Lăng Kính Quang Học Duy Trì Độ Chính Xác Của Kiểm Tra Công Nghiệp Như Thế Nào?

Trong các hệ thống thị giác máy công nghiệp, camera là "con mắt", thuật toán là "bộ não", và lăng kính quang học là "vị chỉ huy ẩn của đường truyền ánh sáng"—vô hình và vô hình, nhưng có khả năng cho phép chính xác "con mắt" chụp được mục tiêu trong môi trường công nghiệp phức tạp bằng cách làm lệch hướng ánh sáng, điều chỉnh hình ảnh và phân phối các tia sáng. Dù là kiểm tra các bộ phận trong không gian chật hẹp, nhận diện khuyết tật trên băng tải tốc độ cao, hay thực hiện hiệu chuẩn chính xác trong mô hình 3D, các lăng kính đều là thành phần không thể thiếu.

ⅰ. Nhiệm vụ cốt lõi của các lăng kính: Giải quyết các "thách thức về đường truyền ánh sáng" trong thị giác máy

Các khu công nghiệp phức tạp hơn nhiều so với phòng thí nghiệm: một số điểm kiểm tra nằm khuất sâu bên trong thiết bị, khiến việc căn chỉnh camera trực tiếp là không thể; một số bộ phận chuyển động với tốc độ cao, đòi hỏi phải ghi lại đồng thời các chi tiết đa chiều; một số tình huống yêu cầu định hướng hình ảnh chính xác tuyệt đối, nơi mà chỉ lệch nhỏ cũng dẫn đến sai sót trong đánh giá. Vai trò của lăng kính là cung cấp các giải pháp quang học chính xác được thiết kế riêng cho những "thách thức" này.

1. Không gian hạn chế? Dùng lăng kính để "gấp" tầm nhìn tới mục tiêu  

Trong kiểm tra khối động cơ ô tô, các đường dẫn khí bên trong hẹp và ngoằn ngoèo, ngăn cản ống kính camera tiếp cận để chụp hình trực tiếp. Đây chính là lúc lăng kính vuông góc phát huy tác dụng. Giống như một chiếc "gương", nó làm lệch hình ảnh từ bên trong đường dẫn đi 90 độ, chiếu lên cảm biến camera bên ngoài — về cơ bản, trang bị cho camera một "con mắt uốn cong" để quan sát cấu trúc bên trong mà không cần tháo dỡ khối động cơ.

Một thành phần chuyên dụng hơn nữa, lăng kính ngũ giác, có khả năng độc đáo là làm lệch chính xác ánh sáng tới một góc 90 độ bất kể góc nhập vào. Trong các thiết bị đo bánh răng độ chính xác cao, tia đo có thể dễ dàng dịch chuyển do rung động trong quá trình quay tốc độ cao. Lăng kính ngũ giác ổn định và điều chỉnh lại đường truyền ánh sáng, đảm bảo sai số đo được kiểm soát trong phạm vi 0,001mm, duy trì độ chính xác khi kiểm tra bước răng và biên dạng răng.

2. Vấn đề định hướng hình ảnh? Sử dụng lăng kính để "hiệu chỉnh" góc nhìn

Camera trên các dây chuyền phân loại bưu phẩm, các gói hàng được đặt theo hướng ngẫu nhiên—một số ở tư thế đúng, một số nằm nghiêng—dẫn đến hình ảnh lộn xộn về định hướng mà các thuật toán khó xử lý. Ở đây, lăng kính mái (roof prism) đóng vai trò then chốt. Nó lật hình ảnh từ trái sang phải, thực hiện việc "hiệu chỉnh như gương", để hình ảnh nhãn thu được luôn ở tư thế đứng, tăng hiệu suất phân loại hơn 30%.

