머신 비전 조명의 최적화를 위한 6가지 조건

Gardasoft

조명 및 조명 제어가 복잡한 머신 비전 구성에서만 중요하다고 생각한다. 가장 단순한 애플리케이션에서도 마찬가지로 중요하다. 조명 및 조명 제어는 이미지의 품질에 큰 영향을 미치기 때문이다. 머신 비전 소프트웨어는 캡처된 이미지의 정보만을 제공할 수 있으므로 조명 최적화는 모든 애플리케이션 분야에서 반드시 고려해야 할 사항이다. 본문에서는 효과적인 머신 비전 조명을 얻기 위한 6가지 주요 고려 사항을 검토해본다.

1. 소스에서 이미지를 최적화

최상의 카메라 이미지는 최적의 대비(contrast) 수준과 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)를 갖는다. 이 두 가지 측정은 카메라 센서에 도달하는 빛의 양과 품질에 의해 결정된다. 떨어진 조명 수준은 이미지 노이즈를 증가시키고 대비를 감소시켜 이미지에서 데이터를 추출하기 어렵고 정확한 측정 및 분류를 어렵게 한다. 적절한 양의 빛이 카메라 센서에 도달하도록 하는 것 외에도 각 캡처에 대해 빛의 수준이 일정해야 한다. 가변적인 광도는 측정 환경에서 반복성이 좋지 않고 제조 환경에서 큰 영향을 미쳐 수율이 떨어지고 최종 사용자에게 도달하는 결함이 있거나 심지어 라인 정지가 발생할 수 있다.

낮은 품질의 이미지를 향상시키기 위해 이미지 프로세싱 소프트웨어를 사용하는 것은 시간이 걸리고 비효율적이다. 결정적으로, 이미지 처리는 센서가 캡처한 데이터만 조작할 수 있으며 원본 이미지에는 없는 정보를 생성할 수 없다. 따라서 사용 가능한 정보를 정의하는 것이 조명 품질이다. 머신 비전 시스템에서 조명과 조명 제어 방식을 신중하게 고려해야 한다. 부적절한 조명 제어를 제공하면 머신 비전 시스템의 성능이 크게 저하될 수 있다.

2. LED를 최대한 활용

올바른 양의 빛을 전달하는 것이 정확하고 신뢰할 수 있는 결과를 얻는 데 중요하다. LED 조명은 일반적으로 12V 또는 24V 전원으로 지정되지만 실제로 밝기는 LED를 통과하는 전압이 아니라 LED를 통해 흐르는 전류에 의해 결정된다. 이것은 빛의 세기를 정확하게 조절하기 위해 적절한 전류 제어가 필요하다는 것을 의미한다. 또한 LED는 사용 중에 가열되어 순방향 전압과 효율이 변경되어 시간이 지남에 따라 밝기가 달라진다.

LED는 매우 안정적인 장치이지만 반복되는 가열 및 냉각 주기로 인해 광 출력이 저하된다. 일반적으로 LED는 출력이 초기 정격의 70% 미만으로 떨어지면 교체된다. 지속적인 LED 조명을 구동하면 가장 많은 열을 발생하고 장치 수명이 가장 짧아진다. 이미지를 획득 할 때만 빛을 켤 때, 열 발생량이 최소화되고 LED 수명이 크게 향상된다. 스트로빙(strobing)을 조절하기 위해 조명 컨트롤러를 사용하면 펄스를 가장 쉽게 달성할 수 있다. 고품질 조명 컨트롤러를 사용할 때는 일정한 조명 시스템을 스트로브 시스템으로 변환하는 것이 간단하다.

카메라의 트리거는 조명 컨트롤러로 전송되어 펄스 길이와 강도 및 트리거와 출력 펄스 사이의 지연을 조정할 수 있다. 이를 통해 카메라 노출의 동일한 지점에서 조명 펄스가 일관되게 발생하고 전체 조명 에너지가 모든 이미지에서 동일하게 유지된다. 조명 컨트롤러를 사용하면 LED 수명을 최대화하면서 총 광 출력의 균형을 맞출 수 있다.

