2D와 3D 검사기술의 결합
보다 안전한 자동생산 기술을 위해
최근 업계의 동향은 최종 제품의 정확한 조립을 위해 형상관련 검사(예를 들어, 단층간의 각도, 구멍의 깊이, 돌출된 면의 지름 등)를 위한 3D 검사기술에 대한 요구가 급격하게 증가하는 추세이다. 이미 십 수 년에 걸쳐 개발 및 사용되어왔던 2D 머신 비젼 기술과 새로이 각광 받고 있는 3D 검사 기술이 결합하여 구현하는 보다 안전한 자동생산 기술에 대해 알아본다.
명암대비를 이용하는 2D 머신 비젼 기술(예를 들어, PCB상단면의 보정마크, 부품 엣지간의 거리, 바코드 검출 등)은 공장자동화시스템에 대략적으로 20년에 걸쳐 상용화 되었고 2D기술의 성숙 이후에 이를 보완하는 3D기술이 도입되고 있다. 결과적으로 3차원적 형상과 2차원 텍스쳐의 결합은 높은 품질의 제품을 완전하게 자동 생산할 수 있음을 의미한다.
향후 3D 활용도가 높아질 분야
- 3D 스마트 센서를 이용한 전반적인 검사가 필요한 공장의 자동화
- 2D 만으로는 정확한 측정이 이루어지지 않아 3D 측정이 요구되는 시장(예를 들어, 전자, 식품, 도로, 철재, 목재, 치과, 철로, 자동차)
- 높은 신뢰성을 갖는 제품의 개발 및 생산 QC(예를 들어, 반도체, 디스플레이, 자동차 전장)
3D 측정 기술의 종류
오늘날 공장 자동화 시스템에서는 크게 2개 분야의 고속 3D 측정방법이 사용되고 있고, 그 외에 투명체나 고반사체를 측정하거나 나노급 소자의 개발이나 샘플링 검사에 사용되는 고정밀 3D측정 기술이 있다.
이 글에서는 공장자동화 분야의 세가지 종류를 소개할 것인데, 첫 번째는 레이저가 부품면 위에 조사되고 대상물을 이동시켜 그 윤곽선을 카메라로 관측하는 ‘광삼각법’ 원리를 이용하여 3차원 정보를 생성하는 기술이다.
두 번째는 구조형 광을 이용하는 방법으로 순차적인 패턴을 LED광을 이용하여 대상물 위에 조사하고 카메라로 촬상 후 연산하여 3차원 정보를 생성하는 기술이 있다. 카메라, 레이저, 패턴 프로젝터는 Calibration을 통해 정확한 측정을 돕고, 이는 자동화 공정시스템에서 효율적인 생산을 지원할 수 있게 된다. 표면상태(예:스크래치)나 접합부의 위치정확도(예:구멍의 위치) 검사 등에 주로 사용되며, 접합상태는 결합 후 간격, 틈새를 다시 검사 한다.
그 외에 위의 두 개의 측정원리로는 측정하기 어려운 투명체와 고반사체는 물론 대부분의 재질을 sub-micrometer급으로 측정할 수 있는 기술로 백색광 간섭계와 공초점 현미경 등이 있다.
광삼각법 기반의 레이저나 구조광 측정 기술은 속도가 빠르고 저비용인 반면, 이들 백색광 간섭계와 공초점 현미경은 상대적으로 느린 속도로 작은 영역을 고해상력으로 측정하는 용도로 사용된다. 이 기술은 Glass의 단차,두께 측정을 하거나 고반사체의 재질을 측정하기 위해 필요한 기술이다.
광삼각법 원리
측정체의 표면에 선형의 레이저 빔을 조사하여 레이저 빔축과 일정각도로 기울어진 카메라(이미지 센서)에 맺힌 상의 좌표정보와 레이저 빔과의 관계를 이용하여 좌표정보를 추출하여 높이정보를 구하는 방식이다.
비전시스템에서 대표적이고 전통적으로 사용되고 있는 3D 기술 방식으로 비용이 상대적으로 저렴하고 상용화된 레이저 광원 3D 센서 제품들이 다양하다는 것이 장점이며 광삼각 원리로 인해, 그림자 부분은 측정이 어려우며 고반사체는 검사에 한계가 있지만, 최근에는 광삼각 원리를 이용한 제품으로 백색광으로 선형태의 슬릿빔을 구성하고 반사의 특성을 이용하여 고반사체까지도 검사하는 제품들이 양산되어 있다.
