La lectura de códigos de barras y la lectura datamatrix en piezas en movimiento es uno de los problemas de iluminación más difíciles en la visión artificial industrial. El problema central es el desenfoque de movimiento: cuando un código de barras se mueve durante la exposición de la cámara, la imagen de sus barras y espacios se borra en la dirección del movimiento. Ese borrado reduce el contraste de bordes entre barras y espacios. Por debajo de un nivel de contraste crítico, el decodificador de códigos de barras no puede leer el símbolo, y el resultado es una lectura no realizada que detiene la producción o fuerza una recuperación manual.
La solución consiste en congelar el movimiento ópticamente, no mecánicamente. Reducir el tiempo de exposición de la cámara hasta el punto en que el código de barras se mueva menos de una pequeña fracción del ancho de una barra durante la exposición elimina el desenfoque de movimiento visible. Para un código de barras que se mueve a la velocidad típica de una cinta transportadora con anchos de barra típicos, esto requiere tiempos de exposición de 50 a 500 microsegundos. Con estas exposiciones cortas, la iluminación debe proporcionar suficientes fotones al sensor en el tiempo disponible. Los iluminadores estándar en modo continuo no pueden proporcionar la intensidad adecuada para exposiciones tan cortas. La iluminación estroboscópica pulsada es la respuesta de la ingeniería.
La física del desenfoque de movimiento en la lectura de códigos de barras
El desenfoque de movimiento es directamente proporcional al producto de la velocidad del objeto y la duración de la exposición. Un código de barras que se mueve a 1 m/s con un tiempo de exposición de 1 ms se desplaza 1 mm durante la exposición. Si el ancho de barra más estrecho del símbolo es de 0,5 mm, el código de barras se ha desplazado dos anchos de barra durante la exposición. Esto produce un borrado severo y un fallo de lectura garantizado.
El límite de desenfoque aceptable para la lectura de códigos de barras se define habitualmente como una fracción del ancho mínimo de barra, conocida como dimensión X. Las normas de calidad de códigos de barras ISO establecen requisitos de contraste de bordes de barra que un símbolo debe cumplir para un determinado grado de calidad. El desenfoque de movimiento reduce el contraste de bordes de barra en proporción a la relación entre la distancia de desenfoque y el ancho de la barra. Para una lectura fiable, el desenfoque de movimiento debe mantenerse por debajo del 10% al 20% de la dimensión X.
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Cálculo del tiempo de exposición requerido
El tiempo de exposición requerido se deduce de la velocidad del objeto, la dimensión X del código de barras y la fracción de desenfoque permitida. Para un código de barras con una dimensión X de 0,33 mm que se mueve a 0,5 m/s, el desenfoque admisible es de 0,033 a 0,066 mm (10-20% de la dimensión X). El tiempo de exposición requerido es de 0,033 mm dividido entre 500 mm/s, lo que equivale a un máximo de 66 microsegundos. Para un código de barras en una cinta transportadora de alta velocidad que funciona a 2 m/s con la misma dimensión X, el tiempo de exposición requerido se reduce a 16 microsegundos.
Estos tiempos de exposición están al alcance de las cámaras de visión artificial modernas con sensores de obturador global. El desafío recae enteramente en el lado de la iluminación: proporcionar suficiente luz para una exposición correcta en 16 a 66 microsegundos exige intensidades de iluminación de uno a dos órdenes de magnitud superiores a las que proporcionan los iluminadores LED estándar en modo continuo.
Iluminación estroboscópica: cómo la intensidad de pico compensa la exposición corta
Los iluminadores LED pueden funcionar en dos modos fundamentalmente diferentes: modo continuo y modo estroboscópico. En modo continuo, los LED se accionan a una corriente constante y el iluminador produce una emisión constante y estable. La corriente continua máxima está fijada por la capacidad térmica del iluminador y su disipador de calor. Si se supera esa corriente, la temperatura de unión del LED se eleva a niveles que degradan permanentemente el rendimiento del LED.
En modo estroboscópico, los LED se alimentan con una corriente de pico mucho mayor durante un impulso muy corto y luego se apagan para que la unión se enfríe antes del siguiente pulso. La emisión óptica de pico durante el pulso varía en función de la corriente de pico de excitación y puede ser muchas veces superior a la emisión en modo continuo. El ciclo de trabajo —la fracción de tiempo que el iluminador está encendido— fija la potencia media disipada en los LED. Con un ciclo de trabajo bajo, del 1% al 5%, la corriente de pico puede ser de 10 a 50 veces la corriente continua sin superar la especificación térmica media.
Duración del impulso y sincronización
El pulso estroboscópico debe estar sincronizado con la exposición de la cámara. El enfoque estándar utiliza la salida de disparo de la cámara para activar el pulso estroboscópico, ajustando la duración del pulso para que coincida con el tiempo de exposición de la cámara. El iluminador debe reaccionar rápidamente a la señal de disparo: el tiempo de subida desde la entrada de disparo hasta la emisión óptica completa debe ser inferior al tiempo de exposición. Para exposiciones de 50 microsegundos, el tiempo de subida debe ser inferior a unos pocos microsegundos.
