머신비전 애플리케이션을 위한 올바른 조명 구현 방법 ①

Advanced illumination

개요

조명 유형과 기술, 형상, 필터링, 센서 특성, 색상 이해, 샘플 프레젠테이션, 샘플 라이트 상호 작용을 포함한 검사 환경을 철저히 분석하면 비전 조명 해결책을 설계할 수 있는 기초가 된다. 엄격한 조명 분석 시퀀스를 설계하고 따라 하면 일관성 있는 환경을 제공해 시간과 노력과 자원을 극대화할 수 있다. 비전 시스템 설계와 테스트 그리고 구현의 다른 중요한 측면에서 더 효과적으로 쓰인다.

소개

‘적절한 표본 추출을 위한 표준 방법(Standard Method for Developing Sample Appropriate Lighting)’을 제시한다. 다음 세 가지 영역에서 적용할 수 있는 사례로 실용적인 틀의 측면을 자세히 설명한다.

- 지식

 - 조명 유형과 애플리케이션의 장단점

 - 비전 카메라와 센서 양자 효율 그리고 스펙트럼 범위

 - 표면 평탄도와 표면 반사율에 비례하는 조명 기술과 응용 분야

 - 비전 조명의 4가지 기본 요소에 대한 지식

 - 기하학

 - 패턴 또는 구조

 - 파장

 - 필터

- 상세 분석

 - 곧바로 검사할 수 있는 환경: 물리적 제약 조건과 요구 사항

 - 샘플: 고유 샘플에 가벼운 상호 작용

세 영역의 정보가 축적돼 분석되면 특정 샘플이나 검사 요구 사항과 관련해 다음 3가지 기준을 충족하는 조명을 제공하기 위해, 머신비전 조명 분석의 주 목표를 달성할 수 있다.

 - 기준 1: 해당 관심 분야의 대비를 극대화

 - 기준 2: 다른 곳의 대비를 최소화

 - 기준 3: 견고성 측정 제공

이를테면 허용 기준 1과 2를 만족하는 조명 솔루션이 부품 크기, 모양, 방향, 배치, 또는 환경 변수에 불일치가 없을 때만 효과적이다(그림 1 참조).

비전 조명 소스와 스펙트럼 콘텐츠

아래에 있는 광원은 머신비전에서 널리 쓰인다.

- 형광등

- 금속 할로겐(수은)

- 석영 할로겐

- 광섬유

- 크세논

- LED

- 발광 다이오드

- 고압 나트륨

그림 2는 머신비전에 적용된 형광등과 석영 할로겐, LED 조명 유형 그리고 관련 선택 기준의 장단점을 보여준다.

과거에는 형광등과 석영 할로겐 광원이 가장 보편적으로 쓰였다. 최근 몇 년 동안 LED 기술은 안정성과 강도와 비용 효율성이 향상됐다. 그러나 형광 광원과 비교할 때 대면적 조명 배치는 비용 면에서 비효율적이다. 다만 애플리케이션의 유연성과 출력 안정성 그리고 수명이 중요한 매개 변수라면 LED 조명이 더 적합할 수 있다. 정확한 조명 요구 사항에 따라 특정 구현에 하나 이상의 소스 유형이 쓰이는 경우가 많다. 거의 모든 비전 전문가는 하나의 소스 유형으로 모든 조명 문제를 적절하게 해결할 수 없다는 데 동의한다.

소스의 밝기뿐만 아니라 스펙트럼 내용도 고려해야 한다(그림 3). 예를 들어, 현미경 응용 분야는 더구나 컬러로 이미지를 촬영할 때 전체 스펙트럼에 석영 할로겐, 크세논, 또는 수은 소스를 쓰기도 한다. 그러나 단색 LED 광원은 B&W CCD 카메라에 유용하며 ‘모든 색상 -RGB’와 백색 LED 라이트 헤드의 등장으로 컬러 애플리케이션에도 유용하다.

고속 검사와 같이 높은 광도가 필요한 애플리케이션에서는 소스의 스펙트럼 출력을 특정 비전 카메라의 스펙트럼 감도(그림 4)와 일치시키는 것이 유용할 수 있다. 예를 들어, CMOS 센서 기반 카메라는 CCD보다 IR 감도가 높다. 그 때문에 IR LED나 IR이 풍부한 텅스텐 소스를 쓸 때 밝기가 부족한 검사 설정에서 중요한 감도(sensitivity) 장점을 제공한다.

그림 3과 4의 정보는 카메라와 광원을 선택할 때 고려해야 할 또 다른 관련 사항을 보여준다. 자세한 내용은 다음과 같다.

