Fuente de luz en visión artificial: punto, anillo, coaxial y retroiluminación paralela

Respuesta directa: elegir una fuente de luz en visión artificial no consiste en escoger la lámpara más brillante, sino en conseguir que el rasgo que hay que detectar forme una diferencia de nivel de gris estable y repetible contra su fondo. Antes de decidir entre luz puntual, anillo, retroiluminación paralela telecéntrica o luz coaxial, hay que fijar seis cosas: el objetivo de inspección, el material de la pieza, cuánto refleja la superficie, la geometría de la pieza, el campo de visión y la distancia de trabajo de la cámara, y la velocidad de línea.

Lo que decide realmente la fuente de luz

En un sistema de visión artificial la cámara recibe la imagen, el lente transfiere el detalle al sensor y la fuente de luz decide qué rasgos se vuelven visibles. La cadena completa es: la luz ilumina la pieza, la luz se refleja, se dispersa o se transmite, el lente recoge la luz, la cámara forma la imagen y el software identifica o mide.

Si el contraste óptico que se establece en el primer paso es inestable, ninguna resolución adicional de cámara, ningún enfoque digital y ningún ajuste de umbral entregarán un resultado estable durante meses de producción. La misma pieza, con la dirección de iluminación cambiada o con otra geometría de fuente, puede convertir un rayón casi invisible en una línea brillante, un carácter de bajo contraste en blanco y negro limpio, y un borde de gradiente suave en un límite definido.

Por eso el objetivo y la geometría de iluminación se eligen juntos, no en secuencia.

Primero reflexión o transmisión, nunca al revés

Antes de comparar tipos de fuente, el trabajo se separa en dos familias: ¿se inspecciona la superficie de la pieza o su contorno?

En iluminación por reflexión, la fuente y la cámara están del mismo lado de la pieza. La luz llega, se refleja o se dispersa y vuelve al lente. Se usa para reconocimiento de caracteres y serigrafía, para rayones, manchas y picaduras en superficie, para inspección de superficies de PCB, chip y componentes electrónicos, y para observación directa de metal, plástico y vidrio. La luz puntual, el anillo y la coaxial son todas soluciones de reflexión.

En iluminación por transmisión, la fuente va detrás de la pieza y el conjunto cámara-lente al otro lado. La pieza bloquea la luz y forma una silueta. Se usa para medir diámetro exterior, diámetro interior, longitud y paso, para detectar orificios pasantes, muescas y bordes, para medir el perfil de engranajes, conectores y herrajes de precisión, y para inspeccionar el contorno de piezas transparentes o traslúcidas.

La luz paralela telecéntrica se emplea como retroiluminación colimada. Una retroiluminación difusa normal emite en un abanico amplio de ángulos, así que la luz difracta y se abre alrededor del borde de la pieza y el borde queda en penumbra suave. Una retroiluminación colimada restringe la dirección de salida de la luz, reduce esa penumbra y es la razón por la que se combina con lentes telecéntricos en trabajo dimensional. El desarrollo de ese emparejamiento está en lente telecéntrica con iluminación coaxial y en guía de selección de lente telecéntrica.

Luz puntual: concentrar en un área pequeña

Una luz puntual tiene área emisora pequeña y alta direccionalidad, así que puede concentrarse en una región local de la pieza. Su ventaja no es la cobertura, sino la capacidad de generar brillos o sombras que revelan diferencias locales de altura. Encaja en orificios pequeños, ranuras y rasgos estructurales locales, en marcado láser, caracteres y marcas pequeñas, en rayones, desportillados y rebabas de área pequeña, y en los casos en que se usa la sombra para juzgar un cambio local de altura.

Dos referencias de catálogo responden a esa geometría: la luz puntual PMS-SL30-5V3W, con área iluminada de Ø30 mm, y el foco PMS-VP6025-08, foco LED de 3 W con cuerpo de Ø25 mm y 60 mm de longitud. Ambas se alimentan en baja tensión y se fijan con dos tornillos M3.

Su límite es la uniformidad: fuera del punto iluminado el nivel de gris cae rápido, así que no sirve para verificar una superficie completa ni para medir contornos largos. Si el requisito es grande y uniforme, la familia correcta es anillo, barra o difusa.

Luz de anillo: uniformidad con algo de dirección

El anillo rodea el eje óptico y entrega iluminación relativamente uniforme sobre un área amplia. Es la opción por defecto para superficies planas con marcas y para verificación general, y su ángulo de incidencia es lo que cambia el resultado: un anillo montado alto e inclinado trabaja en campo oscuro y hace visibles rayones y texturas, mientras que uno bajo y frontal tiende a lavar el contraste de esas mismas marcas.

El defecto clásico del anillo es el brillo especular en piezas curvas o pulidas: aparece una banda brillante que se mueve con la curvatura y tapa justo la zona de interés. Cuando eso ocurre, no se corrige subiendo la potencia; se corrige cambiando de geometría, hacia difusa o cúpula. El caso de la cúpula está en luz de cúpula para piezas curvas y reflectantes.

