머신 비전 시스템용 광학 부품을 선택하는 데에는 엄청나게 큰 위험이 따릅니다. 고해상도 라인 스캔 카메라를 부적절한 광학 설정과 결합하면 근본적으로 병목 현상이 발생합니다. 심각한 가장자리 왜곡, 심한 비네팅 또는 완전히 실패한 자동 검사의 위험이 있습니다.
표준 영역 스캔 시스템과 달리 라인 스캔 애플리케이션은 연속 고속 모션에서 작동합니다. 그들은 종종 8k에서 16k 픽셀 이상에 이르는 대규모 센서를 활용합니다. 이러한 정교한 시스템은 센서 라인 전반에 걸쳐 주변 흐림이나 초점 저하에 대한 여유가 전혀 없습니다.
강력한 검사 시스템을 구축하려면 기본 초점 거리 계산 그 이상을 살펴봐야 합니다. 오른쪽 선택 Line Scan Camera Lens는 정확한 이미지 서클을 평가하고 정밀한 광학 곡선을 분석해야 합니다. 또한 픽셀 피치 호환성을 확인하고 극심한 환경 제약을 고려해야 합니다. 이 가이드에서는 성공적인 통합을 보장하기 위해 이러한 엄격한 광학 요구 사항을 탐색하는 방법을 살펴보겠습니다.
라인 스캔 시스템은 기존 영역 스캔 구성과 근본적으로 다릅니다. 광학 경로를 설계할 때 엔지니어는 라인 스캔 문제에 영역 스캔 원리를 실수로 적용하는 경우가 많습니다. 이로 인해 즉각적인 하드웨어 비호환성이 발생합니다.
센서 크기의 현실
라인 스캔 센서는 표준 영역 스캔 센서보다 훨씬 깁니다. 평균 영역 스캔 센서는 대각선으로 11mm~16mm를 측정할 수 있지만 라인 스캔 센서의 길이는 일반적으로 35mm, 62mm 또는 심지어 82mm에 이릅니다. 표준 C-마운트 영역 스캔 렌즈는 이러한 대규모 크기를 커버할 수 없습니다. 대형 센서에 표준 렌즈를 부착하면 센서 모서리가 완전히 어두워집니다.
모션 및 조명
연속 웹 모션은 라인 스캔 애플리케이션을 정의합니다. 빠르게 움직이는 컨베이어 벨트는 놀라울 정도로 짧은 노출 시간을 필요로 합니다. 이러한 특정 요구 사항으로 인해 넓은 조리개에 최적화된 렌즈를 사용해야 합니다. 넓은 조리개는 고속에서 광 처리량을 극대화합니다. 그러나 조리개를 열면 피사계 심도가 감소합니다. 적절한 초점 심도와 함께 대규모 집광 성능의 균형을 맞출 수 있는 광학 장치를 지정해야 합니다.
장착 표준
센서는 물리적으로 크기 때문에 라인 스캔 카메라에는 견고한 산업용 마운트가 필요합니다. 일반적인 표준에는 F-마운트, M42, M58 및 M72 스레드 연결이 포함됩니다. 나사형 마운트는 뛰어난 기계적 안정성을 제공합니다. 기계적 강성은 진동이 심한 공장 환경에서 렌즈 배럴이 초점을 벗어나 진동하는 것을 방지하는 데 절대적으로 중요합니다.
표 1: 영역 스캔과 라인 스캔 광학 요구 사항
| 매개변수 | 영역 스캔 초점 | 라인 스캔 초점 |
|---|---|---|
| 센서 형식 | 직사각형(예: 4:3, 16:9) | 선형 배열(예: 1x8192픽셀) |
| 일반적인 마운트 | C-마운트, CS-마운트 | F-마운트, M42, M58, M72 |
| 이미지 서클 | 11mm ~ 22mm(일반적으로) | 35mm ~ 82mm+ |
| 일루미네이션 시너지 | 스트로브 또는 연속 영역 조명 | 고강도 집속선 조명 |
사양 중에는 하나의 절대 규칙을 따라야 합니다. 이미지 서클 직경은 센서 길이보다 크거나 같아야 합니다. 이미지 서클은 후면 광학 요소에 의해 카메라 평면에 투사된 빛의 물리적 원뿔을 나타냅니다.
크기가 작은 이미지 서클이 있는 렌즈를 사용하면 극도의 위험이 따릅니다. 스캔 라인의 맨 끝 가장자리에 즉각적인 음영이 발생합니다. 이 현상을 기계적 비네팅이라고 합니다. 모서리에 조명이 부족한 경우 소프트웨어 개선을 통해 손실된 검사 데이터를 복구할 수 없습니다. 항상 광학 제조업체가 지정한 최대 센서 적용 범위를 확인하십시오.
