• 좋은 이미지를 얻기 위해서는
• 빛의 색과 물체의 색의 관계
• 빛의 파장
• 자외선과 적외선
• 명시야와 암시야
• 조명입체각

최근, 제조기술의 발달에 의해 여러 가지 제품을 단시간에 대량 생산할 수 있게 된 것으로,
「제품검사」는 고정밀화의 요구, 검사 속도나 신입 교육의 어려움으로부터, 사람에 의한 육안 검사로는 따라잡지 못하고 있습니다.
육안 검사 대신, 산업용 카메라・렌즈로 촬영한 영상 데이터로부터 제품의 불량 유무 등을 검사하는 머신 비전(화상 처리 장치)으로의 대체가 진행되고 있습니다.
머신 비전은 24시간 가동할 수 있어, 프로그램대로 움직이기 때문에 검사 결과의 편차가 적어지는 등 많은 이점이 있습니다만, 단순히 카메라를 설치하면 되는 것이 아닙니다.

사실, 사람의 눈은 우수하며 제품과의 거리나 보는 각도에 따라 항상 초점을 맞출 수 있어,
밝은 곳에서 어두운 곳까지 한 번에 인식하기 쉽고, 부감하여 전체를 보거나, 가깝고 좁은 범위를 보거나 유연하게 대응할 수 있습니다.
대조적으로 머신 비전에서는 종종 운반되어 온 제품을 고정된 카메라, 렌즈, 조명으로,
단 한 장의 화상을 취득하고, 거기에 불량 부분이 명확하게 찍혀 있지 않으면 올바르게 합격 여부를 판정할 수 없습니다.

좋은 이미지란?

새의 사진이 인쇄된 원통형 캔이 있습니다.
이것을 렌즈 + 카메라 + 조명을 결합하여 이미지를 찍어보겠습니다.
좋은 이미지와 나쁜 이미지의 차이는 어디에 있을까요?

VST가 생각하는 좋은 이미지의 조건은 크게 4가지가 있습니다.

• ❶ 분해능
• ❷ 포커스
• ❸ 콘트라스트
• ❹ 밝기의 균일성

좋은 이미지를 얻으려면,
카메라 + 렌즈 + 조명에서 중요한 네 가지를 예제를 통해 살펴보겠습니다.

• 
  

  ❶ 분해능

  분해능(해상도)가 나쁘면 「보고 싶은 것이 보이지 않는다」로 연결됩니다.

  좋은 이미지가 되려면

  검출하고 싶은 정밀도에 맞는 해상도의 카메라 렌즈를 선택하는 것.

• 
  

  ❷ 포커스

  포커스가 맞지 않으면 전체적으로 흐릿한 이미지가 됩니다.

  좋은 이미지가 되려면

  조리개나 조명의 밝기 등으로 피사계 심도를 조정하여, 대상물에 초점을 맞추는 것이 기본입니다. (일부로 흐리게 해 촬영하는 경우도 있음)

• 
  

  ❸ 콘트라스트

  흑백의 명암을 얻지 못하고, 이미지가 선명하지 않습니다.

  좋은 이미지가 되려면

  조명의 밝기나 카메라의 셔터 스피드를 조정해, 강조하고 싶은 부분, 강조하고 싶지 않은 부분을 명확하는 것.

• 
  

  ❹ 밝기의 균일성

  상하좌우로 조명의 조사 방법이 불균일하게 되어 있어, 일부 조명이 겹치게 비쳐 너무 밝아지고 있습니다.

  좋은 이미지가 되려면

  대상에 맞는 조명을, 적절한 위치에서 조사하는 것.

• ❶ 분해능
• ❷ 포커스
• ❸ 콘트라스트
• ❹ 밝기의 균일성

4가지를 종합적으로 의식하는 것으로,
왼쪽과 같은 좋은 이미지를 얻을 수 있습니다.

빛의 색과 물체의 색의 관계

대상물의 색에 대해 어떤 색의 조명을 조사하는가에 따라서, 얻어지는 화상이 바뀝니다.

