thigiacmay.comMột dây chuyền lắp ráp đầu tư camera 12 MP để đo kích thước chi tiết nhựa, nhưng số đo cứ lệch vài phần trăm tuỳ chi tiết nằm gần hay xa tâm khung hình. Camera không hỏng, phần mềm không sai. Vấn đề nằm ở ống kính: một ống kính thường luôn nhìn vật ở rìa khung theo góc nghiêng, nên vật càng cao càng "phình" ra. Đây là lỗi phổ biến khi mua camera trước rồi mới nghĩ tới quang học.
Bài viết đi qua bốn đại lượng quyết định một ống kính máy công nghiệp: tiêu cự, khoảng cách làm việc, vùng nhìn và độ phân giải quang học; sau đó nói về ngàm lắp, ống kính telecentric và những yếu tố môi trường xưởng mà hồ sơ kỹ thuật hay bỏ sót. Thông số lấy từ trang chính thức của Basler và Kowa tại thời điểm viết.
Bốn đại lượng ràng buộc lẫn nhau
Bốn đại lượng dưới đây không chọn riêng được, thay đổi một cái là ba cái kia đổi theo:
- Tiêu cự (focal length, ký hiệu f, đơn vị mm): quyết định camera "thu hẹp" hay "mở rộng" tầm nhìn.
- Khoảng cách làm việc (working distance, WD): từ mặt trước ống kính tới vật cần chụp, thường bị cơ khí băng tải ấn định trước.
- Vùng nhìn (field of view, FOV): kích thước thật của vùng lọt vào khung hình, tính bằng mm.
- Cỡ cảm biến (sensor format): 1/3", 1/2", 2/3", 1", 1.1"... quyết định ống kính phải phủ được vòng ảnh bao nhiêu milimét.
Quan hệ gần đúng rất đơn giản: FOV tỉ lệ thuận với cỡ cảm biến và khoảng cách làm việc, tỉ lệ nghịch với tiêu cự. Tài liệu của Basler đưa một ví dụ cụ thể: với camera dùng cảm biến IMX540 (model a2A-5328), ống kính 25 mm và khoảng cách làm việc 710 mm, vùng quan sát được là 400 x 345 mm. Tăng khoảng cách gấp đôi thì vùng nhìn cũng rộng gấp đôi; đổi sang ống 50 mm ở cùng khoảng cách thì vùng nhìn còn một nửa.
Thứ tự làm đúng là: đo vùng cần nhìn trên vật thật, đo khoảng cách cơ khí cho phép, chọn cảm biến theo độ phân giải cần thiết, rồi mới suy ra tiêu cự và tra ống kính có sẵn gần nhất. Làm ngược lại gần như luôn phải cắt gọt khung cơ khí sau đó.
Ống kính phải "phủ" hết cảm biến
Một ống kính ghi 2/3" không dùng được cho cảm biến 1" vì vòng ảnh của nó không phủ hết, ảnh sẽ tối bốn góc. Chiều ngược lại thì được: ống 1" gắn lên camera 2/3" chỉ dùng phần giữa của vòng ảnh, thường còn cho ảnh sắc nét hơn ở rìa.
| Thông số | Basler C23-2518-5M-P | Kowa LM25HC |
|---|---|---|
| Tiêu cự | 24,9 mm (±5%) | 25 mm |
| Dải khẩu | F1.8 – F16 | F1.4 – F16 |
| Ngàm | C-mount | C-mount |
| Vòng ảnh / cỡ cảm biến | 11 mm (2/3") | 1" |
| Khoảng cách vật nhỏ nhất | 0,2 m | 300 mm (không vòng nối) |
| Độ phân giải | Thiết kế cho 147 LP/mm (khoảng 5 MP) | 120 lp/mm tâm, 80 lp/mm rìa (5 MP) |
| Khối lượng | Khoảng 62 g | 135 g |
| Nhiệt độ hoạt động | Không nêu trên trang tài liệu | -10 đến +50 °C |
Hai dòng cuối bảng là chỗ chữ "công nghiệp" hiện ra. Ống kính cũng có dải nhiệt hoạt động; Kowa ghi rõ LM25HC làm việc trong khoảng -10 đến +50 °C. Đặt camera đo kích thước ngay cạnh lò sấy hay trong kho lạnh mà không kiểm tra con số này thì tiêu điểm sẽ trôi theo nhiệt độ, và bài toán đo sẽ sai theo giờ trong ngày. Khối lượng 135 g cũng không nhỏ: gắn ống kính nặng lên camera treo trên cánh tay robot rung liên tục thì ngàm phải có vòng khoá, nếu không vòng chỉnh nét sẽ tự xoay.
