머신비전 조명기술의 종류와 특징

견고하고도 빠른 비전 검사 시스템을 구현하려면 적절하게 설계된 조명이 중요하다는 것은 잘 알려져 있다. 조명 유형 및 기술, 기하학, 필터링, 센서 특성 및 색상에 대한 기본적인 이해는 효과 적인 비전 조명 솔루션을 설계할 때 튼튼한 기초가 된다. 비전 시스템 설계 및 구현은 지속적인 시간 지연, 비용 초과와 예기치 못한 상황으로 인해 조명 자체보다 훨씬 까다롭다.

조명의 기술을 숙지하는 것은 머신 비전 시스템을 설계하고 구현하는 데에 많은 도움을 준다. 조명 기술은 △백라이트 △확산 조명(‘전체 명시야’ 라고도 함) △명시야(부분 또는 방향성) △암시야 △구조화된 조명 (구조 조명) 등으로 구성된다.

백라이트 (역광): 백라이트는 밝은 배경에 어두운 실루엣을 만들어 즉각적인 이미지 대비를 생성한다(그림1). 가장 일반적인 용도는 구멍과 틈의 유무 감지, 부품 배치 또는 방향 또는 측정이다. 보다 정확한 (하위 픽셀) 가장자리 감지 및 고정밀 측정을 위해 시준 (collimation) 필름과 함께 빨간색, 녹색 또는 파란색과 같은 단색 조명을 사용하는 것이 종종 유용하다. 백라이트는 또한 빨간색 660nm 광원을 사용하여 <그림1b>에 이미지화된 유리병과 같은 투명 또는 반투명 부품을 통해 전송하는 데 유용하다.

백라이트의 변형은 일반적으로 빠르게 움직이는 웹에서 고속 라인 스캔 카메라를 배치하는 라인 스캔 애플리케이션을 위해 특별히 설계되었다. 이 선형 백라이트는 길고 좁은 폼 팩터를 가지고 있으며 움직임을 정지시키는 데 필요한 카메라의 높은 라인 속도를 처리하는 데 필요한 극도의 강도를 생성하도록 설계되었다.

이러한 애플리케이션은 얇은 웹 재료를 관통하고 검사하기 위해 가장 자주 배치된다. 좋은 예는 비닐 백을 성형하기 전에 비닐 백 재료에서 천공 감지 또는 반투명 직물 웹의 직조에서의 구멍 위치이다. 이러한 경우에는 스트로빙이 아닌 지속적인 켜짐이 규칙이다.

<그림1> a: 백라이트 기능 다이어그램, b: 빨간색 660nm 백라이트로 이미지화된 호박색 병. 로트 코드가 명확하게 강조되어 있지만 빛이 라벨을 투과하지 않는다(이 미지 왼쪽).

부분 명시야 조명: 부분 명시야 조명은 가장 일반적으로 사용되는 비전 조명 기술이며 햇빛, 램프, 손전등 등 우리가 매일 사용하는 가장 친숙한 조명 이다. 이러한 유형의 조명은 일반적으로 점광원에서 방향성이 있다는 점에서 전체 명시야와 구별되며 방향성 특성으로 인해 대비를 생성하고 지형 세부 정보를 향상시키는데 적합하다. 훨씬 덜효과적이지만 정반사 표면이 있는 축에서 사용하면 친숙한 ‘핫스 팟(hotspot)’ 반사가 생성된다(그림2).

<그림2> a: 방향성 명시야 기능 다이어그램, b: 경면에서 반사되는 높은 각도의 빛, c: 1-D 바코드 판독을 위해 이미지를 개선하기 위한 off-axis 조명.

전체 명시야 조명: 확산 또는 전체 명시야 조명은 균일하지만 다방향/다각도 조명이 필요한 반짝이는 반사광 또는 혼합 반사 부품에 일반적으로 사용 된다. 일반적으로 사용할 수 있는 확산 조명의 여러 구현이 있지만 세 가지 주요 유형, 반구형 돔/터널 또는 축상(그림3)이 가장 일반적이다. 확산 돔 조명은 예를 들어 자동차 산업에서 흔히 볼 수 있는 곡면의 반사 표면 조명에 매우 효과적이다.

확산 돔 조명은 여러 방향(광축을 내려다보는 360도)과 여러 각도(낮은 곳에서 높은 곳까지)에서 빛을 투사하기 때문에 가장 효과적이며, 이는 복잡한 모양 부품의 차동 표면 반사(differential surface reflections)를 정규화하는 경향이 있다.

동축 조명은 평평한 물체에 대한 확산 돔/터널 조명과 유사한 방식으로 작동하며 평면 물체의 다른 각도, 질감 또는 지형적 특징을 향상시키는데 특히 효과적이다. 동축 확산 조명의 유용한 속성은 이 경우 광원에서 정반사를 완화하거나 피하는 대신, 이를 활용할 수 있다는 점이다. 즉 일관되고 견고한 검사를 위해 필요한 기능을 고유하게 정의하기 위해 특별히 분리할 수 있는 경우이 다. (그림4 참조).

