머신비전 시스템을 위한 최적의 LED 조명 제어 ⑤
제2장 머신비전 LED 조명 제어 기술
2.2 Hybrid-dimming 제어방법 제안
머신비전을 위한 종래의 LED 조명 제어방법으로 정전압 제어방법, 정전류 제어방법, PWM 제어방법과 스트로브 제어방법이 있다. 각 제어방법은 적용분야가 필요로 하는 특성에 따라서 적용되어 사용하고 있다. 대부분의 LED는 순방향 전압변화에 따라 순방향 전류가 크게 변화기 때문에 머신비전 시스템과 같이 정밀한 제어가 필요한 산업에서는 전압 제어방법을 이용하지 않는다. 정전류 제어방법은 LED의 순방향 전류를 제어하여 광량을 조절한다. 전류 변화에 대한 광량의 변화가 선형적인 특성을 가지고 있지만 전력 대비 누적 발열이 큰 단점이 있다.
현재 머신비전 시스템의 조명제어는 PWM 제어와 스트로브 제어를 주로 사용하고 있다. PWM 제어방법은 간단한 회로구성과 제어가 쉬운 장점이 있지만 과열에 의한 손상과 플리커 현상 등의 문제점으로 인하여 고속정밀제어에 적용하기 힘들다. PWM 제어의 문제해결을 위해 짧은 시간 동안 강한 광 출력이 가능한 스트로브 제어방법이 있다. 그러나 LED 스트로브 제어방법은 짧은 시간에 광 출력을 내기 때문에 광원에 노출되는 시간이 매우 짧고 이로 인해 밝기조절이 어려운 단점이 있다.
본 논문에서는 스트로브 제어방법이 갖는 단점을 보완하고 장점을 살린 hybrid-dimming 제어 기술을 제안한다. Hybrid-dimming 기술은 정전류 제어와 스트로브 제어방법을 겸용한 방법으로 LED 구동전류와 on-time을 각각 제어할 수 있어 기존의 스트로브 제어방법과 비교하여 향상된 머신비전용 LED 조명 성능을 가지고 있다.
2.2.1. Hybrid-dimming 제어 회로
그림 2.12와 같이 hybrid-dimming 제어 회로는 2개의 FET가 직렬로 연결된다. 그림 2.12에서 상부에 위치한 제어 회로는 LED에 흐르는 전류를 제어한다. DAC, 연산증폭기 그리고 구동 FET로 이루어져 있다. 연산증폭기의 비반전 입력과 DAC의 출력이 연결되어 있다. 연산증폭기의 반전 입력에는 저항 R1의 전압이 연결되어 있다. 연산증폭기의 출력단은 FET의 gate에 연결된다. 연산증폭기는 비반전 입력 단자의 전압과 반전 입력 단자의 전압이 같아지도록 출력 전압이 조절되는 특징을 가지고 있다.
DAC의 출력은 연산증폭기의 비반전 입력에 입력되어 연산증폭기를 제어하게 되고 연산증폭기는 R1의 전압이 연산증폭기의 비반전 입력 전압과 동일한 전압이 될 수 있게 출력을 제어한다. 연산증폭기의 출력 전압을 조절하여 R1에 흐르는 전류를 제어하고 LED와 R1은 직렬로 연결되어 있어 최종적으로는 LED에 흐르는 전류가 제어된다.
그림 2.12의 하부에 위치한 회로는 LED에 공급하는 전력의 시간인 on-time을 제어하는 기능을 담당한다. FET의 gate 커패시터가 충전되면 전력 디바이스가 turn-on 되고 그때 drain 단자와 source 단자 사이에 전류가 흐른다. Gate 커패시터가 방전되면 전력 디바이스가 turn-off 되고 drain 단자와 source 단자 사이의 전압이 차단된 상태가 된다. 하부에 위치한 FET는 스위치로서 동작하고 있으며 정상동작을 위해서는 gate 단자와 source 단자에 임계 전압보다 높은 전압이 인가되어야 한다.
2.2.2 Hybrid-dimming 제어의 구동 원리
Hybrid-dimming 제어의 하드웨어 구동은 아래와 같다. 그림 2.12에서 상단 FET Q1의 전류 제어는 FET의 gate 단자에 인가하는 전압을 제어하여 drain 단자에서 source 단자로 통하는 전류를 제어한다. 이때 에 인가하는 전압은 4096개의 분해능을 갖는 DAC로 제어하고 있으며 전압의 제어범위는 0 ~ 5V 까지 가변 할 수 있도록 하였다.
