이미징 리소스 가이드
EdmundOptics
애플리케이션을 머신 비전, 생명 과학, 보안, 차량 운행 솔루션 등 어떠한 분야에 적용하더라도, 이미징 기술의 기본 원리를 이해하면 개발 및 활용이 상당히 수월해진다. 센서와 조명 기술의 발전으로 시스템 역량에는 한계가 없는 것처럼 보이지만 적용한 설계와 생산에는 물리적 한계가 존재한다. 광학 부품도 이 같은 물리적 한계로부터 예외일 수 없으며 광학 부품이 시스템의 성능을 제한하는 요소로 작용하는 경우도 빈번히 발생한다. 본문은 이미징 시스템 선택 시 성능은 극대화하고 비용은 최소화하는 데 도움이 되는 내용으로 구성됐다.
고품질의 이미지를 얻기 위한 11가지 베스트 예제
정교하면서도 비용 대비 효과적인 이미징 시스템 구축에 최적화된 몇 가지 사례를 소개하고자 한다. 다음의 수칙들은 이미징 시스템을 설계할 때 참고해야 하는 항목이지만, 애플리케이션마다 각각의 특색이 있는 만큼 이외에도 추가로 고려해야 하는 부분은 있다.
1. 이미징 시스템의 공간을 여유 있게 설계하라
시스템을 제작하기 전에 고해상도와 고배율이 필요한 경우라면 어느 정도의 공간이 필요한지 파악하는 작업이 무엇보다 중요하다. 근래 카메라 기술이 급속도로 발전하면서 이례적으로 소비자용 카메라의 소형화가 가능해졌다. 하지만 일부 크기 제한 때문에 중급의 산업용 이미징 시스템에는 이러한 발전이 큰 도움을 주지는 못한다.
대부분의 애플리케이션은 복잡한 조명 구조, 길이와 직경이 큰 렌즈, 그리고 대형카메라를 비롯해 장비 운영에 필요한 배선 및 전원 공급을 요구하는 경우가 많다. 다만 시스템의 공간적 제약을 감안하지 않음으로써 시스템의 성능을 희생해야 하는 우를 범하지 않도록 주의해야 한다.
일반적으로 눈에 보이는 것을 중심으로 광학 부품 주변에 전자 회로와 기계부품을 배치하는 것이 그 반대의 경우보다 훨씬 수월하므로 시스템의 비전 부분을 가장 먼저 지정하는 것이 유리하다. 아울러 조명 체계는 비전 시스템의 일부이며 검사할 피사체에 필요한 광원이 diffuse dome 처럼 대형 광원일 수 있다는 점을 유의해야 한다(4 참조).
2. 자신의 눈을 믿으면 안된다
인간의 뇌와 눈은 상호 작용을 통해 매우 진보된 이미지 처리 및 분석시스템을 구성하면서 실제로 존재하지 않는 정보를 제공할 수 있다. 게다가 인간은 이미징 시스템과 근본적으로 다른 방식으로 사물을 관찰하고 콘트라스트를 처리한다. 따라서 눈으로 봤을 때는 양호해 보이는 이미지가 실제로는 충분한 정보를 제공하지 않을 수 있음으로 이미지의 품질과 성능적 요건을 충족하기 위해서는 소프트웨어를 사용해 시각적 정보를 분석할 필요가 있다.
3. 지나치게 접근하지 말아야 한다
물리적 제약으로 인해 렌즈의 작동 거리(working distance)보다 훨씬 넓은 시야(field of view)를 관찰할 경우 광학 부품 설계 요건이 지나치게 까다로워져 시스템의 성능이 저하될 수 있다. 최소 비용과 구조의 단순화를 통해서 성능을 극대화하려면 원하는 FOV 크기보다 작동거리가 대략 2-4배 긴 렌즈를 선택하는 것이 바람직하다. 위의 1번을 유념해 시스템을 제작하기 전에 이미징 시스템의 공간적 요구 사항을 먼저 검토해야 한다.
이러한 예제는 센서 크기와 초점 거리 간의 관계에도 적용된다. 성능을 극대화해야 하는 경우에는 초점 거리 대 센서 대각선의 비율이 2:4일 때가 가장 적합하다. 베스트 예제 #1과 #3: FOV가 100mm인 경우, 시스템의 작동 거리는 200-400nm(2:1에서 4:1) 사이가 바람직하다. WD 대비 FOV의 비율이 1:1 정도일 때 시스템의 성능적 요건이 충족될 수 있더라도 비용과 성능 간에 상당한 절충이 요구될 수 있다.
그림 1.1a와 1.1b에 나온 두 렌즈 다 같은 센서에 시야가 동일한 이미지를 제공하지만 그림 a의 렌즈는 작동 거리가 FOV의 절반에 불과한 반면, 그림 b의 렌즈는 FOV의 3배에 해당하는 작동 거리를 갖고 있다.
