라인 스캔 비전 시스템의 조명 최적화 용법
ProPhotonix
고품질 조명은 성공적인 비전 시스템을 위한 열쇠다. 조명을 최적화하는 것은 검사 품질과 속도와 신뢰성을 극대화하는 데 중요하다.
고속 또는 고해상도 라인 스캔 애플리케이션에서 특히 어려움이 있다. 여기서는 조명 기술과 라인 스캔 조명 기술에 관해 살펴본다. 또한, 애플리케이션 예제를 통해 라인 스캔 비전 시스템에서 최적의 성능을 얻는 방법을 설명한다.
라인 스캔 애플리케이션이란?
라인 스캔 애플리케이션은 1차원(1D) 라인 스캔 카메라를 쓰는 머신비전 적용 분야로 정의된다. 근본적으로 라인 스캔 카메라는 2차원(2D) 매트릭스가 아닌 센서의 선형 어레이를 갖고 있다는 점에서 영역 스캔 카메라와 다르다. 2D 이미지는 시스템의 1D 카메라로 얻게 되며 목표물이 움직일 때 라인마다 만들어진다.
가장 일반적인 유형의 라인 스캔 애플리케이션은 종이, 호일, 필름, 더 큰 개별 부품의 고해상도와 같은 재료의 웹 제조다. 이 웹은 매우 빠른 속도로 하루도 빠짐없이 작동한다. 신뢰성 있는 낮은 유지보수의 조명은 출력 품질을 유지하고 가동 중지 시간을 피하는 데 중요한 역할을 한다.
라인 스캔 카메라는 주어진 비용으로 영역 스캔보다 훨씬 더 높은 해상도의 이미지를 제공할 수 있다. 이러한 이유로, 움직이는 대상에 대해 고해상도 결함을 식별해야 할 때 라인 스캔이 종종 비전 시스템에 쓰인다. 이 고해상도는 1D 센서의 픽셀 밀도(크로스 웹 해상도, cross-web resolution)와 카메라가 실행되는 라인 속도(웹 해상도)에 의해 도달된다. 라인 속도가 높은 경향이 있기 때문에, 노출 시간이 짧아지므로 라인 스캔 시스템은 일반적인 영역 스캔 시스템보다 더 많은 빛을 필요로 한다. 이러한 유형의 애플리케이션은 실리콘 웨이퍼가 미세 균열과 폐색(occlusions)을 검사하는 태양광 산업에서 볼 수 있다.
라인 스캔 기술은 원통형 물체의 이미징에도 쓸 수 있다. 여기에서 대상이 회전하고 있는 동안 카메라가 이미지 라인을 획득한다. 그 결과 2D 이미지는 이와 같은 비전 시스템으로 검사된다. 이 유형의 시스템은 보통 음식과 음료와 제약 산업에서 최종 라벨 검사와 같은 중요한 애플리케이션에 쓴다. 라인 스캔 비전 시스템은 제한된 공간에서도 쓰인다. 특히 기존의 웹 생산 라인에 비전 시스템이 추가로 장착되는 경우, 공간 제약으로 인한 조명기의 폼 팩터가 중요하다.
조명 기술의 개요
지난 10년 동안 라인 스캔 조명에 쓰인 기술에는 극적인 변화가 있었다. 2008년 AIA(Automated Imaging Association)에 따르면, LED는 비전 시스템에 쓰이는 조명 기술의 65% 이상을 차지했으며 30%는 레이저를 쓰고 5% 미만은 형광 혹은 광섬유가 제공되는 할로겐과 같은 다른 조명 기술을 쓴다.
형광 기술
형광 기술은 저비용 기술이다. 그러나 보통 경제적 이점보다 단점이 더 크다. 형광체는 상대적으로 낮은 출력 강도 때문에 고속 애플리케이션에 적합하지 않다. 형광의 수명이 다하는 동안 색상 온도 변화를 일으켜 조도가 일정하지 않게 된다. 그 결과 머신비전 시스템은 일정한 기간마다 유지보수와 교체가 필요하다.
광섬유를 통한 할로겐(FDH, Fiber-Delivered Halogen)
한때, 광섬유로 전달된 할로겐이 머신비전 시스템에 쓰인 적이 있다. FDH 시스템의 주된 단점은 복잡하고 매우 뜨겁다는 것이다. FDH 시스템은 광섬유 유리 헤드와 별도로 큰 광원을 유지해야 한다. FDH 시스템은 많이 가동하면 수명이 짧아진다(<3,000 시간). 또한, FDH 세기 변화는 비전 시스템을 불안정하게 한다.
발광 다이오드(LED)
LED 조명은 오늘날 거의 모든 라인 스캔 애플리케이션에 적합한 기술이다. 적절하게 설계된 LED 라인 라이트는 높은 강도와 긴 수명과 일관되고 안정적인 광 출력을 제공한다. LED 수명 전체에서 강도는 일정하게 유지되며 스펙트럼 출력은 매우 안정적이다.
비전 시스템용 LED 라인 라이트를 고려할 때 출력, 예상 수명, 성능에 상당한 차이가 있을 수 있다는 점에 유의해야 한다. 일루미네이터의 성능은 일루미네이터가 얼마나 잘 설계되고 제조됐는지에 달려 있다.
