Chromasens / 3DPIXA 애플리케이션을 위한 동축 브라이트 필드
3D 데이터를 계산하는 데 필요한 고품질 이미지를 얻으려면 애플리케이션에 적합한 조명을 선택하는 것이 중요하다. 여기서 서로 다른 샘플에 대한 컬러 이미지 품질 및 높이 맵(height map)과 관련해 방향 동축 브라이트 필드(directional coaxial brightfield illumination)의 이미징 결과를 코로나 튜브 광(Corona tube light)과 비교한다.
상당한 양의 표면 아래 산란을 나타내는 물질의 경우, 브라이트 필드 기하학은 3DPIXA를 사용해 3D 측정에 이점이 있음을 보여줄 수 있다. 실제로 광선 경로에 빔 분리기를 도입하면 카메라 시스템의 작동 거리와 이미지 품질이 약간 감소된다.
소개
명시야(brightfield)는 소스 광선이 평평한 샘플에서 반사돼 카메라로 들어가는 조명 구성이다.
라인 스캔 카메라를 사용하면 두 가지 방법으로 위 설정을 실현할 수 있다. 빔 스플리터(beam splitter)를 사용하거나, 카메라와 광원을 기울여 표면 법선에 대한 각도가 동일하지만 반대 방향이 되도록 하는 것이다. 두 번째 방법은 교합 및 키스톤 효과(keystone effects)를 유발할 수 있으므로 권장하지 않는다. 따라서 빔 스플리터를 사용한 브라이트 필드 설정에 대해 논의하고자 한다.
그림 1은 이 설정의 기본 원리를 튜브 라이트를 사용한 설정과 비교한 것이다. 튜브 라이트는 광범위한 응용 분야에서 최상의 조명 선택이다. 정반사의 강도를 줄이고 구부러진 광택 재료를 균일하게 비춘다. 대부분의 경우, 튜브 라이트가 가장 먼저 선택돼야 하며 일부 재료만 동축 브라이트 필드를 사용해야 한다.
예를 들어 강한 표면 산란(subsurface scattering)을 나타내는 물질은 광 빔이 특정 방향으로 재료를 부분적으로 통과하고, 여러 번 흩어지고, 다른 방향으로 다른 위치에서 빠져나가는 것을 의미한다. 그 결과 반투명한 소재의 외관이 생긴다. 물질의 예로는 대리석, 피부, 왁스 또는 일부 플라스틱이 있다.
이런 재질에 튜브 라이트를 사용하면 텍스처가 거의 없는 균일한 외관이 나타나지만 3D 재구성에는 문제가 된다. 동축 브라이트 필드를 사용하면 튜브 라이트 조명과 비교해, 표면에서 카메라로의 상대적으로 직접적인 반사가 발생한다. 이 첫 번째 표면 반사는 이미지 텍스처에 기여한다. 카메라에 입사하는 부표면의 산란광의 상대적인 양이 감소된다. 3DPIXA와 함께 동축 설정을 사용할 때 고려해야 할 몇 가지 특정 속성이 있다.
첫째, 나머지는 빔 스플리터의 통과 지점 두 개 중 다른 곳으로 보내짐으로써 소스 강도의 최대 25%만 카메라에 도달할 수 있다.
둘째, 유리는 이미징 및 3D 계산 품질에 영향을 주는 활성 광학 요소다. ‘광학 영향’에서 요소들을 면밀히 검토하고 결과적인 영향을 설명하기 위해 기계 시스템 설계에 대한 몇 가지 지침을 제공한다. 그 전에 조명 설정을 사용할 때 참고할 아이디어와 관련된 몇 가지 샘플을 선택해 브라이트 필드의 효과를 논의한다.
브라이트 필드와 튜브 라이트의 비교
그림 2에서 파라핀으로 만든 양초의 스캔된 이미지를 확인할 수 있다. 이 물질은 강한 하부면 산란(subsurface scattering)을 나타낸다. 브라이트 필드(오른쪽 그림)로 표면 질감이 선명하게 보이고, 높이 이미지가 촛불의 약간 구부러진 모양을 보여준다.
반면 튜브 라이트(왼쪽 이미지)는 매우 낮은 텍스처를 포함하고 높이 정보는 대부분의 높이(검은 색으로 채색된 영역)에서 복구할 수 없다. 이 조건에서는 표면에서 반사된 빛이 표면 아래의 산란광보다 최종 이미지에서 더 지배적이다. 때문에 텍스처는 브라이트 필드에서만 볼 수 있다.
그러나 이 두 효과의 비율은 표면 경사도에 따라 다르다. 표면 법선이 카메라 관찰각으로부터 멀어질수록 덜 직접적인 빛은 첫 번째 표면에서 직접 반사된다. 따라서 이미지의 질감이 낮아진다. 양초 샘플의 경우 15° 이상의 편차가 발생해 높이 정보를 복구 못 했다. 양초의 바깥쪽 가장자리에 있는 오른쪽 이미지에서 확인할 수 있다. 또 다른 예는 전자 회로기판 소재인, 광택 표면이 있는 반투명 플라스틱이다.