Lăng kính Dove là một chuyên gia thực sự trong việc "xoay hình ảnh", có khả năng xoay hình ảnh theo bất kỳ góc mong muốn nào. Trong kiểm tra chân chip, nơi các chip có thể bị nghiêng do lệch hướng vận chuyển, lăng kính Dove điều chỉnh góc hình ảnh theo thời gian thực, cho phép các thuật toán xác định chính xác khoảng cách và độ nguyên vẹn của từng chân, ngăn ngừa lỗi do sai lệch góc.

3. Cần Kiểm Tra Góc Đa Chiều? Sử Dụng Lăng Kính để "Tách" Tia Sáng Nhằm Thu Nhận Đồng Thời

Đối với việc kiểm tra mặt kính điện thoại di động, cần phải xem đồng thời các khuyết tật ở mặt trước, cạnh bên và mép. Việc sử dụng nhiều camera riêng biệt sẽ làm phức tạp việc lắp đặt và yêu cầu căn chỉnh hình ảnh sau đó. Bộ chia tia dạng khối (cube beamsplitter) giải quyết vấn đề này. Thiết bị này chia một nguồn sáng thành hai hoặc nhiều tia, chiếu chúng đến các camera ở các góc khác nhau — đạt được mục tiêu "nhiều nhiệm vụ với một tia sáng". Điều này giảm số lượng camera cần thiết và cho phép chụp hình đa góc đồng bộ, tăng gấp đôi hiệu suất kiểm tra.

Bộ phản xạ góc lập phương thực hiện nhiệm vụ đáng kinh ngạc là phản chiếu ánh sáng tới trực tiếp trở lại theo đúng đường truyền ban đầu, hoạt động giống như một "bộ bật lại ánh sáng". Trong các máy quét 3D bằng tia laser, lăng kính góc lập phương phối hợp với chùm tia laser để đo chính xác sự biến thiên chiều cao bề mặt thông qua nhiều lần phản xạ, nhanh chóng tái tạo mô hình 3D của vỏ điện thoại với độ chính xác lên đến 0,01mm, vượt xa các phương pháp truyền thống.

4. Cần Phân Tích Vật Liệu? Hãy Dùng Lăng Kính Để "Tách" Ánh Sáng

Trong kiểm tra thực phẩm, việc xác định sữa bột có bị pha trộn hay không đòi hỏi phải phân tích các đặc tính quang phổ của nó. Lăng kính tam giác đóng vai trò là "chuyên gia phân tích quang phổ". Nó tách ánh sáng trắng thành các bước sóng khác nhau – đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Các chất khác nhau hấp thụ các bước sóng cụ thể; bằng cách phân tích quang phổ hấp thụ, có thể phát hiện sự hiện diện của các chất phụ gia bất hợp pháp trong sữa bột, mang lại phương pháp thay thế nhanh hơn và thân thiện với môi trường hơn so với các phương pháp thử nghiệm hóa học truyền thống.

iI. Ứng dụng thực tế: Cách các lăng kính thích nghi với nhu cầu công nghiệp đa dạng

Các nhiệm vụ thị giác máy khác nhau có yêu cầu rất khác nhau đối với lăng kính. Việc lựa chọn loại lăng kính phù hợp là yếu tố then chốt để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống. Dưới đây là bốn tình huống ứng dụng điển hình:

1. Phân loại băng chuyền: Lăng kính góc vuông + lăng kính mái che giải quyết vấn đề "Không nhìn thấy, không nhìn rõ"

Trên dây chuyền phân loại chai nước, việc kiểm tra nhãn có được dán đúng vị trí và nắp có được đóng kín hay không đòi hỏi hệ thống camera cố định để kiểm tra. Tuy nhiên, không gian bên cạnh băng chuyền bị hạn chế. Một lăng kính vuông góc trước tiên làm lệch đường đi của ánh sáng 90°, cho phép camera lắp bên hông có thể "nhìn thấy" thân chai. Nếu một chai bị nghiêng khiến hình ảnh nhãn bị lộn ngược, một lăng kính mái (roof prism) sẽ điều chỉnh lại hình ảnh, đảm bảo thuật toán đọc chính xác vị trí nhãn và trạng thái nắp, nâng tỷ lệ thành công trong phân loại từ 95% lên 99,8%.

