Ánh sáng khả kiến trong hệ thống thị giác máy
Bài viết này giúp bạn hiểu rõ hơn về khả năng "nhìn" của các hệ thống thị giác máy trong dải quang phổ, từ ánh sáng khả kiến đến các bước sóng đặc biệt phục vụ mục đích công nghiệp và nghiên cứu. Hãy cân nhắc kỹ loại cảm biến và phương pháp điều chỉnh quang phổ để đạt hiệu suất tối ưu cho ứng dụng của bạn!
Ánh sáng, nói chung, bao gồm các dải phổ điện từ như tia cực tím (ultraviolet), ánh sáng khả kiến (visible light), và tia hồng ngoại (infrared). Bài viết này sẽ khám phá những ranh giới định nghĩa từng dải phổ.
Phổ khả kiến của mắt người
Độ nhạy sáng của mắt người không đồng đều trên toàn bộ các bước sóng. Độ nhạy đạt cực đại ở khoảng 555 nm trong dải ánh sáng khả kiến và giảm dần khi bước sóng di chuyển ra xa hai đầu, cuối cùng đạt mức bằng không, khi mắt không còn cảm nhận được độ sáng dù ánh sáng vẫn đi vào. Đáng chú ý, độ nhạy này có thể thay đổi theo từng cá nhân và thậm chí thay đổi theo thời gian ở một người.
Hình 1. Phổ khả kiến của mắt người
Độ hiệu quả quang phổ chuẩn (standard spectral luminous efficiency) là một thước đo chuẩn hóa về độ nhạy trung bình của mắt người đối với độ sáng. Trong biểu đồ minh họa, độ nhạy dường như bằng không ở các bước sóng dài hơn 720 nm hoặc ngắn hơn 420 nm, nhưng thực tế không hoàn toàn như vậy.
Không có ranh giới rõ ràng cho dải ánh sáng khả kiến, và ngay cả trong giới học thuật, định nghĩa về nó cũng không thống nhất. Một giới hạn phổ biến được áp dụng là từ 380 nm đến 760 nm. Dù tồn tại sự mơ hồ, việc xác định ranh giới giữa ánh sáng khả kiến và các dải phổ khác là điều cần thiết.
Tia cực tím và ánh sáng khả kiến
Các bước sóng càng ngắn thì càng mang nhiều năng lượng, khiến ánh sáng trở nên nguy hiểm hơn đối với sinh vật sống. Đôi mắt là bộ phận nhạy cảm nhất, với võng mạc (các tế bào thị giác) là vùng dễ tổn thương nhất bởi năng lượng photon mạnh từ các bước sóng ngắn như tia cực tím.
Hình 2. Tia cực tím và ánh sáng khả kiến
Các mô như giác mạc, thủy tinh thể và dịch kính đóng vai trò bảo vệ võng mạc bằng cách hấp thụ các bước sóng nguy hại này. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là tia cực tím hoàn toàn an toàn. Với liều lượng lớn, tia cực tím có thể gây tổn thương nghiêm trọng cho giác mạc và thủy tinh thể. Do đó, ranh giới giữa ánh sáng khả kiến và tia cực tím xác định mức độ an toàn cho mắt người.
Tia hồng ngoại và ánh sáng khả kiến
Như đã đề cập, mắt người không cảm nhận được độ sáng từ ánh sáng có bước sóng ngắn hơn dải ánh sáng khả kiến do sự hấp thụ của các mô như giác mạc, thủy tinh thể và dịch kính. Các bước sóng đi vào võng mạc thường nằm trong dải từ ánh sáng khả kiến đến hồng ngoại, vượt xa 1000 nm. Tuy nhiên, mắt người không thể cảm nhận ánh sáng trong dải hồng ngoại vì hai lý do chính:
- Sự hấp thụ ánh sáng hồng ngoại: Nước trong cấu tạo của mắt hấp thụ ánh sáng hồng ngoại ở bước sóng chỉ dài hơn một chút so với màu đỏ sâu mà mắt có thể nhìn thấy.
- Thiếu năng lượng kích hoạt: Ánh sáng hồng ngoại không thể kích hoạt các tế bào cảm quang trong mắt vì năng lượng của nó thấp hơn các màu trong dải ánh sáng khả kiến.
