EDMUND OPTICS / 머신 비전의 실루엣 조명

정밀한 검출과 에지 및 작은 결함의 측정을 요구하는 머신비전 응용 분야에는 종종 어려운 조명 설정이 요구된다.

중요 세부 사항과 이미지 배경 사이의 대비를 최대화하려면 실루엣 조명(silhouetting illumination)이라고 하는 조명 기법을 사용하면 된다. 고품질의 텔레센트릭 이미징 렌즈(telecentric imaging lens)와 함께 사용할 경우, 실루엣 조명 설정은 다른 조명 시스템에서 발생할 수 있는 산란 효과(scattering effects)를 줄이고 더 정확한 에지 감지(edge detection)를 허용하며 전반적인 이미지 대비(image contrast)를 향상시킨다. 실루엣 조명을 만드는 데 도움 되는 네 가지 별개의 조명 장치가 있다.

기존의 백라이트(conventional backlight), 마스킹 된 백라이트(masked backlight), 평행 백라이트(collimated backlights, 혹은 시준된 백라이트) 그리고 텔레센트릭 조명기(telecentric illuminator)이다. 각 조명기에는 애플리케이션에 따라 가장 잘 통합될 수 있는 뚜렷한 장단점이 있다.

발산 및 개구수(NA, Numerical Aperture)

서로 다른 유형의 실루엣 조명 장치의 실루엣을 그리기 전에 광원과 이미징 렌즈의 발산(Divergence)과 개구수(NA)를 확인해야 한다.

소스의 발산은 광선이 광축에 대해 전파하는 각도다. 발산 광원은 표준 플래시와 마찬가지로 조명 프로파일이 초기지점에서 멀어질수록 크기가 커지는 광원이다. 광 소스가 앞으로 이동함에 따라, 크기가 커지는 것처럼 보이지 않으면 광원은 평행광원으로 정의되며 가장 일반적인 광원은 레이저다.

소스의 광선이 서로 평행을 이루면 평행광선이 발생한다. 이것은 광학을 사용해 발산 빔을 조작하거나, 발산 소스를 대상물에서 충분히 멀리 떨어뜨려 놓으면 대상물에 도달할 때까지 시준된 것처럼 보인다. 광선은 포지티브 렌즈의 초점에 발산 소스를 위치시킴으로써 굴절을 거친 후에 평행을 이룬다. 광원의 크기와 사용되는 특정 렌즈에 따라 최종 광선이 얼마나 잘 모아주는지가 결정된다.

식 1은 평행된 빔 θ에서의 왼쪽 발산과 소스 D의 직경 및 시준 렌즈의 초점 길이 f사이에 대한 관계를 보여준다. 방정식은 렌즈의 형상 계수와 도형 오차 또는, 굴절 표면의 거칠기와 같은 평행된 빔의 품질에 영향을 줄 수 있는 다른 측면을 고려하지 않는다. 방정식 1은 결과 발산과 빛 수집 사이에 종종 필요한 절충을 표시한다. 그림 1에는 간단한 시준 설정이 요약돼 있다. 시준된 빔의 끝 직경이 사용된 시준렌즈의 최종직경과 어떻게 동등한지를 보여준다.

식 1.

광원의 발산이 작을수록 광원이 실루엣을 조명하는 데 유리하다. 그림 2는 평행광과 발산 소스가 검사 대상과 어떻게 다르게 작용하는지를 보여준다.

발산 소스의 광선은 다양한 각도로 물체의 가장자리에 부딪혀 빛의 산란을 유발한다(그림 3 참조). 산란광은 검사 중인 부품의 형상 및 매끄러운 정도와 반사율과 같은 재료 특성에 따라 다르다. 이렇게 하면 산란된 광선이 부품 자체의 물리적 경계 내에서 발생하는 것처럼 보이는 효과가 생성된다. 조준된 광원의 광선이 물체를 똑바로 쳐서 빛의 산란을 크게 줄이고, 배경과 실루엣 사이에 잘 정의된 가장자리를 만든다.

