2021 머신 비전 트렌드: 조명 종류와 제어 방식의 변화 1
아이코어
머신 비전 어플리케이션(Application)에서 조명은 가장 중요한 부품 중 하나이다. 촬영 대상을 제대로 비추지 못하거나 조명의 밝기가 부족할 경우, 원하는 영상을 취득할 수 없기 때문에 정보가 손실되고 생산성이 저하될 수 있다. 반대로 대상물을 구성하는 크기, 소재, 유형에 적합한 조명 및 조명 제어를 선택하면 영상처리를 보다 효과적이고 간소화할 수 있다. 머신 비전 생태계가 복잡해지고 발전해감에 따라 생산성 향상을 위한 조명 기술의 중요성은 더욱 강조되고 있다.
본문에서는 이러한 다양한 조명의 종류와 어플리케이션의 적용, 고성능 어플리케이션에 적합한 조명 컨트롤러(Strobe Controller)의 활용사례, 그리고 차세대 융복합 조명 기술의 방향성을 총 3회에 걸쳐 심층 기획 연재하고자 한다. 첫 번째 본문에서는 머신비전 시장에서의 다양한 조명의 종류와 특징, 어플리케이션에 대해서 자세히 알아보고자 한다.
1. 조명원
LED 조명은 머신 비전시장에서 뿐만 아니라 전 분야에 걸쳐 점점 할로겐, 백열등, 제논 등 기존 조명을 대체하고 있다. 할로겐(Halogen)과 백열등은 각각 빛이 밝고 저렴하다는 장점이 있지만 두 조명 모두 수명이 짧고 온도가 높으며 점멸(Pulse) 구동을 할 수 없다는 치명적인 단점으로 인해 현재는 머신 비전 시장에서 찾아보기 힘들다.
제논(Xenon) 조명은 엄청난 밝기와 풍부한 파장대역, 그리고 빠른 응답성으로 인해 현재까지도 몇몇 어플리케이션에서 사용되고 있다. 할로겐 및 백열등과는 다르게 점멸 구동이 가능하기 때문에 짧은 조명 구간(Duration) 동안 강한 조명을 인가하여 움직이는 물체를 촬영할 때 블러(Blur) 현상없이 괜찮은 이미지를 얻을 수 있다. 하지만 제논 조명은 시간에 따라 밝기가 감소하고(1,000시간 이하) 길이에 따른 일정한 밝기가 나오지 않아 많은 어플리케이션에서 외면당하고 있다.
LED(Light Emitting Diode)는 오늘날 머신 비전 시장에서 가장 많이 사용되고 있는 조명이다. 평균 10,000시간 이상의 수명과 높은 효율성과 안전성, 다양한 파장대역 등의 장점을 앞세워 앞서 설명한 기존 조명들을 빠른 속도로 대체하고 있다. LED의 빠른 응답성을 이용하여 정밀하고 빠른 점멸 제어가 가능하며 최근의 LED의 밝기는 제논 조명만큼 높아졌다.
2. 머신 비전 조명의 종류
대상체의 특성과 검사 목적에 따라 링(Ring) 조명, 백라이트(Back Light) 조명, 돔(Dome) 조명, 동축(Coaxial) 조명, 라인 조명(Line Light), 스팟(Spot) 조명, 다크 필드(Dark Field) 조명, 복합조명 등으로 구분할 수 있는데 디스플레이, 반도체, 2차 전지, SMT/PCB Application에서는 미세하고 다양한 불량을 고속으로 한 번에 검출하기 위하여, 복합조명을 사용하고 있는 추세이다.
이번 본문에서는 머신비전 조명 타입 별 특성 및 대표적인 어플리케이션의 적용에 대해서 설명하고, 다음 본문에서는 복합조명과 고속 스트로브 컨트롤러(Strobe Controller)의 다양한 조합으로 실제 어플리케이션(디스플레이, 반도체, 2차 전지, PCB 등)의 활용 사례를 구체적으로 설명하도록 하겠다.
1) 링(Ring) 조명
링(Ring) 조명은 반사가 없는 재질의 검사에는 밝고 고른 밝기의 영상을 얻을 수 있으나, 반사가 있는 재질의 표면에서는 Hot Spot이 생기는 단점이 있다.
