Technical Knowledge

Polarization

ปัญหา Polarization

ปัญหาในการใช้งาน Machine vision ที่พบเจอบ่อยๆ เป็นปัญหาที่เกี่ยวกับแสงสะท้อนที่เกินความจำเป็น ทำให้ไม่สามารถมองเห็นตัวหนังสือที่อยู่บนฝาของชิ้นงาน

ลักษณะของแสง

ปกติแสงจะเดินทางเป็นเส้นตรง แต่แกนของแสง จะออกมาทุกทิศทาง ไม่ว่าจะเป็น X Y Z ซึ่งแสงสามารถเดินทางได้ 360 องศา รอบแนวแกนของแสง ไม่ว่าจะเป็นแสงพระอาทิตย์ แสงที่เกิดจาก LED หรือแสงที่มาจากแหล่งกำเนิดใดๆ ก็ตาม

เมื่อแสงตกกระทบที่ชิ้นงาน จะเกิดแสงสะท้อนขึ้นมา ที่เรียกว่า Specular Refection ซึ่งเป็นแสงที่มีมุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อนของแหล่งกำเนิด จะทำให้เกิดแสงสะท้อนเกินความจำเป็น ในกรณีที่ตรวจสอบชิ้นงานที่มีความมันวาวสูง เช่น ชิ้นงานโลหะ ชิ้นงานพวกถุงพลาสติก ชิ้นงานที่เป็นฟอยล์อลูมิเนียมต่างๆ

การทำ Polarized คืออะไร

เทคนิคที่ทำให้แสงที่เป็น unpolarized คือแสงที่มีมาหลายทิศทางให้เหลือทิศทางเดียว คือ การใส่ตัว Polarizer เข้าไป และต้องเลือกแกน ถ้าต้องการให้เหลือแค่แกนเดียว เช่น การใส่ Polarizer ที่เป็นแนวแกนตั้ง เมื่อกรองแสงแล้ว จะได้เป็นแนวแกนตั้ง ถ้าใส่แสงที่เป็นแกนนอน ผ่าน Polarizer ก็จะเป็นแกนนอน

แสงที่ก่อนจะผ่านตัว Polarization filter ซึ่งเป็นลักษณะแนวแกนตั้ง จะมาหลายทิศทาง 360 องศารอบแนวแกนเดินทิศทางของแสง ซึ่งเมื่อผ่านตัว Polarization filter ในแนวแกนตั้ง จะเหลือเพียงแกนเดียว

ในระบบ Machine vision การที่จะแก้ปัญหาแสงสะท้อน ที่เกินความจำเป็นด้วยเทคนิค Polarization คือ การใช้ตัว Polarizing film ติดอยู่ที่ตัว light source ก่อน จากนั้นจะมีตัว Polarizing filter มา block ที่เลนส์ จึงต้องใช้ 2 ตัว มีตัวทำให้แสงเป็น polarized มาก่อน และมีตัว filter เลือกแนวแกนของแสงที่จะเข้ากล้องอีกที ลักษณะของตัว Polarizing filter มีลักษณะคล้ายกับตัว adapter ที่ใส่ไว้หน้าเลนส์ สามารถเลือกแกนได้ ว่าจะเลือกแนวแกนใดที่จะให้เข้ากล้อง ซึ่งแนวแกนแต่ละแกนที่เลือกจะมีผลกับภาพที่จะปรากฏในกล้อง

หลักการทำงาน

จากแสงที่ส่องออกมาเป็นแสงที่ unpolarized เวลาผ่านตัว Polarizing film ซึ่งสามารถกำหนดทิศทางแนวแกน จากนั้นจะวิ่งมาเรื่อยๆ เมื่อตกกระทบกับชิ้นงานที่เป็นชิ้นงานที่มีความมันวาว(Diffuse material) ส่วนที่มีความมันวาวเป็นส่วนที่เป็นสีเทา(shiny surface หรือ Specular surface) ทิศทางของแสงเวลาตกกระทบชิ้นงานที่มีความมันวาวหรือ Specular surface ก็จะสะท้อนขึ้นไปในทิศทางเดียวกัน
ส่วนที่ตกกระทบที่ไม่มีความมันวาว จะสะท้อนกลับไปหลายแกน พอผ่านตัวหน้าเลนส์ ตัวหน้าเลนส์ จะเลือกว่าไม่เอาแกนไหน ตัวที่มีปัญหาคือตัวที่มีแสงเกิน(Specular lighting) ที่สะท้อนกลับไป ต้องBlock โดยวิธีการBlock คือการใช้ filter ในแนวแกนตั้ง จะอนุญาตให้เฉพาะแนวแกนแนวตั้งเข้าไป ตัวแนวแกนนอนไม่สามารถเข้าได้

ลักษณะการติดตั้งในหน้างานจริง มี light source และ Polarizer อยู่ที่หน้าเลนส์ของกล้อง