<그림4> a: 축상(동축) 확산 기능 다이어그램, b: 축 방향 확산 조명 아래 팝 병 밀봉 표면, 깨끗하고 흠집이 없는 표면(흰색 링), c: 손상된 표면 – 반사율 프로파일의 불연 속성에 유의해야 한다.

평면 확산 조명은 돔과 동축 확산 조명의 하이브리드로 간주될수 있다. 조명 형상의 관점에서 볼 때 동축 조명보다 축외 광선을더 많이 생성하지만 돔 조명보다는 적다. 평면 확산 조명은 돔 조 명 내에서 물체로 내부적으로 반사되는 것이 아니라 직접 조명이기 때문에 이 조명은 훨씬 더 넓은 범위의 조명 작업 거리, 특히돔 조명으로는 불가능한 더 긴 거리에 배치할 수 있다.

<그림5> 평면 확산 조명 기능 – 빛은 아래쪽으로 향하고 동축 조명기보다 축에서 더많이 벗어나지만 돔 조명보다 축외 기여도가 낮기 때문에 돔 조명보다 곡면 반사 표면 검사에 적합하지 않다.

<그림6> 평면 확산 조명. a: 웰이 있는 적정 트레이(각 웰 바닥에는 레이저 에칭된 2D 코드가 있음), b: 하이 앵글 링 라이트, c: 동축 라이트, d: 암시야 링 라이트, e:확산 돔 조명, f: 평면 확산 조명.

<그림6a>의 이미지 시퀀스에서 크기가 약 4” x 5”인 웰의 적정 트레이(titration tray of wells)를 볼 수 있다. 너비와 높이가 각각 5mm인 웰의 바닥에는 레이저로 에칭된 2D 코드가 있으며 각웰의 내용물은 각 2D 코드에 포함된 데이터로 저장되고 식별된 다. 검사 목표는 각 유정 기반의 코드를 읽는 것이다. 작은 코드 세부 사항을 해결하려면 더 높은 배율이 필요했으며 2x3 크기 코드 영역을 활용하여 다양한 조명 형상에 대한 웰의 반응을 명확하게 나타냈다.

높은 각도의 직접적인 조명(그림6b-c)은 허용 가능한 기능별 부분/배경 대비를 충족하지 못하는 허용할 수 없는 결과를 분명히 생성한다. 이 경우에는 바로 배경에 대한 코드이다. 낮은 각도의 조명 (그림6d)은 코드 대비를 개선하여 수용 가능한 솔루션이 될 수 있다. 그러나 오른쪽 위 웰을 자세히 보면 초승달 모양의 그림자가 있음을 알 수 있다. 이것은 주로 하향식 조명 형상 시퀀스에서 웰에 눈에 띄지 않는 벽이 있다는 점을 고려하면 예상할 수 있다.

초승달 모양은 벽이 빛을 다소 비네팅(vignetting)하지만 2D 코드의 보기를 차단할 정도는 아니기 때문에 형성된다. 그럼에도 불구하고 우리는 이 로우앵글 링 라이트 솔루션이 모든 부품 프레 젠테이션 상황과 상황에 효과적일 만큼 충분히 견고한지 여부를 고려해야 한다. 예를 들어, 코드가 중앙에서 충분히 오프셋된 경우 비네팅되어 적절한 판독이 불가능할 수 있다.

확산 돔 조명은 광고된 대로 매우 균일한 대비 이미지를 제공하 지만 실제로 배경에 대해 코드를 강조 표시하지 않으며(그림6e) 평면 확산 돔 조명이 가장 효과적이고 강력한 솔루션을 제공한다는 것을 알 수 있다(그림6e-f). 확산 돔과 달리 그 형상은 조명을 부품에 매우 가깝게 장착할 필요가 없다. 분명히 이 예는 다양한 형상을 테스트하는 것이 종종 중요한 이유를 보여준다.

<그림7> 중간 및 낮은 각도의 암시야

암시야 조명: 암시야 조명(그림7)은 일상 생활에서 이러한 기술을 사용하지만 아마도 모든 기술 중에서 가장 잘 이해되지 않는 기술일 것이다. 예를 들어, 자동차 헤드라이트의 사용은 작은 표면 결함 및 기타 물체 에서 반사되는 도로 표면의 낮은 각도로 입사되는 빛에 의존한다. 암시야 조명은 원형 및 선형(지향성) 유형으로 세분할 수 있으며 전자는 특정 라이트 헤드 형상 설계가 필요하다. 이러한 유형의 조명은 빛의 입사각이 낮거나 중간인 것이 특징이며 특히 원형 조명 헤드 유형의 경우 일반적으로 매우 짧은 조명 작동 거리가 필요하다(그림8b).

