[첨단 헬로티]

고해상도 카메라에 대한 시장의 반응이 뜨겁다. LCD/OLED 검사 분야에서는 라인스캔 카메라를 이용하던 검사방식에서 에어리어 스캔방식으로의 전환이 이루어지고 있으며, CMOS 센서의 성능이 높아지면서 CCD 센서를 대체할 것으로 예상되고 있다. 그럼 라온피플에서 개발한 50메가픽셀 카메라를 통해 어떤 기술들이 좋아졌는지를 살펴보자.

응용 분야 1 OLED/LCD 표면 검사

LPMVC-CL50M

• 우수하고 균일한 저조도 영상

• 고해상도(50Megapixel)

•‌ 기존 CCD 제품보다 월등히 빠른(2배 이상) Frame Rate 지원(최대 15fps)

(1) 우수하고 균일한 저조도 영상이 필요해!

OLED/LCD 표면 검사를 위해서는 조도 특성에 강건하고 균일한 영상 특성이 요구된다. 특히 OLED/LCD 검사에서는 저조도 특성이 중요하다. 이런 저조도 영상에서도 가장 큰 골칫거리 중의 하나가 Vertical Noise이다.

그림 1의 왼쪽과 같이 Vertical Noise가 발생되면 비전 검사가 불가능하다. 반면 오른쪽 그림과 같이 우수한 영상이 제공된다면 더 좋은 비전 검사 장비를 만들 수 있다. 라온피플의 LPMVC-CL50M은 이미지 전처리를 통해 Vertical Noise를 완벽하게 제거하며, 우수하고 균일한 저조도 영상을 제공한다.

▲ 그림 1. 기존 제품 Vertical Noise 현상(왼쪽)과 이미지 전처리 영상(LPMVCCL50M)

(2) ‌“고해상도 + 빠른 Frame Rate”= “Tact Time이 현저히 감소된다”

넓은 범위의 표면을 정밀하게 검사하기 위해서는 고해상도 카메라가 필요하다. 고해상도를 이용하면 여러 대의 카메라를 사용하던 환경에서 하나(또는 적은 수)의 카메라로 비전 검사가 가능하다. 또한, OLED/LCD에서 발생될 수 있는 여러 가지 불량(Dot, Bit, Back Light, Bruise, LCD Clipping, Mura, 이물)을 검사하는 데 있어서 고속 Frame Rate 적용으로 획기적인 Tact Time 감소를 경험할 수 있다(기존의 CCD 카메라 대비 2배 이상 빠른 Frame Rate 적용 및 그로 인한 2배 이상의 Tact Time 감소 효과).

▲ 그림 2. LCD 불량

응용 분야 2 반도체 관련 검사(PCB, 웨이퍼 등)

반도체 웨이퍼 및 PCB 제조 공정은 높은 생산성을 갖는 장비를 필요로 한다. 비전 검사(표면 검사)를 위한 카메라도 다른 공정들에 병목현상을 일으키지 않도록 고속 영상을 제공해야 한다. 고화소로 제공되는 픽셀 시프트 카메라의 경우 진동에 취약하고 저속 동작이라는 단점이 있으며, CCD 센서도 CMOS 센서보다 저속 동작이라는 문제점이 있었다. 라온피플의 50메가픽셀 카메라는 최신 CMOS 센서를 적용, 최고의 성능을 이끌어냄으로써 높은 생산성을 갖는 장비를 위한 고속·고화소 영상을 제공한다.

▲ 그림 3. 웨이퍼 검사용 프로브 카드 불량

▲ 그림 4. 반도체 패키지 외관 불량

비전 검사에 딱 좋은 화질 개선 기능! 

 

라온피플의 LPMVC-CL50M은 Fixed Pattern Noise Correction, Lens Shading Correction, Defect Pixel Correction 등의 화질 개선을 통해 선명한 검사 영상을 제공한다.

그럼 각각의 Correction 기술에 대하여 이미지 예시를 통해 알아보자(카메라에서 제공하는 화질 개선 기능을 잘 알고 잘 사용하면 더 좋은 검사 장비를 만들 수 있다).