광학 배율은 센서 평면에 물체가 얼마나 크게 나타나는지 나타냅니다. 센서 길이를 필요한 시야(FOV)로 나누어 광학 배율을 계산합니다. 이 비율을 설정하는 것은 모든 비전 프로젝트의 첫 번째 수학적 단계입니다.
엔지니어들은 여기서 중요한 절충점에 직면합니다. 고정 초점 거리 렌즈는 다양한 작동 거리에 걸쳐 유연성을 제공합니다. 반대로 매크로 렌즈는 특정 재현 비율에 크게 최적화되어 있습니다. 매크로 렌즈는 플로팅 요소를 활용하여 매우 짧은 작동 거리에서 해상도를 최대화하므로 평평한 웹의 미세한 결함을 검사하는 데 이상적입니다.
렌즈 해상도는 밀리미터당 라인 쌍(lp/mm)으로 객관적으로 측정됩니다. 이 측정 기준은 광학 장치가 미세한 교대로 검은색과 흰색 선을 얼마나 잘 구별하는지 나타냅니다.
결정 규칙은 간단합니다. 렌즈는 센서의 나이퀴스트 주파수와 일치하거나 그 이상이어야 합니다. 물리적 픽셀 크기를 사용하여 이 제한을 계산합니다. 예를 들어, 5 µm 픽셀 피치를 갖춘 센서의 이론적 최대 해상도는 100 lp/mm입니다. 이 센서를 50lp/mm 분해능만 가능한 렌즈와 결합하면 결과 이미지는 조명에 관계없이 본질적으로 흐릿한 상태로 유지됩니다.
유리 코팅을 간과하지 마십시오. 특정 광원에 맞는 렌즈 코팅의 중요성을 강조해야 합니다. 제조업체는 가시광선, 근적외선(NIR) 또는 단파 적외선(SWIR) 파장의 투과를 최적화하기 위해 유리 요소를 코팅합니다.
귀하의 응용 분야가 여러 파장을 동시에 사용하는 경우 광대역 반사 방지 코팅이 반드시 필요합니다. 코팅되지 않은 렌즈나 부적절하게 코팅된 유리를 사용하면 내부 반사, 잔상 및 이미지 대비가 크게 감소합니다.
MTF(변조 전달 함수)는 광학 품질의 궁극적인 벤치마크 역할을 합니다. 그러나 많은 구매자는 이러한 그래프를 잘못 해석하여 부적절한 하드웨어를 구입합니다.
중심 선명도를 넘어서
높은 중심 해상도만을 자랑하는 렌즈를 지정하는 것에 대해 강력히 경고합니다. 렌즈는 정중앙에서는 뛰어난 성능을 발휘하지만 가장자리 근처에서는 성능이 저하되는 경우가 많습니다. 라인 스캔 카메라는 가장자리 간 데이터의 연속 스트림을 캡처하므로 전체 시야에 걸쳐 MTF 곡선을 평가해야 합니다. 가장자리 대비가 심각하게 떨어지면 생산 라인에서 잘못된 거부가 발생합니다.
곡선
MTF 차트를 읽으면 가로 축의 센서 중심으로부터의 거리에 대해 세로 축의 명암 비율이 표시됩니다. 여러 선은 서로 다른 공간 주파수(lp/mm)를 나타냅니다. 특정 목표 해상도에서 대비 비율을 해석해야 합니다. 표준 산업 벤치마크에서는 안정적인 소프트웨어 가장자리 감지를 보장하기 위해 센서의 Nyquist 주파수에서 최소 20%~30% 대비를 유지해야 합니다.
회의적인 평가
우리는 구매자에게 제조업체 데이터에 적극적으로 질문할 것을 권고합니다. 항상 정확한 작업 배율로 계산된 MTF 데이터를 요청해야 합니다. 이론적 무한 MTF 데이터는 매우 오해의 소지가 있습니다. 무한 초점에서 완벽하게 작동하는 렌즈는 150mm 떨어진 곳에 초점을 맞추면 끔찍한 구면 수차가 발생할 수 있습니다. 이론적 무한대 차트는 근접 머신 비전 작업에는 본질적으로 쓸모가 없습니다.
산업마다 고유한 광학 요구 사항이 있습니다. 식품 검사 산업은 광학 하드웨어에 있어서 가장 가혹한 환경 중 하나입니다.
색수차
광학 선별 기계는 신속하게 쌀 등급을 매기고, 견과류를 분류하고, 결함이 있는 커피 원두를 제거합니다. 이러한 기계는 색상 정확도에 크게 의존합니다. 렌즈에 측면 색수차가 있는 경우 정렬이 완전히 실패합니다. 색수차는 서로 다른 파장의 빛이 정확히 동일한 초점면에 초점을 맞추지 못할 때 발생합니다. 이로 인해 개체 가장자리에 심각한 색상 줄무늬가 생성됩니다. 작은 유기 재료를 분류할 때 컬러 프린징은 비전 소프트웨어를 혼란스럽게 하고 분류 알고리즘을 방해합니다.
