Pro vývojáře kontrolující plasty, barvy a etikety odhalí ultrafialové (UV) osvětlení vady, které nelze odhalit viditelným světlem.

Matt Pinter

Mnoho systémů strojového vidění používá k osvětlení výrobků viditelné osvětlovací komponenty LED 390-700 nm. Zatímco konstruktéři těchto systémů je používají nejefektivněji, roste poptávka po kontrole výrobků, jako jsou plasty, barvy, tiskové inkousty a barviva, které mohou těžit z osvětlení v ultrafialovém (UV) spektru. V minulosti byly takové úlohy omezeny cenou zdrojů UV světla. Nyní se však s příchodem levnějšího UV LED osvětlení stávají tyto aplikace dostupnějšími.

UV je elektromagnetické záření o vlnové délce 10-400 nm, které je rozděleno do tří různých pásem. Pásmo spektra mezi 300-400 nm se nazývá pásmo blízkého UV záření a dělí se na dílčí pásma UV-A (315-400 nm) a UV-B (280-315). Pod 300 nm se nachází pásmo UV-C, které pokrývá vlnové délky 100-280 nm. V aplikacích strojového vidění se nejčastěji používají vlnové délky v pásmu UV-A, zejména vlnové délky 365 nm a 395 nm.

UV světlo lze v aplikacích strojového vidění použít k detekci prvků, které nelze detekovat pomocí viditelného světla. Protože UV světlo je absorbováno mnoha materiály, je možné zachytit obraz povrchu výrobku, a protože má kratší vlnovou délku než viditelné světlo, bude rozptýleno povrchovými prvky na výrobku.

UV osvětlení lze v systémech strojového vidění použít dvěma různými způsoby. V aplikacích s odraženým UV světlem se UV světlo aplikuje na objekt a snímá se pomocí monochromatické nebo barevné kamery, která je citlivá na UV záření. Při UV-fluorescenčním zobrazování je povrch objektu opět osvětlen UV světlem. Ve výrobcích, jako jsou barvy, plasty, tiskařské barvy a barviva, do nichž jsou přidány optické zjasňovače, tyto fluorescenční materiály absorbují UV záření a poté znovu vyzařují delší difúzní vlnovou délku. Rozdíl vlnových délek mezi polohami maximálních pásů absorpčního a emisního spektra se označuje jako Stokesův posun (Obrázek 1).

Obrázek 1: Fluorescenční materiály absorbují UV záření a znovu vyzařují delší difúzní vlnovou délku. Rozdíl vlnových délek mezi polohami pásových maxim absorpčního a emisního spektra se označuje jako Stokesův posun.

Fluorescenční aplikace

Který zdroj UV záření a kameru lze použít v konkrétní aplikaci, je často otázkou pokusu a omylu. Jak již bylo řečeno, v aplikacích UV fluorescence je důležité aplikovat na součást co nejvíce světla, protože emitované světlo má delší vlnovou délku, a tedy nižší energii než absorbované záření. Zásadní je také použití barevného pásmového filtru, který propouští pouze část spektra.

Důvodem pro vyžadování takových pásmových filtrů je skutečnost, že mnoho dnešních kamer na bázi CCD a CMOS má značnou citlivost na UV záření. Při použití v UV fluorescenčních aplikacích proto může docházet k interferenci mezi zdrojem UV světla a viditelnou fluorescencí. K překonání tohoto problému lze použít UV blokovací filtry, které zabrání interferenci UV světla s požadovanou vlnovou délkou, kterou má zachytit obrazový snímač kamery. V typické fluorescenční aplikaci, kde je často emitována azurová barva, propustí pásmový filtr o vlnové délce 470 nm nebo 505 nm světlo nebo vlnovou délku azurové barvy a zablokuje všechny ostatní vlnové délky, čímž omezí nežádoucí barvy a okolní světlo v obraze. Nejběžnější pásmové filtry pro UV záření jsou BP470, BP505, BP525, BP590 a BP635. Ve fluorescenčních aplikacích pro strojové vidění se nejčastěji používá BP470, pásmový filtr s vlnovou délkou 470 nm, který při použití s šedou nebo barevnou kamerou zvýší kontrast pořízených snímků.

Přestože existuje řada diod LED, které vyzařují světlo v pásmech UV-A, UV-B a UV-C, v mnoha aplikacích strojového vidění se nejčastěji používají vlnové délky 365 nm a 395 nm. Protože však to, které vlnové délky budou nejefektivnější, lze posoudit pouze na základě osvětlení testovaného výrobku, vyvinula společnost Smart Vision Lights tester barevných polí, který konstruktérům umožňuje osvětlit jejich díly vlnovou délkou 365nm i 395nm a pochopit, která z nich funguje nejúčinněji (obr. 2).

Obrázek 2: Společnost Smart Vision Lights vyvinula tester barevných boxů, který umožňuje konstruktérům osvětlit jejich díly pomocí 365nm i 395nm a zjistit, který z nich funguje nejefektivněji.

