2021 머신 비전 트렌드2: 조명 종류와 제어 방식의 변화
아이코어
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. 지난 호에서는 머신비전 조명 시장에서의 조명원의 특성 및 각 조명 타입의 어플리케이션의 적용 사례에 대해서 구체적으로 설명했다.
이번 호에서는 조명 제어 방식에 대한 구체적인 설명과 차이점, 최근 이슈가 되고 있는 조명 컨트롤러의 설명 및 실제 적용사례(디스플레이, 2차 전지, 반도체, PCB/SMT 검사 등)를 통하여 복합조명과 어떻게 활용되고 있는지 자세하게 설명하고자 한다.
LED 조명 제어 방식
정전압(Constant voltage) 제어 VS 정전류(Constant current) 제어
LED는 순방향으로 전압을 가했을 때 빛을 낸다. 이때 LED의 밝기를 결정하는 것은 전압이 아닌 전류의 양이고 LED의 허용 전류를 넘기면 수명이 짧아지거나 파손될 수 있다. 그렇기 때문에 정전압 방식보다 정전류 방식을 사용하는 것이 매우 유리하다.
‘정전압을 사용하면 자연스럽게 정전류가 흐르지 않을까?’라고 생각할 수 있지만 이 두 종류의 방식은 완전히 다르다. LED 특성을 살펴보면, LED의 순전압(Forward voltage)에 조금의 변화가 생겨도 LED 순전류(Forward current)는 훨씬 더 많이 변한다. 즉, LED에 걸린 전압이 1%만 변해도 LED에 흐르는 전류는 수~수십 %가 변할 수 있다.
또한 LED에 걸리는 전압은 외부환경에 의해 변하는 특성이 있다. LED 특성상 외부온도에 의해 순전압이 바뀌고, LED 케이블에 의한 전압 강하로 인해 실제 LED에 걸리는 전압을 예측하는 것이 어렵다. 이렇듯 정전압방식으로 여러 대의 조명을 일정하게 제어하기는 매우 힘들다. 정전류 제어 방식의 스트로브 컨트롤러는 외부 환경에 큰 영향없이 사용자가 입력한 전류값이 보장되어 LED 광출력을 항상 안정적으로 제어할 수 있는 장점을 가지고 있어 업계에서 사용하기를 선호하고 있다.
상시(Continuous) 구동 VS 점멸(Strobe) 구동
앞서 LED를 소개할 때 언급했듯이, LED는 점멸 구동이 가능하다. 점멸 구동을 통해 얻을 수 있는 장점은 아주 많다. LED를 상시로 구동하면 전력낭비 및 열이 발생하고 이로 인해 수명이 짧아진다. 하지만 LED를 영상 취득이 필요한 순간에만 점멸하면 밝기 손실 없이 LED의 수명을 대폭 향상시킬 수 있다.
점멸 구동 방식으로 LED를 제어할 때 가장 중요한 요소는 타이밍이다. 카메라와 동기가 맞지 않으면 이미지의 밝기는 수시로 바뀔 수 있고, 조명이 켜지는 시간이 길어지거나 반응이 느리다면 검사 시스템 전체에 영향을 줄 수 있다. 그렇기 때문에 많은 업계에선 정밀하면서도 속도가 빠른 조명 컨트롤러를 요구하고 있다.
이러한 요구에 맞춰 ㈜아이코어에서 개발한 점멸 구동식 스트로브 컨트롤러 제품(이하 iPulse)은 LED 전류 펄스(Pulse)를 빠르고 정밀하게 제어할 수 있다. 펄스 폭(Pulse duration)을 최소 0.5μs까지 줄일 수 있으며 트리거 응답속도(Latency)가 0.5μs 이하로 세계최고 수준의 빠른 응답성을 가졌다. iPulse를 적용할 경우, 그동안 조명 컨트롤러에서 발생했던 병목현상(Bottleneck) 없이 시스템을 빠르게 구성할 수 있다.
