Pour les développeurs qui inspectent les plastiques, les peintures et les étiquettes, l’éclairage ultraviolet (UV) révèle des défauts qui ne peuvent pas être révélés par la lumière visible.

Matt Pinter

De nombreux systèmes de vision industrielle utilisent des composants d’éclairage LED visibles de 390-700 nm avec lesquels ils éclairent les produits. Bien que les concepteurs de ces systèmes les aient appliqués le plus efficacement possible, il existe une demande croissante pour inspecter des produits tels que les plastiques, les peintures, les encres d’impression et les colorants qui peuvent bénéficier d’un éclairage dans le spectre ultraviolet (UV). Dans le passé, ces tâches étaient limitées par le coût des sources de lumière UV. Aujourd’hui, cependant, avec l’avènement de l’éclairage LED UV à moindre coût, ces applications deviennent plus abordables.

L’UV est un rayonnement électromagnétique d’une longueur d’onde de 10-400nm, qui est classé en trois bandes différentes. Entre 300 et 400 nm, la bande du spectre est connue sous le nom de bande du proche UV et est divisée en sous-bandes UV-A (315-400nm) et UV-B (280-315). En dessous de 300 nm, la bande UV-C couvre des longueurs d’onde de 100-280nm. Dans les applications de vision industrielle, les longueurs d’onde de la bande UV-A, plus particulièrement les longueurs d’onde de 365nm et 395nm, sont les plus couramment utilisées.

La lumière UV peut être utilisée dans les applications de vision industrielle pour détecter des caractéristiques qui ne peuvent pas être détectées en utilisant la lumière visible. Comme la lumière UV est absorbée par de nombreux matériaux, il est possible de capturer une image de la surface d’un produit et, comme elle a une longueur d’onde plus courte que la lumière visible, elle sera diffusée par les caractéristiques de surface du produit.

L’éclairage UV peut être appliqué dans les systèmes de vision industrielle de deux manières différentes. Dans les applications d’imagerie UV réfléchie, la lumière UV est appliquée à l’objet et capturée à l’aide d’une caméra monochrome ou couleur qui est sensible aux UV. Dans l’imagerie par fluorescence UV, la surface de l’objet est à nouveau éclairée par la lumière UV. Dans les produits tels que les peintures, les plastiques, les encres d’imprimerie et les teintures auxquels ont été ajoutés des azurants optiques, ces matériaux fluorescents absorbent le rayonnement UV, puis réémettent une longueur d’onde diffuse plus longue. La différence de longueur d’onde entre les positions des maxima de bande des spectres d’absorption et d’émission est connue sous le nom de décalage de Stokes (figure 1).

Figure 1 : Les matériaux fluorescents absorbent le rayonnement UV et réémettent une longueur d’onde diffuse plus longue. La différence de longueur d’onde entre les positions des maxima de bande des spectres d’absorption et d’émission est connue sous le nom de décalage de Stokes.

Applications de la fluorescence

Quelle source de lumière UV et quelle caméra peuvent être utilisées dans une application particulière est souvent une question d’essais et d’erreurs. Cela dit, dans les applications de fluorescence UV, il est important d’appliquer autant de lumière que possible sur la pièce, car la lumière émise a une longueur d’onde plus longue et donc une énergie plus faible que le rayonnement absorbé. L’utilisation d’un filtre passe-bande couleur qui ne laisse passer qu’une partie du spectre est également essentielle.

La raison pour laquelle de tels filtres passe-bande sont nécessaires est que de nombreuses caméras actuelles à base de CCD et de CMOS ont une sensibilité importante aux UV. Par conséquent, lorsqu’elles sont utilisées dans des applications de fluorescence UV, des interférences entre la source de lumière UV et la fluorescence visible peuvent se produire. Pour remédier à ce problème, des filtres bloquant les UV peuvent être utilisés pour empêcher la lumière UV d’interférer avec la longueur d’onde souhaitée qui doit être capturée par le capteur d’image de la caméra. Dans une application typique de fluorescence, où le cyan est souvent la couleur émise, un filtre passe-bande de 470 nm ou 505 nm laissera passer la lumière ou la longueur d’onde du cyan et bloquera toutes les autres longueurs d’onde, limitant ainsi les couleurs indésirables et la lumière ambiante dans l’image. Les filtres passe-bande les plus courants pour les UV sont les BP470, BP505, BP525, BP590 et BP635. Dans les applications de fluorescence pour la vision industrielle, le plus souvent utilisé est le BP470, un filtre passe-bande de 470nm qui, lorsqu’il est utilisé avec une caméra en niveaux de gris ou en couleurs, améliorera le contraste des images capturées.

Bien qu’il existe un certain nombre de LED qui émettent de la lumière dans les bandes UV-A, UV-B et UV-C, dans de nombreuses applications de vision industrielle, les longueurs d’onde de 365nm et 395nm sont le plus souvent utilisées. Cependant, étant donné que les longueurs d’onde qui seront les plus efficaces ne peuvent être jugées qu’en éclairant le produit à tester, Smart Vision Lights a développé un testeur de boîte à couleurs qui permet aux concepteurs d’éclairer leurs pièces à la fois avec 365nm et 395nm et de comprendre laquelle est la plus performante (Figure 2).

Figure 2 : Smart Vision Lights a développé un testeur de boîte à couleurs qui permet aux concepteurs d’éclairer leurs pièces à la fois avec 365nm et 395nm et de comprendre laquelle est la plus performante.