빛의 삼원색

색상 중 가장 기본적인 삼색으로, 빨강, 초록, 파랑입니다.
영어로는 Red, Green, Blue이며, 그 머리글자를 취해 RGB로 표현됩니다.
삼색의 빛을 같은 비율로 섞으면 하얀 빛이 됩니다.
형광등 등의 실내조명이나 태양광이 하얗게 보이는 이유는 다양한 색의 빛이 균형 있게 섞여 있기 때문입니다.
또한 RGB의 균형을 제어하여 거의 모든 색상을 만들 수 있습니다.

물체의 색을 보는 방법

물체의 색은 태양 등의 광원에서 물체에 도착한 빛 중에, 물체가 흡수하지 않고 반사된 빛의 색으로 결정됩니다.

(예시 1)
빨간 사과에 하얀 빛을 비추면, 파란색과 녹색을 흡수하고, 빨간색만 반사하여 빨갛게 보입니다.
빨간 사과에 녹색 빛을 비추면, 녹색을 흡수하기 때문에 반사하는 색상이 없어, 검은색으로 보입니다.

(예시 2)
노란 바나나에 하얀 빛을 비추면, 파란색을 흡수하고, 빨간색과 녹색의 빛을 섞어 반사하여 노란색으로 보입니다.
노란 바나나에 푸른빛을 비추면, 파란색을 흡수하기 때문에 반사하는 색상이 없어, 검은색으로 보입니다.

물체의 명암은 빛의 색으로 정해진다.

이 성질을 이용해, 색이 있는 물체에 단색의 조명을 사용하면 물체를 「밝게 찍을 것인가」「어둡게 찍을 것인가」를 컨트롤할 수 있습니다.
실제로 흑백 카메라를 사용하여 적색(R) 녹색(G) 청색(B) 의 대상물에 대해, 적색(R) 녹색(G) 청색(B) 각색의 조명을 맞추면 아래와 같이 이미지를 얻을 수 있습니다.

이와 같이 대상물의 색을 포함한 광원색을 조사하면, 대상물을 밝게(흰색) 촬영할 수 있습니다.
반대로, 대상물의 색에 없는 광원색을 조사하면 대상물을 어둡게(검은색) 촬영할 수 있습니다.

빛의 파장

「빛」은 전자파라는 파장의 일종입니다.
이 중 인간의 눈이 포착하는 범위를 「가시광선」이라 부르며, 380nm-780nm(나노미터) 정도의 범위입니다.
화상 처리에 사용되는 파장대는 가시광보다 더욱 넓고, 자외선으로부터 적외선의 범위 내입니다.

파장과 해상력

가시광선의 파장은, 청색이나 자색은 비교적 짧고(단파장), 적색이나 주황색은 깁니다.(장파장)
그 특징은 렌즈에서의 굴절률의 차이에도 연결되어, 특히 고배율의 렌즈의 경우,
광원의 파장의 영향으로 화상의 해상력 차가 현저하게 나타납니다.

δ(μm)＝0.61 × λ ／ NA
（λ=파장, NA=렌즈의 개구수)

분해능은 위의 방정식으로 표현되지만, 동일한 렌즈(같은 NA)를 사용하는 경우,
파장이 길수록 분해능이 커진다 = 미세하게 분해할 수 없게 됩니다.

작은 워크를 고해상도로 촬영하고 싶다면,
조명의 파장과 렌즈의 개구수에 주의하여 선정해야 합니다.

자외선과 적외선

인간의 눈에 보이지 않는 파장 가운데, 가시광선보다 짧은 파장을 「자외선」, 긴 파장을 「적외선」이라고 합니다.
각각의 파장에서는 보이는 것이 다르기 때문에, 대상물에 따라 파장을 구분하는 것이 필요합니다.

자외선으로 파악할 수 있는 이미지

형광체를 포함한 특정한 대상물에 자외선을 조사하면, 자외선을 흡수하고, 보다 긴 파장의 빛을 방출하는 형광 현상(여기(勵起))을 일으킵니다.
이렇게 하면, 가시광선에서 인식하기 어려운 대상물의 위치의 파악을 쉽게 할 수 있습니다.

