라인 스캔 시스템 성능을 향상시키는 조건
GARDASOFT
라인 스캔 기술은 일련의 광범위하고 짧은 스캔으로 이미지를 구성하여 한 번에 넓은 물체의 이미지 캡처를 가능하게 한다. 라인 스캔은 매우 넓거나 긴 객체에 자주 사용되며 우수한 공간 해상도를 제공할 수 있다. 라인 스캔 기술은 수년 동안 존재해 왔지만 최근의 기술 발전으로 시스템을 매우 빠른 속도로 실행할 수 있다. 단일 카메라 스테이션에서 여러 검사를 결합하여 검사 비용을 줄일 수 있다.
라인 스캔 카메라는 노출 시간이 짧기 때문에 안정적이고 일관된 조명이 필요하다. 스캔폭에 걸쳐 조명이 균일하고 밝기가 일정하게 유지되는 것이 중요하다. 조명 컨트롤러는 라인 스캔 시스템에 일관되고 안정적인 조명을 제공하는데 매우 중요하다. 개별 라인으로부터 정확한 이미지를 구성하는 과정은 매우 높은 정밀도를 요구하며 시스템 타이밍이 중요하다. 라인 스캔 시스템은 영역 스캔 시스템보다 구현이 더 복잡 할 수 있으며 전용 타이밍 컨트롤러의 이점을 활용할 수 있다.
Gardasoft는 또한 라인 스캔 작업을 향상시키기 위해 특별히 설계된 특수 펌웨어 옵션을 제공함으로 특정 애플리케이션을 지원한다.
1. 전형적인 라인 스캔 시스템
라인 스캔 카메라는 센서에 단 한 줄의 픽셀이 있는 영역 스캔 카메라와 다르다. 이 픽셀은 라인 단위로 물체의 이미지를 생성하며 물체가 카메라를 지나 이동하는 동안 센서가 고주파수로 스캔이 된다. 이 기술은 매우 크거나 긴 제품을 검사하는데 매우 유용하며 강판, 종이 웹, 직물, 포장 필름 및 기타 고속 절단이 가능한 비 절단 재료가 포함된다.
연속 스캔 이미지를 생성하려면 여러 개의 겹치는 이미지를 획득하고 자르고 정확하게 정렬해야 하므로 영역 스캔 카메라는 이러한 유형의 이미징에 적합하지 않다.
라인 스캔 카메라는 매우 높은 해상도의 이미지를 생성하여 전체 생산 속도에서 미크론 크기까지 결함을 쉽게 감지할 수 있다. 스캔하는 동안 라인 스캔 카메라는 라인 센서의 전하를 수평 레지스터의 개별 픽셀로 읽는다. 픽셀 값은 디지털화되어 PC에 의해 처리되도록 저장된다. 최대 해상도는 X x N 픽셀이다. 여기서 X는 라인 센서의 픽셀 수이고 N은 카메라가 노출되는 라인 수다. 라인당 최대 16,000 픽셀로 최종 해상도가 높다.
그림 1은 검사된 재료가 컨베이어 벨트를 따라 롤링되는 전형적인 라인 스캔 전형적인 시스템을 보여준다. 두 개의 서로 다른 검사가 수행되는데, 하나는 명시야 조명을 사용하고 다른 하나는 두 개의 암시야 조명을 사용한다. 이 구성에서는 두 개의 카메라 스테이션이 필요하다. 엔코더는 두 개의 라인 스캔 카메라를 사용하여 제품을 따라 일정한 간격으로 라인 노출을 트리거 하는데 사용되며 컨베이어 속도가 변하더라도 정확하게 유지된다. 때로는 추가 제품 센서를 사용하여 제품이 있는지 감지하거나 또는 제품과 다음 제품 사이의 경계를 감지한다.
라인 스캔 시스템의 타이밍 제어 섹션은 매우 빠른 속도로 작동해야 한다. 때때로 제어는 프레임 그래버로 관리되지만 점점 더 많은 시스템에서 프레임 그래버를 생략하고 GigE Vision 또는 USB3 Vision 카메라를 사용하여 타이밍 제어를 제공한다. 라인 스캔 카메라는 정확한 타이밍 제어가 필요하다. 이미지 센서의 라인을 가로 지르는 것과 같은 이동 방향으로 동일한 해상도를 얻으려면 카메라의 라인 속도가 생산 라인의 속도와 정확하게 동기화되어야 한다.
스캔 속도는 고정되어 있지만 물체 속도가 변하면 결과 이미지가 왜곡된다. 라인 스캔 이미징과 관련된 빠른 라인 속도는 각 픽셀의 노출 시간이 매우 짧다는 것을 의미한다. 센서는 빛을 거의 받지 않기 때문에 밝은 LED 조명이 종종 사용된다.