À titre d’exemple, un fabricant de couches-culottes souhaitait contrôler si les coutures avaient été correctement appliquées. Bien que le fil de couture soit fluorescent, la longueur d’onde UV utilisée pour produire l’image visible la plus contrastée n’était pas immédiatement apparente. Alors qu’une image couleur ne pouvait pas révéler les coutures (figure 3, à gauche), l’éclairage de la couche avec une longueur d’onde de 365 nm (figure 3, au milieu) offrait un meilleur contraste que l’utilisation d’une lumière UV à une longueur d’onde de 395 nm (figure 3, à droite). Le choix du filtre UV utilisé est tout aussi important. Si aucun filtre n’est utilisé, l’image capturée ne peut pas révéler le piquage (Figure 4 droite). Cependant, en utilisant un filtre BP470, les coutures à l’intérieur de la couche sont exposées (Figure 4 gauche).

Figure 3 : Un fabricant de couches-culottes souhaitait inspecter si les coutures avaient été correctement appliquées sur le produit. Bien que le fil de couture soit fluorescent, la longueur d’onde UV utilisée pour produire l’image visible la plus contrastée n’était pas immédiatement apparente. Alors qu’une image couleur ne pouvait pas révéler les coutures (à gauche), l’éclairage de la couche avec une longueur d’onde de 365nm (au milieu) offrait plus de contraste que l’utilisation d’une lumière UV à une longueur d’onde de 395nm (à droite).

Puisque le choix correct du filtre est important, Smart Vision Lights a développé un kit de filtres pour les développeurs de systèmes. Celui-ci contient sept filtres dichroïques – utilisés pour faire passer sélectivement la lumière d’une petite gamme de fréquences tout en réfléchissant d’autres fréquences – deux filtres passe-couleur allant de 470 à 850nm, et un filtre polarisant. Les filtres de 27 mm sont fournis avec deux bagues d’adaptation de 25,5 mm et 30,5 mm, et des tableaux de transmission détaillant les spécifications de chaque filtre polariseur.

Figure 4 : Le choix du filtre passe-bande correct est important pour faire ressortir les détails d’une image fluorescente. Si aucun filtre n’est utilisé, l’image capturée ne peut pas révéler les coutures d’une couche (à droite). En utilisant un filtre BP470, les coutures à l’intérieur de la couche sont révélées (à gauche).

UV réfléchi

Alors que l’imagerie par fluorescence UV est utilisée dans de nombreuses applications, l’imagerie UV réfléchie – où aucune fluorescence ne se produit – peut également révéler les défauts du produit. Ici, la lumière UV est à nouveau utilisée et la lumière UV réfléchie est capturée. Dans une application visant à détecter les poches d’air sur les étiquettes de produits, par exemple, l’éclairage UV peut être utilisé pour mettre en valeur les poches d’air éventuellement présentes (figure 5).

Figure 5 : Dans une application visant à détecter les poches d’air sur les étiquettes de produits, par exemple, l’éclairage UV réfléchi peut être utilisé pour mettre en valeur le défaut et mettre en valeur les poches d’air éventuellement présentes.

Cet éclairage peut cependant être une proposition coûteuse pour certaines applications. Pour mettre en évidence la colle sur les enveloppes, par exemple, il peut être nécessaire d’utiliser une lumière UV de 280nm. Comme la colle absorbe les longueurs d’onde de 280nm, elle apparaîtra noire dans l’image réfléchie (figure 6). Cependant, ces LED UV de 280nm sont peu efficaces et coûtent actuellement plus de 20 $ chacune. Ainsi, pour produire suffisamment de lumière, il peut être nécessaire d’utiliser des centaines de ces LED.

Figure 6 : Pour mettre en évidence la colle sur des enveloppes, par exemple, il peut être nécessaire d’utiliser une lumière UV de 280nm. Comme la colle absorbe les longueurs d’onde de 280nm, elle apparaîtra noire dans l’image réfléchie.

Cela dit, beaucoup des dernières LED à courant élevé qui fonctionnent sur des longueurs d’onde plus longues sont maintenant disponibles dans des boîtiers allant jusqu’à 10W et présentent une augmentation du rendement lumineux de 10 à 30 fois celui des générations précédentes. Ces LED UV à courant élevé peuvent également être pulsées pour augmenter le rendement lumineux – un facteur important dans les applications de vision industrielle à grande vitesse. Un autre avantage de ces LED UV à courant élevé est qu’elles peuvent être conçues avec des réflecteurs et des lentilles paraboliques pour produire un motif lumineux concentré et focalisé et peuvent donc être utilisées à des distances de travail plus longues.

Bien qu’encore plus coûteux que leurs homologues d’éclairage à LED visibles, l’éclairage UV est maintenant déployé dans de nombreuses applications d’inspection industrielle, à la fois en mode fluorescence et en mode imagerie UV réfléchie. Bien qu’il en soit encore à ses débuts, la diminution du coût des LED UV conduira à de nouvelles applications au fur et à mesure que les développeurs intégreront l’éclairage UV, les caméras prêtes à l’emploi et les logiciels de vision industrielle dans leurs environnements de production.

Matt Pinter, directeur de l’ingénierie, Smart Vision Lights (Muskegon, MI, USA;www.smartvisionlights.com)

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