Ngàm C-mount: con số cần nhớ
C-mount là ngàm phổ biến nhất trong thị giác máy. Theo tài liệu của Basler, C-mount dùng ren 1"-32 UN (bước 1/32"), đường kính danh nghĩa 1 inch tức 25,4 mm, và khoảng cách mặt bích tới cảm biến (flange focal length) là 17,526 mm; ngàm này phủ được cảm biến tới cỡ 1.5", tương ứng đường chéo khoảng 20 mm.
CS-mount có cùng ren nhưng khoảng cách mặt bích chỉ 12,526 mm, tức lệch đúng 5 mm. Vì vậy một vòng nối 5 mm cho phép lắp ống kính C-mount lên camera CS-mount; chiều ngược lại không thực hiện được do kết cấu. Đây là nguyên nhân của rất nhiều đơn hàng phải trả lại: mua đúng tiêu cự nhưng sai ngàm.
Khi nào bắt buộc dùng ống kính telecentric
Với ống kính telecentric, tia chính đi từ điểm vật qua ống kính chạy song song với trục quang trong một vùng nhất định. Hệ quả thực dụng: độ phóng đại không đổi khi vật xê dịch xa gần, cạnh song song của vật vẫn song song trên ảnh, và ảnh không còn lỗi phối cảnh. Basler chia ba loại: telecentric phía vật, telecentric phía ảnh, và telecentric hai phía cho các bài đo độ chính xác cao nhất. Danh mục của hãng phủ cảm biến tới 1.2" và độ phân giải tới 21,4 MP, trong đó bản 1.2" là loại telecentric hai phía.
Đổi lại, ống kính telecentric có ba nhược điểm cần biết trước: thấu kính đầu phải lớn hơn vật cần đo nên giá tăng nhanh theo kích thước; chiều sâu trường ảnh nông, chỉ hợp với bài toán có mặt phẳng chuẩn rõ ràng; và ống dài, chiếm chỗ trong khung máy. Nhiều bản có khẩu điều chỉnh được để cân bằng giữa lượng sáng và chiều sâu trường ảnh, và bản có ghép ánh sáng đồng trục đặc biệt hợp với bề mặt nhẵn hoặc phản xạ như wafer, kính, kim loại, màn hình và vi mạch.
| Tình huống | Ống kính thường | Ống kính telecentric |
|---|---|---|
| Đọc mã, kiểm tra có/không | Phù hợp | Lãng phí |
| Đo kích thước vật dày, sai số dưới 0,1 mm | Sai theo chiều cao vật | Phù hợp |
| Vật rung, xê dịch xa gần vài mm | Độ phóng đại đổi theo | Độ phóng đại giữ nguyên |
| Bề mặt bóng, phản xạ | Cần chiếu sáng riêng | Có bản ghép sáng đồng trục |
| Vật lớn hơn 200 mm | Chi phí thấp | Chi phí tăng rất nhanh |
Nguyên tắc rút gọn: cần nhìn thấy thì dùng ống kính thường; cần đo thì cân nhắc telecentric. Cách xác định yêu cầu bài toán trước khi chọn thiết bị được trình bày thêm trong bài Làm thế nào để bạn xây dựng một hệ thống thị giác máy tính.