개구수는 시스템에 적합한 렌즈와 조명소스 쌍을 선택할 때 고려해야 할 가장 중요한 요소 중 하나다. 렌즈의 개구수는 축이 없는 빛을 모을 수 있는 능력을 나타내는 단위 없는 숫자다. 식 2는 소스의 NA가 그것의 발산 θ에 의해 정의됨을 보여준다.

식 2.

이미징 렌즈의 개구수는 제조 사양의 일부로 포함될 수 있지만 F 수의 역수를 사용해 추정할 수도 있다(식 3 참조). 두 가지가 직접 관련돼 있기 때문에 NA를 사용해 이미징 렌즈의 해상도와 피사계 심도를 정의할 수도 있다.

식 3.

이미징 시스템의 효율을 극대화하려면 이미징 렌즈와 소스의 수치가 같아야 한다. 출처의 개구수가 렌즈가 처리할 수 있는 수치보다 훨씬 큰 경우 산란 및 미광에 문제가 발생할 수 있다. 렌즈의 NA가 광원보다 훨씬 크면 이미지가 어둡게 보일 수 있으며, 대비가 부족할 수 있다. 실루엣 조명 설정에서 텔레센트릭 렌즈는 종종 이미징 렌즈로 사용된다. 건설 때문에 텔레센트릭 렌즈의 배율은 물체에서 멀어지거나, 멀어지면서 일정하게 유지된다. 따라서 물체의 모양과 크기를 측정하는 등의 실루엣 조명이 도움 이 되는 애플리케이션에 이상적이다. 텔레센트릭 렌즈는 종종 표준 고정 초점거리 이미징 렌즈와 비교해 더 작은 개구수를 가지므로, 조명을 더욱 중요하게 생각해서 선택하게 된다.

기존의 백라이트

종래의 백라이트는 검사 대상물 뒤에 배치된 발산형 광원이다. 그들은 종종 덜 까다로운 실루엣 이미징 설정에 사용되는, 광원을 만드는 확산기(diffuser) 뒤에 LED 또는 무작위로 배향된 광섬유와 같은 많고 작은 광원을 배치해서 구성한다.

이러한 광원은 주로 현미경 응용이나 비 반사인 물체와 같이 정밀한 에지 감지가 필요하지 않을 때 사용된다. 기존 백라이트의 또 다른 장점은 비교적 저렴한 가격과 넓은 가용성 및 더 작은 구조로 공간 제약이 많은 설치에 쉽게 통합할 수 있다는 것이다.

이와 같은 유형의 백라이트는 발산소스와 확산기를 통합한다. 때문에 결과적인 빛은 종종 물체의 가장자리에서 산란될 수 있다. 그림 5와 같이 물체가 금속성이며 반사성이 있으면 쉽게 알아볼 수 있다.

분산은 그라데이션 및 흐린 에지로 나타난다. 사용자 또는 소프트웨어가 대상물의 에지가 있는 곳을 알아내기 어려울 수 있다. 많은 양의 산란은 불필요한 객체 부분을 조명하고 오도된 데이터를 가져올 수 있다. 그림 6에 도시된 에지 프로파일은 에지의 상대 강도가 약 30픽셀의 범위에 걸쳐 밝은 곳에서 어두운 곳(고에서 낮음)으로 진행되며, 대상 측면에 대해 문자가 데이터에 잔물결을 일으킨다.

마스크된 백라이트

기존 발산 백라이트에서 얻은 실루엣의 가장자리에 산란된 빛(scattered light)을 애플리케이션에서 사용할 수 없을 때, 백라이트와 물체 사이의 거리를 늘리면 백라이트 광선이 덜 발산하는 것처럼 보인다. 그러나 백라이트가 너무 멀리 떨어져 있으면 많은 빛이 손실될 수 있으므로 최상의 해결책은 아니다. 백라이트가 물체에 너무 가깝다면 백라이트 고유의 발산으로 인한 산란 효과는 여전히 문제가 된다.

