머신 비전 조명 시스템에 대한 유용한 지식 ④
Lumimax
5. 형광 애플리케이션
UV 조명은 재료가 '발광'하기 위해 여기가 필요한 경우 항상 사용한다. 여기 파장은 사용한 형광 매체에 따라 다르지만, 자외선에서 근적외선까지 전체 스펙트럼 내 어디에서나 발견할 수 있다. 산업 공정에는 주로 자외선을 사용하므로, 이 부분은 자외선 조사를 사용하는 응용 분야에 중점을 둔다. 다양한 산업에서 형광 응용이 필요하다.
일반적인 애플리케이션에 대한 간략한 개요:
■ 접착제, 페인트, 실런트 및 윤활제 검사
■ 가짜 및 모조품에 대한 보호로서 안전 기능 및 표시 검사
■ 제품 라벨링
■ 추적(Track & Trace)
■ 잔류물 분석,잔류 오염
■ 균열 및 결함 검사
■ 법의학 분석
위에서 설명한 '빛나는'은 물질에서 빛을 방출하는 발광을 말한다. 발광은 자극 상태에서 기본 상태로 전환하는 동안 발생하는 광학 방사선이다. 형광과 인광 사이에 주요 차이점이 있다.
■ 형광(fluorescence) 물질은 자극을 받는 동안 빛을 방출한다. 특정 파장의 방사선에 노출되면 빛을 내기 시작한다.
■ 인광(Phosphorescence)은 비슷한 효과를 나타내지만 조사가 끝난 후에도 재료가 계속 빛난다. 이 ‘잔광’은 몇 시간 지속될 수도 있고, 잠시 후에 사라질 수도 있다. 지속 시간은 조도 및 인광 물질 자체에 따라 달라진다.
특별한 필터를 사용하지 않고 인광 물질을 검사할 수 있지만, 형광 물질에서 반복되는 문제 한 가지는 방출된 광이 흡수된 광보다 에너지가 적다는 것이다.
형광은 사람의 눈에 잘 보이기 때문에 글로우가 카메라에 의해 명확하게 이미지화될 것이라는 오해로 이어진다. 카메라는 자외선 스펙트럼에서 훨씬 더 민감하지만, 사람의 눈은 자외선을 거의 기록하지 않는다. 실제로 글로우는 UV 조명의 광도보다 훨씬 약하다. 카메라 이미지에서 UV 광은 자극된 물질의 형광보다 우수하다. 신뢰할 수 있는 공정 검사를 보장하기 위해 대비가 너무 약한 경우가 종종 있다.
렌즈 및 조명 필터 없이 이미지 획득:
이러한 어려운 작업을 안정적으로 해결하려면 특수 필터와 결합한 고성능 LED 조명 시스템을 사용하는 것이 좋다. 여기서 가장 중요한 요소는 적합한 렌즈 필터를 선택하는 것이다. 이상적으로 형광 물질의 파장과 정확하게 일치하는 대역 통과 필터를 사용할 것이다. 예를 들어, 재료가 파장 430nm에서 빛나면, 다른 모든 파장을 거부하면서 정확하게 이 파장을 통과시키는 필터가 선택된다.
이것은 주변광뿐만 아니라 필요한 대부분의 자외선을 차단한다. 그러나 백색 형광의 경우처럼 항상 이것이 가능하지는 않기 때문에 롱 패스 필터를 사용할 수도 있다. UV 조명 시스템의 모든 미광을 차단하기 위해 선택한다.
렌즈 필터는 있지만 조명 필터가 없는 이미지 획득:
UV LED는 매우 넓은 스펙트럼의 빛을 방출하며, 그중 일부에는 가시적인 푸른 빛이 포함되어 있다. 청색 또는 백색 형광은 광원의 스펙트럼과 형광이 매우 가깝기 때문에 렌즈 필터의 선택을 더욱 어렵게 만든다. 여기에는 나머지 조명을 모두 약화하면서 실제로 필요한 UV 광선만 투과시키는 특수 조명 필터를 사용한다.
렌즈 필터 및 조명 필터를 사용한 이미지 획득:
완벽하게 일치하는 렌즈 및 조명 필터와 결합한 고성능 LED 조명을 사용하면 조명 시스템의 빛과 주변의 산만한 빛을 모두 제거할 수 있다. 결과적으로 형광 특징은 어두운 배경에서 카메라 이미지의 밝은 영역으로 나타난다.
6. 표준 판독(검증) 및 코드 검증을 위한 조명 시스템
미래의 기술을 사용하면 제품이 최신 완전 자동화 설비에서 자체 제조 공정을 제어한다.
