머신 비전 애플리케이션을 위한 LED 조명 제어 구동 방법

좋은 엔지니어링은 항상 성능과 비용의 균형을 추구한다. 머신 비전 시스템용 LED 조명을 선택할 때는 형상, 구조, 파장등 빛의 광학적 특성이 성능에 미치는 영향을 고려하는 것이 일반적이다. 그러나 LED의 물리적 역학 및 제어에 대한 기본 적인 이해는 특히 장치를 게이팅하거나 오버드라이빙하는데 이점이 있는 더 까다로운 애플리케이션에서 성능을 최적화하는 데 똑같이 중요할 수 있다. 게다가 LED 특성과 동작을 명확하게 파악하면 성능의 한계를 테스트할 때에도 디바이스의 신뢰성과 수명을 연장하는 데 도움이 될 수 있다.

이 주제를 살펴보기 위해 먼저 LED의 연속, 게이트 및 스트 로브 작동의 차이점을 아는 것이 도움이 된다. 각 모드는 개별 LED와 이를 구동하는 드라이버 및 컨트롤러에 대해 서로 다른 요구 사항을 제시한다. 비전 애플리케이션을 위한 LED 조명을 선택할 때 가장 먼저 고려해야 할 사항은 상시 켜짐 모드 또는 100% 듀티 사이클에서 작동하는 동안 조명이 대상에 출력할 수 있는 최대 복사 전력을 고려하는 것이다.

전체 라이트 헤드에 대한 이 상시 켜짐 최대 전류 값은 부분적으로 LED 제조업체의 제품 사양과 광원 방열판의 냉각 기능에 의해 결정 된다. LED의 한계는 출력 전력과 장기적인 안정성 및 수명을 극대화하기 위한 인센티브 간의 균형에 의해 결정된다. LED 가 다이오드 접합부에서 열을 적절히 방출할 수 있다면 다양한 인가 전류를 손상 없이 견딜 수 있다.

따라서 LED의 전기 충격과 열 축적에 대한 제어를 최적화 하는 것은 디바이스의 성능, 안정성 및 수명에 직접적인 영향을 미친다. 또한 제어를 통해 LED 조명의 성능 저하와 고장을 최소화하고 사용자에게 완전한 투자 수익을 제공할 수 있다.

이 기사는 머신 비전 초보자와 전문가 모두 게이트형과 스트로브형 LED 작동의 미묘한 차이점을 탐색하고 특정 애플리 케이션에서 성능과 안정성 간의 최적의 균형을 달성하는 데 LED 제어가 어떻게 중요한지 이해하는 데 도움을 주는 것을 목표로 한다.

연속, 게이트 및 스트로브 조명
 

머신 비전 카메라 및 센서와 마찬가지로 머신 비전 조명은 정확한 정밀도로 정의된다. 대부분의 응용 분야에서는 이미지 캡처에 대한 추측이 거의 허용되지 않는다. 비전 시스템은 관련 이미지 데이터를 적절하고, 일관되며, 비용 효율적으로 분리하고 수집한다. 특정한 기하학, 구조, 파장을 전달하는 조명 시스 템은 머신 비전 응용 프로그램의 성공에 크게 기여할 수 있다.

조명이 제공하는 휘도, 즉 밝기의 측정은 이러한 다른 특성 들에 비해 덜 미묘해 보일 수 있다. 기본적인 머신 응용 프로 그램에서는 단순히 장면을 광자로 가득 채우는 것만으로도 작업을 수행하는 데 충분하다. 그러나 많은 머신 비전 응용 프로그램에서는 단순히 조명을 밝게 하는 것이 제한된 효과를 가지며, 실제로 전체 시스템 성능을 저하시킬 수 있다. 응용 프로그램에 따라 머신 비전을 위한 조명 시스템은 주로 세 가지 작동 모드, 즉 연속(continuous), 게이트(gated), 그리고 스트로브(strobed) 중 하나를 사용한다.(그림1)

<그림1> 조명은 (a)지속적으로 켜져 있는 상태(연속), (b)일정한 전류 수준으로 깜빡이는 상태(게이티드), 또는 (c) 스트로빙 상태(오버드라이브) 중 하나이다. 각 조명 모드마다 신호(파란색)와 노이즈(빨간색) 간에 수집되는 빛의 양(음영 처리된 영역)의 차이를 확인할 수 있다.