 

1. Fixed Pattern Noise Correction

먼저 Fixed Pattern Noise Correction(PRNU, DSNU)은 화질 개선을 위해 가장 필요한 기능이다. 고정된 패턴의 노이즈가 비전 검사 환경에 악영향을 줄 것이라는 점은 당연한 이야기이다. 그래서 이런 노이즈들은 제거되어야만 한다.

(1) PRNU (Pixel Response Non-Uniformity)

먼저 PRNU이다. 각 픽셀들은 빛에 반응하는 양에 차이가 발생한다. 이 때문에 발생하는 노이즈가 PRNU 형태이다.

그림 5는 원본 이미지와 PRNU가 보정된 이미지이다. 육안으로 보기에는 미세한 차이라고 볼 수도 있겠지만, 비전 검사에는 큰 영향을 미친다(Original Image : 세로 방향으로 불균일한 노이즈 존재).

▲ 그림 5. 원본 이미지(왼쪽)와 PRNU가 보정된 이미지

Color 이미지를 통해 PRNU에 대해 더 알아보겠다.

▲ 그림 6. PRNU 보정 전(왼쪽)과 보정 후의 이미지

PRNU를 보정하기 위해서는 카메라에서 이미지 밝기를 조정하여 획득한 이미지를 이용해 보정데이터를 구해야 한다. 복잡한 공식을 대입해서 나온 PRNU 보정 데이터와 입력되는 픽셀 간 연산을 통해 보정 데이터를 산출한다. 그리하여 보정된 이미지는 원본 이미지의 PRNU 잡음들이 제거되어 균일한 특성을 갖는 이미지를 갖게 된다(PRNU 보정 전 : 세로 방향으로 불균일한 노이즈 존재).

(2) DSNU (Dark Signal Non-Uniformity)

빛이 없는 어두운 상태에서도 불균일한 값을 갖는 픽셀들이 발생한다. 픽셀 크기와 특성, 주변 회로의 영향 때문이다. 

어두운 상태에서 이미지를 여러 장 촬영 후 그 값의 평균을 취하면 이러한 현상을 보정할 수 있다. 이미지의 평균을 이용하는 이유는 다른 노이즈의 영향을 제거하기 위해서이다. 그렇게 얻어진 보정 데이터는 현재 입력되는 이미지에 적용함으로써 DSNU가 보정된 이미지를 획득한다. 그림 7과 같이 보정 전에는 세로줄의 노이즈가 관찰 되는데 보정 후 이 노이즈가 제거된 것을 확인할 수 있다.

▲ 그림 7. DSNU 보정 전(왼쪽)과 보정 후의 이미지

 

2. Defect Pixel Correction

LCD TV에도 간혹 불량 픽셀이 있듯이 카메라 이미지 센서에도 불량 픽셀이 존재할 수 있다. Dead Pixel 수준은 아니지만, 완전하게 동작하지 않는 픽셀 불량이 있을 수도 있고, 최초에는 정상 픽셀이었지만 사용 시간이 증가하면서 불량 픽셀로 바뀔 수도 있다. 고화소 카메라에는 더 많은 픽셀이 존재하므로, 더 많은 불량 픽셀이 존재할 가능성이 높다. 이러한 Defect Pixel은 Correction 되어야 한다.

Defect Pixel Correction을 적용하면 그림 8과 같은 결과를 얻을 수 있다.

▲ 그림 8. Defect Pixel Correction 적용 전(왼쪽)과 적용 후

그림 8에서 점으로 보이는 부분이 Defect Pixel Correction 적용 후에 사라진 것을 볼 수 있다.

 

3. Lens Shading Correction

그럼 이제 Lens Shading Correction에 대해서도 알아보겠다.

그림 9에서 보정 전 사진을 보면 중심점으로부터 멀어질수록 점점 어두워지는 것을 볼 수 있다. 이러한 현상은 렌즈의 굴곡 때문에 생기는 현상이다(비네팅 효과라고 불리기도 합니다). 

▲ 그림 9. Lens Shading Correction 보정 전(왼쪽)과 보정 후

참고로 요즘에는 포토샵을 이용하여 그림 10과 같이 의도적으로 비네팅 효과를 주기도 한다. 하지만 비전 검사를 위해서는 백해무익하다.

