Kehittäjät, jotka tarkastavat muoveja, maaleja ja etikettejä, näkevät ultraviolettivalaistuksella (UV) vikoja, joita ei voida paljastaa näkyvällä valolla.

Matt Pinter

Monissa konenäköjärjestelmissä käytetään näkyviä 390-700 nm:n LED-ledien valaistuskomponentteja, joilla tuotteita valaistaan. Vaikka tällaisten järjestelmien suunnittelijat ovat käyttäneet näitä tehokkaimmin, on yhä enemmän kysyntää tarkastaa tuotteita, kuten muoveja, maaleja, painovärejä ja väriaineita, jotka voivat hyötyä ultraviolettispektrin (UV) valaistuksesta. Aiemmin tällaisia tehtäviä rajoittivat UV-valonlähteiden kustannukset. Nyt kuitenkin edullisempien UV-LED-valaisimien tulon myötä nämä sovellukset ovat tulossa edullisemmiksi.

UV on sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituus on 10-400 nm, ja se jaetaan kolmeen eri kaistaan. Spektrin 300-400 nm:n väliin jäävä kaista tunnetaan lähi-UV-kaistana, ja se jaetaan UV-A (315-400 nm) ja UV-B (280-315 nm) -osakaistoihin. 300 nm:n alapuolella UV-C-kaista kattaa aallonpituudet 100-280 nm. Konenäön sovelluksissa käytetään yleisimmin UV-A-kaistan aallonpituuksia, erityisesti 365 nm:n ja 395 nm:n aallonpituuksia.

UV-valoa voidaan käyttää konenäön sovelluksissa havaitsemaan piirteitä, joita ei voida havaita näkyvän valon avulla. Koska UV-valo absorboituu moniin materiaaleihin, on mahdollista ottaa kuva tuotteen pinnasta, ja koska UV-valon aallonpituus on lyhyempi kuin näkyvän valon aallonpituus, se hajoaa tuotteen pintapiirteistä.

UV-valoa voidaan käyttää konenäköjärjestelmissä kahdella eri tavalla. Heijastetun UV-valon kuvantamissovelluksissa UV-valo kohdistetaan kohteeseen ja se kuvataan yksivärisellä tai värikameralla, joka on UV-herkkä. UV-fluoresenssikuvauksessa kohteen pinta valaistaan jälleen UV-valolla. Tuotteissa, kuten maaleissa, muoveissa, painoväreissä ja väriaineissa, joihin on lisätty optisia kirkasteita, nämä fluoresoivat materiaalit absorboivat UV-säteilyä ja säteilevät sen jälkeen uudelleen pidemmällä diffuusilla aallonpituudella. Absorptio- ja emissiospektrin kaistamaksimien sijaintien välistä aallonpituuseroa kutsutaan Stokesin siirtymäksi (kuva 1).

Kuva 1: fluoresoivat materiaalit absorboivat UV-säteilyä ja säteilevät uudelleen pidemmän diffuusin aallonpituuden. Absorptio- ja emissiospektrin kaistamaksimien paikkojen välistä aallonpituuseroa kutsutaan Stokesin siirtymäksi.

Fluoresenssisovellukset

Mitä UV-valonlähdettä ja kameraa voidaan käyttää tietyssä sovelluksessa, on usein kokeilun ja erehdyksen asia. UV-fluoresenssisovelluksissa on kuitenkin tärkeää, että kappaleeseen kohdistetaan mahdollisimman paljon valoa, koska emittoituvan valon aallonpituus on pidempi ja siten pienempi kuin absorboituvan säteilyn energia. Olennaista on myös käyttää värikaistanpäästösuodatinta, joka päästää läpi vain osan spektristä.

