빠르고 정확한 3D 검사를 위한 Speckle 없는 레이저 라인

시각 정보를 사용하여 합격/불합격 판정을 내리는 대부분의 품질 보증 시스템은 수동 검사, 2D 머신 비전 또는 3D 머신 비전 중 한 가지 범주에 속한다. 대부분의 경우 제조업체가 수작업 검사에서 3D 검사로 전환 하면 높이 값과 같은 추가 정보를 사용할 수 있기 때문에 정확도와 일관성이 높아진다.

흰색 패키지에 인쇄된 검은색 일련번호를 판독하는 것은 비교적 간단 하지만, 타이어의 텍스트와 같이 배경과 같은 색상의 양각 글자를 판독하는 것은 더 복잡해진다. 이러한 작업은 길이와 너비뿐만 아니라 높이 정보까지 포함하는 3D 머신 비전 솔루션으로 해결하는 것이 가장 좋다.

3D 비전에 레이저가 필요한 이유는 무엇일까?
 

머신 비전에는 3D 기술을 사용하여 부품을 검사하는 여러 가지 방법이 있다. 이러한 다양한 방법 중 레이저 삼각 측량은 포장, 어셈블리 및 이와 유사한 애플리케 이션의 인라인 3D 품질 검사에 가장 빠르고 비용 효율 적이다. 레이저 프로파일러를 사용하는 머신 비전 솔루션은 레이저 라인 생성기, 레이저 라인의 반사를 캡처하는 카메라, 이미지를 처리하고 3D 데이터를 추출 하는 컴퓨터(경우에 따라 2D 이미지도 포함)의 세 가지 필수 요소로 구성된다. 3D 카메라가 2D 이미지도 생성하는 경우, 카메라는 레이저 조명의 2D 강도 데이 터를 3D 모델에 매핑하여 2D 이미지를 생성한다.

작동 중 제품은 레이저 라인을 통과한다. 카메라는 레이저 라인의 평면을 가로지르는 스캔 대상 물체의 프로파일을 캡처한다. 레이저 라인이 물체에 투사될때 카메라는 부품의 프로파일 변화를 캡처하여 물체의 높이를 식별한다. 시스템은 강력한 이미지 처리 소프트웨어를 사용하여 이러한 프로파일을 3D 포인트 클라우드 또는 높이 맵으로 빠르게 조합할 수있다.

레이저 광선은 일관성이라는 기본 특성 때문에 3D 스캐너에 특히 적합하다. 레이저 빔은 가능한 한 가장 얇고 발산이 적은 선을 만들고 밝게 유지한다. 레이저 프로파일러의 부채꼴 빔과 같이 얇은 빛으로 퍼지면 종이 몇 장 정도의 두께로 먼 거리까지 투사할 수 있다. 그러나 이러한 동작에는 비용이 발생할 수 있다.

<그림1> 2.5D 높이 맵                                                <그림2> 3D 포인트 클라우드

순도가 문제가 될 때
 

레이저 빛의 순수한 파장 또는 ‘톤’은 스스로 간섭하여 이미지에 무작위로 어둡고 밝은 점을 만들 수 있으며, 이는 우리가 수십 년 동안 레이저 조명의 기본으로 받아들여온 거친 ‘반점’이다. 콘서트 홀과 두 명의 바이올리니스트를 실험의 요소로 사용하면 이 현상의 기본 원리를 간단하게 이해할 수 있다.

이 콘서트 홀에서 관객 한 명(레이저 프로파일러의 센서에 해당)은 오케스트라의 가운데 좌석에 앉아 모든 현악기가 관객과 같은 거리에 있도록 한다. 첫 번째 의자에 앉은 바이올리니스트가 440Hz로 완벽한 A 음을 연주한다. 옆 의자에 앉은 바이올리니스트는 같은 힘과 마찰을 이용해 같은 음을 연주하지만 음량이 약간 낮다. 관객과 바이올리니스트 사이의 거리가 변하지 않았는데 어떻게 이런 일이 일어날 수 있을까? 뭔가 다른 일이 일어나고 있는 게 분명하다.

청중은 악기에서 직접 들려오는 바이올린 소리와 방 안의 다른 모든 것에서 반사되는 모든 소리의 합을 듣게 된다. 레이저와 마찬가지로 바이올리니스트는 단 하나의 주파수로만 이루어진 정현파를 연주한다. 그러나 파동이 바이올린에서 청중에게 도달하는 경로가 다르기 때문에 파동이 합쳐져 강도가 높아지거나 서로 상쇄되어 강도가 낮은 구간이 만들어질 수 있다. 예를 들어 피크가 저점을 상쇄하는 식이다.

