머신비전 시스템을 위한 최적의 LED 조명 제어 ②
1.3.8 조명 색상의 반사 및 흡수를 이용한 응용 이미지
여러 가지 색상을 가지는 피사체의 경우 조명 색상(파장)에 따라 반사와 흡수의 차이로 흑백 카메라에 취득된 이미지이다.
그림 1.11의 (a)는 백색 조명을 사용한 이미지로 색상에 따른 명암차가 나타나는 것을 볼 수 있다. (b)는 청색조명을 사용한 이미지로 청색 부분이 반사됨에 따라 원본 이미지의 부분이 백색으로 보인다. (c)는 적색조명을 사용한 이미지로 원본이미지에서 적색부분이 적색 조명에 의해 반사됨에 따라 백색으로 보인다. 그리고 그림 1.11의 (d)는 녹색조명을 사용한 이미지로 원본 이미지의 녹색 부분이 반사됨에 따라 백색으로 보인다. 이를 통해 조명의 파장에 따라 피사체에서 흡수되는 색이 획득한 이미지에서 명암차가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
조명 파장의 차이를 이용한 대표적인 응용사례로 그림 1.12와 같은 바코드 검사가 있다. 그림 1.12의 (a)는 백색조명을 이용하여 촬영한 이미지이고 (b)는 IR 조명과 IR 카메라를 이용하여 취득한 이미지이다.
1.3.9 금속표면의 분광 반사율 차이를 이용한 응용 이미지
금속의 종류에 따라서 표면으로 입사되는 빛의 각 파장에 따라서 분광 반사율이 다르게 나타난다. 구리(Copper)와 금(Gold)은 300nm의 파장에 대하여 약 30% 분광 반사율을 가지고 있으며, 650nm의 파장까지 분광 반사율이 약 90%정도로 선형성을 가지며 증가한다.
은(Silver)은 300nm에서 약 20%의 분광 반사율의 특성을 가지고 있으며, 약 350nm에서부터 1000nm까지의 파장에서는 분광 반사율이 약 95%정도로 급격히 증가한다. 알루미늄(Aluminum)은 300nm부터 1000nm까지 약 90%의 분광 반사율로 평탄한 특성을 가진다. 이를 도식화하면 그림 1.13과 같다.
그림 1.14는 구리와 금도금 제품을 적색, 청색 조명을 조사하여 취득한 이미지를 나타낸다. 그림 1.13에서 보는바와 같이 빨간색 그래프의 구리와 노란색 그래프의 금이 적색 파장 영역에서는 금속 분광반사율이 동일한 영역에 있고 청색 파장에서는 다른 영역에 있다. 이로 인하여 그림 1.14(a)는 적색 조명을 이용한 것으로 흑백 카메라의 이미지에서 구리와 금의 명암 대비 차이가 없이 나타나며, 그림 1.14(b)는 청색 조명을 이용한 것으로 구리와 금의 명암 대비 차이를 확실하게 구분 할 수 있다.
그림 1.15는 구리와 알루미늄을 적색과 청색조명을 이용하여 취득한 이미지를 나타낸다. 그림 1.13에서 구리와 알루미늄은 적색 파장 영역에서는 금속 분광 반사율 차이가 거의 없기 때문에 그림 1.15(a)는 흑백 카메라 상에 명함 대비 차이가 없다. 하지만 청색 파장에서는 금속 분광 반사율의 차이가 있어 그림 1.15(b)에서 보이는 것처럼 두 금속의 명암 대비가 확연이 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다.
파장에 따른 금6속 반사율의 명함 대비 차이를 적용하여 머신비전 검사 측정 할 때 유용하게 활용된다. 대표적인 응용분야로는 아래 그림 1.16과 같이 반도체 리드 검사가 있다.
1.3.10 조명 파장에 따른 응용 이미지- IR과 UV
그림 1.17은 PCB의 패턴 검사로 적용한 사례인데 660nm 파장의 색LED를 후면조명으로 사용했을 때 보다 IR 880nm의 LED를 후면조명으로 사용하였을 때 좀 더 나은 조건에서 패턴을 검사할 수 있었다. 이처럼 파장이 높을수록(장파, 적외선) 투과율이 높아 투과가 필요한 검사에 적용하면 보다 나은 조건에서 이미지를 취득할 수 있다.
