English
Tư vấn
Cảm biến hình ảnh (Vision Sensors) là gì? Định nghĩa, cấu tạo & ứng dụng chi tiết
Cảm biến hình ảnh là gì?
Định nghĩa cảm biến hình ảnh (Vision Sensor)
Cảm biến hình ảnh (Vision Sensor) là một thiết bị điện tử có khả năng chuyển đổi hình ảnh quang học (ánh sáng) thành tín hiệu điện. Trong lĩnh vực tự động hóa, người ta thường gọi là Vision Sensor để chỉ các loại cảm biến tích hợp cả khả năng thu nhận và xử lý hình ảnh cơ bản để đưa ra các quyết định “Đạt/Không đạt” (OK/NG) trên dây chuyền sản xuất mà không cần máy tính ngoài.
Trong kỹ thuật, thiết bị này thường được gọi bằng các thuật ngữ sau:
- Image Sensor: Thường dùng để chỉ chip cảm biến (linh kiện điện tử như CMOS, CCD).
- Vision Sensor: Thường dùng cho các thiết bị hoàn chỉnh (All-in-one) bao gồm chip, ống kính, đèn và bộ xử lý trong công nghiệp.
- Photo-sensor: Thuật ngữ chung cho các cảm biến phản ứng với ánh sáng.
Trong các tài liệu kỹ thuật quốc tế, bạn sẽ bắt gặp thuật ngữ “Image Sensor” hoặc “Visual Sensor”. Đối với các giải pháp thị giác máy, thuật ngữ “Vision Sensor” được sử dụng phổ biến nhất để phân biệt với các loại cảm biến tiệm cận hay cảm biến laser thông thường.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến hình ảnh
Quy trình hoạt động của một sensor hình ảnh trải qua 3 giai đoạn vật lý và điện tử phức tạp:
- Thu nhận ánh sáng: Ánh sáng phản xạ từ vật thể đi qua hệ thống thấu kính (Lens) và hội tụ tại bề mặt cảm biến. Lớp vi thấu kính trên bề mặt giúp định hướng ánh sáng vào đúng vị trí nhạy sáng của pixel.
- Chuyển đổi quang điện: Các pixel (điểm ảnh) trên cảm biến thực chất là các Photodiode. Khi photon đập vào, nó giải phóng electron (hiệu ứng quang điện). Số lượng electron tỷ lệ thuận với cường độ sáng, tạo ra một bản đồ điện tích tương ứng với hình ảnh thực tế.
- Xử lý – xuất tín hiệu:
- Với CCD: Điện tích được chuyển tuần tự qua các thanh ghi để khuếch đại bên ngoài chip.
- Với CMOS: Mỗi pixel có mạch khuếch đại riêng, điện tích được chuyển thành điện áp ngay lập tức và đi qua bộ chuyển đổi ADC (Analog-to-Digital Converter) để trở thành dữ liệu số (0 và 1).
Cấu tạo của cảm biến hình ảnh
Một bộ cảm biến hình ảnh hiện đại có cấu tạo vô cùng phức tạp với kích thước siêu hiển vi, bao gồm các lớp xếp chồng lên nhau:
Cấu trúc lớp quang học
Lớp trên cùng thường là mảng các vi thấu kính (Microlens). Mục tiêu là tối đa hóa hiệu suất lượng tử (Quantum Efficiency) bằng cách gom toàn bộ ánh sáng rơi vào diện tích của một pixel vào vùng nhạy sáng hẹp, tránh thất thoát ánh sáng vào các mạch điện xung quanh.
Lớp lọc màu (Color Filter Array – CFA)
Để cảm nhận được màu sắc, cảm biến sử dụng bộ lọc màu, phổ biến nhất là Bayer Filter (với các ô màu Đỏ, Xanh lá, Xanh dương – RGB). Nếu không có lớp này, cảm biến chỉ có thể chụp ảnh đen trắng (Monochrome).
Lớp cảm quang (Photodiodes)
Đây là tầng nền silicon nơi photon chuyển hóa thành electron. Độ sâu và chất liệu của lớp này quyết định độ nhạy với các dải bước sóng ánh sáng khác nhau (ví dụ: ánh sáng nhìn thấy hoặc hồng ngoại IR).
