Nano Drive, 마이크로 초 미만 펄스로 고속 검사의 정확도 〮처리량 향상시켰다
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‘고속’의 의미는 검사 스테이션에서 회전하는 포장 제품, 자동차 충돌 테스트, 프린터 카트리지에서 나오는 물방울 등 이미징 시스템이 매우 빠르게 데이터를 정확하고 반복적으로 캡처할 수 있음을 의미한다.
고속 이미징 시스템을 엔지니어링하려면 기존 머신 비전 애플리케이션에 여러 고려 사항이 필요하다. 카메라 트리거 대기 시간, 시야(FOV)가 셔터 속도에 미치는 영향, 빠르게 움직이는 물체를 제 시간에 고정하는 데 필요한 노출 시간 계산등이 포함된다. 조명은 이미지 캡처 속도에서 설계 문제를 완화하거나 제거하는 데 도움이 될 수 있다. '적절한 조명'은 단순히 정확한 파장이나 각도에서 충분한 빛을 적용하는 것 이상을 의미한다.
고속 이미징 애플리케이션에 사용되는 펄스 광원은 최대 밝기를 달성해야 한다. 이를 해결하기 위해 설계자들은 500 나노 초(ns) 이하의 빛에 최대 전력을 전달할 수 있는 새로운 LED 드라이버를 개발했다. 이것은 더 빠른 스트로브 시간을 넘어서 마이크로 초 미만의 펄스 형태로 높은 출력 및 정밀 제어를 포함할 수 있다는 뜻이다.
빠른 것이 항상 좋은 것은 아니다
전통적으로 크세논 스트로브(xenon strobes)와 펄스 LED 광원은 고속 이미징 애플리케이션에서 부품의 동작을 고정하는 데 선호되는 솔루션이었다. 크세논 플래시 램프는 절대 광자 출력 측면에서 더 밝으며, 스트로브의 광펄스는 일반적으로 15~30 마이크로 초(μs)까지 지속되지만 필요한 경우 250ns까지 펄스 할 수 있다. 현재까지 기존 LED 조명이 효과적으로 전달할 수 있는 가장 짧은 펄스는 낮은 마이크로 초 범위이다.
그러나 LED는 크세논 램프에 비해 높은 견고성, 낮은 유지 보수 및 긴 수명을 포함하여 추가 장점을 제공한다. LED는 크세논 소스보다 더 좁은 스펙트럼 범위 내에서 방출하므로 이미지의 주요 특징에 대한 대비와 가시성을 향상시킬 수 있다. 고체 광원으로서 LED는 더 높은 강도를 제공하기 위해 구동될 수 있다. 여기에는 짧은 기간 동안 더 높은 전류에서 LED를 펄싱하고 특정 시간 동안 끄는 것이 포함된다.
LED는 일반적으로 정격 출력의 3~8 배를 제공하기 위해 정격 전류의 4~10 배에서 오버 드라이브가 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 1 밀리초(ms) 동안 스트로브 할 수 있지만 다시 스트로브 하려면 다시 9ms 동안 꺼져 있어야 한다. 크세논 램프와 비교하여 LED는 각 펄스의 지속 시간, 강도 및 모양을 잘 제어한다.
이는 광원의 절대 강도가 1초당 목표 FOV 내에 투사되는 단위 면적당 광자수인 자속밀도 보다 이미지 캡처에 덜 영향을 미치기 때문에 중요하다. 또한 LED 조명의 비교적 콤팩트한 폼팩터로 인해 대상에 더 가깝게 배치할 수 있다. 빛에 적용되는 역 제곱 법칙은 거리의 제곱에 비례하여 강도가 감소함을 나타낸다. 거리에 대한 이러한 감소는 타겟에 더 가까이 위치한 더 작은 LED 헤드가 크세논 램프에 비해 낮은 강도를 극복할 수 있게 한다. 이는 LED 조명이 크세논 소스보다 비슷하거나 더 나은 조명과 FOV 전반에 걸쳐 더 높은 자속밀도를 얻을 수 있음을 의미한다.
