Por qué es importante la distancia focal en el diseño de sistemas de visión artificial

29 Julio 2025

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La distancia focal es fundamental para determinar la calidad de imagen en cualquier sistema de visión artificial. Cuando una cámara en una fábrica inspecciona productos, una distancia focal incorrecta puede generar imágenes borrosas, limitar el campo de visión o pasar por alto pequeños defectos. La ubicación de la cámara, la iluminación y la elección del objetivo influyen en cómo los sistemas capturan los detalles. Si la iluminación se refleja mal o la cámara está demasiado lejos, los sistemas podrían no detectar defectos. Un diseño adecuado de la distancia focal en un sistema de visión artificial ayuda a que las cámaras funcionen con la iluminación y los sistemas para ofrecer resultados nítidos.

Puntos clave

La distancia focal controla la nitidez de la imagen, el campo de visión y la ampliación, lo que la hace vital para una inspección visual clara de la máquina.
La distancia focal es una propiedad de la lente que afecta el zoom y el tamaño de la vista; la distancia de trabajo es la distancia real entre la cámara y el objeto.
Elegir la lente correcta significa equilibrar el campo de visión, el aumento, la profundidad de campo y iluminación para adaptarse a la tarea de inspección.
Siempre coincida con el tamaño de la lente al sensor de la cámara y planifique cuidadosamente la distancia de trabajo para evitar imágenes borrosas o detalles perdidos.
Pruebe el sistema completo con objetos reales e iluminación antes de finalizarlo para garantizar una captura de imágenes nítida y confiable, así como la detección de defectos.

Conceptos básicos de la distancia focal

¿Qué es la distancia focal?

La distancia focal describe cómo una lente enfoca la luz para formar una imagen nítida en la sensor de imagenEn un sistema de visión artificial, esta medición determina cómo la cámara captura los detalles de la escena. Los ingenieros utilizan la distancia focal, medida en milímetros, para seleccionar el objetivo adecuado para cada aplicación. La distancia focal afecta el campo de visión y la ampliación. Las distancias focales más cortas ofrecen un campo de visión más amplio, mientras que las más largas proporcionan una mayor ampliación y una visión más estrecha.

Las definiciones técnicas de la distancia focal ayudan a aclarar su función en los sistemas ópticos. La siguiente tabla resume los términos clave:

Término	Definición
Longitud focal efectiva	Distancia desde el centro óptico hasta el foco cuando la luz paralela ingresa al sistema.
Longitud focal frontal	Distancia del plano principal frontal al punto focal frontal.
Distancia focal trasera	Distancia desde el plano principal trasero al punto focal trasero.
Distancia focal frontal	Distancia desde el punto focal frontal hasta la primera superficie óptica.
Distancia focal trasera	Distancia desde la última superficie óptica hasta el punto focal trasero.

Un diseñador de sistemas de visión artificial debe comprender estos términos para elegir la lente adecuada para la cámara y el sensor de imagen. Una configuración correcta del sistema de visión artificial con una distancia focal adecuada garantiza que la cámara capture imágenes nítidas, incluso en condiciones de iluminación difíciles.

Distancia focal vs. distancia de trabajo

La distancia focal y la distancia de trabajo no son lo mismo. La distancia focal es una propiedad intrínseca de la lente. Define cómo esta desvía la luz y forma una imagen. La distancia de trabajo, por otro lado, es la distancia real desde la parte frontal de la lente hasta el objeto que se inspecciona. En visión artificial, ambas medidas se miden en milímetros.

Para una sola lente, la distancia de trabajo puede coincidir con la distancia focal. En lentes complejas, como las de una cámara industrial, la distancia de trabajo suele ser menor que la distancia focal. Esta diferencia es importante en la visión artificial, ya que la distancia de trabajo indica al ingeniero la distancia de trabajo que debe estar la cámara respecto al objeto para obtener una imagen nítida. Sin embargo, la distancia focal controla el campo de visión y la ampliación.

