Iluminadores LED de retroiluminación: una guía práctica para la inspección de siluetas y por transmisión

La iluminación por retroiluminación coloca la fuente de luz detrás del objeto que se está inspeccionando y la dirige hacia la cámara. El objeto se ve como una silueta oscura sobre un fondo brillante y uniforme. Esta técnica genera algunas de las imágenes con mayor contraste que se pueden conseguir en la Visión Artificial, lo que la hace ideal para la Medición Dimensional, la detección de bordes y la Inspección en modo de transmisión de materiales transparentes o semitransparentes.

A diferencia de las técnicas de iluminación reflejada, en las que la textura, el color y la reflectancia de la superficie determinan la imagen, la imagen de silueta con retroiluminación es prácticamente insensible a las propiedades superficiales del objeto. El contorno del objeto viene determinado por el límite entre el fondo claro y la silueta oscura del objeto. Ese límite es nítido, de alto contraste y repetible en diferentes lotes y acabados superficiales del mismo tipo de pieza.

Cómo funciona la retroiluminación

Un iluminador de retroiluminación está formado por una matriz de LED y un panel difusor. Los LED generan la iluminación y el difusor distribuye la luz de cada uno de los emisores LED para crear una fuente de luz uniforme y extendida. El objeto se coloca entre el difusor y la cámara. La cámara capta el difusor a través del objeto, viendo el difusor brillante donde el objeto no bloquea la luz y una silueta oscura donde el objeto está presente.

El parámetro clave de rendimiento de una retroiluminación es la uniformidad de la luminancia. La uniformidad describe el grado de consistencia del brillo en toda la zona activa de la retroiluminación. Una uniformidad del 95 % significa que el punto más oscuro de la superficie activa tiene, como mínimo, un 95 % del brillo del punto más brillante. Una alta uniformidad es esencial para una detección precisa de los bordes, ya que un fondo no uniforme crea gradientes de brillo aparentes que desplazan la posición percibida del borde.

Modo silueta frente a modo de transmisión

Los iluminadores de retroiluminación ofrecen dos modos de inspección distintos: el modo de silueta y el modo de transmisión.

Modo Silueta: medición dimensional y detección de bordes

En el modo de silueta, el objeto es opaco y la inspección se basa en el contorno del objeto sobre un fondo brillante. La cámara mide la posición de los bordes de la silueta para calcular las dimensiones del objeto. Esto sirve para la inspección de «apto/no apto» de piezas mecanizadas, la medición del diámetro de componentes cilíndricos, la medición del perfil de piezas estampadas o moldeadas y la detección de elementos que faltan, como agujeros o lengüetas.

El modo de silueta es muy preciso porque el contraste de los bordes es muy alto. Los algoritmos de detección de bordes a nivel de subpíxeles pueden localizar la posición de un borde con una precisión superior a 0,1 píxeles en condiciones de buena iluminación. Para una cámara con un tamaño de píxel equivalente a 10 micrómetros en el plano del objeto, eso significa una repetibilidad en la Medición Dimensional superior a 1 micrómetro.

Modo de transmisión: materiales transparentes y semitransparentes

En el modo de transmisión, el objeto deja pasar parte de la retroiluminación. La cámara detecta variaciones espaciales en la intensidad transmitida, lo que permite detectar características internas, inclusiones, impurezas o defectos estructurales que afectan a la transmisión. Esto sirve para inspeccionar láminas de vidrio, películas de plástico, comprimidos farmacéuticos y obleas de semiconductores.

La inspección en modo de transmisión requiere una retroiluminación con una uniformidad muy alta, ya que cualquier irregularidad en la iluminación de fondo se interpreta como una característica del objeto. La longitud de onda de la iluminación también puede ser importante. Algunos defectos en materiales transparentes solo se ven a longitudes de onda específicas. Las retroiluminaciones de la serie BL de Roder Vision están disponibles en varias longitudes de onda, como UV, azul, verde, rojo e Infrarrojo Cercano, para permitir la inspección por transmisión específica para cada longitud de onda.

Tipos de difusores y su efecto en la uniformidad

El difusor es el elemento óptico que determina la uniformidad de la retroiluminación. En las retroiluminaciones para la Visión Artificial se utilizan tres tipos principales de difusores.

Difusores Opal

Los difusores opalinos son paneles blancos translúcidos que dispersan la luz mediante difusión volumétrica. Ofrecen una iluminación suave y uniforme, pero reducen la luminancia total, ya que gran parte de la luz se dispersa hacia atrás, en dirección a la fuente LED, en lugar de hacia delante, hacia la cámara. Los difusores opalinos son económicos y ofrecen una uniformidad excelente, aunque con un brillo general menor que el de los diseños de difusores directos o específicos.

Difusores de diseño

Los difusores de diseño utilizan superficies microópticas estructuradas para controlar la distribución angular de la luz emitida con mayor precisión que los difusores opalinos. Pueden alcanzar una mayor uniformidad a una luminancia más alta que los diseños opalinos, ya que dirigen una mayor parte de la luz disponible hacia delante. Los difusores de diseño se utilizan en las retroiluminaciones de la serie BL de alta uniformidad de Roder Vision, donde tanto el brillo como la uniformidad son fundamentales.

