[첨단 헬로티]

센서 및 조명 기술 발전함에 따라 새로운 애플리케이션 수요 급증

광학 및 조명 설계는 머신비전에서 아주 섬세한 균형을 이루어야 한다. 새로운 애플리케이션과 센서는 광학 및 조명 분야에서 머신비전을 위한 대부분의 혁신을 주도하는 경향이 있으며, 이러한 혁신은 종종 병행하여 진행되어야 한다. 센서의 선택은 문제의 최종 애플리케이션에 크게 의존하며, 조명도 마찬가지다.

그러나 광학계의 경우, 센서와 조명은 일반적으로 ‘문제의 애플리케이션’이다. 렌즈가 활성 영역 위로 빛을 정확하고 균등하게 분배하지 않는 한 가장 선명한 센서조차도 성능을 발휘하지 못한다. 광학 공급업체의 과제는 머신비전 애플리케이션이 보조를 맞추기 어려울 정도로 빠르게 진화하고 있다는 점을 주목할 필요가 있다.

광학 업계 관계자는 "센서 및 조명 기술이 발전함에 따라 새로운 애플리케이션 수요가 급증하고 있다. 광학 공급 업체에 대한 질문은 ‘최밑단에서 진행되는 작업에 맞게 어떻게 하면 렌즈 설계를 최적화할 수 있는가?'이다“라고 말한다.

광학 설계, 무엇을 고려해야 하나?
예를 들어, 무인 항공기에 탑재된 원격 감지 장치는 대형 어레이에 더 많은 픽셀을 패킹하면 제한된 비행 시간 동안 최대한 많은 이미지 데이터를 수집할 수 있기 때문에 고해상도의 대형 포맷 센서를 선호할 수 있다. 이 애플리케이션 요구는 쉽게 이해할 수 있으므로 센서 제조업체인 경우 예상할 수 있다. 따라서 대형 포맷 센서의 개발에 적극적으로 투자하는 것이 합리적이다. 이 옵션은 많은 다른 변수를 고려하지 않고 더 큰 렌즈를 설계할 수 없는 광학 제조업체에게는 그리 간단하지 않다.

대부분의 시스템은 렌즈 조립체와 필터를 함께 통합하고 있으며, 오늘날 일반적으로 드론과 관련된 넓은 시야(field-of-view) 애플리케이션에 대해 복잡해질 수 있다.

광학 업계 관계자는 "과거에는 애플리케이션 요구사항이 덜 까다로웠다. 시스템이 더 관대했기 때문에 광학 설계자는 필터에 의해 보이는 효과를 항상 고려할 필요가 없었다. 이제 이러한 매우 넓은 광각 덕분에 필터를 통과한 빛이 스펙트럼의 파란색 부분(파란색 시프트)으로 시야를 가로질러 이동하게 할 수 있다"고 가상의 원격 감지 애플리케이션과 관해 설명한다.

그는 "그러나 오늘날에는 넓은 각도(예 : 45도)에서 통과하는 빛의 반사를 최소화하는 필터를 고려한 조정 기능이 있는 렌즈를 설계해야 한다. 기존에 사용하던 기성 플러그앤플레이 옵션 중 일부를 제거함으로써 상황을 더욱 어렵게 만들 수 있다"고 덧붙였다.

더 큰 포맷을 디자인할 때 그 복잡함은 더해진다. CMOS 이미지 센서를 스태킹하면 이미지 캡처 속도를 높일 수 있지만 원격 감지 애플리케이션과 비슷한 설계 문제가 발생한다. 광학 업계 관계자는 "CMOS 이미징 보드의 스택 업은 이미지 입사각이 좁은 입사각 렌즈 설계가 필요한 더 깊은 우물을 만들어낸다“며 "2/3 인치보다 큰 CCD 센서와 호환되는 렌즈는 동일한 크기의 CMOS 센서와 호환되지 않을 수 있다. 그들은 동일한 해상도를 공유할 수 있지만 CMOS 이미지 캡처는 대조와 균일성에 어려움을 겪는다. 필드의 중심은 더 밝아지며 가장자리에서 강렬함은 떨어진다. 따라서 전반적인 균일성이 떨어진다”고 말한다.

렌즈 부품은 센서보다 상용화 가능성이 낮기 때문에 설계 및 생산 비용이 더 높다. 또한 시장 출시 시간에 초점을 맞춘 카메라 제조업체 및 통합 업체에 잠재적인 병목 현상을 야기한다.

