탁월한 검출성을 구현하는 라인 스캔 편광 카메라의 4가지 장점
Teledyne DALSA
라인 스캔 편광 카메라는 공간 수정(spatial correction)으로 기존의 이미징으로는 감지할 수 없는 복굴절(birefringence, 방향에 따라 굴절률이 다른 결정체에 입사한 빛이, 방향이 다른 두 개의 굴절광으로 굴절되는 현상), 응력, 표면 거칠기(금속표면을 다듬질 가공할 때에 표면에 생기는 미세한 요철의 정도), 물리적 특성을 감지한다.
빛의 세 가지 기본 속성은 강도, 파장, 편광이다. 거의 모든 카메라는 흑백이나 컬러 이미지를 위해 설계됐다. 단색 카메라는 픽셀 레벨에서 광대역 스펙트럼에 대한 빛의 강도를 측정하는 데 쓰이지만, 컬러나 다중 스펙트럼 카메라는 빨강, 녹색, 파랑, 근적외선 파장 대역의 빛의 강도를 감지하는 데 쓰인다. 마찬가지로 편광 카메라는 여러 편광 상태에서 빛의 강도를 포착한다.
편광은 형상과 표면을 감지한다. 그뿐만 아니라 기존의 이미징으로는 감지할 수 없는 물리적 특성을 측정하는 수많은 장점을 제공한다. 머신비전에서는 달리 구별하기 어려운 물체의 대비를 향상시키는 데 사용할 수 있다. 편광 이미징은 위상 검출(phase detection)과 조합할 때 기존의 이미징보다 훨씬 더 민감하다.
편광 필터 기술
사람의 눈과 마찬가지로 실리콘은 편광을 결정할 수 없다. 따라서 이미지 센서 앞에 편광 필터가 있어야 한다. 센서는 필터에 의해 정의된 편광 상태로 광의 세기를 검출한다.
일반적인 유형의 편광 필터는 시간 분할, 진폭 분할, 또는 초점면(focal plane) 분할의 세 가지 범주 중 하나에 속한다(표 1). 데이터는 시간 편광의 분할을 위해 액정, 편광기, 광탄성 변조기와 같은 편광 성분이 회전되거나 변조됨에 따라 순차로 획득된다. 속도는 변조로 제한된다. 많은 애플리케이션에서 약 100kHz의 높은 회선 속도가 필요하다. 시간 필터의 구분에는 제한되는 부분이 있으며, 복잡한 디자인 때문에 비용도 높다.
진폭 필터를 나누기 위해 빛은 다른 광학 경로로 분할된다. 각 경로에는 별도의 센서가 있다. 프리즘은 정확히 등록하기 어려울 때 가장 많이 쓰이는 구성 요소다. 또한 하우징은 프리즘을 수용해야 하므로 보통 대형이다.
초점면 분할의 필터는 마이크로 편광판 어레이가 초점면에 배치돼 다른 편광 상태를 정의한다. 콤팩트하고 견고하며 저렴한 설계에 적합하다. 그러나 영역 스캔 이미저에서 각 픽셀은 하나의 고유 편광 상태 데이터만 제공한다. 그 때문에 공간 해상도에 고유의 단점이 있다. 알고리즘은 다른 것을 보간하는 데 쓰인다.
마이크로 편광 필터를 쓰는 라인 스캔 편광 카메라는 앞서 언급한 단점이 문제되지 않는다. 라인 스캔에서 편광 필터 방향이 다른 여러 어레이는 비슷한 위치에서 이미지를 동시에 캡처한다. 카메라는 공간 보정으로 모든 채널을 같은 객체 지점에 정렬할 수 있다. 영역 스캔에 대한 라인 스캔의 장점은 디지털 조작 없이 여러 개의 고유 편광 상태 데이터를 제공한다는 것이다.
