자동초점 시스템에서 심도는 왜 중요한가요?

[자동초점 시스템(AFM)은 왜 필요할까요?]

 

자동초점 시스템(AFM, Autofocus Module)은 시료가 움직일 때 이미지의 초점을 조절해 주는 모듈이에요. 한문장으로 정리하자면 ‘시료가 이동할 때 이미지 초점이 나가지 않게 즉, 심도 범위 안을 유지할 수 있도록 광학계의 높이를 변경하는 모듈’이라고 할 수 있어요.

만약 이해가 잘 안 된다면 이전에 카메라, 렌즈, 3D 등에서 배웠던 개념들을 한번 더 살펴보도록 할게요. 먼저 카메라의 종류는 여러 방법으로 분류할 수 있지만 크게 Line scan 카메라와 Area scan 카메라가 있다고 들었죠? 일상적으로 우리가 익숙한 카메라는 센서가 2차원으로 배열되어 있는 Area 카메라지만, 머신비전에서는 이야기가 조금 달라요. 우리가 사진을 찍을 때는 물체가 멈춰져 있는 반면에 산업에서는 디스플레이, 반도체 등 검사하고자 하는 대상이 끊임없이 이동하기 때문에 ‘Scan’이라는 이름이 뒤에 따라붙게 됩니다.

자동초점 시스템에서도 마찬가지입니다. 우리가 카메라로 촬영할 물체가 컨베이어 벨트 상에서 멈춰있다면, 초점을 잘 맞춰서 사진을 찍으면 됩니다. 그런데 컨베이어 벨트에서 빠르게 움직이는 물체를 촬영하게 되면 물체가 위아래로 움직이게 되어 제대로 촬영하지 못할 거예요.그래서 초점을 자동으로 맞춰주는 Autofocus를 맞춰놓고 촬영을 하면 자동으로 초점이 맞춰지겠죠? 이제 촬영해야 할 대상을 컨베이어 위의 PCB 기판이라고 생각해 봅시다. 우리가 원하는 건 기판 위에 있는 글씨를 읽어야 하는 것인데 이때 문제는 보통 PCB 기판이 평평하지 않다는 것입니다.

 

 

[자동초점 시스템에서 심도가 왜 중요할까요?]

 

어떤 물체가 지나가고 있고, 라인 스캔으로 이미지를 찍는다는 것쯤은 이해하셨을 거예요.그런데 기판이 평평하지 않은 게 무슨 문제가 되는지 잘 모르실 수 있습니다.

힌트를 주자면 렌즈를 공부할 때 봤을 수도 있을 ‘심도’의 개념을 떠올려 보세요.

심도란 초점이 잘 맺히는 영역입니다. 그럼 심도 밖으로 시료가 올라가거나 내려가면 이미지는 흐려지게 될 것입니다. 라인 스캔 할 때 높이 차이가 있으면 이미지가 흐려지니까 제대로 검사할 수가 없겠죠?

그렇다면 여기서 한가지 궁금한 게 생깁니다. 보통 핸드폰 카메라로 사진을 찍어봤을 때, 멀리 있는 물체가 흐려 보이지는 않죠? 머신비전과 비슷한 CCTV 영상에서도 보면 흐려 보이거나 하지 않습니다. 그건 왜 그런 걸까요?

핸드폰 카메라, 블랙박스, CCTV에 사용하는 광학계들은 공통점이 있어요. 그리고 그건 작은 이물을 보는 검사장치와는 다른 점이기도 해요.

정답은 배율이에요. 우리가 일상적으로 사용하는 카메라들은 넓은 영역을 한눈에 보는 용도지요. 큰  것(수 미터)을 작게(수 밀리미터) 보니까 ‘축소’하는 상황이라고 할 수 있겠죠. 그러면 배율은 0.33x, 0.01x처럼 1보다 작게 사양서에 쓰여 있을 겁니다. 반면 작은 것을 크게 봐야 하는 고배율일 때는 심도가 좁아 흐려지는 것을 볼 수 있죠.

 

이제 상황으로 쉽게 설명해 볼까요? 손금을 본다고 생각하고 손바닥을 눈에 가까이 대본 후 그 상태에서도 바로 앞의 물체가 선명하게 보이나요? 어지러우면 한쪽 눈을 감고 시도해 보면 좀 더 쉬워요.

아마 흐릿해 보일 겁니다. 그 뒤에 있는 물체들은  더 흐릿해 보이는데요. 손금(작은 물체)을 눈(큰 영역)에 맺히게 하려니까 고배율 시스템이고, 심도 밖에 있는 물체들은 흐려 보인다.라고 깨달을 수 있습니다.

오늘이 지나도 배율이 커질수록 심도가 좁아지는 특성을 잘 기억하고 있으면 좋겠네요. 배율이 n배 증가할 때 심도는 n² 이 줄어든다는 점도 알면 도움이 될 거예요. 아래 그림을 보면 심도의 범위를 더 직관적으로 이해할 수 있을 것 같네요.

이 심도 안에 들어오게 하는 방법은 쉽게 두 가지가 있는데요.

시료를 이동하거나, 광학계를 이동하거나 둘 중 하나입니다. 당연히 우리는 시료에 외력을 가하고 싶지 않죠. 그래서 광학계를 움직이는 것을 선택한 것이고, 이게 맨 처음 제가 자동초점 시스템을 한 문장으로 설명한 것입니다.

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필진 소개

 

정세진, Jason 앤비젼 광학모듈 엔지니어 복잡한 광학 모듈도 예시를 통해 쉽게 설명해주는 전문가