Diseños de Iluminación Directa

Algunos diseños de retroiluminación usan una matriz de LED de alta densidad sin difusor independiente, y se basan, en cambio, en la estrecha separación entre los emisores y una distancia de trabajo corta para conseguir una uniformidad aceptable. Estos diseños alcanzan picos de luminancia más altos que los diseños difusos, pero suelen tener una uniformidad menor. Son adecuados para casos en los que el brillo máximo es el requisito principal y la uniformidad es secundaria.

Especificaciones de uniformidad: qué significan los números

La uniformidad de la retroiluminación se expresa en porcentaje. Los valores más habituales son una uniformidad del 90 %, 95 % y 98 %. Estos valores indican la relación entre la luminancia mínima y la máxima medida en toda la zona activa de la retroiluminación, expresada en porcentaje.

En las aplicaciones de medición dimensional, una uniformidad inferior al 90 % suele ser un problema. La posición aparente del borde cambia a medida que varía el brillo del fondo. Una variación del 10 % en la uniformidad puede provocar errores de posición del borde de varios píxeles en una transición de claro a oscuro, dependiendo del algoritmo de detección de bordes que se utilice.

Para la inspección en modo de transmisión de materiales transparentes, normalmente se requiere una uniformidad del 95 % o superior. Las características que reducen la transmisión solo en un pequeño porcentaje deben seguir siendo detectables sobre un fondo uniforme. Si el propio fondo varía un 5 % o más, las pequeñas anomalías en la transmisión se vuelven difíciles de distinguir de la falta de uniformidad del fondo.

Cómo elegir el tamaño adecuado de una Retroiluminación para tu aplicación

Área activa y Campo de Visión

El área activa de la retroiluminación tiene que ser, como mínimo, tan grande como el Campo de Visión de la cámara en el plano del objeto. Si alguna parte del Campo de Visión de la cámara queda fuera del área activa de la retroiluminación, esa zona de la imagen se ve oscura, lo que hace imposible detectar los bordes del objeto en ese punto.

En la práctica, el área activa de la retroiluminación debería ser más grande que el Campo de Visión, con un margen que cubra las tolerancias de alineación óptica y la zona de penumbra en los bordes de la retroiluminación, donde la uniformidad puede ser menor. Lo habitual es un margen del 10 % al 20 % a cada lado.

Distancia de Trabajo y aumento

El objeto suele colocarse cerca de la superficie de la retroiluminación para reducir los efectos de penumbra en los bordes del objeto. La penumbra se produce porque la retroiluminación es una fuente de área extendida. Las distintas partes de la fuente iluminan el objeto desde ángulos ligeramente diferentes, por lo que en el borde del objeto la transición de la zona iluminada a la zona en sombra es gradual, en lugar de brusca. Esa transición gradual —la penumbra— reduce la nitidez de los bordes y la precisión de la medición.

Si colocas el objeto lo más cerca posible de la superficie de retroiluminación, la anchura de la penumbra se reduce al mínimo. Para aplicaciones de medición de alta precisión, la distancia entre el objeto y la retroiluminación debería ser inferior a 10 mm siempre que sea posible.

Retroiluminación de múltiples longitudes de onda para la inspección por transmisión

Algunas aplicaciones de inspección de la transmisión se benefician de la iluminación en longitudes de onda específicas en lugar de la luz blanca. Los defectos en el vidrio pueden verse mejor en longitudes de onda ultravioleta o azules. Las inclusiones de película plástica pueden ofrecer un mejor contraste en longitudes de onda del Infrarrojo Cercano, donde la película es parcialmente transparente. La inspección de comprimidos farmacéuticos puede utilizar longitudes de onda específicas en las que el principio activo tenga características de absorción distintivas.

Las retroiluminaciones de la serie BL de Roder Vision están disponibles en varias longitudes de onda individuales, así como en blanco. Esto permite al ingeniero elegir la longitud de onda que maximice el contraste del defecto en cuestión en la imagen de transmisión. Junto con la retroiluminación específica para cada longitud de onda, hay que especificar una cámara con la sensibilidad espectral adecuada: sensibilidad mejorada al azul para iluminación UV o azul, o un Sensor sensible al NIR para iluminación NIR.

Integración con sistemas de cintas transportadoras

Los iluminadores de retroiluminación para la inspección en línea en sistemas de cinta transportadora suelen montarse debajo de la cinta. La cinta tiene que ser transparente o tener una sección transparente alineada con la zona de inspección. El objeto pasa por encima de la sección transparente, la retroiluminación lo ilumina desde abajo y la cámara lo graba desde arriba.

Como alternativa, la retroiluminación se puede montar encima de la cinta transportadora con la cámara debajo, para aplicaciones en las que la parte inferior del objeto es la superficie de inspección relevante. En cualquiera de las dos configuraciones, la retroiluminación tiene que activarse sincronizada con la exposición de la cámara para que la iluminación sea constante en todos los fotogramas. La retroiluminación de la serie BL de Roder Vision admite entradas de activación digital para un funcionamiento estroboscópico sincronizado.

Productos y tecnologías

Gamas de iluminadores de retroiluminación Roder Vision de la serie BL

La serie BL abarca una amplia gama de tamaños, niveles de uniformidad y opciones de Longitud de Onda para la inspección de siluetas y de transmisión. Todos los productos se fabrican en Italia según la norma ISO 9001 y se someten a pruebas de rodaje de 48 horas.

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