La iluminación también influye. La cámara, la iluminación y el objetivo deben funcionar en conjunto. Si la distancia de trabajo es demasiado corta, la iluminación podría no alcanzar el objeto de forma uniforme. Si la distancia focal es demasiado larga, la cámara podría pasar por alto detalles importantes fuera del campo de visión. En todo sistema de visión artificial, el equilibrio entre la distancia focal, la distancia de trabajo y la iluminación garantiza que la cámara y el sensor de imagen proporcionen imágenes nítidas y útiles para la inspección.

Parámetros clave en la visión artificial

Campo de visión

Campo de visión Describe la cantidad de una escena que la cámara puede ver simultáneamente. En un sistema de visión artificial, la distancia focal controla directamente el campo de visión angular. Una distancia focal más corta, como 8 mm, permite que el objetivo capture un área más amplia. Este amplio campo de visión resulta útil al inspeccionar objetos grandes o escanear cintas transportadoras anchas. Una distancia focal más larga, como 50 mm, reduce el campo de visión y se enfoca en una región más pequeña. Esta configuración es ideal para inspecciones detalladas donde la cámara debe detectar defectos minúsculos. La combinación de la distancia focal y el tamaño del sensor de imagen determina el campo de visión total. Los ingenieros deben adaptar el objetivo a la aplicación para evitar la omisión de detalles importantes o la distorsión en los bordes.

Aumento

El aumento mide cuánto más grande o pequeño se ve el objeto en el sensor de imagen con la cámara. Cambiar la distancia focal o ajustar la distancia de trabajo modifica el aumento. Por ejemplo, añadir un espaciador a un objetivo de 35 mm aumenta la distancia de imagen y reduce la distancia de trabajo, lo que duplica con creces el aumento. La fórmula para objetivos delgados, 1/f = 1/o + 1/i, y la fórmula de aumento, M = -i/o, muestran cómo interactúan estas variables. En las configuraciones de cámaras industriales, un mayor aumento ayuda a capturar detalles finos, pero puede requerir que la cámara se acerque más al objeto. Seleccionar la distancia focal correcta garantiza que la cámara proporcione el aumento necesario para un procesamiento de imágenes preciso.

Longitud focal	Campo de visión	Aumento	Caso de uso típico
8 mm	Amplio	Baja	Inspección de objetos grandes
16 mm	Moderada	Mediana	Visión artificial de propósito general
25 mm	Estrecho	Alta	Inspección de piezas pequeñas
50 mm	Muy estrecho	Muy Alta	Detección de microdefectos

Resolución y profundidad de campo

Resolución Define la claridad con la que la cámara puede capturar pequeños rasgos. La profundidad de campo describe qué parte de la escena permanece enfocada a la vez. El diseño de sistemas de visión artificial con distancia focal debe equilibrar estos dos factores. Una apertura menor aumenta la profundidad de campo, manteniendo nítida una mayor parte del objeto, pero puede reducir la resolución debido a la difracción. Un mayor aumento, que a menudo se logra con distancias focales mayores, puede intensificar estos efectos. La cámara, la iluminación y el objetivo deben trabajar en conjunto para lograr el equilibrio adecuado. Por ejemplo, enfocar a la distancia hiperfocal maximiza la profundidad de campo, lo cual es útil para inspeccionar objetos a diferentes alturas. Sin embargo, esto puede requerir ajustes en la iluminación o la configuración del sensor de imagen para mantener la calidad de la imagen. Los ingenieros utilizan calculadoras de profundidad de campo para encontrar la mejor configuración para cada aplicación, lo que garantiza que la cámara capture imágenes nítidas para una captura y un procesamiento de imágenes fiables.

