A műanyagokat, festékeket és címkéket vizsgáló fejlesztők számára az ultraibolya (UV) megvilágítás olyan hibákat fedez fel, amelyek látható fénnyel nem mutathatók ki.

Matt Pinter

Néhány gépi látórendszer a termékek megvilágításához látható 390-700 nm-es LED-es világítóelemeket használ. Bár az ilyen rendszerek tervezői ezeket alkalmazzák a leghatékonyabban, egyre nagyobb igény mutatkozik olyan termékek, például műanyagok, festékek, nyomdafestékek és színezékek vizsgálatára, amelyek számára előnyös lehet az ultraibolya (UV) spektrumban történő megvilágítás. Korábban az ilyen feladatokat az UV-fényforrások költségei korlátozták. Most azonban, az olcsóbb UV LED-es megvilágítás megjelenésével ezek az alkalmazások megfizethetőbbé válnak.

Az UV 10-400 nm hullámhosszú elektromágneses sugárzás, amelyet három különböző sávba sorolnak. A 300-400 nm közötti sávot a spektrum közeli UV-sávnak nevezik, és az UV-A (315-400 nm) és az UV-B (280-315) részsávokra oszlik. 300 nm alatt az UV-C sáv a 100-280 nm közötti hullámhosszakat fedi le. A gépi látási alkalmazásokban leggyakrabban az UV-A sáv hullámhosszait használják, leginkább a 365 és 395 nm-es hullámhosszakat.

A gépi látási alkalmazásokban az UV-fényt olyan jellemzők észlelésére lehet használni, amelyek a látható fény segítségével nem észlelhetők. Mivel az UV-fényt számos anyag elnyeli, lehetőség van a termék felületéről képet készíteni, és mivel az UV-fény rövidebb hullámhosszú, mint a látható fény, a termék felületi jellemzői szórják.

Az UV-fény kétféle módon alkalmazható a gépi látórendszerekben. A visszavert UV-képalkotó alkalmazásokban UV-fényt alkalmaznak a tárgyra, és azt UV-érzékeny monokróm vagy színes kamerával rögzítik. Az UV-fluoreszcens képalkotásnál a tárgy felületét ismét UV-fénnyel világítják meg. Az olyan termékekben, mint a festékek, műanyagok, nyomdafestékek és festékek, amelyekhez optikai fényesítőket adnak, ezek a fluoreszkáló anyagok elnyelik az UV-sugárzást, majd hosszabb diffúz hullámhosszon sugározzák vissza. Az abszorpciós és emissziós spektrumok sávmaximumainak helyzete közötti hullámhosszkülönbséget Stokes-eltolódásnak nevezzük (1. ábra).

1. ábra: A fluoreszcens anyagok elnyelik az UV-sugárzást, és hosszabb diffúz hullámhosszon sugároznak vissza. Az abszorpciós és emissziós spektrumok sávmaximumainak helyzete közötti hullámhosszkülönbséget Stokes-eltolódásnak nevezzük.

Fluoreszcens alkalmazások

Az, hogy egy adott alkalmazásban melyik UV-fényforrás és kamera használható, gyakran próbálgatás kérdése. Mindezek után az UV-fluoreszcens alkalmazásokban fontos, hogy a lehető legtöbb fényt juttassuk az alkatrészre, mivel a kibocsátott fény hosszabb hullámhosszú és ezért alacsonyabb energiájú, mint az elnyelt sugárzás. Olyan színes sávszűrő használata, amely a spektrumnak csak egy részét engedi át, szintén elengedhetetlen.

Az ilyen sávszűrők szükségességének oka, hogy a mai CCD- és CMOS-alapú kamerák közül soknak jelentős az UV-érzékenysége. Ezért az UV-fluoreszcencia alkalmazásokban történő alkalmazáskor interferencia léphet fel az UV-fényforrás és a látható fluoreszcencia között. Ennek kiküszöbölésére UV-blokkoló szűrők használhatók, amelyek megakadályozzák, hogy az UV-fény zavarja a kamera képérzékelője által rögzítendő kívánt hullámhosszt. Egy tipikus fluoreszcens alkalmazásban, ahol gyakran a cián a kibocsátott szín, egy 470 nm-es vagy 505 nm-es sávszűrő átengedi a cián fényét vagy hullámhosszát, és blokkolja az összes többi hullámhosszt, így korlátozva a nem kívánt színeket és a környezeti fényt a képen. A leggyakoribb sávszűrők UV tartományban a BP470, BP505, BP525, BP590 és BP635. A gépi látáshoz használt fluoreszcens alkalmazásokban a leggyakrabban használt BP470, egy 470 nm-es sávszűrő, amely szürkeárnyalatos vagy színes kamerával együtt használva növeli a rögzített képek kontrasztját.

Bár számos olyan LED létezik, amely az UV-A, UV-B és UV-C sávban bocsát ki fényt, számos gépi látási alkalmazásban a 365 nm-es és 395 nm-es hullámhosszakat használják a leggyakrabban. Mivel azonban azt, hogy melyik hullámhossz lesz a leghatékonyabb, csak a vizsgálandó termék megvilágításával lehet megítélni, a Smart Vision Lights kifejlesztett egy színdoboz tesztelőt, amely lehetővé teszi a tervezők számára, hogy alkatrészeiket 365 és 395 nm-rel is megvilágítsák, és megértsék, melyik teljesít a leghatékonyabban (2. ábra).

