Các loại nguồn sáng (lighting) và kỹ thuật chiếu sáng – Yếu tố nền tảng của Machine Vision

Ánh sáng là yếu tố nền tảng của một hệ thống Machine Vision thành công. Một hệ thống thị giác máy là một công nghệ. Nó sử dụng camera công nghiệp và các thuật toán xử lý hình ảnh. Nó thực hiện các tác vụ tự động hóa trong sản xuất công nghiệp. Việc lựa chọn các loại nguồn sáng (lighting) và kỹ thuật chiếu sáng phù hợp được coi là một thành phần quan trọng nhất. Nó làm nổi bật các đặc điểm của vật thể. Nó cung cấp dữ liệu hình ảnh cần thiết. Dữ liệu này được xử lý và phân tích. Chất lượng hình ảnh phụ thuộc trực tiếp vào nguồn sáng. Nguồn sáng kém có thể tạo ra hình ảnh nhiễu. Hình ảnh nhiễu dẫn đến kết quả phân tích không chính xác.

Các hệ thống thị giác máy không hoạt động hiệu quả khi không có ánh sáng phù hợp. Bài viết này đi sâu vào các khía cạnh của ánh sáng. Nó tập trung vào các thông số cơ bản. Nó phân tích các loại nguồn sáng phổ biến. Nó cũng giải thích các kỹ thuật chiếu sáng hiệu quả. Mục tiêu là cung cấp một hướng dẫn toàn diện. Hướng dẫn này giúp bạn lựa chọn và áp dụng ánh sáng một cách chiến lược. Việc này đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống thị giác máy.

1. Các thông số chính của nguồn sáng

Lựa chọn nguồn sáng hiệu quả đòi hỏi sự hiểu biết về các thông số cốt lõi. Các thông số này quyết định chất lượng và tính phù hợp của ánh sáng cho từng ứng dụng.

1.1. Độ sáng (Intensity)

Độ sáng là lượng ánh sáng phát ra từ một nguồn. Đơn vị đo lường là Lux hoặc Lumen. Lux đo cường độ ánh sáng chiếu trên một diện tích bề mặt. Lumen đo tổng lượng ánh sáng phát ra từ nguồn. Độ sáng ảnh hưởng đến thời gian phơi sáng của camera. Nguồn sáng có độ sáng cao cho phép thời gian phơi sáng ngắn. Thời gian phơi sáng ngắn làm giảm hiện tượng mờ ảnh. Hiện tượng này xảy ra khi vật thể di chuyển nhanh trên băng chuyền. Độ sáng phải đủ cao để làm nổi bật các đặc điểm của vật thể. Đồng thời, nó không được quá cao để tránh hiện tượng lóa. Hiện tượng lóa có thể làm mất các chi tiết quan trọng.

1.2. Màu sắc và nhiệt độ màu (Color and Color Temperature)

Màu sắc của nguồn sáng là một yếu tố quan trọng. Nó có thể làm nổi bật các đặc điểm của vật thể. Màu sắc của nguồn sáng được biểu thị bằng nhiệt độ màu. Đơn vị đo là Kelvin (K). Nguồn sáng có nhiệt độ màu thấp (dưới 3000K) tạo ra ánh sáng ấm, có màu vàng. Nguồn sáng có nhiệt độ màu cao (trên 5000K) tạo ra ánh sáng lạnh, có màu xanh. Sự lựa chọn màu sắc phụ thuộc vào màu sắc của vật thể.

• Ánh sáng màu đỏ: Thường được sử dụng để làm nổi bật các vết nứt trên vật liệu màu trắng hoặc xanh lá cây.
• Ánh sáng màu xanh: Thường được sử dụng để kiểm tra các vật thể có màu đỏ hoặc cam.
• Ánh sáng trắng: Là phổ biến nhất. Nó cung cấp ánh sáng cân bằng cho nhiều ứng dụng.

1.3. Độ đồng đều (Uniformity)

Độ đồng đều là sự phân bố ánh sáng. Nó phân bố trên toàn bộ trường nhìn (FOV). Một nguồn sáng có độ đồng đều cao đảm bảo rằng tất cả các điểm trên vật thể đều được chiếu sáng như nhau. Điều này rất quan trọng. Nó giúp tránh các sai lệch trong phân tích hình ảnh. Các vùng quá sáng hoặc quá tối có thể gây ra lỗi. Nó làm cho thuật toán khó nhận dạng các chi tiết. Độ đồng đều thấp có thể làm cho các phép đo bị sai. Nó cũng ảnh hưởng đến việc phát hiện khuyết tật.

2. Các loại nguồn sáng phổ biến trong công nghiệp

Thị trường Machine Vision có nhiều loại nguồn sáng. Mỗi loại có ưu và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn đúng loại có thể quyết định sự thành công của dự án.

