IMX250MZR 소니 센서가 탑재된 ‘EXO250Z’ 카메라

밝기와 파장 외에도 편광은 빛의 기본 속성 중 하나이다. 새로운 IMX250MZR 소니 센서가 탑재된 EXO250Z 카메라는 기존 이미징 장치로는 감지할 수 없는 편광 정보를 캡처할 수 있다. 이를 통해 산업용 머신 비전 애플리케이션과 그 밖의 분야에서 새로운 애플리케이션의 문을 열어준다.

대표적인 예로는 탄소 섬유의 방향 분석, 응력 유발 복굴절로 인한 유리의 장력 시각화, 반사 및 눈부심 감소 또는 일반적인 이미징 방식으로는 구분하기 어려운 재료 간의 대비 향상 등이 있다.

빛 편광이란?
 

머신 비전 애플리케이션은 종종 디지털 이미지의 자동 분석에 의존한다. 이미지 자체에는 빛과 관심 대상 물질의 상호 작용에 대한 정보가 포함되어 있다. 이미지에 캡처되는 정보의 유형은 사용된 이미지 획득 기술에 따라 달라진다.

산업용 머신 비전 구현에는 적절한 광학 장치와 결합된 디지털 흑백 또는 컬러 카메라가 가장 일반적으로 사용될 수 있다. 이러한 카메라는 강도 분포를 캡처하고 컬러 카메라의 경우 관심 대상의 반사 또는 투과된 빛의 파장에 대한 정보를 추가적으로 수집한다.

빛은 대상 물체를 조사하는 데 사용할 수 있는 추가 정보를 전달한다는 점을 인식해야 한다. 빛의 전자기파는 강도, 파장, 위상및 편광이 특징이다. 새로운 편광 카메라를 사용하면 빛의 편광 상태의 공간 분포에 대한 정보를 실제로 캡처할 수 있다.

<그림1> (A) 왼쪽: 125°에서의 선형 편광. 오른쪽: 전체 사이클에 대한 전기장 벡터의 2D 표현. (B) 왼쪽: 원형 편광. 오른쪽: 전체 사이클에 대한 전기장 벡터의 2D 표현은 원을 나타낸다. (C) 왼쪽: 태양이나 백열전구에서 얻은 여러 광원의 빛은 여러 파동 열차로 구성된다. 이러한 파동은 일반적으로 통계적으로 분포된 강도와 진동 방향을 나타내며, 이를 무극광이라고 한다. 오른쪽: 유전체 재료의 계면에서의 반사. 표면 법선과 평행한 편광 성분의 반사율은 법선과 수직인 편광 성분과 다르다. 따라서 결과 편광은 더 이상 비편광이 아니라 부분적으로 편광된다. (D) 재료에 따라 달라지는 특정 각도의 경우 표면 법선과 평행한 편광 성분만 반사 된다. 이 각도를 브루스터 각도라고 한다.

편광은 빛의 전기장 진동의 기하학적 방향을 특징짓는 속성이 다. 예를 들어 선형 편광은 전파 방향에 수직인 한 평면에서만 진동하는 빛이다. <그림1A>는 한 파장의 거의 편광에 가까운 파동을 시각화한 것이다. 또한 <그림1B>는 원형 편광을 보여준다. 예를 들어 선형 편광을 광학 활성 매체를 통해 전송하여 얻을 수 있다. 이 기사에서는 주로 선형 편광에 초점을 맞출 것이다.

우리가 자연 환경에서 접하는 대부분의 일반적인 광원에서 나오는 빛은 일반적으로 무편광, 즉 통계적 으로 분산된 진동 방향을 가진 여러 파동으로 구성된 다(그림1C의 왼쪽 참조). 이 편광되지 않은 빛이 유리와 같은 유전체 재료에서 반사될 때 흥미로운 효과가 발생한다. 이러한 재료는 재료의 표면 법선과 평행하게 편광된 편광 성분과 수직으로 편광된 성분에 대해 서로 다른 반사율을 보인다. 반사율의 차이는 입사 각도뿐만 아니라 재료의 반사율 지수에 따라 달라진다.

따라서 반사된 빛은 일반적으로 부분 편광을 나타낸 다(그림2C의 오른쪽). 브루스터 각도라고 하는 특정 각도의 입사광은 표면 법선에 수직인 편광 성분만 반사되어 선형 편광 재반사광이 발생하는 흥미로운 특성을 가지고 있다(그림1D).

<그림2> (A) 그리드 편광판은 그리드 어레이와 평행한 편광 성분을 차단한다. 그리드에 수직인 빛만 통과할 수 있다. (B) 그리드 방향이 다른 그리드 편광판은 각각 그리드 방향에 수직인 방향을 가진 선형 편광을 생성한다. 여기에는 0°, 45°, 135° 및 90°의 그리드 오리엔테이션이 표시되어 있다. (C) IMX250MZR 센서에는 광 다이오드 어레이에 편광 필터 어레이가 추가되어 있다. 편광판과 포토다이오드 사이의 거리가 짧아 크로스토크, 즉 인접 픽셀이 편광 각도를 잘못 감지 하는 효과를 줄여준다. 이 센서는 다양한 광원 환경에서 우수한 이미지 품질을 보여준다. (D) 편광 필터 어레이는 4개의 서로 다른 와이어 그리드 방향을 보여주는 여러 개의 2x2 패턴으로 구성 된다. 2x2 패턴의 각 측정 신호 I는 0°(I0), 135°(I135), 45°(I45) 및 90°(I90) 편광을 가진 빛의 양을 측정한 값이다. 이러한 강도는 선형 편광의 각도와 선형 편광 DoLP의 정도를 추정하는 데사용할 수 있다. C와 D의 이미지는 소니에서 제공한 것이다.

