고속 이미징 애플리케이션에 유용한 통합형 LED 드라이버
Smartvisionlights
500ns 이하의 빛에 최대 전력을 공급할 수 있는 새로운 통합 LED 드라이버는 고속 이미징 시스템의 성능, 정밀도 및 반복성을 향상시킨다.
나노초 광 펄스로 고속 이미징의 한계를 넘는다
머신 비전과 관련하여 '고속'의 의미는, 자명해 보일 수 있지만, 특정 응용 분야와 독립적으로 정의되어 있는 것은 없다. 이는 이미징 시스템이 매우 짧은 이벤트 기간 내에 관련 데이터를 정확하고 반복적으로 캡처 할 수 있음을 의미하며, 검사 스테이션을 통과하는 포장 제품이든 자동차 크래시 테스트 또는 프린터 카트리지에서 발생하는 누유 현상이든 관계가 없다.
고속 이미징 시스템을 엔지니어링하려면 기존 머신 비전 애플리케이션에 필요한 것 이외의 여러 가지 설계 고려사항이 필요하다. 이러한 고려사항에는 카메라 트리거 지연속도, FOV(Field of View)가 셔터 속도에 미치는 영향, 빠르게 움직이는 물체를 제 시간에 고정시키는 데 필요한 노출 시간 계산이 포함된다.
적절한 조명은 중요한 요소이다. 높은 이미지 캡처 속도에서 다른 디자인 문제를 완화하거나 제거할 수 있기 때문이다. '적절한 조명'은 정확한 파장 또는 각도에서 충분한 빛을 단순히 적용하는 것 이상을 의미한다. 고속 이미징 애플리케이션에 일반적으로 사용되는 펄스 광원은 기존의 LED 광원에도 문제가 될 수 있는 정도의 속도, 정밀도 그리고 반복성을 통해 최대 밝기를 달성해야 한다. 이를 해결하기 위해 설계자들은 500ns 이하의 빛에 최대 전력을 공급할 수 있는 새로운 LED 드라이버를 개발했다. 이것의 이점은 빠른 스트로브 시간을 넘어 마이크로 초(us) 이하 펄스 형태에 대한 높은 출력과 정밀 제어이다.
더 빠른 것이 늘 더 좋은 것은 아니다
전통적으로 크세논 스트로브(xenon strobes)와 펄스 LED 광원은 고속 이미징 애플리케이션 분야에서 부품의 움직임을 멈추는 데 선호되는 솔루션이었다. 크세논 플래시 램프는 절대 광자 출력 측면에서 더 밝으며, 스트로브 할 때의 광 펄스는 일반적으로 15~30μs 지속되지만 필요한 경우 250ns까지 낮게 펄스 할 수 있다. 현재까지, 기존의 LED 조명이 효과적으로 전달할 수 있는 가장 짧은 펄스는 낮은 마이크로 초 범위이다.
LED는 크세논 램프에 비해 몇 가지 장점을 제공한다. 즉, 견고성이 높고 유지 보수가 적으며 수명이 길다는 점이다. 또한 LED는 크세논 소스보다 좁은 스펙트럼 범위 내에서 방출되므로 이미지의 주요 기능의 대비와 가시성을 향상시킬 수 있다. 고체 광원으로서, LED는 일정한 작동에 비해 더 높은 강도를 제공하기위해 과도한 구동을 할 수 있다. 여기에는 짧은 시간 동안 더 높은 전류에서 LED를 펄싱 하고 특정 휴지 시간 동안 LED를 끄는 것이 포함된다.
그러나 전력이 증가함에 따라 출력은 감소한다. LED는 일반적으로 정격 출력의 3~8배를 제공하기 위해 정격 전류의 4~10 배로 과도하게 구동이 된다. 극단적인 경우 10배 더 많은 출력이 가능하다. 그러나 이러한 고전력에서 작동하면 LED의 듀티 사이클이 제한될 수 있다. 예를 들어, 오버 드라이브 모드에서 듀티 사이클 제한이 10%인 LED 조명은 1ms 동안 스트로브 할 수 있지만 다시 스트로브 하기 전에 9ms 동안 꺼야 한다.
크세논 램프와 비교하여 LED는 각 펄스의 지속시간과 강도 그리고 펄스의 형태를 보다 잘 제어 할 수 있다. 광원의 절대 강도는 플럭스 밀도 보다 1s 당 목표 FOV 내에서 투사되는 단위 면적당 광자수보다 이미지 캡처에 덜 영향을 미치기 때문에 중요하다.
또한 비교적 콤팩트한 LED 조명 구성을 사용하면 대상에 더 가까이 배치할 수 있다. 역 제곱 법(inverse square law)은 빛에 적용하여 거리의 제곱에 비례하여 강도가 감소한다고 명시한다. 거리에 대한 이러한 감소는 크세논 램프에 비해 더 낮은 절대 강도를 극복하기 위해 더 작은 LED 헤드가 타겟에 더 가까이 위치 할 수 있게 한다. 실제로, 이는 크세논 소스보다 유사하거나 더 나은 조명을 달성 할 수 있고 FOV에서 더 높은 자속밀도를 달성 할 수 있음을 의미한다.
