조명은 얼마만큼 중요한가?

일부 고객들은 이미지 시스템의 콘트라스트와 해상도 문제로 고생하면서도, 적절한 조명의 세기를 종종 과소 평가한다. 원하는 품질의 이미지는 일반적으로 고해상도의 디텍터, 이미지 렌즈나 소프트웨어에 투자하는 것보다 시스템의 조명을 개선함으로써 얻을 수 있다.

올바른 조명은 이미징 시스템에 결정적인 역할을 하며 그렇지 않은 조명은 다양한 이미지 문제를 유발한다. 예를 들어, 블루밍이나 핫스폿은 그림자를 만들어 중요한 이미지 정보를 감출 수 있다. 게다가 그림자가 지면 측정 시 가장자리 값을 잘못 계산할 수 있어 결과적으로 정확하지 않은 측정 값이 산출된다.

또한 품질이 떨어지는 조명은 낮은 신호 대 잡음 비를 초래하고, 균일하지 않은 조명은 신호 대 잡음 비에 악영향을 주어서 작업을 더 어렵게 만들 수 있다. 이는 올바른 조명 사용이 얼마나 중요한지 알려주는 몇 가지 예에 불과하다. 시스템 적용 시 최적의 조명을 보장하려면 구성 요소의 적절한 역할을 파악하는 것이 중요하다. 모든 구성 요소들은 센서로 입사하는 빛의 양에 영향을 주어 시스템의 이미지의 품질에도 영향을 미친다.

이미지 렌즈의 구경(f/#)은 카메라로 입사하는 빛의 양에 영향을 준다. 렌즈의 구경이 닫히면 (즉, 더 높은 f/#) 조명은 증가해야 한다. 굴절력이 높은 렌즈는 보이는 영역이 작아지면서 렌즈로 다시 반사되는 빛이 적어지므로 더 많은 조명을 필요로 한다. 카메라의 최소 민감도는 시스템에 필요한 최소 빛의 양을 결정하는데 중요한 역할을 한다. 이외에도 게인(gain)이나 셔터 스피드 같은 CCD 카메라의 세팅이 센서의 민감도에 영향을 미친다.

머신 비전의 명시야와 암시야 조명
 

명시야 조명과 암시야 조명은 현미경 검사법에서 유래된 용어이지만 이 뒤에 숨겨진 원리는 머신 비전에도 적용된다. 용어마다 사용되는 예가 달라 혼란을 야기할 수 있지만 이해만 한다면 머신 비전 용도에 적합한 여러 종류의 조명 기술을 학습하는 데 도움이 된다.

명시야 조명
 

<그림1> 현미경 검사 시 명시야 조명은 배경과 대조적으로 불투명한 피사체가 어둡게 보이도록 하는 밝은 배경을 생성함.

명시야 조명(brightfield illumination)에서 광원은 이미징 시스템의 시야 (FOV)에 위치한다. 피사체가 투명하고 피사체의 후방에서 조명을 비추는 전통적인 현미경의 정의에 따르면 광원은 시야 안에 있는 원뿔형 조명 및대물 렌즈와 일직선을 이룬다. <그림1>에서 파란색 삼각형은 대물렌즈의 시야를 나타내며 조명의 붉은색 광선은 이 파란선 안에 위치한다.

<그림2> 머신 비전 용도에서 명시야 조명은 정반 사성 피사체는 밝게 보이도록 하고 확산형 피사체는 어둡게 보이도록 함.
 

머신 비전에서의 조명은 현미경 검사와 달리 피사체의 뒤에서 비추는 경우가 드물다. 이러한 이유로 머신 비전에 적합한 명시야 조명은 렌즈에 입사한 뒤 피사체에서 반사되는 빛을 포함한다. <그림2>는 반사각이 입사각과 동일하다는 반사의 법칙이 정반사성 혹은 거울과 유사한 피사체에도 가정 된다는 개념을 보여준다.

<그림2>는 렌즈로 입사하는 원뿔형 빛의 가장자리를 파란색으로 규정한 주변 시야의 광선을 보여준다. 이때 주변 시야광은 <그림1>에 있는 광선과 동일함을 알 수 있다. <그림2>에서와 같이 광선이 피사체에 부딪혀 반사된후 ‘W’ 모양을 형성할 수 있는 경우, ‘W’내에서 생성되는 빛은 렌즈로 다시 반사되기 때문에 명시야 조명으로 분류된다. 이러한 반사가 일어나면 시야 내에 있는 정반사성 피사체가 밝게 관찰된다. 확산형 피사체는 빛을 산란시켜 렌즈로 반사되어 돌아가는 광량을 감소시켜 더욱 어둡게 보이도록 한다.

