머신 비전에서의 필터링
필터 기술
머신 비전에서 검사 대상 피사체의 이미지를 개선하거나 변경하는 데 사용할 수 있는 다양한 종류의 필터가 많이 있다. 필터의 장점과 단점을 이해하려면 다양한 종류의 필터 뒤에 숨어 있는 서로 다른 기술들을 이해하는 것이 중요하다. 매우 다양한 필터가 존재하지만 거의 모든 것들이 컬러 유리 필터와 코팅 필터의 두 가지 기본 범주로 나눌 수 있다. 이 글은 에드몬드옵틱스에서 제공한 기술 자료로 여러 가지 필터에 대한 이해를 도와주는 내용을 담고 있다.
컬러 유리 필터
컬러 유리 필터는 머신 비전에서 놀라울 정도로 흔히 사용되며 유리 소재에 선별적으로 흡수 및 투과 스펙트럼을 바꾸는 도펀트(Dopant)를 첨가해 제작된다. 도펀트는 투과시킬 파장이 무엇인지에 따라 달라지며 그 이후의 생산 공정은 표준 광학 유리 생산 공정과 거의 동일하다. 컬러 유리 필터는 몇 가지의 장점이 있다.
Interference filter에 비해 저렴하며 무엇보다 광각 렌즈에 사용하거나 특정 각도로 사용할 경우 파장 투과에 변화가 생기지 않는다. 하지만, 컬러 유리 필터도 넓은 Cut-on waveband를 갖고 있어 Coated interference filter만큼 정확한 곡선을 갖고 있지 않으며 Transmission throughtput level(백분률)도 Interference filter만큼 높지 않다. <그림 1>에서는 몇 가지 흔한 컬러 유리 필터용 투과 곡선을 보여준다. 필터의 Cut-on waveband가 넓고 상대적으로 투과 기능을 나타내는 기울기가 낮다는 데 주목해야 한다.
Infrared (IR) cutoff filter는 컬러 유리 필터일 수도, 코팅 필터일 수도 있어 머신비전 용도에서 Monochrome 및 컬러 카메라 양쪽에 모두 유용하다.
대부분의 머신 비전 카메라에서 실리콘 센서는 최대 1㎛까지의 파장에 반응하기 때문에 형광등이나 기타 원치 않는 광원에 의해 발생한 임의의 적외선이 센서에 부정확성을 유발할 수 있다.
컬러 카메라에서 적외선은 센서에 잘못된 컬러를 만들어 전체적인 컬러 재현 품질을 저하시킬 수 있다. 이런 이유로 많은 컬러 이미징 카메라에는 적외선 차단필터가 기본 장착되어 있다. Monochrome camera에서 적외선의 존재는 전체 이미지의 Contrast를 저하시킨다.
컬러 유리 필터의 종류는 매우 다양하다. 예를 들어, 다색 광원과 컬러 센서를 사용할 때 컬러 조절을 위해 Daylight blue filter를 사용할 수 있다.
Coated Interference Filter
코팅 필터는 대체로 보다 날카로운 투과 및 차단 전환, 보다 높은 투과율, 그리고 컬러 유리 필터에 비해 더 뛰어난 차단 성능을 제공한다. 컬러 유리 필터 이외에도 다양한 코팅 필터가 있는데 이들 필터는 Hard coated fluorescent filter부터 Dichroic filter 그리고 Polarization filter까지 넓은 범위에 걸쳐 있다. 각각의 코팅 필터는 적절한 성능 보장을 위해 독특한 생산 공정을 거친다. 파장을 선택할 수 있는 광학 필터는 높은 굴절률 및 낮은 굴절률이 교차되는 특수 기판에 유전체 박막(Dielectric layer)을 증착해 생산한다. 기판의 표면 품질 및 균질성은 기판 소재의 투과율이 감소되는 파장 한계 설정과 함께 필터에 대한 기본 광학 품질을 결정한다. 유전체 박막은 일정한 파장 범위에 걸친 보강 및 상쇄 간섭을 통해 필터의 자세한 스펙트럼 구조를 만들 뿐 아니라 컬러 유리 필터에 비해 훨씬 선명한 차단 및 투과 대역을 제공한다.
