Opto Engineering / 머신비전 시스템의 효율적인 구축을 위한 조명부품 선정 방안 ①
조명은 머신비전 시스템의 가장 중요한 부품 중 하나다. 특정한 기기를 위한 적합한 라이팅 부품을 선택하는 것은 머신비전 시스템의 변함없고 신뢰할 수 있는 작동을 보장하기 위해 굉장히 중요하다.
적합하지 않은 조명을 써서 소프트웨어를 쓴 대부분의 경우는 복구가 어렵고 정보가 손실될 수 있다. 그렇기 때문에 적합한 품질의 라이팅 부품을 고르는 것이 중요하다. 어떤 소프트웨어 알고리즘도 제대로 일루미네이션이 되지 않아 발생한 문제들을 복구하는 기능을 갖고 있지 않다.
적합한 선택을 위해 아래 내용을 포함한 여러 가지 매개변수를 고려해야 한다.
- 라이팅 기하학
- 광원 종류
- 파장
- 검측 혹은 측정될 재료의 표면 특징 예) 색상, 반사율
- 아이템 형태
- 아이템 속도(인라인 혹은 오프라인 특성)
- 기계 제약
- 주변 환경 고려
- 비용
많은 매개변수를 고려해야 하기 때문에 선택이 어려울 수 있다. 다른 조명 유형을 써서 특성을 파악하는 타당성 조사를 시행하는 것이 가장 적합한 방법일 수도 있다. 반면에, 여러 가지 적합한 조명을 선택하고 이미지 품질을 향상하기 위한 간단한 원칙과 좋은 예가 있다.
조명 적용 시 중심이 되는 목적은 아래와 같다.
- 검측 혹은 측정돼야 하는 특성의 대조를 극대화한다.
- 관련 없는 특성의 대조를 최소화한다.
- 환경광 혹은 검측과 무관한 아이템 사이의 차이 때문에 발생한 원치 않는 변수를 제거한다.
- 주변광
- 검사 작업과 관련 없는 항목 사이의 차이점
1. 머신비전 라이트
머신비전에서 빛은 통상적으로 nm(나노미터) 파장대로 표기된다. 빛은 전자기 스펙트럼에서 특정한 부분 내의 전자기 방사선이다(그림 1 참조). 준 단색(좁은 파장 밴드가 특징), 혹은 흰색(가시 스펙트럼에 분포, 모든 색상 포함)일 수 있다. 눈에 보이는 빛은 적외선(긴 파장)과 자외선(짧은 파장)의 사이이며, 400에서 700mm의 파장 범위를 갖고 있다. 특별한 응용 분야에는 가시광선 대신에 IR, 혹은 자외선을 필요로 할 수 있다.
빛은 (그림 2) 아래와 같은 방법으로 재료와 상호작용한다.
- 반사
- 투과
- 흡수
또한, 빛은 서로 다른 매체를 가로질러 이동할 때 굴절이 된다. 즉, 방향을 변화시킨다. 굴절의 양은 광 파장에 반비례한다. 다시 말해 보라색 광선은 적색 광선보다 더 구부러져 있다.
짧은 파장을 가진 빛은 긴 파장을 가진 빛보다 표면에 부딪힐 때 더 쉽게 분산된다. 따라서 통상적으로 표면 검측 응용에 더 잘 맞는다.
만약 우리가 상단 매개변수 리스트에서 파장만 고려한다면 청색광은 스크래치 검측을 위한 용도로 추천되고, 적색광은 투명한 재료의 실루엣을 강화하는 데 더 잘 어울린다.
2. LED 조명
아래와 같이 다양한 종류의 광원(그림 3)이 있다.
- 백열등
- 형광등
- LED 조명
LED 조명은 지금까지 머신비전에서 가장 흔하게 쓰인다. 그 이유는 하단의 목록을 포함한 많은 장점을 갖고 있기 때문이다.
