Source: https://opto-e.es/resources/faqs
Timestamp: 2020-04-06 21:29:50+00:00

Document:
Preguntas más frecuentes | Opto Engineering
¿Cuál es la diferencia entre MTF (Modulation Transfer Function o Función de Transferencia de Modulación) y CTF (Contrast Transfer Function o Función de Transferencia de Contraste)?
¿La telecentricidad significa que los bordes internos y externos de uno objeto desaparecen por completo?
¿Qué sucede con la distorsión? ¿Es posible corregirla?
¿Por qué el concepto de "rango telecéntrico" puede llevar a confusión?
¿Cómo instalar objetivos telecéntricos de grandes dimensiones?
Los objetivos utilizados en la serie LTCL, ¿son los mismos que aquellos compatibles con objetivos telecéntricos? Por ejemplo, LTCL 120 comparado con TC12120.
¿La profundidad de campo es una especificación relevante en la serie LTCL?
¿Por qué no se indica la divergencia de las fuentes colimadas?
Al acoplar un iluminador LTCL con su objetivo telecéntrico correspondiente, ¿qué clase de cambios tienen lugar en la profundidad de campo del objetivo telecéntrico?
¿Por qué los valores en relación a la uniformidad de la iluminación no están incluidos en la documentación técnica de la serie LTCL?
¿Por qué la luz verde es recomendable para estos productos?
¿Por que´los objetivos telecéntricos Opto Engineering no tienen un diafragma iris integrado?
¿Por qué los objetivos telecéntricos de Opto Engineering no disponen de un mecanismo de enfoque?
Número f o relación focal, número f de trabajo y apertura numérica
Profundidad de campo de los objetivos telecéntricos
Ajustar la longitud o distancia focal posterior
LED intermitente con Iluminadores OE
Límite de difracción y CTF con sensores de píxeles pequeños
Conexión de la montura F y desajuste
Tipos de revestimiento de patrones
Could collimated light cause interference effects?
CTF indica el nivel de respuesta del objetivo respecto al contraste de la imagen cuando se captura un patrón cuadrado (un patrón a cuadros tipo ajedrez). Su valor es el parámetro más útil para evaluar la nitidez de los bordes del objeto en las aplicaciones industriales de medición. Por otra parte, MTF es el nivel de respuesta respecto al contraste cuando se captura la imagen de un patrón sinusoidal cuyos niveles de gris van desde 0 hasta 255. Este valor es difícil que pueda ser de utilizada para los sistemas de visión para máquinas.
No exactamente. Incluso con objetivos perfectamente telecéntricos, sólo la mitad de los conos de rayos procedentes de los bordes del objeto alcanzará efectivamente el sensor. Por esta razón, es posible que en la imagen de los bordes internos o externos de un objeto se produzca algún tipo de desenfoque. Este efecto puede ser minimizarse o incluso reducirse utilizando un iluminador colimado.
Dado que los objetivos telecéntricos son objetos físicos que operan en las condiciones del mundo real, las imágenes de estos objetivos muestran cierta distorsión residual que puede afectar a la precisión de la medición. La distorsión indica la diferencia porcentual entre la altura real de la imagen y la altura obtenida en la medición y puede expresarse mediante un polinomio de segundo grado.
Si definimos las distancias radiales desde el centro de la imagen de la siguiente manera:
Ra = radio real
Re = radio obtenido en la medición
la distorsión se calcula como una función de Ra:
donde a, b y c son valores constantes que definen el comportamiento de la curva de distorsión. Hay que tener en cuenta que "a" normalmente equivale a cero ya que la distorsión es normalmente cero en el centro de la imagen. En algunos casos, puede ser necesario un polinomio de tercer grado para conseguir una mayor precisión de la curva.
Además de la distorsión radial, también es necesario tener en cuenta la distorsión trapezoidal. Este efecto puede definirse como un error de perspectiva debido a la incorrecta alineación de los componentes ópticos y mecánicos que tiene como consecuencia la transformación de las líneas paralelas en plano del objeto en líneas convergentes (o divergentes) en el plano de la imagen.
Este efecto, también denominado "piedra angular", puede ser corregido fácilmente por medio de una serie de algoritmos sencillos que calculan el punto en el que los haces convergentes de líneas se cruzan entre sí.
