Retroiluminador colimado de rayos paralelos para la medición dimensional subpíxel
- Rayos paralelos colimados emitidos desde una apertura reducida mediante óptica de colimación de Fresnel o multielemento.
- Definición de bordes subpíxel independiente de la posición del objeto dentro de la profundidad de diseño — ideal para la metrología de precisión.
- Ideal para piezas estampadas, componentes mecanizados, perfiles de engranajes, metrología de envases farmacéuticos con precisión micrométrica.
- Combinar con un objetivo telecéntrico para completar la invariancia geométrica respecto a la posición en la profundidad de campo.
- Ángulo telecéntrico inferior a 1° para la máxima nitidez de bordes; limita proporcionalmente la profundidad de diseño.
- Profundidad mecánica 2–3 veces mayor que la de un retroiluminador difuso equivalente, debido a la geometría de la óptica de colimación.
La retroiluminación telecéntrica emite rayos paralelos colimados desde una apertura de salida reducida, produciendo los bordes nítidos con definición subpíxel que requieren las aplicaciones de medición dimensional de alta precisión. Al emitir luz solo en direcciones paralelas al eje óptico del sistema de imagen, un retroiluminador telecéntrico elimina los efectos de halo en los bordes que limitan la precisión de los retroiluminadores difusos y permite una repetibilidad de medición a nivel micrométrico.
Principio de funcionamiento de los retroiluminadores telecéntricos
Un retroiluminador telecéntrico se construye en torno a una fuente LED situada en el plano focal de un conjunto óptico de colimación, normalmente una lente de Fresnel o un sistema refractivo multielemento. La óptica de colimación convierte la emisión divergente de los LED en un haz de rayos paralelos que salen del retroiluminador en un rango angular estrecho, normalmente de unos pocos grados respecto al eje óptico. El resultado es un haz que se comporta geométricamente como la luz de una fuente puntual infinitamente lejana. Las alternativas de retroiluminación difusa están disponibles de serie en la familia de retroiluminadores LED, mientras que las variantes telecéntricas se desarrollan bajo pedido dentro de la cartera de iluminadores LED a medida.
Cuando el objeto se sitúa en este haz colimado, solo los rayos paralelos al eje óptico pueden rodear el objeto y llegar a la cámara. Los rayos que divergen del eje óptico no alcanzan la apertura de la cámara y no se ven. Por tanto, la oclusión geométrica producida por el objeto es independiente de su posición en el campo de visión, y los bordes del objeto aparecen con nitidez subpíxel sea cual sea la profundidad a la que se encuentre.
La ventaja geométrica de la colimación
La principal ventaja de la retroiluminación colimada es la eliminación del halo en los bordes causado por los rayos de luz que rozan el objeto. En un retroiluminador difuso estándar, la luz llega al objeto desde un amplio rango de ángulos, y los rayos no paralelos al eje óptico pueden rodear los bordes de los detalles pequeños y llegar a la cámara, produciendo un ligero desenfoque de los bordes. En un retroiluminador telecéntrico solo hay rayos paralelos y los bordes se reproducen con la máxima nitidez.
Aplicaciones industriales típicas
Los retroiluminadores telecéntricos son esenciales para la medición dimensional de alta precisión de piezas metálicas estampadas, componentes mecanizados y ejes torneados, donde se requiere una precisión a nivel micrométrico; el control de calidad de diámetros de orificios, anchuras de ranuras y perfiles de dientes en engranajes y reductores; la inspección de pequeñas piezas mecanizadas como elementos de fijación, pasadores y conectores; la metrología de los diámetros del cuello de envases farmacéuticos y de la geometría de los comprimidos; la verificación de perfiles cortados por láser en chapa; la inspección dimensional de componentes de plástico moldeados por inyección; y cualquier aplicación en la que la precisión de medición se aproxime o supere una décima de píxel en la imagen de la cámara.
Criterios de selección y consideraciones de diseño
El área de emisión activa del retroiluminador telecéntrico debe cubrir todo el campo de visión de la cámara con un margen adecuado para mantener la nitidez de los bordes en toda la imagen. A diferencia de los retroiluminadores difusos, en los que la nitidez de los bordes se degrada en todo el campo, los retroiluminadores telecéntricos mantienen una nitidez constante mientras el objeto esté dentro del haz colimado.
El ángulo telecéntrico (la desviación máxima respecto a los rayos paralelos) es la especificación crítica. Un ángulo telecéntrico menor (normalmente inferior a un grado) ofrece mejor nitidez de bordes, pero requiere una óptica de colimación más sofisticada y limita la profundidad de campo en la que se cumple la aproximación de rayos paralelos.
La combinación con un objetivo telecéntrico en la cámara completa el sistema de medición de precisión. Un objetivo telecéntrico solo acepta rayos paralelos a su eje óptico, haciendo coincidir la aceptación angular con la emisión angular del retroiluminador. El sistema resultante es independiente de la posición del objeto dentro de la profundidad de campo y proporciona la invariancia geométrica necesaria para una medición repetible.
Consideraciones espectrales y de control
Para las aplicaciones de medición se prefieren los retroiluminadores telecéntricos monocromáticos, porque minimizan la aberración cromática de la óptica de colimación y del objetivo de la cámara. Las longitudes de onda roja o verde ofrecen la mejor combinación de eficiencia de los LED, sensibilidad del sensor y corrección del objetivo. Para cualquier inspección de objetos en movimiento se recomienda el funcionamiento estroboscópico, para congelar el movimiento dentro de la ventana de exposición.
Integración y limitaciones
Los retroiluminadores telecéntricos son más voluminosos que los retroiluminadores difusos de área activa equivalente, debido a la óptica de colimación que debe situarse a la distancia focal de la fuente LED. El volumen mecánico del retroiluminador suele ser entre dos y tres veces más profundo que el de un retroiluminador difuso de la misma área de emisión, lo que puede condicionar la integración en celdas de inspección reducidas.
La principal limitación óptica es la profundidad limitada en la que se cumple la aproximación de rayos paralelos. Fuera de la profundidad de diseño, los rayos divergen gradualmente y la nitidez de los bordes se degrada. La profundidad de diseño suele especificarla el fabricante y va desde unos pocos milímetros en los retroiluminadores compactos de alta precisión hasta varios cientos de milímetros en los sistemas telecéntricos de gran formato. Para los objetos que sobrepasan la profundidad de diseño, la nitidez de los bordes pasa a depender de la posición y puede comprometer la precisión de medición.
La otra limitación es el coste. Los retroiluminadores telecéntricos son notablemente más caros que las versiones difusas de tamaño equivalente, reflejo de la precisión de la óptica de colimación. Por tanto, la elección de un retroiluminador telecéntrico se justifica principalmente por requisitos de medición de precisión que los retroiluminadores difusos más sencillos no pueden satisfacer.
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