- 빠른 반응
- 펄스와 스트로브 작동에 적합
- 기계 저항성
- 긴 수명과 높은 출력 안정성
- 다양한 라이팅 기하학 창출에 편하고 좋음
백열등은 낮은 압력으로 차 있는 잘 알려진 전구다. 불활성 기체(보통 아르곤)에 얇은 메탈 와이어(텅스텐)가 고온에 달구어져 전류를 보낸다. 빛나는 메탈이 400nm에서 적외선까지 가는 넓은 스펙트럼에 빛을 방출한다. 그에 따라서 희고 따뜻한 빛 (2870K에 응하는)과 상당한 양의 열을 가진 상태로 발생한다.
형광등은 자외선이 처음 만들어지는 진동관이며(수은과 음극을 통해 만들어진 강력한 전자 사이의 상호작용 때문), 벽에 흡수되고 형광 또는 인광 물질을 써서 코팅된다. 벽은 빛을 스펙트럼 위로 다시 방출해 빛이 다시 한 번 모든 가시거리를 덮도록 해서 ‘더 차가운’ 백색 광원을 제공한다.
LED는 반도체칩 양극/음극 접합부의 전자-정공 쌍의 소멸을 통해 빛을 만들어낸다. LED로 만든 빛은 칩에 쓰인 물질에 따라 다르며 좁은 스펙트럼으로 특징지어진다. 즉, 준 단색성이다. 백색광은 형광등의 백색광과 같이 만들어지지만, 청색광은 넓은 스펙트럼에서 흡수되고 다시 방출되어 청색 영역에서 고르지 않고 약간의 정점을 이루고 있다.
2.1. LED 전력공급과 출력
LED 일루미네이터는 회로의 볼트 V를 설정하거나 전류 I를 회로에 직접 삽입하는 방법으로 제어할 수 있다. 고려해야 할 한 가지 중요한 점은 LED 하나에서 생겨난 광속은 전류와 거의 연속으로 늘어나지만 볼트가 적용됐을 때는 그렇지 않다는 점이다. 구동 전류의 1% 불확실성은 휘도 1% 불확실성으로 나타날 수 있다.
반면에 입력 전압의 1% 불확실성의 편차는 몇 가지 변화된 결과를 낳을 수 있다(그림 4). 이런 이유로 라이트 출력의 안정, 엄격한 통제, 높은 반복률을 위해 볼트가 아닌 전류를 직접 조정하는 것을 추천한다.
측정기기를 예로 들면, 가장 우선돼야 하는 것은 결과의 지속성을 보장하기 위해 안정적인 회색 레벨 백그라운드를 가진 이미지를 얻는 것이다. 빛의 깜박임을 피하고 텔레센트릭 라이트의 LED 순방향 전류가 정밀히 제어되는 것을 보장할 수 있다. 옵토 엔지니어링의 LTLCHP 텔레센트릭 일루미네이터의 빌트인 기술은 1% 이하의 변화를 갖도록 설계됐다. 따라서 LED 순방향 전류의 세기가 매우 안정적인 성능을 낼 수 있도록 한다.
2.2. LED 펄싱(pulsing)과 스트로빙(strobing)
LED는 펄스(온/오프)방법으로 쉽게 쓰이며 차례로 켜지거나 꺼질 수 있고, 필요할 때만 켤 수도 있다. 펄스 모드에서 LED를 쓰는 것은 제품 수명이 늘어나는 것을 포함해 많은 장점이 있다.
만약 LED의 구동 전류(혹은 볼트)가 LED 제조사를 통해 알려진 연속 모드 값으로 세팅돼 있다면 그것이 펄스 모드다. LED는 간단히 켜고 끌 수 있다. LED는 명목 값보다 높은 강도로 쓰일 수도 있어(과 구동) 많은 양의 빛을 한정된 시간 안에 만들어낼 수 있다. 이런 경우가 스트로브 모드다.