적외선으로 파악할 수 있는 이미지

특정 물질을 투과할 수 있습니다. 이렇게 하면 가시광선에서 보이지 않는 물체의 내부의 물질을 검출할 수 있습니다.
또한, 적외선의 특정 파장 범위에서는 수분에 흡수되는 성질이 있기 때문에, 주위보다 수분을 많이 포함하는 부분을 어둡게 검출하는 것도 가능합니다.

자연광・가시광에서는 차이가 없지만
장파장이 됨에 따라 물이 검게 비치고,
차이가 분명해집니다.

명시야와 암시야

종이나 표면 처리하지 않은 목재처럼 거칠고 반사율이 낮은 워크는 빛을 어디에서 비추어도 똑같이 밝게 보입니다.
그에 반해 거울이나 표면을 닦은 금속・유리처럼 반들반들해 반사율이 높은 워크는 빛을 어디에서 비추는지에 따라 완전히 다른 이미지가 됩니다.

검사하고 싶은 불량 부를 밝게(하얗게) 포착하고 싶은지, 어둡게(검게) 포착하고 싶은지 조명의 조사 방식을 바꿀 필요가 있습니다.

• 명시야 / 조명 : 스팟 동축 조명

  
• 

• 암시야 / 조명 : 로우 앵글 링 조명

  

• 명시야 / 조명 : 면 조명

  
• 

• 암시야 / 조명 : 로우 앵글 링 조명

  

• 명시야 / 조명 : 무영 링 조명

  
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• 암시야 / 조명 : 박스 동축 조명

  

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• 암시야 / 조명 : 바 조명

  

조사 입체각

워크의 표면에 요철이 있는 경우는 아래와 같은 패턴으로 촬영할 수 있습니다.

①요철을 불량으로 눈에 띄게 하고 싶을 때
②요철 자체는 불량이 아니고, 다른 얼룩 등을 검출하고 싶기 때문에, 요철을 눈에 띄게 하고 싶지 않을 때

①과 ②에서는 완전히 다른 결과를 얻는 것이 필요합니다만, 그것은 「조사 입체각」을 조정하는 것으로 가능하게 됩니다.

조사 입체각이란 물체가 있는 점에 대해서 입사해 오는 빛의 각도의 넓이를 나타내고, 조사 입체각의 대소로 요철의 보이는 방법의 제어를 할 수 있습니다.

①요철을 눈에 띄게 하고 싶은 경우 → 가능한 한 발광 면이 작은 조명을 멀리 설치하는 것으로 실현할 수 있습니다. (조사 입체각이 작음)
②요철을 눈에 띄게 하고 싶지 않은 경우 → 발광 면의 큰 조명을 근처에 설치하는 것으로 눈에 띄기 어려워집니다. (조사 입체각이 크다)

백라이트로 대상의 실루엣을 포착하는 경우에 있어서도 중요한 검토사항이 됩니다.

• 조사 입체각이 크다
  금속 워크의 파인 부분이 보이지 않는다

  • 
  • 돔 조명 + 동축 조명을 워크 근처에서 조사
• 

• 조사 입체각이 작다
  요철이 강조되어, 파인 부분을 추출 가능하게

  • 
  • 동축 조명을 워크에서 떨어진 위치에서 조사

• 조사 입체각이 작다
  요철이 강조되어, 이물이 보이지 않는다

  • 
  • 가는 바 조명을 비스듬히 조사
• 

• 조사 입체각이 크다
  요철을 없애고, 이물을 추출

  • 
  • 돔 조명을 워크 근처에서 조사

• 조사 입체각이 크다
  백라이트로 촬영했을 때, 빛의 회전이 발생하여,
  실루엣을 포착하기 어렵다

  • 
  • 워크 보다 큰 사이즈의 백라이트를 워크 근처에서 조사
• 

• 조사 입체각이 작다
  빛의 회전이 적고, 실루엣을 명확하게 인식할 수 있기 때문에
  치수 측정 등에 적합하다

  • 
  • 워크 보다 조금 크게 비추는 사이즈의 백라이트를 워크에서 떨어진 위치에서 조사

이상으로 조명의 색・종류・크기・설치 방법에 의해 대상물을 보는 방법이 변화하기 때문에
선정 방법은 카메라・렌즈와 함께 매우 중요합니다.
브이 에스 테크놀로지에서 실제 대상물의 검증이 가능하오니 상담해 주십시오.