Zautomatyzowana optyczna kontrola jakości to standard w nowoczesnych zakładach produkcyjnych. Jednak dla uzyskania jednoznacznych prawidłowych wyników niezbędne jest zastosowanie systemu wizyjnego, w którym optyka i oświetlenie zostaną indywidualnie dobrane dla konkretnej aplikacji.
Każdy fotograf-hobbysta wie, ile podstępów kryje w sobie prawidłowe oświetlenie – zbyt słaby kontrast i nieostre kontury zmarnują efekt najpiękniejszego motywu. W przemysłowym przetwarzaniu obrazów skutki będą nieporównanie poważniejsze, a błąd optycznej kontroli jakości może okazać się bardzo kosztowny. Należy zatem w taki sposób skontrastować badane produkty za pomocą odpowiednich systemów oświetleniowych, żeby wszystkie istotne szczegóły i różnice były widoczne dla kamery, a obrazy wiernie odwzorowane. Produkcja ogniw słonecznych, przemysł farmaceutyczny czy motoryzacyjny – wszędzie stosuje się wysoko specjalistyczne i dostosowane do danego procesu produkcyjnego systemy oświetleniowe.
– Oświetlenie to najważniejszy, a zarazem najbardziej niedoceniany i ignorowany element zapewnienia jakości – mówi Carl van Dommelen, Sales Manager w Dziale Lighting & Imaging firmy SCHOTT w Southbridge, Massachusetts (USA).
Techniki oświetleniowe
W zależności od specyficznych wymagań danej aplikacji należy posługiwać się różnymi technikami oświetleniowymi: może to być światło padające lub przechodzące, oświetlenie w polu jasnym lub w polu ciemnym. Na przykład w padającym świetle punktowym doskonale można obserwować korozję na metalowych elementach. W tym przypadku kamera i oświetlacz umieszczone są po tej samej stronie obiektu. Inaczej jest w przypadku oświetlenia światłem przechodzącym – tu obiekt usytuowany jest pomiędzy kamerą i oświetlaczem, dzięki czemu można wyraźnie zobaczyć jego wewnętrzną strukturę. Obiekt w polu jasnym oświetlany jest lekko z boku z kierunku kamery. W efekcie na strukturach pojawia się cień zwiększający kontrast. Na koniec pole ciemne: tu światło pada pod bardzo płaskim kątem. Struktura powierzchni odbija padające światło w kierunku kamery, a sama wydaje się jasna. W ten sposób można np. rozpoznać zarysowania na badanym materiale.
Jakie światło jest właściwe?
Rodzaj oświetlenia zależy w pierwszym rzędzie od właściwości materiałowych obiektu oraz zastosowanej techniki oświetlenia. Decydujące są takie czynniki, jak doprowadzenie światła do obiektu oraz intensywność światła. Generalnie obowiązuje zasada: im większa jasność, tym szybsze cykle kontrolne. Daje to większą przepustowość i niższe koszty jednostkowe.
Jeżeli w danym przypadku nie ma zbyt wysokich wymagań co do oświetlenia, często wystarczy zwykły halogen, żarówka lub układ diod LED bez sterowania elektronicznego. Te źródła światła są niedrogie, a zarazem zapewniają równomierne oświetlenie. Świetlówki z kolei świecą światłem rozproszonym. Zaletami oświetlaczy fluorescencyjnych jest ich wysoka żywotność (15 tys. godz.) i stosunkowo niska cena. Świetlówki można stosować wszędzie tam, gdzie aplikacja nie stawia zbyt wygórowanych wymagań, jeśli chodzi o zmienność oświetlenia. W przypadku dużych prędkości lub kompleksowej inspekcji godne polecenia są klasyczne systemy światłowodowe lub diodowe firm SCHOTT i Moritex.
Oświetlenie światłowodowe
Klasyczna technologia światłowodowa zapewnia szczególnie wysoką intensywność przesyłanego światła, możliwość projektowania komponentów o bardzo zróżnicowanych formach oraz równomierne oświetlenie. Na bazie tej technologii można wyprodukować wiele skomplikowanych i wysoko wyspecjalizowanych komponentów, które będą wytwarzać bardzo precyzyjne i jednorodne oświetlenie, a zarazem prawie nie wymagać konserwacji. Światłowody znajdują zastosowanie szczególnie w oświetleniu liniowym, a więc wszędzie tam, gdzie chodzi o inspekcję powierzchni. Gdy transmitowana jest szczególnie duża ilość światła, a światłowód wystawiony jest na działanie temperatur przekraczających 300°C, właściwe jest zastosowanie światłowodu z końcem wiązki zgrzewanym na gorąco. Światłowody z końcami zgrzewanymi na gorąco przewodzą ok. 10% więcej światła w porównaniu z końcami klejonymi, ponieważ gęstość upakowania włókien w obrębie elementu jest znacząco wyższa. Okrągła struktura włókien zostaje w procesie produkcyjnym zmiękczona pod wpływem wysokiej temperatury, wiązka ulega zagęszczeniu, a przestrzeń pomiędzy poszczególnymi włóknami zostaje zlikwidowana. Dzięki tym procesom zwiększa się pojemność światłowodu, a co za tym idzie, również zdolność przewodzenia światła.