그림 7에서 보듯이 검사 대상은 백라이트의 전체 크기보다 훨씬 작다. 이는 백라이트가 사용되지 않는 부분에서 나온 광선이 물체의 가장자리에 부딪혀서 상호 작용하는 근처의 광선보다 크고 밝은 가장자리에 산란을 일으킬 수 있음을 의미한다. 백라이트를 마스킹 함으로써 외부 광선을 차단해 에지 분산을 줄일 수 있다.

백라이트를 마스킹하려면 나사지(flock paper)와 같은 불투명한 물질을 사용해 백라이트 중 애플리케이션에 필요 없는 부분을 차단해야 한다. 이 방법은 빛에 빠르고 비용이 적게 드는 수정이므로 유리하다. 단점은 마스크가 가장자리 흩어짐을 완전히 제거하지 못하며 빛이 다른 크기의 객체에 대해 지속적으로 다시 마스크해야 할 수도 있다는 것이다. 렌즈 시야에서 움직일 때 검사되는 대상도 효과적으로 감춰질 수 없다. 그림 8은 마스킹 된 백라이트를 그렇지 않은 백라이트와 비교한다.

평행 백라이트(Collimated Backlights, 혹은 시준된 백라이트)

평행 백라이트는 종래의 백라이트와 유사한 구성으로 상이한 발산광원 및 확산기를 포함하지만, 백라이트의 발산을 감소시키기 위해 부가적인 평행화 필름을 갖는다. 필름은 특정 각도 범위의 광선만 방출해 발산과 프로파일이 낮은 광원을 만든다. 이 통합된 필름은 다른 크기의 물체에 대해 기존의 백라이트를 마스킹하는 번거로움 없이 낮은 에지 분산효과를 제공한다.

이러한 백라이트는 실제로 평행하지 않다. 실루엣 조명 설정에는 눈에 띄는 개선이 있다. 그림 10은 날카로운 프로파일링이 된, 가장자리가 있는 축소된 가장자리 분산의 예시이다.

모서리의 강도 프로파일(intensity profile)을 보면 깨끗한 모서리 모양이 확인된다. 그림 11은 약 20픽셀 이상에서 발생하는 밝은 곳에서 어두운 곳으로의 전환에서 훨씬 더 가파른 경사면을 보여주며, 그림 6에서처럼 노이즈가 발생하지 않는다.

평행 백라이트는 가장자리 분산이 문제가 되는 곳에서 사용되지만 공간 및 예산 제약은 텔레센트릭 조명기의 사용을 허용하지 않는다.

텔레센트릭 조명기

고정밀 응용 분야에서 매우 정확한 측정이 요구될 때 텔레센트릭 조명기를 광원으로 고려해야 한다. 텔레센트릭 조명기는 텔레센트릭 이미징 렌즈와 비슷하게 작동하지만 조리개를 무한대로 투사하는 전면 광학 요소 대신 광원을 투사한다. 이 두 광학 시스템을 함께 사용하면 앞서 언급한 백라이트 옵션에 비해 우수한 성능과 명암을 제공한다.

텔레센트릭 조명기의 주된 이점은 광학설계를 통해 높은 수준의 평행을 얻는 것이다. 발산형 LED 광원은 평행광을 생성하는 어셈블리에 통합되며 일반적으로 실제 시준보다 낮다. 이러한 유형의 텔레센트릭 조명기는 대형 포지티브 렌즈와 작은 강력한 LED를 정밀하게 배치해 날카로운 실루엣을 만들고, 다른 백라이팅 방식보다 텔레센트릭 렌즈의 NA를 일치시키는 조명 프로필을 만들어 구성된다.

그림 13은 그림 10의 동일한 개체가 텔레센트릭 조명기에 의해 다시 켜진 것을 보여준다. 대상체는 기존의 백라이트와 비교해서 가장자리 분산 효과를 보이지 않으며, 평행 백라이트와 비교해 더 날카로운 모서리 전이(edge transition)를 보이지 않는다. 그림 14는 이 예리한 전환을 확인할 수 있다. 10픽셀 미만에서의 밝은 부분부터 어두운 부분까지 경사가 있다.

