머신비전 시스템을 위한 최적의 LED 조명 제어 ④
제2장 머신비전 LED 조명 제어 기술
LED의 물리적 특성에 의하여 LED는 흐르는 전류량에 비례하여 발생하는 광속이 변화한다. 이러한 특성으로 LED의 전류량을 제어하면 LED의 밝기를 조절할 수 있다. 머신비전 시스템에서 조명 광학을 최적화하는 것이 이미지 처리에 있어 가장 중요한 고려 사항이다. 성공적인 이미지 처리 결과를 얻기 위해서는 선명한 이미지 추출이 필수적이다. 머신비전 시스템에서는 선명한 이미지를 추출을 위하여 사용된 조명의 낮은 전력소비, 빠른 응답시간 및 풍부한 색상표현과 같은 물리적 요인들이 요구된다.
이러한 물리적 요인들을 충족하기 위한 종래의 제어방법은 다음과 같다. 정전압 제어, 정전류 제어, PWM(pulse width modulation) 제어, 스트로브 제어방법과 같이 4가지로 구분되며 머신비전 시스템에서는 응용분야에 따라 적합한 방법을 채택하여 사용되고 있다. 대부분의 LED는 순방향 전압의 작은 변화에 의하여 순방향전류가 크게 변하기 때문에 정밀제어가 필요한 산업에는 사용되지 않는다. 전류 제어방법은 LED의 순방향 전류를 제어하여 광량을 조절한다.
전류 변화에 대한 광량의 변화가 선형적인 특성을 갖고 있지만 전력 대비 누적 발열이 큰 단점이 있다. PWM 제어방법은 간단한 회로 구성과 제어가 쉬운 장점을 가지지만 구동 주파수에 따른 플리커 현상이 발생하기 때문에 고속 정밀 제어에 적합하지 않다. 마지막으로 스트로브 제어방법은 짧은 시간에 강한 광량을 출력할 수 있지만 광량 조절이 어려운 단점이 있다.
프레임 카메라를 사용한 머신비전 조명 제어방법으로는 PWM 제어방법을 주로 사용하고 있다. 하지만 PWM 제어방법은 예열시간이 길고 에너지 소비가 크며 광원에서 발생되는 열에 의한 손상과 광원의 눈부심과 색상 표현성능의 저하 그리고 광원간의 큰 대비 현상과 같은 문제점이 있다. 이러한 문제점들이 피사체를 촬영하는데 불안 요소가 된다. 이러한 불안 요소들은 제품의 신뢰성에 직접적 영향을 준다. PWM 제어의 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 최적화된 스트로브 제어 방법을 머신비전 시스템에 적용하고자 한다. 스트로브 제어방법은 일반적으로 50㎲ 이하의 신호가 사용되며 광원의 짧은 노출시간으로 인하여 밝기를 조절하기 어렵다.
본 논문에서는 머신비전 시스템을 위한 종래 LED 제어방법들의 특징을 비교 및 설명하고자 한다. 특히 최근 머신비전 시스템에서 많이 사용되는 PWM 제어방법과 스트로브 제어방법을 자세히 비교하기 위하여 제어회로를 설계하여 두 제어방법의 차이를 확인하고자 한다. LED의 발열 상태 그리고 피사체의 이미지 촬영에서 나타나는 조명의 플리커 현상 등 머신비전 시스템에 적용 가능한 스트로브 제어방법을 설명한다.
그 다음 기존의 스트로브 제어방법이 갖는 단점을 보완하고 극대화된 장점을 가진 hybrid-dimming 제어방법을 제안하고자 한다. 마지막으로 라인 스캔용 카메라를 위한 라인 스캔용 LED 조명의 제어에 ‘User calibration’ 기술을 제안하고 이에 대한 실험 연구에 대한 내용을 기술한다.
2.1 종래의 머신비전 LED 조명 제어 기술
2.1.1 정전압 제어방법
정전압 제어방법은 일정한 전압을 공급하여 LED를 제어하는 방법이다. LED의 밝기를 제어하기 위하여 LED에 공급되는 전원 자체를 조절한다. LED에 공급되는 전원은 대부분 리니어방법을 사용하기 때문에 발열 및 정확한 전원의 제어가 어려워 잘 사용되지 않는 방법이다. 아날로그 콘트롤러를 사용하여 제어되는 경우가 많으며, 가변저항을 조절하여 LED의 밝기를 조절하는 경우가 대표적이다.
LED는 순방향 전압(forward voltage) 가 증가할수록 순방향 전류(forward current) 가 증가하는 특징을 가지고 있다. 그림 2.1은 LED의 색에 따른 순방향 전압과 순방향 전류의 특성을 나타낸다.
