Cuando un sistema de inspección no detecta un defecto, la culpa suele recaer en la cámara. Con más frecuencia el resultado se decidió antes, con una lente elegida del catálogo después de la cámara, y ningún software recupera un detalle que la óptica nunca entregó.
En la mayoría de los proyectos de visión artificial, la cámara se elige primero. Tiene las especificaciones llamativas —megapíxeles, velocidad de imagen, interfaz— y es la partida que aparece en la oferta con nombre de marca. La lente se escoge después para que encaje en la montura y en el presupuesto, y la iluminación a menudo se deja para la puesta en marcha. Luego el sistema entra en producción, un defecto que el ojo humano ve con claridad se escapa, y se culpa a la cámara. En nuestra experiencia, la cámara rara vez es el problema. La inspección la decidieron la lente y la luz antes de escribir una sola línea de código de procesamiento de imagen, y el software no puede recuperar un detalle que la óptica nunca llevó al sensor.
Empezar por el defecto, no por la cámara
El orden correcto va hacia atrás desde la pieza. ¿Cuál es el detalle más pequeño que el sistema debe detectar o medir, qué superficie tiene que ver y a qué distancia puede situarse la cámara? Esas tres cifras, más el sensor, deciden casi todo lo demás. Tomemos un sensor habitual de 5 megapíxeles con 2448 × 2048 píxeles de 3,45 µm. Su área activa es de unos 8,4 × 7,1 mm. Si el campo de visión debe tener 100 mm de ancho, cada píxel cubre aproximadamente 41 µm de la pieza. Un arañazo de 0,1 mm caerá entonces sobre dos o tres píxeles: suficiente para notarlo en un buen día, pero no para detectarlo de forma fiable con variaciones de iluminación, posición de la pieza y acabado superficial.
De esa aritmética se deducen reglas prácticas útiles. Para una detección fiable, el defecto más pequeño debería ocupar al menos tres o cuatro píxeles. Para medir, los algoritmos de subpíxel mejoran la repetibilidad, pero sigue valiendo la vieja regla de la metrología: la resolución de la medida debería ser aproximadamente una décima parte de la tolerancia que se verifica. Una tolerancia de ±0,05 mm pide por tanto unos 10 µm por píxel, lo que con el mismo sensor supone un campo de visión de unos 25 mm, no de 100 mm. La conclusión es incómoda pero importante: a veces la respuesta correcta no es una cámara mejor, sino dos cámaras, o un campo de visión más pequeño con la pieza presentada con más precisión.
Aumento, distancia focal y distancia de trabajo
Una vez fijado el campo de visión, la lente tiene una tarea concreta: proyectar ese campo sobre el sensor. La relación entre ambos es el aumento óptico: en el ejemplo, 8,4 mm de sensor frente a 100 mm de pieza, unos 0,084. La distancia focal que lo consigue depende de la distancia de trabajo, y para una primera elección basta la aproximación de lente delgada: la focal es aproximadamente la distancia al objeto multiplicada por el aumento y dividida entre uno más el aumento. Una lente de 25 mm da nuestro campo de 100 mm a algo más de 300 mm de la pieza; una de 12 mm, a unos 150 mm; una de 50 mm necesita más de 600 mm. Las lentes reales se apartan del modelo de lente delgada, así que las cifras se confirman con los datos del fabricante, pero la tendencia nunca cambia. Focales cortas significan células compactas y más distorsión; focales largas, más espacio y una perspectiva más plana.
Hay dos restricciones fáciles de pasar por alto. La lente debe estar diseñada para el formato del sensor, porque su círculo de imagen tiene que cubrir toda la diagonal: una lente para un sensor de 2/3 de pulgada montada en un sensor mayor de 1,1 pulgadas oscurecerá y desenfocará las esquinas, y es precisamente en las esquinas donde suelen quedar las piezas cuando una cinta se desvía. Y la montura debe coincidir. Las lentes de montura C quedan a 17,526 mm del sensor y las de montura CS a 12,526 mm, de modo que la combinación equivocada no enfocará en absoluto, o solo lo hará con un anillo separador que alguien colocó una noche y nunca documentó.
La lente también tiene resolución
Los megapíxeles describen el sensor. La lente tiene su propio poder de resolución, que suele mostrarse como una curva MTF: cuánto contraste conserva a un número dado de pares de líneas por milímetro. Un sensor con píxeles de 3,45 µm tiene una frecuencia de Nyquist de unos 145 pares de líneas por milímetro. Una lente diseñada para los píxeles más grandes de un sensor antiguo puede ofrecer solo la mitad de contraste a esas frecuencias, lo que significa que la costosa cámara de 5 megapíxeles registra en la práctica una imagen suavizada más propia de una de 2 megapíxeles. Los bordes finos se reparten entre píxeles vecinos, una grieta capilar pierde contraste y el umbral que funcionaba en el banco de pruebas falla en la línea. La solución es elegir una lente especificada para el tamaño de píxel del sensor y comprobar su MTF en el borde del campo, no solo en el centro.
