SWIR(단파적외선) 조명 활용 예시
세계 최초 산업용 고전력 SWIR 조명
국제 무기 거래 규정으로 인해 군용에만 제한적으로 적용이 가능했던 InGaAs 격자를 활용한 SWIR LED가 산업용으로 재탄생했다. 메타페이즈 테크놀로지(Metaphase Technologies, 이하 메타페이즈)의 SWIR LED 조명과 다양한 카메라가 만나 현장 테스트를 거쳐 성능을 입증했다. 새로운 SWIR 조명을 활용하면 비전 시스템으로 탄소가 풍부한 물질, 액체 및 다중 레이어 물체의 결함 감지 기능을 향상 시킬 수 있다.
혼합되지 않는 기름과 물
기름과 물은 밀도가 다르기 때문에 밀도가 더 낮은 기름이 물 위에 뜬다. 물과 기름의 차이는 외관상으로 쉽게 식별 할 수 없으며, 카메라 또한 구분하기 힘들다. 프린스톤 테크놀로지(Princeton Infrared Technologies, 이하 프린스톤)는 1280SCICAM과 메타페이즈의 SWIR 조명을 사용해 금속 판 위에 뿌려진 물과 기름의 시각적 차이를 포착하는 실험을 했다. SWIR 카메라와 조명을 통해 본 물과 기름의 그레이 스케일의 차이는 명확했다. 특히 금속 배경에서 확연한 차이를 보였다.
1450㎚ 또는 1550㎚ SWIR 조명인 에어리어 스캔을 위한 메타페이즈 ISO2 모델 또는 라인 스캔을 위한 UL 모델을 사용하면 물과 기름의 식별이 가능한 이미지를 촬영할 수 있다. 자동차 부품을 만드는 업체는 오일 잔여물 없이 세척된 기계 부품, 엔진 및 충격 흡수 장치의 오일 누출 및 개스킷 등 기계로 생산 및 찍어낸 자동차 부품 검사에 SWIR 기술을 사용하고 있다.
SWIR을 활용한 반도체 검사
반도체 웨이퍼 검사의 경우 SWIR을 활용하면 내부의 제조 결함을 감지할 수 있다. 적절한 파장의 SWIR을 사용하면 빛이 실리콘 웨이퍼를 관통하기 때문에 카메라에 투명하게 촬영돼 가능한 현상이다. 웨이퍼를 통과하는 SWIR 이미징에 필요한 파장은 반도체의 도핑에 의해 좌우된다. 도핑이란 반도체에 불순물을 첨가해 전기적 특성을 얻어내는 방법을 말한다.
일반적으로 웨이퍼를 통과하는 SWIR의 범위는 1300㎚, 1450㎚, 1550㎚이다. 가장 큰 반도체 칩 제조업체 중 한 곳은 와이어 본딩 프로세스 후 내부 및 열 결함 감지를 위해 SWIR 카메라와 백라이트를 사용한다. 얼라이드비전(Allied Vision)의 Goldeye SWIR 카메라와 메타페이즈의 1300㎚ SWIR 백라이트를 조합하면 반도체 내부 결함 감지가 가능하다.
내부 결함 검사의 종류에는 먼지와 오염물 및 코팅재가 칠해지지 않은 동심원 링 모양의 보이드(void) 결함이 포함된다. 검사 시스템은 링의 수를 계산해 결함 레이어를 판별한다. SWIR 백라이트 이외에도 확산된 프론트 라이트, 돔 라이트 또는 UL 라인 스캔 라이트와 같은 다른 조명과 조합해 사용할 수 있다.
제약분야 & 트레이서빌리티(Traceability)
의료 기기 및 제약 산업과 같이 엄격한 품질 관리 및 트레이서빌리티를 요구하는 까다로운 분야도 UV(Ultraviolet Ray)를 볼 수 있는 머신비전 애플리케이션을 활용하기 위해 SWIR 기술을 채택한다. UV가 활용되는 애플리케이션에는 수액 백 및 바이알의 채움 레벨 감지, 불투명한 튜브의 내부 직경 치수 측정 및 바이알 플라스틱 뚜껑의 텍스트 존재 확인 등이 있다.
또한 카본 잉크는 SWIR 스펙트럼에서 물처럼 높은 흡광도를 가져 까맣게 표현된다. 바이알의 불투명한 플라스틱 뚜껑 아래에 위치한 문자가 카본의 SWIR 빛 흡광도를 보여준다. 이 이미지는 SWIR 비전 시스템(SWIR Vision Systems)의 Acuros SWIR 카메라와 1450㎚ SWIR 하이브리드 스포트라이트를 조합해 촬영됐다. 카본 프린트의 검사를 사용하면 OCR/OCV를 통해 추적에 적합한 바이알 뚜껑 검사를 할 수 있다. 이 외에도 SWIR 카메라와 백라이트는 식염수, 물, 혈액 등 다양한 내용물의 채움 레벨 탐지 및 검사에 사용된다.