En este sentido, un aspecto interesante es que la distorsión radial y trapezoidal son dos fenómenos físicos completamente diferentes y, por lo tanto, puede ser corregidos matemáticamente por separado y consecutivamente utilizando dos funciones independientes de transformación del espacio.
Otra solución o alternativa consiste en corregir los dos tipos de distorsión a la vez y a nivel local: se utiliza la imagen de un patrón con diseño reticular (o patrón de rejilla) para definir el valor total del error de distorsión y su orientación zona por zona. El resultado final es un campo vectorial en el que cada vector asociado a una zona específica de la imagen define el nivel corrección que debe ser aplicado a las coordenadas de medida x,y dentro de la imagen.
Algunos proveedores hablan de un supuesto "rango telecéntrico" para indicar que, dentro de un cierto intervalo de distancia (expresado en mm), el error máximo que se obtendría quedaría dentro de un cierto nivel (normalmente expresado en micrones). Sin embargo, desde un punto de vista óptico, este parámetro carece de sentido y puede llevar a confusión.
El cono de rayos en entrada muestra una inclinación máxima expresada en grados que depende de la telecentricidad de los objetivos. Dado que los rayos se desplazan en "línea recta" en el espacio, es posible afirmar que ¡todo el espacio es telecéntrico! En nuestro caso, garantizamos que todos nuestros objetivos tienen una pendencia o inclinación telecéntrica máxima de 0,1°, o 0,0017 (1.7 mrad) si expresado en radianes, aunque la desviación típica de la telecentricidad perfecta en un entorno de prueba es normalmente la mitad, es decir unos 0,0008 rad (0.8 mrad). Esto significa que el error máximo en un desplazamiento de 1 mm sería inferior a 1 micron.
Una diferencia determinante entre nuestros competidores y nosotros, es que nosotros no indicamos o establecemos solamente un único valor respecto a la telecentricidad, sino que en nuestro caso medimos ese parámetro muy cuidadosamente por medio de herramientas especializadas de control y certificamos cada objetivo telecéntrico individualmente acompañándolo de un informe de los controles y pruebas realizados sobre el mismo.
Objetivos telecéntricos de grandes dimensiones, como por ejemplo las series TCxx120, TCxx144, TCxx192 y Tcxx240, están dotados de una brida de montaje grande integrada en el sistema mecánico.
Una vez que la cámara está montada, es posible ajustar la fase de rotación de la cámara para, de este modo, alinear o ajustar el área de visión y los lados del sensor según una de las siguientes tres opciones:
Construcción de una brida de soporte con orificios elípticos: el objetivo y la fase de cámara se pueden ajustar girando el entero mecanismo de ensamblaje. Después, es posible bloquear la posición del objetivo colocando tornillos en los orificios de la brida de montaje del objetivo.
Construcción de una brida de soporte en la que la brida del objetivo pueda girar libremente: una vez que se ha ajustado la fase, es posible encajar empujando las dos bridas y sujetar el mecanismo con los tornillos.
Bajo pedido, es posible pre-ensamblar en el objetivo un especial adaptador de rotación con montura C. En este caso, cuando se ha ajustado la fase, se completa el montaje o ensamblado fijándolo con tres piezas con orientación radial.
No, hay importantes diferencias entre los objetivos telecéntricos y los iluminadores porque también su funcionamiento es diferente: los objetivos telecéntricos aceptan "conos telecéntricos", mientras que las fuentes luminosas colimadas básicamente proyectan un haz de rayos paralelos.
Dado que los iluminadores LTCL no son componentes de captura de imágenes, la característica de la profundidad de campo es irrelevante. En cualquier caso, los iluminadores colimados deben ser usados siempre en combinación con los objetivos telecéntricos, por lo que especificaciones técnicas como la profundidad de campo u otro tipo de características ópticas no pueden ser indicadas como pertenecientes a los iluminadores.
Dado que los iluminadores LTCL deben ser utilizados en combinación con objetivos telecéntricos, la apertura del sistema óptico depende únicamente de la apertura de parada del objetivo telecéntrico. Por este motivo, la divergencia de la fuente colimada no constituye un valor relevante. La divergencia de los iluminadores oscila entre 0,1° y 1°. El grado de colimación en las fuentes a LED es menor que en los iluminadores colimados con haz de láser; estos, por su parte, no pueden se utilizados con efectividad en aplicaciones de visión de máquina debido a los efectos de difracción ya que podría comprometer seriamente la exactitud de la medición.