LED의 성능을 극대화하는 오버드라이빙(Overdriving)
LED의 사양서를 살펴보면 순방향 전류(Forward current)라는 항목이 있다. 이는 상시로 LED를 구동할 때 최대 밝기가 나오는 정격 전류(Rated current)이다. 하지만 점멸 구동 방식에서는 이보다 더 높은 전류로 짧은 시간 동안 LED를 구동할 수 있는데, 이를 오버드라이빙(Overdriving)이라 한다. 오버 드라이빙은 노출 시간을 줄이고 광량을 높이고자 하는 어플리케이션에 특화되어 있다. 예를 들어 플라잉 검사(Flying Inspection)처럼 고속으로 움직이는 물체를 촬영할 때, 카메라의 노출시간으로 인해 블러(Blur) 현상이 나타날 수 있다.
이때, 오버드라이빙을 통해 실질적인 노출시간을 줄여 블러(Blur)를 제거할 수 있다. iPulse는 점멸 구동 시 LED의 정격전류(Rated current)보다 최대 10배 높은 전류를 구동한다. 단, LED의 펄스 폭(Pulse duration) 및 LED가 켜져 있는 비율(Duty ratio)이 철저히 억제되어 있는 조건에서만 LED를 보호할 수 있다. iPulse는 오버 드라이빙 시 LED가 보호될 수 있도록 Pulse duration 및 Duty ratio를 자동 제어하는 기술을 탑재했다.
최근 LED 제조사에서는 고객사들의 높은 눈높이를 맞추기 위해 고전류 구동이 가능한 하이 파워(High Power) LED를 시장에 내놓고 있다. 대표적으로 LUMINUS社의 CBT-140 모델은 구동 전류가 28A에 달한다. 현재까지 이러한 LED를 오버드라이빙 제어하는 컨트롤러는 세계적으로 별로 없지만, 당사가 개발한 iPulse에서는 최대 200A까지도 오버드라이빙 제어가 가능하다.
다중 시분할 기능의 수요 증가(필요성)
시분할 촬영을 위해서는 입력된 촬상 신호(Trigger)에 해당하는 조명을 지정 해 주는, 트리거 컨트롤러 도 추가로 필요하다. 사용자 입장에서 조명 컨트롤러와 트리거 컨트롤러를 같이 사용하는 것은 큰 부담이다.
iPulse는 별도의 트리거 컨트롤러 없이 다중 시분할(Multi Strobing) 촬영이 가능하다. 최근 라인 스캔 카메라를 이용한 다중 시분할 영상취득이 활발하게 논의되고 있고 실제로 2차전지의 배터리 파우치 외관검사, 디스플레이 패널 검사 등 다양한 Application에서 적용을 시도하고 있다. iPulse의 시퀀스(Sequence)기능을 통해 사용자는 최대 8개의 각기 다른 조명을 시분할 촬영할 수 있다.
즉, 사용자는 멀티스펙트럴(Multispectral) 라인스캔 카메라 및 트리거 컨트롤러 없이 간단한 구성으로 다중 시분할 촬영이 가능해졌다.
아래의 그림은 동축, 난반사, 백라이트 조명을 시퀀스 제어하여 글라스 패턴의 다중 시분할 촬영을 도식화한 것이다. 트리거 신호가 조명 컨트롤러에 입력되고 이미지 버퍼(Image Buffer)에 3가지 조명의 이미지 정보가 순차적으로 쌓이게 된다. 사용자가 소프트웨어를 통해 조명 별 이미지 분리 및 재조합 하면 한번의 스캔으로 3장의 다른 이미지를 획득할 수 있다.
배터리 파우치 외관검사에서 역시 다중 시분할 촬영의 수요가 높다. 파우치 외관의 스크래치, 파임, 이물 등을 검사하기 위해 4각 혹은 그 이상의 라인조명을 사용하여 다양한 각도에서 보이는 불량을 검출할 수 있다.
또한 PCB 동판 검사 분야에서 동축 및 사이드 조명을 이용하여 여러 불량 유형을 검출할 수 있다. 본문에서는 조명 제어 방식에 대한 구체적인 설명과 차이점, 최근 이슈가 되고 있는 Strobe Controller의 특징 설명 및 실제 적용사례를 통하여 복합조명과 어떻게 활용되는지 살펴보았다. 다음 호에서는 머신비전 시장에서의 차세대 조명 기술과 방향성에 대해서 인터뷰를 통해 논의하고자 한다.
자료 제공: ㈜아이코어(www.icorecorp.com)