암시야 조명
 

<그림3> 현미경 검사 시 암시야 조명은 배경과 대조적으로 반투명 피사체가 밝게 보이 도록 하는 어두운 배경을 생성함.

명시야 조명과는 대조적으로 암시야 조명(darkfield illumination)은 광원이 렌즈의 시야 밖에서 비롯될 때 발생하며 광원에서 이탈하지 않은 빛이 렌즈로 입사하지 못하도록 한다. <그림3>에 나와 있듯이 전형적인 암시야 현미경 검사에서 광원은 대물렌 즈의 FOV를 나타내는 파란색 원뿔형 외부로 이동한다. 이에 따라 배경은 어두워지지만, 반투명 피사체는 조명을 산란시켜 빛의 일부가 렌즈로 들어가 도록 해 반투명 피사체는 더욱 밝아 보이게 된다.

<그림4> 머신 비전 용도에서 암시야 조명은 정반 사성 피사체는 밝게 보이도록 하고 확산형 피사체는 어둡게 보이도록 함.

머신 비전에서 암시야 조명은 정반사성 피사체에서 반사된 빛이 렌즈로 돌아가지 않을 때 발생한다. 위에서 언급한 명시야 조명에 사용된 렌즈의 FOV를 나타내기 위해 동일하게 ‘W’를 사용하면 광원은 머신 비전의 암시야 조명에서 ‘W’ 밖으로 이동한다. 이에 따라 확산형 피사체는 빛을 렌즈로 산란시키는 반면, <그림4>에서 볼 수 있듯이 광원에서 반사된 빛은 카메라로부터 멀리 떨어져 반사하기 때문에 정반사성 피사체는 어두운 상태를 그대로 유지한다.

인라인 조명
 

인라인 조명(in-line illumination)은 일반적으로 광섬유 라이트 가이드 또는 LED 광원 및 빔을 분할하는 광학을 이용해 머신 비전 렌즈의 광학 어셈블리에 결합되는 독특한 스타일의 조명을 가리킨다. 빔스플리터가 렌즈 어셈블리의 전면이 아닌 내부에 위치 한다는 사실을 제외하면 이미징 경로 상단에 있는 조명 경로를 굴절시키기 위해 빔스플리터를 사용한다는 점에서 확산 축조명(diffuse axial illumination)과 상당히 유사하다.

이에 따라 확산 축조명보다 인라인 조명을 보다 콤팩트하게 설계할 수 있다. 인라인 조명은 명시야광의 한 형태로서 명시야광과 암시야광이 혼합된 확산 축조명에 비해 방향성이 더욱 뛰어나다. 텔레센 트릭 렌즈(그림5)가 사용되는 특정한 경우에는 렌즈의 전면광이 FOV 바깥쪽에 위치함에 따라 렌즈의 전체 시야에서 반사형 명시야광을 얻기 위해서는 인라인 조명을 적용하는 방법밖에 없다.

<그림5> 텔레센트릭 렌즈 내부에서 인라인 조명을 그림으로 표현한 모습.

또한 인라인 조명을 명시야 조명과 비교해 봐도 매우 다양한 결과가 도출된다. 아래에 있는 <그림6>은 명시야 조명과 인라인 조명을 사용해 촬영한 chrome on glass, positive USAF 1951 contrast target을 보여준다.

<그림6> 명시야 조명(그림6a)과 인라인 조명(그림6b)을 사용해 촬영한 chrome on glass positive USAF 1951 resolution target.

이 두 가지 조명의 가장 눈에 띄는 차이점은 두 이미지 사이의 완벽한 콘트라스트 반전이다. 게다가 타깃의 결함은 명시야 이미지에서 보다 뚜렷한데 이는 용도에 따라 장점이 될 수도 혹은 단점이 될 수도 있다. 여기서 흥미로운 사실은 반사율이 매우 높은 타깃의 특성으로 인해 인라인 이미지에서 명시야 이미지 대비 10% 이상 우수한 콘트라스트를 보인다는 것으로서 이와 관련된 원인에 대해서는 아래에서 설명한다.

인라인 조명을 사용해야 하는 경우
 

인라인 조명을 사용하고자 할 때는 적용 가능한 어플 리케이션과 적용 불가능한 어플리케이션을 정확히 이해하는 것이 중요하다. 인라인 조명은 조명 경로에서의 빛의 특성으로 인해 반도체 웨이퍼나 CCD와 같은 정반사성 피사체 또는 세미반사성 피사체 적합하다. 텔레 센트릭 렌즈 두 개를 이용해 하나는 인라인 조명을 장착하고 다른 하나는 링 라이트(ring light)를 장착한 후동일한 CCD로 생성된 이미지를 관찰하면 명시야 조명 (링 라이트 사용)과 인라인 조명 간에 차이가 나타남을알 수 있다. 해당 이미지는 <그림7>에 나와 있다.

