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조명을 켜기 위해서는 전기가 들어가야 합니다. 보통 머신비전 조명은 LED로 사용되고 있기 때문에 SMPS(직류전원 공급 장치, Switching Mode Power Supply)를 사용해서 직류로 LED에 전원을 공급합니다. 목적에 따라 전기를 다양하게 조절 할 수 있는 방법이 몇 가지 있죠.

주로 많이 쓰이는 조절 방법은 PWM, 정전류, 스트로브 방식인데, 우선 PWM부터 설명드릴게요.

[PWM 방식]

PWM은 Pulse Width Modulation의 약자로, 우리말로는 ‘펄스 폭 변조’라고 해요. 이는 전압을 일정하게 유지하면서도 밝기를 조절할 수 있는 아주 유용한 방식이죠.

PWM 방식에서는 조명에 공급되는 전압은 항상 일정하지만, 전압을 켜고 끄는 시간을 조절해서 밝기를 조절합니다. 쉽게 말해, 일정한 전압을 주기적으로 켜고 끄는 거죠. 더 자세히 설명하자면 조명에 적합한 특정 전압(ex. 5V, 12V, 24V 등)을 On 상태로 하여 밝기 조절은 Pulse의 폭의 길이로 하는 구동 방식입니다. On/Off를 반복하지만, On 상태의 전압이 일정합니다. 정전류 방식에 비해 상대적으로 회로 구성이 간단하여 쉽게 구성이 가능한 점이 장점입니다. 어떻게 밝기를 조절할까요? ‘듀티 사이클’이라는 개념으로 조절해요.

듀티 사이클은 한 주기 내에서 전압이 켜져 있는 시간의 비율을 말해요. 예를 들어, 듀티 사이클이 50%라면, 한 주기 중 절반의 시간 동안만 전압이 켜져 있는 거죠. 듀티 사이클이 높을수록 LED가 더 오랜 시간 켜져 있 어서 더 밝아지고, 듀티 사이클이 낮을수록 LED가 더 짧은 시간 켜져 있어 서 더 어두워집니다. 전압은 일정하지만, 커져 있는 시간의 비율로 밝기를 조절하는 것이지요.

이 방식의 장점은, 전압이 항상 일정하기 때문에 LED가 받는 전기적인 스트레스가 줄어들고, 회로 구성이 상대적으로 간단하다는 점이에요. 이 때문에 많은 머신비전 시스템에서 PWM 방식을 사용하고 있죠.

하지만 단점도 있어요. 만약 카메라의 노출 시간이 PWM 주기보다 충분히 길지 않으면, 카메라에 전달되는 빛의 양이 불규칙해질 수 있습니다. 예를 들어, 한 노출 시간 내에 세 개의 펄스가 걸릴 때와 네 개의 펄스가 걸릴 때, 카메라는 밝기를 다르게 인식할 수 있어요. 이는 이미지의 일관성을 떨어뜨릴 수 있죠. 그래서 카메라의 노출 시간과 PWM 주기를 잘 맞춰야합니다.

[정전류 방식]

정전류 방식은 Line scan 방식에서 선호되는 방식입니다. 이 방식은 일련의 LED를 정전류로 공급하여 세밀한 밝기 조절이 가능합니다. 예를 들어, 밝기 제어를 256단계로 가정하면, 0에서는 조명에 전류가 흐르지 않고, 255에서는 최대 전류가 흐르도록 설정할 수 있습니다. 이는 조명의 밝기를 매우 세밀하게 조절할 수 있게 해줍니다. 그리고 PWM 구동에 있던 밝기 편차 문제점이 없습니다. 그러나 정전류 방식에도 몇 가지 단점도 있습니다. 조명을 지속적으로 켜놓을 경우, LED가 발생하는 열을 효과적으로 배출하지 못할 경우 LED에 부하가 생기게 되어 밝기가 시간이 지남에 따라 급격히 떨어질 수 있습니다. 따라서 이 방법을 사용할 때는 적절한 방열 설계가 중요합니다.

[스트로브(Strobe) 방식]

셋째로, 트리거를 사용하여 동작하는 스트로브 동작 방식입니다.

스트로브는 매우 짧은 시간 동안 강력한 빛을 발산하는 방식으로, 산업 현장에서는 더 빠른 검사 속도를 요구할 때 매우 유용합니다. 이 방법은 카메라가 더 빠르게 이미지를 촬영할 수 있도록하며, 조명은 주어진 노출 시간 동안만 켜도록 제어됩니다.

참고로 산업현장에서는 역사적으로 시간이 지남에 따라 더 빠른 검사를 요구하고 있죠. 그래서 카메라는 더 빠르게 찍을 수 있어야 했죠.

Q. 여기서 문제! 카메라가 빨라질 때 조명은 어떻게 켜놓는 것이 제일 좋을까요?

A. 이럴 때는 스트로브를 사용하는 것이 제일 좋지 않을까요?

Q. 만약 정전류 방식으로 조명을 계속 강하게 켜놓는다면 어떻게 될까요?

A. 계속 전기를 가하니까 열이 많이 발생해서 조명이 타지 않을까요?

네 맞아요! 스트로브 방식이 효과적인 이유에 대해 자세하게 설명 드릴게요. 보통 TDI카메라에서는 크게 관계가 없지만 Line scan이나 Area camera의 경우 Frame 간의 시간적인 갭이 필요해요. 즉, 한 주기 안에서 노출 시간이 주기 전체 시간보다 짧아야 하는데요.

예를 들면 주기가 1ms이고 노출 시간이 0.5ms인 경우를 생각해 봅시다. 밑의 그림에서 얘기하고자 하는 걸 설명 드리려고 해요. 이때 노출 시간을 제외한 0.5ms 동안은 조명을 켜도 물체의 정보를 카메라가 전혀 얻지 못합니다. 즉 노출 시간 동안 전달되는 빛만이 유효합니다. 반대로 생각하면 조명도 그 시간만큼만 켜면 되겠죠. 주기 중 켜는 시간을 Pulse on time이라고 한다면 지금 케이스는 Pulse on time이 주기의 50%이면 되는 것이 지요. 그런데, 보통 조명은 특정 시간동안 들어간 전력과 시간의 곱의 합산만큼 밝습니다. 즉, 1W를 1ms 구간 동안 계속 켜놓는 것과 5W를 0.2ms 동안 켜놓는 것은 비슷할 수 있다는 얘기입니다. Overdrive strobe는 노출 시간에 맞추어 짧은 시간동안 LED를 평소보다 훨씬 더 가혹하게 켜는 것을 얘기하죠.