Dla programistów kontrolujących tworzywa sztuczne, farby i etykiety, oświetlenie ultrafioletowe (UV) ujawnia wady, których nie można ujawnić za pomocą światła widzialnego.

Matt Pinter

Wiele systemów widzenia maszynowego wykorzystuje widzialne komponenty oświetleniowe LED 390-700 nm, za pomocą których oświetla się produkty. Chociaż projektanci takich systemów stosowali je najbardziej efektywnie, istnieje coraz większe zapotrzebowanie na kontrolę produktów takich jak tworzywa sztuczne, farby, farby drukarskie i barwniki, które mogą odnieść korzyści z oświetlenia w zakresie ultrafioletu (UV). W przeszłości, takie zadania były ograniczone przez koszt źródeł światła UV. Obecnie jednak, wraz z pojawieniem się tańszego oświetlenia LED UV, aplikacje te stają się bardziej przystępne.

UV to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 10-400nm, które jest podzielone na trzy różne pasma. Między 300-400nm, pasmo widma jest znane jako pasmo bliskie UV i jest podzielone na podzakresy UV-A (315-400nm) i UV-B (280-315). Poniżej 300 nm, pasmo UV-C obejmuje fale o długości od 100-280nm. W zastosowaniach widzenia maszynowego najczęściej używane są fale w paśmie UV-A, zwłaszcza o długości 365nm i 395nm.

Światło UV może być używane w zastosowaniach widzenia maszynowego do wykrywania cech, których nie można wykryć za pomocą światła widzialnego. Ponieważ światło UV jest pochłaniane przez wiele materiałów, możliwe jest uzyskanie obrazu powierzchni produktu, a ponieważ ma ono krótszą długość fali niż światło widzialne, będzie rozpraszane przez cechy powierzchniowe produktu.

Oświetlenie UV może być stosowane w systemach widzenia maszynowego na dwa różne sposoby. W aplikacjach obrazowania UV odbitego, światło UV jest nakładane na obiekt i przechwytywane za pomocą kamery monochromatycznej lub kolorowej, która jest czuła na promieniowanie UV. W obrazowaniu UV-fluorescencyjnym, powierzchnia obiektu jest ponownie oświetlana światłem UV. W produktach takich jak farby, plastiki, tusze drukarskie i barwniki, które mają dodane rozjaśniacze optyczne, te fluorescencyjne materiały będą absorbować promieniowanie UV, a następnie ponownie wypromieniowywać dłuższą rozproszoną długość fali. Różnica w długości fali pomiędzy pozycjami maksimów pasm widm absorpcji i emisji jest znana jako przesunięcie Stokesa (Rysunek 1).

Rysunek 1: Materiały fluorescencyjne absorbują promieniowanie UV i ponownie wypromieniowują dłuższą rozproszoną długość fali. Różnica w długości fali pomiędzy pozycjami maksimów pasm widm absorpcji i emisji jest znana jako przesunięcie Stokesa.

Zastosowania fluorescencji

Które źródło światła UV i kamera mogą być użyte w konkretnym zastosowaniu jest często kwestią prób i błędów. W przypadku zastosowań fluorescencji UV, ważne jest, aby nałożyć na część jak najwięcej światła, ponieważ emitowane światło ma większą długość fali, a zatem niższą energię niż promieniowanie zaabsorbowane. Istotne jest również zastosowanie kolorowego filtra pasmowo-przepustowego, który przepuszcza tylko część widma.

Powodem wymagania takich filtrów pasmowo-przepustowych jest to, że wiele dzisiejszych kamer CCD i CMOS ma znaczną czułość na promieniowanie UV. Dlatego, gdy są one używane we fluorescencji UV, mogą wystąpić zakłócenia pomiędzy źródłem światła UV a fluorescencją widzialną. Aby przezwyciężyć ten problem, można zastosować filtry blokujące UV, które zapobiegają interferencji światła UV z pożądaną długością fali wymaganą do przechwycenia przez przetwornik obrazu kamery. W typowej aplikacji fluorescencyjnej, gdzie często emitowany jest kolor cyjanowy, filtr pasmowo-przepustowy 470nm lub 505nm przepuści światło lub długość fali cyjanu i zablokuje wszystkie inne długości fal, ograniczając w ten sposób niepożądane kolory i światło otoczenia na obrazie. Najbardziej powszechne filtry pasmowo-przepustowe dla UV to BP470, BP505, BP525, BP590 i BP635. W zastosowaniach fluorescencyjnych dla wizji maszynowej najczęściej stosowany jest BP470, filtr pasmowo-przepustowy 470nm, który w połączeniu z kamerą szarą lub kolorową zwiększy kontrast przechwyconych obrazów.

Aczkolwiek istnieje wiele diod LED, które emitują światło w pasmach UV-A, UV-B i UV-C, w wielu zastosowaniach wizji maszynowej najczęściej używane są fale o długości 365nm i 395nm. Ponieważ jednak to, która długość fali będzie najbardziej efektywna, można ocenić jedynie poprzez oświetlenie testowanego produktu, firma Smart Vision Lights opracowała tester color box, który pozwala projektantom oświetlać ich części zarówno światłem o długości 365nm, jak i 395nm i zrozumieć, która z nich jest najbardziej efektywna (rysunek 2).

Rysunek 2: Firma Smart Vision Lights opracowała tester pudełka kolorów, który pozwala projektantom oświetlać ich części zarówno wiązką 365nm, jak i 395nm i sprawdzić, która z nich działa najskuteczniej.

