카메라 최대 성능을 구현하기 위한 조명 시스템 사용 방법

TELEDYNE

‘조명이 어떻게 작용하는가’는 복잡한 주제이다. 이미징에서 가장 큰 경험 중 하나는 빛이 늘 부족하다는 것이다. 그러나 피사체를 선명하게 촬영하기에 충분한 빛을 찾아야 한다. 효율적이고 신중한 방식으로 광원을 사용하면 특정 피사체를 촬영하는 데 필요한 광량을 줄이며 세부 사항이나 결함을 커버할 수 있다. 본문에서는 조명 이론을 다루고, 다양한 광원을 조사하여, 실제 응용에서 조명 장비를 가장 잘 사용하는 방법을 다룬다.

예를 들어, 필터를 사용하여 근적외선(NIR) 검사 및 컴퓨터 비전의 대비 향상을 달성할 수 있다. 그러나 필터를 사용하면 센서에 도달하는 빛의 양이 줄어들어 보다 민감한 카메라가 필요하다. 필터로 전송되는 특정 조명을 사용할 때 다른 조명을 줄이면 보다 선명한 이미지를 얻을 수 있다. 빛이 대상과 상호 작용할 때 물체에 의해 반사, 흡수, 산란 또는 굴절되는 네 가지 결과가 발생한다. 그러나 이러한 결과는 상호 배타적이지는 않으며, 특히 다른 파장에서 이러한 개별 결과의 조합이 가능하다.

조명 이론

빛이 대상과 상호 작용할 때 물체에 의해 반사, 흡수, 산란 또는 굴절되는 네 가지 결과가 있다. 이러한 결과는 상호 배타적이지 않으며, 특히 다른 파장에서 이러한 개별 결과의 조합이 가능하다. 대부분의 조명문제는 산란 및 반사된 빛을 완화하는 것과 관련이 있다. 산란광은 비전시스템이 물체 표면에서 균일한 광 강도를 생성하기 때문에 반사광은 거친 ‘핫스폿’을 생성하여 이미지를 포착하기 어렵다.

물체의 색상은 흡수되는 파장과 반사되는 파장에 따라 결정된다. 광원에서 방출되는 파장을 제어하면 대비를 향상시켜 세부 사항을 보다 쉽게 식별할 수 있다. 굴절이란 빛이 물과 같은 매체를 통과하는 방법을 말하며 본문에서는 이 부분을 제외한다.

반사와 산란

반사와 산란은 동일한 대상에서 동시에 발생할 수 있다. 광원의 방향과 강도에 따라 반사/산란되는 빛의 양이 결정된다.

정반사 평면 반사는 그림 1에서 볼 수 있듯이 왜곡을 최소화한다. 거울, 고광택 금속 표면 및 낮은 각도의 액체와 같은 재료는 정반사 평면 반사를 생성할 수 있다. 이러한 재료를 사용할 때는 빛이 카메라 렌즈에 직접 반사되지 않도록 적절한 조명 위치가 필요하다.

다면 반사(multi-faceted reflection)는 고르지 않은 반사 표면에서 문제가 될 수 있다. 대상의 거칠기는 빛이 부분적으로 산란되지만, 충분히 높은 강도에서 반사된 빛은 대상표면에서 눈부심과 명암을 감소시킬 수 있다. 이러한 유형의 반사는 가공 금속, 새로운 솔더 및 압연 금속에서 쓰인다.

마지막으로, 비정질 표면은 모든 방향으로 입사광을 완전 산란시켜 확산반사를 생성한다. 이러한 유형의 광 산란능력을 가진 재료, 예를 들어 흰종이, 밀가루 또는 가루 설탕과 같은 미세 분말 및 세라믹은 종종 다른 물체를 조명하는 데 사용된다. 재료의 표면에 집중된 빛을 비추면 확산 반사가 피사체를 고르게 조명할 수 있다.

