#3 Kiến thức cơ bản về ống kính camera công nghiệp

I. Nguyên lý làm việc

Trong hệ thống thị giác máy, ống kính đóng vai trò chính trong việc hội tụ ánh sáng từ vật thể và tạo ảnh trên bề mặt cảm quang của cảm biến camera. Chất lượng ống kính ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hình ảnh, từ đó tác động đến hiệu suất tổng thể của hệ thống. Do đó, việc lựa chọn ống kính phù hợp là một bước quan trọng trong thiết kế hệ thống thị giác máy.

Nguyên lý tạo ảnh của ống kính dựa trên thấu kính hội tụ. Thông qua một tổ hợp nhiều thấu kính, ánh sáng từ vật thể được hội tụ và tạo ảnh trên mặt phẳng ảnh (trùng với bề mặt cảm biến). Cụm thấu kính có nhiệm vụ hiệu chỉnh các hiện tượng suy giảm chất lượng ảnh như méo hình, quang sai màu và độ cong trường ảnh, giúp thu được hình ảnh chính xác và rõ nét hơn.

Mô hình tạo ảnh lý tưởng của ống kính là mô hình thấu kính mỏng. Trong mô hình này, độ dày thực tế của thấu kính bị bỏ qua trong các tính toán, làm cho các công thức quang học trở nên đơn giản hơn, giúp việc phân tích và tính toán các thông số của hệ thống thị giác dễ dàng hơn.

II. Thành phần cấu thành

Cấu trúc của ống kính có thể được chia thành hai phần: phần quang học và phần cơ khí, như minh họa trong hình. Phần quang học bao gồm cụm thấu kính và khẩu độ; phần cơ khí bao gồm vòng khẩu độ, vòng lấy nét, vít khóa và khung cố định. Bề mặt của cụm thấu kính thường được phủ lớp vật liệu chống phản xạ và tăng truyền sáng (Anti-Reflection, AR) hoặc lớp phủ mờ đặc biệt. Cả hai loại lớp phủ này đều nhằm mục đích tăng khả năng truyền ánh sáng, từ đó nâng cao hiệu suất thu nhận ánh sáng của camera.

1. Khẩu độ
   Khẩu độ điều chỉnh lượng ánh sáng đi vào ống kính và được biểu thị bằng hệ số khẩu độ. Hệ số này là tỷ lệ giữa tiêu cự của ống kính và đường kính đồng tử vào của hệ thống ống kính, thường ký hiệu là f/#. Hệ số khẩu độ càng lớn, độ mở của khẩu độ càng nhỏ, dẫn đến lượng ánh sáng đi vào ống kính càng ít, như minh họa trong hình dưới đây.

   

2. Vòng khẩu độ
   Vòng khẩu độ kết nối với cơ cấu khẩu độ có thể điều chỉnh bên trong ống kính. Cơ cấu này là một lỗ chắn sáng có dạng đa giác hoặc hình tròn, được tạo thành từ nhiều lá kim loại mỏng hình cung chồng lên nhau. Khi xoay vòng điều chỉnh, các lá khẩu sẽ đóng hoặc mở để thay đổi kích thước lỗ chắn sáng, từ đó điều chỉnh lượng ánh sáng đi qua ống kính.

3. Vòng chỉnh nét
   Vòng lấy nét điều chỉnh mặt phẳng hội tụ của ống kính để đảm bảo hình ảnh rõ nét. Khi xoay vòng lấy nét, vị trí các thấu kính bên trong ống kính thay đổi, giúp mặt phẳng ảnh trùng với bề mặt cảm biến của camera. Nếu lấy nét không chính xác, hình ảnh sẽ bị mờ, làm giảm chất lượng hiển thị.

4. khoảng cách mặt bích
   Như minh họa trong hình dưới đây, khoảng cách mặt bích (Flange Focal Distance) là khoảng cách từ mặt bích của ống kính đến mặt phẳng tạo ảnh (cảm biến/chip). Khoảng cách hậu tiêu (Back Focal Length) được chia thành hậu tiêu cơ khí và hậu tiêu quang học. Hậu tiêu cơ khí là khoảng cách từ bề mặt cơ khí cuối cùng của ống kính đến mặt phẳng tạo ảnh, trong khi hậu tiêu quang học là khoảng cách từ đỉnh bề mặt của thấu kính cuối cùng trong ống kính đến mặt phẳng tạo ảnh.