- 광원의 피크 파장과 센서의 피크 감도를 일치시켜 출력물을 최대한 활용한다.

- 단색 LED나 수은과 같은 좁은 파장 소스는 좁은 패스 필터와 일치할 때 전략적 파장을 전달하는 데 유용하다. 예를 들어, 적색 LED 광과 일치할 경우 적색 660nm 밴드 패스 필터는 오버 헤드 형광이나 수은 소스에서 발생하는 주변광을 차단하는 데 매우 효과적이다.

- 햇빛은 낮은 강도와 광대역 스펙트럼 콘텐츠를 가지므로 비전 검사 결과에 만족하지 못한다. 따라서 불투명 하우징을 써야 한다.

- 사람의 생각은 눈이 보는 것을 해석하는 데 능숙하지만, 시각 시스템은 화상의 감도와 스펙트럼 다이내믹 레인지 면에서는 부적절하다. 그렇기 때문에 비전 카메라로 얻은 이미지를 눈으로 보게 한다.

비전 조명의 초석

비전 조명의 기본 요소 4가지는 다음과 같다.

1) 기하학: 표본과 빛 그리고 카메라 사이의 3차원 공간적 관계.

2) 구조 또는 패턴: 샘플에 투사되는 빛의 모양.

3) 파장 또는 색상: 샘플과 그 배경에 빛이 차별적으로 반사되거나 흡수되는 방식.

4) 필터: 파장과 빛 방향을 차별적으로 차단하거나 전달하는 것.

조명의 품질과 견고성을 평가하기 위한 수용 기준 3가지를 충족하기 위해, 기본 요소 4가지를 활용해서 샘플 대비를 조작하고 향상하는 방법을 이해하는 것이 중요하다. 기하학으로 대비 변경을 수행하려면 적절한 구성이 발견될 때까지 샘플과 조명과 카메라 위치를 이동해야 한다.

예를 들어, 카메라 주위에 장착된 동축 링 라이트(co-axial ring light)는 반 반사 바코드 표면(semi-reflective bar code)에 핫 스폿 눈부심을 만들어낼 수 있다. 그렇지만 빛을 축외로 이동시킴으로써 핫 스폿 눈부심 역시 카메라 뷰에서 벗어난다. 구조를 통한 명암 변화, 또는 샘플에 투사되는 빛의 모양은 보통 밝은 헤드이거나 특정 조명 기술이다. 색상 조명으로 명암이 바뀌는 것은 차동 색상 흡광도 대 반사율(differential color absorbance vs reflectance)과 관련 있다.

고려해야 할 문제

조명 환경과 관련해 최적의 조명 솔루션을 결정할 때 평가할 2가지 측면이 있다.

1) 즉각적인 검사 환경

2) 샘플: 가벼운 상호 작용

앞에서 설명한 허용 기준 3가지를 충족하는 샘플에 적합한 조명 솔루션을 개발하려면 다음 사항들을 고려해야 한다. 광학, 조명 유형, 기술, 그리고 4가지 기본 요소가 바로 그것이다.

a) 즉각적인 검사 환경

즉각적인 검사 영역의 물리적 요구 사항과 제한 사항을 3차원 공간에서 완전히 이해하는 것이 중요하다. 이는 특정 검사 요구 사항과 로봇 픽 앤 플레이스 기계 등에 따라 달라진다. 지지 구조는 조명 유형뿐만 아니라 형상, 작동 거리, 강도, 그리고 패턴에서도 절충을 해야 하므로 효과적인 조명 솔루션을 선택하는 데 방해될 수 있다. 이를테면 확산 광원이 요구되지만 클로즈업과 하향식 액세스가 제한돼 적용되지 못할 수 있다.

고속 라인을 검사할 때 움직임을 고정하기 위해 강렬한 연속 또는 스트로브 라이트(깜박임을 방지하기 위해서 48〜2,000pps의 전류를 방출하도록 설계된 조명 장치)가 필요할 수 있다. 이 밖에도 어떤 특징을 검사하는지에 따라서 일관된 부품 배치와 표현이 중요하다.

b) 주변광 기여도

주변 조명으로써, 백색광과 같은 다중 스펙트럼 광원을 쓸 때 검사의 품질과 일관성에 영향을 많이 줄 수 있다. 가장 일반적인 주변광은 오버헤드 공장 조명과 햇빛이지만, 때때로 다른 검사 스테이션이나 동일 작업 셀의 다른 스테이션에서 시각적으로 잘못된 작업 조명이 영향을 줄 수 있다.