Los iluminadores de las series DL5 y DL6 de RODER Vision están diseñados para el funcionamiento estroboscópico con duraciones de pulso muy cortas. Los circuitos de los controladores electrónicos alcanzan tiempos de subida inferiores a 2 microsegundos hasta la emisión máxima de pico. La entrada de disparo del estroboscopio admite señales lógicas de 5 V y 24 V y se conecta directamente a los formatos de salida de las cámaras de visión artificial y tarjetas capturadoras de imagen estándar.
Geometría de iluminación para la lectura de códigos de barras en piezas en movimiento
La geometría de la iluminación influye en la legibilidad del código de barras de varias formas más allá de la intensidad bruta. El ángulo de iluminación, la uniformidad en el área del código de barras y la relación entre la dirección de iluminación y la orientación del código de barras influyen en la calidad de la imagen decodificada.
Iluminación directa para códigos de barras planos en superficies mates
Para códigos de barras impresos en superficies mates o satinadas, como etiquetas de papel, cajas de cartón y plásticos sin recubrimiento, la iluminación frontal directa desde un iluminador matricial LED o una iluminación anular proporciona la mayor intensidad y el mejor contraste. El ángulo de iluminación debe ser de 30° a 60° con respecto al eje de la cámara para evitar el reflejo especular que se produce con una incidencia normal en superficies ligeramente reflectantes. Una iluminación anular centrada en el eje de la cámara proporciona una iluminación frontal omnidireccional independiente de la orientación del código de barras en la etiqueta.
Iluminación difusa para superficies brillantes y reflectantes
Los códigos de barras en etiquetas brillantes, sustratos metalizados y productos retractilados requieren iluminación difusa para evitar los puntos calientes especulares que saturan el sensor y ocultan las barras del código de barras. Una iluminación de cúpula plana proporciona una iluminación difusa desde un ángulo sólido grande, obteniendo la imagen del código de barras a través de la apertura de la cúpula. La geometría difusa elimina los reflejos especulares y produce una imagen uniforme y legible del código de barras incluso en sustratos altamente reflectantes.
El inconveniente de la iluminación difusa es la intensidad: los iluminadores de cúpula plana distribuyen su emisión óptica sobre un ángulo sólido grande, ofreciendo una menor intensidad en la superficie del producto que un iluminador directo de la misma potencia eléctrica. Para trabajos de alta velocidad en superficies reflectantes, se necesita una combinación de iluminación difusa moderada para el contraste y un pulso estroboscópico muy corto para congelar el movimiento.
Orientación de la barra y dirección de iluminación
Para los códigos de barras lineales, la dirección de iluminación con respecto a la orientación de las barras determina el contraste de bordes en la imagen. La iluminación paralela a las barras (perpendicular a la dirección de escaneo) produce el máximo contraste de bordes en los límites de las barras. La iluminación perpendicular a las barras (a lo largo de la dirección de escaneo) minimiza ese contraste de bordes. En la práctica, la orientación del código de barras en el producto suele ser fija y la geometría de iluminación se diseña a medida. Cuando la orientación del código de barras es variable, se prefiere una iluminación anular o una fuente difusa porque ambas son independientes de la orientación del código de barras.
Códigos Datamatrix y 2D: consideraciones adicionales de iluminación
Los códigos datamatrix, códigos QR y otras simbologías 2D se utilizan cada vez más en la trazabilidad industrial porque albergan más información por unidad de superficie que los códigos de barras lineales y pueden leerse incluso cuando están parcialmente dañados. El tamaño de celda de un código datamatrix impreso con densidades industriales típicas oscila entre 0,25 mm y 1 mm por celda. Los requisitos de iluminación coinciden con los de los códigos de barras lineales en términos de intensidad y congelación del movimiento, pero la estructura 2D del código añade restricciones adicionales.
Los códigos datamatrix a menudo se marcan directamente sobre la superficie de la pieza mediante marcado por micropercusión, grabado láser o grabado químico, en lugar de imprimirse en una etiqueta. Estas técnicas de marcado directo de piezas (DPM, Direct Part Marking) producen códigos que se leen en condiciones de iluminación muy diferentes de las utilizadas para códigos de barras impresos. Los códigos marcados por micropercusión en superficies metálicas necesitan iluminación direccional en un ángulo específico para generar contraste entre los puntos indentados y la superficie plana circundante. La iluminación anular a ángulos bajos o la iluminación coaxial son las técnicas más utilizadas para la lectura datamatrix e inspección DPM.
Guía práctica para la iluminación estroboscópica en sistemas de lectura de códigos de barras
Diseñar un sistema de iluminación estroboscópica para la lectura de códigos de barras implica coordinar varios parámetros: tiempo de exposición, intensidad de pico, distancia de trabajo del iluminador, campo de visión y la interfaz de disparo.