구조광 프로젝션의 측정기술은 매우 높은 해상도(마이크로 이하)로 부품 전체를 한 번에 측정한다. 프로젝터의 광량과 패턴의 형태에 따라 측정시간과 부품이 정지해야 할 시간이 결정되고, 부품은 촬상 중 이동해서는 안 되며, 이는 생각보다 긴 시간이 걸릴 수 있다. S/W를 포함하여 고속카메라 기술과 패턴 프로젝터는 제품의 성능에 결정적인 역할을 한다.
모아레 무늬의 원리를 이용한 측정
3D 비전 검사에서 대표적으로 사용되는 모아레 방식은 격자(Grating)를 piezo motor를 이용하여 ㎚~㎛ 단위로 미세하게 움직이며 3D 데이터를 얻는 Phase-Shift 방식이 많이 쓰인다.
최근에는 원하는 패턴을 디지털 방식으로 카메라와 동기화하여 조사하고 3D 데이터를 얻는 디지털 모아레 기술이 선호되고 있다.
모아레 방식은 Area 센싱 형태로 대면적의 3D 데이터를 고속으로 얻을 수 있는 장점이 있으며 최근에 고속 이미지 센서 및 고속 인터페이스를 갖춘 고속 카메라들의 양산으로 더욱 힘을 얻고 있고 시스템 측면에서는 2D검사와 3D 검사를 병행하여 사용할 수 있다는 장점과 간섭계나 공초점 방식에 비해 전체 시스템 검사 속도를 높일 수 있다는 장점이 있다.
단점으로는 패턴 프로젝터를 하나만 사용하면 그림자 부분의 3D 데이터를 얻을 수 없다는 것인데 이는 비용은 올라가지만 2개 또는 4개의 패턴 광학계를 구성하면 해결할 수 있으며 다른 3D 제품들이 비해 상대적으로 비용 효율성이 높다는 것 또한 장점이다.
백색광 간섭법(White-light interferometry)
이 방식에서 백색광은 내부의 Beam splitter 에서 기준거울(reference)과 대상체(object)로 가는 두 개의 빔(레퍼런스 빔, 오브젝트 빔)으로 나누어지고 그 두 개의 빔이 기준 거울과 대상체 표면에서(혹은 굴절률의 경계면에서) 반사되어 카메라에 상이 맺히게 된다.
이렇게 여러 파장이 중첩되어 있는 백색광은 두 가지 빔의 경로차이가 0에 가까울수록 간섭 강도가 커지는 원리를 이용하게 된다. 이때 시스템을 수직으로 움직여 단층 촬영하듯이 촬영한 영상들에서 위치에 따른 Pixel별 밝기를 나타내는Phase Peak를 구하고, 이들을 연결하는 Envelop에서 Pixel별로 진폭이 가장 큰 높이(Envelope Peak)를 시스템의 이동거리를 참조해서 연결 구성하여 3D 데이터를 얻는 방식이다.
장점은 높은 단차 측정력 및 분해능과 웨이퍼나 글래스와 같이 반사율이 높은 재질도 검사 가능한 것이며, 수직스캔 하므로 진동에 민감하고 하나의 FOV에서 3D 데이터를 얻기 위해 많은 단층 촬영으로 해야 하므로 측정 속도가 느리지만, 최근에는 초고속 센서와 프로세서를 탑재한 백색광간섭계가 출시되었고 고속·고해상도 카메라와 멀티 프로세싱 기법을 통해 속도 단점을 극복하고 있다.
백색광간섭계 측정기술은 광축방향으로 이동하면서 많은 양의 이미지들을 빠르게 찍어 연산해야 하기 때문에 많은 시간이 소요된다.
또한 이미지를 빠르게 연산하기 위해 PC로 이미지를 전송하는 인터페이스와 CPU와 GPU의 비용이 크게 증가할 것이다. 근래에 센서에서 이러한 처리를 할 수 있는 방법이 적용되어 출시된 상태이며, 백색광 간섭계 원리를 이용한 Heliotis사의 초고속 간섭계 모듈은 센서 단에서 대부분의 연산을 하여 PC로 최소한의 데이터 보내줌으로써 기존의 백색광 간섭계에 비하여 4배 이상의 빠른 속도에 장점이 있다.
