필터 기술의 종류와 머신 비전 필터링 애플리케이션

머신 비전에서 검사 대상 피사체의 이미지를 개선하거나 변경하는 데 사용할 수 있는 필터의 유형은 굉장히 다양하다. 필터의 장점과 단점을 이해하려면 다양한 종류의 필터 뒤에 숨겨진 여러 가지 기술을 파악하는 것이 중요하다. 시중에는 각양각색의 필터가 존재하지만 이 중 대다수는 두 가지 기본 범주인 컬러 글래스 필터와 코팅 필터로 나뉠 수 있다.

컬러 글래스 필터
 

컬러 글래스 필터는 머신 비전에서 매우 흔히 사용되는 필터로서 글래스 소재에 선별적으로 흡수 및 투과 스펙트럼을 바꾸는 도펀트(dopant)를 첨가해 제작된다. 도펀트는 투과시킬 파장이 무엇 인지에 따라 달라지며 그 이후의 생산 공정은 표준 광학 글래스 생산 공정과 거의 동일하다. 컬러 글래스 필터의 사용이 왜 유리 한지에 대한 질문에는 몇 가지 이유가 있다. 간섭 필터에 비해 저렴하며 무엇보다 광각 렌즈에 사용하거나 특정 각도로 사용할 경우 파장 투과에 변화가 생기지 않기 때문이다.

하지만 컬러 글래스 필터도 넓은 차단(Cut-On) 파장 대역을 특징으로 하기 때문에 코팅 간섭 필터만큼 뚜렷하고 정확한 곡선을 갖고 있지 않으며 빛을 투과하는 양도 간섭 필터만큼 높지 않다. <그림1>은 일반적 으로 사용되는 몇 가지 컬러 글래스 필터용 투과 곡선을 통해 필터의 Cut-On 파장 대역이 넓고 상대적으로 투과 기능을 나타내는 기울기가 낮다는 것을 보여준다.

<그림1> 몇 가지 서로 다른 유형의 컬러 글래스 필터 투과 곡선

IR 차단(Cut-Off) 필터는 머신 비전 용도에서 단색 및 컬러 카메라에 모두 유용한 컬러 글래스 필터 또는 코팅 필터 유형일 수있다. 대부분의 머신 비전 카메라에서 실리콘 센서는 최대 약 1μ m의 파장에 반응하기 때문에 형광등이나 기타 원치 않는 광원에 의해 발생한 임의의 적외선이 센서에 부정확성을 유발할 수 있다. 

컬러 카메라에서 적외선은 센서에 잘못된 색상을 생성해 전체적인 컬러 재생력을 저하시킬 수 있다. 이런 이유로 다수의 컬러 이미징 카메라에는 적외선 차단 필터가 센서에 기본적으로 장착되어 있다. 단색 카메라의 경우 적외선이 존재하면 전체 이미지의 콘트라스트가 저하된다. 컬러 글래스 필터의 종류는 매우 다양하다. 예를 들어 다색 광원과 컬러 센서를 사용할 때는 색상의 균형 조절을 위해 주광 필터를 사용할 수 있다.

코팅 간섭 필터
 

코팅 간섭 필터는 컬러 글래스 필터에 비해 뚜렷한 Cut-On과 Cut-Off 전환, 높은 투과율 및 차단을 제공한다. 컬러 글래스 필터 이외에도 다양한 유형의 코팅 필터가 있으며 이들 필터는 하드 코팅 형광 필터부터 다이크로익 필터, 그리고 편광 필터까지 종류가 매우 광범위하다. 각각의 코팅 필터는 적절한 성능 보장을 위해 독특한 생산 공정을 거친다.

파장을 선택할 수 있는 광학 필터는 높은 굴절률과 낮은 굴절률을 교차해가며 특수 기판에 유전체 박막(dielectric layer)을 증착해 생산된다. 기판의 표면 품질 및 균일도는 기판 소재의 투과율이 감소하는 파장 한계 설정과 함께 필터에 대한 기본 광학 품질을 결정한다. 유전체 박막은 일정한 파장 범위에 걸친 보강 및 상쇄 간섭을 통해 필터의 상세한 스펙 트럼 구조를 만들 뿐 아니라 컬러 글래스 필터에 비해 훨씬 선명한 차단 및 투과 대역을 제공한다.;

밴드패스, 롱패스, 숏패스, 노치 필터와 같이 차단 범위와 투과 범위가 지정되어 있는 다양한 종류의 하드 코팅 필터 또한 존재한다. 롱패스 필터는 짧은 파장은 차단하고 긴 파장은 투과시키도록 설계되고 이에 반해 숏패스 필터는 짧은 파장은 투과시키고 긴 파장은 차단하도록 설계된다.

