애플리케이션에 맞는 최적의 조명을 선택하라

OPTO-ENGINEERING

조명은 머신 비전 시스템의 가장 중요한 구성 요소 중 하나다. 머신 비전 시스템의 작업이 일관되고 안정적으로 수행되려면 특정 애플리케이션에 적합한 조명 구성 요소를 선택하는 것이 매우 중요하다. 그러한 이유는 부적절한 조명으로 인해 정보가 손실되면 대부분 복구할 수 없기 때문이다. 그렇기 때문에 양질의 조명 구성 요소를 선택하는 것이 가장 중요하다.

조명 지오메트리 및 기술

특정 머신 비전 과제를 위한 최고의 조명은 어떻게 결정할까. 올바른 비전 시스템에 적합한 조명을 선택하기 위해 고려해야할 몇 가지 사항이 있다.

애플리케이션 목적

물체의 표면을 검사하려면 전면 조명, 즉 카메라 쪽에서 나오는 빛이 필요하다. 대상 표면에서 적절한 광 방향 또는 입사각과 확산 또는 직사광과 같은 다른 광학 특성을 선택하는 것은 표면 특징에 따라 달라진다.

물체의 직경이나 길이를 측정하거나 관통 구멍을 찾으려면 가장자리에서 대비를 최대화하는 후면 조명이 중요하다. 후면 조명은 물체가 카메라로 들어오는 빛을 차단한다. 투명한 재료 및 때로는 혼합 솔루션과 같은 더 복잡한 상황을 처리할 때는 선택이 명확하지 않기 때문에 후면 조명도 고려해야 한다.

조명 각도

전면 또는 후면 조명이 더 적합한 지 확인한 후에는 빛이 물체 표면에 닿는 각도를 설정해야 한다. 각도는 다를 수 있지만 전면 및 백라이트 조명에는 명 시야 및 암시야 조명의 두 가지 중요한 하위 그룹이 있다. 다음의 4가지 조합을 아래에 설명했다(그림 7).

명시야(전방 조명): 평평한 표면에 의해 반사된 광은 광학에 의해 수집된다.

이는 평평하지 않은 특징(예: 결함, 긁힘 등)이 렌즈의 최대 수용 각도 외부로 빛을 산란시켜 밝은 배경에서 어두운 특성을 나타내는 가장 일반적인 상황이다(명시야: 그림 8, 그림 10a -10b 참조). 시스템 대칭에 따라 LED 전조등 또는 링 조명으로 명시야 전조등을 생성 할 수 있다(그림 9). 두 경우 모두 LED 조명이 매체에 의해 직접 또는 확산 될 수 있다.

암시야(전면 조명): 반사광은 광학에 의해 수집되지 않는다. 이러한 방식으로, 산란된 광 만이 포착되어 어두운 배경에서 비평면 특징을 보다 밝은 특성으로 향상시킨다(암시야: 그림 11 및 13.a-13b 참조).

이 효과는 낮은 각도의 링 조명을 통해 재현된다(그림 12).

명 시야(백라이트 조명): 재료가 불투명하거나(그림 14) 투명하면 표면에 의해 빛이 차단되거나 투과된다.

첫 번째 경우, 물체의 개요를 볼 수 있다(흰색 배경에 검은 물체.그림 16 및 18 참조). 후자에서, 투명 물체의 비평면 특징은 흰색 배경에서 어둡게 나타난다. 이 두 번째 경우에, 투명 표면이 예리한 곡률(예를 들어, 플라스틱의 기포 내포물)을 나타내지 않으면 대비는 낮아진다. 이러한 조명 기술은 확산 백라이트(그림 15a, 15b 및 16) 또는 텔레센트릭 조명기를 사용하여 달성 할 수 있으며, 특히 고정밀 애플리케이션 제품용으로 설계되었다(그림 17 및 18).

암시 야(백라이트 조명): 샘플에 의해 투과되고 평평하지 않은 피처에 의해 산란된 빛만 수집되어 어두운 배경에서 밝게 표시된다(그림 19). 이것은 투명한 샘플 뒤에 위치한 링 조명 또는 바 조명을 통해 얻을 수 있다.

동축 조명: 전면 조명이 물체 표면에 직각으로 도달할 때 동축 조명이라고 한다.

동축 조명은 추가적으로 시준 될 수 있는데, 즉 광선은 광축에 평행이다(어느 정도). 이 조명 설정을 얻기 위해 모든 유형의 렌즈(고정 초점, 매크로 또는 텔레 센트릭)와 함께 사용할 수 있는 동축 박스 또는 동축 조명이 내장된 텔레센트릭 렌즈를 사용할 수 있다(예: Opto Engineering ® TCCX 시리즈). 그 차이는 시준 정도에 있으며, 이는 반사도에 따라 결함을 찾아 낼 수 있는 양이 좌우된다(그림 21- 22 참조).