2. Mô hình hóa 3D chi tiết: Lăng kính Penta + Cube tạo ra "Thị giác lập thể"

Trong kiểm tra các điện cực pin xe năng lượng mới, việc đo độ dày, độ phẳng và biên dạng cạnh đòi hỏi thông tin 3D mà một góc nhìn đơn lẻ không thể cung cấp. Ở đây, lăng kính ngũ giác ổn định đường truyền ánh sáng, ngăn ngừa sự lệch tia, trong khi bộ chia tia hình lập phương phân tách chùm tia, chiếu tới hai camera trên và dưới. Bằng cách tính toán độ lệch pha giữa các chùm tia, mô hình 3D của điện cực được tạo ra nhanh chóng, với sai số đo độ dày ≤0,005mm, từ đó ngăn ngừa các nguy cơ an toàn pin do độ dày điện cực không đồng đều.

3. Kiểm tra bề mặt tốc độ cao: Lăng kính Dove ghi lại các lỗi "chớp nhoáng"

Trên các dây chuyền sản xuất cán tấm thép, các tấm di chuyển với tốc độ 3 mét mỗi giây, và các vết trầy hoặc lõm trên bề mặt rất ngắn ngủi. Một camera đơn không thể bao quát toàn bộ chiều rộng. Lăng kính Dove mở rộng trường nhìn của camera lên 120° bằng cách điều chỉnh góc hình ảnh. Khi kết hợp với camera tốc độ cao, nó có thể chụp đồng thời mặt trước và cả hai mép của tấm trong một lần, phát hiện hơn 1000 điểm khuyết tật mỗi giây, giảm chi phí 40% so với các thiết lập nhiều camera truyền thống.

4. Định vị bằng tia laser: Lăng kính góc vuông cho phép "Phản xạ chính xác"

Trong hàn robot công nghiệp, việc định vị chính xác mối hàn là yếu tố then chốt, phụ thuộc vào hệ thống laser. Dao động trong xưởng và bụi có thể làm lệch chùm tia laser. Một lăng kính góc vuông được gắn trên đầu công cụ của robot sẽ phản xạ trực tiếp chùm tia laser trở lại nguồn phát. Bằng cách tính toán độ lệch của ánh sáng phản xạ, vị trí của robot được điều chỉnh theo thời gian thực, kiểm soát độ chính xác hàn trong phạm vi 0,1mm và giảm đáng kể tỷ lệ lỗi.

ⅲ.  Lựa chọn vật liệu lăng kính: Không chỉ "truyền ánh sáng tốt", mà còn phải "độ bền cao"

Môi trường công nghiệp phức tạp và biến đổi; các yếu tố như nhiệt độ cao, độ ẩm, rung động và ăn mòn hóa học có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của lăng kính. Do đó, việc lựa chọn lăng kính không chỉ dựa trên hiệu suất quang học mà còn phải xem xét độ bền của vật liệu. Dưới đây là năm loại vật liệu phổ biến và các tình huống phù hợp:

Ví dụ: Khi đo nhiệt độ thép nóng chảy trong xưởng luyện thép, nhiệt độ môi trường vượt quá 500°C. Các lăng kính thủy tinh N-BK7 thông thường sẽ nóng chảy, trong khi lăng kính sapphire chịu được nhiệt độ cao này. Khi kết hợp với camera hồng ngoại, nó có thể giám sát sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian thực. Trong kiểm tra quang khắc UV trong ngành bán dẫn, thạch anh hòa tan UV là lựa chọn ưu tiên, đảm bảo truyền dẫn hiệu quả ánh sáng UV để kiểm tra độ chính xác của các họa tiết một cách chính xác.