편광 측정
 

빛의 편광을 특성화하기 위해 선형 편광판을 사용할수 있다. 편광되지 않은 빛에서 선형 편광을 얻는 쉽고 효율적인 방법이다. 편광판은 여러 가지 구현이 존재하지만 여기에서는 그리드 편광판에 초점을 맞추 고자 한다. 그리드 편광판은 하위 파장의 평행한 금속 나노선 배열로 구성된 광학 소자이다. 이 금속 와이 어에 평행하게 편광된 입사 전기장의 성분은 나노 와이어 그리드에 수직인 편광 성분만 투과되는 방식으로 차단된다(그림2A). 이러한 나노 와이어 그리드는 EXO250Z 카메라에 사용된다.

소니의 EXO250Z 카메라 시리즈는 새로 개발된 5 MP IMX250MZR 소니 센서를 사용한다. 이 센서는 인기 있는 2448 x 2049픽셀, 2/3인치 IMX250 CMOS 센서(3.45µm 픽셀 크기를 기반으로 한다. 4방향 포라라이즈 스퀘어 필터 어레이는 픽셀 어레이 바로 위와 마이크로 렌즈 아래에 겹쳐져 있다(그림 2C, D). 이 필터는 0°, 45°, 135°, 90°의 네 가지 각도를 가진 그리드 편광판으로 구성된 반복된 2x2 패턴으로 구성된다(그림 2D).

각 편광판은 들어오는 빛을 필터링하여 그리드 방향에 수직인 편광 성분만 통과하여 기본 포토 다이오드에서 감지할 수 있도록 한다. 따라서 한 번의 촬영으로 4방향 편광 이미지를 캡처할 수 있다.

<그림3> (A) 2x2 4방향 편광 패턴의 방향과 비교한 편광 각도 (B) 선형 편광도 (DoLP)는 편광되지 않은 빛의 경우 0이고 완벽하게 선형 편광된 빛의 경우 1이다. 부분 편광이 있는 빛의 경우 0과 1 사이의 값을 얻는다.

후속 후처리에서 5 MP 이미지를 사용하여 각각 하나의 편광 필터로 필터링된 4개의 크기 축소 이미지(1.25 MP)를 얻을 수 있다. 또한이 이미지를 사용하여 각 2x2 패턴의 평균 밝기의 공간 분포와 관련 선형 편광 각도 및 선형 편광 DoLP의 정도를 추정할 수 있다(그림3).

2x2 패턴의 픽셀 강도 I는 각각 90°(I 90 ), 135°(I 135 ), 45°(I 45 ) 및 0° (I 0 ) 편광을 가진 빛의 양을 측정한 값이다(그림2B). 이러한 강도의 더하기와 빼기를 스토크 파라미터라고 한다.

편리하게도 편광 각도 및 선형 편광의 경사도 DoLP는 스토크스 매개 변수에서 쉽게 계산할 수 있다.

이러한 값을 검사하면 다음 애플리케이션 예시와 같이 다양한 애플리케이션에서 표준 카메라 이미징에 비해 이미지 대비가 향상되는 것을 확인할 수 있다.

적용 사례
 

편광 각도의 공간 분포와 선형 포화도 DoLP의 계산은 측정의 정보 내용을 증가시킨다. 이러한 측정에는 탄소 섬유의 오리엔 테이션 분석, 응력 유발 복굴절로 인한 유리의 장력 시각화, 반사 및 눈부심 감소 또는 기존 이미징 방법으로는 구분하기 어려운 재료 간의 대비 강화 등 많은 응용 분야가 존재한다. <그림4> 부터 <그림8>까지는 몇 가지 적용 사례를 나타낸 그림이다.

<그림4> (A) 흑백 카메라 이미지. (B) 편광 각도를 통해 탄소 섬유 방향을 추정할 수있다. 또한 탄소 섬유 그리드의 잠재적 오류를 쉽게 감지할 수 있다.

<그림5> (A) 안경의 흑백 카메라 이미지. (B) 유리의 장력은 빛의 편광 각도를 변화시 키는 복굴절을 유도하여 쉽게 시각화할 수 있다.

<그림6> (A) 자연 속 낮 장면을 촬영한 흑백 카메라 이미지. (B) 편광 각도를 살펴보면 물속의 보트를 장면에서 쉽게 분리할 수 있다.

<그림7> (A) 알약 한 팩의 흑백 이미지. (B) 알루미늄 팩은 선형 편광을 반사하는 반면 알약에서 반사되는 빛은 무편광을 초래한다. 따라서 선형 편광의 정도는 알약과 포장 사이의 강한 대비를 보여준다. 잃어버린 알약을 쉽게 식별할 수 있다.

<그림8> (A) 휴대폰 LCD, 10배 확대 및 편광된 적색광으로 조명. 빨간색 필터가 있는 LCD 픽셀이 더 밝게 보인다. (B) 빨간색 필터는 빛을 직접 반사하고 파란색과 녹색 필터는 빛의 일부를 통과시킨다. 기본 광학 활성 매체와의 상호 작용은 편광 상태에 측정 가능한 변화를 유도한다.

자료제공 : SVS-Vistek(www.svs-vistek.com)