주변광을 다루는 3가지 방법이 있다. 단시간 펄스, 물리적 인클로저, 그리고 통과 필터를 쓰는 고전력 스트로브이다. 고전력 스트로브는 주변광을 손쉽게 없애지만 높은 비용과 구현하기 어렵다는 단점을 가지고 있으며, 모든 소스가 스트로브를 낼 수 있는 것은 아니다(예: 형광). 스트로브를 쓸 수 없거나 애플리케이션에서 컬러 카메라를 써야 하는 경우, 정확한 스펙트럼을 재현하고 균형을 유지하려면 멀티 스펙트럼 백색광이 필요하다.

따라서 이 상황에서 좁은 파장 통과 필터는 백색광 기여의 주요 부분을 차단하므로 인클로저가 최선의 선택이다. 그러나 이 경험에는 예외가 있다. 예를 들어, 적외선 차단기로 알려진 700nm 쇼트 패스 필터는 컬러 카메라에서 표준이다. 더구나 IR 콘텐츠가 녹색 채널의 색상 정확도와 균형을 변경할 수 있다.

그림 5는 통과 필터를 써서 주변광을 효과적으로 차단하는 방법을 보여준다. 광선이 낮은 수율의 형광일 때 더욱 그렇다.

c) 견본 - 가벼운 상호 작용

샘플의 표면이 작업별 혹은 주변광과 상호 작용하는 방법은 기하학과 반사도는 물론이고 그 구성과 지형, 색상, 전체 표면 형태를 비롯한 여러 요소와 관련된다. 또한 요인들의 조합 중 일부는 얼마나 많은 빛을 어떤 방식으로 카메라에 반사시키고 수집과 처리 그리고 측정에 쓸 수 있는지를 결정한다.

예를 들어, 음료 캔의 바닥과 같이 구부러진 반사 표면(그림 6)은 종이처럼 평평하고 확산된 표면과는 다른 지향성 광원을 반사한다. 조립된 PCB와 같은 지형 표면은 조명 유형과 기하학에 따라 평평하지만 미세한 질감, 또는 딤플(금속 재료에 보이드가 합쳐져 발생하는 파단면상의 움푹 팬 곳 / 그림 7) 표면과 다르게 반사한다.

d) 색상 분석

물질은 여러 가지 파장의 빛을 다르게 반사하거나 흡수하며, 흑백과 컬러 이미징 공간 모두에 유효한 효과이다. 색상이 반사되면 표면이 밝아진다.

이와 반대로 색상이 흡수되면 표면은 어두워진다. ‘따듯한 색상 대 차가운 색상’(그림 8)의 간단한 색상환을 활용해서 B&W 카메라로 한정된 색상표를 쓸 수 있다. 또, 부품과 배경 사이의 차등 대조를 생성하고(그림 9), 색상 부분을 차별화할 수 있다(그림 10).

e) 샘플 구성과 투과성

샘플 구성은 작업 조명이 부품에 충돌하는 경우 크게 영향을 줄 수 있다. 일부 플라스틱은 특정 파장 범위의 빛만을 투과시킬 수 있으며, 그렇지 않으면 불투명하다. 일부는 내보내지 않고 오히려 내부적으로 빛을 확산시킬 수 있다. 여전히 일부는 빛을 흡수해 동일한 파장, 또는 다른 파장(형광)에서 재사용할 수 있다. 형광 라벨과 염료는 인쇄 업계의 잉크에도 널리 쓰인다(그림 11).

IR 광의 특성은 여러 이유로 시각 검사에 유용할 수 있다. IR 광은 색상을 바탕으로 하는 대비 차이를 중화하는 데 효과적이다. 주로 IR 광의 반사가 색상 차이가 아닌 샘플 구성에 더 많은 바탕을 두기 때문이다. 이 속성은 대비가 낮을 때 쓸 수 있다. 보통 백색광의 색상 반사율을 기준으로 원하는 효과를 찾을 수가 있다(그림 12 참조).

일부 물질에 대한 빛의 침투 깊이는 빛의 파장에 직접 비례한다. 적외선 빛은 진한 파란색, 또는 자외선보다 폴리머 물질이 침투하는 데 훨씬 더 효과적이지만(그림 13 참조) 침투 깊이가 부족하다. 그렇기 때문에 청색 광이 검은색 고무 화합물의 표면 형상을 묘사하는 데 도움 된다.

빛과 시료 사이에 쌍으로 적용할 때 편광 필터 하나는 시료와 카메라 사이에, 다른 하나는 일반적으로 나사산으로 렌즈에 부착된다. 다음과 같은 경우에 유용하다.

1) 투명 샘플(그림 14)에서의 기계적 손상 차이를 검출

2) 섬광 감소(그림 15)

자료 제공: Advanced illumination(www.advancedillumination.com)