新冠疫情的持續存在，讓人們越發意識到了制藥和醫療設備行業的重要性。在制藥和醫療設備行業，經常在大批量制造環境中使用機器視覺檢測技術用于質量控制。例如，在注射器、藥瓶等醫用產品的生產中，經常使用機器視覺進行質量監控。全球新冠病毒疫苗接種計劃最終將覆蓋約78億人，將需要大量疫苗，而疫苗的生產離不開視覺檢測。

　　在更廣泛的制藥和醫療設備行業中，機器視覺可以從檢測原材料開始，一直到檢測成品及其包裝。產品檢測可以包括尺寸、形狀、顏色、完整性，以及是否存在缺陷或異物。包裝檢測包括從檢測小瓶和瓶子的填充水平，到確保泡罩包裝的填充。還可以檢測防篡改封條的存在和位置，以及包裝完整性方面的其他細節。確認是否有標簽，以及閱讀和驗證一維/二維碼和人類可讀文本也很重要。在每個包裝上使用序列化二維碼，可以從銷售點追溯到生產環節。機器視覺照明是確保執行所有這些任務時，進行準確和可重復測量的一個關鍵環節。

　　藥品和醫療設備生產中的照明考慮

　　機器視覺照明需要提供應用所需的照明強度和均勻性，以便生成具有良好對比度和信噪比的圖像，從而突出感興趣的特征。這些特征是由應用本身決定的。被成像物體的顏色、表面紋理、形狀和反射率等因素，都會影響其與光的相互作用，這也決定了哪種光源形式和波長最適合于特定的檢測任務。物體、光源和相機之間的幾何位置，決定了方向、照明角度和相機收集光線的角度。

　　機器視覺照明解決方案可以根據每個應用的獨特需求來設計。制藥和醫療制造商對需要的光源有如下要求：

　　高速、大批量生產，需要精確的脈沖來“凍結”圖像中的運動。

　　需要高照明強度，以清晰地捕捉移動物體上較小的目標信息，如一維和二維代碼。

　　用于潔凈室環境的照明，發熱量要小，防止產品老化。

　　要在照明強度和均勻性方面保持穩定水平，以確保良好的生產實踐。

　　產品質量控制

　　許多藥品粉末在壓制成片劑之前，需要檢測是否存在異物。傳統的圓頂照明為粉末提供了均勻照明，并且可以選擇波長以提供粉末和污染物之間的最佳對比。裝入小瓶的溶液中的異物，可以通過使用位于小瓶底部的聚光燈的高強度定向照明，檢測液體來加以識別。一些不透明的液體對紅外光可能是透明的，因此可以用紅外照明來顯示污染物。

　　還可以使用高角度環形燈檢測藥片的污垢或其他表面缺陷，環形燈能提供明亮的現場照明。來自表面紋理和特征(如劃痕和缺陷)的光線從相機上反射開來，因此它們在明亮的背景上顯示為深色特征。低角度環形燈提供暗場照明，能夠突出表面特征，因為相機只接收被表面缺陷散射的光。這在一些應用中很有用，如小瓶蓋的內部檢測、邊緣檢測、識別O型環的缺陷，以及讀取印在藥片表面的劑量和其他信息。

　　包裝檢測

　　包裝檢測面臨的一個主要問題是來自包裝材料引起的反射，這就很難獲得可接受的圖像，特別是當包裝表面不平整時。傳統的圓頂燈和平頂燈提供均勻的漫射照明，以盡量減少眩光和陰影，使不平整的表面看起來很平整，從而能夠對印在包裝上的代碼和文字進行成像。平頂燈在一個薄薄的外殼封裝中產生圓頂燈的效果，不需要為相機開孔，而且比圓頂燈占用的空間更小。此外，波長的選擇對于加強印刷品與背景的對比度也至關重要。

　　在某些情況下，代碼和文本可能是交叉印在一起的，無法用傳統方法單獨成像。此時，光度立體視覺(是更廣泛的多鏡頭計算成像技術的一部分)可以提供解決方案。通過依次用四段環形燈或方形燈的每一段進行照明，來獲取單個圖像。從每張圖像中提取關鍵數據，并將其與物體的二維紋理或表面顏色相結合，以分離物體的形狀。通過這種方法，可以使疊加的代碼和文本分離。

　　有時，需要檢測裝入容器中的液體的多少。為了測量具有反射表面的透明容器(如小瓶、安瓶和靜脈輸液袋)中透明液體的填充水平，需要使用平板燈從后面照亮容器。液體的彎液面在圖像中清楚地顯示為一條黑線。有時候，裝液體的容器不是完全透明的，這時就需要使用可見光范圍以外的波長進行測量。例如，一些隱形眼鏡會吸收紫外線，可以使用高輸出的紫外光源對包裝內的隱形眼鏡進行成像。近紅外(NIR)和短波紅外(SWIR)光也能穿透許多包裝材料，這使得它們在查看包裝內的物品方面發揮著重要作用。