조명은 때때로 간단한 전압 전원 공급 장치로 구동되지만 조명 강도는 공급 전압의 변화에 매우 민감하기 때문에 권장하지 않으며 이 기본 설정으로 인해 조명 밝기가 예측할 수 없고 이미지에 악영향을 줄 수 있다. 더 나은 방법은 전용 전류 구동 LED 컨트롤러로 조명을 제어하는 것이다. 이것은 펄스 모드에서 작동하여 사용되는 라인 주파수에 따라 조명의 강도와 지속 시간을 정확하게 조정할 수 있다. LED의 스트로빙(strobing)은 조명이 과도하게 구동되도록 한다.
2. 안정적인 조명 유지
고품질의 일정 전류 조명 컨트롤러는 안정적인 광출력을 제공하여 검사의 반복성을 향상시킨다. 모든 LED 조명은 조명의 수명과 조명 수명이 일반적으로 밝기가 원래 밝기의 70%로 떨어진 지점으로 지정됨에 따라 강도가 감소한다는 점에 유의해야 한다. 이러한 조명 감소는 검사 시스템에 심각한 영향을 미칠 가능성이 있으며, 시스템이 100% 밝기로 시운전되는 경우 조명의 수명이 다할 때 오류가 발생할 수 있다.
해결책은 조명 컨트롤러로 모든 조명을 구동하는 것이다. 시스템을 처음 설치할 때 밝기를 최대 70% 또는 80%로 설정하는 것이 좋다. 빛이 노화됨에 따라, 빛의 손실된 효율을 보상하기 위해 밝기를 위쪽으로 조정할 수 있다. 이 조정은 수동 또는 자동이 될 수 있다. 조명 수명이 다하면, 시스템 제어에 의해서 조명 교체를 요구하는 보수 요청을 하게 된다.
조명 프로파일 수정
라인 스캔 시스템의 폭에 걸쳐 균일한 조명을 얻는 것이 종종 어려울 수 있다. 설정에서 균일 한 밝기의 라인 라이트를 사용하면 이미지의 중간 부분보다 항상 개체의 바깥쪽 가장자리가 어둡게 나타난다.
이는 단순히 웹 조명의 빛이 카메라에 도달할 수 있도록 막대 조명의 끝이 중앙 부분보다 카메라에서 멀어지는 시스템 형상 때문이다. 이 어둡게 하는 가장자리 효과는 플랫 필드 보정을 사용하여 소프트웨어에서 어느 정도 보정할 수 있다. 그러나 이 처리 기술은 이미지에서 동적 범위가 손실될 수 있으므로 권장되지 않는다.
더 나은 솔루션은 소프트웨어 처리를 피하고 웹 너비 전체의 조명 강도를 관리하는 것이다. 예를 들어 막대 광을 세그먼트로 분할하고 각 세그먼트의 밝기를 개별적으로 제어함으로써 여분의 광을 웹에지로 향하게 함으로써 달성될 수 있다. 그림 2에 나와 는 이 기술은 캡처된 이미지의 폭에 걸쳐 균일한 조명을 생성할 수 있으며 소프트웨어에서 이미지를 조정하려는 시도보다 훨씬 더 나은 결과를 제공한다.
3. 라인 스캔 검사 비용 절감
카메라 스테이션 수 감소
라인 스캔 시스템의 높은 속도로 단일 카메라 스테이션에서 여러 개의 동시 이미지를 생성할 수 있다. 예를 들어, 2개의 이미지가 동시에 획득되도록 시스템을 구성할 수 있다. 스캔 라인까지도 암시야 조명이 트리거되고 홀수 라인에 대해서는 명시야 조명이 트리거 되는 경우, 대체 조명이 다른 조명 구성표에서 캡처된다. 결과적으로 명시야 및 암시야 이미지가 인터리브되는 라인 스캔 이미지가 생성된다. 이 시스템의 개략도는 그림 3에 나와 있다.
이 시스템에 의해 생성된 2개의 인터리브된 이미지는 이미지 처리 패키지에 의해 쉽게 추출되어 2개의 독립적인 이미지를 달성할 수 있다. 정확한 시스템 타이밍은 라인이 순서를 벗어나지 않고 이미지 추출을 어렵게 하는데 필수적이다.
명 시야 이미지는 일반적으로 암시야 이미지보다 훨씬 밝기 때문에 소프트웨어가 어떤 이미지 라인이 명 시야이고 어떤 필드가 암시 야인지 자동 감지할 수 있다. 유리와 같은 투명한 제품의 경우 조명 중 하나를 유리를 통해 비치는 백라이트로 대체할 수 있다. 이 시스템의 타이밍은 그림 4에 나와 있다.
