머신 비전과 단파 적외선 이미징 결합 효과
Smart vision lights
전자기 스펙트럼 영역에 있는 1,050~2,500nm 범위의 단파 적외선(SWIR, shortwave infrared)은 기존 실리콘 기반 이미징 센서의 도달 범위 바깥에 있다. 그럼에도 불구하고 단파 적외선은 검사, 정렬 및 품질 관리 뿐만 아니라 감시 및 원격과 같은 주변 광 응용분야에 제공하는 특별한 기능으로서 머신 비전에서 점점 많이 적용되고 있다.
실리콘의 양자 효율성이 800nm이상에서 급격히 떨어지기 때문에, 단파 적외선 센서는 InGaAs (indium gallium arsenide, 인듐 갈륨 비소 또는 MCT(mercury cadmium telluride, 수은 카드뮴 텔루라이드)와 같은 다른 화학성분을 기반으로 한다.
최신 단파 적외선 이미저(Imager)는 양자점 기술(quantum dot technology)과 같은 독창적인 센서 아키텍처를 활용하고 있다. 올바른 이미징 방식의 선택은 애플리케이션에 따라 다르다. 그러나 이 모든 기술은 가시 센서를 넘어 확장된 스펙트럼이며, 단파 적외선 광이 익숙한 물질을 바꾸는 독특한 방식에 의해 이미지 성능을 크게 확장한다.
MCT 카메라가 더 효과적인 중파 적외선(MWIR, mid-wave IR) 스펙트럼 근처에 있는 단파 적외선 파장은 해당 스펙트럼 영역을 공유한다. 따라서 이 범위에서 비교적 긴 광자 파장은 더 작은 직경의 입자로 인한 레일리 산란(Rayleigh scattering)에 덜 민감하다. 실제로 이것은 단파 적외선 이미저가 연기 또는 안개를 관통해 볼 수 있음을 의미한다.
약 900nm~1,700nm의 더 짧은 단파적외선 파장은 가시광선 범위에 있는 광자처럼 행동한다. 단파 적외선에서 대상에 대한 스펙트럼 성분은 다르지만, 생성된 이미지는 여전히 특성상 더욱 시각적이며 중파 적외선 및 장파 적외선(LWIR) 광대역의 낮은 해상도 열 거동과 비슷하다. 이 장점은 많은 산업 머신 비전 애플리케이션의 요구에 부합하는 것이다. 단파적외선 짧은 파장은 중파 적외선 및 장파적외선과 비교하여 이미지의 해상도가 높고 콘트라스트가 높아 이미지를 검사하고 분류하는 데 중요한 기준이 된다.
또한 단파적외선의 끝부분에서 작동하는 카메라는 가시광선 카메라와 유사한 광 캡처 기술을 공유하지만 수집한 이미지는 동일한 항목을 이미징할 때도 실리콘 센서로 캡처한 이미지와 매우 다르게 나타난다.
그 이유는 물리와 화학이 섞여 있기 때문이다. 일반적으로 빛과 물질의 상호 작용은 에너지 교환과 관련이 있다. 전자기 에너지가 물체를 구성하는 분자로 전달되면 물체의 표면이 그 에너지를 흡수한다. 그렇지 않으면 에너지가 반사된다. 각각의 개별 파장에는 고유한 에너지 정의가 있기 때문에 한 파장에서 유사하게 보이는 물질은 다른 파장과 완전히 다르게 보일 것이다.
이것은 가시 범위에서 작동하는 기존 실리콘 이미저와 완전히 다르게 보이는 익숙한 항목의 고해상도 이미지를 캡처하는 단파적외선 카메라의 독창적인 기능을 설명해준다.
단파 적외선 검출기 배열(SWIR Detectors Arrayed)
InGaAs 센서는 현재 단파 적외선 범위의 900~1,700nm 윈도우 내에서 작동하는 일반적인 카메라 기술이다. 이 제품은 다른 단파 적외선 이미징 방식에 비해 비교적 비용 효율적이고 성숙도가 높으므로 검사, 분류 및 품질 관리와 관련된 머신 비전 애플리케이션에 가장 일반적으로 사용되는 기술이다.
