Für Entwickler, die Kunststoffe, Farben und Etiketten prüfen, offenbart ultraviolette (UV) Beleuchtung Defekte, die mit sichtbarem Licht nicht aufgedeckt werden können.

Matt Pinter

Viele Bildverarbeitungssysteme verwenden sichtbare LED-Beleuchtungskomponenten mit einer Wellenlänge von 390-700 nm, um Produkte zu beleuchten. Während die Konstrukteure solcher Systeme diese am effektivsten eingesetzt haben, gibt es eine wachsende Nachfrage nach der Prüfung von Produkten wie Kunststoffen, Lacken, Druck- und Farbstoffen, die von einer Beleuchtung im ultravioletten (UV) Spektrum profitieren können. In der Vergangenheit wurden solche Aufgaben durch die Kosten der UV-Lichtquellen begrenzt. Mit dem Aufkommen kostengünstiger UV-LED-Beleuchtung werden diese Anwendungen nun jedoch erschwinglicher.

UV ist elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 10-400nm, die in drei verschiedene Banden eingeteilt wird. Der Bereich zwischen 300-400 nm wird als Nah-UV-Band bezeichnet und ist in die Unterbänder UV-A (315-400 nm) und UV-B (280-315) unterteilt. Unterhalb von 300 nm deckt das UV-C-Band Wellenlängen von 100-280 nm ab. Bei Anwendungen der maschinellen Bildverarbeitung werden vor allem Wellenlängen im UV-A-Band, insbesondere bei 365 nm und 395 nm, verwendet.

UV-Licht kann bei Anwendungen der maschinellen Bildverarbeitung zur Erkennung von Merkmalen verwendet werden, die mit sichtbarem Licht nicht erkannt werden können. Da UV-Licht von vielen Materialien absorbiert wird, ist es möglich, ein Bild der Oberfläche eines Produkts zu erfassen, und da es eine kürzere Wellenlänge als sichtbares Licht hat, wird es von Oberflächenmerkmalen auf dem Produkt gestreut.

UV-Beleuchtung kann in Bildverarbeitungssystemen auf zwei verschiedene Arten eingesetzt werden. Bei Anwendungen der reflektierten UV-Bildgebung wird das Objekt mit UV-Licht bestrahlt und mit einer UV-empfindlichen Monochrom- oder Farbkamera erfasst. Bei der UV-Fluoreszenz-Bildgebung wird die Oberfläche des Objekts wiederum mit UV-Licht beleuchtet. Bei Produkten wie Lacken, Kunststoffen, Druckfarben und Farbstoffen, denen optische Aufheller zugesetzt sind, absorbieren diese fluoreszierenden Materialien die UV-Strahlung und strahlen dann eine längere diffuse Wellenlänge wieder ab. Der Wellenlängenunterschied zwischen den Positionen der Bandmaxima des Absorptions- und des Emissionsspektrums wird als Stokes-Verschiebung bezeichnet (Abbildung 1).

Abbildung 1: Fluoreszierende Materialien absorbieren UV-Strahlung und strahlen eine längere diffuse Wellenlänge wieder ab. Der Wellenlängenunterschied zwischen den Positionen der Bandmaxima des Absorptions- und des Emissionsspektrums wird als Stokes-Verschiebung bezeichnet.

Fluoreszenzanwendungen

Welche UV-Lichtquelle und welche Kamera für eine bestimmte Anwendung verwendet werden kann, ist oft eine Frage von Versuch und Irrtum. Bei UV-Fluoreszenzanwendungen ist es jedoch wichtig, so viel Licht wie möglich auf das Teil aufzubringen, da das emittierte Licht eine längere Wellenlänge und damit eine geringere Energie hat als die absorbierte Strahlung. Die Verwendung eines Farb-Bandpassfilters, der nur einen Teil des Spektrums durchlässt, ist ebenfalls unerlässlich.