ProPhotonix 제품은 Chip-on-Board 기술로 설계됐으며, LED 어레이를 제조하기 위해 LED 칩을 기판과 직접 접촉해 장착한다. 이는 LED 칩이 열효율이 높은 기판에 직접 접촉해 최대의 열 발산을 제공하고 제품 수명을 극대화하는 것을 뜻한다. 또한, 베어 LED 칩의 크기가 작기 때문에 칩-온-보드(Chip-on-Board) 기술은 표면 실장 기술보다 훨씬 높은 패키징 밀도를 제공한다. 그 결과 강도와 균일성이 향상된다. ProPhotonix는 모든 범위에 COBRA Slim 솔루션에 Chip-on-Board 기술을 채택하고 있다.
라인 스캔 애플리케이션을 위한 조명 기술
라인 스캔 조명에 쓰이는 일반적인 기술에 관해 설명한다.
1. 전면 조명(Front lighting)
‘전면 조명’이라는 용어는 카메라와 광원이 대상과 같은 면에 있는 애플리케이션을 나타낸다. 가장 중요한 조명 요구 사항은 광 강도다. 조명의 강도는 비전 시스템의 속도를 결정할 수 있으며, 주어진 라인 속도에서 최적의 해상도가 달성될 수 있게 적절해야 한다. 최적이 아닌 강도를 가진 빛은 필요한 분해능을 달성하기 위한 시스템 작동 속도를 느리게 해 용량 사용률을 감소시킨다.
a. 명시야 조명(Bright-Field illumination)
전면 조명 애플리케이션에서 명시야(bright-field) 조명은 대상에서 나오는 빛이 카메라에 균일하게 반사되는 것을 나타낸다. 오류는 대개 이미지의 어두운 부분으로 나타난다. 명시야 조명은 대상이 빛을 확산하는 방식으로 반사하는 경우, 즉 대상이 광택이 없는 표면일 때 가장 많이 쓰인다. 명시야 애플리케이션의 전형적인 예는 패브릭 검사(fabric inspection, 원단 검사)다. 이 시스템은 약간 다른 색상의 실 사이의 직물과 실을 구성하거나, 스티칭(stitching)을 검사하는 데 쓰인다. 이러한 애플리케이션에서 이미지의 대비를 최대로 하는 것이 중요하다. 색상과 균일성은 양질의 이미지를 제공하는 데 중요한 역할을 한다.
b. 암시야 조명(Dark-field illumination)
암시야 조명은 대부분의 빛이 카메라에서 반사되는 응용 분야를 나타낸다. 이것은 유리나 필름과 같은 고반사성 소재에 더 일반적으로 쓰인다. 암시야 시스템은 종종 매우 미세한 결함이나 특징에 대해 표적의 표면 품질을 검사하는 데 쓰인다. 이러한 시스템은 정렬 정밀도와 각도 균일성에 대한 조명을 강하게 요구하고 있으며, 이는 특히 결함 크기와 카메라 픽셀 크기가 작아짐에 따라 더해진다. 암시야 조명에서 빛의 폼 팩터는 슬림한 프로파일이 웹에 상대적으로 낮은 각도로 자리 잡을 수 있으므로 특히 중요하다. 이 유형의 조명에 대한 애플리케이션은 표면 결함을 찾을 때 유리 검사에서 적용된다. 이 예제에서 빛은 표면에 흠집이 있을 때 흩어질 것이다.
c. 동축 조명(Co-Axial illumination)
빔 스플리터는 웹의 전체 폭을 비추는 것이 요구된다. 그 때문에 동축 조명은 대개 라인 스캔 애플리케이션에서는 쓰이지 않는다. 그러나 일부 적용 분야(예: PCB 검사)에서 쓰인다. 적층된 PCB에는 다양한 높이의 표면이 있다. 조명이 카메라에서 높은 구성 요소와 함께 축을 벗어나면 낮은 구성 요소에 그림자가 생긴다. 동축 조명은 카메라가 보는 모든 표면을 균일한 조명으로 비추며 이미지의 과도한 밝은 점과 그림자를 방지한다. 조명기를 카메라에 매우 가까이 배치할 수 있기 때문에 좁은 폼 팩터가 유리하다.
2. 역광 조명(Backlighting)
역광 조명 시스템에서 카메라와 조명 장치는 대상의 서로 반대편에 있다. 카메라는 대상 물질을 통해 빛을 직접 본다. 여기서 적용 범위는 기판의 작은 구멍을 감지하는 것부터 불투명도의 질적인 측정에 이르기까지 여러 가지다.
역광 조명을 위한 조명에 대한 요구 사항은 관찰된 재료의 특성에 따라 다양하다. 두 가지 중요한 조명 특성은 강도와 균일성이다.
