Retroiluminación difusa o colimada para medición dimensional

Dos retroiluminaciones con la misma área emisora y el mismo brillo pueden dar diámetros mediblemente distintos sobre la misma pieza. La diferencia no está en la salida de luz; está en la dispersión angular, y se manifiesta como un borde que se desplaza cuando la pieza es más gruesa.

Esta nota explica de dónde viene ese error, qué magnitud tiene y la única condición mecánica que decide si una retroiluminación colimada puede usarse siquiera.

El borde lo define la transmisión, no la apariencia

Una retroiluminación convierte la pieza en una silueta. El borde en la imagen es donde la transmisión cae de casi 100 % a casi 0 %, y un umbral colocado sobre esa transición define el contorno medido. Por eso la retroiluminación es la opción por defecto para agujeros, diámetros, holguras y distancias: al borde no le importa el acabado superficial, el color ni la oxidación, solo la geometría.

También significa que toda la medición descansa sobre la forma de esa transición. Si la transición es nítida y estable, el umbral cae en el mismo sitio cada vez. Si está borrosa o es asimétrica, el umbral se desliza con la exposición, el enfoque y el grosor de la pieza — y la repetibilidad que parecía correcta en fábrica se desvía en producción.

Dónde pierde el borde la retroiluminación difusa

Una retroiluminación difusa emite en un rango angular amplio, típicamente decenas de grados. Para una pieza delgada eso apenas importa. Para una pieza de grosor t, los rayos que llegan con ángulo α iluminan la pared lateral, y esa pared pasa a formar parte de la zona brillante. El borde medido queda entonces en algún punto de la pared en lugar de en la silueta real, y el error escala aproximadamente como t·tanα.

Pongamos números. Con t = 2 mm y α = 30°, t·tanα ≈ 1.15 mm. Eso no es un matiz de iluminación; es un error de escala milimétrica en una medición que puede tener tolerancias de decenas de micrómetros. Incluso con α = 10° la estimación es de unos 0.35 mm. La estimación excluye la difracción y la aberración de la lente, así que tómela como un límite inferior del problema y no como una corrección que aplicar.

Para chapa fina, película y piezas estampadas de unas décimas de milímetro, el mismo cálculo da unos pocos micrómetros y la retroiluminación difusa es perfectamente adecuada — siempre que el emisor esté cerca de la pieza y el fondo sea uniforme.

Qué cambia con la retroiluminación colimada

Una retroiluminación colimada emite luz casi paralela, típicamente dentro de un grado o dos. Los rayos viajan axialmente, de modo que la pared lateral de una pieza gruesa nunca se ilumina: la silueta la define únicamente la cara frontal, y el borde medido ya no depende del grosor. La transición también se afila, porque el desenfoque geométrico debido a la dispersión angular desaparece.

Hay un precio mecánico. Para llenar todo el campo con luz paralela, la pupila de entrada de la lente debe ser al menos tan grande como el campo de visión. Una lente C-mount estándar tiene una pupila de unos pocos milímetros a un par de centímetros, así que la condición falla de inmediato. Una lente telecéntrica sitúa la pupila en el infinito y, en la práctica, proporciona una apertura suficientemente grande para aceptar todo el campo — por eso las retroiluminaciones colimadas y las lentes telecéntricas se especifican juntas, y por eso una retroiluminación colimada sobre una lente estándar se comporta como una difusa cara.

Ese emparejamiento no es una convención de marketing; es la condición bajo la cual los rayos paralelos pueden recolectarse. También significa que la apertura de la retroiluminación debe dimensionarse a partir del campo más grande que la celda va a medir, no a partir de la receta actual.

Estabilidad del umbral y presupuesto de exposición

Con una silueta limpia, las variables restantes son la estabilidad del brillo y la exposición. Un driver de corriente constante importa más aquí que en una celda con iluminación frontal: un rizado de brillo del 5 % desplaza el umbral ligeramente en cada fotograma, y sobre una tolerancia de 10 µm eso basta para producir una distribución de medición bimodal que nadie sabe explicar.

La exposición tiene una segunda restricción en aplicaciones en movimiento. El desenfoque por movimiento es igual a la velocidad multiplicada por el tiempo de exposición; mantenerlo por debajo de un tercio de píxel fija la exposición máxima para una velocidad de línea dada. Aquí es donde la iluminación y la mecánica dejan de ser separables: si la exposición requerida es más corta de lo que la luz disponible permite, la respuesta es un emisor más brillante, una distancia de trabajo más corta o un eje más lento — no más ganancia, que añade ruido justo donde se decide el umbral del borde.

Longitud de onda, difracción y la transición del borde

Las longitudes de onda más cortas producen un desenfoque por difracción más estrecho para una apertura dada, así que una retroiluminación azul da un borde algo más nítido que una roja sobre la misma geometría. El efecto es pequeño comparado con el error de dispersión angular anterior, pero es gratuito, y cuenta cuando el requisito está en el límite de lo que la óptica puede hacer.