배니싱 블러(Banishing Blur)
이미지에서 모션을 고정하는 비전 시스템의 기능은 광자를 픽셀에 얼마나 정확하고 빠르게 배치하는지에 대한 기능이다. 따라서 모션이 빠를수록 더 어려워진다. 목표는 카메라 센서의 각 픽셀이 물체의 한 지점을 감지하는 것이다. 포인트가 카메라의 노출 시간에 비해 너무 빠르게 움직이는 경우 여러 픽셀에 걸쳐 캡처될 수 있다. 그 결과 픽셀 블러로 인해 이미지 데이터가 불량하다. 이 수준의 성능이 항상 필요한 것은 아니지만 최상의 이미지 품질은 픽셀 블러를 1픽셀(px) 이하로 제한해야 한다.
고속 검사 애플리케이션은 종종 픽셀 블러에 대한 허용 임계값을 지정하며, 비전 엔지니어는 그에 따라 시스템을 설계한다. 디자인에는 두 가지 기본 및 보완적인 접근 방식이 있다. 전통적으로 엔지니어는 다음 공식을 사용하여 지정된 픽셀 블러를 방지하는 데 필요한 최소 노출 시간을 계산한다.
픽셀 블러= (라인 속도 * 노출 시간) * (이미지 크기/FOV)
예를 들어, 픽셀 블러가 1px 이하일 수 있다고 가정하면 다른 알려진 수량을 연결하여 노출 시간을 계산할 수 있다. 엔지니어가 회선 속도가 3000mm/s(초당 밀리미터)라는 것을 알고 있는 경우 이미지 크기는 1960 x 1080 픽셀(이동 방향의 픽셀 수 사용, 이 경우 1960 수평 사용)이고 카메라의 FOV 100mm(mm)이면,
1px의 흐림= (3000mm/s * X 초) * (1960px/100mm)
이것은 0.000017 초 또는 17µs의 노출 시간에 적용된다.
노출 시간은 시스템 설계의 한 면이다. 조명은 다른 것이다. 관심있는 기능이 카메라의 FOV를 통해 빠르게 이동할수록 카메라의 셔터를 더 빨리 열고 닫아야 제 시간에 고정된다. 셔터 속도가 증가함에 따라 각 픽셀에서 적절한 노출을 보장하기 위해 타겟을 더 밝게 비춰야 한다.
카메라의 조리개를 넓히면 더 많은 빛을 포착하는 데 도움이 된다. 그러나 이는 피사계 심도를 감소시켜 일부 응용 분야에서 문제가 될 수 있다. 마찬가지로 카메라 게인을 늘리면 출력이 밝아 질 수 있지만 이미지 노이즈도 증폭된다. 짧은 노출 시간에 장면 전체에 고강도 및 고르게 분산된 조명을 달성하는 것은 머신 비전 애플리케이션을 위한 최상의 솔루션이다.
펄스와 모양의 영향
짧은 노출 시간 동안 더 많은 빛을 모으기 위해 카메라 시스템을 조정할 수 있는 제한된 수의 방법을 고려할 때 대상을 더 강하게 비추는 것이 유리하다. 짧은 카메라 노출 시간을 수용하기 위해 펄스 길이가 감소함에 따라 각 펄스의 모양(LED가 최대 강도에 도달한 다음 꺼지는 데 걸리는 시간)이 점점 더 중요해지고 있다.
시간의 경과에 따라 강도를 측정하면 LED 광 펄스는 정사각형 모양을 나타내야 한다. 이는 더 빨리 최대 출력 전력을 달성하고 있음을 나타낸다. 이렇게 하면 카메라 셔터가 열릴 때 LED가 여전히 '롤링'되지 않지만 최대 강도로 대상을 비춘다. 그렇지 않으면 픽셀 블러가 시작될 수 있다.
선명한 마이크로 초 광 펄스를 얻으려면 전체 강도를 더 빠르게 제공해야 하지만 이 기능의 주요 이점은 광 펄스를 카메라의 노출 시간에 동기화 할 때 제어력과 정밀도가 향상된다는 것이다. 고속 이미징을 위해 설계된 기존의 LED 시스템은 외부 컨트롤러를 사용하여 동일한 마이크로 초 동안 펄스를 전달할 수 있다.
그러나 이러한 시스템의 물리학은 사각 펄스 모양의 가장자리를 둔화시키는 피할 수 없는 지연 문제를 야기한다. 케이블이 길수록 지연으로 인한 영향이 커진다. 드라이버와 광원을 연결하는 2피트 케이블조차도 시스템 지터에 크게 기여하고 상승을 최대 강도로 확장하는 상당한 기생 임피던스를 부과한다.
