Lựa chọn Thấu kính Phù hợp cho Ứng dụng Thị giác Máy

Giới thiệu

Thị giác máy đã trở thành một phần thiết yếu trong các quy trình công nghiệp và sản xuất hiện đại, cho phép tự động hóa, kiểm soát chất lượng và thực hiện các nhiệm vụ kiểm tra với độ chính xác cao. Một bộ phận quan trọng của mọi hệ thống thị giác máy là thấu kính, cái đóng vai trò then chốt trong việc thu thập hình ảnh rõ nét và chính xác cho phân tích tiếp theo. Việc lựa chọn đúng thấu kính rất cần thiết để đảm bảo hiệu suất và hiệu quả tổng thể của ứng dụng thị giác máy. Bài viết này sẽ khám phá các yếu tố chính cần cân nhắc khi chọn thấu kính cho thị giác máy, cùng với các loại thấu kính khác nhau và ứng dụng của chúng.

Các Yếu tố Chính trong Việc Lựa chọn Thấu kính

Góc nhìn (FOV)

Trường quan sát (FOV) là khu vực mà camera và ống kính có thể ghi lại được. Nó được xác định bởi khoảng cách làm việc (khoảng cách giữa ống kính và vật thể đang được chụp) và tiêu cự của ống kính. Một trường quan sát rộng rất hữu ích cho các ứng dụng yêu cầu giám sát một diện tích lớn, như trong kiểm tra công nghiệp quy mô lớn hoặc theo dõi an ninh. Ví dụ, trong một nhà máy đóng gói thực phẩm, ống kính có FOV rộng có thể được sử dụng để giám sát toàn bộ dây chuyền đóng gói nhằm đảm bảo tất cả các sản phẩm đều được đóng gói đúng cách.

Độ phân giải

Độ phân giải của một thấu kính đề cập đến khả năng phân biệt các chi tiết nhỏ trong hình ảnh. Các thấu kính có độ phân giải cao là cần thiết cho những ứng dụng yêu cầu phép đo chính xác hoặc phát hiện các đặc điểm nhỏ. Ví dụ, trong quá trình sản xuất chất bán dẫn, một thấu kính có độ phân giải cao được yêu cầu để kiểm tra các mạch điện tử trên một tấm wafer silicon. Độ phân giải của thấu kính thường được chỉ định bằng số cặp đường kẻ trên milimét (lp/mm). Giá trị lp/mm càng cao thì thấu kính có khả năng phân giải càng tốt. Điều quan trọng là phải đảm bảo độ phân giải của thấu kính phù hợp với độ phân giải của cảm biến camera. Nếu thấu kính có độ phân giải thấp hơn cảm biến, thì toàn bộ tiềm năng của cảm biến sẽ không được khai thác hết.

Độ sâu trường nhìn (DoF)

Độ sâu trường ảnh là khoảng cách từ ống kính mà trong đó các vật thể xuất hiện sắc nét một cách chấp nhận được trên hình ảnh. Một độ sâu trường ảnh lớn sẽ có lợi khi các vật thể ở cách xa nhau khác nhau so với máy ảnh hoặc khi vị trí của vật thể có sự thay đổi nhất định. Trong hệ thống kiểm tra in 3D, nơi các bộ phận được in có thể có chiều cao khác nhau, một ống kính với độ sâu trường ảnh lớn có thể đảm bảo tất cả các phần của vật thể đều rõ nét. Độ sâu trường ảnh bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, bao gồm tiêu cự, kích thước khẩu độ và khoảng cách làm việc. Nói chung, tiêu cự ngắn hơn, khẩu độ nhỏ hơn (số f cao hơn), và khoảng cách làm việc lớn hơn sẽ tạo ra độ sâu trường ảnh lớn hơn.

Sự biến dạng

Hiện tượng méo hình trong ống kính khiến hình ảnh của một vật có các đường thẳng xuất hiện cong. Có hai loại méo hình chính: méo hình thùng (barrel distortion), trong đó hình ảnh dường như phình ra ở các cạnh, và méo hình gối (pincushion distortion), nơi hình ảnh dường như co vào phía trong ở các cạnh. Trong các ứng dụng đòi hỏi phép đo hình học chính xác là yếu tố quan trọng, chẳng hạn như trong kỹ thuật đo lường (metrology) hoặc định hướng robot, các ống kính có độ méo thấp là rất cần thiết. Ví dụ, trong hệ thống tay máy nhặt chọn (robotic arm picking system), một ống kính với mức độ méo tối thiểu là cần thiết để xác định chính xác vị trí và hướng của các vật thể.

