라인 스캔 애플리케이션을 위한 완벽한 조명 솔루션 ①

Chromasens 

비전 시스템의 성공적인 적용은 카메라, 렌즈 및 조명과 같은 구성 요소에 따라 달라진다. 이 문서는 라인 스캔 애플리케이션을 위한 최상의 조명 솔루션을 찾는 작업을 다룬다. 다양한 조명 기술의 기초를 설명하고, 적절한 조명 솔루션을 선택하여 비용 효과적인 재작업을 피할 수 있음을 보여준다.

움직이는 표적의 이미지를 획득하는 것은 어려운 일이며 결과적으로 최상의 이미지는 아래 세 가지 기본 사항을 필요로 한다.

- 우수한 카메라

- 적절한 렌즈

- 적절한 조명

3가지 항목 모두 성공적인 이미지 분석을 가능하게 하는 핵심 요소이며, 낮은 품질의 이미지 품질은 모든 머신비전 애플리케이션을 처리한다.

조명 선택은 이미지의 품질에 직접적인 영향을 미치는 첫째 요소다. 잘못된 조명 선택은 많은 어려움을 낳는다. 일반적으로 잘못된 조명은 소프트웨어, 또는 사람이 평가할 수 없다. 카메라는 자동으로 적응하고 어려운 작업에 매우 유연한 사람의 눈과 비교할 수 없다. 사람의 눈은 상황에 따라 거리, 또는 시야각을 변경한다.

따라서 머신비전 카메라의 경우 물체가 올바르게 조명되지 않으면 가장자리를 감지할 수 없다. 새로운 응용 분야, 또는 재료에 적합한 조명을 선택하려면 많은 경험이 필요하다. 올바른 선택을 하기 위한 노력은 종종 과소평가되어 피할 수 없는 어려움으로 이어지므로 프로젝트 비용이 증가하거나 최악의 경우 실패할 수 있다.

오늘날 비전 애플리케이션에서는 다양한 작업을 해결해야 한다. 서로 다른 특징을 지닌 금속(광택), 어둡거나 투명한 표면은 여러 유형의 조명과 기술을 요구한다. 조명 선택 시에 다음과 같은 여러 측면을 고려해야 한다.

- 조명할 영역

- 사용 중인 카메라

- 애플리케이션의 속도와 카메라 자체

- 조명된 물체의 색

- 환경

- 대상의 행동 및 특성(광택, 확산, 높이 변화 등)

- 애플리케이션의 예상 수명

이 모든 매개변수를 이해하면 애플리케이션을 시뮬레이션할 수 있으며 어떤 조명이 가장 잘 맞는지 확인할 수 있다. 언급된 모든 매개변수와 관찰해야 할 주제는 빛이 왜 그렇게 중요한지 이해할 수 있다. 불행하게도 많은 경우에 전체 설정의 시뮬레이션을 사용할 수 없으므로 올바른 조명을 선택하는 것이 여전히 어려운 과제다.

1. 밝기: 애플리케이션이 실제로 충분한 빛을 낼 수 있는가?

많은 사람이 좋은 머신비전 애플리케이션을 위한 재료가 무엇인지 알지 못한다. 라인 스캔 애플리케이션에서 빛은 카메라의 센서 어레이가 초점을 맞추는 곳이어야 한다. 이 영역 밖의 빛은 낭비되어 추가 비용과 열이 발생한다. 모든 이미징 기술에서 중요한 품질 기준 중 하나는 노이즈다. 이미징 시스템에는 여러 가지 노이즈 소스가 있지만 일반적으로 샷 노이즈가 대부분이다.

샷 노이즈는 물리적 효과로 인해 발생하며 카메라 품질과 관련이 없다. 샷 노이즈의 원인은 빛(광자)의 이산적 특성과 센서 픽셀에서 전자의 분리된 생성에 있다. 샷 노이즈는 포아송 분포를 가지므로 신호 대 노이즈 비율은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

전자 수 Ne는 광자 수에 정비례한다. 광자 수는 센서 조도 EV와 노출 시간의 곱에 정비례한다. 정의된 광학 변환이 있는 주어진 이미징 설정에는 이미지의 샷 노이즈에 영향을 주는 세 가지 매개변수가 있다.

