紫外光在缺陷检测中的应用

对于检查塑料、油漆和标签的开发者而言，紫外（UV）照明能显示出可见光无法显示出的缺陷。

许多机器视觉系统使用390~700nm的可见光LED照明组件为产品提供照明。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、印刷油墨和染料等产品的检测需求日益增加，而这些产品检测更适合采用紫外（UV）照明。过去，这些产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照明的出现，这些应用正变得越来越便宜。

紫外线（UV）是波长10~400nm的电磁辐射，分三个不同的波段。300~400nm称为近紫外波段，这个波段又分为UV-A（315~400nm）和UV-B（280~315nm）两个子波段。UV-C波段位于300nm以下，覆盖100~280nm波长。机器视觉常用的紫外波长位于UV-A波段，最常用的有365nm和395nm。

紫外光可用于机器视觉应用中，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材料吸收，所以可以捕获产品表面的图像，并且由于紫外光具有比可见光更短的波长，因此能被产品的表面特征散射。

紫外照明能以两种不同的方式应用到机器视觉系统中。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获图像。在紫外-荧光成像中，用紫外光照射物体表面，在添加有荧光增白剂的涂料、塑料、印刷油墨和染料等产品中，这些荧光材料将吸收紫外辐射，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）。

图1：荧光材料吸收紫外光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。

紫外-荧光成像

哪种紫外光源和相机可以在特定的应用中使用，通常需要反复试验。话虽如此，但是在紫外-荧光成像应用中，尽可能多地向物体施加紫外照明非常重要，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。使用仅允许部分光谱通过的彩色带通滤波器也非常必要。

需要这种带通滤波器的原因是，今天许多CCD和CMOS相机都对紫外光较为敏感。因此，当用于紫外荧光应用时，可能会在紫外光源和可见荧光之间发生干扰。为了克服这个问题，可以使用紫外阻挡滤光片来防止紫外光干扰需要被相机图像传感器所捕获的波长。在典型的荧光成像应用中，通常发射青色光，470nm或505nm带通滤光片将让青色光通过、同时阻挡所有其他波长，因此能够限制图像中不需要的光和环境光。最常用的紫外带通滤波器是BP470、BP505、BP525、BP590和BP635。在面向机器视觉的荧光应用中，最常用的紫外带通滤波器是BP470，这是一个470nm的带通滤波器，当与黑白或彩色相机一起使用时，能够增强捕获图像的对比度。

尽管有许多发射光位于UV-A、UV-B和UV-C波段的LED，但是在许多机器视觉应用中，最常用的还是发射波长为365nm和395nm的LED。然而，由于哪些波长最有效，只能通过照明待测产品来判断，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光照明其产品，并了解哪个波长最有效（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光照明产品，并了解哪个波长最有效。

例如，一家纸尿裤制造商希望检验缝合是否正确。虽然彩色图像无法显示缝合线（图3a侧），但是用365nm光（图3b）照射纸尿裤，能比使用395nm光提供更高的对比度（图3c）。选择使用什么样的紫外滤光片也同样重要。如果不使用滤光片，那么捕获的图像中则无法显示出缝合线（图4b）；使用BP470滤光片，纸尿裤中的缝合线就显示出来了（图4a）。

图3：一家纸尿裤制造商希望检验缝合是否正确。虽然彩色图像无法显示缝合线（左侧），但是用365nm光（中间）照射纸尿裤，能比使用395nm光提供更高的对比度（右侧）。

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。套件中包含七个二向色滤光片（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。

图4：选择正确的带通滤光片对于突出荧光图像的细节至关重要。如果不使用滤光片，则捕获的图像中不能显示纸尿裤中的缝合线（右）。使用BP470滤光片，纸尿裤中的缝合线清晰显示（左）。

反射紫外成像

虽然紫外-荧光成像广泛应用于众多领域，但是在显示产品缺陷方面，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产品，并捕获发射的紫外光。例如，在检测产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：在检测产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显示出缺陷和任何可能存在的气泡。

然而，对于很多应用而言，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出现黑色（见图6）。然而，这种280nm的紫外LED效率较低，而且目前每个280nm LED的成本高达20美元。因此，为了产生足够的光，可能需要数百个这样的LED。

图6：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出现黑色。

尽管如此，现在许多工作在更长波长的最新大电流LED，已经可以提供高达10W的封装，并且其输出功率已经增加至前几代产品的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——这是高速机器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，以产生集中的聚焦光图案，因此可以在更长的工作距离下使用。

虽然紫外LED比可见光LED更加昂贵，但是现在紫外照明已经在许多工业检测应用中部署，荧光成像模式和反射紫外成像模式都有应用。尽管紫外照明还处于起步阶段，但是随着紫外LED成本的下降，以及开发者在他们的生产环境中集成紫外照明、现成的相机和机器视觉软件，这将会催生很多新的紫外照明应用。

（原文在英文版2017年9月刊）

文/ Matt Pinter