편광 카메라는 표준 컬러와 모노 카메라보다 시각적으로 높은 선명도를 제공한다.
Imperx
머신비전과 이미지 처리 시스템 설계자는 준비해야 할 카메라, 조명, 컴퓨터, 그리고 I/O 주변 장치를 선택할 때 여러 가지 방법이 있다. 실제로 개발자는 산업 검사 작업을 수행하기 위해 흑백, 컬러, 적외선(IR), UV, 그리고 멀티 스펙트럼 카메라, 혹은 이들의 조합을 선택할 수 있다. 아마도 이러한 방법론 중 가장 소홀히 된 것 중 하나는 편광 카메라(플라스틱과 필름 같은 제품을 분석하기 위해서는 편광 필터가 필요 없으며, 생산 라인에서 이미징된 제품에 반사된 눈부심을 제거할 수 있는 카메라)를 사용하는 것이다.
오늘날 산업 자동화 시스템은 머신비전 시스템을 사용하여 제품의 결함을 검사, 측정, 분류, 그리고 분석한다. 이러한 시스템은 능동적인, 또는 수동적인 두 가지 클래스로 광범위하게 정의할 수 있다. 능동적 머신비전 시스템은 물체를 조명하기 위해 구조화된 레이저 광, 또는 패턴 투영 시스템을 사용할 수 있지만, 수동적 기반 시스템은 검사 대상을 비추는 LED 프론트 라이트, 돔 라이트, 또는 백라이트와 같은 간단한 형태의 조명을 사용한다. 두 가지 유형의 시스템 모두에서 CCD, 또는 CMOS 기반 카메라가 반사된 이미지 데이터를 캡처하는 데 사용된다.
단색, 컬러 또는 편광
이러한 시스템에서 캡처된 데이터는 흑백, 혹은 컬러일 수 있다. 예를 들어, 부품 분류와 같은 경우에 부품이 정확한 파장으로 조명되면 컬러 카메라를 사용할 필요가 없을 수도 있다. 왜냐하면, 카메라로 캡처할 때 다른 부분이 다른 그레이 스케일 값을 나타낼 수 있기 때문이다. 그러나 다른 애플리케이션의 예에서 시스템이 정확한 색상이 있는지 여부를 판별해야 하는 경우에는 컬러 카메라를 사용해야 한다.
이러한 컬러 이미지를 얻기 위해 센서 벤더는 흑백 CCD와 CMOS 이미지 센서(그림 1)에 베이어 필터(Bayer filter), 또는 그 버전을 구현했다.
베이어(Bayer)’는 베이어 필터를 발명한 Kodak 기술자의 이름 Bryce Bayer에서 온 것으로 베이어 필터는 인간 눈의 생리 현상을 모방하기 위해 적색(R), 또는 파란색(B)에 비해 녹색(G) 요소를 두 배 사용한다. 이러한 방식으로 이미지 센서상의 개별 픽셀의 컬러가 보간되어 컬러 이미지를 생성할 수 있다. 바이어의 발명에 대해 중요한 점은 흑백 이미지에서 컬러 이미지를 렌더링하기 위해 이미지 센서에 필터를 최초로 사용했다는 점이다.
이 설계를 다소 모방해서 개발한 Sony Semiconductor Solutions Corp.의 엔지니어는 IMX250MZR CMOS 기반 편광판 이미지 센서 설계에 비슷한 개념을 사용했다. 베이어 필터에서 사용되는 것처럼 파장으로 들어오는 빛을 필터링하는 대신 센서는 들어오는 빛을 이동 방향에 수직인 진동의 방향에 따라 필터링한다(그림 2). 이 이미저를 사용하여 Imperx를 포함한 많은 회사가 머신비전, 물체 인식, 그리고 자동 타겟 탐지와 같은 애플리케이션에 사용할 수 있는 편광 카메라를 개발했다.
광원
태양 및 인공 조명과 같은 대부분의 광원은 편광되지 않으며 전파 방향에 수직으로 진동하는 전자기파로 구성된다. 이동 방향에 수직인 진동이 하나의 평면에 한정된 광파는 편광된다고 말한다.
이색성(dichroic), 결정성(crystalline), 그리고 와이어 그리드 편광판(wire grid polarizers)의 사용을 포함하여 빛을 편광시키는 많은 방법이 존재한다.
이색성 편광기는 두 개의 광택과 반사 방지 코팅 유리창 사이에 적층 염색 폴리머 필름을 사용한다. 이색성 편광판은 적층된 고분자 필름을 사용하지만, 결정질 편광기는 입사광을 수정하기 위해 결정성 물질의 복굴절(birefringence)을 이용한다. 한편, 와이어 그리드 편광자는 특정한 편광만이 와이어 그리드 편광판을 통해 전송되고, 출사파(outgoing wave)는 단일 선형 편광을 갖도록 미시적 와이어 배열(microscopic wires array)을 사용한다.
모든 편광판의 가장 중요한 특성 중 하나는 소광비(extinction ratio)다. 이것은 편광기 필터의 축이 빔의 편광면에 수직일 때 편광된 편광을 투과한 평면 편광 빔의 파워와 전송된 파워의 비다. Sony IMX250MZR의 경우 빛의 파장에 따라 40-150이 다르다(그림 3).
소니의 IMX250MZR CMOS 기반 편광판 이미지 센서의 디자인에서 와이어 그리드 편광기는 편광된 빛을 포착하는 데 사용된다. 그렇게 하기 위해 4개의 분리된 3.45μm 픽셀이 0°, 90°, 45°, 및 135° 각도의 방향에서 이 빛을 필터링하는 데 사용된다. 본질적으로 이미저는 입사광을 필터링하기 위해 각 픽셀 위에 배치된 리소그래피로 제작된 온칩 와이어 그리드 편광기를 사용한다.