- 통합 시간(스캔 속도)

- f- stop(초점 심도와 최대 선명도)

- 스캔된 물체의 조도

렌즈의 조리개는 빛에 대한 요구 사항에 중요한 영향을 미친다. 예를 들어, f-stop이 4에서 5.6으로 변경되면, 동일한 신호 대 잡음비를 유지하려고 조명 요구를 두 배로 증가시킨다. 동시에 대부분의 렌즈로 초점 심도(depth of focus)를 높이고 광학 품질을 향상시킨다. 비네팅 효과(vignetting effects)가 감소하는 반면 초점 심도와 선명도가 증가한다.

예시)

물체 해상도: 300DPI

센서 픽셀 크기: 10μm

초점 거리: 50mm

→ Depth of focus: 8mm // f-stop 4.0

→ Depth of focus: 12mm // f-stop 5.6

→ Depth of focus: 18mm // f-stop 8.0

일반적인 힌트

- f-stop 수를 늘리고 이미지를 날카롭게 하면서 조명을 증가시켜 신호 대 잡음비를 줄이지 말아야 한다.

- 물체의 가장 밝은 영역을 스캐닝할 때 카메라가 80%(또는 그 이상)의 센서 채도에 도달하는 범위로 밝기를 증가시켜야 한다.

- 샷 노이즈는 이미지 품질의 가장 중요한 매개변수 중 하나다. 정의된 통합 시간 내에 최대한 많은 광자를 수집하면 이미지 품질이 향상된다.

이러한 이미지 수집의 조건은 리스크를 줄이고 품질을 높인다.

또한, 이미지 처리 단계에서 발생하는 문제를 줄인다.

라인 스캔 카메라의 속도는 지난 몇 년 동안 크게 증가했으며, 이러한 빠른 시스템에 충분한 빛을 제공하는 것이 점점 더 어려워지고 있다. 디지털 카메라를 가진 사람이라면 누구든지 열악한 조명 상태로 인해 열악한(시끄러운) 이미지가 생성된다는 사실을 알고 있다.

머신비전 애플리케이션에서도 마찬가지다. 따라서 어려운 문제를 해결하기 위한 충분한 빛을 만들어내야 한다. 카메라 애플리케이션을 위한 빛의 중요성은 샷 노이즈(shot noise)의 영향으로 나타난다. 화질은 물체의 광자 수와 최종적으로 획득에 사용된 센서 수와 밀접한 상관 관계가 있다.

예를 들어, 현대의 라인 스캔 카메라는 다음과 같은 통합 시간을 처리할 수 ​​있다. 15μs로, 최적의 이미지 품질을 생성하기 위해 100만 Lux 이상의 휘도가 필요할 수 있다. 두 이미지는 빛의 부족으로 인한 신호 대 잡음 문제를 보여준다.

일부 조명 시스템은 이미징 시점에서 강도를 높이기 위해 집중 조명 솔루션을 제공한다. 백라이트, 또는 명시야 조명이 아닌 경우 라인 스캔 카메라가 완벽한 이미지를 제공할 수 있도록 물체에 충분한 빛을 생성하는 것이 어렵다. 이것이 로드 렌즈(rod lense)가 일반적으로 빛을 집중시키는 데 사용되는 이유다.

Chromasens는 라인 스캔 애플리케이션에서 리플렉터 기술(reflector technology)에 대한 독자적인 특허를 보유하고 있다. 로드 렌즈는 회절 효과로 인한 색수차를 일으키지만 미러(반사기) 원리에는 이러한 문제가 없다. 리플렉터 기술을 사용하면 더 많은 빛(더 넓은 각도)의 LED를 수집할 수 있어 대개 효율성이 높다.

2. 수명과 저하(degradation)

오늘날 조명 기술은 할로겐, 또는 형광 전구 램프와 같은 고전 조명에서 LED 기반 조명으로 끊임없이 변화하고 있다. LED의 성공은 많은 장점과 산업적 개선에 의해 주도된다. 고전 광원(예: 할로겐 전구)은 스펙트럼이 변하고 안정된 상태에 도달하는 데 오랜 시간이 걸린다. 또한, 이들은 매우 한정된 수명을 가지고 있다. LED의 스펙트럼 거동은 온도와 전류가 일정하게 유지되고 LED 광원이 바로 작동할 준비가 되면 안정적이다.

크기가 작기 때문에 짧은 시간 동안 워밍업을 해야 한다. 이것이 합리적인 작동 지점에서 LED를 유지하는 데 필요한 열 관리가 필요한 이유 중 하나다. 최근의 LED 안정성의 향상은 긴 수명과 스펙트럼 동작의 일정한 품질을 가능하게 한다. 적절한 열처리로 수명을 늘리는 데 여러 가지 옵션이 있다.