　　SWIR和高光譜成像

　　塑料和玻璃等材料對于SWIR波段的某些區域的照明是透明的。其他材料，如水和脂質，會在這一區域的特定波長上顯示出強烈吸收，這可以使它們更容易在包裝內被看見。例如，1450nm的光可以成像消毒濕巾中的水分含量。1450~1550nm波段的光也能穿透塑料。對于使用不透明包裝(如瓶子)來保持療效的醫療產品，SWIR可以作為檢測密封產品內部物質信息的一個有效解決方案。與幾年前的光源相比，最近的技術發展已經大大改善了SWIR光源的強度。

　　另一種強大的成像技術是高光譜成像。高光譜成像將成像與使用寬帶光源的光譜學結合起來，由于藥品配方會吸收特定波長的光線，因此可以根據這些獨特的“指紋”生成圖像。高光譜成像能夠根據化學成分進行產品質量評估，如區分外觀相似的藥片，以及檢測污染物和異物。使用適當的照明光源，以類似于太陽光的方式在整個波長范圍內提供均勻照明，對于提供高質量的測量結果絕對是至關重要的。

　　傳統的白光LED不適合這些應用，因為它們有很強的藍色成分，在480nm左右存在強度下降，而且紅色成分很弱。自然光LED確實具有與太陽光相似的光譜分布，并提供Ra98的高顯色指數。這確保了所觀察到的被照物體的顏色與自然界非常接近，因此自然光LED成為了需要精確色彩再現的應用的首選光源。

　　然而，由于高光譜成像需要超過700nm的照明波長，CCS公司已經開發了一種單一LED照明光源，它提供了400~900nm之間近乎平坦的光譜。通過增加兩個輸出為930nm和970nm的LED，該范圍可以進一步擴展到1000nm。

　　高速成像

　　在大批量高速應用中，以適當的速度以脈沖方式提供照明來防止圖像中的運動模糊，需要使用專用的照明控制器。恒流照明控制器不僅允許燈光被脈沖化，而且還能實現過度驅動，即以高于規定最大值的電流短脈沖驅動LED，以增加燈光的輸出強度。當在正常工作條件下，沒有足夠的光強度來獲得足夠的圖像細節時，這一點特別有用。這些照明控制器有多種輸出通道可供選擇，以便在需要時驅動多個光源，并確保每個脈沖的光輸出一致，這是確保機器視覺測量的可重復性的一個關鍵要求。高速在線檢測需要非?？斓念l閃照明，以避免運動模糊。

　　機器視覺照明制造商已經開發了專為這些高速檢測設計的高功率頻閃光源。這些光源的亮度從200萬勒克斯到1000萬勒克斯不等。頻閃時，它們明顯比標準燈更亮。它們有多種外形尺寸可供選擇，提供非常高的照明強度，從觸發輸入到最大光發射的響應時間不到1μs，能實現超快頻閃。

　　高亮度不僅提供了這些極短頻閃所需的照明強度，而且還允許使用較小的孔徑來提高景深。機器視覺檢測是制藥和醫療設備行業的一個強大工具。每個具體的應用都需要合適的照明，以使目標信息清晰可見，并使檢測達到所需的速度、一致性、均勻性和準確性。隨著LED照明配置范圍的擴大，擁有機器視覺照明專家的支持和建議，對于確保實現最佳照明解決方案至關重要。

圖1：檢測藥品粉末中的異物顆粒。條形燈(左)不能照亮整個圖像，與傳統的圓頂燈(右)相比，很難看到污染物。(圖片來源：CCS America)

圖2：使用同軸光源對藥片進行明場照明(左)，使用低角度環形光源進行暗場照明(右)。

圖3：用紅外圓頂燈(左)和紅外平頂燈(右)對藥品吸塑泡罩包裝進行成像。圓頂燈的相機孔投下陰影，導致鏡面反射;而平頂燈照明則能清楚地顯示出包裝上的小缺陷。

圖4：利用陰影的形狀，形狀圖像顯示了文字，紋理圖像顯示了二維碼。

圖5：使用UV照明對包裝內的隱形眼鏡進行成像。

圖6：各種藥片在可見光下(左)與在SWIR光下(右)的成像。

圖7：CCS的自然光LED是為了嚴格復制太陽光的光譜分布而開發的，非常適合于需要寬帶光譜照明的超光譜成像。自然光LED光譜還可以通過增加額外的LED擴展到紅外范圍(見下部圖)。

圖8：對藥片表面成像。通過使用高功率頻閃燈，即使在高速移動時也能讀取片劑上的字跡。

圖9：水和脂質，在SWIR區域的特定波長上顯示出強烈的吸收，這使它們能夠更容易看見包裝內的物體。例如，1450nm的光可以成像消毒濕巾中的水分含量。

編輯：嚴志祥