빨리 움직이는 피사체의 동작을 잡기 위해 빛의 양을 늘려야 할 때 주변 광량의 영향을 제거하기 위해서 스트로빙이 필요하다. 또한, LED 수명을 보존하고 카메라와 검측돼야 하는 아이템과 라이트가 켜지는 시간을 동시에 발생하게 하기 위해서 필요하다. LED 라이트의 스트로빙을 적절히 쓰기 위해서 몇 가지 매개변수를 고려해야 한다(그림 5와 6).
- 펄스 구동 최댓값 혹은 켜져 있는 시간(ton max): LED 라이트가 최대 순방향 전류에 켜져 있을 수 있는 최장 시간
- 사용률 D(통상적으로 %로 나타냄)는 아래와 같다.
D = ton/(ton+toff)
toff는 LED 라이트가 꺼져있는 시간의 양, T = ton+toff 사이클의 기간이다. 사용률은 LED가 켜져 있을 수 있는 기간의 사이클 타임의 작은 부분을 %로 나타낸다. 기간 T는 사이클 빈도 f = 1/T이며 Hertz(Hz)로 나타낸다.
2.3. LED 수명
LED의 수명은 LED 밝기가 주위 온도가 25도일 때, 원 밝기의 50%로 감소될 때까지 걸리는 시간으로 정의된다.
2.4. 회선속도, 스트로빙, 노출 시간
온라인 애플리케이션을 쓸 때 고려해야 하는 중요한 매개변수들이 있다. 애플리케이션을 필요로 하는 피사체의 스피드와 이미지의 선명도에 따라 카메라 노출시간이 최솟값으로 설정돼야, 동작을 잡고 이미지 번짐 효과를 피할 수 있다. 추가로, 검정색과 불투명한 피사체는 빛을 반사하기보다 흡수하는 경향이 있으므로 중요하게 고려해야 한다.
speed vo로 움직이는 피사체를 검측해야 한다고 예를 들면, 쓰는 렌즈의 배율은magnification m이 며 카메라의 픽셀 사이즈는 pixel size p이다. 센서에서 피사체의 스피드는 times vo이다.
vi = m vo,
따라서 피사체 object xi가 움직이는 공간은 노출 시간이 time t일 때 xi = vi t이다. 만약 이 공간이 픽셀 사이즈보다 클 경우, 피사체는 여러 픽셀 위로 번져서 나타날 것이다(3픽셀 번짐을 받아들일 수 있다는 전제). 정리해 보면 아래 내용과 같다.
xi = vi, t = m vo, t < 3 p
카메라 노출시간 time t는 아래와 같다.
t < 3 p / (m vo)
예를 들어, p = 5.5μm, m = 0.66, vo = 300mm/s를 써서(100mm 시야상의 10,800 샘플의 선형 속도/시간) 최대 노출 시간 t = 83μs을 찾을 수 있다. 이러한 속도에서, 연속 모드인 LED 일루미네이터에서 배출하는 빛의 양은 충분하지 않다. 따라서 동등한 시간의 일루미네이터의 스트로빙이 가장 적합한 해결방안이다.
시스템에 빛을 더 많이 들어갈 수 있도록 조정할 수 있는 또 다른 매개변수는 렌즈 F/#이다. 렌즈 F/#를 낮춰서 더 많은 빛을 얻을 수 있다. 하지만 시스템의 피사계 심도는 낮아진다. 이미지 품질 역시 낮아질 수 있다.
통상적으로 렌즈는 정중앙에서 제대로 작동하며 가장자리로 갈수록 렌즈 수차가 발생해 전체 선명도를 잃는다. 카메라 게인(gain)을 높이는 것도 한 가지 방법이다. 그러나 늘 노이즈를 만들어내기 때문에 또다시 이미지의 디테일 인식을 어렵게 하는 이미지 품질 저하가 발생한다.
그 결과 충분히 밝은 라이팅 부품을 고르는 것이 좋다. 라이팅 부품은 최적의 F/#로 설정된 렌즈와 같이 쓰면 카메라를 디지털 방식으로 증가시킬 필요 없이 검측될 피사체의 특징을 정확히 찾아낼 수 있도록 한다. <다음호에 계속>
자료 제공: Opto Engineering(www.opto-engineering.com)