<그림8> 명시야 vs 암시야 시스템 형상. a: 거울의 명시야 이미지, b: 거울의 암시야 이미지. 눈에 보이는 스크래치에 유의해야 한다.

명시야 vs. 암시야: <그림8>은 거울 표면에서 원형 지향성(부분 명시야) 조명과 원형 암시야 조명 구현 및 결과의 차이점을 보여준다. 암시야 조명의 효과적인 적용은 눈부심의 핫스팟으로 장면을 가득 채우는 거울 표면에 입사되는 낮은 각도(<45 도)의 빛이 거울을 향하는 것이 아니라 멀리 반사된다는 사실에 의존한다 (카메라 방향). 상대적으로 적은 양의 빛이 카메라로 다시 산란되어 표면에 있는 작은 특징의 가장자리를 포착하여 ‘반사각이 입사각과 같음’ 관계에 있다(다른 예는 그림9 참조).

<그림9> Peanut Brittle Bag. a: 명시야 링 라이트 아래, b: 암시야 링 라이트 아래. 이음새와 기본 내용이 매우 잘 보인다.

명시야 조명과 암시야 조명 사이의 겉보기에 복잡해 보이는 조명 구조의 차이는 고전적인 ‘W’ 개념으로 가장 잘 설명할 수 있다 (그림10). 문제를 복잡하게 만드는 것은 고전적인 암시야 vs 명시야 조명을 설명하는 표준 대칭 ‘W’ 패턴도 상당히 왜곡될 수 있다는 것이 다. <그림10>에서 카메라는 광축이 이미징되는 표면에 수직이 되도록 장착되어 있으며, 이는 물론 표면 이미지 원근 이동을 최소화하는 데 일반적이다.

<그림10> 명시야 vs 암시야. a: 암시야 및 명시야 조명 형상 및 광 입사각 b: 평평한 필드의 스크래치가 암시야 조명 형상 이미지에서 어떻게 두드러지는지를 보여주는 조명 기능 다이어그램. 이 경우 스크래치는 로컬 입사각에서 빛을 카메라로 다시 반사한다.

그러나 카메라와 통합 조명(카메라 전면에 내장됨) 또는 부착된링 조명이 광학 축이 더 이상 이미지가 생성되는 표면에 수직하지 않고 45도 축에서 벗어나지 않도록 장착되었다고 상상해 볼 수 있다.

암시야 조명의 또 다른 중요한 측면은 유연성이다. 많은 표준 부분 명시야 조명이 암시야 구성에서 사용될 수 있다. 이 기술은 지형 물체의 가장자리를 감지하는 데에도 매우 적합하며 물체에 알려진 표준 또는 구조화된 특징 방향이 있는 경우 방향성 다양 성을 효과적으로 사용할 수 있다.

그렇지 않으면 대비를 생성하기 위해 360도 빛 방향이 필요하지 않다. 이에 대한 좋은 예는 컨베 이어 벨트의 무언가에 의해 연속된 강판에 생성된 스크래치로, 연속적인 세로 스크래치를 생성한다. 이 경우 웹/컨베이어를 가리 키는 낮은 각도의 방향성 조명은 스크래치를 매우 쉽고 일관되게 강조한다.

<그림11> 라인 스캔 조명. a: 높은 각도 및 낮은 각도(암시야) 적용을 위한 라인 조명 기능 다이어그램, b: 고출력 라인 조명, c: 소형 풋프린트, 프레넬 렌즈 라인 조명

<그림12> 라인스캔 조명의 전형적인 설치 방향

구조화된 라인 조명: 라인 조명은 머신 비전 조명 시장 내에서 작지만 성장하는 애플리 케이션 틈새 시장을 나타낸다. 대부분의 라인 라이트는 로드 렌즈 또는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)를 사용하여 집중된 라인을 생성 한다(그림11,12). 라인 스캔 카메라와 함께 지속적인 검사가 필요한 이동 웹 애플리케이션에 주로 사용된다.

라인 조명의 주요 이점은 표면 결함 및 인쇄 라벨 검사와 같은 어플리케이션에서 필요한 좁은 라인에 단위 면적당 훨씬 더 높은 방사능력(flux)을 생성한다는 것이다. 이는 일반적으로 라인 스캔 카메라의 짧은 노출 시간과 높은 라인 속도를 보상하면서 이미지 블러를 제거하는 데 필요한 강도를 제공한다.

그러나 모든 라인스캔 애플리케이션에 높은 출력이 필요한 것은 아니다. 상대적으로 낮은 강도를 필요로 하는 일반적인 초기 애플리케이션은 캔 라벨의 이미징이었다. 캔은 일반적으로 조명및 라인 스캔 카메라 아래의 긴 축을 중심으로 회전하고 이미지화 되어 크고 ‘포장되지 않은’ 2D 이미지를 생성한다.

자료제공: Advanced Illumination(www.advancedillumination.com)