기계가 판독 가능 제품 라벨링을 통해 혁신적인 추적 절차를 통해 제조 프로세스, 기계 용량 활용도, 비용 및 제품 품질을 최적화할 수 있다. 그러나 'Industry 4.0'의 비전은 제품과 기계 간 통신에 결정적으로 달려 있다. 고품질의 제품 코드만이 부드럽고 오류 없는 정보 흐름을 보장할 수 있다. Machine Vision 기반 코드 검증 덕분에 잠재적인 문제가 발생하기 전에 해결할 수 있다.
'스마트' 공장에서 제품은 기계와 직접 통신한다. 제품 코드를 통해 제품 자체는 다음에 수행해야 할 단계를 시스템에 알려준다. 그리고 정보 덕분에 각각의 개별 제품에 대해 전체 생산 공정을 추적할 수 있다.
이는 최적의 공정 흐름 제어를 보장한다. 제품 라벨 애플리케이션의 다양성이 프로세스 최적화 및 품질 검사에서 멈추지 않는다. 최종 사용자에게 필요한 모든 정보를 제공하기 위해 데이터 매트릭스 코드를 사용할 수도 있다. 제품 추적성은 예를 들어 위조 의약품과의 싸움과 같이 점점 더 중요해지고 있는 또 다른 영역이다.
그러나 이러한 종류의 시스템이 올바르게 기능할 수 있을지는 제품 코드 스캔이 믿을만 한지에 달려있다. DPM(Direct Part Marking) 코드는 특히 내구성이 강하고 오래간다. DPM 기술을 사용하면 기계에서 읽을 수 있는 코드가 제품에 직접 영구적으로 표시된다. 추가 제품 라벨이 더 이상 필요하지 않다. 그런 다음 표준화된 절차를 사용하여 코드 품질을 검증한다.
이상적으로는 마킹 직후 및 마크가 나중에 영향을 받을 때마다 플랜트에서 발생한다. 추세 분석은 마킹 프로세스가 항상 오류 없이 진행되도록 하는 데 사용한다. 마킹 시스템의 품질이 떨어지기 시작하면, 이 문제는 실제로 마크를 읽을 수 없게 되기 전에 조기에 발견할 수 있다. 바로 최악의 경우 시간이 오래 걸리는 재작업 또는 폐기를 피할 수 있다. 검증 절차는 전체 생산 과정에서 그리고 그 이후에도 코드의 100% 가독성을 보장한다. 조명 상황은 표준에 따라 판독 및 검증 프로세스를 실행하기 위해 카메라 및 소프트웨어 요소와 함께 결정된다.
표준 호환 설정에는 항상 카메라의 90° 시야각이 필요하므로 카메라는 시험편에 수직으로 위치해야 한다. 이 시야각을 변경하면 코드의 축 방향 불균일이 발생하여 품질 평가 결과가 좋지 않다.
DPM 매트릭스 코드를 검증하기 위한 프레임 워크는 표준 ISO/IEC TR 29158(AIM DPM)에 의해 제공된다. 인쇄된 코드의 경우 표준 ISO/IEC 15415/15416을 참조한다. 검증 기준 및 절차 외에도 표준은 이미지 스캔을 위한 정확한 파라미터를 정의한다. 이렇게 하면 선택한 구성 요소로 인해 코드가 손상되지 않는다. 이에 따라 머신 비전 시스템의 설계는 부품 기판뿐만 아니라 사용한 마킹 또는 인쇄 시스템의 특성에도 기반을 둔다.
조명 시스템은 머신 비전 시스템을 선택할 때 특히 중요한 역할을 한다. 적용되는 표준에 따라 3개의 개별 조명 배열이 허용된다(30° 또는 45° 각도에서 1, 2 또는 4개의 조명 시스템 배열). 매우 반짝이거나 반사되는 표면의 경우 동축 조명 시스템 또는 돔 조명 시스템도 배포할 수 있다.
인쇄 코드용 ISO/IEC 15415/15416
ISO/IEC 15415/15416 표준은 표준을 준수하는 코드 판독 및 검증을 위한 3가지 조명 버전을 정의하며, 표면에 45° 각도로 정사각형으로 배열된 조명 4개가 표준 조명으로 정의된다. 그러나 용도에 따라 각도를 표면에 대해 30°로 줄일 수도 있다.
광택 및 반사 표면과 같은 특수한 조건에서 확산 조명도 허용되며, 물체에 대해 90° 각도로 다시 배치된다. 따라서 광장은 표면과 평행하다. 이러한 애플리케이션에는 동축 반사 조명이 사용된다. 이러한 유형의 조명을 사용하면 렌즈 빔 경로에서 직접 반투명 반사판 위에 확산된 균일한 광원이 장착된다. 이것은 객체에 매우 균일하고 그림자가 없는 조명을 제공한다.
