1회 스캔으로 다양한 이미지 동시 캡처 ‘Multifield Imaging’
<그림1> 새로운 멀티필드 이미징 기술은 다양한 조명 조건에서 여러 이미지를 캡처 하여 점점 더 많은 시장에서 감지 가능성을 개선한다.
멀티필드 이미징(Multifield Imaging)은 다양한 조명 조건에서 여러 이미지를 동시에 캡처할 수 있는 새로운 이미징 기술이다. TDI(Time Delay Integration)와 결합된 이 새로운 이미징 기술은 기존 접근 방식의 많은 한계를 극복할 수 있다. 기존 비전 기술이 점점 더 정교해짐에 따라 공장 자동화, 환경 모니터링, 생명 과학 등 다양한 최종 시장에서 더 폭넓게 적용되고 있다.
라인 스캔 카메라는 고감도와 빠른 이미지 캡처가 필요한 애플리 케이션에서 특히 핵심적인 이미징 기술로 자리잡았다. 에어리어 스캔 카메라와 달리 라인 스캔 카메라는 1차원 선형 어레이를 사용한다. 이를 통해 수백 킬로헤르츠(KHz)에 이르는 속도로 센서 에서 카메라로, 그리고 호스트 컴퓨터로 이미지 데이터를 빠르게 전송할 수 있다.
고속 이미징에서 감도는 더 높은 신호 대 노이즈 비율을 달성 하여 물체를 더 잘 식별할 수 있도록 하는 데 중요한 역할을 한다. 센서의 감도는 양자 효율과 광자 수집 능력에 따라 달라지며, 이는 TDI와 관련이 있다.
라인 스캔 이미징 기술을 기반으로 한 TDI는 빛이 부족한 조건 에서 고속 이미징을 위한 검증된 기술이 됐다. TDI는 다중 노출을 사용하여 판독 노이즈를 낮게 유지하면서 더 많은 광자를 수집한 다. 오늘날 점점 더 많은 고속 애플리케이션에서 TDI를 필요로 하며, 특히 이미징된 물체의 광도를 높이는 것이 옵션이 아닌 경우 더욱 그렇다. 스펙트럼 정보 획득이 중요한 이미징 애플리케이션에서는 코팅된 스펙트럼 필터가 장착된 라인 스캔 컬러 또는 멀티 스펙트럼 카메라가 필요하다.
실리콘 센서는 파장을 구분할 수 없기 때문에 컬러 또는 다중 스펙트럼 이미징에는 스펙트럼 필터가 필요하다. TDI 기술과 스펙트럼 필터를 결합하면 고감도 이미징 애플리케이션을 위한 새로운 고급 머신 비전 솔루션을 제공할 수 있다.
이미지 데이터 캡처가 필요한 이미징 애플리케이션이 점점 더많아지고 있다. 예를 들어 특정 물체, 디테일 또는 결함을 보다 효과적으로 식별하기 위해 명시야, 암시야 및 역광 기술을 결합하는등 다양한 조명 구성에서 이미지를 캡처할 수 있다. 이러한 멀티 필드 이미징 접근 방식을 사용하면 한 번의 스캔으로 두 가지 이상의 조명 조건에서 이미지를 캡처할 수 있다.
오늘날 대부분의 비전 시스템은 이러한 이미지를 얻기 위해 물체를 여러 번 스캔해야 한다. 이러한 접근 방식은 시스템 처리량을 크게 제한할 뿐만 아니라 시스템 설계에서 기계적 움직임에 대한 기계적 움직임에 대한 엄격한 허용 오차가 필요하다. 스캔 중임의의 진동은 이미지 분석의 정확도를 떨어뜨리는 오정렬이 발생할 수 있다.
Teledyne DALSA와 같은 회사의 새로운 멀티필드 카메라 솔루션은 TDI 센서와 웨이퍼 레벨 코팅 이색 필터를 결합하여 턴키 솔루션을 제공한다(그림2). 이러한 카메라는 멀티 어레이 CMOS TDI 이미저 기반 16,384 × (128 + 64 + 64) 화소 해상도 및 픽셀 크기 측정 5 × 5 µm이다. 이 카메라는 최대 130kHz × 3의 회선 속도로 3개의 이미지를 동시에 캡처할 수 있으며, Camera Link HS 인터페이스를 활용하여 긴 케이블 길이의 활성 광 케이블을 통해 6.5GBit/s의 데이터를 전송할 수 있다.