Bandpass, Longpass, Shortass, 그리고 Notch filter와 같이 차단 범위와 투과 범위가 지정되어 있는 많은 종류의 하드 코팅 필터가 존재한다. Longpass filter는 짧은 파장은 차단하고 긴 파장은 투과시키도록 디자인 되어있다.
Shorpass filter는 이와 반대로 짧은 파장을 투과시키고 긴 파장은 차단한다. Bandpass filter는 특정파장 대역은 투과시키지만 이보다 길거나 짧은 파장은 차단한다. Bandpass filter와 반대되는 필터가 Notch filter인테 이 필터는 특정 파장대역을 차단하고 이보다 더 길거나 짤은 파장은 투과시킨다. 이들 필터의 투과 곡선 모양은 <그림 2>에 표시 되어있다.
뛰어난 차단 성능(높은 Optical Density)과 Steep slopes(차단에서 투과로의 빠른 전환)를 갖도록 설계된 필터들은 정밀한 광 컨트롤이 필요한 용도에 사용된다. 대부분의 머신 비전 용도에는 이 정도 수준의 정밀도가 필요하지 않다. 일반적으로 4 이상의 Optical Density(OD)를 갖고 있는 필터는 필요 이상으로 정밀하며 불필요한 비용을 유발한다.
하드 코팅 필터는 이러한 정밀투과 및 차단 대역을 확보하기 위해 광학 간섭 현상을 활용하기 때문에 머신 비전 용도에 사용할 때 다소 어려움이 뒤따른다. 모든 Interference filter는 특정 입사각(AOI)에 맞춰 설계되며 입사각은 특별히 규정되어 있지 않은 이상 대개 0°이다. 머신 비전에서 사용할 때 이들 필터는 일반적으로 렌즈 앞쪽에 설치되며 이로 인해 렌즈의 Angular field of view에 의해 결정되는 각도에서 들어오는 빛을 받아들이게 된다. 특히 Focal length가 짧은 (Angular fieldof view가 넓음)렌즈에서는 필터를 통해 투과되는 빛이 청색편이로 알려진 원치 않는 효과를 나타내곤 한다. 예를 들어, 4.5mm Focal length 렌즈를 사용하면 50mm Focal length (각도가 좁음) 렌즈에 비해 훨씬 큰 청색 이동(Blue shift)이 발생한다. Interference filter의 AOI가 증가하면 필터 레이어를 통한 광학 경로 길이도 증가해 투과 및 차단 파장이 감소한다<그림 3>. 따라서, 이미지의 다른 필드 포인트에서 필터는 다른 파장 범위를 투과시킴으로써 동작이 달라진다. 필드에서 멀어질수록 청색 이동은 더욱 뚜렷해진다. 대부분의 경우에 Interference filter는 여전히 컬러 유리 필터에 비해서는 보다 우수한 필터링 능력을 보이지만 광각 렌즈를 채택한 Interference filter를 이용할 때 있을 수 있는 위험을 알고 있어야 한다.
머신 비전 필터링 애플리케이션
머신 비전 시스템을 설계할 때 검사 대상 물체에서 관심 있는 특징의 Contrast를 향상시키는 것이 중요하다. 이미지의 Contrast를 향상시키면서 원하지 않는 조명은 차단하는 간단한 방법을 제공한다. 필터를 통해 Contrast를 향상시킬 수 있는 방법은 다양하다. 또한 필터 종류는 용도에 따라 달라진다. 머신 비전에 흔히 사용되는 필터로는 컬러 유리, Interference, Neutral Density(ND), 및 Polarization 필터가 있다.
Colored glass bandpass filter는 가장 단순한 필터에 속하면서도 이미지 품질을 크게 개선할 수 있는 필터이다. 이 필터는 비전 시스템에서 볼 수 있는 좁은 대역에서 놀라울 정도의 성능을 보일뿐 아니라 동급 Interference filter에 비해 저렴하다. 컬러 유리 필터의 사용은 Color wheel의 반대편에 있는 색상을 차단하는 데 아주 적합하다<그림 5>.
