이미징 전략 가이드_1 이미징 시스템 시작하기

고품질의 이미지를 얻기 위해 놓치지 말아야 하는 기본 수칙

최선의 이미지를 위한 11가지 계명

# 1. ‌클수록 좋다. 이미징 시스템을 위한 충분한 공간을 확보해라!
시스템을 구축하기 전에 시스템이 어느 정도의 공간을 필요로 하는지 이해하는 것은 높은 해상도와 높은 배율을 요구하는 것과 같다. 최근 일반용 카메라 기술의 발전으로 인해 소형 패키지 제품에 한해서 큰 성능을 발휘하고 있지만, 중급 정도의 산업용 이미징 시스템이 요구하는 수준에는 못 미치는 것이 사실이다. 제한된 크기는 성능도 제한한다는 것이다.

많은 어플리케이션들이 복잡한 광선 기하학, 크고 긴 렌즈, 대형 카메라를 요구할 수 있다. 뿐만 아니라 장비 일부를 작동시키기 위해 케이블 연결 및 전원장치도 필요할 수 있다. 시스템이 필요로 하는 공간이 고려되지 않았다는 이유만으로 앞서 말한 다양한 요구사항을 포기하고 시스템 성능을 희생시키는 상황은 꼭 피해야 한다.
시스템 구축 시 비전 부분을 우선적으로 지정하는 것이 더 유리할 수 있다. 일반적으로 비전 부분 주변에 전자 또는 기계 부분을 배치하는 것이 그 반대로 하는 것보다 쉽기 때문이다. 조명 설계도 비전 시스템 내 일부임을 기억하는 것이 중요하다. 특히, 피사체에 따라서는 종종 확산 돔과 같은 대형 광원의 사용을 필요로 한다는 것을 잊지 말아야 한다.

#2. 눈을 믿지 말아라!
인간의 눈과 뇌는 함께 작동하는, 최고급 이미징 및 분석 시스템이다. 이 시스템은 그 안에 없는 정보를 채울 수 있는 능력도 가지고 있다.
단, 인간은 이미징 시스템과는 전혀 다르게 눈으로 보고 뇌로 처리한다. 이미징 시스템으로 돌아와서 뇌의 역할과도 같은 분석 소프트웨어는 이미지의 품질과 요구 성능을 충족시키기 위해 반드시 사용되어야 한다. 인간의 눈으로 좋아 보이는 이미지가 막상 시스템의 알고리즘 상에서는 사용할 수 없는 경우가 있기 때문이다.

#3. 가까이 가지 말아라!

렌즈의 작동거리보다 상대적으로 너무 큰 시계(FOV)로 보고자 한다면 필요 이상의 광학 부품을 추가해야 하는데, 이는 시스템 성능을 떨어뜨리는 주된 원인이 된다. 최대 성능과 최소비용을 위해서는 원하는 시계의 2~4배의 작동거리를 유지하는 것이 좋다. 이 때, #1을 기억하고 시스템 구축 전에 이미징 시스템이 필요로 하는 공간을 고려해라. 이 사례는 센서 크기와 초점 거리 간 관계에도 적용된다. 초점거리를 센서에 대해 대각선 비율을 2~4배로 하면 최대의 성능을 발휘할 수 있다.

#4. 당신의 인생을 밝히는 것, 그게 문제다.
적절한 조명 형태를 찾아 선택하는 것이 마치 예술의 한 형태인 듯 보이겠지만, 사실 정말 과학적이다. 렌즈와 센서가 함께 효과적으로 작동하기 위해서는 피사체에 조명을 쪼였을 때 강한 대비가 발생해야 된다. 적절한 조명 형태가 사용되기 위해서는 검사를 통해 피사체의 특성과 결함의 본성을 이해해야 한다. 때로는 이 조명이 매우 클 수 있다는 것을 꼭 잊지 말아야 한다. #1 참고

#5. 컬러문제
조명용 파장(색)은 시스템 성능의 향상 또는 저하에 막대한 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 고품질의 광학 제품 및 최신 센서를 모두 사용하는 어플리케이션에서, 광대역에서 단파장까지 또는 특정 파장 사이로 조명을 전환하는 것을 통해 그에 합당하게 성능을 향상시킬 수 있다. #4처럼 파장을 적절히 선택하면 고대비 및 명암 차이도 만들 수 있다. 파장을 올바르게 선택했는지 아닌지의 여부에 따라, 조명색은 시스템의 성공과 실패를 결정할 수 있다,

#6. ‌단 하나만 있을 수 있다. 높은 해상도와 큰 깊이감의 공존 투쟁!
해상도와 피사계심도를 극대화하기 위해서는 같은 변수 즉, 렌즈의 f/#을 반대 값으로 주어야 한다. 본질적으로 큰 피사계심도 위에 매우 높은 해상도를 가지는 것은 불가능하다. 이루어질 수도, 타협할 수도 없는 물리법칙이 변하지 않는 이상 이루어질 수 없다는 것. 그게 아니면, 멀티 이미징 시스템을 사용하는 것과 같은, 조금 더 심혈을 기울인 해결책이 도입될 필요가 있다.