Độ phân giải quang học: mắt xích hay bị bỏ quên
Camera 12 MP không tự động cho ảnh 12 MP. Ống kính có giới hạn riêng, ghi bằng lp/mm (cặp vạch trên milimét). Kowa công bố LM25HC đạt 120 lp/mm ở tâm và 80 lp/mm ở rìa; Basler ghi C23-2518-5M-P được thiết kế cho 147 LP/mm, tương đương khoảng 5 MP. Ghép một ống kính 5 MP với cảm biến 12 MP thì phần dư của cảm biến chỉ ghi lại vết nhoè, trong khi dữ liệu truyền về máy tính vẫn nặng gấp đôi.
Con số đáng chú ý khác: Basler ghi C23-2518-5M-P đạt độ phân giải cao nhất tại khẩu F2.4 và tối ưu cho khoảng cách làm việc 0,5 m. Mở hết khẩu để lấy sáng thường làm giảm độ nét ở rìa; siết khẩu quá nhỏ lại gặp nhiễu xạ. Vì vậy chiếu sáng đủ mạnh là điều kiện để giữ khẩu ở vùng tối ưu, không phải là hạng mục thêm vào cho đẹp.
Bên kia ống kính vẫn là một chiếc máy tính công nghiệp
Ống kính chọn xong thì luồng dữ liệu mới bắt đầu. Camera 5 MP chạy 30 hình/giây sinh ra hơn 150 MB dữ liệu mỗi giây; máy xử lý phải có băng thông, có cổng mạng riêng cho camera, và phải sống được trong môi trường bụi dầu của xưởng. Đây là chỗ nhiều dự án hụt: quang học chuẩn, thuật toán chuẩn, nhưng máy tính đặt trong tủ kín không quạt bị treo vào buổi trưa. Cách đối chiếu cấu hình với môi trường lắp đặt được nói kỹ trong bài Hướng dẫn lựa chọn một cấu hình máy tính công nghiệp, và tổng thể một hệ thống gồm những khối gì thì xem Hệ thống thị giác máy tính hoạt động như thế nào.
IPC247 hỗ trợ gì khi bạn chọn quang học
IPC247 phân phối máy tính công nghiệp và thiết bị nhúng chạy phần mềm thị giác máy. Với một bài toán cụ thể, chúng tôi có thể cùng khách xác định vùng nhìn, khoảng cách làm việc và cỡ cảm biến để ra dải tiêu cự cần tìm, tư vấn cấu hình máy xử lý theo số camera và tốc độ khung hình, đối chiếu dải nhiệt và kiểu lắp đặt với vị trí thực tế trong xưởng, cho mượn máy demo để chạy thử thuật toán trước khi đặt hàng, và hỗ trợ kỹ thuật trong quá trình vận hành.
Câu hỏi thường gặp về ống kính camera công nghiệp
Ống kính zoom có dùng được trong dây chuyền không?
Dùng được cho giám sát, nhưng không nên dùng cho kiểm tra hay đo. Vòng zoom có thể xê dịch do rung, và chỉ cần lệch một chút là toàn bộ hiệu chuẩn kích thước sai. Bài toán cố định nên dùng ống tiêu cự cố định và khoá vòng chỉnh nét bằng vít.
Có thể dùng ống kính máy ảnh dân dụng thay ống kính công nghiệp không?
Về mặt cơ khí thường lắp được qua vòng chuyển, nhưng ống kính dân dụng không công bố lp/mm, không có vít khoá nét, không nêu dải nhiệt hoạt động và độ méo hình thường lớn hơn. Với kiểm tra ngoại quan đơn giản có thể chấp nhận; với đo kích thước thì không.
Vòng nối (extension ring) có thay được ống kính macro không?
Vòng nối kéo khoảng cách vật nhỏ nhất xuống gần hơn nên chụp được vật nhỏ hơn, nhưng đổi lại mất sáng, giảm chiều sâu trường ảnh và làm tăng méo hình ở rìa. Đây là giải pháp tạm cho mẫu thử, không phải cấu hình dùng lâu dài cho dây chuyền đo.