정전압 제어방법은 회로구성이 단순하고 원가절감의 효과가 있는 장점이 있다. 하지만 정확한 전압공급이 어렵고 LED의 순방향 전압은 온도에 민감하기 때문에 전압의 작은 변동에 의해 전류가 급격하게 변화하고 이로 인해 정밀한 LED의 밝기를 조절할 수 없으며 전력효율이 낮아 큰 전력이 소모되는 단점이 있다.
2.1.2 정전류 제어방법
정전류 제어방법은 LED에 공급되는 전류를 일정하게 조절하여 LED의 밝기를 제어하는 방법이다. LED는 순방향 전류에 따라 광량이 균일하게 증가하는 특징을 가지고 있으며 이는 그림 2.2와 같다. 정전류 제어방법을 위한 LED 조명장치의 제어회로는 그림 2.3과 같이 구현할 수 있다. DAC(digital to analog converter)에서 일정한 값의 신호를 연산증폭기(op-amp)로 증폭하여 FET의 gate를 제어하여 LED에 인가되는 전류를 제어하는 방법이다.
일정한 전류가 흐르도록 'R-SENSE'에 흐르는 전류를 피드백 받아 연산증폭기가 출력을 조절해준다. 정전류 제어방법은 일정한 전류가 흐르도록 제어하기 때문에 케이블 길이의 변화와 같은 외부 환경의 변화에 의한 밝기 편차에 강한 장점이 있다. 하지만 투입되는 전력에 비해 발열이 심하고 조명에 따른 전류세팅이 필요하여 콘트롤러의 범용성이 떨어지는 단점이 있다.
2.1.3 PWM 제어방법
PWM은 일정한 주기 신호의 duty를 변화시켜 평균전압을 제어하는 방법으로 LED 조명의 광량 조절 및 DC 모터의 속도 제어에도 범용적으로 사용되는 방법이다. PWM 제어방법은 duty비를 조절하여 LED에 인가되는 평균전압을 조절하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있는 방법이다.
그림 2.4는 PWM 제어를 이용한 LED 조명장치 제어회로를 나타낸다. PWM 드라이버 회로를 사용하여 FET의 gate단자에 신호를 입력하고 설정된 duty로 FET를 스위칭하여 LED 모듈에 흐르는 순방향전류를 제어할 수 있다.
그림 2.5(a)는 PWM 제어를 이용한 그림 2.4의 제어회로의 FET의 게이트 입력 전압 파형(CH2)과 LED 모듈에 흐르는 전류 파형(CH3)을 측정한 결과이고 그림 2.5(b)는 그림 2.5(a)를 time scale 50에서 10로 확대한 그림이다. 이때 입력전압 은 12V이다. 그림 2.5에서 LED에 흐르는 전류의 최대값은 1.28A이다.
PWM 제어를 이용한 방법은 LED에 흐르는 전류를 듀티비에 따라 편리하게 제어하여 빛의 밝기를 조절할 수 있고 회로 구성이 단순한 장점이 있다. 하지만 고주파 동작을 기반으로 하고 있어 발열로 인한 온도상승의 문제점을 갖고 있다. 또한 넓은 폭의 듀티비를 조절하기 위해서는 복잡한 컨버터 회로가 필요하다. 따라서 짧은 시간에 제어 가능하고 항상 일정한 빛의 밝기를 유지하면서도 과도한 온도 상승이 없는 안정된 제어회로가 필요하다.
또한 PWM 신호에 따라 평균의 전류가 흐르지만 고속으로 피사체를 촬영하게 되면 주파수에 따른 플리커 현상이 발생하여 고속라인스캔 카메라의 조명으로 사용할 수 없는 단점이 있다. 최근 다양한 방법을 통해 PWM 제어방법에서 나타나는 플리커 현상을 줄이기 위한 연구가 진행되고 있다.
2.1.4 스트로브 제어방법
스트로브 제어방법은 LED에 짧은 시간 동안 높은 순방향 전압 를 공급하여 순간적인 순방향 전류 를 흐르게 하여 더 밝은 빛을 내는 방법이다. 이러한 제어방법의 특징으로 스트로브 제어방법은 빠르게 지나가는 물체를 강한 광량으로 검사할 때 주로 사용한다.
스트로브 제어방법을 이용하여 머신비전을 사용하는 시스템은 전체 시스템을 적절하게 제어하기 위해 트리거 신호의 펄스폭을 조절하고 프레임그래버와 카메라 시스템이 정확하게 동기화되어야 한다. 그러나 스트로브 제어방법에서 LED 빛의 밝기를 조절하는 것은 매우 어렵다. 따라서 스트로브 제어에서는 빛의 밝기, 트리거 신호의 펄스폭, 지연시간, 노출시간 그리고 유지시간 등과 같은 여러 제어 변수 값의 적절한 선택이 요구된다.