Q1의 가변 범위는 별도의 보정 과정을 통해 설정되며 이를 통해 최대 출력 전류를 원하는 범위로 설정할 수 있게 된다. 하단 FET Q2는 스트로브 제어를 한다. FET의 gate 단자에 인가하는 전압을 순간적으로 빠르게 스위칭하여 Q2의 drain 단자에서 source 단자로 흐르는 전류를 차단 혹은 통과 하도록 설계한다. 이때 Q2의 의 가변은 별도의 스위칭 회로를 통해 이루어지며 수십 까지 고속 스위칭이 가능하도록 설계한다.
모든 동작은 외부 입력 신호인 트리거 신호에 맞추어 동작하며 전류 제어 및 on-time 제어 신호는 MCU 펌웨어 설계에 따라 순차적으로 발생된다. 본 논문에서 제안하는 hybrid-dimming 제어의 하드웨어 구동에서 전용 DAC를 통해 Q1의 를 제어하여 결과적으로 전류를 제어 할 수 있도록 설계하였다.
2.2.3 전류 및 출력 on-time 제어
Hybrid-dimming 제어방법은 LED에 흐르는 순방향출력 전류와 on-time을 각각 제어할 수 있어 때문에 머신비전과 같은 자동검사 장치의 검사 대상에 따라 광량의 변화 시킬 수 있는 자유도를 증가시킬 수 있다.
그림 2.13과 2.14는 오실로스코프의 전류 프로브를 이용하여 회로에서 출력되고 있는 전류 파형과 동작 기준이 되는 입력 트리거 신호를 측정한 사진이다. CH1은 트리거 신호를 측정하였으며 CH2는 순방향전류를 측정한 결과이다. 그림 2.13은 on-time을 38로 고정하고 출력 전류를 900와 500로 설정한 실험이다. 그림 2.14는 출력 전류를 900로 고정하고 on-time을 38와 20로 설정한 실험이다.
2.3 라인 스캔 LED 조명 제어의 User calibration 기술 제안
라인 스캔 카메라는 그림 2.15와 같이 프레임 카메라와 달리 단 1개의 라인을 이용하여 개체 전체를 이미지화 하는 카메라이다. 이 기술은 종이, 금속, 섬유 등과 같이 연속적이고 고속 이미지 처리가 필요한 애플리케이션에 주로 사용된다.
라인 스캔 카메라를 위한 라인 스캔 조명은 사용자의 요구 조건에 맞추어 높은 광량과 뛰어난 균일도가 제공되어야 한다. 라인 스캔 조명의 광량과 균일도와 함께 LED 조명 제어방법도 중요한 성능 지표이다. 라인 스캔 카메라는 고속으로 동작한다. 따라서 라인 스캔 조명 제어기는 PWM 제어방법이나 스트로브 제어방법을 적용하기 힘들다. 이로 인하여 정전류 방법의 조명 제어를 주로 선택하고 있다.
대부분의 라인 LED 조명은 모든 영역의 밝기 편차를 줄여 우수한 균일도를 제공한다. 그러나 안정적인 균일도 조건에서 동일한 시스템으로 영상을 검출하더라도 취득한 이미지는 라인 스캔용 LED 조명의 사용 환경에 따라 간섭을 받기 때문에 라인 스캔 비전 시스템 마다 일정한 영상을 취득할 수 없다. 라인 스캔용 LED 조명의 균일한 광량이 검사 대상의 영상 검출에 방해가 될 수 있기 때문에 조명이 적용되는 사용 환경에 따라 적절하게 설정할 필요가 있다.
본 논문에서는 광량과 균일도 환경을 시스템에 최적화하기 위한 오프셋 보정과 기울기 보정 기술인 ‘User calibration’을 제안한다. User calibration은 조명의 전체 광량을 재설정하여 원하는 광량으로 제어하는 기술이다. User calibration을 이용하면 어느 특정 밝기의 광량만 균일하게 맞추는 것이 아니라 광량 조절이 필요한 영역 전체에서의 광량에 대한 선형성을 제공한다.
User calibration 기술은 원하는 광량으로 자유롭게 설정할 수 있다. 이러한 특징은 조명을 사용자가 원하는 형태의 균일도로 조명의 밝기를 보정할 수 있다. 따라서 조명이 사용되는 환경에 따른 간섭을 보상하여 최적의 이미지를 검출을 보장한다.
2.3.1 라인 스캔 시스템의 구성
그림 2.16은 라인 스캔 카메라의 동작 모사도이다. 그림 2.16에서 보는바와 같이 라인 스캔 비전 시스템 구성은 라인 카메라, 라인 스캔 광원, 그리고 이송 장치로 구성되어 있다.
