고품질의 이미지를 얻기 위한 11가지 베스트 예제

이 페이지는 Imaging Resource Guide의 단원 1.1입니다.

머신 비전, 생명 과학, 보안, 교통 분야 솔루션 중 어떤 분야에 적용하든 이 미징 기술의 기본 원리를 이해하면 정교한 이미징 시스템의 개발 및 배치 가 쉬워집니다. 센서와 조명 기술의 발전과 함께 시스템 성능에 한계가 없 을 것처럼 보이지만 이러한 기술을 적용한 설계와 생산에는 물리적 한계 가 존재합니다. 이러한 한계에서 광학 부품도 예외일 수는 없으며 광학 제 품들이 시스템의 성능을 제한하는 요소로 작용하는 경우도 빈번합니다. 본 가이드에서 제공되는 내용은 이미징 시스템을 선택하고 시스템 성능을 극 대화하면서도 비용은 최소화할 수 있도록 도울 수 있게 구성되어 있습니다.

에드몬드 옵틱스는 이미징 시스템의 정밀성 및 비용 대비 효과적인 이미 징 시스템 구축을 위한 11가지 기본 수칙을 소개하고자 합니다. 다음 수 칙들은 이미징 시스템 설계 시 고려해야하는 항목들이지만 어플리케이션 마다 각각의 특색이 있는 만큼 이 외에도 추가적으로 고려해야 할 사항들 이 있을 수 있습니다.

EO 베스트 예제 #1: 공간은 클수록 좋습니다. 이미징 시스템의 공간을 여유 있게 설계하십시오.

시스템을 제작하기 전에 어느 정도의 공간이 필요한지 파악하는 일은 고 해상도와 고배율이 필요할 경우 더욱 중요합니다. 소비자용 카메라 기술 이 발전하면서 소형 패키지 분야에서 최근 눈부신 성과를 이룩했지만, 성 능 면에서는 중급 산업용 이미징 시스템에 필요한 수준에도 못 미치는 것 이 현실이며 이는 어느 정도 크기로 인한 한계이기도 합니다. 대부분의 어 플리케이션에 있어서 복잡한 조명 구조, 넓은 직경, 긴 렌즈와 커다란 카메라, 그리고 일부 장비 조작에 필요한 배선 및 전원이 필요한 경우가 많습니다. 시스템의 공간 제약을 감안하지 않음으로써 시스템 성능을 희생해야 하는 우를 범하지 말아야 합니다. 일반적으로 vision 부분을 중심으로 전자 회로와 기계 부품을 배치하는 것이 그 반대의 경우보다 수월하므로 시스템의 vision 부분을 먼저 지정하는 편이 유리합니다. 아울러 조명 체계가 vision 시스템의 일부이며 검사 대상 피사체의 형태로 인해 diffuse dome과 같은 대형 광원 사용이 꼭 필요한 경우가 많다는 점을 유념해야 합니다(EO 베스트 예제 #4 참조).

EO 베스트 예제 #2: 자신의 눈을 믿지 마십시오.

사람의 눈과 뇌는 서로 상호 작용하면서 매우 발달된 이미징 및 분석 시스 템을 구성해 실제로는 존재하지 않는 정보를 제공할 수도 있습니다. 게다가, 사람은 이미징 시스템과는 다른 방식으로 보고 contrast를 처리합니다. 이미지 품질과 성능 요구 사항을 만족시키려면 소프트웨어 분석을 이용해야 합니다. 인간의 눈으로 좋아 보이는 이미지가 막상 시스템의 알고리즘 상에서는 사용할 수 없는 경우가 있기 때문입니다.

EO 베스트 예제 #3: 주의! 너무 접근하지 마십시오.

물리적 제약으로 인해 렌즈의 working distance에 비해 너무 넓은 fields of view를 관찰하려 할 경우 광학 부품 설계가 너무 까다로워져 시스템 성능이 저하될 수 있습니다. 비용과 복잡성은 최소화하면서 성능은 극대화하 려면 원하는 field of view 넓이보다 working distance가 대략 2-4배 긴렌즈를 선택하는 것이 바람직합니다. EO 베스트 예제 #1을 유념해 시스템을 제작하기 전에 이미징 시스템의 공간 요구 사항을 감안하시기 바랍니다. 이러한 예제는 센서 크기와 focal length 사이의 관계에도 적용됩니다.

성능을 극대화하려면 센서 diagonal에 대한 focal length의 비율이 2-4 범위인 것이 가장 좋습니다.

베스트 예제 #1과 #3: 100mm의 field of view가 필요할 경우 시스템의 working distance는 200 - 400mm 사이인 것이 좋습니다. 1대1 정도 또는 그 이상의 FOV 대비 WD 비율에서 시스템의 성능 요구 사항을 충족시킬 수 있다 하더라도 어쩔 수 없이 상당한 비용과 성능 사이의 타협이 필요할 것입니다.

Two Lens Designs with the same Field of View and very different Working Distances

그림 1: Field of view는 같지만 working distance에 큰 차이가 있는 두 개의 렌즈 디자인 1a와 1b.