가시광선 범위에서 작동하는 실리콘 기반 검출기와 마찬가지로 InGaAs 센서는 높은 감도와 빠른 응답 속도를 제공하지만 광감도는 파장에 따라 다르다. 이 솔리드스테이트 장치에는 셔터나 다른 움직이는 부품이 포함되어 있지 않으므로 공장 현장에서 일반적인 진동에 견딜 수 있다. 열화상 애플리케이션을 대상으로 하는 단파 적외선 카메라와 달리 InGaAs 장치는 기존의 유리 광학을 활용하기 위해 고가의 실리콘 또는 게르마늄 렌즈를 버릴 수 있다.
일반적으로 산업용 머신 비전에서 단파 적외선 애플리케이션을 대상으로 하는 InGaAs 카메라는 냉각이 필요하지 않다. 그러나 3대의 Hamamatsu InGaAs 카메라를 비교한 결과 센서를 냉각하면 암전류(dark current)를 크게 줄여서 일부 애플리케이션에서 이미지 품질을 개선하고 노출 시간을 연장할 수 있다.
양자점(quantum dot) 기술을 기반으로 한 카메라는 견인력을 얻는 비교적 새로운 단파 적외선 이미징 기술이라는 점은 주목할 가치가 있다. 이러한 장치는 InGaAs 센서의 스펙트럼 대역과 겹치므로 양자점 카메라는 기존 기술과 직접 경쟁한다. 양자점 기반 카메라를 적용할 때 고려해야 할 사항 중 하나는 InGaAs 이미저에 비해 양자효율(QE)이 낮다는 것이다. 이는 카메라 감도가 낮아짐에 따라 단점으로 볼 수 있다. 제어된 머신 비전 애플리케이션에서 단파적외선 광을 사용하면 감도가 제한 요소가 아니며 기술이 발전함에 따라 QE도 향상될 것으로 예상할 수 있다.
양자점 카메라는 시장에 비교적 새로운 것이기 때문에 비용이 상대적으로 높은 경향이 있다. 그러나 기술이 발전함에 따라 변경될 수 있다. 이 추세는 InGaAs 카메라에도 적용된다. 머신 비전에 대한 단파적외선의 잠재력에 대한 관심이 높아짐에 따라 제조 기술 개선, 수율 향상 및 규모의 경제가 모두 결합되어 두 카메라 기술의 비용이 모두 절감된다.
차별화
앞에서 언급했듯이 단파적외선의 더 긴 파장과 가시광선 범위의 파장은 원자 구조와 매우 다르게 상호 작용하여 머신 비전 애플리케이션을 위한 새롭고 독특한 이미징 가능성을 제공한다. 단파적외선 스펙트럼에서 이미지를 촬영할 때 익숙한 항목이 매우 다르게 나타난다. 산업계 머신 비전 측면에만 집중한 이 현상은 가시광선 조명 및 카메라를 사용하여 수행하기 어렵거나 불가능한 많은 애플리케이션을 가능하게 했다.
실리콘 분자의 bandgap은 물질이 가시광선 및 근적외선 파장을 흡수하게 하는 반면, 실리콘은 더 낮은 에너지 단파적외선을 전송하여 이 스펙트럼 범위에서 반도체 웨이퍼를 투명하게 만든다. 이를 통해 실리콘 웨이퍼의 표면과 내부의 이미징 결함과 같은 원료 검사 애플리케이션에 독창적 옵션을 사용할 수 있다. 이러한 단파적외선 광품질은 두 웨이퍼의 후면을 통해 정렬 기준점을 볼 수 있어서, 웨이퍼 본딩에도 정확도가 향상되어 이점을 준다.
단파적외선의 가장 유망한 머신 비전 애플리케이션 중 하나는 농산물 검사 및 분류이다. 물은 1,450nm와 1,900nm 모두에서 높은 흡수성을 나타내므로 해당 파장에서 조명된 물체의 이미지에서 거의 검은 색으로 나타난다. 결과적으로, 적절한 필터 또는 광원을 적용하면 멍든 과일, 물이 잘 공급된 농작물 또는 집단 곡물에서의 수분 함량이 매우 분명해질 수 있다.
