색상과 파장에 대한 기본적 이론

재료는 빛의 다양한 파장을 차등적으로 반사 또는 흡수하며 이는 흑백 및 컬러 이미징 공간 모두에 유효한 효과이다. 예를 들어 물체는 우리의 마음이 빨간색으로 해석/인식하는 파장을 우선적으로 반사하기 때문에 물체를 빨간색으로 인식한다는 점을 기억하는 것이 중요하다. 백색광의 다른 색상은 어느 정도 흡수된다. 색상이 반사되면 물체 표면이 밝아지고, 반대로 색상이 흡수되면 표면이 어두워진다.

따뜻한 색상과 차가운 색상의 간단한 색상환을 사용하여 (그림1) 부품과 배경 사이의 차등 이미지 대비를 생성할 수 있으며(그림2) 제한적이고 알려진 색상 팔레트가 주어지면 색상 부분을 구별할 수도 있다 (그림3). 휠의 반대 색상은 가장 큰 대비 차이를 생성한다. 즉, 녹색 빛은 파란색이나 보라색보다 빨간색 반사를 더 억제한다.

그리고 이 효과는 실제 적색 vs. 녹색 vs 청색 광(협대역 광이라고도 함)을 사용하거나 필터 및 백색 광원(광대역 광원)을 통해 실현할 수 있다. 기억해야 할 중요한 점은 배경색 및/또는 반사율 프로필과 관련하여 부품 또는 기능이 특정 색상의 입사광에 어떻게 반응하는지 평가한다는 것이다.

<그림2> a: 빨간색 조명 아래에서 이미지화된 빨간색 우편 스탬프, b: 녹색 조명, c:녹색보다 대비가 적은 파란색 조명, d: 파란색 또는 녹색 조명보다 더 많은 대비를 생성하는 흰색 조명. 백색광은 모든 색상을 대조하지만 대비 절충안일 수 있다.

<그림3> a: 백색광과 컬러 CCD 카메라에서 촬영한 사탕 조각, b: 백색광과 B&W 카메라, c: 적색광, 적색과 황색을 모두 밝게 하고 청색을 어둡게 함, d: 적색과 녹색광, 노란색을 생성, 빨간색보다 노란색을 더 밝게, e: 녹색 빛, 녹색 및 파란색을 밝게 하고 빨간색을 어둡게 함, f: 파란색 빛, 파란색을 밝게 하고 나머지를 어둡게 함

물체 속성: 흡수, 반사, 전송 및 방출
 

물체 구성은 빛이 물체와 상호 작용하는 방식에 큰 영향을 미칠수 있다. 일부 플라스틱은 특정 파장 범위의 빛만 투과할 수 있으며 그 외에는 불투명하다. 일부는 빛을 전송하지 않고 오히려 내부적으로 확산시킬 수 있다. 일부는 빛을 흡수하여 다른 파장(형 광)에서 다시 방출할 수 있다.

앞에서 언급했듯이, 형광이 특정 소스(대부분 UV 파장에 국한 되지는 않음)가 더 긴 파장을 방출하는 물질을 비추는 이차 프로 세스라는 것을 알고 있다. UV 기반 형광 라벨 및 염료는 일반적 으로 인쇄 및 보안 산업을 위한 잉크에 도핑(dopping)된다(그림 4a,b). 이 기술은 제조업체가 소비자에게 보여주고 싶지 않은 정보를 위장하는 데 매우 중요하다.

특히 위조 화폐나 여권, 기타 공무 항목 및 자료를 방지하기 위해 자주 사용된다. 직물 소재의 나일론 구조 섬유와 같은 일부 소재는 자외선 아래에서 자연적으로 형광을 발한다. 이 경우 형광 방출 파장은 파란색이다(그림4c).

<그림4> 모터 오일 병, a: 빨간색 660nm 링 라이트 조명, b: 360nm UV 형광등 조명, c: UV 365nm 소스에서 파란색으로 방출하는 광섬유.
 

UV 형광을 사용할 때 극복해야 할 한 가지 장애물은 방출광의 전체 강도와 관련이 있다. 2차 방출은 낮은 에너지 광자로 구성되 므로 상대적으로 약한 형광 수율은 쉽게 오염될 수 있으며 특히 주변 조명이 관련된 경우 전체 장면 강도에 의해 압도될 수 있다.