El tiempo de exposición se fija en primer lugar a partir de la velocidad de la línea y el cálculo de la dimensión X del código de barras realizado anteriormente. La irradiancia superficial requerida se calcula a partir del tiempo de exposición, la sensibilidad del sensor de la cámara, el número f del objetivo y el nivel de gris objetivo en los espacios blancos del código de barras. A continuación se selecciona el iluminador para proporcionar esa irradiancia a la distancia de trabajo y el tamaño del campo requeridos. Las fichas técnicas de los productos RODER Vision indican los valores de irradiancia de pico en modo estroboscópico a distancias de trabajo definidas, de modo que el diseñador del sistema puede confirmar que la irradiancia requerida es alcanzable antes de la integración.
Productos y tecnologías
Familias de iluminadores RODER Vision para la lectura de códigos de barras
Las familias de productos RODER Vision que se indican a continuación están adaptadas para la lectura de códigos de barras y lectura datamatrix a alta velocidad que requiere iluminación estroboscópica.
DL5 – Matriz LED de Alta Intensidad
Máxima intensidad de pico en modo estroboscópico. Diseñado para la lectura de códigos de barras a alta velocidad con tiempos de exposición de hasta 10 microsegundos. Rápido tiempo de subida. Múltiples longitudes de onda, incluidas roja y blanca.
DL6 – Matriz LED de alta densidad
Matriz de alta densidad con estabilidad térmica HTTM. Compatible con modo estroboscópico para lectura de códigos de barras y lectura datamatrix. Tamaños de gran formato para aplicaciones de cinta transportadora con amplio campo de visión.
DC6 — Anillo LED de alta densidad.
Iluminación anular para la lectura de códigos de barras en etiquetas con cualquier orientación. Múltiples longitudes de onda. Compatible con modo estroboscópico. Opción de bajo ángulo para lectura de códigos de barras DPM por micropercusión en piezas metálicas.
FD2 – Iluminadores LED de cúpula plana
Iluminación de cúpula difusa para la lectura de códigos de barras en etiquetas brillantes, metalizadas y retractiladas. Elimina los puntos calientes especulares. Compatible con modo estroboscópico para aplicaciones de congelación del movimiento.
Preguntas frecuentes
El desenfoque de movimiento se produce cuando un código de barras se mueve durante la exposición de la cámara, borrando las barras y los espacios en la dirección del movimiento y reduciendo el contraste de bordes por debajo del umbral del decodificador. Se elimina acortando la exposición de modo que el código de barras se mueva menos del 10-20% del ancho de una barra durante la exposición. La exposición más corta requiere una intensidad de iluminación proporcionalmente mayor, proporcionada por iluminadores LED estroboscópicos.
Divida la distancia de desenfoque admisible por la velocidad del objeto. El desenfoque admisible es típicamente del 10-20% de la dimensión X del código de barras (ancho mínimo de barra). Para un código de barras con una dimensión X de 0,33 mm que se mueve a 1 m/s, la exposición máxima es de 0,033-0,066 mm dividida entre 1000 mm/s, lo que equivale a 33 a 66 microsegundos. A velocidades de línea superiores, el tiempo de exposición requerido se reduce en proporción.
La iluminación estroboscópica alimenta los LED a corrientes de pico de 10 a 50 veces superiores a la especificación continua durante ráfagas muy cortas, produciendo intensidades ópticas de pico muy superiores a las que los iluminadores continuos pueden mantener. El pulso corto combinado con la alta intensidad de pico permite exposiciones de la cámara muy cortas que congelan el movimiento mientras siguen proporcionando suficiente luz para una correcta exposición del sensor.
Los códigos datamatrix de marcado directo de piezas (DPM) en superficies metálicas necesitan iluminación direccional para generar contraste entre los puntos indentados y la superficie plana circundante. La iluminación anular a ángulos bajos o la iluminación coaxial son las técnicas estándar. El mejor ángulo depende de la profundidad de marcado y de la rugosidad superficial de la pieza, por lo que habitualmente se requieren pruebas con diferentes ángulos para optimizar el contraste para el marcado y el sustrato específicos.
Sí, en muchas aplicaciones. Un iluminador estroboscópico de alta intensidad activado para la lectura de códigos de barras de corta exposición también puede funcionar a menor intensidad o con mayor tiempo de exposición para la verificación de impresión de etiquetas y la detección de presencia en la misma estación de cámara. El iluminador se activa de manera diferente para cada tarea y el sistema de visión procesa los dos tipos de imagen con algoritmos independientes, lo que reduce el número de iluminadores y estaciones de cámara necesarios.
Contactos e información
Contacto para información general : info@roder.it
Partner de integración de sistemas y sensores : www.roder.it
División de Visión Artificial de RODER : www.rodervision.com
División de Instrumentos de RODER : www.innovacheck.com
Más información sobre RODER VISION : about us
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