일반 카메라보다 뛰어난 감지 능력을 제공하는 SWIR Line Scan 카메라
화인스텍
머신비전 시스템 제조업체는 모든 종류의 생산 환경에서 품질을 관리할 수 있는 시스템을 구축하기 위해 일반 Area Scan 카메라에 의존했다. 그러나 SWIR(Short Wave InfraRed, 단파장 적외) Line Scan 카메라의 해상도가 개선되고 가격이 떨어짐에 따라, SWIR 카메라 고유의 장점을 활용하는 검사 시스템이 많이 개발되고 있다.
SWIR은 보통 900~2,500nm 사이의 파장대이며 일반 카메라로는 확인할 수 없는 특성을 찾을 수 있다. 이를테면 과일과 채소를 분류하고 이물질이 음식과 섞여서 포장된 것을 감지하는 데 탁월하다.
고객이 냉동 완두콩을 검사하여 이물질이 없는지 확인해야 하는 농산물 유통 업체를 예로 들 수 있다. 완두콩과 모양, 크기, 색상이 비슷한 작은 플라스틱 조각이 있는 경우 가시 광선을 사용하는 일반 머신비전으로는 눈에 띄지 않을 수 있다. 그러나 SWIR 조명은 물에 강력하게 흡수되므로, 수분 함량이 높은 냉동 완두콩은 검사 시 매우 어두운 이미지로 나온다. 반면에 플라스틱 조각은 수분 함량이 거의 없거나 전혀 없다. 그러므로 빛을 반사하고 완두콩들 사이에서 돋보이며, 분류기는 공기 제트를 써서 파일에서 플라스틱 조각을 걸러낼 수 있다(그림 1 참조).
다른 예로는 SWIR의 특성으로부터 이익을 얻을 수 있는 광전지 산업이 있다. 태양 전지 어레이에 들어가는 실리콘 웨이퍼의 내부 결함은 햇빛을 전기로 변환 시켜주는 효율을 크게 손상할 수 있다. 이때 일반 카메라를 쓰면 가시 광선으로 웨이퍼 표면만 볼 수 있다. 반면에 SWIR 파장에서 웨이퍼는 투명하게 보인다. 이로써 정상적인 육안 검사에서 보이지 않았던 균열을 찾을 수 있다.
SWIR Line Scan
Line Scan 카메라와 Area Scan 카메라의 주요 차이점은 이름에서도 찾을 수 있다. Line Scan 카메라는 단일 행의 픽셀로 구성되어 스캔 되는 물체의 좁은 선을 이미지화한다. 반면에 Area Scan 카메라는 각 프레임에서 훨씬 더 큰 영역을 캡처한다. 각 픽셀은 물체에서 빛을 흡수하여 전하로 변환하고, 인접한 선은 전체 물체의 이미지에 합산된다. 그렇게 하려면 스캐너나 물체가 움직여서 다른 섹션이 센서의 FOV 내에 들어와야 한다.
이러한 이동으로 볼 때, 검사 환경에서 Line Scan 카메라가 컨베이어 벨트를 따라 이동하거나 분류 대상 물체가 통째로 떨어지는 생산 환경에 적합하다. 예를 들어, 과일과 채소는 보통 탐지기를 지나가는데, 이러한 응용 프로그램에는 모션이 포함되어 있다. 그 때문에 Area Scan 카메라에서는 모션으로 생성된 이미지가 흐리게 표시되는 것을 확인할 수 있다. Line Scan 이미지는 Area Scan 이미지보다 결함이 있는 픽셀을 포함할 가능성이 적어서 원하는 결함을 숨길 수 있으며, 저렴한 가격으로 우수한 해상도를 제공한다.
SWIR 카메라를 선택하는 방법
애플리케이션에 SWIR 이미징 적용 여부를 결정할 때 ‘SWIR 파장에서 눈에 띄는 물체인지’를 아는 것이 중요하다. 라벨이나 바코드 따위의 마킹 검사와 같은 애플리케이션에서는 일반 Area Scan 이미징이 훨씬 저렴한 비용으로 더 나은 작업을 수행하므로 IR 조명을 쓸 필요가 없다.
필요한 SWIR 파장을 아는 것이 셋업(setup)에 중요할 때가 많다. 어떤 파장이 가장 적합한지는 용도에 따라 다르다. 수분 함량을 기준으로 하는 식품 분류의 경우, 쓰이는 일반적인 파장은 1,450nm이며 물에 강력하게 흡수된다(그림 2 참조). SWIR은 육류의 지방 함량 또는 사과에 난 흠집 같은 식품의 여러 측면을 식별하여 주변 영역과 다르게 빛을 반사하거나 흡수하는 데 쓰일 수 있다. 이물질을 찾는 애플리케이션에 쓸 수 있으며, 이를테면 분유를 오염하는 것으로 밝혀진 산업용 화학 물질인 멜라민은 SWIR 조명에서 더 잘 보일 수 있다.
오늘날 일반적인 SWIR 카메라는 900-700nm의 빛에 민감한 인듐-갈륨-비소로 만들어진 검출기를 쓴다. 그러나 일부 애플리케이션에서는 2,000~2,500nm의 파장이 필요하며, 이를 확장된 SWIR(Extended SWIR)이라고도 말한다. 예를 들어, 광산 산업은 때때로 파장이 바뀌기 때문에 특수 제작된 검출기가 필요하다.
실리콘 웨이퍼 검사는 특정 파장이 쓰이지 않는다. 실리콘은 1,200nm 이상의 파장에서 투명하게 보이므로 1,200nm 이상에서 작동한다. 물론, 작은 결함을 발견하려면 높은 해상도와 배율이 필요하며, 파장이 짧을수록 해상도가 높고 감지할 수 있는 결함이 작다.
시스템의 해상도는 애플리케이션과 일치해야 하며, 시스템 디자이너는 스캐너의 FOV와 찾고자 하는 입자 또는 결함의 크기를 고려해 이를 파악할 수 있다. 과일과 채소에서 이물질을 찾는 애플리케이션에서는 512 픽셀 카메라로도 충분할 수 있다. 실리콘 웨이퍼 검사의 경우, 찾는 결함이 더 작으므로 분해능이 높아야 한다(그림 3 참조).
이러한 시스템에는 2,048 픽셀 카메라가 필요할 수 있다. 웨이퍼에서 더 작은 결함을 발견하기 위한 새로운 기술 중 하나는 투과와 반사의 조합인 ‘transflection’이라는 접근법이다. 웨이퍼 내부에서 짧은 거리를 투과한 빛이 반사되고, 도중에 균열에 그림자가 생기면, 그림자 자체가 균열 자체보다 커지며 쉽게 발견할 수 있다.
출처: XENICS
자료 제공: 화인스텍(http://fainstec.com/kr)
