머신비전 시스템을 위한 최적의 LED 조명 제어 ③

1.4 머신비전용 LED 조명 조사구조에 따른 응용 사례

그림 1.25는 제조공정의 과정에서 사용되는 머신비전 시스템을 나타낸 예시 그림이다. 각 제조공정의 특성에 맞추어 다양한 LED 조명이 사용되는 것을 확인할 수 있다. 각 LED 조명에 대한 자세한 설명은 다음과 같다.

1.4.1. Direct ring(DR) 조명

그림 1.26의 DR 조명의 조사 구조는 고 휘도 LED가 고밀도로 배치되어 360°방향에서 비추는 조명으로 그림자 없이 균일하게 조사해 준다. 그림 1.27(b)의 라벨 검사에 DR 적색 조명을 조사하여 그림 1.27(c)의 이미지처럼 바탕의 적색 줄을 사라지게 하고 바코드 부분의 선명한 이미지 취득 할 수 있도록 한 사례이다. DR 조명은 고밀도의 광량으로 중심부 집중 조사하는 조명으로 PCB의 위치 결정 및 부품 장착 검사, 플라스틱 용기 검사, 라벨 검사 등 일반적인 검사에 많이 사용된다.

1.4.2. Direct low-angle(DLA) ring 조명

그림 1.28의 DLA 조명의 조사 구조는 LED 기판을 원뿔형으로 제작하여 측면의 낮은 임의의 각도로 빛을 조사한다. 그림 1.29(b)의 수은 전지 표면의 찍힘을 DLA 조명을 사용하여 그림 1.29(c)의 이미지처럼 점으로 나타나게 함으로써 원본 무결점 이미지와 비교하여 판단 할 수 있게 잘 적용한 사례이다. DLA 조명은 암시야의 대표적인 조명으로 360°의 세분화된 각도에서 조사되는 조명으로 광택이 있는 피사체에서도 광이 집중 되는 현상이 없으며, 얕은 요철과 흠집 등에 최대의 효과를 볼 수 있는 조명이다. 따라서 BGA의 납땜 볼 검사, 레이저 각인 표면 검사, 웨이퍼, 유리기판의 오염 검사 등에 사용된다.

1.4.3. Direct bar(DB) 조명

그림 1.30의 DB 조명의 조사 구조는 다른 조명에 비해 조사 각도를 자유롭게 취부 할 수 있고 다수의 조명을 조합사용 가능하며, F.O.V에 따라 LED의 지향 특성을 선택 조사한다. 그림 1.31(b)의 PCB 상에 전자 부품(커넥터)이 정위치에 비틀림 없이 정확하게 장착 되었는지 4방향에서 DB 조명을 조사하여 그림 1.31(c)의 이미지처럼 전자부품의 장착 상태를 검사하는 사례이다. DB조명은 범용성 조명으로 사이즈나 조사 각도를 피사체 특성에 맞게 설치가 가능하고 PCB의 인쇄상태 검사, 크랙검사, 전자 부품의 형상 및 치수 측정용에 사용된다.

1.4.4. Indirect flat ring(IFR) 조명

그림 1.32의 IFR 조명의 조사 구조는 확산형 도광판 하부를 임의의 각을 주어 부드러운 산란광으로 조사한다. 그림 1.33(b)의 커넥터와 같이 광택이 있는 피사체를 IFR조명을 사용하여 그림 1.3(c)와 같이 난반사를 없애고 커넥터 핀 홀 검사에 적용된 사례이다. IFR 조명은 상부의 산란광에 의해 그림자 없이 균일한 조사가 가능하여 광택이 많은 피사체의 표면의 각인 판독이나 렌즈 모듈 검사, 종이컵 바닥면 이물질 검사 등에 사용된다.