Mạch xử lý tín hiệu
Bao gồm các bóng bán dẫn (Transistors) giúp khuếch đại tín hiệu cực nhỏ từ photodiodes, khử nhiễu (noise reduction) và truyền tải dữ liệu. Ở các cảm biến hiện đại, mạch này còn tích hợp cả logic xử lý ảnh thông minh như HDR hay lấy nét tự động.
Các thông số quan trọng cần lưu ý khi mua cảm biến hình ảnh
- Kích thước cảm biến (Sensor Size): Thường tính theo inch (ví dụ: 1/1.8″, 2/3″). Cảm biến càng lớn, diện tích đón sáng của mỗi pixel càng rộng, giúp ảnh ít nhiễu và dải động (Dynamic Range) cao hơn.
- Độ phân giải (Resolution): Tính bằng Megapixel (MP). Trong công nghiệp, không phải cứ MP cao là tốt; MP quá cao sẽ làm giảm tốc độ xử lý và kích thước pixel nhỏ đi dẫn đến nhạy sáng kém.
- Kích thước pixel (Pixel Size): Thường đo bằng Micromet (um). Pixel lớn (trên 3 um) phù hợp cho môi trường thiếu sáng hoặc robot tốc độ cao.
- Tốc độ đọc (Frame rate): Số khung hình trên giây (fps). Các ứng dụng như kiểm tra chai bia trên băng chuyền cần fps rất cao (trên 100 fps).
- Độ nhạy sáng (Sensitivity): Khả năng phản ứng với cường độ sáng thấp, đơn vị thường là Lux.
Phân loại cảm biến hình ảnh phổ biến
Cảm biến hình ảnh CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)
Đây là công nghệ thống trị thị trường hiện nay.
- Ưu điểm: Tiêu thụ ít điện năng, tích hợp được ADC và xử lý số ngay trên chip (System-on-Chip), tốc độ rất nhanh, giá thành sản xuất rẻ.
- Nhược điểm: Trước đây hay bị nhiễu và rolling shutter, nhưng hiện nay các dòng CMOS cao cấp đã có “Global Shutter” khắc phục hoàn toàn.
- Ứng dụng: Hầu hết các loại camera công nghiệp, điện thoại, máy ảnh hiện đại.
Cảm biến hình ảnh CCD (Charge-Coupled Device)
Công nghệ truyền thống dựa trên việc truyền tải điện tích “xô chậu”.
- So sánh CCD vs CMOS: CCD có độ nhạy sáng cực cao và độ nhiễu thấp, cho hình ảnh rất trong. Tuy nhiên, nó tiêu tốn nhiều năng lượng, tỏa nhiệt lớn và tốc độ chậm hơn CMOS.
- Hiện trạng: Đang dần bị thay thế bởi CMOS trừ một số ứng dụng đặc biệt.
Cảm biến hình ảnh CIS (Contact Image Sensor)
Một loại biến thể của CMOS thường dùng trong máy scan phẳng. Chúng có giá thành rất thấp nhưng độ sâu trường ảnh cực ngắn, chỉ làm việc được khi vật áp sát vào bề mặt cảm biến.
Cảm biến hình ảnh phân loại theo kích thước thường gặp
| Kích thước | Ứng dụng phổ biến |
| 1 inch | Các bài toán đo đạc kích thước yêu cầu độ chính xác cực cao. |
| 2/3 inch | Chuẩn mực cho camera công nghiệp tầm trung. |
| 1/1.8 inch | Camera giám sát an ninh (CCTV) chất lượng cao. |
| 1/3 inch | Các dòng vision sensor giá rẻ, kiểm tra lỗi đơn giản. |
Các thương hiệu cảm biến hình ảnh hàng đầu thế giới
Cảm biến hình ảnh Baumer (Thụy Sĩ)
Baumer là thương hiệu dẫn đầu về sự chính xác và độ tin cậy trong các môi trường sản xuất khắc nghiệt nhất.
- Thế mạnh công nghệ: Nổi tiếng với dòng camera công nghiệp siêu nhỏ gọn nhưng sở hữu hiệu suất cực khủng. Baumer tập trung vào độ bền với các lớp vỏ bảo vệ đạt chuẩn IP67/IP69K, chịu được nhiệt độ cao và rung động mạnh.
