조명 유형과 각도가 머신 비전 솔루션에 미치는 영향

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1. 조명 각도의 영향

카메라는 빛으로 센서에 보이는 것만을 볼 수 있다. 따라서 가장 중요한 것은 적절한 조명과 테스트 대상의 최적의 각도를 선택하는 것이다. 실제로 동일한 테스트 대상의 모습은 카메라와 조명의 상대적 배열에 의해 크게 변경될 수 있다.

조명 유형과 배치를 선택할 때, 다음과 같은 근본적인 차이가 있다.

•- 반사광 조명(reflected-light lighting)- 카메라 방향으로부터 조명되며 대상면 위에 위치

•- 백라이트 조명(backlight lighting)- 테스트 대상 뒤에 위치

반사광을 위한 조명 배열을 선택할 때, 기본 규칙은 반사 법칙이다. 그리고 적절한 조명과 배치를 선택할 때 이 간단한 법칙을 ‘인지’해야 한다. 본문에서는 조명 유형 및 각도에 대한 모든 정보와 머신 비전 솔루션에 미치는 영향에 대해 설명한다.

1.1 반사광 – 명시야 조명

명시야 조명(Bright field lighting)은 반사광 조명의 한 유형이다. 대상 물체의 평면을 하나의 완벽하게 평평한 반사기로 상상해 볼 수 있다. 조명을 카메라로 직접 반사되도록 배치한 경우 이를 명시야 배열이라고 한다. 따라서, 이 유형의 조명은 특히 다음의 애플리케이션에 적합하다.

•- 가공 표면 검사

•- 엠보싱, 스팟 또는 레이저 절단 문자 및 코드의 이미징

명시야 설정을 달성하는 한 가지 방법은 동축 반사 조명(coaxial reflected lighting)을 사용하는 것이다. 이러한 유형의 조명의 경우, 확산 균질 광원이 렌즈의 빔 경로에서 반투명 반사판 위에 직접 장착된다.

이는 대상 물체에 매우 균일하고 그림자가 없는 조명을 제공한다. 광선은 평평한 표면에 수직으로 닿아 카메라로 직접 반사된다. 그러나 표면 불규칙성은 빛을 편향 시키므로 어둡게 나타난다. 강한 반사 및 거울 같은 표면을 비추려면 이런 조명 유형을 권장한다. 그러나 반사기를 통과할 때마다 광 출력의 50%가 손실된다. 따라서 투과된 빛의 25%만이 카메라에 도달한다. 그럼에도 불구하고 조명이 밝고 명암비가 높은 이미지를 얻기 위해 동축 반사 조명은 테스트 대상과 가까운 거리에서 사용된다.

빛의 입사각 α = 빛의 반사각 β

조명이 물체 평면에 대해 특정 각도로 배치된 경우, 카메라는 동일한 각도로 직각과 반대 방향으로 기울여야한다. 이러한 방식으로 광선이 평평한 표면에 수직으로 닿아 카메라로 직접 반사된다. 동축 반사 조명과 마찬가지로 광선은 불규칙성으로 인해 편향되므로 밝은 배경에서 어두운 영역으로 표시된다.

1.2 반사광– 부분 명시야

부분 명시야 배열은 가장 일반적으로 사용되는 조명 설정이다. 명시야 배열과는 달리, 이 조명 설정에서는 입사각과 반사각이 덜 중요하다. 카메라에 장착된 링 라이트는 광선을 생성하는 데 사용되거나 스팟/영역 조명은 약간의 각도로 테스트 물체에 빛을 전달하는 데 사용된다. 이 유형의 조명 목표는 전체 이미지 필드에 균일하고 강렬한 빛을 제공하는 것이다. 따라서 부분 명시야 설정은 거칠고 무광물체에 대한 균일한 조명에 특히 적합하다.

• 부분 명시야 배열을 위한 일반적인 애플리케이션

- 조립, 유형 및 위치 감지

- 인쇄물 검사

- OCR/OCV

디퓨저 플레이트, 편광 필터 및 프레넬(Fresnel) 렌즈를 포함한 다양한 조명 액세서리 덕분에 조명 설정을 조정하여 다양한 응용 및 주변 조건에 맞출 수 있다. 넓은 작업 거리와 강한 흡수성이 있는 물체의 경우 고전력 LED 조명이 특히 적합하다. 통합된 컨트롤러 및 전자 장치와 결합된 초 고휘도 LED는 플래시 작동 시 백만 럭스(lux) 이상의 광도를 보장하며 수 미터의 작업 거리에서도 대상 물체에 탁월한 조명을 제공한다.

LUMIMAX® 고전력 LED 조명은 앞의 렌즈를 교체할 수 있으므로 다양하게 조정할 수 있다. 예를 들어 빔 각도가 좁은 조명을 사용하면 몇 미터 떨어진 물체를 높은 광도로 조명할 수 있다. 반면에 넓은 빔 각도는 더욱 짧은 거리에서도 균일한 조명을 생성하는 동시에 더욱 큰 물체를 위한 고강도 조명을 제공한다.

