För utvecklare som inspekterar plast, färg och etiketter avslöjar ultraviolett (UV) belysning defekter som inte kan avslöjas med synligt ljus.

Matt Pinter

Många system för maskinseende använder synliga LED-belysningskomponenter med en diameter på 390-700 nm för att belysa produkter. Konstruktörerna av sådana system har tillämpat dem mest effektivt, men det finns en ökande efterfrågan på att inspektera produkter som plast, färger, tryckfärger och färgämnen som kan dra nytta av belysning i det ultravioletta (UV) spektrumet. Tidigare har sådana uppgifter begränsats av kostnaden för UV-ljuskällor. Nu, med tillkomsten av billigare UV-LED-belysning, blir dessa tillämpningar dock mer överkomliga.

UV är elektromagnetisk strålning med en våglängd från 10-400 nm, som delas in i tre olika band. Bandet mellan 300-400nm är känt som nära-UV-bandet och är uppdelat i delbanden UV-A (315-400nm) och UV-B (280-315). Under 300 nm omfattar UV-C-bandet våglängder från 100-280 nm. I tillämpningar för maskinseende används oftast våglängder i UV-A-bandet, framför allt 365 nm och 395 nm.

UV-ljus kan användas i tillämpningar för maskinseende för att upptäcka egenskaper som inte kan upptäckas med synligt ljus. Eftersom UV-ljus absorberas av många material är det möjligt att ta en bild av en produkts yta och eftersom det har en kortare våglängd än synligt ljus kommer det att spridas av ytdetaljer på produkten.

UV-belysning kan användas i system för maskinseende på två olika sätt. I tillämpningar för reflekterad UV-avbildning appliceras UV-ljus på objektet och fångas med hjälp av en monokrom- eller färgkamera som är UV-känslig. Vid UV-fluorescensavbildning belyses objektets yta återigen med UV-ljus. I produkter som färger, plaster, tryckfärger och färgämnen med tillsats av optiska ljusare absorberar dessa fluorescerande material UV-strålningen och återstrålar sedan en längre diffus våglängd. Skillnaden i våglängd mellan positionerna för bandmaxima i absorptions- och emissionsspektrat kallas Stokesförskjutning (figur 1).

Figur 1: Fluorescerande material absorberar UV-strålning och återstrålar en längre diffus våglängd. Skillnaden i våglängd mellan positionerna för bandmaxima i absorptions- och emissionsspektrat kallas Stokesförskjutning.

Fluorescenstillämpningar

Vilken UV-ljuskälla och kamera som kan användas i en viss tillämpning är ofta en fråga om försök och misstag. Med detta sagt är det vid UV-fluorescenstillämpningar viktigt att applicera så mycket ljus som möjligt på detaljen eftersom det emitterade ljuset har en längre våglängd och därför lägre energi än den absorberade strålningen. Det är också viktigt att använda ett färgbandpassfilter som bara låter en del av spektrumet passera.

Anledningen till att det krävs sådana bandpassfilter är att många av dagens CCD- och CMOS-baserade kameror har en betydande UV-känslighet. Vid användning i UV-fluorescenstillämpningar kan därför interferens mellan UV-ljuskällan och den synliga fluorescensen uppstå. För att lösa detta kan UV-blockerande filter användas för att förhindra att UV-ljuset stör den önskade våglängd som krävs för att fångas av kamerans bildsensor. I en typisk fluorescenstillämpning, där cyan ofta är den färg som avges, kommer ett bandpassfilter på 470 nm eller 505 nm att släppa igenom ljuset eller våglängden för cyan och blockera alla andra våglängder, vilket begränsar oönskade färger och omgivande ljus i bilden. De vanligaste bandpassfiltren för UV är BP470, BP505, BP525, BP590 och BP635. I fluorescenstillämpningar för maskinseende används oftast BP470, ett bandpassfilter på 470 nm som, när det används tillsammans med en gråskalekamera eller färgkamera, förbättrar kontrasten i de tagna bilderna.

Och även om det finns ett antal lysdioder som sänder ut ljus i UV-A-, UV-B- och UV-C-banden, är det i många tillämpningar för maskinseende våglängder på 365 nm och 395 nm som oftast används. Men eftersom vilka våglängder som är mest effektiva endast kan bedömas genom att belysa den produkt som ska testas, har Smart Vision Lights utvecklat en färgboxtestare som gör det möjligt för konstruktörer att belysa sina delar med både 365nm och 395nm och förstå vilken som är mest effektiv (figur 2).

Figur 2: Smart Vision Lights har utvecklat en testare för färgboxar som gör det möjligt för konstruktörer att belysa sina delar med både 365nm och 395nm och se vilken som presterar mest effektivt.