2) 백라이트(Back Light) 조명
백라이트(Back Light) 조명은 대상체의 외곽 윤곽(Out Line)이 선명하게 보이는 특성을 지니고 있어 크기, 방향, 위치 등을 측정(Measurement)하는 검사에 적합한 조명이다.
3) 돔(Dome) 조명
돔 조명은 빛을 균일하게 분산시켜 촬영 대상의 반사를 줄인다. 곡면이 있는 대상체의 검사에 적합한 조명이며, 링 조명의 단점인 Hot Spot이 생기지 않는 특징을 가지고 있다.
4) 동축(Coaxial) 조명
동축 조명은 미러(Mirror)를 사용하여 촬영대상에 90도로 조명을 인가한다. 높은 표면 반사 특성을 가진 대상체의 그림자를 제거하는 효과가 있고, 하프 미러(Half Mirror)가 깨끗해야 높은 품질의 영상을 획득할 수 있다.
5) 라인(Line) 조명
라인 조명은 국부 영역을 따라 균일하게 비추기 위해 대상이나 대상체의 가장자리를 따라 가늘고 길게 LED를 배열한다. 바 조명은 조명과 카메라의 각도에 따라, 정반사를 강화하거나 감소시킬 수 있는 특성을 지니고, LED 결함 검사나, 이물질, 텍스트, 크랙 검사 등에 사용되고 있다.
6) 스팟(Spot) 조명
스팟 조명은 동축 조명의 한 종류로써 텔레센트릭 및 현미경 광학계에 주로 사용된다.
7) 다크필드(Dark Field) 조명
다크 필드 조명은 대상체에 빛을 완만한 각도로 비추어 표면의 먼지, 스크래치, 지문, 이물 등 대상체의 표면 특징을 부각할 때 사용된다. 카메라의 뒤에 빛을 반사시켜 이들 표면 특징이 밝게 나타나도록 하고, 나머지 표면 부분은 어둡게 만들어 사용하고 있다. 다크 필드 조명이 광택이 있고, 반사가 심한 대상의 표면을 검사할 때 특히 유용하고 표면의 높이 차이가 도드라지는 특성을 지니고 있다.
3. LED 조명 제어 방식의 변화
위와 같은 머신비전 조명을 제어하는 방식은 상시 동작(Continuous방식)과 점멸(Strobe)로 구분할 수 있다. 점멸식 조명은 휘도를 높일 수 있으며, 조명원을 보다 오래 사용할 수 있고, 빠르게 움직이는 대상체를 블러(Blur)없이 정지 영상을 획득할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이러한 이유로 최근 머신비전 시장에서 중요한 이슈가 되고 있다. 하지만 점멸(Strobe)식 조명은 영상 취득 타이밍을 정밀하게 제어해야 하기 때문에 조명 컨트롤러가 핵심적인 역할을 하고 있다.
이러한 컨트롤러는 오버드라이빙(Over Driving) 기능의 구현이 필수적이고, LED의 전류를 안정적이고 고속으로 구동 가능해야 하며, 일부 어플리케이션의 경우 전류 제어 응답 시간이 1us 이하로 정밀하게 제어해야 하는 높은 수준의 기술이 요구되고 있다. 또한 높은 출력의 조명을 제어하는 경우가 많기 때문에 사용 중에 고가의 LED 조명이 손상되는 경우가 종종 있어서 이를 보호할 수 있는 기능 또한 중요시 되고 있다.
㈜ 아이코어에서는 이러한 시장 요구사항을 반영하여, 오버드라이빙, 빠른 응답 속도(0.5us 이하), LED 보호기능(Smart Auto Voltage)을 탑재한 제품을 2020년에 출시하여 여러 국내외 업체들의 고민을 해결해왔다. 이번 본문에서는 머신비전 조명 시장에서의 조명원의 특성 및 각 조명 타입의 어플리케이션의 적용 사례에 대해서 구체적으로 기술하면서, 조명의 제어방식에 대해서 간단히 설명했다.
다음 호에서는 조명 제어 방식에 대한 자세한 설명과 최근 이슈가 되고 있는 조명 컨트롤러의 기본 개념 설명 및 실제 적용사례(디스플레이, 2차 전지, 반도체, PCB/SMT 검사 등)를 통하여 복합조명과 어떻게 활용되고 있는지 자세히 설명하겠다.
자료 제공: ㈜아이코어(www.icorecorp.com)