2.1. Ánh sáng LED (LED Lighting)

Ánh sáng LED là loại nguồn sáng phổ biến nhất. Nó chiếm phần lớn thị trường. Nó có hiệu suất cao. Nó tiêu thụ ít năng lượng hơn so với các loại khác. Ánh sáng LED có tuổi thọ dài. Nó có thể hoạt động hàng chục nghìn giờ. Ánh sáng LED có dải màu phong phú. Các dải màu bao gồm từ UV, Visible cho đến IR. Điều này làm cho nó linh hoạt. Nó có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Ánh sáng LED có thể được kiểm soát. Nó có thể được bật/tắt nhanh chóng. Điều này lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao.

2.2. Ánh sáng halogen và sợi đốt (Halogen and Incandescent Lighting)

Ánh sáng halogen và sợi đốt là các công nghệ cũ hơn. Chúng có giá thành rẻ. Chúng tạo ra phổ ánh sáng rộng. Tuy nhiên, chúng có nhược điểm lớn. Chúng tỏa nhiệt nhiều. Điều này có thể ảnh hưởng đến vật thể cần kiểm tra. Tuổi thọ của chúng ngắn. Chúng không tiết kiệm năng lượng. Việc sử dụng chúng đang giảm dần.

2.3. Ánh sáng huỳnh quang (Fluorescent Lighting)

Ánh sáng huỳnh quang có chi phí thấp. Nó cung cấp ánh sáng phân tán đều. Tuy nhiên, nó có một nhược điểm lớn. Nó tạo ra ánh sáng nhấp nháy (flicker). Điều này có thể gây ra vấn đề. Nó có thể tạo ra các sọc trên hình ảnh. Hiện tượng này đặc biệt rõ rệt ở tốc độ phơi sáng cao.

3. Các kỹ thuật chiếu sáng (Lighting Techniques)

Lựa chọn nguồn sáng chỉ là một phần. Việc áp dụng đúng kỹ thuật chiếu sáng mới là yếu tố quyết định. Kỹ thuật chiếu sáng quyết định cách ánh sáng tương tác với vật thể.

3.1. Chiếu sáng nền (Backlighting)

Chiếu sáng nền là một kỹ thuật mạnh mẽ. Nguồn sáng được đặt phía sau vật thể. Camera và ống kính ở phía trước. Kỹ thuật này tạo ra hình ảnh nhị phân. Hình ảnh này chỉ có hai màu đen và trắng. Vật thể xuất hiện dưới dạng một cái bóng tối. Backlighting làm nổi bật đường viền và hình dạng. Nó loại bỏ các thông tin về kết cấu bề mặt. Kỹ thuật này lý tưởng cho việc đo lường kích thước chính xác. Nó cũng lý tưởng để kiểm tra hình dạng. Nó giúp phát hiện các khuyết tật trên đường viền. Ví dụ, nó có thể phát hiện các vết nứt trên gioăng cao su.

3.2. Chiếu sáng trực tiếp (Direct Lighting/Front Lighting)

Chiếu sáng trực tiếp là kỹ thuật đơn giản nhất. Nguồn sáng chiếu thẳng vào vật thể. Nguồn sáng này thường ở cùng phía với camera. Kỹ thuật này làm nổi bật các đặc điểm bề mặt. Nó làm nổi bật kết cấu. Nó làm nổi bật các vết lõm. Nó được sử dụng để đọc mã vạch. Nó được dùng để kiểm tra ký tự. Nó cũng được dùng để phát hiện vết xước. Kỹ thuật này có thể gây ra các điểm chói. Các điểm chói này xuất hiện trên các bề mặt bóng.

3.3. Chiếu sáng đồng trục (Coaxial Lighting)

Chiếu sáng đồng trục là một kỹ thuật tiên tiến. Ánh sáng được truyền qua một kính bán mạ. Nó được truyền song song với trục quang của ống kính. Kỹ thuật này rất hiệu quả. Nó giảm thiểu độ chói trên các bề mặt phản xạ cao. Các bề mặt này bao gồm kim loại và thủy tinh. Kỹ thuật này đảm bảo ánh sáng đồng đều. Nó không tạo ra bóng đổ. Nó rất lý tưởng để kiểm tra vi mạch (PCB). Nó cũng lý tưởng để kiểm tra bề mặt gương và màn hình LCD.

3.4. Chiếu sáng vòm (Dome Lighting)

Chiếu sáng vòm là một kỹ thuật cung cấp ánh sáng khuếch tán. Nguồn sáng được đặt trong một cấu trúc hình vòm. Ánh sáng được phản xạ và phân tán. Nó chiếu sáng vật thể từ mọi góc độ. Kỹ thuật này loại bỏ bóng đổ. Nó tạo ra ánh sáng mềm mại và đồng đều. Chiếu sáng vòm lý tưởng để kiểm tra vật thể. Các vật thể này có bề mặt cong, bóng bẩy hoặc có hình dạng phức tạp. Nó rất phù hợp cho việc kiểm tra bao bì. Nó cũng phù hợp để kiểm tra bề mặt của các vật thể nhựa.