또한 진동에 의한 영향도 낮췄으며, 센서의 dynamic range도 향상되어 반사율이 낮거나 경사가 심한 형상도 측정이 가능하다.
3D 측정 기술의 애플리케이션
광삼각법(LMI Gocator)
- 자동차 분야
외관 단차와 간격 검사, 타이어검사 등
- 전자분야
반도체 칩의 리드높이 검사
- 구조광(IOVIS Cube : DLP digital projection)
휴대전화 카메라 렌즈 검사, 렌즈 기울기 불량 검사
백색광간섭계(Heliotis HeliInspect H6)
- PCB hole검사
Via Hole의 깊이 및 기울기 검사
- BGA 볼검사
볼의 높이 및 동일 평면 검사
3D 측정 기술의 동향
부품의 생산량이 증가하고 작은 사이즈의 sub-micron수준의 해상도를 요구함에 따라 어느 기술이 속도 측면에서 유리할까? 어느 기술이 높은 해상도를 제공할까? 2D, 3D를 동시에 측정하면서 빠른 속도와 높은 해상도를 제공하는 기술이 있을까? 궁금증을 자아내고 있으며, 많은 산업분야에서 특히, 전자, 의료분야에 빠른 속도와 마이크로 혹은 그 이하의 해상도가 2D와 더불어 3D 측정이 요구되고 있다.
레이저 선형 광삼각법 원리의 측정기술은 빠르게 이동하는 물체를 측정할 수 있고, 주변이 밝은 환경에서도 사용할 수 있다. 그러나 이 기술은 레이저 라인 두께에 따라 해상도가 결정되고 스페클(speckle) 현상에 따라 마이크로 단위에서 노이즈가 발생한다. 또한, 매우 정밀한 인코더와 진동 없는 안정적인 물류 시스템이 요구되는데 이는 많은 비용을 발생시키며, 추가적으로 인체에 대한 레이저의 안정성도 문제가 될 수 있다.
한편, 현재 초당 수천 장을 찍을 수 있는 카메라와 인체에 무해한(1mW이하) 레이저가 개발되어 광삼각방식에 적용되고 있다. 2D는 별도 카메라, 조명, 소프트웨어가 추가되어 하이브리드 검사 시스템이 되지만, 현 상태에서는 복잡하고, 높은 가격 때문에 반드시 필요한 상황이 아니라면 하이브리드 검사 시스템은 적용이 어려운 것이 현실이다.
이오비스의 3D 측정 기술
대상물의 재질, 크기, 불량 형태에 따라서 적용되는 3D 측정 기술은 달라진다. 부품 혹은 검사영역의 크기, 빠른 검사시간, 주변 환경 등은 3D 센서의 선택폭을 좁게 하고, 위치나 모양 등이 불규칙한 부품도 복잡도를 높이는 요인이 된다. 현재까지 개발 된 기술과 앞으로의 기술 발전 추세로 봤을 때, 보다 적은 비용에 빠르고 정확한 3D 측정 기술들이 지속적으로 출시될 것으로 보인다. 광학기술과 더불어 고속카메라 기술, 빠른 연산 장치와 알고리즘, 회로 및 MEMS기술 등이 큰 역할을 할 것이다. 따라서 사용자는 3D 센서의 선택을 위한 이론을 기초로 다양한 방식을 이용한 측정 기술 테스트를 통해서 현장에 적용할 수 있는 3D 센서를 보는 눈을 키울 필요가 있다.
이오비스는 위에서 언급한 광삼각법, 구조광을 만들어주는 디지털 패턴프로젝터, 백색광 간섭계 등을 포함한 다양한 3D 기술 및 제품을 보유하고 있으며, 직접 테스트할 수 있도록 데모 장비들이 준비되어 있어 광학계를 포함한 3D 모듈을 공급함으로써 비전 시스템을 개발하는 고객들을 지원하며 솔루션을 제공하고 있다.
자료제공 | 이오비스(www.iovis.co.kr)