그림 a에서 렌즈를 통과하는 빛은 급격한 각도로 통과하고 FOV 가장자리 쪽의 빛(마젠타/적색)은 FOV의 한가운데로 들어오는 빛(파랑)에 비해 훨씬 긴 이동 거리를 갖게 된다. 이와 대조적으로 그림 b의 렌즈에서는 비교적 작은 각도로FOV를 얻게 되며 경로 차이도 더 작다. 결과적으로 그림 b의 렌즈는 훨씬 덜 복잡한 디자인에 적은 비용으로 더욱 우수한 성능을 제공한다.
4. 용도에 맞는 조명을 사용한다
렌즈와 센서가 서로 효율적으로 작동하기 위해서는 피사체에 적절한 조명을 비추어 선명한 콘트라스트를 재현해야 한다. 적절한 조명 형태를 결정하기에 앞서 검사 중인 피사체의 특징과 결함의 속성을 우선적으로 파악할 필요가 있다. 다만 이러한 조명은 규모가 매우 커질 수 있다. 1번 내용을 고려해야 한다.
5. 컬러 역시 중요하다
조명을 위해 선택되는 파장(컬러)은 시스템에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 고품질의 광학과 최상급의 센서를 사용하는 애플리케이션의 경우 광대역 조명을 단색이나 특정 파장대로 전환하면, 성능을 크게 개선할 수 있다. 위 4번에 나와 있듯이 적절한 파장을 선택해야 콘트라스트 레벨에 차이가 생겨 시스템 성패를 가늠할 수 있다.
6. 고해상도와 넓은 심도(DOF)를 동시에 확보하기는 어렵다
해상도와 심도(DOF)를 극대화하기 위해서는 동일 변수인 f/#가 서로 반대 방향으로 이동해야 한다. 심도가 넓으면 매우 높은 해상도를 갖는 것이 불가능하다. 따라서 높은 해상도를 확보하려면 리퀴드 렌즈나 다중 이미징 시스템과 같은 보다 정교한 솔루션이 필요할 수 있다.
7. 모든 것을 해결할 수 있는 단 하나의 렌즈는 존재하지 않는다
해상도 요건이 증가함에 따라 광범위한 매개변수에 걸쳐 과학 수차(성능에 부정적인 영향을 미치는 광학 설계상 특성)를 감소시키는 수행 능력은 난이도가 점차 올라가고 있다. 예산의 제약은 없더라도 물리적인 한계는 존재한다. 이러한 이유로 유사한 애플리케이션 간에도 매우 다양한 렌즈 솔루션이 요구된다.
8. 검사해야 할 피사체를 철저히 이해해야 한다
검사해야 하는 피사체의 가장 높은 콘트라스트를 생성하는 능력이 이미징의 기초가 된다. 이미징을 성공적으로 수행하려면 소재나 마감 등과 같은 피사체의 속성을 파악해야 한다. 또한 어떠한 특징이 좋고 나쁜지 만을 고려하는 것은 바람직하지 않다. 오히려 높은 수준의 신뢰성과 반복성을 보장하기 위해서는 검사해야 하는 부분의 디테일과 장단점을 우선적으로 검토해야 한다.
9. 컨트롤을 중시해야 한다
이미징 시스템을 배치할 환경에 대한 컨트롤 능력은 일관성 있는 결과와 신뢰도에 큰 영향을 줄 수 있다. 게다가 예기치 않은 문제의 발생 가능성도 줄여준다. 콘트라스트를 높이기 위한 필터, 시스템에 들어오는 원하지 않는 빛을 차단하는 차폐 장치 또는 광원의 스펙트럼 안정성을 모니터링하는 계측 장비의 사용 여부에 관계없이 주변 환경을 통제하면 추후에 발생할 수 있는 예기치 않은 문제를 줄일 수 있다. 이러한 기술 중 일부는 아주 적은 비용으로도 값비싼 이미징 시스템을 보호하고 성능을 높일 수 있다.
10. 주저하지 말고 질문하라
시스템의 원활한 작동 여부에 대한 질문을 두려워하지 말아야 한다. 공급자는 시스템의 다양한 부품이 원하는 결과를 가져올 수 있는지 여부를 설명할 수 있어야 한다. 다만 항상 같은 답변을 얻을 수는 있는 것은 아니다. 그럼에도 광학 설계자와 제작자는 생산하는 제품에 대한 역량을 충분히 설명할 수 있어야 한다.
11. 이미징 시스템의 기본 변수를 규정하고 이를 파악하고 있어야 한다
이미징 시스템에 필요한 변수들을 줄임으로써 사용 가능한 렌즈와 센서를 다루기 쉬운 몇 가지 부품들로 줄일 수 있다. 이미징 시스템의 기본 변수들을 아는 것은 작업의 시작에서 아주 좋은 출발점이다.
자료 제공: Edmund Optics(www.edmundoptics.com)
