패턴영역조명(PAL), 반사·투명 표면의 이미징 단순화

조명 선택 및 설정은 머신 비전 애플리케이션의 성공에 중요한 역 할을 한다. 비전 시스템은 대비를 최적화하거나 관심 있는 특징을 강조하기 위해 특정 유형의 조명을 사용한다. 효과적인 조명 시스 템을 개발하는 것은 여러 유형의 조명과 카메라를 테스트해야 하 는 어려운 작업일 수 있다. ‘패턴 영역 조명(PAL)’은 2D 및 3D 정 성적 방법을 하나의 이미지로 결합하여 반사성, 투명 또는 반투명 재료에 대한 이러한 어려운 이미징 문제 중 일부를 단순화한다.

수년 동안 반사 표면과 투명한 물체의 결함을 감지하는 것은 어 렵고 비용이 많이 들기 때문에 많은 사용자가 솔루션을 사용할 수 없었다. 결함에 크기, 방향 및 모양을 포함하여 많은 변수가 있는 경우, 긍정적인 식별이 어려워진다. 비전 시스템은 매우 개별적인 규칙 또는 매개변수 세트에서 평가하도록 프로그래밍이 된 것에 대해서만 결정을 내린다.

긁힘, 스커프 또는 기타 결함의 차이는 숙련된 검사자 또는 품 질 엔지니어의 눈에는 명백할 수 있지만, 머신 비전을 사용하는 이산 검사 시스템의 렌즈를 통해 볼 때 더 어려워진다. PAL 조명의 목표는 머신 비전 소프트웨어가 결함을 평가하고 결정을 내릴 수 있도록 이미지화 하기 어려운 결함을 개선하는 것이다.

PAL의 캡쳐

PAL과 다른 조명 방법의 가장 큰 차이점은 PAL은 일반적으로 조 명하기 어려운 표면의 단일 이미지에서 모양과 결함을 모두 캡처 한다는 것이다. 조명 표면에 직접 인쇄된 PAL 패턴은 영역 조명 및 가장자리 조명에서 사용할 수 있다. 인쇄된 패턴은 직선에만 국한되지 않는다. 원, 사각형, 바둑판 또는 지그재그 선 패턴을 사 용하여 감지하기 어려운 결함을 제거할 수 있다.

단일 카메라와 PAL이 장착된 조명을 사용하여 단일 노출로 반 반사 또는 고반사 물체의 페인트 벗겨짐, 찌그러짐 및 긁힘과 같 은 여러 유형의 결함을 찾을 수 있다. PAL 이전에는 이 프로세스 가 이러한 애플리케이션을 해결하기 위해 여러 개의 조명, 카메라 및 추가 검사 시간이 필요했을 것이다.

<그림1>처럼 PAL은 표준 백라이트의 변형이지만, 적용 방식은 표준 백라이트 애플리케이션과 많이 다르다. 표준 백라이트와 달 리, PAL은 페인트 표면 및 금속 부품과 같이 반사율이 높은 물체 를 부분적으로 검사하는 데 사용할 수 있다. PAL 조명의 패턴은 표면에서 반사되고 카메라에 의해 이미지화 되어 표면의 연속성 을 깨뜨려 보기 어려운 결함을 강조 표시한다.

PAL에 의해 생성된 대비(콘트라스트)는 반사된 배경 이미지와 대조적으로 결함의 반사를 초래한다. 이러한 고대비 기능 외에도 평행선 또는 기타 형상을 사용하여 표면의 모양을 제한하고 정량 화할 수 있다.

PAL의 성능

다음 데모에서 PAL은 반사 모드와 전송 모드의 두 가지 방식으로사용되었다. <그림2>는 반사 모드에서 PAL 조명 설정을 보여 준다. 반사 모드에서 사용하는 경우 PAL은 반사광 패턴과 관심 물체를 이미지화할 수 있도록 방향이 지정된다. 물체 표면의 변화는 반사된 이미지의 패턴을 이동시키는 역할을 한다. 찌그 러짐과 같은 큰 결함은 원래 패턴에 대한 왜곡으로 명확하게 보인다. 흠집 및 긁힘과 같은 더 작은 결함은 배경 패턴에서 고 대비 형상 오프셋으로 나타난다.

이 기술이 현장에 적용되고 있으며, 계속 발전할 특정 애플 리케이션 요구 사항에 따라 사용할 수 있는 많은 유형의 패턴 이 있다. 그러나 다음 실험실 시연에서는 평행선 패턴이 사용 되었다. 여기에서는 PAL을 반사로 사용하여 광택 표면의 결함 을 찾는 방법을 살펴본다.

