[머신비전]Line Scan Camera에 대한 모든 것

[카메라 기술 백서 #9] ]Line Scan Camera에 대한 모든 것

시간이 갈수록 머신비전 장비 성능의 요구 사항이 더 까다로워지고 있다. 이에 Line scan 카메라도 다양한 기능과 성능 변화가 일어났다. Line scan 카메라보다 진화된 Dual Line scan 카메라, TDI Line scan 카메라 등 다양한 형태와 방식의 카메라들이 시장에 선보이고 있다. 이 글에서는 산업용 카메라로 널리 쓰이는 Line scan 카메라의 종류와 특징에 대해 알아본다.

 

 

 

Line Scan 카메라의 기본 원리

 

일상생활에서 복사기를 이용해 본 경험이 있다면 복사를 할 때 긴 불빛이 한 방향으로 일정하게 움직이는 것을 본 적이 있을 것이다. 이때 조명에 붙어있는 이미지 센서가 복사할 용지를 차례대로 읽고 이를 다시 출력하는 것이 복사기의 원리이다. Line scan 카메라는 복사기와 같은 원리로 동작한다. 이처럼 Line scan 카메라에서 사용하는 이미지 센서는 Area scan 카메라에서 사용하는 이미지 센서와 달리 1개의 라인만으로 이루어져 있다. 즉, Line scan 카메라는 단 1개의 라인만으로 개체 전부를 촬영하며 개체 또는 카메라 자체가 움직이면서 촬영하는 방식을 사용한다. 

이미지 센서는 카메라가 노출하는 동안 개체에 비치는 빛에 비례하는 광전자 전하를 각 픽셀에 축적하고, 노출이 끝나면 전체 픽셀 라인의 전하는 판독 레지스터로 전송된다. 판독 레지스터가 픽셀 전하를 이동시키고, 카메라가 이들을 증폭하고 보정하여 디지털화하여 전하로 출력한다. 이렇게 전하를 시키는 동안 다음 픽셀 라인이 동시에 노출된다. 

노출과 판독을 할 수 있는 최대 속도를 "Line rate"라고 하며, kHz(킬로헤르츠) 단위를 사용하는데, 빠르게 움직이는 개체의 움직임을 촬영하려면 고속 Line rate가 필요하다. 판독 속도를 향상하기 위해서는 여러 개의 ‘탭(판독 레지스터를 따르는 판독 지점)’을 사용하면 된다. 

 

 

일반적으로 Line scan 카메라가 Area scan 카메라보다 불편하다고 생각할 수 있지만, Area scan 카메라는 개체를 정지시키고 난 다음 촬영해야만 하지만 Line scan 카메라는 컨베이어 벨트와 같이 움직이는 개체를 촬영할 수 있으므로 산업 현장에서는 오히려 Line scan 카메라가 더욱 유용하게 쓰일 수 있다. 

 

 

위 그림을 보면, 픽셀의 수에 따라 높이에 대한 제약이 있는 Area scan 카메라보다 Line scan 카메라는 높이에 대한 제약이 없다는 장점이 있으며, 이러한 특징으로 인해 공정에 사용되는 카메라의 수를 줄일 수 있다는 장점을 한눈에 볼 수 있다. Dual line scan 카메라는 Single line scan 카메라보다 개선된 신호대잡음비(SNR)와 노출 조정을 갖췄다. 

 

Line scan 카메라를 사용할 때 장점

• 픽셀 당 가격(Price/pixel): Area scan 카메라를 사용할 때보다 더 높은 해상도의 이미지를 훨씬 저렴한 비용으로 촬영할 수 있다.
• 다이내믹 레인지(Dynamic range): 다른 이미지 캡처 방식보다 다이내믹 레인지가 훨씬 높다.
• 높은 픽셀 충전율(High pixel fill-factor): 감도를 극대화할 수 있다.
• 스미어(Smear) 없는 이미지: 큰 비용을 사용해야 하는 스트로보(Strobe) 또는 다루기 어려운 셔터 없이 고속으로 이동하는 개체를 촬영할 수 있다.
• 프로세싱 효율: Line scan 카메라를 사용하면 프레임 오버랩 없이 원활하게 이미지를 촬영한다. 프레임 오버랩은 고속 고해상도 장비에서 소중한 프로세싱 대역폭(bandwidth)을 점유하는 중복 데이터를 말한다.