La longitud de onda también interactúa con el material. El silicio es transparente en el infrarrojo cercano, de modo que una oblea o un die pueden inspeccionarse en transmisión con NIR de formas que la luz visible no puede lograr. El rojo penetra mejor que el azul en algunos recubrimientos y plásticos oscuros. Nada de esto cambia el argumento geométrico; cambia de qué está hecha la silueta.

Cómo elegir entre las dos, por orden

• Estime t·tanα para el grosor real y el ángulo real del emisor. Si el resultado queda claramente dentro de la tolerancia, la retroiluminación difusa es la opción más sencilla, barata y tolerante.
• Si la estimación se acerca a la tolerancia, pase a la colimada — y confirme que la lente es telecéntrica antes de pedir.
• Compruebe el área del emisor frente al campo más grande, con margen. Una retroiluminación pequeña produce caída de brillo en el borde, que es un problema de luminosidad que parece un problema de borde.
• Confirme el presupuesto de exposición a la velocidad de línea, y elija un controlador con salida de corriente constante y temporización de disparo definida en lugar de una simple fuente de alimentación.
• Valide con las piezas más gruesas y más delgadas de la familia, no solo con la nominal. La sensibilidad al grosor es precisamente de lo que trata la elección.

La gama de POMEAS cubre ambos lados de esta decisión: retroiluminaciones telecéntricas paralelas con aperturas de 30 mm a 265 mm, incluidas versiones en ángulo recto para celdas sin espacio detrás de la pieza, y luces de superficie paralelas de alta uniformidad para trabajo general de siluetas. La gama de iluminación las enumera junto con los controladores, y el lado óptico está cubierto por la lente telecéntrica LTC05-40 para campos más pequeños.

Si la medición además tiene que sobrevivir a un cambio de aumento — una celda con lente zoom que mide varios tamaños de pieza — el presupuesto de iluminación debe recalcularse en cada paso, porque la irradiancia de la imagen cae aproximadamente con el cuadrado del aumento. Esa interacción se trata en iluminación para medición telecéntrica, y el mecanismo del desenfoque del borde en por qué se desenfoca el borde de un microagujero con retroiluminación.

Preguntas frecuentes

¿Es la retroiluminación colimada siempre más precisa?

Para piezas gruesas, sí — elimina el error de borde dependiente del grosor. Para chapa y película finas el error de dispersión angular ya es de unos pocos micrómetros, así que la ganancia quizá no justifique el coste ni el requisito de lente telecéntrica.

¿Puedo usar una retroiluminación colimada con una lente C-mount estándar?

Solo en un sentido limitado. La pupila de la lente es mucho menor que el campo, así que la mayor parte de la luz paralela se desperdicia y la imagen se comporta como con una retroiluminación difusa. El emparejamiento solo tiene sentido con una lente telecéntrica, cuya pupila puede aceptar todo el campo.

¿Cuánto error introduce una retroiluminación difusa en una pieza de 3 mm?

Usando t·tanα como estimación geométrica, 3 mm a 30° da aproximadamente 1.7 mm; a 10°, unos 0.5 mm. Ambas cifras ignoran la difracción y los efectos de la lente, así que indican la escala del problema, no una corrección que restar.

¿Afecta el color de la retroiluminación al diámetro medido?

Afecta a la anchura de la transición del borde a través de la difracción y de la corrección cromática de la lente. Las longitudes de onda más cortas dan un borde ligeramente más nítido. El efecto es mucho menor que el error de dispersión angular, pero conviene fijar una única longitud de onda para una metrología repetible.

¿Por qué se desvía la medición entre turnos?

Normalmente por una deriva de brillo o térmica que desplaza el umbral, o por un cambio en el grosor de las piezas dentro del lote. Bloquee la corriente, registre la exposición y verifique de nuevo la estimación de t·tanα frente al rango de grosor real antes de ajustar los umbrales.

¿Es una apertura más amplia una forma más barata de afinar el borde?

Afila la imagen pero reduce la profundidad de campo, y sobre una silueta retroiluminada la pieza puede quedar fuera de la profundidad restante. Para una pieza estática con un utillaje plano ese intercambio a veces es aceptable; para un material en movimiento normalmente no lo es, y por eso el borde conviene fijarlo en la geometría de iluminación y no en la apertura.

Qué enviar para una revisión de iluminación

Envíe la familia de piezas con sus miembros más delgado y más grueso, la tolerancia de la dimensión que se mide, la lente y la cámara si ya están elegidas, el espacio detrás de la pieza y la velocidad de línea si se mueve. Esos cinco elementos deciden si la respuesta es una retroiluminación difusa, una colimada o una disposición óptica completamente distinta.