紫外光在缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

對(duì)于檢查塑料、油漆和標(biāo)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(jī)器視覺系統(tǒng)使用390~700nm的可見光LED照明組件為產(chǎn)品提供照明。雖然這些照明組件被系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員廣泛應(yīng)用，但是市場(chǎng)對(duì)于塑料、油漆、印刷油墨和染料等產(chǎn)品的檢測(cè)需求日益增加，而這些產(chǎn)品檢測(cè)更適合采用紫外（UV）照明。過去，這些產(chǎn)品的檢測(cè)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(yīng)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(gè)不同的波段。300~400nm稱為近紫外波段，這個(gè)波段又分為UV-A（315~400nm）和UV-B（280~315nm）兩個(gè)子波段。UV-C波段位于300nm以下，覆蓋100~280nm波長。機(jī)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(jī)器視覺應(yīng)用中，用于檢測(cè)用可見光無法檢測(cè)到的特征。由于紫外光能被許多材料吸收，所以可以捕獲產(chǎn)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(chǎn)品的表面特征散射。

紫外照明能以兩種不同的方式應(yīng)用到機(jī)器視覺系統(tǒng)中。在反射紫外成像應(yīng)用中，用紫外光照射物體，并使用對(duì)紫外光敏感的單色或彩色相機(jī)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(chǎn)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(jī)可以在特定的應(yīng)用中使用，通常需要反復(fù)試驗(yàn)。話雖如此，但是在紫外-熒光成像應(yīng)用中，盡可能多地向物體施加紫外照明非常重要，因?yàn)槲矬w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(jī)都對(duì)紫外光較為敏感。因此，當(dāng)用于紫外熒光應(yīng)用時(shí)，可能會(huì)在紫外光源和可見熒光之間發(fā)生干擾。為了克服這個(gè)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(jī)圖像傳感器所捕獲的波長。在典型的熒光成像應(yīng)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(shí)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(jī)器視覺的熒光應(yīng)用中，最常用的紫外帶通濾波器是BP470，這是一個(gè)470nm的帶通濾波器，當(dāng)與黑白或彩色相機(jī)一起使用時(shí)，能夠增強(qiáng)捕獲圖像的對(duì)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(jī)器視覺應(yīng)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(cè)產(chǎn)品來判斷，為此Smart VisionLights公司開發(fā)了一種色彩盒測(cè)試儀，其允許設(shè)計(jì)人員使用365nm和395nm光照明其產(chǎn)品，并了解哪個(gè)波長最有效（見圖2）。

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

由于濾光片的正確選擇至關(guān)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(gè)二向色濾光片（用于選擇性地通過較窄波段的光，同時(shí)反射其他波長）、兩個(gè)470~850nm的彩色濾光片和一個(gè)偏振濾光片。27mm濾光片配有25.5mm和30.5mm的兩個(gè)轉(zhuǎn)接環(huán)，傳輸圖詳細(xì)展示每個(gè)濾光偏振片的規(guī)格。

圖4：選擇正確的帶通濾光片對(duì)于突出熒光圖像的細(xì)節(jié)至關(guān)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(yīng)用于眾多領(lǐng)域，但是在顯示產(chǎn)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(yīng)用中，使用紫外光照射被檢產(chǎn)品，并捕獲發(fā)射的紫外光。例如，在檢測(cè)產(chǎn)品標(biāo)簽上是否存在氣泡的應(yīng)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(cè)產(chǎn)品標(biāo)簽上是否存在氣泡的應(yīng)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(duì)于很多應(yīng)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(huì)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(gè)280nm LED的成本高達(dá)20美元。因此，為了產(chǎn)生足夠的光，可能需要數(shù)百個(gè)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(huì)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(jīng)可以提供高達(dá)10W的封裝，并且其輸出功率已經(jīng)增加至前幾代產(chǎn)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(jī)器視覺應(yīng)用中一個(gè)重要因素。這種紫外大電流LED的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是：它們可以被設(shè)計(jì)帶有拋物面鏡和透鏡，以產(chǎn)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(jīng)在許多工業(yè)檢測(cè)應(yīng)用中部署，熒光成像模式和反射紫外成像模式都有應(yīng)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(chǎn)環(huán)境中集成紫外照明、現(xiàn)成的相機(jī)和機(jī)器視覺軟件，這將會(huì)催生很多新的紫外照明應(yīng)用。

原文標(biāo)題：紫外光在缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

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