바이올리니스트 뒤에는 의자, 풍경 조각, 벽면 패널이 많아 서로 다른 거리에서 소리를 반사하고 위상을 달리하기 때문에 소스 위치의 작은 변화에 따라 청중이 듣는 소리의 크기나 강도가 달라진다. 반점도 마찬가지이다. 스캔 대상 물체의 표면 거칠기의 미세한 변화(예시에서는 무대 뒤의 어수선 함으로 표현됨)로 인해 특정 위치에서 레이저 조명이 더 밝아지거나 어두워질 수 있다.

콘서트홀을 설계할 때 건축가는 관객이 어디에 앉든 모든 지점에서 좋은 소리를 들을 수 있도록 하기 위해 많은 시간과 비용을 투자한다. 마찬가지로 계측학에서도 반점의 영향은 중요하다. 무작위로 어둡고 밝은 패치가 생기면 평평한 부분의 직선 레이저선에 물결 모양이 생길 수 있다.

이러한 흔들림 또는 불확실성은 자동화된 프로세스의 오류, 예를 들어 교정할 수 없는 높이의 잘못된 측정에 직접적으로 기여한다. 레이저 광학의 이러한 근본적인 한계는 수십 년 동안 인라인 계측 시스템을 괴롭혀왔다.

Speckle 문제 해결
 

대부분의 레이저 삼각 측량 시스템에는 반점이 있다. 엔지니어는 다양한 방법으로 Speckle의 영향을 줄이려고 노력한다. Speckle을 제어할 수 있는 기본 드라이버 또는 변수는 파장과 카메라의 조리개이다. Speckle 콘트라스트는 파장에 비례하고 조리개에 반비례한다.

더 짧은 파장과 더 큰 조리개로 변경하면 평균 반점 대비가 50% 이상 감소할 수 있지만, 피크-밸리(peak-to-valley) 오차는 거의 변하지 않는다. 이 반점 선이 포트홀(pothole)이 있는 도로라면 포트홀의 수는 줄어들고 평균적으로 포트홀의 깊이는 낮아지겠지만 결국 운전자는 여전히 여러 개의 큰 포트홀에 부딪히게 될 것이다.

반점의 효과를 없애기 위해 일반적으로 사용되는 또 다른 방법은 여러 이미지를 수집하여 평균을 내는 것이다. 이 방법은 이미 지의 반점 패턴이 모션이나 다른 방법으로 충분히 변경되었다면 이미지 수의 제곱근의 역수만큼 이미지에서 반점을 줄인다. 결과 이미지는 공간적 특징을 평균화하여 이전 방법보다 장면을 더 정확하게 표현할 수 있지만, 이 과정에는 상당한 시간과 처리 오버헤드가 발생한다.

마지막으로 레이저 홀로그래피에 사용되는 두 가지 고전적인 기술은 레이저를 움직이거나 레이저와 조명 대상 장면 사이에 디퓨저를 움직여 반점을 줄이거나 거의 없애는 것이다. 이렇게 하면 Speckle을 크게 줄일 수 있지만, 무게가 몇 그램에 달하는 무거운 물체를 움직이면 카메라 통합 시간이 수 밀리초로 제한되어 수십 마이크로초의 측정이 필요한 경우가 많다. 또한 디퓨저는 빔 품질을 떨어뜨려 얇은 빛 시트를 얻을 수 없게 만든다.

공장 자동화를 위한 SPECKLE-FREE 레이저 라인
 

Cognex는 3D 레이저 프로파일링 기술에 대한 특허를 획득했다. 반점 효과를 제거하고 매우 직선적이고 깨끗하며 밝은 선을 생성하는 동시에 클래스 2M 레이저 눈 안전 한계 내에서 작동하고 더러운 환경으로부터 3D 비전 시스템을 보호한다.

이 접근 방식은 450nm 청색 레이저로 시작된다. 미세전자기계 (MEM) 미러가 특수 디퓨저 옵틱을 향해 26kHz로 빔을 앞뒤로 스윕한다. 이 고체 광학 소자는 확산되지 않은 레이저 빔과 동등한 ‘시트 두께’를 유지하면서 레이저 광선을 완벽하게 균일한 팬으로 한 방향으로 확산시키는 고유한 특성을 가지고 있다.

