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[TECH NOTE] 머신 비전 검사에 활용되는 빛의 특성들

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서론

 

과거에 주로 디스플레이의 검사 용도로 사용되던 머신 비전은 근래에 들어 그 범용성을 점차 확장하고 있다. 현재의 머신 비전은 PCB, 반도체, 2차 전지를 포함한 대부분의 산업 환경에 사용되고 있다.

 

이와 같은 트렌드의 변화로 훨씬 더 복잡한 형태의 Defect를 검사하고자 하는 니즈가 증가하고 있다.

 

 

머신 비전에서 사용하는 검사 방법도 고객의 니즈에 맞춰서 발전하고 있다.

 

이에 우리는 비전 검사에 사용할 수 있는 다양한 빛의 특징을 확인하고 이 특징들을 사용하는 사례를 소개하려 한다.

 

이를 통해 단순히 2D, 3D로 구분 현재의 검사 기술을 더 다양한 방향에서 접근하고 다양한 니즈에 적합한 검사 방법을 찾을 수 있기를 기대해본다.

 

빛의 특징

 

머신 비전에서는 렌즈를 이용해 보고자 하는 불량을 검출하는 검사법을 중심으로 발전을 해왔다. 이는 빛의 밝기 특성을 이용한 검사법이다.

 

실제로 빛은 밝기라는 특징 외에도 아래와 같은 다양한 특징들을 가지고 있다.

 

 

 

다양한 빛의 특징들은 모두 검사에 사용될 수 있다.

 

빛의 밝기 (Intensity)

 

 

1826년 Joseph Nicéphore Niepce이 촬영한 최초의 풍경 사진이다.

 

비록 사물이 뚜렷하게 구분되지 않고 음영의 균일도도 좋지 않지만 최초의 사진은 순수하게 밝기 차이만을 이용해서 정보를 얻었다. 이런 밝기 차이를 Contrast라고 한다.

 

이처럼 빛의 밝기는 물체를 표현하는 데에 가장 기본적이고 가장 오래 사용된 특징이다. 기존 검사는 동일한 불량에서 얼마나 더 큰 Contrast를 얻을 수 있는가에 집중했다.

 

이를 위해 빛의 검사 한계인 레일리 조건(Rayleigh Criterion)을 고민하고 이 검사한계에 근접할 수 있는 광학계를 만들기 위해 노력했다.

 

 

이런 검사 성능에 만족할 수 있는 렌즈는 높은 NA를 가진 동시에 낮은 수차를 가지고 있어야하기 때문에 고성능의 High Contrast 렌즈들의 개발이 주를 이루게 된다.

 

 

다만 이런 성능의 렌즈들은 이론값에 근접하는 성능을 구현하기 위해 매우 정밀하게 제작되었기 때문에 매우 높은 수준의 광학 설계와 제조 기술이 필요하다.

 

그러므로 고성능 렌즈들은 비싸고 전 세계적으로도 기준에 부합하는 성능을 가지는 렌즈를 제작하는 업체는 손에 꼽을 정도로 제한적이다.

 

파장 (Wavelength)

 

푸른색 가죽 표면 위의 붉은색 선을 흑백과 컬러로 촬영할 경우 컬러에서 붉은색 선이 푸른색 배경과 대비되어 더 잘 보이게 된다.

 

이처럼 파장을 이용하면 밝기만을 이용할 때와 비교하여 더 많은 정보를 얻을 수 있다.

 

 

검출하고자 하는 파장의 개수를 증가시키며 검사하는 방법을 Multi-spectral, 또는 Hyper-spectral Imaging이라고 한다.

 

Multi-spectral Imaging은 검출하는 파장이 서로 끊어진 상태이고, Hyper-spectral Imaging은 파장이 끊김 없이 이어진 상태를 의미한다.

 

가시광선보다 길거나 짧은 파장도 검사에 사용된다. 가시광선보다 짧은 파장은 UV (Ultraviolet)이고 반대로 긴 파장은 IR(Infrared)이다. UV는 가시광선으로 볼 수 없는 더 작은 물체를 보거나 UV에 반응하는 물체를 검사한다.

 

 

IR은 가시광선보다 긴 파장을 가지고 있으며 높은 투과율을 지니고 있다. 이에 따라 가시광선이 투과하지 못하는 물질을 투과하여 검사한다.

 

 

편광 (Polarization)

 

빛은 대표적인 전자기파 (Electro-magnetic Wave)로 전기장과 자기장이 진동을 하면서 이동한다. 자연상태의 빛은 전기장과 자기장이 방향성을 가지지 않고 모든 방향에서 진동한다.

