Opto Engineering / 머신비전 시스템의 효율적인 구축을 위한 조명부품 선정 방안 ②
3. 일루미네이션 기하학과 테크닉
특정한 머신비전 과제를 위한 최고의 일루미네이션을 어떻게 결정할 수 있는가? 어느 정도의 신뢰를 갖고 비전 시스템에 적합한 일루미네이션을 결정할 수 있도록 고려해야 하는 여러 측면이 있다.
3.1. 애플리케이션 목적
만약 프린트된 글과 같은 피사체의 결함 혹은 특성을 찾기 위해 표면을 검측하고자 한다면 전면 일루미네이션이 필요하다(카메라 쪽에서 빛이 들어온다). 적절한 빛의 방향이나 대상 면의 입사각과 산란광 혹은 직사광과 같은 특정 표면 특성에 따라 달라지는 광학적 성질도 강조돼야 한다.
다른 면에서 물체의 직경이나 길이를 측정하거나 관통 구멍을 찾고 싶을 때 가장자리에서 대비를 최대화하는 방법은 후면 일루미네이션이다(카메라로 들어오는 빛이 피사체에 의해 차단당한다). 투명한 재질이나 혼합 해결책과 같은 복잡한 상황을 처리할 때 이러한 선택이 분명하지 않을 수도 있다.
3.2. 일루미네이션 각도
전면 또는 후면 조명이 더 적합한지 여부를 결정했으면 빛이 물체 표면에 닿는 각도를 설정해야 한다. 각도가 다를 수 있지만 정면 조명과 후면 조명에 두 가지 중요한 하위 그룹(밝은 필드와 어두운 필드 조명)이 있다. 다음 4가지 조합을 오른쪽에서 설명한다(그림 7).
밝은 영역, 프론트 라이트 일루미네이션 평면에서 반사된 빛은 옵틱(optic)에 의해 흡수된다. 평평하지 않은 특징(결함이나 스크래치와 같은)이 렌즈가 최대로 수용할 수 있는 각도의 바깥에서 빛을 분산시킬 수 있으며 밝은 배경의 어두운 특성을 보여줄 수 있다(명시야 - 그림 8, 10.a, 10.b 참조). 밝은 필드의 전면 조명은 시스템 대칭에 따라 LED바 조명 혹은 링 조명을 통해 생산된다.
두 가지 상황에서, LED 라이트는 매체에 의해 직사광 혹은 산란광이 될 수 있다.
어두운 필드와 전면 라이트 조명의 반사광은 옵틱으로 수렴되지 않는다. 이 경우, 분산된 빛만 잡히고, 어두운 배경의 밝은 특징과 같이 표면의 비평면형 특징을 향상한다(암시야 그림 11, 13.a, 13.b 참조). 다시 한번 말하면, 이런 효과는 통상적으로 저각 링 라이트를 통해 다시 만들어진다(그림 12).
밝은 영역에서는 백라이트 조명이 켜지며, 재질이 불투명하거나(그림14) 투명한 경우 빛이 표면으로 전달되거나 전송된다.
첫 번째 경우에는 객체의 윤곽(흰색 배경에 검은색 객체 - 그림 16, 18 참조)이 표시된다.
후자의 경우 투명 물체의 비평면형 특성은 흰색 배경에 어둡게 나타난다. 두 번째 경우에서, 투명한 표면이 예리한 곡률(예: 플라스틱의 기포 함유)을 나타내지 않으면 콘트라스트는 일반적으로 낮다. 이러한 조명 기법은 확산 백라이트(그림 15.a, 15.b, 16), 또는 텔레센트릭 조명 장치(특히 고 정밀 응용 프로그램용으로 설계된 그림 17과 18)를 써서 수행할 수 있다.
다크 필드나 백라이트 조명에서, 샘플에 의해 투과된 빛과 비평면형 특징을 통해 분산된 빛만이 수렴돼 어두운 배경의 밝은 부분과 같은 특징을 향상한다(그림 19). 투명한 샘플 뒤에 있는 링 라이트나 바 조명으로 얻을 수 있다.
전면 라이트가 직각으로 물체의 표면에 도달할 때 동축 일루미네이션이라고 한다.
