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Illuminazione a infrarosso (IR)

Stazione di visione artificiale industriale con illuminatore LED a barra a infrarosso vicino 850 nm che acquisisce confezioni in plastica scura, con filtro passa-banda sulla telecamera per la reiezione della luce ambiente

Imaging a infrarosso vicino 850/940 nm per la penetrazione delle plastiche e la reiezione della luce ambiente

  • Lunghezze d’onda 850 nm e 940 nm compatibili con i sensori CMOS/CCD al silicio standard, con efficienza quantica ridotta.
  • Penetra molte plastiche e fornisce un imaging invariante rispetto al colore su linee di produzione con colori misti.
  • Filtro passa-banda sulla telecamera: respinge la luce ambiente visibile e consente installazioni all’aperto o con illuminazione non controllata.
  • 850 nm debolmente visibile come bagliore rosso; 940 nm completamente invisibile per ambienti senza distrazioni per l’operatore.
  • Obiettivi visibile-NIR (400–1000 nm) raccomandati per l’imaging NIR ad alte prestazioni, per mantenere la messa a fuoco su tutta la banda.
  • Modalità in trasmissione con retroilluminazione attraverso contenitori e confezioni traslucidi, fornita dalla famiglia dei retroilluminatori LED.

L’illuminazione LED a infrarosso vicino nell’intervallo da 850 a 940 nm è una delle configurazioni spettrali più diffuse nella visione artificiale industriale. I suoi vantaggi principali sono la penetrazione attraverso molte plastiche, la robusta insensibilità alle variazioni di colore dell’oggetto e l’efficace reiezione della luce ambiente visibile tramite filtri passa-banda economici sulla telecamera. L’illuminazione a infrarosso vicino è invisibile all’occhio umano, il che rappresenta anche un vantaggio pratico negli ambienti in cui occorre evitare che un’illuminazione visibile intensa distragga gli operatori.

Principio di funzionamento delle sorgenti LED a infrarosso vicino

I LED a infrarosso vicino si basano sull’arseniuro di gallio e su composizioni semiconduttrici affini, che emettono a lunghezze d’onda appena superiori al visibile. Le lunghezze d’onda industriali più comuni sono 850 nm e 940 nm, scelte per la disponibilità di chip LED ad alta potenza, la compatibilità con i sensori CMOS e CCD al silicio standard e il moderato assorbimento atmosferico, che consente una trasmissione efficiente su brevi distanze.

I sensori al silicio standard conservano un’efficienza quantica utile fino a circa 1000 nm, anche se la risposta cala sensibilmente oltre i 900 nm. A 850 nm la sensibilità del sensore è tipicamente pari al 30-50% del picco nel visibile. A 940 nm la sensibilità scende al 10-20%, il che richiede esposizioni più lunghe o un’intensità maggiore dell’illuminatore per compensare. Sensori specializzati con risposta NIR potenziata, con silicio più spesso o architetture di pixel alternative, estendono la risposta utile fino ai 1000 nm.

Comportamento ottico dei materiali sotto NIR

Molti materiali che appaiono opachi o fortemente colorati in luce visibile diventano semitrasparenti o neutri rispetto al colore sotto illuminazione a infrarosso vicino. Ciò vale in particolare per i polimeri, in cui additivi e coloranti che assorbono nel visibile spesso trasmettono nel vicino infrarosso. Di conseguenza, l’illuminazione NIR fornisce un imaging invariante su prodotti in plastica di colori diversi, semplificando l’ispezione delle linee di produzione a colori misti.

