머신 비전 ‘조명’ 최적화 방안

조명은  머신 비전 애플리케이션의 기본이다. 적절한 LED를 선택 하면 최상의 명암비와 효율성이 보장되며 광학, 기계 및 전자 장치는 주어진 응용 분야의 요구 사항을 충족한다. 또한 펌웨어 및 GUI 옵션은 최적의 조명 설정을 추가로 지원한다.

이 기사에서는 이러한 각 고려 사항에 대해 설명하고 적용 예를 제공한다. 머신 비전은 일반적으로 표본을 검사하거나 측정하는 것이다. 먼저 기본 형상 전면 또는 후면 조명 기술 그리고 카메라 위치 등의 결정이 필요하다. 최적화된 머신 비전 시스템 보장을 위해 조명 선택을 신중하게 고려해야 한다. 조명 자체는 LED, 광학, 기계, 전자 및 펌웨어 등의 여러 요소로 구성된다.

애플리케이션에 따른 LED 선택 시의 고려 사항

광학은 머신 비전 조명 최적화에 중요

광학 모델링, 다양한 광학 접근 방식 및 재료 선택을 포함한 광학은 머신 비전 조명을 최적화하는 데 중요한 부분이다. 광학 모델 링의 주요 이점은 사용자가 프로토타이핑 전에 디자인을 빠르고 저렴하게 시험해 볼 수 있다는 것이다. 보다 복잡한 설계의 경우 광학 모델링은 예를 들어 렌즈의 곡률이나 반사경의 모양을 최적화할 수 있는 기회를 제공한다.

다양한 광학적 접근 방식

일부 애플리케이션에서는 대상 위치가 광원에 너무 가까워서 렌즈가 개선되지 않을 수 있으며, 이 경우에는 렌즈를 사용하지 않는다. 예를 들어, 치과용 이미징 애플리케이션에서 빛이 대상에 너무 가깝게 위치하여 작동 거리에서 빛이 이미 밝고 빛이 대상에서 발산할 기회가 많지 않다. 이 경우 렌즈는 필요하지 않다. 다른 시스템에서는 마이크로렌즈가 좋은 옵션이다.

LED의 크기와 유사하게(일반적으로 LED보다 3-10배 더 큼) 마이크로렌즈는 LED 상단 가까이에 위치한다. 근접성으로 인해 마이크로렌즈는 LED를 빠져나가는 즉시 빛의 방향을 바꾸므로 빛을 조기에 정확하게 제어하고 효율성을 높일 수 있다.

일부 애플리케이션에서 마이크로렌즈는 다중 렌즈 구성에서 다른 렌즈와 함께 사용된다. <그림4>의 원통형 어레이 구성에서는 여러 개의 인접한 실린더가 주 광학 장치에 직각으로 배열되어 있고 한 렌즈는 한 축 의 빛을 제어하고 다른 렌즈는 다른 축의 빛을 제어한다. 이 다중 렌즈 구성은 미광을 줄이고 더 긴 작동 거리에서 빛의 무결성을 유지한다.

반사기는 렌즈를 통한 흡수를 피하기 위해 더 짧은 파장 응용 분야에서 사용될 수 있다. 반사경을 LED에 매우 가깝게 배치할 수 있기 때문에 빛의 수집이 크게 향상된다(높은 개구수 발생). 소스 밀도는 문제가 될 수 있지만 LED Chip on Board 기술을 사용하면 문제를 극복하는 데 도움이 된다.

재료 선택은 렌즈와 반사경 모두와 관련이 있다. 렌즈의 경우 플라스틱은 450nm에서 700nm의 가시 범위에서 좋은 솔루션이 될 수 있다. 그러나 스펙트럼의 자외선(UV) 및 적외선(IR) 부분에 대해서는 유리 또는 석영 제품이 더 잘 작동한다. 리플렉터의 경우 알루미늄은 스펙트럼의 짧은 끝에서 더 잘 반사되는 반면 금은 IR 끝에서 더 잘 반사된다. 다른 재료의 반사율은 <그림5>를 참조 할 수 있다.

광학 장치를 선택한 후에는 환경을 고려한 기계적 구성을 설계한다.  조명 솔루션의 역학은 LED와 광학 장치간의 상대적인 위치를 유지하고 유지하는 방법뿐만 아니라 환경으로부터 제품을 보호하고 열 관리를 제공하는 방법도 다룬다. 폼 팩터는 공간 또는 원하는 위치의 공간 가용성에 따라 제한될 수 있다. 모든 경우에 목표는 LED를 대상 가까이에 배치하여 밝기를 최대화하고 이미지를 향상시키는 것이다.

<그림7>의 예는 치과 영상 응용 분야용으로 개발된 소형 링라이트를 보여준다. 이 링라이트는 외경이 12.5mm인 링 안에 192개의 LED가 통합되어 있다. 또한 표준 COBRA 슬림 LED 라인 조명과 분리형 디자인 버전인 COBRA Flex가 표시되며 전자 장치는 조명 헤드와 별도로 보관된다. COBRA Flex는 동일한 기능을 제공하지만 빛을 사용할 수 있는 공간이 제한된 응용 분야를 위해 설계되었다.

부식성 또는 고온 환경과 같은 극한 환경에서 조명을 보호하는 것은 주요 기계적 고려 사항이다. 일부 애플리케이션에서는 LED 조명을 환경으로부터 격리해야 한다. 예를 들어 부식성 환경에서는 전기, 냉각 및 통신을 허용하기 위해 적절한 종단이 있는 투명 튜브를 사용할 수 있다. 고온 환경의 경우 ProPhotonix는 액체 냉각을 사용하여 LED 온도를 조절하는 여러 시스템을 개발했다.

