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乐视紫外光源在机器视觉中的应用
2021-05-28
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研究表明:大多数机器视觉系统都使用波长为390nm-700nm的可见光作为照明光源,当遇到塑料或者油墨印刷品检测的时候,就需要用到UV光。在过去,这样的案例主要受到UV光价格高的限制。现在,随着低成本UV LED的出现,这些应用逐渐变得没那么贵了。

UV作为电磁射线,波长为10nm-400nm,被分为3个等级。300nm-400nm波段是最常见的近UV波段,被分为UV-A(315nm-400nm),UV-B(280nm-315nm),UV-C(100nm-280nm)。在机器视觉应用,UV-A波段中365nm和395nm波长是最常用的。

UV光可用来检测可见光看不到的特征。由于UV光可以被大多数材料吸收,所以就可能抓取到产品的表面特征。因为波长比可见光短,UV光会被产品表面特征散射。

UV光可以有两种不同的应用方式,一种是基于表面反射的方式,通过黑白相机或者紫外感光性好的彩色相机获取物体表面的图像;第二种,基于UV荧光的方式,物体表面被荧光照亮。有些产品,比如说油漆、塑料、油墨印刷和染料,它们添加有光学增白剂,这些荧光材料会吸收UV光然后重新发射出弥散的长波。吸收和发射的频谱波段最大值位置的差异称为斯托克斯位移(如下图)。

荧光应用
哪种UV光源和相机可以在特定应用中使用,常常是不断尝试的过程。即便如此,在UV荧光应用中,尽可能多的光照射到物体是必要的,因为发射出来的波长比吸收的长,具有比吸收的光较低的能量。有时有必要使用彩色带通滤光片使得部分波段通过。最常用的UV带通滤光片有BP470、BP505、BP525、BP590和BP635。在机器视觉应用中,最常用的是BP470-470nm的带通滤光片,当与黑白或者彩色相机使用时,可以增加图像的对比度。

当然也有一些LED发出UV-A、UV-B、UV-C的光,在机器视觉中,365nm、395nm是最常用到的。然而,至于哪种波长最有效,还需要实际测试才能知道。


举一个例子,生产纸尿裤的厂家希望检测针脚是否完整。由于针线上有荧光,UV光可以用来将肉眼可见但不明显的针线打出高的对比度。由于彩色图像不能显示针脚(图左),用365nm的光源照射(图中间)可以提供比395nm更高的对比度(图右)。



选取UV滤光片也很重要,如果没有使用滤光片,获取的图像就不能显示出针线(图右),然而,使用BP470滤光片,针线就呈现出来了(图左)。


UV荧光图像在很多应用中都可以使用到,反射UV图像-没有荧光-也可以呈现物体的瑕疵。这里,使用反射UV光获取图像,用来检测空气袋上的产品标签,增强了对比度。


然而,这样的照明方案毕竟比较昂贵。为了高亮显示信封上的胶水,加入需要使用280nm的UV光,因为胶水吸收280nm的光,在反射图像上呈现黑色(如下图)。然而,使用280nm的UV LED并不合适,因为每颗LED就要20美元,为了产生足够的光照,可能就需要上千颗这样的LED。


许多最新的大电流波长长的LED的包装都是10W,在光照输出上都比以前高10-30倍。这些LED可以频闪来提高光亮-这是在高速应用场合关键的特征。另一个优点是在高的工作距离下,可以设计抛物线反射器和透镜来产生汇聚的光斑。

由于还是比可见光LED贵很多,UV光在荧光和反射应用中目前还是处于部署发展阶段。因为还处于初级阶段,UV LED成本的降低将引起新应用如开发商将UV光源、成品相机和机器视觉软件集成到他们的产品中。