나노초 LED 드라이버 설계
LED 마더 보드에서 드라이버와 컨트롤러를 물리적으로 매우 근접하게 통합하면 외부 배선이 필요하지 않으며 드라이버의 고전류 펄스가 비교적 짧은 임피던스 제어 인쇄 회로 기판 트레이스를 통해 LED로 직접 전달된다.
Smart Vision Lights는 외부 케이블의 저항 및 기생 전기 손실을 최소화하기 위해 NanoDrive™ 드라이버를 개발하면서 이러한 접근 방식을 택했다. 따라서 NanoDrive를 특징으로 하는 LED 조명은 수십 암페어를 빠르게 전달하여 비슷한 오프 타임으로 500ns 이하의 최대 전력을 달성할 수 있다. 고속 이미징에 적용되는 NanoDrive 광원은 매우 짧은 이미지 획득 시간과 외부 컨트롤러 및 배선으로 구동되는 LED 소스를 사용하여 달성할 수 없는 정밀 타이밍을 허용한다.
이 새로운 드라이버 기술로 구동되는 LED는 마이크로 초 미만의 펄스 에지를 활성화하고 1μs 펄스 폭을 유지하도록 구성할 수 있다. 10% 듀티 사이클에서 이러한 구성은 초당 100,000 스트로브를 처리할 수 있다. 또한 더 빠른 온/오프 속도는 비동기식 작동 중 지연 문제를 보상하는 데 도움이 되며, 카메라 셔터는 제품이 포토 센서를 트립하는 것과 같은 외부 소스에 의해 트리거 된다.
NanoDrive와 같은 통합 LED 드라이버의 높은 펄스 속도와 제어는 훨씬 짧은 노출 시간에서 정확하고 반복 가능한 고속 이미지 캡처를 가능하게 한다.
나노 펄스의 실제
카메라가 초당 최대 3.8m(150 인치)를 이동하는 부품에서 초당 최대 50개 부품의 속도로 UPC 또는 EAN-13 바코드를 스캔해야 하는 고속 애플리케이션을 생각해보라.
좁은 막대 너비가 13mil(0.013 인치)이고 일관된 디코딩을 한다. 이를 캡처하기 위해 얇은 막대 당 최소 2px가 할당되었다고 가정하자. 그러나 이러한 속도에서 일관된 디코딩을 더욱 보장하기 위해 픽셀 블러의 허용 오차는 0.5 픽셀로 설정해야 된다.
이러한 사양은 이미지 픽셀 크기가 0.0065 인치이고 모션으로 인한 블러를 0.00325 인치 미만으로 유지하려 하기 때문이다. 초당 150인치에서 코드의 좁은 막대는 0.0000216 초 또는 21.6μs 이내에 절반 픽셀을 가로지른다. 최소 노출 시간이 50μs 이상인 기존 카메라에서는 픽셀 블러가 없이 정확하게 코드를 스캔하는 것이 어렵다. 외부에서 구동되는 LED 광원의 최소 스트로브 지속 시간은 이러한 빠른 노출 시간을 더욱 방해한다.
기생 케이블 임피던스는 분해능을 마이크로 초 범위로 제한할 뿐만 아니라 이러한 소스는 짧은 강렬한 버스트(burst)에 대해 상당한 전류를 제공하는 제한된 기능을 제공한다. 이러한 모든 문제는 1µs 미만의 상승 및 하강 시간으로 최대 전력을 제공하는 LED 드라이버로 해결할 수 있으며, 펄스의 주요 기간 동안 수십 암페어가 LED에 도달할 수 있다. 이러한 LED 설계의 듀티 사이클은 초당 50 펄스를 초과한다.
결론
내장형 LED 드라이버는 나노초 단위로 측정되는 펄스 에지 분해능이 가능하다. 유능한 비전 디자이너는 복잡한 트리거 방식, 값 비싼 카메라 또는 소프트웨어 트릭을 적용하여 이미지 캡처를 매우 빠른 속도로 최적화할 수 있다. 그러나 이러한 솔루션은 항상 최종 사용자의 비용 및 이익 분석의 역풍에 부딪힌다.
나노 초 범위에서 온/오프 시간을 특징으로 하는 더 짧고 밝은 펄스를 가능하게 하는 새로운 고급 LED 드라이버는 고속 검사 애플리케이션의 정확도와 처리량을 모두 향상시킨다. 이 드라이버는 시스템의 설계, 구현 및 비용을 간소화하는 데 도움이 된다.
자료 제공: smartvision(www.smartvisionlights.com)