그림 2.17는 라인 스캔 시스템에 사용되는 라인 스캔 광원을 나타낸 그림이다. 라인 스캔 광원은 LED와 렌즈 그리고 확산판(diffuser)으로 구성되어 있다. LED 구성은 회로에 따라 다르게 구성되며 보통 다수의 LED가 직렬로 연결된 일렬 구성이 사용된다. 직렬로 구성되어 있는 LED를 일정한 간격의 채널로 나눠서 제어할 수 있다. 렌즈는 LED에서 발광하는 빛을 집광 시켜주는 역할이다. 확산판은 집광된 빛을 고르게 분포시키는 역할을 한다.
그림 2.18은 라인 스캔 광원의 발광면을 보여주고 있다. 그림의 왼쪽은 LED 유닛에 대한 발광면을 나타낸다. 그림의 오른쪽은 LED와 렌즈 그리고 확산판의 결합 형태의 발광면을 나타낸다.
그림 2.19는 휘도계를 사용하여 LED 선광원의 휘도를 측정한 그래프이다. 채널에 따라 LED의 휘도차이가 있음을 보여주고 있으며 양쪽의 가장자리에서 휘도가 감소하는 것을 보여준다.
2.3.2 라인 스캔 광원 제어회로
그림 2.20은 라인 스캔 광원의 제어 회로이다. 제어 회로는 LED에 공급하는 전류를 제어하는 부분으로 주요 구성부는 DAC, 연산증폭기 그리고 구동 FET이다. 연산증폭기의 비반전 입력에는 DAC의 출력이 연결되어 있다. 반전 입력에는 저항 R1에 걸리는 전압이 연결되어 있다. 연산증폭기의 출력단은 FET의 gate 단자와 연결되어 있다. 연산증폭기는 비반전 입력 단자에 입력된 전압이 반전 입력 단자에 입력된 전압과 같아지도록 출력을 제어하는 특성을 갖고 있다.
DAC의 출력 신호를 통해 연산증폭기의 비반전 입력전압을 제어하고 연산증폭기의 출력은 R1에 걸리는 전압이 비반전 입력 전압과 동일한 전압이 되도록 출력전압을 조절한다. 출력 전압의 제어를 통해 R1에 흐르는 전류를 제어하고 LED와 R1은 직렬로 연결되어 있기 때문에 최종적으로는 LED에 흐르는 순방향전류를 제어할 수 있다.
2.3.3 User calibration 기술
2.3.3.1 오프셋 보정
오프셋(offset)을 보정하는 방식은 해당 밝기 값에 보정을 위한 오프셋을 더하는 방식이 사용된다. 그림 2.21은 오프셋 보정에 이용하여 균일한 휘도로 제어한 예시이다. 그림 2.21에서 스텝(step)은 입력 전류에 비례하는 값이다. 기존의 밝기값이 100이라면 오프셋을 10으로 설정하였을 경우 실제 적용되는 밝기값은 110이 된다.
그림 2.21과 같이 CH-2와 CH-3에 비하여 CH-1이 상대적으로 높은 밝기값을 유지하고 있는 경우, 음(-)의 값을 오프셋 설정값을 설정할 수 없기 때문에 밝기값 편차가 발생한 만큼 CH-2와 CH-3의 오프셋을 크게 설정해야 한다.
그림 2.21과 같이 모든 채널의 기울기 특성이 일치하여야만 오프셋 설정만으로 해당 채널 간 출력 특성을 동일하게 맞출 수 있다. 적용하는 오프셋 값을 구하는 방식은 뒤에서 자세히 설명한다.
2.3.3.2 기울기 보정
기울기 보정은 해당 채널의 밝기값에 적절한 배수값(Multiply)을 곱해주어 이루어진다. 배수값을 선정하는 방식은 다음과 같다. 그림 2.22의 LED는 CH-2를 기준으로 CH-1은 상대적으로 높은 비율로 증가하고 CH-3은 낮은 비율로 증가하고 있다. 이러한 경우에 배수값의 설정은 CH-2를 기준으로 CH-3은 증가 비율을 높여야 하며 CH-1은 증가 비율을 낮춰야 한다.
밝기값 증가량에 따른 채널간 밝기 편차 비율에 따라 증가 비율을 적용하면 된다. 하지만 모든 채널의 증가 비율을 알지 못하는 상태에서 기울기 특성을 결정지을 수 없기 때문에 최대 밝기에 해당하는 밝기값(goal step)을 구하고 다음 최대 제어스텝(max step)으로 나눠야 한다. 즉 식으로 표현하면 식 (2)와 같다.
