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用于制药和医疗设备检测的机器视觉照明

2022-01-18    

西青照明资讯网报道

   作者:Kazuhiro Umeda  

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导语: 新冠疫情的持续存在,让人们越发意识到了制药和医疗设备行业的重要性。在制药和医疗设备行业,经常在大批量制造环境中使用机器视觉检测技术用于质量控制。例如,在注射器、药瓶等医用产品的生产中,经常使用机器视觉进行质量监控。全球新冠病毒疫苗接种计划最终将覆盖约78亿人,将需要大量疫苗,而疫苗的生产离不开视觉检测。

  新冠疫情的持续存在,让人们越发意识到了制药和医疗设备行业的重要性。在制药和医疗设备行业,经常在大批量制造环境中使用机器视觉检测技术用于质量控制。例如,在注射器、药瓶等医用产品的生产中,经常使用机器视觉进行质量监控。全球新冠病毒疫苗接种计划最终将覆盖约78亿人,将需要大量疫苗,而疫苗的生产离不开视觉检测。

  在更广泛的制药和医疗设备行业中,机器视觉可以从检测原材料开始,一直到检测成品及其包装。产品检测可以包括尺寸、形状、颜色、完整性,以及是否存在缺陷或异物。包装检测包括从检测小瓶和瓶子的填充水平,到确保泡罩包装的填充。还可以检测防篡改封条的存在和位置,以及包装完整性方面的其他细节。确认是否有标签,以及阅读和验证一维/二维码和人类可读文本也很重要。在每个包装上使用序列化二维码,可以从销售点追溯到生产环节。机器视觉照明是确保执行所有这些任务时,进行准确和可重复测量的一个关键环节。

  药品和医疗设备生产中的照明考虑

  机器视觉照明需要提供应用所需的照明强度和均匀性,以便生成具有良好对比度和信噪比的图像,从而突出感兴趣的特征。这些特征是由应用本身决定的。被成像物体的颜色、表面纹理、形状和反射率等因素,都会影响其与光的相互作用,这也决定了哪种光源形式和波长最适合于特定的检测任务。物体、光源和相机之间的几何位置,决定了方向、照明角度和相机收集光线的角度。

  机器视觉照明解决方案可以根据每个应用的独特需求来设计。制药和医疗制造商对需要的光源有如下要求:

  高速、大批量生产,需要精确的脉冲来“冻结”图像中的运动。

  需要高照明强度,以清晰地捕捉移动物体上较小的目标信息,如一维和二维代码。

  用于洁净室环境的照明,发热量要小,防止产品老化。

  要在照明强度和均匀性方面保持稳定水平,以确保良好的生产实践。

  产品质量控制

  许多药品粉末在压制成片剂之前,需要检测是否存在异物。传统的圆顶照明为粉末提供了均匀照明,并且可以选择波长以提供粉末和污染物之间的最佳对比。装入小瓶的溶液中的异物,可以通过使用位于小瓶底部的聚光灯的高强度定向照明,检测液体来加以识别。一些不透明的液体对红外光可能是透明的,因此可以用红外照明来显示污染物。

  还可以使用高角度环形灯检测药片的污垢或其他表面缺陷,环形灯能提供明亮的现场照明。来自表面纹理和特征(如划痕和缺陷)的光线从相机上反射开来,因此它们在明亮的背景上显示为深色特征。低角度环形灯提供暗场照明,能够突出表面特征,因为相机只接收被表面缺陷散射的光。这在一些应用中很有用,如小瓶盖的内部检测、边缘检测、识别O型环的缺陷,以及读取印在药片表面的剂量和其他信息。

  包装检测

  包装检测面临的一个主要问题是来自包装材料引起的反射,这就很难获得可接受的图像,特别是当包装表面不平整时。传统的圆顶灯和平顶灯提供均匀的漫射照明,以尽量减少眩光和阴影,使不平整的表面看起来很平整,从而能够对印在包装上的代码和文字进行成像。平顶灯在一个薄薄的外壳封装中产生圆顶灯的效果,不需要为相机开孔,而且比圆顶灯占用的空间更小。此外,波长的选择对于加强印刷品与背景的对比度也至关重要。

  在某些情况下,代码和文本可能是交叉印在一起的,无法用传统方法单独成像。此时,光度立体视觉(是更广泛的多镜头计算成像技术的一部分)可以提供解决方案。通过依次用四段环形灯或方形灯的每一段进行照明,来获取单个图像。从每张图像中提取关键数据,并将其与物体的二维纹理或表面颜色相结合,以分离物体的形状。通过这种方法,可以使叠加的代码和文本分离。

  有时,需要检测装入容器中的液体的多少。为了测量具有反射表面的透明容器(如小瓶、安瓶和静脉输液袋)中透明液体的填充水平,需要使用平板灯从后面照亮容器。液体的弯液面在图像中清楚地显示为一条黑线。有时候,装液体的容器不是完全透明的,这时就需要使用可见光范围以外的波长进行测量。例如,一些隐形眼镜会吸收紫外线,可以使用高输出的紫外光源对包装内的隐形眼镜进行成像。近红外(NIR)和短波红外(SWIR)光也能穿透许多包装材料,这使得它们在查看包装内的物品方面发挥着重要作用。

