라인 스캔 비전 시스템의 조명 최적화 방법

PROPHOTONIX

고품질의 조명은 성공적인 비전 시스템을 위한 핵심이다. 조명의 최적화는 검사 품질, 속도 및 신뢰성을 최대화하는 데에 매우 중요하다. 하지만 고속, 고해상도 라인 스캔 애플리케이션에서 조명을 최적화하는 것은 상당한 어려운 일이다.

본문은 라인 스캔 조명을 위한 기술을 알아보고, 예제를 통해 라인 스캔 비전 시스템의 최대 성능을 달성하는 방법을 제시한다.

라인 스캔 애플리케이션이란

라인 스캔 애플리케이션은 1차원(1D) 라인 스캔 카메라를 활용하는 머신 비전 애플리케이션으로 정의된다. 기본적으로 라인 스캔 카메라는 2차원(2D) 매트릭스와 달리 리니어 센서 어레이가 있다는 점에서 영역 스캔 카메라와 다르다. 2D 이미지는 시스템의 1D 카메라에 의해 획득되며 대상이 움직일 때 라인별로 구축된다. 일부 애플리케이션에서는 레일 검사에서 2D 이미지를 생성하는 것은 카메라의 움직임에서 좌우되지만 제조 산업에서는 이러한 유형의 시스템이 거의 없다.

가장 일반적인 유형의 라인 스캔 애플리케이션은 종이, 호일, 필름 및 큰 개별 부품의 고해상도 이미징과 같은 재료의 웹 제조에 있다. 이 웹은 매우 빠른 속도로 연중무휴로 작동한다. 안정적이고 유지 관리가 적은 조명은 출력 품질을 유지하고 가동 중지 시간을 방지하는 데 중요한 역할을 한다. 라인 스캔 카메라는 영역 스캔 카메라보다 훨씬 높은 해상도의 이미지를 제공할 수 있다. 이러한 이유로 라인 스캔은 움직이는 제품에서 고해상도 결함을 식별해야 할 때 선택된다.

이러한 유형의 애플리케이션의 예로는 실리콘 웨이퍼에 미세 균열 및 폐색이 있는지 검사하는 태양광 산업이 있다. 고해상도는 1D 센서 전체의 픽셀 밀도(웹 간 해상도)와 카메라가 실행되는 라인 속도(웹 아래 해상도)에 의해 달성된다. 라인 속도는 고주파수 경향이 있기 때문에 노출 시간이 짧다. 이는 라인 스캔 시스템이 영역 스캔 시스템보다 더 많은 빛을 필요로 한다는 것을 의미한다.

라인 스캔 기술은 원통형 물체의 이미징에도 사용할 수 있다. 여기에서 카메라가 이미지 라인을 획득함에 따라 타겟은 회전하고 있다. 2D 이미지는 비전 시스템에서 검사된다. 이러한 유형의 시스템은 식음료 및 제약 산업에서 최종 라벨 검사와 같은 중요한 애플리케이션을 위해 사용된다. 라인 스캔 비전 시스템은 제한된 공간에서도 사용된다. 특정 애플리케이션, 특히 기존 웹 생산 라인에 비전 시스템을 개조하는 경우는 공간 제약으로 인해 조명 장치의 폼팩터가 중요하다.

조명 기술의 개요

지난 10년 동안 라인 스캔 조명에 사용되는 기술에 극적인 변화가 있었다. EMVA(European Machine Vision Association)의 최근 연구에서 머신 비전 조명은 “거의 대부분 LED 조명에 의해 실현되고 있다”고 언급했다. 이는 이제 광섬유 조명이 틈새 시장임을 시사한다. LED 조명은 이제 머신 비전 시장을 지배하고 있다.

형광 기술

형광등 기술은 저비용 기술이다. 경제적 이점보다는 성능 단점이 크다. 형광등은 상대적으로 낮은 출력 강도로 인해 고속 애플리케이션에 적합하지 않다. 형광등의 색온도는 수명에 따라 변하므로 조명이 일관되지 않다. 그 결과 머신 비전 시스템은 정기적인 보정과 유지보수, 교체를 필요로 한다.

FDH(Fiber-Delivered Halogen)

FDH는 한때 머신 비전 시스템의 조명이었다. FDH 시스템의 주요 단점은 번거롭고 매우 뜨겁다는 것이다. FDH 시스템은 유리 섬유 헤드에서 분리된 대형 광원을 필요로 한다. FDH 시스템은 세게 구동하면 수명이 단축된다.(< 3,000시간) 또한 FDH 강도 변화는 비전 시스템에서 어려운 기술이다.

발광 다이오드(LED)

LED 조명은 이제 대부분의 라인 스캔 애플리케이션에서 선택된 기술이다. 적절하게 설계된 LED 라인 조명은 높은 강도, 긴 수명, 일관되고 안정적인 광출력을 제공한다. LED 수명 동안 강도는 일정하게 유지되고 스펙트럼 출력은 매우 안정적이다. 이는 비전 시스템이 작동하는 동안 일관되게 작동함을 의미한다.