동축 일루미네이션은 추가로 시준될 수 있다. 즉, 광축에 어느 정도 평행하는 광선이다. 이러한 광선을 얻기 위해서, 초점 고정이나 매크로 혹은 텔레센트릭과 같이 쓸 수 있는 동축 박스가 있다. 또는, 동축 일루미네이션이 빌트인으로 탑재된 옵토 엔지니어링의 TCCX 시리즈와 같은 텔레센트릭 렌즈도 있다.
콜리메이션(collimation) 정도의 차이는 고 반사 표면의 결함을 찾기 위해 쓰이는 대비 차이에 따라 다른 결과로 나타난다.
- 돔 라이트와 터널 라이트
복합 커브의 구조를 가진 피사체가 특정 표면의 특징을 검측해야 하거나, 여러 각도에서 들어오는 프론트 라이트 일루미네이션이 균일하지 않다는 전제가 있다면, 반사되는 부분을 제거하는 것이 가장 적절한 선택으로 보인다. 돔 라이트는 사실상 모든 방향에서 들어오는 일루미네이션도 제공할 수 있도록 설계됐다. 때문에 이러한 애플리케이션에 가장 이상적인 해결책이다.
돔 라이트는 마치 흐린 날과 같이 고른 빛을 제공하기 때문에 ‘loudy day’ 일루미네이터라고도 한다. 라이팅 기하학의 다른 종류 하나는 터널 일루미네이션이다. 이러한 빛은 길고 얇은 원통형 물체에 고른 일루미네이션을 제공하기 위해 설계됐고 위쪽 부분에 둥근 모양의 조리개를 갖고 있다(돔 라이트와 동일).
- 복합적 고급 일루미네이션 솔루션
굉장히 복잡한 기하학 피사체의 검측을 위해서는 다른 종류의 라이트를 결합해 표면의 결함을 효과적으로 찾을 수 있도록 해야 한다. 예를 들어, 돔과 로우 앵글 라이트를 결합한 것은 전체 시야의 고른 일루미네이션을 제공하는 데 굉장히 효과적이다. ‘복합’ 라이팅을 예로 들면 옵토 엔지니어링의 LTDMLA 시리즈가 있다. 일체형 돔과 저각 링 라이트의 기능을 갖고 있기에 동시 혹은 각기 독립적으로 쓸 수 있다(그림 25 참조).
- 텔레센트릭 일루미네이션
텔레센트릭 일루미네이션은 하단을 포함한 다양한 종류의 애플리케이션에 필요하다.
- 고속 검측 혹은 분류: 텔레센트릭 렌즈와 결합하면 매우 짧은 노출 시간에 높은 처리량을 얻을 수 있다.
- 정확한 가장자리 인식과 결함 분석을 위한 실루엣 이미징
- 빛을 반사하는 원통형 물체의 측정: 백라이트의 분산은 둥글고 빛나는 물체의 가장자리로 부터 원치 않는 반사를 낳을 수 있다. 그럴 경우, 실제보다 작아 보이는 결과를 낳고 정확하지 않은 측정을 하게 된다. 시준 광선은 통상적으로 훨씬 덜 반사된다. 때문에 텔레센트릭 일루미네이터가 효과적으로 ‘경계 효과’를 제거해 정확하고 변치 않는 리딩을 보장할 수 있다(그림 26 참조).
- 정확성, 반복성, 높은 처리량이 고 정밀 측정 애플리케이션의 핵심 요소다.
텔레센트릭 렌즈와 결합한 시준 광선을 쓰는 것은 텔레센트릭 렌즈의 자연적인 피사계 심도를 20~30%정도 증가시킨다(그러나 렌즈의 유형, 빛 파장, 픽셀 사이즈와 같은 다른 요소들에도 원인이 있다).
추가로 물체와 광원 사이의 거리는 탁월한 광 커플링을 써서 이미지 품질에 영향을 주지 않고 넓힐 수 있다. 일루미네이터의 개구수가 텔레센트릭 렌즈의 개구수보다 낮기 때문에 가능하다. 따라서 광학 시스템은 렌즈가 일루미네이터의 피사계 심도와 같은 개구수를 가지고 있다는 전제로 작동하며, 실제 텔레센트릭 렌즈 개구수가 가진 정도의 이미지 해상도를 유지한다.
시준 광선은 곡선 모서리를 가진 피사체의 검측이 필요할 때 최선의 선택이다. 그렇기 때문에 일루미네이션 테크닉은 샤프트, 튜브, 스크류, 스프링, O링 그리고 비슷한 샘플들의 측정 시스템에 널리 쓰인다.