En tillverkare av blöjor vill till exempel inspektera om sömmarna har applicerats på rätt sätt. Även om sömnadstråden fluorescerar var det inte omedelbart uppenbart vilken UV-våglängd som användes för att producera den synliga bilden med högst kontrast. Även om en färgbild inte kunde avslöja sömmarna (figur 3 vänster), gav belysning av blöjan med en våglängd på 365 nm (figur 3 mitten) mer kontrast än användning av UV-ljus med en våglängd på 395 nm (figur 3 höger). Lika viktigt var valet av UV-filter som användes. Om inget filter används kan den tagna bilden inte avslöja sömmarna (figur 4 höger). Om man däremot använder ett BP470-filter exponeras sömmarna i blöjan (figur 4 vänster).

Figur 3: En tillverkare av blöjor ville inspektera om sömmarna hade applicerats korrekt på produkten. Även om sömmarnas tråd fluorescerar var den UV-våglängd som användes för att producera den synliga bilden med högsta kontrast inte omedelbart uppenbar. Medan en färgbild inte kunde avslöja sömmen (vänster), gav belysning av blöjan med en våglängd på 365 nm (mitten) mer kontrast än om man använde ett UV-ljus med en våglängd på 395 nm (höger).

Då rätt val av filter är viktigt, har Smart Vision Lights utvecklat ett filterkit för systemutvecklare. Detta innehåller sju dikroiska filter – som används för att selektivt släppa igenom ljus av ett litet frekvensområde medan andra frekvenser reflekteras – två färgpassfilter som sträcker sig från 470-850nm och ett polarisationsfilter. Filtren på 27 mm levereras med två adapterringar på 25,5 mm och 30,5 mm samt transmissionsdiagram som beskriver specifikationerna för varje filterpolarisator.

Figur 4: Det är viktigt att välja rätt bandpassfilter för att framhäva detaljerna i en fluorescerande bild. Om inget filter används kan den tagna bilden inte avslöja sömmarna i en blöja (till höger). Genom att använda ett BP470-filter avslöjas sömmarna i blöjan (vänster).

Reflekterad UV

Samtidigt som UV-fluorescensavbildning används i många tillämpningar kan reflekterad UV-avbildning – där det inte förekommer någon fluorescens – också avslöja produktdefekter. Här används UV-ljuset igen och det reflekterade UV-ljuset fångas upp. I en tillämpning för att upptäcka luftfickor på produktetiketter kan till exempel UV-belysning användas för att framhäva eventuella luftfickor (figur 5).

Figur 5: I en tillämpning för att upptäcka luftfickor på produktetiketter kan till exempel reflekterad UV-belysning användas för att framhäva defekten och framhäva eventuella luftfickor (figur 5).

Den här typen av belysning kan dock vara en dyr affär för vissa tillämpningar. För att framhäva limmet på kuvert, till exempel, kan det krävas ett UV-ljus på 280 nm. Eftersom limmet absorberar våglängder på 280 nm kommer det att framstå som svart i den reflekterade bilden (figur 6). Sådana 280nm UV-ljusdioder är dock låg-effektiva och kostar för närvarande mer än 20 dollar styck. För att producera tillräckligt med ljus kan det alltså krävas hundratals sådana lysdioder.

Figur 6: För att framhäva limmet på kuvert kan det t.ex. krävas ett UV-ljus på 280nm. Eftersom limmet absorberar våglängder på 280 nm kommer det att framstå som svart i den reflekterade bilden.

Med detta sagt finns många av de senaste högströmsljusdioderna som arbetar med längre våglängder nu tillgängliga i förpackningar på upp till 10 W och har en ökning av ljusutbytet som är mellan 10-30 gånger större än tidigare generationer. Sådana UV-lysdioder med hög strömstyrka kan också strobedas för att öka ljusflödet – en faktor som är viktig i höghastighetstillämpningar för maskinseende. En ytterligare fördel med sådana UV-ljusdioder med hög strömstyrka är att de kan utformas med paraboliska reflektorer och linser för att producera ett koncentrerat, fokuserat ljusmönster och kan därmed användas på längre arbetsavstånd.

Och även om de fortfarande är dyrare än deras motsvarigheter med synlig LED-belysning används UV-belysning nu i många industriella inspektionstillämpningar både i fluorescens- och reflekterad UV-bildteknik. Även om den fortfarande är i sin linda kommer den sjunkande kostnaden för UV-ljusdioder att leda till nya tillämpningar i takt med att utvecklare integrerar UV-belysning, standardkameror och programvara för maskinseende i sina produktionsmiljöer.

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