비전 시스템용 LED 라인 조명을 선택할 때 출력, 예상 수명 및 성능에 상당한 차이가 있을 수 있다는 점에 유의해야한다. 조명 성능은 조명기가 얼마나 잘 설계되고 제조되었는지에 달려 있다. ProPhotonix 제품은 Chip-on-Board 기술을 사용하여 설계되었다(LED 어레이를 생성하기 위해 기판과 직접 접촉하는 베어 LED 칩의 장착). 이는 LED 칩이 열 효율이 높은 기판과 직접 접촉하여 열을 최대로 발산하여 제품의 수명을 최대화한다는 것을 의미한다.

또한, LED 칩의 크기가 작기 때문에 Chip-on-Board 기술은 표면 실장 기술보다 훨씬 높은 패킹 밀도를 가능하게 한다. 이는 더욱 높은 강도와 균일성을 제공한다. Pro Photonix는 COBRA Slim 솔루션의 전체 범위에 Chip-on-Board 기술을 사용한다.

라인 스캔 애플리케이션을 위한 조명 기술

라인 스캔 조명에는 몇 가지 기술이 사용된다. 이에 대한 설명은 아래와 같다.

1. 전면 조명(Front lighting)

전면 조명이라는 용어는 카메라와 광원이 대상의 같은 쪽에 있는 애플리케이션을 나타낸다.   가장 중요한 조명 요구 사항은 광밀도(optical intensity)이다. 조명의 강도는 비전 시스템의 속도를 결정할 수 있으며 주어진 라인 속도에서 최적의 해상도를 얻을 수 있도록 적절해야 한다. 최적이 아닌 강도의 조명은 필요한 해상도를 달성하기 위해 시스템 속도를 느리게 하여 용량 활용도를 감소시킨다.

a. 명시야 조명(Bright-Field illumination)

전면 조명 애플리케이션 내에서 명시야 조명은 대상의 빛이 카메라에 균일하게 반사되는 애플리케이션에 적합하다. 이때 결함은 이미지의 더 어두운 부분으로 나타난다. 명시야 조명은 대상이 빛을 확산 방식으로 반사해, 즉 대상이 광택이 없는 표면에서 자주 사용된다. 명시야 적용의 전형적인 예는 직물 검사이다. 이 시스템은 약간 다른 색상의 실 사이의 직물, 실 구성을 검사하거나 스티칭(stitching)을 검사하는 데 사용된다. 이러한 애플리케이션에서는 이미지의 대비를 최대화하는 것이 중요하다. 색상과 균일성은 좋은 품질의 이미지를 제공하는 데 중요한 역할을 한다.

b. 암시야 조명

암시야 조명은 대부분의 빛이 카메라에서 반사되는 애플리케이션을 나타낸다. 이것은 유리나 필름과 같은 반사율이 높은 재료에 사용된다. 암시야 시스템은 매우 미세한 결함이나 특징에 대한 대상의 표면 품질을 검사하는 데 자주 사용된다. 이러한 시스템은 정렬 정밀도와 각도 균일성 등 조명이 매우 까다롭다. 결함 크기와 카메라 픽셀 크기가 작아질수록 더욱 그렇다. 암시야 조명에서 빛의 폼팩터는 얇은 프로파일로 인해 웹에 대해 낮은 각도로 빛을 배치할 수 있으므로 매우 중요하다. 이러한 유형의 조명은 표면 결함을 찾을 때 유리 검사에 적용된다. 유리 표면에 스크래치가 있으면 빛이 산란된다.

c. 동축 조명(Co-Axial illumination)

웹의 전체 너비를 조명하려면 빔 스플리터가 필요하기 때문에 동축 조명은 라인 스캔 애플리케이션에서 일반적으로 사용되지 않는다. 그러나 일부 PCB 검사에서는 사용된다. 밀집된 PCB에는 다양한 높이의 표면이 있다. 조명이 카메라의 축을 벗어나면 높은 구성 요소가 낮은 구성 요소에 그림자를 생기게 한다. 동축 조명은 카메라가 보는 모든 표면이 균일한 빛으로 조명되도록 하고 이미지의 과도한 밝은 점과 그림자를 방지한다. 조명 장치를 카메라에 매우 가까이 배치할 수 있기 때문에 좁은 폼팩터가 유리하다.

2. 백라이트(Backlighting)

백라이트 시스템에서 카메라와 조명기는 대상의 반대쪽에 있다. 카메라는 대상 재료를 통해 직접 빛을 본다. 여기에서 적용 범위는 기판의 작은 천공 감지에서 불투명도의 정성적 측정에 이르기까지 다양하다. 백라이트 적용을 위한 조명 요구 사항은 재료의 특성에 따라 다르다. 두 가지 주요 조명 속성은 강도와 균일성이다. 매우 투명한 재료의 경우 많은 빛이 재료를 통과하여 카메라로 들어가기 때문에 강도는 그다지 중요하지 않다.