El uso de una fuente colimada aumenta la profundidad de campo estándar de los objetivos telecéntricos aproximadamente en un 20/30%, aunque la profundidad de campo también depende de otros factores como el tipo de objetivo, el color de la luz, el tamaño del píxel y el método utilizado para calcular dicha profundidad. Dado que la apertura numérica de salida del iluminador es más baja que objeto N del objetivo telecéntrico, el sistema óptico se comporta como si el objetivo tuviese la misma apertura numérica que el iluminador en términos de profundidad de campo, manteniendo al mismo tiempo la misma resolución de imagen en relación a la apertura numérica real del objetivo telecéntrico.
La uniformidad de la fuente luminosa por sí misma no es un valor significativo: la única cosa importante es la uniformidad en la luminosidad de la imagen proporcionada por la combinación del iluminador con un objetivo telecéntrico. La homogeneidad de la iluminación garantizada en este tipo de combinaciones es considerada típicamente aceptable si oscila entre +/- 10% de no homogeneidad.
Todos los objetivos operando dentro del rango de luz visible, incluyendo los objetivos telecéntricos Opto Engineering, se comportan acromáticamente a lo largo del entero espectro visible. Sin embargo, los parámetros relacionados con la distorsión y la telecentricidad del objetivo normalmente están optimizados para longitudes de onda situadas al centro del espectro visible, es decir, la luz verde. Además, la resolución tiende a ser mejor dentro la región verde del espectro visible, donde la acromatización es casi perfecta.
La región "verde" también es mejor que la "roja" porque una longitud de onda más corta aumenta el límite de difracción del objetivo y la resolución máxima alcanzable.
Nuestros objetivos telecéntricos no disponen de un iris, pero podemos fácilmente ajustar la apertura sin ningún coste adicional o retraso para el cliente siempre que lo solicite antes del envío.
Las razones por la que nuestros objetivos no dispongan de un iris son numerosas, tanto que sería más adecuado preguntarse: "¿por qué tantos fabricantes integran un iris en sus productos?:
añadir un iris incrementa el coste del objetivo porque se trata de una característica que será usada sólo una o dos veces a lo largo de la vida útil del producto;
la inserción de un iris hace el mecanismo menos preciso y empeora el alineamiento óptico;
no sería posible testar individualmente los objetivos con la misma apertura que el cliente utilizará en su aplicación;
la posición del iris es mucho menos precisa que la apertura de una lámina u hoja de metal, lo que afecta enormemente a la telecentricidad;
la geometría del iris es poligonal, no circular, lo que cambia la inclinación de los rayos principales a lo largo del área de visión afectando a la distorsión y a la resolución del objetivo;
centrar correctamente un iris es más complicado que con un diafragma fijo y redondeado, y un centrado adecuado es esencial para asegurar una buena telecentricidad del objetivo;
sólo una apertura fija y circular asegura una luminosidad uniforme para todos los objetivos;
un iris ajustable normalmente no es plano, lo que puede resultar problemático en relación a la posición de parada (stop) que es esencial a la hora de usar objetivos telecéntricos;
un iris es un componente móvil que puede resultar peligroso en ambientes industriales, ya que, por ejemplo, las vibraciones del entorno podrían fácilmente desmontar el mecanismo o modificar la apertura del objetivo;
la configuración del iris puede ser modificada accidentalmente por el usuario, afectando a la configuración original del sistema;
por norma general, el usuario final prefiere ajustar al mínimo las opciones disponibles para tener que calibrar sólo unos pocos aspectos dentro del sistema de visión de máquina;
aperturas inferiores a las suministradas por Opto Engineering como apertura estándar de sus objetivos no son adecuadas ya que la resolución se reduciría debido al límite de difracción. Por otro lado, aperturas superiores podrían provocar una reducción de la profundidad de campo.
La apertura estándar de los objetivos Opto Engineering buscar optimizar la resolución de imagen y la profundidad de campo.