   

   Như minh họa trong bảng dưới đây, khoảng cách mặt bích (Flange Focal Distance) là khoảng cách từ mặt bích của ống kính đến mặt phẳng tạo ảnh (cảm biến/chip). Khoảng cách hậu tiêu (Back Focal Length) được phân thành hậu tiêu cơ khí và hậu tiêu quang học. Hậu tiêu cơ khí là khoảng cách từ bề mặt cơ khí cuối cùng của ống kính đến mặt phẳng tạo ảnh, trong khi hậu tiêu quang học là khoảng cách từ đỉnh bề mặt của thấu kính cuối cùng trong ống kính đến mặt phẳng tạo ảnh.

   

III. Thông số kỹ thuật

1. Tiêu điểm và Tiêu cự
   Tiêu điểm (Focus) là điểm mà các tia sáng song song với trục quang học của ống kính hội tụ lại sau khi đi qua thấu kính hội tụ. Đối với một thấu kính đơn, tiêu cự (Focal Length) là khoảng cách từ tâm quang học của thấu kính đến tiêu điểm. Đối với một ống kính được cấu tạo từ nhiều thấu kính, tiêu cự là khoảng cách từ mặt phẳng chính phía ảnh (Image-side Principal Plane) đến tiêu điểm.

2. Độ sâu trường ảnh
   Độ sâu trường ảnh là khoảng cách mà vật thể có thể di chuyển về phía trước hoặc phía sau mặt phẳng lấy nét tối ưu trong khi ống kính vẫn giữ nguyên trạng thái lấy nét. Khi các cấu hình khác không thay đổi, khẩu độ càng nhỏ thì độ sâu trường ảnh càng lớn; tiêu cự càng dài thì độ sâu trường ảnh càng lớn; khoảng cách làm việc càng xa thì độ sâu trường ảnh càng lớn; kích thước pixel càng lớn thì độ sâu trường ảnh càng lớn. Tuy nhiên, không phải mọi hạng mục kiểm tra đều cần độ sâu trường ảnh lớn. Ví dụ, khi tăng độ sâu trường ảnh bằng cách điều chỉnh khẩu độ, lượng ánh sáng qua ống kính sẽ giảm khi khẩu độ thu nhỏ, làm giảm chất lượng hình ảnh. Do đó, cần lựa chọn phù hợp với điều kiện và yêu cầu thực tế.
   Độ sâu trường ảnh của ống kính được đo bằng thước đo độ sâu trường ảnh, như minh họa trong Hình a. Trên thước có các vạch chia được phân bố theo một quy luật nhất định. Khi chụp ảnh bằng camera, các vạch chia trên ảnh sẽ hiển thị đồng đều như trong Hình b và Hình c. Phạm vi rõ nét tương ứng với các vạch chia trên thước đo chính là độ sâu trường ảnh của ống kính.

   

3. Khoảng cách làm việc
   Khoảng cách làm việc (Working Distance) là khoảng cách từ vật thể cần kiểm tra đến điểm ngoài cùng phía trước của ống kính khi hình ảnh được lấy nét rõ ràng. Khi lựa chọn ống kính, cần xem xét liệu khoảng cách làm việc có đáp ứng được không gian lắp đặt tại hiện trường hay không. Trong các điều kiện làm việc đặc biệt như môi trường nhiệt độ cao hoặc có mức độ nguy hiểm cao, để bảo vệ ống kính, nên lựa chọn khoảng cách làm việc càng lớn càng tốt.

4. Trường nhìn và góc nhìn
   Trường nhìn (Field of View - FOV), còn gọi là vùng quan sát, là khu vực nhìn thấy được của vật thể cần quan sát. Thị trường nhìn được chia thành trường nhìn theo chiều ngang và trường nhìn theo chiều dọc, tương ứng với chiều dài và chiều rộng của vùng quan sát. Tỷ lệ giữa chiều dài và chiều rộng của thị trường nhìn bằng tỷ lệ kích thước của cảm biến camera, đồng thời cũng bằng tỷ lệ giữa số pixel theo chiều ngang và chiều dọc của hình ảnh. Khi lựa chọn thị trường nhìn, theo kinh nghiệm thực tế, kích thước thị trường nhìn thường được thiết kế bằng khoảng 120% kích thước của đối tượng cần kiểm tra. Ngoài ra, thị trường nhìn còn liên quan đến các yếu tố như vị trí lắp đặt và sai số dịch chuyển của vật thể. Góc nhìn (Field of View Angle) là góc tạo bởi các tia biên của vùng quan sát với tâm của mặt phẳng chính phía ảnh của ống kính. Sơ đồ minh họa về thị trường nhìn và góc nhìn được thể hiện trong hình.