연속 작동은 설명이 필요 없으며 광원에 고정된 강도를 할당하는 데 필요한 것 외에는 LED 제어에 큰 요구 사항이 없다. 그러나 게이트 작동과 스트로브 작동의 차이점, 애플리케이션 및 이점을 비교하려면 용어 정의부터 시작하여 보다 심층 적인 논의가 필요하다.

게이트 또는 게이트 연속 조명은 연속 광원의 전원을 반복 적으로 켜고 끄는 상업용 사진 촬영에 사용되는 기존의 스트 로빙 기법에 해당한다. 광원이 켜져 있는 시간과 꺼져 있는 시간의 비율을 듀티 사이클이라고 한다. 연속 작동의 듀티 사이 클은 100%이다. 그러나 1초 동안 100밀리초 동안만 켜져 있는 게이트 조명은 듀티 사이클이 10%이다(그림2).

<그림2> 사이클 주기 T=t on +t off 로 정의된다. 여기서 t off 는 LED 조명이 꺼져 있는 시간이고 t on 은 LED가 켜져 있는 시간이다. 듀티 사이클은 LED가 켜져 있는 주기 시간의 백분율을 의미한다. 주기 T를 헤르츠(Hz)로 표현하는 것도 가능하 다(f = 1/T).

듀티 사이클은 온타임/(온타임 + 오프타임) x 100으로 계산되며, 게이트 작동을 머신 비전 조명에 적용하면 광원의 온/오프 상태 사이의 열 평형을 유지하여 조명의 효율성을 개선하고 일부 LED가 예열 효과로 인해 발생하는 성능에 미치는 악영향을 줄일 수 있다.

머신 비전에 적용되는 게이트 조명은 종종 후방 및 전방 광원의 출력을 조정하여 광원 간 교차 발사를 방지해야 하는 멀티포인트 머신 비전 검사에 배치된다.

게이트 구성은 일반적으로 수십 밀리초 단위의 펄스 폭을 방출하며, 듀티 사이클에 따라 ‘꺼짐’ 기간 동안 허용되는 LED 쿨다운으로 인해 연속 작동에 비해 평균 출력이 더 높을 수 있다. 예를 들어 50% 듀티 사이클을 사용하는 게이트형 LED 소스는 30~40% 더 강하게 오버드라이브하면서도 LED가 연속 모드에 있을 때와 동일한 전력 손실률로 작동할 수 있다. 그결과 주어진 노출 시간 동안 30~40% 더 밝은 출력을 얻을 수있다. 일부 애플리케이션에서는 유용하지만 이 기술은 스트로빙 LED와 더 자주 연관된다.

스트로브 조명은 미묘하지만 중요한 몇 가지 기능으로 인해 게이트 기술과 구별되며, 특히 LED 광원과 관련해서는 더욱 그렇다. LED는 고체 반도체 광원이기 때문에 방출되는 펄스의 지속 시간과 모양을 제논 조명에 비해 더 정밀하게 제어할 수 있다. 더 중요한 것은 LED를 과도하게 구동하여 연속 또는 게이트 작동이 제공할 수 있는 것보다 훨씬 더 강렬한 펄스를 제공할 수 있다는 점이다.

스트로브 오버드라이브 LED 조명은 낮은 듀티 사이클에서 디바이스를 통해 더 많은 전류를 효과적으로 전달한다. 오버 드라이브 모드에서 LED 펄스 길이는 수 밀리초에서 1µs까지 다양하여 듀티 사이클을 1%에서 몇 분의 1 퍼센트까지 줄일수 있다. 이를 통해 LED가 각 고전류 펄스 사이에서 열을 적절히 방출하여 손상이나 성능 손실을 방지할 수 있다.

