Para los desarrolladores que inspeccionan plásticos, pinturas y etiquetas, la iluminación ultravioleta (UV) revela defectos que no pueden revelarse con la luz visible.

Matt Pinter

Muchos sistemas de visión artificial utilizan componentes de iluminación LED visibles de 390-700 nm con los que se iluminan los productos. Aunque los diseñadores de estos sistemas los han aplicado con mayor eficacia, existe una demanda creciente para inspeccionar productos como plásticos, pinturas, tintas de impresión y tintes que pueden beneficiarse de la iluminación en el espectro ultravioleta (UV). En el pasado, estas tareas estaban limitadas por el coste de las fuentes de luz UV. Ahora, sin embargo, con la llegada de la iluminación LED UV de menor coste, estas aplicaciones son cada vez más asequibles.

El UV es una radiación electromagnética con una longitud de onda de 10-400nm, que se clasifica en tres bandas diferentes. Entre 300-400nm, la banda del espectro se conoce como banda del UV cercano y se divide en las subbandas UV-A (315-400nm) y UV-B (280-315). Por debajo de los 300 nm, la banda UV-C cubre longitudes de onda de 100-280nm. En las aplicaciones de visión artificial, las longitudes de onda de la banda UV-A, sobre todo las de 365 nm y 395 nm, son las más utilizadas.

La luz UV puede utilizarse en aplicaciones de visión artificial para detectar características que no pueden detectarse con luz visible. Dado que la luz UV es absorbida por muchos materiales, es posible capturar una imagen de la superficie de un producto y, como tiene una longitud de onda más corta que la luz visible, será dispersada por las características de la superficie del producto.

La iluminación UV puede aplicarse en los sistemas de visión artificial de dos maneras diferentes. En las aplicaciones de imágenes UV reflejadas, la luz UV se aplica al objeto y se captura utilizando una cámara monocromática o en color que sea sensible a la luz UV. En las imágenes de fluorescencia UV, la superficie del objeto se ilumina de nuevo con luz UV. En productos como pinturas, plásticos, tintas de impresión y tintes a los que se han añadido blanqueadores ópticos, estos materiales fluorescentes absorben la radiación UV y vuelven a irradiar una longitud de onda difusa más larga. La diferencia de longitud de onda entre las posiciones de los máximos de banda de los espectros de absorción y emisión se conoce como desplazamiento de Stokes (Figura 1).

Figura 1: Los materiales fluorescentes absorben la radiación UV y vuelven a irradiar una longitud de onda difusa más larga. La diferencia de longitud de onda entre las posiciones de los máximos de banda de los espectros de absorción y emisión se conoce como desplazamiento de Stokes.

Aplicaciones de la fluorescencia

Cuál es la fuente de luz UV y la cámara que se puede utilizar en una aplicación concreta suele ser una cuestión de ensayo y error. Dicho esto, en las aplicaciones de fluorescencia UV, es importante aplicar la mayor cantidad de luz posible a la pieza, ya que la luz emitida tiene una mayor longitud de onda y, por lo tanto, menor energía que la radiación absorbida. También es esencial el uso de un filtro de paso de banda de color que permita el paso de sólo una parte del espectro.

La razón por la que se requieren estos filtros de paso de banda es que muchas de las cámaras actuales basadas en CCD y CMOS tienen una sensibilidad UV significativa. Por lo tanto, cuando se utilizan en aplicaciones de fluorescencia UV, pueden producirse interferencias entre la fuente de luz UV y la fluorescencia visible. Para superar esto, se pueden utilizar filtros de bloqueo de UV para evitar que la luz UV interfiera con la longitud de onda deseada que debe captar el sensor de imagen de la cámara. En una aplicación típica de fluorescencia, en la que el cian suele ser el color emitido, un filtro de paso de banda de 470 nm o 505 nm hará pasar la luz o la longitud de onda del cian y bloqueará todas las demás longitudes de onda, limitando así los colores no deseados y la luz ambiental en la imagen. Los filtros de paso de banda más comunes para UV son BP470, BP505, BP525, BP590 y BP635. En las aplicaciones de fluorescencia para visión artificial, el más utilizado es el BP470, un filtro pasabanda de 470 nm que, cuando se utiliza con una cámara de escala de grises o de color, mejorará el contraste de las imágenes capturadas.

Aunque hay una serie de LEDs que emiten luz en las bandas UV-A, UV-B y UV-C, en muchas aplicaciones de visión artificial, las longitudes de onda de 365 nm y 395 nm son las más utilizadas. Sin embargo, dado que sólo se puede juzgar qué longitudes de onda serán más eficaces iluminando el producto que se va a probar, Smart Vision Lights ha desarrollado un probador de cajas de color que permite a los diseñadores iluminar sus piezas tanto con 365 nm como con 395 nm y comprender cuál es la que rinde más eficazmente (Figura 2).