<그림7> 암시야 조명 (왼쪽)과 명시야 인라인 조명 (오른쪽)을 비교한 모습.

인라인 조명은 CCD의 와이어 부분과 나머지 부분 사이에서 더욱 강렬하면서도 균일한 콘트라스트를 제공하기 때문에 CCD의 가장자리를 따라 와이어를 검사할때 보다 바람직한 선택이 될 수 있다. <그림8>에서 볼수 있듯이, 인라인 조명을 사용할 경우 <그림7>의 와이어가 배경에 비해 더 검게 보이는 이유는 정반사성 배경이 렌즈로 돌아가는 모든 빛을 직접 반사하는 반면 확산성 와이어는 렌즈로 돌아가는 빛의 소량만을 산란 시키기 때문이다. 암시야 조명의 경우 배경이 검게 보이는 이유는 정반사광이 렌즈로 돌아가지 않기 때문이며, 확산성 와이어의 반사 또한 흐릿하게 일어나 와이어와 배경 간의 콘트라스트가 낮다.

<그림8> 암시야 링 라이트 조명(좌측)에서는 정반사성 피사체에서 반사하는 빛의 대부분이 렌즈로 돌아가지 않는 반면, 인라인 조명(우측)에서는 모든 빛이 정반사성 피사체에서 반사하고 렌즈로 다시 돌아감.

암시야 조명을 사용할 때 링 라이트에서 발생한 빛은 피사체에 의해 렌즈 안쪽으로 산란이 일어난다. 링 라이트 개별 광원의 각도와 CCD 표면에 따른 와이어의 각도, 그리고 끝 부분의 납땜 소재에 따라 반사 형태가 달라지기 때문에 와이어 길이를 따라 반사광에 대한 픽셀 값이 불규칙하게 나타난다.

인라인 조명을 사용하면 모든 광선이 피사체에 의해 반사되고 렌즈에서는 산란이 일어나게 되면서, 와이어에 도달하는 어떤 빛도 렌즈를 통해 센서로 반사되지 않는다. 와이어의 콘트라스트가 높고 배경의 콘트라스트가 고를수록 암시야 조명보다 인라인 조명이 와이어 검사에 더욱 적합하다.

<표1> 암시야 조명과 명시야 인라인 조명의 비교.

CCD 커버 글래스의 패인 자국(dig) 또는 깨진 조각(chip)을 검사하는 경우 이미지 전체에서 균일한 콘트라스트를 확보할 수 있는 인라인 조명을 사용하는 것이 더욱 유리할 수 있다. <그림7>에서와 같이 인라인 조명으로 관찰되는 어두운 조각은 암시야 시스템으로 형성된 고대비 이미지에서 관찰 되는 조각보다는 복잡한 CCD 배경에서 훨씬 더 높은 대비를 이루게 된다.

인라인 조명의 사용을 피해야 하는 경우
 

다양한 이점으로 인해 인라인 조명은 공간적 제약이 있는 시스템에서 사용하기 아주 바람직하다고 여겨진다. 다만 모든 어플리케이션에 완벽한 솔루션을 제공하는 것은 아니다. 분산형 또는 흐릿한 반사형 피사체는 다른 조명 기법을 사용해야 더 효과적으로 이미징을 수행할 수 있다.

이미징 어셈블리 경로에 빔스플리터를 배치하면 인라인 조명 시스템에 미광을 일으키는 광원이 유도되어 이를 완전히 해결하기 위한 몇몇 옵션을 적용할 시 광학 어셈블리에 더 심각한 문제를 유발할 수 있다. 이에 따라 피사체에서 반사되거나 산란되지 않고 항상 광원에서 센서로 들어오는 빛이 존재하게 된다. 이러한 빛으로 인해 이미지 상에 흐릿한 부분이 생기면서 피사체의 검은 영역이 실제 이미지 상에서는 검게 보이지 않기도 한다.

콘트라스트의 저하가 항상 문제가 되지는 않지만, 분산형 혹은 어두운 피사체를 이미징하는 경우와 같이 신호가 약한 어플리케이션에서는 문제의 소지가 될 수 있다. 해당 예제는 <그림9>에 나와 있으며, 링라이트는 피사체인 목재를 고르게 비추지만 인라인 조명이 들어오는 이미지는 중앙에 핫스폿을 가지고 있어 회색으로 보인다.

<그림9> 나무 재질의 피사체에 링 라이트로 빛을 비춘 것(왼쪽)과 인라인 조명으로 빛을 비춘 것(오른쪽)을 비교한 이미지.
 

자료제공: 에드몬드옵틱스(www.edmundoptics.co.kr)