직접 부품 마크 코드를 위한 ISO/IEC TR 29158
ISO/IEC 15415/15416과 달리 ISO/IEC TR 29158은 직접 부품 마크 코드를 위한 5가지 관련 조명 변형이 허용된다. 표면에 45°의 각도로 조명 4개를 배치하는 것은 직접 부품 마크 코드에 대한 표준 호환 설정으로 간주하지 않는다.
그러나 이 표준에서는 사각형에 조명 시스템이 4개 있거나 조명 시스템 2개가 서로 마주 보거나 단일 조명 시스템으로 변형된 형태로 30° 배열을 권장한다.
시험편의 재료와 모양에 따라 적절한 버전을 결정할 수 있다:
■ 평면, 무광택 및 거친 표면: 4면 30° 조명 배열
■ 곡면 및 회전 대칭 표면: 양면 또는 단면 30° 조명 배열
■ 광택 및 반사 표면: 동축 또는 돔 조명
■ 구조가 복잡한 광택 있는 표면: 돔 조명
표준 설정
간단한 통합
조명 시스템과 테스트 객체의 설정은 표준을 준수하는 코드 판독 및 검증에 중요한 요소이다. 표준을 준수하고 재현 가능하며 공장 설비에 조명을 간단하게 통합하기 위해 고객은 LUMIMAX® 마운팅 시스템에 의존할 수 있다.
LUMIMAX® Verification Adapter는 동축 또는 돔 조명 시스템 장착을 위한 흥미로운 옵션 중 하나를 제공한다. 이것은 조명을 카메라 시스템에 직접 장착할 뿐만 아니라 사전 정의된 방식으로 조명을 피벗 및 인출할 수 있다.
이를 통해 카메라, 광학 및 조명을 최적으로 구성할 수 있으며 설정을 변경하지 않고도 보호 튜브를 끝에 장착할 수 있다. 이를 위해 조명을 간단히 돌리고 보호 튜브를 쉽게 부착할 수 있다. 조명은 이전에 구성된 정확한 위치로 다시 회전한다. LUMIMAX® Verification Adapter는 모든 판독 장치에서 재현 가능한 설정을 보장한다.
LSB 시리즈의 LUMIMAX® Miniature Bar Lights에는 혁신적인 마운팅 시스템을 사용할 수 있으며 마운팅 브래킷 내에 4면, 2면 및 1면 조명 시스템으로 설치할 수 있다.
Bar Lighting System의 표면에 대한 표준 준수 45° 및 30° 각도를 보장하기 위해 표준 준수 설정을 보장할 수 있는 장착 지점이 이미 표시되어 있다. 입사각은 또한 7.5° 단위로 0°와 90° 사이에서 경될 수 있다. 이 마운팅 시스템을 LUMIMAX® Verification Adapter에 부착하여 조명 시스템을 사전 정의된 표준 호환 위치로 간단하게 피봇할 수 있다.
7. 쉐이딩에서 셰이프 애플리케이션을 위한 조명 기술
문제가 있는 표면의 신뢰할 수 있는 자동 검사는 머신 비전을 위한 기술적인 여행 수단이다. 여기에는 표면 결함 감지와 테스트 기준식별이 모두 포함된다. 그러나 사람이 단순히 물체를 바라보는 것으로 종종 만들 수 있는 것은 기념비적인 도전과 함께 머신 비전 시스템을 제시한다.
표면의 미세한 결함과 특성을 식별하는 것은 자체적으로 충분한 작업이지만 다양한 모양, 질감, 색상, 표면 변형 및 반사 특성으로 인해 훨씬 더 어려워진다. 기존의 머신 비전이 그에 부합하기 시작하는 곳은 쉐이딩에서 셰이프가 차지하는 곳이다(shape-from-shading).
머신 비전 시스템과 조명의 완벽한 공생이다. 쉐이딩은 테스트 개체의 텍스처와 지형의 경계를 기반으로 한다. 이것은 다양한 방향에서 캡처한 여러 이미지로 테스트할 영역을 검사하여 달성된다. 각 이미지는 표면의 방향에 따른 음영을 충실하게 캡처한다. 이러한 명암 영역은 추가 처리에 필요한 높이 및 깊이 데이터를 제공한다. 그런 다음 개별 이미지는 출력이 테스트 객체에 대한 지형 정보를 제공하는 집계 계산으로 공급된다. 이것은 거의 3차원을 만든다.
