Presupuesto de errores en inspección de PCB y FPC
Una cámara de inspección de PCB puede prometer dos cosas distintas: detectar un defecto o medir una dimensión. La primera necesita contraste y clasificación fiables; la segunda necesita una cadena geométrica calibrada. Una lente telecéntrica de espacio objeto reduce la sensibilidad de la escala de imagen a los cambios de altura de la pieza, pero no convierte una cámara 2D en un sensor de altura. Confundir ambas promesas es el origen de la mayoría de las discusiones de aceptación en líneas de electrónica.
Empezar por el rasgo, no por la categoría de lente
El requisito debe definir el rasgo concreto: ancho de pad, paso entre pines, posición de la pata de un conector, centro de una fiducial, forma de un cordón de soldadura o alabeo de la placa. Hay que registrar además si ese rasgo está en el plano de la placa o sobre un componente elevado.
La silueta de la pata de un conector admite medición de borde en 2D; la altura y el volumen de un cordón de soldadura exigen otro principio de medida. La especificación de inspección tiene que decir si la salida es pasa/no pasa, una coordenada de imagen, una dimensión o un mapa de altura. Sin esa frase, cualquier comparación de lentes acaba discutiendo parámetros que no gobiernan el resultado.
Para esa silueta, un telecéntrico de aumento alto reduce el presupuesto de error de borde: el PMS-LTCM2-110 y el PMS-LTCM15-110 trabajan a 2,0X y 1,5X sobre 110 mm de distancia de trabajo.
Por qué la distancia de trabajo sola no predice el error de perspectiva
En un modelo idealizado de cámara estenopeica, el aumento de imagen es aproximadamente proporcional al inverso de la distancia entre la pupila de entrada y el plano del objeto. Si el plano calibrado está a una distancia efectiva D y un rasgo se acerca Δz hacia la cámara, el cambio relativo de aumento es aproximadamente Δz dividido por (D − Δz).
Ese modelo es ilustrativo. La distancia de trabajo física de una lente suele medirse desde una superficie de referencia mecánica u óptica, que no tiene por qué coincidir con la pupila de entrada. Por eso el atajo «error igual a longitud del rasgo por cambio de altura dividido por distancia de trabajo» no es una especificación general de conjunto cámara-lente.
Como ejemplo aritmético: solo si una distancia de perspectiva efectiva establecida de forma independiente fuera de 200 mm, un desplazamiento de altura de 1 mm daría un cambio relativo de escala de aproximadamente 1 entre 199, es decir un 0,5025 %. Sobre un rasgo de 10 mm eso son unos 50 micrómetros. Esto no es una predicción para una lente concreta de 110 mm de distancia de trabajo. El cambio real se mide con un patrón calibrado a varias alturas de objeto. En un diseño telecéntrico de espacio objeto se usa la tolerancia de telecentricidad del fabricante y una curva medida de escala frente a altura, en lugar de suponer que ese término es matemáticamente cero.
El campo de visión fija el aumento antes que la resolución
La lente telecéntrica LTCM02-110 de POMEAS se publica con aumento 0,2X, distancia de trabajo 110 mm, sensor máximo de 2/3 de pulgada y montura C. Sobre el sensor de referencia de 2/3 de pulgada, de 8,8 mm de ancho, su campo horizontal es 8,8 dividido por 0,2, es decir 44 mm. Con una cámara de 2448 píxeles de ancho, el muestreo geométrico es 44 entre 2448, unos 18,0 micrómetros por píxel.
Ese número es muestreo, no precisión de medida ni defecto mínimo detectable. La misma ficha declara una resolución óptica de 16,78 micrómetros; el criterio exacto de resolución y la uniformidad en el plano imagen deben verificarse contra la hoja de datos antes de prometer una tolerancia.
Si un pad mide solo 50 micrómetros de ancho, la geometría anterior le asigna unos 2,8 píxeles. Puede servir para presencia o ausencia gruesa, pero no es evidencia suficiente para una tolerancia dimensional estrecha. En ese caso hay que estrechar el campo, subir el aumento o dividir la inspección en varias estaciones.
