Telecentric Illumination: 머신 비전 용도에 텔레센트릭 조명이 필요한 이유

이론 | 이점 | 어플리케이션

이미징 및 검사 프로젝트는 정밀 광학 부품을 사용하고 이를 정확하게 배치를 해야만 최적의 성능을 달성할 수 있습니다. 머신 비전 검사 용도에는 몇몇 핵심 부품으로 불리는 이미징 렌즈, 조명 광원, 카메라, 광기계 부품 등이 활용됩니다. 어플리케이션을 성공적으로 이끌기 위해서는 이미징 렌즈와 카메라의 올바른 선택이 필수적으로 반영되어야 하지만, 조명 역시 매우 중요한 역할을 합니다. 가장 정밀한 유형의 조명 형태 중 하나는 telecentric illumination입니다. 그렇다면 telecentric illumination이란 무엇일까요? 표준 backlight illumination과 비교 시 어떠한 방식으로 더 나은 결과를 이끌어낼 수 있을까요? 이러한 질문에 답변을 하기 위해서는 조명의 이론과 이점, 실전에서의 검수 용도를 우선적으로 검토해봐야 합니다.

Telecentric Illumination의 이론

광학에서의 telecentricity는 주광선이 이미지 및/또는 피사체의 공간에서 시준을 이루면서 광축과 평행할 때 특정 다중 요소 렌즈 디자인이 갖게 되는 고유한 속성입니다(그림 1). Telecentricity의 주요 특성은 이미지 및/또는 피사체의 위치와 관계없이 배율이 일정하게 유지된다는 점입니다. Telecentricity는 object-space, image-space, double과 같이 세 가지로 분류됩니다. 기타 자세한 정보 및 정의는 Telecentricity의 이점 편을 참조하기 바랍니다.

그림 1: 주광선이 광축과 평행을 이루는 Telecentricity의 예

조명의 경우에는 주광선이 시준 상태가 되고 광축과 평행을 이룬다는 개념 또한 적용됩니다. 이와 같은 케이스는 종종 collimated backlight로도 불리는 telecentric illuminator를 사용할 때를 말합니다. TECHSPEC® Telecentric Backlight Illuminator와 같은 telecentric illuminator는 광학을 이용해 fiber optic light guide나 LED에서 방출되는 빛을 검사 중인 피사체로 유도함에 따라 콘트라스트가 높은 실루엣을 생성합니다. Telecentric illuminator는 피사체에서 확산하는 반사를 감소시켜 가장자리의 콘트라스트와 측정 정밀도를 높여줍니다. 시준된 광선은 illuminator 밖으로 빠져나와 피사체의 표면에 부딪힐 때 시준 상태를 그대로 유지합니다(그림 2a). 이와 반대로 standard backlight에서 방출되는 광선은 확장이 되면서 다른 광선과 서로 간섭하며 확산형 반사를 생성합니다(그림 2b). 이와 관련된 교육용 예제는 Imaging Lab Module 2.2: Telecentricity를 참조하기 바랍니다.

그림 2a: 시준된 광선을 생성하는 Telecentric Illuminator

그림 2b: 확산형 반사를 일으키는 Standard Backlight

Telecentric Illumination은 어떠한 방식으로 콘트라스트가 높은 실루엣을 생성합니까?

Telecentric illuminator는 fiber optic light guide 또는 LED spotlight에서 나오는 빛을 시준하기 위해 고품질 글래스 광학 렌즈를 사용해 작동합니다. 광원에서 방출되는 분산광은 다중 요소 어셈블리로 입사해 평행을 이루기 때문에 출사할 때 매우 높은 광집속력을 보입니다. Telecentric illuminator로 입사하는 빛의 대부분은 검사 중인 피사체와 부딪히게 됩니다(후방 반사 및 광학 렌즈로 인한 흡수는 제외). 또한 다수의 telecentric illuminator는 조명의 강도를 제어할 수 있도록 아이리스가 함께 제공됩니다.

