SWIR 이미징을 통해 식·음료의 품질관리를 향상시킨다!
광 스펙트럼과 다양한 파장을 활용하는 애플리케이션은 머신 비 전 산업 발전에 중요한 요소가 됐다. 머신 비전 시스템은 다양한 파장의 광을 활용하여 뛰어난 효율과 정밀도로 다양한 검사 작업 을 수행할 수 있다. 예를 들어 가시광선보다 파장이 짧은 자외선 (UV)을 사용하면 재료의 균열이나 기타 결함을 검사할 수 있다. UV는 대부분의 재료에 흡수되고 짧은 거리만 투과할 수 있기 때 문에 표면 검사에 이상적이다.
▲ 고유한 특성을 가진 다양한 파장으로 구성된 광 스펙트럼을 활용하면 광범위한 머 신 비전 검사 작업이 가능하다.
가시광선 반대편에 있는 적외선(IR) 스펙트럼은 적색 가시광선 의 끝 부분부터 시작하여 우리가 열에너지로 느끼는 장파 적외선 (LWIR)까지 확장된다. 가시광선보다 파장이 약간 길지만 열에너지보다는 훨씬 짧은 근적외선(NIR)은 다양한 재료를 투과하여 물체의 숨겨진 특징과 특성을 드러낼 수 있어 머신 비전 애플리케이션에 널리 사용된다. 예를 들어 NIR은 농업에서 농작물의 스트레스와 질병을 조사하 기 위해 사용되며, 식품 및 음료 제조시 오염 및 기타 품질 문제를 감지하기 위해 사용된다. 가시광선 스펙트럼에서 보이지 않거나 검사하기 어려운 플라 스틱, 세라믹, 반도체와 같은 재료의 경우, 근적외선(NIR)보다 파 장이 더 긴 단파 적외선(SWIR)으로 검사하는 것이 더 좋을 수 있 다. 재료에서 반사되는 가시광선 및 NIR과 달리 SWIR은 재료를 투과하는 스펙트럼 특성을 가지고 있어 기존 이미징 솔루션으로 는 불가능했던 품질 검사를 가능하게 할 수 있다. 이 기사에서는 식품 및 음료 산업의 다양한 애플리케이션에서 SWIR 이미징 기술을 활용하는 방법을 중점적으로 다루도록 한다.
식품 및 음료 산업의 SWIR 이미징 기술 활용
식품 및 음료 산업은 소비자에게 안전한 고품질 제품을 제공할 수 있도록 엄격한 품질 관리 기준을 적용하고 있다. SWIR 기술은 확 장된 검사 파장 범위를 통해 더 빠르고 정확하며 신뢰도 높은 결 과를 제공하여 오염을 줄이고 분류 기능을 개선하며 제품의 품질 을 높일 수 있다. 최근 몇 년 동안 SWIR 기술은 향상된 이미지 품 질과 경제성을 통해 식품 및 음료 산업에서 인기를 얻고 있다. 이 에 따라 식품 및 음료 산업의 다양한 애플리케이션에서 SWIR 이 미징 기술을 활용하는 방법에 대해 설명하도록 하겠다.
곡물 검사: 쌀과 밀 같은 곡물에는 종종 깨지고 변색된 곡물이나 이물질 같 은 다양한 불순물이 포함되어 있다. 이러한 불순물은 최종 제품의 품질을 저하시켜 상당한 손실을 가져올 수 있다. SWIR 이미징을 활용하면 크기, 모양 및 기타 요소를 기반으로 오염, 변색 및 기타 결함을 정확하게 식별하여 곡물, 견과류, 옥수수, 기타 생산품을 효율적이고 효과적으로 분류하고 분리할 수 있다. 쌀과 밀 같은 곡물에는 종종 깨지고 변색된 곡물이나 이물질 같은 다양한 불순 물이 포함되어 있다.
높은 정밀도: JAI의 SW-4010Q 모델과 같이 RGB와 SWIR 이미징 을 동시에 제공할 수 있는 카메라는 곡물형 재료의 고해상도 이미 지를 픽셀 수준으로 시차(parallax)없이 싱글 패스로 캡처할 수 있다. 이를 통해 정밀한 검사가 가능하여 아주 작은 결함이나 오염 물질도 식별할 수 있어 최종 제품의 전반적인 품질이 향상된 다. 예를 들어 곡물과 견과류를 검사할 때, 금속, 유리 파편과 같은 불순물을 식별할 수 있다.
