Hình 1. Gạo lứt chiếu sáng bằng ánh sáng SWIR tại bước sóng 1550nm thể hiện sự hấp thụ mạnh mẽ.

Việc kiểm tra thực phẩm, đồ uống và bao bì liên quan đòi hỏi khả năng xử lý hình ảnh theo nhiều tham số khác nhau như kích thước, hình dáng, màu sắc, khuyết điểm và độ hoàn thiện. Để làm được điều này, việc tối ưu hóa độ sáng, tính đồng đều và hình học của ánh sáng là cực kỳ quan trọng để có được hình ảnh có độ tương phản tốt và tín hiệu/nhiễu hợp lý. Ngoài ra, tính chất hấp thụ ánh sáng đa dạng của các vật liệu hữu cơ và vô cơ có thể khiến việc lựa chọn bước sóng thích hợp cho những ứng dụng này trở nên khó khăn. Để đưa ra những lựa chọn ánh sáng tốt nhất, các kỹ sư và người tích hợp phải hiểu rõ các yếu tố chiếu sáng cơ bản và các công nghệ mới nhất để đảm bảo kết quả tốt nhất.

Về mặt bước sóng, các phổ ánh sáng nhìn thấy (RGB), gần hồng ngoại (NIR) và hồng ngoại sóng ngắn (SWIR) đều có thể đóng vai trò trong các kiểm tra này. Bước sóng hồng ngoại thường rất hiệu quả trong việc phát hiện khuyết điểm và sự nhiễm bẩn do cơ thể ngoại lai, nấm mốc, bệnh tật và sâu bệnh trong sản phẩm thu hoạch như hoa quả, rau cải, gạo, ngô, hạt, đậu nành và cà phê.

Hình 2. Ánh sáng SWIR khi chiếu vào làm cho nhãn trên bình nhựa trở nên trong suốt, cho phép dễ dàng đo lường mức nước của chất lỏng dựa trên nước.

Hình 3. Vết thâm bên trong trên quả táo không thể phát hiện bằng ánh sáng RGB (bên trái). Tuy nhiên, ánh sáng SWIR làm cho việc phát hiện vết thâm tím trở nên rất dễ dàng (bên phải).

Các bước sóng tối ưu thường tồn tại cho màu sắc của mỗi mẫu. Ví dụ, gạo lứt, khi được chiếu sáng ở bước sóng SWIR 1550 nm, thể hiện sự hấp thụ mạnh so với mẫu gạo đỏ (Hình 1). Ánh sáng SWIR hiệu quả đo lường mức độ điền màu xám trong chai thủy tinh và chai nhựa trong suốt có khả năng hấp thụ nước, vì các chất lỏng dựa vào nước xuất hiện tối màu trong ánh sáng SWIR. (Hình 2). Những khuyết điểm bên dưới bề mặt như vết thâm trên hoa quả, mà rất khó nhận biết bằng ánh sáng trắng, dễ dàng xuất hiện dưới ánh sáng hồng ngoại (Hình 3).

Ánh sáng tử ngoại (UV), đỏ, xanh và lam cũng thường có thể tiết lộ nhiều thông tin hơn so với ánh sáng trắng. Đèn LED cung cấp ánh sáng trải dài trên tất cả các bước sóng này và do đó phục vụ một loạt các loại kiểm tra khác nhau. Nếu mẫu sản phẩm có nhiều loại khuyết điểm, mỗi loại dễ nhận biết nhất bằng bước sóng khác nhau so với các khuyết điểm khác, việc sử dụng đồng thời nhiều đèn LED được điều chỉnh tại các bước sóng khác nhau có thể hữu ích.

Các đèn siêu phổ LED rộng băng thông phục vụ việc kiểm tra sản phẩm nhạy cảm với nhiệt hơn là các đèn halogen truyền thống được sử dụng cho hình ảnh siêu phổ. Một phần lớn năng lượng được tạo ra bởi đèn chiếu sáng truyền thống, nằm ngoài các bước sóng quan tâm, tạo ra nhiệt thừa. Nhiệt độ có thể vượt quá 100°C, tùy thuộc vào loại bóng halogen cụ thể, do đó thường đòi hỏi sử dụng làm mát hoạt động hoặc không hoạt động. Các đèn LED rộng băng thông hiện có hoạt động mát mẻ và đảm bảo ánh sáng không làm chảy sản phẩm hoặc tăng tốc quá trình hỏng hóc.

Bao bì thực phẩm và đồ uống có thể bao phủ nhiều loại vật liệu, loại và kích thước khác nhau, mỗi loại có thể có bước sóng ánh sáng tối ưu cho các ứng dụng kiểm tra. Ví dụ, sự phản chiếu từ vật liệu bao bì trong Hình 4 có thể gây cản trở khả năng của hệ thống thị giác để đọc đúng văn bản in. Việc sử dụng ánh sáng đỏ làm cho bao bì màu vàng nhạt hơn trong hình ảnh đầu ra để văn bản trên cả phần trắng và phần vàng của bao bì có độ tương phản cao trước nền.

Hình ảnh hồng ngoại phục vụ các ứng dụng kiểm tra bao bì thực phẩm bằng cách làm cho việc đọc mã và ngày hết hạn trở nên dễ dàng hơn. Ví dụ, Hình 5 thể hiện nắp bọc có thông tin ngày hết hạn khó đọc. Ánh sáng tại bước sóng 940 nm được hấp thụ bởi mực in trong hình ảnh in và phản xạ bởi mực in trong ngày hết hạn, tạo ra sự tương phản làm cho ngày hết hạn dễ dàng nhìn thấy và hình ảnh. Ngoài ra, ánh sáng cũng tiết lộ khuyết điểm như rách và lỗ trên bề mặt thực tế của bao bì.