이러한열 생성 감소는 최소한의 또는 전혀 히트 싱크가 필요하지 않은 더 간단한 조명 설계를 가능하게 한다. 또한, 연속적인 LED 조명으로 인해 손상될 수 있는 섬세한 필터나 편광 필름과 함께 사용되는 응용 프로그램에서도 유리하다.

그러나 더 중요한 것은 오버드라이브 펄스가 머신 비전 설정에 비교적 높은 강도를 제공할 수 있다는 점이다. 오버드라이브 상태의 LED 펄스 폭은 1마이크로초에서 수 밀리초까지 다양하 지만, 듀티 사이클이 매우 낮다고 가정할 때 오버드라이브 용량 (매우 높은 수준의 경우)의 최적 수익은 일반적으로 50-500µs 범위에 속한다. 듀티 사이클 및 기타 요인으로 인해 LED는 10배 이상의 구동 전류로 과구동될 수 있으며 디바이스의 일반적인 정격보다 5배에서 10배 더 높은 강도를 달성할 수 있다.

스트로브 오버드라이브 기술로 구현되는 마이크로초 펄스 폭은 단일 또는 인덱싱된 부품의 고속 검사 시 픽셀 블러와 주변광의 영향을 모두 최소화하기 때문에 까다로운 머신비전 애플리케이션에 유리하다. 또한 깜박이는 불빛으로 인한 시각적 불편함도 방지할 수 있다.

낮은 듀티 사이클은 LED 디바이스의 열 축적을 완화할 수있지만, 오버드라이브 스트로빙이 달성할 수 있는 출력 강도 에는 한계가 있다. LED는 순간 접합 온도가 증가함에 따라 강도의 일정 비율을 잃기 시작한다(그림3).

<그림3> 가시광선 LED의 접합 온도에 따른 광속 - 적외선(IR), 빨간색, 주황색, 노란색 LED는 녹색, 파란색, 흰색 LED와 다른 화학적 조성을 가지고 있다.

<그림4> 이 스트로브 출력 예시에서는 다양한 LED가 있는 고휘도 LED 라이트 바의 스트로브 출력 예시에서 테스트 전류와 200 uSec 출력 라이트 온 타임의 결과 복사 전력 출력을 비교하여 그래프로 표시한다. 광 출력 강도가 증가함에 따라 입력 전류에 대한 응답이 선형적이지 않다. 곡선의 위쪽에서 입력 전류가 증가하면 빛 출력보다 더 많은 열이 발생한다.

일정 시점에서 더 높은 입력 전류는 빛의 출력이 크게 증가 하지 않고 단순히 접합 온도를 증가시키기만 한다. 이를 ‘포화’라고도 한다.

즉, ‘전류 입력’ 대비 ‘전류 출력’ 측면에서 수익률이 감소하는 것이다. 예를 들어 전류가 10배 증가해도 출력은 6배만 증가할 수 있다. 또한 펄스가 밝을수록 각 펄스 사이에 더 긴 오프 기간이 필요한 경향이 있다. 해결책은 낮은 듀티 사이클을 통해 열 발생을 최소화하고, 과도한 열을 더 효율적으로 방출 하거나 효율적으로 방출하거나 이 두 가지 방법을 조합하여 사용하는 것이다.

스트로브 오버드라이브 상태에서 LED가 제공할 수 있는 출력량에도 몇 가지 다른 요인이 영향을 미친다. 여기에는 LED 의 유형과 파장, LED의 개수 등이 포함된다.

듀티 사이클, 열 관리가 얼마나 잘 처리되는지 등을 고려해야 한다. 또한 스트로빙 컨트롤러의 설계, 아키텍처 및 입력 전력은 LED 출력을 최적화하고 디바이스의 성능이나 수명에 악영향을 미치지 않도록 하기 위해 매우 중요하다. 이러한 측면에서 LED 조명 제어에 대한 명확한 이해는 머신 비전 애플 리케이션을 위한 LED 조명 시스템을 최적으로 스트로빙하기 위한 핵심 요소이다.

