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(fā)者而言，紫外（UV）照明能顯示出可見光無法顯示出的缺陷。

許多機器視覺系統(tǒng)使用390~700nm的可見光LED照明組件為產品提供照明。雖然這些照明組件被系統(tǒng)設計人員廣泛應用，但是市場對于塑料、油漆、印刷油墨和染料等產品的檢測需求日益增加，而這些產品檢測更適合采用紫外（UV）照明。過去，這些產品的檢測受到了紫外光源成本過高的限制。然而，隨著低成本紫外LED照明的出現(xiàn)，這些應用正變得越來越便宜。

紫外線（UV）是波長10~400nm的電磁輻射，分三個不同的波段。300~400nm稱為近紫外波段，這個波段又分為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，最常用的有365nm和395nm。

紫外光可用于機器視覺應用中，用于檢測用可見光無法檢測到的特征。由于紫外光能被許多材料吸收，所以可以捕獲產品表面的圖像，并且由于紫外光具有比可見光更短的波長，因此能被產品的表面特征散射。

紫外照明能以兩種不同的方式應用到機器視覺系統(tǒng)中。在反射紫外成像應用中，用紫外光照射物體，并使用對紫外光敏感的單色或彩色相機捕獲圖像。在紫外-熒光成像中，用紫外光照射物體表面，在添加有熒光增白劑的涂料、塑料、印刷油墨和染料等產品中，這些熒光材料將吸收紫外輻射，然后發(fā)射出波長更長的熒光。吸收峰位波長和發(fā)射峰位波長之間的差，稱為斯托克斯位移（Stokes shift）（見圖1）。

圖1：熒光材料吸收紫外光后發(fā)射出波長更長的熒光。吸收峰位波長和發(fā)射峰位波長之間的差，稱為斯托克斯位移。

紫外-熒光成像

哪種紫外光源和相機可以在特定的應用中使用，通常需要反復試驗。話雖如此，但是在紫外-熒光成像應用中，盡可能多地向物體施加紫外照明非常重要，因為物體吸收紫外光后的發(fā)射光比吸收光具有更長的波長，因此發(fā)射光的能量更低。使用僅允許部分光譜通過的彩色帶通濾波器也非常必要。

需要這種帶通濾波器的原因是，今天許多CCD和CMOS相機都對紫外光較為敏感。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(fā)生干擾。為了克服這個問題，可以使用紫外阻擋濾光片來防止紫外光干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(fā)射青色光，470nm或505nm帶通濾光片將讓青色光通過、同時阻擋所有其他波長，因此能夠限制圖像中不需要的光和環(huán)境光。最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，最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。

盡管有許多發(fā)射光位于UV-A、UV-B和UV-C波段的LED，但是在許多機器視覺應用中，最常用的還是發(fā)射波長為365nm和395nm的LED。然而，由于哪些波長最有效，只能通過照明待測產品來判斷，為此Smart VisionLights公司開發(fā)了一種色彩盒測試儀，其允許設計人員使用365nm和395nm光照明其產品，并了解哪個波長最有效（見圖2）。

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）。選擇使用什么樣的紫外濾光片也同樣重要。如果不使用濾光片，那么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）。

由于濾光片的正確選擇至關重要，因此Smart VisionLights公司為系統(tǒng)開發(fā)人員開發(fā)了一套濾光套件。套件中包含七個二向色濾光片（用于選擇性地通過較窄波段的光，同時反射其他波長）、兩個470~850nm的彩色濾光片和一個偏振濾光片。27mm濾光片配有25.5mm和30.5mm的兩個轉接環(huán)，傳輸圖詳細展示每個濾光偏振片的規(guī)格。

圖4：選擇正確的帶通濾光片對于突出熒光圖像的細節(jié)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

雖然紫外-熒光成像廣泛應用于眾多領域，但是在顯示產品缺陷方面，也可以使用反射紫外成像（不發(fā)射熒光）。在反射紫外成像應用中，使用紫外光照射被檢產品，并捕獲發(fā)射的紫外光。例如，在檢測產品標簽上是否存在氣泡的應用中，可以使用紫外照明突出顯示出任何可能存在的氣泡（見圖5）。

圖5：在檢測產品標簽上是否存在氣泡的應用中，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，對于很多應用而言，紫外照明成本昂貴。例如，為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(xiàn)黑色（見圖6）。然而，這種280nm的紫外LED效率較低，而且目前每個280nm LED的成本高達20美元。因此，為了產生足夠的光，可能需要數(shù)百個這樣的LED。

圖6：為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(xiàn)黑色。

盡管如此，現(xiàn)在許多工作在更長波長的最新大電流LED，已經可以提供高達10W的封裝，并且其輸出功率已經增加至前幾代產品的10~30倍。這樣的紫外大電流LED也可能以選通方式增加光輸出——這是高速機器視覺應用中一個重要因素。這種紫外大電流LED的另一個優(yōu)勢是：它們可以被設計帶有拋物面鏡和透鏡，以產生集中的聚焦光圖案，因此可以在更長的工作距離下使用。

雖然紫外LED比可見光LED更加昂貴，但是現(xiàn)在紫外照明已經在許多工業(yè)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(fā)者在他們的生產環(huán)境中集成紫外照明、現(xiàn)成的相機和機器視覺軟件，這將會催生很多新的紫外照明應用。

原文標題：紫外光在缺陷檢測中的應用

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