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머신비전에서 조명이 하는 역할은 카메라가 물체를 더 잘 볼 수 있도록 돕는거예요!

조명을 잘 선정하기 위해서는 빛의 특성, 물체의 특성, 이미지 결과를 면밀히 고려해야 합니다. 그리고 주변 환경을 염두해서 적절히 배치해야 하죠.

[빛의 특성]

그 중에서 가장 중요한 ‘빛의 특성’에 대해 먼저 이야기해 보도록 하죠!

머신비전 시스템에서 빛의 밝기는 항상 일정해야 합니다. 만약 조명의 빛이 밝아지거나 어두워지면 우리가 검사하는 물체의 결함으로 인식될 수 있기 때문이죠. 그래서 밝기가 일정한 조명을 선정하는 것이 중요합니다.

머신비전에서는 LED를 주로 사용해요. 다른 종류의 조명에 비해 더 강하고 안정적인 밝기를 제공해요. 그리고 빛의 색깔도 적절하게 바꿀 수 있고, 유지 보수 측면에서도 빠르게 켜고 끌 수 있습니다. 하지만 LED에는 여러 종류가 있어서, 각각의 특성과 용도가 달라요. 머신비전에서는 어떤 특성을 갖는 LED가 더 유리할까요? 일상생활에서 사용하는 LED와 어떤 차이점이 있을까요?

머신비전에서 사용하는 LED와 일반 가정에서 사용하는 LED는 중점적으로 고려하는 특성이 다른데요. 조명의 색온도, 스펙트럼 특성, 밝기의 균일성 등이 머신비전에서 중요한 요소입니다.

머신비전용 LED는 특정 색 온도와 파장을 가지도록 설계되어 있어서 검사하는 물체의 특성을 더 명확하게 볼 수 있게 해줍니다. 밝기의 균일성을 유지하여 검사의 정확도를 높일 수 있고, 특정 파장의 빛을 이용해 제품을 검사할 때 더 유리하도록 바꾸기도 합니다.

이제 빛의 밝기를 어떻게 측정하는지 알아볼까요?

루멘과 룩스

먼저, 빛의 밝기를 표시하는 단위부터 알아두면 좋겠어요. 여러 단위가 있지만, 가장 빈번하게 사용하는 것은 룩스(Lux)와 루멘(Lumen)입니다.

루멘은 조명에서 방출하는 전체 빛의 양을 나타내요. 쉽게 말해, 조명이 얼마나 밝게 빛나는지를 측정하는 단위입니다. 예를 들어, 손전등이나 전구 중에 더 밝은 것을 찾으려면 루멘값(lm or lumen)을 비교하면 됩니다. 반면, 룩스는 빛이 특정 면적에 얼마나 밝게 비추는지를 측정하는 단위(lx or lux)예요. 예를 들어, 책상 위에 전등을 켰을 때, 전등이 책상을 얼마나 밝게 비추는지 알고 싶다면 룩스값을 확인하면 됩니다.

한번 더 정리하자면 특정 위치에서 조명의 밝기를 확인하고 싶다면 룩스, 조명의 전체 적인 밝기를 비교하려면 루멘을 사용합니다.

실제로 어떻게 측정하는지 예시를 들어 설명해볼까요?

룩스 측정 시에는 측정 기준이 동일한 것이 중요합니다. 조명과 측정기 간 거리, 각도가 달라지면 측정의 반복성을 보장할 수 없죠.

예를 들어 한 층에 10mm인 계단 양 측에 조명을 수평으로 올려놓고, 룩스 측정기는 바닥에 놓은 상태로 측정하는 것을 가정해 보겠습니다. 조명을 계단의 한 층 위/아래에 위치시킴에 따라서 측정되는 룩스는 어둡고/밝게 되는 것이죠. 또한 절대값인 루멘이 동일한 조명이라고 해도 조명의 형태, 빛이 퍼져나가는 각도 등을 고려 시 룩스는 위치에 따라 다 달라지게 됩니다. 그래서 룩스만으로 혹은 루멘만으로 조명을 선정하기는 생각보다 쉽지 않습니다.