Khoảng cách làm việc

Khoảng cách làm việc là khoảng cách từ phía trước của ống kính đến vật thể đang được chụp hình. Khoảng cách này được xác định bởi yêu cầu ứng dụng. Một số ứng dụng, như kiểm tra các linh kiện nhỏ trên bo mạch điện tử, có thể yêu cầu khoảng cách làm việc ngắn, trong khi những ứng dụng khác, ví dụ như giám sát các khu vực ngoài trời lớn, lại cần khoảng cách làm việc dài. Khoảng cách làm việc cũng ảnh hưởng đến các thông số khác của ống kính, chẳng hạn như góc nhìn và độ sâu trường ảnh.

Lắp đặt và Tính tương thích

Ống kính phải tương thích với camera mà nó được sử dụng cùng. Các camera khác nhau có các loại ngàm lắp khác nhau, như ngàm C, ngàm CS hoặc ngàm F. Điều quan trọng là phải đảm bảo ống kính có ngàm đúng để lắp chắc chắn vào camera. Ngoài ra, ống kính cũng cần tương thích với kích thước cảm biến (sensor) của camera. Việc sử dụng một ống kính có vòng hình ảnh quá nhỏ so với cảm biến có thể dẫn đến hiện tượng viền tối ở các góc hình ảnh (chắn sáng góc) hoặc không phủ kín toàn bộ cảm biến.

Các loại ống kính thị giác máy

Ống kính có tiêu cự cố định

Ống kính có tiêu cự cố định, còn được gọi là ống kính prime, có một tiêu cự duy nhất và không thay đổi. Chúng tương đối đơn giản về thiết kế và thường mang lại hiệu suất quang học cao về độ phân giải và ít méo hình. Những ống kính này phù hợp với các ứng dụng mà góc nhìn và khoảng cách làm việc là cố định. Ví dụ, trong hệ thống đọc mã vạch tại quầy thanh toán của cửa hàng tạp hóa, một ống kính có tiêu cự cố định có thể được sử dụng để chụp hình ảnh rõ nét của các mã vạch ở khoảng cách cụ thể.

Ống kính zoom

Ống kính zoom cho phép người dùng thay đổi độ dài tiêu cự, qua đó làm thay đổi góc nhìn. Điều này khiến chúng trở nên đa dụng cho các ứng dụng mà camera cần chụp được nhiều khu vực hoặc vật thể ở các khoảng cách khác nhau. Trong một hệ thống giám sát an ninh, ống kính zoom có thể được điều chỉnh để tập trung vào những phần khác nhau của một tòa nhà hoặc theo dõi các vật chuyển động. Tuy nhiên, ống kính zoom có thể không mang lại cùng mức chất lượng quang học như các ống kính có tiêu cự cố định, đặc biệt là về độ phân giải và độ méo hình.

Thấu kính Telecentric

Ống kính telecentric được thiết kế để có độ phóng đại không đổi bất kể khoảng cách đến vật trong một phạm vi nhất định. Điều này khiến chúng lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu đo lường kích thước chính xác, ví dụ như kiểm soát chất lượng các bộ phận được sản xuất. Trong một nhà máy gia công chính xác, ống kính telecentric có thể được sử dụng để đo kích thước các linh kiện máy móc với độ chính xác cao, vì chúng loại bỏ ảnh hưởng của độ méo phối cảnh.

Ống kính macro

Các ống kính macro được tối ưu hóa cho chụp ảnh cận cảnh và có khả năng đạt được tỷ lệ phóng đại cao. Chúng được sử dụng trong các ứng dụng mà các vật thể nhỏ hoặc chi tiết tinh vi cần được kiểm tra, ví dụ như trong quá trình kiểm định trang sức hoặc hình ảnh sinh học. Trong quy trình sản xuất trang sức, các ống kính macro có thể được dùng để kiểm tra các chi tiết phức tạp của vị trí đặt đá quý hoặc chất lượng gia công kim loại.

Phần kết luận

Việc lựa chọn thấu kính phù hợp cho một ứng dụng thị giác máy là một quá trình phức tạp, đòi hỏi phải xem xét nhiều yếu tố khác nhau. Bằng cách đánh giá cẩn thận trường nhìn, độ phân giải, độ sâu trường ảnh, độ méo hình, khoảng cách làm việc, khả năng tương thích lắp đặt và các yêu cầu môi trường, các kỹ sư và nhà tích hợp hệ thống có thể chọn được thấu kính tối ưu hiệu suất của hệ thống thị giác máy. Dù đó là trong tự động hóa công nghiệp, kiểm soát chất lượng hay nghiên cứu khoa học, việc lựa chọn đúng thấu kính chính là chìa khóa để thu thập dữ liệu hình ảnh chính xác và đáng tin cậy phục vụ phân tích và ra quyết định tiếp theo.