밴드패스 필터는 특정 파장 대역은 투과시키고 이외의 파장 대역은 차단하도록 설계된 광학 필터의 한 종류이다. 밴드패스 필터와 반대되는 필터가 노치 필터로서, 이 필터는 특정 파장 대역은 차단시키고, 이외의 파장 대역은 투과시키는 기능을 한다. 이들 필터의 투과 곡선 모양은 <그림2>에 표시되어 있다.

<그림2> 롱패스 필터와 숏패스 필터(a), 그리고 밴드패스 필터와 노치 필터(b)의 투과 곡선을 보여주는 예

뛰어난 차단 성능(OD값이 높음)과 가파른 슬로프(차단에서 투과로의 빠른 전환)를 갖도록 설계된 필터들은 정밀한 광 컨트롤이 필요한 용도에 사용된다. 하지만 대부분의 머신 비전 용도에서는 이 정도 수준의 정밀도가 필요하지 않다. 일반적으로 4이상의 광밀도(OD)를 갖는 필터는 필요 이상으로 정밀하며 불필요한 비용을 유발한다.

하드 코팅 필터는 이러한 정밀 투과 및 차단 대역을 확보하기 위해 광학 간섭 현상을 활용하기 때문에 머신 비전 용도에서 사용할때 다소 어려움이 따른다. 모든 간섭 필터는 특정 입사각(AOI)에 맞춰 설계되며 입사각은 특별히 규정되어 있지 않은 이상 입사각이 대개 0°이다. 머신 비전에서 사용할 때 이러한 필터는 일반적으로 렌즈 앞쪽에 설치되며, 이에 따라 필터는 렌즈의 화각(AFOV) 에 의해 결정되는 각도로 입사하는 빛을 받아들이게 된다.

특히 AFOV는 넓으나 초점 거리는 짧은 렌즈에서는 필터를 통해 투과 되는 빛이 청색편이(blue shift)로 알려진 원치 않는 효과를 유발 하곤 한다. 예를 들어 4.5mm 초점 거리 렌즈를 사용하면 각도가 좁은 50mm 초점 거리 렌즈에 비해 훨씬 큰 청색편이가 발생한다. 간섭 필터의 AOI가 증가하면 필터 레이어를 통과하는 광학 경로의 길이가 증가하여 투과 및 차단 파장이 감소한다(그림3).

<그림3a> 간섭 필터는 필터에 입사하는 빛이 이동하는 거리를 기준으로 작동한다. 올바른 입사각에서 필터에 들어오는 광파(light wave)는 상쇄 간섭을 일으켜 필터를 통과하는 것을 차단한다. 다른 각도에서는 상쇄간섭이 이 정도로 효과적이지 않다.

<그림3b> 입사각이 15˚일 때 밴드패스 필터를 통해 나타나는 청색편이(blue shift)의 예. 아래쪽 가운데 파장 쪽으로의 이동뿐 아니라 기울기가 낮아지는 것에도 주목해야 한다. 점선 곡선은 입사각이 0˚인 상태에서 필터를 사용하는 이상적인 경우를 나타낸다.

따라서 이미지의 각기 다른 필드 포인트에서 필터는 다양한 파장 범위를 투과시킴으로써 별도로 동작하게 된다. 필드에서 멀어질수록 청색편이는 더욱 뚜렷해진다. 대부분의 경우에 간섭 필터는 여전히 컬러 글래스 필터에 비해서는 보다 우수한 필터링 능력을 보이지만 광각 렌즈를 채택한 간섭 필터를 이용할 때 나타날수 있는 잠재적 위험 요소를 인지하고 있어야 한다.

머신 비전 필터링 어플리케이션
 

머신 비전 시스템을 설계할 때 중요한 점은 검사 대상 피사체의 관심 영역에서 관찰되는 특징의 콘트라스트를 향상시키는 것이다. 필터링은 이미지의 콘트라스트는 향상시키면서 원하지 않는 조명은 차단하는 간단한 방법을 제공한다. 필터를 통해 콘트라스 트를 향상시킬 수 있는 방법은 다양하며, 필터의 종류는 용도에 따라 달라진다. 머신 비전에 흔히 사용되는 필터로는 컬러 글래스 필터, 간섭 필터, ND 필터, 편광 필터가 있다.

컬러 글래스 밴드패스 필터는 가장 단순한 필터에 속하면서도 이미지 품질을 크게 개선할 수 있는 필터이다. 이 필터는 비전 시스템의 좁은 대역에서 놀라울 정도의 성능을 보일뿐 아니라 동급 간섭 필터에 비해 비용이 저렴하다. 컬러 글래스 필터의 사용은 색상환의 반대편에 있는 색상을 차단하는데 아주 효과적이다(그림4).