4. 파장과 광학 성능
많은 머신비전 애플리케이션은 준 단색 광원이나 광학 필터를 써서 만들 수 있는 특정한 빛 파장을 필요로 한다. 이미지 프로세싱 시, 적절한 빛 파장을 고르는 것이 피사체의 특정 색상의 특징을 강조하는 중요 요소다. 파장(빛의 색상)과 피사체의 색상의 관계를 그림 27에서 볼 수 있다.
피사체 특징의 색상에 맞는 파장을 쓰는 것은 이 특정 특징을 강조할 것이다. 반대일 때도 그와 같다. 즉, 특징을 어둡게 하기 위해서 반대되는 색상을 쓰면 된다(그림 28 참조).
단색 라이트는 두 종류로 얻을 수 있다. 광학 필터를 써서 센서에 오는 필요 없는 파장을 막거나 단색 원천을 쓸 수 있다. 광학 필터는 특정한 빛의 파장만 투과될 수 있도록 한다. 명시된 파장의 빛만 통과할 수 있도록 하거나(밴드 패스 필터) 원하는 파장을 차단하는 용도(자외선 로우 패스 필터)로 쓰일 수 있다.
반면에, 준 단색 광원은 보통 작은 대역폭안의 특정한 빛 파장만 생산한다. 만약 녹색과 같은 단색광 선택한다면, 녹색이 아닌 특징들은 필터 대역폭과 특징의 색상에 따라 센서에 어두운 회색이나 검정색으로 나타날 것 이다. 백색광을 쓰는 것에 관해 단색광을 써서 손쉽게 대조를 증가시킬 수 있는 쉬운 방법이다(그림 29~34).
편광 필터는 특정한 방향에 특징지어지는 특별한 재질로 구성됐다. 이 방향으로 움직이는 모든 빛이 통과한다. 반면에 파장의 다른 요소들은 보이지 않게 된다. 표면에 반사된 빛은 표면에 평행하는 방향으로 편광된다. 그러한 반사는 두 개의 편광 필터(라이트에 하나, 렌즈에 하나)를 써서 현저히 감소하거나 차단할 수 있다. 편광 필터는 유리나 플라스틱과 같은 반사성 재질을 이미징할 때 일어나는 채광 효과를 없애는 데 쓸 수 있다.
5. 조명 구조
표면의 라이트 패턴 투사는 3D 차원 특징에 대한 정보를 손쉽게 얻도록 한다(그림 35). 예를 들어 카메라가 이미 알려진 각도를 보는 상태에서 카메라에 수직인 라인을 발견한다면, 라인이 투사된 곳을 보고 피사체의 높이를 결정할 수 있다. 이 개념은 그리드, 크로스, 점과 같은 여러 가지 패턴을 써서 연장할 수 있다.
LED와 레이저원 둘 다 패턴 프로젝션을 위해 통상적으로 쓰이지만, 후자의 단점이 더 많다(그림 36). 라인의 레이저 라이트 프로파일은 가우스 모양이며 중앙이 높고 선의 가장자리에서 낮아진다.
그뿐만 아니라 레이저를 표면에 투사하는 것은 ‘반점효과’를 낳는다. 반점효과는 레이저 라이트의 높은 간섭 특징으로 레이저 라인의 가장자리의 선명도를 잃게 하는 간섭 효과를 뜻한다.
레이저 방출과 함께, 일루미네이션의 단면적과 선 폭이 약해진다. 추가로, 레이저 방출 시 선의 가장자리는 번져있고 회절/반점 효과를 보인다. 반면에, LED 라이트를 일루미네이션에 쓰면 이러한 문제들을 없앨 수 있다. 옵토 엔지니어링의 LED 패턴 프로젝터는 더 얇은 선과 선명한 가장자리 그리고 레이저보다 더 균일한 일루미네이션을 갖는다.
빛이 발산되기 때문에 원하는 기능을 가진 물리적 패턴으로 멈출 수 있고 보통의 렌즈에 수렴되거나 표면에 투사될 수 있다. 빛의 강도는 눈에 보이는 반점 없이 투사된 패턴에 의해 지속적이다. LED 라이트는 레이저 라이트보다 훨씬 적은 간섭성을 갖기 때문이다.
자료 제공: Opto Engineering(www.opto-engineering.com)