1.4.5. Indirect low-angle(ILA) ring 조명

그림 1.34의 ILA 조명의 조사 구조는 원형 diffused에 임의의 각을 주어 낮은 각도로 피사체에 균일한 산란광을 조사한다. 그림 1.35(b)의 초콜릿 뚜껑과 같이 반사광이 있는 라벨을 ILA 조명을 사용하여 그림 1.35(c)와 같이 반사광을 없애고, 라벨의 인쇄 상태와 부착 상태 검사에 적용한 사례이다. ILA 조명은 측면으로부터 산란광을 균일하게 조사 해주어 광택이 있는 라벨의 인쇄 검사 및 종이컵 내부 측면의 이물질 검사 등에 사용된다.

1.4.6. Dome 조명

그림 1.36의 dome 조명의 조사 구조는 dome 내부 곡면에 균일한 백색 도료를 칠하고, 이 곡면에 LED 광을 조사하여 dome 내부에 빛을 모아 감싸는 산란광으로 피사체에 조사한다. 그림 1.37(b)와 같이 광택이 있고 약간의 곡면 피사체의 경우 dome 조명을 사용하면 그림 1.37(c)와 같이 반사광을 없애고 곡면에 마킹된 문자를 판독하는 검사에 적용한 사례이다.   Dome 조명은 약간의 굴절이 있고 표면에 광택이 있는 피사체 검사에 용이하며 macaroni, 초콜릿, 주화, 전해콘덴서 상부 표면 검사 등에 사용된다.

1.4.7. 후면 조명(backlight)

그림 1.38의 후면 조명의 조사 구조는 하부 LED가 바둑판처럼 균일하게 배열되어 확산판을 통하여 조사한다. 그림 1.39(b)와 같이 음료수 병 표면의 반사광을 없애고 정해진 위치의 용량을 검사하고자 할 때 그림 1.39(c)와 같이 병 후면에 조명을 설치 후 병과 음료의 실루엣으로 용량 검사가 가능하다. 후면 조명은 리드프레임 검사, 전자 부품 외관 검사, 각종 외형 및 치수 검사, 액상 내 이물질 검사 등에 사용된다.

1.4.8. 동축(coaxial) 조명

그림 1.40의 동축 조명의 조사 구조는 반사 방지 코팅을 한 하프 미러를 이용하여 이미지의 잔상이 나타나지 않게 카메라와 동일 선 상에 조사한다. 그림 1.41(b)와 같이 연성회로기판(flexible printed circuit board, FPCB)의 난반사가 있는 경우 동축 조명을 적용하면 그림 1.41(c)와 같이 난반사를 제거하고 연성회로기판의 패턴과 부품 장착 검사에 적용 된 사례이다. 웨이퍼 표면 검사, 금속 표면 검사, LCD 표면 검사 등에 사용되며, 또한 정밀한 치수 검사 시에는 후면 조명으로도 사용된다.

1.4.9. Indirect flat-dome(IFD) 조명

그림 1.42의 IFD 조명의 조사 구조는 4면의 LED를 배치하고 투명판에 도트를 인쇄하여 빛을 하부로 조사하는 구조로 동축 조명과 돔 조명의 효과를 나타낸다. 그림 1.43(b)와 같이 캡슐 포장제의 눌림 자국과 난반사가 있는 경우 IFD 조명을 적용하면 그림 1.43(c)와 같이 눌림 자국과 난반사를 제거하고 캡슐 포장제의 표면을 검사하는데 적용 된 사례이다. IFD 조명의 가장 큰 장점은 자동차 배터리 표면 검사의 경우 동축 조명으로 검사 할 경우 차지하는 높이 보다 약 1/60로 줄였다는 점과 경쟁력 있는 가격 때문에 빠른 속도로 적용 사례가 확대 되고 있다.

1.4.10. Spot 조명

그림 1.44의 spot 조명의 조사 구조는 3W 이상의 단일 칩과 load 렌즈로 구성이 되어 LED 광을 초 집광하여 조사한다. 그림 1.45(b)와 같이 유리 기판의 아주 작은 ‘+’형 마크 등을 검출하고자 할 때 동축형 telecentric 렌즈에 장착 되어 정밀한 align 계측 장비에 주로 사용된다. 그림 1.45(c)는 1.5배율 telecentric 렌즈로 ‘+’형 마크를 취득한 이미지이다.

(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」25~37p