통상적으로 획득한 이미지에서, 색상 차이, 밝기 변화, 조직 특징 및 녹과 같은 표면 결점은 평가를 변경하는 작용을 할 것이다. 쉐이딩에서 셰이프를 사용하면 이러한 외란 요소가 사실상 보이지 않게 되어 표면의 3D 정보만 남는다. 그러면 몇 미크론 밖에 안 되는 높이나 깊이의 결함이나 특성조차도 눈에 보이게 된다. 출력 이미지는 OCR 감지 또는 에지 감지 소프트웨어와 같은 표준 머신 비전 알고리즘을 사용하여 빠르고 안정적으로 평가할 수 있다.
쉐이딩에서 셰이프를 사용하는 일반적인 응용 분야는 다음과 같다:
■ 반사도가 높은 배경에서 표면 검사
■ 스탬프 번호 확인, 엠보싱 및 조각
■ 스팟 또는 레이저 절단 문자 및 코드 읽기
■ 모서리 검사
■ 조립 검사(예: 다양한 플라스틱 조각을 결합할 경우)
■ 종류 및 위치 확인
예를 들어, 지형 및 색상 정보를 분리하여 인쇄된 의약품 포장의 점자 점을 다색 배경과 명확하게 구분하여 정확성을 확인할 수 있다.
그러나 주조 부품 및 반사율이 높거나 광택이 있는 금속과 같이 훨씬 까다로운 표면도 쉐이딩에서 셰이핑으로 표현할 수 있으므로 엠보싱 또는 스탬핑된 수와 같은 특징을 확실하게 평가할 수 있다.
이 방법의 핵심에는 정교한 머신 비전 알고리즘이 있다. 쉐이딩에서 셰이프라는 이름에서 알 수 있듯이 조명과 쉐이드는 일반적인 머신 비전에서와 같이 여기서 중요한 역할을 한다.
특수한 소프트웨어 알고리즘에도 불구하고 조명은 이미지를 생성하는 데 가장 중요한 요소 중 하나이다. 특히 다양한 그림자 이미지를 사용하여 높이 및 깊이 정보를 결정하는 이 방법의 경우, 카메라 및 테스트 객체에 대한 조명의 배치는 최적의 결과를 달성하기 위한 결정적인 요소이다.
다양한 유형의 반사광 설정을 여기에 배포할 수 있다. 하나의 전제 조건은 조명이 테스트 개체 주위의 개별 전환 가능한 세그먼트로 구성되어야 한다는 것이다. 재료, 표면 특성 및 테스트 대상의 크기와 작업 거리를 고려한 후 일반적으로 다음과 같은 조명이 사용된다.
■ 정사각형 또는 직사각형으로 배열된 바 조명(Bar lighting)
■ 전환 가능한 세그먼트의 배열로서 링, 암시야 또는 돔 조명
바 조명은 매우 유연한 옵션이다. 이러한 시스템은 작업에 대한 위치, 거리 및 각도와 관련하여 자유롭게 배치하고 쉽게 조정할 수 있다.
이러한 종류의 조명 설정(LSB 시리즈의 미니 바 조명 4개로 구성됨)은 조명의 높은 강도를 보장하면서 유연성을 극대화한다.
매우 평평한 빔 각도로 인해 표면의 아주 작은 변화에도 날카로운 그림자가 발생한다. 링 내부와 같이 피처가 숨겨져 있으면 조명을 높이고 가파른 각도로 배열할 수 있다.
예: 금속 부품 내부의 가공된 문자
그러나 일부 표면은 이런 종류의 배열로 최적의 조명을 받을 수 없다. 매우 반짝이고 반사되는 표면은 개별 막대 조명의 가장자리 사이의 맞대기 조인트를 반사한다. 이러한 경우에, 인접한 조명 시스템을 갖는 것이 유리하다.
4개 이상의 개별적으로 제어 가능한 세그먼트를 갖고, 시험 표면의 반사율에 따라 다양한 강도의 확산기를 장착할 수 있는 링 조명 시스템이 여기서 좋은 대안이다. 돔 조명은 매우 반짝이거나 반사되는 부품을 조명하는 또 다른 탁월한 선택이다.
마찬가지로, 암시 야 조명 시스템이 제공하는 고 지향성 조명은 깊이 나 높이가 거의 없는 표면 변형에 이상적이다. 테스트를 수행하지 않고 주제의 복잡성과 초기 결과를 예측하기 어렵기 때문에 머신 비전의 각 프로젝트에 대해 최적의 조명 배열을 결정해야 한다. 조명이 적절한 경우에만 머신 비전 문제를 빠르고 안정적으로 해결할 수 있기 때문이다.
자료 제공: Lumimax(www.lumimax.com)