De la misma forma que con la incorporación del iris, un mecanismo de enfoque podría generar un juego mecánico en la pieza móvil del objetivo empeorando el centrado del sistema óptico y causando además distorsión trapezoidal. Otro de los problemas posibles está relacionado con la distorsión radial: la distorsión de un objetivo telecéntrico puede mantenerse baja sólo cuando las distancias entre los componentes ópticos están configuradas dentro de ciertos valores, por lo que desplazar cualquier elemento de su posición incrementaría la distorsión del objetivo. En este sentido, un mecanismo de enfoque hace que la posición de los objetivos dentro del sistema óptico sea incierta e impide conocer el valor de la distorsión, ya que está podría ser diferente respecto a los valores obtenidos durante nuestro proceso de control de calidad.
apertura numérica = sin (theta)
donde theta es la mitad del ángulo del cono delimitado por los rayos que entran o salen de un sistema óptico. El número f es definido como el valor de la relación entre la apertura del objetivo (D) y su distancia o longitud focal (F).
número f = F/D
Para valores pequeños de theta
número f = 1/(2* apertura numérica)
apertura numérica = 1/(2* número f)
Hay que tener en cuenta que la apertura numérica (y el número f) hace referencia tanto el espacio de la imagen como el espacio del objeto, y que estos pueden definir el ángulo del cono tanto de los rayos de entrada como de los de salida. Por lo general, el número f hace referencia al espacio de la imagen mientras que la apertura numérica se usa normalmente para indicar el espacio del objeto (rayos entrantes).
En los objetivos macro, como los objetivos telecéntricos, el parámetro que indica el número f no es significativo ya que el objeto no está situado en el infinito y en este caso debería utilizarse el valor del número f real o de trabajo. Estos dos parámetros forman parte junto de la siguiente fórmula:
número f de trabajo = (1 + aumento) * número f
apertura numérica (objeto) = aumento * apertura numérica (imagen)
número f de trabajo (objeto) = número f de trabajo (imagen) / aumento.
La profundidad de campo está indicada en la documentación relativa a cada producto: para la mayoría de los objetivos de la serie TC, la profundidad de campo indicada corresponde a aquella dada con un número f de 8.
En los bordes de la profundidad de campo, la imagen todavía puede ser utilizada para la medición. Sin embargo, para conseguir la máxima nitidez de imagen, sólo debería tenerse en cuenta la mitad de la profundidad de campo nominal.
La profundidad de campo es un parámetro difícil de definir: depende del aumento, del número f, de la longitud de onda, del tamaño de píxel y por último, pero no menos importante, de la sensibilidad del algoritmo de extracción del borde utilizado. Por ello, no hay ningún modo objetivo ni estándar de definirla y se puede decir que la profundidad de campo es un parámetro subjetivo.
Una regla general para calcular la profundidad de campo es:
profundidad de campo = (WFN * p * k) / (M * M)
M = aumento (Magnification)
WFN = número f de trabajo (Working F/#)
p = tamaño de píxel (en micrones)
k = parámetros específicos de la aplicación
El parámetro k depende del tipo de aplicación. Para aplicaciones de medición telecéntrica, un valor razonable de k es 0.008, mientras para la inspección de defectos, k debería estar alrededor de 0.015.
Para determinados aumentos y números f de trabajo, la bi-telecentricidad de nuestros objetivos proporciona una profundidad de campo superior.
Muchas cámaras no respetan el valor estándar industrial para montura C (17.52 mm) que define la distancia desde la brida de montaje al sensor (distancia focal de brida). Además de todos los problemas relacionados con la inexactitud mecánica, muchos fabricantes no tienen debidamente en cuenta el espesor del cristal de protección del sensor que hay que incluir en la distancia entre la brida y el sensor, sin importan cuánto sea fino o espeso.
Los objetivos Opto Engineering está pre-configurados para trabajar a la distancia nominal para montura C. Sin embargo, nuestros objetivos telecéntricos van equipados con un kit de espaciadores con las respectivas instrucciones para ajustar la distancia focal posterior en su valor óptimo.
La mayor parte de los iluminadores pueden ser alimentados con fuentes de energía de 12 o 24 V corriente continua.
El LED es controlado por un sistema de circuitos internos (una fuente de alimentación electrónica con microinterruptor) que asegura tanto la estabilidad óptica en el rendimiento como una condiciones de funcionamiento seguras.