밝기뿐만 아니라 조명의 색깔, 방향, 지향성, 균일도 등을 고려해야 합니다.

예를 들어, 색깔은 빛의 파장을 의미하며 조명이 나오는 빛의 파장을 적절하게 선택하여 대상물의 반사 스펙트럼에 맞춰야 합니다.

방향은 빛이 어디로 비추는지를 말하며, 지향성은 빛이 퍼지는 정도를 의미합니다. 균일도는 조명이 비추는 영역에서 밝기가 일정한지를 나타냅니다.

[물체의 특성]

두번째로 물체의 특성에 대해 얘기해 볼까요? 보통 어떤 물체에 빛이 닿으면 반사, 투과, 흡수가 동시에 일어납니다.

즉, 우리가 보는 빛은 반사된 빛, 투과된 빛, 흡수된 빛의 합이라고 볼 수 있습니다. 물체의 밝기와 어둡기는 아래와 같은 반사율, 투과율, 흡수율 같은 특성들로 예측할 수 있죠. 반사율 R은 우리가 관심 있는 주된 특성입니다. 반사되는 비율이 높다면 카메라에서 밝게 보입니다. 투과율 T는 유리 와 같이 빛이 투과하는 특성입니다. 굴절광도 포함됩니다. 투과율이 높다면 카메라에서 어둡게 보입니다. 흡수율 A는 빛이 조사될 때 흡수되는 특 성입니다. 흡수율이 높다면 카메라에서 어둡게 보입니다.

반사율이 높은 대상물은 밝은 물체이기 때문에 조명 선택에 제약이 적습니다. 어두운 조명을 써도 되고, Strobe와 같은 순간적으로 빛을 내는 조명을 쓰기에도 좋죠. 그렇기 때문에 더 빠르게 검사할 수도 있게 됩니다.

표면 거칠기

물체의 표면 거칠기도 살펴보도록 하죠. 물체에 거친 정도에 따라 빛이 반사되는 방식이 달라집니다. 보통 정반사, 난반사로 나눠지는데요.

표면이 매끄러울 때는 거울처럼 반사되는 정반사 방식, 표면이 거칠 때는 빛이 여러 방향으로 흩어지며 반사되는 경우는 난반사로 보면 됩니다.

또한, 정반사의 경우 입사각과 반사각이 같은 반사로, 빛의 파장보다 부딪히는 물체 표면의 조도가 작을 때 나타나요. 이러한 특성을 가진 물체는 표면에 반사된 빛의 대부분이 일정한 반사각으로 진행하기 때문에 적은 양의 빛으로도 검사가 가능합니다. 반면, 난반사는 입사각과 반사각이 다른 반사로, 빛의 파장보다 표면 조도가 높을 때 발생하며 평행한 빛을 비추어도 반사광은 서로 다른 방향으로 확산 반사가 일어나게 됩니다. 난반사 특성을 가진 물체는 빛이 표면에 닿은 후 넓은 각도로 퍼져버리기 때문에 렌즈나 카메라에 도달하는 빛의 양이 적어집니다. 따라서 충분히 강한 빛을 조사해야 검사가 가능하죠. 제품을 만드는 과정에서 설계에 맞게 잘 구현이 되었는지 머신비전 시스템을 통해 확인하려면 정반사, 난반사의 특성을 잘 파악해서 조명을 설치해야 합니다.

물체의 색

다음으로 물체가 갖고 있는 색이 조명에 어떤 영향을 미치는지 살펴보겠습니다. 물체 고유의 색은 물체의 반사/투과 시 파장별 반사/투과되는 정도인 반사/투과 스펙트럼이 중요합니다. 아래 예시를 봐볼까요? 나무의 빨간 사과열매는 빨간 조명으로 본다면 아무것도 보이지 않겠죠.