For developers inspecting plastics, paints, and labels, ultraviolet (UV) illumination reveal the defects that cannot be revealed with visible light.

Matt Pinter

Machine vision systems many uses visible 390-700 nm LED lighting components with which illating products.The most machine vision systems are used to investigate the visible 390-700 nm lighting components of which has to investigate product. このようなシステムの設計者は、これらを最も効果的に適用してきましたが、プラスチック、塗料、印刷インク、染料など、紫外線 (UV) スペクトルの照明から恩恵を受けることができる製品を検査する需要が高まってきています。 従来は、紫外線光源が高価であったため、このような作業には制限がありました。

UV は波長 10-400nm の電磁波で、3 つの帯域に分類されます。 300～400nmは近紫外線帯と呼ばれ、UV-A（315～400nm）とUV-B（280～315）のサブバンドに分類されます。 300nm以下はUV-Cバンドで、100～280nmの波長をカバーしています。 マシンビジョン用途では、UV-A帯の波長、特に365nmと395nmの波長が最もよく使われます。

マシンビジョン用途では、可視光では検出できない特徴を検出するためにUV光を用いることができます。 紫外線は多くの材料に吸収されるため、製品の表面の画像をキャプチャすることが可能で、可視光よりも波長が短いため、製品の表面の特徴によって散乱されます。

UV照明は、マシンビジョン・システムにおいて2種類の方法で適用することが可能です。 反射型UVイメージング・アプリケーションでは、UV光を対象物に照射し、UVに感度のあるモノクロまたはカラーカメラで撮影します。 UV蛍光イメージングでは、対象物の表面に再びUV光を照射します。 塗料、プラスチック、印刷インキ、染料など、蛍光増白剤が添加された製品では、これらの蛍光体が紫外線を吸収し、より長い拡散波長を再放射することになります。 図1：蛍光体は紫外線を吸収し、拡散波長を長くして再放射する。

蛍光の応用

特定の用途にどの紫外光源とカメラが使えるかは、試行錯誤の末に決定することが多い。 とはいえ、紫外線蛍光アプリケーションでは、吸収された光よりも放出される光の方が波長が長くエネルギーが低いため、部品にできるだけ多くの光を当てることが重要です。

このようなバンドパスフィルターが必要な理由は、現在のCCDやCMOSベースのカメラの多くが、紫外線に対して大きな感度をもっているからである。 そのため、紫外蛍光の用途に使用すると、紫外光源と可視蛍光の干渉が起こることがある。 そこで、紫外線を遮断するフィルターを用いて、カメラのイメージセンサーに取り込むべき波長と紫外線が干渉しないようにすることができる。 一般的な蛍光用途では、シアンが発色することが多く、470nmや505nmのバンドパスフィルターはシアンの光や波長を通し、それ以外の波長を遮断することで、画像に不要な色や環境光が写り込むのを抑制することができる。 UV用のバンドパスフィルターとしては、BP470、BP505、BP525、BP590、BP635が一般的である。 マシンビジョン用の蛍光アプリケーションでは、最もよく使われるのがBP470で、470nmのバンドパスフィルタをグレースケールやカラーカメラと一緒に使うと、撮影した画像のコントラストが向上します。 しかし、どの波長が最も効果的であるかは、検査する製品に光を当ててみないと判断できないため、Smart Vision Lightsは、設計者が365nmと395nmの両方を部品に照射して、どちらが最も効果的であるかを把握できるカラーボックステスターを開発しました（図2）。

Figure 2: Smart Vision Lights は、設計者が 365nm と 395nm の両方で部品を照らし、どちらが最も効果的に機能するかを確認できるカラー ボックス テスターを開発しました。 ステッチ糸は蛍光を発しますが、最もコントラストの高い可視画像を生成するために使用される紫外線波長は、すぐにはわかりませんでした。 カラー画像では縫い目は確認できませんが（図3左）、365nmの波長を照射すると（図3中）、395nmの波長の紫外線（図3右）よりもコントラストが高くなりました。 同様に重要なのが、使用するUVフィルターの選択である。 フィルターを使用しない場合、撮影した画像からステッチを確認することはできません（図4右）。 図3：ある紙おむつメーカーが、製品に縫い目が正しく付けられているかを検査するために、BP470のフィルターを使用しました。 ステッチ糸は蛍光を発しますが、最もコントラストの高い可視画像を生成するために使用される紫外線波長は、すぐには明らかになりませんでした。 カラー画像では縫い目を確認できませんが（左）、365nmの波長でおむつを照らすと（中）、395nmの波長の紫外線を使用した場合（右）よりもコントラストが高くなりました。

フィルターの正しい選択は重要なので、Smart Vision Lightsはシステム開発者向けにフィルターキットを開発しました。 このキットには、7つのダイクロイックフィルター（狭い範囲の周波数の光を選択的に透過し、他の周波数を反射するために使用）、470～850nmのカラーパスフィルター2つ、および偏光フィルター1つが含まれています。 27mmフィルターには、25.5mmと30.5mmの2つのアダプターリングと、各フィルターの偏光板の仕様を記した透過率チャートが付属しています。

図4：正しいバンドパスフィルターを選ぶことは、蛍光画像の詳細を強調する上で重要です。 フィルターを使用しない場合、撮影された画像はおむつの縫い目を明らかにすることはできません（右）。

Reflected UV

紫外線蛍光イメージングも多くのアプリケーションで使用されていますが、蛍光が発生しない反射紫外線イメージングでも製品の欠陥を発見することができます。 ここでは、再びUV光を用い、反射したUV光を撮影しています。 たとえば、製品ラベルのエアポケットを検出するアプリケーションでは、UV 照射を使用して、存在する可能性のあるエアポケットを強調することができます（図 5）。

Figure 5: 製品ラベルのエアポケットを検出するアプリケーションでは、たとえば反射 UV 照明を使って欠陥を強調し、存在する可能性があるエアポケットを強調できます。

しかしこのような照明は一部のアプリケーションにとって高額の提案となる場合があります。 たとえば、封筒の糊を強調するためには、280nmの紫外線が必要な場合があります。 糊は 280nm の波長を吸収するため、反射画像では黒く見えます (図 6)。 しかし、このような280nmの紫外線LEDは効率が悪く、現状では1個20ドル以上する。 したがって、十分な光を生成するには、そのような LED を数百個必要とする場合があります。

図 6: 例えば封筒の糊を強調するには、280nm の UV ライトを必要とする場合があります。

しかし、より長い波長で動作する最新の高電流 LED の多くは、最大 10W のパッケージで提供されており、前世代と比較して 10 ～ 30 倍の光出力増加を特徴としています。 このような紫外大電流LEDは、高速マシンビジョンアプリケーションで重要な要素である光出力を増加させるためにストロボを使用することも可能である。

UV 照明は、可視 LED 照明よりもまだ高価ですが、蛍光および反射 UV イメージングモードで、多くの産業用検査アプリケーションに導入されています。 まだ初期段階ですが、開発者が生産環境に UV 照明、市販のカメラ、マシン ビジョン ソフトウェアを統合することで、UV LED のコスト削減は新しいアプリケーションにつながるでしょう。

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