- Đặc điểm nổi bật: Các cảm biến của Baumer thường tích hợp công nghệ xử lý ảnh tốc độ cao ngay tại đầu cuối, giảm thiểu độ trễ dữ liệu. Đặc biệt là khả năng đồng bộ thời gian thực chuẩn xác, rất phù hợp cho các ngành dược phẩm, thực phẩm và sản xuất linh kiện bán dẫn.
- Phân khúc: Cao cấp, dành cho các doanh nghiệp yêu cầu sự ổn định tuyệt đối và tuổi thọ thiết bị dài lâu.
Cảm biến hình ảnh Cognex (Mỹ)
Được mệnh danh là “ông vua” trong lĩnh vực phần mềm và thuật toán xử lý thị giác máy.
- Đặc điểm: Cognex không chỉ bán sensor mà bán giải pháp thông minh. Các bộ Vision Sensor của Cognex tích hợp sẵn bộ công cụ thuật toán mạnh mẽ (như PatMax) giúp nhận diện vật thể ngay cả khi bị xoay, mờ hoặc biến dạng nhẹ.
- Giao diện: Cực kỳ thông minh, thân thiện, cho phép người dùng cấu hình nhanh mà không cần chuyên môn sâu về lập trình ảnh.
Cảm biến hình ảnh Sony (Nhật Bản)
Sony đóng vai trò là “gốc rễ” của ngành công nghiệp này khi là nhà sản xuất chip cảm biến (sensor chip) lớn nhất thế giới.
- Đặc điểm: Sony tập trung vào công nghệ lõi như cảm biến CMOS Pregius (Global Shutter) cho độ sắc nét tuyệt hảo. Hầu hết các hãng camera công nghiệp tên tuổi đều sử dụng linh kiện bên trong từ Sony.
- Ứng dụng: Phổ biến trong mọi thiết bị từ điện thoại dân dụng đến các hệ thống phân tích hình ảnh chuyên sâu nhất.
Cảm biến hình ảnh Keyence (Nhật Bản)
Thương hiệu chú trọng tối đa vào tính tiện dụng và hỗ trợ kỹ thuật tại hiện trường.
- Đặc điểm: Cảm biến hình ảnh của Keyence thường có thiết kế “All-in-one” cực kỳ dễ lắp đặt. Điểm mạnh nhất của hãng là quy trình cài đặt trực quan, giúp kỹ thuật viên vận hành dây chuyền có thể tự hiệu chỉnh chỉ sau vài bước hướng dẫn đơn giản.
Cảm biến hình ảnh Omron (Nhật Bản)
Thế mạnh nằm ở sự kết nối toàn diện trong hệ sinh thái tự động hóa.
- Đặc điểm: Các dòng cảm biến hình ảnh Omron được thiết kế để tương thích hoàn hảo với PLC và hệ thống robot của hãng. Điều này giúp đồng bộ hóa dữ liệu trên toàn dây chuyền sản xuất một cách mượt mà thông qua các chuẩn truyền thông công nghiệp phổ biến.
Module và bộ cảm biến hình ảnh trong hệ thống Machine Vision
Module cảm biến hình ảnh là gì?
Đây là dạng linh kiện thô dành cho các nhà phát triển thiết bị (OEM). Nó bao gồm chip sensor gắn trên một bảng mạch in (PCB) nhỏ gọn, thường tích hợp sẵn giao tiếp MIPI hoặc USB để truyền dữ liệu ảnh trực tiếp vào vi xử lý.
Bộ cảm biến hình ảnh trong hệ thống thị giác máy (Machine Vision)
Một giải pháp Vision hoàn chỉnh thường không chỉ có sensor mà là một hệ sinh thái:
- Sensor: Thu nhận hình ảnh.
- Ống kính (Lens): Quyết định góc nhìn và tiêu cự.
- Đèn chiếu sáng (Lighting): Cực kỳ quan trọng để tạo độ tương phản giữa lỗi và sản phẩm.
- Bộ xử lý (Controller): Nơi chạy thuật toán để đưa ra kết luận.
