올바른 조명 선택

올바른 조명의 힘을 과소평가하다 이미징 시스템에서 contrast 및 resolution 문제로 고민하는 경우가 많습니다. 실제로, 더 높은 resolution의 detectors, 이미징 렌즈 및 소프트웨어에 투자하는 대신 시스템 조명을 개선하면 대부분의 경우 원하는 이미지 품질을 얻을 수 있습니다. 시스템 통합업체는 최종 이미지에서의 올바른 light intensity가 부품 선택에 직접적으로 관련되어 있음을 기억해야 합니다.

정확한 조명은 이미지 시스템에 매우 중요하며, 부적절한 조명은 다양한 이미지 문제를 야기할 수 있습니다. 예를 들어 Blooming 또는 hot spots은 shadowing과 같이 중요한 이미지 정보를 감출 수 있습니다. 게다가, shadowing은 측정할 때 잘못된 edge calculations을 유발해 부정확한 측정값으로 이어질 수도 있습니다. 잘못된 조명은 낮은 신호 대 잡음비로 이어질 수도 있습니다. 비 균질한 조명은 특히 신호 대 잡음비에 나쁜 영향을 줘 thresholding과 같은 작업을 어렵게 만듭니다. 이것들은 용도에 맞는 올바른 조명이 중요한 이유 중 일부에 지나지 않습니다.

부적합한 조명의 위험이 명확하지만 이를 피하려면 어떻게 해야 할까요? 시스템을 조립할 때 최적의 조명을 보장하려면 올바른 부품 선택의 역할을 인식하는 것이 중요합니다. 모든 부품은 센서의 입사광 광량에 영향을 주고, 결국 시스템의 이미지 품질에 영향을 줍니다. Imaging Lenses의 aperture (f/#)는 카메라의 입사광 광량에 영향을 줍니다. 렌즈 aperture가 닫혀 있으면 조명을 늘려야 합니다(즉, 더 높은 f/#). 관찰 영역이 좁으면 렌즈에 반사하는 빛의 양이 더 적어지므로 High power lenses는 대개 더 강한 조명을 필요로 합니다. 카메라의 최소 감도 역시 시스템에 필요한 최저 광량을 결정하는 데 중요합니다. 아울러, Gain, 셔터 속도 등의 카메라 설정이 센서의 감도에 영향을 줍니다. Fiber optic illumination은 보통 물체에 대한 조명을 최적화하기 위해 통합시켜야 하는 illuminator 및 light guide와 관련됩니다.

Table 1: 주요 측광 단위
1 footcandle	= 1 lumen/ft²
1 footcandle	= 10.764 meter candles
1 footcandle	= 10.764 lux
1 candle	= 1 lumen/steradian
1 candle	= 3.142 x 10^-4 Lambert
1 Lambert	= 2.054 candle/in²
1 lux	= meter candle
1 lux	= 0.0929 footcandle
1 meter candle	= 1 lumen/m²

EO의 조명 제품을 위한 light intensity는 대개 footcandles(영국식 단위)로 지정됩니다. 이에 상응하는 SI 단위인 Lux는 footcandles과 다음과 같은 관계를 갖고 있습니다. 1 lux = 0.0929 footcandle.

Table 2: Illumination Comparison
용도 요구 사항	검사 대상 물체	권장 조명 유형
Specularity 감소	광택이 있는 물체	전면 확산, 축 방향 확산, 편광
물체에 대한 고른 조명	모든 종류의 물체	전면 확산, 축 방향 확산, ring light
표면 결함이나 topology 강조 표시	거의 평평한(2-D) 물체	단방향, structured light
그림자가 있는 물체의 조직 강조 표시	모든 종류의 물체	지향성, structured light
그림자 감소	돌출 부위가 있는 물체, 3-D 물체	전면 확산, 축 방향 확산, ring light
물체 내의 결함 강조 표시	투명한 물체	Darkfield
물체의 그림자 투영	모든 종류의 물체	배경 조명
물체의 3-D 모양 윤곽 처리	돌출 부위가 있는 물체, 3-D 물체	Structured light

조명 유형

적절한 조명이 시스템의 성패를 가르는 결정적 요인인 경우가 빈번하기 때문에 자주 발생하는 조명 문제를 극복하기 위한 많은 제품 및 기술이 개발되어 왔습니다. 이 단원에서 사용된 타겟은 다양한 물체의 특성을 위한 이러한 다양한 조명 체계의 장단점을 증명하기 위해 개발되었습니다. 타겟의 홈, 색상, 표면 변형, 그리고 반사 영역은 실제 용도에서 특별한 관심이 필요한 일반적인 문제 발생 영역 중 일부를 나타냅니다.