Separar la inspección dimensional 2D del AOI 3D
Los sistemas de AOI 3D combinan una cámara ortogonal con varias cámaras anguladas, o utilizan arquitecturas de proyección múltiple tipo Moiré, para reconstruir altura de soldadura y detectar componentes elevados. La altura del cordón, el sombreado y la reconstrucción tridimensional no se sustituyen añadiendo una lente telecéntrica a una única cámara 2D.
La consecuencia práctica es de alcance: si el requisito incluye altura de soldadura o volumen, el proyecto necesita un principio 3D y la lente telecéntrica solo resuelve la parte dimensional en el plano. Plantearlo al principio evita comprar una óptica excelente para un trabajo que no puede hacer.
La geometría de la luz determina qué borde se mide
Para siluetas de patas y conectores conviene partir de una retroiluminación controlada y documentar la dispersión angular. Para pads en la cara superior, la iluminación de superficie, coaxial o de campo oscuro se elige según el mecanismo de contraste. Las reflexiones especulares y las capas de cubierta translúcidas pueden generar bordes fantasma.
Hay que guardar imágenes crudas del centro y de las esquinas, en todo el rango esperado de altura de pieza y de iluminación. Un porcentaje de distorsión de la lente, por sí solo, no es una especificación de error de borde de extremo a extremo.
Construir una prueba de aceptación repetible
Se usa un patrón certificado para la escala de píxel y después se mide una PCB o FPC representativa a la altura nominal y en los dos extremos de la variación de altura. Para cada rasgo crítico se registran diez adquisiciones repetidas, la reprecisión del eje, el estado de la iluminación, la temperatura y el umbral de borde.
| Magnitud | Cómo se obtiene | Para qué sirve |
|---|
| Cambio de escala con la altura | Medir el mismo patrón a varias alturas | Cuantifica el término de aumento, no lo supone |
| Enfoque y MTF | Contraste de borde en el centro y en las esquinas | Detecta pérdida de nitidez fuera de la zona de mejor enfoque |
| Distorsión residual | Patrón de rejilla tras corrección | Acota el error dependiente de la posición en el cuadro |
| Repetibilidad | Diez capturas con reposicionamiento | Separa el ruido de la deriva sistemática |
La incertidumbre expandida resultante se compara con la tolerancia del plano y con la regla de decisión acordada, no con la resolución nominal de la lente.
Qué enviar para pedir una cotización
Dimensiones activas exactas del sensor y número de píxeles, campo requerido, distribución de altura de la placa, rasgo más pequeño, tolerancia, geometría de iluminación, distancia de trabajo disponible y montura. Con esos datos se puede preseleccionar un modelo telecéntrico fijo o proponer vistas separadas de bajo y alto aumento; la compatibilidad se confirma solo con la cadena óptica completa montada.
Preguntas frecuentes
¿Una lente telecéntrica elimina el error de perspectiva en una PCB?
Reduce la sensibilidad de la escala a los cambios de altura dentro de su rango telecéntrico, pero no la elimina fuera de ese rango ni corrige los efectos de enfoque y de iluminación.
¿Puedo medir la altura de un cordón de soldadura con una cámara 2D y una lente telecéntrica?
No. La altura y el volumen requieren un principio 3D, como perfilometría confocal, interferometría o triangulación láser. La lente telecéntrica aporta precisión en el plano, no información de altura.
¿Cuántos píxeles necesita un pad de 50 micrómetros?
Con la geometría del ejemplo, un pad de 50 micrómetros recibe unos 2,8 píxeles, suficiente para presencia o ausencia pero no para una tolerancia dimensional estrecha. Hay que reducir el campo o aumentar el aumento.
¿La resolución óptica publicada equivale a la precisión de medida?
No. La resolución óptica describe la capacidad de separar detalles; la precisión depende además del contraste del borde, de la estabilidad de la iluminación, del algoritmo y de la repetibilidad del utillaje.
Lecturas relacionadas
Para el marco de selección, la guía por FOV, WD y DOF y el cálculo de aumento y campo. Para placas cerámicas de RF con otra geometría de luz, la nota sobre lentes zoom para placas RF cerámicas; para juzgar si el telecéntrico es necesario, la comparativa telecéntrico frente a objetivo FA.