카메라 렌즈의 대역 통과 필터는 물체를 비추는 투사된 가시광선을 선호하기 위해 주변 노이즈를 차단하는 것 외에도 형광 응용 분야에서 중요한 주변 차단 기능을 제공하지만 추가 기능이 있다.

필터는 다음과 같이 선택할 수 있다. 부품에 투사된 소스광의 파장보다 방출 파장을 선호하며 실제로 UV 소스와 방출광 신호를 희석시키기 위해 결합되는 주변 요소를 모두 차단하는 이중 기능을 수행한다(그림5). 이 접근 방식은 UV 광이 관심 있는 부품이나 기능에 형광을 발하면 주변 잡음으로 간주되기 때문에 효과적이다.

<그림5> 나일론 삽입 너트. a: UV 링 라이트로 이미지화 되지만 빨간색 660nm 주변 라이트로 넘쳐 흐른다. 목표는 나일론의 유무를 결정하는 것이다. 큰 주변 기여도를 감안할 때 부품에서 상대적으로 낮은 수율의 파란색 형광 빛으로부터 충분한 대비를 얻기가 어렵다. b: 방출 파장을 희석시키는 주변의 그래픽 묘사, c: 510nm 짧은 패스를 제외하고 동일한 조명 이 효과적으로 적용됨 빨간색 주변 빛과 반사된 UV를 차단하여 파란색 450nm 빛을 통과시킨다. d: 통과 필터 적용의 그래픽 묘사, 주변및 UV 소스 차단.

IR 광선의 속성은 다양한 이유로 비전 검사에 유용할 수 있다. 첫째, IR 광선은 색상에 따른 대비 차이를 중화하는 데 효과적이다. 주로 IR 광선의 반사가 눈에 보이는 색상 차이보다 물체 구성 및/또는 질감에 더 기반하기 때문이다. 이 속성은 일반적으로 백색광의 색상 반사율을 기반으로 하는 낮은 대비가 원하는 효과일때 사용할 수 있다(그림6).

<그림6> 광택 용지 샘플, a: 확산 백색광 아래, b: 확산 IR 조명 아래

<그림6>에 묘사된 이미지 결과와 달리 NIR 빛이 실제로 이미지의 재현된 내용을 변경하는 것과는 달리, 다음 예는 크레용 (crayons) 라인업의 색상 대비 차이를 줄이는 동시에(그림7) 읽기/인쇄용 크레용(hard-to-read print crayon)의 대비를 증가 시킨다. 크레용의 검은색 인쇄는 흰색 조명 아래에서 유색 배경과 구별하기가 더 어렵다.

백색광을 850nm NIR 소스로 교체함으로써 이제 모든 컬러 크레용 종이에서 검은색 인쇄를 읽을 수 있는 일관된 대비를 제공하여 강력한 조명 솔루션을 생성한다.

<그림7> 컬러 크레용, a: 백색광 아래, b: NIR 조명 아래. 파란색 크레용 인쇄를 더쉽게 읽고 확인할 수 있도록 컬러 용지 사이의 대비 차이에 유의해야 한다.

NIR 광은 UV 또는 청색, 경우에 따라 적색과 같은 단파장보다 폴리머 재료를 투과하는 데 훨씬 더 효과적이라는 또 다른 이점을 제공할 수 있다(그림8). 

<그림8> 채워진 PCB, a: 빨간색 660nm의 PCB 침투, b: IR 880nm 빛의 PCB 침투. 보드의 상단 중앙에 있는 구멍에서 빨간색이 짙지만 IR이 더 잘 침투함을 알 수 있다.

다음은 백라이트 아래에서 재료 구성이 빛 투과에 어떤 영향을 미칠 수 있는지에 대한 또 다른 예이다. <그림8>에 도시된 위의 예와 대조적으로, <그림9>의 예시 이미지는 특정의 광파장이 광출력에 관계없이 구성에 따라 재료를 더 잘 투과하는 방법을 보여 준다. 이 경우 목표는 병의 액체 충전 레벨을 측정하는 조명 기술을 만드는 것이다.

<그림9> 백라이트를 사용한 병 채우기 레벨 검사, a: 660nm 빨간색, b: 880nm IR, c: 470nm 파란색.