돔 조명과 터널 조명: 특정 곡면 형상을 감지하기 위해 복잡한 곡선 형상의 물체를 검사해야 하는 경우, 고르지 않은 조명을 유발할 수 있는 반사를 제거하기 위해 다른 각도에서 나오는 전면 조명이 가장 적합한 선택이다. 이러한 유형의 애플리케이션은 사실상 모든 방향에서 조명을 제공하도록 설계되었기 때문이다(그림 23 - 24).

실제로, 돔 조명은 흐린 날처럼 균일한 조명을 제공하기 때문에 때때로 ‘흐린 날’ 조명기라고도 한다. 또 다른 유형의 조명 구조는 터널 조명이다. 이 조명은 길고 얇은 원통형 물체에 균일한 조명을 제공하도록 설계됐으며 상단에 원형 조리개가 있다(돔 조명).

조합된 고급 조명 솔루션:  때로는 매우 복잡한 물체 형상을 검사하기 위해 표면 결함을 효과적으로 드러내기 위해 다른 조명을 조합해야 한다. 예를 들어, 돔과 낮은 각 조명의 조합은 전체 시야에 균일한 조명을 제공하는 데 매우 효과적이다.

‘조합 된’ 조명의 예로는 Opto Engineering ® LTDMLA 시리즈가 있으며 올인원 돔 및 낮은 각 링 조명이 있어 서로 독립적으로 작동할 수 있다(그림 25 참조).

텔레센트릭 조명

텔레센트릭 조명은 다양한 종류의 애플리케이션에 활용된다.

• 고속 검사와 분류: 텔레센트릭 렌즈와 결합하면 매우 짧은 노출 시간에 많은 량을 처리 할 수 있다.

• 정확한 가장자리 인식과 결함 분석을 위한 실루엣 이미징

• 반사 원통형 물체의 측정: 확산 백라이트는 반짝이는 둥근 물체의 가장자리에서 원치 않는 반사를 생성하여 실제보다 작게 보이고 부정확 한 측정으로 이어질 수 있다. 시준된 광선은 훨씬 덜 반사되기 때문에 텔레센트릭 조명기는 이 ‘테두리 효과’를 효과적으로 제거하여 정확하고 일관된 판독 값을 보장한다(그림 26 참조)

• 정확성, 반복성 및 고 처리량이 고정밀 측정 애플리케이션의 핵심요소이다.

텔레센트릭 렌즈와 함께 시준된 빛을 사용하면 텔레센트릭 렌즈 자체의 자연적 피사계 심도가 약 +20/30% 증가한다(그러나 렌즈 유형, 광 파장과 픽셀 크기에 따라 다름). 또한, 우수한 광 커플링으로 인해 이미지 품질에 영향을 주지 않고 필요한 경우 물체와 광원 사이의 거리를 늘릴 수 있다. 이는 조명기의 개구 수(NA)가 텔레 센트릭 렌즈 NA보다 낮기 때문에 발생한다.

따라서, 광학계는 실제 텔레센트릭 렌즈(NA)에 의해 주어진 동일한 이미지 해상도를 유지하면서, 렌즈가 필드 깊이 측면에서 조명기와 동일한 NA를 갖는 것처럼 나타난다. 모서리가 곡선인 물체를 검사해야 하는 경우, 시준된 빛이 최선의 선택이다. 이러한 이유로 이 조명 기술은 샤프트, 튜브, 나사, 스프링, O- 링 및 유사한 샘플의 측정 시스템에 널리 사용된다.

파장과 광학 성능

많은 머신 비전 애플리케이션은 준단색 광원이나 광학 필터를 사용하여 만들 수 있는 특정한 빛 파장을 필요로 한다. 이미지 프로세싱시, 적절한 빛 파장을 고르는 것이 물체의 색상 특징을 강조하는데 중요한 요소이다. 파장(빛의 색상)과 물체의 색상의 관계를 그림 27에서 볼 수 있다. 피사체 특징의 색상에 맞는 파장을 사용하는 것은 이 특정 특징을 강조할 것이다. 역도 그와 같다. 즉, 특징을 어둡게 하기 위하여 반대되는 색상을 사용하면 된다(그림 28).

예를 들어, 녹색광은 녹색 특징이 이미지 센서에 더 밝게 나타나도록 한다. 반면에, 적색광은 녹색 특징이 센서에 더 어둡게 나타난다. 한편, 백색광은 모든 색상에 대비된다. 추가적으로, 육안과 CMOS 및 CCD 센서의 민감도에 큰 차이가 있다는 것이 고려되어야 한다. 따라서 비전 시스템이 육안으로 보았을 때와는 다르다는 것을 어떻게 감지하는지를 결정하기 위한 초기 평가를 하는 것이 중요하다.