 

TDI Line Scan 카메라

 

투명한 셀로판지에 아주 흐릿한 동그라미 하나가 그려져 있다. 이때, 이 셀로판지와 똑같이 흐릿한 동그라미가 그려진 셀로판지를 1개 더 겹쳐 보면, 겹치기 전보다 동그라미가 조금 선명해진다. 그렇다면, 수십 장을 겹쳐 놓으면 셀로판지 위에 그려진 동그라미는 확실하게 모습을 드러낸다.

 

 

TDI(Time Delayed Integration) Line scan 카메라는 바로 이와 같은 원리로 만들어졌다. 기존의 Line scan 카메라는 Area scan 카메라보다 적은 수의 픽셀만 사용한다는 경제성과 검사할 부분의 길이 한계가 없다는 장점이 있지만, 노출 시간이 짧아 감도가 약하다는 단점도 가지고 있었다. 

이러한 단점을 극복한 TDI Line scan 기술은 앞에서 언급한 예와 같이 셀로판지를 겹쳐 놓듯 여러 개의 라인 픽셀을 사용하여 검사체를 중복으로 촬영하여 더 선명한 이미지를 만들 수 있다.

 

 

위 그림과 같이 개체가 1→2→3의 방향으로 이동한다면, 개체의 이동에 따라 카메라에 내장된 TDI Line scan 이미지 센서의 각 스테이지에 이미지들이 중첩되며 선명한 상을 맺게 된다. TDI Line scan 기술은 스테이지에서 동일한 이미지를 여러 번 촬영해야 하므로 개체의 이동 속도에 맞춰 뒤의 스테이지가 앞의 스테이지보다 조금 늦게 이미지를 촬영한다. 이러한 특성으로 인해 "Time Delayed"라는 이름으로 붙게 되었다. TDI Line scan 기술은 정확히 같은 이미지를 촬영한 후 이를 중첩해 선명한 상을 얻으므로 카메라의 촬영 속도와 개체의 이동 속도를 동기화시키는 것이 중요하다.

 

하지만, 이런 번거로움에도 불구하고 높은 조도를 지닌 Metal Halide와 같은 광원을 조명으로 사용해야 하는 일반 Line scan 카메라보다 조금 적은 조도를 지닌 LED와 같은 조명을 사용하더라도 높은 선명도를 구현할 수 있어 조명의 설치 비용과 유지 비용를 줄일 수 있고, 일반적인 Line scan 카메라를 사용하여 설치할 수 없는 고속 장비에도 장착할 수 있는 점 등 많은 장점이 있다.

 

 

고속 Color Line Scan 

이미징

Color line scan 카메라는 다양한 파장의 빛을 감지하기 위해 행 방향 픽셀에 다양한 컬러 필터를 장착하거나 다양한 컬러 필터를 가진 센서 픽셀 라인을 사용한다. 일반적으로 사용되는 필터는 R(Red, 적색), G(Green, 녹색), B(Blue, 청색)이지만, 원격 위성 탐사와 같은 분야에서 사용되는 일부 장비는 다른 필터 유형을 사용한다.

Color line scan 카메라에는 필수적인 기능이 몇 가지 있다. 첫 번째로 Color line scan 카메라와 함께 사용하는 렌즈는 상당한 색수차를 없애기 위해 컬러를 보정해야 한다. 렌즈가 평면상의 같은 초점에서 서로 다른 파장의 빛에 초점을 맞추지 못하면 색수차가 발생하는데, 이때 가장자리 주변의 색이 줄무늬로 나타난다.

또한, 개체 표면과 수직인 방향으로 카메라가 일반적인 각도로 개체를 바라보면 일부 원근 왜곡이 있을 수 있다. 원근 왜곡은 개체에 1/거리로 비례하므로 픽셀의 서로 다른 컬러 라인에 대해 약간씩 다르게 나타난다. 따라서 픽셀 각 라인은 약간씩 다른 크기를 가지고 개체 표면에 투영되는 픽셀의 모양이 되므로 높은 정밀도의 컬러 측정에서 오류가 발생할 수 있다. 개체 표면에 카메라가 수직인지 확인하는 것은 Color line scan 카메라뿐만 아니라 Monochrome line scan 카메라도 마찬가지다.

 

3Chip 카메라

 

3CCD 또는 3CMOS 등과 같은 3Chip Line-scan 카메라는 프리즘 기반 다이크로닉 빔 스플리터로 RGB 컬러를 분리한다. 파장 분리를 위한 광학 간섭을 사용하고, 필터 라인 모양은 일반적으로 평탄 특성(Flat response)과 급격하게 감소(Sharp drop-off)하는 특성을 가진다. 3개의 센서로 촬영한 RGB 이미지가 결합한 후 컬러 이미지로 복원되며 RGB 컬러는 공통 광축으로 이동하여 공통된 위치에서 개체를 캡처한다. 이로써, 이 기술의 Color registration(컬러 카메라에서 완전한 컬러 이미지를 생성하기 위해 3개의 원색 이미지를 올바르게 겹치도록 하는 것)을 향상하고, 평평하지 않은 표면, 회전물, 낙화물 등을 검사할 수 있다.