Telecentric Illumination의 비결은 무엇입니까?

LED pattern projector 및 reticle과 결합하면 standard telecentric imaging lens를 telecentric illuminator처럼 사용할 수 있습니다. 일반적인 telecentric illuminator와 마찬가지로 telecentric imaging lens를 통과한 빛은 시준이 되면서 피사체의 실루엣을 형성할 때 확산형 반사를 제거하게 됩니다. Telecentric imaging lens와 달리 telecentric imaging lens를 사용할 때는 LED projector 상에서 결함이 감지될 수 있습니다.

TELECENTRIC ILLUMINATION의 이점

Telecentric illumination은 정확도, 반복성, 처리량이 성공적이 어플리케이션의 핵심 요소인 정밀 측정 용도에 이상적으로 사용할 수 있습니다. 최상의 결과를 도출해내기 위해서는 우선 telecentric illumination의 8가지 주요 이점을 검토해야 합니다.

1. 미세한 결함에 대한 뛰어남 감지력
2. 표준형 backlight illumination에 비해 측정 정확도와 반복성이 향상됨
3. 확산 반사로 인해 발생하는 모서리 부분의 blur 제거
4. 시준된 광선의 light intensity 향상
5. 모서리의 blur가 제거되고 light intensity가 증가하여 이미지의 contrast가 높아짐
6. Light intensity의 증가로 카메라의 노출 시간이 줄어듦
7. 표준형 backlight illumination에 비해 시스템이 훨씬 빠르고 처리량이 더 높아짐
8. 피사체와 광원 사이의 거리가 증가함

다만, telecentric illuminator의 경우 공간적 소모가 발생하고 때로는 비용이 많이 든다는 점 등의 몇 가지 단점이 있을 수 있습니다. 그리고 피사체의 크기가 커질수록 telecentric illuminator의 크기 또한 커질 수밖에 없습니다. 공간이나 비용을 주로 고려해야 하는 용도라면 collimated backlight가 더 바람직한 옵션일 수 있습니다. Collimated backlight는 빛을 시준하기 위해 필름이 내장된 표준형 백라이트 조명기입니다. 이 조명기는 telecentric illuminator만큼 성능이 뛰어나지는 않지만, 표준 백라이트에 비해 확산이 덜 함에 따라 확산 반사로 인해 가장자리가 흐려지는 현상의 일부를 제거할 수 있습니다.

어플리케이션 예제

가장 중요한 첫 번째 단계는 telecentric illumination의 이론적인 틀을 이해하는 것입니다. 다음은 머신 비전 용도에 telecentric illumination이 왜 필요한지를 파악하기 위해 정밀 조명 형태가 실제로 적용된 어플리케이션을 분석한 내용입니다. Telecentric illumination의 이점들은 고속 이미징, 공장 자동화, 실루엣 처리, 결함 및 가장자리 감지 등의 다양한 용도에서 유용하게 활용될 수 있습니다.

한 가지 예를 들자면 stainless steel post의 thread 직경 측정과 검사가 있습니다. 검사해야 할 피사체의 크기(10mm)가 작고 thread pitch를 측정해야 한다면 육안 검사를 통한 분류는 사실상 불가능합니다. 여기서 예로든 어플리케이션에는 앞쪽에 standard LED backlight가 달린 SilverTL™Telecentric Lens (#56-675)를 640 x 480 pixel CCD 카메라에 설치한 시스템이 이용되었습니다. 일단은 이미지 확보를 위해 picking robot으로 부품을 제조 턴테이블에서 비전 시스템 쪽으로 옮긴 후, 여기서 수집된 이미지 정보를 이용해 picking robot으로 부품의 합격/불합격 여부를 지정하였습니다.

