머신 비전을 위한 백라이트 ‘평행 조명’의 이점과 적용 분야
평행 광이란?
평행 광(collimated light)은 보다 선명한 이미지를 만들기 위한 머신비전 애플리케이션에서 사용되는 일종의 백라이트(Backlight)이다. 이 백라이트는 특수필름을 사용하여 기존 백라이트의 디퓨저에서 확산되는 빛을 차단한다. 병 상단(Bottle top) 검사 애플리케이션에서 아래 그림의 왼쪽 TPL Vision 이미지에서 백라이트 측면의 확산광이 병 상단을 ‘감싸는’ 것을 볼 수 있다. 평행 광은 이 효과를 제거하고 오른쪽 이미지에서 볼 수 있는 것처럼 가장자리가 더 선명한 흰색 실루엣에 완벽한 검은색을 만든다.
매우 정밀한 측정 응용 분야를 조명하는 가장 좋은 방법은 조명과 결합된 텔레센트릭 렌즈를 사용하는 것이지만 이것은 종종 많은 응용 분야에서 너무 비싼 솔루션으로 간주된다. 이러한 응용 분야에 평행 백라이트 조명을 도입하면 사용자가 텔레센트릭 렌즈가 아닌 일반 C-마운트 렌즈를 사용하도록 전환할 수 있어 응용 분야에 상당한 비용 이점과 단순성을 제공한다. 평행 백라이트는 텔레센트릭 렌즈와도 작동하지만 검사 중인 부품과 빛 사이의 작동 거리가 중요하므로 신중한 설정이 필요하다.
▲ Normal Backlight- 백라이트의 확산광이 둥근 부분 주위로 퍼져서 둥근 부분의 전면에 그라데이션 또는 ‘래핑’이 표시된다.
▲ Collimated Backlight- 평행 백라이트의 표면에서 나오는 빛은 좁다(±30°에서 5% 밝기). 이것은 더 명확하게 정의된 가장자리를 가질 수 있음을 의미한다.
평행광의 또 다른 장점은 투명 부품에 생성되는 효과이다. 기존 백라이트(위의 그림 중 가운데 이미지)를 사용하면 부품의 모든 방향에서 들어오는 확산 조명이 검사 중인 투명 부품의 가장자리와 특징의 정의를 ‘흐리게’ 할 수 있다. 평행광(오른쪽 이미지)을 사용하면 가장자리가 더 이상 바래지 않고 향상된 대비로 표시된다.
TPL Vision의 조명에서 시준 효과는 위의 그림에 정의되어 있다. ±30° 시야각의 빛은 여전히 보인다. 빛의 최대 투과율에서 이 밝기의 5%까지의 감소는 양쪽의 15~30° 영역에 있다.
평행 광으로 원형 부품을 검사할 때 ±30° 빔에 의해 생성되는 ‘래핑’ 효과를 줄이고자 한다. 이를 수행하는 가장 좋은 방법은 평행광의 크기를 줄이고 샘플에서 빛까지의 작업 거리(WDSL, working distance from sample to light)를 늘리는 것이다. 이렇게 하면 아래 그림에서 각도 x°가 줄어든다. 치수 ‘a’는 부품 주변의 시야 크기이며 파란색 선은 카메라의 시야를 나타낸다. 치수 ‘a’는 부품의 크기와 비전 시스템에 필요한 공차에 따라 다르다. 이상적으로 각도 x°는 10° 미만이지만 이는 원형 또는 두꺼운 부품에 필요한 모서리 정의/정확도에 따라 다르다.
빛의 크기를 줄임으로써 둥근 부분을 감싸고 있는 원치 않는 빛이 제거된다. 더 큰 조명을 사용하는 경우 위의 그림의 빨간색 선은 원치 않는 ‘래핑(wrapping)’ 효과를 생성하는 카메라에 대한 조명 경로를 나타낸다.
카메라에 텔레센트릭 렌즈를 사용하여 각도 x°를 0°로 줄일 수 있다. 이렇게 하면 모든 카메라의 시야가 광축과 평행하게 된다. 또한 빛의 크기를 렌즈 직경으로 줄일 수 있다. 이는 가장자리의 최상의 정밀도를 위해 권장된다.
측정 정확도를 더 높이려면 대부분의 CCD/CMOS 센서가 스펙트럼의 녹색과 빨간색 대역(480 - 560nm) 사이에서 피크 응답을 가지므로 녹색 표시등이 권장된다.
일반적인 애플리케이션?
평행 백라이트의 두 가지 중요한 응용 분야는 측정 및 프로파일 검사를 위한 원형 부품 검사와 일반적으로 보기 어려운 기능을 강조하기 위한 투명 부품 검사이다.
1. 원형부품: 원형 부품은 기존 백라이트를 사용할 때 항상 구성 요소 주위를 감싸는 빛의 문제가 있다. 이 문제는 평행 백라이트로 변경하여 더 선명한 이미지를 생성하고 더 많은 세부 사항을 나타내면 크게 줄일 수 있다. ±0.01mm 범위의 높은 정밀도가 필요한 경우 평행광은 샘플에서 매우 멀리 떨어져 있어야 한다. 추가 측정 정확도가 필요한 경우 정확도를 더욱 향상시키기 위해 텔레센트릭 렌즈도 추가하는 것이 좋다. 평행 효과는 실의 품질 검사, 뚜껑 배치 확인, 두껍고 둥근 부품의 프로파일 분석에도 탁월하다.
2 투명부품: 투명 부품의 경우 평행 효과는 투명 유리 및 플라스틱의 결함 및 특징을 보기에 완벽하다. 이에 대한 2가지 예는 다음과 같다.
▲ 식품 포장 내부의 플라스틱 부품을 보면 부품의 가장자리가 매우 명확하게 정의될 수 있다.
▲ 투명 플라스틱의 균열 및 돌출된 디테일을 볼 수 있다.
TPL Vision에서 사용 가능한 조명
TPL Vision은 평행 효과가 가능한 백라이트 제품을 2가지 갖고 있다. 하나는 더 작은 시야(fields of view)용이며 다른 하나는 더 큰 시야용이다.
자료제공: TPL Vison(www.tpl-vision.com)