Luz coaxial: el camino del eje óptico

La luz coaxial se inyecta en el eje óptico mediante un divisor, de modo que ilumina y recoge por el mismo camino. En una superficie plana y pulida, la reflexión especular vuelve por el eje y entra en el lente: la superficie sana sale uniformemente brillante y las irregularidades, que desvían la luz fuera del eje, salen oscuras. Es el esquema correcto para metal pulido, obleas, vidrio y superficies lapeadas.

Su límite es doble. En superficies curvas solo una franja cumple la condición especular, así que la imagen sale con una zona brillante y el resto oscuro. Y en piezas con mecanizado fino puede aparecer una imagen doble por reflexión en una segunda superficie del utillaje, un problema que no se arregla cambiando la fuente sino la geometría mecánica; el diagnóstico está en doble imagen en metal pulido.

Retroiluminación paralela: parámetros publicados

En trabajo dimensional con lente telecéntrico, la retroiluminación no es un accesorio: su diámetro de haz y su distancia de trabajo tienen que encajar con el campo y con la mecánica. La serie de retroiluminación paralela VP-GLTD publica estos valores por modelo.

El objetivo telecéntrico fija el aumento con la altura de la pieza y la retroiluminación define el borde que se mide: el PMS-LTCM1-110 (1,0X, 110 mm de distancia de trabajo) y su versión coaxial PMS-LTCM1-110C son las referencias habituales de esta combinación.

La serie VP-GLTDL cubre las mismas aberturas con longitudes mayores, pensadas para distancias de trabajo largas: 35 mm de haz con 121,16 mm de longitud, 60 mm con 171,5 mm, 100 mm con 235,5 mm, 145 mm con 325 mm y 189 mm con 356 mm, todas a 3,5 V y 350 mA en R, G, B y W.

Datos de operación comunes a la familia: entorno de 0 a 40 °C y 20 a 85 por ciento de humedad relativa sin condensación; controlador VP-DPI2404-4-RS232T en catálogo, con los controladores RS-232 GE5-4PRT y PMS-DC5V3W-4T también publicados; cable estándar de 0,5 m con opción de 1, 3 y 5 m. La vida útil esperada a 25 °C con luz blanca al 50 por ciento de brillo en funcionamiento continuo supera las 30 000 horas con criterio de caída al 50 por ciento.

Cómo cerrar la selección

La secuencia que evita retrabajos es: definir el rasgo y su contraste mínimo, decidir reflexión o transmisión, elegir la geometría que hace visible ese rasgo, elegir la longitud de onda que maximiza la diferencia de gris, y solo entonces dimensionar potencia, diámetro de haz y distancia de trabajo. El criterio de color está desarrollado en color y longitud de onda en iluminación de visión artificial.

Si la estación necesita varios puntos de luz, disparo externo sincronizado con la cámara o regulación desde PC, la decisión añade un equipo más: el controlador PMS-DC5V3W-4T reparte cuatro canales con control de corriente constante, regulación en 256 niveles y disparo de 5–24 V.

Un último control antes de comprar: verificar el borde con la iluminación definitiva. Si el borde sale suave y no hay problema de foco ni de formato, la causa suele ser la geometría de la luz y no el lente; el procedimiento de diagnóstico está en bordes mal definidos en lente telecéntrica. Si además aparecen esquinas oscuras, el problema es de círculo de imagen y no de iluminación, y se aborda en viñeteo en lentes industriales.

Preguntas frecuentes

¿Por qué no basta con elegir la fuente de luz más potente?

Porque la potencia no crea contraste: solo sube el nivel medio. Lo que hace visible un rasgo es la diferencia de nivel de gris entre el rasgo y su entorno, y esa diferencia la fija la geometría de la luz —dirección, ángulo de incidencia, difusión— y la longitud de onda. Subir potencia sobre una geometría equivocada suele saturar el fondo y empeorar la relación señal a ruido del rasgo que se quiere detectar.

¿Cuándo hay que usar retroiluminación en lugar de luz reflejada?

Cuando lo que se mide es el contorno y no la superficie: diámetros, longitudes, pasos, orificios pasantes, muescas y perfiles de engranajes o conectores. En transmisión la pieza forma una silueta y el borde es la transición entre luz y sombra, que es mucho más nítida que cualquier borde obtenido por reflexión. En cambio, para leer un carácter o detectar un rayón la retroiluminación no aporta nada, porque el rasgo está en la superficie y no en el contorno.

¿Qué diferencia hay entre una retroiluminación difusa y una paralela telecéntrica?

La difusa emite en un abanico amplio de ángulos, así que la luz se abre alrededor del borde de la pieza y produce una penumbra suave que se ensancha al separar la fuente. La paralela restringe la dirección de salida, de modo que el borde se mantiene definido a distintas distancias y la medición no depende de la posición de la fuente. Esa es la razón por la que la paralela se usa con lentes telecéntricos en trabajo dimensional.

¿Cómo se dimensiona el diámetro de haz de una retroiluminación paralela?

El haz tiene que cubrir la diagonal del campo de visión más un margen para posicionamiento, y la distancia de trabajo del modelo tiene que incluir el espacio real entre la fuente y la pieza. En la serie VP-GLTD el diámetro de haz va de 30 a 189 mm y la distancia de trabajo recomendada de 45 a 500 mm según modelo, así que la elección se hace cruzando esos dos valores con la mecánica disponible y no solo con el campo.