Directional Illumination – 단일 광원 또는 복수 광원으로부터의 조명 광원을 가리킵니다. 조명광을 집중시키거나 확산시키기 위해 렌즈를 사용할 수 있습니다.
장점	밝고 유연하며 다양한 용도로 사용할 수 있습니다. 다양한 패키지에 쉽게 장착할 수 있습니다.
단점	Shadowing 및 glare.
유용한 제품	Fiber optic light guides, focusing assemblies, LED spot lights, 그리고 incandescent light.
용도	matte 및 flat 물체의 검사 및 측정.

Glancing Illumination – 지향성 조명과 비슷하게 조명 광원을 특정 방향으로 가리키지만 입사각이 좁지 않습니다.
장점	surface structure를 표시하고 object topography를 향상시킵니다.
단점	Hot spots 및 지나친 shadowing.
유용한 제품	Fiber optic light guides, focusing assemblies, LED spot lights, 그리고 incandescent light 및 line light guides.
용도	깊이가 있는 물체의 결함 식별 및 불투명한 물체의 마감처리 검사.

Diffuse Illumination – 넓게 퍼져 있는 광원으로부터 나온 빛을 고루 확산시킵니다.
장점	glare를 줄이고 고른 조명을 제공합니다.
단점	크기가 커서 제한된 공간에 장착하기에 어렵습니다.
유용한 제품	Fluorescent linear lights.
용도	넓은 working distance를 가진 크고 빛나는 물체의 이미지 처리용으로 최적입니다.

Ring Light – 렌즈에 직접 장착되는 Coaxial illumination입니다.
장점	렌즈에 직접 장착되고 shadowing을 줄여 줍니다. 적당한 거리에서 사용할 경우 고른 조명.
단점	반사면에서 원형 glare pattern. 비교적 짧은 working distance에서만 동작합니다.
유용한 제품	Fiber optic ring light guides 및 fluorescent ring lights; LED ring lights.
용도	matte 물체에 대한 광범위한 검사 및 계측 시스템.

Diffuse Axial Illumination – 광학 부품에 직렬로 빛을 확산시킵니다. 렌즈가 빛을 물체에 반사하는 beamsplitter를 통해 들여다 보입니다. Illumination is coaxial to imaging access. 조명은 이미징 액세스에 동축입니다.
장점	아주 고른 확산 조명으로서 shadowing을 크게 줄이고 glare가 거의 없음.
단점	크고 장착하기 어려움, working distance 제한, throughput이 작아 충분한 조명을 위해서는 여러 개의 fiber optic sources가 필요함.
유용한 제품	Fiber optic diffuse axial attachment. 단일 또는 복수의 fiber optic illuminators. 사용하는 illuminators 수와 attachment 크기에 따라 1, 2 또는 4개의 fiber bundles. LED diffuse axial illumina
용도	광택이 있는 물체의 측정 및 검사.

Structured Light (Line Generators) – 물체에 투사되는 패턴. 반적으로 laser projected lines, spots, grids 또는 circles입니다.
장점	좁은 영역에 강한 조명을 비추어 표면 특성을 향상시킵니다. 물체로부터 심도 정보를 얻는 데 사용할 수 있습니다.
단점	blooming을 유발할 수 있으며 일부 색상에 의해 흡수됩니다.
유용한 제품	line generating 기능이 있는 Lasers 기기 또는 굴절 패턴 생성 광학 부품.
용도	3차원 물체의 누락된 특성 검사. Topography 계측.