표 2.1은 스트로브 제어방법에서 요구되는 여러 제어 변수를 정리한 것이다. 그림 2.6은 표 2.1의 제어 변수의 이해를 돕기 위한 스트로브 제어방법의 신호 및 전류 파형 개념도이다.
조명의 밝기는 LED에 흐르는 전류에 의하여 결정된다. 스트로브 제어 방법에서는 짧은 시간 동안 높은 전류가 흐르기 때문에 FET를 구동시키는 트리거 신호는 일반적으로 10이하가 되도록 한다. 트리거 신호가 제어 로직을 거쳐 FET를 구동시키기 위한 신호로 변환 되는 시간을 delay time이라 하며 이 시간은 10이하 이다. Delay time을 지나 FET의 gate에 신호가 전달되어 전류가 흐르는 시간동안 LED에서 빛이 나며 이 시간을 exposure time이라 한다.
Exposure time은 트리거 신호와 길이가 같다. 스트로브 제어방법을 사용하는 머신비전 시스템은 exposure time 동안 이미지를 촬영하기 위하여 프레임그래버와 카메라 시스템이 동기화 되어야 한다. Exposure time이 지나고 다음 트리거 신호가 생성될 때까지의 시간을 holding time이라 하며 이는 프레임그래버의 지연과 관련되는 시간이다.
그림 2.7에 LED 스트로브 구동회로를 도시하였으며 일반적으로 PWM 제어방법에 비하여 더 큰 출력 전류를 얻기 위하여 더 높은 입력전압을 사용한다.
그림 2.8(a)는 스트로브 제어회로의 파형을 측정한 결과이고 그림 2.8(b)는 그림 2.8(a)를 time scale 50 에서 10로 확대한 그림이다. 이때 사용된 입력전압 은 24V이며 이는 PWM 제어방법에서 사용된 입력전압 인 12V보다 높다. CH1은 트리거 신호 전압, CH2는 FET 게이트에 인가되는 입력 전압 파형 그리고 CH3은 LED 모듈에 흐르는 전류 파형을 측정한 결과이다.
그림 2.8에서 LED에 흐르는 전류의 최대값은 4.16A로 PWM 제어방법과 비교하여 상대적으로 큰 출력 전류를 보여주고 있다. 스트로브 제어방법은 앞서 설명한 PWM 제어방법이 갖는 문제점을 해결할 수 있다. 스트로브 제어방법은 순간적으로 높은 출력전류로 LED를 구동하는 방법으로 발열로 인한 과열을 방지하기 위하여 설정된 매우 짧은 시간 동안만 FET를 on 시켜 전류가 흐르게 한다.
또한 LED가 구동되는 시간과 프래임 그레버, 카메라 시스템이 동기화를 이루어 고속 촬영에서도 플리커 현상을 방지할 수 있다. 하지만 다양한 제어변수가 존재하여 LED의 밝기를 조절하기 힘들고 트리거 신호와 프레임그래버, 카메라 시스템이 정확히 동기화 되어야 한다는 단점이 있다.
2.1.5 PWM 제어와 스트로브 제어에 따른 결과 및 분석
PWM 제어와 스트로브 제어에 따른 발열 특성을 비교 분석하기 위하여 열화상 카메라를 이용하여 LED의 영상과 온도를 측정하였다. 그림 2.9은 두 가지 방법으로 측정한 열화상 카메라의 영상이다. 실험에 사용된 제어회로는 앞에서 제어방법 설명에 사용된 회로로 PWM 제어방법의 LED는 그림 2.4의 회로이며 스트로브 제어방법의 LED는 그림 2.7의 회로를 이용하였다. 입력전압 은 마찬가지로 PWM 제어방법에서는 12V이며 스트로브 제어방법은 24V이다. LED가 구동되고 1분, 25분 그리고 100분이 지나고 측정된 온도이다.
1분 경과 후에는 두 경우 모두 33.2℃로 안정적인 온도를 보여준다. PWM 제어방법을 사용한 경우에는 25분 경과 후에는 56.1℃로 증가하였으며 100분이 경과한 후에는 64.4℃ 까지 증가하였다. 반면에 스트로브 제어방법을 적용한 경우에는 25분 후에도 37.6℃, 100분이 경과한 후에도 38.1℃로 비교적 안정적인 특성을 보여주고 있다. 그림 2.10는 PWM 제어와 스트로브 제어에서 100분 동안 시간 변화에 따른 LED의 온도를 측정한 비교 그래프이다.
