Per gli sviluppatori che ispezionano plastica, vernici ed etichette, l’illuminazione ultravioletta (UV) rivela difetti che non possono essere rivelati con la luce visibile.

Matt Pinter

Molti sistemi di visione artificiale utilizzano componenti di illuminazione LED visibili a 390-700 nm con cui illuminare i prodotti. Mentre i progettisti di tali sistemi li hanno applicati in modo più efficace, c’è una crescente richiesta di ispezionare prodotti come plastica, vernici, inchiostri da stampa e coloranti che possono beneficiare dell’illuminazione nello spettro ultravioletto (UV). In passato, tali compiti erano limitati dal costo delle fonti di luce UV. Ora, tuttavia, con l’avvento dell’illuminazione UV LED a basso costo, queste applicazioni stanno diventando più accessibili.

UV è una radiazione elettromagnetica con una lunghezza d’onda da 10-400nm, che è classificata in tre diverse bande. Tra 300-400nm, la banda dello spettro è conosciuta come la banda del vicino UV ed è divisa nelle sottobande UV-A (315-400nm) e UV-B (280-315). Sotto i 300 nm, la banda UV-C copre lunghezze d’onda da 100-280nm. Nelle applicazioni di visione artificiale, le lunghezze d’onda nella banda UV-A, in particolare le lunghezze d’onda 365nm e 395nm, sono più comunemente utilizzate.

La luce UV può essere utilizzata nelle applicazioni di visione artificiale per rilevare caratteristiche che non possono essere rilevate utilizzando la luce visibile. Poiché la luce UV è assorbita da molti materiali, è possibile catturare un’immagine della superficie di un prodotto e, poiché ha una lunghezza d’onda più corta della luce visibile, sarà diffusa dalle caratteristiche della superficie del prodotto.

L’illuminazione UV può essere applicata nei sistemi di visione artificiale in due modi diversi. Nelle applicazioni di imaging UV riflesso, la luce UV viene applicata all’oggetto e catturata utilizzando una telecamera monocromatica o a colori sensibile agli UV. Nell’imaging a fluorescenza UV, la superficie dell’oggetto viene nuovamente illuminata con luce UV. In prodotti come le vernici, la plastica, gli inchiostri da stampa e i coloranti a cui sono stati aggiunti sbiancanti ottici, questi materiali fluorescenti assorbiranno la radiazione UV e poi irradieranno nuovamente una lunghezza d’onda diffusa più lunga. La differenza di lunghezza d’onda tra le posizioni dei massimi di banda degli spettri di assorbimento e di emissione è nota come spostamento di Stokes (Figura 1).

Figura 1: I materiali fluorescenti assorbono la radiazione UV e irradiano nuovamente una lunghezza d’onda diffusa più lunga. La differenza di lunghezza d’onda tra le posizioni dei massimi di banda degli spettri di assorbimento e di emissione è nota come spostamento di Stokes.

Applicazioni della fluorescenza

Quale sorgente di luce UV e quale fotocamera possono essere utilizzate in una particolare applicazione è spesso una questione di prove ed errori. Detto questo, nelle applicazioni di fluorescenza UV, applicare quanta più luce possibile alla parte è importante poiché la luce emessa ha una lunghezza d’onda più lunga e quindi un’energia inferiore alla radiazione assorbita. L’uso di un filtro passa-banda a colori che lascia passare solo una parte dello spettro è anche essenziale.

La ragione per la richiesta di tali filtri passa-banda è che molte delle attuali telecamere CCD e CMOS hanno una sensibilità UV significativa. Quando vengono utilizzate in applicazioni di fluorescenza UV, quindi, può verificarsi un’interferenza tra la sorgente di luce UV e la fluorescenza visibile. Per ovviare a ciò, si possono usare filtri di blocco UV per evitare che la luce UV interferisca con la lunghezza d’onda desiderata che deve essere catturata dal sensore d’immagine della fotocamera. In una tipica applicazione di fluorescenza, dove il ciano è spesso il colore emesso, un filtro passa banda da 470nm o 505nm farà passare la luce o la lunghezza d’onda del ciano e bloccherà tutte le altre lunghezze d’onda, limitando così i colori indesiderati e la luce ambientale nell’immagine. I filtri passa banda più comuni per gli UV sono BP470, BP505, BP525, BP590 e BP635. Nelle applicazioni di fluorescenza per la visione artificiale, il più spesso usato è il BP470, un filtro passa-banda da 470 nm che, se usato con una telecamera in scala di grigi o a colori, migliorerà il contrasto delle immagini catturate.

Anche se ci sono un certo numero di LED che emettono luce nelle bande UV-A, UV-B e UV-C, in molte applicazioni di visione artificiale, le lunghezze d’onda di 365 nm e 395 nm sono più comunemente usate. Tuttavia, poiché quali lunghezze d’onda saranno più efficaci possono essere giudicate solo illuminando il prodotto da testare, Smart Vision Lights ha sviluppato un tester per scatole di colori che permette ai progettisti di illuminare le loro parti sia con 365nm che con 395nm e capire quale si comporta in modo più efficace (Figura 2).