그림 2.22와 모든 채널의 오프셋 특성이 ‘0’으로 일치해야 할 때 배수값 설정만으로 채널 간 출력 특성을 동일하게 맞출 수 있다. 적용하는 기울기를 구하는 방식은 뒤에서 자세히 설명한다.
2.3.3.3 오프셋과 기울기 동시 보정
앞선 설명에서는 오프셋 특성이 동일한 상태 혹은 기울기 특성이 동일한 상태에서의 채널 간 발생하는 편차를 줄이는 방식을 기술하였다. 그러나 LED, MCU(micro controller unit), FET등 제어소자의 물리적인 특성이 일치하지 않는 이상 한 가지 특성을 보정하여 채널 간 발생하는 밝기 편차가 보정하기는 매우 어렵다. 오프셋만 보정하거나 기울기 특성만 보정하는 경우는 거의 드문 경우이고 일반적으로 오프셋과 기울기 특성을 모두 보정하여야 한다.
그림 2.23(a)는 모든 채널의 오프셋과 기울기 특성이 모두 달라 채널 간 밝기 편차가 발생하는 경우이다. 오프셋과 기울기 특성이 모두 다르기 때문에 오프셋 값을 쉽게 결정지을 수 없다. 모든 특성이 다르기 때문에 채널 간에 발생하는 편차를 이용하여 오프셋 및 기울기 특성을 구할 필요가 있다.
이와 같은 경우 채널 간 편차를 감소시키기 위해 밝기값의 최소값과 최대값에 대한 기준을 정하여 보정값을 산출한다. 실험을 통해 기준이 되는 밝기의 최소값 및 최대값은 평균치로 산출한다. 채널에 대한 최소값과 최대값에 대한 밝기를 구했으면 기울기 보정에 해당하는 배수값을 산출하는 계산식은 식(3)과 같다.
그리고 오프셋에 대한 계산식은 식(4)와 같다.
그림 2.24는 CH-1과 CH-2의 오프셋과 기울기 동시 보정의 경우를 나타낸다. CH-2 기준으로 CH-1의 기울기와 오프셋을 보정하려면 CH-1의 기울기 증가폭을 감소시켜야 하며 오프셋은 높게 설정해야 한다. CH-2는 최대 광량(goal step)은 19,000lux에 해당하고 제어 스텝은 999스텝(max step)이며 최소 광량(min step)은 2,000lux에 해당하며 제어 스텝은 1스텝(min step)이다.
반면 CH-1은 최대 광량인 19,000lux에 해당하는 제어 스텝은 768스텝(goal step)이고 최소 광량(min step)인 2,000lux에 해당하는 스텝은 10스텝(min step)이다. CH-1을 CH-2와 동일한 특성으로 설정하기 위해서는 CH-1의 최대 밝기값(goal step)은 19,000lux에 해당하는 999스텝이 되야 하고 최소 밝기값(min step)은 2,000lux에 해당하는 1스텝이 되도록 기울기와 오프셋을 보정하여야 한다. 이를 식(2)에 적용하면 제어 범위는 1~999이며 배수값은 최대 밝기 값에서 최소 밝기 값을 빼고 최대 제어 스텝으로 나눈 0.76이 된다. 이를 식으로 나타내면 식 (5)와 같다.
식 (4)로부터 오프셋은 1스텝 기준으로 배수값에 offset을 더한 값이고 이를 offset에 대하여 식을 다시 정리하면 식 (6)과 같다.
이때 1스텝에 해당하는 최소 밝기값(min step)은 2,000lux에 해당하는 10이 되어야 하기 때문에 식 (7)과 같이 9.24가 된다.
이와 같이 기울기 배수값과 오프셋에 대한 보정값이 산출 가능한 이유는 정전류 제어를 이용하여 LED 휘도를 제어하기 때문이다. 정전류 회로는 해당 제어 스텝에 비례하여 일정한 전류 출력 특성을 가지고 있어 회로에 인가하는 전류를 일정하게 유지한다.
LED 소자의 특성상 인가된 순방향전류에 비례하여 광 출력이 발생한다. 때문에 정전류 회로를 이용한 순방향전류 제어를 통하여 밝기 값에 대한 보정을 할 수 있으며, 채널 간 밝기 편차를 감소시킬 수 있다. 이러한 방식을 통해 LED 조명의 발광면 전체에 대한 균일도를 개선할 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」 54~68p
