Inversión del contraste por incidencia rasante para la detección de microcaracterísticas
- Ángulos rasantes de 5–20° desvían la reflexión especular lejos de la cámara, dejando una imagen de fondo oscura.
- Arañazos, bordes, relieves y marcas láser dispersan la luz hacia el sensor y aparecen brillantes sobre el campo oscuro.
- El contraste es en gran medida independiente de la reflectancia absoluta, lo que hace que el campo oscuro sea robusto en sustratos de metal, plástico y PCB.
- Las configuraciones anulares ofrecen una cobertura isotrópica de 360°; las configuraciones de barra enfatizan los defectos sensibles a la dirección.
- Las longitudes de onda monocromáticas azules o rojas optimizan la eficiencia de dispersión en características micrométricas y submilimétricas respectivamente.
- No apto para superficies texturizadas, mates o fuertemente curvadas — en su lugar deben considerarse la iluminación de cúpula o de campo claro.
La iluminación de campo oscuro es el inverso geométrico del campo claro: al dirigir la luz hacia el objetivo con un ángulo rasante muy bajo, el campo oscuro desvía la reflexión especular de las superficies planas lejos de la cámara y captura solo las componentes difusas y dispersas que se originan a partir de las características de la superficie. El resultado es una imagen de fondo oscura en la que los arañazos, bordes, relieves, marcas grabadas con láser y microdefectos aparecen como elementos brillantes, una inversión del contraste que simplifica drásticamente la detección de pequeñas anomalías superficiales en sustratos por lo demás lisos.
Principio de funcionamiento de la iluminación de campo oscuro
Un iluminador de campo oscuro se posiciona de modo que la luz golpee el objetivo con un ángulo rasante, típicamente entre 5 y 20 grados respecto al plano de la superficie. En una superficie plana y lisa, la reflexión especular de esta luz sigue la ley de la reflexión y viaja en una dirección simétrica al rayo incidente, bien lejos de la cámara montada por encima del objetivo. Por lo tanto, el sensor no recibe prácticamente ninguna señal de las regiones planas de la superficie, las cuales aparecen oscuras en la imagen.
Las características superficiales que se desvían de esta línea de base plana (microarañazos, bordes, relieves, marcas láser, impresión en relieve, partículas de polvo) dispersan la luz incidente en todas las direcciones, incluyendo hacia la cámara. Por lo tanto, estas características aparecen brillantes sobre el fondo oscuro, con un contraste que es en gran medida independiente de la reflectancia absoluta de la superficie.
Configuraciones de campo oscuro anulares y lineales
La iluminación de campo oscuro puede implementarse como un anillo circular que rodea el objetivo con una iluminación rasante de 360 grados (la configuración más común para campos de inspección pequeños), típicamente proporcionada por las iluminaciones anulares LED de bajo ángulo de la Serie DC2 dedicadas, o como una o más barras lineales que proporcionan iluminación de campo oscuro desde una o más direcciones seleccionadas (la configuración estándar para grandes superficies o para la detección de defectos sensibles a la dirección), implementadas con la familia de iluminadores de barra LED. La elección entre estas configuraciones depende de si los defectos de interés están orientados isotrópicamente o tienen una dirección preferente.
Aplicaciones industriales típicas
La iluminación de campo oscuro es la geometría dominante para la detección de arañazos, abrasiones y microdefectos de superficie en objetivos planos o ligeramente curvados; la lectura de marcas directas en piezas grabadas con láser, por micropercusión y mediante grabado electroquímico en sustratos metálicos; la inspección de características en relieve en envases de plástico y metal; el control de calidad de placas de circuito impreso para detectar puentes de soldadura, contaminación y defectos de superficie; la verificación de componentes micromecánicos para detectar rebabas y defectos de mecanizado; la inspección de películas plásticas y bandas de papel (web) para detectar contaminación superficial e inclusiones; y cualquier aplicación donde las características de interés sean anomalías superficiales submilimétricas en una superficie por lo demás lisa.
Criterios de selección y consideraciones de diseño
El ángulo rasante es el parámetro crítico. Los ángulos muy bajos (de 5 a 10 grados) producen el máximo contraste en las microcaracterísticas superficiales, pero requieren un objetivo plano y bien alineado; incluso pequeñas variaciones en la altura o la inclinación del objetivo pueden introducir variaciones de intensidad en todo el campo de visión (FOV). Los ángulos rasantes más altos (de 10 a 20 grados) proporcionan una mayor tolerancia al posicionamiento del objetivo, a costa de un contraste ligeramente reducido en las microcaracterísticas.
La cobertura angular del iluminador de campo oscuro determina la direccionalidad de la inspección. Un anillo completo cubre todas las direcciones azimutales por igual y detecta características independientemente de su orientación. Una barra lineal cubre una sola dirección y detecta preferentemente características perpendiculares a esa dirección. Para la inspección de características direccionales, como huellas de mecanizado u orientación del grano, se pueden utilizar varias barras en ángulos azimutales diferentes en secuencia para extraer información adicional.
Consideraciones espectrales y polarización
Los iluminadores de campo oscuro monocromáticos son comunes porque permiten un filtrado de banda estrecha en la cámara para el rechazo de luz ambiental. La longitud de onda se selecciona para obtener la máxima eficiencia de dispersión en las características del objetivo, la cual depende del tamaño y el material de los defectos. El campo oscuro rojo e infrarrojo cercano se prefiere para características submilimétricas en metal y plástico, mientras que el campo oscuro azul se prefiere para características muy pequeñas (de unos pocos micrómetros) porque las longitudes de onda más cortas se dispersan de manera más eficiente en estructuras pequeñas.
Integración y limitaciones
La principal restricción mecánica de la iluminación de campo oscuro es el requisito de un acceso de bajo ángulo al objetivo, lo que puede resultar difícil en líneas de producción con un espacio libre lateral limitado. Las iluminaciones anulares de campo oscuro compactas montadas justo encima del plano del objetivo resuelven este problema en muchas aplicaciones, pero requieren una cuidadosa coordinación con la estructura del transportador para evitar interferencias.
El campo oscuro no es eficaz en superficies fuertemente texturizadas o mates, donde la componente difusa ya es dominante y el contraste entre las regiones planas y las características se reduce. También es menos eficaz en superficies fuertemente curvadas, donde las variaciones locales en la orientación de la superficie introducen variaciones de intensidad que enmascaran el contraste deseado de las características. Para estas superficies, debe considerarse la iluminación de cúpula o de campo claro. El campo oscuro sobresale en superficies planas, lisas y semiespeculares, donde proporciona un contraste en las microcaracterísticas que ninguna otra geometría puede igualar.
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- Geometías anulares de bajo ángulo de 360 grados (Serie DC2) — Iluminadores anulares LED
- Configuraciones de campo oscuro direccionales lineales para campos alargados — Iluminadores de barra LED
- Geometrías de campo oscuro específicas para la aplicación para celdas de inspección no estándar — Iluminadores LED personalizados
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