명시야 및 암시야 조명

명시야 및 암시야 조명은 전방 조명을 위한 두 가지 뚜렷한 방법이다. 이러한 방법들은 조명 각도에 기초하여 설명될 수 있다. 명시야 조명은 카메라 시야각(FoV)의 반사 원뿔 내에 광원을 갖도록 정의된다. 그림 4의 파란색 원뿔은 카메라의 FoV를 정의한다. 대상 앞에 배치된 빛은 카메라로 다시 반사되는 반면, FoV는 내부 및 외부 반사각도로 보인다. 2차원 모델에서, 이것은 ‘W’ 경계를 생성하는 내부 및 외부 각도로 인해 조명 ‘W’ 로도 지칭된다.

이 ‘W’ 경계를 벗어난 입사각을 갖는 반사광을 암시야 조명이라고 한다. 그림 4에서 빛은 대상에 대해 훨씬 낮은 각도에서 볼 수 있으며 대부분의 빛이 카메라 렌즈에서 반사되어 높은 대비를 만든다. 결함 또는 표면 변화를 더 잘 보려면 암시야 조명이 선호되는 반면, 명시야 조명은 균일한 조명 분포를 제공한다.

백 라이트 조명

대상 뒤에서의 조명은 카메라를 향한 균일한 광원을 사용하여 수행된다. 백 라이트 조명(역광 조명)을 사용하면 단색 물체가 검은 색과 배경이 흰색으로 표시되어 대상 가장자리를 명확하게 검사할 수 있다. 백 라이트 조명이 가장 잘 사용되는 예로는 물체개요 검증 및 가공 부품의 금속표면 감지 등이다.

반투명 물체는 광원으로부터 반사로 인해 균일한 조명이 유리하다. 대상의 이미지는 대상 자체를 통과하는 투과광의 결과로 반사 및 반투명 플라스틱에 탁월하다.

조명의 종류

최근 LED 조명 기술은 새로운 구성과 폼 팩터를 가능하게 한다. 이 섹션에서는 사용 가능한 제품에 대한 아이디어를 제공하기 위해 조명 솔루션의 작은 하위 그룹을 다룬다. 대규모 배치 전에 적절한 시스템 안정성을 보장하기 위해 실제 장비로 조명 구성을 테스트해야 한다. 가능하면 모든 외부 광원을 해당 영역에서 줄이거나 제거하여 선택한 광원만 이미징 시스템과 상호 작용할 수 있도록 해야 한다.

영역조명(area light)

영역 조명은 말하는 조명이다. 광원이 피사체에서 ‘핫스팟’을 생성할 수 있을 만큼 충분히 멀어질 경우 상대적으로 균일한 빛의 분포로 영역을 비춘다. 신중하게 배치하면 1~2개의 영역 조명으로 일반적인 이미징 용도로 충분하다.

링조명(Ring light)

링 조명은 반사를 제거하고 그림자가 없는 이미지를 만드는 데 도움이 되므로 반사되는 표면 조명에 필수적이다. 렌즈는 링 중앙의 개구부를 통해 렌즈와 함께 카메라 바로 앞에 배치된다. 이런 식으로, 렌즈 주위의 모든 방향에서 빛이 대상에 떨어지고 그림자의 모양이 줄어든다.

돔조명(Dome light)

돔조명은 볼 베어링, 금속 실린더 및 가공 금속과 같이 매우 정교하고 질감이 있는 표면을 조명하는데 이상적이다. 카메라 렌즈는 관심있는 피사체가 보이는 돔의 개구부를 향하도록 배치된다. 광원에서 방출된 빛은 그림 6과 같이 내부 표면에서 대상으로 반사된 다음, 돔의 개구부를 통해 카메라를 향해 다시 반사된다. 이러한 이유로 돔 라이트 내부는 빛 산란을 시키고 반사가 거의(또는 전혀없는) 재료로 만들어져야 한다.