Selección del sistema de visión artificial por distancia focal

Guía de selección de lentes

Seleccionar la lente adecuada para un sistema de visión artificial con distancia focal requiere un enfoque estructurado. Los ingenieros deben considerar varios factores para garantizar que la cámara capture imágenes nítidas y precisas para un procesamiento de imágenes fiable. Los siguientes pasos describen un método de eficacia probada:

Definir la distancia de trabajo y el campo de visión
La distancia de trabajo es el espacio entre la lente y el objeto. campo de visión Describe el área que la cámara debe capturar. Los ingenieros miden el tamaño del objeto y deciden qué parte debe aparecer en la imagen.
Especificar el tamaño y la resolución del sensor
El tamaño del sensor afecta el campo de visión y la compatibilidad con el objetivo. Adaptar el objetivo al sensor evita el viñeteo y la distorsión. La resolución requerida depende de la característica más pequeña que la cámara debe detectar.
Calcular la distancia focal requerida
Utilice el tamaño del objeto, la distancia de trabajo y el tamaño del sensor para determinar la distancia focal. Este cálculo garantiza que la cámara encuadre correctamente el objeto.
Estimar la profundidad de campo
La profundidad de campo es el rango en el que el objeto se ve nítido. Los ingenieros ajustan la apertura y la distancia focal para equilibrar la nitidez y el brillo. Aperturas más pequeñas aumentan la profundidad, pero pueden requerir más iluminación.
Seleccione el tipo de lente
Los objetivos de distancia focal fija ofrecen un rendimiento estable y una alta calidad de imagen. Los objetivos con zoom ofrecen flexibilidad, pero pueden reducir la resolución. Los objetivos telecéntricos son útiles cuando se requieren mediciones precisas.
Verificar las restricciones mecánicas y ambientales
La cámara y el objetivo deben caber en el espacio disponible. Los ingenieros consideran la iluminación, la vibración y la temperatura para garantizar un funcionamiento fiable.

Consejo: Adapte siempre la lente al tamaño del sensor y a las necesidades de la aplicación. Evite usar una lente con un círculo de imagen menor que el sensor, ya que esto provoca viñeteo.

Fórmulas prácticas

Los ingenieros utilizan diversas fórmulas para calcular la distancia focal y la distancia de trabajo óptimas para un sistema de visión artificial de distancia focal. Estas fórmulas ayudan a equilibrar el campo de visión, la ampliación y la calidad de la imagen.

Cálculo de la distancia focal:
```
Focal Length (mm) = (Sensor Size × Working Distance) / Field of View
```
Esta fórmula ayuda a seleccionar una lente que se ajuste al objeto dentro del campo de visión de la cámara.
Campo de visión angular (AFOV):
```
AFOV = 2 × arctan (Sensor Dimension / (2 × Focal Length))
```
Utilice esto para determinar qué parte de la escena puede ver la cámara.
Ampliación:
```
Magnification = Focal Length / Working Distance
```
Esto muestra qué tan grande aparece el objeto en el sensor.
Ecuación de lente delgada:
```
1/s1 + 1/s2 = 1/f
```
Donde s1 es la distancia del objeto (distancia de trabajo), s2 es la distancia de la imagen y f es la distancia focal.

Parámetro	Ejemplo de fórmula	Descripción
Longitud focal	(Tamaño del sensor × WD) / Campo de visión (FOV)	Calcula la distancia focal de la lente
Campo de visión (AFOV)	2 × arctan (Sensor Dim / (2 × Longitud focal))	Encuentra el campo de visión angular
Aumento	Distancia focal / distancia de trabajo	Determina el tamaño del objeto en el sensor.
Ecuación de lente delgada	1/s1 + 1/s2 = 1/f	Relaciona objeto, imagen y distancias focales.

Nota: Utilice siempre unidades consistentes (milímetros) para todas las mediciones.

