For udviklere, der inspicerer plast, maling og etiketter, afslører ultraviolet (UV) belysning defekter, som ikke kan afsløres med synligt lys.

Matt Pinter

Mange machine vision-systemer anvender synlige 390-700 nm LED-belysningskomponenter til at belyse produkter. Mens designere af sådanne systemer har anvendt dem mest effektivt, er der en stigende efterspørgsel efter at inspicere produkter som f.eks. plast, maling, trykfarver og farvestoffer, der kan drage fordel af belysning i det ultraviolette (UV) spektrum. Tidligere har sådanne opgaver været begrænset af prisen på UV-lyskilder. Nu, med fremkomsten af billigere UV-LED-belysning, er disse anvendelser imidlertid blevet mere overkommelige.

UV er elektromagnetisk stråling med en bølgelængde fra 10-400 nm, som er inddelt i tre forskellige bånd. Båndet mellem 300-400 nm er kendt som nær-UV-båndet og er opdelt i underbåndene UV-A (315-400 nm) og UV-B (280-315). Under 300 nm dækker UV-C-båndet bølgelængder fra 100-280 nm. I maskinsikringsapplikationer anvendes bølgelængder i UV-A-båndet, især bølgelængder på 365 nm og 395 nm, oftest.

UV-lys kan anvendes i maskinsikringsapplikationer til at detektere træk, der ikke kan detekteres ved hjælp af synligt lys. Da UV-lys absorberes af mange materialer, er det muligt at optage et billede af overfladen af et produkt, og da det har en kortere bølgelængde end synligt lys, vil det blive spredt af overfladekendetegn på produktet.

UV-belysning kan anvendes i maskinsynssystemer på to forskellige måder. I applikationer med reflekteret UV-billeddannelse påføres UV-lys på objektet og opfanges ved hjælp af et monokromt eller farvekamera, der er UV-følsomt. Ved UV-fluorescensafbildning belyses objektets overflade igen med UV-lys. I produkter som f.eks. maling, plast, trykfarver og farvestoffer, der er tilsat optiske lysere, vil disse fluorescerende materialer absorbere UV-strålingen og derefter genudstråle en længere diffus bølgelængde. Forskellen i bølgelængde mellem positionerne for båndmaksima i absorptions- og emissionsspektret er kendt som Stokesforskydning (figur 1).

Figur 1: Fluorescerende materialer absorberer UV-stråling og genudstråler en længere diffus bølgelængde. Forskellen i bølgelængde mellem positionerne for båndmaksima i absorptions- og emissionsspektret er kendt som Stokesforskydning.

Fluorescensapplikationer

Hvilken UV-lyskilde og hvilket kamera der kan anvendes til en bestemt applikation er ofte et spørgsmål om forsøg og fejl. Når det er sagt, er det i UV-fluorescensapplikationer vigtigt at tilføre så meget lys som muligt til emnet, da det udsendte lys har en længere bølgelængde og derfor lavere energi end den absorberede stråling. Det er også vigtigt at anvende et farvebåndspassfilter, der kun lader en del af spektret passere.

Grunden til, at der kræves sådanne båndpassfiltre, er, at mange af nutidens CCD- og CMOS-baserede kameraer har en betydelig UV-følsomhed. Når de anvendes til UV-fluorescensapplikationer, kan der derfor forekomme interferens mellem UV-lyskilden og den synlige fluorescens. For at afhjælpe dette kan der anvendes UV-blokerende filtre, som forhindrer UV-lys i at interferere med den ønskede bølgelængde, der skal opfanges af kameraets billedsensor. I en typisk fluorescensapplikation, hvor cyan ofte er den farve, der udsendes, vil et 470nm eller 505nm båndpasfilter lade lyset eller bølgelængden for cyan passere og blokere alle andre bølgelængder, hvorved uønskede farver og omgivende lys i billedet begrænses. De mest almindelige båndpasfiltre til UV er BP470, BP505, BP525, BP525, BP590 og BP635. I fluorescensapplikationer til maskinsyn er det mest anvendte BP470, et 470 nm båndpasfilter, der, når det anvendes sammen med et gråskala- eller farvekamera, vil forbedre kontrasten i de optagne billeder.

Og selv om der findes en række LED’er, der udsender lys i UV-A-, UV-B- og UV-C-båndene, anvendes bølgelængder på 365 nm og 395 nm mest i mange maskinsynsapplikationer. Men da det kun kan vurderes ved at belyse det produkt, der skal testes, hvilke bølgelængder der vil være mest effektive, har Smart Vision Lights udviklet en farvebokstester, der gør det muligt for designere at belyse deres dele med både 365nm og 395nm og forstå, hvilken bølgelængde der virker mest effektivt (figur 2).

Figur 2: Smart Vision Lights har udviklet en farvebokstester, der gør det muligt for designere at belyse deres dele med både 365nm og 395nm og se, hvilken der yder mest effektivt.