Figura 2: Smart Vision Lights ha desarrollado un probador de cajas de color que permite a los diseñadores iluminar sus piezas tanto con 365nm como con 395nm y ver cuál rinde más eficazmente.

A modo de ejemplo, un fabricante de pañales deseaba inspeccionar si las costuras se habían aplicado correctamente. Aunque el hilo de coser es fluorescente, la longitud de onda UV utilizada para producir la imagen visible de mayor contraste no era inmediatamente evidente. Aunque una imagen en color no podía revelar las costuras (figura 3, izquierda), iluminar el pañal con una longitud de onda de 365 nm (figura 3, centro) proporcionaba más contraste que utilizar una luz UV con una longitud de onda de 395 nm (figura 3, derecha). Igualmente importante fue la elección del filtro UV utilizado. Si no se utiliza ningún filtro, la imagen capturada no puede revelar el cosido (Figura 4 derecha). Sin embargo, si se utiliza un filtro BP470, las costuras dentro del pañal quedan expuestas (Figura 4 izquierda).

Figura 3: Un fabricante de pañales deseaba inspeccionar si las costuras se habían aplicado correctamente al producto. Aunque el hilo de costura es fluorescente, la longitud de onda UV utilizada para producir la imagen visible de mayor contraste no era inmediatamente evidente. Aunque una imagen en color no podía revelar el cosido (izquierda), iluminar el pañal con una longitud de onda de 365 nm (centro) proporcionaba más contraste que utilizar una luz UV con una longitud de onda de 395 nm (derecha).

Como la elección correcta del filtro es importante, Smart Vision Lights ha desarrollado un kit de filtros para los desarrolladores de sistemas. Éste contiene siete filtros dicroicos -utilizados para pasar selectivamente la luz de una pequeña gama de frecuencias mientras se reflejan otras-, dos filtros de paso de color que van de 470 a 850 nm, y un filtro polarizador. Los filtros de 27 mm se suministran con dos anillos adaptadores de 25,5 mm y 30,5 mm, y tablas de transmisión que detallan las especificaciones de cada filtro polarizador.

Figura 4: La elección del filtro de paso de banda correcto es importante para resaltar los detalles de una imagen fluorescente. Si no se utiliza ningún filtro, la imagen capturada no puede revelar las costuras de un pañal (derecha). Si se utiliza un filtro BP470, se revelan las costuras del pañal (izquierda).

UV reflejada

Aunque las imágenes de fluorescencia UV se utilizan en muchas aplicaciones, las imágenes UV reflejadas -en las que no hay fluorescencia- también pueden revelar los defectos del producto. En este caso, se vuelve a utilizar la luz UV y se captura la luz UV reflejada. En una aplicación para detectar bolsas de aire en las etiquetas de los productos, por ejemplo, la iluminación UV puede utilizarse para realzar cualquier bolsa de aire que pueda estar presente (Figura 5).

Figura 5: En una aplicación para detectar bolsas de aire en las etiquetas de los productos, por ejemplo, la iluminación UV reflejada puede utilizarse para realzar el defecto y realzar cualquier bolsa de aire que pueda estar presente.

Sin embargo, dicha iluminación puede ser una propuesta cara para algunas aplicaciones. Para resaltar el pegamento en los sobres, por ejemplo, puede ser necesaria una luz ultravioleta de 280nm. Como el pegamento absorbe las longitudes de onda de 280 nm, aparecerá negro en la imagen reflejada (Figura 6). Sin embargo, estos LEDs UV de 280 nm son poco eficientes y actualmente cuestan más de 20 dólares cada uno. Por lo tanto, para producir suficiente luz pueden ser necesarios cientos de tales LEDs.

Figura 6: Para resaltar el pegamento en los sobres, por ejemplo, puede ser necesaria una luz UV de 280nm. Dado que el pegamento absorbe las longitudes de onda de 280 nm, aparecerá negro en la imagen reflejada.

Dicho esto, muchos de los últimos LED de alta corriente que operan en longitudes de onda más largas están ahora disponibles en paquetes de hasta 10 W y presentan un aumento de la salida de luz de entre 10 y 30 veces la de las generaciones anteriores. Estos LEDs de alta corriente UV también pueden funcionar en modo estroboscópico para aumentar la potencia luminosa, un factor importante en las aplicaciones de visión artificial de alta velocidad. Otra ventaja de estos LEDs UV de alta corriente es que pueden diseñarse con reflectores parabólicos y lentes para producir un patrón de luz concentrado y focalizado y, por lo tanto, pueden utilizarse a distancias de trabajo más largas.

Aunque sigue siendo más cara que sus homólogos de iluminación LED visible, la iluminación UV se está utilizando ahora en muchas aplicaciones de inspección industrial tanto en modo de fluorescencia como de imagen UV reflejada. Aunque todavía está en pañales, el coste decreciente de los LEDs UV dará lugar a nuevas aplicaciones a medida que los desarrolladores integren la iluminación UV, las cámaras estándar y el software de visión artificial en sus entornos de producción.

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