블러 제거
이미지에서 모션을 정지시키는 비전 시스템의 능력은 픽셀에 광자를 얼마나 정확하고 신속하게 넣는 기능이다. 모션이 빠를수록 더 어려워진다. 일반적인 목표는 카메라 센서의 각 픽셀이 물체의 한 지점을 감지하는 것이다. 포인트가 카메라의 노출시간에 비해 너무 빠르게 이동하면 여러 픽셀에서 캡처 될 수 있다. 결과적인 픽셀 블러(blur)는 이미지 데이터의 품질을 저하시킨다.
이 수준의 성능이 항상 필요한 것은 아니지만 최상의 이미지 품질로 픽셀 흐림을 1px(픽셀, pixel) 이하로 제한한다. 고속 검사 애플리케이션은 종종 픽셀 블러에 허용되는 임계값을 지정하고 비전 엔지니어는 그에 따라 시스템을 설계한다. 디자인에는 두 가지 기본(및 보완) 접근 방식이 있다. 일반적으로 엔지니어는 특정 픽셀 블러를 피하는 데 필요한 최소 노출 시간을 계산하는데 다음 공식을 사용했다.
픽셀 블러(px of blur) =(라인 속도 * 노출 시간) *(이미지 크기 / FOV)
예를 들어, 픽셀 블러가 1px 이하일 수 있다고 가정하면 다른 알려진 양을 연결하여 노출 시간을 계산할 수 있다. 엔지니어가 회선 속도가 3000 mm/s임을 알고 있는 경우, 이미지 크기는 1960x1080 픽셀(이 경우, 이동 방향으로 픽셀 수를 사용하거나 수평 1960px)이고 카메라의 FOV는 100 mm 라고 하면,
1px 블러 =(3000mm / s * X s) *(1960px / 100mm)
이것은 0.000017 s(또는 17 μs)의 노출 시간으로 작동한다.
노출 시간은 시스템 설계 코인의 한 측면이다. 조명은 다른 것이다. 관심 있는 특징이 카메라의 FOV를 통해 더 빨리 이동하면 카메라의 셔터가 열리고 닫히기 위해 더 빨리 열어야 한다. 셔터 속도가 증가함에 따라 각 픽셀에서 적절한 노출을 보장하기 위해 대상을 더 밝게 조명해야 한다. 카메라의 조리개를 넓히면 더 많은 빛을 포착하는 데 도움이 된다.
그러나 이것은 피사계 심도(FOV)를 감소시키며, 이는 일부 애플리케이션에서 문제가 될 수 있다. 마찬가지로 카메라 게인을 높이면 출력이 밝아지지만 이미지 노이즈가 증폭된다. 짧은 노출시간으로 장면 전체에 걸쳐 강도가 고르게 분포된 조명을 달성하는 것은 이미지 품질이 성공을 결정하는 머신 비전 애플리케이션에 가장 적합한 솔루션이다.
펄스 형태 및 속도의 영향
짧은 노출시간 동안 더 많은 빛을 모으기 위해 카메라 시스템을 조정할 수 있는 방법의 수가 제한되어 있기 때문에, 관심 물체를 보다 강렬하게 비추는 것이 유리하다. 더 짧은 카메라 노출시간을 수용하기 위해 펄스길이가 감소함에 따라 각 펄스의 모양(LED가 최대 강도에 도달한 후 꺼지는 데 걸리는 시간)이 점점 더 중요해지고 있다. 시간이 지남에 따라 강도를 측정한 LED 광펄스는 사각형 모양을 나타내야 하며, 이는 다이에 전체 출력 전력을 보다 빠르게 달성하고 있음을 나타낸다. 이렇게 하면 카메라 셔터가 열릴 때 LED가 여전히 '롤링' 되지 않고 대상을 최대 강도로 비춘다. 그렇지 않으면 픽셀 블러가 시작될 수 있다.
이 소스의 성능과 마더 보드(파란색 라인)에 드라이버와 컨트롤러를 가까이 통합한 LED 디자인의 제어된 펄스 모양을 비교해 볼 수 있다. 이 아키텍처는 배선에서 임피던스를 제거하고 LED가 300~500ns 시간 프레임에서 최대 전력을 달성하고 마이크로 초 범위의 지속 시간으로 반복 가능한 고강도 펄스를 제공할 수 있도록 한다. 선명한 마이크로 초(us) 광 펄스를 달성하려면 전체 강도를 더 빠르게 제공해야 하지만, 이 성능의 주요 이점은 광 펄스를 카메라의 노출 시간에 동기화 할 때 제어 및 정밀도가 향상되는 것이다.
고속 이미징을 위해 설계된 기존의 LED 시스템은 외부 컨트롤러를 사용하여 동일한 마이크로 초 동안 펄스를 전달할 수 있다. 그러나 이러한 시스템의 물리학은 해당 사각 펄스 모양의 가장자리를 둔화시키는 피할 수 없는 대기 시간 문제를 발생시킨다. 케이블이 길수록 지연 시간으로 인한 영향이 커집니다. 2피트(60.96cm) 케이블 연결 드라이버와 광원조차도 시스템 지터에 실질적으로 기여하고 상승을 최대 강도로 확장시키는 상당한 기생 임피던스를 부과한다.