높은 대비의 실루엣(high contrast silhouettes)을 달성하는 데에는 단점이 있다. 종종 텔레센트릭 조명기는 비용이 많이 들고 앞서 설명한 백라이트 옵션보다 훨씬 크다.  텔레센트릭 렌즈의 광학 설계로 인해 전면요소의 크기가 조명된 스폿의 크기를 결정한다. 큰 FOV가 필요할 경우, 대형 텔레센트릭 조명 장치가 필요하며 시스템 크기와 무게가 증가한다.

또한 소스의 NA가 낮으면 분산 효과가 없는 이미지를 만들 수 있지만 정렬이 더 어려워질 수 있다. 텔레센트릭 조명기와 렌즈 사이의 정렬이 어느 정도 벗어나면, 조명기에 의해 생성된 스폿이 매우 어둡게 나타나고 가장자리 대비가 감소한다. 그림 15는 렌즈와 조명기가 정렬을 벗어난 경우 프로파일이 얼마나 빨리 손상되는지를 보여준다.

텔레센트릭 조명기의 제조업체 사양은 때때로 혼란을 야기한다. 작동거리 값은 텔레센트릭 이미징 렌즈와 함께 사용할 때 렌즈가 올바르게 초점을 맞출 수 있는 물리적 거리(또는 거리범위)를 설명하므로 의미 있는 사양이다. 텔레센트릭 조명기는 빛을 집중시키거나 이미지를 만들지 않으므로 이 번호는 종종 유용하지 않다. 잘 만들어진 텔레센트릭 조명기에서 효율적인 집광 및 시준 때문에 빛과 물체 사이의 물리적 거리는 작동 거리로 명시된 것보다 훨씬 클 수 있다. 텔레센트릭 조명기를 고려할 때 가장 적합한 사양은 평행광 빔의 최대 직경과 렌즈의 물리적 크기 및 개구수이다. 이 사양은 적절한 조명 및 렌즈 조합을 선택하기 위한 기초를 제공한다.

결론

그림 16은 밝은 배경과 어두운 가장자리 사이의 전환이 얼마나 많은 픽셀을 차지하는지를 비교한다. 서로 대조되는 동일한 객체의 가장자리 프로파일을 확인할 수 있다. 텔레센트릭 조명기는 가장 빠르고 일관된 컷오프를 가지며, 평행 백라이트는 약 2배 이상의 픽셀 기울기를 갖는다. 기존의 백라이트 기울기는 처음엔 평행 백라이트와 유사한 프로파일을 갖는다.

이후 백라이트의 높은 발산에 의해 유도된 추가 산란은 프로파일이 빠르게 어두운 강도에 도달하는 것을 나타낸다. 백라이트 프로파일에서의 불일치는, 보다 높은 에지 산란으로 인해서만 볼 수 있는 물체 가장자리의 레터링(lettering)으로부터 발생하며 종래의 백라이트를 사용할 때 또 다른 가능한 문제점을 강조한다.

애플리케이션의 조명 설정에서 가장 중요한 측면을 알고 있으면 궁극적으로 더 많은 정보를 바탕으로 백라이트를 선택할 수 있다.

실루엣 조명은 다양한 유형의 백라이트로 생산될 수 있으며, 최선의 선택은 궁극적으로 특정용도에 달려 있다. 공간 및 비용 문제로 인해 표준 백라이트를 사용하는 것이 낫다는 생각이 들 수 있다. 이는 종종 허용할 수 없는 산란 및 가장자리 대비 불량을 초래한다. 백라이트의 미사용 부분을 마스킹하는 것이 도움이 될 수 있지만, 다중화된 객체가 검사 중인 경우 시간 소모적인 프로세스가 될 수도 있다.

평행 백라이트는 종종 텔레센트릭 조명기에 비해 비용이 저렴하고 크기가 작지만, 고정밀도가 요구되는 응용 분야를 충족 못할 수 있다. 텔레센트릭 조명기는 전체적으로 최고의 균일성과 가장 정확한 에지 감지(edge detection)를 제공한다. 하지만 크기가 커지고 비용이 높아지기 때문에 모든 설치에 적합하지 않을 수 있다.

자료 제공: EDMUND OPTICS(www.edmundoptics.com)