3Chip Line scan 카메라의 단점은 비싼 카메라 비용과 더 비싼 광학 렌즈 비용이다. 프리즘이 백 포컬 시프트(Back-focal shift)와 수차를 발생시키므로 카메라는 특수하게 설계된 렌즈와 함께 사용해야 한다. 3Chip 카메라의 바디는 프리즘과 이미지 센서 3개를 장착해야 하므로 일반적으로 크다.

 

Trilinear 카메라

 

대부분 장비에서는 실리콘 다이 상에 제조된 각 R, G, B 채널 등 3개의 Linear 배열을 사용하는 Trilinear 기술을 채택한다. 동작 중 각 Linear 배열은 동시에 원색 중 하나를 캡처하지만 이동하는 개체는 약간 다른 위치를 촬영한다. 컬러 필터는 실리콘 웨이퍼에 코팅된 흡착 염료 및 안료이다. Line scan 이미징은 일반적으로 집중적인 조명을 필요로 하므로 컬러 필터는 높은 내광성(7~8 단위)을 가져야 한다. 색상을 악화시키지 않기 위해 최대 250°C 의 열 안정성이 중요하다.

 

풀 컬러 이미지로 컬러 채널 3개를 결합하려면 일반적으로 첫 번째와 두 번째 배열을 세 번째로 일치시키는 버퍼링 공간 보정을 참조하여 공간 분리를 보상해야 한다. Trilinear 기술은 카메라 디자인을 단순화시키므로 높은 이미지 품질을 제공하지만 작은 크기로 사용할 수 있다. 또한, 표준 렌즈 사용으로 장비의 총 소유 비용을 줄일 수 있다.

 

높은 컬러 이미지 품질, 높은 속도, 적은 비용 등을 특징으로 하는 Trilinear color 카메라는 자동 광학 검사(AOI:Automatic Optical Inspection)를 위한 Color line scan 이미징 분야에서 매력적인 가격대성능비를 제공한다.

 

Color line scan 카메라는 인쇄물 이미징에 특히 유용하다. 이 작업을 위해 라인당 1개의 컬러 필터를 가진 “Trilinear” 카메라를 사용하면 각각의 이미지 픽셀이 완벽하게 RGB 컬러를 측정할 수 있다. 서로 다른 컬러 센서의 픽셀 라인은 각 픽셀의 크기만큼 지연하여 촬영하므로 이미지로 통합하면 개체를 자연스럽게 표현할 수 있다.

 

Bilinear 카메라

 

Bilinear 카메라는 Trilinear 카메라와 많은 장점을 공유하지만, 실리콘 다이 상에 제조된 Linear 배열이 2개라는 차이가 있다. Bilinear 배열의 라인 2개는 공간 보정에 대한 필요성을 최소화시킬 수 있도록 바로 옆에 위치한다. Bilinear 이미지 센서는 픽셀당 2개의 원색만 캡처할 수 있으므로 풀 컬러 이미지를 구축하려면 3번째 컬러는 보간해야 한다.

공간 크로스토크는 특정 센서 구조로 개선할 수 있다. 스펙트럼 크로스토크는 특정 컬러 필터 배열로 감소시킬 수 있기 때문이다. 새로운 Bilinear color CCD/CMOS 카메라는 스펙트럼 크로스토크를 줄이기 위해 Bayer 패턴 또는 다양한 RG/BG 컬러 패턴을 사용한다. 스펙트럼 오버랩을 줄일 수 있도록 R과 B 채널은 서로 옆에 위치한다. 또한, 흑백 채널로도 사용할 수 있는 100% Fill factor 단일 G 채널을 제공한다.

Bilinear 카메라는 Trilinear 카메라보다 더 적은 비용으로 구매할 수 있고, 전자 제품 제조, 식품 검사, 재료 분류 등의 분야에서 적합하게 사용할 수 있다. 

 

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필진 소개

 

비전군, Mr Vision 앤비젼 공식 블로그의 마스코트.(비전군 & 비전양) 에어리어 스캔 카메라(Area scan camera)의 몸과 고해상도 렌즈(Super resolution lens)인 얼굴로 머신비전의 알짜배기 정보를 전파하는 지적인 소년