Pentru dezvoltatorii care inspectează materiale plastice, vopsele și etichete, iluminarea cu ultraviolete (UV) dezvăluie defecte care nu pot fi evidențiate cu lumină vizibilă.

Matt Pinter

Multe sisteme de tratare a imaginii utilizează componente de iluminare cu LED-uri vizibile de 390-700 nm pentru a ilumina produsele. În timp ce proiectanții unor astfel de sisteme le-au aplicat cel mai eficient, există o cerere din ce în ce mai mare de a inspecta produse cum ar fi materialele plastice, vopselele, cernelurile de tipar și coloranții care pot beneficia de iluminarea în spectrul ultraviolet (UV). În trecut, astfel de sarcini erau limitate de costul surselor de lumină UV. Acum, însă, odată cu apariția iluminării cu LED-uri UV cu costuri mai mici, aceste aplicații devin mai accesibile.

UV este o radiație electromagnetică cu o lungime de undă cuprinsă între 10-400nm, care este clasificată în trei benzi diferite. Între 300-400nm, banda spectrului este cunoscută sub numele de banda UV apropiat și este împărțită în subbenzile UV-A (315-400nm) și UV-B (280-315). Sub 300 nm, banda UV-C acoperă lungimi de undă cuprinse între 100-280nm. În aplicațiile de vizionare artificială, lungimile de undă din banda UV-A, mai ales la lungimile de undă de 365 nm și 395 nm, sunt utilizate cel mai frecvent.

Lumina UV poate fi utilizată în aplicațiile de vizionare artificială pentru a detecta caracteristici care nu pot fi detectate cu ajutorul luminii vizibile. Deoarece lumina UV este absorbită de multe materiale, este posibil să se capteze o imagine a suprafeței unui produs și, deoarece are o lungime de undă mai scurtă decât lumina vizibilă, va fi împrăștiată de caracteristicile de suprafață ale produsului.

Lumina UV poate fi aplicată în sistemele de vizualizare artificială în două moduri diferite. În aplicațiile de imagistică UV reflectată, lumina UV este aplicată pe obiect și captată cu ajutorul unei camere monocrome sau color care este sensibilă la UV. În imagistica prin fluorescență UV, suprafața obiectului este din nou iluminată cu lumină UV. În produse precum vopselele, materialele plastice, cernelurile de tipărire și coloranții cărora li s-au adăugat agenți de albire optică, aceste materiale fluorescente vor absorbi radiația UV și apoi vor re-radia o lungime de undă difuză mai mare. Diferența de lungime de undă dintre pozițiile maximelor benzilor din spectrele de absorbție și emisie este cunoscută sub numele de deplasare Stokes (figura 1).

Figura 1: Materialele fluorescente absorb radiația UV și re-radiază o lungime de undă difuză mai mare. Diferența de lungime de undă între pozițiile maximelor benzilor din spectrele de absorbție și de emisie este cunoscută sub numele de deplasare Stokes.

Aplicații ale fluorescenței

Ce sursă de lumină UV și ce aparat de fotografiat pot fi utilizate într-o anumită aplicație este adesea o chestiune de încercare și eroare. Acestea fiind spuse, în aplicațiile de fluorescență UV, este important să se aplice cât mai multă lumină posibil pe piesă, deoarece lumina emisă are o lungime de undă mai mare și, prin urmare, o energie mai mică decât radiația absorbită. Este, de asemenea, esențială utilizarea unui filtru trece-banda de culoare care lasă să treacă doar o parte a spectrului.

Motivul pentru care sunt necesare astfel de filtre trece-banda este faptul că multe dintre camerele de luat vederi actuale bazate pe CCD și CMOS au o sensibilitate semnificativă la UV. Prin urmare, atunci când sunt utilizate în aplicații de fluorescență UV, pot apărea interferențe între sursa de lumină UV și fluorescența vizibilă. Pentru a remedia acest lucru, se pot utiliza filtre de blocare UV pentru a împiedica lumina UV să interfereze cu lungimea de undă dorită, necesară pentru a fi captată de senzorul de imagine al camerei. Într-o aplicație tipică de fluorescență, în care cyan este adesea culoarea emisă, un filtru trece bandă de 470 nm sau 505 nm va lăsa să treacă lumina sau lungimea de undă a cyanului și va bloca toate celelalte lungimi de undă, limitând astfel culorile nedorite și lumina ambientală din imagine. Cele mai comune filtre trece-banda pentru UV sunt BP470, BP505, BP525, BP590 și BP635. În aplicațiile de fluorescență pentru vizionare artificială, cel mai des utilizat este BP470, un filtru trece-banda de 470 nm care, atunci când este utilizat cu o cameră în tonuri de gri sau color, va spori contrastul imaginilor capturate.

Deși există o serie de LED-uri care emit lumină în benzile UV-A, UV-B și UV-C, în multe aplicații de vizionare artificială, lungimile de undă de 365 nm și 395 nm sunt cel mai des utilizate. Cu toate acestea, din moment ce lungimile de undă care vor fi cele mai eficiente pot fi judecate doar prin iluminarea produsului care urmează să fie testat, Smart Vision Lights a dezvoltat un tester de cutii de culoare care permite proiectanților să își ilumineze piesele atât cu 365nm, cât și cu 395nm și să înțeleagă care dintre ele funcționează cel mai eficient (figura 2).

Figura 2: Smart Vision Lights a dezvoltat un tester color box care permite proiectanților să își ilumineze piesele atât cu 365nm, cât și cu 395nm și să înțeleagă care dintre ele se comportă cel mai eficient.

