머신 비전 시스템을 위한 구조화 조명과 텔레센트릭 조명
구조화 조명 이용하기
조명은 모든 머신 비전 시스템의 핵심 구성 요소로서 간혹 적절한 이미징 시스템과 뛰어난 시스템 간의 차이점이 되기도 한다. 어플 리케이션에 알맞은 조명을 선택하기 위해서는 용도별로 조명 위치와 파장을 꼼꼼히 검토해야 할 뿐 아니라 일부 시스템의 경우에는 시스템 성능을 극대화하기 위해 구조화 조명이 필요하기도 한다.
구조화 조명은 특정 패턴의 빛을 이용해 물체의 기하학적 모양과 깊이를 파악한다. 격자, 점, 선과 같은 다양한 패턴으로 피사체에 조명을 비춤으로써 효과적인 3D 시스템을 구축함과 동시에 비용, 부품 수, 그리고 복잡성을 최소화할 수 있다.
보정이 잘 된 시스템은 계측 정확도를 높이기 때문에 구조화 조명을 보편적으로 사용할 필요는 없으며, 계측 용도별로 서로 다른 구조를 사용해야 한다는 점을 이해하는 것이 중요하다. 예를 들어점 격자 패턴은 피사체 상에서 몇 개의 점을 검사하는 데는 충분할 수 있지만 피사체의 3차원 프로파일을 측정하기 위해서는 한개 또는 여러 개의 선으로 이루어진 패턴이 필요할 수 있다. <표 1>은 일반적인 구조화 조명 패턴과 이에 적합한 용도를 보여준다.
<표1> 일반적으로 사용되는 구조화 조명 패턴
텔레센트릭 조명, 머신 비전 어플리케이션에서의 중요성
이미징 및 검사 프로젝트 진행 시 광학적 성능을 제대로 발휘하기 위해서는 광학 부품의 정밀한 배치가 필요하다. 머신 비전 검사 용도에는 몇몇 핵심 부품으로 불리는 이미징 렌즈, 조명 광원, 카메라, 기계 부품이 이용된다. 어플리케이션을 성공적으로 이끌기 위해서는 이미징 렌즈와 카메라의 올바른 선택이 필수적으로 반영되어야 하지만, 조명 역시 매우 중요한 역할을 한다.
가장 정밀한 유형의 조명 형태 중 하나는 텔레센트릭 조명이다. 그렇다면 텔레센트릭 조명이란 무엇일까? 표준 암시야 조명에 비해 어떠한 방식으로 더 나은 결과를 이끌어낼 수 있을까? 이러한 질문에 대한 답변을 얻기 위해서 는 조명의 이론과 이점 및 실전에서의 검사 용도를 검토해야 한다.
텔레센트릭 조명의 이론
광학 분야에서 telecentricity는 특정 다중 요소 렌즈 디자인에 독특한 특성이 더해져 이미지와 피사체의 공간에서 주광선(chief ray)이 광축에 평행하게 응집되는 특징을 갖는다. 이미지와 피사체의 위치와는 무관하게 배율을 일정하게 만드는 것이 바로 telecentricity에서 가장 핵심이 되는 특징이다. Telecentricity는 피사체 공간, 이미지 공간, 더블과 같이 3가지로 분류된다.
조명의 경우 빛이 광축에 평행하게 시준된다는 개념 또한 적용 된다. 이러한 개념이 적용된 케이스로는 텔레센트릭 조명기가 있다. 텔레센트릭 조명기는 옵틱을 이용해 광섬유 라이트 가이드나 LED로부터의 빛을 검사 중인 피사체로 유도하여 콘트라스트가 높은 실루엣을 생성한다.
텔레센트릭 조명기를 이용하면 피사체로부터 확산 반사(diffuse reflection)가 줄어들면서 가장자리의 콘트라스트와 측정 정확도가 증가한다. 시준된 광선은 조명기를 빠져 나와 피사체의 표면을 비추면서 평행성을 유지한다. 이와는 대조적으로 표준 백라이트의 광선은 확장되면서 다른 빛과 간섭을 이루어, 확산 반사를 생성하게 된다(그림1).
<그림1> 왼쪽 이미지는 텔레센트릭 조명기의 시준형 광선(collimated light ray). 오른쪽 이미지는 표준 백라이트의 확산 반사(diffuse reflection).
텔레센트릭 조명이 콘트라스트가 높은 실루엣을 생성하는 방식은?
텔레센트릭 조명기는 고품질의 유리 소재 광학 렌즈를 이용해 광섬유 라이트 가이드나 LED 스폿 라이트의 빛을 시준하는 역할을 한다. 광원으로부터 분산된 빛은 글래스 어셈블리로 입사하여, 평행을 이루기 때문에 머무르는 동안 매우 높은 응축력을 보인다. 따라서 텔레센트릭 조명기로 진입하는 대부분의 빛(각각의 렌즈에 의한 후방 반사 및 흡수는 무시)이 검사할 피사체를 비추게 된다.
텔레센트릭 조명의 장단점
텔레센트릭 조명은 어플리케이션의 성공을 위해 정확도, 반복성, 처리량이 핵심 요인이 되는 정밀 측정 용도에 이상적으로 사용할수 있다. 최상의 결과를 도출해내기 위해서는 텔레센트릭 조명의 8가지 주요 이점을 검토해야 한다.