단색 조명은 두 종류로 얻어질 수 있다. 광학 필터를 사용하여 센서에 오는 필요 없는 파장을 막거나 단색 원천을 사용할 수 있다. 광학 필터는 특정한 빛의 파장만 투과될 수 있도록 한다. 명시된 파장의 빛만 통과할 수 있도록 하거나(밴드 패스 필터) 원하는 파장을 차단하는 용도(자외선 로우패스 필터)로 사용될 수 있다.

컬러 필터는 산업 환경에서 자주 나타나는 다른 비단색 광원도 차단할 수 있다.(햇빛, 천정 기타 등등)하지만 센서에 도달하는 빛의 양을 제한한다. 반면에, 준단색 광원은 보통 작은 대역폭 안의 특정한 빛 파장만 생산한다. 어느 쪽이든, 만약 단색광 즉, 녹색을 선택한다면, 녹색이 아닌 특징들은 필터 대역폭과 특징의 색상에 따라 센서상에 어두운 회색이나 검정색으로 나타날 것이다. 백색광의 사용은 단색광을 손쉽게 대조를 증가시킬 수 있는 쉬운 방법이다(그림 29 - 34).

일부 경우에서 특정한 파장이 선호되기도 한다. 예를 들어, Opto Engineering의 텔레센트릭 렌즈는 보통 가시거리에서 사용되는 경우, 녹색광과 같이 사용될 때 가장 좋은 효과를 낸다. 더 나아가서, 녹색광은 해상 한계(짧은 파장일수록 더 높아진다)와 보통 유리의 투과 특성(짧은 파장에 낮은 투과율을 갖는다)과 상충 관계를 가진다. 어느 파장이라도 애플리케이션에 맞는다면, 비용적인 측면만 고려하여 LED 색상을 고르면 된다.

편광 필터는 특정한 방향에 의해 좌우되는 특별한 재질로 구성되어 있다. 그 방향으로 움직이는 모든 빛은 통과한다. 반면에 파장의 다른 요소들은 보이지 않는다. 표면에 의해 반사된 빛은 평행하는 방향으로 편광 된다. 그러한 반사는 두개의 편광 필터(조명에 하나, 렌즈에 하나)를 사용하여 현저히 감소하거나 차단될 수 있다. 편광 필터는 유리, 플라스틱과 같은 반사성 재질을 이미징 할 때 일어나는 채광효과를 없애는데 사용하면 효과적이다.

조명 구조

표면의 조명 패턴 투사는 3D차원 정보를 손쉽게 얻게 한다(그림 35). 예를 들어, 카메라가 일정 각도를 보는 상태에서 수직 라인을 발견한다면, 라인이 투사된 곳을 통해 피사체의 높이를 결정할 수 있다. 이러한 개념은 그리드, 크로스, 점 등 여러 다양한 패턴을 사용하여 연장될 수 있다. LED와 레이저, 둘다 패턴 프로젝션을 위해 사용되지만, 레이저가 더 많은 단점을 가지고 있다(그림 36). 라인의 레이저 라이트 프로파일은 가우스 모양을 가지고 있고 중앙이 높고 선의 가장자리에서 낮아진다.

추가적으로, 레이저를 표면에 투사하는 것은 ‘반점효과’를 낳는다. 반점효과는 레이저 광의 높은 간섭에 의해 레이저 라인의 가장자리의 선명도를 잃게 한다. 레이저 방출과 함께, 조명의 단면적과 선폭이 약해진다. 추가적으로, 레이저 방출시 선의 가장자리는 번져있고 회절/반점 효과를 보인다. 반면에, LED 광을 조명에 사용하면 이러한 문제들을 없앨 수 있다.

Opto Engineering의 LED 패턴 프로젝터는 더 얇은 선, 선명한 가장자리와 레이저보다 더 균일한 조명을 가진다. 빛이 발산되기 때문에, 원하는 물리적 패턴에 의해 멈춰질 수 있고 일반적 렌즈를 통해 표면에 투사될 수 있다. LED 빛은 레이저 빛보다 간섭이 적기 때문에 가시광선이 없는 투사 패턴을 통해 빛의 강도가 일정하다. 또한, 투사 공정에서 백색광을 쉽게 생성하여 사용할 수 있다.

EN62471에 따른 LED의 조명 안전과 위험 클래스

EC/EN 62471은 200nm~3000nm의 파장 범위에서 LED(레이저는 제외)와 같은 불일치 광대역 광소스를 포함한 램프의 광생물학적 안전성을 평가하기 위한 지침을 제공한다. EN 62471에 따르면 광원은 잠재적인 생물학적 위험 그룹으로 분류된다.

자료 제공: OPTO-ENGINEERING(www.opto-engineering.com)