<그림4> 색상환을 필터링하기 위해서는 반대편에 있는 난색을 사용해야 한다는 것을 보여주는 색상환

컬러 필터
 

젤 캡슐을 검사하는 <그림5>의 예를 검토해 보면, 그림에서와 같이 두 개의 적색 캡슐이 흰색 백라이트를 배경으로 녹색 캡슐 바깥쪽에 위치한다. 이는 캡슐을 색상으로 구분한 뒤 해당 위치로 분류하는 작업을 보여준다. 단색 카메라로 캡슐을 촬영할 때(그 림6) 녹색과 적색 캡슐 간 콘트라스트 차이는 7%에 불과하며 이는 권장하는 최소 콘트라스트인 20%보다도 낮은 값에 해당한다.

<그림5> 동일한 비전 시스템으로 검사 중인 액상 캡슐 네 개, 여기에서는 컬러로 표시된다.

이와 같은 특정 예에서 시스템 옆을 지나가는 개별 요소와 같이 주변광의 경미한 변화는 이미 7% 밖에 되지 않는 낮은 콘트라 스트를 시스템이 더 이상 제대로 작동할 수 없는 수준으로 저하시킬 수 있다. 이 문제에 대한 몇 가지 해결책은 다음과 같다. 부피가 크고 비싼 광선 반사방지 장치을 제작해 검사 시스템을 완벽히에워싸거나 시스템의 전체 조명 체계를 다시 구축하는 것이다.

또는 필터를 추가해 녹색과 적색 알약 사이의 콘트라스트를 개선할 수도 있다. 이러한 경우 가장 단순하면서도 효과적인 해결책은 컬러 글래스 필터(그린)를 사용해 서로 다른 두 가지 컬러 캡슐 간의 콘트라스트를 개선시키는 것이다. <그림6>에서 보이는 바와 같이 콘트라스트는 7%에서 86.5%로 향상되며, 이는 거의 10배에 해당하는 증가치이다.

<그림6> 7%의 콘트라스트를 생성하는 흑백 카메라(a)와 86.5%의 콘트라스트를 생성하는 그린 필터 및 흑백 카메라(b)를 사용해 관찰한 캡슐 이미지

ND 필터
 

ND 필터는 노출 시간을 변경하거나 f/#를 조정하지 않고 이미지의 밝기를 추가로 제어하는 것이 유리한 특정 용도에 사용된다. ND 필터의 기본 유형에는 두 가지가 있지만(흡수 및 반사), 전체 적인 역할은 같다. 다시 말해 둘다 렌즈를 통해 센서에 전달되는 빛을 고르게 저감시키는 역할을 한다.

노출 시간에 관계없이 이미지 센서에 빛이 과하게 전달될 경우 ND 필터는 f/#(시스템의 해상도에 영향을 줄 수 있음)를 바꾸지 않고도 필요한 만큼의 출력 량을 감소시킬 수 있다. 아포다이징 필터와 같은 특수한 ND 필터는 피사체로부터의 강렬한 반사로 인해 이미지 중심부에 발생하는 핫스폿을 제거하는데 도움이 되지만, 필터 중심에서 방사상으로 멀어질수록 광밀도(OD)는 감소한다.

편광 필터
 

편광 필터는 반사성 피사체에 대한 보다 우수한 이미지를 촬영할수 있어 머신 비전 용도에서 많이 사용되는 또 다른 유형의 필터 이다. 편광 필터를 제대로 이용하려면 광원과 렌즈 모두에 편광 필터를 사용하는 것이 중요하다. 이들 필터를 각각 폴라라이저 및분석기라 부른다. <그림7>은 편광 필터가 반사성 피사체를 향할 때 어떠한 차이가 생길 수 있는지에 대한 예를 보여준다. <그림 7a>는 명시야 조명으로 CCD 이미지 센서를 검사하는 것을 <그 림7b>는 동일한 조명 장치로 광원에 폴라라이저, 그리고 렌즈에 분석기를 부착한 경우를 보여준다.

<그림7> 필터 없이 촬영한 이미지(a)는 빛번짐이 심하고 편광 필터를 사용해 촬영한 이미지(b)는 빛번짐이 감소한다.

<그림7b>에서 볼 수 있는 바와 같이 시스템에 폴라라이저를 추가하면 거친 반사광이 렌즈의 필터에 흡수되기 때문에 시스템 성능이 강화된다. 원하지 않는 빛번짐을 없애려면 광원의 폴라라 이저의 편광축이 렌즈의 폴라라이저와 90°가 되도록 정렬해야 한다. 그렇지 않으면 렌즈가 일부 반사광을 시스템에 투과시켜 눈부 심을 유발하게 된다. 

필터를 사용하는 이유는 이미징 시스템의 정확성을 높이기 위해 이미지의 콘트라스트를 조절해야 하기 때문임을 이해하는 것이 무엇보다 중요하다. 단순한 컬러 필터이든 편광 필터이든 각각의 필터는 고유의 문제를 해결하기 위해 존재한다. 따라서 용도에 따라 어떠한 필터를 적용해야 하는지를 파악하고 있어야 한다.

자료제공: 에드몬드옵틱스(www.edmundoptics.co.kr)