구조형 조명(Structured Light)

구조형 조명은 3차원 물체 매핑에 사용된다. 그림 7에서 볼 수 있듯이 하나 또는 여러 개의 레이저 선으로 물체를 비추는 것으로 구성된다. 빛의 패턴과 레이저 선의 편차를 보면 물체의 높이와 프로파일을 결정할 수 있다.

컬러 조명(Colored Light)

특정 파장을 사용하여 앞에서 언급한 조명 유형(구조형 조명을 제외한)으로 색상을 더 정확하게 추가하면 응용 분야에 따라 세부 사항을 향상시키거나 대비를 높일 수 있다. 가시 스펙트럼의 좁은 부분을 사용하면 동일한 장면에서 덜 중요한 영역에서 반사를 생성하지 않고 장면의 특정 물체를 선택적으로 조명한다.

실제 조명 예

다음 섹션에서는 이미지의 세부 사항을 향상시키기 위해 빛의 특정 속성을 사용할 수 있는 몇 가지 실제 예를 설명한다. 이러한 예에서, 종래의 백색광은 동일한 결과를 생성할 수 없을 것이다.

근 적외선으로 비전 강화

적외선 조명은 사람의 눈에는 보이지 않는 디테일을 향상시키기 위해 여러 이미징 솔루션에 사용될 수 있다. 대부분의 이미징 시스템은 근적외선파장(NIR, Near infrared, 750-1200 nm)에서 약간의 감도를 갖기 때문에 눈으로 처리할 수없는 시각적 정보를 볼 수 있다. 다음 두 시나리오에서는 실제 애플리케이션을 시각화하기 위해 적외선을 사용하는 방법을 살펴본다. 근적외선 조명불투명한 액체를 보는 데 사용된다

대부분의 액체가 더 긴 파장의 적외선을 자유롭게 통과시키므로 적절한 장비가 있는 액체를 통해 가시성을 확보할 수 있다. 단색의 Teledyne Lumenera Lt345R 카메라와 적외선 광원을 사용하면 적포도주와 콜라와 같은 다양한 불투명 액체를 볼 수 있다.

그림 8에 표시된 예는 배경에 텍스트가 인쇄된 유리 용기를 나타낸다. 첫 번째 이미지에서 컨테이너는 비어 있으며 글래스를 통해 텍스트를 약간 왜곡하여 읽을 수 있다. 두 번째 이미지에서 컨테이너는 적포도주로 채워진다. 유리 용기 내부의 크기가 4인치 x 4인치이므로 카메라가 유리 뒤의 텍스트를 하얀 빛 아래에서 볼 수 없다. 세 번째 이미지에서 근적외선을 사용하여 4인치의 적포도주를 통해 유리 뒤의 텍스트를 만들 수 있다.

두 번째 예에서, 그림 9에서, 유리는 콜라로 채워지고 검사 애플리케이션을 시뮬레이션하기 위해 유리와 스프링 및 금속와셔를 유리 내부에 놓았다. 근적외선 조명은 고객에게 보내기 전에 이물질이 불투명한 액체가 담긴 용기 안에 있지 않도록 하는 데 사용된다. 이 간단한 설정은 시스템이 올바른 유리 내에서 문제를 얼마나 쉽게 볼 수 있는지 보여준다. 근적외선 조명으로 가려진PCB 회로를 볼 수있다.

인쇄 회로 기판(PCB)에서 솔더 마스크(또는 실크) 스크린 문자로 덮여있는 영역을 검사할 때는 파장이 얇은 코팅을 쉽게 통과하지만 매장된 구리 흔적에서 반사되기 때문에 NIR 조명을 사용하는 것이 훨씬 더 효율적이다.