이 예에서 병 유리는 짙은 파란색이므로, 당연히 파란색 유리가 파란색 빛을 우선적으로 투과시킨다는 결론이 나올 것이다. 유리가 파란색인 경우도 발생하지만 빛이 병을 통과하도록 허용한 것은 유리(및 아마도 첨가물)의 구성이다. 이 예에서 빼야할 두 가지 중요한 개념이 있다. 투과광은 반사광과 같은 방식으로 반응하지 않는 경향이 있으며 <그림9>의 예에서와 같이 더 긴파장이 항상 재료를 우선적으로 투과하지는 않는다.

반대로, 침투 깊이가 부족하기 때문에 청색광이 예를 들어 검은색 고무 화합물 또는 레이저 에칭의 얕은 표면 특징을 이미징하는데 더 유용하다(그림10). 더 짧은 파장의 표면 산란량은 주파수의 4제곱에 비례한다. 파장이 짧을수록 주파수가 높다는 것을 상기 해야 한다.

<그림10> 기어 면, 레이저 식각 – 높은 입사각으로 제한됨, a: 빨간색 660nm 빛으로 식각에서 반응 없음, b: 단파장 파란색 470nm에서 상당한 빛 산란.

즉각적인 검사를 위한 환경

즉각적인 검사의 물리적 요구 사항과 공간 제한을 완전히 이해하는 것이 중요하다. 특정의 검사 요구 사항에 따라 픽 앤 플레이스 또는 기존 기계 구조에서 조명의 유형뿐만 아니라 그러나 형상, 작동 거리, 강도 및 패턴 그리고 심지어 조명기 크기/모양도 마찬 가지로 중요하다. 예를 들어, 확산 광원이 기능에 적합한 대비를 가장 잘 생성한 다고 판단될 수 있지만 제한된 클로즈업, 하향식 액세스로 인해 구현될 수 없다.

고속 라인에 대한 검사는 동작을 정지시키기 위해 강렬한 연속 또는 스트로브 조명이 필요할 수 있으며, 물론 대형 물체는 조명에 대해 완전히 다른 문제를 제시한다. 또한 특히 어떤 기능이 강조 표시되는지에 따라 일관된 부품 배치도 중요하 다. 그러나 부품 배치 및 표시의 불일치에 대한 조명은 둘 다 완전히 정교하고 테스트된 경우 최후의 수단으로 개발할 수 있다.

가벼운 물체 상호 작용
 

작업별 조명과 주변광이 부품 표면과 상호 작용하는 방식은 전체 표면 모양, 형상, 반사율, 구성, 지형 및 색상을 비롯한 여러 요인과 관련이 있다. 이러한 요인의 조합에 따라 카메라에 반사되는 빛의 양과 방식이 결정되며 이후에 이미지 획득, 처리 및 측정/분 석에 사용할 수 있다. 입사광은 거칠게 또는 확산적으로 반사되 거나, 투과, 흡수 및/또는 2차 형광으로 재 방출되거나, 위의 모든 조합으로 작용할 수 있다(그림11). 기억해야 할 중요한 원칙은 반사면을 다룰 때 빛이 입사각으로 이러한 표면에서 반사된다는 것이다. 이것은 암시야 조명 응용 분야에 적용하는 데 유용한 속성이다(그림11의 오른쪽 이미지 참조).

<그림11> a: 표면에서의 빛 상호 작용, b: 반사 표면, 반사 각도 = 입사각(Phi 1 = Phi 2), c: 확산표면 반사.

또한 음료수 캔 바닥(그림13)과 같은 곡선의 반사 표면은 방사 용지와 같은 평평한 확산 표면과 다르게 지향성 광원을 반사한다. 마찬가지로, PCB의 표면은 평평하지만 조명 유형 및 형상에 따라 미세 하게 질감이 있거나 움푹 패인(그림12) 표면과 다르게 반사된다.

<그림12> 2-D dot pin metrics 코드, a: 명시야 링 조명으로 조명됨, b: 낮은 각도의 선형 암시야 조명으로 이미징됨. 조명 패턴의 간단한 변경으로 보다 효과적 이고 강력한 검사가 기능해졌다.

<그림13> 음료수 캔의 바닥, a: 명시야 링 라이트로 조명되지만 대비가 좋지 않고 불균일한 조명 및 정반사를 보여준다. b:코드를 읽을 수 있도록 균일한 배경을 생성하는 확산광 이미지

자료제공: Advanced Illumination(www.advancedillumination.com)