멀티 스펙트럼 이미징

비전 기술을 확장하다

물체에는 일반적으로 색 또는 외형에서 변화가 발생하는데, 이러한 변화를 검출하는 것은 영상 획득 장치에 있어서 매우 중요하다. 영상 획득 장치가 비정상적인 상황을 감지, 인식하기 위하여 물체 표면의 반사 스펙트럼 변화 검출 목적의 장치를 사용하는데, 통상적인 RGB(Red, Green, Blue) 카메라로서는 매우 어렵다. RGB 카메라만으로 하기 어려운 일을 NIR/UV 기술과 접목하여 해결하는 방법에 대해 알아본다.
이 글은 비전 솔루션 기업으로 머신 비전 및 네트워크 비디오 분야에 핵심제품과 솔루션, 엔지니어링 컨설팅을 지원하는 앤비젼이 제공한 기술 자료이다.

글 | Xing-Fei He 박사 / Teledyne DALSA

멀티 스펙트럼 이미징
일반적으로 멀티 스펙트럼 이미징은 컬러 검사보다 우수한 머신 비전 검출력을 얻을 수 있다. 오늘날에는 멀티 스펙트럼 필터를 웨이퍼 레벨 코팅을 한 고급 멀티 스펙트럼 카메라를 작은 크기로 제작할 수 있으며 그 결과로 고속 Line scan 이미징에 새롭고 다양한 기회를 제공한다.
컬러 이미징에서 흑백 이미지는 컬러에 의해 구별된다. 물론, 컬러 자체가 유용한 특성이기는 하지만 전자회로기판 내에 매립되는 구리 회로와 화폐에 인쇄된 보안 잉크를 포함하여 맨눈으로 보이지 않는 부분을 확인하기 위해 컬러 이상의 것을 확인할 수 있다면 어떻겠는가?
이것은 이미 실현 가능한 일로, 동작 방법은 다음과 같다.
실리콘 센서에서 CCD 또는 CMOS 컬러 필터는 RGB 등과 같은 다양한 파장을 선택하기 위해 웨이퍼 레벨로 코팅된다. 이러한 파장으로 라인별로 광학 이미지를 캡처한 다음 특정 관심 개체를 식별하는 데 사용된다. 공간 보정(Spatial correction)을 통해 카메라가 서브 픽셀 정확도로 같은 개체 시점에서 모든 컬러 채널을 정렬한다. 컬러 이미징에서 Area scan 이미징보다 Line scan 이미징의 장점은 Bayer 디코딩 없이 3개의 RGB 원색을 제공하여 최상의 컬러 이미지 품질을 제공한다는 것이다.
특정 분야에서는 컬러 이미징이 충분하지 않을 수 있다. 새롭고 더 정교한 멀티 스펙트럼 이미징이 필요한 분야는 화폐 검사, 전자 제품 제조, 식품 분류 등이 있다. 이들 분야에서는 가시 스펙트럼 외부 또는 RGB 컬러 밴드 사이에 있는 특정 파장이 있어야 한다. 이러한 파장은 관심 개체의 고유한 광학 특성을 생성한다. 멀티 스펙트럼 이미징은 컬러 이미징과 같은 개념을 사용하지만, 기존 가시 스펙트럼(RGB 컬러 밴드)에서 NIR 또는 자외선 영역으로 파장을 확장한다. 최근에 개발된 박막 간섭(Thin-film interference) 기술로 인해 작은 크기로 RGB+NIR 출력을 각각 출력할 수 있는 고급 카메라를 만들 수 있어 머신 비전 분야에서 새로운 기회를 찾을 수 있다.