Syy tällaisten kaistanpäästösuodattimien vaatimiseen on se, että monissa nykyisissä CCD- ja CMOS-pohjaisissa kameroissa on huomattava UV-herkkyys. Kun niitä käytetään UV-fluoresenssisovelluksissa, UV-valonlähteen ja näkyvän fluoresenssin välillä voi siis esiintyä interferenssiä. Tämän ongelman ratkaisemiseksi voidaan käyttää UV-sulkusuodattimia, jotka estävät UV-valoa häiritsemästä haluttua aallonpituutta, joka kameran kuvakennon on tallennettava. Tyypillisessä fluoresenssisovelluksessa, jossa syaani on usein emittoitunut väri, 470 nm:n tai 505 nm:n kaistanpäästösuodatin päästää läpi syaanin valon tai aallonpituuden ja estää kaikki muut aallonpituudet, mikä rajoittaa ei-toivottuja värejä ja ympäröivää valoa kuvassa. Yleisimmät UV-kaistanpäästösuodattimet ovat BP470, BP505, BP525, BP590 ja BP635. Konenäön fluoresenssisovelluksissa käytetään useimmiten BP470-suodatinta, joka on 470 nm:n kaistanpäästösuodatin, joka harmaasävy- tai värikameran kanssa käytettynä parantaa kuvattujen kuvien kontrastia.

Vaikka on olemassa useita LED-valoja, jotka säteilevät valoa UV-A-, UV-B- ja UV-C-kaistoilla, monissa konenäön sovelluksissa käytetään tavallisimmin 365 nm:n ja 395 nm:n aallonpituuksia. Koska se, mikä aallonpituus on tehokkain, voidaan kuitenkin arvioida vain valaisemalla testattava tuote, Smart Vision Lights on kehittänyt värilaatikkotesterin, jonka avulla suunnittelijat voivat valaista osia sekä 365 nm:llä että 395 nm:llä ja ymmärtää, kumpi toimii tehokkaimmin (kuva 2).

Kuva 2: Smart Vision Lights on kehittänyt värilaatikkotesterin, jonka avulla suunnittelijat voivat valaista kappaleensa sekä 365 nm:llä että 395 nm:llä ja ymmärtää, kumpi toimii tehokkaimmin.

Esimerkkinä eräs vaippavalmistaja halusi tarkastaa, että ompeleet oli kiinnitetty oikein. Vaikka ompelulanka fluoresoi, ei heti käynyt ilmi, millä UV-aallonpituudella saadaan aikaan kontrastikkain näkyvä kuva. Vaikka värikuvasta ei voitu havaita tikkausta (kuva 3 vasemmalla), vaipan valaiseminen 365 nm:n aallonpituudella (kuva 3 keskellä) tuotti enemmän kontrastia kuin UV-valon käyttäminen 395 nm:n aallonpituudella (kuva 3 oikealla). Yhtä tärkeää oli käytettävän UV-suodattimen valinta. Jos suodatinta ei käytetä, otetusta kuvasta ei voi havaita tikkausta (kuva 4 oikealla). Käyttämällä BP470-suodatinta vaipan sisällä oleva tikkaus kuitenkin paljastuu (kuva 4 vasen).

Kuva 3: Eräs vaippojen valmistaja halusi tarkastaa, oliko tikkaus kiinnitetty tuotteeseen oikein. Vaikka ompelulanka fluoresoi, suurimman kontrastin näkyvän kuvan tuottamiseen käytetty UV-aallonpituus ei näkynyt heti. Vaikka värikuvasta ei voitu havaita ompelua (vasemmalla), vaipan valaiseminen 365 nm:n aallonpituudella (keskellä) tuotti enemmän kontrastia kuin UV-valon käyttäminen aallonpituudella 395 nm (oikealla).

Koska suodattimen oikea valinta on tärkeää, Smart Vision Lights on kehittänyt suodatinpaketin järjestelmien kehittäjille. Se sisältää seitsemän dikroottista suodatinta – joita käytetään valikoivasti läpäisemään pienen taajuusalueen valoa ja samalla heijastamaan muita taajuuksia – kaksi väriläpäisysuodatinta, joiden taajuusalue on 470-850 nm, ja polarisaattorisuodattimen. 27 mm:n suodattimien mukana toimitetaan kaksi 25,5 mm:n ja 30,5 mm:n sovitinrengasta sekä läpäisytaulukot, joissa on yksityiskohtaiset tiedot kunkin polarisaattorisuodattimen spesifikaatioista.