PAL은 반사된 패턴이 카메라에 캡처 되도록 표면에 대해 비스듬히 배치된다. 카메라 렌즈는 반사된 패턴 이미지와 칠해진 표면이 모두 피사계 심도 내에 있도록 구성된다.

<그림3>과 <그림4>에서 동일한 고광택 페인트 표면에서 동 일한 영역의 이미지 두 개를 캡처했다. 페인트의 작은 구멍은 배경 조명과 뚜렷이 대비되어 나타난다. 결함이 밝은 선 아래 에 있든 어두운 선 아래에 있든 고대비에서 어떻게 결함을 볼 수 있는지 보여주기 위해 두 개의 이미지를 캡처했다. 밝은 선 과 어두운 선이 아닌 회색 톤으로 나타나는 페인트의 가벼운 스크래치도 있다.

다음 <그림5>와 <그림6>은 동일한 페인트 표면을 사용하지 만 두 가지 다른 유형의 기능을 보여준다. 깊은 스크래치와 스 탬프 문자이다. 스크래치의 아래쪽 가장자리는 빛을 반사하는 반면, 스크래치의 위쪽 가장자리는 어둡다. 이미지 빼기 또는 처리 기술을 사용하여 스크래치만 남기고 배경 조명 패턴을 제 거할 수 있다. 스탬핑된 형상의 구부러진 부분을 중심으로 선 이 갈라지면서 문자가 배경에서 나타난다.

앞에서 언급했듯이 검사 중인 결함 유형에 따라 패턴을 생성 할 수 있다. 예를 들어 작은 표면 변형의 경우 패턴 크기를 결함 크기로 조정해야 한다. 작은 덴트나 결함은 검사 중인 덴트나 결함의 너비에 비례하는 라인 너비의 이점을 얻을 수 있다. 물 론 더 큰 결함을 검사하려면 그 반대를 적용해야 한다.

<그림7~9>에서는 압연 강판에 작은 찌그러짐과 굽힘이 있는 지 검사한다. 인발 가공에서 강철 및 그레인 패턴의 반사율은 이 재료의 형상 품질 결함을 식별하는 데 어려움이 있음을 보여준다.

투명에 빛을 투과

PAL을 사용하는 또 다른 흥미로운 응용 분야는 빛의 전송 또는 방출이다. 전송 광원으로 사용되는 경우 PAL은 백라이트처럼 작 동하지만 투명한 병과 같은 투명한 물체에서 미묘한 변화와 결함 을 찾는 데 도움이 되는 고대비 패턴이 추가된다. 투명한 물체는 패턴이 물체를 통해 굴절함에 따라 빛의 경로에 변화를 일으키고 작은 결함은 배경 패턴과 높은 대비로 나타난다.

<그림10~13>에서는 PAL과 카메라 사이에 투명한 유리병을 놓 았다. 사진은 카메라가 광원에 의해 포화되지 않도록 ‘꺼짐’ 상태 의 PAL을 보여준다. 결과 병 이미지는 조명이 켜진 상태에서 캡처 되었다.

PAL 기술을 사용하면 병의 결함이 명백해진다. 주변 조명 아 래에서 사람의 눈으로 감지하기 어려웠던 유리의 접힌 부분이 이 제 이미지에서 명확하게 감지된다. 마찬가지로 유리의 기포 내포 물이 이제 어두운 점으로 나타난다. 이미지를 자세히 살펴보면 병 표면에 얼마나 불규칙한 부분이 있는지 알 수 있다.

PAL의 다양한 용도

PAL 조명은 카메라가 여러 이미지로 더 작은 영역을 캡처하는 대 신 단일 노출로 더 넓은 표면 영역을 캡처하여 검사할 수 있도록 하여 검사 속도를 높일 수 있다. 물체로부터 일정 거리를 두고 카 메라를 조명으로부터 일정 거리에 배치하고 조명을 통해 보는 방 식으로 작동하는 시중의 다른 유형의 패턴 조명과 달리 PAL은 다 양한 작업 거리와 강도에서 사용할 수 있다.

예를 들어 PAL 백라이트를 물체 아래에 배치하여 유리와 같은 투명한 부분을 통해 볼 수 있다. 차량 도어 미러의 페인트를 검사 하는 것과 같이 반사율이 높은 물체의 결함을 찾을 때 카메라가 빛의 반사를 캡처할 수 있도록 빛의 각도를 조정할 수도 있다.

이 기사 전반에 걸쳐 표시된 PAL의 예는 이미지 후처리 없이 제시되었다. 2D 및 3D 정성적 방법을 하나의 이미지로 결합함으 로써 PAL은 한때 어렵거나 불가능하다고 생각했던 물체를 이미 징할 수 있게 한다.

자료제공: Smart Vision Lights(www.smartvisionlights.com)