Som eksempel kan nævnes, at en producent af bleer ønskede at inspicere, om syningerne var blevet påført korrekt. Selv om sytråden fluorescerer, var det ikke umiddelbart tydeligt, hvilken UV-bølgelængde der anvendes til at producere det synlige billede med den højeste kontrast. Mens et farvebillede ikke kunne afsløre syningen (figur 3 til venstre), gav belysning af bleen med en bølgelængde på 365 nm (figur 3 i midten) mere kontrast end ved brug af UV-lys med en bølgelængde på 395 nm (figur 3 til højre). Lige så vigtigt var valget af det anvendte UV-filter. Hvis der ikke anvendes noget filter, kan det optagne billede ikke afsløre sømmene (figur 4 højre). Ved at bruge et BP470-filter bliver syningerne i bleen imidlertid eksponeret (figur 4 til venstre).

Figur 3: En producent af bleer ønskede at kontrollere, om syningerne var blevet påført korrekt på produktet. Selv om sytråden fluorescerer, var den UV-bølgelængde, der anvendes til at frembringe det synlige billede med den højeste kontrast, ikke umiddelbart synlig. Mens et farvebillede ikke kunne afsløre syningen (til venstre), gav belysning af bleen med en bølgelængde på 365 nm (i midten) mere kontrast end ved brug af et UV-lys med en bølgelængde på 395 nm (til højre).

Da det korrekte valg af filter er vigtigt, har Smart Vision Lights udviklet et filtersæt til systemudviklere. Dette indeholder syv dichroiske filtre – der bruges til selektivt at lade lys af et lille frekvensområde passere, mens andre frekvenser reflekteres – to farvepassfiltre, der spænder fra 470-850nm, og et polarisationsfilter. Filtrene på 27 mm leveres med to adapterringe på 25,5 mm og 30,5 mm samt transmissionsdiagrammer, der beskriver specifikationerne for hvert filterpolarisator.

Figur 4: Det er vigtigt at vælge det korrekte båndpasfilter for at fremhæve detaljerne i et fluorescerende billede. Hvis der ikke anvendes noget filter, kan det optagede billede ikke afsløre syningerne i en ble (til højre). Ved at bruge et BP470-filter afsløres syningerne i bleen (til venstre).

Reflekteret UV

Mens UV-fluorescensbilleder anvendes i mange applikationer, kan reflekteret UV-billeddannelse – hvor der ikke forekommer fluorescens – også afsløre produktdefekter. Her anvendes UV-lyset igen, og det reflekterede UV-lys opfanges. I en applikation til påvisning af luftlommer på produktetiketter kan UV-belysning f.eks. bruges til at fremhæve eventuelle luftlommer (figur 5).

Figur 5: I en applikation til påvisning af luftlommer på produktetiketter kan reflekteret UV-belysning f.eks. bruges til at fremhæve defekten og fremhæve eventuelle luftlommer.

En sådan belysning kan dog være en dyr affære for nogle applikationer. For at fremhæve limen på kuverter kan det f.eks. kræve et UV-lys på 280 nm. Da limen absorberer bølgelængder på 280 nm, vil den fremstå sort i det reflekterede billede (figur 6). Sådanne 280nm UV-lysdioder er imidlertid lavt effektive og koster i øjeblikket over 20 USD stykket. For at producere tilstrækkeligt lys kan det således kræve hundredvis af sådanne lysdioder.

Figur 6: For at fremhæve limen på kuverter kan det f.eks. kræve et UV-lys på 280nm. Da limen absorberer bølgelængder på 280 nm, vil den fremstå sort i det reflekterede billede.

Så er det sagt, at mange af de nyeste højstrøms-LED’er, der opererer over længere bølgelængder, nu fås i pakker på op til 10 W og har en forøgelse af lysudbyttet på mellem 10-30 gange den tidligere generations lysudbytte. Sådanne UV-højstrøms-LED’er kan også strobedes for at øge lysudbyttet – en faktor, der er vigtig i højhastigheds-maskinvisningsapplikationer. En yderligere fordel ved sådanne UV-højstrøms-LED’er er, at de kan konstrueres med paraboliske reflektorer og linser for at frembringe et koncentreret, fokuseret lysmønster og dermed kan anvendes på længere arbejdsafstande.

Selv om de stadig er dyrere end deres modstykker med synlig LED-belysning, anvendes UV-belysning nu i mange industrielle inspektionsapplikationer både i fluorescens- og reflekteret UV-billeddannelsestilstande. Selv om det stadig er i sin vorden, vil de faldende omkostninger ved UV-LED’er føre til nye anvendelser, efterhånden som udviklere integrerer UV-belysning, standardkameraer og maskinsynssoftware i deres produktionsmiljøer.

Matt Pinter, Director of Engineering, Smart Vision Lights (Muskegon, MI, USA;www.smartvisionlights.com)