Hình 3. Tia hồng ngoại và ánh sáng khả kiến
Ngoài ra, các đặc tính phản xạ quang phổ của thực vật cũng cho thấy rõ lý do này. Đặc tính phản xạ quang phổ trong dải ánh sáng khả kiến thay đổi theo từng màu sắc, nhưng khi chuyển sang dải hồng ngoại, đường cong trên biểu đồ trở nên bằng phẳng.
Vai trò của ánh sáng khả kiến trong tự nhiên
Từ xa xưa, con người sống nhờ săn bắn động vật và hái lượm thực vật. Qua màu sắc và hình dạng của trái cây, họ có thể xác định thời điểm chín để thu hoạch. Khi trái cây chín, màu sắc của nó dần thay đổi, tức là đặc tính phản xạ quang phổ trong dải khả kiến cũng thay đổi, trong khi dải hồng ngoại hầu như không biến đổi.
Những thông tin mà con người cần để tồn tại chủ yếu tập trung trong dải ánh sáng khả kiến. Ngược lại, dải hồng ngoại mà con người không cảm nhận được không ảnh hưởng nhiều đến cuộc sống hàng ngày. Do đó, ranh giới giữa ánh sáng khả kiến và hồng ngoại là kết quả của quá trình tiến hóa của loài người.
Phổ khả kiến của hệ thống thị giác máy
Phổ khả kiến của mắt người dao động từ khoảng 380 nm đến 780 nm. Vậy “mắt” của máy, hay camera, có đặc điểm gì tương đồng?
Trong lĩnh vực thị giác máy (machine vision), các loại camera phổ biến nhất là camera CCD và CMOS. Hầu hết chúng đều sử dụng cảm biến hình ảnh với phần tử cảm quang được làm từ chất bán dẫn silicon. Phần tử cảm quang này chuyển đổi ánh sáng thành điện năng tại một giao điểm p-n. Độ nhạy của quá trình chuyển đổi quang điện phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn được sử dụng.
Các phần tử cảm quang dựa trên silicon có khả năng phát hiện ánh sáng trong dải bước sóng từ khoảng 200 nm đến 1100 nm. Tuy nhiên, việc lựa chọn cảm biến phải phù hợp với dải bước sóng mục tiêu, bởi vì cảm biến silicon có độ nhạy hạn chế với các bước sóng nằm ngoài phạm vi ánh sáng mà mắt người nhìn thấy.
Hình 4. Các phần tử cảm quang dựa trên silicon có khả năng phát hiện ánh sáng trong dải bước sóng từ khoảng 200 nm đến 1100 nm
Ngoài silicon, còn có các loại cảm biến khác để bao phủ dải tia cực tím (UV), ví dụ:
- Gallium/Phosphide (GaP)
- Gallium/Arsenide/Phosphide (GaAsP)
Trong khi đó, để xử lý dải tia hồng ngoại (IR), các cảm biến thông dụng bao gồm:
- Indium/Gallium/Arsenide (InGaAs)
- Indium Antimonide (InSb)
Như được minh họa trong hình ảnh phía trên, có rất nhiều loại phần tử cảm quang sẵn có để phục vụ cho các nhu cầu thị giác máy khác nhau, từ tia cực tím đến tia hồng ngoại. Trong nhiều trường hợp, bạn cần điều chỉnh phản ứng quang phổ của phần tử cảm quang theo ứng dụng cụ thể.
Ví dụ, khi cần đánh giá độ sáng theo cách mắt người cảm nhận, bạn phải điều chỉnh phản ứng quang phổ của cảm biến sao cho giống với đường hiệu suất ánh sáng tiêu chuẩn (λ). Điều này được thực hiện bằng cách áp dụng bộ lọc quang học có tính chất truyền dẫn phổ phù hợp cho phần tử cảm quang.
Một ví dụ khác là trong việc sử dụng đèn UV để diệt khuẩn. Một số bước sóng nhất định có khả năng tiêu diệt hoặc vô hiệu hóa vi khuẩn. Do đó, một máy đánh giá hiệu quả diệt khuẩn cần có phản ứng quang phổ tương ứng với các bước sóng này.