Ứng dụng thực tế của cảm biến hình ảnh trong công nghiệp
Ứng dụng trong dây chuyền sản xuất tự động
- Kiểm tra lỗi (Inspection): Phát hiện sản phẩm bị trầy xước, thiếu nắp chai, nhãn mác bị lệch.
- Nhận dạng ký tự quang học (OCR/OCV): Đọc ngày sản xuất, số lô, mã QR để quản lý kho.
- Phân loại sản phẩm (Sorting): Tách các linh kiện bị lỗi hoặc phân loại linh kiện theo màu sắc/hình dáng trên băng chuyền.
- Đo đạc kích thước (Metrology): Kiểm tra các thông số hình học của sản phẩm với độ sai số cực thấp.
Ứng dụng trong Robot công nghiệp (Robot Vision)
- Pick and Place: Cung cấp tọa độ vật thể để robot gắp chính xác dù vật nằm lộn xộn.
- Robot hàn/lắp ráp: Theo dõi đường hàn thời gian thực để điều chỉnh quỹ đạo cánh tay robot.
- Robot di động (AGV/AMR): Sử dụng cảm biến hình ảnh để nhận diện vật cản và điều hướng trong nhà kho.
Ứng dụng trong an ninh và thiết bị thông minh
Nhận diện biển số xe (ANPR), giám sát lưu lượng giao thông, phát hiện xâm nhập và nhận diện khuôn mặt tại các tòa nhà văn phòng.
So sánh Vision Sensor với Camera công nghiệp
Đây là câu hỏi khiến nhiều kỹ sư băn khoăn khi thiết kế hệ thống:
| Đặc điểm | Vision Sensor (All-in-one) | Camera công nghiệp (PC-based) |
| Cấu tạo | Tích hợp sẵn CPU, Lens, Đèn. | Chỉ có thân máy chứa sensor. |
| Xử lý | Xử lý ngay bên trong thiết bị. | Truyền dữ liệu về máy tính (PC) xử lý. |
| Độ phức tạp | Giải quyết bài toán đơn giản/vừa. | Giải quyết mọi bài toán cực khó. |
| Lắp đặt | Gọn nhẹ, dễ cài đặt. | Cồng kềnh hơn vì cần thêm PC. |
| Giá thành | Thường rẻ hơn cho một trạm lẻ. | Đắt hơn nhưng hiệu năng rất mạnh. |
Khi nào dùng Vision Sensor? Khi bạn chỉ cần kiểm tra xem sản phẩm có nắp hay chưa, nhãn có đúng không.- Khi nào dùng Camera công nghiệp? Khi bạn cần xử lý AI sâu, đo đạc nhiều thông số cùng lúc hoặc cần độ phân giải cực khủng (ví dụ 25MP – 50MP).
Cách lựa chọn cảm biến hình ảnh tối ưu nhất
- Xác định mục tiêu kiểm tra: Bạn cần đo kích thước hay chỉ cần phân loại màu?
- Khoảng cách và Trường nhìn (FOV): Vật lớn hay nhỏ, sensor đặt xa hay gần? Điều này quyết định kích thước sensor và tiêu cự lens.
- Điều kiện ánh sáng: Môi trường tối hay chói sáng? Có cần đèn chuyên dụng không?
- Tốc độ dây chuyền: Băng chuyền chạy bao nhiêu sản phẩm/phút? Sensor cần đạt tốc độ khung hình tương ứng.
- Giao tiếp hệ thống: Bạn cần xuất tín hiệu ra PLC qua Ethernet/IP, Profinet hay đơn giản là tín hiệu số (Digital I/O)?
Servo Dynamics Engineering: Nhà phân phối chính thức được ủy quyền của Baumer tại Việt Nam
Với hơn nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực tự động hóa, Servo Dynamics Engineering tự hào là nhà phân phối chính thức của Baumer và các thương hiệu Vision hàng đầu tại Việt Nam.
Chúng tôi cung cấp:
- Dòng sản phẩm cảm biến hình ảnh Baumer chính hãng.
- Dịch vụ khảo sát, tư vấn giải pháp thị giác máy tại nhà máy.
- Hỗ trợ kỹ thuật lập trình và vận hành hệ thống Vision phức tạp.
Liên hệ ngay với chúng tôi để nâng cấp “đôi mắt” cho nhà máy của bạn!