해상도를 잃지 않고 두 개의 동시 이미지를 캡처하면 상당한 비용을 절약 할 수 있지만 충분한 밝기와 주파수로 조명을 구동해야 한다. Gardasoft 조명 컨트롤러는 최대 100 kHz 이상이며 이상적인 조건에서 500 kHz 이상의 펄스 속도를 달성했다. 각 조명은 효과적인 강도를 관리하기 위해 제어된 시간 동안 켜거나 끌 수 있다.
다중 조명 시스템
인터 레이싱 기술은 3개 이상의 조명과 함께 사용될 수 있으며 라인의 속도를 늦추거나 움직임 방향의 해상도를 잃지 않으면서 우수한 결과를 얻을 수 있다. 그림 5에 표시된 검사 시스템은 인쇄 품질을 모니터링하고 표면 결함 및 구멍을 확인한다. 8개의 조명과 1개의 라인 스캔 카메라를 사용하여 4개의 독립적인 이미지가 생성된다.
그림 5에 표시된 구성에서 채널 0과 1은 두 개의 명시야 조명을 구동하고, 채널 2와 3은 왼쪽에서 조명하는 두 개의 암시야 조명을 구동하고, 채널 4와 5는 오른쪽에서 조명하는 두 개의 암시야 조명을 구동하고 채널 6과 7 두 개의 백 라이트를 구동한다. 이 다중 조명 시스템의 타이밍은 그림 6에 설명되어 있으며 이미지는 다음 순서를 사용하여 캡처된다.
-• 첫 번째 트리거 후에 이미지 1이 캡처되어 인쇄 품질을 기록한다. 100% 펄스폭에서 채널 0 및 1 스트로브에 의해 구동되는 명시야 조명 및 30% 펄스폭에서 채널 2, 3, 4 및 5 스트로브의 암시야 조명이 역할한다.
-• 이미지 2는 두 번째 트리거 후에 캡처되어 왼쪽에서 표면 결함을 강조한다. 채널 2와 3으로 구동되는 암시야 조명은 100% 펄스폭으로 스트로브 된다.
-• 이미지 3은 오른쪽에서 표면 결함을 강조하기 위해 세 번째 트리거 후에 캡처된다. 채널 4와 5의 암시야 조명만 100% 펄스폭으로 스트로브 된다.
-• 이미지 4는 재료에서 구멍을 찾기 위해 네 번째 트리거 후에 캡처된다. 여기에서 채널 6 및 7로 구동되는 백라이트는 100 % 펄스폭으로 깜박인다.
이 시퀀스는 연속적으로 반복되어 단 하나의 라인 스캔 카메라를 사용하여 각각 다른 조명 방식을 가진 4개의 인터리브된 이미지를 제공한다. 카메라가 100kHz의 라인 속도로 작동하는 경우 각 이미지의 유효 라인 속도는 25kHz 이다.
4. 고급 라인 스캔 시퀀싱
Gardasoft는 여러 컨트롤러에 무료 펌웨어 업그레이드를 제공하여 고급 조명 시퀀싱이 가능하다. 여러 대의 조명 구성표를 캡처하기 위해 단일 카메라를 사용하는 라인 스캔 구성은 다목적 업그레이드의 혜택을 받는다. 예를 들어, 적색, 녹색 및 청색 광을 교대로 펄싱하여 모노 카메라에서 컬러 이미지를 구축하기 위해 조명 시스템이 필요한 경우 타이밍은 Gardasoft 펌웨어 업그레이드로 구현할 수 있는 그림 7과 같다.
Gardasoft에서는 두 가지 주요 유형의 라인 스캔 시퀀싱 펌웨어 S69와 S52를 제공한다. S52 펌웨어 업그레이드는 고급 시퀀싱 옵션을 제공하며 그림 7과 같이 RGB 시퀀싱에 적합하다. S69 펌웨어는 밝기를 일정하게 유지하면서 각 캡처의 조명 펄스폭을 제어하여 조명 균형을 변경한다. 4-조명 시스템의 타이밍 다이어그램 예는 그림 8에 나와 있다.
노이즈 방지
정지하지 않고 수백만 개의 이미지 라인을 실행할 수 있는 시스템의 경우, 동기 신호를 펄싱하고 각 사이클이 끝날 때마다 리셋을 만드는 것이 가장 좋다. 그렇지 않으면 무작위 노이즈로 인해 시퀀스가 단계에서 벗어나 시스템을 수동으로 다시 시작할 때까지 복구할 수 없다.