El diafragma es el siguiente compromiso, y lo gobierna la física, no la calidad de fabricación. Cerrar el diafragma aumenta la profundidad de campo, algo tentador cuando las piezas llegan a alturas ligeramente distintas. Pero toda apertura difracta la luz en un pequeño disco en lugar de un punto, y el diámetro de ese disco crece con el número f. Con luz verde a f/8 mide unos 11 µm: tres píxeles de ancho en un sensor de 3,45 µm. A f/4 es aproximadamente la mitad. Cerrar el diafragma para ganar profundidad cuesta nitidez, y a partir de cierto punto ninguna lente puede evitarlo. La mejor respuesta a la variación de altura suele ser mecánica: presentar la pieza a una altura constante, o aceptar menos profundidad de campo y enfocar con precisión.
Distorsión, perspectiva y lentes telecéntricas
Toda lente convencional —la llamada entocéntrica— ve el mundo en perspectiva. Los objetos más cercanos a la lente parecen más grandes, y en el borde del campo se ven los laterales de una pieza alta. Para comprobar presencia, esto rara vez importa. Para medir importa mucho: si una pieza está 1 mm más alta que durante la calibración, una lente de 25 mm a 300 mm la medirá alrededor de un tercio por ciento más grande, lo que en una cota de 100 mm supone más de 0,3 mm, muy fuera de la mayoría de las tolerancias. La distorsión de la lente se suma a ello y curva las líneas rectas hacia las esquinas, normalmente en forma de barril en las focales cortas.
La distorsión puede corregirse por software con una placa de calibración, y conviene hacerlo. Pero la calibración solo es válida para el enfoque y el diafragma exactos con los que se tomó, y por eso bloqueamos ambos anillos con sus tornillos de fijación y los marcamos antes de dar el sistema por aceptado. El error de perspectiva no puede corregirse de la misma manera, porque el software no sabe a qué altura está cada pieza. Esa es la tarea de una lente telecéntrica, que solo admite rayos paralelos a su eje, de modo que el aumento se mantiene constante en un rango de profundidad definido y el tamaño de la pieza deja de depender de su altura. Las lentes telecéntricas son más grandes, más pesadas y más caras —el elemento frontal debe ser al menos tan ancho como el campo de visión— y son la elección correcta para la medición dimensional precisa, no para cualquier inspección.
Luz y lente funcionan como un sistema
La lente también decide lo que debe conseguir la iluminación. Una retroiluminación convierte la pieza en una silueta nítida para medir bordes; una luz de cúpula elimina los reflejos en superficies brillantes y curvas; un anillo de ángulo bajo hace destacar un arañazo o un carácter en relieve sobre una cara plana. Sea cual sea la luz, un filtro pasabanda en la lente ajustado a la longitud de onda del LED bloquea la luz ambiente de ventanas y máquinas vecinas, y trabajar con una sola longitud de onda elimina además la aberración cromática, ya que una lente solo puede enfocar perfectamente un color a la vez. Un par de polarizadores puede suprimir los brillos sobre metal y plástico. Son componentes ópticos pequeños que cuestan una fracción de la cámara, y a menudo marcan la diferencia entre un algoritmo que necesita reajustes constantes y uno que sigue funcionando sin cambios un año después.
Qué pedir en una propuesta de visión
Cuando revisamos o cotizamos un sistema de inspección, el diseño óptico va antes que el software. Una propuesta fiable indica el detalle más pequeño y la tolerancia, el campo de visión y el tamaño resultante de un píxel sobre la pieza, el formato del sensor y el tamaño de píxel, la focal de la lente, la distancia de trabajo, el diafragma y la profundidad de campo, si hace falta una lente telecéntrica, y la geometría de iluminación con su longitud de onda y su filtro. También indica qué ocurre cuando la pieza se mueve: la tolerancia de posición de la presentación y qué parte del campo se reserva para ello.
Nada de esto es exótico. Es una página de cálculos y unas cuantas hojas de datos. Pero es la página que decide si un sistema de visión se convierte en una parte fiable de la línea o en una cámara que los operarios aprenden a puentear. La cámara captura la imagen. La lente decide qué hay que capturar.
— Equipo de ingeniería de GANI Engineering