컬러 필터
젤 캡슐을 검사하는 <그림 5>와 같이 두 개의 적색 캡슐이 흰색 백라이트를 배경으로 녹색 캡슐 바깥쪽에 있다. 이는 알약을 색상으로 구분한 뒤 관련 위치로 분류하는 작업이다. Monochrome camera로 캡슐을 촬영할 때<그림 6> 녹색과 적색 캡슐 간 Contrast 차이는 8.7%에 불과하며 이는 권장하는 최소 Contrast인 20% 보다도 낮은 값이다.
이 특별한 예에서 시스템 옆을 빠르게 걸어가는 사람과 같은 요인으로 인한 주변광의 경미한 변화는 그렇잖아도 낮은 Contrast 값인 8.7%를 시스템이 더 이상 제대로 작동할 수 없는 수준으로 저하시킬 수 있다. 이 문제에 대한 몇 가지 해결책이 있는데 덩치가 크고 비싼 Light baffling system을 제작해 검사 시스템을 완벽히 에워싸거나 시스템의 전체 조명 체계를 다시 만들거나 필터를 추가해 녹색과 적색 알약 사이의 Contrast를 개선할 수 있다. 이럴 경우 가장 단순하고 가장 효과적인 해결책은 녹색 컬러 유리 필터를 사용해 서로 다른 컬러의 캐슐 간 Contrast를 향상시키는 것이다.
<그림 7>에서 보이는 바와 같이 Contrast는 8.7%에서 86.5%로 향상되며 이는 거의 10배에 해당되는 증가치 이다.
Neutral Density Filters
Neutral density filter는 노출 시간을 변경하거나 f/#를 조정하지 않고 이미지의 밝기를 추가 제어하는 것이 도움이 되는 특정 용도에 사용된다. Neutral density filter의 기본 유형은 두 가지가 있지만(흡수 및 반사), 전체적인 역할은 같다. 렌즈를 통해 센서에 전달되는 빛을 고르게 저감시키는 것이다. 노출 시간에 관계없이 Imager가 과부하가 될 수 있는 Welding과 같은 용도에서 Neutral density filter는 f/#(시스템의 Resolution에 영향을 줄 수 있음)를 바꾸지 않고도 필요한 Drop in throughput을 제공할 수 있다. Apodizing filter와 같은 특수한 Neutral density filter는 물체로부터의 강렬한 반사로 인한 이미지 중심부의 핫스팟을 제거하기 위해 존재하지만, 필터 중심에서 방사상으로 멀어질수록 Optical density는 감소한다.
Polarizing Filter
Polarizing filter는 반사성 피사체에 대한 보다 우수한 이미지를 촬영할 수 있어 머신 비전 용도에서 많이 사용되는 또 하나의 필터 종류이다. Polarizing filter를 제대로 이용하려면 광원과 렌즈 모두에 Polarization filter를 사용하는 것이 중요하다. 이들 필터를 각각 Polarizer 및 Analyzer라 부른다. <그림 8>에서는 Polarization filter가 반사성 피사체를 볼 때 어떻게 차이를 만들 수 있는지에 대한 예를 보여 준다. <그림 8a>에서는 Brightfield illumination으로 CCD imager를 검사 중이며 <그림 8b>에서는 동일한 조명 장치이지만 광원에 Polarizer, 그리고 렌즈에 Analyzer를 부착한 경우를 보여 준다.
<그림 8b>에서 볼 수 있는 바와 같이 시스템에 Polarizer를 추가하면 거친 반사광이 렌즈의 필터에 흡수되기 때문에 시스템 성능이 좋아진다. 원하지 않는 눈부심(Glare)을 없애려면 광원의 Polarizer를 편광축이 렌즈의 Polarizer와 90°가 되도록 정렬해야 한다. 그렇지 않으면 렌즈가 일부 반사광을 시스템에 투과시켜 눈부심을 유발한다.
필터가 존재하는 것은 이미징 시스템의 정확성을 높이기 위해 이미지의 Contrast를 조절하기 위함임을 이해하는 것이 매우 중요하다. 단순한 컬러 필터이든 편광 필터이든 각각의 필터는 고유의 문제를 해결하기 위해 존재한다. 따라서 용도별로 어떤 필터를 사용해야 할지 이해하는 것이 중요하다.
자료제공 | 에드몬드옵틱스코리아(www.edmundoptics.co.kr)