2. ábra: A Smart Vision Lights kifejlesztett egy színdoboz-tesztelőt, amellyel a tervezők 365 és 395 nm-rel is megvilágíthatják alkatrészeiket, és megérthetik, melyik teljesít a leghatékonyabban.

Egy pelenkagyártó például azt kívánta ellenőrizni, hogy a varrást helyesen végezték-e el. Bár a varrócérna fluoreszkál, nem volt azonnal látható, hogy a legnagyobb kontrasztú látható kép előállításához milyen UV hullámhosszúságú anyagot használnak. Míg a színes képen nem volt látható a varrás (3. ábra balra), a pelenka 365 nm-es hullámhosszúságú megvilágítása (3. ábra középső) nagyobb kontrasztot adott, mint a 395 nm-es hullámhosszú UV-fény használata (3. ábra jobbra). Ugyanilyen fontos volt az alkalmazott UV-szűrő kiválasztása is. Ha nem használunk szűrőt, akkor a felvett képen nem látható a varrás (4. ábra jobbra). A BP470 szűrő használatával azonban a pelenkán belüli varrás láthatóvá válik (4. ábra balra).

3. ábra: Egy pelenkagyártó ellenőrizni kívánta, hogy a varrás megfelelően került-e fel a termékre. Bár a varrócérna fluoreszkál, a legnagyobb kontrasztú látható kép előállításához használt UV hullámhossz nem volt azonnal látható. Míg a színes képen nem volt látható a varrás (balra), a pelenka 365 nm-es hullámhosszúságú megvilágítása (középen) nagyobb kontrasztot adott, mint a 395 nm-es hullámhosszú UV-fény használata (jobbra).

Mivel a szűrő helyes megválasztása fontos, a Smart Vision Lights kifejlesztett egy szűrőkészletet a rendszerfejlesztők számára. Ez hét dichroikus szűrőt tartalmaz – amelyeket egy kis frekvenciatartomány fényének szelektív átengedésére használnak, miközben más frekvenciákat visszaverik -, két 470-850 nm közötti színáteresztő szűrőt és egy polarizációs szűrőt. A 27 mm-es szűrőket két 25,5 és 30,5 mm-es adaptergyűrűvel, valamint az egyes szűrők polarizátorának specifikációit részletező átviteli táblázatokkal szállítjuk.

4. ábra: A megfelelő sávszűrő kiválasztása fontos a fluoreszcens kép részleteinek kiemeléséhez. Ha nem használunk szűrőt, akkor a felvett képen nem lehet felfedezni a pelenka varratát (jobbra). BP470 szűrő használatával a pelenkán belüli varrás láthatóvá válik (balra).

Reflektált UV

Míg az UV-fluoreszcens képalkotást számos alkalmazásban használják, a reflektált UV-képalkotás – ahol nem történik fluoreszcencia – szintén felfedheti a termékhibákat. Itt ismét UV-fényt használnak, és a visszavert UV-fényt rögzítik. Egy olyan alkalmazásban, amely például a termékcímkéken lévő légzsebek kimutatására szolgál, az UV-megvilágítás felhasználható az esetlegesen jelen lévő légzsebek kiemelésére (5. ábra).

5. ábra: Egy alkalmazásban, amely például a termékcímkéken lévő légzsebek kimutatására szolgál, a visszavert UV-megvilágítás felhasználható a hiba kiemelésére és az esetlegesen jelen lévő légzsebek kiemelésére.

Ez a megvilágítás azonban egyes alkalmazások esetében költséges lehet. A borítékokon lévő ragasztó kiemeléséhez például 280 nm-es UV-fényre lehet szükség. Mivel a ragasztó elnyeli a 280 nm-es hullámhosszt, a visszavert képen feketének fog tűnni (6. ábra). Az ilyen 280 nm-es UV LED-ek azonban alacsony hatásfokúak, és jelenleg darabonként több mint 20 dollárba kerülnek. Így elegendő fény előállításához több száz ilyen LED-re lehet szükség.

6. ábra: A borítékokon lévő ragasztó kiemeléséhez például 280 nm-es UV-fényre lehet szükség. Mivel a ragasztó elnyeli a 280 nm-es hullámhosszt, a visszavert képen feketének fog tűnni.”

Ezzel együtt a legújabb nagyáramú, hosszabb hullámhosszon működő LED-ek közül sok már akár 10 W-os csomagokban is kapható, és a korábbi generációkhoz képest 10-30-szoros fényteljesítmény-növekedéssel rendelkeznek. Az ilyen UV nagyáramú LED-ek a fénykibocsátás növelése érdekében strobbanthatók is, ami fontos tényező a nagysebességű gépi látó alkalmazásokban. Az ilyen UV nagyáramú LED-ek további előnye, hogy parabolikus reflektorokkal és lencsékkel tervezhetők, hogy koncentrált, fókuszált fénymintázatot hozzanak létre, és így nagyobb munkatávolságon is használhatók.

Az UV világítás, bár még mindig drágább, mint látható LED-es megvilágítású társaik, ma már számos ipari vizsgálati alkalmazásban alkalmazzák mind fluoreszcens, mind visszavert UV képalkotási módban. Bár még mindig gyerekcipőben jár, az UV LED-ek csökkenő ára új alkalmazásokhoz fog vezetni, ahogy a fejlesztők integrálják az UV világítást, a szabványos kamerákat és a gépi látás szoftvereket a termelési környezetükbe.

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