다중 스펙트럼 및 SWIR 기능
현대 식품 산업은 점점 더 고급 이미징 스펙트럼에 의존하고 있습니다. NIR 및 SWIR 파장을 사용하는 쪽으로 엄청난 변화가 일어나고 있습니다. SWIR 이미징은 수분 함량을 감지하거나 제품 스트림 내부에 혼합된 눈에 보이지 않는 이물질을 식별하는 데 탁월합니다. 전용을 지정해야 합니다. 식품 분류 라인 스캔 렌즈입니다 . 적외선 파장에 맞게 특별히 보정된 표준 가시 렌즈는 적외선을 캡처할 때 초점 이동으로 인해 SWIR 데이터가 흐릿해집니다.
환경 현실
식품 가공 공장은 가혹한 환경입니다. 엄격한 환경 내구성이 필요합니다. 이러한 시설에 장착된 렌즈는 빈번한 화학적 세척과 높은 습도에 직면합니다. 적절한 IP 등급을 찾아야 합니다. 더욱이, 폭력적인 분류 메커니즘은 강렬한 진동을 발생시킵니다. 수백만 번의 정렬 주기 동안 광학 정렬을 유지하려면 조리개와 초점 링 모두에 대한 잠금 나사가 필수입니다.
우수한 광학 장치를 확보하는 것은 전투의 절반에 불과합니다. 잘못된 통합 전략은 우수한 하드웨어를 망칩니다. 여러 가지 일반적인 기계적 및 환경적 위험을 사전에 관리해야 합니다.
조명 불일치
고품질 렌즈는 조명이 올바르지 않으면 여전히 눈에 띄게 실패합니다. 라인 스캔 조명은 엄청나게 좁고 집중도가 높은 LED 라인을 사용합니다. 라인 라이트가 완벽하게 정렬되지 않고 카메라의 광학 초점과 정확히 동일한 공간 평면에 초점이 맞춰지지 않으면 이미지가 어둡고 노이즈가 많아 보입니다. 조명면과 피사계 심도 사이의 완벽한 동축 정렬을 달성하려면 고정밀 장착 브래킷이 필요합니다.
기계 간섭
엔지니어는 CAD 설계 단계에서 물리적 치수를 간과하는 경우가 많습니다. 고성능 라인 스캔 광학 장치는 거대한 유리 요소를 활용하여 외부 배럴 직경이 커집니다. 이로 인해 기계적 간섭이 발생할 위험이 높습니다. 대구경 렌즈는 특히 짧은 작동 거리에서 기계 보호 장치, 컨베이어 레일 또는 LED 조명 장치 자체와 자주 충돌합니다.
열 드리프트(Thermal Drift)
산업 환경은 극심한 온도 변동을 겪습니다. 고강도 라인 조명은 막대한 양의 국부적인 열을 발생시킵니다. 이 복사열은 렌즈 메커니즘에 직접적인 영향을 미칩니다. 열 팽창은 금속 렌즈 경통의 물리적 길이를 변경합니다. 열은 또한 유리 요소의 굴절률을 변경합니다. 이 조합은 열 드리프트를 발생시켜 연중무휴 연속 작동 주기에 걸쳐 초점 안정성을 저하시킵니다. 최종 초점을 보정하기 전에 시스템이 열 평형에 도달할 수 있도록 해야 합니다.
광학 카탈로그를 탐색하는 것은 부담스러운 일입니다. 호환되지 않는 하드웨어를 신속하게 제거하려면 엄격한 절차적 프레임워크를 따르는 것이 좋습니다. 옵션을 체계적으로 필터링하면 프로젝트 예산과 일정을 보호할 수 있습니다.
답변: 기본 공식을 사용하여 이를 결정할 수 있습니다: 센서 길이 = 픽셀 수 × 픽셀 피치. 음영을 방지하려면 선택한 렌즈의 이미지 서클 직경이 계산된 물리적 길이를 엄격하게 초과해야 합니다.
A: 세 가지 일반적인 원인으로 인해 이 특정 결함이 발생합니다. 기계적 비네팅을 유발하는 크기가 작은 이미지 서클이 있을 수 있습니다. 렌즈의 가장자리 MTF 성능이 좋지 않을 수 있습니다. 마지막으로, 평면 필드용으로 광학적으로 설계되지 않은 렌즈를 사용하여 필드 곡률이 발생할 수 있습니다.
A: 아니오, 이것을 피해야 합니다. 소비자용 F-마운트 렌즈는 물리적으로 카메라에 딱 맞지만 공장에서 요구되는 진동 방지 잠금 나사가 전혀 없습니다. 게다가 소비자용 사진 렌즈는 산업용 머신 비전 작업에 필요한 특정 매크로 배율에 최적화된 경우가 거의 없습니다.
