소재를 구분하고 수분 검출 기능을 제공하는 SWIR 라인 스캔 카메라

Xnics

머신 비전 시스템 제조업체는 오랫동안 가시광선 카메라로 고객의 다양한 생산 품질 관리를 수행할 수 있는 비전시스템을 구축해왔다. 그러나 최근에 다른 유형의 센서인 단파 적외선(SWIR) 라인 스캔 카메라의 향상된 해상도와 낮은 가격으로 새로운 검사 시스템을 개발하고 있다.

새로운 솔루션 SWIR

900~2500nm의 파장으로 간주되는 스펙트럼의 SWIR은 가시광선에서 명확하지 않은 특징을 바로 찾아낼 수 있다. 예를 들어, 과일과 채소를 분류하고 음식에 섞인 포장과 같은 이물질을 감지하는 데 탁월하다.

고객이 냉동 완두콩을 검사하여 잔해물이 없는지 확인해야하는 농산물 유통 업체라고 가정해보자. 모양, 크기, 색상이 완두콩과 비슷한 작은 플라스틱 조각이 있으면 가시광선을 사용하는 머신 비전으로는 인식하지 못할 수 있다. 그러나 SWIR 빛은 물에 강하게 흡수되므로 수분 함량이 높은 냉동 완두콩은 매우 어둡게 보인다. 수분 함량이 거의 또는 전혀 없는 플라스틱 조각은 빛을 반사해 완두콩에서 날카롭게 눈에 띈다. 이때 기계는 공기 분사를 사용하여 불량 완두콩을 불어 낼 수 있다(그림 1 참조).

태양광 산업도 SWIR 특성을 활용할 수 있다. 태양 전지 어레이에 들어가는 실리콘 웨이퍼를 검사하는 것은 매우 중요하다. 그 안에 결함이 있으면 태양광을 전기로 변환하는 효율이 심각하게 손상될 수 있기 때문이다. 그러나 가시광선은 웨이퍼의 표면만 볼 수 있다. SWIR 파장에서 웨이퍼는 투명하게 보인다. 이를 통해 일반적인 육안 검사에서는 보이지 않는 내부 균열을 찾을 수 있다.

초 분광 이미징– 영역 스캔 카메라 기반

SWIR 카메라는 식품 검사에서 다양한 유형의 플라스틱 폐기물 분류, 다양한 재료의 특성 분석에 이르기까지 여러 파장의 빛에 의존하는 초 분광 이미징에서도 역할을 할 수 있다. 하이퍼 스펙트럼 이미징에는 가시 파장과 SWIR 파장이 모두 포함되며 때로는 응용 분야에 따라 중파 및 장파 적외선 파장도 포함한다.

하이퍼 스펙트럼 이미징 시스템은 수집하는 라인 스캔 설정에 사용되지만 영역(2 차원) 감지기에 의존한다. 그 이유는 스캔이 프리즘을 통과하여 빛을 회전시키고 검출기의 다른 부분에 서로 다른 파장이 떨어지면서 레이어 이미지를 생성하기 때문이다. 개별 파장은 이미지화되는 물체에 대한 다른 정보를 제공한다.

하이퍼 스펙트럼 시스템은 애플리케이션을 개발 연구에 사용된다. 원하는 것을 감지하기위한 최상의 파장이 결정되면 펄스 LED를 사용하여 라인 스캔 시스템이 된다.

인접한 물체

라인 스캔 카메라와 영역 카메라의 주요 차이점은 이미지다. 라인 스캔 카메라는 스캔 되는 물체를 가로지르는 좁은 선을 이미지화 하는 단일 행의 픽셀로 구성되는 반면, 영역 카메라는 각 프레임에서 훨씬 큰 영역을 캡처한다. 각 픽셀은 물체에서 빛을 흡수하여 전하로 변환하고 인접한 선이 전체 물체의 이미지에 합쳐진다. 이를 위해서는 스캐너나 물체가 센서의 시야 내에 있도록 움직여야 한다.

이러한 움직임으로 라인 스캔 카메라는 검사 중인 부품이 컨베이어 벨트를 따라 이동하거나 물체가 빈으로 떨어지는 생산 환경에 적합하다.
예를 들어 과일과 채소는 감지기를 지나간다. 이러한 응용 프로그램에는 이미 모션이 포함되어 있기 때문에 라인 스캔 카메라에 이미지가 흐려지는 위험을 방지한다. 또한 라인 스캔 이미지는 영역 이미지보다 결함이 있는 픽셀을 포함할 가능성이 적으며 저렴한 가격에 좋은 해상도를 제공한다.

