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紫外光在缺陷檢測中的應用

對于檢查塑料、油漆和標簽的開發者而言,紫外(UV)照明能顯示出可見光無法顯示出的缺陷。
 
许多机械视觉系统使用390~700nm的可见光LED照明组件为産品提供照明。虽然这些照明组件被系统设计人员广泛应用,但是市场对于塑料、油漆、印刷油墨和染料等産品的检测需求日益增加,而这些産品检测更适合接纳紫外(UV)照明。已往,这些産品的检测受到了紫外光源成本过高的限制。然而,随着低成本紫外LED照明的泛起,这些应用正变得越来越自制。
 
紫外線(UV)是波長10~400nm的電磁輻射,分三個差异的波段。300~400nm稱爲近紫外波段,這個波段又分爲UV-A(315~400nm)和UV-B(280~315nm)兩個子波段。UV-C波段位于300nm以下,覆蓋100~280nm波長。機器視覺常用的紫外波長位于UV-A波段,Z常用的有365nm和395nm。
紫外光可用于机械视觉应用中,用于检测用可见光无法检测到的特征。由于紫外光能被许多质料吸收,所以可以捕捉産品外貌的图像,而且由于紫外光具有比可见光更短的波长,因此能被産品的外貌特征散射。
 
紫外照明能以两种差异的方式应用到机械视觉系统中。在反射紫外成像应用中,用紫外光照射物体,并使用对紫外光敏感的单色或彩色相机捕捉图像。在紫外-熒光成像中,用紫外光照射物体外貌,在添加有荧光增白剂的涂料、塑料、印刷油墨和染料等産品中,这些荧光质料将吸收紫外辐射,然后发射出波长更长的荧光。吸收峰位波长和发射峰位波长之间的差,称为斯托克斯位移(Stokes shift)(见图1)。

 
 
 
圖1:熒光质料吸收紫外光後發射出波長更長的熒光。
吸收峰位波長和發射峰位波長之間的差,稱爲斯托克斯位移。
 

紫外-熒光成像
哪种紫外光源和相机可以在特定的应用中使用,通常需要重复试验。话虽如此,但是在紫外-熒光成像应用中,尽可能多地向物体施加紫外照明很是重要,因为物体吸收紫外光后的发射光比吸收光具有更长的波长,因此发射光的能量更低。使用允许部门光谱通过的彩色带通滤波器也很是须要。
 
需要這種帶通濾波器的原因是,今天許多CCD和CMOS相機都對紫外光較爲敏感。因此,當用于紫外熒光應用時,可能會在紫外光源和可見熒光之間發生幹擾。爲了克服這個問題,可以使用紫外阻擋濾光片來防止紫外光幹擾需要被相機圖像傳感器所捕獲的波長。在典型的熒光成像應用中,通常發射青色光,470nm或505nm帶通濾光片將讓青色光通過、同時阻擋全其他波長,因此能夠限制圖像中不需要的光和環境光。Z常用的紫外帶通濾波器是BP470、BP505、BP525、BP590和BP635。在面向機器視覺的熒光應用中,Z常用的紫外帶通濾波器是BP470,這是一個470nm的帶通濾波器,當與黑白或彩色相機一起使用時,能夠增強捕獲圖像的對比度。
 
尽管有许多发射光位于UV-A、UV-B和UV-C波段的LED,但是在许多机械视觉应用中,Z常用的照旧发射波长为365nm和395nm的LED。然而,由于哪些波长ZU效,只能通过照明待测産品来判断,为此Smart VisionLights公司开发了一种色彩盒测试仪,其允许设计人员使用365nm和395nm光照明其産品,并了解哪个波长ZU效(见图2)。

 
 
 
 
图2:Smart Vision Lights公司开发了一种色彩盒测试仪,
其允许设计人员使用365nm和395nm光照明産品,并了解哪个波长ZU效。
 
例如,一家紙尿褲制造商希望檢驗縫合是否正確。雖然彩色圖像無法顯示縫合線(圖3a側),但是用365nm光(圖3b)照射紙尿褲,能比使用395nm光提供更高的對比度(圖3c)。選擇使用什麽樣的紫外濾光片也同樣重要。如果不使用濾光片,那麽捕獲的圖像中則無法顯示出縫合線(圖4b);使用BP470濾光片,紙尿褲中的縫合線就顯示出來了(圖4a)。

 
 
 
圖3:一家紙尿褲制造商希望檢驗縫合是否正確。雖然彩色圖像無法顯示縫合線(左側),
但是用365nm光(中間)照射紙尿褲,能比使用395nm光提供更高的對比度(右側)。
 

由于滤光片的正确选择至关重要,因此Smart VisionLights公司为系统开发人员开发了一套滤光套件。套件中包罗七个二向色滤光片(用于选择性地通过较窄波段的光,同时反射其他波长)、两个470~850nm的彩色滤光片和一个偏振滤光片。27mm滤光片配有25.5mm和30.5mm的两个转接环,传输图详细展示每个滤光偏振片的规格。
 
 


 
圖4:選擇正確的帶通濾光片對于突出熒光圖像的細節至關重要。如果不使用濾光片,則捕獲的圖像中不能顯示紙尿褲中的縫合線(右)。使用BP470濾光片,紙尿褲中的縫合線清晰顯示(左)。
 
反射紫外成像
虽然紫外-熒光成像广泛应用于众多领域,但是在显示産品缺陷方面,也可以使用反射紫外成像(不发射荧光)。在反射紫外成像应用中,使用紫外光照射被检産品,并捕捉发射的紫外光。例如,在检测産品标签上是否存在气泡的应用中,可以使用紫外照明突出显示出任何可能存在的气泡(见图5)。

 
 
 
图5:在检测産品标签上是否存在气泡的应用中,
可以使用反射紫外成像突出顯示出缺陷和任何可能存在的氣泡。
 
然而,对于许多应用而言,紫外照明成本昂贵。例如,为了突出显示信封上的胶水,可能需要280nm的紫外光。由于胶水吸收280nm波长,因此在反射图像中会泛起玄色(见图6)。然而,这种280nm的紫外LED效率较低,而且目前每个280nm LED的成本达20美元。因此,为了发生足够的光,可能需要数百个这样的LED。
 
 
圖6:爲了突出顯示信封上的膠水,可能需要280nm的紫外光。
由于膠水吸收280nm波長,因此在反射圖像中會出現玄色。
 
尽管如此,现在许多事情在更长波长的Z新大电流LED,已经可以提供达10W的封装,而且其输出功率已经增加至前几代産品的10~30倍。这样的紫外大电流LED也可能以选通方式增加光输出——这是高速机械视觉应用中一个重要因素。这种紫外大电流LED的另一个优势是:它们可以被设计带有抛物面镜和透镜,以发生集中的聚焦光图案,因此可以在更长的事情距离下使用。
 
雖然紫外LED比可見光LED越发昂貴,但是現在紫外照明已經在許多工業檢測應用中部署,熒光成像模式和反射紫外成像模式都有應用。盡管紫外照明還處于起步階段,但是隨著紫外LED成本的下降,以及開發者在他們的生産環境中集成紫外照明、現成的相機和機器視覺軟件,這將會催生许多新的紫外照明應用。
 

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