù chúng có sự khác biệt đáng kể về khoảng cách tiêu cự sau (back focal distance). Khi ai đó cố gắng lắp ép một ống kính gắn CS-mount vào thân máy ảnh gắn C-mount, điều này gây ra độ mất nét khoảng 5 mm, làm mờ các chi tiết nhỏ đến mức dung sai chỉ 0,1 mm. Vấn đề dạng này xảy ra thường xuyên trong các thao tác robot gắp và đặt (pick and place). Ngược lại, việc lắp một ống kính gắn C-mount lên thân máy ảnh gắn CS-mount đòi hỏi các vòng đệm đặc biệt — điều này thực tế làm giảm độ ổn định của hệ thống, đặc biệt quan trọng đối với các hệ thống nhúng thường xuyên chịu rung động. Các nhà sản xuất thiết bị y tế rất am hiểu điều này vì thiết bị của họ thường phải vừa khít trong những không gian cực kỳ chật hẹp, khoảng 50 milimét khối. Kích thước nhỏ hơn của chuẩn CS-mount cho phép lấy nét trong những tình huống như vậy, nơi mà chuẩn C-mount đơn giản là không thể tiếp cận được. Phần lớn người dùng tuân thủ các quy trình tiêu chuẩn để tránh phát sinh rắc rối trong quá trình lắp đặt. Thông thường, CS-mount được sử dụng cho các cảm biến có kích thước nhỏ hơn nửa inch, trong khi các cảm biến lớn hơn sẽ dùng C-mount.

Khẩu độ, Độ sâu trường ảnh và Các Thông số Đo lường Quang học then chốt

Tối ưu hóa Số F: Cân bằng Lưu lượng Ánh sáng, Độ sâu Trường ảnh và Làm mờ Chuyển động trong Kiểm tra Tốc độ Cao

Trong các hệ thống thị giác máy công nghiệp, số f (f/#) điều khiển đồng thời ba yếu tố quan trọng: lượng ánh sáng đi qua ống kính, độ sâu trường ảnh (DOF) và mức độ chống mờ do chuyển động của ảnh. Khi thiết lập các giá trị số f thấp như f/1.4, lượng ánh sáng đi vào sẽ tăng đáng kể — điều này rất hữu ích trong điều kiện thiếu sáng, nhưng cũng kéo theo một nhược điểm: độ sâu trường ảnh trở nên rất nông, do đó nếu bề mặt vật cần kiểm tra có bất kỳ độ không đều nào về chiều cao, một số phần có thể bị mất nét. Ngược lại, các giá trị số f cao hơn như f/16 mang lại khả năng bao phủ độ sâu trường ảnh tốt hơn nhiều, đáp ứng yêu cầu đo đạc kích thước chính xác. Tuy nhiên, điều này đòi hỏi thời gian phơi sáng dài hơn, khiến ảnh dễ bị mờ do chuyển động hơn — đặc biệt khi xử lý các vật thể di chuyển nhanh trên băng chuyền với tốc độ vượt quá 1/10.000 giây mỗi khung hình. Việc tìm ra điểm cân bằng tối ưu giữa những yêu cầu đối nghịch này đòi hỏi sự xem xét cẩn trọng cả về điều kiện chiếu sáng lẫn yêu cầu sản xuất.

• Tính khoảng cách hyperfocal để duy trì độ nét trên toàn bộ các vùng dung sai
• Điều chỉnh khẩu độ phù hợp với cường độ đèn flash—độ sáng trên 50.000 lux cho phép sử dụng khẩu độ Æ'/8+ mà không làm tăng nhiễu
• Ưu tiên khẩu độ Æ'/4–Æ'/8 cho hơn 92% ứng dụng tốc độ cao (Hiệp hội Ảnh tự động, 2023)

Cân bằng các yếu tố này giúp ngăn ngừa việc loại bỏ sai trong khi vẫn duy trì năng suất trên 300 sản phẩm/phút.