Các bước sóng dài hơn, hoặc ánh sáng hồng ngoại sóng ngắn, thường hữu ích trong các kiểm tra thực phẩm và đồ uống, đặc biệt là những kiểm tra liên quan đến nội dung nước hoặc độ ẩm. Một vấn đề thường gặp với các đèn LED SWIR là độ mạnh thấp đáng kể so với các đèn LED nhìn thấy thông thường.

Các tiến bộ gần đây trong nguồn sáng SWIR công suất quang cao (HOP), dựa trên một vật liệu độc quyền được phát triển bởi thành viên nhóm CCS EFFILUX, phát ra ánh sáng SWIR mạnh gấp 10 lần so với các nguồn LED tương tự khác, cung cấp sự tương phản được cải thiện đáng kể cho các ứng dụng kiểm tra tốc độ cao. Ánh sáng sử dụng công nghệ HOP có thể tạo ra tia ánh sáng SWIR tập trung cao cũng như ánh sáng SWIR đồng nhất khu vực lớn và các mẫu mẫu chiếu cụ thể.

Những đèn công suất quang học cao này, tương thích với hầu hết các cấu hình chiếu sáng tiêu chuẩn của EFFILUX, cung cấp một loạt các giải pháp chiếu sáng phổ biến thường được sử dụng trong các ứng dụng máy ảnh SWIR.

Hình ảnh siêu phổ cũng có thể giúp kiểm tra bao bì được niêm phong bằng nhiệt để kiểm tra xem có bất kỳ chất nhiễm bẩn nào bị kẹt trong niêm phong chính nó, có thể gây ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của sản phẩm. Ánh sáng hồng ngoại xuyên qua bao bì tại niêm phong và bước sóng ánh sáng cụ thể dưới đó chất nhiễm bẩn xuất hiện, cho phép phân tích thành phần hóa học của nó. Phân tích sau đó cho phép xác định và loại bỏ nguồn nhiễm bẩn.

Hình 4. Ánh sáng đèn LED màu đỏ chiếu từ trên xuống loại bỏ ánh chói từ ánh sáng phản xạ trên bao bì kẹo và cải thiện độ tương phản khi đọc mã ngày sản xuất.

Sau khi xác định bước sóng ánh sáng thích hợp, hình dạng nguồn ánh sáng, hoặc yếu tố hình thức, cũng cần phải được lựa chọn. Đèn LED có các dạng vòng, lồi, đồng trục, đặt ống, thanh và dòng. Ngoài việc chứng minh giá trị của đèn LED đỏ trong ứng dụng này, Hình 4 cũng cho thấy lợi ích của việc sử dụng đèn lồi phẳng tạo ra ánh sáng phân tán và ánh sáng đồng nhất loại bỏ các phản xạ. Ánh sáng lồi phẳng trong ví dụ này, chỉ dày 10 mm, có thể vừa vặn trong không gian kiểm tra hạn chế.

Hình 5. Đèn LED hồng ngoại làm cho văn bản in trên nắp nhựa trở nên không nhìn thấy được, làm cho mã ngày sản xuất dễ dàng đọc hơn.

Đèn vòng có thể chiếu sáng các đối tượng từ trên xuống, với máy ảnh nhìn qua tâm của vòng. Kỹ thuật này chiếu sáng các đối tượng khuếch tán, không phản chiếu, như ví dụ trong Hình 5, sử dụng đèn vòng với đèn LED hồng ngoại. Đèn vòng góc thấp, với các LED được gắn trên một tấm mạch linh hoạt ở một góc dốc trong vòng, cho phép đèn gắn gần hơn vào vật thể được kiểm tra. Điều này tạo ra ánh sáng nền tối tạo ra các đặc điểm bề mặt. Máy ảnh chỉ nhận ánh sáng bị phân tán bởi các khuyết điểm.

Quan trọng không kém hình dạng của ánh sáng, cách mà đèn LED hoạt động trong các yêu cầu hoạt động đôi khi đòi hỏi môi trường sạch hoặc độ ẩm trong kiểm tra thực phẩm và đồ uống có thể là yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn. Hộp bảo vệ IP69K chống nước hơi có thể chịu được áp suất cao và yêu cầu vệ sinh nhiệt độ cao. Hộp bảo vệ IP65 và IP67 hỗ trợ các hệ thống vệ sinh khác.

Sự nhất quán của chất lượng ánh sáng đặc biệt quan trọng trong kiểm tra thực phẩm và đồ uống vì sự biến đổi trong điều kiện ánh sáng có thể dẫn đến kết quả không chính xác. Các giải pháp chiếu sáng thông minh, như hệ thống Fastus của CCS, cung cấp chức năng kiểm soát tiên tiến để tính đến sự giảm đi của độ sáng qua thời gian do quá trình lão hóa tự nhiên của đèn LED, hoặc sự thay đổi trong các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ hoặc điều kiện ánh sáng môi trường. Ngoài ra, các giải pháp chiếu sáng thông minh có thể đăng nhập và ghi lại dữ liệu về bảo dưỡng thiết bị và tính nhất quán của chất lượng ánh sáng, có thể đáp ứng yêu cầu theo dõi dữ liệu của FDA."