1.3 돔 조명

그림자가 없는 조명은 특수한 형태의 반사광 조명으로, 모든 방향에서 확산된 빛이 테스트 대상에 떨어진다. 그림자가 전혀 없는 조명을 만드는 데 사용할 수 있다. 이 효과를 얻기 위해 광원의 빛이 물체에 직접 닿지 않다. 광선은 돔 모양의 반사기로 향하며, 모든 방향에서 테스트 대상에 반사된다. 둥근 모양의 반사경은 이러한 유형의 조명에 돔 조명을 제공한다.

이 조명은 흐린 날의 조명과 비교할 수 있다. 밝지만 흐린 날에는 때때로 빛이 모든 방향에서 한 번에 들어오는 것처럼 보일 수 있다. 태양의 위치는 명확하지 않다. 여기에서 구름은 디퓨저와 반사기 역할을 하며 균일한 전 방향 조명을 생성한다. 외부에 그림자가 생기지 않는다.

돔 조명은 특히 다음에 적합하다.

- 볼록한 물체의 표면 마무리 검사

- 확산 및 강하게 반사되는 거울 같은 표면 검사

- 조립, 유형 및 위치 감지

- 인쇄물 검사

- 코드 스캐닝

- OCR / OCV

그림자 없는 조명은 복잡한 구조를 가진 광택 표면의 고품질 이미징에 특히 적합하다. 그 예로 인쇄 품질 검사를 가능하게 하기 위해 굴곡 및 불균일한 고 반사 패키징에서 균일한 조명을 만드는 것이다. 이 유형의 조명을 사용할 때의 한계는 작동거리이다. 그림자 없는 조명을 보장하려면 거리를 가능한 짧게 유지해야한다. 볼록하고 지구 모양의 물체는 조명 설정으로 완전히 둘러싸야 할 수도 있다.

1.4 암시야 조명

명시야 조명과 대조적으로 암시야 조명은 시험 물체의 표면에 의해 반사된 광이 카메라로부터 멀어 지도록 배열된다. 따라서 이미지의 개체가 어둡게 나타난다. 그러나 광선이 불규칙하게 떨어지면 가장자리가 광선을 편향시킨다. 따라서 결함, 윤곽 또는 가장자리가 어두운 배경에서 밝은 특징으로 나타난다.

따라서 암시야 조명은 특히 다음에 적합하다.

- 반사가 심한 물체의 표면 조도 검사

- 도트 또는 레이저 절단 코드 검사

- 조각, 엠보싱, 스탬핑된 숫자 및 돌출 구조 검사

- 모서리 검사

암시야 배열을 달성하기 위해 특수 링 조명 시스템을 사용할 수 있다. 이들은 편평한 각도에서 빛을 생성하는 방사형 광원을 사용한다. 또 다른 변형은 낮은 입사각으로 배열된 스팟 또는 바 조명 시스템으로 암시야를 만드는 것이다. 사용되는 변형은 테스트 개체 자체 뿐만 아니라 로컬 설치 조건에 따라 다르다. 입사각이 낮은 광원은 암시야 조명이 매우 짧은 작동 거리를 사용한다는 것을 의미한다. 이러한 경우 일반적으로 조명에 막대 조명 조합이 사용된다.

LSB 시리즈의 LUMIMAX® 소형 바조명은 이 사례에 완벽한 선택이다. 암시야 요구 사항과 신중하게 일치하는 LED 앞에 장착된 특수 렌즈 덕분에 균일한 직사광선을 얻을 수 있다. 또 다른 특별한 기능은 혁신적인 마운팅 솔루션으로, 사각형 형태로 배열된 1~4개의 막대 조명을 통합할 수 있다. 물체면에 대한 바조명의 입사각은 7.5° 단위로 0°와 90° 사이에서 변경될 수 있다. 조명은 각 위치에 고정되어 정확하고 다양한 요구사항에 유연하게 조정될 수 있다.

1.4 암시야 조명

특수한 경우 조명은 오브젝트 뒤에 어두운 필드로 배치된다. 이 방법은 반투명 또는 투명 테스트 개체의 결함을 강조하는 데 사용된다. 암시야 조명의 반사광 버전과 마찬가지로, 여기의 빛도 카메라에서 반사된다. 그러나 빛이 긁히거나 가장자리에 떨어지면 빔이 카메라로 편향된다. 그러나 실제로 백라이트 암시야 조명은 자주 사용되지 않는 배열이다.

 
1.5 확산 백라이트

이러한 형태의 조명을 사용하면 확산 광원이 물체 뒤에 배치된다. 반사광 조명과 달리, 이는 객체 자체 대신 물체의 윤곽이 밝아짐을 의미한다. 그림자 이미지’가 그 결과이다. 생성된 그림자 이미지에서 객체의 윤곽선을 쉽게 볼 수 있다. 개체는 흰색 배경 앞에 검은 색 영역으로 나타난다. 달성된 높은 수준의 대비는 후속 이미지 분석을 크게 단순화한다.