1. 미세한 결함에 대한 뛰어난 감지력
2. 표준형 백라이트 조명에 비해 측정 정확도와 반복성이 향상됨
3. 확산 반사로부터 발생하는 모서리 부분의 블러 제거
4. 시준된 광선의 광강도 향상
5. 모서리의 블러가 제거되고 광강도가 증가하여 이미지의 콘트 라스트가 높아짐
6. 빛의 강도 증가로 카메라의 노출 시간이 줄어듦
7. 표준형 백라이트 조명에 비해 시스템이 훨씬 빠르고 처리량이더 많아짐 8. 피사체와 광원 사이의 거리가 증가함
그러나 텔레센트릭 조명기에도 고가의 비용과 공간의 소모와 같은 몇가지 단점이 있다. 피사체의 크기가 클수록 텔레센트릭 조명기 역시 규모가 커져야 한다. 공간이나 비용이 주된 관심사인 어플리케이션의 경우에는 시준 백라이트가 더 바람직한 옵션일수 있다. 시준 백라이트는 빛을 시준하기 위해 필름이 내장된 표준 백라이트이다. 텔레센트릭 조명기보다는 성능이 떨어지지만, 표준 백라이트에 비해서는 분산이 덜하기 때문에 확산 반사로 인해 발생하는 모서리의 블러를 다소 제거할 수 있다.
어플리케이션 예제
텔레센트릭 조명의 이론적 틀을 이해하는 것이 중요한 첫 단계이긴 하지만, 정밀 조명의 기하학적 구조를 실제로 적용한 어플리케 이션을 분석해 보면 왜 이러한 조명이 머신 비전 용도에 필요한지 확실히 알 수 있다.한 가지 예로는 stainless steel post의 스레드 직경 측정과 검사가 있다. 검사해야 할 피사체의 크기(10mm)가 작고 스레드 피치를 측정해야 한다면 육안 검사를 통한 분류는 사실상 불가능하다.
여기서 예로든 어플리케이션에는 앞쪽에 표준 LED 백라이트가 달린 SilverTL Telecentric Lens (#56-678)를 640 x 480 픽셀 CCD 카메라에 설치한 시스템이 이용됐다. 일단은 이미지 확보를 위해 피킹 로봇으로 부품을 제조 턴테이블에서 비전 시스템 쪽으로 옮긴 후, 여기서 수집된 이미지 정보를 이용해 피킹 로봇으로 부품의 합격/불합격 여부를 지정했다.
표준 백라이트 시스템이 아무리 잘 설계되었다 하더라도, 10mm 이하의 부품은 검사가 불가능하고 한도가 10ppm으로 제한되어 신규 생산 라인의 흐름을 따라잡기 위해 한도가 40ppm은 되어야 했다. 게다가 확산 LED 백라이트로부터 생산되는 빛은 광도가 낮아 2.5ms의 카메라 노출 시간이 필요했다. 단, 이미지 캡처에 블러가 발생하지 않도록 신규 생산 라인의 스피드는 800μsec만 허용했다.
한 가지 간단한 해결책은 카메라의 게인 세팅 값을 올려서 노출 시간을 줄이는 것이었다. 그러나 이러한 방식은 시스템의 신호대잡음비를 높이고 측정 정확도를 감소시켰다. 위 예제를 통해 왜 텔레센트릭 조명기를 사용해야 하는지에 대해 확인할 수있다. 확산 LED 백라이트를 TECHSPEC Telecentric Backlight Illuminator(#62-760)와 교체하면 스레드를 비추는 빛의 강도가 증가하여 카메라의 노출 시간은 줄어들고 확산 반사가 감소하여 이미지 전체의 콘트라스트는 증가하게 된다.
본래의 셋업에서는 백라이트로부터 확산 반사가 일어나 모서리에 블러가 발생했다. 텔레센트릭 조명기로 교체 후에는 모서리 부분이 더욱 선명해져 검수의 합격/불합격 여부를 더욱 쉽게 결정할 수 있게 됐다(그림2). 뿐만 아니라 스레드의 측면에 있는 블러는 표준 백라이트로 거의 눈에 띄지 않지만, 텔레센트릭 조명기로는 쉽게 발견되어 측정이 수월해진다. 텔레센트릭 조명기 시스템과 표준 백라이트 시스템의 콘트라스트 값은 오른쪽의 그래프를 통해 확인할 수 있다. 우물 모양(well)이 넓을수록 더 높은 콘트라스트를 의미하며 결과적으로 측정 정밀도가 향상된다.
<그림2> 왼쪽 이미지는 표준 백라이트 시스템의 엣지에서 나타나는 블러를 나타 냄. 오른쪽 이미지는 텔레센트릭 조명기 시스템의 선명한 엣지 실루엣을 나타냄.
텔레센트릭 조명은 고속 이미징, 제조 현장 자동화, 실루에팅 및 결함과 엣지 감지와 같은 광범위한 머신 비전 어플리케이션에 유용하다.
표준 백라이트와는 달리 텔레센트릭 조명의 사용은 실루엣을 선명하게 보이도록해 엣지와 결함을 감지하는데 이상적이다. 특히 텔레센 트릭 조명의 이점은 모서리 쪽에 블러가 발생하지 않는 고대비 이미지와 고속의 자동화를 요구하는 어플리케이션에 특히 더 중요하다.
자료제공: 에드몬드옵틱스(www.edmundoptics.co.kr)