Structured Light Illumination on a Target

Polarized Light – specularities 및 hot spots을 제거하기 위해 polarized light를 이용하는 지향성 조명 유형.
장점	편광된 빛으로 물체의 전체 표면에 고른 조명을 제공합니다. 표면 특성을 식별할 수 있도록 glare를 줄여 줍니다.
장점	광원 및/또는 이미징 렌즈 앞에 편광 필터를 배치하고 나면 전체적인 빛의 강도가 감소됩니다.
유용한 제품	편광 필터 및 Polarizer/ Analyzer 어댑터.
용도	광택이 있는 물체의 측정 및 검사.

Darkfield – 렌즈의 반대편 수직으로 통해 투명 또는 반투명 물체에 빛이 들어옵니다.
장점	내부 및 표면 세부 사항을 High contrast로 식별. 깨끗한 물체에서 스크래치, 크랙 및 버블을 개선합니다.
단점	edge contrast가 나쁨. 불투명 물체에는 유용하지 않습니다.
유용한 제품	Fiber optic darkfield attachment, line light guides 및 laser line generators.
용도	유리 및 플라스틱 검사.

Brightfield/Backlight – 물체에 배경 조명을 제공합니다. 불투명 물체의 윤곽을 나타내거나 투명한 물체의 이미지 처리를 위해 사용됩니다.
장점	edge detection을 위한 High contrast.
단점	표면 세부 사항을 제거합니다.
유용한 제품	Fiber optic backlights 및 LED backlights.
용도	타겟 및 테스트 패턴, edge detection, 불투명 물체 계측 및 반투명 컬러 물체 분류.

Brightfield/Blacklight Illumination on a Target

Brightfield/Blacklight Illumination Setup

필터링은 다양한 CONTRAST 레벨을 제공합니다.

예제에서는 다양한 컬러 필터가 부착된 backlight illumination 및 darkfield에 대해 설명합니다.참고: 이미지는 10X Close Focus Zoom Lens #54-363: Field of View = 30mm, Working Distance = 200mm 조건에서 촬영되었습니다.

Darkfield만 사용 결함이 흰색으로 표시됩니다.

Darkfield - 청색 필터 사용 결함이 청색으로 표시됩니다.

Darkfield 및 Backlight 필터를 사용하지 않았지만 edge contrast가 개선됩니다.

Darkfield without Filter and Backlight with Yellow Filter

Darkfield - 필터 사용 안함, Backlight - 노란색 필터 전반적인 contrast 개선, 결함은 다른 부분에 비해 하얗게 표시됩니다.

POLARIZERS를 사용한 이미지 품질 개선

polarizer는 이미지에서 specular reflections(glare)를 제거하고 표면 결함을 드러내는 데 유용합니다. Polarizer는 검사 대상 물체에 따라 광원에 장착하거나 비디오 렌즈 또는 양쪽 모두에 장착할 수 있습니다. 조명 광원 및 비디오 렌즈에 각각 하나씩 두 개의 polarizers를 사용할 경우 해당 polarization axes는 서로 직각을 이루어야 합니다. 다음은 몇 가지 소재 유형 및 환경에서의 glare 문제에 대한 polarization solutions입니다.

문제 1

물체가 비금속이고 조명이 날카로운 예각으로 물체에 비춰집니다.

솔루션 1

일반적으로 렌즈에 polarizer를 다는 것만으로 glare를 충분히 차단할 수 있습니다. (glare가 최소화될 때까지 polarizer를 회전시키십시오.) 그래도 glare가 존재하면 광원 앞에 polarizer를 추가하십시오.

Polarizers 사용 안함

Polarizers 사용

문제 2

물체의 표면이 금속성이거나 광택이 있습니다.

솔루션 2

Contrast를 향상시켜 표면 디테일을 드러내려면 렌즈뿐 아니라 광원에도 polarizer를 장착하는 것이 좋습니다. 광택이 있는 표면에 입사되는 편광된 빛은 반사될 때 편광 상태를 유지합니다. 금속의 표면 결함은 반사광의 편광 상태를 바꿔 놓게 됩니다. 렌즈의 polarizer를 돌려 편광 축이 광원의 polarizer 편광 축과 직교하도록 하면 glare가 감소되어 표면의 스크래치 및 패인 부분이 보이게 됩니다.