PWM 제어와 스트로브 제어방법에서 나타나는 온도 특성의 차이에 대한 이유는 다음과 같이 설명될 수 있다. LED 모듈에 공급되는 전력은 거의 동일하게 설정하였다. PWM 제어에서는 인가전압이 12V일 때 최대전류가 1.28A이고 듀티비를 약 20%로 설정하였다. 스트로브 제어에서는 인가 전압이 24V일 때 최대전류가 4.16A이고 듀티비를 대략 3%로 설정하여 입력 전력을 평균 약 3W 로 동일하게 설정하였다.
같은 입력 전력에 대하여 LED의 온도 특성이 다른 이유는 PWM 제어에서는 전력이 공급되는 시간 간격이 매우 짧아 방열이 충분하지 않은 상태에서 열이 누적되는 반면 스트로브 제어에서는 상대적으로 시간 간격이 충분하여 방열이 비교적 잘 되기 때문으로 사료된다. 그림 2.11은 PWM 제어와 스트로브 제어방법을 적용하여 피사체를 촬영한 영상이다. 동영상으로 촬영한 결과를 여러 장의 정지 영상으로 표현하였다.
각각의 정지영상은 PWM 제어와 스트로브 제어방법을 사용한 시스템의 동영상으로 30 단위로 캡처한 정지영상이다. 이미지를 보면 PWM 제어에서는 시간에 따라 밝기가 달라지는 플리커 현상이 나타나지만 스트로브 제어방법에서는 플리커 현상이 나타나지 않고 균일한 밝기를 확인할 수 있다. 스트로브 제어방법에서는 프레임그래버와 카메라 셔터가 정확하게 동기화되어 있기 때문에 플리커가 보이지 않지만, PWM 제어에서는 임의의 시간에 조명이 켜지기 때문에 플리커가 나타나게 된다.
2.1.6 머신비전 LED 조명 제어방법에 따른 장점과 단점
본 논문에서는 머신비전을 위한 종래의 LED 조명 제어방법에서 정전압 제어방법, 정전류 제어방법, PWM 제어방법과 스트로브 제어방법의 특징을 알아보았다. 각각의 제어방법의 특징을 비교한 결과는 표 2.2와 같다.
정전압 제어방법은 아날로그 방법으로 조명의 밝기를 조절하며 제어 회로를 단순하게 구성할 수 있다. 하지만 LED의 발열 및 주위 온도에 따른 밝기의 변화가 심하며 정밀한 밝기의 조절이 어렵다. 또한 발열량이 높고 전력효율이 낮은 단점이 있다.
정전류 제어방법은 정밀한 제어가 가능하지만 복잡한 구성회로를 가지고 있다. 외부 환경에 의한 밝기의 변화가 적은 장점이 있다. 하지만 LED의 발열이 심하며 조명에 따른 전류세팅이 필요하여 콘트롤러의 범용성이 낮은 단점이 있다. PWM 제어 방법은 정밀한 밝기 제어가 가능하며 그림 2.4와 같은 회로를 이용하여 조명을 제어 할 수 있다.
Duty비를 조절하여 LED의 밝기를 간단히 제어할 수 있는 장점이 있지만 비교적 큰 발열과 주파수에 따른 플리커 현상으로 인한 고속 머신비전 시스템에서 사용할 수 없는 단점이 있다. 스트로브 제어방법은 짧은 시간동안 높은 전류를 이용하여 LED를 밝은 빛으로 제어하는 방법이다. 그림 2.7과 같은 제어회로를 가지며 LED 제어와 카메라의 동기화가 필요한 방법이다. 복잡한 제어방법을 가지지만 전력효율이 높고 LED의 발열을 효과적으로 줄일 수 있으며 플리커 현상이 없어 고속촬영에서 사용할 수 있는 제어방법이다.
PWM 제어방법과 스트로브 제어방법의 회로를 구성하고 머신비전 시스템에 적용하여 피사체를 촬영하는 실험을 진행하여 결과를 비교해 보았다. 실험을 통해 스트로브 제어방법이 PWM 제어방법 보다 우수한 특성을 보임을 확인하였다.
PWM 제어방법에서는 LED의 온도를 60℃ 이하로 유지할 수 없었지만 스트로브 제어방법을 사용하면 시간이 지나도 LED의 온도를 약 40℃ 이하로 안정적인 범위에서 유지할 수 있었다. 또한 스트로브 제어 방법을 사용하면 스트로브 조명과 카메라의 동기화에 의하여 플리커 현상 없이 피사체의 영상을 효율적으로 획득 할 수 있었다.
이를 통하여 머신비전 시스템 장비에서 LED 스트로브 제어방법을 적용하면 높은 정밀도의 선명한 이미지 촬영이 가능함을 확인하였고, 결과적으로 작업의 효율성을 향상시켜 생산량 증대 효과를 기대할 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」 25~37p