매우 투명한 물질은 빛의 대부분이 물질을 카메라로 통과하기 때문에 강도는 그다지 중요하지 않다. 그러나 카메라가 빛의 구조를 효과적으로 볼 수 있기 때문에 균일성이 매우 중요하다. 면 기반 복합재와 같이 매우 조밀한 재료의 경우, 특성 반전이 상대적으로 중요하다. 이 경우 카메라는 어떤 빛도 직접 보지 않으므로 강도가 가장 중요하다. 아주 적은 빛이 카메라에 도달하고 광원의 균일성이 그다지 중요하지 않기 때문이다.
대다수의 애플리케이션은 두 극단 사이의 어딘가에 있으므로 조명기를 제어하고 최적화해 올바른 균형을 찾는 것이 중요하다. ProPhotonix는 이런 이유로 렌즈 위치와 확산기 옵션 유형 중 현장에서 조정할 수 있는 광학 장치를 갖춘, COBRA Slim Series를 설계했다. 이를 통해 맞춤형 설계 모듈과 관련된 비용 없이 일반적으로 표준 제품에 없는 최대 구성 가능성을 고객에게 제공할 수 있다.
시간이 지나면서 고객의 머신비전 설정 요구 사항이 변경되면 COBRA Slim이 현장에서 쉽게 재구성된다. 또한, 광학 렌즈가 전체 렌즈 길이를 따라 기계 설계 내에서 지지된다는 점도 주목할 가치가 있다. 이것은 긴 조명에서 매우 중요하다. 렌즈가 확실하게 자리 잡고 지지되지 않으면 렌즈가 시간이 지나면서 휠 수 있으며, 이는 주위 온도가 높은 곳에서 특히 중요하다. 웹의 너비는 제작되는 내용에 따라 크게 다를 수 있다. ProPhotonix는 최대 5미터 길이의 라인 라이트를 생산하며 모든 라인 라이트 제품은 모듈식이다. 보통 100mm 단위로 제공된다.
3. 파장
라인 스캔 이미징 애플리케이션은 전통적으로 단색 카메라를 쓴다. 단색 카메라를 쓸 때 사용자는 관심 있는 특징과 최대한의 대비를 얻으려고 한다.
검사 대상 물질의 색이 일정하고 넓은 스펙트럼 응답을 갖는 경우, 이미지의 대비를 최적화하고 빛의 LED 효율을 최적화하면서 출력 전력과 카메라 감도 사이의 균형을 맞춰야 한다. 단색 광원은 색 수차가 감소되기 때문에 유리하다. 검사 대상 물질의 색이 변하는 경우, 단색 광원은 표적 물질의 반사 특성에 따라 여러 가지 강도나 대비 레벨을 생성한다(최악의 경우 일부 기능이 보이지 않을 수 있음). 광대역 백색 소스를 활용하면 이 문제를 완화하는 데 도움이 된다.
컬러 라인 스캔 카메라가 쓰이는 경우 흰색 라인 라이트를 쓸 수 있다. 여기서 도전은 이미지에서 좋은 색상 표현을 제공하는 양질의 스펙트럼을 갖는 것이다. 스펙트럼의 일관성과 안정성은 검사 프로세스의 일관성을 보장하는 데도 중요하다.
일부 재료는 가시광선을 반사하거나 투과하지 않는다. 이러한 경우, 가시 스펙트럼 외의 파장은 적외선 감지 카메라(보통 InGaAs)와 조합해 쓰인다. 예를 들면, 실리콘 웨이퍼의 내부 결함을 검사하는 경우다. 다른 적용 분야는 형광 측정에 의존한다. 여기에는 두 가지 고려 사항이 있다. 첫째, 검사 대상 물질을 자극하기 위해 형광 액티베이터(activator)의 흡수 피크 부근에서 최적의 파장을 선택해야 한다. 둘째, 형광 여기 스펙트럼과 겹치지 않도록 파장을 충분히 좁힐 필요가 있다. 이러한 애플리케이션에서 UV 광원은 종종 여기 소스로 쓰인다.
4. 특별한 전자 기술
라인 스캔 이미지는 특정 시간 프레임 내에 카메라에 의해 획득된 여러 라인으로 구성된다. 원칙적으로 조명은 각각의 모든 라인 획득에 대해 종류가 많을 수 있다. 이 기술은 카메라와 동기화된 빛을 빠르고 정확하게 제어해야 한다. 빛의 유효 강도는 조명 타이밍을 변경하거나 여러 각도의 서로 다른 라인 이미지를 캡처하는 데 쓸 수 있는 조명들을 이용해 제어할 수 있다. ProPhotonix의 COBRA Slim Series에는 플래시 프레임을 카메라 프레임에 동기화시키는 스트로브 기능이 있다. 이렇게 하면 카메라 노출이나 게인을 조정하지 않고 프레임 단위로 이미지의 강도를 제어할 수 있다.
LED 라인 라이트 선택 시 주요 고려 사항
라인 스캔 비전 시스템의 조명을 최적화하면 시스템의 속도, 정확성, 안정성을 크게 향상할 수 있다.
라인 스캔 이미징의 주요 고려 사항은 선택한 조명 기법에 따라 다르다. 폼 팩터, 강도, 균일성, 파장 혹은 전자 기능은 모두 핵심 고려 사항이다.
자료 제공: ProPhotonix(www.prophotonix.com)