▲ 팥 검사 시 SWIR+RGB 이미징을 이용한 불순물 검출
실시간 검사: SWIR 기술이 통합된 카메라는 곡물형 재료를 고속 으로 실시간 검사할 수 있어 즉각적인 수정 조치를 통해 검사 및 재작업에 필요한 시간과 리소스를 줄일 수 있다. 이를 통해 오염 의 위험을 낮춤으로써 식품 안전을 강 화하고 생산 공정의 능률을 높이고 가속화할 수 있다.
더 깊은 투과: 가시광선이나 근적외선을 사용하는 카메라와 달리 SWIR 카메라는 상세한 이미지를 캡처하기 위해 더 깊은 투과가 필요한 밀도 높고 불투명한 재료를 분석하는 데 적합하다. 예를 들어 SWIR 카메라는 곡물 낟알의 바깥층을 투과할 수 있어 수분 이나 기타 내부 특성을 감지하여 곡물의 품질과 영양 수치를 평가 하는 데 사용할 수 있다. 마찬가지로 분말 바깥층 투과를 통해 분 말 내부의 이물질이나 오염 물질을 감지하여 분말의 품질과 안전 을 보장할 수 있다.
다음은 곡물형 재료 검사에서 SWIR 이미징을 활용하는 몇 가지 예시이다.
재료 분류: SWIR 기술이 통합된 카메라는 재료의 고유한 속성과 스펙트럼 특성을 기반으로 견과류, 곡물, 옥수수와 같은 곡물형 재료를 분류하는 데 사용할 수 있다. 이러한 재료에 SWIR을 비추 면 재료 특성에 따라 다양한 광 파장을 흡수, 투과 또는 반사한다. SWIR 카메라는 밀, 보리, 귀리와 같은 곡물뿐만 아니라 아몬드, 캐슈넛 또는 땅콩과 같은 다양한 견과류들의 미묘한 차이를 구별 할 수 있어 각각의 고유한 스펙트럼을 기반으로 이들을 분류할 수 있다. 이 경우 가시광선과 SWIR 이미지를 동시에 캡처할 수 있는 멀티 센서 카메라를 사용하면 다양한 곡물 유형을 훨씬 더 빠르고 정확하게 분류할 수 있어 생산 공정의 효율성을 높이고 오염 위험 을 낮출 수 있다.
불순물 감지: 식품을 수확하거나 운송하는 경우 이물질, 먼지, 견 과류 껍질과 같은 불순물이 식품에 섞일 수 있다. 이를 감지하는 한 가지 방법은 SWIR 카메라를 사용하여 반사 패턴의 변화를 보 여주는 이미지를 캡처하는 것이다. 예를 들어, 밀가루에 견과류 껍질이 유입되는 경우 견과류 알레르기가 있는 사람들에게 문제 가 발생할 수 있다. SWIR 데이터를 통해 이러한 오염 물질을 감지 하고 제거하여 소비자 피해의 위험을 줄일 수 있다.
▲ 견과류 검사 시 SWIR을 사용한 이물질 확인
수분 분석: SWIR 이미징을 사용하면 식품의 유통 기한, 품질, 안전 성에 영향을 미치는 곡물형 재료의 수분 함량을 확인할 수 있다. 예를 들어, SWIR 카메라와 적절한 조명 기술을 결합하면 다양한 파장에서 밀이 흡수하는 광량을 검사 하여 수분 함량 지도를 생성 할 수 있다. 이를 활용하면 샘플의 각 부분에 수분이 얼마나 존재 하는지 알 수 있다. 밀에 수분이 많을수록 특정 파장의 광을 더 많 이 흡수하다. 곡물형 재료에 과도한 양의 수분이 있는 경우 부패 가능성이 높아지고 유통 기한이 단축될 수 있다. 반대로 수분이 부족하면 재료가 부서지기 쉽고 영양이 떨어져 식품 생산 시 가치 가 떨어지게 된다.
포장 검사
포장 검사는 품질과 안전 요건을 준수하고 제품에 대한 소비자 신 뢰를 유지하기 위해 철저한 검사가 요구되는 포괄적인 프로세스 이다. 포장 검사 애플리케이션에 SWIR 기술이 탑재된 카메라를 사용하면 여러 가지 이점을 얻을 수 있다. 다음은 몇 가지 예시이다.
더 깊은 투과: SWIR은 많은 유형의 플라스틱과 플라스틱 표면의 인쇄층을 투과할 수 있다. 따라서 SWIR 카메라를 사용하면 내용 물의 선명하고 상세한 이미지를 얻을 수 있다. 예를 들어, 불투명 플라스틱 용기 내부의 제품 충전 수준을 감지하여 정확한 양이 포 장되었는지 확인할 수 있다.