멀티 스펙트럼 필터 기술
멀티 스펙트럼 카메라는 다양한 필터를 사용할 수 있다. 전통적으로, 멀티 스펙트럼 카메라는 파장을 분리하는 프리즘 기반 빔 스플리터를 사용한다. 서로 다른 파장의 이미지를 여러 이미지 센서를 사용해 촬영한 다음, 이러한 이미지를 결합하여 나중에 멀티 스펙트럼 이미지로 복구한다. 공통 광축의 프리즘 기반 카메라는 이동하는 개체의 같은 위치를 동시에 촬영한다. 비싼 카메라 비용과 더 비싼 광학 렌즈가 있어야 한다는 단점이 있다. 프리즘은 Back focal shift와 수차를 발생하므로 특수 설계된 렌즈가 있어야 한다. 여러 개의 이미지 센서와 프리즘을 수용해야 하므로 카메라 바디는 일반적으로 크다.

<그림 1>에서 대부분의 염료 또는 안료 재료는 NIR을 투과하므로 염료 또는 안료 기반 컬러 카메라는 IR 오염을 제거하기 위해 IR 차단 필터가 있어야 한다. 유기 재료를 제한적으로 선택할 수 있으므로 NIR 영역으로 이 기술을 확장할 때 기술적인 문제가 발생한다. 특정 카메라에서는 글로벌 밴드 차단 필터가 NIR에서 가시 영역을 분리한다. 하지만 RGB 데이터에서 NIR 요소를 디지털로 감산해야 하고 이는 부정확한 컬러 표현과 많은 노이즈로 이어진다.

Teledyne DALSA의 Piranha4 멀티 스펙트럼 카메라를 위해 최근 개발된 박막 간섭 필터 기술은 선택된 다양한 파장 내의 빛만 전달하고 다른 파장은 반사하기 위해 다층 박막이 있어야 한다. 이 기술은 유기 재료를 사용하여 위의 한계를 극복한다. 필터를 설계할 때 밴드 패스 파장 창을 필요한 특정 스펙트럼에 맞출 수 있다.
이 멀티 스펙트럼 카메라는 2K 해상도, 14.08×14.08㎛ 픽셀 크기의 Quad linear Line scan 카메라이다. 62×62×48mm의 작은 패키지로, 이 카메라는 최대 70kHz의 Line rate로 실행할 수 있고,  R, G, B, NIR 등 4개 채널을 출력하며 Camera Link 데이터 인터페이스를 사용한다.

센서 디자인
<그림 2>는 박막 간섭 필터를 사용하는 센서의 설계도를 나타낸다. 이 기술의 중요한 특징 중 하나는 IR 차단과 가시 차단 필터가 픽셀 레벨에 코팅되어 있다는 점이다. RGB 채널의 경우, IR 차단 필터가 먼저 코팅되어 컬러 이미지에서 모든 IR 요소를 제거하는 데 사용되며 NIR 채널은 가시 차단 필터가 구현되어 NIR 신호만 통과할 수 있다. 이 픽셀 레벨의 박막 구조는 어떠한 디지털 조작 없이 멀티 스펙트럼 데이터를 축적하는 모든 RGB+NIR 채널에서 스펙트럼을 독립적으로 출력할 수 있다.

VIS+NIR
역사적으로, 원격탐사(Remote sensing)는 멀티 스펙트럼 이미징의 주요 시장이었다. 하지만 지난 몇 년 동안 인쇄 검사, 전자 제품 제조, 식재료 분류, 의학 등을 포함한 AOI(Automatic Optical Inspection)에 멀티 스펙트럼 이미징이 많이 적용되고 있다. 산업용으로 사용하기 위한 주요 요구 사항은 바로 높은 속도, 적은 비용, 작은 크기이다.
새롭게 떠오르고 있는 분야는 바로 화폐 인쇄이다. ATM 기기는 위조를 방지하기 위해 인간의 눈으로 볼 수 없는 특수 보안 잉크를 찾는다. <사진 2>는 멀티 스펙트럼 카메라로 촬영한 여러 개의 지폐 이미지이다. 이 이미지는 (a)컬러, (b)흑백 (c)NIR 등을 포함한다. 유로화는 근적외선 영역에서 약 850nm 조명에서만 볼 수 있는 특수 보안 잉크를 사용한다. 상업 인쇄물 회사에서 보안 잉크의 품질은 인쇄 과정 중에 100% 검사된다. 이전에 시스템 설계에는 지폐의 컬러를 검사하는 컬러 카메라 1대와 보안 잉크를 검사하는 별도의 NIR 카메라 1대가 필요해 디자인을 복잡하게 하고 더 많은 비용을 초래했다.