Un mecanismo de ajuste en la parte posterior del dispositivo hace que sea posible ajustar el flujo de corriente del LED y, por lo tanto, también el flujo luminoso. Cuando un cliente necesita dar impulso a la fuente luminosa para hacer frente a tiempos de exposición especialmente cortos, el LED puede ser controlado directamente conectando un tercer cable independiente.Los valores de impulso eléctrico están indicados en la documentación que acompaña nuestros productos.
Al utilizar los iluminadores colimados de la serie LTCL en combinación con un objetivo telecéntrico, toda la luz que sale del iluminador es recogida por el objetivo telecéntrico lo que hace extremadamente eficiente esta configuración desde el punto de vista del balance energético. El sensor está intensamente iluminado, por lo que permite tiempos de integración muy reducidos sin necesidad de ninguna operación de impulso.
Muchos integradores de sistemas ópticos utilizan cámaras de amplia resolución con píxeles de tamaño muy pequeño sin tener en cuenta el rendimiento real del objetivo. La resolución de un objetivo es habitualmente indicada por el gráfico de la MTF (Modulation Transfer Function o Función de Transferencia de Modulación) que muestra la respuesta del objetivo cuando se captura la imagen un patrón sinusoidal. Sin embargo, la CTF (Contrast Transfer Function o Función de Transferencia de Contraste) resulta un parámetro más relevante porque indica el contraste alcanzado cuando se captura la imagen de un patrón de lineas blancas y negras, lo que simula el comportamiento de un objetivo cuando captura la imagen del borde del objeto.
Si "t" es el espesor de una línea blanca o negra en el espacio del objeto, la frecuencia espacial relativa "w" (normalmente indicada en pares de líneas por milímetro) se mide como:
Para cualquier valor dado de "w", el contraste se calcula siguiendo la fórmula siguiente:
en la que "lw" y "lb" son las intensidades máximas ( o los "niveles de gris") que es posible medir en el plano de la imagen para las líneas blancas (White) o negras (Black) respectivamente.
La CTF es limitada por la difracción y el límite se reduce con el aumento del número f. Así, para una dada frecuencia espacila "w", la CTF aumenta en relación con la disminución del número f de trabajo.
Al mismo tiempo, la CTF también depende del rango de la longitud de onda: cuando más corta sea la longitud de onda, más alta será la CTF. Expresando la CTF como una función que relaciona estos parámetros, la fórmula sería la siguiente:
w = frecuencia espacial en pares de líneas/mm
WFN = número f de trabajo
lambda = longitud de onda (en milímetros)
La "frecuencia de corte" es definida como el valor de "w" para el cual
lo que tiene lugar cuando
Por ejemplo, un objetivo de la serie TC con un número f de trabajo de 8 y operando con una luz verde (lamdba = 0,000587 mm) tiene una frecuencia de corte de:
que corresponde a un tamaño de píxel de, aproximadamente, 1/(2*213) = 2,3 micrones.
Teóricamente, sería preferible un objetivo que trabajase con un contraste muy pequeño (CTF) en la frecuencia espacial de píxel. Sin embargo, un tamaño pequeño de píxel es útil para reducir el rumor y mejorar la definición del perfil de un objeto.
Por este motivo, aunque el aumento en la resolución sea menor que el proporcional al tamaño del píxel (porque las curvas del CTF se van reduciendo conforme se incrementa la frecuencia espacial), hay todavía buenas razones para usar píxeles pequeños. Además, la detección del borde se realiza en dos dimensiones (por ello, disminuyendo el tamaño de píxel se produce un pequeño pero importante aumento del numero de píxeles en una determinada área de la imagen, lo que seguramente hace la detección del borde más eficiente).
Se podría decir que un número f menos podría incrementar la curva CTF pero, por otro lado, un pequeño desenfoque del objeto de hecho se transformaría en un efecto de borrosidad y haría que el contraste se redujese, lo que tendría el mismo efecto que reducir los valores de la CTF.
3.45 micron píxeles (por ejemplo, como los integrados en las cámaras 5.5 Mpíx.) conlleva una frecuencia espacial de cerca 1/0,00345 = 289 líneas/mm, es decir, unas 150 pares de líneas por milímetro. Los objetivos telecéntricos Opto Engineering tiene una difracción casi limitada a ese valor de frecuencia espacial por lo que son compatibles con estos tipos de sensores.
