머신 비전 조명 시스템에 대한 유용한 지식②
Lumimax
2. 광학 필터
지난 호에서는 최적의 조명 솔루션을 선택하기위한 기본 원칙을 소개했다. 광학 필터를 사용하면 결과를 더욱 향상시킬 수 있다. 광학 필터는 특정 기준에 따라 빛을 변경하는 데 사용된다. 사용되는 필터의 종류에 따라 빛이 통과하거나 차단된다(감쇠). 다음과 같은 효과를 위해 다양한 광학 필터를 사용할 수 있다.
■ 이미지의 명암 증가
■ 외부 광 억제
■ 반사/스펙큘러(거울) 반사와 같은 산란의 최소화
■ 색상 분리
본문에서는 가장 일반적으로 사용되는 세 가지 필터에 대해 설명한다.
■ 2.1 장– 대역 통과 필터
간섭 필터라고도 하는 대역 통과 필터는 특정 파장을 분리한다. 선택한 파장이 필터를 통과한다. 빛의 나머지 부분은 반사되어 이미지 획득 장치에 도달하지 않는다. 이 필터는 외광을 억제하거나 형광 애플리케이션에 사용된다.
■ 2.2 장– 편광 필터
특정 파장을 선택하는 데 사용되는 것 외에도 필터는 특정 편광 상태에 있는 경우에만 빛을 통과시키는 데 사용할 수 있다. 문제가 있는(거울) 반사를 최소화하는 데 사용할 수 있다.
■ 2.3 장– 기타 필터
대역 통과 및 편광 필터 외에도 필터를 사용하여 테스트 대상 이미지를 최적화하는 많은 방법이 있다. 수많은 광학 필터 및 애플리케이션 시나리오가 있다.
2.1 대역 통과 필터
대역 통과 필터는 특정 파장 영역을 통과시킨다. 남은 빛은 감쇠된다. 이 대역폭은 의도된 목적에 따라 선택된다. 대역폭이 2nm 미만인 필터와 대역폭이 80 nm 이상인 필터가 있다. 폭이 2~5 nm인 좁은 대역 통과 필터는 주로 까다로운 레이저 기반 애플리케이션에 사용된다. 한편, 10~80 nm의 대역폭을 가진 필터는 머신 비전의 다양한 애플리케이션 분야에서 사용될 수 있다.
가장 중요한 영역 중 하나는 플래시 조명이 불가능한 경우 외부 조명을 제거하는 것이다. 외부 광을 억제할 때 일광 차단 필터는 적외선 광원과 함께 사용된다. 이 필터는 적외선을 통과시키지만 가시광선과 자외선의 전체 스펙트럼을 약화시킨다. 이는 머신 비전 솔루션에 대한 일광의 영향을 최소화하기 위해 작동한다.
그러나 일반 작업에는 가시광선 파장이 필요하기 때문에 일광 차단 필터를 사용하여 외부 광을 항상 억제하지는 않는다. 대신에 협 대역 통과 필터를 사용할 수 있다. 렌즈 또는 이미지 캡처 장치 앞에 조명 시스템의 파장과 정확하게 일치하는 대역 통과 필터를 장착해야 한다. 필터의 중심 파장이 LED 파장과 정확하게 일치할수록 필터 대역폭이 좁아진다. 결과적으로, 가능한 많은 양의 빛이 조명 시스템에서 전달되는 반면 미광은 완전히 차단된다. 협 대역 필터는 표준 일광 차단 필터와 비교하여 적외선 조명의 이미지 안정성을 향상시키는 데 우수하다.
LUMIMAX® LED 조명에 특정 호환성을 갖춘 고품질 필터를 사용할 수 있다. 특정 파장이 통과하고 다른 파장이 감쇠되도록 한다. 대역 통과 필터를 사용하여 이미지의 대비를 높이거나 색상을 분리할 수도 있다. 이러한 유형의 필터에 대한 특별한 분야는 ‘형광’이다. 이 내용은 다음호에서 이야기하겠다.
2.2 편광 필터
빛으로 작업할 때 윤활유, 호일, 페인트 또는 단순히 광택이 있거나 거울 표면 반사로 인해 카메라 이미지에서 반사되는 산만 반사가 반복되는 경우가 있다. 편광 필터를 사용하면 이러한 방해 효과를 조정할 수 있다.편광은 빛이 단일 진동 방향으로 제한되는 과정을 설명한다. 머신 비전 시스템 내에서 이미지를 개선하기 위해 편광을 달성하기 위한 다양한 옵션을 사용할 수 있다.
편광 필터를 사용한 편광
산업용 머신 비전에서 시스템은 일반적으로 두 개의 선형 편광 필터를 사용한다. 하나는 광원 앞에 있고 다른 하나는 렌즈 앞에 있다. 조명에서 방출되는 빛은 모든 방향으로 전파(진동)할 수 있다. 그러나 조명 앞의 편광 필터는 단 하나의 진동 방향으로 빛을 투과시킨다. 다른 진동 방향의 광선은 필터를 통과할 수 없다. 다른 필터를 렌즈 앞에 놓으면 편광을 필요에 따라 통과시키거나 감쇠시킬 수 있다.
