Para os desenvolvedores que inspecionam plásticos, tintas e etiquetas, a iluminação ultravioleta (UV) revela defeitos que não podem ser revelados com luz visível.

Matt Pinter

Muitos sistemas de visão mecânica usam componentes de iluminação LED 390-700 nm visíveis com os quais iluminar os produtos. Embora os designers de tais sistemas os tenham aplicado com mais eficácia, há uma demanda crescente para inspecionar produtos como plásticos, tintas, tintas de impressão e corantes que podem se beneficiar da iluminação no espectro ultravioleta (UV). No passado, tais tarefas eram limitadas pelo custo das fontes de luz ultravioleta. Agora, porém, com o advento da iluminação LED UV de baixo custo, estas aplicações estão se tornando mais acessíveis.

UV é radiação eletromagnética com um comprimento de onda de 10-400nm, que é classificada em três bandas diferentes. Entre 300-400nm, a banda do espectro é conhecida como banda quase UV e é dividida nas subfaixas UV-A (315-400nm) e UV-B (280-315). Abaixo de 300 nm, a banda UV-C cobre comprimentos de onda de 100-280 nm. Em aplicações de visão mecânica, os comprimentos de onda na banda UV-A, mais notadamente a 365nm e 395nm, são mais comumente usados.

UV luz pode ser usada em aplicações de visão mecânica para detectar características que não podem ser detectadas usando luz visível. Como a luz UV é absorvida por muitos materiais, é possível capturar uma imagem da superfície de um produto e, como tem um comprimento de onda menor do que a luz visível, ela será espalhada pelas características da superfície do produto.

UV iluminação pode ser aplicada em sistemas de visão mecânica de duas maneiras diferentes. Em aplicações de imagem UV refletida, a luz UV é aplicada ao objeto e capturada usando uma câmera monocromática ou colorida que é sensível aos raios UV. Na imagem de fluorescência UV, a superfície do objeto é novamente iluminada com luz UV. Em produtos como tintas, plásticos, tintas de impressão e corantes que têm branqueadores ópticos adicionados a eles, esses materiais fluorescentes absorverão a radiação UV e, em seguida, irradiarão novamente um comprimento de onda difusa mais longo. A diferença no comprimento de onda entre as posições dos máximos da banda dos espectros de absorção e emissão é conhecida como Stokes shift (Figura 1).

Figure 1: Os materiais fluorescentes absorvem a radiação UV e readiatam um comprimento de onda difusa mais longo. A diferença no comprimento de onda entre as posições dos máximos da banda dos espectros de absorção e emissão são conhecidos como Stokes shift.

Aplicações de fluorescência

Que fonte de luz UV e câmera podem ser usadas em uma determinada aplicação é muitas vezes uma questão de tentativa e erro. Dito isto, em aplicações de fluorescência UV, é importante aplicar o máximo de luz possível na peça, uma vez que a luz emitida tem um comprimento de onda maior e, portanto, menor energia do que a radiação absorvida. O uso de um filtro passa-banda de cores que permite que apenas uma parte do espectro passe também é essencial.

A razão para requerer tais filtros passa-banda é que muitas das atuais câmeras baseadas em CCD e CMOS têm sensibilidade UV significativa. Quando usadas em aplicações de fluorescência UV, portanto, pode ocorrer interferência entre a fonte de luz UV e a fluorescência visível. Para superar isso, podem ser usados filtros de bloqueio UV para evitar que a luz UV interfira com o comprimento de onda desejado necessário para ser capturado pelo sensor de imagem da câmera. Numa aplicação típica de fluorescência, onde o ciano é frequentemente a cor emitida, um filtro de 470nm ou 505nm passa a luz ou comprimento de onda do ciano e bloqueia todos os outros comprimentos de onda, limitando assim as cores indesejadas e a luz ambiente na imagem. Os filtros passa-banda mais comuns para UV são BP470, BP505, BP525, BP590 e BP635. Em aplicações de fluorescência para visão mecânica, o mais utilizado é o BP470, um filtro passa-banda de 470nm que, quando utilizado com uma câmera em escala de cinza ou colorida, aumentará o contraste das imagens capturadas.

Embora haja um número de LEDs que emitem luz nas faixas UV-A, UV-B e UV-C, em muitas aplicações de visão mecânica, os comprimentos de onda de 365nm e 395nm são os mais utilizados. No entanto, como quais comprimentos de onda serão mais eficazes só podem ser julgados através da iluminação do produto a ser testado, a Smart Vision Lights desenvolveu um testador de caixa de cores que permite aos projetistas iluminar suas peças com 365nm e 395nm e entender qual é o melhor desempenho (Figura 2).

Figure 2: A Smart Vision Lights desenvolveu um testador de caixa colorida que permite aos designers iluminar suas peças tanto com 365nm como com 395nm e ver qual tem um desempenho mais eficaz.