그림 9에 표시된 3가지 상태 시퀀스에서 랜덤 노이즈는 트리거 오류를 생성하여 컨트롤러와 이미지 처리 소프트웨어가 영구적으로 단계를 벗어난다. 그러나 매 사이클마다 펄스되는 동기 신호를 추가하면 그림 10에서와 같이 트리거 오류 후 3개의 라인에 대해서만 라인에서 벗어날 수 있다. 이 재설정 기능은 그림과 같이 디지털 동기화 또는 이더넷 메시지를 통해 얻을 수 있다.
5. 고성능 타이밍
라인 스캔 카메라에는 고속 제어 신호가 필요하며 머신 비전 시스템에서 프레임 그래버를 사용하여 이러한 신호를 생성하는 것이 일반적이다. 그러나 모든 시스템에 프레임 그래버가 있는 것은 아니며 특히 GigE Vision Vision 또는 CoaXPress 연결을 사용하는 경우 카메라에서 원격으로 위치할 수 있다. 이 경우 매우 빠르고 정확한 트리거 타이밍 컨트롤러가 필요하다.
트리거 타이밍
Gardasoft Vision의 CC320 머신 비전 타이밍 컨트롤러는 라인 스캔 카메라 및 조명의 정확한 시퀀싱을위한 쉽고 완벽한 솔루션을 제공한다. CC320은 초고속 PLC (SPS)처럼 작동하며 근접 센서와 엔코더를 활용할 수 있다. CC320에는 8개의 디지털 입력과 8개의 디지털 출력이 있다. 각 출력은 개별적으로 구성 가능하며 입력 신호를 사용하여 카메라 및 조명 컨트롤러의 고정밀 타이밍을 만든다. 최대 700khz의 신호 주파수로 1- 와이어 또는 구적 엔코더에 연결하도록 2개의 입력을 구성할 수 있다. 다른 입력은 제품 센서 또는 트리거링 활성화 및 비활성화에 사용할 수 있다.
엔코더 트리거링
엔코더는 기본 시스템 타이밍을 생성하는데 자주 사용되며 검사 대상 재료가 특정 거리를 이동할 때마다 타이밍 펄스를 생성한다. 엔코더가 라인 스캔 카메라의 각 라인에 대해 단일 펄스를 생성하도록 구성할 수 없으므로 엔코더의 고주파 펄스는 라인 스캔 트리거를 생성하기 위해 분할된다. CC320 컨트롤러, 카메라, 조명 컨트롤러, 시스템인 에이블, 제품 센서 및 엔코더를 사용하는 라인 스캔 시스템의 구성은 그림 11에 나와 있으며 이 시스템의 타이밍 다이어그램은 그림 12에 나와 있다. 필요한 경우 여러 조명을 트리거 한다.
펄스 모양
고품질 라인 스캔 시스템에는 빠르고 일관된 조명 펄스와 카메라의 정확한 트리거링이 필요하다. 저품질 조명 컨트롤러 또는 현명하지 않은 조명을 선택하면 조명 펄스 모양이 부적절하여 성능이 저하될 수 있다. 조명 펄스가 겹치거나 전체 노출 시간을 일관되게 활용하지 못하면 이미지 품질을 신뢰할 수 없다.
좋은 결과를 얻으려면 시스템 구성 및 조명 선택에 대한 세부 정보가 매우 중요하며 Gardasoft는 특정 라인 스캔 애플리케이션에 대해 조언할 수 있다. Gardasoft Vision은 머신 비전을 위한 조명 제어 분야의 세계적인 기술 리더이며, 높은 라인 스캔 주파수에서 일관되고 정확한 LED 펄스를 달성하는 컨트롤러를 제공하는 유일한 회사다. 모든 Gardasoft 조명 컨트롤러는 전류 드라이브가 밝기, 안정성 및 제어 측면에서 최적의 결과를 제공하므로 LED를 통해 전류를 조절한다.
타이밍 반복성
타이밍의 반복성은 또 다른 중요한 고려 사항이며 Gardasoft 컨트롤러는 200 나노초 이내에 조명 펄스 타이밍의 반복성을 제공할 수 있다. Gardasoft Vision의 PP8xx 및 PP16xx 컨트롤러는 최대 100kHz의 조명을 스트로브 할 수 있기 때문에 라인 스캔 이미징을 위한 업계 최고의 컨트롤러이다. PP8xx 및 PP16xx 계열 LED 조명 컨트롤러는 각각 8 및 16개의 출력 채널을 특징으로 하며 고급 애플리케이션을 위해 매우 빠르고 정확한 대전류 펄스를 제공한다. 두 컨트롤러 모두 채널당 최대 20A의 펄스와 8개의 트리거 입력을 제공한다.
자료 제공: GARDASOFT(www.gardasoft.com)