<그림2> 웨이퍼 레벨 코팅 이색 필터를 통합한 멀티필드 카메라의 스펙트럼 응답성.
염료 기반 필터의 대역과 달리 이색 필터의 적색, 녹색, 청색 밴드 사이의 크로스토크는 평균 광학 밀도(OD) 3의 대역 외 제거를 달성하도록 설계할 수 있다. 이를 통해 비전 애플리케이션을 위한 파장 영역에서 여러 광원을 효과적으로 분리할 수 있다.
파장 대 시간 분할
멀티필드 이미징에는 두 가지 접근 방식이 있다. 파장 분할 기술은 스펙트럼 필터를 사용하여 파장별로 채널을 분리하고, 시분할 기술은 시간 영역에서 채널을 분리한다(그림3).
<그림3> 두 가지 멀티필드 이미징 기법을 비교한 모식도. 파장 분할 방식에서는 서로 다른 파장을 가진 다양한 광원이 서로 다른 입사각을 사용하여 이미징된 물체를 비춘다.
각 파장은 필터를 통해 분광적으로 분리되고 모든 파장에서 동시에 이미지가 캡처된다(a). 분할 다중 필드 이미징은 광 펄스와 노출 시간을 일치시켜 이미지를 시간 단위로 분리한다(B).
파장 분할 다중 필드 이미징을 사용하면 통합 시간을 극대화하고 연속파 광원을 더 간단하게 구현할 수 있다. 이 기술에 사용되는 이색 필터의 스펙트럼 창은 오늘날 시중에서 판매되는 LED 조명을 고려하여 설계됐다. 그러나 이제는 파장이 다른 협대역 LED 광원을 점점 더 많이 사용할 수 있어 파장 분할 기술을 더 쉽게 구현할 수 있다.
시분할 다중 필드 이미징은 필터 없이 흑백 센서를 사용할 수있다. 카메라 노출 시간을 제어하여 시간 영역에서 이미지를 분리 한다. 예를 들어 Teledyne DALSA의 Linea ML 16K 카메라는 3 열로 구성되어 있어 각 열의 광학 통합 시작 및 중지 시점을 겹치지 않고 독립적으로 설정할 수 있다.
이러한 시분할 접근 방식의 장점은 스펙트럼 누화가 발생하지 않으며 고강도 조명을 방출하는 펄스 LED로 향상시킬 수 있다는 것이다. 그러나 이 접근 방식은 통합에 전체 라인 시간을 사용할 수 없으며 펄스 조명을 수용 하려면 더 복잡하고 비용이 많이 드는 설계가 필요하다.
필터 및 광원
파장 분할 다중 필드 이미징을 가능하게 하는 핵심 기술은 이색 필터이다. 이색 필터와 기존 염료 기반 컬러 필터의 차이점은 각각 허용하는 스펙트럼 크로스토크 수준이다.
멀티필드 이색 필터는 스펙트럼 크로스토크가 최소화되도록 설계된 박막 기반 간섭 필터이다. 기존의 염료 기반 컬러 필터는 스펙트럼 중첩이 심한 흡수성 유기 염료를 사용한다. 평균적으로 이색성 필터 코팅이 적용된 실리콘 웨이퍼는 충분한 광학 밀도를 달성하기 위해 대부분의 비전 애플리케이션에 충분한 대역 외 제거를 충분한 광학 밀도를 달성하는 것으로 입증됐다.