Standard backlight system이 아무리 잘 설계되었다 하더라도 10mm 이하의 부품은 검사가 불가능하고 한도가 10ppm으로 제한됨에 따라 신규 생산 라인의 흐름을 따라잡기 위해서는 한도가 40ppm은 되어야 했습니다. 게다가 diffuse LED backlight로부터 생산되는 빛은 광도가 낮아 카메라 노출 시간을 2.5ms로 설정해야 했습니다. 단, 이미지 캡처에 blur가 발생하지 않도록 신규 생산 라인의 스피드는 800μsec만 허용되었습니다. 이를 위한 한 가지 간단한 해결책은 카메라의 gain 세팅 값을 올려서 노출 시간을 줄이는 것이었습니다. 그러나 이와 같은 방식은 시스템의 신호대잡음비를 증가시켜 결국 측정 정확도의 저하로 이어질 수 밖에 없었습니다.

그림 3: Telecentric illuminator 시스템을 이용해 포스트의 thread 직경을 이미징한 모습(좌측)과 standard backlight 시스템을 이용해 포스트의 동일한 thread 직경을 이미징한 모습(우측).

위 예제를 통해 왜 Telecentric illumination을 사용해야 하는지를 명확히 확인할 수 있었습니다. Diffuse LED backlight를 TECHSPEC® Telecentric Backlight Illuminator (#62-760)와 교체하면, thread를 비추는 빛의 강도가 증가하여 카메라의 노출 시간은 줄어들고 확산 반사가 감소하여 이미지 전체의 콘트라스트는 증가하게 됩니다.

본래의 셋업에서는 backlight로부터 확산 반사가 일어나면서 모서리에 blur가 발생할 수 밖에 없었습니다. Telecentric illuminator로 교체 후에는 모서리 부분이 더욱 선명해져 검수의 합격/불합격 여부를 더욱 쉽게 결정할 수 있게 되었습니다(그림 4). 뿐만 아니라 thread의 측면에 있는 blur는 표준 backlight로 거의 눈에 띄지 않지만, telecentric illuminator로는 쉽게 발견할 수 있어 측정이 더욱 수월해집니다. 아래의 그래프는 telecentric illuminator 시스템과 standard backlight 시스템의 콘트라스트 수치를 각각 보여줍니다. 그래프 상에서 우물형 구간(well)이 넓을수록 콘트라스트가 높아짐을 나타냄에 따라 측정 정확도가 향상됩니다.
 

그림 4: 좌측 이미지는 telecentric illuminator 시스템으로 촬영된 선명한 가장자리의 실루엣을 보여줌. 우측 이미지는 standard backlight 시스템으로 촬영된 흐릿한 가장자리를 보여줌.

Telecentric illumination은 고속 이미징, 공장 자동화, 실루엣 검사, 결합 및 모서리 감지 등과 같은 각종 머신 비전 용도에 다양한 이점을 제공합니다. Standard backlight와 달리 telecentric illumination을 사용하면 피사체의 선명한 실루엣을 관찰할 수 있어 모서리 및 결함 감지 용도에 보다 안성맞춤입니다. 따라서 telecentric illumination이 가지고 있는 여러 가지 장점을 파악하고 blur가 발생하지 않는 고대비 이미지 생성 혹은 고속의 자동화 어플리케이션에 이를 활용하는 것이 무엇보다 중요합니다

촬영에 동원된 부품:

• 56-675 (0.16X SilverTL)
• 62-760 (52mm Telecentric Backlight Illuminator)
• 87-544 (Red, LED Spot Light)
• 56-871 (Mounting Clamp)
• 58-867 (Kinematic Table)
• Family 2868 (English Stainless Steel Mounting Posts)
• Family 1475 (Dovetail Optical Rail Systems)

참고 문헌

1. Butkus, Bruce. "Telecentric Illumination for Vision-System Backlighting." Machine Design. June 2, 2009. Accessed January 12, 2012. http://machinedesign.com/archive/telecentric-illumination-vision-system-backlighting.

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