그림 1.18(b)의 이미지는 IR 영역을 취득 할 수 있는 카메라로 취득한 이미지이다. 스크래치 검사를 위해서는 배터리 표면에 인쇄된 문자가 장애요인이 되기 때문에 그림 1.18(c)와 같이 IR 전용 카메라에 IR 조명을 사용하여 배터리 표면에 인쇄된 문자를 제거하는 효과를 주고 스크래치 검사가 가능토록 하였다.
UV 반응 시료로 마킹한 경우 일반 조명으로는 시료의 마킹내용이 보이지 않지만 그림 1.19 (a)와 같이 UV 조명을 비추면 제조일 표기가 보여 검사가 가능하다. 또한 그림 1.19(b)의 팬티형 귀저기의 경우 나일론 벤딩 부분이 UV 파장에 반응하여 나타남을 볼 수 있다. 이런 검사는 특수한 경우로 용재별 물성표에 UV 파장에 따른 반응성을 참조하면 좋은 결과의 이미지를 취득할 수 있다.
1.3.11 조명 형태에 따른 응용 이미지
조명 형태에 따른 적용 기술로 빛을 조사하는 방법에 따라 취득되어지는 이미지가 각각 다르다. 그림 1.20은 조명 형태에 따른 이미지의 차이로 베어링 테두리부분의 스크래치 검사를 위한 이미지이다. 그림 1.20(a)는 coaxial vertical 조명을 사용 취득한 이미지로 표면이 완만하게 보여 스크래치 검사가 어렵다.
그림 1.20(b)의 경우는 direct low-angle ring 조명을 이용 취득한 이미지로 테두리 부분의 스크래치가 선명해 보여 검사가 용이하다. 그림 1.20(c) indirect ring 조명을 이용한 경우로 피사체의 이미지가 밝게 올라와 스크래치 부분이 검사가 어렵다. 따라서 베어링 테두리부분의 스크래치 불량 검사를 위한 조명 형태는 그림 1.20(b)의 direct low-angle ring 조명이 적합하다.
1.3.12 조명 조사위치에 따른 응용 이미지
그림 1.21(a)는 피사체에 직접광으로 조사하는 방법이고, 그림 1.21(b)는 측면에서 피사체에 산란광으로 조명을 조사하는 방법을 제시하였다. 피사체에 따라 다르지만 동일한 조명으로 조사위치에 따라서 취득된 이미지가 어떻게 다른지 그림 1.21의 (a)와 (b)의 피사체를 백열전구로 대체해 보았다.
그림 1.20(a)에서 그림 1.22(a)와 같이 백열전구 이미지가 취득되었으나 전구 표면에 조명의 난반사가 생겨 표면의 패턴 검출이 어려워 보인다. 그림 1.20(b)에서는 그림 1.22(b)와 같이 표면에 인쇄된 문구가 선명하게 보여 패턴 검출이 용이함을 볼 수 있다.
1.3.13 LWD(light working distance)에 따른 응용 이미지
그림 1.23은 LWD에 따른 이미지를 살펴봄으로써 머신 비전 설치 환경 요인에서 LWD의 중요성 인식하고 비전 시스템을 구성할 때 LWD에 맞추어 설치해야 안정된 이미지를 취득할 수 있다는 것을 보여준다.
1.3.14 편광 필터를 이용한 응용 이미지
반사체의 경우 직접광을 조사하면 LED 점광원이 비추어지는 현상이 발생한다. 그림 1.24는 반사가 이뤄지는 피사체에 조명을 비추어 취득된 이미지를 나타낸다. 조명 방법을 암시야로 바뀌어 해결 할 수 있지만, 공간 및 설치 제약이 있는 경우 그림 1.24와 같이 편광 필터를 카메라 렌즈 앞단에 장착하여 비추는 LED 점광원을 감소시키거나 제거함으로써 안정된 이미지를 취득할 수 있다.
(주)엘브이에스
본지는 (주)엘브이에스 김태화 CEO의 박사학위 논문 ‘머신비전 시스템을 위한 최적의 LED 조명 제어에 관한 연구’를 지난호에 이어 시리즈로 연재한다.
출처 : 김태화(2022), 「논문 머신비전 시스템을 위한 최적의 LED 조명 제어에 관한 연구」 13~24p