   

5. Biến dạng
   Biến dạng ảnh (Distortion) là hiện tượng hình ảnh của vật thể bị biến dạng sau khi đi qua ống kính. Hiện tượng này xảy ra do độ phóng đại tại các vị trí khác nhau trong trường nhìn không đồng nhất. Biến dạng chỉ ảnh hưởng đến hình dạng hình học của ảnh, không ảnh hưởng đến độ sắc nét hay lượng thông tin chi tiết của hình ảnh, do đó có thể được hiệu chỉnh thông qua quá trình hiệu chuẩn (calibration) bằng phần mềm thị giác máy. Các dạng biến dạng phổ biến gồm biến dạng thùng (Barrel Distortion) và biến dạng gối (Pincushion Distortion), như minh họa trong hình dưới đây. Có bốn phương pháp chính để giảm biến dạng, bao gồm: sử dụng ống kính có độ biến dạng thấp, thực hiện hiệu chuẩn (calibration), hiệu chỉnh méo ảnh bằng phần mềm và sử dụng ống kính có tiêu cự dài hơn trong trường hợp trường nhìn (FOV) không thay đổi.

   

6. Kích thước cảm biến tương thích tối đa
   Tất cả các ống kính chỉ có thể tạo ảnh rõ nét trong một phạm vi nhất định. Kích thước cảm biến tương thích tối đa là phạm vi tạo ảnh rõ nét lớn nhất mà ống kính có thể hỗ trợ. Khi lựa chọn camera và ống kính, kích thước cảm biến tương thích tối đa của ống kính phải lớn hơn hoặc bằng kích thước cảm biến của camera được sử dụng. Như minh họa trong Hình a, vùng ảnh mà ống kính tạo ra có dạng hình tròn, chỉ những tia sáng nằm trong vùng tròn này mới có thể đi qua ống kính và được camera thu nhận, khi đó hình ảnh sẽ hiển thị bình thường. Nếu kích thước cảm biến của camera quá lớn và vượt ra ngoài vùng tạo ảnh của ống kính, các góc của cảm biến sẽ không nhận được ánh sáng, dẫn đến hiện tượng các góc ảnh bị tối hoặc chuyển sang màu đen, như minh họa trong Hình b.

1. Độ phân giải
   Độ phân giải của ống kính là số cặp vạch đen trắng xen kẽ mà ống kính có thể phân biệt được trong phạm vi 1 mm trên mặt phẳng ảnh. Thông số này thường được biểu thị bằng đơn vị cặp đường trên milimét (lp/mm - line pairs per millimeter). Độ phân giải của ống kính có thể được đo bằng bảng kiểm tra độ phân giải (Resolution Test Chart). Một số loại bảng kiểm tra độ phân giải thường dùng được minh họa trong hình dưới đây.

   

2. Độ phóng đại
   Độ phóng đại của ống kính (Magnification) được định nghĩa là tỷ lệ giữa kích thước cảm biến của camera và kích thước trường nhìn (FOV), đồng thời xấp xỉ bằng tỷ số giữa khoảng cách ảnh và khoảng cách vật. Đối với các ống kính có tiêu cự cố định, độ phóng đại không phải là một giá trị cố định mà có thể thay đổi. Khi khoảng cách làm việc (Working Distance) thay đổi, kích thước trường nhìn cũng sẽ thay đổi theo, và do đó độ phóng đại của ống kính cũng thay đổi tương ứng.

IV. Tính chọn ống kính

Việc lựa chọn ống kính sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác và độ tin cậy của kết quả đo lường. Lựa chọn đúng loại ống kính phù hợp với từng nhiệm vụ đo kiểm cụ thể có thể nâng cao độ chính xác cũng như hiệu quả của quá trình đo. Quy trình lựa chọn ống kính thông thường như sau:

1）Xác định yêu cầu ứng dụng (trường nhìn, độ chính xác, chiều cao lắp đặt, đối tượng cần kiểm tra có chuyển động hay không, v.v.).

2）Xác định loại camera và giao diện kết nối, chẳng hạn sử dụng camera area scan hay camera line scan.

3）Tính toán các thông số quang học quan trọng dựa trên yêu cầu của ứng dụng.