  SWIR和高光谱成像

  塑料和玻璃等材料对于SWIR波段的某些区域的照明是透明的。其他材料,如水和脂质,会在这一区域的特定波长上显示出强烈吸收,这可以使它们更容易在包装内被看见。例如,1450nm的光可以成像消毒湿巾中的水分含量。1450~1550nm波段的光也能穿透塑料。对于使用不透明包装(如瓶子)来保持疗效的医疗产品,SWIR可以作为检测密封产品内部物质信息的一个有效解决方案。与几年前的光源相比,最近的技术发展已经大大改善了SWIR光源的强度。

  另一种强大的成像技术是高光谱成像。高光谱成像将成像与使用宽带光源的光谱学结合起来,由于药品配方会吸收特定波长的光线,因此可以根据这些独特的“指纹”生成图像。高光谱成像能够根据化学成分进行产品质量评估,如区分外观相似的药片,以及检测污染物和异物。使用适当的照明光源,以类似于太阳光的方式在整个波长范围内提供均匀照明,对于提供高质量的测量结果绝对是至关重要的。

  传统的白光LED不适合这些应用,因为它们有很强的蓝色成分,在480nm左右存在强度下降,而且红色成分很弱。自然光LED确实具有与太阳光相似的光谱分布,并提供Ra98的高显色指数。这确保了所观察到的被照物体的颜色与自然界非常接近,因此自然光LED成为了需要精确色彩再现的应用的首选光源。

  然而,由于高光谱成像需要超过700nm的照明波长,CCS公司已经开发了一种单一LED照明光源,它提供了400~900nm之间近乎平坦的光谱。通过增加两个输出为930nm和970nm的LED,该范围可以进一步扩展到1000nm。

  高速成像

  在大批量高速应用中,以适当的速度以脉冲方式提供照明来防止图像中的运动模糊,需要使用专用的照明控制器。恒流照明控制器不仅允许灯光被脉冲化,而且还能实现过度驱动,即以高于规定最大值的电流短脉冲驱动LED,以增加灯光的输出强度。当在正常工作条件下,没有足够的光强度来获得足够的图像细节时,这一点特别有用。这些照明控制器有多种输出通道可供选择,以便在需要时驱动多个光源,并确保每个脉冲的光输出一致,这是确保机器视觉测量的可重复性的一个关键要求。高速在线检测需要非常快的频闪照明,以避免运动模糊。

  机器视觉照明制造商已经开发了专为这些高速检测设计的高功率频闪光源。这些光源的亮度从200万勒克斯到1000万勒克斯不等。频闪时,它们明显比标准灯更亮。它们有多种外形尺寸可供选择,提供非常高的照明强度,从触发输入到最大光发射的响应时间不到1µs,能实现超快频闪。

  高亮度不仅提供了这些极短频闪所需的照明强度,而且还允许使用较小的孔径来提高景深。机器视觉检测是制药和医疗设备行业的一个强大工具。每个具体的应用都需要合适的照明,以使目标信息清晰可见,并使检测达到所需的速度、一致性、均匀性和准确性。随着LED照明配置范围的扩大,拥有机器视觉照明专家的支持和建议,对于确保实现最佳照明解决方案至关重要。


图1:检测药品粉末中的异物颗粒。条形灯(左)不能照亮整个图像,与传统的圆顶灯(右)相比,很难看到污染物。(图片来源:CCS America)


图2:使用同轴光源对药片进行明场照明(左),使用低角度环形光源进行暗场照明(右)。


图3:用红外圆顶灯(左)和红外平顶灯(右)对药品吸塑泡罩包装进行成像。圆顶灯的相机孔投下阴影,导致镜面反射;而平顶灯照明则能清楚地显示出包装上的小缺陷。


图4:利用阴影的形状,形状图像显示了文字,纹理图像显示了二维码。


图5:使用UV照明对包装内的隐形眼镜进行成像。


图6:各种药片在可见光下(左)与在SWIR光下(右)的成像。


图7:CCS的自然光LED是为了严格复制太阳光的光谱分布而开发的,非常适合于需要宽带光谱照明的超光谱成像。自然光LED光谱还可以通过增加额外的LED扩展到红外范围(见下部图)。


图8:对药片表面成像。通过使用高功率频闪灯,即使在高速移动时也能读取片剂上的字迹。


图9:水和脂质,在SWIR区域的特定波长上显示出强烈的吸收,这使它们能够更容易看见包装内的物体。例如,1450nm的光可以成像消毒湿巾中的水分含量。

编辑:严志祥

来源:act视觉系统设计

   作者:Kazuhiro Umeda  

标签:制药  医疗设备  机器视觉照明  

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