수분 감지는 생산 및 작물에만 국한되지 않는다. 단파 적외선 이미징은 염색된 직물 또는 파티클 보드가 추가 처리를 위해 충분히 건조된 것을 확인하는데 도움이 된다. 또한 특히 수분이 많은 제품이 포함된 경우 밀봉의 무결성과 포장 품질을 검사할 수 있다.
가시 파장에서 불투명하게 보이는 많은 플라스틱은 단파 적외선 범위에서 반투명하며, 이는 밀봉된 플라스틱 용기 내에서 제품 부피를 검사하기 위한 새로운 옵션을 제공한다. 소비재 외에도, 단파 적외선 광이 플라스틱에 침투하는 능력이 흰색 플라스틱 병에 투입된 의약품의 충전량을 검사하는 새로운 방법을 제시한다.
‘플라스틱’이라는 용어는 광범위한 상이한 폴리머 화학을 포함한다. 그것들이 가시 범위에서 모두 동일하게 보일 수 있지만, 단파적외선 광으로 조명할 때 상이한 플라스틱들이 서로 쉽게 구별할 수 있다. 이는 1,100~2,200nm에서 작동하는 단파적외선 카메라를 활용하여 분류 컨베이어로 이동하는 다양한 폴리머를 식별하는 작업에 도움이 된다.
단파적외선 광의 다양한 재료와의 독특한 상호 작용은 이제 막 탐구되기 시작했다. 단파적외선 파장에 의해 조명되고 이미지화 될 때 의약품과 같은 복잡한 화학 성분이 어떻게 나타날지 항상 예측할 수 있는 것은 아니다. 그러나 검사에 대한 잠재적 의미는 분명히 있다.
가시 범위 밖의 적외선 조명
가시 범위의 머신 비전 애플리케이션과 마찬가지로, 검사 및 기타 작업은 종종 좁은 대역 내에서 능동 조명을 사용하여 물체와 기능의 대비를 높이는 데 도움이 된다.
현재까지 단파적외선 범위의 LED는 출력이 낮으며 스펙트럼에서 비교적 넓은 범위에 걸쳐 있다. 최근의 기술 발전으로 더 통제된 좁은 스펙트럼에서 더 높은 출력이 가능해졌다. 단파적외선 LED는 가시 스펙트럼의 동급 제품보다 여전히 출력이 낮고 더 넓은 스펙트럼이지만, 이미징을 위해 충분히 밝고 제어되는 지점에 도달했다. 1,050, 1,200, 1,300, 1,450 및 1,550nm의 피크 파장에서 방출되는 광원은 이제 머신 비전 조명을 위한 매력적인 새 옵션을 제공할 만큼 충분한 전력을 제공한다.
최신 기술을 통해 단파적외선 범위에서 작동하는 LED 소스는 기존 가시 범위 머신 비전 애플리케이션에 사용되는 것과 유사하다. 이들의 사용은 모든 사람에게 친숙한 가시광선 LED 조명과 쉽고 유사하다. 가시광선 LED와 거의 같은 방식으로 개별적으로 결합되거나 스트로빙되어 유사하게 복잡한 이미지 캡처가 가능하다.
결론
InGaAs 센서의 수율은 지속적으로 증가하고 새로운 단파 적외선 이미징 기술이 온라인으로 제공된다. 이는 비용을 낮추고 머신 비전 통합자에게 보다 접근하기 쉬운 옵션을 마련해준다. 단파 적외선 이미징의 가장 큰 장애는, 많은 부분이 미지의 영역으로 남아있다는 의미일 수 있다.
광대역 광원은 일부 애플리케이션에 적합하지만, 특정 대역 내에서 데이터를 캡처하면 일반적으로 더 유용한 이미지 데이터가 제공된다. 사용자가 애플리케이션에 대한 최적의 단파 적외선 파장을 결정하면 더 넓은 이미징 옵션이 기다리고 있다. 다양한 단파 적외선 파장에서 강렬한 조명을 제공할 수 있는 단파 적외선 LED의 도입으로, 업체는 최적의 광원을 카메라 및 애플리케이션에 맞추고, 단파 적외선 스펙트럼으로 좋은 성과를 얻을 잠재적인 기회를 가질 수 있다.
자료 제공: Smart vision lights(www.smartvisionlights.com)