스톡스(Stokes) 매개변수
편광판을 온칩 광 다이오드에 가깝게 배치하면 소광비(최소 투과율 대 최대 투과율)와 입사각 의존성이 향상된다. 이 4 사분면의 데이터는 1852년 잉글랜드 케임브리지대학(George Stokes)에서 파생된 스톡스(Stokes) 매개변수를 사용하여 방 DoLP(선형 편광 방향, direction of linear polarization)과 AoLP(직선 편광 각도, angle of linear polarization)을 보간하는 데 사용할 수 있다.
DoLP와 AoLP를 모두 계산하려면 먼저 빛의 총 강도 I를 측정해야 한다. 수직과 수평으로 편광된 픽셀의 강도를 추가하여 이 작업을 수행할 수 있다. 기준 평면 U에 평행한 전자기파의 편광 성분과 기준 평면 U에 대한 평면 45°와 -45°의 편광 성분 간의 강도 차이를 계산함으로써 DoLP와 AoLP는 다음 방정식을 사용하여 계산할 수 있다.
DoLP는 직선 편광된 입사광에 대한 정보를 제공한다. 예를 들어, 정반사표면(specular surfaces)은 높은 DoLP 값의 광을 반사한다. 대부분의 자연 물체는 낮은 DoLP 값을 특징으로 하지만, 플라스틱과 같은 인공 물체는 높은 DoLP 값을 갖는다. DoLP는 다른 이유로 유용하다. 복굴절이 DoLP에 직접적으로 비례하기 때문에 투명 소재에서 응력 유발 복굴절(stress-induced birefringence)을 분석하는 데 사용할 수 있다.
흥미롭게도 AoLP는 빛이 카메라 센서에 도달할 때 빛의 편광 각도를 나타내며 빛이 반사되는 표면의 각도를 제공한다. 카메라와 대상물 사이의 거리가 알려지면 대상체의 3D 모양을 얻을 수 있다.
Imperx를 포함한 많은 회사가 Sony 센서를 사용하여 고체 카메라를 개발했다. Imperx 기술을 활용한 최초의 카메라는 Camera Link 기반 카메라인 C2420Z이다. 이 카메라는 기본 해상도가 244x2056이고 2/3” 광학 형식으로 97fps의 빠른 속도로 작동할 수 있다. 이 카메라의 데이터는 4개의 서로 다른 편광 각도로 나타난다. 각 편광 각도의 이미지는 원시 데이터 형식으로 보거나 저장할 수 있다.
mperx는 특수 소프트웨어가 DoLP와 AoLP를 계산해야 하므로, 편광 이미지의 실시간 디스플레이를 제공하는 알고리즘을 개발하기 위해 Polaris Sensor Technologies의 전문 기술을 확보했다. 이 소프트웨어를 사용하여 개발자는 편광 이미지를 시각화하고 DoLP 및 AoLP와 같은 매개변수를 계산할 수 있다.
양극화 활용
편광 카메라는 재료 응력 분석을 비롯한 여러 다른 분야에서 사용할 수 있다. 그러한 응용에서 광은 먼저 편광기를 통과하여 선형 편광된 광을 생성한다. 그런 다음 이 빛은 플라스틱, 폴리스티렌, 그리고 폴리 카보네이트와 같은 복굴절 물질을 통과하여 재료의 응력이 두 개의 편광된 성분으로 분해된다.
재료의 응력 방향에 평행하고 수직인 구성 요소는 서로 위상이 서로 뒤떨어진다. 이러한 편광된 성분들이 카메라에 의해 캡처된 후에 구동 평면 내의 각 성분들의 일부분만이 출현하여 위상차를 갖는 2개의 동일 평면상의 성분들을 초래한다. 위상차는 응력에 비례하며, 보강과 상쇄 간섭으로 인해 재료의 다양한 지점에서 응력을 결정하는 데 사용할 수 있는 다양한 색상의 간섭 패턴이 생긴다(그림 4).
이러한 편광 카메라는 그리스, 오일, 액체로 덮인 매끄러운 표면, 혹은 표면과 같은 비금속 표면에서 반사되는 빛과 관련된 반사 광선을 감소시키는 데도 사용될 수 있다. 이 눈부심을 줄이기 위해 편광 필터를 광원 위에 배치할 수 있다. 과거에는 눈부심을 줄이기 위해 CCD, 또는 CMOS 카메라 위에 별도의 필터를 배치해야 했다. 그러나 이제는 편광 필터가 카메라에 통합되었으므로 이러한 별도의 필터가 필요하지 않는다.
유사하게, 그림 6(a, b)은 물로부터 반사된 광의 눈부심을 감소시키는 데 있어서 편광 필터의 효과를 도시한다. 그림 6a는 원본 이미지이지만 그림 6b는 편광자로 이미지화되어 그림 6a에서 볼 수 있는 구름과 하늘의 반사를 제거한다.
편광 카메라의 힘을 활용할 수 있는 다른 애플리케이션은 원격 감지, 안개 제거, 그리고 감시 애플리케이션이 있다. 온칩 편광 센서를 통합한 고체 카메라의 도입으로 시스템 개발자는 이제 고체 상태 카메라에 외부 편광 필터를 사용할 필요가 없다.
흥미롭게도 소니 IMX250MZR과 같은 센서는 가시광선을 양극화시키지만 추가 개발은 적외선(IR)과 같은 전자기 스펙트럼의 다른 부분에서 동일한 기능을 수행하는 이미저로 이어질 수 있다. 물론 이러한 특수화된 이미저는 보안과 감시와 같은 분야에서 더 많은 틈새 애플리케이션을 찾을 수 있다.
자료 제공: Imperx(www.imperx.com)