Figura 2: Smart Vision Lights ha sviluppato un tester per scatole di colori che permette ai progettisti di illuminare le loro parti sia con 365nm che con 395nm e capire quale funziona meglio.

Ad esempio, un produttore di pannolini voleva controllare se le cuciture erano state applicate correttamente. Mentre il filo di cucitura è fluorescente, la lunghezza d’onda UV usata per produrre l’immagine visibile a più alto contrasto non era immediatamente evidente. Mentre un’immagine a colori non poteva rivelare la cucitura (Figura 3 a sinistra), l’illuminazione del pannolino con una lunghezza d’onda di 365 nm (Figura 3 al centro) forniva un maggiore contrasto rispetto all’utilizzo di una luce UV con una lunghezza d’onda di 395 nm (Figura 3 a destra). Altrettanto importante è stata la scelta del filtro UV utilizzato. Se non si usa alcun filtro, l’immagine catturata non può rivelare la cucitura (Figura 4 a destra). Tuttavia, utilizzando un filtro BP470, la cucitura all’interno del pannolino è esposta (Figura 4 a sinistra).

Figura 3: Un produttore di pannolini desiderava controllare se la cucitura era stata applicata correttamente al prodotto. Mentre il filo della cucitura è fluorescente, la lunghezza d’onda UV usata per produrre l’immagine visibile a più alto contrasto non era immediatamente evidente. Mentre un’immagine a colori non poteva rivelare la cucitura (a sinistra), l’illuminazione del pannolino con una lunghezza d’onda di 365 nm (al centro) forniva un maggiore contrasto rispetto all’utilizzo di una luce UV a una lunghezza d’onda di 395 nm (a destra).

Siccome la scelta corretta del filtro è importante, Smart Vision Lights ha sviluppato un kit di filtri per gli sviluppatori di sistemi. Questo contiene sette filtri dicroici – usati per far passare selettivamente la luce di una piccola gamma di frequenze mentre riflettono altre frequenze – due filtri passa colore che vanno da 470-850nm, e un filtro polarizzatore. I filtri da 27mm sono forniti con due anelli adattatori da 25.5mm e 30.5mm, e tabelle di trasmissione che dettagliano le specifiche di ogni filtro polarizzatore.

Figura 4: Scegliere il corretto filtro passa banda è importante per evidenziare i dettagli di un’immagine fluorescente. Se non si usa alcun filtro, l’immagine catturata non può rivelare le cuciture di un pannolino (a destra). Usando un filtro BP470, la cucitura all’interno del pannolino viene rivelata (sinistra).

Riflesso UV

Mentre l’imaging in fluorescenza UV è usato in molte applicazioni, l’imaging UV riflesso – dove non si verifica la fluorescenza – può anche rivelare i difetti del prodotto. Qui, la luce UV viene nuovamente utilizzata e la luce UV riflessa viene catturata. In un’applicazione per rilevare i vuoti d’aria sulle etichette dei prodotti, per esempio, l’illuminazione UV può essere usata per migliorare i vuoti d’aria che possono essere presenti (Figura 5).

Figura 5: In un’applicazione per rilevare i vuoti d’aria sulle etichette dei prodotti, per esempio, l’illuminazione UV riflessa può essere usata per migliorare il difetto e valorizzare i vuoti d’aria che possono essere presenti.

Tale illuminazione può essere una proposta costosa per alcune applicazioni, tuttavia. Per evidenziare la colla sulle buste, per esempio, potrebbe essere necessaria una luce UV di 280nm. Poiché la colla assorbe le lunghezze d’onda di 280nm, apparirà nera nell’immagine riflessa (Figura 6). Tuttavia, tali LED UV da 280 nm sono a bassa efficienza e al momento costano più di 20 dollari ciascuno. Quindi, per produrre abbastanza luce può richiedere centinaia di tali LED.

Figura 6: Per evidenziare la colla sulle buste, per esempio può richiedere una luce UV di 280nm. Poiché la colla assorbe le lunghezze d’onda di 280nm, apparirà nera nell’immagine riflessa.

Detto questo, molti dei più recenti LED ad alta corrente che operano su lunghezze d’onda più lunghe sono ora disponibili in pacchetti fino a 10W e presentano un aumento dell’output luminoso tra 10-30 volte quello delle generazioni precedenti. Questi LED UV ad alta corrente possono anche essere accesi per aumentare la potenza luminosa – un fattore importante nelle applicazioni di visione artificiale ad alta velocità. Un ulteriore vantaggio di questi LED UV ad alta corrente è che possono essere progettati con riflettori e lenti paraboliche per produrre un modello di luce concentrata e focalizzata e possono quindi essere utilizzati a distanze di lavoro più lunghe.

Sebbene siano ancora più costosi delle loro controparti di illuminazione LED visibile, l’illuminazione UV viene ora impiegata in molte applicazioni di ispezione industriale sia in modalità di fluorescenza che di imaging UV riflesso. Sebbene sia ancora agli inizi, il costo decrescente dei LED UV porterà a nuove applicazioni man mano che gli sviluppatori integreranno l’illuminazione UV, le telecamere standard e il software di visione artificiale nei loro ambienti di produzione.

Matt Pinter, direttore di ingegneria, Smart Vision Lights (Muskegon, MI, USA;www.smartvisionlights.com)