또한 선을 따라 강도 분포가 균일하다. 필드 렌즈는 레이저 팬을 집중시키며, 기존의 레이저 라인 제너레 이터에 비해 광 손실이 크지 않다. 이 두 광학 요소가 함께 물체에 레이저 라인을 생성하여 이미저에 다시 반사되면 레이저의 밝기를 유지하면서 모든 얼룩을 제거한다.

움직이는 부품을 통해 새로운 장애 지점을 도입하면서 Speckle의 영향을 완화하려는 기계 시스템과 달리, 이 Speckle free 레이저는 소스에서 Speckle의 원인을 제거한다.

<그림3> 파란색 반점 없는 레이저 라인(왼쪽) 및 빨간색 레이저와 점선(오른쪽)이 있다.

<그림4> 파란색 반점 없는 레이저 라인(왼쪽) 파란 레이저 선(오른쪽) 을 사용한다.

레이저 라인은 다중 부분 광학을 따라 수천 개의 서로 다른 지점으로부터 투사되기 때문에, 수천 개의 상관없는 반점 패턴을 생성하여, 반점의 다른 소스인 대물 렌즈 반점을 제거한다. 이 투사 방법은 작업자에게 안전하다는 추가적인 이점이 있다.

레이저 라인이 빛의 단일 지점이 아닌 전체 너비에서 투사되므로 안전 위험을 내포할 수 있는 빛의 양이 감소하는 동시에 라인 밝기가 높게 유지된다(집중 지점 빛에서 그려진 라인보다 부채꼴 빔이 밀리미터당 더 적은 광원을 가짐). 그 결과, 이 특허 받은 레이저 이미징 기술은 3B 또는 3R이 아닌 2M으로 분류되어 필요한 안전 장비, 엔지니어링 및 비용을 크게 줄인다.

마지막으로, 선형 확산기를 따라 수천 개의 지점으로부터 전폭으로 투사 되기 때문에, 레이저 광학 상의 먼지 및 오염물은 라인을 파괴하지 않고 단지 약간 어둡게 할 것이며, 3D 비전 시스템의 작동에 영향을 미칠 정도는 아니다. 이 시스템은 매초 동일한 영역에 투사되는 수십만 개의 개별 레이저선의 오버레이에서 레이저선을 생성한다. 즉, 사용자는 공기 중 오염 물질로 인해 시스템이 빠르게 작동하지 않을 것이라는 우려 없이 3D 레이저 변위 센서를 뒤집힌 위치에 안심하고 설치할 수 있다.

<그림5, 6> Cognex 3D 비전 시스템은 특허 받은 반점 없는 레이저를 사용하여 주조 금속 부품을 검사한다

더 빠르고 정확한 3D 검사
 

반점이 없는 레이저 라인은 더 높은 공간 해상도를 제공하여 3배 더 정확한 3D 측정이 가능하다. 레이저 라인의 선명함과 밝기, 수집 속도 등의 추가적인 이점 덕분에 같은 솔루션에서 고해상도 2D 그레이스케일 및 3D 용적 이미지를 생성할 수 있으므로 비용을 줄이면서 기능을 추가할 수 있다. 

자동차, 포장 및 전자 산업에서 점점 더 많은 응용 분야에서 자동화 솔루션을 위해 2D 또는 3D를 선택해야 하는 문제는 주로 3D 시스템의 비용과 복잡성에 초점을 맞추었다. 그러나 대부분의 설계자들은 자동화된 제조 문제를 해결할 때 2D 데이터보다 3D 높이 데이터를 선호한다.

3D 레이저 스캐닝의 발전으로 이미지 획득, 통합, 운영 비용이 낮아지면서 설계자는 더 이상 비용 절감을 위해 정밀도를 포기할 필요가 없다. 스마트 카메라 시스템의 최고의 기능과 최첨단 머신 비전 알고리즘, 3D 레이저 프로파일링의 성능을 결합한 3D 비전 시스템은 공장 자동화를 혁신하는데 중요한 도구이다.

<그림7> Cognex 3D 비전 시스템에 의해 생성된 3D 포인트 클라우드 정렬

<그림8> Cognex 3D 비전 시스템에 의해 생성된 3D 포인트 클라우드 블롭
 

자료제공: Cognex(www.cognex.com)