적외선 스캔 카메라를 선택하는 방법

파장

응용 분야에서 SWIR 이미징으로 전환할지 여부를 결정할 때 SWIR 파장에서 눈에 띄는 물체의 일부 측면이 있는지 아는 것이 중요하다. 예를 들어 마킹 라벨 및 바코드 검사와 같은 응용 분야에서 적외선을 사용할 이유가 없다. 가시 이미징이 훨씬 저렴한 비용으로 더나은 작업을 수행하기 때문이다.

필요한 SWIR 파장을 아는 것은 설정의 성공에 있어 매우 중요하다. 어떤 파장이 가장 좋은지는 용도에 따라 다르다. 수분 함량을 기준으로 식품을 분류하는 경우 사용되는 파장은 1450nm로, 물에 매우 강하게 흡수된다(그림 2 참조). 다른 식품 검사 애플리케이션에는 이와 다른 파장이 필요할 수 있다. SWIR은 육류의 지방 함량이나 사과의 타박상과 같은 식품의 다양한 측면을 식별하는 데 사용할 수 있으며, 식품 주변 영역과 다르게 빛을 반사하거나 흡수한다. 생선이 얼마나 신선한지도 측정할 수 있고 불순물을 찾을 수 있다. 예를 들어 분유를 오염시키는 것으로 밝혀진 산업용 화학 물질인 멜라민은 SWIR 조명에서 두드러진다.

오늘날 일반적인 SWIR 카메라는 900~1700nm의 빛에 민감한 인듐-갈륨-비소로 제작된 검출기를 사용한다. 그러나 일부 응용 분야에는 2000 또는 2500nm의 파장이 필요하다. 예를 들어, 광산업은 검출기에서는 수정된 재료가 필요한 파장으로 전환된다.

실리콘 웨이퍼 검사에는 특정 파장이 사용되지 않는다. 실리콘은 1200nm 이상의 파장에서 투명하므로 그 이상의 모든 것이 작동한다. 물론 작은 결함을 찾으려면 고해상도와 큰 배율이 필요하며, 파장이 짧을수록 해상도가 높고 감지할 수 있는 결함이 작아진다.

해상도

사용자가 카메라에서 메가 픽셀 이미지, 즉 백만 픽셀의 이미지를 만들고 싶다면 각각 1,024 픽셀이 있는 1,000개 라인을 스캔하여 달성할 수 있다. 따라서 1kHz(초당 1,000 라인)의 비교적 낮은 라인 속도로 스캔하는 시스템은 1초에 메가 픽셀을 캡처할 수 있다. 라인 사이에 상당한 겹침이나 간격없이 이를 달성하려면 컨베이어 벨트의 속도가 라인 속도 및 카메라의 시야와 일치해야 한다.

시스템의 해상도도 응용 프로그램과 일치해야 하며 시스템 설계자는 스캐너의 시야와 찾고자 하는 입자 또는 결함의 크기를 고려해야 이를 파악할 수 있다. 일반적으로 과일과 채소에서 이물질을 찾는 사람들은 필요한 해상도를 쉽게 얻을 수 있다. 설정에 따라 시야각은 최대 1 미터가 될 수 있다. 따라서 512 픽셀 카메라이면 충분할 수 있다.

실리콘 웨이퍼 검사의 경우 결함이 적으므로 해상도가 더 높아야 한다(그림 3 참조). 이러한 시스템에는 2,048 픽셀 카메라가 필요할 수 있다. 웨이퍼에서 작은 결함을 찾기 위한 새로운 기술 중 하나는 투과와 반사의 조합인 ‘반사 변형’이라는 접근 방식이다. 웨이퍼 내부에서 짧은 거리 동안 투과된 빛은 반사되고, 도중에 있는 모든 균열은 그림자를 드리운다. 이 그림자는 균열 자체보다 크기 때문에 발견하기 쉽다.

노이즈

이러한 시스템에서는 소음도 중요하다. 주요 원인은 감지기의 읽기 노이즈이다. 라인 속도가 증가하면 노출 시간이 증가하고 이에 따라 검출기에 도달하는 광자의 수가 감소한다. 예를 들어, 초당 1,000 라인의 속도에서 노출 시간은 최대 1ms가 될 수 있다.