센서 아키텍처
Teledyne Dalsa의 Piranha 편광 카메라(그림 1)에는 CMOS 아키텍처와 쿼드 라인 아키텍처가 통합됐다. 나노와이어로 구성된 양극성 편광기 어레이는 실리콘의 상부에 위치하고, 나노와이어는 140nm의 피치와 70nm의 폭을 갖는다. 반면에 미세 편광기 필터의 배향은 처음 3개의 선형 배열에서 각각 0°, 135°, 90°이다. 필터링 된 빛의 강도는 기본 배열로 기록된다. 네 번째 채널은 필터링 되지 않은 어레이로, 기존 이미지와 동등한 전체 강도를 캡처하는 반면에 활성 어레이 사이의 간격은 공간적 혼선을 줄인다.
빛은 전자기파이다. 전기장, 자기장, 전파 방향은 서로 직교한다. 편광 방향은 전기장 방향으로 정의된다. 전기장이 나노와이어에 수직으로 진동하는 빛이 필터를 통과하는 동안, 평행 방향의 빛은 통과하지 못한다. 라인 스캔 카메라를 반사 구성에서 웹에 비스듬히 장착하면 0° 채널은 s-편광(투과 평면에 수직한 편광)을 투과시키고 90° 채널은 p-편광(입사 평면에 평행한 편광)이다. 카메라 출력 I0, I90, I135, Iuf를 각각 0°, 90°, 135° 편광 그리고 필터링 되지 않은 채널에서 가정해보면 s-편광과 p-편광 상태의 강도는 다음과 같다.
Is = I0
Ip = I90
마이크로 편광기 필터를 사용한 라인 스캔과 영역 스캔 사이의 키 차별화는 픽셀당 기본 편광 상태 데이터의 수다. 영역 스캔 이미저는 이른바 ‘슈퍼 픽셀(지각적으로 의미 있는 픽셀을 모아서 그룹화해준 것)’로 배열된 0°, 45°, 90°, 135° 편광 필터를 쓴다. 각 픽셀은 하나의 고유한 편광 상태를 캡처한다.
그 다음 보간 알고리즘을 써서 인접 픽셀의 정보를 기반으로 세 가지 다른 상태를 계산한다. 공간 해상도 손실 때문에 데이터 정확도가 떨어진다. 라인 스캔 카메라의 경우 각 편광 상태에는 100% 표본이 있다.
다수의 고유 편광 상태 데이터가 물리적으로 측정된다. 나노와이어 마이크로 편광판 필터의 명암비는 그림 2에 나와 있다. 파장에 따라 30~90의 명암비가 관찰된다.
스토크스 변수(Stokes parameters, 전자기파의 편광 상태를 나타내는 값들의 모임을 이르는 것) S0, S1, S2 등은 종종 물질의 물리적 특성을 분석하는 데 쓰인다. 차등 편광, 직선 편광도(DoLP, Differential polarization, degree of Linear Polarization), 편광 각도(AoP, Angle of Polarization)는 모두 유용한 변수이다.
그림 3은 Piranha 편광 카메라로 캡처한 플라스틱 눈금자의 색으로 구분된 편광 이미지를 보여준다.
여기서 RGB는 각각 0°(s-편광), 90°(p-편광), 135° 편광 상태를 나타낸다. 필터링 되지 않은 채널로 캡처한 기존 이미지도 비교된다. 편광 이미징은 기존의 이미징으로 검출할 수 없는 플라스틱 눈금자에 있는 축적 응력을 제공한다.
감지 가능성
오늘날 머신비전 산업은 속도가 약 100kHz 라인 속도에 도달하고, 물체 분해능이 미크론 이하로 감소함에 따라 감지 가능성에서 많은 어려움이 있다. 신호 대 잡음비를 개선하기 위한 시간 지연 통합, 스펙트럼 특성을 얻기 위한 컬러 혹은 다중 스펙트럼 이미징과 같은 여러 기술이 개발됐다. 그러나 재료의 물리적 특성에 따라 더 높은 대비가 필요하다. 표면이나 인터페이스의 변화에 민감하므로 편광은 중요한 노릇을 한다. 편광 기반 이미징은 위상 탐지 때문에 강도 기반 이미징보다 훨씬 민감하다.