TDI을 사용하는 현재 멀티필드 카메라에서 센서는 웨이퍼 레벨에서 이색 필터로 코팅된 각각 128개, 64개, 64개의 스테이지가 있는 3개의 TDI 어레이로 구성된다. 128스테이지의 픽셀 어레 이는 파란색 채널로, 단파장 영역에서 센서의 낮은 양자 효율을 보완하기 위해 다른 채널의 두 배에 달한다. 전반적으로 현재 카메라 센서는 620~800nm 사이의 빨간색, 520~570nm 사이의 녹색, 420~470nm 사이의 파란색 등 세 가지 스펙트럼 창을 구현한다. 이러한 스펙트럼 윈도우는 각각 다른 파장 범위 또는 다른 스펙트럼 라인 모양을 갖도록 설계할 수 있다.
멀티필드 이미징 애플리케이션을 위해 선택한 LED 광원은 스펙트럼 누화를 최소화하기 위해 카메라 필터의 스펙트럼 윈도우에 맞아야 한다. 광원의 대역폭이 필터 창보다 넓은 경우 광원 앞에 추가적으로 외부 협대역 필터가 필요할 수 있다. 이색 필터의 장점은 염료 기반 필터와 달리 애플리케이션 요구 사항에 따라 특정 창에 맞게 조정할 수 있다는 것이다. 일반적으로 사용 가능한 LED 광원을 사용하면 채널 간 스펙트럼 크로스토크가 0.5% 미만이 될 수 있다.
강력한 레이저를 사용하는 특정 애플리케이션의 경우, 여기와 이미지 사이에 더 높은 수준의 채널 격리가 필요할 수 있다. 이러한 경우 카메라 앞에 외부 노치 필터를 추가로 사용할 수 있다. 이렇게 하면 여기 소스의 모든 파장이 이미저로 들어오는 것을 필터링할 수 있다.
고속의 멀티필드 이미징
고속 멀티필드 이미징 자동 광학 검사(AOI)는 평면 생산과 같은 현대 제조 작업에서 중요한 공정이다. 평판 디스플레이, 인쇄 회로 기판, 리튬 이온 배터리 생산과 같은 디스플레이 분야에서는 수백만 개의 박막 트랜지스터가 유리 조각에 패턴을 새기고 여러 공정 단계를 거친다. 각 단계가 끝날 때마다 유리를 검사해야 한다. 다음 단계로 넘어가기 전에 가능한 단락, 열림, 오염, 긁힘 및기타 결함을 식별한다.
이러한 디스플레이의 픽셀 밀도가 증가함에 따라 결함의 크기는 점점 더 작아지고 있다. 오늘날 많은 AOI 시스템은 1미크론보다 작은 결함을 검사하도록 설계됐다. 그러므로 인라인 검사 장비가 생산 라인의 소요 시간을 맞추기 위해서는 높은 시스템 처리량을 보장하는 것이 매우 중요해졌다. 동시에 결함의 크기가 작아지면서 감지 능력에도 문제가 발생하고 있다(그림4)
<그림4> 전자 디스플레이의 유리층에 새겨진 박막 트랜지스터 패턴을 멀티필드 카메라로 촬영한 이미지. 명시야, 암시야 및 역광 이미지를 멀티필드 카메라로 동시에 캡처했지만 모두 다른 데이터를 표시한다.
다양한 조명 구성을 사용하면 이러한 디스플레이의 다양한 구조와 결함 유형에 맞게 이미지 대비를 최적화할 수 있다. 예를 들어, 암시야 이미징은 표면 스크래치를 식별하는 데 가장 적합하 고, 백라이트 이미징은 기하학적 결함을 드러내는 데 효과적이다.
대부분의 경우 AOI 시스템의 병목 현상은 스캐닝 과정에서 필요한 기계적 움직임과 관련이 있다. 멀티필드 이미징은 여러 번스캔할 필요가 없기 때문에 기존 AOI 시스템 설계에 비해 처리량을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 모든 이미지 데이터가 동일한 기계적 움직임으로 동시에 캡처되기 때문에 여러 이미지를 훨씬 더잘 정렬할 수 있다. 이 경우 무작위 진동은 이미지의 정렬 정확도에 미치는 영향도 최소화한다.