phần IV.  Lựa chọn và thiết kế lăng kính: 3 nguyên tắc chính để tránh sai lầm

Việc chọn đúng loại lăng kính nâng cao độ chính xác và ổn định của hệ thống thị giác máy; lựa chọn sai có thể dẫn đến sai số kiểm tra lớn và hỏng hóc thường xuyên. Dưới đây là ba nguyên tắc lựa chọn cốt lõi:

1. Xác định loại dựa trên "yêu cầu công việc", không nên chỉ truy tìm "cao cấp" một cách mù quáng

• Để đơn giản là đổi hướng ánh sáng trong không gian chật hẹp, một lăng kính góc vuông là đủ; không cần thiết phải dùng lăng kính penta đắt tiền.

• Đối với kiểm tra đồng bộ nhiều góc độ, ưu tiên dùng bộ chia tia dạng khối lập phương thay vì nhiều camera kết hợp với các lăng kính tiêu chuẩn.

• Đối với xoay hoặc hiệu chỉnh hình ảnh, hãy lựa chọn giữa lăng kính Dove hoặc lăng kính mái dựa trên góc xoay cần thiết, tránh dư thừa chức năng.

2. Chọn Vật liệu Dựa trên "Điều kiện Môi trường", Cân bằng Hiệu suất và Chi phí

• Nhiệt độ phòng tiêu chuẩn, môi trường không ăn mòn: Chọn kính N-BK7 để đạt tỷ lệ hiệu suất trên chi phí tốt nhất.

• Môi trường nhiệt độ cao, khắc nghiệt: Chọn Sapphire hoặc Thạch anh UV để đảm bảo độ bền.

• Trường hợp IR hoặc UV: Chọn vật liệu IR tương ứng (Ge, ZnSe) hoặc vật liệu UV (Thạch anh UV); tránh dùng kính tiêu chuẩn.

3. Nhấn mạnh "Tỉ mỉ trong Gia công" để Nâng cao Hiệu suất Tổng thể

• Lớp phủ lăng kính rất quan trọng: Trong các tình huống yêu cầu phản xạ cao (ví dụ: kiểm tra kim loại), hãy chọn lăng kính phủ chống phản xạ để giảm tổn thất phản xạ và cải thiện độ rõ nét hình ảnh.

• Độ chính xác trong sản xuất phải đạt tiêu chuẩn: Sai số góc lăng kính cần được kiểm soát trong phạm vi ±30 giây cung (1 giây cung = 1/3600 độ); nếu không, sẽ xảy ra lệch hướng tia sáng, ảnh hưởng đến độ chính xác kiểm tra.

• Khả năng tương thích hệ thống: Kích thước và cách lắp đặt lăng kính phải phù hợp với camera và ống kính để tránh lệch trục do lỗi lắp ráp.

Kết luận: Nhỏ nhưng Mạnh mẽ, "Nền tảng của Độ chính xác" trong Thị giác Máy

Trong các hệ thống thị giác máy, lăng kính có thể không nổi bật như camera hay thuật toán, nhưng lại âm thầm thực hiện nhiệm vụ cốt lõi là "điều khiển đường truyền ánh sáng"—giải quyết những thách thức như giới hạn không gian, hình ảnh lộn xộn và kiểm tra đa góc, thúc đẩy quá trình kiểm tra công nghiệp từ "nhìn thấy" sang "nhìn chính xác và nhanh chóng."

Dù trong sản xuất ô tô, sản xuất điện tử, kiểm tra thực phẩm hay lĩnh vực năng lượng mới, việc lựa chọn loại và vật liệu lăng kính phù hợp luôn là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu suất hệ thống thị giác máy. Khi thị giác máy phát triển theo hướng độ chính xác cao hơn và các tình huống phức tạp hơn, vai trò của các lăng kính sẽ trở nên nổi bật hơn bao giờ hết.