투과 구성(그림 4)은 일반적으로 유리나 필름과 같은 투명한 재료에 쓰인다. 일반적으로, 편광자는 광원을 직선 편광으로 변환하는 데 쓰인다. 직선 편광은 물체를 통과할 때, 보통 물체의 복굴절 때문에 타원 편광된다. λ/4 플레이트와 같은 옵션 보정 장치도 광 경로에 쓰일 수 있다. 마지막으로, 이미지는 편광 카메라로 캡처된다. 최적의 성능을 위해 편광기와 보정기의 각도를 조정할 수 있다.
반사 구성(그림 5)은 불투명 재료에 쓰인다. 반도체나 금속과 같은 재료에서 반사된 빛은 편광에 따라 다르다. 편광기는 광원을 직선 편광으로 변환한다. 직선 편광이 물체로부터 반사될 때, 반사된 빛은 일반적으로 타원 편광된다. 편광기와 보상기의 각도를 회전시킴으로써 카메라에 도달하는 직선 편광을 달성할 수 있다. 구성은 타원 편광법(ellipsometry)과 유사하다. 차이점은 회전 분석기를 쓰는 대신에, 카메라가 측면 공간 해상도로 서로 다른 편광 상태를 동시에 캡처한다는 것이다. 빛은 포인트 소스가 아닌 선형 광원이다.
결함 때문에 물체의 물리적 성질이 변할 때, 물체의 나머지 부분과는 다르게 편광 상태를 변화시킨다. 이 변화는 높은 감도의 편광 카메라로 감지된다.
유리의 응력을 유발하는 나사에서 볼 수 있듯이, 기계적 힘은 복굴절을 유발해 투과광의 편광 상태를 변경한다(그림 6). 필터링 되지 않은 채널에서 볼 수 있듯이 일반적인 이미징은 이런 스트레스를 감지할 수 없다. 그림 7에서는 표면에 흠집이 있는 전자 회로 이미지를 확인한다. 편광 이미지에서 표면 결함은 대비 향상 덕분에 훨씬 분명하다.
라인스캔 편광 이미지는 타원 편광법의 강력한 기능이 실제로 해상도와 결합한다. 1970년대에 개발된 타원은 수 나노 미터의 수직 해상도를 가진 민감한 광학 기술이다. 막의 두께, 재료 구성, 표면 형태, 광학 상수, 결정 장애와 같은 재료의 물리적 특성을 결정하는 데 널리 쓰였다. 나중에 개발된 이미징 타원은 어느 정도의 측면 해상도를 추가한다. 그러나 포인트 광원의 원인은 매우 작은 시야(미크론-밀리미터)를 가지며 현미경에만 적합하다. 선형 센서나 선형 광원을 사용한 라인 스캔 편광 이미징은 한계를 극복한다.
브루스터의 각도 이미징(Brewster’s angle imaging)
타원체의 입사각은 일반적으로 브루스터의 각도[θB=arctan(n)]에 가깝도록 선택된다. 여기서 n은 물체의 굴절률이며 파장에 의존한다. 유리의 경우, n≈1.52과 θB≈56°, 실리콘의 경우 633nm에서 n≈3.44와 θB≈74°이다.
브루스터의 각도에서, p-편광의 반사가 최소화되고 s-편광 상태와 p-편광 상태의 반사율의 차이가 최대화돼 가장 높은 감도를 제공한다. 브루스터의 각도로 편광되지 않은 빛이 입사하고 카메라가 거울 각도로 설치된 경우, p-채널은 어두운 신호를 캡처하고 s-채널은 여전히 반사 신호에서 정상적인 신호를 캡처한다. 브루스터 각도에서 p-편광이 완전히 입사되면 같은 각도로 설치된 카메라가 어두운 배경을 포착한다. 결함 또는 불순물 때문에 생긴 표면 편차는 하나의 밝은 영역을 결과로 가져온다. 그러면 높은 콘트라스트 이미지를 얻을 수 있다. 그러나 라인 스캔의 한 가지 문제점은 시야가 센서 길이보다 훨씬 넓을 때 조건을 충족할 수 없다는 것이다.
요약하면, 라인 스캔 편광 이미징은 높은 위상차의 위상 검출 감도와 해상도를 결합해 차세대 비전 시스템에 대한 검출성을 제공한다.
자료 제공: Teledyne DALSA(www.teledynedalsa.com)