그러나 카메라는 빛의 구조를 효과적으로 보기 때문에 균일성이 매우 중요하다. 면 기반 복합 재료와 같은 매우 밀도가 높은 재료의 경우 속성의 상대적 중요성이 역전된다. 이 경우 카메라는 빛을 직접 보지 않으므로 카메라에 도달하는 빛이 거의 없고 광원의 균일성이 그다지 중요하지 않기 때문에 강도가 가장 중요하다. 대부분의 애플리케이션은 두 극단 사이의 어딘 가에 있으므로 올바른 균형을 찾기 위해 조명기를 제어하고 최적화하는 기능이 중요하다. 이러한 이유로 ProPhotonix는 렌즈 위치 및 디퓨저(diffuser) 옵션 유형에서 필드 조정 가능한 광학 장치가 있는 COBRA 슬림 시리즈를 설계했다.

이를 통해 사용자에게 맞춤 설계된 모듈로 표준 제품에서 비용 없이 가능성을 제공할 수 있다. 사용자의 머신 비전 설정 요구사항이 시간이 지남에 따라 변경되면 COBRA Slim은 현장에서 쉽게 재구성된다. 광학 렌즈가 전체 렌즈 길이를 따라 설계 내에서 지원된다는 점도 주목할 가치가 있다. 이것은 렌즈가 제대로 위치하지 않고 지지되지 않으면 시간이 지남에 따라 렌즈가 휘어질 수 있는 긴 조명에 매우 중요하다. 이는 주변 온도가 높은 애플리케이션에서도 특히 중요하다.

웹의 너비는 생산되는 대상에 따라 크게 다를 수 있다. ProPhotonix는 최대 5m 길이의 라인 조명을 생산한다. 모든 라인 조명 제품은 모듈식이다. 일반적으로 100mm 단위로 제공된다.

파장

라인 스캔 이미징 애플리케이션은 전통적으로 단색 카메라를 사용한다. 사용자는 단색 카메라를 사용할 때 관심 있는 기능과 최대의 대비를 얻으려 한다. 검사 중인 재료의 색상이 일정하고 스펙트럼 응답이 넓은 경우 문제는 출력 전력과 카메라 감도 간의 균형을 유지하면서 이미지의 대비와 조명의 LED 효율성을 최적화하는 것이다. 단색 광원은 색수차(chromatic aberrations)가 감소하기 때문에 유리하다. 검사 중인 재료의 색상이 다양한 경우 단색 소스는 대상 재료의 반사율 특성에 따라 다양한 수준의 강도 또는 대비를 생성한다(최악의 경우 일부 기능이 보이지 않을 수 있음). 광대역 백색 소스를 사용하면 이 문제를 완화하는 데 도움이 된다.

컬러 라인 스캔 카메라를 사용하는 경우 흰색 라인 라이트를 사용할 수 있다. 여기서 문제는 이미지에서 좋은 색상을 제공하는 좋은 품질의 스펙트럼을 갖는 것이다. 스펙트럼의 일관성과 안정성은 검사 프로세스의 일관성을 보장하는 데도 중요하다. 일부 재료는 가시광선을 반사하거나 투과하지 않는다. 이러한 경우 가시 스펙트럼 외부의 파장은 적외선 감지 카메라(일반적으로 InGaAs)와 함께 사용된다(예, 실리콘 웨이퍼의 내부 결함 검사).

다른 애플리케이션은 형광 기반 측정에 의존한다. 여기에는 두 가지 고려 사항이 있다. 첫째, 검사 대상 물질을 자극하기 위해서는 형광 활성제의 흡수 피크에 가까운 최적의 파장을 선택해야 한다. 둘째, 형광 여기 스펙트럼과 겹치지 않도록 파장이 충분히 좁아야 하다. 이러한 응용 분야에서 UV 광은 소스로 사용한다.

특수 전자 기술

라인 스캔 이미지는 특정 시간 프레임 내에 카메라로 획득되는 여러 라인으로 구성된다. 원칙적으로 조명은 모든 라인 획득에 대해 다양할 수 있다. 이 기술은 카메라와 동기화된 빛의 빠르고 정밀한 제어가 필요하다. 효과적인 조명의 강도는 조명 타이밍을 변경하여 제어하거나 여러 다른 조명을 사용하여 다른 각도에서 다른 라인 이미지를 캡처하여 조정할 수 있다. ProPhotonix의 COBRA Slim 시리즈에는 카메라 프레임에 라이트 플래시를 동기화하는 스트로보(strobe) 기능이 있다. 이를 통해 카메라 노출이나 게인을 조정하지 않고 프레임별로 이미지의 강도를 제어할 수 있다.

LED 라인 라이트 선택 시 주요 고려사항

라인 스캔 비전 시스템에서 조명을 최적화하면 시스템의 속도, 정확성 및 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다. 이제 LED가 라인 스캔 조명에 선택되는 기술이다. 하지만 LED 제품의 설계 및 제조 품질로 따라 성능에 상당한 차이가 있다. 라인 스캔 이미징의 주요 고려 사항은 선택한 조명의 기술에 따라 다르다. 폼팩터, 강도, 균일성, 파장 및 전자 기능이 모두 주요 고려 사항이 될 수 있다.
 

자료 제공: PROPHOTONIX(www.PROPHOTONIX.com)