#7. ‌보편적인 해결책이란 없다. 모든 것을 할 수 있는 유일무이한 렌즈는 존재하지 않는다.
해상도에 대한 요구가 높아질수록, 성능 저하를 야기하는 광학적 설계를 줄일 수 있는 기능은 다양한 작업거리와 시야에서 그 능력을 발휘하기 더 어려워진다. 많은 예산을 들여 다양한 범위의 렌즈를 도입한다 해도 한계는 있다. 이 때문에 유사한 어플리케이션을 함께 대응할 수 있는 다양한 렌즈 솔루션이 필요하다. 자세한 내용은 추후에 다시 다루겠다.

#8. 자기 인식을 해라. 철저하게 피사체를 이해해라.
이미징은 결국 검사 시 피사체보다 가능한 최고로 높은 수준의 이미징을 생성할 수 있느냐 마느냐가 핵심이다. 그래서 소재, 마감과 같은 피사체의 특성을 이해하는 것은 어플리케이션의 성공에 있어 매우 중요하다. 단, 어느 부분이 좋고, 나쁜지를 아는 것만으로는 부족하다. 오히려 높은 신뢰성과 반복 능력을 확보하기 위해서는 세부 검사항목과 좋고 나쁜 부분의 차이를 이해해야 한다.

#9. 모든 것을 지배해라.
이미징 시스템의 환경을 제어하는 능력은 이미징 결과의 신뢰성과 일관성에 큰 영향을 끼친다. 게다가 의도하지 않은 문제의 가능성도 감소시킨다. 대비를 증가시키기 위한 필터를 사용했는지의 여부, 시스템에 들어가는 것을 비롯하여 원하지 않은 광원을 제거하기 위한 배플, 광선의 안정성 모니터링을 위한 측정 장치, 환경 제어 기능 등은 미래의 예기치 않은 어려움을 감소시킬 것이다. 이들 중 어떤 기능은 매우 저렴한 비용으로 비싼 이미지 시스템의 성능을 높이고 보호할 수 있도록 한다.

#10. 목소리가 큰 사람이 되라.
왜 작동을 안 하는지 물어보는 것을 주저하지 말아야 한다. 공급자는 시스템 내의 여러 부품들이 원하는 결과를 달성할 수 없는 이유를 설명할 수 있어야 한다. 그 대답은 항상 동일하지 않을 것이다. 때로는 물리적 한계 때문일 수 있고, 때로는 부품의 설계나 조립의 결함 때문일 수 있다. 광학 제조는 과학이며, 설계자와 제조 기업은 왜 문제가 나타났는지 설명할 수 있어야 한다.

#11. 리스트를 만들어라. 이미징 시스템의 기본 매개변수를 이해하고 정의해라.
이미징 시스템에 필요한 특정 매개변수를 좁혀 나가며 리스트로 만들면 다양한 렌즈와 센서들 중에서 실제 관리할 수 있는 부품들로 정리될 것이다. 이미징 시스템의 기본 매개변수가 이미징 시스템의 시작이다.

자료출처 | ‌에드몬드옵틱스코리아(www.edmundoptics.co.kr)

FOV와 WD의 관계

100mm의 시계가 필요한 경우, 시스템의 작동거리는 200~400mm를 권장한다. 물론 작동거리(WD)와 시계(FOV)의 비율이 1:1에 가깝거나 초과하는 정도여도 시스템이 성능을 발휘하는 것 자체는 불가능하지 않다. 그러나 상당한 비용 감수와 어느 정도의 성능 절충이 필요할 수 있다는 것이 잠재되어 있다.

그림 1.a와 그림 1.b의 렌즈는 둘 다 같은 센서에 의해 같은 시계를 이미징하고 있다. 그러나 a 렌즈는 시계의 1/2에 해당하는 작동거리를 적용했으며, b 렌즈는 3배의 작동거리를 적용했다. 광선이 큰 입사각으로 렌즈를 통해 지나가면 시계의 가장자리 쪽의 광선(마젠타 또는 적색)은 중앙 쪽을 지나는 광선(청색)보다 더 긴 거리를 뻗어나간다. 반대로, b 렌즈는 보다 적은 경로 길이 차이를 갖는 얕은 입사각에서 같은 시계를 얻을 수 있다. 결과적으로 b 렌즈는 월등히 덜 복잡한 설계의 특징을 띠게 되며, 전력 비용 측면에서 매우 우수한 성능을 발휘하게 된다.