그림 1a와 1b의 두 가지 렌즈는 같은 센서에 동일한 field of view의 이미징을 제공하지만 그림 a의 렌즈는 working distance가 field of view의 절반에 불과한 반면, 그림 b의 렌즈는 field of view의 3배에 해당되는 working distance를 갖고 있습니다. 그림 a에서 렌즈를 통과하는 빛은 급격히 꺾이게 되며 field of view 가장자리 쪽의 빛은(마젠타/적색) field of view 한가운데로 들어오는 빛(파랑)에 비해 훨씬 긴 이동 거리를 갖게 됩니다. 이와 대조적으로 그림 b의 렌즈에서는 비교적 작은 각도로 field of view를 얻게 되며 경로 차이도 보다 작습니다. 결과적으로 그림 b의 렌즈는 훨씬 덜 복잡하고 적은 비용 으로 더욱 우수한 성능을 제공합니다.

EO 베스트 예제 #4: 삶을 비추는 조명. 정말 중요한 사항입니다.

마치 예술처럼 보이지만 적절한 조명 형태를 선택하는 일은 매우 과학적인 작업입니다. 렌즈와 센서가 효과적으로 작동하려면 피사체에 적절한 조명을 비춰 강한 contrast를 구현해야 합니다. 적절한 조명 형태를 사용하 려면 먼저 검사 대상 물체의 특징과 결함이 갖는 성격을 파악해야 합니다. 때로는 이러한 조명이 매우 클 수도 있다는 점을 유념하십시오(EO 베스트 예제 #1 참조).

EO의 어플리케이션 노트인 Choose the Correct Illumination에서 조명 형태에 대해 알아보십시오.

EO 베스트 예제 #5: 컬러의 중요성.

조명을 위해 선택한 파장(컬러)은 시스템 성능 향상 또는 저하에 엄청난 영향을 줄 수 있습니다. 예를 들어, 고품질 광학 부품과 최고급 센서를 이용하는 경우 광대역 조명에서 단색광 조명으로 전환하면 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. EO 베스트 예제 #4처럼 적절한 파장 선택은 high contrast와 no contrast 사이의 명암 차이를 만들 수 있습니다. 적절한 파장을 선택 했는지 여부에 따라 조명의 컬러가 시스템의 성패를 결정할 수 있습니다.

EO의 어플리케이션 노트인 Filtering in Machine Vision에서 시스템 성능에 영향을 미치는 filtering 기술에 대해 알아보십시오.

EO 베스트 예제 #6: 답은 한 가지입니다. 높은 resolution과넓은 depth of field의 공존을 위한 많은 노력이 이루어지고 있습니다.

단원 f/# (Lens Iris/Aperture 설정)에서 볼 수 있는 바와 같이 resolution과 depth of field 극대화에는 동일한 변수인 렌즈의 f/#(초점거리)가 서로 반대 방향으로 작용합니다. 기본적으로 넓은 depth of field에 아주 높은 resolution을 구현하는 것은 불가능합니다. 물리학 법칙으로도 이는 불가능한 일이며 절충을 해야 하거나 여러 개의 이미징 시스템 사용과 같은 보다 정교한 솔루션을 도입할 필요가 있습니다.

EO 베스트 예제 #7: 만능 솔루션은 존재하지 않습니다. 모든 경우에 적합한 한 가지 렌즈라는 것은 존재하지 않습니다.

Resolution 요구 사항이 높아질수록 넓은 범위의 working distances와 fields of view에 걸쳐 aberration(성능을 저하시키는 광학 특성)을 줄이는 일이 어려워집니다. 예산 문제를 제외하더라도 분명한 한계가 있습니다. 이로 인해 비슷한 용도에 매우 다양한 렌즈가 필요합니다.

EO 베스트 예제 #8: 검사 대상을 파악하십시오. 검사해야 할 물체를 철저히 이해해야 합니다.

이미징에서 가장 중요한 것은 검사 대상 물체에 대해 가능한 최대한의 contrast를 구현하는 능력이므로 물체의 소재나 마감 처리와 같은 특성을 파악하는 것이 어플리케이션의 성공에 매우 중요합니다. 단, 어느 부분이 좋고, 나쁜지를 아는 것만으로는 부족합니다. 오히려 높은 신뢰성과 반복 능력을 확보하기 위해서는 세부 검사 항목과 좋고 나쁜 부분의 차이를 이해해야 합니다.

EO 베스트 예제 #9: 컨트롤을 중시하십시오.

이미징 시스템을 배치할 환경에 대한 컨트롤 능력은 일관성 있는 결과와 신뢰도에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 게다가 예기치 않은 문제의 발생 가능성도 줄여 줍니다. Contrast를 높이기 위한 필터, 시스템에 들어오는 원하지 않는 빛을 차단하는 차폐 장치 또는 광원의 스펙트럼 안정성을 모니 터링하는 계측 장비의 사용 여부에 관계 없이 주변 환경을 컨트롤하면 추후 발생할 수 있는 예기치 않은 문제를 줄일 수 있습니다. 이러한 기술 중일부는 아주 적은 비용으로 값비싼 이미징 시스템을 보호하고 성능을 높일 수 있습니다.

EO 베스트 예제 #10: 다양한 시도를 해 보십시오.

무언가가 제대로 작동할지 두려워하지 마십시오. 공급자는 시스템의 다양한 부품들이 원하는 결과를 가져올 수 있는지 여부를 설명할 수 있어야 합니다. 답이 항상 같지는 않을 것입니다. 때로는 물리학적 법칙의 한계가 문제이고 때로는 부품 설계 또는 제작상의 결함일 수도 있습니다. 광학 부품 생산은 과학이며 설계자와 생산자는 어떤 일이 발생하는 원인을 설명할 수 있어야 합니다.