편광은 산만 반사를 억제하는 데 특히 유용하다. 시스템(렌즈)의 반대쪽 끝에서 두 번째 편광 필터가 감쇠 필터로 설정된다. 이것은 반사를 최소화하는 역할을 하며, 카메라 조명은 훨씬 균일해진다. 이러한 설정으로 인해 많은 빛이 손실되므로 강력한 조명 시스템(예: 고전력 조명)을 사용하는 것이 좋다. 다른 접근법은 물체의 표면 특성을 이용하는 것이 있다.
그 예로 금속성 배경에 접착 패드 또는 라벨과 같은 투명 필름을 보이게 하는데 사용될 수 있다. 금속성 배경은 편광된 빛을 다시 카메라로 반사하지만 필름은 입사광의 편광 방향을 바꾼다. 따라서, 카메라에서 편광이 차단되면 필름만이 밝게 유지되므로 쉽게 검출될 수 있다. 또한 편광 백라이트 시스템을 사용하면 투명한 플라스틱과 유리까지도 볼 수 있다. 렌즈 필터가 감쇠 필터로 구성된 경우 먼저 어두운 이미지를 얻을 수 있다.
그러나 이미지에 투명한 물체가 있으면 빛의 진동 방향이 바뀌고 어두운 배경보다 밝게 나타난다. 물체의 응력 파괴 배열조차도 진동 방향을 다시 변경하기 때문에 식별할 수 있다.
표면에 의한 편광
편광 각도(또는 브루스터 각도, Brewster’s angle)를 고려하면 실제로 테스트 시스템 자체의 표면을 사용하여 조명 시스템에서 방출되는 빛을 편광할 수 있다. 빛이 특정 각도에서 비금속 표면으로 떨어지면, 반사 부분은 표면과 평행하게 편광될 것이다. 렌즈 앞에 편광 필터를 감쇠 필터로 설정한 경우(예: 90도 회전)에 표면의 산란 반사를 억제할 수 있다.
2.3 기타 광학 필터
이미 설명한 광학 필터 외에도 테스트 대상 이미지를 최적화하는데 사용할 수 있는 다양한 필터 기술이 있다.
1. 쇼트 패스 필터(Shortpass filters)
숏 패스 필터는 필터의 임계 값 아래에 있는 파장을 전송한다. 임계 이상의 파장이 감쇠된다. 단역 필터는 파장을 서로 분리하고 이미지의 대비를 높이는 데 자주 사용된다.
또한 형광 애플리케이션의 조명 필터로 사용할 수 있다. 대역 통과 필터를 대체할 때 이런 종류의 단역 필터를 매우 예리한 경사로 사용하면 비슷한 효과를 얻을 수 있다. 적절한 롱 패스 필터와 결합하면 특수한 대역 통과 필터도 생성할 수 있다.
2. 롱 패스 필터(Longpass filters)
숏 패스 필터와 달리, 롱 패스 필터는 임계 이상의 파장을 전송한다. 단역 필터와 마찬가지로 장파 필터를 사용하여 파장을 서로 분리할 수 있다.
형광 애플리케이션에서 장파장 필터를 렌즈 앞에 배치하여 파장을 감쇠시켜 이미지 대비를 증가시킬 수 있다.
3. 컬러 필터(Colour filters)
컬러 필터는 흑백 카메라와 함께 사용된다. 이미지 대비를 높이고 특정 색상을 분리, 향상 또는 억제하는 데 유용한 도구이다. 컬러 필터는 특정 컬러 밴드를 전송하는 대역 통과 필터이다. 예를 들어, 적색 컬러 필터가 사용되는 경우 다른 파장이 감쇠되는 동안 적색광이 투과된다.
물체는 특정 파장을 반사하여 사람의 눈에 색깔이 나타난다. 적색으로 인식하는 물체는 빛의 적색 부분을 반사하고 대신 다른 파장은 흡수된다. 컬러 필터로 작업할 때 이 특정 메커니즘을 이용할 수 있다. 객체와 동일한 색상의 컬러 필터를 사용하면 이미지에서 객체가 밝게 나타난다. 반면 다른 색상의 컬러 필터는 개체가 어둡게 표시된다. 대역 통과 필터 및 해당 애플리케이션은 앞 장을 참조하면 된다.
4. 중립 밀도 필터(ND, Neutral-density)
중립 밀도 필터는 입사광의 양을 줄이고 이미지 노출 과다 효과를 피하기 위해 사용된다. 이 필터는 전체 스펙트럼에서 균일하게 빛을 감소시킨다. 중립 밀도 필터를 사용하더라도 밝은 색상 또는 물체 색상을 표현하는 데는 영향을 미치지 않는다.
(이 기사는 지난호에 이어 시리즈로 연재됩니다.)
자료 제공: Lumimax(www.lumimax.com)