LED 조명을 스트로브 하면 몇 가지 이점이 있다. 조명이 타이밍과 듀티 사이클이 제어기에 의해 신중하게 제어될 때 ‘오버 드라이브(over drive)’ 되어, 제조업체의 정격 조명보다 훨씬 높은 광 강도를 달성할 수 있다. 이것은 많은 시나리오에서 매우 유용한 기술이다. 예를 들어, 검사 속도가 증가하고 카메라 노출이 더 짧은 경우 오버 드라이브는 이미지 품질을 유지하는데 필요한 추가 강도를 제공할 수 있다. 빛을 펄싱하면 이미지 블러(image blur) 없이 고속으로 움직이는 물체를 캡처할 수도 있다. Gardasoft 제어기는 펄스 타이밍을 미세 조정하여 카메라의 내부 타이밍보다 더 정확하다.

오버 드라이빙은 매우 강력한 기술이지만 LED가 너무 높은 전류로 너무 오래 구동되어 빛을 손상시킬 수 있는지 확인해야 한다. Gardasoft는 제조업체의 사양, 펄스폭 및 듀티 사이클을 기반으로 오버 드라이브에 안전한 작업 제한을 적용하기 위해 SafeSense™ 기술을 개발했다. SafeSense™ 기술은 또한 연속 작동 중에 LED의 최대 전류 정격을 초과하지 않도록 한다. 제어기 자체에서 생성된 열도 제어해야 하며 Gardasoft는 조명 공급 전압을 자동으로 조정하여 제어기의 열 손실을 최소화하도록 SafePower™ 기술을 설계했다. 이를 통해 제어기에 냉각 없이, 높은 연속 전류로 조명을 구동할 수 있다.

3. 유연성 구축

머신 비전 시스템에서 흔히 발생하는 상항은 작업 환경이 변경되는 것이다. 조명 시스템에 조명 제어기를 포함시키는 가장 큰 장점 중 하나는 환경에 적응할 수 있는 유연성이다. 시스템이 연속 조명을 사용하도록 구성된 경우, 가변 조명 제어를 포함하면 애플리케이션에 맞게 강도를 조정할 수 있으므로 제품 설치마다 다른 강도 설정으로 동일한 조명을 사용할 수 있다. 예를 들어, 반사성 물체를 검사하려면 표면 마감이 더 많은 물체에 필요한 것보다 낮은 밝기가 필요하다.

펄스 모드로 전환하는 기능은 평균 전력 소비를 줄이고 조명 수명을 연장시킬 수 있다. LED 조명에 오버 드라이브 모드를 사용하면 하드웨어를 변경하지 않고도 더 많은 유연성을 제공한다. 연속 모드에서 작동하면 컨트롤러는 LED 등급 성능의 100 %까지 빛의 강도가 필요한 모든 검사에 대해 설정할 수 있다. 그러나 LED는 짧은 펄스에서 최대 정격의 최대 10배까지 안전하게 오버 드라이브 할 수 있으므로 오버 드라이브를 사용하여 기존 하드웨어로 훨씬 광범위한 구성 요소를 검사할 수 있다.

예를 들어, 치수가 다른 제품에 대한 검사가 필요할 수 있다. 오버 드라이브를 사용하면 높은 f-스톱 렌즈(f-stop lens) 설정을 사용하여 피사계 심도를 높이는 동시에 100% 이상으로 빛의 강도를 증가시켜 이미지 밝기를 유지할 수 있다. 또 다른 일반적인 예는, 기존 시스템이 주변 또는 기타 광원의 영향을 받는 경우이다. 연속 모드에서 빛이 이미 최대 정격으로 작동하는 경우 펄스 오버 드라이브는 밝기를 더욱 높이고 빛의 간섭을 극복할 수 있는 범위를 제공한다. 밝기를 높이고 카메라 노출을 줄이거나 조리개 크기를 줄이면 주변광 간섭을 크게 줄일 수 있다.

전용 조명 컨트롤러는 단일 채널에서 여러 다른 이미지를 생성할 수 있는 다 채널 장치이다. 각 이미지에는 조명, 형상, 조명 수준 또는 카메라의 고유한 구성이 필요할 수 있지만 조명 컨트롤러를 사용하면 단일 검사 스테이션에서 모두 달성할 수 있어 비용이 절감된다.

4. 안정적인 조명 유지

LED 조명의 밝기는 장치를 통해 흐르는 전류에 비례하므로 전류 제어를 사용하는 것이 좋다. 실제로, LED 구동 전압의 매우 작은 변화는 아래 그래프에 보이는 바와 같이, 광 출력 강도의 훨씬 더 큰 변화를 초래할 것이다(예: LED 광에 걸친 전압의 10% 증가는 전류를 두 배로 증가시켜 광 출력).