Światłowody wykonane w tej technologii, w połączeniu ze źródłem światła z lampą metalohalogenową tworzą system, którego wydajność świetlna przewyższa pod względem intensywności światła wszystkie inne znane obecnie technologie.
Zresztą klasyczne systemy oświetlenia światłowodowego, czyli źródła zimnego światła z końcówkami światłowodowymi, w wielu przypadkach nadal pozostaną najodpowiedniejszym rozwiązaniem. Sprawdzają się one szczególnie w systemach, w których wszystkie komponenty oświetleniowe należy umieścić w ograniczonej przestrzeni.
Oświetlenie diodowe
Diody LED o zwiększonej mocy zastępują w coraz większym stopniu tradycyjne źródła zimnego światła z lampą ksenonową czy halogenową. Jednak w przypadku wysoko specjalistycznych aplikacji, gdy wymagana jest wysoka jednorodność i intensywność światła, prosta konserwacja i odporność na wysokie temperatury, technologia światłowodowa również w przyszłości będzie miała rację bytu.
Ze względu na swoje liczne zalety oświetlenie diodowe sukcesywnie zdobywało w ostatnich latach pozycję wiodącej technologii oświetleniowej stosowanej w inspekcji przemysłowej. Jej przewagą jest znacznie większa trwałość – czas użytkowania diody LED może wynosić do 50 tys. godzin, nie wymagają one ponadto zewnętrznego źródła światła ani przewodu światłowodowego, a zarazem mogą być sterowane elektronicznie. Ponadto diody emitują światło w wąskim przedziale widma, o niewielkim zakresie fali, które można dodatkowo dostosować do czułości pracy płytki CCD w kamerze. Optymalnie dobrany przedział widma daje najlepsze rezultaty.
Decydując się na oświetlenie diodami LED, można wybierać pomiędzy diodami typu COB (chip on bard) – dla aplikacji odbijających światło, lub typu SMD (surface mount device) − dla aplikacji rozpraszających światło.
Przykładowo diody LED typu SMD nadają się zwłaszcza do zastosowań w procesie produkcyjnym, gdzie pod koniec procesu odbywa się inspekcja matowej powierzchni, np. przy obróbce drewna. W tym procesie wszystkie komponenty systemu pracują w trudnym środowisku, ze względu m.in. na pył drzewny unoszący się w powietrzu, który osiadając na urządzeniach, może doprowadzić do zakłócenia ich pracy, jeżeli nie zostaną odpowiednio zabezpieczone. W takim przypadku stosuje się specjalne obudowy chroniące przed zanieczyszczeniami, które zapewnią niezakłóconą pracę i właściwe wyniki kontroli jakości nawet w najbardziej wymagającym środowisku.
Przy produkcji płytek krzemowych do ogniw słonecznych kontroluje się m.in. jakość metalizacji przedniej powierzchni płytki tuż przed zakończeniem procesu. W tym przypadku doskonale sprawdzi się diodowy oświetlacz liniowy HB-LED typu COB. Wytwarza on precyzyjną i jednorodną linię świetlną stwarzającą kontrast niezbędny do inspekcji struktury metalu na powierzchni. Niezwykle wysoka sprawność świetlna umożliwia ponadto indywidualne ustawienie odległości roboczej pomiędzy źródłem światła i badanym obiektem, nawet w zamontowanym oświetlaczu. Oświetlacz wyposażony jest w elektroniczny interfejs, dzięki któremu można regulować intensywność światła bez wyłączania urządzenia. Wąska i zwarta konstrukcja ułatwia zabudowę oświetlacza w systemie, nawet jeżeli dysponujemy niewielką przestrzenią.
Kontrola jakości opakowań farmaceutycznych
Kontrola jakości w produkcji opakowań farmaceutycznych wiąże się z odmiennymi wymaganiami w zakresie inspekcji: zachowanie zgodności z wysokimi standardami bezpieczeństwa i higieny w przemyśle farmaceutycznym wymaga wykrywania nawet minimalnych odchyleń od normy i precyzyjnego wysortowania wszystkich wadliwych elementów. I to w ciągu ułamków sekundy i dla dużych ilości. Najdrobniejsze rysy, uszkodzenia, nierówności i wtrącenia, jak pęcherzyki powietrza i cząsteczki pyłu, są cechami, które w sposób decydujący obniżają jakość opakowań farmaceutycznych i muszą prowadzić do bezwzględnego odrzucenia badanego elementu. Jedynie odpowiednie oświetlenie, przeznaczone i dobrane dla konkretnego zastosowania, jest w stanie umożliwić kontrolę jakości na tak wysokim poziomie.