Kuva 4: Oikean kaistanpäästösuodattimen valinta on tärkeää, jotta fluoresoivan kuvan yksityiskohdat saadaan korostettua. Jos suodatinta ei käytetä, otetusta kuvasta ei voi paljastaa vaipan tikkauksia (oikealla). Käyttämällä BP470-suodatinta vaipan ompeleet tulevat esiin (vasemmalla).

Heijastettu UV

Vaikka UV-fluoresenssikuvausta käytetään monissa sovelluksissa, heijastettu UV-kuvaus – jossa fluoresenssia ei esiinny – voi myös paljastaa tuotevirheet. Tässä käytetään jälleen UV-valoa ja otetaan talteen heijastunut UV-valo. Esimerkiksi sovelluksessa, jossa pyritään havaitsemaan tuoteselosteiden ilmataskuja, UV-valaistusta voidaan käyttää mahdollisten ilmataskujen korostamiseen (kuva 5).

Kuva 5: Sovelluksessa, jossa pyritään havaitsemaan esimerkiksi tuoteselosteiden ilmataskuja, heijastunutta UV-valaistusta voidaan käyttää vian korostamiseen ja mahdollisten ilmataskujen korostamiseen.

Tällainen valaisu voi kuitenkin olla kallis ehdotus joissakin sovelluksissa. Esimerkiksi kirjekuorien liiman korostaminen saattaa vaatia 280 nm:n UV-valoa. Koska liima absorboi 280 nm:n aallonpituuksia, se näkyy heijastetussa kuvassa mustana (kuva 6). Tällaiset 280 nm:n UV-LEDit ovat kuitenkin tehottomia ja maksavat nykyisin yli 20 dollaria kappale. Riittävän valon tuottaminen voi siis vaatia satoja tällaisia LEDejä.

Kuva 6: Liiman korostaminen esimerkiksi kirjekuorissa voi vaatia 280 nm:n UV-valoa. Koska liima absorboi 280 nm:n aallonpituuksia, se näkyy heijastuvassa kuvassa mustana.

Tämän sanottuaan monet uusimmista suurivirtaisista LED-valonlähteistä, jotka toimivat pidemmillä aallonpituuksilla, ovat nykyään saatavilla jopa 10 W:n paketeissa, ja niiden valoteho on kasvanut 10-30-kertaiseksi aiempiin sukupolviin verrattuna. Tällaisia UV-suurvirtaisia ledejä voidaan myös sytyttää valotehon lisäämiseksi, mikä on tärkeää nopeissa konenäön sovelluksissa. Tällaisten UV-suurvirtaisten LEDien etuna on myös se, että ne voidaan suunnitella parabolisilla heijastimilla ja linsseillä, jotka tuottavat keskitetyn, fokusoidun valokuvion, jolloin niitä voidaan käyttää pidemmillä työskentelyetäisyyksillä.

Vaikka UV-valaistus on edelleen kalliimpaa kuin näkyvän valon LED-valaistus, sitä käytetään nykyään monissa teollisissa tarkastussovelluksissa sekä fluoresenssi- että heijastettuun UV-kuvaukseen perustuvissa tiloissa. Vaikka UV-LEDit ovat vielä lapsenkengissä, niiden alenevat kustannukset johtavat uusiin sovelluksiin, kun kehittäjät integroivat UV-valaistuksen, valmiit kamerat ja konenäköohjelmistot tuotantoympäristöihinsä.

Matt Pinter, tekninen johtaja, Smart Vision Lights (Muskegon, MI, USA;www.smartvisionlights.com)