이것이 중요한 요소이다. 단순한 비전 캘리퍼 측정의 경우에도 10%의 조명 수준 변화로 인해 0.5%(많은 산업에서 허용 할 수 없는 값)의 변화가 발생할 수 있다. 모든 Gardasoft LED 컨트롤러는 전압이 아닌 LED 전류를 조절하여 광 출력이 안정적으로 유지되고 엄격하게 제어되며 반복성이 높은 상태를 유지한다.

5. 쉬운 설치

잘 설계된 조명 제어기는 머신 비전 시스템의 구성 및 사용에 상당한 이점을 가져올 수 있다.

광 절연 트리거 입력(제공된 경우)을 사용하여 모든 공통 신호 소스에 연결할 수 있으며 디지털 버튼 전면 패널을 통해 조명을 쉽고 빠르게 구성할 수 있다. 제어기는 트리거 신호와 광펄스 사이에 최소한의 지연이 발생해야 한다. Gardasoft 는 RTCC 범위와 같은 컨트롤러를 제공함으로서, 보다 정교한 타이밍이 필요한 애플리케이션을 위한 내장 타이밍 기능과 구성 가능한 지연 및 다중 트리거와 같은 컨트롤러를 제공한다. 카메라와 조명 제어기를 모두 트리거하는 외부 신호 또는 조명을 카메라 신호로 시스템을 설정할 수 있다.

GigE Vision이 호환 가능하게 제공되는 경우, 제어기는 머신 비전 네트워크에서 검색 가능한 장치가 된다. Gardasoft 제어기에 내장된 웹 페이지는 조명을 통과하는 전류 및 전압을 실시간으로 측정한 값을 제공한다. 이는 조명 성능을 결정하는 데 필수적인 데이터이다. SafeSenseTM는 조명 사용을 지속적으로 모니터링 하여 안전하지 않은 수준의 오버 드라이브를 방지하고 조명 손상을 방지한다.

Gardasoft는 선택된 타이밍 설정의 결과로 카메라에서 생성된 실제 이미지를 표시하는 이미지 보기창을 포함한 유용한 Vision Utility를 제공한다. 이를 통해 매개 변수 조정의 실시간 효과를 매우 쉽게 확인할 수 있다. 이미지가 최적화되면 설정을 저장할 수 있으며 제어기가 제공하는 채널 수 만큼 반복할 수 있다. Gardasoft Vision Utility는 가장 널리 사용되는 이미지 처리 소프트웨어들과의 통합이 가능하다.

6. 네트워크 연결 활용성

머신 비전의 가장 중요한 혁신 중 하나는 GigE Vision 및 GenICam 표준을 설정하는 것이다. 이를 통한 연결성의 향상으로 비전 시스템과 조명 제어기를 다른 이더넷 구성 요소와 통합 하고 또한 다른 제조업체의 GigE Vision 구성 요소 간의 호환성을 보장하게 됐다. 이더넷 연결 기능이 있는 제어기는 시스템 내의 모든 조명에 원격으로 액세스할 수 있으며 조명의 연결, 연결 해제 또는 단락 여부를 나타낸다.

이더넷 통신 또한, 비전 시스템의 원격 문제 해결 가능성을 제공한다. 노화로 인해 강도가 감소된 빛으로 전류를 증가시키도록 조정할 수 있다. 이더넷 연결은 예를 들어, 제품의 다른 배치에 맞게 조명 컨트롤러의 구성을 변경할 수 있어 유연성을 향상시킨다. Gardasoft Vision Utility와 같은 프로그램을 사용하면 머신 비전 제어 소프트웨어가 배치 유형을 선택하고 컨트롤러와 직접 통신하여 해당 배치에 필요한 구성을 설정할 수 있다. triniti™ enabled lights를 사용하면 라이트 사용 시간 및 수신한 트리거 수와 같은 추가 운영 정보를 제공하여 예방 유지 보수에 사용할 수 있다.

결론

조명은 캡처된 이미지의 품질에 막대한 영향을 미친다. 조명이 정확하고 일관되면 머신 비전 소프트웨어가 잠재적으로 사용 가능한 모든 데이터를 수신하여 최상의 결과를 얻을 수 있다.

자료 제공: Gardasoft(www.gardasoft.com)