Przykładowo, producent pieluszek chciał sprawdzić, czy szwy zostały prawidłowo nałożone. Podczas gdy nić do szycia fluoryzuje, długość fali UV użyta do wytworzenia obrazu o najwyższym kontraście nie była od razu widoczna. Podczas gdy kolorowy obraz nie mógł ujawnić szwu (Rysunek 3 po lewej), oświetlanie pieluchy światłem o długości fali 365nm (Rysunek 3 pośrodku) zapewniło większy kontrast niż użycie światła UV o długości fali 395nm (Rysunek 3 po prawej). Równie ważny był wybór stosowanego filtra UV. Jeśli nie zastosuje się żadnego filtra, wówczas na przechwyconym obrazie nie widać zszycia (Rysunek 4 po prawej). Jednakże, przy użyciu filtra BP470, szwy w pieluszce zostają ujawnione (Rysunek 4 po lewej).

Rysunek 3: Producent pieluszek chciał sprawdzić, czy szwy zostały prawidłowo nałożone na produkt. Chociaż nić do zszywania fluoryzuje, długość fali UV używanej do uzyskania widocznego obrazu o najwyższym kontraście nie była od razu widoczna. Podczas gdy kolorowy obraz nie mógł ujawnić szwu (po lewej), oświetlenie pieluchy falą o długości 365nm (w środku) zapewniło większy kontrast niż przy użyciu światła UV o długości fali 395nm (po prawej).

Ponieważ prawidłowy wybór filtra jest ważny, firma Smart Vision Lights opracowała zestaw filtrów dla twórców systemów. Zawiera on siedem filtrów dichroicznych – używanych do selektywnego przepuszczania światła o niewielkim zakresie częstotliwości przy jednoczesnym odbijaniu innych częstotliwości – dwa filtry przepuszczające kolor w zakresie 470-850nm oraz filtr polaryzacyjny. Filtry 27 mm są dostarczane z dwoma pierścieniami pośrednimi 25,5 mm i 30,5 mm oraz kartami transmisyjnymi wyszczególniającymi specyfikacje każdego filtra polaryzacyjnego.

Ryc. 4: Wybór właściwego filtra pasmowo-przepustowego jest ważny dla uwydatnienia szczegółów obrazu fluorescencyjnego. Jeśli nie zostanie użyty żaden filtr, to na przechwyconym obrazie nie będzie widać szwów w pieluszce (po prawej). Użycie filtra BP470 ujawnia szew w pieluszce (po lewej).

Odbite UV

O ile obrazowanie UV-fluorescencyjne jest używane w wielu zastosowaniach, odbite obrazowanie UV – gdzie nie występuje fluorescencja – może również ujawnić wady produktu. Tutaj, światło UV jest ponownie wykorzystywane, a odbite światło UV jest przechwytywane. W aplikacji do wykrywania kieszonek powietrznych na etykietach produktów, na przykład, oświetlenie UV może być użyte do uwydatnienia wszelkich kieszonek powietrznych, które mogą być obecne (Rysunek 5).

Rysunek 5: W aplikacji do wykrywania kieszonek powietrznych na etykietach produktów, na przykład, odbite oświetlenie UV może być użyte do uwydatnienia defektu i uwydatnienia wszelkich kieszonek powietrznych, które mogą być obecne.

Takie oświetlenie może być jednak kosztowną propozycją dla niektórych zastosowań. Aby podkreślić klej na kopertach, na przykład, może wymagać światła UV o długości fali 280nm. Ponieważ klej absorbuje fale o długości 280nm, na odbitym obrazie będzie on wyglądał na czarny (Rysunek 6). Jednakże, takie diody LED UV 280nm są mało wydajne i obecnie kosztują powyżej 20$ za sztukę. Tak więc, aby wytworzyć wystarczającą ilość światła, mogą być potrzebne setki takich diod LED.

Rysunek 6: Podświetlenie kleju na kopertach, na przykład, może wymagać światła UV o długości fali 280nm. Ponieważ klej absorbuje fale o długości 280nm, będzie on czarny na odbitym obrazie.

Mówiąc to, wiele z najnowszych wysokoprądowych diod LED, które działają na dłuższych falach, są obecnie dostępne w pakietach do 10W i charakteryzują się wzrostem strumienia świetlnego od 10-30x w stosunku do poprzednich generacji. Takie wysokoprądowe diody LED UV mogą być również strobowane w celu zwiększenia strumienia świetlnego – jest to czynnik ważny w zastosowaniach związanych z szybkim widzeniem maszynowym. Kolejną zaletą takich wysokoprądowych diod LED UV jest to, że mogą być zaprojektowane z parabolicznymi reflektorami i soczewkami w celu wytworzenia skoncentrowanego, zogniskowanego wzoru światła, a tym samym mogą być stosowane przy większych odległościach roboczych.

Choć wciąż droższe niż ich odpowiedniki z oświetleniem widzialnym LED, oświetlenie UV jest obecnie wdrażane w wielu przemysłowych aplikacjach inspekcyjnych zarówno w trybie fluorescencji, jak i odbicia UV. Chociaż wciąż jest w powijakach, malejący koszt diod LED UV doprowadzi do nowych zastosowań, gdy deweloperzy zintegrują oświetlenie UV, standardowe kamery i oprogramowanie do wizji maszynowej w swoich środowiskach produkcyjnych.

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

.