3.5. Chiếu sáng trường tối (Dark Field Lighting)

Chiếu sáng trường tối là một kỹ thuật tinh vi. Nguồn sáng chiếu vào vật thể từ một góc thấp. Ánh sáng đi ngang qua cảm biến. Các bề mặt hoàn hảo sẽ không phản xạ ánh sáng. Chúng sẽ xuất hiện tối. Các khuyết tật nhỏ trên bề mặt sẽ làm tán xạ ánh sáng. Chúng sẽ xuất hiện dưới dạng các điểm sáng. Kỹ thuật này làm nổi bật các khuyết tật nhỏ. Các khuyết tật này bao gồm vết nứt và vết trầy. Kỹ thuật này rất hữu ích trong việc kiểm tra các bề mặt tinh vi.

Kỹ thuật chiếu sáng	Mục đích chính	Ưu điểm	Nhược điểm
Chiếu sáng nền (Backlighting)	Làm nổi bật đường viền và hình dạng	Độ tương phản cao, hình ảnh nhị phân rõ ràng	Không làm nổi bật các đặc điểm bề mặt
Chiếu sáng trực tiếp (Direct Lighting)	Làm nổi bật kết cấu bề mặt	Đơn giản, dễ cài đặt	Gây ra bóng đổ và điểm chói
Chiếu sáng đồng trục (Coaxial Lighting)	Giảm thiểu chói trên bề mặt phản xạ cao	Ánh sáng đồng đều, loại bỏ chói	Chi phí cao, không hiệu quả với bề mặt mờ
Chiếu sáng vòm (Dome Lighting)	Loại bỏ bóng đổ, ánh sáng khuếch tán	Ánh sáng đồng đều, phù hợp vật thể phức tạp	Cồng kềnh, giá cao, ít ánh sáng
Chiếu sáng trường tối (Dark Field Lighting)	Làm nổi bật các khuyết tật nhỏ	Phát hiện vết nứt, vết xước tinh vi	Không phù hợp cho việc đo kích thước

4. Quy trình lựa chọn nguồn sáng phù hợp

Lựa chọn nguồn sáng phù hợp là một quy trình có hệ thống. Nó bao gồm nhiều bước.

4.1. Xác định mục tiêu của ứng dụng

Mục tiêu của ứng dụng là gì? Bạn cần xác định mục đích cuối cùng của hệ thống.

• Mục tiêu là phát hiện sự hiện diện hay vắng mặt của một vật thể?
• Mục tiêu là đo lường chính xác kích thước của một chi tiết?
• Mục tiêu là phân loại sản phẩm dựa trên màu sắc hoặc kết cấu?

Mỗi mục tiêu yêu cầu một kỹ thuật chiếu sáng khác nhau.

4.2. Phân tích đặc điểm vật thể

Bạn phải phân tích vật thể.

• Màu sắc: Vật thể có màu sắc gì? Điều này ảnh hưởng đến việc lựa chọn màu sắc của nguồn sáng.
• Hình dạng: Vật thể có hình dạng phức tạp không? Vật thể có bề mặt cong không?
• Kết cấu bề mặt: Bề mặt của vật thể bóng, mờ hay thô?
• Độ phản xạ: Vật thể có phản xạ ánh sáng nhiều không?

4.3. Lựa chọn loại ánh sáng và kỹ thuật chiếu sáng phù hợp nhất

Dựa trên mục tiêu và đặc điểm vật thể, bạn sẽ chọn loại ánh sáng.

• Để đo lường chính xác kích thước, chiếu sáng nền (Backlighting) là lựa chọn hàng đầu.
• Để kiểm tra vi mạch, chiếu sáng đồng trục (Coaxial Lighting) là lựa chọn lý tưởng.
• Để phát hiện vết xước trên bề mặt, chiếu sáng trường tối (Dark Field Lighting) là phương pháp hiệu quả.

4.4. Thử nghiệm với các nguồn sáng khác nhau

Thử nghiệm là bước quan trọng nhất. Lý thuyết không thể thay thế thực hành. Bạn nên thử nghiệm với các nguồn sáng khác nhau. Bạn nên điều chỉnh các thông số. Điều này giúp bạn tìm ra giải pháp tối ưu. Nó giúp bạn đảm bảo chất lượng hình ảnh tốt nhất.

5. Kết luận

Ánh sáng là một thành phần không thể thiếu. Nó là một yếu tố quyết định sự thành công của hệ thống Machine Vision. Việc lựa chọn các loại nguồn sáng (lighting) và kỹ thuật chiếu sáng phù hợp là chìa khóa. Nó giúp giải quyết các thách thức trong sản xuất công nghiệp. Nó đảm bảo đo lường chính xác và hiệu suất cao. Sự hiểu biết sâu sắc về các loại ánh sáng và cách chúng tương tác với vật thể là rất quan trọng. Để tối ưu hóa hiệu suất, các chuyên gia Machine Vision thường kết hợp nhiều kỹ thuật. Ví dụ, họ có thể sử dụng chiếu sáng vòm để loại bỏ bóng đổ. Đồng thời, họ sử dụng chiếu sáng trường tối để làm nổi bật các khuyết tật nhỏ.