 

 

모든 방향에서 진동하는 전기장과 자기장은 특정한 물체를 만나 투과 또는 반사의 과정을 거치면서 완전 편광 또는 부분 편광의 형태를 지니게 된다.

 

 

부분 편광은 자연 상태의 빛이 물체의 표면에서 반사 또는 투과될 때 빛에 의한 전기장의 진동으로 물체의 원자들이 같이 진동을 하기 때문에 발생한다.

 

 

반사 또는 투과된 빛의 편광은 물체의 원자가 진동하게 되는 형태에 영향을 받기 때문에 빛의 편광을 분석하게 되면 해당 물체의 특성을 확인할 수 있다.

 

이처럼 빛의 편광 변화를 이용하여 반사 또는 투과하는 물체의 특성을 확인하는 방법을 Ellipsometry라고 한다.

 

 

빛의 방향 (Vector)

 

렌즈는 물체에서 나온 빛을 받아 센서 쪽에 동일한 형태로 상을 맺게 한다. 3차원의 물체는 렌즈를 통과하여 센서 쪽에 3차원의 상을 만든다.

 

 

그러나 우리가 사용하는 센서는 2차원이기 때문에 센서의 이미지는 2D로밖에 표현되지 않는다. 결과적으로 렌즈에 의해 만들어진 많은 정보들은 센서에 의해 2D 정보로 제한된다.

 

누락된 정보들을 복원하기 위해 여러 가지 시도들이 있어왔다. 그중 하나가 매우 많은 카메라를 이용하여 다양한 방향에서 이미지를 촬영하는 것이다.

 

 

 

 

이 방법을 사용하면 피사체에서 반사하는 빛을 최대한 많은 방향에서 얻을 수 있게 된다.

 

이렇게 다양한 방향에서 얻은 빛을 분석하여 1개의 카메라로는 얻을 수 없는 3D 정보를 얻을 수 있게 된다.

다만 여러 개의 카메라가 필요하기 때문에 공간적인 제약이 있고 각 카메라에서 얻어지는 이미지를 하나의 이미지로 만들기 위한 실질적인 문제점들이 발생하게 된다.

 

이러한 문제점들을 보완하기 위해서 대안으로 나온 방식이 바로 라이트 필드 카메라(Light Field Camera)다.

 

 

라이트 필드 카메라는 Main 렌즈를 이용하여 3차원의 상을 얻고 그 3차원의 상을 센서 앞에 부착한 다수의 마이크로(Micro) 렌즈를 이용하여 다양한 방향에서 다시 촬영한다.

 

 

 

이 방법은 마이크로 렌즈가 센서 앞에 위치하여 하나의 마이크로 렌즈에 최소 수개에서 수십 개의 픽셀이 걸쳐져 카메라 해상도가 저하되는 단점이 발생한다.

 

빛의 위상 (Phase)

 

빛은 파(Wave)다.

 

파가 가지고 있는 여러 가지 특징 중 대표적인 것은 다른 종류의 파들이 서로 모여서 새로운 파를 만들거나 하나의 파가 두 개 이상의 파로 분리될 수 있다는 점이다. 이런 파의 합성과 분리는 보강과 상쇄 간섭을 기본으로 구성된다.

 

 

보강 간섭은 두 개의 파가 서로 같은 위치에서 시작할 경우 두 파의 합이 증가하여 2배가 되는 경우다.

상쇄 간섭은 보강 간섭과 반대로 두 개의 파가 서로 반대로 결합된 상태이며 두 파의 합이 0이 된다.

 

 

빛의 간섭을 위해 그림과 같이 광원에서 나온 빛이 서로 다른 두 개의 경로로 진행하게 된다. 이때 두 개의 경로가 동일하다면 보강 간섭이 일어나게 되고 두 개의 경로가 파장의 1/2만큼 차이가 난다면 상쇄 간섭이 일어나게 된다.

 

이러한 간섭 현상을 이용하여 두 개의 경로 차이를 알 수 있게 되고 Sample에 반사된 빛의 경로가 Reference Plane에 비해 얼마나 길거나 짧은지 알 수 있게 된다.

 

이와 같은 방법으로 Sample의 높이를 알 수 있게 된다. 위상 정보를 이용한 검사 방법은 많은 종류가 있지만 대표적으로 WLI(White Light Interferometry)와 Holography가 있다.

 

헬로티 함수미 기자 |










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