확산 백라이트 조명은 주로 다음 애플리케이션에서 사용된다.

- 윤곽 검사

- 유무 검사

- 가공 구멍 검사

- 오리엔테이션/로터리 오리엔테이션 검사

- 잔류 오염 분석

또한 확산 백라이트 조명은 투명하고 반투명한 물체의 이미징에도 유용하다. 예를 들어 병의 채우기 수준을 확인하는 데에 사용할 수 있다. 장파광의 이 접근 방식은 물과 같은 투명한 액체에서도 작동한다. 또한 유리 또는 플라스틱의 결함, 고 대비 이미징이 필요한 분야에 적합하다.

유리의 스크래치와 엠보싱 또는 그라인딩과 같은 기능은 백라이트를 사용하여 이미지화 할 수 있다. 편광 필터의 도움으로 응력 파괴를 위한 유리 테스트도 포함된다. 확산 백라이트 애플리케이션은 광원은 확산되고 균일한 형태의 영역에서 사용된다. 라이트 필드의 크기는 대부분의 애플리케이션에서 물체 크기로 조정되어야 하므로 면적 조명 시스템이 사용된다. LED를 광섬유에 결합하는 것과 같은 새로운 기술을 사용하면 길이가 1m 이상 균일한 고휘도 조명 시스템을 만들 수 있다. 이 기술은 LG 시리즈의 LUMIMAX® 조명에 사용된다.

1.6 시준된 텔레센트릭 백라이트

1.5 장에서 소개된 확산 백라이트 조명은 Lambertian 산란계의 원리를 활용하여 공간적으로 확장된 조명 필드에서 일정한 빛을 생성한다. 광은 바람직한 전파 방향을 갖지 않고 모든 방향으로 균일하게 산란된다. 이는 작업 중에 문제가 될 수 있다.

공간적으로 매우 확장된 오브젝트 및 둥근 외부 모서리의 경우 비 지향성 조명은 부분 그림자를 생성한다. 이미지에서 흰색에서 검은 색으로 전환하는 대신 여러 픽셀에 걸쳐 회색 그라데이션이 나타난다. 따라서 정확한 가장자리 위치를 결정하기가 어려워진다.

이 문제를 해결하기 위해 균일한 백라이트 조명으로 작업할 수 있다. 이러한 유형의 조명에서는 특수 광학 필름을 사용하여 빛이 거의 평행에 가깝게 빔 각도가 줄어든다. 백라이팅으로 달성되는 효과는 텔레센트릭 조명으로 얻은 효과와 유사하다. 조명으로부터의 광선은 훨씬 지향적이고 물체 가장자리의 보다 정확한 이미지를 달성한다.

결과적으로 에지 프로빙은 확산 백라이트 보다 더욱 정확하다. 특히 볼록한 모서리가 있는 깊은 물체의 경우 정확한 모서리 위치 결정을 최적화하고 머신 비전 시스템의 정확도를 향상시킬 수 있다. 평행 백라이트 조명은 투명하고 반투명한 테스트 물체로 작업할 때도 장점이 있다. 지향성 광선은 가장자리와 요철에 의해 직접적으로 굴절된다. 그러므로 이들은 밝은 배경에서 뚜렷한 어둠의 영역으로 나타난다. 이것은 유리 또는 플라스틱의 흠집, 흠, 엠보싱 및 조각의 감지를 단순화한다.

텔레센트릭 백라이트 조명을 사용하면 이 효과를 향상시킬 수 있다. 텔레센트릭 조명의 광선은 서로 평행하게 움직이다. 이 조명은 발산 광원의 앞에 광학 시스템을 사용함으로써 달성된다. 텔레센트릭 렌즈를 사용하면 이미지 센서의 평면에 직각을 이루는 평행 광이 정확히 기록되어 카메라로 전달된다. 결과는 밝은 이미지이다. 조명과 렌즈 사이에 물체가 있는 경우 이 물체는 이미지에 완벽하게 어두운 물체로 나타난다.

가장자리 전환이 선명하고 밝은 픽셀에서 어두운 픽셀로 몇 픽셀만 확장된다. 따라서 에지 프로빙(edge probing)이 간단하고 매우 정확하다.

직접 균일한 백라이트 조명과 마찬가지로 텔레센트릭 조명을 사용하여 투명한 물체의 윤곽을 선명한 이미지로 캡처할 수 있다. 여기서 평행 광선은 몸체의 수직면만 교차한다. 다른 영역은 어둡지만 이미지에서는 밝게 나타난다. 따라서 이미지에서 개체의 윤곽이 어둡다. 투명한 물체의 흠집과 같은 불규칙성에서도 유사한 결과를 얻을 수 있다. 텔레센트릭 조명을 사용하면 렌즈의 피사계 심도와 텔레센트릭 영역이 크게 향상된다.

자료 제공: Lumimax