나노초 LED 드라이버 설계
드라이버와 컨트롤러를 LED의 마더 보드에서 서로 물리적으로 가깝게 통합하면 외부 배선이 필요하지 않으며, 드라이버의 고전류 펄스가 비교적 짧고 임피던스로 제어되는 인쇄 회로 기판 트레이스를 통해 LED로 직접 전달된다. Smart Vision Lights는 NanoDrive™ 드라이버를 개발하여 외부 케이블의 기생 및 전기 손실을 최소화하기 위해 이러한 접근 방식을 취했다.
따라서, NanoDrive를 특징으로 하는 LED 조명은 다이(die)에 수십 개의 암페어를 빠르게 전달하여 비슷한 오프 타임으로 500ns 이내에 최대 전력을 달성할 수 있다. 고속 이미징에 적용되는 NanoDrive 광원은 외부 컨트롤러 및 배선으로 구동되는 LED 소스를 사용하여 달성할 수 없는 매우 짧은 이미지 획득 시간과 정밀 타이밍을 허용한다.
이 새로운 고급 드라이버 기술로 구동되는 LED는 1 마이크로 초 미만의 펄스 엣지를 활성화하고 1μs 펄스 폭을 유지하도록 구성할 수 있다. 10 % 듀티 사이클에서 이러한 구성은 초당 100,000 개의 스트로브가 가능하다. 또한, 온/오프 속도가 빠르면 비동기식 작동 중 대기시간 문제를 보완하는 데 도움이 되며, 카메라 셔터가 접근하는 제품(예: 광 센서 트립)과 같은 외부 소스에 의해 카메라 셔터가 트리거 된다.
NanoDrive와 같은 통합 LED 드라이버의 더 높은 펄스 속도와 더 나은 제어는 실질적으로 더 짧은 노출 시간에서 정확하고 반복 가능한 고속 이미지 캡처를 가능하게 한다.
실제로 나노 펄스
카메라가 초당 최대 50 inch의 속도로 초당 150 inch(3.8m)까지 움직이는 부품에서 카메라가 UPC 또는 EAN-13 바코드를 스캔해야 하는 고속 애플리케이션을 고려해본다.
좁은 막대 너비가 13mil(0.013 inch)이고 얇은 막대 당 최소 2px가 일관된 디코딩을 위해 캡처하도록 할당되었다고 가정한다. 그러나 이러한 속도에서 일관된 디코딩을 보장하기 위해 픽셀 블러에 대한 허용 오차는 0.5px로 설정된다. 이러한 사양은 0.0065 inch의 이미지 픽셀 크기와 0.00325 inch 미만의 모션 유발 블러를 유지하려는 요구로 해석된다. 초당 150 inch에서 코드의 좁은 막대는 0.0000216 s 또는 21.6μs 내에서 절반 픽셀을 가로지른다.
해당 속도에서 픽셀 블러가 없는 코드를 정확하게 스캔하는 것은 50μs 이상의 범위에서 최소 노출 시간을 갖는 기존 카메라의 문제이다. 외부 구동 LED 광원의 최소 스트로브 지속시간은 이러한 빠른 노출 시간을 더욱 방해한다. 기생 케이블 임피던스는 분해능을 마이크로 초 범위로 제한할 뿐만 아니라 이러한 소스는 짧은 강렬한 버스트(bursts)에 대해 상당한 전류를 전달할 수 있는 제한된 능력을 제공한다.
이러한 모든 문제는 1μs 미만의 상승 및 하강 시간으로 최대 전력을 제공하는 동시에 LED의 주요 펄스 지속시간 동안 수십 개의 앰프가 LED에 도달할 수 있는 LED 드라이버로 해결할 수 있다. 이러한 LED 설계의 듀티 사이클은 50 pulse/s를 초과한다.
결론
나노초 단위로 측정된 펄스 엣지 분해능이 가능한 모든 내장형 기본 LED 드라이버의 경우 최대 이점은 단순하다. 유능한 비전 디자이너는 복잡한 트리거 방식, 고가의 카메라 또는 소프트웨어 트릭을 적용하여 매우 빠른 속도로 이미지 캡처를 최적화할 수 있다. 그러나, 이러한 솔루션은 항상 최종 사용자의 비용 이익 분석의 역풍에 직면한다.
나노초 범위에서 ON/OFF 시간을 특성으로 더 짧고 밝은 펄스를 가능하게 함으로써, 새로운 고급 LED 드라이버는 고속 검사 애플리케이션의 정확도와 처리량을 모두 향상시킨다. 중요한 것은 제어 능력이 강화될수록 이러한 시스템의 설계와 구현, 비용을 간소화하는 데 도움이 된다.
자료 제공: Smartvisionlights(www.smartvisionlights.com)