라인 속도를 높이면 노출 시간이 훨씬 더 짧아진다. 물론 초당 더 많은 광자가 탐지기에 도달하도록 시스템의 빛 강도를 높일 수 있지만 이는 쉬운 것은 아니다. 왜냐하면 시스템 비용을 높이고 열 문제를 일으킬 수 있기 때문이다. 이러한 이유로 소음 수준이 낮은 감지기가 바람직하다.

카메라를 초월하여

검사 시스템에는 SWIR 라인 스캔 카메라와 함께 작동하는 여러 구성 요소가 있다. 핵심 구성 요소 중 하나는 LED, 레이저 또는 할로겐 램프로 구성될 수 있는 광원이다. 물론 애플리케이션에 적합한 파장을 제공해야 하지만 다른 고려 사항도 있다.

예를 들어 전체 픽셀 라인을 따라 균일한 조명을 얻으려면 카메라를 LED 라인과 일치시키는 것이 가장 좋다. 그리고 설정은 여러 가지 방법으로 배열될 수 있다. 식품 분류의 경우 소스를 찾는 가장 좋은 장소는 카메라 옆에 있는 반도체 검사의 경우 소스를 웨이퍼의 한쪽에 놓고 카메라를 다른 쪽에 두는 것이 합리적 일 수 있다. 사용자는 실리콘 웨이퍼를 비스듬히 보면서 작은 결함을 더 잘 알아낼 수 있다.

또 다른 고려 사항은 카메라를 광원과 동기화하는 것이다. 개체가 카메라를 지나 이동하면 카메라가 개별 프레임을 스냅한다. 카메라가 발사되는 순간, 빛이 물체를 비추는 것이 중요한다. 표준 방법은 외부 트리거 커넥터 또는 CameraLink 데이터 및 제어 인터페이스와 같은 것을 사용하여 트리거링 펄스를 카메라와 광원에 동시에 보내는 것이다. 이 기능은 모든 상용 머신 비전 카메라의 표준이다.

일부 애플리케이션에서 사용자는 2개 또는 3개의 파장을 가진 특성을 찾을 수 있다. 예를 들어 서로 다른 파장을 가진 LED와 같이 서로 다른 소스를 서로 다른 시간에 트리거하면 시스템이 일시적으로 파장을 정렬할 수 있다.

진화하는 분야

가시광선을 기반으로 하는 머신 비전 시스템은 수년 동안 널리 사용되어 왔지만 SWIR 라인 스캔 이미징은 널리 퍼지지는 않았다. IR 시스템의 해상도가 낮기 때문이며 가시광선의 경우 가시광식 픽셀 수 16,000개에 비해 최대 픽셀 수가 2,048개이기 때문이다.

그러나 최근 몇 년 동안 SWIR 카메라의 노이즈와 해상도가 개선됨과 동시에 비용이 절감되었다. 이로 인해 식품 분류 및 반도체 검사와 같은 대용량 애플리케이션에 채택되고 있다. 고해상도 카메라를 만들려면 더욱 작은 픽셀을 구축해야 하며 이를 달성하기 위해 극복해야 할 기술적 과제가 있다. 오늘날 카메라 제조업체의 주요 초점은 시스템의 소음을 줄이고 스캔 속도를 높이는 것이다.

올바른 대답

고객을 위해 머신 비전 설정을 구축하는 시스템 통합자는 SWIR 라인 스캔 카메라를 사용하여 이점을 얻을 수 있다. IR 조명은 가시광선이 볼 수 없는 것을 볼 수 있는 기능을 제공한다. 예를 들어 실리콘 웨이퍼의 표면 아래를 들여다보면서 균열을 찾거나 식품에서 식용 불가능한 물질을 뚜렷하게 볼 수 있다.

머신 비전 통합자는 SWIR 라인 스캔 카메라를 시스템에 통합할 때  몇 가지 요소를 고려해야 한다. 애플리케이션에 적합한 파장은 무엇인지, 어떤 광원이 가장 잘 작동하는지, 어떤 수준의 해상도가 필요한지, 스캔 속도가 검사 대상 물체가 움직이는 속도와 일치하는지 그리고 해당 광원과 스캔 속도로 읽을 수 있는 신호를 얻을 수 있을 만큼 노이즈가 낮는지 등이다.

이러한 질문에 올바른 답이 있는 경우, 시스템 통합자는 SWIR 라인 스캔 카메라가 찾고 있었던 기능을 갖춘 머신 비전임을 알 수 있다.

자료 제공: Xnics(www.xenics.com)