멀티필드 카메라는 다양한 조명 각도가 필요한 애플리케이션을 지원할 뿐만 아니라 백색광 조명을 기반으로 하는 기존 컬러 이미징에도 사용할 수 있다. 이러한 시나리오에서 이색 필터의 고유한 스펙트럼 특성은 염료 기반 필터에 비해 매우 다른 컬러 이미지를 제공한다. 예를 들어 인쇄 회로 기판의 일반적인 색상인 노란색, 금색, 녹색의 RGB 구성 요소는 색상 공간에서 훨씬 더 분리된 것처럼 보인다.
그 결과 전자 회로 기판에서 이러한 일반적인 색상의 감지 가능성이 53% 향상된다(그림 5).
<그림5> 염료 기반 필터(왼쪽 위)를 사용하여 캡처한 인쇄 회로 기판 이미지와 이색성 다중 필드 필터(오른쪽 위)를 사용하여 캡처한 이미지를 비교한 것이다.
이색 필터를 사용하면 노란색-금색과 녹색이 색상 공간에서 훨씬 더 분리된 것처럼 보인다. 구리와 금은 전자 회로에서 흔히 사용되는 재료이므로 멀티필드 카메라는 전자 어셈블리의 구리 및 금 재료와 관련된 결함을 감지하는 데 매우 효과적인 도구로 입증됐다(아래).
이색 필터는 광학 프리즘과 유사한 스펙트럼 특성을 가질 수 있어 스펙트럼 누화를 최소화하여 더 나은 색상 분리를 가능하게 한다. 컬러 카메라 초창기에는 일반적으로 프리즘을 사용하여 컬러 채널을 분리했다. 그러나 프리즘 기반 카메라는 광학 시스템이 얇은 광학 원리에서 벗어나기 때문에 설치 공간이 비교적 넓고 특수 렌즈가 필요하다.
이로 인해 신뢰성이 떨어지고 시스템 비용이 높아진다. 염료 기반 컬러 필터는 간단하고 견고하며 비용이 저렴한 솔루션을 제공했다. 하지만 새로운 이색 필터 기술은 프리즘 기반 카메라의 고유한 스펙트럼 특성을 더 작은 폼팩터에서 제공할 수있다.
향후 전망
비전 기술이 계속 발전함에 따라 CMOS 센서가 고급 필터와 점점 더 많이 결합될 것으로 예상된다. 예를 들어, 지난 몇 년 동안 RGB-NIR 멀티스펙트럼 이미저의 개발은 새로운 비전 기능을 도입하는데 도움이 됐다.
인쇄물 검사 애플리케이션의 경우 가시 범위 이미저에 근적외선 채널을 추가하면 지폐, 여권 및 기타 문서에 인쇄된 눈에 보이지 않는 보안 잉크를 감지하는 데 도움이 될 수 있다. 전자 인쇄 회로 기판 검사의 경우 적외선 이미지 데이터는 더 깊은 투과 깊이를 통해 표면 아래 결함을 드러낼 수 있다. 식품 분류 애플리케 이션에서 다중 스펙트럼 RGB-NIR 이미징은 더 넓은 범위의 이물 질을 식별할 수 있다.
따라서 이러한 애플리케이션에 멀티 스펙트럼 이미징이 점점더 많이 채택되고 있다. 많은 산업 분야에서 기존의 컬러 이미징 에서 멀티스펙트럼 이미징으로 업그레이드하고 있다. 이색 필터는 특정 애플리케이션에 필요한 모든 스펙트럼 대역에 맞게 설계할 수 있기 때문에 이러한 기능을 향상시킨다. 스펙 트럼 라인 모양도 엔지니어링을 통해 조정할 수 있다.
스펙트럼 라인 모양은 다층 박막 구조를 엔지니어링하여 맞춤화할 수도 있다. 이 기능은 예를 들어 한 번의 스캔으로 생명과학 분야의 다양한 바이오마커에서 형광을 이미지화할 수 있는 특정 카메라를 개발하는 데 도움이 될 수 있다. TDI와 이색 필터 기술을 결합하면 오늘날의 까다로운 요구 사항을 충족하는 더욱 획기적인 솔루션을 제공할 수 있다.
<표> 멀티필드 이미징 기술 비교
자료제공: 텔레다인달사 Xing-Fei He 박사(www.teledyne.com) Envision 허성호 부사장(www.envision.co.kr)