Como exemplo, um fabricante de fraldas desejou inspecionar se a costura tinha sido aplicada corretamente. Enquanto a linha de costura fluoresce, o comprimento de onda UV usado para produzir o maior contraste visível não era imediatamente aparente. Enquanto uma imagem colorida não podia revelar a costura (Figura 3 esquerda), iluminar a fralda com um comprimento de onda de 365nm (Figura 3 meio) forneceu mais contraste do que usar uma luz UV a um comprimento de onda de 395nm (Figura 3 direita). Igualmente importante foi a escolha do filtro UV utilizado. Se não for utilizado nenhum filtro, então a imagem capturada não pode revelar a costura (Figura 4 à direita). Contudo, usando um filtro BP470, a costura dentro da fralda é exposta (Figura 4 esquerda).

Figure 3: Um fabricante de fraldas desejou verificar se a costura foi aplicada correctamente ao produto. Enquanto o fio de costura fluoresce, o comprimento de onda UV utilizado para produzir o maior contraste visível não era imediatamente aparente. Enquanto uma imagem colorida não podia revelar a costura (esquerda), iluminar a fralda com um comprimento de onda de 365nm (meio) forneceu mais contraste do que usar uma luz UV a um comprimento de onda de 395nm (direita).

Desde que a escolha correta do filtro é importante, a Smart Vision Lights desenvolveu um kit de filtro para desenvolvedores de sistemas. Este contém sete filtros dicróicos – utilizados para passar seletivamente a luz de uma pequena faixa de freqüências enquanto reflete outras freqüências – dois filtros de passagem de cores variando de 470-850nm, e um filtro polarizador. Os filtros de 27mm são fornecidos com dois anéis adaptadores de 25,5mm e 30,5mm, e gráficos de transmissão detalhando as especificações de cada polarizador de filtro.

Figure 4: A escolha do filtro de passagem de banda correta é importante para destacar os detalhes de uma imagem fluorescente. Se não for utilizado nenhum filtro, então a imagem capturada não pode revelar a costura numa fralda (à direita). Ao usar um filtro BP470, a costura dentro da fralda é revelada (esquerda).

Reflected UV

Apesar de a imagem de fluorescência UV ser usada em muitas aplicações, a imagem refletida UV – onde não ocorre nenhuma fluorescência – também pode revelar defeitos do produto. Aqui, a luz UV é novamente utilizada e a luz UV refletida é capturada. Em uma aplicação para detectar bolsas de ar em etiquetas de produtos, por exemplo, a iluminação UV pode ser usada para realçar quaisquer bolsas de ar que possam estar presentes (Figura 5).

Figure 5: Em uma aplicação para detectar bolsas de ar em etiquetas de produtos, por exemplo, a iluminação UV refletida pode ser usada para realçar o defeito e realçar quaisquer bolsas de ar que possam estar presentes.

Tal iluminação pode ser uma proposta cara para algumas aplicações, no entanto. Para destacar a cola nos envelopes, por exemplo, pode ser necessária uma luz UV de 280 nm. Como a cola absorve comprimentos de onda de 280nm, ela aparecerá em preto na imagem refletida (Figura 6). No entanto, esses LEDs UV de 280nm são de baixa eficiência e atualmente custam mais de 20 dólares cada. Assim, para produzir luz suficiente pode requerer centenas desses LEDs.

Figure 6: Para destacar a cola em envelopes, por exemplo, pode requerer uma luz UV de 280nm. Uma vez que a cola absorve comprimentos de onda de 280nm, ela aparecerá preta na imagem refletida.

Having disse que, muitos dos últimos LEDs de alta corrente que operam em comprimentos de onda mais longos estão agora disponíveis em pacotes de até 10W e apresentam um aumento na saída de luz entre 10-30x os das gerações anteriores. Tais LEDs UV de alta corrente também podem ser estroboscópicos para aumentar a saída de luz – um fator importante em aplicações de visão mecânica de alta velocidade. Uma outra vantagem de tais LEDs UV de alta corrente é que eles podem ser projetados com refletores parabólicos e lentes para produzir um padrão de luz concentrada e focada e, portanto, pode ser usado em distâncias de trabalho mais longas.

Embora ainda mais caro do que seus equivalentes visíveis de iluminação LED, a iluminação UV está agora sendo implantado em muitas aplicações de inspeção industrial, tanto em modos de fluorescência e imagem UV refletida. Ainda em sua infância, o custo decrescente dos LEDs UV levará a novas aplicações à medida que os desenvolvedores integram a iluminação UV, câmeras de prateleira e software de visão mecânica em seus ambientes de produção.

Matt Pinter, Diretor de Engenharia, Smart Vision Lights (Muskegon, MI, EUA;www.smartvisionlights.com)