Ca exemplu, un producător de scutece a dorit să inspecteze dacă cusăturile au fost aplicate corect. Deși firul de cusătură este fluorescent, lungimea de undă UV utilizată pentru a produce imaginea vizibilă cu cel mai mare contrast nu era imediat evidentă. În timp ce o imagine color nu a putut dezvălui cusăturile (figura 3 stânga), iluminarea scutecului cu o lungime de undă de 365 nm (figura 3 mijloc) a oferit mai mult contrast decât utilizarea unei lumini UV cu o lungime de undă de 395 nm (figura 3 dreapta). La fel de importantă a fost alegerea filtrului UV utilizat. Dacă nu se utilizează niciun filtru, atunci imaginea capturată nu poate dezvălui cusăturile (Figura 4 dreapta). Cu toate acestea, prin utilizarea unui filtru BP470, cusăturile din interiorul scutecului sunt expuse (Figura 4 stânga).

Figura 3: Un producător de scutece a dorit să inspecteze dacă cusăturile au fost aplicate corect pe produs. Deși firul de cusătură este fluorescent, lungimea de undă UV utilizată pentru a produce imaginea vizibilă cu cel mai mare contrast nu era imediat evidentă. În timp ce o imagine color nu a putut dezvălui cusăturile (stânga), iluminarea scutecului cu o lungime de undă de 365 nm (mijloc) a oferit mai mult contrast decât utilizarea unei lumini UV la o lungime de undă de 395 nm (dreapta).

Din moment ce alegerea corectă a filtrului este importantă, Smart Vision Lights a dezvoltat un kit de filtre pentru dezvoltatorii de sisteme. Acesta conține șapte filtre dicroice – utilizate pentru a lăsa să treacă selectiv lumina dintr-o gamă mică de frecvențe, reflectând în același timp alte frecvențe -, două filtre de trecere a culorilor cu frecvențe cuprinse între 470-850nm și un filtru polarizator. Filtrele de 27 mm sunt furnizate cu două inele adaptoare de 25,5 mm și 30,5 mm și diagrame de transmisie care detaliază specificațiile fiecărui filtru polarizator.

Figura 4: Alegerea filtrului trece bandă corect este importantă pentru a evidenția detaliile unei imagini fluorescente. Dacă nu se utilizează niciun filtru, atunci imaginea capturată nu poate evidenția cusăturile dintr-un scutec (dreapta). Utilizând un filtru BP470, cusăturile din scutec sunt dezvăluite (stânga).

UV reflectat

În timp ce imagistica prin fluorescență UV este utilizată în multe aplicații, imagistica UV reflectată – în care nu apare fluorescența – poate, de asemenea, dezvălui defectele produsului. Aici, se utilizează din nou lumina UV și se captează lumina UV reflectată. Într-o aplicație de detectare a pungilor de aer de pe etichetele produselor, de exemplu, iluminarea UV poate fi utilizată pentru a pune în evidență orice pungă de aer care poate fi prezentă (figura 5).

Figura 5: Într-o aplicație de detectare a pungilor de aer de pe etichetele produselor, de exemplu, iluminarea UV reflectată poate fi utilizată pentru a pune în evidență defectul și pentru a pune în evidență orice pungă de aer care poate fi prezentă.

O astfel de iluminare poate fi o propunere costisitoare pentru unele aplicații, totuși. Pentru a evidenția lipiciul de pe plicuri, de exemplu, poate fi nevoie de o lumină UV de 280 nm. Deoarece adezivul absoarbe lungimile de undă de 280nm, acesta va apărea negru în imaginea reflectată (figura 6). Cu toate acestea, astfel de LED-uri UV de 280nm au o eficiență scăzută și, în prezent, costă peste 20 de dolari bucata. Astfel, pentru a produce suficientă lumină poate fi nevoie de sute de astfel de LED-uri.

Figura 6: Pentru a evidenția lipiciul de pe plicuri, de exemplu, poate fi nevoie de o lumină UV de 280nm. Deoarece lipiciul absoarbe lungimile de undă de 280nm, acesta va apărea negru în imaginea reflectată.

După aceasta, multe dintre cele mai recente LED-uri de mare curent care funcționează pe lungimi de undă mai mari sunt acum disponibile în pachete de până la 10W și prezintă o creștere a producției de lumină între 10-30 de ori mai mare decât cea a generațiilor anterioare. Astfel de LED-uri UV de curent ridicat pot fi, de asemenea, stroboscopate pentru a crește puterea luminoasă – un factor important în aplicațiile de vizionare mecanică de mare viteză. Un alt avantaj al acestor LED-uri UV de curent ridicat este acela că pot fi proiectate cu reflectoare parabolice și lentile pentru a produce un model de lumină concentrată și focalizată și pot fi astfel utilizate la distanțe de lucru mai mari.

Chiar dacă sunt încă mai scumpe decât omologii lor de iluminare cu LED-uri vizibile, iluminarea UV este acum utilizată în multe aplicații de inspecție industrială, atât în modul de fluorescență, cât și în modul de imagistică UV reflectată. Deși se află încă în fază incipientă, costul în scădere al LED-urilor UV va conduce la noi aplicații, pe măsură ce dezvoltatorii vor integra iluminarea UV, camerele din comerț și software-ul de viziune artificială în mediile lor de producție.

Matt Pinter, director de inginerie, Smart Vision Lights (Muskegon, MI, SUA;www.smartvisionlights.com)

.