머신비전 조명기술 트랜드 Strobe Controller
현재 우리나라의 머신비전 기술의 수준은, 각 컴포넌트(카메라, 렌즈, 조명 등)들의 성능 향상과 검사알고리즘의 고도화에 따라서 매우 높은 단계에 이르렀다. 또한 자동차, 반도체, 디스플레이, 2차전지 등 산업을 이끌고 있는 제품들의 유명제조사들이 국내에 자리잡고 있는 이유도 그 기술의 수준을 한층 높이는데 많은 도움을 주고 있다.
산업이 발전하면서 제품은 소형화가 되고 제품을 구성하는 부품들의 사이즈가 작아지면서 요구 검사 수준이 높아지고 있다. 또한 완제품 외관의 품질 관리 또한 철저히 해야 한다.
따라서 각 제조사들은 제품 품질을 유지하기 위해서 자동화검사기를 꾸준히 검토하며 도입하고 있다. 하지만 생산품의 검사 속도가 출하량과 직접적인 관련이 있기 때문에 검사기에서는 최대한 신속 정확하게 검사를 마쳐야 하는 숙제가 남아 있다.
이번 기사에서는, 위에서 언급한 ‘신속 정확한 검사를 하기 위한’ 조명기술 트렌드에 대해서 다루고자 한다.
1. 일반적인 조명 사용법
일반적인 검사 시스템은 광학계(카메라, 렌즈), 조명, PC(프로그램), 제어(물류) 등으로 구성 된다. 광학계는 고정한 상태에서 물류시스템을 통하여 검사할 대상체를 카메라의 FOV(Field Of View)에 위치하게 이동한다. 그리고 그 위치에서 대상체를 촬영하고 다시 이동하고를 반복한다.
조명은 상시 켜져 있는 상태이다. 이때 영상의 밝기는 카메라의 노출값 즉 셔터스피드로 제어하거나 조명의 밝기로 조정할 수 있다.
이렇게 된다면 물류를 이동하고 정지하는 과정을 반복해야 하며 이때 카메라가 촬영할 수 있게 안정화하는 시간까지 감안한다면 검사 시간이 늘어날 수밖에 없다.
2. Strobe 제어 및 고려사항
Strobe를 사전적으로 검색하면 섬광(閃光), Flicker, Motion Blur 등등으로 정의하고 있다. 정리해보자면 움직이는 물체에 순간적으로 강한 빛을 비춰서 정지된 효과를 낼 수 있는 방법이라고 볼 수 있다. 우리가 흔히 접할 수 있는 Strobe는, 사진관에서 반짝 하면서 촬영하는 것을 볼 수 있다.
이때 고려해야 할 사항이, ‘순간’과 ‘강한 빛’이다. 이 두 가지는, 대상체가 움직이는 속도와 배율에 따라서 상대적이다. 빠르게 움직이거나 자세히 찍을 경우에는 상대적으로 짧은 순간의 강한 빛이 필요하다.
KTX 예를 들어보자. KTX의 최고 속도는 300Km/h 라고 한다. 멀리서 KTX가 이동하는 것을 보고 있자면 기차가 상대적으로 빠르게 느껴지지 않는다. 하지만 기차 플랫폼에서 기다리는 중에 지나가는 기차를 보고 있을 때는 기차의 형상을 구분 못할 정도로 빠르게 지나가는 것처럼 느껴진다.
돌아가는 선풍기 날개를 예를 들어보자. 선풍기 날개는 항상 일정한 속도를 유지하며 돌아가고 있지만 Strobe 사용하여 조명을 순간적으로 터뜨린다면 정지된 영상을 얻을 수 있다. 이때 조명이 켜져있는 시간이 짧을수록 보다 더 정지된 효과를 얻을 수 있지만, 반대로 더 어두워 질 수밖에 없다.
3. Over-Driving on Strobing
위에서 설명한바와 같이 Strobe의 장점은, 움직이는 물체를 정지한 효과를 낼 수 있다. 하지만 Strobe를 사용하면서 어두워지는 단점을 극복해야 하는 숙제가 남아 있다. 이 문제는 ‘Over-Driving’ 기술을 사용하여 해결 할 수 있다.
LED는 제각각 구동하기 위한 본래의 전류, 전압 사양이 있다. Over-Driving이란, LED가 가지고 있는 본래의 사양보다 보다 많은 사양을 인가하는 기술이다. 아래는 Rated Current가 5A 인 조명을 짧은 순간에 1000%(10배)의 전류를 인가하는 것을 보여 준다.
아래는 100mm/Sec 의 속도로 움직이는 패턴을 촬영 하고 있다. 조명의 On-Time(켜져있는 시간) 과 Over-Driving 기능에 따른 차이점을 보여준다.
영상의 끌림현상을 제거하기 위해서 Strobe를 사용하여 조명을 짧게 켰지만 그만큼 어두워짐을 확인 할 수 있다. 이때 400%의 Over-Driving을 적용하여 밝기도 적당하고 끌림현상도 제거할 수 있었다.
Over-Driving을 사용할 경우에는, LED의 특성에 대해서 정확하게 이해를 해야 하며 소자를 안전하게 구동할 수 있게 전류와 전압을 조정할 수 있는 기술이 필요하다.
4. Multi-Strobing(교차조명)
앞서 언급한 바와 같이 최근 산업현장에서는 다양한 조건의 불량을 검출하기를 선호한다. 이런 요구를 반영하기 위해서는 다양한 조건의 광학계 및 조명조건이 필요하다. 고속 Strobing 기술을 적용한다면 한 번의 스캔으로 여러 가지 조명 조건의 영상을 얻을 수 있다.
아래 왼쪽 이미지는, 이동하는 물체를 동축, 투과, 사이드 3가지의 조명을 교차 Strobing 하면서 촬영한 것이다. 이후에 각 조명에 해당하는 이미지를 분리하여 합치면, 오른쪽과 같은 3가지 조명에 해당하는 이미지를 1번의 스캔으로 얻을 수 있다.
이러한 Multi-Strobing 기술을 사용하기 위해서는, 몇 가지 선행 기술이 필요하다. Strobe 시간이 짧기 때문에 빠른 ‘응답속도’가 필요하며 그 짧은 시간에 강하게 빛을 인가해줄 필요가 있다(‘Over-Driving’).
이때 LED 가 손상되지 않도록 ‘보호’ 해줄 수 있는 회로 및 알고리즘은 필수적으로 구현 돼 있어야 한다. 추가적으로 Strobe 동기신호에 맞게 여러 조명을 순차적으로 구동시킬 수 있는 ‘멀티 시퀀스’ 기능이 있다면 성공적인 Multi-Strobing을 구현할 수 있다.
아이코어에서는 회로 설계부터 펌웨어, FPGA 모든 과정을 자체적으로 이루어 냈으며 그 성능은 외산 제품과 비교해도 동등이상 수준을 갖추고 있다. 아이코어와 함께 국내 검사기 업체들이 기술적으로 한발 앞설 수 있기를 희망해 본다.
㈜아이코어
작성자 : 박경석 아이코어 이사
자료 제공: www.icore(icorecorp.com)