열 관리의 주요 역할은 필요한 열량을 제거하는 것이다. 그러나 특정 응용 분야에서는 표면 전체의 델타 온도가 중요할 수 있다. LED는 끌어내야 하는 열을 생성하기 때문에 방열판 역할을 하는 방식으로 기계 장치를 구성할 수도 있다. LED를 보호하는 것 외에도 LED 주변의 하우징은 LED에서 발생하는 열을 관리할 수 있다. 열 관리는 세 가지 방법으로 이루어진다.

1. 대류 냉각: 단순성과 비용은 대류 냉각 램프의 두 가지 주요 장점이다. 그러나 애플리케이션에 고강도 조명이 필요한 경우, 대류 냉각이 최적의 선택은 아니다.

2. 강제 공기 냉각: 애플리케이션에 많은 빛이 필요한 경우 강제 공기 냉각이 더 나은 선택이다. 필터를 통해 공기를 유입시켜 먼지로 인한 문제를 완화 한 다음 강제 공랭식 시스템으로 배출할 수 있다.

3. 액체 냉각: 극한의 고강도 및/또는 고정밀 애플리케이션의 경우 액체 냉각이 사용된다.

열 관리의 주요 역할은 LED 구동을 용이하게 하기 위해 제품에서 열을 제거하는 것이지만 중요한 다른 이유가 있다. 예를 들어 제품의 안정성은 열의 영향을 받는다. 빛의 파장은 온도에 따라 변한다(그림7 참조). 특정 응용 분야에서는 이러한 파장 변화를 허용할 수 없다.

특정 설계를 최적화하기 위해 열 모델링 기술을 설계 프로세스에서 사용할 수 있으며 접근 방식을 검증하는 데도 도움이 된다. 최적의 머신 비전 조명을 위해서는 애플리케이션의 요구 사항을 충족하는 방식으로 전자 장치를 설계하는 것이 중요하다. 검사용이든 다른 목적이든 최적화된 전자 장치는 제어, 안정성 및 신뢰성을 촉진할 수 있다.

ProPhotonix는 캡슐을 고속으로 검사하고자 하는 제약 업계 고객을 위해 고강도 조명기를 개발했다. 제조 속도는 매우 높은 강도를 요구한다. 전자 장치는 펄스 조명을 제공하도록 설계되었다. 그런 다음 펄스를 카메라와 동기화하여 제품이 회전할때 모든 표면을 캡처할 수 있다.

개별 LED 요소를 처리하기 위해 적절한 제어 전자 장치를 사용하여 구조화된 광원을 용이하게 할 수도 있다. 이 기술을 사용하여 ProPhotonix는 유리병 검사를 위한 패턴 생성 백라이트를 설계했다. 패턴을 통해 유리의 가장 미묘한 결함을 볼 수 있다. 백라이트에는 1,000개 이상의 LED가 포함되어 있으며 제품의 각 LED는 개별적으로 주소 지정이 가능하여 다양한 검사를 위해 다양한 패턴을 설정할 수 있다. 이 애플리케이 션의 전자 장치는 매우 유연한 비전 시스템을 가능하게 했다.

적절한 펌웨어 및 GUI를 선택하면 사용자가 제품과 인터페이스할 수 있다. 예를 들어 ProPhotonix COBRA MultiSpec GUI를 사용하면 사용자가 시스템 성능을 쉽게 미세 조정할 수 있다. 각 파장의 개별 제어를 통해 사용자는 대비를 최대화하는 최적의 파장 균형 및 상대 강도를 선택할 수 있다. 이기사에서 LED, 광학, 기계 및 전자적 고려 사항과 펌웨어 및 소프트웨어 옵션에 대해 논의했으며, 다음 사례 연구는 이러한 모든 고려 사항이 어떻게 결합되는지를 보여준다.
 

사례 연구: 태양 전지 최종 라인 테스트

ProPhotonix는 태양 전지 장비 제조업체와 협력하여 LED 기반 태양광 시뮬레이터를 만들었다. 제조업체는 솔라 웨이퍼(타일) 생산에 사용되는 장비를 생산하며, 이는 셀에 내장된다. 태양광 타일은 생산 후 검사를 받아야 하며 시뮬레이션된 햇빛이 필요하다.

ProPhotonix는 15가지 파장의 수천 개의 LED를 사용하여 실제 태양광과 동일한 광 스펙트럼을 복제하는 조명기를 제작했다. LED 위에는 마이크로렌즈 어레이가 장착되어 있다. 렌즈는 1,000 나노미터 범위에서와 마찬가지로 300나노미터 범위에서 동일하게 잘 작동하도록 설계되었으며, LED에서 나오는 모든 빛은 렌즈를 통해 타일로 균일하게 향한다.

조명기 내에서 개별 LED 파장은 개별적으로 제어되고 다른 전류에서 구동되므로 모든 채널이 함께 혼합될 때 태양 스펙트럼이 복제된다. 개별 LED 파장은 UV 범위(300대 후반) 내에서 시작하여 1,000나노미터 이상에 이른다. 각 LED 채널에는 미리 결정된 사전 설정 전류가 있는 자체 드라이버 전자 장치가 있다.

조명기에 많은 수의 전자 장치가 필요하기 때문에 전자 장치에는 LED용 수냉식 시스템과는 별도로 별도의 냉각 장치가 있다. LED를 일정한 온도로 유지하면 LED를 냉각시킬 뿐만 아니라 시스템을 안정적으로 유지하여 일관된 파장을 유지할 수 있다.

ProPhotonix는 대상 스펙트럼에 대해 LED 스펙트럼을 관리하기 위한 애플리케이션용 GUI도 제공했다.

자료제공: Prophotonix(www.prophotonix.com)