Ejemplos de aplicación

Los ingenieros aplican estas fórmulas y directrices al diseño de sistemas de visión artificial con distancia focal real. Los siguientes ejemplos muestran cómo equilibrar el campo de visión, la distancia de trabajo y la iluminación para diferentes tareas:

Inspección de objetos grandes en una cinta transportadora
Una cámara industrial debe inspeccionar cajas que se mueven sobre una cinta transportadora. El ingeniero mide el tamaño de la caja y establece la distancia de trabajo según el espacio disponible. Con el tamaño del sensor y el campo de visión deseado, calcula la distancia focal. Una lente de distancia focal corta proporciona un campo de visión amplio, lo que permite a la cámara capturar toda la caja. Una iluminación brillante y uniforme garantiza que la cámara detecte defectos superficiales.
Detección de microdefectos en electrónica
Para inspeccionar pequeñas juntas de soldadura, el ingeniero selecciona una lente de mayor distancia focal para mayor aumento. La distancia de trabajo se acorta, por lo que la cámara debe acercarse al objeto. El ingeniero utiliza una apertura pequeña para aumentar la profundidad de campo, pero añade iluminación adicional para mantener el brillo de la imagen. Esta configuración permite que la cámara revele pequeños defectos que podrían causar fallas en el producto.
Lectura de códigos de barras en clasificación de alta velocidad
Una cámara lee códigos de barras en paquetes en movimiento rápido. El ingeniero elige un objetivo con una distancia focal que se ajusta al tamaño del sensor y a la distancia de trabajo, garantizando que el código de barras ocupe la mayor parte del campo de visión. Una iluminación intensa y enfocada ayuda a la cámara a capturar imágenes nítidas a alta velocidad, mejorando así la precisión del procesamiento de imágenes.

Consejo: Pruebe siempre el sistema con objetos e iluminación reales antes de elegir el objetivo. Ajuste la distancia focal o la distancia de trabajo si la cámara pierde detalles o la imagen aparece borrosa.

Los ingenieros deben sopesar diversas desventajas al diseñar sistemas de visión artificial con distancia focal. Las distancias focales más cortas aumentan el campo de visión, pero pueden introducir distorsión y reducir la magnificación. Las distancias focales más largas mejoran el detalle, pero reducen el campo de visión y pueden requerir más iluminación. La elección correcta depende de la aplicación, el espacio disponible y los requisitos de inspección. Una planificación y unas pruebas minuciosas ayudan a que los sistemas ofrezcan resultados fiables.

Errores comunes

Requisitos de paso por alto

Muchos ingenieros cometen errores al no comprender completamente las necesidades de la tarea de inspección. Pueden olvidar considerar el tamaño del objeto, la característica más pequeña a detectar o el espacio disponible para la cámara y el objetivo. Algunos omiten verificar si el objetivo se ajusta a la tamaño del sensor o si el sistema puede manejar la resolución requerida. Otros ignoran la importancia de la profundidad de campo o no planifican la distancia de trabajo adecuada. Estos descuidos pueden provocar imágenes borrosas, defectos no detectados o incluso la necesidad de rediseñar el sistema.

Consejo: Siempre enumere todos los requisitos antes de elegir un objetivo. Incluya el tamaño del objeto, la distancia de trabajo, el tamaño del sensor y las necesidades de iluminación. Esto ayuda a evitar errores costosos.

Los errores comunes incluyen:

No se guarda suficiente espacio para la cámara y la lente, lo que provoca problemas de instalación.
No equilibrar la distancia de trabajo y el campo de visión, lo que puede dificultar la obtención de imágenes nítidas.
Pasando por alto el efecto de iluminación en la calidad de la imagen.
Ignorando la necesidad de lentes especiales, como lentes telecéntricas, cuando se requieren mediciones precisas.