Der Grund für die Verwendung solcher Bandpassfilter ist, dass viele der heutigen CCD- und CMOS-basierten Kameras eine erhebliche UV-Empfindlichkeit aufweisen. Beim Einsatz in UV-Fluoreszenzanwendungen kann es daher zu Interferenzen zwischen der UV-Lichtquelle und der sichtbaren Fluoreszenz kommen. Um dies zu vermeiden, können UV-Sperrfilter eingesetzt werden, die verhindern, dass UV-Licht mit der gewünschten Wellenlänge interferiert, die vom Bildsensor der Kamera erfasst werden soll. Bei einer typischen Fluoreszenzanwendung, bei der häufig die Farbe Cyan emittiert wird, lässt ein Bandpassfilter mit einer Wellenlänge von 470 nm oder 505 nm das Licht oder die Wellenlänge von Cyan durch und blockiert alle anderen Wellenlängen, wodurch unerwünschte Farben und Umgebungslicht im Bild begrenzt werden. Die gängigsten Bandpassfilter für UV sind BP470, BP505, BP525, BP590 und BP635. Bei Fluoreszenzanwendungen für die maschinelle Bildverarbeitung wird am häufigsten der BP470 verwendet, ein 470nm-Bandpassfilter, der in Verbindung mit einer Graustufen- oder Farbkamera den Kontrast der aufgenommenen Bilder erhöht.

Obwohl es eine Reihe von LEDs gibt, die Licht im UV-A-, UV-B- und UV-C-Bereich emittieren, werden bei vielen Anwendungen der maschinellen Bildverarbeitung am häufigsten Wellenlängen von 365nm und 395nm verwendet. Da jedoch nur durch die Beleuchtung des zu prüfenden Produkts beurteilt werden kann, welche Wellenlängen am effektivsten sind, hat Smart Vision Lights einen Color-Box-Tester entwickelt, mit dem Konstrukteure ihre Teile sowohl mit 365nm als auch mit 395nm beleuchten können, um zu verstehen, welche Wellenlänge am effektivsten ist (Abbildung 2).

Abbildung 2: Smart Vision Lights hat ein Farbkastenprüfgerät entwickelt, mit dem Designer ihre Teile sowohl mit 365nm als auch mit 395nm beleuchten können, um zu sehen, welches Verfahren am effektivsten ist.

Ein Hersteller von Windeln wollte beispielsweise prüfen, ob die Nähte korrekt angebracht wurden. Der Nähfaden fluoresziert zwar, aber die UV-Wellenlänge, die zur Erzeugung des kontrastreichsten sichtbaren Bildes verwendet wird, war nicht sofort erkennbar. Während ein Farbbild die Nähte nicht erkennen ließ (Abbildung 3 links), lieferte die Beleuchtung der Windel mit einer Wellenlänge von 365 nm (Abbildung 3 Mitte) mehr Kontrast als die Verwendung von UV-Licht mit einer Wellenlänge von 395 nm (Abbildung 3 rechts). Ebenso wichtig war die Wahl des verwendeten UV-Filters. Wenn kein Filter verwendet wird, kann das aufgenommene Bild die Nähte nicht erkennen (Abbildung 4 rechts). Bei Verwendung eines BP470-Filters wird die Naht in der Windel jedoch sichtbar (Abbildung 4 links).

Abbildung 3: Ein Hersteller von Windeln wollte überprüfen, ob die Nähte korrekt auf dem Produkt angebracht wurden. Der Nähfaden fluoresziert zwar, aber die UV-Wellenlänge, die zur Erzeugung des kontrastreichsten sichtbaren Bildes verwendet wird, war nicht sofort erkennbar. Während ein Farbbild die Naht nicht erkennen ließ (links), lieferte die Beleuchtung der Windel mit einer Wellenlänge von 365 nm (Mitte) mehr Kontrast als die Verwendung von UV-Licht mit einer Wellenlänge von 395 nm (rechts).