광학 업계 관계자는 "과거에는 세계의 세 명이 특정 시나리오에 대한 광체를 만들 수 있는 두 대의 기계를 가지고 있었을 수도 있다“며 "그들은 기술자가 아닌 엔지니어에 의해 운영되었기 때문에 비용이 많이 들었다. 발전된 점은 단지 비싸졌다는 것이다. 사람들은 어려운 일을 어떻게 하는지 이해하지만, 그것은 비용 효율적으로 하는 방법이 되었다. 예를 들어 광섬유로 필터를 설계하면 더 작고, 더 나으며, 더 저렴하게 설계할 수 있다”고 설명한다.

조명의 합리적인 설계 방법
보다 전체적인 설계 접근법에 대한 매력은 조명 구성요소로 확장된다. 이상적으로, 조명 및 영상 광학은 최적의 광선이 렌즈에 의해 수집되고 차선의 광선이 수집되지 않도록 시스템으로 함께 설계되어야한다. 렌즈의 시야 밖의 빛은 눈부심을 줄이고 이미지의 대비를 감소시킨다. 조명과 광학 요소를 함께 설계하면 최상의 효과를 위해 둘 모두를 보다 쉽게 ​​일치시킬 수 있다. 또한 비용을 최소화하고 출시 기간을 단축할 수 있다.

이미징 시스템의 광원의 파장 범위는 전체 시스템 성능 뿐만 아니라 렌즈 선택에도 영향을 미친다. 영상의 명암비는 종종 그 범위를 수나노 미터로 좁혀서 간단하게 높일 수 있다. 광대역 광원으로 필터를 사용하면 도움이 될 수 있지만, 이것이 항상 협대역 광원을 선택하는 것만큼 유연한 해결책은 아니다. 하나는 렌즈가 서로 다른 거리에서 다른 파장으로 초점을 맞추기 때문에 협대역 광원을 사용하면 실제로 렌즈 성능에 기여할 수 있다. 또한, 필터가 얻을 수 있는 것은 광원에 따라 다르다. 그 자체로는 대비를 개선하지 않는다.

광학 업계 관계자는 "예를 들어, 라벨의 잉크가 근적외선을 흡수하면 가까운 적외선이 카메라에서 걸러지더라도 라벨이 공백으로 표시된다"며 "이것은 특정 대역 내에서 방출되는 광원을 찾아 그 주변의 광학을 설계하는 것이 점차 중요해지고 있다"고 말한다.

광원의 파장을 활용하면 머신비전에서 많은 이점을 얻을 수 있다. LED와 같은 협대역 광원을 사용하면 렌즈 설계가 수정하는데 필요한 것을 최소화하고, 영상의 대비를 높이기 위해 흥미로운 새로운 옵션을 도입한다. 특정 물질이 특정 파장을 흡수하거나 반사하는 방식은 광대역 조명 하에서 보이지 않는 결함을 강조할 수 있다.

가시 범위의 각 색상은 이미지 대비를 높이는 데 사용할 수 있는 반대 색상을 가지고 있다. 예를 들어, 녹색 형상을 녹색 빛으로 비추면 이미지 센서에서 더 밝게 보이는 반면, 녹색과 반대인 빨간 빛으로 비추는 것은 더 어둡게 보이게 할 것이다.

그러나 영상 대비 개선은 협대역 광원에 의존할 필요는 없다. 예를 들어, 자외선(UV) 범위의 짧은 파장은 가시광선이나 적외선보다 표면 피처를 더 잘 산란시킨다. 또는 자외선이 흡수되면 표면에 흡수되는 경향이 있다. 두 경우 모두 기체 방전 튜브 또는 UV LED를 사용하여 UV 광이 재료와 상호 작용하는 방식을 이미지화하면 스펙트럼의 다른 곳에서 보이지 않는 오염 물질이나 얕은 스크래치를 감지하는데 도움이 된다. 이는 가시광선에서 투명한 유리 디스플레이, 렌즈 및 기타 재료를 검사할 때 명확한 이점을 제공한다.

단파 적외선(SWIR) 광원 및 센서가 가시광선으로 생성하기 어렵거나 불가능한 고대비 영상을 생성하는 전자파 스펙트럼의 다른 끝에서 유사한 이점이 기다리고 있다. 물은 1450nm의 SWIR에서 매우 강하게 흡수되어 InGaAs 카메라 영상에서 수분을 어둡게 보이게 한다. 이것은 농작물에 멍이 있는지 검사하거나 작물이나 묘목의 수분 함량 측정을 위한 새로운 옵션을 도입한다. SWIR은 또한 얇은 플라스틱 벽을 관통하는데, 이를 통해 불투명 용기의 액체를 자동 측정할 수 있다.