전자 및 인쇄 회로 기판(PCB) 검사
전자 및 인쇄 회로 기판(PCB) 분야 역시 SWIR 기술을 널리 활용한 시장이다. 전자 장치의 소형화 및 다층화의 사용으로 인해 X선 기술을 사용하지 않고 표면 아래의 이미지 레이어가 필요한 경우 SWIR 기술이 적합하다.
SWIR 기술은 뉴 이미징 테크놀로지(New Imaging Technologies)의 WiDy SWIR 카메라를 사용해 RFID 카드의 하위 레이어를 촬영하는데 사용됐다. 다양한 조명을 활용할 수 있다면 메타페이즈의 1450㎚ SWIR 프론트 라이트를 사용해 프론트 라이팅 방식을 사용하거나 백라이트를 사용할 수 있다. SWIR은 표준 가시광선 조명으로는 해결이 어려운 응용 분야에서 추적 검사 및 부품 식별을 수행 할 수 있는 능력을 갖추고 있다.
SWIR 라인 스캔
SWIR 이미징은 에어리어 스캔 애플리케이션에만 국한되지 않고 라인 스캔 카메라 애플리케이션에도 매우 적합하다. SWIR 라인 스캔 카메라의 필수조건은 조명, 빠른 촬영속도, 고해상도 등 가시영역 스펙트럼용 라인 스캔 카메라와 동일하다. SWIR 에어리어 스캔과 라인 스캔 카메라의 중요한 차이점은 비용이다. 인듐갈륨비소(이하 InGaAs) 소재 가격으로 인해 카메라 및 조명 비용이 좌우되는데 라인 스캔 형식에서 InGaAs 소재가 훨씬 적게 사용되기 때문에 라인 스캔 카메라가 비교적 저렴하다.
SWIR 라인 스캔 설정의 진정한 장점은 해상도이다. 현재 미국의 국제 무기 거래 규정인 ITAR(International Traffic in Arms Regulations)은 영역 스캔 카메라의 해상도를 VGA(640×480)로 제한하는 반면 라인 스캔 카메라는 ITAR 제한이 2k 픽셀 해상도 이상이다.
잘 알려진 SWIR 라인 스캔 카메라로는 프린스톤의 Linecam12와 제닉스(Xenics)의 Lynx가 있다. 할로겐 광원의 스펙트럼에는 SWIR 파장이 포함되지만 LED 기반 SWIR 조명에는 상당한 이점이 있다. 주요 장점 중 하나는 제품 무결성, 안전성, 전력 요구사항 및 냉각에 영향을 미치는 발열량이 적다는 점이다. 다른 장점으로는 선택 가능한 SWIR 스펙트럼과 긴 수명 등이 있다.
사진 15는 코팅제를 손으로 막아 보이드가 생겼을 때 SWIR 이미지 상에 어떠한 변화가 나타나는지 시뮬레이션한 모습이다. 사진 16, 17은 페인트로 덧칠한 카본 프린트의 빛 흡수를 테스트하기 위해 SWIR 라인 스캔 카메라를 사용해 촬영한 사진과 일반 카메라로 촬영한 사진을 비교한 모습이다.
프린스톤과 메타페이즈는 수성 페인트로 덧칠해진 로고를 일반카메라와 SWIR 카메라로 촬영 및 비교했고, SWIR의 경우 페인트를 투시해 로고를 명확하게 볼 수 있다.
SWIR 라인 스캔의 밝은 전망
이 외 응용 분야는 SWIR 조명과 카메라를 사용해 예술품의 진품 여부를 판단하는 것이다. 박물관과 골동품 상인들은 탄소가 SWIR 스펙트럼의 흡수성이 높다는 점을 이용해 캔버스의 연필 스케치를 이미지화하기 위해 SWIR을 사용한다. 일부 경우에는 위조 여부를 판단하는데 사용할 수도 있다.
사진 19의 왼쪽 이미지에는 제닉스 카메라와 메타페이즈 조명을 사용해 SWIR 검사로 볼 수 있는 세부 정보가 있다. 메타페이즈 LED 조명은 할로겐 보다 적은 열을 발생시키기 때문에 훌륭한 대안으로 부상했다. 열 발생이 적을수록 보다 안전한 미술 작품 검사에 도움이 된다. 특히 희귀한 종류의 예술 작품이라면 열 관리가 필수적이다.
출처 : Metaphase (www.mataphase-tech.com)
