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紫外線光在機器視覺中的應用

對於檢查塑料,塗料和標籤的開發商來說,紫外線光源(UV)可以檢測出可見光無法辨識的瑕疵– Matt Pinter

許多機器視覺系統使用可見光波長 390-700 nm  的 LED 光源組件來照亮產品,儘管這樣的系統已經被設計人員最有效的應用,但是對於使用紫外線 (UV) 光譜照明的塑料,油漆,印刷油墨和染料等產品的需求日益增加。 在過去,這些工作受到紫外線光源成本的限制, 然而現在,隨著低成本 UV LED 的出現,這些應用變得更加實惠。

UV 紫外線是波長為 10~400nm 的電磁輻射,分為三個不同的頻帶。 在 300~400nm 之間,光譜帶被稱為近 UV 帶,並被分成 UV-A(315~400nm) 和 UV-B(280~315) 子帶。 在 300nm 以下, UV-C 波段覆蓋 100~280nm 的波長。 在機器視覺應用中,最常用的則是 UV-A 波段的波長,尤其是在 365nm 和 395nm 波長。

UV 紫外線可用於機器視覺應用中,並用來檢測使用可見光無法檢測的物體。 由於 UV 光可被許多材料吸收,所以可以擷取物件表面的圖像,並且由於其具有比可見光更短的波長,所以它將被產品的表面特性所散射。

UV 紫外線照明於機器視覺系統可以用兩種不同的方式應用。 在反射式紫外線成像應用中,紫外線照射於物體,並使用紫外線感光特性的單色或彩色相機擷取影像。而在 UV 螢光紫外線的成像中,物體的表面被紫外線光照射增亮。 塗有螢光增白劑的塗料,塑料,印刷油墨和染料等產品中,這些螢光材料將吸收紫外線輻射,然後再散射出更長波長的漫射波。 吸收和漫射發射之間,光譜最大值位置的波長差異,被稱為 Stokes shift (斯托克斯頻移)(見圖示)。

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螢光的應用

在特定應用中可以使用哪種紫外光源和照相機通常是一個反覆試驗的問題。 話雖如此,在 UV 螢光紫外線的應用中,盡可能向物件增加更多光線是重要的,因為發射的光具有較長的波長,因此比吸收的輻射能量低。另外使用只允許一部分光譜通過的顏色濾光片也是必不可少的。

要求使用這種帶通濾光片的原因是,目前許多基於CCD和CMOS的相機具有明顯的紫外敏感度。 因此,當在UV應用中使用時,可能發生UV光源與可見螢光之間的干擾。 為了克服這個問題,可以使用UV濾光片來防止UV光干擾相機的圖像傳感器所需要的所需波長。 在典型的螢光應用中,藍色通常是發出的顏色,470nm或505nm濾光片會讓藍色的光或波長通過,並阻擋所有其他波長,從而限制圖像中不需要的顏色和周圍的環境光干擾。 UV最常用的顏色濾光片是BP470,BP505,BP525,BP590和BP635。 在用於機器視覺的螢光應用中,最經常使用的是BP470,470nm濾光片,當與黑白或彩色相機一起使用時,將增強所捕獲圗像的對比度。

雖然有許多LED能在UV-A,UV-B和UVC頻帶中發光,但在許多視覺應用中的機器,365nm和395nm的波長是最常用的。 話雖如此,但哪種波長最有效,也只能通過打亮待測產品來判斷,Smart Vision Lights就開發了一種彩盒測試儀,使設計者能夠使用365nm和395nm照明其物件,並了解哪種波長效果最好(見圖示)。

 

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例如,尿布製造商希望檢查縫合是否正確。 當縫合線發出螢光時,用於產生最高對比度的可見圖像UV波長不是立即顯現的。 雖然彩色圖像無法顯示縫合(圖示左側),但照射365nm波長的尿布(圖示中間)比使用395nm波長的紫外線提供了更好的對比(圖示右側)。

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同樣重要的是選擇使用的紫外線濾光片。 如果沒有使用濾光片,則拍攝的圖像不能顯示縫合處(圖示右)。 但是,通過使用BP470濾光片,尿布內的縫合被顯露出來(圖示左側)。

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由於正確選擇濾光片非常重要,Smart Vision Lights為系統開發人員開發了一套濾光片套件。其中包含七個分色濾光片 – 用於選擇性通過一個小範圍波長的光線,同時反射其他頻率 –  兩個470~850nm的彩色濾光片和一個偏光鏡濾光片。 27mm濾光片配有25.5mm和30.5mm兩個配接環,以及每個偏光片的詳細透射規格圖表。

紫外線反射

雖然UV螢光紫外線被使用在許多應用之中,但是反射式的紫外線成像(不產生出螢光)也可以揭露出產品的缺陷。 在這裡,再次使用UV光並擷取反射的UV光。 例如,在檢測產品標籤上是否有氣泡的應用中,可以使用紫外線照射來增強可能存在的氣穴(圖示)。

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然而,這樣的照明對於某些應用來說可能是昂貴的。 為了突出信封上的膠水,例如可能需要280nm的UV光。 由於膠水吸收280nm波長,所以在反射圖像中會出現黑色(圖示)。 然而,這樣的280nm紫外線發光二極管效率低,目前每個成本高達20美元。 因此,為了產生足夠的光可能需要數百個這樣的LED。

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話雖如此,許多最新的高電流LED工作在較長的波長,現在可以提供高達10W的封裝,並具有10-30倍的前幾代光輸出的增加。這種UV高電流LED也可以被選通以增加光輸出 – 這在高速機器視覺應用中是重要的。這種UV高電流LED的另一個優點是可以用拋物面反射鏡和透鏡來設計,以產生集中的聚焦光圖案,因此可以在更長的工作距離上使用。

目前雖然仍比可見光的LED照明產品昂貴,但是UV照明現在正在許多工業檢測應用中以螢光和反射UV成像的模式部署。雖然仍處於起步階段,但隨著開發人員將UV照明,現成的相機和機器視覺軟體置入其生產環境中,UV LED的成本下降將帶來新的應用。

Smart Vision Lights工程總監Matt Pinter(美國密歇根州Muskegon; www.smartvisionlights.com

 

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