Campo de visión demasiado grande: qué usar en lugar de una lente telecéntrica
Respuesta directa: cuando el campo necesario es grande, casi nunca conviene forzar una sola lente a hacer los dos trabajos. Lo que funciona es repartir el requisito: una óptica barata para la visión general y el control de posición, y una segunda estación telecéntrica para la cota que de verdad tiene tolerancia ajustada.
La variable de decisión no es el tamaño de la pieza, es cuántas dimensiones tienen que sostener una tolerancia. Todo lo demás de la imagen puede verlo una óptica más barata.
Por qué el campo grande y el telecéntrico se pelean
En una lente telecéntrica el elemento frontal tiene que ser al menos tan grande como el campo objeto. Por eso, al crecer el campo, el coste no crece de forma lineal sino con la superficie: duplicar el diámetro del campo duplica el diámetro del frontal pero multiplica por cuatro el área de vidrio, el volumen del barril y la masa. Un campo de 200 mm de ancho no cuesta el doble que uno de 100 mm.
Ese es el motivo económico, no óptico, por el que existe un límite práctico. En el catálogo se ve en los modelos de bajo aumento: el de 0,061X cubre 144,26 por 108,20 mm sobre un sensor de 2/3 de pulgada y el de 0,088X cubre 100,00 por 75,00 mm, y ambos son físicamente grandes por construcción. El desarrollo completo está en por qué una lente telecéntrica es grande y cara.
Opción uno: dos estaciones con dos ópticas
Es la configuración más habitual y la que menos compromisos acepta. Una primera estación con objetivo FA o con zoom de bajo aumento hace la visión general, la comprobación de presencia de rasgos y el control de posición aproximada. Una segunda estación, con lente telecéntrica y campo pequeño, mide la cota que tiene tolerancia.
El argumento a favor es que cada estación se optimiza para lo suyo: la de visión general no necesita telecentridad porque no mide nada crítico, y la de medición no necesita campo grande porque solo mide el rasgo. El coste de las dos suele ser menor que el de un telecéntrico de campo enorme, y la repetibilidad de la medición es mejor porque el aumento es mayor.
El argumento en contra es mecánico: dos cámaras, dos iluminaciones, dos calibraciones y un transporte que tiene que llevar la pieza a dos posiciones. Si la pieza no se puede mover, esta opción no existe.
Opción dos: óptica fija de gran formato sobre sensor de alta resolución
Consiste en usar un objetivo de focal fija para gran formato sobre un sensor de alta resolución, aceptando dos consecuencias. La primera es que hay que recalibrar la escala por altura si las piezas varían de altura, porque un objetivo convencional cambia el aumento con la distancia objeto. La segunda es que la distorsión deja de ser despreciable y hay que corregirla por software.
La primera consecuencia es la que hunde muchos proyectos: en un objetivo convencional, acercar la superficie una distancia h cambia el aumento aproximadamente en h dividido por la distancia de trabajo. Con 110 mm de distancia y 2 mm de variación de altura, eso es un 1,8 por ciento, que sobre un rasgo de 30 mm son 0,55 mm de error. Si la pieza tiene variación de altura y la cota es fina, esta opción no sirve, por mucha resolución que tenga el sensor. El mecanismo está en calibración en milímetros por píxel.
Opción tres: telecéntrico de bajo aumento sobre sensor mayor
Es la vía intermedia: mantener la telecentridad y ganar campo subiendo el tamaño del sensor en lugar de bajar el aumento. Se cambia coste de lente por coste de sensor. Con sensores de 1.1 de pulgada y lentes de 0,37X se llega a 38,35 por 27,84 mm de campo sin salir de la familia telecéntrica, y con sensores mayores el campo sube en la misma proporción.
El límite es doble. Por un lado, el círculo de imagen de la lente tiene que cubrir la diagonal del sensor, y no todas las lentes lo hacen. Por otro, el frontal sigue creciendo con el campo, aunque menos que si se bajara el aumento. El emparejamiento por formato está en cámara de 1.1 de pulgada y lente telecéntrica.
Opción cuatro: línea de escaneo o unión de varias cámaras
Para anchuras muy grandes, medidas en decenas o cientos de milímetros, la práctica industrial es abandonar la vista única: línea de escaneo si la pieza se mueve, o varias cámaras con unión de imágenes si está quieta. La ventaja es que desaparece el frontal gigante. El coste es que aparece un problema de calibración conjunta: hay que resolver la geometría entre cámaras, no solo dentro de cada una.
Esta opción es la que se usa en medición de bandas continuas, y es la razón por la que en esos casos la discusión no es qué telecéntrico comprar sino cómo repartir el campo entre cabezales.
Cómo se decide en la práctica
El criterio es una sola pregunta: cuántas dimensiones de la imagen tienen que sostener una tolerancia. Si es una o dos, esas van a una estación telecéntrica pequeña y el resto a una óptica barata. Si son muchas y repartidas por toda la pieza, entonces el campo grande es un requisito real y hay que pagarlo, o cambiar a línea de escaneo.
La segunda pregunta es si la pieza se puede mover. Si no se puede, las opciones de dos estaciones y de unión de cámaras quedan limitadas y el peso vuelve al campo grande. La tercera es la variación de altura: si las piezas tienen altura variable, cualquier opción sin telecentridad introduce el término h sobre distancia de trabajo en el presupuesto de errores.
Lo que no conviene hacer
Comprar un telecéntrico de campo muy grande y esperar resolución fina en el mismo montaje. No ocurre: el aumento que da campo grande es el que da resolución gruesa. Un campo de 200 mm sobre 2/3 de pulgada implica un aumento de 0,055X y una resolución de decenas de micrómetros, con lo que una tolerancia de 0,05 mm queda por debajo de dos píxeles. Ese cálculo, hecho sobre un caso real, está en la nota sobre aumento, FOV y distancia de trabajo.
Tampoco conviene aceptar un objetivo convencional sin cambiar el procedimiento de medición: si se elige esa vía, hay que recalibrar por altura y hay que corregir distorsión, y ambas cosas tienen que estar en el alcance del proyecto desde el principio. La comparación entre familias está en objetivo telecéntrico frente a objetivo FA.
Preguntas frecuentes
¿Existe un telecéntrico que cubra un campo de 200 mm y mida 0,05 mm?
No en un solo montaje con resolución suficiente. Un campo de 200 mm sobre 2/3 de pulgada implica un aumento de 0,055X y decenas de micrómetros de resolución, así que una tolerancia de 0,05 mm queda por debajo de dos píxeles.
¿Qué alternativa hay si la pieza no se puede mover y el campo es grande?
Un objetivo de focal fija de gran formato sobre un sensor de alta resolución, aceptando recalibrar la escala por altura y corregir la distorsión por software. Si la altura de pieza varía mucho, esta vía introduce un error que puede superar la tolerancia.
¿Dos estaciones siempre salen más caras que un telecéntrico grande?
Normalmente no. Un telecéntrico de campo muy grande es caro por el frontal, mientras que una estación de visión general con objetivo FA es barata. El coste real de las dos estaciones es mecánico: transporte, segunda iluminación y dos calibraciones.
¿Cuándo conviene pasar a línea de escaneo?
Cuando la anchura se mide en decenas o cientos de milímetros y la pieza se mueve. La ventaja es que desaparece el frontal gigante; el coste es que hay que resolver la calibración conjunta entre cabezales.
Lecturas relacionadas
Para el coste del frontal, por qué una lente telecéntrica es grande y cara. Para el emparejamiento de formato, sensor y círculo de imagen y cámara de 1.1 de pulgada. Para el reparto de errores, calibración en milímetros por píxel.