▲ 그림 10. 원본 사진(왼쪽)과 포토? 비네팅 효과

비네팅 효과가 발생하는 원인은 렌즈 크기에 따른 굴곡에 따라 광량의 편차가 발생하기 때문이다. 이를 해결하기 위해서는 ‘가운데를 기준으로 주변부로 갈수록(거리가 멀어질수록) Weight를 주어 Pixel value에 적용해준다’라는 논리로 접근하면 된다. 쉽게 이야기하면 주변부에서 점점 어두워지는 왜곡을 보정해주는 처리가 되겠다.

 

CameraLink 다양한 옵션 지원

CameraLink라는 인터페이스에도 다양한 옵션이 존재한다. 카메라를 구매했는데 내가 사용할 옵션이 없다면 난감할 것이다. 그래서 라온피플의 50Megapixel 고해상도 산업용 카메라는 CameraLink 다양한 옵션을 지원한다.

 

1. Full mode, Medium mode, Base mode 모두 지원

CameraLink는 여러 가지 애플리케이션을 처리하기 위해 3가지 계층의 대역폭 구조로 되어 있다. 카메라의 용도가 변경되면 옵션을 바꾸어서 사용할 수 있다(표 1).

▲ 표 1. CameraLink가 지원하는 3가지 계층의 대역폭

2. 다양한 Frame Rate 지원

Mode 및 픽셀 비트에 따른 다양한 frame Rate를 지원한(표 2).

▲ 표 2. 다양한 Frame Rate

더욱 안정적인 환경에서

산업용 카메라는 적용되는 환경이 매우 다양하다. 일반 카메라도 사용 환경이 중요하지만, 산업용 카메라는 더욱 정확하고 안정적인 구동이 가능해야 산업 현장에서 광범위하게 사용될 수 있다. 

 

1. 저전력 설계

카메라의 발열은 노이즈를 유발시키는 주범이다. ‘발열 = 노이즈’ 공식이 성립한다고 보면 된다. 그래서 저전력 설계가 필요하다. LPMVC-CL50M은 저전력 설계를 통해 발열 시 발생하는 화질 열화 및 불안정성을 해결했다.

 

2. Fanless 구현

카메라의 팬은 애물단지이다. 성능이 좋지 않은 팬은 처음부터 소음을 유발하며, 좋은 성능의 팬도 시간이 지나면 소음을 발생한다. 팬으로부터 발생되는 진동 또한 무시하지 못할 문제점이다. 카메라의 촬영 이미지가 의도치 않게 흔들릴 수 있기 때문이다.

마지막으로 팬은 교체가 필요한 부품으로 유지관리가 불편하다. LPMVC-CL50M은 Fanless로 구현되어, 진동·소음 문제가 없고 팬을 교체해야 하는 수고를 덜어준다. 

사이즈는 줄이고 호환성은 높이고  

카메라가 고해상도화 될수록 이미지 센서가 커지고, 그에 맞는 Board도 커지기 때문에 소형화에 제약이 존재한다. 하지만 라온피플 50메가픽셀 카메라는 지속적인 연구개발을 통해 가로 80mm, 세로 80mm, 두께 48mm라는 콤팩트한 크기로 제작되었다. 

크기가 작으면 설치가 쉬워지며, 장비의 공간이 절약되고, 유지 관리도 간편해진다. 그만큼 복잡한 산업 현장에 적용하는 것이 수월해진다.

CameraLink 카메라와 인터페이스는 다양한 상용 Frame Grabber가 존재한다. 

라온피플 50메가픽셀 카메라는 상용하는 모든 Frame Grabber와의 호환성을 보장한다. 뿐만 아니라 사용성과 편리성을 갖춘 카메라 컨트롤 툴과 Terminal 방식의 사용자 인터페이스도 제공한다.

▲ 그림 11. 라온피플 50Megapixel 카메라 치수

카메라 사양은

라온피플 50메가픽셀 CameraLink 산업용 카메라의 사양은 표 3과 같다.

▲ 표 3 CameraLink가 지원하는 3가지 계층의 대역폭

김명균 라온피플 기술이사