광원
멀티 스펙트럼 이미징에서 조명은 중요한 역할을 한다. 오늘날, LED는 가장 일반적이고 효율적인 광원이다. 가시광에서 백색 LED는 주로 흑백 및 컬러 이미징에 사용된다. 백색 LED의 빛에는 매우 적은 IR 요소만 포함되므로 RGB+NIR 이미징에서는 IR LED를 추가해야 한다. 특정 관심 속성을 밝히기 위해 파장을 선택하는 것 또한 중요하다. 780~1050nm 파장의 NIR 조명을 사용할 수 있으며 요구 사항에 따라 변경할 수 있다.
특정 분야에서는 또 다른 형태의 보안 잉크인 형광 잉크를 검사하기 위해 자외선을 사용한다. Piranha4 카메라의 필터는 380nm 이하의 자외선을 차단하도록 설계되어 이미지를 볼 수 없다.

표면에서 가장 깊은 곳까지의 이미징
사람은 표면에 보이는 것만 볼 수 있지만, 다양한 파장을 사용하는 이미징 기술은 다양한 깊이의 숨겨진 부분을 볼 수 있다. 이미징 기술은 표면에서 반사하는 빛을 검출하고, 광학 특성은 광원의 파장에 따라 크게 변화할 수 있다. 많은 재료의 빛 투과 깊이는 파장에 따라 다르므로, 파장의 선택으로 다양한 깊이의 특성이 있는 이미지를 촬영할 수 있다.
전자회로제조 분야에서는 다양한 깊이에서 이미징할 수 있는 멀티 스펙트럼 기술을 적용하기 시작했다. 완료된 PCB에는 상면 코팅재로 컬러 페인트가 사용되고 있는데 모든 구리선과 페인트는 제조 공정 중에 검사되어야할 필요가 있다. 오늘날, 컬러 이미징은 PCB 최종 검사의 주요 도구이다.

<사진 4>는 UV, 가시광선, NIR 광원을 사용해 촬영한 PCB 이미지 3개를 나타낸다. 납땜이 된 패드, 페인트가 마른 부분, 전선 아래의 모든 개체가 AOI의 관심 영역일 수 있다. <사진 4a>에서 짧은 파장의 UV 빛은 납땜 패드와 표면의 형태를 드러낼 수 있도록 깊게 파고들지 않기 때문에 어떠한 구리선도 나타내지 않는다.
<사진 4b>에서, 가시광선은 표면과 페인트 아래의 전선을 약간 표시한다. 하지만, <사진 4c>에서는 긴 파장의 NIR 빛은 깊은 침투력을 제공해 페인트로 덮인 구리선 모두를 표시한다. 또한, 구리는 근적외선 영역에서 높은 반사율을 가지므로 이러한 파장에서는 더 나은 이미지 콘트라스트를 얻을 수 있다. <사진 4>에서의 이미지는 올바른 파장 선택의 중요성을 보여준다. 표면 또는 페인트 아래의 전선 이미지뿐만 아니라 보드 아래에 깊숙이 묻혀있는 다른 속성을 선택하여 이미지로 만들 수 있다. 이 경우, UV+VIS+NIR 또는 UV+RGB+NIR 출력 채널이 AOI에 적합할 것이다. 이러한 조합으로, 카메라 1대로 PCB 내의 다양한 깊이에 있는 결함을 검사할 수 있다.
예를 들어, 하나의 채널이 표면 결함을 검사하고, 다른 채널이 매립된 구리선을 검출할 수 있다. 이러한 카메라는 멀티 라인 센서 아키텍처를 사용해 실현될 수 있다. 하지만, UV에서 NIR까지의 넓은 스펙트럼을 다루는 광학 렌즈를 찾는 것은 문제가 될 수 있다.

자료제공 | 앤비젼(www.envision.co.kr)