드라이버 및 컨트롤러
 

머신 비전 애플리케이션용 LED 오버드라이브에 대해 논의할때 ‘드라이버’와 ‘컨트롤러’라는 용어를 혼동하기 쉽다. 일반 적으로 드라이버는 내부 장치이고 컨트롤러는 외부 장치이지 만, 드라이버와 컨트롤러 모두에 대해 외부 또는 임베디드 설계가 존재한다는 점에 유의하는 것이 중요하다.

이 논의에서 LED 드라이버와 컨트롤러의 주요 구분은 기능 및 하드웨어를 기반으로 한다. 일반적으로 업계에서는 사용자 입력에 따라 출력 및 스트로브 기능을 조정하는 기능을 구분하기 위해 기본 아날로그 디밍 또는 온/오프 기능 이상을 제공하는 모든 것을 컨트롤러로 분류하는 경향이 있다. 이러한 맥락에서 컨트롤러는 전체 아키텍처 내에 드라이버를 통합하는 경우가 많으며 일반적으로 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)를 통해 입력을 허용한다.

그렇다고 해서 오버드라이브 스트로빙에 적합한 드라이버를 올바르게 선택하는 것이 중요하지 않다는 의미는 아니다. 오버 드라이브 LED 스트로브 작동은 일반적으로 정전압 모드 드라이 버보다 정전류 드라이버를 활용하는 제어를 선호한다(그림5).

<그림5> LED 조명이 12V 또는 24V로 지정되어 있더라도 실제 조명 출력은 반도체 장치를 통과하는 전류에 따라 결정된다. 이 때문에 LED 디바이스 제조업 체는 가능한 최고의 효율을 얻기 위해 전류 제어를 권장한다.

전압이 조금만 변해도 전류가 크게 변하고 정밀하게 조절 되지 않으면 LED가 손상될 수 있기 때문이다. 하지만 정전류 드라이버와 컨트롤의 가장 큰 장점은 비교적 높은 구동 정확 도에 있다.

스트로브 컨트롤러를 올바르게 선택하고 구현하면 듀티 사이 클을 최적화하여 머신 비전 애플리케이션의 LED 수명과 성능을 개선하는데 크게 기여할 수 있다. 게이트형 또는 저전력 LED 스트로빙용 컨트롤러는 간단한 임베디드 설계를 사용할 수 있는 반면, 다른 컨트롤러는 큰 전력 출력을 제공하도록 구성된다.

일반적으로 외장형 컨트롤러는 임베디드 컨트롤러보다 고성능 오버드라이브 스트로빙에 더 적합한 경향이 있다. 외부에 장착된 구성 요소는 비용과 복잡성을 증가시킬 수 있지만 다음과 같은 문제도 피할 수 있다. 조명 내부에 열이 축적되는 것을 방지하고 더 큰 커패시터의 기능을 향상시킬 수 있는 더많은 공간을 확보한다.

스트로브 오버드라이빙 LED 조명기는 신뢰성을 저해하지 않으면서 출력을 극대화하여 까다로운 머신 비전 응용 프로 그램에서 뛰어난 성능을 제공한다. 모든 LED 장치와 마찬가 지로 접합부에서의 우수한 열 관리가 성능과 신뢰성의 균형을 유지하는데 중요하다.

올바른 LED 제어기와 드라이버를 선택하고 올바르게 구현 하는 것이 이러한 균형을 이루는 데 중요하다. 그러나 일부 컨트롤러의 정교함은 LED 조명 시스템의 기능을 더욱 향상시켜 가장 많은 빛뿐만 아니라 투자로부터 가장 많은 가치와 ROI 를 추출할 수 있게 한다.

자료제공 : Advanced Illumination(www.advancedillumination.com)