Lectura errónea de las especificaciones de las lentes

Los ingenieros suelen malinterpretar las especificaciones de las lentes. Esto ocurre cuando confunden términos como distancia de trabajo y campo de visión, o no comprenden cómo el tamaño del sensor afecta la elección de la lente. La siguiente tabla muestra algunos problemas comunes y sus consecuencias:

Parámetro	Problema de mala interpretación	Consecuencias
Distancia de trabajo	Confundido con campo de visión	Mala resolución, desafíos de instalación
Tamaño del sensor	Cambiado tarde en el diseño	Rediseño, mayores costos
Campo de visión	Los ángulos amplios no están equilibrados con la distancia de trabajo	Distorsión, pérdida de detalle.
Resolución	Las compensaciones con la distorsión no se entienden	Calidad de imagen subóptima

Los diseñadores a veces creen que los objetivos telecéntricos siempre ofrecen una mayor profundidad de campo. En realidad, la profundidad de campo depende de la apertura y la resolución, no del tipo de objetivo. Una interpretación errónea de estas especificaciones puede resultar en sistemas que no cumplan los objetivos de rendimiento.

Ignorando la integración

Los sistemas exitosos requieren una integración cuidadosa de todos los componentes. La cámara, el objetivo, el sensor y la iluminación deben funcionar en conjunto. Si una pieza no encaja, todo el sistema puede fallar. Algunos ingenieros olvidan comprobar si el objetivo y la interfaz de la cámara son compatibles. Otros no consideran cómo afectará la iluminación a la imagen ni si el objetivo puede gestionar el campo de visión requerido a la distancia establecida.

Nota: Pruebe siempre el sistema completo con objetos e iluminación reales antes de finalizar el diseño. Ajuste la cámara o la iluminación si la imagen no es nítida.

Las mejores prácticas incluyen:

Adaptación de la lente al tamaño y resolución del sensor.
Mantener la distancia de trabajo correcta para la lente.
Teniendo en cuenta la profundidad de campo alrededor de la distancia de trabajo.
Planificación de una iluminación que coincida con la tarea de inspección.

Ignorar estos pasos puede provocar una mala calidad de imagen, defectos no detectados o rediseños costosos. Una planificación y pruebas minuciosas ayudan a garantizar que el sistema funcione correctamente.

La distancia focal determina cómo una cámara captura los detalles, equilibra el campo de visión y facilita la compatibilidad con sistemas fiables. Una selección adecuada garantiza que la cámara ofrezca imágenes nítidas, incluso con cambios de iluminación o variaciones en el tamaño de los objetos.

La distancia focal correcta equilibra la ampliación y el campo de visión, mejorando la detección y la repetibilidad.
Los ingenieros deberían:
1. Identifique el campo de visión, la resolución, la distancia de trabajo y la profundidad de campo.
2. Adapte la lente y la iluminación a las necesidades de la aplicación.
3. Utilice calculadoras en línea y soporte técnico para la selección de lentes.
  Los avances en la tecnología de lentes y la iluminación ahora permiten que los sistemas se adapten rápidamente, lo que satisface las necesidades de inspección futuras.

Preguntas Frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre distancia focal y distancia de trabajo?

La distancia focal describe la propiedad óptica de la lente. La distancia de trabajo mide la distancia entre la lente y el objeto. Los ingenieros utilizan la distancia focal para determinar la ampliación y el campo de visión. La distancia de trabajo ayuda a determinar la ubicación de la cámara.

¿Cómo afecta la distancia focal a la calidad de la imagen en la visión artificial?

La distancia focal controla el nivel de detalle que captura la cámara. Una distancia focal correcta produce imágenes nítidas. Una distancia focal incorrecta puede causar imágenes borrosas o pasar por alto pequeños defectos. Los ingenieros seleccionan la distancia focal según las necesidades de la inspección.

¿Puede una misma lente funcionar para cada aplicación de visión artificial?

No existe una única lente que se adapte a todas las tareas. Cada aplicación requiere una lente adaptada al tamaño del objeto, el nivel de detalle requerido y el espacio disponible. Los ingenieros suelen probar varias lentes para encontrar la más adecuada para cada proyecto.