Voor ontwikkelaars die kunststoffen, verf en etiketten inspecteren, onthult ultraviolette (UV) verlichting defecten die niet kunnen worden onthuld met zichtbaar licht.

Matt Pinter

Veel machine vision systemen maken gebruik van zichtbare 390-700 nm LED verlichtingscomponenten waarmee producten kunnen worden belicht. Hoewel ontwerpers van dergelijke systemen deze het meest effectief hebben toegepast, is er een toenemende vraag om producten zoals kunststoffen, verf, drukinkten en kleurstoffen te inspecteren die baat kunnen hebben bij verlichting in het ultraviolette (UV) spectrum. In het verleden werden dergelijke taken beperkt door de kosten van UV-lichtbronnen. Met de komst van goedkopere UV-LED’s worden deze toepassingen echter steeds betaalbaarder.

UV is elektromagnetische straling met een golflengte van 10-400nm, die in drie verschillende banden wordt ingedeeld. Tussen 300-400 nm staat de band van het spectrum bekend als de bijna-UV-band en is verdeeld in de sub-banden UV-A (315-400 nm) en UV-B (280-315). Onder 300 nm bestrijkt de UV-C-band golflengten van 100-280 nm. In machine vision toepassingen worden golflengten in de UV-A band, met name de golflengten 365nm en 395nm, het meest gebruikt.

UV-licht kan in machine vision toepassingen worden gebruikt om kenmerken te detecteren die met zichtbaar licht niet kunnen worden gedetecteerd. Aangezien UV-licht door veel materialen wordt geabsorbeerd, is het mogelijk een beeld van het oppervlak van een product vast te leggen en, omdat het een kortere golflengte heeft dan zichtbaar licht, zal het worden verstrooid door oppervlakte-eigenschappen op het product.

UV-verlichting kan op twee verschillende manieren worden toegepast in machine vision-systemen. Bij gereflecteerde UV-beeldvormingstoepassingen wordt UV-licht op het object aangebracht en opgevangen met een monochrome of kleurencamera die UV-gevoelig is. Bij UV-fluorescentie-beeldvorming wordt het oppervlak van het object opnieuw met UV-licht belicht. In producten zoals verf, plastics, drukinkt en kleurstoffen waaraan optische witmakers zijn toegevoegd, zullen deze fluorescerende materialen de UV-straling absorberen en vervolgens opnieuw een langere diffuse golflengte uitstralen. Het verschil in golflengte tussen de posities van de bandmaxima van de absorptie- en emissiespectra staat bekend als de Stokesverschuiving (figuur 1).

Figuur 1: Fluorescerende materialen absorberen UV-straling en stralen een langere diffuse golflengte opnieuw uit. Het verschil in golflengte tussen de posities van de bandmaxima van de absorptie- en emissiespectra wordt Stokesverschuiving genoemd.

Fluorescentietoepassingen

Welke UV-lichtbron en camera voor een bepaalde toepassing kunnen worden gebruikt, is vaak een kwestie van vallen en opstaan. Bij UV-fluorescentietoepassingen is het echter belangrijk zoveel mogelijk licht op het werkstuk aan te brengen, aangezien het uitgezonden licht een langere golflengte en dus een lagere energie heeft dan de geabsorbeerde straling. Het gebruik van een kleurenbanddoorlaatfilter dat slechts een deel van het spectrum doorlaat, is ook essentieel.

De reden waarom dergelijke banddoorlaatfilters nodig zijn, is dat veel van de huidige CCD- en CMOS-gebaseerde camera’s een aanzienlijke UV-gevoeligheid hebben. Bij gebruik in UV-fluorescentietoepassingen kan daarom interferentie optreden tussen de UV-lichtbron en de zichtbare fluorescentie. Om dit te ondervangen kunnen UV-blokkeerfilters worden gebruikt om te voorkomen dat UV-licht interfereert met de gewenste golflengte die door de beeldsensor van de camera moet worden opgevangen. In een typische fluorescentietoepassing, waar cyaan vaak de kleur is die wordt uitgezonden, zal een 470nm of 505nm banddoorlaatfilter het licht of de golflengte van cyaan doorlaten en alle andere golflengten blokkeren, waardoor ongewenste kleuren en omgevingslicht in het beeld worden beperkt. De meest gebruikelijke banddoorlaatfilters voor UV zijn BP470, BP505, BP525, BP590 en BP635. Bij fluorescentietoepassingen voor machine vision is de meest gebruikte de BP470, een 470nm band-pass filter die, wanneer gebruikt met een grijswaarden- of kleurencamera, het contrast van de gemaakte beelden zal verbeteren.

Hoewel er een aantal LED’s zijn die licht uitstralen in de UV-A, UV-B en UV-C banden, worden in veel machine vision toepassingen de golflengten 365nm en 395nm het meest gebruikt. Aangezien echter alleen kan worden beoordeeld welke golflengten het meest effectief zullen zijn door het te testen product te verlichten, heeft Smart Vision Lights een kleurenbox-tester ontwikkeld waarmee ontwerpers hun onderdelen kunnen verlichten met zowel 365nm als 395nm en kunnen begrijpen welke het meest effectief presteert (figuur 2).

Figuur 2: Smart Vision Lights heeft een kleurendoos-tester ontwikkeld waarmee ontwerpers hun onderdelen zowel met 365nm als met 395nm kunnen belichten en kunnen zien welke het meest effectief presteert.