Para tamaños de píxel todavía más pequeños, Opto Engineering ha desarrollado los objetivos telecéntricos UV. Estos objetivos trabajan en la longitud de ondas ultravioletas (la longitud de onda más corta), lo que hace más alto el límite de difracción y la resolución compatible con tamaños de píxel muy pequeños.
Muchos de los adaptadores estándar de montura F para objetivos fotográficos convencionales se ven a afectados por un efecto de desajuste: la interfaz de conexión de la montura F es intrínsecamente elástica porque está basada en un sistema de muelles o resortes de precarga.
La montura F es un estándar comercial y no industrial, por lo que no existe ninguna referencia objetiva para definir el muelle de precarga ni el exacto nivel de tolerancia mecánica. Debido a su naturaleza elástica, la interfaz de conexión de la montura F puede ser problemática si la cámara conectada al objetivo es demasiado pesada y si el sistema está sujeto a vibraciones (obviamente, no es recomendable colocar el objetivo en su lugar sólo a través de la montura F de la cámara).
Algunas posibles soluciones para superar el desajuste podrían ser:
bloquear también a cámara;
intentar otros adaptadores diferentes;
aumentar la precarga del sistema de muelles.
Opto Engineering ofrece patrones realizados tanto en técnica fotolitográfica como a incisión láser para proyección o calibración de la distorsión.
Patrones a incisión láser
Numerosas capas de material dieléctrico son depositadas sobre un substrato de cristal. El resultado es un espejo "dicroico" que es muy similar a un revestimiento de aluminio. Una fuente láser se utiliza entonces para retirar partes del substrato y dejar pasar la luz a través de las áreas incisas de la superficie.
Esta técnica es rápida y barata pero no es particularmente precisa ya que el lado del haz láser es de 30-40 micrones y la resolución geométrica real no puede ser definida o indicada con precisión.
Patrones fotolitográficos
Una capa de cromo está depositada sobre el substrato de cristal. Con una técnica similar a la utilizada para la fabricación de tarjetas electrónicas, se coloca un fotoresistor sobre la capa de cromo y a continuación se aplica un revelado por luz ultraviolesta. Posteriormente se utiliza ácido para retirar las áreas del fotoresistor no reveladas de forma que el patrón de cromo deseado quede en la superficie del cristal. Al realizar el revelado por luz ultravioleta mediante un plóter o trazador de alta precisión, es posible alcanzar una precisión geométrica de tan sólo unos pocos micrones sobre una superficie de algunas decenas de milímetros.
La rugosidad de los bordes del patrón es también muy limitada, permaneciendo en el intervalo de 1.5 micrones de rugosidad o menos.
La luz colimada es la mejor opción si necesita inspeccionar objetos con bordes curvos; por este motivo, nuestros clientes utilizan ampliamente esta técnica de iluminación, especialmente cuando se trabaja con sistemas de medición de ejes, tubos, tornillos, resortes, juntas tóricas y ejemplos similares. Sin embargo, la luz colimada genera efectos de interferencia, tanto destructivos como constructivos, debido a la coherencia parcial de la fuente de radiación y físicamente inherente a este tipo de iluminación.
Estos efectos aparecen como una distribución de luminosidad de imagen distinta de la esperada de un iluminador estándar, como una luz de fondo común, que proporciona un borde perfectamente homogéneo, pero que, al mismo tiempo, no puede funcionar eficazmente con otros tipos de objetos (por ejemplo, formas de cilindro).
Las bibliotecas de procesamiento de imágenes pueden compensar rutinariamente la luminosidad más alta o más baja cerca del borde del objeto (borde más claro o áreas de sombra expandidas), ajustando el análisis dimensional a las condiciones de iluminación estándar.
Cambiar los parámetros de procesamiento de la imagen es necesario si se tienen que medir objetos con formas y superficies que varían significativamente: difundiendo, reflejando o bloqueando la luz entrante, el objeto se convierte en una parte integral del sistema óptico.
En este sentido, una medida óptica sin contacto examina la perturbación causada por el objeto inspeccionado: esto se puede advertir al medir (con cualquier iluminación) dos objetos idénticos pero con diferentes texturas superficiales.
Haga clic aquí para un estudio más profundo del efecto.

References: resolución 
 resolución 
 resolución 
 resolución 
 resolución 
 resolución 
 resolución 
 resolución 
 resolución 
 resolución 
 resolución