MTF, méo hình và độ tương phản—Các thông số kỹ thuật của ống kính thị giác máy ảnh ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác trong phát hiện khuyết tật

Khả năng phát hiện lỗi một cách đáng tin cậy phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm Hàm Chuyển Đổi Điều Biên (MTF), mức độ méo hình và độ tương phản giữa các đối tượng. Khi giá trị MTF duy trì trên 0,6 tại tần số Nyquist của cảm biến — còn được gọi là tần số Nyquist — chúng ta đạt được độ chính xác đo lường cạnh vào khoảng nửa pixel, điều này đặc biệt quan trọng khi phát hiện các vết nứt vi mô chỉ vài micromet chiều rộng. Việc giữ mức méo hình dưới 0,1% giúp tránh những sai lệch hình học gây phiền toái trong quá trình đo lường. Đồng thời, tỷ lệ tương phản cao trên 90:1 tạo nên sự khác biệt rõ rệt trong việc nhận diện các vấn đề nhỏ như dấu oxy hóa trên nền có kết cấu phức tạp. Những thông số này không chỉ là những con số trên giấy; chúng thực sự ảnh hưởng đến kết quả kiểm tra trong thực tế mỗi ngày.

MTF dưới tối ưu hoặc độ méo >0,3% gây ra 37% trường hợp âm tính giả trong kiểm tra bảng mạch in (Vision Systems Design, 2024). Do đó, thông số kỹ thuật của ống kính thị giác máy ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kiểm soát chất lượng.

Các loại ống kính thị giác máy ảnh chuyên dụng cho các tác vụ công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cao

Ống kính telecentric trong đo lường: Loại bỏ sai số phối cảnh để đảm bảo độ ổn định của phép đo ở mức dưới pixel

Các ống kính telecentric là hoàn toàn thiết yếu cho các ứng dụng đo lường công nghiệp yêu cầu độ ổn định ở mức dưới một pixel trong các phép đo. Các ống kính thông thường gặp vấn đề khi độ phóng đại thay đổi khi vật thể di chuyển gần hơn hoặc xa hơn, gây ra các sai số phối cảnh có thể vượt quá 0,5% ở góc khoảng 30 độ. Với quang học telecentric, tất cả các tia chính đều duy trì song song. Điều này có nghĩa là độ phóng đại luôn nhất quán bất kể độ sâu của vật thể trong trường nhìn. Sự nhất quán này tạo nên sự khác biệt lớn khi kiểm tra các yếu tố như độ căn chỉnh pad trên bảng mạch in (PCB) hay hình dạng răng bánh răng, nơi mà ngay cả những biến dạng nhỏ ở cấp micromet cũng có thể làm hỏng chất lượng sản phẩm. Đối với các phép kiểm tra thước đo tự động, những ống kính này cung cấp các phép đo lặp lại chính xác tới ±0,01 mm nhờ loại bỏ hoàn toàn các sai số tỷ lệ phiền toái do hiệu ứng phối cảnh. Hơn nữa, do không còn lo ngại về méo góc, việc hiệu chuẩn trở nên dễ dàng hơn nhiều. Thời gian thiết lập giảm từ 30 đến 40 phần trăm so với các ống kính thông thường trong các môi trường sản xuất chính xác.

Đã sẵn sàng chọn ống kính thị giác máy phù hợp chưa?

Ống kính phù hợp cần cân bằng giữa trường nhìn (FOV), khoảng cách làm việc, khả năng tương thích với cảm biến và các thông số hiệu suất để đáp ứng đúng yêu cầu ứng dụng công nghiệp của bạn. Tránh các sự không tương thích và ưu tiên các thông số kỹ thuật then chốt sẽ đảm bảo khả năng phát hiện lỗi và độ chính xác trong đo lường một cách đáng tin cậy.

Để được tư vấn về tính tương thích giữa ống kính và camera, các lựa chọn chuyên biệt (ví dụ: ống kính telecentric) hoặc dịch vụ tùy chỉnh thích ứng, hãy hợp tác cùng nhà cung cấp có kinh nghiệm thực tiễn trong lĩnh vực công nghiệp. Với 15 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực thị giác máy — bao gồm ống kính, camera và các giải pháp tích hợp — HIFLY cam kết đáp ứng đúng nhu cầu sản xuất của bạn. Liên hệ với chúng tôi ngay hôm nay để được tư vấn miễn phí nhằm tối ưu hóa việc lựa chọn ống kính của bạn.