스캔된 샘플은 그림 3에 나와 있다. 유리관 이미지의 기판 영역(왼쪽)은 텍스처가 낮아 부분적으로 낮은 높이의 재구성(잘못된 색상의 이미지 오버레이의 검은 점)을 초래한다. 브라이트 필드(오른쪽 이미지)를 사용하면 재료 표면에서 카메라로 다시 반사되는 소스 광선의 양이 표면 아래의 산란광보다 크다. 이미지 텍스처가 높고, 높이 재구성 성능이 향상된다.
그러나 볼의 높이가 기판을 검사하는 것보다 애플리케이션의 포커스인 경우, 동축 조명이 볼 상단에 반사를 일으키기 때문에 상황이 더욱 복잡해진다. 이 영역이 포화되면 높이 측정에 부정적인 영향을 미친다.
최상의 조명은 측정 작업과 사용된 재료에 따라 크게 달라지며 종종 테스트를 통해서만 결정될 수 있다. 고객의 응용 분야에 가장 적합한 광원이 무엇인지 잘 모르는 경우 영업 담당자에게 연락해서 옵션을 논의하고 실험실에서 샘플로 초기 테스트를 준비해야 한다.
광학 영향
빔 스플리터는 방향을 바꾸지 않고 통과하는 각 광선을 오프셋(offsets)하는 평면 평행 유리판이다. 이 오프셋의 크기는 입사각과 유리의 두께 및 굴절률에 따라 달라진다. 따라서 빔 스플리터의 두께는 안정성 측면에서 필요한 만큼 작아야 한다. 다음 분석에서 d = 1.1mm ‘보로 플롯(borofloat)’ 유리의 빔 스플리터 두께를 가정한다.
빔 스플리터의 영향은 3개의 모든 공간 좌표에서 가장 선명한 이미지를 얻을 수 있는 점의 이동이다. 센서 방향(= x 방향)에 따른 변화는 작은 크기(0.4% 미만, 카메라 유형에 대한 의존성이 적음)를 무시할 수 있는 이미징 시스템의 배율 변경을 초래한다.
스캔 방향(= y 방향)에 따른 변경은 이미지의 시작점만 오프셋 한다. 주사선의 정확한 위치가 중요하다면(예 : 롤을 볼 때), 카메라는 의도된 주사선에 대해 상대적으로 변위돼야 한다.
방정식은 모든 유리 두께 d에 대해 유효하며 n에 대한 실제 의존성의 선형 근삿값이다. 여기서 n은 광 경로로 도입된 유리 재료의 굴절률이며 근사는 n = [1.4, 1.7]의 간격 및 3DPIXA의 모든 유형에 유효하다. 변위의 방향은 샘플에 더 가까운 빔 스플리터의 끝을 향하고 있으므로 그림 1의 구성에서 카메라는 왼쪽으로 이동해야 한다. 작동 거리의 변화는 비점 수차로 이어지는 빔 스플리터의 45° 경사 때문에 시스템의 x 및 y축에 따라 다르다. y 방향에서 작업 거리는 다음과 같이 증가한다.
위와 같이 공식은 모든 d와 n = [1.4, 1.7]에 대해 유효하다. x 방향을 따른 가공 방향의 변화는 일정하지 않고, 또한 상면 곡률로 이끄는 영상 지점의 위치에 따라 변화한다. 난시와 필드 곡률 모두 해상도 한계 근처의 구조 이미지에 영향을 미치는 이미지 품질을 약간 낮춘다. 그러나 일반적으로 크기가 수 픽셀인 높이 구조만 계산할 수 있으므로 3D 알고리즘에 영향을 주지 않아야 한다.
또한, 위에서 논의된 광학 효과에 대해, 빔 스플리터는 3D 알고리즘에 의해 계산된 절대 높이 값(즉, 카메라에 대한 절대 거리)을 변경한다. 이 높이 변화의 정확한 값은 각 카메라마다 약간씩 다르다. 일반적으로 카메라와 샘플 사이의 측정거리가 줄어들기 때문에 구조가 실제 카메라보다 더 가깝게 보인다. 이 변화는 전체 높이 범위(시뮬레이션은 0.2% 변화)에서 일정하며 전체 시야에서도 일정하다.
요약하면 상대 높이 측정은 전혀 영향 받지 않고, 절대 측정은 일정한 오프셋만큼 이동한다. 계산된 높이의 정확한 변화를 알 수 없으므로 높이 맵의 제로 평면을 사용해 카메라를 올바른 작동 거리로 조정할 수 없다. 대신에 데이터 시트에 주어진 자유 작동 거리를 사용해 카메라를 설치하고 위의 Δzy로 보정하는 것이 좋다.
요약
특정 반투명 물질 (빛의 상당한 표면하 산란을 나타내는 물질)에서 동축 조명을 사용하면 이미지 텍스처가 크게 증가해 3D 높이 재구성에 큰 이점이 있다. 그러나 동축 조명을 사용할 때 카메라 시스템의 광학 경로에 있는 빔 스플리터에 추가되는 유리는 광학 품질에 부정적인 영향을 미친다. 또한 시스템의 작동 거리가 약간 변경되고 절대 측정 거리가 일정한 값으로 설정된다. 3DPIXA에서 일반적으로 권장하는 상대 측정에는 영향을 미치지 않는다.
자료 제공: Chromasens(www.chromasens.com)