그림 10에 도시된 바와 같이, 상부 이미지는 가시광아래서 PCB의 일부이고 하부 이미지는 근적외선 아래에 있다. 위 이미지에서, 왼쪽 도금된 패드에서 상단 패드로 가는 구리 추적은 솔더 마스크와 실크 스크린 ‘TP 10’ 글자로 가려져 있다. 아래 이미지에서 근적외선을 사용하면 실크 스크린 글자가 거의 보이지 않는다. 이 간단한 설정은 회로 길이와 노출된 패드에서 구리의 강도가 일정하다는 것을 보여준다. 이것은 솔더 마스크가 NIR 광하에서 묻힌 구리 회로추적에 가시적인 영향을 미치지 않음을 나타낸다.

컬러 조명으로 콘트라스트 향상

컬러 조명을 사용하면 컴퓨터 비전 검사에서 콘트라스트(대비)를 높일 수 있다. 대부분의 비전 시스템은 단색 카메라를 사용하기 때문에 컬러 조명을 사용하여 배경색을 ‘소거’하고 시스템이 보고자 하는 세부 사항을 강조할 수 있다.

이것은 다음 예제에서 두 개의 날짜 스탬프로 볼 수 있다. 그림 11은 두 스탬프의 컬러 이미지를 보여준다. 왼쪽 스탬프는 파란색 배경에 빨간색 잉크를 사용하고 오른쪽 스탬프는 검정 잉크를 사용한다. 그림 12의 다음 이미지는 단색 Teledyne Lumenera Lt345R 카메라를 사용하는 동일한 레이블을 보여준다. 또한 이미지(그림 12의 하단에 표시된 그래프의 딥)와 이미지의 노란색 선을 가로 지르는 배경(피크) 사이의 픽셀 값 차이를 보여준다.

그림 12에서 흰색 빛을 사용할 때 첫 글자 ‘J’의 경우 회색톤 픽셀 값이 약 15만큼 감소한다. 파란색 빛을 사용하면 배경이 밝아지고 글자와 대비가 높아진다. 이것은 그림 13에서 같은 문자를 나타내는 40 포인트 딥(point dip)으로 볼 수 있다. 글자의 빨간 잉크는 모든 파란 빛을 흡수하고 배경은 많은 양의 빛을 반사하기 때문이다. 백색광을 사용하는 버전에서 적색 잉크는 백색광의 적색 성분을 반영하고 배경은 청색 성분을 반영한다. 이것은 명암비를 크게 감소시키므로 특정 파장을 가진 피사체를 대상으로 하는 것이 머신 비전 애플리케이션에 매우 유리하다.

편광 및 편광 필터

광원을 편광하고 편광 필터와 결합하면 다음 그림 14 및 15에서 볼 수 있듯이 결함 검사에 도움된다. 이 예에서 편광 필터는 카메라의 렌즈 뿐만아니라 백라이트 광원에도 배치된다. 그런 다음 결함을 관찰하기 위해 플라스틱 눈금자를 편광 광원 위에 놓는다. 카메라의 편광 필터를 광원의 편광 필터와 정렬하도록 회전시키면 눈금자를 통해 투과된 빛은 플라스틱에 흠집이 있음을 나타낸다.

필터를 90° 돌리면 편광이 카메라 렌즈로 들어오는 것을 차단한다. 그러나 플라스틱의 결함은 편광의 방향을 바꾸는 경향이 있다. 이 원리는 그림 15에서 볼 수 있듯이 카메라가 결함을 두 번째 편광 필터로 전달하기 때문에 쉽게 볼 수 있도록 한다. 결함은 긁힘에 의해 빛의 편광이 더 변화함에 따라 흰색 표시로 나타난다.

결론

사용된 광원의 유형과 관심있는 피사체를 비추는 방식에 따라 이미지가 크게 변경될 수 있다. 특정 재료로 작업할 때는 빛이 반사되는 방식 뿐만아니라 빛이 피사체와 접촉하는 각도를 고려하여 세부 사항을 올바르게 강조하는 것이 중요하다. 편광으로 고체 표면을 검사하든 근적외선 조명을 사용하여 액체를 통해 표면을 검사하든 상관없이 적절한 조명을 사용하는 것이 중요하다.

자료 제공: TELEDYNE(www.teledynelumenera.com)