Da die richtige Wahl des Filters wichtig ist, hat Smart Vision Lights ein Filterkit für Systementwickler entwickelt. Es enthält sieben dichroitische Filter – die dazu dienen, Licht eines kleinen Frequenzbereichs selektiv durchzulassen, während andere Frequenzen reflektiert werden -, zwei Farbpassfilter von 470-850 nm und einen Polfilter. Die 27-mm-Filter werden mit zwei Adapterringen von 25,5 mm und 30,5 mm sowie mit Transmissionsdiagrammen geliefert, in denen die Spezifikationen der einzelnen Polarisationsfilter aufgeführt sind.

Abbildung 4: Die Wahl des richtigen Bandpassfilters ist wichtig, um die Details eines Fluoreszenzbildes hervorzuheben. Wenn kein Filter verwendet wird, kann das aufgenommene Bild die Nähte in einer Windel nicht erkennen (rechts). Bei Verwendung eines BP470-Filters werden die Nähte in der Windel sichtbar (links).

Reflektiertes UV

Während die UV-Fluoreszenz-Bildgebung in vielen Anwendungen eingesetzt wird, kann die reflektierte UV-Bildgebung – bei der keine Fluoreszenz auftritt – auch Produktfehler aufdecken. Auch hier wird das UV-Licht verwendet und das reflektierte UV-Licht aufgefangen. In einer Anwendung zur Erkennung von Lufteinschlüssen auf Produktetiketten beispielsweise kann UV-Beleuchtung verwendet werden, um eventuell vorhandene Lufteinschlüsse hervorzuheben (Abbildung 5).

Abbildung 5: In einer Anwendung zur Erkennung von Lufteinschlüssen auf Produktetiketten beispielsweise kann reflektierte UV-Beleuchtung verwendet werden, um den Defekt hervorzuheben und eventuell vorhandene Lufteinschlüsse hervorzuheben.

Eine solche Beleuchtung kann jedoch für einige Anwendungen teuer sein. Um den Klebstoff auf Briefumschlägen hervorzuheben, ist zum Beispiel ein UV-Licht von 280 nm erforderlich. Da der Klebstoff 280nm-Wellenlängen absorbiert, erscheint er im reflektierten Bild schwarz (Abbildung 6). Solche 280-nm-UV-LEDs haben jedoch einen geringen Wirkungsgrad und kosten derzeit über 20 $ pro Stück. Um genügend Licht zu erzeugen, sind daher möglicherweise Hunderte solcher LEDs erforderlich.

Abbildung 6: Um den Klebstoff auf Briefumschlägen hervorzuheben, kann beispielsweise ein UV-Licht von 280 nm erforderlich sein. Da der Klebstoff Wellenlängen von 280 nm absorbiert, erscheint er im reflektierten Bild schwarz.

Allerdings sind viele der neuesten Hochstrom-LEDs, die mit längeren Wellenlängen arbeiten, jetzt in Gehäusen von bis zu 10 W erhältlich und bieten eine 10- bis 30-fach höhere Lichtleistung als frühere Generationen. Solche UV-Hochstrom-LEDs können auch geblitzt werden, um die Lichtleistung zu erhöhen – ein wichtiger Faktor für Hochgeschwindigkeitsanwendungen in der industriellen Bildverarbeitung. Ein weiterer Vorteil solcher UV-Hochstrom-LEDs besteht darin, dass sie mit parabolischen Reflektoren und Linsen ausgestattet werden können, um ein konzentriertes, fokussiertes Lichtmuster zu erzeugen und somit bei größeren Arbeitsabständen eingesetzt werden können.

Obwohl sie immer noch teurer sind als ihre Gegenstücke, die sichtbare LED-Beleuchtung, wird UV-Beleuchtung jetzt in vielen industriellen Inspektionsanwendungen sowohl im Fluoreszenz- als auch im reflektierten UV-Bildmodus eingesetzt. Obwohl sie noch in den Kinderschuhen steckt, werden die sinkenden Kosten von UV-LEDs zu neuen Anwendungen führen, wenn Entwickler UV-Beleuchtung, handelsübliche Kameras und Bildverarbeitungssoftware in ihre Produktionsumgebungen integrieren.

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