재료 식별: 플라스틱, 종이, 금속과 같은 재료는 SWIR 영역에서 각 각의 반사 패턴을 가지기 때문에 이를 통해 재료들을 식별할 수 있다. 예를 들어, 식품 회사에서 제품에 종이 포장을 사용하는 경 우 종이의 품질이 일정하고 종이가 제품에 유입될 수 있는 유해 물질로 오염되지 않았는지 확인해야 한다.
결함 및 불순물 감지 개선: 식품 및 음료 제품은 플라스틱, 유리 또 는 금속과 같은 재료로 포장되는 경우가 많기 때문에 생산 공정 중에 오일, 윤활유 또는 기타 액체류와 같은 불순물이 유입될 수 있다. SWIR 파장대의 스펙트럼 투과율이 재료마다 다르기 때문 에 이러한 오염 물질을 구별할 수 있다. 이를 통해 제조업체는 오 염된 제품을 더 빠르고 정확하게 식별하고 제거하여 제품의 안전 을 보장할 수 있다. 예를 들어, 에어 포켓이나 약한 밀봉과 같은 포장 재료의 결함을 감지하여 제품의 손상이나 오염을 방지할 수 있다. 또한 SWIR 카메라를 활용하면 캔 포장 등에서 오일 오염을 감지하여 시스템을 통해 공정 라인에서 이를 제거할 수 있다.
RGB와 SWIR의 동시 및 개별 이미징 조합
SWIR 카메라는 검사 효율성을 향상시킬 수 있지만 가시광선 카 메라 역시 여전히 많은 식품 관련 머신 비전 애플리케이션에 필요 하다. 이러한 카메라는 가시광선 스펙트럼을 통해 색 뉘앙스를 분 석하고 크기와 모양을 검사 하며 라벨 또는 인쇄물의 색상을 확인 할 수 있다. 식품 및 음료의 품질 검사 시 더 넓은 범위의 결함을 감지하기 위해서는 보통 동일한 생산 라인에서 가시광선과 비가 시광선 이미징 기술을 모두 사용해야 한다. 멀티 센서 기술을 제공하는 카메라를 사용하는 경우 몇 가지 중요 한 이점이 있다.
품질 관리 향상: RGB 및 SWIR 이미징을 동시에 사용하면 식품을 보다 높은 정확도로 종합적으로 분석할 수 있다. RGB 이미징은 가시광선을 캡처하여 표면 결함 을 감지하고 색상 변화를 분석하기 위한 컬러 이미지를 생성한다. 반면 SWIR 이미징은 단파장 적외선을 캡처하여 개체의 비가시 광선 스펙트럼 광학 특성 정보를 제공한다. 이를 통해 특정 재료 를 투과하여 표면 아래 특징을 검사할 수 있다. 위의 그림에서 나 타난 예시에서 가시광선은 포장의 컬러 인쇄 및 라벨 텍스트의 정 확성을 확인하는 데 사용되며 SWIR은 포장을 투과하여 내부의 어둡게 보이는 견과류를 감지하는 데 사용된다. 이렇게 결합된 데 이터를 활용하면 보다 정확하고 신뢰할 수 있는 검사가 가능하여 제품 품 질과 안전 표준을 보장할 수 있다.
▲ RGB+SWIR 기술을 활용한 포장 내용물 및 컬러 인쇄 동시 검사
셋업 복잡성 및 비용 절감: 두 가지 이미징 기술을 하나의 장치에 결합하면 별도의 카메라, 렌즈, 케이블, 마운팅 장비가 필요하지 않다. 따라서 검사 시스템의 전반적인 비용과 복잡성이 낮아지고 기존 생산 라인에 카메라를 더 쉽게 통합할 수 있다.
효율성 및 성능 향상: JAI Sweep+ 시리즈 SW-4010Q 모델의 RGB + SWIR 동시 및 개별 이미징 기능은 뛰어난 성능을 통해 식품의 불순물과 결함을 정확하게 감지할 수 있다. 예를 들어, RGB 이미 징을 통해 변색과 같은 제품의 외형과 색상 에 대한 자세한 정보 를 제공할 수 있으며 SWIR 이미징을 통해 포장을 투과하여 수분, 손상, 내부 결함과 같은 표면 아래 특징을 검사할 수 있다.
자료제공: JAI(www.jai.com)