Applicazioni industriali tipiche

L’illuminazione LED a infrarosso vicino è ampiamente utilizzata per l’ispezione di prodotti in plastica scura o colorata su linee di produzione in cui le variazioni di colore complicherebbero altrimenti l’algoritmo; per la lettura di codici ed etichette attraverso confezioni trasparenti o traslucide che ostacolano l’imaging in luce visibile; per l’ispezione del contenuto di contenitori semiopachi come bottiglie piene e blister; per la verifica di sigilli e incollaggi sui prodotti confezionati; per il controllo qualità in ambienti con luce ambiente intensa e non controllata, dove il NIR con filtro passa-banda respinge le interferenze visibili; per l’ispezione in ambienti in cui LED visibili distrarrebbero gli operatori o interferirebbero con altri sistemi di visione; e per qualsiasi applicazione che richieda la penetrazione delle plastiche o una forte reiezione della luce ambiente. Le varianti NIR sono disponibili nelle famiglie di illuminatori LED ad anello, illuminatori LED a barra e illuminatori LED a pannello.

Criteri di selezione e considerazioni progettuali

La scelta tra 850 nm e 940 nm dipende principalmente dalla sensibilità del sensore e dalle condizioni di luce ambiente. A 850 nm la maggiore risposta del sensore consente tempi di esposizione più brevi e una potenza LED inferiore, ma dal chip LED può essere visibile un debole bagliore rosso, che può disturbare gli operatori. A 940 nm l’emissione del LED è completamente invisibile, ma la minore risposta del sensore richiede più potenza LED o esposizioni più lunghe per ottenere una qualità d’immagine equivalente.

Il filtro passa-banda sulla telecamera deve essere abbinato alla lunghezza d’onda del LED, con una banda passante tipicamente larga 10-30 nm attorno al centro. Filtri più stretti offrono una migliore reiezione della luce ambiente, a costo di un allineamento più critico e di un prezzo leggermente superiore. La combinazione di un filtro passa-banda e di un’illuminazione LED NIR monocromatica consente l’ispezione visiva in ambienti con luce ambiente molto intensa, comprese le installazioni all’aperto.

Compatibilità degli obiettivi con l’illuminazione NIR

Gli obiettivi per visione artificiale standard, corretti per il visibile, presentano spesso un leggero spostamento del fuoco nel vicino infrarosso, il che richiede una nuova messa a fuoco nel passaggio dall’imaging visibile a quello NIR. Gli obiettivi visibile-NIR ottimizzati per l’intervallo 400-1000 nm sono progettati per mantenere una messa a fuoco costante su tutta questa banda e sono raccomandati per le applicazioni NIR critiche.

Integrazione e limiti

Gli illuminatori LED a infrarosso vicino si integrano esattamente come le versioni nel visibile in tutte le configurazioni meccaniche standard, con gli stessi diffusori, polarizzatori e beamsplitter. Consumo energetico e dissipazione del calore sono paragonabili a quelli dei LED visibili a parità di flusso emesso. Lunghezze d’onda NIR non standard o retroilluminatori NIR ad alta potenza vengono tipicamente progettati all’interno della gamma di illuminatori LED personalizzati, mentre l’ispezione NIR in trasmissione è affidata alla famiglia dei retroilluminatori LED.

Il limite principale dell’illuminazione NIR è la perdita dell’informazione di colore, che la rende incompatibile con le applicazioni che richiedono la discriminazione dei colori. Il NIR è inoltre soggetto a un rumore fotonico leggermente più elevato rispetto all’illuminazione visibile a parità di luminosità dell’immagine, perché la ridotta efficienza quantica del sensore richiede un flusso di fotoni maggiore per ottenere lo stesso segnale digitale. Per le applicazioni in cui l’informazione di colore è essenziale si dovrebbe invece ricorrere all’illuminazione bianca o RGB commutabile. Per le applicazioni che richiedono invarianza rispetto al colore dell’oggetto, reiezione della luce ambiente o penetrazione delle plastiche, il NIR è la scelta più efficace ed economica.

Illuminatori LED a infrarosso vicino RODER Vision

RODER Vision produce illuminatori LED a infrarosso vicino a 850 nm e 940 nm in tutta la gamma di geometrie, per le applicazioni di visione industriale che richiedono penetrazione delle plastiche, invarianza rispetto al colore e reiezione della luce ambiente.

Per le linee di ispezione NIR strobate ad alta velocità, il catalogo RODER comprende driver LED e controller elettronici dedicati, compatibili con i controllori di visione artificiale industriali e i PLC.