Als voorbeeld wilde een fabrikant van luiers controleren of het stiksel correct was aangebracht. Hoewel de naaigaren fluoresceren, was niet onmiddellijk duidelijk met welke UV-golflengte het zichtbare beeld met het hoogste contrast werd verkregen. Hoewel een kleurenfoto het stiksel niet kon onthullen (figuur 3 links), gaf het verlichten van de luier met een golflengte van 365 nm (figuur 3 midden) meer contrast dan het gebruik van een UV-lamp met een golflengte van 395 nm (figuur 3 rechts). Even belangrijk was de keuze van het gebruikte UV-filter. Als geen filter wordt gebruikt, kan het gemaakte beeld de stiksels niet zichtbaar maken (figuur 4 rechts). Wanneer echter een BP470-filter wordt gebruikt, worden de stiksels in de luier blootgelegd (afbeelding 4 links).

Figuur 3: Een fabrikant van luiers wilde controleren of de stiksels correct op het product waren aangebracht. Hoewel het stikgaren fluoresceert, was niet onmiddellijk duidelijk met welke UV-golflengte het zichtbare beeld met het hoogste contrast werd geproduceerd. Hoewel een kleurenbeeld het stiksel niet kon onthullen (links), gaf het verlichten van de luier met een golflengte van 365nm (midden) meer contrast dan het gebruik van een UV-lamp met een golflengte van 395nm (rechts).

Omdat de juiste filterkeuze belangrijk is, heeft Smart Vision Lights een filterkit ontwikkeld voor systeemontwikkelaars. Deze bevat zeven dichroïsche filters, die worden gebruikt om licht van een klein bereik van frequenties selectief door te laten en andere frequenties te reflecteren, twee kleurenfilters, variërend van 470-850 nm, en een polarisatiefilter. De 27 mm filters worden geleverd met twee adapterringen van 25,5 mm en 30,5 mm, en transmissie-diagrammen met de specificaties van elke filter-polarisatiefilter.

Figuur 4: De keuze van het juiste banddoorlaatfilter is belangrijk om de details van een fluorescerend beeld naar voren te halen. Als er geen filter wordt gebruikt, kan het gemaakte beeld de stiksels in een luier niet onthullen (rechts). Door een BP470-filter te gebruiken, worden de stiksels in de luier onthuld (links).

Gereflecteerde UV

Terwijl UV-fluorescentiebeeldvorming in veel toepassingen wordt gebruikt, kan gereflecteerde UV-beeldvorming – waarbij geen fluorescentie optreedt – ook defecten in producten onthullen. Ook hier wordt het UV-licht gebruikt en het gereflecteerde UV-licht opgevangen. In een toepassing voor het opsporen van luchtzakken op productetiketten, bijvoorbeeld, kan UV-verlichting worden gebruikt om eventueel aanwezige luchtzakken te versterken (figuur 5).

Figuur 5: In een toepassing voor het opsporen van luchtzakken op productetiketten, bijvoorbeeld, kan gereflecteerde UV-verlichting worden gebruikt om het defect te versterken en eventueel aanwezige luchtzakken te versterken.

Zulke verlichting kan voor sommige toepassingen echter een dure aangelegenheid zijn. Om bijvoorbeeld de lijm op enveloppen te benadrukken, kan een UV-licht van 280nm nodig zijn. Aangezien de lijm golflengten van 280 nm absorbeert, zal deze zwart lijken in het gereflecteerde beeld (figuur 6). Dergelijke UV-LED’s van 280 nm zijn echter weinig efficiënt en kosten momenteel meer dan 20 dollar per stuk. Om voldoende licht te produceren, zijn dus mogelijk honderden van dergelijke leds nodig.

Figuur 6: Om bijvoorbeeld de lijm op enveloppen te markeren, kan een UV-lamp van 280nm nodig zijn. Aangezien de lijm golflengten van 280 nm absorbeert, zal deze zwart verschijnen in het gereflecteerde beeld.

Dit gezegd hebbende, zijn veel van de nieuwste high current LED’s die op langere golflengten werken, nu verkrijgbaar in pakketten tot 10 W en bieden ze een toename van de lichtopbrengst van 10-30 keer die van eerdere generaties. Dergelijke UV-hoogstroom-LED’s kunnen ook worden aangestraald om de lichtopbrengst te verhogen – een factor die belangrijk is bij toepassingen voor machinevisie met hoge snelheid. Een ander voordeel van dergelijke UV-hogestroom-LED’s is dat zij kunnen worden ontworpen met parabolische reflectoren en lenzen om een geconcentreerd, gefocusseerd lichtpatroon te produceren en zo op grotere werkafstanden kunnen worden gebruikt.

Hoewel nog steeds duurder dan hun zichtbare LED-verlichtingstegenhangers, wordt UV-verlichting nu in veel industriële inspectietoepassingen gebruikt, zowel in de fluorescentie- als in de gereflecteerde UV-beeldvormingsmodus. Hoewel ze nog in de kinderschoenen staan, zullen de dalende kosten van UV-LED’s leiden tot nieuwe toepassingen naarmate ontwikkelaars UV-verlichting, off-the-shelf camera’s en machine vision software integreren in hun productie-omgevingen.

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