Dodatkowo zapewnione musi być dokładne pozycjonowanie kodów, etykiet i znakowania na szklanych opakowaniach o wysokiej refleksyjności.
Zarówno wytop szkła, jak i produkcja opakowań farmaceutycznych odbywa się w warunkach wysokiej temperatury, stosuje się w niej ponadto oleje i smary. Stanowi to dodatkowe obciążenie dla wszystkich komponentów systemów kontroli wizyjnej, w tym także dla oświetlenia oraz obiektywów.
Obiektywy dla potrzeb inspekcji przemysłowej
Oprócz oświetlenia kluczowym elementem w procesie kontroli jest obiektyw. Zastosowanie odpowiedniego obiektywu jest warunkiem prawidłowego przesyłania obrazów i dokonywania pomiarów. Należy wspomnieć w tym miejscu, że obiektyw to prawdziwy multitalent: skupia światło i rzuca padające promienie na czujnik obrazu w kamerze. Gdyby nie obiektyw, kamera zarejestrowałaby całe światło występujące w systemie kontroli, co skutkowałoby zafałszowaniem wyników pomiaru. Komponenty optyczne skupiają, przygotowują, odwracają, odbijają i filtrują światło.
Obiektyw i oświetlenie muszą być wzajemnie starannie dobrane do siebie i zgrane. Jest to niezbędne dla odfiltrowania niepożądanych długości fali. Na przykład zastosowanie w obiektywie filtra pasmowego przepuszczającego podczerwień powoduje, że w systemie przetwarzane jest tylko promieniowanie podczerwone. Niepożądany rozproszony odblask można odfiltrować za pomocą zewnętrznej jednostki – eliminuje to potrzebę dodatkowego ekranowania obszaru inspekcji. Jest to bardzo korzystne rozwiązanie, na przykład wówczas, gdy system jest bardzo duży lub gdy wymagane jest zapewnienie dostępu dla potrzeb konserwacji. Ponadto obiektyw można zoptymalizować tak, by przepuszczał pewne długości fal. Istnieją na przykład obiektywy przepuszczające o wiele krótsze promieniowanie UV, umożliwiające prowadzenie bardzo precyzyjnych pomiarów w tym paśmie.
Jako przykład zastosowania można wymienić roboty w automatycznej linii produkcyjnej: dzięki układowi optycznemu ramię robota porusza się dokładnie tam, gdzie ma zadziałać chwytak. Podczas takiego procesu wszystkie podzespoły muszą niezawodnie pracować również wtedy, gdy dane warunki stawiają wobec nich duże wyzwania – przykładowo stałe i nawet jednocześnie gwałtowne ruchy. Ze względu na to, że równocześnie w większości zastosowań należy zmniejszać ciężar, a układy optyczne właśnie dzięki ciężarowi stają się niewrażliwe na wibracje – tylko wieloletnie doświadczenie i obszerna wiedza techniczna pozwalają na zaoferowanie podzespołów, które są jednocześnie lekkie i wykazują stabilność procesową. Jedynie wybitni specjaliści są w stanie połączyć ze sobą właściwości mechaniczne i optyczne.
Kolejnym wyzwaniem jest spadek po klasycznej fotografii – układy optyczne często charakteryzują się tak zwanym zanikiem brzegowym, to znaczy rozdzielczość, kontrast i aberracja chromatyczna „rozjeżdżają się” i pomiar staje się niedokładny. W fotografii jest to pożądany efekt, ponieważ główny punkt uwagi pada na centrum motywu. W przemysłowym przetwarzaniu obrazu i zapewnieniu jakości może to mieć jednak katastrofalne skutki. Temu niechcianemu efektowi można zapobiec poprzez zastosowanie obiektywów telecentrycznych, umożliwiających równomierną transmisję obrazu. W przypadku gdy należy pomierzyć tylko kontur obiektu, używa się światła monochromatycznego. O ile w przeciwieństwie do tego pracuje się z białym światłem mieszanym, ze względu na zawarte w nim fale o różnych długościach powstają tak zwane barwne obwódki obrazu, których skutkiem jest rozpływanie się obrysu badanego obiektu. Temu efektowi można przeciwdziałać za pomocą obiektywów z korekcją barw.
Każda forma przemysłowego przetwarzania obrazów stwarza konkretne wymagania odnośnie analizy wyników pomiaru pod kątem kontroli jakości. Dlatego też istnieje nieskończona liczba możliwych kombinacji komponentów optycznych oraz oświetleniowych.
Autor: Nina Berlin, Matthias Bendig, Stephan Kuepper-Brennberger