การประยุกต์ใช้งานจริงในอุตสาหกรรม คือ การใช้แสงส่องมาที่ตัวชิ้นงานที่เป็นทรงกลม ซึ่งส่วนที่ตั้งฉากกับตัว light source พอดี ก็จะมีแสงส่วนเกิน เรียกว่า Specular lighting ซึ่งจะต้องจัดการแสงนี้ออกไป โดยการใส่ filter

ลักษณะของเม็ดยา ส่วนที่เรียบและสูงที่สุดของตัวเม็ดยา จะสะท้อนแสงเข้ากล้องพอดี กำจัดได้โดยการใส่ Polarizing filter

แสงมีหลายทิศทาง ใส่filter เพื่อ Block ทิศทางที่ไม่ต้องการ

เป็นการประยุกต์ใช้งานจริงจากภาคอุตสาหกรรม โดยนำระบบเทคนิคของตัว Polarizing filter เข้าไปใช้ สามารถใช้ได้กับหลากหลายอุตสาหกรรม

หน้าตาของตัว Polarizer film กับ Polarizing filter ที่มีลักษณะติดหน้าเลนส์ จะมีส่วนที่ล็อค ใช้หมุนเพื่อเลือกองศาแนวแกนของแสงที่ต้องการจะ Block หรือต้องการผ่านเข้าไปในกล้อง

ลักษณะของมุมแสงที่ต่างกัน เพื่อให้แสงเข้ากล้อง ภาพที่ได้ก็จะต่างกัน

การใช้แสงเดียวกัน ทุกอย่างเหมือนกัน ยกเว้นองศาของตัว Polarizing filter ที่ต่างกัน โดยต่างกัน 4 องศา 0° 90° 180° 270°

จากลักษณะของการทำ Polarization ซึ่งจุดอ่อนอย่างนึงของการทำ Polarizing ก็คือ ถ้ามุมของตัวเลนส์ที่ติดอยู่หน้ากล้อง มีองศาที่เปลี่ยนไป จะทำให้ภาพเปลี่ยนไป ผู้ผลิตกล้องได้พัฒนาตัว filter เป็น Polarizer แบบดิจิตอลใส่เข้าไปที่ตัวเซ็นเซอร์ โดยการเพิ่มลักษณะของตัว Polarizer อยู่ระหว่าง เลนส์ กับ Photodiode ที่อยู่ในเซ็นเซอร์ สามารถที่จะเลือกองศาของตัว filter เช่น 90° 45° 135° หรือ 0° ได้ด้วย Software ทำให้ลดปัญหาการปรับด้วย ระบบ Manual ทำให้การตรวจสอบมีเสถียรภาพมากขึ้น ลดชิ้นส่วนการใช้ Polarizing ที่ติดอยู่หน้าเลนส์

ภาพที่ได้จากการใช้กล้องที่มี ตัวเซ็นเซอร์พิเศษ ใส่ Polarizer ที่ตัวเซ็นเซอร์ เมื่อ filter ในทิศทางที่ต่างกัน แนวแกนตั้ง แนวทะแยง และในลักษณะของแนวนอน ภาพที่ได้ก็จะต่างกัน

ตัวอย่างการประยุกต์ใช้งานของกล้อง Polarized คล้ายกับการใช้ Polarized ที่เป็นแมคคานิก สามารถช่วยลดแสงสะท้อนได้หลากหลาย Application

Polarized ที่อยู่ในกล้องที่สามารถจะตรวจสอบแรงกด และแรงเครียดที่อยู่บนพลาสติกได้

ในงาน Packaging สามารถปรับแสงสะท้อนออกไปได้ เช่นเดียวกับระบบพื้นฐาน

สรุป

ถ้าต้องการลดปัญหาที่เกี่ยวกับ แสงสะท้อนที่เกินความจำเป็น จากผิวชิ้นงานที่มีความมันวาวสูง สามารถใช้เทคนิคของ Polarization ได้ โดยมี 2 แบบ คือ แบบที่ใช้ตัว filter ไปติดที่น่าเลนส์ หรือ การใช้ตัวกล้องที่มีตัว filter อยู่ในเซ็นเซอร์ ซึ่งส่วนที่สำคัญคือการเลือก light source และการทำให้ light source เป็นแสงที่เป็น Polarized

ข้อมูลอ้างอิง

 https://www.vision-systems.com/lighting-optics/article/14068739/ uses-for-polarization-imaging-in-machine-and-computer-vision

 https://www.vision-systems.com/lighting-optics/article/ 14092924/polarization-definition-of-concepts-techniques-technologies

 https:// midopt.com/solutions/ monoch rome-imaging/glare-reduction/

 https://www.bau mer.com/sg/en/ service-su pport/technology-highlights/polarization/a/Polarization