Příklad výrobce plenek si přál zkontrolovat, zda bylo správně aplikováno prošití. Zatímco šicí nit fluoreskuje, UV vlnová délka použitá k vytvoření viditelného obrazu s nejvyšším kontrastem nebyla okamžitě zřejmá. Zatímco barevný obraz nedokázal odhalit prošití (obrázek 3 vlevo), osvětlení pleny vlnovou délkou 365 nm (obrázek 3 uprostřed) poskytlo větší kontrast než použití UV světla o vlnové délce 395 nm (obrázek 3 vpravo). Stejně důležitá byla volba použitého UV filtru. Pokud není použit žádný filtr, nelze na pořízeném snímku odhalit prošití (Obrázek 4 vpravo). Při použití filtru BP470 se však prošití uvnitř plenky odhalí (Obrázek 4 vlevo).

Obr. 3: Výrobce plenek si přál zkontrolovat, zda bylo prošití na výrobku správně aplikováno. Šicí nit sice fluoreskuje, ale UV vlnová délka použitá k vytvoření viditelného obrazu s nejvyšším kontrastem nebyla okamžitě patrná. Zatímco barevný obraz nemohl odhalit prošití (vlevo), osvětlení plenky vlnovou délkou 365 nm (uprostřed) poskytlo větší kontrast než použití UV světla o vlnové délce 395 nm (vpravo).

Protože je správná volba filtru důležitá, vyvinula společnost Smart Vision Lights sadu filtrů pro vývojáře systémů. Ta obsahuje sedm dichroických filtrů – používaných k selektivnímu propouštění světla malého rozsahu frekvencí při současném odrážení ostatních frekvencí – dva barevné propouštěcí filtry v rozsahu 470-850 nm a polarizační filtr. Filtry o průměru 27 mm jsou dodávány se dvěma adaptačními kroužky o průměru 25,5 mm a 30,5 mm a přenosovými tabulkami s podrobnými specifikacemi jednotlivých polarizačních filtrů.

Obrázek 4: Výběr správného pásmového filtru je důležitý pro zvýraznění detailů fluorescenčního obrazu. Pokud není použit žádný filtr, pak zachycený snímek nemůže odhalit prošití v plence (vpravo). Při použití filtru BP470 je prošití v plence odhaleno (vlevo).

Odražené UV

Ačkoli se UV-fluorescenční zobrazování používá v mnoha aplikacích, odražené UV zobrazování – kde nedochází k fluorescenci – může také odhalit vady výrobku. Zde se opět používá UV světlo a zachycuje se odražené UV světlo. V aplikaci pro detekci vzduchových kapes na etiketách výrobků lze například použít UV osvětlení, které zvýrazní případné vzduchové kapsy (Obrázek 5).

Obrázek 5: V aplikaci pro detekci vzduchových kapes na etiketách výrobků lze například použít odražené UV osvětlení, které zvýrazní defekt a zvýrazní případné vzduchové kapsy.

Takové osvětlení však může být pro některé aplikace nákladnou záležitostí. Například zvýraznění lepidla na obálkách může vyžadovat UV světlo o vlnové délce 280 nm. Protože lepidlo absorbuje vlnové délky 280 nm, bude se v odraženém obraze jevit jako černé (obrázek 6). Takové 280nm UV diody LED jsou však málo účinné a v současné době stojí až 20 USD za kus. K vytvoření dostatečného množství světla tak mohou být zapotřebí stovky takových LED.

Obrázek 6: Ke zvýraznění lepidla například na obálkách může být zapotřebí UV světlo o vlnové délce 280 nm. Vzhledem k tomu, že lepidlo absorbuje vlnové délky 280 nm, bude se v odraženém obraze jevit černé.

Vzhledem k tomu, že mnoho nejnovějších vysokoproudých LED diod, které pracují na delších vlnových délkách, je nyní k dispozici v baleních o výkonu až 10 W a vyznačují se 10-30násobným zvýšením světelného výkonu oproti předchozím generacím. Tyto UV vysokoproudé LED diody lze také strobovat, aby se zvýšil světelný výkon – což je důležitý faktor v aplikacích vysokorychlostního strojového vidění. Další výhodou těchto UV vysokoproudých LED diod je, že mohou být navrženy s parabolickými reflektory a čočkami, které vytvářejí koncentrovaný, zaostřený světelný obrazec, a mohou tak být použity na delší pracovní vzdálenosti.

Přestože jsou stále dražší než jejich protějšky s viditelným LED osvětlením, UV osvětlení se nyní používá v mnoha průmyslových kontrolních aplikacích jak ve fluorescenčním, tak v odraženém UV zobrazovacím režimu. Přestože jsou UV LED diody stále ještě v plenkách, klesající cena povede k novým aplikacím, protože vývojáři integrují UV osvětlení, běžně dostupné kamery a software pro strojové vidění do svých výrobních prostředí.

Matt Pinter, ředitel inženýrství společnosti Smart Vision Lights (Muskegon, MI, USA;www.smartvisionlights.com)

.