4）Thực hiện ghép nối độ phân giải. Trong các ứng dụng thực tế, cần đảm bảo độ phân giải của ống kính không thấp hơn độ phân giải của camera.

5）Đáp ứng yêu cầu về độ sâu trường ảnh (DOF). Đối với các ứng dụng yêu cầu độ sâu trường ảnh lớn, nên sử dụng khẩu độ nhỏ trong phạm vi cho phép. Do có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ sâu trường ảnh và tiêu chí đánh giá cũng mang tính tương đối, việc tính toán cụ thể cần được thực hiện dựa trên điều kiện sử dụng thực tế.

6）Chú ý đến sự phối hợp với nguồn sáng và lựa chọn ống kính phù hợp. Ví dụ, trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao hoặc đo lường kích thước chính xác, nên sử dụng ống kính telecentric kết hợp với nguồn sáng telecentric, hoặc sử dụng ống kính tiêu cự cố định phù hợp.

7）Xem xét không gian lắp đặt thực tế, đảm bảo kích thước và khoảng cách làm việc của ống kính phù hợp với điều kiện lắp đặt của hệ thống.

Khi tính toán các tham số hiệu năng quang học, mối quan hệ giữa các thông số như khoảng cách làm việc (Working Distance), kích thước cảm biến (Sensor Size) và độ phân giải (Resolution) có thể được ước tính như sau:

Dưới đây là một ví dụ minh họa cho phương pháp tính toán các thông số quang học. Trong một ứng dụng kiểm tra, yêu cầu trường nhìn (FOV) là 180 mm × 135 mm, kích thước cảm biến của camera là 1 inch (12.8 mm × 9.6 mm), kích thước pixel là 3.5 μm, giao diện camera sử dụng ngàm C (C-Mount) và yêu cầu khoảng cách làm việc nhỏ hơn 800 mm. Quy trình tính toán cụ thể như sau:

1. Theo công thức tính tiêu cự, ta có:

$$f= \frac{\text{Khoảng cách làm việc}} {\left( \frac{\text{Kích thước trường nhìn theo chiều ngang }(V)} {\text{Kích thước cảm biến theo chiều ngang }(V)} \right)} = \frac{800,\mathrm{mm}} {\left( \frac{180,\mathrm{mm}} {12.8,\mathrm{mm}} \right)} = 56.89,\mathrm{mm}$$

1. Chọn tiêu cự gần nhất là 50 mm. Dựa trên tiêu cự đã chọn, tính lại khoảng cách làm việc mới:

   

   Khoảng cách làm việc tính được nhỏ hơn 800 mm, vì vậy tiêu cự đã chọn là khả thi.

2. Thực hiện đối sánh pixel, dựa trên các thông số nêu trên, yêu cầu về số pixel được tính toán như sau:

   $$\text{Số pixel} = \frac{12.8,\mathrm{mm}} {3.5\times10^{-3},\mathrm{mm}} \times \frac{9.6,\mathrm{mm}} {3.5\times10^{-3},\mathrm{mm}} = 1.00\times10^{7} \ \text{pixel}$$

   Theo kết quả tính toán, khuyến nghị sử dụng ống kính cố định (Fixed Focus Lens) dòng 10 MP.

3. Xác định giao diện kết nối
   Lựa chọn ngàm C (C-Mount) làm giao diện kết nối giữa camera và ống kính.

4. Lựa chọn camera
   Dựa trên các thông số đã xác định ở trên (trường nhìn, khoảng cách làm việc, kích thước cảm biến, kích thước pixel và giao diện C-Mount), tiến hành lựa chọn model camera phù hợp với yêu cầu của ứng dụng.

---

Trên đây là những kiến thức cơ bản về ống kính công nghiệp, bao gồm nguyên lý tạo ảnh, cấu tạo, các thông số kỹ thuật quan trọng và phương pháp lựa chọn ống kính trong hệ thống thị giác máy.

Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu về nguồn sáng công nghiệp – thành phần có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng hình ảnh và thường được xem là yếu tố quyết định hiệu quả của một hệ thống thị giác máy

Bài viết được tổng hợp từ nhiều tài liệu và nguồn tham khảo về Machine Vision do Chùy Tử sưu tầm và biên soạn.

Bài viết có thể còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý của mọi người

Link tài liệu Vision:

Driver AE Vision

Nhóm Zalo thảo luận AE Vision: