La estructura técnica de una lente
¿Qué tipos de lentes hay?
Por lo general, se distingue entre lentes entocéntricas y telecéntricas:
Lentes entocéntricas
Las lentes entocéntricas son uno de los tipos de lentes más utilizados en el procesamiento industrial de imágenes. Tanto las distancias focales fijas como las lentes con zoom se basan en este principio óptico, similar a la percepción natural del ojo humano.
Con una lente normal entocéntrica, el ángulo de abertura permanece constante, independientemente de si está orientado hacia el objeto o el sensor. Por el contrario, el ángulo de abertura puede variar con las lentes con zoom entocéntricas. Las lentes normales son aquellas cuyo ángulo de abertura es de aproximadamente 50 grados, que corresponde al del ojo humano.
Propiedades
Con las lentes entocéntricas, los objetos más cercanos a la cámara parecen más grandes, mientras que los objetos más lejanos parecen más pequeños. De este modo, el recorte de la imagen se puede adaptar bien incluso con distancias focales fijas. Cuanto más lejos esté el objeto, más grande será el recorte de la imagen; cuanto más cerca esté el objeto, más pequeño será.
La distancia de trabajo puede reducirse hasta la distancia mínima del objeto (MOD) especificada por el fabricante. El uso de anillos intermedios puede reducir aún más esta distancia, lo que puede causar errores ópticos en la imagen. Este efecto representa un desafío, especialmente para las lentes gran angular. El objeto en el centro de la imagen se registra verticalmente, pero el ángulo de visión se desplaza cada vez más hacia los bordes de la imagen. Este efecto se puede reducir cerrando la abertura y aumentando así la profundidad del foco.
Aplicaciones con lentes entocéntricas
Lentes telecéntricas
Las lentes telecéntricas se utilizan principalmente en aplicaciones de medición de precisión, especialmente cuando la posición del objeto dentro del campo de visión cambia en las direcciones X e Y y se requieren resultados sin distorsión.
En estas ópticas, el ángulo de apertura es de casi cero grados en un rango definido. Esto hace que los haces de luz sean casi paralelos al eje óptico, lo que evita la distorsión de la perspectiva. De este modo, la imagen permanece constante en todo el campo visual, independientemente de si el objeto está más cerca o más lejo de la cámara. Las lentes telecéntricas son especialmente adecuadas para mediciones precisas de longitud, anchura y posición en las que es fundamental una escala de imagen constante.
A diferencia de las lentes entocéntricas, los sistemas telecéntricos no solo enfocan en el centro de la imagen, sino también en los bordes de la imagen perpendicularmente al objeto.
Ámbitos de aplicación de las lentes telecéntricas
Las ópticas telecéntricas se utilizan especialmente para tareas de medición o inspección:
Comparación de estructuras en diferentes niveles de objetos
Por ejemplo, al medir orificios en la parte superior e inferior de una pieza de trabajo, la óptica telecéntrica proporciona una escala de representación uniforme y permite mediciones comparativas fiables.Distancias variables entre objetos en caso de alimentación imprecisa
Si la distancia entre la lente y el objeto no se puede reproducir exactamente, por ejemplo, debido a tolerancias en la alimentación o el posicionamiento, la imagen se mantiene a escala con una óptica telecéntrica.Inspección y medición de orificios y contornos internos
Con una óptica telecéntrica, se pueden representar taladros o hendiduras sin distorsión de la perspectiva y sin necesidad de ver paredes inclinadas. Los contornos se mantienen exactos, lo que es especialmente crucial para mediciones precisas de posición, comprobaciones de diámetro o controles de calidad.
Para una iluminación óptima de tales aplicaciones, se recomienda el uso de iluminaciones superficiales. Garantizan una iluminación homogénea y libre de sombras.
Comparación directa entre lentes entocéntricas y telecéntricas
| Lente entocéntrica | Lente telecéntrica | |
|---|---|---|
| Ángulo de abertura | aprox. 50 °C | Casi 0 °C (paralelo) |
| Distorsión de la perspectiva | Sí | No |
| Escala de imagen | Variable con cambio de profundidad | Constante |
| Exactitud en la medición | Con restricciones | Muy elevada |
| Representación de paredes laterales | Posible (p. ej., con ojo de pez) | No es posible |
| Aplicación típica | Inspección visual, aplicaciones generales | Tecnología de medición precisa |
Los criterios clave para elegir la lente adecuada
Distancia de trabajo
Tamaño del objeto
Tamaño del sensor
El tamaño del sensor especificado por la cámara influye directamente en el tamaño de la imagen y es decisivo para la selección de la óptica adecuada. Los sensores más grandes suelen requerir lentes más grandes y de mayor calidad para iluminar todo el área del sensor y garantizar una alta calidad de imagen.
Distancia de la óptica al sensor
La distancia de la óptica al sensor está definida por el fabricante de la cámara y la rosca de conexión utilizada. Existen diferentes distancias de registro. Además, la distancia se puede adaptar mediante el uso de anillos intermedios y duplicadores de distancia focal.
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¿Qué se debe calcular?
*La distancia de trabajo describe la distancia desde el borde delantero de la óptica hasta la superficie del objeto de ensayo.
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Otros criterios de decisión
Una óptica de alta calidad debe estar adaptada a la cámara, a su sensor de imagen y a su uso previsto. Dependiendo de la aplicación, como las mediciones, las pruebas de color, la inspección por infrarrojos, las aplicaciones robóticas o los controles de presencia, se deben tener en cuenta diferentes requisitos de calidad óptica.
Los principales parámetros de ajuste y criterios de decisión a la hora de seleccionar una lente son:
Capacidad de resolución del sensor y tamaño del píxel
Para obtener una calidad de imagen óptima, es fundamental que el sensor y la lente coincidan. La lente debe tener una alta calidad óptica para capturar detalles precisos en el sensor de imagen. El tamaño del píxel desempeña un papel central: cuanto más pequeños sean los píxeles, mayores deberán ser la resolución y el rendimiento de imagen de la lente para aprovechar al máximo el sensor.
Las tecnologías de fabricación modernas permiten sensores cada vez más compactos con estructuras de píxeles más finas. Esta tendencia hacia sensores y píxeles más pequeños aumenta la densidad de integración y permite un uso más eficiente del material. Al mismo tiempo, los avances en la sensibilidad a la luz y la reducción de ruido mejoran la calidad de la imagen incluso con píxeles pequeños.
No obstante, en general, los sensores más grandes con píxeles más grandes suelen proporcionar un mayor rendimiento luminoso y una mejor calidad de imagen, pero requieren más espacio y suelen implicar un mayor coste.
Influencia del tamaño del píxel y de la resolución del objetivo en la calidad de la imagen
El gráfico correspondiente muestra la relación entre el tamaño del píxel de un sensor de cámara y la resolución óptica de la lente utilizada. En ambos ejemplos, el tamaño del sensor se mantiene constante, mientras que el tamaño del píxel disminuye y la resolución total aumenta en consecuencia.
Los sensores de baja resolución, es decir, con píxeles más grandes, no suelen mostrar diferencias significativas en el resultado de la imagen entre diferentes lentes. Sin embargo, a medida que disminuye el tamaño del píxel, aumentan los requisitos de rendimiento de imagen de la lente. En este caso, la calidad óptica de la lente puede contribuir significativamente a la nitidez y la precisión de la imagen.
Si la resolución del sensor supera el rendimiento óptico de la lente, la calidad de la imagen puede verse afectada. Por el contrario, el uso eficiente del sensor es posible si la densidad de píxeles se encuentra dentro de la frecuencia límite transmisible por la lente.
Por lo tanto, la calidad de imagen total de un sistema de cámaras no viene determinada únicamente por el sensor, sino por la interacción de todos los componentes ópticos y electrónicos. Por lo tanto, un diseño coordinado del sistema es crucial para la captura fiable de estructuras finas en aplicaciones de procesamiento de imágenes exigentes.
Diámetro del círculo de imagen
Las lentes con el mismo estándar de conexión, como el C mount, pueden variar en el diámetro del círculo de imagen. El círculo de imagen es el área que una lente ilumina uniformemente sin sombreados de bordes o pérdidas de brillo significativos.
Para una iluminación completa y homogénea del área del sensor, el diámetro del círculo de imagen de la lente debe ser como mínimo igual al tamaño del sensor.
También se pueden utilizar lentes con un diámetro de círculo de imagen mayor. Estos cambian el ángulo de la imagen y suelen implicar mayores dimensiones y costes sin mejorar la calidad de la imagen con el mismo tamaño de sensor.
Configuración del diafragma
El diafragma es la abertura variable de la lente a través de la cual la luz llega al sensor. Su tamaño está controlado por una disposición de láminas superpuestas y se corresponde funcionalmente con la pupila del ojo humano. Una abertura más pequeña (mayor apertura del diafragma) reduce la cantidad de luz, prolonga el tiempo de exposición y aumenta la profundidad de campo. Una abertura más grande (menor apertura del diafragma) permite que entre más luz y tiempos de exposición más cortos, pero reduce la profundidad del foco.
La abertura influye directamente en:
el tiempo de exposición de la cámara
la profundidad del focoen la imagen
Profundidad del foco
La profundidad del foco designa el área a lo largo del eje óptico donde los objetos de la imagen se muestran suficientemente nítidos. Depende de la abertura del diafragma, la distancia focal y la escala de la imagen. Para las tareas de comprobación y medición es decisivo que todas las características relevantes se encuentren dentro de este área. En los sistemas de cámara definidos de forma fija, la profundidad del foco se controla principalmente a través de la abertura del diafragma: Una abertura más pequeña (mayor diafragma) aumenta la profundidad del foco, pero reduce la cantidad de luz y requiere tiempos de exposición más largos. Una imagen se considera nítida siempre que el desenfoque sea inferior al tamaño del píxel del sensor.
Distancia mínima del objeto (MOD)
MOD es la distancia más corta entre la lente frontal de un objetivo y el objeto con la que aún es posible un enfoque nítido. Está determinada por el diseño óptico, la distancia focal y la mecánica de la lente.
Los objetivos gran angular suelen tener una MOD más baja. También es posible reducirla mediante los diafragmas o el uso de anillos intermedios, que aumentan la distancia del objeto al sensor y reducen así el límite de ajuste cercano.
Anillos intermedios
Los anillos intermedios se montan entre el objetivo y la cámara y aumentan la distancia entre el sensor y el grupo de lentes (ancho de imagen). Así se puede reducir el límite de enfoque cercano de la lente. El objeto se puede acercar más a la óptica y el campo de objeto representado se reduce. Esto permite capturar con nitidez incluso secciones de imagen muy pequeñas, por ejemplo en el rango de 9 mm × 6 mm, con lentes estándar. Por lo tanto, los anillos intermedios ofrecen una opción eficiente para las fotografías de cerca y pueden ser una alternativa a las macrolentes.
Viñeteado
El viñeteado es el oscurecimiento de los bordes de una imagen que puede falsear los resultados de medición y dificultar la detección de objetos, especialmente con algoritmos basados en imágenes binarias.
Para reducir este efecto, se recomienda utilizar una abertura de diafragma más pequeña o una iluminación potente y uniforme. De este modo, se minimizan los rayos marginales planos que suelen ser responsables del oscurecimiento.