관리 및 LED 조명의 작동 모드를 제어함으로써 가능하다. 예를 들어, 기술적으로 구현하기 쉬운 LED 조명이 작동하면 수명이 길어진다. 스트로브 기술을 사용하면 강렬한 빛이 필요한 작업을 위해 LED를 최대 전류 이상으로 사용할 수 있다. 그러나 최신 고전력 LED는 이전과 같이 과도한 전류를 지원하지 않는다.

평생 LED의 자연스러운 동작은 강도가 감소한다는 것이다. 측정 결과 50.000h에서 강도가 100%에서 70%로 감소가 나타났다. 그 시간에 LED 성능은 점차 감소할 것이다.

3. 온도: 냉각이 중요하다

LED 조명은 정말 냉각이 필요한 광원인가? 만약 LED가 냉각 없이 구동된다면, LED가 단 몇 초 안에 타서 끊어진다. 냉각이 잘 될 수록 LED 수명이 길어진다. 이것은 일반적인 지식이지만, 고려해야 할 부작용이 있다.

LED 온도 영향

- 수명

- 스펙트럼 동작/색상 이동(표 1 참조)

- 효율성/밝기

다음 표는 LED 온도 변화로 인한 색상 변화를 보여준다. 나열된 값은 Lab Checker 테스트 차트에서 측정되고 55°C 값에서 참조되는 Lab 공간의 평균 및 최대 색상 거리다. 온도 변화로 인한 테이블 스펙트럼 변화는 아래 표와 같다. 30°C의 차이는 2,2~12,4ΔE(delta E)의 스펙트럼 거동에 영향을 줄 수 있다.

비고: ΔE> 1은 이미 가시적인 색상 변경을 초래한다.

정밀한 색상 재현이 필수적인 애플리케이션에서는 조명의 열 관리(thermal management of the illumination)를 보장하는 것이 좋다. 능동 열 제어 시스템은 2도 이하의 좁은 범위에서 지능 냉각을 통해 LED의 온도를 제어할 수 있다. 일반적으로 다음 냉각 옵션을 사용할 수 있다. 코로나 II는 모든 옵션을 지원한다.

- 방열판을 통한 수동 냉각

- 압축 공기 냉각

- 액체 냉각

- 팬 냉각

- 온도 조절 팬 냉각

활성 공기 흐름, 압축 공기 및 수냉은 고온 환경에서의 측정 애플리케이션에 가장 적합하다. LED의 온도를 모니터링하고 냉각(예: 팬 기반)을 제어함으로써 ΔE 문제를 피할 수 있다. 냉각은 LED의 색상 이동을 최소화하고 더욱 정확한 측정을 유도한다. 또한, 빛의 수명을 늘리는 데 도움이 된다.

4. 다른 초점 거리의 문제

물체가 평평하고 작동 거리가 알려진 경우에는 엔지니어가 해결 할 문제가 줄어든다. 이 경우 초점 거리를 비교적 쉽게 선택할 수 있다. 그러나 물체가 빛에 대해 잘 정의된 거리를 가지지 않기 때문에 거리를 변화시키면 어떻게 될까? 리플렉터 기술은 조명 소스로 더 큰 깊이를 가능하게 한다. 이 이미지는 거리와 관련하여 리플렉터 기술의 장점을 보여준다. 길이, 너비 및 깊이에 걸쳐 동질성이 필요하다. 다음 이미지는 190mm 반사경 초점을 보여준다.

백색 LED의 경우 스펙트럼 문제는 일반적으로 색채 렌즈 오류로 인해 발생한다. CORONA II 조명은 특수한 특허 반사 기술을 통해 방출된 LED 조명을 초점을 맞춘다. 리플렉터 기술로 초점을 맞추는 것은 백색광 및 다양한 거리를 갖는 애플리케이션에서 어려운 문제가 될 수 있는 색 수차로 이어지지 않는다. 각도와 거리가 다르더라도 수차가 없는 집광된 빛은 애플리케이션에서 효율성과 안정성을 증가시킨다.

만약 물체와 카메라의 거리가 변하는 경우와 밝기가 변하는 빛은 후속 이미지 처리 작업에 대한 추가 과제다. 따라서 다양한 거리에서도 밝기가 최소한으로 변경되는 광원을 신중하게 선택하는 것이 좋다. <다음 호에 계속>

자료 제공: Chromasens(www.chromasens.com)