Thiết kế quang học: Vấn đề thường bị bỏ qua là ánh sáng tán xạ

Trong các dự án thị giác máy, chất lượng thiết kế quang học trực tiếp quyết định liệu một hệ thống có thể hoạt động hiệu quả và chính xác hay không. Tuy nhiên, sự hiện diện của ánh sáng tán xạ có thể đe dọa nghiêm trọng chất lượng hình ảnh.

Dù là trong kiểm tra công nghiệp độ chính xác cao hoặc các tình huống nhận diện thời gian thực cho xe tự lái, những vấn đề do ánh sáng tán xạ gây ra như bóng ma, lóe cầu vồng và hình ảnh bị mờ sương có thể dẫn đến việc nhận định sai và độ chính xác giảm sút.

Vậy, khi thiết kế hệ thống quang học thị giác máy, những yếu tố nào liên quan đến ánh sáng tán xạ cần được cân nhắc và có những giải pháp nào khả dụng?

I. Nguồn Gốc và Tác Hại Của Ánh Sáng Tán Xạ

Ánh sáng rò rỉ đề cập đến ánh sáng có hại lệch khỏi đường truyền hình ảnh bình thường, nguyên nhân tương đối phức tạp.

Các nguồn gây ra ánh sáng rò rỉ phổ biến bao gồm:

1. Vấn đề liên quan đến thấu kính: Lớp phủ không đồng đều, độ phản xạ quá cao hoặc bề mặt gia công kém có thể gây ra hiện tượng phản xạ nhiều lần trên bề mặt thấu kính.

2. Các bộ phận cơ khí: Oxy hóa đen không đủ, thiếu thiết kế chống phản xạ bên trong và kích thước lỗ khẩu độ chế tạo không đạt yêu cầu cũng có thể dẫn đến ánh sáng rò rỉ.

3. Thiết kế quang học có khuyết điểm: Những rủi ro tiềm ẩn trong cấu trúc đường truyền quang học cũng là một nguồn gây ra ánh sáng rò rỉ đáng kể.

Ảnh hưởng của ánh sáng rò rỉ đến chất lượng hình ảnh không thể bỏ qua. Nó sẽ:

1. G iảm độ phân giải và độ tương phản của hình ảnh, làm mờ chi tiết và ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ chính xác phát hiện.

2. C gây ra hiện tượng ghosting và hình ảnh ảo, nơi thông tin sai lệch che khuất hình ảnh thật, dẫn đến các đánh giá sai lệch.

3. Trong điều kiện nhất định, gây ra hiện tượng phân tán và lóe sáng cầu vồng, nơi các đốm màu xung quanh nguồn sáng mạnh làm rối loạn quá trình phân tích hình ảnh.

4. Tạo ra hình ảnh tổng thể mờ ảo, khiến hình ảnh trở nên xám, làm mờ ranh giới giữa các vùng đen và trắng. Hình ảnh màu cũng có thể bị mờ do sương.

5. Khi có góc giữa trục quang học của thấu kính và nguồn sáng trong trường nhìn, hiện tượng lem màu có thể xảy ra, che phủ khu vực ban đầu và gây mất thông tin.

II. Các giải pháp khắc phục ánh sáng nhiễu

1.  Tối ưu hóa thiết kế quang học:  

Sử dụng lớp phủ chất lượng cao: Sử dụng các lớp phủ đa tầng có độ phản xạ thấp trên bề mặt thấu kính có thể giảm hiệu quả sự phản xạ ánh sáng.

Thiết kế đường đi quang học hợp lý: Tối ưu cấu trúc đường đi quang học thông qua mô phỏng truy vết tia để ngăn ánh sáng nhiễu đi vào vùng hình ảnh.

Sử dụng khẩu độ chống ánh sáng tán xạ: Thêm các khẩu độ vào đường truyền quang học có thể chặn ánh sáng lệch hướng.

2. Kiểm soát nguồn sáng bên ngoài:

Chặn các nguồn sáng mạnh bên ngoài: Sử dụng nắp che ống kính hoặc các tấm chắn sáng trong môi trường chụp để giảm tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mạnh.

Điều chỉnh góc của nguồn sáng: Tránh các góc quá lớn giữa nguồn sáng và trục quang học của ống kính để giảm lượng ánh sáng phản xạ đi vào ống kính.

Sử dụng bộ lọc phân cực: Lọc ánh sáng theo các hướng cụ thể để giảm nhiễu do ánh sáng tán xạ.

3. Cải thiện cấu trúc cơ học:  

Tối ưu hóa các linh kiện xung quanh hệ thống quang học: Áp dụng các lớp phủ chống phản chiếu, ví dụ như sơn màu đen mờ, để giảm phản xạ ánh sáng.

Thêm các cấu trúc chống lọt sáng: Ngăn ánh sáng tán xạ đi vào vùng cảm biến hình ảnh.

4. Hiệu chỉnh hình ảnh sau xử lý:  

Trong những trường hợp không thể tránh khỏi, hãy sử dụng các thuật toán xử lý hình ảnh như khử sương mù và giảm nhiễu để giảm thiểu tác động của ánh sáng tán xạ.

Tự động điều chỉnh các thông số phơi sáng của camera dựa trên cường độ ánh sáng môi trường để tránh hiện tượng phơi sáng quá mức hoặc phơi sáng không đủ.

III. Trường hợp thực tế

Trong một dự án kiểm tra công nghiệp, khách hàng báo cáo hiện tượng mờ hình ảnh nghiêm trọng dưới ánh sáng môi trường mạnh, dẫn đến sự suy giảm đáng kể độ chính xác nhận diện. Phân tích cho thấy ánh sáng lạc chủ yếu xuất phát từ phản xạ bên trong ống kính và tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mạnh bên ngoài.

Các biện pháp sau đây đã được thực hiện:

1. Bổ sung lớp phủ chống phản xạ bên trong ống kính để giảm phản xạ từ các bộ phận cơ khí.
2. Lắp đặt chụp nắng cho ống kính tại môi trường chụp để chặn ánh sáng mạnh bên ngoài.
3. Tối ưu hóa thiết kế quang học bằng cách thêm các khẩu chống ánh sáng lạc.

Sau các cải tiến này, chất lượng hình ảnh được cải thiện rõ rệt và độ chính xác nhận diện trở lại mức kỳ vọng ban đầu.

IV. Kết Luận

Các yếu tố cần cân nhắc khi lựa chọn Bộ thu khung:

Ánh sáng lạc là một vấn đề quan trọng trong thiết kế quang học của thị giác máy, không thể bỏ qua, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hình ảnh và hiệu suất hệ thống.

Để giảm thiểu ánh sáng tán xạ, một ống kính hình ảnh đòi hỏi các nỗ lực chống ánh sáng tán xạ ở tất cả các giai đoạn: thiết kế quang học, thiết kế cấu trúc, gia công ống kính, gia công bộ phận cơ khí và lắp ráp.

Bằng cách tối ưu hóa thiết kế quang học, kiểm soát nguồn sáng bên ngoài, cải thiện cấu trúc cơ học và kết hợp hiệu chỉnh hình ảnh hậu kỳ, sự can thiệp của ánh sáng tán xạ có thể được giảm thiểu hiệu quả, từ đó nâng cao độ ổn định và độ chính xác của hệ thống.

Trong các ứng dụng thực tế, cần linh hoạt lựa chọn giải pháp dựa trên từng tình huống và yêu cầu cụ thể để đảm bảo hoạt động ổn định của các hệ thống thị giác máy trong nhiều môi trường phức tạp khác nhau.